Hoe sterk zijn houten palen na jaren in de grond?

De gemeente Amsterdam beheert 150 tot 200 kilometer kademuren en ruim 260 bruggen die zijn gefundeerd op houten palen. Hoe het staat met de draagkracht van deze circa 1.000.000 palen – die soms honderden jaren oud zijn – is niet bekend. Een breed onderzoeksprogramma, waarbij de gemeente samenwerkt met de TU Delft, Deltares en de gemeente Rotterdam, moet daarin verandering brengen.

“Toen Rijkswaterstaat een aantal jaren geleden de veiligheid en draagkracht van de rijksbruggen in kaart bracht, kregen wij vanuit de gemeenteraad de vraag hoe het staat met de constructieve veiligheid van de gemeentelijke bruggen en kades”, vertelt Bart Manders, projectleider Constructies en waterbouw bij het ingenieursbureau van de gemeente Amsterdam. “Dat was een goede een terechte vraag, maar wij konden hem helaas niet beantwoorden. De normen voor rijksbruggen konden we namelijk niet een-op-een toepassen voor de bruggen in de binnenstad. Bovendien zijn de meeste bruggen en kades in Amsterdam op houten palen gefundeerd en eigenlijk is er geen goede methodiek om de constructieve veiligheid van deze palen te beoordelen.”

Manders vervolgt: “Er is wel een richtlijn voor houten palen onder gebouwen. Deze richtlijn is ontwikkeld door het platform Funderingsonderzoek van het Kenniscentrum aanpak funderingsproblematiek. Het is echter lastig om deze richtlijn toe te passen voor de beoordeling van de palen onder onze bruggen en kades. Dat komt doordat deze palen allemaal volledig onder water staan en het voorgeschreven meetinstrument, de Pilodyn waarmee de aantasting van het hout wordt bepaald, niet geschikt is voor gebruik onder water. Daarom hebben we een paar jaar geleden besloten om de houtsterkte op een andere manier vast te stellen en een Amsterdams kader te ontwikkelen dat in lijn is met de richtlijn voor houten paalfunderingen onder gebouwen.”

‘Bij inspecties zien we meestal weinig signalen van schade. We vermoeden dan ook dat er op sommige plekken sprake is van ‘verborgen veiligheid’’

“Sindsdien laten we een duiker met een soort grote appelboor een houtkern uit de paalkop boren, die vervolgens in een laboratorium wordt geanalyseerd. Het laboratorium onderzoekt de mate van aantasting en geeft op basis van het vochtgehalte een indicatie van de houtsterkte. Vervolgens bepalen wij aan de hand van deze analyse de reststerkte van de paal. Ook met deze aangepaste methode blijken we nog veel bruggen en kades stuk te rekenen. Dat verbaast ons, want als we ze inspecteren zien we meestal weinig signalen van schade. We vermoeden dan ook dat er op sommige plekken sprake is van ‘verborgen veiligheid’. Om die verborgen veiligheid aan te tonen en een betere inschatting te kunnen maken van de draagkracht van de palen, zijn we een onderzoeksprogramma gestart. Dit bestaat uit drie deelonderzoeken. Het eerste richt zich op de geotechnische draagkracht van houten funderingspalen, het tweede op de constructieve draagkracht en het bijhorend bezwijkgedrag van deze palen, en het derde op alternatieve meetinstrumenten om de mate van aantasting te bepalen van de palen onder onze bruggen en kades.”

In het Programmaplan bruggen en kademuren presenteert de gemeente Amsterdam de gekozen strategie en aanpak. (Beeld: gemeente Amsterdam)

Proeftuin

“Een typische eigenschap van houten palen is dat ze taps zijn”, stelt Rodriaan Spruit. Hij is als geotechnisch adviseur namens het Ingenieursbureau Stadsontwikkeling Rotterdam vooral betrokken bij het eerste deelonderzoek van Amsterdamse onderzoeksprogramma. “Mogelijk dat ze daardoor meer draagkracht hebben dan je verwacht. Zo hebben tapse palen meer schachtwrijving dan palen met een rechte schacht en zijn ze waarschijnlijk ook minder gevoelig voor negatieve kleef, het verschijnsel dat zakkende grondlagen die aan de paal kleven, de paal naar beneden trekken. Wellicht verklaart dat een deel van de verborgen veiligheid.”

