definitief

Monitoringsfilosofie – toepassing op referentiebaan No-Recess CO-710107/45 5-12-2000 definitief

Monitoringsfilosofie – toepassing op referentiebaan No-Recess

CO-710107/45 5-12-2000 definitief Opgesteld in opdracht van: RIJKSWATERSTAAT – DIENST WEG- EN WATERBOUWKUNDE POSTBUS 5044, 2600 GA DELFT & DELFT CLUSTER POSTBUS 69, 2600 AB DELFT AFDELING GRONDCONSTRUCTIES Projectleider : ir. A.R. Koelewijn Projectbegeleider : dr. J.K. van Deen

GeoDelft Stieltjesweg 2, 2628 CK DELFT Postbus 69, 2600 AB DELFT Telefoon (015) 269 35 00 Telefax (015) 261 08 21 Postbank 234342 Bank MeesPierson NV Rek nr 25 92 35 911

CO-710107/45

5-12-2000

rapportnr: CO-710107/45

datum rapport: 5-12-2000

titel en subtitel: Monitoringsfilosofie – toepassing op referentiebaan No-Recess

behandelende afdeling: Grondconstructies projectnaam: Monitoringsfilosofie HerMes

projectleider(s): projectbegeleider(s): ir. A.R. Koelewijn dr. J.K. van Deen namen en adressen opdrachtgevers: referentie opdrachtgever: Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en MONFIL, verplichtingennummer 35000825 (RWS-DWW) Waterbouwkunde, 01.01.07 Monitoringsfilosofie HerMes (Delft Cluster) Postbus 5044 verzenden in: 2600 GA Delft 10+2-voud Delft Cluster type rapport: Postbus 69 definitief 2600 AB Delft samenvatting rapport: Dit rapport bevat de toepassing van de in Delft Cluster-verband door GeoDelft en TNO-Bouw ontwikkelde monitoringsfilosofie op de referentiebaan in het No-Recess proefterrein nabij ’s-Gravendeel. Hierbij is gefocused op de zettingen: wat zijn de oorspronkelijke prognoses, wat zijn de onzekerheden daarbij, waar dient de monitoring zich op te richten teneinde de prognoses voor de verdere toekomst te verbeteren en hoe werkt dit in de praktijk uit indien er van enkele jaren metingen beschikbaar zijn. Hierbij zijn zowel het (deterministische) programma MSettle met zakbaakinterpretatie als een eenvoudig probabilistisch model voor het bijstellen van zettingsprognoses gebruikt. Met MSettle worden bruikbare resultaten gevonden, terwijl het probabilistische model slecht bruikbaar blijkt te zijn indien de uitvoering in belangrijke mate afwijkt van het ontwerp.

opmerkingen:

verspreiding: trefwoorden: monitoring, monitoringsfilosofie, zetting, DWW: 10 ex., DC 2 ex., TNO 1 ex., GD 7 ex. verticale drainage opgeslagen op: aantal blz.: onder titel: N:\tmp\Hols\710107_45_Monitoringsfilosofie_NoRecess.doc 39 versie: datum: opgesteld door: paraaf: gecontroleerd door: 1 (/40) 22-11-2000 ir. A.R. Koelewijn dr. J.K. van Deen 2 (/45)

5-12-2000

ir. A.R. Koelewijn

paraaf:

dr. J.K. van Deen

GeoDelft Report no.: CO-710107/45

Date report: 5-12-2000

CO-710107/45 Title: Monitoringsfilosofie – toepassing op referentiebaan No-Recess

5-12-2000 Department: Grondconstructies Project: Monitoringsfilosofie HerMes

Project manager: Project supervisor: ir. A.R. Koelewijn dr. J.K. van Deen Names and addresses of clients: Reference clients: Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en MONFIL, verplichtingennummer 35000825 (RWS-DWW) Waterbouwkunde, 01.01.07 Monitoringsfilosofie HerMes (Delft Cluster) P.O. Box 5044 Copies sent: NL-2600 GA Delft 10+2 Delft Cluster Type of report: P.O. Box 69 definitive NL-2600 AB Delft Summary of report: In this report the monitoring philosophy as developed for Delft Cluster by GeoDelft and TNO-Building & Construction research is applied to the conventional embankment at the No-Recess test area near ’s-Gravendeel (about 20 km south of Rotterdam). The focus lies on the settlements: what are the original predictions (with the uncertainties), on what should the monitoring be focused to improve the settlement predictions for the future and how does this work out if data are available for a few years. Both the (deterministic) program MSettle with interpretation of settlement beacons and a simple probabillisitic model for the adaption of settlement predictions have been used. With MSettle useful results are found, while the other model can hardly be used if the actual construction significantly differs from the design.

Comments:

Distribution: Key words: RWS-DWW: 10 copies, DC 2 copies, TNO 1 copy, GD 7 copies monitoring, monitoring filosofy, settlement, vertical drainage Saved: No. of pages: Filename: N:\tmp\Hols\710107_45_Monitoringsfilosofie_NoRecess.doc 39 Version: Date: Prepared by: Signature: Checked by: Signature: 1 (/40) 22-11-2000 ir. A.R. Koelewijn dr. J.K. van Deen 2 (/45)

5-12-2000

ir. A.R. Koelewijn

dr. J.K. van Deen

GeoDelft

CO-710107/45

5-12-2000

INHOUDSOPGAVE

1

Inleiding 1.1 Doelstelling 1.2 Projectkader 1.3 Organisatie van het project 1.4 Leeswijzer bij dit rapport

1 1 1 2 2

2

Rationele monitoring 2.1 Inleiding 2.2 Afbakening van het project en de relevante omgevingsfactoren 2.2.1 Inleiding 2.2.2 Ontwerpeisen referentiebaan HW1 2.2.3 Bodemopbouw 2.2.4 Ontwerp en fasering van de ophoging 2.3 Bepaling van de maatgevende faalmechanismen 2.3.1 Inleiding 2.3.2 Zettingsprognoses 2.4 Bepaal welke vragen door monitoring dienen te worden beantwoord 2.5 Opzet/keuze van een model voor de verwerking van meetgegevens

3 3 5 5 7 7 8 9 9 10 12 12

3

Ontwerpfase: systematische opzet monitoringssysteem 3.1 Inleiding 3.2 Bepaal de te monitoren parameters 3.3 Bepaal orde van grootte van veranderingen 3.4 Bedenk aanvullende maatregelen 3.5 Bepaal locaties van de instrumenten 3.6 Benoem specifieke doel van elk instrument 3.6.1 Maaiveldzettingsmetingen 3.6.2 Vertikale vervormingsmetingen ondergrond 3.7 Plan de registratie van relevante omgevingsinvloeden 3.8 Beschrijf eisen aan de uit te voeren metingen 3.9 Stel procedures op ter bepaling van de correcte functionering van de meetinstrumenten 3.10 Plan regelmatige kalibratie en onderhoud 3.11 Verantwoordelijkheden bepalen voor diverse projectfasen 3.12 Selecteer instrumenten 3.13 Aankoopspecificaties voor instrumenten

15 15 15 15 16 16 16 16 16 17 17 17 18 18 18 19

CO-710107/45

3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19

5-12-2000

Stel de voorlopige begroting op Plan installeren van instrumenten Plan verzameling van meetgegevens Plan verwerking van meetgegevens Stel de begroting vast Vastleggen van het monitoringssysteem in een ontwerpverslag

19 19 19 19 20 20

4

Bouwfase 21 4.1 Inleiding 21 4.2 Metingen en gerealiseerde uitvoering 21 4.3 Bijstelling zettingsprognoses met behulp van zakbaakinterpretatieprogramma in MSettle21 4.4 Bijstelling zettingsprognoses m.b.v. model uit [Calle & Van der Meer 1997] 23

5

Beheerfase

25

6

Conclusies en aanbevelingen

27

7

Literatuur

29

BIJLAGEN Bijlage 1: Zettingsplaten HW1 Bijlage 2: Extensometingen HW1 Bijlage 3: Resultaten zakbaakinterpretatieprogramma binnen MSettle met ontwerpwaarden Bijlage 4: Tijd-zettingscurves lage baan bij bijlage 3 Bijlage 5: Tijd-zettingscurves hoge baan bij bijlage 3 Bijlage 6: Resultaten zakbaakinterpretatieprogramma binnen MSettle met aangepaste waarden op basis van metingen lage baan t/m 25-5-1998 Bijlage 7: Tijd-zettingscurves bij bijlage 6 Bijlage 8: Bijstelling zettingsprognoses met behulp van model uit [Calle & Van der Meer 1997]

CO-710107/45

5-12-2000

1 Inleiding 1.1 Doelstelling Het doel van dit rapport is tweeledig: -

-

in de eerste plaats dient het rapport duidelijk te maken hoe de algemene monitoringsfilosofie voor civieltechnische constructies zoals die is vastgelegd in het rapport ‘Monitoringsfilosofie – Waarom, Wat, Waar en Wanneer meten & verwerken’ [Koelewijn 2000a] kan worden toegepast op een concreet project. In hoofdstuk 6 wordt ingegaan op de geconstateerde verschillen met de tot nu toe gebruikelijke aanpak bij dergelijke projecten. daarnaast dient te worden aangegeven hoe de door deze monitoringsfilosofie voorgestane werkwijze bij de verwerking van monitordata in een concreet geval kan worden toegepast. Concreet wordt in dit rapport ingegaan op de zettingen en de zettingsprognoses met betrekking tot de op conventionele wijze uitgevoerde referentiebaan in het No-Recess proefterrein nabij ’sGravendeel. In beperkte mate zal worden aangegeven wat de verschillen in aanpak en uitvoering zijn.

Teneinde vergelijkingen met het algemene rapport over monitoringsfilosofie te vergemakkelijken is voor dit rapport dezelfde hoofdstuk- en paragraafindeling gehanteerd als in dat rapport. Om de leesbaarheid te vergroten wordt verder niet naar dat rapport verwezen.

1.2 Projectkader Deze toepassing op een concreet project van de tegelijkertijd ontwikkelde algemene monitoringsfilosofie is uitgevoerd in het kader van het Delft Cluster project ‘Monitoringsfilosofie HerMes1’. Dit project maakt deel uit van het Delft Cluster onderzoeksprogramma voor de periode 1999-2002. Dit onderzoeksprogramma is onderverdeeld in zeven thema’s, waarvan het thema ‘Grond en Constructies’, waar dit project onder valt, er één is. Binnen dit thema is onderscheid gemaakt tussen specifieke basisprojecten, die een directe koppeling hebben met één van de subthema’s, en generieke basisprojecten, die relevant zijn voor alle subthema’s. Het project ‘Monitoringsfilosofie HerMes’ is een onderdeel van het generieke basisproject ‘Verkennen, Meten en Monitoren’. Dit projectonderdeel is uitgevoerd in opdracht van Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en Waterbouwkunde, waar dit project aangeduid wordt met de naam MONFIL en verplichtingennummer 3500.0825. Rijkswaterstaat is tevens opdrachtgever voor het onderzoek met betrekking tot het NoRecess proefterrein. De ontwikkelde monitoringsfilosofie is in het kader van dit onderzoekproject in opdracht van Rijkswaterstaat ook toegepast op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte nabij Bergambacht [Koelewijn 2000b].

1

Het acroniem ‘HerMes’ staat voor ‘HEt Rationeel Monitor Evaluatie Systeem’ 1

CO-710107/45

5-12-2000

1.3 Organisatie van het project Dit Delft Cluster project, dat naar verwachting tot 2002 doorloopt, wordt uitgevoerd door de Delft Cluster partners TNO Bouw en GeoDelft. De algemene theorie is door beide instituten gezamenlijk ontwikkeld. De toepassing ervan op constructieve projecten vindt in principe plaats door TNO Bouw, terwijl de toepassing op geotechnische projecten is uitgewerkt door GeoDelft, dat hiertoe zoals genoemd een afzonderlijke deelopdracht van Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en Waterbouwkunde heeft ontvangen.

1.4 Leeswijzer bij dit rapport In hoofdstuk 2 wordt bepaald in hoeverre de beschikbare gegevens met betrekking tot de op conventionele wijze uitgevoerde referentiebaan in het No-Recess proefterrein gebruikt kunnen worden om de ontwikkelde monitoringsfilosofie te demonstreren. Het No-Recess project had als doel de vergelijking van verschillende funderingswijzen voor een aardebaanconstructie. Daartoe is van alles gemeten. Het betreffende project is al uitgevoerd, zodat van een systematische opzet van een monitoringssysteem volgens de Hermes-monitoringsfilosofie geen sprake meer kan zijn. Voor de beoordeling van deze monitoringsfilosofie is een gedeelte van de meetdata bruikbaar. In hoofdstuk 3 wordt bepaald in hoeverre het in het kader van het No-Recess project opgezette monitoringssysteem van primair belang is voor het bijstellen van (rest)zettingsprognoses, die mede de basis vormen voor het opstellen van onderhoudsschema’s. In hoofdstuk 4 wordt ingegaan op de bouwfase. Voor een aantal verschillende tijdstippen is met de in hoofdstuk 2 aangegeven modellen bepaald in hoeverre de oorspronkelijke prognoses kunnen worden bijgesteld op basis van de meetgegevens. In principe kan dit leiden tot een aanpassing van de uitvoering indien dat kan leiden tot het alsnog voldoen aan de gestelde criteria. In hoofdstuk 5 wordt ingegaan op de beheerfase. Na oplevering van de aardebaan (in dit geval overigens fictief) kan een aanvullende reeks van meetwaarden leiden tot een verdere aanpassing van de eerder gemaakte prognoses. Dit kan gebruikt worden om de vooraf gemaakte onderhoudsplanning aan te passen aan de werkelijke situatie. In hoofdstuk 6 wordt tenslotte ingegaan op de meerwaarde van de gehanteerde methodiek ten opzichte van de tot nu toe gebruikelijke aanpak.

2

CO-710107/45

5-12-2000

2 Rationele monitoring 2.1 Inleiding Bij dit project wordt pas achteraf een analyse gemaakt van een gedeelte van de bij het No-Recess project verzamelde gegevens. In tegenstelling tot de gebruikelijke situatie, waarbij vooraf op rationale wijze moet worden vastgesteld waarom, wat, wanneer en in welke mate gemonitord zal moeten gaan worden, zal in dit geval een selectie moeten plaatsvinden van de onderdelen die zich het beste lenen voor een demonstratie van de in Delft Cluster kader ontwikkelde monitoringsfilosofie. Voor de op conventionele wijze uitgevoerde referentiebaan in het No-Recess proefterrein is van te voren vastgesteld dat de monitoring zich met name dient te richten op de stabiliteit tijdens de uitvoeringsfase en het zettingsverloop (zie [Van Duinen 1998]). In aanvulling daarop zijn metingen verricht waarmee het gedrag van de op conventionele wijze uitgevoerde referentiebaan kan worden vergeleken met de vier ophogingen welke op (voor Nederland) onconventionele wijzen zijn uitgevoerd (zie bijvoorbeeld [Mooijman 1999, Van Duijvenbode 1999]). De uitvoeringsstabiliteit is van belang om afschuivingen te vermijden terwijl tegelijkertijd er naar kan worden gestreefd om de ophoging zo snel mogelijk aan te brengen. Monitoring van het zettingsverloop is noodzakelijk om aan te kunnen tonen dat aan de (rest)zettingseisen zal worden voldaan, en om de geplande uitvoering op geschikte wijze aan te kunnen passen indien niet aan de eisen dreigt te worden voldaan. Bij een achteraf-analyse als deze is een nadere beschouwing van de uitvoeringsstabiliteit met name zinvol wanneer er in enige mate afschuivingen zijn opgetreden tijdens de uitvoering. Nu dat niet het geval is, kan worden gesteld dat de benodigde stabiliteit te allen tijde gewaarborgd is geweest, met andere woorden: de veiligheidsfactor voor afschuiven is steeds groter dan 1 geweest, overeenkomstig de voorspellingen in het geotechnisch adviesrapport (zie [Van Duinen 1998]). Hoe groot de veiligheidsmarge precies is geweest zou nu alleen kunnen worden afgeschat onder de aanname dat de hiervoor gehanteerde modellen correct zijn. Indien zich gedeeltelijk afschuivingen hadden voorgedaan, dan zou ook een nadere beschouwing van de gehanteerde modellen en parameters mogelijk zijn geweest. Voor de zettingen is een nadere analyse van de opgetreden waarden en een bijstelling van de prognose op basis van de gemeten waarden is nu wel op een zinvolle wijze mogelijk. In de rest van dit rapport zal hier nader op worden ingegaan. In § 2.2 wordt de referentiebaan in het No-Recess proefterrein als project afgebakend en wordt de relevante informatie met betrekking tot dit project gegeven, waarbij de nadruk ligt op die gedeelten die betrekking hebben op de zettingen. In § 2.3 wordt ingegaan op de gemaakte zettingsprognoses. Deze zijn te beschouwen als een betrekkelijk eenvoudige betrouwbaarheidsanalyse, gericht op één van de mogelijke faalmechanismen (teveel zetting betekent immers niet voldoen aan de gestelde functionele eisen). Uit een betrouwbaarheidsanalyse volgen in het algemeen de vragen die door de monitoring dienen te worden beantwoord. In § 2.4 wordt hier nader op ingegaan. In § 2.5 tenslotte wordt ingegaan op de verwerking van de meetgegevens. Verwerking van meetgegevens met betrekking tot de zettingen en een daarop gebaseerde aanpassing van de prognoses voor het verdere zettingsverloop kunnen op diverse wijzen plaatsvinden. In § 2.5 wordt hiervoor een tweetal methoden gepresenteerd.

3

CO-710107/45

5-12-2000

In het algemeen kan worden gesteld dat voor een systematische monitoring, zoals dat in het kader van ‘Monitoringsfilosofie Hermes’ wordt voorgesteld (zie [Koelewijn 2000a]), in principe gewerkt wordt volgens het in figuur 2.1 aangegeven stroomschema. In dit diagram ligt de nadruk op een systematische opzet van het monitoringssysteem, waarbij alle relevante aspecten met betrekking tot het project worden meegenomen (‘een goed begin is het halve werk’). Projectafbakening (§ 2.2)

Betrouwbaarheidsanalyse (§ 2.3)

Bepaling monitoringsvragen (§ 2.4)

Opzet/keuze model verwerking meetgegevens (§ 2.5)

Systematische opzet monitoringssysteem (§§ 3.2-3.13) (Wat, waar, wanneer en in welke mate meten van verwerkbare gegevens om op kwantitatieve wijze bij te dragen aan de betrouwbaarheid van de constructie)

Opstellen voorlopige begroting (§ 3.14)

Passend binnen budget? ja

nee

Budget aanpasbaar? ja

Verdere planning installatie/verzameling/ verwerking (§§ 3.15-3.17)

Vastleggen ontworpen monitoringssysteem (§§ 3.18-3.19)

Eventuele bijstelling van onderdelen

Figuur 2.1

4

Bouw (uitvoering) en beheer (onderhoud): meten, bijstellen van prognoses op basis van metingen en afwijkingen t.o.v. ontwerp, eventueel bijstellen van uitvoering, onderhoud en monitoring om aan gestelde eisen te voldoen (h. 4-5)

Stroomschema systematische monitoring

nee

Bezuiniging op monitoring en/of gehele projectopzet

CO-710107/45

5-12-2000

In een betrouwbaarheidsanalyse, wordt van de diverse mogelijke faalmechanismen die het functioneren dan wel het voortbestaan van de constructie bedreigen, de kans van optreden bepaald. Op basis daarvan wordt vastgesteld waar de monitoring zich het beste op kan richten. Vervolgens wordt een model voor de verwerking van meetgegevens opgezet (of gekozen uit bestaande beschikbare modellen), zodat voorkomen wordt dat de verzamelde meetgegevens niet verwerkt kunnen worden. Vervolgens wordt op systematische wijze een monitoringssysteem opgezet. De daarbij behorende begroting kan al dan niet passen binnen budget dat binnen het project beschikbaar is voor monitoring. Indien dit niet toereikend is en niet in voldoende mate kan worden aangepast, dan zal op de monitoring en/of op de gehele projectopzet bezuinigd moeten worden, hetgeen in elk geval leidt tot een inperking van de reikwijdte van de monitoring. Zodra een haalbaar monitoringssysteem is ontworpen kan de nadere planning plaatsvinden van de installatie van instrumenten en de inwinning en verwerking van meetgegevens. Mede om de toelaatbaarheid van eventuele toekomstige aanpassingen van het project (inclusief de bijbehorende monitoring) te kunnen toetsen dient het ontwerp van het monitoringssysteem (met de daarvoor geldende uitgangspunten) op een toegankelijke wijze te worden vastgelegd. Tijdens de bouw en het beheer van het project kunnen diverse aanpassingen aan het oorspronkelijke ontwerp plaatsvinden. Deze aanpassingen kunnen onder andere gebaseerd zijn op de uitgevoerde metingen en op verbeteringen in de gehanteerde ontwerpmodellen. De nadere uitwerking van de monitoring en eventuele aanpassing daarvan tijdens bouw en beheer is dermate afhankelijk van het verloop van een specifiek project dat alleen in algemene termen kan worden aangegeven welke onderdelen uit de ontwerpfase eventueel aangepast moeten worden (zie figuur 2.1).

