Flexibele waterbouwkundige constructies

f13a 1 ./

Hoofdstuk 1 Inleiding

1.1. Doel. indeling collegestof' Doel van het college is

1. een ontwerpaanpak 2•.ontwerpgegevens

voor z.g. flexibele constructies te presenteren

Met het begrip flexibel wordt bedoeld dat de constructie zodanig is ingericht dat onder invloed van bela~tingen (bv. ongelijke zetting, golfaanval) grotere deformaties kunnen worden verwerkt zonder dat de funçtil:!vervullingin gevaar kómt.

Soms wordt de constructie specifiek ingericht om onder uitwendige be-lastingen zelf een natuurlijk (dynamisch) evenwicht in te stellen (grindstrand), soms ook zo dat de constructie geen schade ondervindt,

d.w.z. zijn functie kan blijven vervullen (flexibele rand bodembescher---" ming, krib).

Een andere interpretatie van het.be.grip 'flexibel constructie' is dat het ontwerp op zich flexibel is, d.w.z. dat de cons~ructie op ~en betrekkelijk e,epvoudige wijze aangepast kan worden indien de randvoor-Waarden die gesteld waren bij het begin van de r-ealisatie,va.Il-qe.t.

pro-jeo1;~ zich wijzigen. t; . . .

_ Ln het algemeen zijn,flexibele constructies samengesteld uit losse -b:etrekkelijkkleine - elementen, die echter voor specifieke toepassin-- :ge-ntoch.een.zekere samenhang kunnen hebben •

•

Het college is zo ingedeeld dat eerst aa~ de hand van voorbeelden het begrip flexibel nader wordt toegelicht opdat men vertrouwd'raakt me't di,t.begrip •

.Daarna volgt :~en korte sameqvatting van hoe het een kunstw,erk,-i.À.a. verloopt. en.wat de plaats daarin is. Kort wordt ingegaan op wat ontwerpen waterbouwkunde in zijnwerk dient te gaan.

(In de colleges fc25, bb25, bb26, bb28, bb30, B120A11, B120F11, B120A21, B120A41, 'B120A42 wordt meer uitgebreide informatie gegeven welke methodieke~ er ~ijn). .

realisatieproces van van het ontwerpen is en hoe dit in de

,

Het begrip veiligheidscoëfficient als marge tussén belasting

'1'1

sterkte en het begrip faalkans wordt daarna verduidelijkt.opdat de constructie gedimensioneerd kan worden.

Dan wordt het college systematisch opgebouwd door de begrippen grens-toestand, belasting, sterkte en overdrachtsfunctie ,nader te omschrijv.~n en voorzover mogelijk te kwantificeren.

Getracht is om karakteristieke beschrijvingen te geven van belapting (modellen), sterkte (modellen) alsook voor de diverse materialen. Deze gegevens zullen niet alle uitputtend worden behandeld, maar hier als 'ontwerpgereedschap' worden gegeven.

Daarna zal in algemene zin aandacht worden besteed aan de uitvoering ..van de werken. De nadruk zal meer liggen op de filosofie en de .metho»

dische aanpak t.a.v. de uitvoering dan op een overzicht van welke hulp-middelen voor specifieke constructies onder specifieke omstandigh~den .ter beschikking staan.

f13a -

1.2

De aspecten nieuw te ontwikkelen materieel, menselijke arbeid, maatvoe- ~ ring, controle, de relatie met ontwerp e.d. komen aan de orde, zo moge-lijk toegelicht met een;enkel voorbeeld.

. ,

Na het presenteren van de met~odiek en enkele ontwerpgereedschappen worden nu ee~ aant~l flexibel~ c~nstructies in detail besproken, zoals oev~r-~en bodem~escherming, stortebedden, grindstranden, kribben,

at r-ekdammen, strandhoofden, overstroombare dammen, ';havendammen,

zand-~iuiting en~. . , , "

Ste~c{s zal, uitgaande van een functie-analyse' v!)or de constructie als totaal~ een funct~e~analyse van onderdelen plaatsvinden en voorzover mogelijk een dim~nsionering, m~t name zal ook aandacht ~orden geschon-ken aan de'overgangen ván het"ene constructie-onaerdee;t op het andere, op aansluitingen, voegen e.d.

'A~n;het. eind,van een coll~ge z':llle,l!én of twen 'e c~se studies worden .behandeld van ee~ foute en/of een,goede constructie. Het gehele

reali-s~tieproces zal'worden doorgelopen terwijl'zo'veel mogélijk'de op college behandelde of in het diktaat gegeven stof zal worden toegepast.

;'.J ,

•

Om yer,trouwd te geraken met"het'begrip flexibel volgen hierna een aantal voorbeelden van flexibele cönst ruct dee ,

Teneinde de voorbeelden systematisch te presenteren. zijnde diverse waterbouwkundige constructies naar hun functie onderve~deeld in: 1~ scheiding,van water met .ver-achd.Ll.endegolfklimaten

2, scheiding c.q. geleiding .varrwat,er met verschillende stroomsnelheden

3.

'

scheidi'ng van waterniveaus

4.

séh:ëiding van ,water met verschillende 'dichtheden.

~5.

'-Bcheidihg van water en-Land en bodem

1.2. Voorbeelden

.

"

,

..

.

-

'.

1

IDe gepresè'nteerde volgo.rde binnen één groep'-Ls.zo gekozen dat de con-structies steeds minder flexibel worden.

:De -verzameling 'voorbeelden is slechts een .seLecti,euit _tal van mogelijke oplossingen voor het-vervullen van de betreffende func,tie.

'. !'

1.2.1. Scheiding van water met verschillende ,gol4'klimaten

De functie van de constructie is duidelijk: de constructie zal zodanig moeten worden dat inkomende golven gereduceerd worden tot een bepaald

geaccepteerd niveau. In het algemeen kali-dit op twee nianieren:

e

1~ d~ golven:reflecteren~ 2. de golfenergie 'vernietigen of een combi-"nat'ie van beide.

'~ijtoepassing van de eerste methode worden in het algemeen vertikale 'constructies gebouwd ..De ccns t'r-ucti.e is klein t.o.v , de afmetingen

, 'van de golven:die gedempt moeten worden, maar vaak zal de draagconstruc-tie'van het·reflecterende element zeer groot zijn. In het algemeen

lzijndeie constructies mi,nder flexibel dan constructies die volgens de tweede methode go'Lve'nreduceren.

Voor deze tweede methode zal in het algemeen de dempende constructie horizontale afmetingen hebben in'dezelfde orde'van grootte als de golfafmetingen. Vaak is :echter meer ruimte nodig om de.verankering te kunnen plaatsen. De constructie is in het algemeen drijvend uitge-voerd met een geringe diepgang.

Ten opzichte vad het ~erste type constructie is dat type zeer flexibel. Het zal duidelijk zijndat voor beide typen constructies geldt dat rela-tief grote (bv. één orde kleiner dan de golfafmetingen) deformaties geven. of nauwelijks inVloed hebben op de functievervulling, zodat dit type constructie aan d~ bovengegeven definitie-van~flexibele construc-tiJe voldoet.

f13a - /.3

•

Drijvende golfreductor . ,.

In het algemeen is de golfreducerende werking van drijvende constructies sterk afhankelijk van de verhouding tussen de afmeting van de golf (i.h.a. golflengte) en die van-de' constructie •. ,'

.Ook de f~exibiliteit van de drijvende constructie beïnvloedt het dempend .. eJ!ect. Een stijvere constructie zal' èn ineer golfenergiif reflecteren èn

"meer 'energie in de construc tde vernietigen'. -Hoe slapper de constructie '. hoe grot~r i.h.a. de afmetingen moeten zijn voor eenzelfde demping. . ,...:, Voo.r een dempdng van.orde 50%,zal een slappe plastic.' vet,· constructie

"~.,_..10 ,à' 2Q.maal de golflengte moeten bedr-age n, .met' water gevulde zakken

-

-

j

,

5 àJ2 maal de.EQlflengte en zinkátukken i.n dezelfde orde van

golf-lengte. .. - , . , ..

.. ,

Dergelijke drijvende constructies zijn reeds in vele uitvoeringen gemaakt ,zoals met water (en lucht) gevuide zàkken, autobanden, zinkstukken e.d • .Zij worden toegepast als tijdelijke constructies of als 'extra' bescherming .e1'., in grotere havens voor kleinere sçhepen zoals ~irectievaartuigen,

jach-ten e.d. ' v ...

•

Figuur 1.1. geeft een toepassing van verankerde drijvende zinkstukken om een milder golfklimaat en daarmee meer werkbare dagen te bewerkstel-ligen t.b.v'. baggeroper~t,ies in de havenmond van Ijmid.den.

:;_:~.. 'Onderwater golfbreker _o•

.:~.:. :,~.-.

Wanneer hogere eisen, aan' de' duurzaamheid worden gestel~ of wanneer de

r" :.": .' '""." '.~. -::constructie ·een meer permanent karakt.er heeft is men'a·l snel geneigd de golfdempende constructie van de. grond af op te bouwen.