Manders: “Om meer inzicht te krijgen in het gedrag van houten palen hebben we in Overamstel een proeftuin ingericht. Hier onderzoeken we onder andere hoeveel belasting een nieuwe paal kan hebben die sterk overeenkomt met de palen die vroeger werden gebruikt voor het funderen van bruggen. In de proeftuin hebben we ruim vijfentwintig palen aangebracht. Deze palen komen allemaal uit Europese bossen, hebben eenzelfde paalpuntdiameter en zijn op traditionele wijze met een heistelling, valblok en lier tot 0,25 of 0,50m meter in de eerste zandlaag geheid. Op elke paal brengen we een proefbelasting aan die we in een dag steeds verder opvoeren totdat de paal geotechnisch bezwijkt en geen draagvermogen meer heeft. Inmiddels is een deel van de proeven door een afstudeerder van de TU Delft en Deltares geanalyseerd. De eerste resultaten lijken positief.”

Glasvezelkabels

“Bij de proeven willen we niet alleen de maximale draagkracht van de palen vaststellen, maar ook onderzoeken waar een paal zijn kracht aan de grond afdraagt”, licht Spruit toe. “Welk deel komt bijvoorbeeld voor rekening van de paalpunt in het zand en hoeveel draagt de schachtwrijving eraan bij? Om dat te bepalen, hebben we de palen voorzien van glasvezelkabelsensoren. Door licht door deze glasvezelkabels te sturen, kunnen we de optredende rek meten. Als een glasvezel onder spanning komt te staan, verandert namelijk de kleur van het licht. Met een speciaal apparaat kunnen we die kleurverandering waarnemen en daarmee de rek bepalen.”

‘Als een glasvezel onder spanning komt te staan, verandert de kleur van het licht. Op basis van die kleurverandering kunnen we de rek bepalen.’

“Bij een stalen buispaal, die overal dezelfde diameter en wanddikte heeft, is één glasvezelkabel voldoende om de rek te bepalen. Houten palen hebben echter geen homogene doorsnede. Daarom hebben we bij elke paal aan vier kanten een glasvezelkabel aangebracht, zodat we de gemiddelde rek beter kunnen vaststellen. Bijkomend voordeel is dat we ook vier keer zoveel informatie krijgen. Met één kabel kunnen we om de 25 centimeter de rek bepalen en door de vier kabels ten opzichte van elkaar iets te verschuiven verbetert de resolutie en kunnen we de rek ongeveer om de zes centimeter vaststellen. En dan werken wij nog met een middenklasse apparaat.”

Spruit vervolgt: “In Japan is ondertussen een nieuw apparaat op de markt waarmee rekveranderingen per twee centimeter kunnen worden gemeten, terwijl de metingen ook nog eens een stuk nauwkeuriger zijn. Twintig jaar geleden was de afstand tussen twee meetpunten nog minimaal een meter. Dat laat zien dat de techniek enorm snel verbetert. Het Japanse apparaat is nu weliswaar tien keer zo duur als ons apparaat, maar ook dat zal snel veranderen. Wat dat betreft raad ik alle partijen die voor hun objectbewaking deformatiemetingen moeten doen, aan om hun objecten zoals bruggen en tunnels nu al te voorzien van glasvezelkabels. Op dit moment kun je daar al uiterst nauwkeurig mee meten en met nieuwe apparatuur worden de metingen in de toekomst alleen maar sneller en nauwkeurig. En het mooie is dat je daarvoor dezelfde glasvezelsensoren kunt blijven gebruiken.”

De glasvezelrekstroken worden op locatie ingelijmd in de houten funderingspalen. (Foto: gemeente Amsterdam)

Bacteriële aantasting

“Naast de bezwijkproeven met nieuwe palen, zetten we ook proefbelastingen op bestaande funderingspalen”, vertelt Manders. “We willen namelijk weten in hoeverre de draagkracht van bestaande palen in de loop van de tijd vermindert. De belangrijkste reden voor die draagkrachtvermindering is bacteriële aantasting. Deze aantasting treedt altijd op bij hout dat onder water staat en leidt ertoe dat een paal aan de buitenkant een zogeheten zachte schil krijgt. Door deze zachte schil neemt de totale draagkracht van de paal af. Hoe groot die afname exact is, wordt nu door de TU Delft onderzocht.”