2.2 Afbakening van het project en de relevante omgevingsfactoren 2.2.1

Inleiding

In de Hoeksche Waard, nabij 's-Gravendeel, is in de afgelopen jaren een onderzoek naar voor Nederland nieuwe funderingstechnieken uitgevoerd onder de naam No-Recess, een acroniem voor 'New Options for Rapid and Easy Construction of Embankments on Soft Soils'. Het onderzoek betreft een demonstratie-onderzoek naar voor Nederlandse begrippen niet-conventionele funderingswijzen van aardebanen voor rail- en weginfrastructuur. Het is uitgevoerd in opdracht van Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde en de Projectorganisatie Hogesnelheidslijn-Zuid Infra. In het kader van dit project is een viertal voor Nederland nieuwe technieken onderzocht. Teneinde een goede vergelijking met de gebruikelijke technieken te kunnen maken is bovendien één testbaan op conventionele wijze uitgevoerd: een zandlichaam met verticale drains in de ondergrond. In dit rapport zal, zoals hiervoor is toegelicht, alleen worden ingegaan op de zettingen van de referentiebaan. Nadere informatie over dit project, inclusief een lijst met relevante literatuur met betrekking tot het No-Recess onderzoek is te vinden in [Van Duijvenbode 1999]. De referentiebaan, aangeduid met code HW1, is net als de andere testbanen uitgevoerd als een oprit, met een laag gedeelte van 1 meter boven maaiveld en een hoog gedeelte van 5 meter boven maaiveld,

5

CO-710107/45

5-12-2000

waarbij aan het einde van het hoge gedeelte een denkbeeldige aansluiting op een kunstwerk is gedacht, zie figuren 2.2 en 2.3.

Figuur 2.2

Bovenaanzicht referentiebaan HW1 (verkleind)

Figuur 2.3

Langsdoorsnede referentiebaan HW1 (verkleind)

Een overzichtstekening van het gehele proefvak en een tekening van de referentiebaan met aanvullende informatie zijn te vinden in [Mooijman 1999].

6

CO-710107/45

2.2.2

5-12-2000

Ontwerpeisen referentiebaan HW1

Het No-Recess onderzoek is gericht op het bepalen van de haalbaarheid van: -

korte bouwtijden: minder dan anderhalf jaar kleine restzettingen: (veel) minder dan 100 mm minimalisatie van bouwrisico's minimalisatie van het overschot op de grondbalans voldoende stijf gedrag van de baan bij dynamische belastingen minimalisatie van schade bij aanleg van (spoor)wegverbredingen

In dit rapport zijn met name de (rest)zettingen van belang, daar de zettingen na oplevering van de aardebaan in belangrijke mate van invloed zijn op het noodzakelijke onderhoud aan de (spoor)weg welke op de aardebaan is gerealiseerd. Vanuit de Projectorganisatie HSL-Zuid Infra zijn de volgende eisen geformuleerd: -

bouwtijd kleiner dan 18 maanden en restzettingen bij oplevering na 24 maanden over een periode van 30 jaar kleiner dan 30 mm bij een fictief kunstwerk aansluitend op het hoge deel restzettingen over een afstand van 10 meter bovendien aflopend tot 0 millimeter

Door Rijkswaterstaat zijn daarnaast als eisen geformuleerd: -

-

lage aardebaan bouwtijd kleiner dan 6 maanden en bovendien: - over de volgende 30 jaar een restzetting kleiner dan 100 mm - een bouwzetting kleiner dan 100 mm hoge aardebaan bouwtijd kleiner dan 12 maanden en bovendien eveneens: - over de volgende 30 jaar een restzetting kleiner dan 100 mm - een bouwzetting kleiner dan 100 mm

De vereiste stabiliteit van de ophoging tijdens de uitvoering, de eisen ten aanzien van bouwtijd en bouwzetting en de gewenste minimalisatie van het overschot op de grondbalans leiden ertoe dat de mogelijkheden om aan de restzettingseisen te voldoen beperkt zijn in een gebied met een slappelagenpakket met een aanmerkelijke dikte. Voorzien is dat de referentiebaan over het algemeen niet aan de eisen zal voldoen. Het gegeven dat conventionele ophoogwijzen niet aan de huidige en toekomstige eisen met betrekking tot bouwtijd en (rest)zettingen voldoen is immers de reden geweest om het No-Recess onderzoek te starten.

2.2.3

Bodemopbouw

Voor het ontwerp van de referentiebaan is uitgegaan van de bodemopbouw en de grondparameters beschreven in tabel 2.1 (bron: [Van Duinen 1998]).

7

CO-710107/45

Laag

5-12-2000

Bovenzijde

Volumegewicht

[kN/m3] ophogingszand 18 (droog) 20 (nat) siltige klei -0,7 14 Hollandveen -2,4 11 organische klei -4,8 14 basisveen -8,7 12 pleistoceen zand -9,2 20 Tabel 2.1 Ontwerpwaarden grondparameters [NAP ... m] -

Samendrukbaarheidsparameters C's cv [-] [m2/jaar] -

C'p [-] 19 8 15 12 154

115 31 62 46 -

2 3 2 3 -

Het maaiveld ligt op een niveau van NAP -0,70m. De freatische lijn wordt gehandhaafd op een peil van NAP –1,94m. De stijghoogte in de diepgelegen zandlaag bedraagt NAP –1,50m. Voor de grensspanning is voor de ontwerpberekeningen een waarde van 0 kPa ten opzichte van de heersende terreinspanning aangehouden. De ontwerpberekeningen bevatten tevens de (rest)zettingsprognoses voor de referentiebaan. Uit later grondonderzoek [Mastebroek 1998] is gebleken dat de bodem onder de referentiebaan veel heterogener van samenstelling is en dat de eigenschappen ook wat verschillen ten opzichte van de hiervoor gerapporteerde waarden (zie ook [Van Duijvenbode 1999]). De waarden uit het latere grondonderzoek zijn vermeld in tabel 2.2. Voor de Hollandveenlaag zijn meerdere proefresultaten beschikbaar, zoals vermeld. Hierbij kan worden opgemerkt dat met name voor de organische kleilaag de waarden van Cs en C’s (de laatste groter dan de eerste!) als merkwaardig overkomen. Met name het al dan niet negeren van de grensspanning kan een grote invloed hebben op de kwaliteit van (rest)zettingsprognoses. Laag

Diepte (van – tot) [NAP ... m]

Nat Volumegewicht [kN/m3]

P’c [kPa]

Samendrukbaarheidsparameters (methode Keverling Buisman) C’s Cp C’p [-] Cs [-] [-] [-]

siltige klei -0.8 -- -1.9 zand -1.0 -- -2,8 10,4/11,5/12,1 25/33 28,5/27,2 7,0/7,2 294,1/158,7 Hollandveen -1,8 -- -6,8 organische klei -5,0 -- -8,5 13,0 32 13,4 11,0 66,2 basisveen -8,0 -- -9,7 pleistoceen zand -9,5 Tabel 2.2 Aanvullende grondparameters latere onderzoek ([Mastebroek 1998]).

2.2.4

40,5/47,4

76,9

Ontwerp en fasering van de ophoging

De breedte van de ophoging bedraagt aan de bovenzijde 10 meter, zowel op het hoge en het lage gedeelte als op het overgangsgedeelte. Elk van deze gedeelten heeft een lengte van 20 meter. In de uiteindelijke situatie kennen alle taluds een helling van 1:2. Het hoge deel moet uiteindelijk 5 meter hoog worden en het lage deel 1 meter hoog (zie ook figuren 2.2 en 2.3). In verband met

8

CO-710107/45

5-12-2000

zettingscompensatie en overhoogte zijn de taluds tijdens de bouwfase soms steiler. Voor het lage gedeelte is een zettingscompensatie van 1,2 meter en een overhoogte van 0,7 meter dikte gedurende 1 jaar voorzien. Voor het hoge gedeelte is een zettingscompensatie van 2,6 meter voorzien, zonder toepassing van een overhoogte. De geplande fasering van de ophoging was als volgt (bron: tekening HW1 uit [Mooijman 1999]): -

-

eerst een werkvloer aanbrengen, met een dikte van 0,5 meter vervolgens instrumentatie (zettingsmeetslangen) aanbrengen daarna, te beginnen één week na het aanbrengen van de werkvloer, wekelijks een halve meter ophogen totdat een totale dikte van drie meter is bereikt (het lage deel is dan af, inclusief overhoogte, op t=35 dagen (vijf weken)) vervolgens eens per twee weken een halve meter zand aanbrengen, todat de voorziene hoogte is bereikt (voor het hoge deel is dat op t=161 dagen (5+18=23 weken)). ruim 1 jaar rust tenslotte afwerken volgens het eindprofiel op t=18 maanden.

Ter verkorting van de consolidatietijd zijn in het ontwerp verticale drains voorzien met een hart-ophart afstand van 1 meter in een driehoeksstramien onder de gehele baan en tot 3 meter buiten de teen van de ophoging. Bij het ontwerp kan de kanttekening worden gemaakt dat de lengte van elk deel betrekkelijk klein is in relatie tot de dikte van het slappe-lagenpakket. Uitgaande van een belastingspreiding onder 45 graden (hetgeen een gebruikelijke aanname is, zie bijvoorbeeld [Verruijt 1999]) is er bij beide delen maar een klein gedeelte van de aardebaan waarvoor een vlakke vervormingstoestand kan worden aangenomen en waarvoor het dus mogelijk is om af te zien van de invloed van spanningsspreiding in de derde dimensie. Hierdoor is de geldigheid van de gemaakte zettingsprognose, waarvoor immers gebruik gemaakt is van het twee-dimensionale rekenpakket MZET (met de één-dimensionale zettingsformule van Koppejan en rekening houdend met spanningsspreiding), slechts beperkt: de vervormingen zijn nabij de uiteinden van de ophoging waarschijnlijk in belangrijke mate kleiner. Voorts bestaat er enige discussie over de vraag in hoeverre het lage deel van de referentiebaan als het ware mee omlaag getrokken wordt door het overgangsgedeelte.

2.3 Bepaling van de maatgevende faalmechanismen 2.3.1

Inleiding

Zoals eerder is uitgelegd wordt in dit rapport alleen ingegaan op de zettingen. 'Falen' treedt daarbij op indien de gestelde (rest)zettingseisen niet worden gehaald. Andere faalmechanismen, zoals bijvoorbeeld verlies van stabiliteit, worden hier verder niet besproken. Uitgangspunt zijn de zettingsprognoses zoals deze gemaakt zijn voordat de uitvoering werd gestart, dus de prognoses uit [Van Duinen 1998].

9

CO-710107/45

2.3.2

5-12-2000

Zettingsprognoses

Zettingen ten gevolge van een ophoging kunnen worden onderverdeeld in drie componenten (zie ook [Verruijt 1999]): -

direct optredende zettingen tijdens het aanbrengen van de ophoging (‘ongedraineerde’ vervormingen van het korrelskelet en het poriewater) zettingen ten gevolge van consolidatie (vertraagd uitstromen van een gedeelte van het poriewater uit slechtdoorlatende grondlagen; aanvankelijk wordt een deel van de belasting door het poriewater opgenomen. Het grootste deel (95 à 99 procent) van de zettingen ten gevolge van consolidatie treedt op in een periode van enkele maanden tot enkele jaren, afhankelijk van de grondeigenschappen en de gehanteerde bouwmethode. seculaire zettingen (t.g.v. kruip). Deze zijn aanvankelijk, in vergelijking met beide andere componenten, betrekkelijk klein, maar blijven wel ‘eeuwig’ doorgaan, met dien verstande dat het kruipproces wel steeds trager verloopt. In de ontwerpberekeningen is er van uit gegaan dat de zetting na 10.000 dagen voor 40% bestaat uit seculaire zettingen (zie [Van Duinen 1998]).

-

-

De eerste component wordt doorgaans niet apart genomen in rekenmodellen, omdat deze hierdoor extra gecompliceerd worden, waarbij de voordelen niet geacht worden op te wegen tegen de nadelen. Deze zettingen zijn in de praktijk bovendien meestal niet meetbaar. In [Van Duinen 1998] zijn met de methode Terzaghi-Buisman-Koppejan de in tabel 2.2 vermelde ‘eindzettingen’ geprognotiseerd voor een aantal verschillende locaties van de ophoging. Deze ‘eindzettingen’ betreffen eigenlijk de zettingen na 10.000 dagen. Overeenkomstig de gangbare adviespraktijk is voor deze prognoses verder uitgegaan van één ophoging ineens, waarbij er vanuit wordt gegaan dat deze wordt aangebracht op het tijdstip halverwege de voorgenomen periode van ophogen. Voor het lage deel ligt dat tijdstip op 2,5 week na aanvang van de ophoogwerkzaamheden, voor het hoge deel op 11,5 week na aanvang hiervan (zie § 2.2.4). Strikt genomen geldt de geprognotiseerde eindzetting voor het lage deel dus voor 27 jaar, 5 maanden en 4 dagen na aanvang van de werkzaamheden en voor het hoge deel voor 27 jaar, 7 maanden en 6 dagen. Praktisch zullen de zettingen op die tijdstippen niet veel afwijken van de zettingen op het tijdstip 30 jaar na oplevering waarvoor de restzettingseisen zijn geformuleerd (zie § 2.2.2), aangezien tegen die tijd alleen de seculaire zettingen nog van belang zijn. Een belangrijk manco aan de prognose voor de lage baan is verder dat de tijdelijke overhoogte niet is gemodelleerd, dit in verband met de beperkingen van het gehanteerde rekenmodel, waarin het simuleren van ontlasten niet mogelijk is. locatie

zettingen [m] lage deel hoge deel midden van de ophoging 1,21 2,57 kruinlijn 1,07 2,51 halverwege talud 0,81 1,90 teenlijn 0,35 0,49 2 meter vanaf de teen 0,14 0,22 5 meter vanaf de teen 0,06 0,11 Tabel 2.2 Eindzettingsprognoses voor lage en hoge deel volgens [Van Duinen 1998].

10

CO-710107/45

5-12-2000

De aanname in de ontwerpberekeningen dat 40% van de zettingen toe te schrijven zijn aan seculaire zettingen is vooral gebaseerd op ervaringen bij soortgelijke projecten in vergelijkbare grondslagen, waarbij opgemerkt dient te worden dat het aandeel van de seculaire zetting daarbij doorgaans varieerde van 30% tot 50%. De onzekerheid met betrekking tot het aandeel van de seculaire zettingen in de totale zettingen levert hierdoor een betrekkelijk groot aandeel in de totale onzekerheid met betrekking tot de restzettingsprognose. Hiervoor is al gewezen op de onzekerheden ten gevolge van de beperkingen in het ontwerp (korte lengte van elk gedeelte) en het gehanteerde rekenmodel. De zettingsprognoses zijn uitgevoerd met gemiddelde waarden voor de parameters. Er is geen foutmarge bij aangegeven. Doorgaans wordt er bij de methode-Koppejan uitgegaan van een globale onnauwkeurigheidsmarge van +/- 30% (zie [Oostveen 2000]). Het is in de geostatistiek gebruikelijk om een dergelijke marge te interpreteren als een 95%-betrouwbaarheidsinterval. Uitgaande van een normale verdeling is de standaardafwijking zodoende (30%/1,645=) 20% van de geprognotiseerde waarde voor de eindzetting. Voor het midden van de ophoging, waar in het vervolg van dit rapport de aandacht op geconcentreerd wordt, levert dit een standaardafwijking van 0,22 m voor het lage deel en 0,47 m voor het hoge deel. Naast de waarden van de eindzettingen is ook het zettingsverloop in de tijd van belang. Uit [Van Duinen 1998] volgen de in tabel 2.3 gepresenteerde waarden voor de zettingen onder het midden van zowel het lage als het hoge deel van de ophoging voor een aantal tijdstippen na aanvang van de ophoogwerkzaamheden. Uit deze tabel volgt dat verwacht mag worden dat de ontwerpeisen ten aanzien van de zettingen (zie § 2.2.2) geen van alle zullen worden gehaald. tijdstip na aanvang ophoogwerkzaamheden

zettingen lage deel absolute zetting [m] 0,74 0,96 1,04 1,05 1,07 1,08 1,21

% van eindzetting 61 79 86 87 89 89 100

zettingen hoge deel absolute zetting [m] 0,54 1,76 2,18 2,22 2,26 2,29 2,57

% van eindzetting 21 68 85 86 88 89 100

3 maanden 6 maanden 14 maanden 18 maanden 2 jaar (oplevering) 2 jaar 5 maanden 27,4 jaar (ongeveer hetzelfde als na 30 jaar) Tabel 2.3 Zettingsprognoses voor diverse tijdstippen onder midden van de ophoging

Over de onzekerheidsmarge van tussentijdse prognoses is weinig bekend. In kwalitatieve zin kan gesteld worden dat de onzekerheden groter zullen zijn: naast een juiste inschatting van de kruipsnelheid en de totale zetting ten gevolge van consolidatie moet nu ook het verloop van het consolidatieproces (waarvan is ingeschat dat dit na 9 maanden grotendeels is afgelopen) en het ophoogschema worden geschat. Dit levert een extra onzekerheid op. Handhaven van een marge van 30% lijkt daarom niet op zijn plaats. Een mogelijke aanname is om dezelfde absolute onzekerheidsmarge te hanteren, dus een standaardafwijking van 0,22 m voor het lage deel en 0,47 m voor het hoge deel. Zeker in het begin is dit vermoedelijk echter wel een tamelijk conservatieve aanname. 11

CO-710107/45

5-12-2000

2.4 Bepaal welke vragen door monitoring dienen te worden beantwoord Aangezien in dit rapport gefocust wordt op de optredende zettingen onder het midden van zowel het lage als het hoge deel van de referentiebaan, die een direct meetbare grootheid vormen, ligt het voor de hand om de monitoring daar in elk geval op te richten. Aanvullende metingen welke in dit verband zinvol kunnen zijn betreffen het meten van de (verticale) vervormingen in de ondergrond (om bij de verwerking te kunnen bepalen hoe groot de bijdragen van de verschillende grondlagen aan de totale zetting zijn) en het meten van de waterspanningen in de ondergrond (om het verloop van het consolidatieproces te kunnen volgen). Hieruit kunnen de volgende vragen worden geformuleerd waar door monitoring (meten en verwerken van meetgegevens) een antwoord gevonden moet worden: 1. Hoe verlopen de zettingen van de bovenkant van de aardebaan in het midden van het lage en het hoge deel in de loop van de tijd? 2. Hoe verlopen de zettingen van het oorspronkelijke maaiveld in het midden van de lage en de hoge baan in de loop van de tijd? 3. Hoe wordt de ophoging (belasting op de ondergrond) uitgevoerd, zowel in ruimtelijke zin als in de loop van de tijd? 4. Hoe verlopen de verticale vervormingen onder het midden van de lage en de hoge baan, onder het maaiveld, in elke grondlaag, in de loop van de tijd? 5. Hoe verlopen de waterspanningen in de ondergrond midden onder de lage en de hoge baan in de loop van de tijd? 6. Is het nodig (en mogelijk) om de uitvoering aan te passen teneinde de gestelde ((rest)zettings)eisen te halen? De eerste vijf vragen hebben rechtstreeks betrekking op meetbare grootheden, de laatste vraag heeft betrekking op de verwerking van de meetgegevens, waarop beslissingen over het verdere handelen kunnen worden gebaseerd.