Figuur \,'"2..:'geeft voorbeelden van'.mogelijke·vormen en ._res}lltaten van modelonderzoek die aangeven .Ln we'lke mate zij hun fun.ç:tie (= golfreductie) vervullen.

-' - ~.f' •f·', Ook.:hier "is .duidelijk dat de constructie deformaties mag ondergaan zonder

dat de functié verloren gaat. ,.

We·I'Zullen i.h ..algemeen t...b".v. de functievervulling van .:onderdelen (b:v'.,om be'Zwijken van de constructie. onder invloed van golfbelasting te voorkomen) hogere eisen aan de toelaatbare deformatie worden gesteld (-b.v•.::.filt,e;:werki:n~ mag niet. verloren gaan,. toplaag mag

m

et verloren

gaan e. d • ) • -,

,-.:.•...

•

, .

.. In, het geval dat de conetrue td e een groter dempend effect: m01!t bewerk-stelligen dan in het geval van de onderwater golf~reker, zal de kruin nog hoger opgetrokken worden. Daarmee ondervindt de constructie ook <,' hogere belasting. De elementen van de toplaag zullen zwaarder zijn, tot

zelfs caissonachtige elementen' op- de, top van de golfbreker •

._.'Het element .op de top vaIi de golfbreker kan in bepaalde gevallen zo

'" 'groot worden ,uitgevoerd dat men.van een 'composi,te' golfbreker spreekt.

De eisen aan de toegestane deformaties worden hoger, niet vanuit het "gezichtspunt, van de oorspronkelijke functie (demping van golven) maar ,.' omdat' de' grotere elementen andere functies moeten vervullen zoals

'golfbelasting naar de dr,empel of ondergrond overbrengen ...waarbij het element zèlf en de drempel of ondergrond en de naastliggende elementen niet mogen bezwijken.

'~~'Tenalotte worden golfbrekers wel,geheel als~aissQn ~itgevoerd. Het caisson ,: 'wordt geprefabriceerd en met in het algemeen specifiek materieel

ge-,.. p'laatst,.' Deze"constructie is in de gepresenteerde reeks het minst flexi-,,', .;:bel' en' zal ;,meestal, het 'ster,kst '"'worden uitgevoerd om o.ngelijke zettingen'

• .Ós .'- " en aànslui tingen, op aan1igg~nde 'elementen '.te kunne n verwerken.

C

rIC

I.":» Golfbreke,r van gestapelde of 'gestorte eleménten

f13a

_1

,

4

Een constructie die op het caissontype l~kt is de cellendam. Dit is een aaneenschakeling van cellen opgebouwd uit damwandplanken. Door een bovenbelasting op de vulling van de cel aan te brengen ontstaat een trekspanning in het vlak van de damwand, waardoor plaatsel~ke belas-tingen loodrecht of dit vlak beter kunnen worden opgenomen (fig. \.

'-i

')

1.2.2. Scheiding van stromend water

In het algemeen vindt de scheiding tussen twee stromen (nagenoeg) in

de stroomrichting plaats. B~ constructies waarb~ het niet gaat om zeer nauw keurige debietregelingen en waarbij voldoende ruimte aanwezig is om con-structies met niet-vertikale wanden toe te passen, worden dammen toege-past met een stroom- (en golf)bestendige bekleding. Dergelijke dammen krijgen in het algemeen een gestroomlijnde vorm om zo min mogelijk weer-stand te bieden bijhet scheiden van de waterstromen; zijworden daarom ook wel stroomgeleide dammen genoemd.

Afhankel~k van de natuurrandvoorwaarden (stroomsnelheden, golven, water-standen) en eventueel nog meer te vervullen functies (visuele geleiding voor de scheepvaart, stroomversnelling i.v.m. aanpassing natuurlijke bodemligging) krijgen deze dammen een specifieke vorm (onder water, ~ boven water, bol enz. enz.). Bijdeze constructies zullen geringe zet-tingen de oorspronkelijke functievervulling niet in gevaar brengen zodat weer gesproken kan worden van een flexibele constructie.

Voorbeelden van dergelijke geleidedammen zijnde Pannerdense Kop (fig. \.S. ), Splitsingsdam Europoort (fig. ,.~,), onderwaterdam gepland

Baalhoek-kanaal (fig. I,) ).

Dergelijke dammen worden ook toegepast bij het 'forceren' van een stro-mingspatroon t.b.v. een goede scheepvaartafwikkeling en eventueel gecombineerd met de functie van het op diepte houden van de vaarweg, zoal~ dit gebeurt bijde kruising tussen de Lek en het Amsterdam-R~n-kanaal bijWijk bij Duurstede (fig.

1

.& ).

In principe zijn constructies die geheel of gedeeltelijk (nagenoeg) lood-recht op de stroom staan ook op te vatten als constructies die een scheiding vormen tussen gebieden met verschillende stroomsnelheden. Te denken valt aan kribben en strekdammen die benedenstrooms zorgen voor een stroomsnelheid die nagenoeg nul is .en aan b~venstroomse zijde in het algemeen hoger is vergeleken met de 'ongestoorde' (d.w.z. voor de situatie zonder strekdam) situatie. De strekdam zorgt via het regelen van de stroomsnelheden in beide gebieden voor enerzijds een bescherming ~ van de oever en anderzijds een verdieping (of verlegging) van de oor-spronkelijke stroomgeul.

Zettingen van dergelijke constructies of andere (geringe) vormverande-ringen doen geen afbreuk aan het vervullen van de functie van scheiding van waterstromen, zodat weer gesproken kan worden van flexibele con-structies. De vormveranderingen moeten uiteraard niet van dien aard worden dat de constructie zelf daardoor beschadigd wordt.

Figuur I.Vj. geeft een doorsnede van een krib op de benedenloop van een

'rivier. 1n het algemeen past men hier grote zinkstukken toe op een zo haog mogelijk aangebrachte zanddam. Bij de bovenloop van een rivier waar in het algemeen de stroomsnelheden hoger zijnen geen kenteringen

meer voorkomen, moet met meer inspanning de krib in de rivier worden uitgebouwd en ziet de doorsnede eruit als in fig. (.(0

Worden de stroomsnelheden in de rivier nog groter, dan worden om de stroom van de oever af te geleiden wel zg. keienpakwerken toegepast.

f13a

-

1

.

5

•

Dit zijnstapelingen (i.v.m. verwerkbaarheid~ i.h.~ draagbare keien die verpakt worden in een kooi van gegalvaniseerd staaldraad. De keienpakwerken kunnen vervormingen verdragen zelfs zo, dat zij

ont-grondingen kunnen volgen al of niet gestuurd door geleidepalen. De

keienpakwerken worden ook wel direkt als oeverbescherming gebruikt.

In de syllabus Keienpakwerk, uitgegeven door de vakgroep Hydrologie

(vak irrigatie) wordt meer informatie gegeven.

In sommige gevallen worden gehele kribben uit keienpakwerken opgebouwd als stroombestendige

_.

eenheden (zie fig. I.lla \oe).De keien kunnen ook

.) ,

worden verpakt 1n houten frames.

Wordt de waterloop nog te weinig beïnvloed door de kribben of strekdammen dan worden wel grondkribben of drempels toegepast. Loodrecht op de

stroom worden onderwaber dammen aangebracht die de stroomverdeling in de vertikaal in twee gebieden verdeelt: een langzame stroming boven de bodem en een snellere stroming boven de kruinlijn van de drempels. Afhankelijk van de stroomsnelheden, beschikbare materialen, enz. zijn dergelijke kribben in vele uitvoeringen gemaakt. Fig. I.J~ geeft een voorbeeld van een grondkrib.

Een bijzondere toepassing zijnde grinddrempels in de Nieuwe Maas die de waterdiepte verkleinen en daarmee het binnendringen van de zouttong uit zee tegengaat.

Zo zijner, afhankel~K van de plaatselijke geometrie van de waterloop en de grondslag, plaatselijk beschikbare materialen, mankracht en ma-terieel, vele uitvoeringen van stroomgeleide (of -sturende of -weer-standbiedende)en i.h.a. flexibele constructies.

•

',,', 1.2.3. Scheiding van waterniveaus

,..•.."

.;_ 4. •

Bij deze constructies is de eis t.a.v. de plaatsvastheid hoger omdat i.h.a. de constructie een kerende hoogte heeft, die hijmoet behouden. Toch worden veel dammen en dijken uit loskorrelige elementen zonder of met geringe cohesie opgebouwd waardoor zij (ongelijke) zettingen gemakkelijk kunnen volgen en dus onder de categorie flexibele

construc-ties gerangschikt kunnen worden. Men gaat pas over tot stijvere, i.h.a. ,monolitische constructies, opgebouwd uit cohesieve materialen die .grotere schuif- en trekspanningen kunnen opnemen, als de hoeveelheden

los materiaal toenemen bij de grotere constructies, de ruimte beperkt is e.d.

Voorbeelden van dergelijke constructies zijn: dijken, dammen, dalafslii-tingen enz., maar ook 'bijzondere' constructies zoals zanddamsluitingen, blokkendammen, perskaden e.d.

