Wind-wervelingen op de brug: niet ‘gevaarlijk’ wel ‘onwenselijk’

Alledaagse wetenschap Wekelijks zoekt Karel Knip naar antwoorden op gebeurtenissen en verschijnselen. Op een stalen boogbrug in Amsterdam zitten plotseling spiralen om de hangers. Die moeten voorkomen dat de hangers gaan trillen door de wind.

De Schellingwouderbrug in Amsterdam met om elke hanger een dubbele stalen spiraal. AW

Zó krachtig scheen de zon zondag dat een fietstocht naar Waterland een goed plan leek. Na een jaar of wat eens kijken hoe de compensatienatuur voor de kust bij Durgerdam erbij lag. Zien of de historische Zuiderzeedijk al op deltahoogte was gebracht. Liep het EuroParcs Resort bij Uitdam al een beetje? Er verandert daar van alles.

Maar op de Schellingwouderbrug kwam gelijk al een vreemde verrassing. De brug verbindt het Zeeburgereiland met de dijk bij Schellingwoude en ligt er sinds 1957. Het eiland, eigenlijk een baggerbergplaats, moet een bruisende stadswijk worden en vooruitlopend daarop had men de brug kennelijk een opknapbeurt gegeven. Nieuw wegdek, breder fietspad, andere railing, nieuwe verf.

De Schellingwouderbrug is een brug zonder poeha. Het is een stalen boogbrug, een boogbrug-met-trekband om precies te zijn. Het rijdek, ongeveer 105 meter lang, hangt met ‘hangers’ aan een stalen boog. De naar buiten gerichte wijkkrachten in de boog worden door het rijdek opgenomen, dat is het idee van de trekband. De brug heeft 2 x 13 vertikaal gemonteerde dikwandige stalen hangers, stuk voor stuk cirkelvormig op doorsnede en met een diameter van ongeveer 9 cm. Het is een mooie brug.

Wat opeens anders leek dan anders was de dubbele stalen spiraal die om elke hanger was aangebracht. In zwart plastic gevatte stalen kabels kronkelden van onder naar boven langs de hangers alsof het feest was. Elke afzonderlijke helix met een spoed van ongeveer 40 cm per rondgang. Het zag er raar en geïmproviseerd uit. En deed afbreuk aan de strakheid van het brugontwerp. Wie had dit gedaan?

‘s Avonds windgekust en zonverbrand het internet op. De zaak blijkt anders dan het leek. De brug is niet gerenoveerd, hij is vervangen – bij een boogbrug kan dat. In het project KARGO heeft Rijkswaterstaat tussen 2010 en 2015 acht stalen boogbruggen over het Amsterdam-Rijnkanaal gerenoveerd of vervangen, en bij de Schellingwouderbrug werd het vervangen. Dat de brug helemaal niet over het Amsterdam-Rijnkanaal ligt maakte niet uit, het scheelt maar een paar honderd meter.

Nieuw brugontwerp

Het ingenieursbureau van Rotterdam ontwierp de nieuwe brug, KWS-Mercon in Gorinchem construeerde hem en in juni 2012 werd het gevaarte via de Noordzee naar Schellingwoude gebracht. De oude brug werd eruit gevaren, de nieuwe erin en wie niet goed had opgelet heeft nooit gemerkt dat de nieuwe brug de oude niet was. Dat was ook de opdracht van Rijkswaterstaat, zegt Jaco Reusink, adviseur van het Rotterdamse ingenieursbureau, de uitstraling van de boogbruggen over het Amsterdam-Rijnkanaal moest behouden blijven. De nieuwe brug is praktisch een replica.

Maar niet alles bleef hetzelfde. Er werden andere materialen toegepast en de constructie is – inwendig, onzichtbaar – versimpeld. Er zitten minder schotjes en verbindingen in dan vroeger. Dat is goedkoper, maar maakte de brug windgevoeliger.

Achter de ongekend glad afgewerkte, perfect cilindervormige hangers ontstaan hinderlijker windwervels dan vroeger.

Ze kunnen in de hangers trillingen opwekken die minder dan vroeger door de constructie worden gedempt, zegt Reusink. „Of het zo zal zijn is vooraf nauwelijks te berekenen, dat moet je afwachten.” Maar kort nadat de Schellingwouderbrug was geplaatst bleken de langste hangers bij bepaalde windsnelheden inderdaad merkbaar te trillen. Niet gevaarlijk, beklemtoont Rijkswaterstaat na bedenktijd, maar onwenselijk. Mensen vinden het geen prettig gevoel.

De lezer denkt nu aan de slingerende tuidraden van de Erasmusbrug in Rotterdam, maar dat moet hij niet doen. De Erasmusmisère (1996) was een gecompliceerd wind-plus-regen effect. De nieuwe Schellingwouderbrug bleek gevoelig voor droge wind. Als een gestaag blazende wind voldoende dwars op de brug staat vormt zich aan lijzijde van de hangers een zogenoemde Von Kármán-wervelstraat, een natuurlijk fenomeen dat rond 1907 voor het eerst is beschreven.

Spiralen wèrken, maar ze zijn foeilelijk, daar zijn alle bruggenbouwers het over eens.

Google (‘Kármán vortex street’) heeft mooie animaties. In een vast ritme laten achter de cilinders luchtmassa’s los die om-en-om in linker of rechter werveling raken, bij hangers met een diameter van 9 cm kunnen het er per seconde, afhankelijk van de wind, 5 tot 25 zijn (5 tot 25 Hz). De hangers ondergaan hiervan een ritmische belasting en als die in de buurt komt van een van de ‘eigenfrequenties’ kunnen ze steeds harder gaan trillen, zoals een schommel met kleine zetjes tot grote hoogte is op te slingeren als de zetjes in het juiste tempo komen. De zeven verschillende hangers, met lengten van 5 tot 15 meter, hebben eigen frequenties die variëren van 23 tot 4 Hz. Vooral de lange hangers gingen voelbaar trillen. Niet gevaarlijk maar onwenselijk.

Er zijn middelen om opgewekte trillingen te dempen, zie de dempers op de Erasmusbrug, maar je kunt ook proberen de invloed van de luchtwervels op de hangers te verkleinen. Je kunt ribbeltjes op, of putjes in, het oppervlak van de hangers maken en meer van dit soort dingen. Maar meestal worden tegenwoordig ‘vortex spiralen’ aangebracht, zoals bij de Schellingwouderbrug. Het is een beproefd middel dat in 1957 door de Britten Scruton en Walshe is bedacht en dat nog het meest in het oog springt bij allerlei metalen fabriekspijpen die ermee werden geholpen. De spiralen, vaak in de vorm van een opstaande vin, verstoren de wervelvorming zó dat de wervels minder invloed hebben. Soms worden ze als dubbele helix uitgevoerd, nog vaker als drievoudige helix, de keuze berust in hoge mate op empirie. Ze wèrken, maar ze zijn foeilelijk, daar zijn alle bruggenbouwers het over eens. Maar wat moet dat moet.