“De proefbelastingen op de bestaande palen voeren we uit als er bij het vervangen van een oude brug funderingspalen vrij komen te liggen. Aangezien deze palen al in de grond zitten, kunnen we ze helaas niet voorzien van de glasvezelkabels. De uitkomsten van de proefbelastingen op de bestaande palen vergelijken we met die op de nieuwe palen in de proeftuin. Op die manier kunnen we de effecten van tijd op het draagvermogen bepalen. Na de proefbelasting trekken we de palen uit de grond en worden ze in een laboratorium van de TU Delft verder geanalyseerd. Zo voeren de Delftse onderzoekers als onderdeel van het tweede deelonderzoek bezwijkproeven uit en brengen ze met een CT-scanner de sterkteverdeling van het hout en breukvlakken in beeld.”

Meetinstrumenten

Manders vervolgt: “Binnen het derde deelonderzoek bestuderen we wat de meeste geschikte manier is om de dikte van het aangetaste deel van de houten palen te bepalen. Zoals ik al vertelde werkt de Pilodyn niet goed onder water. Ons alternatief, het nemen van een houtmonster met een appelboor heeft ook de nodige bezwaren. Zo is het boren zelf erg lastig voor de duikers. Verder kost het nemen van een monster veel tijd en moet het monster daarna nog voor analyse naar het laboratorium. Daarom hebben we diverse andere meetinstrumenten onderzocht.”

‘De duiker hoeft dus niet zoals bij de appelboor elke keer naar boven te komen om het monster uit de boor te halen.’

“Uiteindelijk zijn we uitgekomen bij de zogeheten resi-power drill van het bedrijf IML. Deze boormachine werkt met goedkope boortjes en bepaalt op basis van de boorweerstand de sterkte van het hout. Wij hebben hem geoptimaliseerd voor gebruik onder water. Een belangrijk voordeel van dit instrument is dat de gemeten weerstand direct kan worden afgelezen. De duiker hoeft dus niet zoals bij de appelboor elke keer naar boven te komen om het monster uit de boor te halen, maar kan achter elkaar doorwerken. Verder kun je met deze boor de paalkop helemaal doorboren. Als je dat doet op twee punten die onder een hoek van ongeveer negentig graden staan, krijg je de aantasting rondom de paalkop in beeld, wat uiteraard nauwkeuriger is dan een monster op één punt. Samen met de TU Delft onderzoeken we nu hoe de gemeten weerstand zich verhoudt tot de daadwerkelijke sterkte van het hout.”

“Vanzelfsprekend lossen we met deze nieuwe boor niet alle problemen op. Zo kunnen we ook hiermee de aantasting uitsluitend vaststellen bij de kop. Dat betekent dat we nog altijd een aanname moeten doen over de mate van aantasting van de paal tussen de kop en de paalpunt. En aangezien houten palen een natuurproduct zijn, is elke paal ook nog eens uniek. Verder weten we nog niet goed wanneer aangetast hout wel en niet meer meedoet voor de draagkracht van een paal. Kortom, onze kennis over de invloed van bacteriële aantasting is nog niet volledig.”

Betrouwbaar rekenmodel

Manders: “Het uiteindelijke doel van ons onderzoeksprogramma is de ontwikkeling van een betrouwbaar rekenmodel , waarmee we niet alleen de draagkracht kunnen bepalen van de houten palen die we bemonsteren, maar ook betrouwbare uitspraken kunnen doen over de gehele paalpopulatie. Dat laatste willen we bereiken door gegevens van een relatief beperkt aantal houten palen te combineren met historische data, zoals de houtsoort van palen, de diameter van de kop en de punt, de mate van aantasting en bijvoorbeeld de leeftijd. Ik ga ervan uit dan we dan ook betrouwbaardere uitspraken kunnen doen over de veiligheid van onze bruggen en kades, en beter kunnen bepalen welke bruggen en kades we als eerste moeten renoveren.”

De IML-RPD wordt onder water getest onder de bruggen van de Vijzelstraat. (Foto: gemeente Amsterdam)