In het algemeen vindt in de dam een functiesplitsing plaats tussen de feitelijke waterscheiding en de draagconstructie voor de scheiding. De scheiding vindt bv. plaats door aan die zijde van de dam of dijkwaar de waterstand het hoogst is de bekleding waterdicht te maken, of

door midden in de dijk een waterdichte kern aan te brengen (maar nooit

aan de zijde van de dijkmet de lage waterstand i.v.m. afdrukken van de waterdichte bekleding (zie o.a. ook college fc1).

In het college dijken, f11, wordt uitgebreid op de constructie ingegaan.

"-. r..:!:

•

Een bijzonder flexibele constructie, ook tijdens de uitvoering, is de zanddam zoals die bijsluitingen van zeegaten wordt toegepast.

Hierbijwordt op een kunstmatige manièr meer zand de af te sluiten geul ingebracht dan dat de natuur weer kan afvoeren.

De natuur voert het in de geul gebrachte zand af in een tempo dat een functie is van de horizontale getijbeweging.

f13a

-/.6

Deze getijbeweging varieert dagelijks, bovendien kan storm d.m.v. golven en windopzet de afvoer sterk doen vergroten. De aanvoer van zand is continu (uitgezonderd onwerkbaar weer, weekend e.d.).

Door de grote berging in het zandlichaam kan een dergelijke zanddam een zekere overbelasting (meer zandafvoer dan zandtoevoer) gedurende een wat langere tijdondergaan zonder dat de constructie bezwijkt. Fig. r./'!. geeft een beeld van een zandsluiting.

De vooruitgang van de afsluiting wordt bepaald door de produktie van het zand/watermengsel dat op het stort wordt geleverd, verminderd met de verliezen op het stort en het zandtransport in de resterende, steeds smaller wordende geul.

Indien de stroomsnelheden te laag worden en te lang duren in een getij-cyclus (d.w.z. getransporteerde hoeveelheid zand te groot) en de aan-voercapaciteit voor het aan te voeren zand te gering is (of nog andere randvoorwaarden zoals V\.t.lieu. een rol gaan spelen) worden wel grote-re elementen voor de geulafsluiting toegepast, bVD zandzakken, beton-blokken, verpakt asfalt e.d.

Bij de blokkendam is het poriëngehalte groot, dus de doorlatendheid

4It

groot en daarmee het waterscheidend vermogen gering. De waterdichtheid wordt na het voltooien van de blokken i.h.a. verhoogd om het moge -lijk te maken de definitieve afsluiting in de vorm van een aarden dam te kunnen verwezenlijken. Fig. I.I~ geeft een beeld van de blokkendam zoals die is toegepast bij de afsluiting van het Haringvliet.

Fig. \.t~. geeft het totale damlichaam waarin de blokkendam is opgenomen. Het is duidelijk dat de eisen aan de plaatsvastheid en de maatvoering van de blokkendam (als onderdeel van een veel grotere constructie) niet hoog zijn, vandaar dat ook dit soort construEties onder de flexi-bele constructies gerangschikt kunnen worden. Uiteraard worden maat-regelen getroffen dat de constructie als totaal in stand blijft.

Zo moet de stabili teit van de betonblokken onder de hogere stro· omsnel-heden groot genoeg zijnen moeten de eerste blokken op een

filjercon-structie geplaatst zijnom te voorkomen dat zijin het zand gespoeld worden. Aan constructies zoals dalafsluitingen, opgebouwd uit loskorrelig mate-riaal (grond of grotere stenen) worden hogere eisen gesteld aan de toelaatbare zakkingen. De kruin van de dam moet hoog genoeg zijn en blijven t.o.v. de overlaat om te voorkomen dat de dam zelf overstroomd

en het 'droge' talud wordt weggeërodeerd.

4It

Dergelijke loskorrelige dalafsluitingen zijndoorlatend, hoe groter de korrelafmetingen hoe doorlatender de dam. Daarom worden waterafsluitende

schermen op of in het damlichaam opgenomen.

Soms wordt dit bereikt door bijzondere uitvoeringsmethoden, waarbij de fijnste delen van het aangevoerde materiaal in het midden van de dam terecht komen en zo een relatief ondoorlatende kern vormt. In andere gevallen worden speciale waterdichte elementen aangebracht (kleikernen, bitumen produkten, beton enz.). Gewaakt moet worden, met name voor dichte schermen in de kern van de dam, dat dergelijke schermen geen grote verschillen t.a.v. de flexibiliteit vertonen t.o.v. de rest van de dam. Bij zettingen van de dam kan het scherm anders of in het geheel niet vervormen, waardoor lekken kunnen ontstaan.

Fig. l.I~ geeft een voorbeeld van de vele uitgevoerde zg. rockfill-dammen met een hellende kleiafdichting aan de reservoirzijde van de dam, beschermd door een stenen 'oeververdediging'.

•

•

..;..'

f13a

-

1

·

7

De minst flexibele waterbouwkundige constructies die de functie van scheiden van waterniveaus hebben zijnde stalen damwand en betoncon-structies, hoewel de gebogen betonnen dalafsluitingen geringe zet -tingen kunnen volgen door hun geringe dikte-afmetingen.

r ~".

1.2.4. Scheiding van water en bodem/land

Naast de indeling flexibel en star zijnbodem- en oeverbeschermende constructies ook in te delen naar continue en discontinue con struc-ties.

Discontinue constructies werken "indirekt", d.w.z. door hun aanwezig -heid verkleinen zijde aanval op de eigenlijk te beschermen constructie;

daarnaast kunnen dergelijke constructies ook nog andere functies ver-vullen (bv. stroomgeleiding). Dit type constructie is reeds aan de orde,geweest in paragraaf 1.2.2.

In deze paragraaf worden, in de volgorde van zeer flexibel naar star, voorbeelden van continue constructies gegeven die direkt de bodem of de oevers van waterlopen, meren of zeeën beschermen.

Het blijkt dat het profiel van een strand of een oever in een dyna-misch evenwicht verkeert als de korrel verdeling, laagdikte, talud-helling e,d, aan bepaalde voorwaarden voldoet.

Is een strand of oever niet in evenwicht, dan kan ook een bescherming worden aangebracht in de vorm van een grovere laag loskorrelig mate-riaal, dat onder de gegeven omstandigheden wèl in evenwicht is. Door de laag zo te ontwerpen dat de profielveranderingen tot de aan-gebrachte laag beperkt blijven ontstaat een duurzame bescherming van de ondergrond (zie fig.

1

.

l

r

) •

De bodem of oever van een waterloop of zee die van nature of door men-selijkingrijpen in het regiem uitschuurt kan ook met 'flexibele' 'be-heersmaatregelen' worden beschermd. Dat wil zeggen dat de constructie zo flexibel is dat de constructie zelf in onderdelen steeds kan be-zwijken (bv. korrels worden getransporteerd) maar dat de constructie als geheel toch nog een bescherming biedt voor de onderliggende con-structie.

Een voorbeeld van een flexibele werkwijze is de oplossing van zand-suppletie bij een bochtafsnijding van een rivier. Tengevolge van de bochtafsnijding zal ter plaatse het zandtransporterend vermogen toe-nemen en zal,als de bodemsamenstelling dit toelaat, de bodem eroderen. Dit kan gedurende enige tijdworden toegelaten, waarna bodemmateriaal periodiek gesuppleerd moet worden, dat eventueel benedenstrooms ge-wonnen kan worden.

Afhankelijk van de mogelijkheden van uitvoering, kosten e.d. kunnen in soortgelijke gevallen bodembeschermingen worden toegepast in de vorm van zwaardere en/of grotere korrels of discontinue constructies zoals grondkribben.

Een ander voorbeeld van een flexibele we'rkwijzeis het met behulp Van een pompinstallatie doorpompen van zand in het geval dat het langs-transport langs de kust wordt verhinderd door de uitbouw van een havendam (zie fig. 1.18 ).

Worden bijdergelijke flexibele maatregelen de verliezen te groot dan gaat men over op een zwaardere bescherming, waarbijmen doorgaans minder schade accepteert. Dit omdat het herstel van de schade k ost-baarder wordt naarmate de elementen waarmee hersteld moet worden

f13a

-/8

Eén van de meest flexibele oeverbeschermingen is de natuurlijke be-groeiing zoals gras, riet, wilghout enz. enz. De planten worden van water voorzien dat uit het grondwater dat i.h.a. zoet is, ook aan de randen van zoute meren (de zoetwaterbel stroomt immers bijde oevers af). Toch zal de plantengroei in zoet water steviger zijn dan in zout water.

Meestal zal de natuurlijke plantengroei de belasting door stroom-, golf- en recreatie-aanval niet kunnen weerstaan en gaat men over op een kunstmatige oeverbescherming in de vorm van takkenbossen, wil-genhout met grind, grinddammen, grindstranden enz. (zie fig.v,

\

3

C<..)

b

)

c.) • Dergelijke constructies zijn 'open' constructies, d.w.z. dat de ruim-ten tussen de beschermende elementen groot zijnt.o.v. de zg. 'gesloten' constructies.

Door de relatief grote ruimten is de doorlatendheid van de construc-tie voor water groot zodat stijghoogteverschillen voor en achter de bescherming goed genivelleerd kunnen worden.