2.5 Opzet/keuze van een model voor de verwerking van meetgegevens Voordat nader kan worden ingegaan op de te monitoren parameters, dient eerst duidelijk te zijn of eventuele meetgegevens verwerkt kunnen worden. Zonder verwerking van meetgegevens is er immers niet echt sprake van monitoring. In het ideale geval zou het model waarmee de meetgegevens verwerkt worden geschikt moeten zijn voor de simulatie van het vervormingsgedrag van een betrekkelijk onregelmatig gevormde ophoging met beperkte afmetingen welke in fasen wordt aangebracht op een heterogene ondergrond, waarbij de effecten van vervormingsversnellende maatregelen als het toepassen van een tijdelijke overhoogte en het aanbrengen van drainage integraal kunnen worden meegenomen. Bovendien zou de onzekerheid met betrekking tot alle invoerparameters in het model moeten worden meegenomen teneinde de kans op het over- of onderschrijden van bepaalde grenswaarden te kunnen bepalen. Daarbij moeten de oorspronkelijke ontwerpwaarden (met de bijbehorende onzekerheid) worden aangepast op basis van de gemeten waarden. Met een dergelijk model is het mogelijk om te bepalen in hoeverre ingrijpen noodzakelijk en effectief is om aan de gestelde eisen te voldoen. 12

CO-710107/45

5-12-2000

Dit ideale geval vereist een volledig probabilistisch drie-dimensionaal rekenmodel dat aanzienlijk geavanceerder is dan de thans beschikbare modellen. In dit rapport wordt gebruik gemaakt van twee modellen voor het bijstellen van zettingsprognoses op basis van zettingsmetingen die al wel beschikbaar zijn, namelijk: -

het programma MSettle, waarbinnen met het onderdeel Zakbaak zettingsprognoses kunnen worden bijgesteld aan de hand van zettingsmetingen een probabilistisch model voor het bijstellen van parameters op continue schaal, toegepast op zettingsprognoses

Het zakbaakinterpretatieprogramma binnen MSettle, beschreven in [Van Logchem 2000], biedt de mogelijkheid om op deterministische wijze op basis van gemeten zettingen de zettingsprognose bij te stellen door middel van het aanpassen van (een deel van) de gebruikte grondparameters voor de diverse lagen. Op basis van de kleinste kwadraten-methode wordt de prognose gefit aan de meetwaarden, waarna een aanpassingsfactor volgt voor alle grondparameters waarvan door de gebruiker is aangegeven dat deze dermate onzeker zijn dat deze bijgesteld dienen te worden. Door successievelijk meerdere fits uit te voeren voor telkens een andere deelverzameling van parameters kan op gerichte wijze de zettingsprognose worden bijgesteld op basis van de meetwaarden. Een niet onbelangrijk detail voor de verwerking van meetgegevens is dat op één lokatie tenminste zes zettingsmeetwaarden in de tijd nodig zijn om het programma te kunnen gebruiken. Het zakbaakinterpretatieprogramma binnen MSettle kan worden toegepast met alle daarin aanwezige zettingsberekingsmodellen, d.w.z. de methode-Koppejan, het Isotachen-model en de methode aangegeven in NEN 6744. Aangezien de oorspronkelijke prognose is uitgevoerd met de methodeKoppejan zal ook de verwerking van meetgegevens worden uitgevoerd voor deze methode. De belangrijkste beperkingen van dit model zijn: -

-

het model is twee-dimensionaal, gelet op de beperkte afmetingen is het de vraag in hoeverre de (bijgestelde) zettingsprognoses representatief zijn. toepassing van vertikale drainage kan niet zonder meer worden gesimuleerd; dit is alleen mogelijk door de parameters gerelateerd aan de doorlatendheid aan te passen. de methode-Koppejan is minder nauwkeurig naarmate een ophoging in meer fasen uitgevoerd wordt; het superpositie-beginsel dat bij deze empirisch afgeleide methode gehanteerd wordt is dan namelijk onjuist. ontlasten in verband met het verwijderen van een tijdelijke overhoogte kan alleen op vrij grove wijze in rekening worden gebracht. de methode levert alleen een bijstelling van de verwachtingswaarden van de zetting in de loop van de tijd; een aanpassing van de onzekerheidsmarge wordt hiermee niet uitgevoerd. alleen de samendrukkingsparameters kunnen worden aangepast op basis van de gemeten waarden, parameters zoals het volumegewicht en de laagdikte kunnen hierop niet worden aangepast.

Het tweede model, met een probabilistische aanpak, is beschreven in [Calle & Van der Meer 1997]. Dit model vormt een nadere uitwerking van het model beschreven in [Calle & Van Heteren 1988] en is geïllustreerd aan de hand van een voorbeeld betreffende zettingsprognoses. Met het model kunnen 13

CO-710107/45

5-12-2000

zowel de verwachtingswaarde van de zetting als de bijbehorende standaardafwijking worden bijgesteld. In het voorbeeld wordt rekening gehouden met zowel zettingsmetingen als metingen met betrekking tot de wateroverspanningsafname ten gevolge van consolidatie. Een bezwaar tegen dit model is dat waarden moeten worden ingevuld voor de correlaties tussen de diverse gebruikte parameters, namelijk de correlaties tussen de zettingen op verschillende tijdstippen, de correlaties tussen de wateroverspanningsafnamen op verschillende tijdstippen en de correlatie tussen zetting en wateroverspanningsafname. Deze waarden zullen geschat moeten worden. Aangezien geen gefundeerde schattingen hiervoor bekend zijn, zullen de uitkomsten in belangrijke mate afhangen van de schattingen van de waarden voor de diverse correlaties. Het hanteren van een eenvoudiger variant van het model zoals gepresenteerd in het voorbeeld in [Calle & Van der Meer 1997], waarbij uitsluitend op basis van zettingen wordt gewerkt, heeft het voordeel dat alleen de correlaties tussen de zettingen op verschillende tijdstippen geschat hoeven worden. Een nadeel is dat het verband tussen zettingen en wateroverspanningen tijdens de consolidatiefase genegeerd wordt. Toepassing van dit vereenvoudigde model op het genoemde voorbeeld leidt overigens tot dezelfde uitkomst met betrekking tot de (bijgestelde) zettingsprognose, als gevolg van de gehanteerde waarden voor de aanvullende correlatiecoëfficiënten. Een algemeen bezwaar tegen een dergelijk model is dat het moet worden toegepast op een prognose die met een ander model gemaakt is. Indien de kwaliteit van die prognose laag is kan ook de kwaliteit van de bijgestelde prognose niet erg hoog zijn. Voor beide verwerkingsmodellen geldt dat waterspanningsmetingen (antwoord op vraag 5 uit § 2.4) niet rechtsstreeks verwerkt kunnen worden. Slechts voor het model uit [Calle & Van der Meer 1997] zouden deze gegevens eventueel gebruikt kunnen worden voor het bepalen van een geschikte correlatiecoëfficiënt tussen zettingen op verschillende tijdstippen: naarmate het consolidatieproces verder is voortgeschreden zal een hogere correlatiecoëfficiënt kunnen worden gehanteerd.

14

CO-710107/45

5-12-2000

3 Ontwerpfase: systematische opzet monitoringssysteem 3.1 Inleiding Het monitoringssysteem zoals dat in werkelijkheid is opgezet en toegepast is uitgebreid beschreven in [Mooijman 1999]. In dit hoofdstuk wordt bepaald welke monitoring noodzakelijk is om de gemaakte zettingsprognoses te kunnen bijstellen, waarbij vervolgens wordt bepaald welke monitoringsgegevens daadwerkelijk beschikbaar zijn. Een systematische opzet van het monitoringssysteem is mogelijk uitgaande van de betrouwbaarheidsanalyse (§ 2.3), de voor de monitoring relevante vragen (§ 2.4) en de mogelijkheden voor de verwerking van meetgegevens (§ 2.5). Hierbij wordt een aanpak gehanteerd welke vergelijkbaar is met die in [Dunnicliff 1999] en [Matthews 2000], waarbij moet worden bedacht dat deze referenties met name ingaan op de instrumentatie-aspecten van monitoring.

3.2 Bepaal de te monitoren parameters Gelet op de verwerkingsmogelijkheden zijn voor het meten alleen de eerste vier van de in § 2.4 genoemde vragen relevant. Voor het beantwoorden hiervan zijn metingen van vertikale vervormingen en het bijhouden van de uitvoering van de ophoging noodzakelijk. Dit laatste houdt in dat de hoogte van het lage en hoge deel in de loop van de tijd moeten worden bijgehouden, alsmede de realisatie van de gewenste kruinbreedte en de gewenste lengte van beide delen. Gezien de zeer beperkte verwerkingsmogelijkheden is het op zich niet zinvol om vraag 5 te beantwoorden middels monitoring. Een schatting van het verloop van het consolidatieproces kan immers ook worden gemaakt op basis van het zettingsverloop. (Om te kunnen bepalen of een maatregel zoals het aanbrengen van extra overhoogte kan worden uitgevoerd zonder dat de stabiliteit van de ophoging in gevaar komt, zijn waterspanningsmetingen overigens wel nuttig.)

3.3 Bepaal orde van grootte van veranderingen De verticale vervormingen zullen naar verwachting niet groter worden dan 130% van de voorspelde eindzetting onder het midden van het hoge deel van de referentiebaan, ofwel 3,34 meter. Gezien de restzettingseisen (maximaal enkele centimeters) zal de meetnauwkeurigheid enkele millimeters moeten zijn, teneinde een grote bijdrage van de meetnauwkeurigheid in de onzekerheid ten aanzien van de restzettingen te vermijden. Voor het bijhouden van de uitvoering moet er voor de observaties rekening mee worden gehouden dat er eventueel significante afwijkingen van het gewenste ophogingsprofiel mogelijk zijn, bijvoorbeeld door onachtzaamheid van de uitvoerder. Gezien de nauwkeurigheid waarmee in de praktijk gerekend wordt zijn afwijkingen pas significant te noemen wanneer de afwijking in vertikale richting meer dan 0,2 meter bedraagt en in horizontale richting meer dan 1 meter.

15

CO-710107/45

5-12-2000

3.4 Bedenk aanvullende maatregelen Op basis van de monitoring kan het noodzakelijk blijken te zijn om het ophoogschema aan te passen en/of de hoeveelheid tijdelijke overhoogte aan te passen om aan de eisen ten aanzien van de (rest)zettingen (en de stabiliteit) te kunnen voldoen. Met behulp van het eerder genoemde programma MSettle met zakbaakinterpretatie (met bijstelling van parameters op basis van de beschikbare metingen) is een dergelijke analyse uit te voeren, waarbij proberenderwijs zal moeten worden bepaald welke maatregelen voldoende effectief zijn. Bij versnelling van de uitvoering en/of toename van de voorbelasting moet dan nog een controle van de stabiliteit worden uitgevoerd om te bepalen of de maatregelen ook inderdaad kunnen worden toegepast.

3.5 Bepaal locaties van de instrumenten De zettingen van het oorspronkelijke maaiveld onder het midden (in breedterichting) van zowel het lage als het hoge deel van de referentiebaan kunnen het beste worden bepaald middels instrumenten die in het midden (in lengterichting) van elk gedeelte worden geplaatst. Gezien de beperkte lengte van de referentiebaan en de dikte van het slappe lagenpakket (ongeveer de helft van de lengte van zowel het lage als het hoge deel) leidt plaatsing op een andere locatie langs de lengteas van de baan al snel tot verstorende 3D-effecten (d.w.z. kleinere vervormingen dan ingeval van een ‘oneindig’ lange baan, waar bijvoorbeeld bij het advies en de zettingsprognose vanuit is gegaan), uitgaande van belastingsspreiding onder een hoek van 45 graden. De zettingen van de ondergrond kunnen worden bepaald door op iedere laagscheiding een geschikt meetinstrument aan te brengen onder zowel het hoge als het lage deel, ter plaatse van het midden van elk gedeelte. Uit tabel 2.2 blijkt dat de ligging van de laagscheidingen niet overal hetzelfde is, hier zal dan bij de plaatsing ook rekening mee moeten worden gehouden, door vooraf extra onderzoek uit te voeren op de locaties waar deze instrumenten worden aangebracht.

3.6 Benoem specifieke doel van elk instrument 3.6.1

Maaiveldzettingsmetingen

Hiervoor zijn twee instrumenten noodzakelijk: -

ter plaatse het midden van het lage deel van de referentiebaan: meten van de zettingen van het oorspronkelijke maaiveld. ter plaatse het midden van het hoge deel van de referentiebaan: meten van de zettingen van het oorspronkelijke maaiveld.

Ter verhoging van de betrouwbaarheid (mogelijke uitval van instrumenten) zou eventueel nabij elk instrument een tweede instrument met in principe hetzelfde doel geplaatst kunnen worden. 3.6.2

Vertikale vervormingsmetingen ondergrond

Aangezien er vier of vijf laagscheidingen zijn, waarbij de tussenzandlaag en de onderste laagscheiding naar verwachting niet significant zullen vervormen (bovenzijde Pleistocene zand), zijn

16

CO-710107/45

5-12-2000

in principe twee (lage deel + hoge deel) maal drie instrumenten noodzakelijk voor deze metingen, waarmee de parameters binnen MSettle kunnen worden bijgesteld, namelijk: - ter plaatse van het midden van het lage deel, op een diepte van NAP –2,4 m (bovenzijde Hollandveen) - ter plaatse van het midden van het lage deel, op een diepte van NAP –4,8 m (bovenzijde organische kleilaag) - ter plaatse van het midden van het lage deel, op een diepte van NAP –8,7 m (bovenzijde basisveen) - ter plaatse van het midden van het hoge deel, op een diepte van NAP –2,4 m (bovenzijde Hollandveen) - ter plaatse van het midden van het hoge deel, op een diepte van NAP –4,8 m (bovenzijde organische kleilaag) - ter plaatse van het midden van het hoge deel, op een diepte van NAP –8,7 m (bovenzijde basisveen) Ter verhoging van de betrouwbaarheid (mogelijke uitval van instrumenten) zou eventueel nabij elk instrument een tweede instrument met in principe hetzelfde doel geplaatst kunnen worden. Gezien het doel van de metingen (bijstellen parameters per laag, waarbij er bovendien vanuit gegaan wordt dat het ondergrondmodel juist is) is de noodzaak hiertoe echter niet bijzonder groot, rekening houdend met het feit dat de kans op uitval van instrumenten in het algemeen niet bijzonder groot is.

3.7 Plan de registratie van relevante omgevingsinvloeden Relevante omgevingsinvloeden dienen ook geregistreerd te worden. Hierbij is in eerste instantie te denken aan de neerslag en het freatische vlak (onder extreme omstandigheden kan dit gedurende de bouwperiode een significante invloed hebben op het zettingsverloop). Hierbij dient uitdrukkelijk ruimte te zijn voor de registratie van volstrekt onvoorziene omstandigheden. De ‘meetresultaten’ zullen overigens lang niet altijd uit getalswaarden bestaan.

3.8 Beschrijf eisen aan de uit te voeren metingen De meetnauwkeurigheid dient te voldoen aan de in § 3.3 gestelde eisen. De meetfrequentie zal in het begin, tijdens ophogen, vrij hoog moeten zijn (in de orde van ‘elke week’), daarna kan op een lagere frequentie worden overgegaan (aanvankelijk eens in de maand, na afloop van de consolidatiefase (ongeveer 9 maanden) eens in de 3 maanden, na oplevering eens per jaar; om seizoensinvloeden te minimaliseren dan bij voorkeur telkens in dezelfde maand).

3.9 Stel procedures op ter bepaling van de correcte functionering van de meetinstrumenten Er moet kunnen worden vastgesteld of een instrument nog naar behoren functioneert. Dit kan gebeuren door installatie van een aantal extra instrumenten, waarmee meer zekerheid kan worden verkregen over de juistheid van de metingen. Voorts kan ook op andere wijze worden nagegaan of de meetwaarden plausibel zijn (bijvoorbeeld: de diepe vervormingsmeetinstrumenten mogen elkaar niet voorbijgaan).

17

CO-710107/45

5-12-2000

3.10 Plan regelmatige kalibratie en onderhoud Voor de betrouwbaarheid en de correcte functionering van de instrumenten is het nodig deze regelmatig na te lopen. Hoe vaak is afhankelijk van ondermeer de fase waarin het project zich bevindt en de eigenschappen van het toegepaste instrument zelf.

3.11 Verantwoordelijkheden bepalen voor diverse projectfasen Voor elk van de fasen van het project (voorbereidend ontwerp, definitief ontwerp, voorbereiding van de uitvoering, de proef zelf en het afbreken van de proeflocatie na afloop van de proef) zal moeten worden bepaald welke van de betrokken partijen verantwoordelijk is voor taken als de planning van het monitoringsprogramma, installatie van de instrumenten, het aflezen van gegevens, de verwerking daarvan, enzovoorts. Hierbij moet behalve voldoende deskundigheid ook de macht aanwezig zijn om de uitvoering van een taak indien nodig af te dwingen, ondanks eventuele onwelwillendheid van andere partijen, en moet bij de betreffende partij ook voldoende interesse of belang aanwezig zijn om de taak naar behoren uit te voeren. Dit onderwerp is in principe al uitgezocht voor dit project, maar is niet in de beschikbare rapportages te vinden.

3.12 Selecteer instrumenten De selectie van instrumenten is al geruime tijd geleden uitgevoerd. De uitkomst daarvan is onder meer beschreven in [Mooijman 1999]. Van de vele geïnstalleerde instrumenten voldoen de volgende instrumenten beschreven in [Mooijman 1999], met de nummering volgens het bestand met meetwaarden ([Fugro 2000]) het beste aan de hiervoor gestelde eisen: -

-

voor de maaiveldzettingsmetingen onder het lage deel: zettingsplaat 16 (SETP-16), in de lengteas van de ophoging, op 5 meter vanaf het midden (in lengterichting) voor de maaiveldzettingsmetingen onder het hoge deel: zettingsplaat 3 (SETP-3), in de lengteas van de ophoging, op 5 meter vanaf het midden (in lengterichting) voor de metingen van de verticale vervormingen in de ondergrond, onder het lage deel: - extensometer 1-6 (NAP –7.5m) - extensometer 1-7 (NAP –5.0m) - extensometer 1-8 (NAP –3.7m) - extensometer 1-9 (NAP –2.7m) - extensometer 1-10 (NAP –1.7m) voor de metingen van de verticale vervormingen in de ondergrond, onder het hoge deel: - extensometer 1-1 (NAP –7.5m) - extensometer 1-2 (NAP –5.0m) - extensometer 1-3 (NAP –3.7m) - extensometer 1-4 (NAP –2.7m) - extensometer 1-5 (NAP –1.7m)

Waarom de extensometers op deze posities zijn aangebracht is overigens niet beargumenteerd in de beschikbare rapporten.

18

CO-710107/45

5-12-2000

3.13 Aankoopspecificaties voor instrumenten De aankoopspecificaties voor de instrumenten volgen uit de betrouwbaarheidseis en de eisen aan meetbereik en meetnauwkeurigheid zoals die in § 3.3 zijn geformuleerd. Over het algemeen kan het ontwerp en de vervaardiging van meetinstrumenten het beste worden overgelaten aan daarin gespecialiseerde bedrijven (zie ook [DiBiagio 1977] en [Dunnicliff 1999]). Van dit onderdeel is een nadere uitwerking achterwege gelaten, aangezien dit achteraf niet zoveel nut heeft.

3.14 Stel de voorlopige begroting op Het in deze fase opstellen van een voorlopige begroting heeft als doel om te bepalen of het voorliggende monitoringsplan binnen de projectbegroting kan worden uitgevoerd. Zeker wanneer dit niet het geval is kan de vraag worden gesteld of het voor monitoring gereserveerde budget niet beter kan worden verruimd. Als dit niet kan zal bezuinigd moeten worden op de mate waarin de monitoring kan bijdragen aan de betrouwbaarheid van de constructie. Een nadere beschouwing van de monitoringsvragen (in combinatie met de onderliggende betrouwbaarheidsanalyse) is dan noodzakelijk, waarbij moet worden nagegaan of een reductie van het op rationele wijze opgezette monitoringssyteem niet leidt tot een dermate grote toename van de onzekerheid met betrekking tot het gedrag van de constructie dat het voor het project als geheel uiteindelijk efficiënter is om niet op de monitoring te bezuinigen. Het bepalen of de monitoring voldoende kosteneffectief is, is alleen mogelijk indien de kosten van de monitoring en de potentiële opbrengst van de verkleining van de onzekerheden met betrekking tot het gedrag van de constructie bekend zijn. Voor dit project ontbreken daarvoor de gegevens (gegevens met betrekking tot de kosten van de monitoring bij het No-Recess project zijn in principe wel bekend, maar deze zijn niet openbaar).

3.15 Plan installeren van instrumenten Het maken van een gedetailleerde planning van het installeren van de instrumenten is achteraf niet zinvol. Er kan wel worden opgemerkt dat het belangrijk is om over een goede nul-meting te beschikken; d.w.z. een meting vóórdat begonnen wordt met ophogen. In werkelijkheid is men echter begonnen met ophogen voordat de instrumenten waren geplaatst. Oorspronkelijk was dit alleen de bedoeling voor de zettingsmeetslangen (waarom is niet duidelijk), maar uit de meetresultaten blijkt dat alle instrumenten pas zijn aangebracht na het aanbrengen van de werkvloer (zie § 4.2).

3.16 Plan verzameling van meetgegevens De verzameling van meetgegevens dient in het algemeen zorgvuldig te worden gepland. Gezien de zorgvuldigheid waarmee de resultaten zijn gerapporteerd is dit waarschijnlijk ook inderdaad gebeurd.

3.17 Plan verwerking van meetgegevens De verwerking van de meetgegevens omvat onder meer de verslaglegging, de presentatie, de interpretatie en het (eventueel aangepast) handelen op basis van de gemeten waarden. Ook dit 19

CO-710107/45

5-12-2000

onderdeel is niet zo zinvol om achteraf gepland te worden, verwezen wordt naar de (principe-) uitwerking zoals beschreven in het volgende hoofdstuk.

3.18 Stel de begroting vast Als het monitoringsplan eenmaal vaststaat kan de begroting definitief worden vastgesteld. Zoals eerder aangegeven in § 3.14 ontbreken hiervoor de gegevens.

