Voortijdige defecten aan bruggen, pijpleidingen en offshore wind turbines die in gebruik zijn kunnen ernstige gevolgen hebben, zoals het verlies van mensenlevens en onvoorziene en langdurende periodes van uitval die gevolgen hebben voor de veiligheid en de economie. In augustus 2018 stortte in het Italiaanse Genua de Morandi-brug in. De ramp kostte aan 43 mensen het leven. De instorting was het gevolg van jarenlang achterstallig onderhoud, zegt Alice Cicirello, associate professor Mechanics and Physics of Structure (MPS). “Het drama heeft laten zien hoe belangrijk het is om constructies als bruggen voortdurend te monitoren. Met goede monitoring breng je in beeld in welke conditie een brug verkeert en kun je tijdig ingrijpen als er mankementen en risico’s ontstaan.” De Morandi-brug was niet de enige brug die het de laatste jaren begaf door gebrekkige monitoring en onderhoud. Ook in Nederland liggen gevaren op de loer. Uit recent onderzoek bleek dat de in 2016 gesloten Merwedebrug kampte met reëel instortingsgevaar. In 2018 gaf de Nederlandse overheid naar schatting 400 miljoen euro uit aan achterstallig onderhoud van bruggen.

Slecht functionerende monitoringssystemen

Monitoring van civiele bouwwerken gebeurt aan de hand van sensoren die allerlei data verzamelen die we gebruiken om de staat van de constructie vast te stellen, zegt Cicirello. “Probleem is dat deze sensoren vaak niet op de juiste plek zijn geïnstalleerd of gewoon niet goed functioneren door schade of ouderdom. Daardoor zijn data vaak onvolledig of onbetrouwbaar. Dit kan ertoe leiden dat onveilige situaties niet worden gedetecteerd. Bovendien kan een gebrekkig bewakingssysteem de redenen voor de invoering van bewakingstechnologieën ondermijnen.

Naast onvoldoende bruikbare data levert een foutief monitoringssysteem ook onnodig oponthoud op, bijvoorbeeld als sensoren een vals alarm geven over een defect. Als een brug vervolgens dichtgaat, moet verkeer vaak een enorm stuk omrijden. Met mijn onderzoek wil ik monitoringsstrategieën verbeteren en ontwerptools ontwikkelen die zorgen voor een betere prestatie en langere levensduur van bouwwerken. Zeker met oog op de grote onderhouds- en vervangingsopgave waar Nederland voor staat, is dat van belang. Veel bruggen gaan richting het einde van hun levensduur.”

Vibratie

Voordat Cicirello in januari 2020 naar Delft kwam, deed ze in Italië een bachelor en master Civil Engineering en in Cambridge een PhD in Mechanical Engineering. Ook gaf ze les aan de Universiteit van Oxford. In haar werk doet ze veel onderzoek naar trillingen. “Alles om ons heen vibreert. Dankzij deze vibratie horen we geluiden en kunnen we met elkaar communiceren. Maar trillingen zorgen er ook voor dat er defecten of storingen optreden. Niet alleen aan bruggen, maar ook aan auto’s, boormachines en andere apparaten en objecten. Voor een zo lang mogelijke levensduur moet je dus de trillingen van je objecten snappen. Alleen is het gedrag van een grootschalige constructie die uit meerdere componenten bestaat nooit helemaal goed te voorspellen. Er zijn altijd onzekere factoren die invloed hebben op de conditie en levensduur. Bij een brug spelen bijvoorbeeld weersomstandigheden, zoals wind en temperatuur, en de belasting door het verkeer een rol.”

Onzekerheden

Die onzekerheden beschouwt Cicirello niet zozeer als een obstakel, maar maken haar werk juist enorm uitdagend. “Er zijn in de wetenschap nu eenmaal dingen die we niet kunnen beïnvloeden of voorspellen. Daar hebben we ook in ons eigen dagelijks leven mee te maken. Toch moeten we beslissingen nemen onder onzekere omstandigheden. De vraag is niet zozeer hoe we die onzekerheden onder controle krijgen, maar hoe we ermee omgaan. Een van de manieren is door de impact van oncontroleerbare dingen zoveel mogelijk te beperken. Dat kan bijvoorbeeld door een constructie bij het ontwerp zo weerbaar mogelijk te maken voor de invloed van wind of zware belasting door verkeer. Vervolgens helpt een goede monitoringsstrategie om tijdens de levensduur data te verzamelen over de invloed van onvoorziene zaken en externe factoren en daarop in te spelen.”