Dientengevolge is de belasting lager dan bij de gesloten constructie. Afhankelijk van de grondslag, uitvoeringsmogelijkheden, beschikbaarheid van materiaal, aard en grootte van de belasting, komen de open con-

4It

structies als oever- en bodembescherming in zéér veel vormen voor

(zie fig. VLO ).

De open constructies zijnopgebouwd uit loskorrelig materiaal (grind, breuksteen e.d.) of uit samenhangend materiaal (kunststof weefsels, steenasfalt e.d.) en kunnen doorgaans ongelijke zettingen volgen zon-der de functievervulling geweld aan te doen. Slechts zelden worden open constructies star uitgevoerd (bv. in de vorm van betonroosters). De gesloten constructies worden opgebouwd uit cohesieve materialen en zijni.h.a. veel minder flexibel. Slechts als de afsluitende lagen dun zijnkan sprake zijnvan enige flexibiliteit. In die gevallen waar het eigengewicht van de constructie de stabiliteit moet verzorgen (bv. op een zeedijktalud) zullen dikke lagen worden toegepast, dus relatief stijf zijn.

In die gevallen waar bv. de waterdruk de gesloten bekleding tegen de grondslag drukt kan de laag dunne~ zijn,dus slapper (let op de situatie leeg reservoir!).

Voor het vervullen van de specifieke functies in een constructie

kunnen combinaties van verschillende typen (deel)constructies voor- ~ komen. Het gedrag van de diverse ty.pen t.a.v. het volgen van ongelijke .., zettingen kan verschillend zijn,hetgeen discontinuïteiten in het profiel kan veroorzaken waardoor het mogelijk is dat de ondergrond niet meer voldoende beschermd wordt. De grootste zorg dient besteed te worden aan het detailleren van de overgangsconstructies.

.~ '

.

·

s

-s ': ~

.

2'

•

; ~;

-

'

~

!

~

_{i; ~}

_~

~ :

f

aS.' ~ = .A::~ ~ : 1 ~

Lr

i

.

~ ~ i ~ i

i

~

t..

J

~

:

H

~

:~

1 ~

i

~

,I: ~ ~ .l

n

z

s ~

_j ~ ;r ij

~=

:.

ö

~

1

Ü ~~

i!

~

·

.

ö

·

.

0

·

.

... 0 _•

•

\

L --,~ ,

.

'Lr---,.Wt 80'.

!?Od,

L--...,w.mu..----;I .!

.

,

o ",

-

,

... ~. o...!,._ : -~. o '"

..

.; :r Q

.

0 ..J

~

i

_'"::>

...

~ 0 ~ ~ \J

,.;

0

:

u o lil U .. Zlil oC '" a: '" ... lil Z a: lil ...

S ~

o ::i lil ... a: 0 oC :

...

::> % 0 lil , 2 ~ ~ ..J :>

'"

'"

"'% "'c: ~~

...

oC~ ~ I

"''''

z> -oC ~J: ~

'"

'lil

'"

'"

lil a:

...

~ ~ I

'"

Z ij

'"

oC

...

'" ,.j lil ::>_...

Q

...

g o

'"

a:_, lil > ~

.t. \ J _ }-o .oS

~

"'-

~

~

r

-:::

-">1

\

r-

..-T-

-

-+-

--l--

_j"

~~--i-_

[

_{r_}

o ::: ol ....

I

:

--

r-

--~

~

~~~

Ó

!

r

-

t--+-

-

~

_j

i

8<)IN Ó ei,

~

-j-

~:---

--l-

~

i

~o ::;

j/o

ut

...

..

v

..

...

ut Ol o N

I

'<t _'<tI _j

~

I

•

::è ei -o -o _j 0-e!)

...

::I ~ Q. U 0 V) lIJ ..J U -< l-V) e!) o ti ~ ~' - ~ ~ eT -~ ~ I : ; ~ e I:i

...

~. 0"· _O•_·

..

_c; '"_o' z o I-U ::I Q UI a: I lIJ ~ ::t

/

//

CORE

LAYERS ---'

Figure 4.1

OVERTOPPING BREAKWATER

- Crest

CORE

-

~~~

--

. ~

/. ,;/ ~ FILTER LAYERS

-IFigure i..2

-I

NON OVERTOPPiN~ BREAKWATER

(otter Mo.;ocn and Shimizu,I9711

Figure 6-65. Dolos-Rubblc-Mound Jetty

90° CAISSON

/

/

2

•

,._ ,'1 .,

.

. -,:..:!-,,:;,.~ 'J, ....:-,:"-~...

-

.'-'~ ..~

•

Grond MOiOis Horbor, Michiçon (before 1965)

Typs I Cells 58.09' Dia.

Type IICells =46.15' Dia,

•

Figure 6-66. _{Cellular Steel Sheet-Pile Jetty}

•

-.~ ," -,

•

/.

/

3

I

1

":_"",;.

"

~

-

,

~--

",-"",

__

:..

--,-

~

~

"

-

-

~~

-

"

_.

~

-

,

---

~

-

j

,

~

~

~

-..

"

-

~

-

-

-

--

"

-

-

"--

"

-"--

'

-222 -,;

,

'

-

-~

---

-

--

--

-

---

-

--_

.

_-_

.•--~-

_

-Fig. 160• '..~~_'. worden zoodunig bcvesti; bij de zwarte tonnen het Fig. Wilgeeft ten slot: "_" .•..,

-t

~·

~·

.~~~ ..)h_~:~

\

terwijl fig. 161 voorstel

'•• _._ 1I., I '•• ' Bijlage 9

]

PROEF T1 MOD. 300_ SCHELDEMODEL MODELPROEVEN DOORSTEEK VERDRONKEN L/vSAAFTINGE .1 z LU Z :;> " ...J =' LU 0 ... z c, "'w LU z w 0 0 cr Cl

.'"

~

.

'.

0::

'"

Cl.

'"

",0 ..... g: ",0\1'

l

i

L;

IJ

-[

1-Z LU o Z

...

LU Cl. z w

...

..

z ë cr o o u '"

'"

w w Cl. o cr :> w ei

'"

z

..

"0 C o

I

-,~~~~---~----

s

_c.

~

~~--~

~

~i , _,, , ,

,

_~ Ilo I ,0 ~',. , -c 0 I '" \ ,, z 0 ""i I I 0

--

I I ~

-

_, I I I I /I I ...J / I <{ -c -0 r 1/\ u 0-1/\

:::

600'·.9 , I I I I / I I

s

Q. __ .--. _.--.-~. OO~:~ .r·· i .._._ ~I

+

I I I oom I / / / /

+

"c ~

.

ö

•

I / /

/./-s-o ..J UJ UJ (%) ~

o

o

Cl: r-I/) ::E ;:) 0: o

...

<{ 0: o cO <( ...J o Ö z ;:)

'"

a. o o ..J 0: Ul· I-<{ ~ o ...J Ul Ul <D ~ o o cr ... V>

!

•

lekdijk

/

•

•

j

$

"

" .. v p:!.

v'

--:

<.5

-f.).

o

1,

-::,

~l

<;

1

'

l'

~I ~

GNV1V

3 Z

t\~3

N

-

Q

...

~ ... ~

...

';

~~?~

V6~~

~ ~

-

--~

-

-lc " IJl • 11 )I w ••

.

_"

_"~ ,. )I )t?::, .. )f x. )t .)c~~~~,,;Ir

·

"'·I

"

x

..

F\C\

.

\\

~

/

·/0

e

W Q

en

~

«

IJJ

ct:

f-en

Z

~

o

Q

z

o

e

V)

en

lLI

ct:

._

~ ~

:t

._

-3:

IJJ

Z

>

o

~ C)

:t

(J) LU

~

e

..J ~ Z J: U)

u.

o

L!.l

a.

>-

t-SACRED COW

l3amboo

-Wlremnh crlind~rs ~ ~ 40cm

Jo/st

ARRANGEMENT OF SACRED COW

WEDGE 5 HAPED CR I B

Cross

section

Pur/in

STABLED

COW

c..oNSl" R

U

CT

I

O

N

O

F G

R

.

ovNI':'

,I

t.:.S

PRISM CRIS

TRIANGULAR PRISM CRIB

FRUSTUM. CRIB

J

A

PA

N

FI(,

/

20

•

I. l\

c.

)

!

2

/

•

i

A,.tificlol Si!/ 0{ril"~rI".d 1:15.000

S

i

lls on

River

B

e

d

zoo0ZSOm 6roymz , :3000 .300

Cross - j~cf"on

i

,

~

_

..

.J

I 75m : ,

,

, 1

,

==~'

--~==

~

~~

~

.

.

Si/! on R

i

v

e

r B

~

d

down"lr-zom "mi ol0 9rovP

1:300

_

"

I: 3000

zoo

Wol"r/"u,,/

6roup-

of

s

i

/I

s

on

R/ver B€'d

IOm3/s&c/m M.W.L HO< 050

-

-

-

--

-

- --

----

-

-

-

-..,-

--- -

.

-

./

,

,.

- -

-

-

-

-

-

--

-

-

-

-

-

-

-

---

-

-:--

-

--

.,

2'96 180.0 2.150 2'70 1 • 1 1+o.z.'i 'I

-~

-

---{ 1 1 1 5:0 1 1 1 I

.