3.19 Vastleggen van het monitoringssysteem in een ontwerpverslag Ten behoeve van zowel de uitvoering als de evaluatie dient een overzichtelijk, hanteerbaar document te worden samengesteld waarin alle overwegingen die aan het ontwerp van het monitoringssysteem ten grondslag liggen zijn vastgelegd. Met name voor eventuele aanpassingen van het monitoringssysteem is een dergelijk ontwerpverslag van groot belang, opdat snel kan worden nagegaan of er door de voorgenomen aanpassingen geen relevante zaken verloren dreigen te gaan. Een dergelijk verslag lijkt in het kader van het No-Recess project overigens niet te zijn gemaakt.

20

CO-710107/45

5-12-2000

4 Bouwfase 4.1

Inleiding

In dit hoofdstuk zijn de metingen en de daaruit af te leiden uitvoering vermeld en zijn de metingen verwerkt met behulp van de in § 2.5 genoemde modellen, waarbij bovendien voor één situatie is aangegeven hoe de in een later stadium beschikbare gegevens kunnen dienen bij het afwegen van eventuele aanpassingen in de uitvoering.

4.2

Metingen en gerealiseerde uitvoering

De meetresultaten van de beide zettingsplaten zijn vermeld in bijlage 1. De meetresultaten van de extensometers zijn vermeld in bijlage 2. Uit deze gegevens en de gegevens met betrekking tot de gerealiseerde ophogingen zoals vermeld op de tekening van de referentiebaan uit [Mooijman 1999] is de in tabel 4.1 vermelde gerealiseerde uitvoering van de ophogingen voor zowel het lage als het hoge deel van de baan af te leiden. Datum

Dikte van de ophoging in het midden van het lage gedeelte [m] 10-2-1998 (werkvloer) 0.43 23-2-1998 0.75 2-3-1998 0.94 9-3-1998 1.64 16-3-1998 1.89 14-4-1998 1.89 11-5-1998 1.89 29-5-1998 2.69 7-7-1998 2.69 1-2-1999 (afwerking) 1.66 Tabel 4.1 Gerealiseerde uitvoering

Dikte van de ophoging in het midden van het hoge gedeelte [m] 0.46 0.75 1.41 2.14 2.95 4.17 5.09 6.28 7.34 7.06

De gerealiseerde uitvoering is mede afwijkend van de geplande uitvoering in verband met het feit dat in de praktijk niet altijd op het juiste moment ophoogmateriaal beschikbaar was. Verder is de ophoging van het hoge gedeelte op een gegeven moment vertraagd omdat er twijfels bestonden ten aanzien van de stabiliteit. Tenslotte is een deel van de overhoogte op het lage deel pas veel later aangebracht dan oorspronkelijk de bedoeling was in verband met de beschikbaarheid van materiaal. Op deze laatste ophoging op het lage deel zal verderop nader worden ingegaan.

4.3

Bijstelling zettingsprognoses met behulp van zakbaakinterpretatieprogramma in MSettle

In eerste instantie zijn de oorspronkelijke zettingsprognoses (met de parameters uit de ontwerpfase) aangepast met behulp van het zakbaakinterpretatieprogramma in MSettle. De resultaten hiervan zijn te

21

CO-710107/45

5-12-2000

vinden in bijlagen 3 (fitfactoren lage en hoge baan), 4 (tijd-zettingscurves lage baan) en 5 (tijdzettingscurves hoge baan). Hiervoor is de fasering zoals aangegeven in de vorige paragraaf gehanteerd, waarbij voor ontlasten is aangenomen dat de grond vijf maal zo stijf reageert als bij primair belasten. Bijlage 4-1 geeft het tijd-zettingsgedrag voor de lage baan weer, met daarbij de oorspronkelijke meetreeks (met een nulmeting na 10 dagen). Uitgaande van de oorspronkelijke parameterset is de uiteindelijk te verwachten zetting aanmerkelijk groter dan voorspeld (1,47 m tegenover 1,21 m), terwijl de meetwaarden doen vermoeden dat de zetting waarschijnlijk aanmerkelijk kleiner zal zijn, al missen gegevens over de zetting gedurende de eerste tien dagen. Daarom is de meetreeks aangepast door van alle tijdstippen 10 dagen af te trekken (het verschil tussen het aanbrengen van de werkvloer en de eerste meting), de meetwaarden komen dan te liggen zoals getoond in bijlage 4-2. Vervolgens is voor een aantal tijdstippen op basis van de op dat moment beschikbare metingen en onder de aanname dat de toekomstige aanpassingen van de dikte van de ophoging al vast lagen overeenkomstig de methode aangegeven in [Van Logchem 2000] bepaald in hoeverre de diverse grondparameters aangepast dienen te worden en welke invloed dit heeft op de zettingsprognose. Hierbij zijn twee variaties toegepast: één met alle meetwaarden even zwaar gewogen en één waarbij de metingen op latere tijdstippen zwaarder meetellen in de fitprocedure, met als reden dat deze waarden in het algemeen betrouwbaarder zijn en meer van invloed zijn op de vervolgzettingen. De resultaten zijn vermeld in bijlagen 3 en 4. Uit de resultaten blijkt dat de zettingen van het lage deel van de referentiebaan aanmerkelijk kleiner zullen zijn dan verwacht, zodat de restzettingseis van 100 mm uiteindelijk mogelijk toch gehaald zal worden (zie bijlagen 4-8 en 4-9). De restzettingseis van 30 mm en de bouwzettingseisen worden geen van alle gehaald. Voor de hoge baan zijn vergelijkbare berekeningen uitgevoerd. Deze zijn vermeld in het tweede gedeelte van bijlage 3 en in bijlage 5. Hiervoor geldt dat de zettingen naar verwachting zo’n 30 cm kleiner zullen zijn dan aanvankelijk verwacht, maar geen van de gestelde eisen wordt of is gehaald. Over de extensometingen kan worden opgemerkt dat de metingen vreemde schommelingen vertonen. Bij een poging om deze resultaten mee te nemen werden over het algemeen zulke hoge fitfactoren gevonden (meestal gelijk aan het maximum van 10 (of het minimum van 1/10)) dat geconcludeerd is dat met de waarden in het kader van dit project niets gedaan kan worden. Een belangrijk onderdeel van de monitoringsfilosofie is het aanpassen van niet alleen zettingsprognoses, maar eventueel ook van de uitvoering op basis van de gemeten waarden en zo gedetailleerd mogelijke gegevens met betrekking tot het project. Een geschikt tijdstip hiervoor is, achteraf gezien, eind mei 1998. Voor de lage baan is toen immers besloten om een extra ophoging aan te brengen. Er zijn daarom, met de op dat moment beschikbare gegevens (zettingsgegevens t/m 25-5-1998, indicatie van een grensspanning van ongeveer 10 kPa boven de terreinspanning vóór ophogen (zie ook tabel 2.2)) en met de aanname dat grond bij ontlasten/herbelasten vijf maal zo stijf reageert als bij primair belasten, twee nieuwe zettingsprognoses gemaakt, uitgaande van twee scenario’s: 22

CO-710107/45

-

5-12-2000

aanbrengen van een overhoogte van 1,9 meter, zoals oorspronkelijk gepland, met verwijdering van de overhoogte tegelijkertijd met de afwerking; op 1-2-1999. verder niets meer doen.

De resultaten hiervan zijn vermeld in bijlagen 6 en 7. Het eerste scenario leidt tot een oorspronkelijke prognose zoals vermeld in bijlage 7-1. Op basis van de metingen is dit aan te passen tot het verloop getoond in bijlage 7-2. In dit geval is de restzetting naar verwachting ongeveer 5 cm, zodat de restzettingseis van Rijkswaterstaat (10 cm) ruimschoots wordt gehaald, terwijl de restzettingseis van de HSL (3 cm) naar verwachting niet zal worden gehaald. Het tweede scenario leidt tot een oorspronkelijke prognose zoals vermeld in bijlage 7-3. Op basis van de metingen is dit aan te passen tot het verloop getoond in bijlage 7-4. Hiervoor worden uiteraard dezelfde fitfactoren gevonden als bij het eerste scenario, aangezien de belasting tot en met de laatste meetwaarde hetzelfde is. Omdat de meetwaarden duidelijk onder de gefitte lijn doorlopen zijn vervolgens zwaardere gewichten toegekend aan de meetwaarden vanaf het moment dat de laatste ophoging is aangebracht (factor 10), overeenkomstig de aanbevelingen in [Van Logchem 2000]. In dit geval is de restzetting naar verwachting (corrigerend voor de afwijking bij het laatste meetpunt) bijna 10 cm, zodat de restzettingseis van Rijkswaterstaat (10 cm) naar verwachting nog net wel wordt gehaald, maar de restzettingseis van de HSL (3 cm) niet zal worden gehaald. Hieruit volgt dat het alsnog aanbrengen van de oorspronkelijk geplande voorbelasting ertoe leidt dat verwacht mag worden dat de restzettingseis van Rijkwaterstaat (als enige eis) ruimschoots gehaald zal worden, terwijl met verder niets doen de kans dat ook deze eis niet gehaald zal worden betrekkelijk groot lijkt te zijn. Gezien de grote kostenvoordelen behorend bij het achterwege laten van een tijdelijke voorbelasting (die gedeeltelijk zal wegzakken) is het echter aan te bevelen om in een dergelijke situatie, als alleen de restzettingseis van Rijkswaterstaat maatgevend is, nog even af te wachten (bijvoorbeeld 2 maanden) en dan op basis van een wat langere meetreeks indien nodig alsnog maatregelen te treffen. Uit de berekeningen bij het eerste scenario blijkt dat een tijdelijke overhoogte tot een aanzienlijke reductie van de restzettingen kan leiden; dit zal ook het geval zijn indien de overhoogte wat korter aanwezig is.

4.4

Bijstelling zettingsprognoses m.b.v. model uit [Calle & Van der Meer 1997]

Dit model is toegepast op de oorspronkelijke zettingsprognoses voor zowel het lage als voor het hoge gedeelte van de referentiebaan. Voor een beperkt aantal tijdstippen is bepaald in hoeverre de zettingsprognoses kunnen worden bijgesteld met dit model. Deze bepalingen zijn weergegeven in bijlage 8. Daarin is voor elke gedeelte eerst aangegeven voor welke tijdstippen het model is toegepast, met daarbij de oorspronkelijke prognose, de standaardafwijking daarbij en de meetresultaten, voor zover deze beschikbaar zijn. In de ‘tekstblokken’ daaronder is telkens de prognose voor een aantal daaropvolgende tijdstippen bijgesteld. Voor het model moet een correlatiecoëfficiënt tussen zettingen op verschillende tijdstippen worden aangenomen. Voor elk tijdstip is steeds voor correlatiecoëfficiënten van 0.0 tot 1.0 bepaald wat de bijgestelde prognose voor een volgend tijdstip is. De meest waarschijnlijke correlatiecoëfficiënt op basis van de uitkomsten en de vergelijking met de meetwaarden is hierbij steeds cursief aangegeven. 23

CO-710107/45

5-12-2000

Voor de lage baan zijn de zettingen aanzienlijk kleiner dan verwacht, dit leidt ertoe dat een correlatiecoëfficiënt van 1 (onwaarschijnlijk hoog, een waarde van rond 0,8 ligt meer voor de hand) het meest aannemelijk lijkt. Dit leidt echter tot het verdwijnen van de onnauwkeurigheidsmarge (standaardafwijking wordt 0m), hetgeen niet alleen onwaarschijnlijk lijkt te zijn, maar het ook inderdaad blijkt te zijn: de gerealiseerde zettingen op het derde gekozen tijdstip bijvoorbeeld zijn anders dan voorspeld op basis van zowel de eerste als de tweede meting. Dit is het gevolg van het selecteren van de meest waarschijnlijke correlatiecoëfficiënt zoals hiervoor beschreven: voor een correlatiecoëfficiënt van 1 is het logisch dat de onzekerheid verdwijnt (met uitzondering van de modelonzekerheid). Voor de hoge baan blijkt dat de voor de zettingsprognose gemaakte aanname dat de start plaatsvindt halverwege de werkelijke bouwtijd aanvankelijk leidt tot een bijstelling van de prognose tot een hogere waarde (bij een correlatiecoëfficiënt groter dan 0) en daarna tot een bijstelling tot een lagere waarde dan aanvankelijk verwacht werd. In beide gevallen is de restzetting naar verwachting groter dan geeist, namelijk 0,14 m voor de lage baan en 0,29 m voor de hoge baan. Deze waarden komen redelijk overeen met de in de vorige paragraaf gevonden waarden.

24

CO-710107/45

5-12-2000

5 Beheerfase Na de fictieve opleveringsdatum, twee jaar na het begin van ophogen, zijn slechts twee metingen uitgevoerd, waarvan de laatste 5 maanden na ‘oplevering’ heeft plaatsgevonden. Voor de overzichtelijkheid zijn deze gegevens in het vorige hoofdstuk verwerkt. Een aparte behandeling is pas zinvol als er over een langere periode meetwaarden beschikbaar zijn.

25

CO-710107/45

26

5-12-2000

CO-710107/45

6

5-12-2000

Conclusies en aanbevelingen

In de voorgaande hoofdstukken is de in Delft Cluster verband ontwikkelde monitoringsfilosofie voor zover dat mogelijk was toegepast op de verwerking van zettingsmeetgegevens bij de referentiebaan van het No-Recess project. Daar dit project al is uitgevoerd is de toepassing beperkt gebleven tot de verwerking van meetgegevens en de daartoe noodzakelijke basisopzet ten behoeve van rationele monitoring. Uit de betrouwbaarheidsanalyse en de daaruit volgende opzet van het monitoringssysteem volgt dat er betrekkelijk grote onzekerheden zitten in zowel het eigenlijke ontwerp van de referentiebaan zelf als de daarvoor gehanteerde modellen, maar dat met een betrekkelijk eenvoudig meetsysteem volstaan kan worden om de zettingen in de tijd te volgen en om op basis van de metingen de zettingsprognoses bij te stellen. Getoond is dat het zakbaakinterpretatieprogramma binnen MSettle een krachtig hulpmiddel kan zijn voor het bijstellen van het te verwachten zettingsverloop. Door hier op effectieve wijze mee om te gaan kan al tijdens de bouw worden bepaald welke mate van ingrijpen gewenst is om bepaalde eisen al dan niet te bereiken. Over de onzekerheid met betrekking tot de (rest)zettingsprognose kunnen met MSettle geen kwantitatieve uitspraken worden gedaan. Gebleken is verder dat met het eenvoudige model uit [Calle & Van der Meer 1997] voor het bijstellen van zettingsprognoses niet veel gedaan kan worden indien de uitvoering en de grondparameters in belangrijke mate afwijken van uitvoeringsplanning en de parameter die gehanteerd zijn bij het opstellen van de zettingsprognose. Voor een effectieve toepassing van dit model is nader onderzoek naar reëele waarden voor correlatiecoëfficiënten voor dit model gewenst.

27

CO-710107/45

28

5-12-2000

CO-710107/45

5-12-2000

7 Literatuur [Calle & Van Heeteren 1988] E.O.F. Calle & J. van Heeteren Statistical Inference of trend and covariance of a random field with non-stationary mean and stationary covariance properties Proceedings Third International Geostatistics Congress, Avignon 1988 [Calle & Van der Meer 1997] E.O.F. Calle & M.T. van der Meer Probabilisme in de geotechniek, Onderdeel Ruimtelijke Variabiliteit, fase A.III Grondmechanica Delft CO-361410/95 [DiBiagio 1977] E. DiBiagio Field Instrumentation – A Geotechnical Tool Norges Geotekniske Institutt, publikasjon nr. 115, Oslo 1977, pp. 29-40 Eerder gepubliceerd in: Proceedings of the First Baltic Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol. I, pp. 39-59. [Van Duijvenbode 1999] J.D. van Duijvenbode Evaluatie No-Recess testbanen Hoeksche Waard Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde W-DWW-99-036, 3 september 1999 [Van Duinen 1998] T.A. van Duinen Test embankments ’s-Gravendeel, Conventional embankment (HW 1) Delft Geotechnics CO-377820/51, januari 1998 [Dunnicliff 1999] J. Dunnicliff Systematic approach to planning monitoring programs using geotechnical instrumentation: An update Field Measurements in Geomechanics, Leung, Tan & Phoon, editors, Balkema, Rotterdam, pp. 19-30 [Fugro 2000] Aanvullende meetdata m.b.t. referentiebaan No-Recess HW1, Origin-bestand HW1.OPJ met meetdata t/m 7 juli 2000 (gerelateerd aan [Mooijman 1999], verstrekt aan GeoDelft op 16 oktober 2000 door dr. B.G.H.M. Wichman van RWS-DWW) [Koelewijn 2000a] A.R. Koelewijn Monitoringsfilosofie – Waarom, Wat, Wanneer en in Welke mate meten & verwerken GeoDelft CO-710107/22 (concept), augustus 2000 [Koelewijn 2000b]

29

CO-710107/45

5-12-2000

A.R. Koelewijn Monitoringsfilosofie – toepassing op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte GeoDelft CO-710107/37, 20 oktober 2000 [Van Logchem 2000] O.A. van Logchem Documentatie zakbaakinterpretatieprogramma in MSettle voor Windows GeoDelft SE-50530/1, 18 oktober 2000 [Mastebroek 1998] R. Mastebroek Soil investigation No Recess test site Hoeksche Waard ’s Gravendeel (NL) Fugro M-0659, 4 september 1998 [Matthews 2000] S.L. Matthews Deployment of instrumentation for in-service monitoring The Structural Engineer, Volume 78, no. 13, pp. 28-32 [Mooijman 1999] O.P.M. Mooijman Beschrijving meet- en data-presentatie systeem; Monitoring No-Recess Hoeksche Waard te ’sGravendeel Fugro N-0515, 29 juni 1999 [Oostveen 2000] J.P. Oostveen CROW-projectplan ‘Gevoeligheidsanalyse zettingsprognose’ CROW projectnummer 2026, stuknummer GZP-001, 12 mei 2000 [Verruijt 1999] A. Verruijt Grondmechanica Delft University Press, Vijfde druk, Delft 1999

30

BIJLAGEN

Bijlage:

1

HERMES Case: Rationele Monitoring voor ASR op viaducten Contactpersoon

:

G.H. Wijnants (TNO Bouw)

Datum

:

12 december 2002

Author(s)

:

A.J.M. Siemes (TNO Bouw); F.J. Postema (Bouwdienst Rijkswaterstaat)

Opdrachtgever

:

Delft Cluster

Project naam

:

Rationele Monitoring.

Project nummer

:

01.01.07

Aantal pagina's

:

72

Aantal tabellen

:

Aantal figuren

:

Aantal bijlagen

:

4

Keverling Buismanweg 4 Postbus 69 2600 AB Delft 015-2693793 015-2693799 [email protected] www.delftcluster.nl Delft Cluster verricht lange-termijn fundamenteel strategisch onderzoek op het gebied van duurzame inrichting van deltagebieden.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade/ 01.01.07-03

Pagina 1

Projectgroep Tijdens de uitvoering van de case studie “Rationele Monitoring voor ASR op viaducten” bestond de Delft Cluster-groep van thema 01.01.07 uit Naam

Organisatie

Thema Trekker

P. Hölscher

GeoDelft

Thema Duwer

G.H. Wijnants

TNO Bouw

Thema Leden

F.J. Postema

Bouwdienst Rijkswaterstaat

B.G.H.M. Wichman

Rijkswaterstaat DWW

R.J. Aartsen

Projectorganisatie HSL Zuid

J.K. van Deen

GeoDelft

W.O. Molendijk

GeoDelft

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 2

Betrokken personen Bij de totstandkoming van dit rapport waren betrokken: Naam

Organisatie

A.J.M. Siemes

TNO Bouw afd. Civiele Infrastructuur

F.J. Postema

Bouwdienst Rijkswaterstaat, stafafd. Bouwspeurwerk afd. Bouwtechnologie

G.H. Wijnants

TNO Bouw afd. Civiele Infrastructuur

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 3

Management Summary Title

Case Study for Rational Monitoring of ASR in Crossovers.