Integrale benadering onderzoek

Voor haar onderzoek naar trillingen en onzekerheden richtte Cicirello in 2017 in Oxford een speciaal onderzoekslab op, de Dynamics, Vibration and Uncertainty Group. In Delft startte ze een vergelijkbaar lab, met een kleine naamswijziging: het Monitoring, Vibration and Uncertainty Lab (MVU). Cicirello: “In het lab doen we onderzoek aan de hand van een integrale benadering. We kijken naar fysica, bouwen wiskundige modellen, doen experimenten, kwantificeren onzekerheden en maken gebruik van machine learning-technieken. Zo’n integrale benadering is belangrijk om het gedrag van een constructie in z’n geheel goed te kunnen begrijpen. Zonder een experiment weet je bijvoorbeeld niet of de aannames uit je modellen kloppen. En monitoring en machine learning hebben we weer nodig om data uit de praktijk te verzamelen en te verwerken.”

Digitale kopie werkelijkheid

Cicirello legt uit hoe een integrale benadering helpt bij het verbeteren van de levensduur van bouwwerken. “Het begint met het verzamelen van data over een brug, zoals de vorm, het materiaal en de omgeving waarin die staat. Op basis hiervan kunnen we op de computer een representatief model van de constructie bouwen. Dit model fungeert als een virtuele replica van de constructie, de zogenaamde digital twin, waarmee de prestaties van de constructie kunnen worden onderzocht nog voordat er gebouwd wordt en ook als deze in gebruik is. Zo kan bijvoorbeeld een digitale tweeling van een brug worden ontwikkeld. In zo’n digital twin voegen we vervolgens allerlei onzekere elementen toe, zoals harde wind of zware belasting van verkeer. Dan kun je zien waar zich kritieke en kwetsbare punten bevinden. Dat helpt bij een robuust ontwerp, maar ook bij het bepalen waar je monitoringsensoren moet plaatsen. Als de brug eenmaal in gebruik is, kun je de data uit de monitoring weer gebruiken om de digital twin te updaten. Zo maak je steeds nauwkeurigere voorspellingen over de levensduur.”

Vele voordelen

Robuuster ontwerpen en betere monitoring van bruggen heeft volgens Cicirello diverse voordelen. “Het belangrijkste is natuurlijk de veiligheid voor mensen. Kijk maar naar de gevolgen van de Morandi-brug. Daarnaast zorgt het goed in beeld brengen van kwetsbare plekken dat onderhoud in een vroeg stadium en op de juiste plek uitgevoerd kan worden. Dat bespaart een hoop kosten; achterstallig onderhoud is veel duurder dan preventief onderhoud. Met de digital twin methode verleng je ook de levensduur van een constructie, waardoor je veel energie en materialen bespaart. Het is dus ook beter voor het milieu. Verder zorgen betere monitoringsystemen voor minder oponthoud, doordat de sensoren geen valse alarmen meer afgeven.”

Samenwerking partners

Voor haar onderzoek werkt Cicirello veel samen met partijen uit het veld, zoals Rijkswaterstaat. “Als beheerder van infrastructuur is Rijkswaterstaat verantwoordelijk voor monitoring en onderhoud van veel bruggen in Nederland. Samen kijken we hoe we hun bestaande monitoringsprogramma kunnen verbeteren. Waar kun je het beste sensoren plaatsen, hoe voorkom je een falend monitoringssysteem en wanneer ga je over tot onderhoud- en herstelwerkzaamheden? We hopen binnen een jaar of vijf tot tien goed werkende tools te hebben om effectieve monitoring in de praktijk te brengen.”