,

1

,

'Slo 1 1 1 1 1

,

-

~

-" '" \ .Jo .',_'--_I, .1 I

,

'_,i .._j' _.

~

_~

-u.

,

i "'~~~;~.

l

.';'1

r

IC \.1\.(

•

472m 55m applox level ol t.rne s of overlOPPIng Foce relnforeed ,/ w.lh anchored mesh Filter v !'J_a~~~ur_o!:f~~(,-_~I

Typ;celsectIenol Dem-below nelurelsurlece El 231m

Fig. 15.03 Wayatinah 'B' Dam

o

e

~I

-- 0

N

-KARAKTERISERING

EVENWICHTSPROFIEL.

DIEPTE

BEGIN

VAN

BEWEGIN

I

';

I

/.2

6

Zuidwal (Maasvlakte )

zandaanvullin

Dwarsprofiel A - A

KUSTVERDEDIGING

Kunstrnctiqe qrtnostr-cnden.

rindkade

3m

zandaanvullins.

Verdedigingvan grindstranden

met" zigzag" damwanden

Voorontwerp kustuitbreiding Portsmouth

owcrscroriel O.D.N. 1:8 zeezijde ~

j'

I

' I' I

'

I'

I

' I' I' I' I

'

I

' I

'

i

@

-5m Situatie Maasvlakte o 1 2 3km

"

e

/

2

)

Zand vang buit~nzijd~ dam

/

/

/

/

/

/

_L_L __ ",

/

I

I

zanddrift zandvan

®

zuigIp~rs station I~iding

--~~

Zandvang achter laterafcz dam

latczralcz dam zuigJpczrsstation zanddrift

®

Icziding

_...-

...

Zandvang binncznzijdc dam via dczkop bodem zuigczr cuttCZl"zuigczr

;1 /

1 /, /

/

zanddrift zanddrift Icziding ",-"_~

'---"'

Zondvang binncznzijdczdom via opczningin wortczlczindcz \ zonddrift zonddrift

@

Zondvang in zandvang zonddrift zanddrift

®

Icziding

--

..

-

...

zuigIper-s station

KUSTVERDEDIGING

Zand "om

l

czgg

i

ng"

(sand

bypassing

)

12t

Tree revetment.

Streambank control _{with Jacks.}

TOD

PLAN

•

P; Iing 8 _ i2" dia""~te'" at e ctt o,.iven to "ef""s!il 0" t.:' , le"9t'" eer cw !COIJ" eeet e. Pi Ie scacil'lg 6 - 81 0" centers. Q,:'. I"4i I-cea "'ai15 "'''1 oe substit ...t ee (or ti"'oer 0;li"9· Single rc....pi Ij"'9, ",ire 'acing' 11 1 .MeA\l woven Ai,.. , enej"g Strea'" bottoe ..-.eignts consist il"9/ of erecs s 0' concr ete-of lttJc"inq ",ir. '"C I'IQ

iestatIjl"9 Î:"I st,.eam S ..

I,)-ject to 5C.;)u"'. stte e fl;',:'IJ •

...ire c eoc s te ve rttcat (;05;t:.,:o,.,

~~e"f''I st,ole st"e'~ oel

•• ists •... i,.eo ""',)' o'!' teeoceee

'I ""'ort e Is tve c e te tc tee ee r

0" tett "uS",

6 - 8'

u

1f

Piling revetment with wire facing .

I

3-0

GESLOTEN (WAl ER DICHTE) CONSTRUCTIES

IDEM GEPAN::;ERO ME1 WIJOOEZErTe: STEENGLOOIING

T T

T

T

I

8nONBLOI(I'I.(N MET

r--I__ -I'---''---'-ii - ASFALT 'VOEG.ULL.JNG

-'t--+

--

H-

J _

BETONBLOKKENOP

l

_

~

PlASflCFOlIE

I

~-"ET 'SrALT GEPENETREERCE

,_';. STEEN

OPEN CONSTRL'CTIES OP EEN

~

~

~--~--

--~---GESLOTEN ON()ERLAAG BETON8lQKI([.., I="IJN GRIND OP KRAMMAT KLEI Z['51EO" PUIN ILijlAAG \lAf! BAI(STEEN )(LEI

OPEN (WATERDOORLATENDE) CONSTRUCTIES

AFO(KlAACi VAN STORTSTEEN

OPFiLTERVA,.. OPEEN -VOLGENDE ZAND-EN GRINDLAGEN

AFDEKLAAG VAN STORTSTEEN

GRINDLAAG NYLONMA.T AF'OEKlAAG VAN STORTSTEEN MATVAN GEVLOCHTEN Azaar-STRIPPEN OP F'ILTERLAAG

AF'OEKLAAG VAN STORTSTEEN

F"tLTERCONSTRlJCTI( VAN

RIJSHOUT OF' ANDERE

MATERIALEN

AF'OEKLAAG VAN STORTSTEEN 5 Ra'-lAND STEENMATRAS (STEEN VEqoAKT IN HARMONICA J ~IJN G~INO ~ GROF'GRIND WAARVAN OE

=::-

BOV'"'LAAG GEIN'ECTEERO I 1$ MET PREPACT - MORTEL

NYLONWEEFSEL '''I

INGEBETOftNEERO I ~ NYLONMATTEN OPGEVULD ~- MET PREPACT.MORTEL

~

-. .. • td __

;

~--

-~rl_STROKEN BLOKKEN

I

j

/

•__•• __• :""._!_l_.

fUI""" v.'"C.ot:N

"II"GI4OUr HO,", 100",1

----

-~

~" _--.

WILGHOUT RIETBERM

,'00

___I

G""ND'_1Qc,",

'.10

.

.

..

.1.10__ ---1

~

Ontwerp van eenverdedigd

zandstrand langs het Grevelingenmeer

•

DOORSNEDE STEENBESTORTING

__Q_4Q"':_

___ l__P_

~HIET:.:-,jPLA~TlNCiIbsllm2

2>0 .,00

H-Pf

Verdedigde rietoever inmerengebied

---

-u2

.

I

•

Hoofdstuk 2.

Inleiding.

De meest in het oog springende activiteit op het gebied van de

waterbouw-kunde is de uitvoering van een werk. De inzet van baggerwerktuigen, st

enen-stortvaartuigen, kranen, heistellingen en eventuele hulpconstructies, biedt

altijd een fascinerend schouwspel tijdens de uitvoering van een groot w

ater-bouwkundig werk.

Weinig mensen realiseren zich echter, dat aan deze spectaculaire en kostbare uitvoeringsfase een lange periode van studie- en ontwerpwerkzaamheden is voor-afgegaan. En het is juist in deze fase, dat de basis wordt gelegd voor het goede verloop van de uitvoeringsfase van de voltooide constructie.

Onderstaande figuur toont nog eens het grote belang van de eerste fase van het realisatieproces van een civiel werk.

BEINVLOE08AARHBD

EINDRESULTAATe....KOSTEH VERLOOPVAN OEINVESTERING

~~==~::::~~---~~::~"PROCES VOO~ I I ONDERZOEK ·1 I

:. ::

:

:"'-_"1

I I I I

~7b??h7~7i';Z)~~S21

I

I

IJ

I I

_{c::...-_ -:...-:..-_-_-_--=-~J}

UITVOERINGSPROCes

_I

2

-De uitgaven, die men zich moet getroosten ten behoeve van het ontwerp-proces vormen slechts een gering percentage van de totale kosten van het bouwwerk. De totale kosten van het kunstwerk worden echter grotendeels bepaald tijdens het ontwerpproces. Een slim ontwerp kan tot een zeer grote kostenbesparing leiden.

Een goed georganiseerde en vlot verlopende uitvoeringsfase kan geen grotere winst brengen dan een tiental procenten. Bovendien is een dergelijk vlot verloop van de uitvoering alleen mogelijk bij een goed doordacht ontwerp. Uit ~et bovenstaande blijkt wel welk een belangrijke plaats het ontwerpen inneemt in het totale realisatieproces. Een gangbare definitie van ontwer-pen is: het aangeven van de beste oplossing om aan een behoefte te voldoen. met behulp van de beschikbare middelen en met inachtname van criteria van natuurkundige- en maatschappelijke aard.

De behoeften, die aanleiding zijn tot het ontwerpen en uitvoeren van civiele werken, die binnen het bestek van dit college vallen, liggen in de sfeer van:

- kering van water

- weerstaan van golfaanval - oeverbescherming

- stroomgeleiding

2,2 Het menselijk denken, bouwsteen van het ontwerpproces.

Aangezien het ontwerpen zulk een belangrijke rol speelt in het realisati e-proces van een waterbouwkundig werk, verdient het wat meer aandacht.

Wanneer de opdracht wordt gegeven tot het ontwerp van een groot project, kost ~

het enige moeite om zo'n in de aanvang onoverzichtelijk probleem aan te pak-ken. Het gereedschap in de vorm van alle basiskennis is aanwezig. Maar een systematische werkwijze om het probleem, dat aanvankelijk bestaat uit een massa onoplosbaar lijkende vragen zonder enig verband, tot een oplossing te brengen, ontbreekt.