Author(s)

A.J.M. Siemes, TNO Building and Construction Research, Dept. Civil Infrastructure F.J. Postema, Bouwdienst Rijkswaterstaat, stafafd. Bouwspeurwerk afd. Bouwtechnologie

Date

12 december 2002

Project number

01.01.07

Report number

03

In this practical case a monitoring system is examined, that has been applied to concrete road bridges in order to monitor the effectiveness of implemented conservational measures. In these bridges, where ASR damage has been detected, repair and maintenance measures have been implemented that intended to lead to dehydration of the structure and halting the expansion resulting from ASR. The aim set for the monitoring setup is to trace the behavior of the structure after renovation measures have been implemented with respect to the moisture content and expansion of the bridge decks. The approach that has been followed is that as a point of reference a general setup has been made in order to verify: • the effectiveness of the measures • the reliability of the structures including the monitoring system. In order to manage the reliability of the structure, in this last set-up the assessment has been elaborated of the probability of detecting progressing ASR damage and the effectiveness of measures. Subsequently the HERMES criteria for a rational monitoring design have been applied in order to assess the level of conformance of the present design to those criteria. The case shows that the qualitative points of reference that have been used during design, decide whether the corrective maintenance actions are effective or non effective, are not sufficient for a comparison of the required performance of the monitoring system with the realized performance (how reliable is the bridge including the monitoring system). The needed effectiveness of the monitoring system as well as the effectiveness present in the structure is not explicitly stated. The measures that are to be taken in case the monitoring results would show unfavorable progressing expansion were elaborated by means of a decision scheme. The uncertainty with respect to the effectiveness of the monitoring system had the consequence that deviations found might lead to uncertainty with respect to the actual state of the bridges as well as uncertainty with respect to the state of the monitoring system. The case shows that application of the HERMES philosophy during the design stage, would have led to assessment of the measurement as indicative during a first stage. When specific measuring values would be registered, validation of both the model and the monitoring setup would take place, leading to upgrading of the measurement as a prediction tool. Limit values for the conditions present with accompanying actions, would be linked to measuring values. The actual material condition is actually linked to the effectivity of the measuring method and the expansion model used. The case has shown that the questions presented by the HERMES philosophy, results in the documentation of Why, what, where, when of the monitoring design, thus facilitating assessment and documentation of both quality and effectivity of the design implemented. Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 4

Management samenvatting Titel

Case studie Rationele Monitoring voor ASR op viaducten.

Auteurs

A.J.M. Siemes, TNO Bouw afd. Civiele Infrastructuur F.J. Postema, Bouwdienst Rijkswaterstaat, Stafafdeling Bouwspeurwerk afd. Bouwtechnologie

Datum

12 december 2002

Project nummer

01.01.07

Rapport nummer

03

In dit praktijkvoorbeeld wordt ingegaan op een monitorsysteem, dat is toegepast op viaducten met schade door ASR, om de effectiviteit van toegepaste conserveringsmaatregelen te volgen. In deze viaducten waar ASR schade is geconstateerd, zijn herstelwerkzaamheden uitgevoerd die moeten leiden tot uitdrogen van de constructie en vervolgens tot het stoppen van de zwelling als gevolg van ASR. Het gestelde doel van het monitoren is om het gedrag van de constructie na de uitgevoerde verbeteracties te volgen door het meten van het vochtgehalte en de uitzetting van het rijdek. De aanpak die gehanteerd is, is dat als uitgangspunt een algemene opzet is gemaakt voor het verifiëren van: • de effectiviteit van de genomen verbeteracties • de betrouwbaarheid van de constructie inclusief het monitorsysteem. In deze opzet wordt een uitwerking gegeven van de manier waarop de kans op detectie van voortschrijdende ASR-schade met de effectiviteit van maatregelen te combineren is om de betrouwbaarheid van de constructie te beheersen. Vervolgens zijn de HERMES criteria voor een rationeel monitorontwerp gehanteerd om vast te stellen in hoeverre het bestaande ontwerp daaraan voldoet. Het voorbeeld laat zien dat de bij het ontwerp gehanteerde kwalitatieve uitgangspunten ten aanzien van de eerste verificatie (bepalen of de verbeteracties werken/niet werken) onvoldoende zijn om de tweede verificatie, betreffende de betrouwbaarheid van de constructie inclusief het monitorsysteem, te kunnen uitvoeren. Zo ligt voor het monitorsysteem de benodigde en de aanwezige effectiviteit niet expliciet vast. De te nemen maatregelen voor het geval dat de monitorresultaten (ongewenste) voortschrijdende uitzetting zouden laten zien, waren uitgewerkt in een beslisschema. De onzekerheid over de effectiviteit van het monitorsysteem had tot gevolg dat geconstateerde afwijkingen zouden kunnen leiden tot onzekerheid over zowel de toestand van het viaduct als onzekerheid over het monitorsysteem. Dit praktijkvoorbeeld geeft aan dat toepassing van de HERMES aanpak bij het monitorontwerp er toe geleid zou hebben om de meting in eerste aanzet als indicatief te hanteren. Bij het behalen van bepaalde meetwaarden zou validatie plaats vinden, waarna voorspelling van de toestand plaats kan vinden. Grenswaarden voor de toestand inclusief de daarbij te nemen acties zouden dan aan meetwaarden gekoppeld zijn. De materiaalkundige toestand zou daarmee gekoppeld zijn aan de effectiviteit van de meetmethode en het gehanteerde expansiemodel. De uitwerking van het praktijkvoorbeeld heeft verder laten zien dat de gestelde HERMESvragen resulteren in het vastleggen van het “wat, wanneer, waarom, hoe” van het monitorontwerp. Hierdoor wordt de monitoraanpak op kwaliteit getoetst en op effectiviteit gekwantificeerd en gedocumenteerd in de vorm van “ijkpunten”.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 5

Contents Appendices A Modelleren van tijdsonafhankelijke en tijdsafhankelijke prestaties B Bayesiaans updaten C FMEA voor betonconstructies D Hermes mythologie

56 64 69 1

1

Inleiding ......................................................................................................9 1.1 ASR in viaducten in autosnelweg A 59........................................9 1.1.1 Ongewoon lage treksterkte in de A 59 viaducten.......................11 1.2 Monitoren van de viaducten in autosnelweg A 59 .....................12

2

Monitoren van viaducten in de A59 .......................................................14 2.1 Ontwerp- en realisatieproces ......................................................14 2.1.1 Verkenningsfase .........................................................................14 2.1.2 Betrokken partijen en hun rol .....................................................17 2.1.3 Korte beschrijving van het proces ..............................................17 2.1.4 Eisen aan het resultaat ................................................................18 2.2 Keuze meetmiddelen ..................................................................20 2.2.1 Meten op afstand(tele-monitoren) ..............................................20 2.2.2 Bescherming tegen indringen van neerslag:...............................21 2.2.3 Expansie .....................................................................................21 2.3 Eerste twee te instrumenteren viaducten van de 2e pilot: Hedelseweg en Heidijk........................................................................................23 2.4 Realisatie ....................................................................................23

3

Hermes ontwerpfilosofie..........................................................................30 3.1 Opmerking vooraf ......................................................................30 3.2 Vier principiële impulsen om te monitoren................................30 3.3 Concept ‘Monitoren ten behoeve van prestatie’.........................31 3.3.1 Ontwerp- en beheersfilosofie .....................................................31 3.3.2 Monitoren om in de ontwerpfase de betrouwbaarheid van het ontwerp te vergroten...................................................................35 3.3.3 Semi-probabilistische benadering voor het in het ontwerpstadium beoordelen van de veiligheid......................................................43 3.3.4 Monitoren om in de gebruiksfase de betrouwbaarheid van de constructie te beheren .................................................................43 3.3.5 Monitoren om in de gebruiksfase de veiligheid van de constructie op semi-probabilistische wijze te beheren..................................44 3.3.6 Waarom, wat, wanneer en waar..................................................45

4

Toepassing van HERMES op het monitorplan A 59 ............................46 4.1 Waarom, wat, waar, wanneer .....................................................46 4.1.1 Waarom ......................................................................................46 4.1.2 Wat .............................................................................................51

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 6

4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 5

Wanneer......................................................................................51 Waar ...........................................................................................51 Ontwerpbenadering ....................................................................52 Ontwerpeisen..............................................................................52 Ontwerpmethode ........................................................................53 Evaluatie van het ontwerp. .........................................................53

Referenties ................................................................................................54

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 7

TNO report

2002-CI-R1047

DELFT CLUSTER Monitoraanpak HERMES Voorbeeld: Monitoren viaducten met ASR

Date

12 december 2002

Author(s)

ir. A.J.M. Siemes, TNO Bouw afd. Civiele Infrastructuur ir. F.J. Postema, Bouwdienst Rijkswaterstaat, stafafd. Bouwspeurwerk afd. Bouwtechnologie

Copy no No. of copies Number of pages 62 Number of appendices 3 Sponsor Delft Cluster Project name Delft Cluster – Hermes Project number 006.11835/01.01

All rights reserved. No part of this publication may be reproduced and/or published by print, photoprint, microfilm or any other means without the previous written consent of TNO. In case this report was drafted on instructions, the rights and obligations of contracting parties are subject to either the Standard Conditions for Research Instructions given to TNO, or the relevant agreement concluded between the contracting parties. Submitting the report for inspection to parties who have a direct interest is permitted. © 2002 TNO

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 8

1

Introduction

In dit rapport zal worden ingegaan op het optreden van een schademechanisme (ASR) in betonnen viaducten, waarbij de verschijnselen die bij een dergelijk schademechanisme behoren verduidelijkt worden. Daarna wordt ingegaan op de wijze waarop monitoren kan worden gebruikt om de betrouwbaarheid van een aangetaste betonconstructie op het vereiste niveau te brengen. Vervolgens wordt een concreet monitorsysteem geanalyseerd voor wat betreft de effectiviteit in het verbeteren van de betrouwbaarheid. 1.1

ASR in viaducten in autosnelweg A 59

In een twintigtal viaducten (zie tabel 1.1) in rijksweg A 59 (traject Zonzeel – ’s Hertogenbosch) is een aantal jaren geleden schade geconstateerd die verband hield met het optreden van alkali-silicareactie, kortweg aangeduid met ASR (Siemes en Bakker 1997). Een dergelijke reactie is het gevolg van een chemische reactie tussen alkaliën uit het cement en bepaalde mineralen in het toeslagmateriaal. Bij die reactie wordt een gel gevormd die als gevolg van het opnemen van water zwelt. Dit proces leidt tot een aantal veranderingen in de constructie: ƒ de mechanische eigenschappen van het beton (druk- en treksterkte en elasticiteitsmodulus) worden minder; tussen deze verminderingen en de mate van zwellen bestaat een relatie. ƒ er treden macroscopische vervormingen op (verlenging en kromming) ƒ er ontstaan scheuren als gevolg van verschillen in zwelling; de mate van scheurvorming in de huid van het beton is daarbij indicatief voor de mate van zwelling van het achterliggende beton; in de huid spoelt door regen de gel uit en zwelt niet, terwijl in het dieper gelegen beton de zwelling ongestoord plaatsvindt ƒ het beton kan onder druk komen te staan als gevolg van door wapening of voorspanning verhinderde zwelling.

Figuur 1.1 Craquelé-patroon als gevolg van ASR Het scheurpatroon dat ontstaat als gevolg van ASR is in beginsel een craqueléachtig patroon (Figuur 1.1), aangezien de zwelling en het verhinderen ervan in alle

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 9

richtingen optreedt, vergelijkbaar met krimpscheuren. Dit patroon kan anders zijn, als bij het verhinderen van de zwelling een duidelijke voorkeursrichting aanwezig is (Figuur 1.2).

Figuur 1.2 ASR-scheurpatronen in extremo De mate van zwelling, en daarmee de intensiteit van de ASR, bleek gematigd te zijn. Er werden typische zwellingen gemeten van 0,5 tot 1,0 0/00. Volgens de vakliteratuur betekent dit dat de mechanische eigenschappen hooguit 25 % lager zijn dan verwacht mag worden bij niet door ASR aangetast beton. Bij de onderzochte viaducten staat daar echter een toename van de druksterkte van ongeveer 100 % tegenover, die het gevolg is van het doorverharden van het betreffende beton. Er mag dan worden verwacht dat de treksterkte en de

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 10

elasticiteitsmodulus ook aanzienlijk zijn gestegen. In de onderzochte viaducten bleek dat niet het geval te zijn. Er werd met name een zeer lage éénassige treksterkte geconstateerd (in één geval bleek de éénassige treksterkte slechts 18 % te zijn van de waarde die op grond van de aanwezige druksterkte mocht worden verwacht), die tot gevolg had dat bij een aantal viaducten niet kon worden aangetoond dat het dwarskrachtdraagvermogen voldoende groot is. Deze constatering heeft uiteindelijk, naast andere beheersmaatregelen, geleid tot het initiatief om de viaducten te monitoren. 1.1.1

Ongewoon lage treksterkte in de A 59 viaducten

In de onderzochte viaducten deed zich een bijzonder fenomeen voor. De treksterkte werd op twee verschillende manieren gemeten. De meeste metingen werden gedaan met de éénassige trekproef (Fig. 1.3 a) en een aantal met behulp van een splijttrekproef op een lange betoncilinder (Fig. 1.3b) op een kubus of korte cilinder.

a. Eénassige trekproef

b. Splijttrekproef

Fig. 1.3 Principe van de in het onderzoek gebruikte trekproeven Uit de beproeving kwam naar voren dat de éénassig gemeten treksterkte aanzienlijk lager was dan de treksterkte gemeten met de splijttrekproef. Gebruikelijk is evenwel dat de éénassig gemeten treksterkte ongeveer 0,9-maal de splijttreksterkte bedraagt. In de onderzochte viaducten varieerde deze factor globaal van 0,15 tot 0,9. Daarbij moet nog worden opgemerkt, dat in de betreffende rijdekken vaak al sprake was van intens gescheurd beton, met overwegend horizontale scheuren (Fig. 1.4). De gemeten waarden van de treksterkte betreffen het beton tussen de scheuren. Nader constructief onderzoek dat is uitgevoerd aan de TU-Delft (Den Uijl et al 2000) aan betonnen balken die gezaagd waren uit rijdekken die door ASR waren aangetast, liet zien dat het dwarskrachtdraagvermogen van deze balken lager was dan op grond van de splijttrekproeven mocht worden aangenomen, maar hoger dan op grond van de éénassige proeven. Het onderzoek leverde een rekenmodel op voor een dwarskrachtbuig-bezwijken dat kan ontstaan bij materiaal met een anisotrope treksterkte. Deze anisotrope treksterkte moet wel gemeten worden aan kernen uit de constructie.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 11

Fig. 1.4 Horizontale scheuren in een opengehakt deel van een rijdek

1.2

Monitoren van de viaducten in autosnelweg A 59

Bij de meeste viaducten was geen dwarskrachtwapening aanwezig, zodat het dwarskrachtdraagvermogen volledig moest worden ontleend aan de treksterkte. Bij een aantal viaducten kon niet worden aangetoond dat zij een voldoende dwarskrachtveiligheid hadden. Besloten is om deze viaducten te monitoren. Verder is besloten om de meeste andere viaducten ook te monitoren op grond van het feit dat in deze viaducten de treksterkte nog terug kan lopen als gevolg van het continueren van de ASR. Het monitoren van de viaducten vindt ook nog om andere redenen plaats: − controleren of de getroffen renovatiemaatregelen effectief zijn; de maatregelen hebben ten doel om verdere waterindringing in de betreffende rijdekken te voorkomen − het model voor het dwarskrachtbuig-bezwijken is afgeleid uit een beperkt aantal beproevingsresultaten, het model is daarom nog onzeker; monitoren zou een deel van die onzekerheid weg kunnen nemen, door het vaststellen of het ASR-proces stopt of wordt afgeremd; als dit het geval blijkt te zijn wordt het waarschijnlijker dat geen verdere constructieve schade optreedt; overigens moet deze onzekerheid ingecalculeerd worden bij het beoordelen van de meetresultaten die met het monitorsysteem worden bereikt. In tabel 1.1 is een overzicht gegeven van de betreffende viaducten in de A59. Daarbij is ook aangegeven of een viaduct wordt gemonitord of niet.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 12

nr.

Topcode

Naam

Monitoren

1

45A-110 / 132.80

A59, Hambaken (DAS D)

Ja

2

45A-306 / 132.20

A59, Hedelseweg (DAS D)

Ja, 2e pilot start metingen vanaf januari 2002

3

45A-111 / 130.22

A59, Rietvelden (DAS D)

Ja

4

45C-118 / 128.50

A59, Den Bosch West (DAS D)

Neen, (wel ASR, weinig schade)

5

45C-119 / 127.29

A59, Vlijmen Oost (DAS D)

Ja, 1e pilot start metingen vanaf 9-2-1999

6

45C-120 / 127.00

A59, Heidijk (DAS D)

Ja, 2e pilot start metingen vanaf januari 2002

7

45C-121 / 126.50

A59, Pres. Kennedybrug (DAS D)

Ja

8

45C-123 / 124.70

A59, Wolput (DAS D)

Ja, 1e pilot start metingen vanaf 9-2-1999

9

44H-106 / 122,76

A59, Het Hoog

Neen, (geen ASR)

10

44H-107 / 122.57

A59, De Dekker

Neen, (geen ASR)

11

44H-108 / 121.47

A59, Wolfshoek (DAS D)

Ja

12

44H-109 / 120.51

A59, Elshoutseweg (DAS D)

Ja

13

44H-111 / 118.83

A59, Drunen West (DAS D)

Ja

14

44H-115 / 115,29

A59, Emmerikhovenseweg

Neen, (geen ASR)

15

44G-108 / 111.90

A59, Labbegat (DAS D)

Ja

16

44G-110 / 109.88

Capelsche Haven (DAS D)

Ja

17

44G-111 / 107.42

A59, Schoutstraat (DAS D)

Ja

18

44G-113 / 105.81

A59, Zijlweg (DAS D)

Ja

19

44D-307

A59, Hespelaar (DAS B)

Ja

20

44D-308

A59, Haasdijk (DAS B)

Ja

21

44D-309

A59, Houteind (DAS B)

Ja

22

44D-310

A59, Rode Weel (DAS B)

Ja

Tabel 1. 1: Renovatie 22 kunstwerken; monitoren 16 kunstwerken

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 13

2

Monitoren van viaducten in de A59

2.1 2.1.1

Ontwerp- en realisatieproces Verkenningsfase

Algemeen Vooruitlopend op het monitoren zijn de kunstwerken beoordeeld op de huidige toestand. Daar waar nodig zijn maatregelen getroffen om de huidige situatie veilig te stellen. Volgende stap zou moeten zijn het monitoren van het verloop van de veiligheid van de kunstwerken in de tijd. Voorkeur ging vanzelfsprekend uit naar een kwantitatieve methode, met een voldoende kans op het vaststellen van een gebrek (probability of detection) en een vooraf bekende betrouwbaarheid. Literatuurstudie meettechnieken Een literatuurstudie is uitgevoerd om te zoeken naar een geschikte monitortechniek [Visser en Siemes 1999]. Ondanks een veelheid aan niet-destructieve meettechnieken, bleek er geen techniek beschikbaar welke rechtstreeks de gewenste constructieve eigenschappen zou kunnen meten. De in het buitenland toegepaste monitortechnieken voor ASR bleken zich primair te richten op het meten van de effecten van ASR en het volgen van indicatoren. Afkeurcriteria waren niet of nauwelijks gedefinieerd. Daar waar dit wel het geval was (bijvoorbeeld het meten van gesommeerde scheurlengten waaraan een beheersmaatregel wordt gekoppeld [ISE-procedure 1992]) was het criterium arbitrair.

Aan de hand van de uitgevoerde literatuurstudie is een beeld opgebouwd van: − Mogelijke meettechnieken; − Technische beschrijving van de meettechnieken en de beperkingen ervan; − Belang van de meettechnieken voor constructies met ASR en een selectie van de meest relevante methoden. Haalbaarheidsonderzoek akoestische emissie Naar aanleiding van bovengenoemde literatuurstudie heeft de Bouwdienst Rijkswaterstaat speciale interesse gekregen in de toepassing van de Akoestische Emissie (AE) als monitortechniek. Een haalbaarheidsonderzoek is uitgevoerd naar de toepassing van AE. De haalbaarheidsstudie leverde echter de conclusie dat AE naar verwachting niet de kwantitatieve informatie zou opleveren die nodig is voor een betrouwbare kwantificeerbare constructieve beoordeling (bezwijkdraagvermogen) van een kunstwerk van gewapend beton, aangetast door ASR [Hordijk 1998].

Op een ‘low profile’ manier zijn in het Stevinlaboratorium tijdens een dwarskrachtproef op een ASR-balk AE-metingen uitgevoerd door Physical Acoustic B.V. Het emissiepatroon werd bestudeerd tijdens het belasten tot bezwijken. Ondanks dat al ruim voor het bezwijken duidelijk signalen te meten waren, werd geconcludeerd dat de indicatoren (bijvoorbeeld harder “kraken” van het beton) geen voldoende betrouwbare veiligheidsindicator zouden opleveren

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 14

Eerste pilot monitoren viaducten Wolput en Vlijmen-Oost Rijkswaterstaat heeft,samen met TNO een monitorprogramma opgezet voor twee door ASR-schade aangetaste viaducten over de rijksweg A59, te weten Wolput (topcode 45C-123; km 124.7) en Vlijmen-Oost (topcode 45C-119; km 127.3). Aangezien met het monitoren van betonconstructies met schade door ASR in Nederland nog geen ervaring bestond, had het project een pilot-karakter.