Toch is het belangrijk om een strijdplan te ontwikkelen, dat enige orde brengt in het denken. De weg, die naar het einddoel leidt, wordt min of meer zicht-baar.

Teneinde een methode van aanpak te ontwerpen, is het zaak zich bewust te zijn van de gang van het menselijk denkproces. Men heeft ontdekt, dat het menselijk leerproces zich altijd ontwikkelt volgens een kringloop. Iedere succesvolle poging tot vergroting van kennis en ervaring berust op dit fundament.

2.

3.

3

-•

try~ ~ abserve guess predict

De denkende mens neemt een verschijnsel waar en gist naar een verklaring. Vervolgens doet hij op grond van deze verklaring een voorspelling en toetst deze voorspelling aan de realiteit. Al naar gelang het resultaat van de toetsing wordt de verklaring geaccepteerd of verworpen.

Onafhankelijk van de uitslag van de toetsing is de kennis van deze mens toegenomen na het doorlopen van de kring.

Hij heeft een verschijnsel verklaard of hij weet zeker, dat de vork niet zo in de steel zit als hij dacht. Hij kan de nu gevonden verklaring op grond van waarnemingen aanpassen en opnieuw een voorspelling doen. Door deze tweede voorspelling aan de realiteit te toetsen, is zijn kennis opnieuw toegenomen. Zo kan de kringloop een aantal malen achtereen doorlopen worden, waarbij de gissingen een steeds hogere werkelijksheidswaarde krijgen. Het beeld van de spiraal beschrijft de gang van zaken goed. Voortdurend rondgaand verwerft de mens een steeds grotere kennis, die tot uiting komt in de steeds hogere kwaliteit van de voorspellingen. Dit leerproces verloopt geheel anders dan bij een eenvoudig dier, dat slechts de "trial and error" methode hanteert. Het dier probeert en registreert succes of mislukking. Indien het in staat is de succesvolle pogingen te onthouden, is er sprake van leren.

De overweging, die bij het menselijk leren zo'n belangrijke plaats inneemt, speelt geen enkele rol. Het opdoen van ervaring is onverbrekelijk verbonden met het ondernemen van actie in de reële wereld.

De mens is echter in staat ervaring op te doen door na te denken, dus zonder met de realiteit in contact te treden. De fase van de kringloop waarin de voorspellingen getoetst worden hoeft niet in de reële wereld plaats t~ vinden. Ook toetsing in gedachten aan de regels der logica of aan een mathematisch mo-del is mogelijk. Dit nu vindt bij uitstek plaats gedurende het ontwerpproces. Ontwerpconcepties worden op papier getoetst aan de wetten van de statica, de dynamica, de vloeistofmechanica enz.

Het ontwerpen, een zeer geavanceerd leerproces, verloopt volgens een iets uit-gebreidere kringloop dan het eenvoudige denkproces.

evaluatie

4

toetsing verzamelgegevens ontwerpconceptie

;

voorspelling van het functioneren

4

-•

Ook deze kringloop is tot een spiraal uit te breiden. De eerste ontwerp-conceptie wordt dan voortdurend aangepast. Iedere volgende hypothese be-nadert de realiteit beter, tot dat de kwaliteit van de voorspellingen aan de gestelde eisen voldoet. Van een grove benadering, waarin de realiteit met een grote mate van abstractie wordt beschreven, ontwikkelt de

concep-tie zich aan het einde van de spiraal tot een ontwerp met een hoge werke-lijkheidswaarde. Het ontwerp doorloopt dus het pad der afnemende abstractie. Doch de toetsing van het ontwerp (in feite een stelsel van op papier vast-gelegde ideeën) aan de realiteit vindt pas plaats, nadat de constructie vol-tooid en in gebruik genomen is.

2.3 Het ontwerpproces.

Zoals reeds is gezegd, resulteert het realisatieproces van een waterbouw-kundig werk tot verbetering of wijziging van een bestaande situatie. Een dergelijke behoefte wordt meestal gevoeld en geformuleerd op politiek of bestuurlijk niveau. Hieruit vloeit dan een opdracht ter bestudering van de

technische aspekten voort. Deze vaak weinig concreet geformuleerde behoefte vormt het startpunt van het realisatieproces, dat in fig. 2.1 in chronolo-gische volgorde is uitgebeeld.

Het ontwerpproces, waarop de aandacht in dit college voornamelijk gericht zal zijn, is te verdelen in vier fasen, die gekenschetst worden door een

steeds afnemend abstraktieniveau.

Wat-vragen I. Definitie van het probleem

Verzamelen van gegevens

Hoe-vragen 2. Genereren van alternatieve oplossingen

3. Toetsing van de oplossingen en keuze van één variant

4. Uitwerking van het definitieve ontwerp

Gedurende het ontwerpproces zal de nadruk achtereenvolgens liggen op de vier genoemde aspekten, doch het in par. 2.2 aangegeven fundamenteel iteratieve karakter van het ontwerpen betekent, dat de ontwerper vaak terug zal springen naar een voorafgaande fase.

•

_{FASE 1 - FORMULERING VAN EEN BEHOEFTE}

FASE 2.1 - DEFINITIE VAN HET PROBLEEM

- ANALYSE VAN FUNKTIE(S) EISEN

- VERZAMELEN VAN GEGEVENS EN RANDVOORWAARDEN

FASE 2.2 - ONTWERP CONCEPTIES GENEREREN

- GLOBALE VORMGEVING VAN ALTER

-NATIEVEN

FASE 2.3 - TOETSING VAN ALTERNATIEVEN - KEUZE VOORONTWERP

FASE 2.4 - DIMENSIONERING ONTWERP

- DEF. TOETSING OP UITVOER B.M. - VASTLEGGEN D.M.V. TEKENINGEN

EN BESTEK

~

FASE 3 - UITVOERING, FABRICAGE

,

FASE 4 - BEHEER, GEBRUIK, ONDERHOUD - AANPASSING OMGEVING

I

•

•

I

r

FASE 5 --;EN~LE~IJZIGIN~IN DE VE~ --,

L_

TOEKOMST

----_j

fig. 2.1 Het realisatieproces

VAAG IDEE ~ :::> Eo<

<

~ ~ :> 1-1 ~ Z c:.!) Cl) ~ Eo< 1-1 1-1 Eo< ~ ::.:: Eo< ~ 1-1 Eo< ~ Cl) ~ >tl ~

<

!§ !§ ~ ~ ~ Z Z ~ IZ-o 0

<

Eo< REALITEIT

..l

.

b

5

-•

In de eerste fase van het ontwerpproces moet de nadruk liggen op de analyse en de definitie van het probleem. Daartoe is een onderzoek naar de funkties, die de te ontwerpen constructie moet vervullen noodzakelijk. Tijdens de analyse van funkties mag men niet in oplossingen denken. In-tegendeel, de funkties moeten zo abstrakt mogelijk gedefinieerd worden, in de trant van:

Water keren Kracht opnemen

Niveau in stand houden

Tevens dienen de onderlinge relaties binnen het systeem van funkties gron-dig te worden onderzocht. Een hulpmiddel is het "logisch model" (zie col-lege bb25), waarin alle verbanden schematisch worden vastgelegd.

Een dergelijk model komt ook tot stand volgens de wetten van het menselijk denkproces. Men start met een eenvoudige opzet en verfijnt dit al toetsend en evaluerend. ander model gegevens verzamelen

<,

hypothetisch model

,.

.

voorspell1.ng doen evaluatie

t

toetsing

Vaak kan men delen van het logische model verfijnen tot een mathematisch model, waarin de verhoudingen kwantitatief vastliggen.

BIWS BUWS

I

beheer

t

binnenwaters tand -x

I

bevei~I..~_.g_e_n

-l

t

I

I

water keren.~F=··==========~=

n~veau ~n

stand houden ··b·ui·~enwaterstand-l_I

f

I

voorwaardennatuurrand- _

~

I

~ golven _

I

I---'l~

~

.~~lfbelasting

--

_j

I-

I

Voorbeeld van een "logisch model" totaalbelasting

- 6

-H

verval/ ,

m pg{!(BUWS-BIWS)2 + (EUWS-BIWS) x BIWS}

Voorbeeld van een mathematisch model.

Men stoot nu als vanzelf op de vragen: Wat zijn de natuurrandvoorwaarden?

Vertonen de natuurrandvoorwaarden onderlinge relaties?

Ook vragen naar sterkte en draagkracht komen globaal aan de orde.

Wat is de grondgesteldheid?

Welke bouwmaterialen zijn beschikbaar?

Welke bouwvoorschriften zijn van toepassing?

•

Veel mensen zijn van mening, dat een dergelijke diepgaande analyse van

het probleem de ontwerpcreativiteit belemmert. Onze opvatting is echter,

dat men creatiever kan ontwerpen, indien het probleem eerst doorzichtig

is gemaakt in al zijn facetten.

De creativiteit, niet geremd door een gebrek aan kennis, komt in de tweede fase van het ontwerpproces volledig tot zijn recht.

Het gaat er in-de tweede fase van het ontwerpproces om zoveel mogelijk

al-ternatieve ontwerpconcepten te bedenken. Aandacht voor details en

belemme-•

ringen is uit den boze. De creativiteit viert hoogtij. In deze fase van het ontwerp kan men ook de hulp inroepen van allerlei methodes die zijn

ontwik-keld om de ideeënstroom op gang te brengen (zie college bb26).

In feite zijn met het bedenken van een aantalontwerpconcepties, een even

groot aantal "ontwerpspiralen" gestart. De ontwerpconcepties moeten nu

syste-matisch verder ontwikkeld worden van abstrakt idee tot globale ontwerpen .

Daarbij worden de ontwerpen steeds gedetailleerder getoetst aan de

funktie-eisen. Ook wordt onderzocht of de globale vormgeving voldoet aan de wetten

der mechanica en aan eventuele bouwvoorschriften. Meestal zal dit leiden tot

aanpassing van het ontwerp;'een enkele maal zal ook het verwerpen van een

conceptie noodzakelijk zijn.

Wanneer de ontwerpen enigermate zijn uitgewerkt, dient ook de wijze van ui

t-voering aandacht te krijgen. Globaal wordt een werkmethode vastgesteld. Welke

m~terieelinzet en hoeveel mankracht is nodig?

Wanneer alle alternatieve ontwerpen op deze wijze tot een bepaald niveau van

gedetailleerdheid zijn uitgewerkt, is het moment van de keuze gekomen (fase 3).

De mate, waarin de alternatieven aan de funktieeisen voldoen vormt één cri

- 7

-•

gemoeid zal zijn, speelt een rol. Evenals de bouwtijd en de mate van onze-kerheid in de uitvoering.

Soms ook vormt de mate van flexibiliteit een maatstaf. Kortom, ieder

ont-werp dient op tal van punten beoordeeld te worden. De keuze is vaak moei-lijk en onoverzichtemoei-lijk, omdat de punten groot in aantal en van verschil-lend gewicht zijn. Vaak kiest men daarom voor het opstellen van keuzetabel-len, waarin de beoordeling expliciet wordt gemaakt.

I

alternatieven

!

1 II III IV V gewicht

I

_I

i funktieeisen I

I

-

+ 1

I

-

+ 1

-

-

2

-

0 1

!

uitvoering x

I

1

-

-

1

-

+ i 2 ! _I ! bouwtijd 2 1

i

I

1

!

I kosten 1,6 1,9 3 i

•

Voorbeeld keuzetabel

Nadat de keuze is gemaakt, treedt de fase van de definitieve dimensionering en detaillering in. Ten aanzien van het bepalen van de definitieve dimensies wordt de ontwerpspiraal voortgezet. Dit betekent dat nu zeer gedetailleerde gegevens moeten worden verzameld omtrent natuurrandvoorwaarden en

grondgesteld-heid. Een dergelijk onderzoek kan nu ook gerichter plaatsvinden, omdat locatie

en ontwerp vastliggen.

Het funktioneren van de gekozen oplossing moet nu in alle opzichten bestudeerd

en getoetst worden. Dit houdt niet alleen in, dat alle grenstoestanden zowel

ten aanzien van bezwijken als ten aanzien van duurzaamheid gecontroleerd

moe-•

ten worden, maar ook dat aspekten van milieu en landschap aandacht krijgen. Wat de detaillering van de constructie betreft, start het ontwerpproces in

een bepaald opzicht (nu op microschaal) opnieuw. Voor de constructie-details worden alternatieven ontwikkeld, die middels de ontwerpspiraal verder worden verfijnd. Na de keuze van de toe te passen details kan het gehele ontwerp wor-den voltooid en vastgelegd in bestek en tekeningen.

Pas tijdens de uitvoering van het werk en na de in gebruik neming, vindt de toetsing van de ontwikkelde conceptie aan de realiteit plaats.

- 8

-2.4 Enkele technische aspekten.

Tijdens het ontwerp van een constructie komt telkens voor elk onderdeel

opnieuw de vraag naar voren of de optredende belastingen gedragen kunnen

worden. Meestal is dat een vraag, die met ja of nee beantwoord kan worden.

De sterkte van een trekstaaf is groter of kleiner dan de trekkracht.

In sommige gevallen hoeft het echter niet zo duidelijk te zijn. Te denken

valt aan zandtransportproblemen.

Zij S het transport van bodemmateriaal in x-richting, dan geldt als

conti-nuiteitsvoorwaarde:

Er zijn in deze situatie een groot aantal mogelijkheden:

- Het bodemmateriaal verkeert in statisch evenwicht. Het ingaande transport

is gelijk aan het uitgaande, zodat:

•

os

ox

o

en

6t

o

z

= 0

..-Constructief is er dus geen enkel probleem.

- Er kan zich ook een situatie voordoen, dat gedurende enige tijd transport

optreedt. Dit leidt tot enige uitschuring:

T oh

J

-;st

o

T 0 dt =

J ~

dt:f 0

o

ox

Indien de periode van uitschuring echter voldoende kort is, blijft de schade beperkt en kan de toestand toelaatbaar worden genoemd.

- Een toestand van dynamisch evenwicht kan ook toelaatbaar zijn. Dit houdt in,

dat perioden van uitschuring zodanig worden afgewisseld door perioden van

aanzanding, dat geen netto transport optreedt.

- Een evenwicht kan ook ontstaan nadat de fijnere fraktie uit het bodemmateriaal

is verdwenen en de stroombestendiger korrels uit de sortering zijn blijven l

ç}

.

/

o

9

-Gemiddeld over een periode T (b.v. een getij of een jaar) heerst dyna-misch evenwicht, indien:

T

J:

ST

_J:s

( ~tZ . dt = u dt = 0

cl

u 0

o

x

'

Aan een dergelijke situatie moet ir. J.B. Schijf gedacht hebben, toen hij zijn stelling m.b.t. de kustverdediging poneerde:

Begin vandaag niet iets te doen, Wat ge kunt uitstellen tot morgen.

- Ook is het mogelijk, dat inderdaad ten gevolge van een uitschuring een voortdurend dieper wordende kuil ontstaat. Vaak echter verloopt dit pro-ces zo langzaam, dat door het periodiek bijstorten van materiaal een on-toelaatbare toestand wordt voorkomen.

In dat geval wordt de situatie d.m.v. onderhoud (~H) in de hand gehouden, dus

•

S

T

_8t

o

z

o

dt + ~H = 0

- Tot slot is het ook mogelijk, dat de ontgrondingen zich zo snel ontwikke-len, dat onderhoud een te kostbare oplossing vormt. Er zit nu niets anders op, dan het bodemtransport te verhinderen, hetgeen i.h.a. gerealiseerd wordt door de bodem te verdedigen met een bestorting van materiaal dat sta-biel is.

Kort samenvattend kan men dus stellen, dat het dimensioneringsprobleem meestal vrij eenvoudig ligt. Het onderdeel is sterk genoeg of niet.

Er zijn echter ook problemen, waarop een groot aantal oplossingen van

toepas-sing is:

•

- Men kan zo zwaar dimensioneren, dat er geen schade optreedt. - Men kan schade toelaten en hopen op de mildheid van de natuur:

T

S

S.dt 0

o

De optredende schade kan d.m.v. periodiek onderhoud beperkt gehouden worden:

T

S

S dt

=

periodiek onderhoud

o

Tenslotte is er gezien de relatieve onbekendheid van de exacte gang van za

-ken bij zandtransport nog een mogelijkheid, die geen oplossing biedt, maar

2

·

/

/

10

-een catastrofe. De ontgrondingen kunnen veel sneller optreden, dan de

constructeur verwachtte en tot het bezwijken van de constructie leiden.

2.5 Veiligheidscoëfficiënten.

In het algemeen zal de constructie t.g.v. de onwetendheid t.a.v. een aantal

aspekten iets zwaarder gedimensioneerd worden dan de belasting, die de con-structie met zekerheid moet kunnen dragen. Er bestaat een zekere marge tussen de draagkracht of sterkte van de constructie en de belasting. Deze marge wordt

veiligheidscoëfficiënt genoemd. In deze paragraaf wordt dit begrip aan de hand

van het voorbeeld van de "simpele" trekstaaf nader toegelicht, die met zeker-heid een belasting moet kunnen dragen. Die zekerzeker-heid is uiteraard ook in dit geval maar schijn, want volstrekte zekerheid bestaat rond de optredende

be-lasting al evenmin,als t.a.v. de exacte sterkte van de staaf. In feite zijn

beide stochastische grootheden, die alleen door een kansdichtheidsfunktie zijn te beschrijven.

Veronderstel voor de eenvoud eens, dat beide normaal verdeeld zijn met de vol-gende parameters:

~ (sterkte) = 135 kN, ~ (belasting) 100 kN

cr (sterkte) 6 kN, cr (belasting) 8 kN

·1·he i.d ··f· ... . ld . 135 35

De ve~ ~g e~ scoe f~c~ent betrokken op de gem~dde en ~s: 100 = 1, .