De ambitie om door middel van monitoren een kwantitatieve uitspraak te kunnen doen over het verloop van de veiligheid werd losgelaten, daar dit niet mogelijk werd. Als alternatief werd besloten verscheidene ASR relevante indicatoren te meten. Aan de hand van het monitoren van het gedrag van het rijdek van deze twee viaducten gedurende een periode van 2 jaar is getracht om antwoord te geven op de volgende vragen: Welke veranderingen treden op in het expansiegedrag van de constructie in 2 jaar? Zijn de getroffen onderhoudsmaatregelen voldoende om het beton te doen uitdrogen? Kunnen na de periode van 2 jaar nog verdere effecten worden verwacht? Zijn de voorgestelde metingen betrouwbaar en geven zij voldoende inzicht ten aanzien van de effecten van ASR en het gedrag van de constructie? Kan het monitoren geoptimaliseerd worden? Om antwoord te kunnen geven op de bovengenoemde vragen is besloten om in het monitorplan technieken op te nemen voor het volgen van het vocht- en vervormingsgedrag van de beide viaducten. Dit heeft ertoe geleid dat in dit pilotproject de volgende monitortechnieken zijn opgenomen: a. Meten van de elektrische betonweerstand op verschillende diepten in het beton, met behulp van multi-ringelectroden (MRE), teneinde inzicht te verkrijgen in vochtprofielen in het beton. b. Meten van de temperatuur en de relatieve vochtigheid in het beton c. Meten van zwelling in het beton in dikterichting met een snaarrekopnemer. d. Meten van lengte- en breedteverandering in de onderzijde van het viaduct door middel van het monitoren van de scheurvorming met een scheurenkaartje en met behulp van een afneembare rekopnemer. e. Meten van verticale verplaatsingen van het dek met behulp van waterpasmetingen aan de bovenzijde van het viaduct. f. Meten van lengteverandering in de bovenzijde van het viaduct met behulp van afstandsmetingen. Uit de resultaten van het onderzoek aan het viaduct Wolput blijkt dat de weerstandsmetingen met de multi-ringelectroden aangeven dat twee meetplaatsen vochtig blijven. Verder blijkt uit de diktemetingen met de snaarrekopnemers dat er bij deze meetplaatsen sprake is van doorgaande zwelling. Daarom wordt vermoed dat in dit viaduct, gedurende de meetperiode van twee jaar, in de noordelijke rijbaan sprake is geweest van doorgaande ASR. Hierbij dient echter opgemerkt te worden dat de renovatiemaatregelen pas aan het einde van de monitorperiode voor het grootste gedeelte gerealiseerd waren. Het was nog te vroeg om op basis van de resultaten een uitspraak over de effectiviteit van de renovatie te doen. Op basis hiervan is besloten om het monitoren nog een jaar te vervolgen. Uit de resultaten van het onderzoek aan het viaduct Vlijmen Oost zijn geen indicatoren van doorgaande expansie waar genomen. De uitgevoerde

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 15

vervormingsmetingen liggen in de orde van de vervormingen die op grond van temperatuursvariaties verwacht mochten worden. Verder is het beton van dit rijdek naar verwachting droger dan het beton van het rijdek van Wolput. Op basis van de meetgegevens wordt niet verwacht dat gedurende de meetperiode van twee jaar sprake is geweest van doorgaande ASR in het rijdek. Om met name meer informatie te verkrijgen over het vochtgedrag van dit viaduct in de tijd, is besloten om ook voor dit viaduct het monitoren nog een jaar te vervolgen. Ten aanzien van het vervolg van deze eerste pilot is besloten om de metingen te beperken tot de metingen die uitgevoerd kunnen worden vanuit meetkasten aan de onderzijde van de viaducten. Dit betreft de volgende metingen: − Meten van vochtfluctuaties in de rijdekken met de multi-ringelectroden. − Meten van fluctuaties van de relatieve vochtigheid en de temperatuur in de rijdekken. − Diktemetingen in het rijdek met de snaarrekopnemers. − Temperatuursmetingen in het rijdek in combinatie met de snaarrekopnemers. Ten aanzien van de 16 overige viaducten is aan de hand van de ervaringen met de eerste pilot gekozen voor het op afstand monitoren (tele-monitoren). Hierdoor kan vaker, nauwkeuriger en beter gelijktijdig gemeten worden. Kleine ASR-effecten kunnen zo beter onderscheiden worden. Speciale vochtsensoren zijn aangepast en getest zodanig dat vocht in ASR-beton gemeten kan worden middels een TDRtechniek (Time Domain Reflectometry). Het project wordt uitgevoerd met een installatiebedrijf die gespecialiseerd is in de uitvoering en begeleiding van monitorprojecten. In eerste instantie worden twee van de zestien viaducten als 2e pilot uitgevoerd. Hier moest ervaring worden opgedaan met het tele-monitoren en de nieuwe sensoren. De overige 14 viaducten zouden een half jaar tot een jaar later aangepakt worden. Argumenten voor het monitoren van alle viaducten: Toeslagmateriaal varieert per viaduct; Gemeten expansieverwachting varieert per viaduct; Details renovatie variëren per viaduct; Uitvoeringsgebreken variëren per viaduct. Kans van optreden ondermeer afhankelijk van jaargetijde renovatiemaatregel; Leeftijd varieert per viaduct; Huidige expansie varieert per viaduct; Expositietoestand kan variëren (verkeersbelasting, intensiteit van pekelen etc.); De gekozen renovatiestrategie per viaduct is afhankelijk van de verwachte restlevensduur. Ook hier is de doelstelling van het monitoren: een uitspraak te kunnen doen of het doel van de renovatie behaald wordt: namelijk het uitdrogen van de constructies. een uitspraak te kunnen doen over de effectiviteit van de renovatie namelijk of de expansie stopt (Voor het kunnen doen van een uitspraak over bovengenoemde punten zijn niet alleen goede meetwaarden nodig, maar moet tevens een goede gebruikersinterface aanwezig zijn). op basis van de monitorresultaten moet op termijn een conclusie getrokken kunnen worden over het noodzakelijk beheer van de kunstwerken. de resultaten van het monitoren hebben tevens tot doel om vast te stellen in

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 16

hoeverre het in de toekomst noodzakelijk is om andere ASR-viaducten na het renoveren te monitoren, en ter evaluatie van het verloop van het proces in het algemeen. 2.1.2

Betrokken partijen en hun rol

Gezien de aard van het werk van de 2e pilot en overige viaducten is Rijkswaterstaat van mening dat een installatiebedrijf voor de uitvoering de voorkeur geniet boven een betonaannemer. Aangezien Koenders Instruments B.V. al geruime tijd betrokken was in het overleg met betrekking tot het monitoren van ASR in beton, werd deze gevraagd om de nodige instrumenten te leveren en te installeren. Koenders heeft tevens een afdeling, die gespecialiseerd is in de uitvoering en begeleiding van monitorprojecten. Het ontwerp van het monitorsysteem is bijgevolg een gezamenlijke activiteit van Rijkswaterstaat en Koenders. Ten behoeve van het inhoudelijk ondersteunen van Rijkswaterstaat is kennis bij TNO Bouw ingehuurd voor de gehele contractduur. Zij doen advisering en toetsing inzake het monitoren. Zij toetsen het plan van aanpak van de aannemer op de vastgestelde criteria en de monitortechnieken op betrouwbaarheid, meetbereik en lokaties. De gekozen werkmethode is een soort van bouwteamverband. 2.1.3

Korte beschrijving van het proces

Initiatiefase: Gezamenlijk vaststellen welke monitormiddelen in de 2e pilot van 2 viaducten ingebouwd zullen worden. Geven van opdracht aan Koenders Services voor het maken van detailontwerp 1. Detailontwerp 1 (2e pilot 2 viaducten): Intensief overleg tussen Bouwdienst en TNO. Detailontwerp van de in te bouwen monitormiddelen; hoe, wat en waar. Detailontwerp installatie Risico-inventarisatie en project specifieke eisen Uitvoeringsplan Kwaliteitsplan / keuringsplan Functioneel ontwerp van de bijbehorende software Deze fase is afgesloten met een opdracht voor uitvoeringsfase 1. Uitvoeringsfase 1 (2e pilot 2 viaducten): Aanbrengen monitormiddelen 0-metingen Kalibratiemetingen Bouwen software prototype, dit wordt ontwikkeld in nauw overleg met de Bouwdienst en TNO Aan de uitvoeringsfase wordt een inregelperiode tot eind 2002 verbonden, waarin Koenders verantwoordelijk is voor uitvoeringsfouten en het op juiste wijze laten functioneren van het systeem. Na een korte evaluatie van ca. 2 maanden wordt deze fase afgesloten met een opdracht voor monitoren van de overige viaducten. Detailontwerp 2 (14 viaducten): Bepalen plaats en hoeveelheid monitormiddelen Uitvoeringsplan

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 17

-

Kwaliteitsplan / keuringsplan Aanpassing functioneel ontwerp software

Uitvoeringsfase 2 (14 viaducten): Aanbrengen monitormiddelen 0-metingen Kalibratiemetingen Afbouwen software Technische documentatie en handleiding software Onderhoudsplan monitorsysteem Aan de uitvoeringsfase wordt een inregelperiode verbonden, waarin aannemer verantwoordelijk is voor uitvoeringsfouten en het op juiste wijze laten functioneren van het systeem. Nazorg: Inregelperiode, systeem testen, kalibreren en onderhouden Evaluatie periode, intensief evalueren systeem en de effectiviteit van de renovatie Monitorcontract afsluiten met derden Afsluiten project 2.1.4

Eisen aan het resultaat

Een uitspraak kunnen doen of het doel van de renovatie behaald wordt: het uitdrogen van de constructies; dit om op termijn daar met het noodzakelijk beheer van de kunstwerken op in te spelen. Een uitspraak te kunnen doen over de effectiviteit van de renovatie: Stopt de expansie? Voor het kunnen doen van een uitspraak over bovengenoemde punten zijn niet alleen goede meetwaarden nodig, maar is tevens een goede gebruikersinterface nodig. -

De resultaten van het monitoren hebben tevens tot doel om vast te stellen in hoeverre het in de toekomst noodzakelijk is om andere ASR-viaducten na het renoveren te monitoren, en ter evaluatie van het verloop van het proces in het algemeen. Samengevat is de doelstelling van het monitoren drieledig: 1. lokaal vaststellen of de renovatie leidt tot droging en vervolgens tot het stoppen van de zwelling als gevolg van ASR 2. vaststellen of dit ook geldt voor het gehele rijdek 3. afleiden van de betrouwbaarheid (veiligheid) van het viaduct.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 18

Detectiekans voortschrijdende ASR schade. Lokaal voortschrijdende schade op kunstwerk.

Wijd verspreid voortschrijdende schade op kunstwerk

GEVOLG:

GEVOLG: VANGNET 1

Detectiekans locale metingen klein

Detectiekans lokale metingen groot

VANGNET 2

Detectiekans globale metingen klein

Detectiekans globale metingen groot

VANGNET 3

Detectiekans van tijdig signaleren door visuele inspectie groot

Detectiekans van tijdig signaleren door visuele inspectie groot

Kans niet signaleren aanwezig; risico klein

Kans van signaleren groot; risico klein

Figuur 2.1: Risicobeheersing tijdens de pilotfase.

Om in de pilot fase waarin de effectiviteit van het monitorsysteem niet bewezen is, de risico’s te kunnen beheersen, is door RWS een beoordelingssysteem met drie “vangnetten” opgezet om de trefkans voor het waarnemen van risicogevende schadeprocessen zeker te kunnen stellen (zie figuur 2.1). Daarbij worden scenario’s onderscheiden dat schade zich slechts in een beperkt gebied bevindt (een lokaal gebrek) of dat een uitgebreid gebied aangetast is (een wijdverspreid gebrek). Het vangnet is daarbij als volgt opgezet: een lokale meting beoordeelt de situatie op één plaats. een globale meting met een tweede, apart meetsysteem beoordeelt het gedrag van de constructie. de onafhankelijke visuele beoordeling -vanuit het normale beheer- voegt een derde toetsing toe. Met het schema is voor twee schadescenario’s weergegeven dat de toepassing van het monitorsysteem de risicobeheersing in de aanwezige situatie niet verminderd. De beslisstructuur om de te nemen maatregelen in vervolg op de resultaten uit het monitorsysteem, is in de volgende figuur 2.2 vastgelegd:

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 19

Beslisschema monitoren A59 Wordt met een lokale meting een gebrek geconstateerd?

Wordt met een glokale meting een gebrek geconstateerd?

N

J

Is de oorzaak vast te stellen?

N

GEEN ACTIE

J N

NADER ONDERZOEK

J

RESULTAAT

Is op andere viaducten een vergelijkbare

(incident)

N

(structureel gebrek) J Is het geconstateerde van invloed op de veiligheid?

N

Is het geconstateerde van invloed op de veiligheid?

N

J

J

NADER ONDERZOEK OVERIGE VIADUCTEN

Is het structurele gebrek te verhelpen? J

GEEN ACTIE

N

BEHEERSMAATREGELEN EN/OF PLANNEN VERVANGING.

N

Is het locale gebrek te verhelpen? J

VERBETERMAATREGEL

Figuur 2.2 Beslisschema voor acties in verband met het monitoren van de betreffende viaducten.

2.2 2.2.1

Keuze meetmiddelen Meten op afstand(tele-monitoren)

Opties ten aanzien van het meten: Handmatig meten. Monitoren en ter plaatse uitlezen van datalogger in kast. Tele-monitoren. Motivering voor het tele-monitoren van een viaduct: Extra investering wordt op den duur terug verdiend. Kans op meetfouten en fouten in vastlegging worden aanzienlijk verkleind. Alle metingen tegelijkertijd. Meetfrequentie is niet bepalend voor de kosten. Verificatiemetingen met een kort interval zijn eenvoudig mogelijk. Meer mogelijkheden voor interpretatie van gegevens.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 20

2.2.2

Bescherming tegen indringen van neerslag:

Gekozen is voor Trime-sensoren op 4 plaatsen, boven en onder in het rijdek Motivering: Goede resultaten in de beproevingen in het lab, ook bij gescheurd beton. Meet veranderingen in het vochtgehalte, welke vermoedelijk een betere maatstaaf is dan veranderingen in relatieve vochtigheid. Toepassingswijze: Vochtgehalte kan per plek verschillen. Boven en onderin meten omdat het beton niet gelijkmatig uitdroogt, en mogelijk bovenin langer nat blijft. Verdelen over goede en slechte plekken. Onderscheid maken tussen plaatsen onder het asfalt en andere plaatsen. Bij voorkeur kritische plekken kiezen waar vocht kan indringen. Geaccepteerd risico: Geen ervaring in het veld voor toepassing in beton. Wel in andere materialen. Niet gekozen alternatieven: Houten deuvels. Deze worden in Engeland en Denemarken toegepast. Goedkope methode, maar vooralsnog niet op afstand meetbaar. De eenduidigheid van de meting staat ter discussie, daar de eigenschappen van de houten deuvel in de loop der tijd kunnen veranderen. RV-sensoren. Deze zijn toegepast in pilot Wolput en Vlijmen Oost. Deze sensors zijn op den duur niet stabiel, als condensatie op de sensor plaatsvindt. Ze blijken dus niet geschikt als continu toe te passen sensor. Multi-ringelectroden. Deze worden toegepast in het pilotproject Wolput en Vlijmen Oost. Is mogelijk in de toekomst een geschikte methodiek, maar moet nog beter uitgewerkt worden. De invloeden van de reparatiemortel in het gat waarin de sensor geplaatst wordt zijn onvoldoende bekend. Vooralsnog ook kostbaar voor meting op afstand, daar een multiplexer noodzakelijk is en de datalogger veel kanalen moet hebben. 2.2.3

Expansie

2.2.3.1 Expansie gemeten in de dikterichting van het rijdek Snaarrekopnemers voor metingen in dikterichting rijdek op 4 plaatsen Motivering: Betreffende sensoren lijken in het pilot-project Wolput en Vlijmen duidelijke resultaten te geven. Expansie in dikterichting is meer dan in lengterichting, daar in deze richting geen wapening aanwezig is. Toepassingswijze: Op 4 plaatsen meten wegens beperkte trefkans expansie. Plaatsen in de buurt van vochtsensoren, om gegevens te kunnen relateren. Meten expansie over de gehele dikte van het rijdek. Onderscheid expansie boven en onder in het rijdek is niet noodzakelijk. Resultaat is immers geen rekenkundige grootheid, maar een kwalitatieve indicatie of expansie stopt of niet. Geaccepteerd risico: Expansie kan optreden alleen in het natte deel, bijvoorbeeld boven in het rijdek. Dit wordt uitgemiddeld over de hoogte, en is dus niet meer separaat te onderscheiden. Dit maakt interpretatie moeilijker.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 21

2.2.3.2 Expansie in lengterichting over het gehele rijdek Jointmeters bij de voegovergangen op de uiteinden van het rijdek Motivering: Voor het bepalen van de gemiddelde expansie van het rijdek. Uit de landmetingen in het pilotproject Wolput en Vlijmen Oost blijkt dat de landhoofden in horizontale richting redelijk stil staan (referentiemetingen blijven echter noodzakelijk). Op afstand meten is mogelijk, tegelijkertijd met de andere metingen. Hierdoor zijn gegevens aan elkaar te relateren. Toepassingswijze: Aan beide uiteinden van het rijdek, ter plaatse van de voegovergang. Metingen gelijktijdig met andere metingen, zodat de waarden met de temperatuurseffecten gecorrigeerd kunnen worden. Eerste jaren uitvoeren referentie landmeting. Geaccepteerd risico: Landhoofden kunnen soms verplaatsen, als er bijvoorbeeld een betonplaat tegenaan drukt welke ten gevolge van temperatuur vervormt. Het is dus noodzakelijk om te controleren of de landhoofden daadwerkelijk op hun plaats zijn gebleven. Dit kan door de positie van de landhoofden vast te leggen ten opzichte van een vast punt, waarvan de positie niet wordt beïnvloed door het gedrag van het gemonitorde viaduct. Niet gekozen alternatieven: Expansiemeters horizontale betonoppervlak. Uit het 1e pilot-project blijkt dat vrijwel geen expansies in het horizontale vlak gemeten worden. De verticale meting heeft dus een hogere trefkans. De benodigde apparatuur is kwetsbaar, omdat deze uitwendig aangebracht wordt. Mogelijk zal deze meting bij enkele viaducten toch op proef uitgevoerd worden, omdat de expansie in het horizontale vlak een maat is voor de voorspanning ten gevolge van ASR. Invar staaf, toegepast bij het pilot-project Wolput en Vlijmen Oost voor metingen in het horizontale vlak. Is niet geschikt voor meting op afstand. Zettingsensoren. Deze meten verticale verplaatsingen ten opzichte van een vast punt. De sensoren zijn duur en niet eerder in deze toepassing gebruikt. Uit het pilot-project Wolput en Vlijmen Oost blijkt, dat het vinden van een vast punt erg moeilijk is. Alle “vaste” punten lijken ten opzichte van elkaar in verticale zin te verplaatsen. Metingen zijn dus erg moeilijk te interpreteren. Scheurwijdtemeters. Het verloop van een scheur hoeft niet direct gerelateerd te zijn aan expansie loodrecht op die scheur. Dit blijkt onder meer uit het vergelijken van metingen uit het pilotproject, waar expansies aan het betonoppervlak worden gemeten met een invarstaaf (invar is een materiaal dat bij temperatuurverhoging nauwelijks uitzet), en scheuren met een scheurloep. Ondanks dat de scheurvorming op sommige plaatsen toeneemt, (en vervolgens niet meer afneemt), zijn expansies in de lijn die de scheur doorsnijdt niet te meten. Visueel waarnemen scheurenverloop door een conservering toe te passen. Scheuren hoeven geen bewijs te zijn voor expansie (zie scheurwijdtemeters). Zeker als er sprake is van een drogend oppervlak en een natte bulkbeton is toename van scheurvorming ten gevolge van uitdroging denkbaar. Glasvezel. Onvoldoende uitgezocht. Wordt wel toegepast bij grote dammen met ASR in onder meer Brazilië. Lijkt nogal duur voor onze

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 22

situatie. Onbekend of meten op afstand mogelijk is. Het is onbekend of bij deze meting onderscheid is te maken tussen expansies en krimp ten gevolge van temperatuur en de veel kleinere vervormingen ten gevolge van ASR. 2.2.3.3 Temperatuur Temperatuursensor in de snaarrekopnemer op 4 plaatsen Motivering: Deze is standaard ingebouwd. Toepassingswijze: Meting temperatuur in de luchtkolom in het beton Temperatuursensoren Motivering: Indicatie temperatuursprofiel ter verklaring van meetwaarden. Directe meting temperatuur van het beton. Toepassingswijze: Op 1 plaats onder het asfalt, boven en onderin het rijdek. Ter verificatie van de temperatuurmeting van de snaarrekopnemer. Eerste twee te instrumenteren viaducten van de 2e pilot: Hedelseweg en Heidijk