De veiligheidscoëfficiënt betrokken op de karakteristieke waarden is: 135 - 1,64 x 6

100 + 1,64 x 8

=

1,11

Wat is nu de veiligheid van deze eenvoudige constructie? Daartoe wordt de

gezamenlijke kansdichtheidsfunktie van belasting en sterkte geconstrueerd

2

./2

- 10

A-•

2

./

j

- 11

-In het belasting-sterktevlak loopt onder 450 door de oorsprong een lijn

belasting = sterkte

Alle combinaties boven de lijn leiden tot bezwijken, omdat de belasting de sterkte overtreft. De kans op bezwijken wordt nu gevonden door de ge

-zamenlijke kansdichtheidsfunktie van sterkte en belasting te integreren over het gebied waar de belasting de sterkte overtreft.

bezwijkkans

:;r~

p(sterkte) ~ p(belasting) ~ d sterkte belasting> sterkte

d belasting

Door de keuze van normale verdelingen, is de oplossing ook eenvoudiger te vinden.

Definieer de betrouwbaarheidsfunktie:

~ =

sterkte - belasting

z is in het beschouwde voorbeeld normaal verdeeld met als parameters:

~(~) 135 - 100

=

35 kN

cr(~

I

62 + 82 10 kN

Bezwijken treedt op indien ""!F <0

t

10-,,10

,

-

>

I

_=[.1<1'11

Dit is het geval bij een afwijking van het gemiddelde van 3,5 cr(= 35). Uit de tabel van de normale verdeling volgt:

bezwijkkans 2,5 x 10-4

De kans op bezwijken is dus ook in het schijnbaar zo zekere geval reëel, ook al is de sterkte groter dan de belasting. En de bezwijkkans neemt snel toe, als b.v. de onzekerheid rond de belasting groter wordt, b.v.:

12 -].l(belasting) ].l(sterkte) 100 kN 135 kN a(belasting) a(sterkte) 20,5 kN 6 kN

Voor de betrouwbaarheidsfunktie z geldt nu:

l:1(z) = 35 kN ].l(~) a(~) 35 1,64 + bezwijkkans a(~)

=

21,33 kN 5 x 10-2

En dat terwijl de veiligheidscoëfficiënt betrokken op de gemiddelden nog steeds 1,35 is.

De veiligheidscoëfficiënt betrokken op karakteristieke waarden is:

Ykar = 135 - 1,64 6 = 0,93

100 + 1,64 • 21,33

De veiligheidscoëfficiënt betrokken op gemiddelde waarden is dus een slechte indicator voor de veiligheid van een constructie.

2.6 Grenstoestanden.

In paragraaf 2.5 is de aandacht gevestigd op het per onderdeel van de con-structie terugkerende element "belasting groter dan sterkte", dat een fun-damentele rol speelde in de veiligheid van de gehele constructie.

Een dergelijke toestand, waarin een bezwijkmechanisme van een constructie of een constructie-onderdeel nog juist evenwicht maakt met de uitwendige belasting,

noemt men een grenstoestand. Een constructie kent derhalve tenminste evenveel

grenstoestanden als bezwijkmechanismen.

Het is de eerste verantwoordelijkheid van de ingenieur, dat alle relevante

grenstoestanden in het ontwerp de vereiste aandacht krijgen, teneinde een vol

-doend veilige en duurzame constructie te waarborgen.

2.7 Grenstoestand m.b.t. bezwijken.

Het ontwerpen van een constructie is een proces waarin voortdurend alterna-tieven worden getoetst aan diverse criteria.

Eén van de fundamentele criteria op grond waarvan de uiteindelijke keuze wordt bepaald, is de eis, dat het draagvermogen groter is dan de optredende belasting. Daarvoor wordt zorg gedragen door een veiligheidsmarge aan te hou-den tussen de te verwachten belasting en de nagestreefde sterkte van de

2

.

/

~

- 13

-Allereerst worden alle fundamentele parameters die een rol spelen in de

theoretische betrekkingen, waarop het ontwerp van de constructie berust,

verzameld.

Deze parameters worden de basisvariabelen gedoopt.

De hoofdcategorieën van basisvariabelen zijn "sterkte" en "belasting" (zie

onderstaande fig.). ...-lveiligheidsmargeL

I

potentiële weer bedreiging ve of 0 belasting ster

1

overdrachts- theo funkties mode

1

randvoor- ster waarden par stands-rmogen f kte kte ameters

Het principe van de grenstoestand.

In de categorie "sterkte" of "weerstand" horen de materiaalsterkte en de geometrie van de constructie thuis. Hierbij moet men denken aan parameters als de buigsterkte van een bouwmateriaal, de wrijvingseigenschappen van grond, de hoogte van een dijk of het weerstandsmoment van een balk.

In de andere categorie zijn de basisvariabelen te vinden, die als randvoor-waarden voor de constructie zijn op te vatten, zoals extreme windsnelheid,

sneeuwlaagdikte, scheepsmassa of extreme waterstanden.

Vervolgens komen de theoretische modellen aan de orde, waarmee uit de ba

sis-variabeien respectievelijk het weerstandsvermogen van de constructie en de belasting of potentiële bedreiging worden bepaald. De theoretische relaties,

die dienen ter bepaling van belastingen uit natuurrandvoorwaarden worden ook

weloverdrachtsfunkties genoemd.

Tot slot komt de vraag aan de orde, welke veiligheidsmarge dient te worden

aangehouden tussen belasting en sterkte, zodat de kans op bezwijken aanv

aard-baar klein is.

Hiervoor zijn drie principieel verschillende filosofieën beschikbaar:

I. Deterministische methode;

2. Quasi-probabilistische methode;

14

-ad 1: Bij de deterministische methode kiest men "veilige" waarden voor de basisvariabelen, die de belastingen veroorzaken.

Voor de bepaling van de sterkte wordt veelal gebruik gemaakt van de gemiddelde waarde der sterkte parameters. De grootte van de veilig-heidscoëfficiënt wortelt in ervaring, doch is een vrij ongevoelige indicator voor de veiligheid van de constructie.

ad 2: Het feit, dat alle basisvariabelen eigenlijk stochastische groothe-den z1Jn, vormt de grondslag van de quasi-probabilistische methode. Omdat het rekenen met stochastische grootheden bij gewone ontwerp-werkzaamheden te omslachtig is, werd in de constructieve

wetenschap-pen het begrip "karakteristieke waarde" geïntroduceerd. Dit begrip

vereenvoudigt het werk, zonder dat alle statistische informatie ver- ~ loren gaat. De karakteristieke sterkte wordt gedefinieerd als de sterkte die 5% kans heeft onderschreden te worden. De karakteristieke waarde van de belasting wordt meestal vastgelegd als die waarde, die een overschrij-dingskans heeft van 5% tijdens de levensduur van de constructie.

In de normale bouwpraktijk schrijven de voorschriften (b.v. VB 1974) het gebruik van partiële veiligheidscoëfficiënten voor. Door met behulp van deze coëfficiënten afstand te scheppen tussen karakteristieke

sterk-te en belasting, wordt voldoende veiligheid gewaarborgd (zie onderst. fig.).

In het algemeen worden voor de partiële veiligheidsfaktoren de defini-ties, die zijn neergelegd in de I.S.O. standaard 2394, toegepast (zie ook VB 1974).

K.D.F. K.A.R. M

potentiële ~ potentiële 4 'TT y .

bedreiging bedreiging 1=• 1 1part

,

overdrachts funktie

J

} karakteris-tieke f.--sterkte K.D.F. sterkte theoretisch model

t

K.D.F. sterkte parameters De quasi-probabilistische methode.

- 15

-ad 3: De meest geavanceerde methode is de probabilistische methode. Nu

worden alle basisvariabelen gespecificeerd door een kansdich

theids-funktie. Met behulp van het theoretisch model kan nu uit de k

ans-dichtheidsfunkties van de basisvariabelen de kansdichtheidsfunktie

van de sterkte worden afgeleid.

Evenzo wordt uit de natuurrandvoorwaarden de kansdichtheidsfunktie

van de potentiële bedreiging bepaald. De laatste stap houdt nu het bepalen van de bezwijkkans van het mechanisme in. De bezwijkkans van de totale constructie vormt nu het beoordelingscriterium, nadat de bezwijkkansen der mechanismen via de foutenboomtechniek zijn

samenge-voegd (zie onderstaande fig.).

faal-,

I

f

g(s)

-pf = f(s)dP kans K.D.P. K.D.F. potentiële sterk bedreiging

t

overdrachts- theor funktie model

f

,

K.D.F. K.D.F. R.V.W. sterk param te etl.sch te eters

•

De probabilistische methode.

Hoe is nu de stand van zaken in de waterbouwkunde?

De waterbouwkundige ontwerper hanteert een methode, die tussen de determi-nistische en de quasi-probabilistische variant in ligt. De waterbouwkundige praktijk kent het gebruik van veiligheidscoëfficiënten en karakteristieke waarden nog niet. Hier kiest men meestal, in navolging van de Deltacommissie, de potentiële bedreiging behorendbij een natuurrandvoorwaarde met een extreem

lage overschijdingskans (1% per eeuw/ Ix per jaar) en stelt deze gelijk aan de gemiddelde sterkte zonder gebruik te maken van veiligheidscoëfficiënten.