2.3 -

-

-

2.4

Motivering: Hedelseweg is nog niet gerepareerd. Hierdoor ligt de uitgangssituatie goed vast. Het dubbele rijdek wordt met verschillende materialen hersteld, ter vergelijk. Er valt dus iets te meten. Heidijk is een der slechtste viaducten. Het viaduct is in een eerder stadium half gerenoveerd. Door het tussentijds stilleggen van het werk heeft dit viaduct naar verwachting weer extra schade geleden daar het oppervlak niet dicht was. Spoedig monitoren was daarom gewenst. Geaccepteerde risico’s: Uitgangssituatie bij Heidijk ligt niet vast, omdat het viaduct eerst gerenoveerd wordt en daarna gemonitord. Hierdoor kan interpretatie lastiger zijn. Realisatie

Installatieplan Heidijk (opgesteld door Koenders Instruments B.V.). 1. Basis voor het installatieplan Grondslag van het installatieplan is: informatie zoals beschikbaar en behorende bij opdracht BDP-0059 bezoek aan de brug aanbrengen van de monitormiddelen (Situatie ‘as built’) 2. Motivering meetplaatsen Bij het veldbezoek aan de meetlocatie is door het bouwteam de keuze voor de sensorlocaties gemaakt op basis van: Meettechnische waarde sensorlocatie. Technische mogelijkheid sensorlocatie. Bereikbaarheid bij installatie en onderhoud. Bescherming tegen beschadiging en vandalisme. Op basis van bovenstaande motivering is gekozen om een sensorcluster (Figuur 2.3) op locaties 1 en op locatie 2 te plaatsen (Figuur 2.4). In dit gebied bevindt zich scheurvorming door ASR schade. De sensorclusters worden buiten de rijbaan gemonteerd. De locaties 3 en

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 23

4 worden tevens voorzien van sensorclusters. Deze bevinden zich aan de andere kant en worden tevens buiten de rijbaan gemonteerd ook hier bevindt zich enige scheurvorming. Alle locaties zijn goed bereikbaar zonder wegafzetting en dusdanig gekozen dat ze vrijwel onbereikbaar zijn voor vandalisme. De sensoren voor de dilatatievoegen worden aan de zijkant tegen de brug gemonteerd, deze locatie is technisch goed én goed bereikbaar. Installatiedetail sensorcluster

Installatiedetail opnemer dilatatievoeg

Figuur 2.3 Overzicht van de sensorclusters

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 24

2 * sensorcluster

2 * sensorcluster

2 stuks betonvocht

2 stuks betonvocht

2 stuks temperatuur

2 stuks temperatuur

A

1 stuks betondikte

1 stuks betondikte

B=D00+Loc1

B=D00+Loc2

sensor dilatatievoeg

B=D00+Loc3

Meetkast B=D00+Loc8

zonnepaneel

B=D00+Loc4

B=D00+Loc5-P001

sensor dilatatievoeg B=D00+Loc6-P001

B noord

B=D00+Loc7

B B=D00+Loc6-P001

B=D00+Loc7

B=D00+Loc5-P001

B=D00+Loc1 B=D00+Loc2

B=D00+Loc3 B=D00+Loc4

B=D00+Loc8

A

B=D00+Loc1 B=D00+Loc2

B=D00+Loc3 B=D00+Loc4

B=D00+Loc8

Figuur 2.4 Overzicht van de meetlocaties per viaduct

3. Keuze meetplaatsen Gemeten wordt op de volgende meetplaatsen (Zie figuur 2.4): − Locatie 1: meting van de ASR door middel van sensorcluster met de volgende sensoren: • 2 stuks sensor betonvocht • 2 stuks sensor temperatuur • 1 stuks sensor betondikte − Locatie 2: meting van de ASR door middel van sensorcluster met de volgende sensoren: • 2 stuks sensor betonvocht • 2 stuks sensor temperatuur • 1 stuks sensor betondikte − Locatie 3: meting van de ASR door middel van sensorcluster met de volgende sensoren: • 2 stuks sensor betonvocht • 2 stuks sensor temperatuur • 1 stuks sensor betondikte − Locatie 4: meting van de ASR door middel van sensorcluster met de volgende sensoren: • 2 stuks sensor betonvocht • 2 stuks sensor temperatuur • 1 stuks sensor betondikte − Locatie 5: meting dilatatievoeg door middel van verplaatsingsopnemer − Locatie 6: meting dilatatievoeg door middel van verplaatsingsopnemer De exacte positionering van de sensorclusters is door de directie UAV na overleg ter plaatse met de directie Koenders Instruments vastgesteld.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 25

4. Installatiedetail locaties 1 tot en met 4. De sensoren worden aan de onderzijde in de brug gemonteerd. Installatie van de afzonderlijke sensoren gebeurt volgens de bijbehorende werkinstructies uit het kwaliteitshandboek. Bij de sensoren wordt een kabelverzameldoos gemonteerd. Hierin bevinden zich de twee Trime-ES omvormers en een kabelaansluitstrook. Op de kabelaansluitstrook worden alle kabels aangesloten volgens het kabelplan uit het detailontwerp. De uitgang van de kabelverzameldoos is 1 kabel deze wordt via een beschermbuis naar het data-acquisitiesysteem doorgevoerd. De sensorcluster met de kabel-verzameldoos wordt beschermd door een RVS plaat. Deze plaat is aan twee zijden omgezet waarbij de opstaande zijden een hoek van ongeveer 45 graden maken. Door deze beschermplaat moet voldoende bescherming tegen rijschade en vandalisme geborgd zijn. 5. Installatiedetail locaties 5 en 6 De sensoren worden aan de zijkant op de brug gemonteerd (Figuur 2.4). Installatie van sensor gebeurt volgens de bijbehorende werkinstructie uit het kwaliteitshandboek. De sensor wordt tegen vandalisme beschermd door een omgezette RVS plaat van voldoende lengte. De aansluitkabel wordt via een beschermbuis naar het data-acquisitiesysteem doorgevoerd. 6. Installatiedetail zonnepaneel locatie 7. Het zonnepaneel (Figuur 2.5 en 2.6) wordt op een speciaal ontworpen beugel aan de pijler van de brug gemonteerd. De aansluitkabel wordt via een beschermbuis naar het data-acquisitiesysteem doorgevoerd. Het paneel is van een zeer hard glas voorzien. De materiaalkeuze en de montagelocatie moeten voldoende vandalismebestendigheid borgen. 7. Installatiedetail data-acquisitiesysteem Het data-acquisitiesysteem (Figuur 2.5 en 2.6) wordt aan de brugpijler gemonteerd. Het systeem is gemonteerd in een weerbestendige behuizing. Deze behuizing is van glasvezelversterkt polyester en is voorzien van een driepuntssluiting met cylinderslot. De behuizing wordt dusdanig hoog gemonteerd dat deze alleen met een steiger te bereiken is. Deze locatie, de behuizingkeuze en de driepuntssluiting moeten voldoende vandalismebestendigheid borgen.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 26

Zonnepaneel

sensorcluster met: - 2 stuks vochtopnemer

B-1005

B-1001

- 2 stuks temp. Opnemer - 1 stuks dikteopnemer

GSM-antenne

B-1002

B-1003

sensorcluster met: - 2 stuks vochtopnemer - 2 stuks temp. Opnemer

B-1004

- 1 stuks dikteopnemer

voegovergangsopnemer

B-1006

voegovergangsopnemer

B-1007

-X1

-X1

-X1

B=D00+Loc6-P001

B=D00+Loc5-P001

-P005

-P004

-P003

-P002

-P001

-P005

-P004

-P003

-P002

-P001

-P005

-P004

-P003

-P002

-P001

-P005

-P004

-P003

-P002

-P001

Figuur 2.5 Overzicht meetclusters, data-acquisitie, GSM, en zonnepaneel .

-X1

-X1

-X1

-X1

-X1

-X1

B=D00+Loc1 Verdeelkast

B=D00+Loc2 Verdeelkast

B=D00+Loc3 Verdeelkast

B=D00+Loc4 Verdeelkast

B=D00+Loc7 Zonnepaneel

B-1001

-X1

B-1002

-X2

-X3

-X1

B-1003

-X2

-X3

-X1

B-1004

-X2

-X3

-X1

B-1006

-X2

-X3

B-1007

-X2

B-1005

-X2

B=D00+Loc8

-X1

Meetkast

Figuur 2.6 Aansluitschema van het monitorsysteem

8. Kabeldoorvoering Alle bekabeling wordt door een beschermbuis beschermd. De kabels van locaties 1, 2, 5 en 7 worden direct naar de het data-acquisitiesysteem doorgevoerd. De kabels van de locaties 3, 4 en 6 worden verzameld en aan de bovenzijde van het brugdek naar het dataacquisitiesysteem doorgevoerd. De beschermbuis wordt op het brugdek vastgezet door middel van metalen beugels. Aan de bovenzijde van het kunstwerk wordt een metalen buis toegepast. Aan de onderzijde wordt dikwandig PVC toegepast, behalve op de plaatsen waar de buis bereikbaar is voor vandalisme, daar wordt eveneens een metalen buis toegepast.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 27

9. Verkeersplan Alle werkzaamheden worden achter de geleiderail uitgevoerd, er is hierom geen verkeersplan noodzakelijk. Voor de montagewerkzaamheden aan de bovenzijde van de brug is een gedeeltelijke afzetting van het fietspad noodzakelijk. Deze wordt gerealiseerd door het plaatsen van verkeerspionnen op de plaats waar de werkzaamheden uitgevoerd worden. 10. Datacommunicatie en data integriteit1

Onderdeel communicatie Het onderdeel communicatie verzorgt de afhandeling van de communicatie tussen de centrale computer en de data-acquisitie apparatuur die op de 16 kunstwerken in de A59 geïnstalleerd zijn. Dit onderdeel leest automatisch de meetwaarden uit en verifieert de status van de data-acquisitie apparatuur. De uitgelezen meetwaarden worden in ruwe data bestanden opgeslagen. Onderdeel validatie Het onderdeel validatie verzorgt de controle van de meetwaarden op plausibiliteit en betrouwbaarheid. Na deze bewerking worden de data opgeslagen in de definitieve database. De verificatie wordt uitgevoerd op: − grenswaarden, iedere meetwaarde moet boven de ondergrens en onder de bovengrens liggen − hysteresis, iedere meetwaarde mag een maximaal verschil hebben ten opzichte van de voorgaande meetwaarde − overlappende meetwaarden, indien er meetwaarden met hetzelfde tijdlabel zijn moeten deze een gelijke waarde hebben − storingsmeldingen/accuspanning: er mogen geen storingsmeldingen door de datalogger gegenereerd worden. Bij een accuspanning van 11,5 Volt wordt een voorwaarschuwing gegeven. De accuspanning moet een waarde van meer dan 11 Volt hebben. Indien niet aan deze eisen voldaan wordt, worden de betreffende meetwaarden niet gevalideerd en niet in de definitieve database opgenomen. Tevens wordt hiervan een melding gemaakt in de vorm van een melding aan de systeembeheerder. Database In de database worden alle meetwaarden en berekende waarden opgeslagen. De database is de basis voor de weergave via internet. Weergave informatie via internet Via de website van de Koenders Groep is een afgeschermd gedeelte bereikbaar waar alle informatie van het monitorprogramma via internet aan de geautoriseerde gebruikers ter beschikking gesteld wordt. Data-zekerheid Van de database inclusief ruwe data wordt iedere 24 uur een back-up gemaakt op een separate schijf. Van de database inclusief ruwe data wordt iedere maand een CD gebrand, deze wordt bij een door de systeembeheerder te benoemen persoon bewaard.

1

Deze onderdelen zijn een extract uit het Functioneel Ontwerp Weergavesoftware

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 28

11. Software2 De functionaliteit van de weergavesoftware is in grafische vorm weergeven in figuur 2.7. Bij het uitwerken van het ontwerp in een definitieve versie is op belangrijke punten een presentatie van de realisatie tot op dat moment plaats gevonden. Dit ter verificatie van de juiste interpretatie van het ontwerp.

Stations

Onderdeel communicatie

Ruwe database

Onderdeel validatie

Database

Internet

principe schema software

Figuur 2.7 Principeschema van de software Autorisatie Bij het inloggen op de weergavesoftware wordt aan iedere loginnaam een autorisatie niveau toegekend door de systeembeheerder na toestemming van de opdrachtgever. De volgende niveaus worden ingesteld: 1. Niveau bezoeker: alleen bekijken van de bewerkte data en gerede rapporten, geen print-, geen exportmogelijkheid 2. Niveau gebruiker: bekijken van bewerkte data en gerede rapporten, wel print-, geen exportmogelijkheid 3. Niveau analytisch gebruiker: bekijken van bewerkte data en gerede rapporten, wel print-, wel exportmogelijkheid 4. Niveau systeembeheerder: volledige toegang tot alle bestanden en software

2

Deze onderdelen zijn een extract uit het Functioneel Ontwerp Weergavesoftware

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 29

3 3.1

Hermes ontwerpfilosofie Opmerking vooraf

De ontwerpfilosofie Hermes is omschreven in het gelijkluidende concept-rapport van GeoDelft [Koelewijn 2001] en het TNO Bouw rapport [Wijnants 2001]. De inhoud van deze paragraaf is grotendeels daaraan ontleend en vervolgens verder ontwikkeld. Om deze laatste reden is dit hoofdstuk binnen de rapportage van de case ‘monitoren van viaducten met ASR’ gebracht. Bij het uitwerken van de filosofie wordt in dit hoofdstuk gefocust op civieltechnische bouwconstructies en op het aantonen van prestatie en de betrouwbaarheid van een constructie. De filosofie is echter toepasbaar op bouwconstructies in het algemeen. In het navolgende gedeelte wordt het woord ‘belasting’ in een ruime zin toegepast. Het omvat enerzijds mechanische belastingen en anderzijds degradatiefactoren zoals bijvoorbeeld zouten, oxiden, zuren, relatieve vochtigheid e.d. 3.2

Vier principiële impulsen om te monitoren

Het monitoren van een constructie kan om een aantal doelen worden gedaan: − om gedurende de levensduur van een bouwwerk de betrouwbaarheid te kunnen waarborgen (prestatie-impuls); bijvoorbeeld om de noodzaak voor toestandsafhankelijk onderhoud te kunnen vaststellen of om informatie te verkrijgen die nodig is om een voldoende hoge betrouwbaarheidsindex te verkrijgen voor zover die in het ontwerpproces nog onvoldoende bleek te zijn; voor de goede orde wordt er op gewezen, dat het in dit geval niet gaat om het risico (= faalkans x gevolgen van het falen) te beheersen, maar alleen om het beheersen van de faalkans als zodanig, de bouwvoorschriften zijn namelijk meer gericht op beheersing van de faalkans (eisen aan de betrouwbaarheid), dan beheersing van het risico wat ook zou kunnen inhouden dat je probeert de omvang van de schade te beperken; dit laatste aspect komt in de bouwvoorschriften alleen aan de orde in de veiligheidsklasse − om de uitvoering van een bouwwerk te beheersen (uitvoeringsimpuls); in dit geval wordt het bouwproces gevolgd; het volgen van het boorproces tijdens de bouw van een boortunnel of het volgen van zettingen zijn daarvan een voorbeeld; het gaat daarbij in wezen om een vorm van kwaliteitscontrole − om wetenschappelijke redenen (wetenschappelijke impuls); het gaat daarbij om het bestuderen van processen of delen daarvan; een voorbeeld daarvan is het bestuderen van macro-celcorrosie of zwerfstroomcorrosie aan een bestaande betonconstructie of het ovaliseren van een boortunnel als gevolg van ongelijkmatige gronddrukken − om te voldoen aan juridisch opgelegde verplichtingen (juridische impuls); de wetgever legt in dit geval de verplichting op om te monitoren, een voorbeeld daarvan binnen de bouw is het volgen van de effecten van zettingen en trillingen als gevolg van een tunnelboorproces in het geval dat dit door de overheid of verzekeringsmaatschappij wordt afgedwongen; het monitoren kan in principe het karakter hebben van een uitvoeringsimpuls of een prestatie-impuls, het is daarom niet noodzakelijk om in dit rapport daarvan een verdere uitwerking te geven.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 30

In dit rapport wordt alleen ingegaan op monitoren dat gebaseerd is op een prestatie-impuls, aangezien dit voor het te analyseren monitorsysteem het meest relevant is. Het betreffende monitorsysteem heeft echter ook een wetenschappelijke achtergrond, in de zin dat het systeem ook bedoeld is om na te gaan of de maatregelen, die getroffen zijn bij de viaducten, effectief zijn. De eisen waaraan een monitortechniek moet voldoen is afhankelijk van het gesteld doel. Binnen de scope van Hermes is het in principe mogelijk de opties wetenschappelijke impuls, uitvoeringsimpuls en prestatie-impuls uit te werken. De uitwerking komt in beginsel neer op het systematisch en kwantitatief antwoorden op de volgende vragen: − waarom monitoren; − wat moet worden gemonitord; − waar moet worden gemonitord; − wanneer moet worden gemonitord; − in welke mate meten en verwerken van wat moet worden gemonitord. Tevens dient te worden aangegeven hoe de meetresultaten moeten worden verwerkt en hoe zij moeten worden toegepast in het beslisproces over de bouw en het beheer van de betreffende constructie. 3.3

Concept ‘Monitoren ten behoeve van prestatie’

3.3.1

Ontwerp- en beheersfilosofie

Door [Faber 2000] is de basis gelegd van het stroomdiagram van figuur 3.1. Hij geeft daarin aan, dat door middel van een probabilistische analyse moet worden vastgesteld of de betrouwbaarheid van een constructie voldoende is of niet. Probabilistische modellering. Modelleren belastingen en mechanismen

Grenstoestandsvergelijking

β

voldoet niet Aanpak toestand constructie Introductie nieuwe Beïnvloed gebruik van constructie. Acties.

Figuur 3.1 Probabilistisch herontwerpproces met drie verbeteropties voor het verhogen van de betrouwbaarheid.

Indien het niet het geval is, kan een drietal acties worden ingezet om de betrouwbaarheid te verbeteren:

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 31

− verbeteren van de toestand van de constructie, bijvoorbeeld door repareren, versterken, beschermen − verzamelen van nieuwe informatie die relevant is voor het betrouwbaarheidsniveau; dit kan bijvoorbeeld bestaan uit het meten van de belastingen, het milieu, de materiaaleigenschappen of het aantastingsproces; het is ook mogelijk om het gedrag van de constructie vast te stellen, bijvoorbeeld het trillingsgedrag; het hoeft overigens niet altijd te gaan om het verzamelen van informatie, want het kan ook betrekking hebben op het ontstaan van nieuwe inzichten ten aanzien van het modelleren van de grenstoestanden en de daarin te gebruiken parameters − beïnvloeden van het gebruik van de constructie; dit kan bijvoorbeeld bestaan uit een lastbeperking. Het stroomschema uit figuur 3.1 is gebaseerd op de gedachte dat een bestaande constructie moet worden beoordeeld. Het kan ook worden uitgebreid naar het ontwerpen van nieuwe constructies. Dat is in figuur 3.2 weergegeven. De figuur geeft in wezen aan dat er drie principiële manieren bestaan om bij een te ontwerpen constructie de vereiste betrouwbaarheid te bereiken, indien bij het eerste ontwerp blijkt dat de betrouwbaarheid onvoldoende is: 1 door het vergroten van het incasseringsvermogen; bijvoorbeeld door meer wapening toe te passen, of door uit te gaan van een hogere staalkwaliteit, door een dikkere betondekking te nemen, of door een lagere diffusiecoëfficiënt, of door een coating aan te brengen, of door roestvast staal te gebruiken in plaats van koolstofstaal 2 door nieuwe informatie te verwerken die relevant is voor delen van of de gehele grenstoestandsfunctie 3 door het reduceren van de belasting; bijvoorbeeld door een lastbeperking te voorzien of door een beschutting aan te brengen. Probabilistische modellering. Modelleren belastingen en mechanismen

Grenstoestandsvergelijking

β

Vergroten incasse-

voldoet niet

ringsvermogen Verbeteren informatie

Reduceren van belasting Acties. Figuur 3.2 Probabilistisch ontwerpproces met daarin drie verbeteropties om de betrouwbaarheid te verhogen Onder het introduceren van nieuwe informatie valt bijvoorbeeld: − ontstaan van nieuwe inzichten, kennis en informatie − inspecteren

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 32

− monitoren. In het navolgende gedeelte zullen wij ons echter beperken tot de verbeteroptie ‘monitoren’. Daarvan moet worden vastgesteld hoe kan worden aangetoond, dat het de betrouwbaarheid van een constructie kan verhogen. Monitoren blijkt dus zowel bij nieuw te ontwerpen constructies als bij het beoordelen van bestaande constructies één van de verbeteropties te zijn. Indien een constructie niet voldoende betrouwbaar is, zal een afweging moeten worden gemaakt ten aanzien van het te kiezen alternatief. De selectie betreft dan alle alternatieven die de gewenste betrouwbaarheid opleveren. Daarvan wordt in principe de goedkoopste gekozen. Zoals in het stroomdiagram van figuur 3.1 en van figuur 3.2 is weergegeven, valt monitoren onder het proces van de introductie van nieuwe informatie en de invloed daarvan op de betrouwbaarheid van de constructie. Het verschil tussen de beide figuren is, dat het in geval van figuur 3.2 gepland is en in geval van figuur 3.1 niet. In dat laatste geval komt het initiatief om te monitoren voort uit twijfels ten aanzien van de betrouwbaarheid van de constructie. Mogelijke redenen daarvoor zijn onder meer: − het waarnemen van onverwachte scheuren, doorbuigingen, trillingen − het inzicht dat bij het ontwerp fouten zijn gemaakt of dat onjuiste materialen zijn verwerkt − gewijzigde inzichten ten aanzien van belastingen en draagwerking, waaruit geconcludeerd moet worden dat de betrouwbaarheid minder is dan bij het (her)ontwerp is aangenomen. De veranderingen die waargenomen worden met behulp van het monitorsysteem zijn een gevolg van het gebruik van de bouwconstructie en de daarbij optredende belastingen en expositie-omstandigheden. Om de effecten daarvan te kunnen vertalen naar het faalgedrag is het noodzakelijk dat probabilistische rekenmodellen (of daarvan afgeleide vereenvoudigde modellen) beschikbaar zijn die de prestaties van de bouwconstructie beschrijven als functie van de tijd. Deze laatste voorwaarde is bijzonder omdat bij het ontwerpen van een bouwconstructie de prestaties in het algemeen als een tijdsonafhankelijk fenomeen worden gemodelleerd. Daarvoor zijn dan ingrepen gedaan zoals bijvoorbeeld: − onderscheid maken tussen een korteduur sterkte en een langeduur sterkte − uitgaan van vervormingen op basis van de eindkrimp of eindkruip van een materiaal − bij variabele belastingen uitgaan van een piekwaarde − effecten van vermoeiing in rekening brengen door middel van een correctiefactor op de sterkte − geven van uitvoeringsregels die de duurzaamheid van de constructie moeten garanderen, waardoor het niet nodig is om degradatieprocessen te modelleren. In het algemeen zal het daarom nodig zijn om dergelijke vereenvoudigingen teniet te doen en de invloed van de tijd mee te nemen in de modellering. Dit kan op een soortgelijke manier worden gedaan als bij het modelleren van tijdsafhankelijke prestaties met betrekking tot de duurzaamheid (Bijlage A). Naast de correctie op de tijdsafhankelijkheid is het ook nodig om het effect van ‘verborgen veiligheden’ in beschouwing te nemen. Constructies worden in principe

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 33

ontworpen op basis van ontwerpmodellen die een vereenvoudigd beeld geven van het werkelijke gedrag. Die vereenvoudigingen zijn zodanig aangebracht, dat het werkelijke gedrag overeenkomt komt met een hogere betrouwbaarheid dan berekend tijdens het ontwerp. Zo wordt bij het berekenen van een gewapend betonnen vloer de draagwerking van de dekvloer buiten beschouwing gelaten. Daar is een aantal redenen voor: − de dekvloer kan verwijderd worden − er kunnen sleuven in de dekvloer worden gemaakt − er zouden aanvullende maatregelen moeten worden genomen om te kunnen voldoen aan constructieve eisen ten aanzien van de sterkte van de mortel van de dekvloer en de aanhechting ervan aan de constructievloer. Bij het monitoren van een dergelijke vloer is de invloed van de dekvloer in de draagwerking wel aanwezig en moet als zodanig in beschouwing worden genomen. Bij het monitoren van een dergelijke vloer zal het beginsel om het effect van de dekvloer buiten beschouwing te laten ook weer worden gevolgd, tenzij bovenstaande redenen door het treffen van adequate maatregelen niet meer gelden. Dit kan bijvoorbeeld door het effect te berekenen en in mindering te brengen op de monitorgegevens. Een ander voorbeeld voor het in het ontwerpstadium buiten beschouwing laten van gunstige aspecten is de groutlaag die wordt aangebracht rondom een boortunnel. Bij het beoordelen van de levensduur van de boortunnel wordt de gunstige werking van deze groutlaag niet in beschouwing genomen. De groutlaag is namelijk niet ontworpen om de duurzaamheid van de tunnel te verbeteren. De samenstelling van de grout is niet afgestemd om bescherming te bieden tegen agressieve stoffen uit de grond of het grondwater en bovendien is de dikte van de groutlaag erg onzeker als gevolg van de toleranties in het boorproces. Bij het monitoren van het effect van de agressieve stoffen moeten dan maatregelen worden getroffen om het effect van de groutlaag uit te schakelen, mits dat mogelijk is. Bij tijdsonafhankelijke prestaties moeten modellen worden opgesteld die de grenstoestanden g beschrijven. Per prestatie bestaan deze modellen in principe uit een belastingmodel S en een draagkrachtmodel R, die beide afhankelijk kunnen zijn van een groot aantal basisvariabelen Xi.: g = R - S = R(X1, X2, ….., Xn) – S(Xn+1, Xn+2, …., Xm) < 0 (3.1) De faalkans Pf die bij het overschrijden van deze grenstoestand behoort wordt als volgt berekend en vergeleken met de geaccepteerde faalkans Pacc: Pf =P{ R - S < 0} =P{R(X1, X2, ….., Xn) – S(Xn+1, Xn+2, …., Xm) < 0} < Pacc(3.2) Deze benadering sluit direct aan bij het raamwerk dat in de Technische Grondslagen voor Bouwconstructies (hierna “TGB” te noemen) in TGB Algemeen (NEN 6700) is gegeven voor het ontwerpen van het draagvermogen van bouwconstructies. In de materiaalgebonden TGB’s, wordt een vereenvoudigde procedure gehanteerd. De feitelijke faalkans wordt niet meer berekend. De procedure is dan dat een karakteristieke waarde wordt bepaald van de dominante belastingparameter en van de dominante materiaaleigenschap. Deze waarden zijn zodanig dat de kans dat de belastingparameter zal worden overschreden klein (bijvoorbeeld 1 of 5 %) is en de kans dat de materiaalparameter wordt onderschreden ook klein is. Voor niet-dominante parameters wordt meestal uitgegaan van de gemiddelde waarde. De karakteristieke waarde van de belasting

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 34

Sk wordt ook nog vermenigvuldigd met een belastingfactor γS. De karakteristieke materiaalparameter Rk wordt gedeeld door een materiaalfactor γR. SK γS ≤ Rk / γR

(3.3)

De karakteristieke waarden in combinatie met de belastingfactor en de materiaalfactor zijn zodanig gekozen, dat men er van mag uitgaan dat met betrekking 3.3 aan betrekking 3.1 wordt voldaan. Men spreekt dan van een semiprobabilistische benadering. In een deel van de Nederlandse TGB’s (beton, staal, hout en metselwerk) is deze koppeling expliciet aangebracht. In de TGB-Algemeen wordt in wezen geen Pacc genoemd. Daar wordt uitgegaan van het begrip ‘betrouwbaarheidsindex β’. De relatie tussen beide grootheden wordt gelegd met behulp van de functie voor de standaard normale verdeling Φ: (3.4) Pacc = Φ(-β) Als R en/of S tijdsafhankelijk zijn dan ontstaat het volgende type grenstoestandsfunctie en de daaruit berekende faalkans in de levensduur T: g = R - S = R(X1, X2, ….., Xn, t) – S(Xn+1, Xn+2, …., Xm, t) (3.5) Pf = P(R(t) - S(t) < 0}T = (3.6) P{R(X1, X2, ….., Xn, t) – S(Xn+1, Xn+2, …., Xm, t) <0}T < Pacc In deze vorm is het mogelijk om naast tijdsafhankelijk mechanisch gedrag ook degradatie en de invloed van expositie-omstandigheden te modelleren. In plaats van het probabilistisch berekenen van de faalkans, kan ook hier weer worden uitgegaan van karakteristieke waarden en belasting- en materiaalfactoren. Bij het definiëren van de processen, die in beschouwing moeten worden genomen bij het ontwerp van de constructie, is het raadzaam om een Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) uit te voeren. Dit is in wezen het invullen van een tabel waarin alle mogelijke bedreigingen worden opgesomd in combinatie met de mechanismen die daaruit ontstaan en de aard van de schade die resulteert. Door de gedocumenteerde verzameling van bedreigingen geeft de FMEA een beeld van de volledigheid van de in beschouwing te nemen processen. Bij het ontwerp of het herontwerp van een constructie kan een dergelijke tabel worden geraadpleegd om de belangrijkste bedreigingen voor dat betreffende geval vast te stellen. Meestal is het mogelijk om die selectie te maken op basis van een deskundigenoordeel. Voor de geselecteerde bedreigingen dient een diepgaandere analyse te worden gemaakt. Een voorbeeld van een dergelijke FMEA is voor betonconstructies gegeven in Bijlage C. 3.3.2

Monitoren om in de ontwerpfase de betrouwbaarheid van het ontwerp te vergroten

Bij het ontwerp van een constructie moet worden aangetoond, dat aan de eisen uit de ongelijkheden 3.2 en 3.6 zal worden voldaan. Voor het merendeel van de constructies kan dat door het ontwerpproces dat is aangegeven in de materiaalgebonden TGB’s (staal, beton, hout, metselwerk, aluminium, grond)3 te 3

NEN 6700 TGB 1990 Algemene eisen NEN 6702 TGB 1990 Belastingen en vervormingen NEN 6710 TGB 1990 Aluminiumconstructies NEN 6720 TGB 1990 Voorschriften Betonconstructies NEN 6740 TGB 1990 Geotechniek

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 35

doorlopen, waarna kan worden aangetoond dat de constructie voldoende betrouwbaar is. In het geval dat niet kan worden aangetoond dat de betrouwbaarheid van de constructie voldoende is, moeten aanvullende maatregelen worden genomen, zoals reeds in figuur 3.2 is aangegeven. Als bij de aanvullende maatregelen besloten wordt om te monitoren, moet het duidelijk zijn hoe de informatie, die bij het monitoren wordt verkregen, zal worden verwerkt. Het principe van de beoordeling is, dat de faalkans van de constructie Pf, constructie is samengesteld uit de faalkans Pf, ontwerp die uit het ontwerp volgt en de faalkans Pf. monitor die uit het monitoren komt. Indien deze beide onafhankelijk zijn, geldt: Pf, constructie = Pf, ontwerp Pf, monitoren (3.7) -β Bij benadering geldt voor niet te kleine kansen, op basis van Pf = 10 : βconstructie = βontwerp + β monitoren (3.8) De betrekkingen 3.7 en 3.8 mogen in het algemeen niet worden toegepast, omdat niet voldaan kan worden aan de eis dat faalkans behorende bij het ontwerp en de faalkans behorende bij het monitoren onafhankelijk zijn. Dit wordt bijvoorbeeld veroorzaakt door het feit dat een deel van de variabelen uit de te beoordelen grenstoestand niet wordt gemeten. Deze variabelen hebben het ontwerp en het monitoren dus gemeenschappelijk. Als door omstandigheden een dergelijke variabele bijvoorbeeld 10 % hoger uitpakt, dan is het effect van die 10 % zowel in het ontwerp als bij het monitoren terug te vinden. Bijgevolg is er sprake van afhankelijkheid. De reden om de betrekkingen 3.7 en 3.8 te presenteren is om een ruwe indicatie te geven van de mate waarin ontwerp en monitoren bijdragen aan de betrouwbaarheid van de constructie. De kansen die bij bouwconstructies worden gehanteerd liggen in het algemeen tussen 1 en 10-4 gerelateerd aan de referentieperiode ofwel ontwerplevensduur. Bij dergelijke waarden is betrekking 3.8 redelijk bruikbaar. Indien de kansen per jaar worden beoordeeld kunnen kansen voorkomen tot 10-6. In dat geval is de benadering van betrekking 3.8 grof. In tabel 3.1 zijn ter informatie enige exacte waarden gegeven voor de relatie tussen Pf en β. -β

1,3

2,3

3,1

3,7

4,2

4,7

5,2

5,6

Pf

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

Tabel 3.1 Relatie tussen betrouwbaarheidsindexβ en de faalkans Pf In werkelijkheid mogen de betrekkingen 3.7 en 3.8 niet worden gebruikt, omdat welhaast per definitie geen sprake kan zijn van onafhankelijke faalkansen. De beide betrekkingen zijn alleen om illustratieve redenen gegeven. Functioneren

Kosten: V

Versterken

Falen Functioneren

Monitoren NEN 6760 TGB 1990 Houtconstructies NEN 6770 TGB 1990 Staalconstructies NEN 6790 TGB 1990 Steenconstructies

Falen

Kosten: Pf S Kosten: M

Teneinde te kunnen bepalen welke risico’s aanwezig zijn en hoe groot die zijn, kan gebruik gemaakt worden van een beslisboom (figuur

Kosten: Pf S

Figuur 3.3: Beslisboom voor monitoren. Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 36

3.3). In het voorbeeld wordt uitgegaan van een basisconstructie die onvoldoende veilig is. Wij veronderstellen dat er twee alternatieven bestaan om de gewenste veiligheid te verkrijgen. In de eerste stap van de beslisboom wordt besloten om te monitoren of te versterken. Beide alternatieven moeten uiteindelijk leiden tot een zelfde mate van veiligheid (1-Pf). In principe ontstaan bij falen van de beide opties dezelfde schadekosten S ontstaan. Bij functioneren zijn de kosten in principe verschillend. De beslissing om te versterken of te monitoren wordt daarmee een afweging van de kosten V van het versterken of de kosten M van het monitoren. In beide gevallen horen daar de kosten van het instandhouden bij. De betrekkingen 3.7 en 3.8 illustreren, zoals reeds werd opgemerkt, het effect van monitoren op de betrouwbaarheid van de constructie. Voor de praktijk hebben deze betrekkingen weinig betekenis voor wat betreft het ontwerpen van een monitorsysteem. De ontwerpprocedure voor een nieuwe constructie loopt namelijk anders. Voor een nieuw te bouwen constructie geldt, dat bij het ontwerp wordt uitgegaan van een grenstoestandsfunctie (betrekking 3.1 of 3.5) met een set van probabilistische basisvariabelen. Die basisvariabelen hebben over het algemeen een naar verhouding grote spreiding, omdat de definitie van de populatie waar zij betrekking op hebben ruim is genomen (bijvoorbeeld de druksterkte van beton B50 gemaakt in een betoncentrale in Nederland). Op basis van deze set variabelen wordt de betrouwbaarheid uitgerekend. Als deze onvoldoende is, kan door middel van monitoren geprobeerd worden om betere ontwerpinformatie te verkrijgen, ofwel betere informatie omtrent de verdeling van een van de ontwerpparameters. Dat kan worden gedaan door de intensiteit van de meting op te voeren (bijvoorbeeld de betondruksterkte meten aan 100 kubussen in plaats van 10, waarbij de betonkubussen afkomstig zijn uit een steekproef genomen in willekeurige betonfabrieken in Nederland) of de populatie inperken (de betondruksterkte meten in fabriek A), zoals geïllustreerd is in figuur 3.4. Dus door intensiever of selectiever te meten kan met deze informatie een update van het ontwerp worden gemaakt’.

Figuur 3.4: Verschil in kansdichtheid van de betondruksterkte B50 voor een fabriek of voor een groot aantal fabrieken In het voorbeeld van de verdeling van de B50-betondruksterkte zullen in de praktijk dermate veel gegevens beschikbaar zijn, dat de verdeling behorende bij één fabriek een zeer hoge mate van betrouwbaarheid heeft. In een dergelijk geval kan die verdeling direct ten grondslag worden gelegd aan de nieuwe berekening van de betrouwbaarheid. Het is ook mogelijk dat de verdeling van de B50betondruksterkte behorende bij één fabriek onbetrouwbaar is, bijvoorbeeld door

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 37

het geringe aantal waarnemingen. Dan kan toch gebruik worden gemaakt van die verdeling, bijvoorbeeld om de verdeling behorende bij Nederland op te waarderen naar de verdeling behorende bij die ene fabriek. Daartoe wordt gebruik gemaakt van de methode ‘Bayesiaans updaten’. In figuur 3.5 is schematisch weergegeven hoe de procedure voor updaten verloopt. Allereerst wordt op basis van beschikbare kennis (zowel harde theorie als zacht deskundigenoordeel) een ‘eerste schot voor de boeg’ gegeven ten aanzien van de kwantificering van een kans of kansverdeling. Dat leidt tot een zogenoemde ‘apriori’ kans of verdeling. Indien nieuwe kennis ter beschikking komt, bijvoorbeeld in de vorm van data of een nieuw deskundigenoordeel, kan deze gebruikt worden voor het maken van een update, de zogenoemd posteriori kans of verdeling. .theorie

oordeel

a-priori

data

update posteriori Figuur 3.5: Verloop van het proces van een Bayesiaanse update In Bijlage B is de theorie van het updaten weergegeven inclusief enige rekenvoorbeelden. Bijlage B staat in het Engels. Toepassing van het Bayesiaans updaten levert het schema in figuur 3.6 voor informatiestromen bij het evalueren van prestaties. a-priori kennis

consequenties

procesmodel

modelparameters x bijv. o.a.: • betondruksterkte • tijd tot initiatie corrosie

prestaties

grenstoestand inclusief verouderingsmodel

al dan niet falen

observatiemodel

observatievariabelen y

bijv. scheurvormingsmodel

bijv. scheurwijdte

Figuur 3.6 Schema van informatiestromen bij evaluatie van prestaties

De TGB-eis ten aanzien van de faalkans voor een constructie varieert van globaal 10-2 tot 10-4 afhankelijk of de faalkans betrekking heeft op het overschrijden van een gebruiksgrenstoestand c.q. een uiterste grenstoestand. Die faalkans is

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 38

gerelateerd aan de referentieperiode die volgens de TGB-Algemeen geldt voor die betreffende constructie. Als het faaltempo constant is (calamiteiten) over de referentieperiode en deze periode bijvoorbeeld 100 jaar is (boortunnels) dan is het geaccepteerde faaltempo 10-4 tot 10-6 per jaar. Als het faaltempo in de loop der tijd oploopt (veroudering) dan is de meest extreme situatie dat het faaltempo 0 is met uitzondering van het laatste jaar waarin het faaltempo 10-2 dan wel 10-4 voor dat jaar bedraagt (figuur 3.7). In die figuur is ook een voorbeeld gegeven van een gewoon type veroudering, waarbij de grenzen globaal; gebaseerd zijn op de eerder genoemde waarden 10-2 en 10-4. De figuur maakt duidelijk, dat de kans op falen per jaar klein is en varieert tussen 10-2 en 10-8.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 39

faaltempo per

10-8

-

10-6 10-4 10-2 0

100

tijd

constant faaltempo veroudering in het laatste gewone veroudering Figuur 3.7 Uiterste scenario’s ten aanzien van mogelijke faaltempo’s Bij het ontwerpen van een monitorsysteem moet dus de effectiviteit van dat systeem worden aangetoond. De procedure die daarbij moet worden doorlopen is in grote lijnen aangegeven in figuur 3.8. De in dit stroomdiagram aangegeven belangrijkste items zijn: − ontwerpeisen − ontwerpmethode − evaluatie van het ontwerp. Formuleer ontwerpeisen voor het monitorsysteem: • prestaties • referentieperiode • betrouwbaarheid Ontwerp het monitorsysteem: • waarom • wat • wanneer • hoe • waar

voldoet

Evalueer het monitorsysteem: • effectiviteit • prestatie • referentieperiode

voldoet niet

Figuur 3.8: Stroomdiagram

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 40

De ontwerpeisen: − definieer de prestaties/grenstoestanden waarvoor het monitorsysteem wordt ingezet − definieer de constructie of de constructieonderdelen waar het monitorsysteem wordt ingezet − definieer de referentieperiode (gebruiksduur) van de constructie en van het te ontwerpen monitorsysteem − definieer de vereiste bijdrage van het monitorsysteem aan de betrouwbaarheid voor de combinatie of de combinaties van prestatie, constructie(onderdeel) en referentieperiode − vastgelegd budget voor het ontwerpen, bouwen, toepassen van het monitorsysteem en voor het evalueren van de meetresultaten. Ontwerpmethode: − bepaal de parameters die moeten worden gemonitord op basis van de bij de ontwerpeisen geformuleerde bijdrage van het monitorsysteem aan de betrouwbaarheid van de constructie − bepaal wanneer moet worden gemonitord op basis van de mogelijkheid om veranderingen van de te meten parameters vast te kunnen stellen − bepaal de plaatsen waar gemonitord moet worden ten aanzien van de kans om het effect van de te meten parameters vast te kunnen stellen − bepaal het systeem van sensoren en instrumenten op basis van de te meten parameters, de gewenste meettijdstippen en de meetplaatsen − beoordeel de nauwkeurigheid, de drift en de storinggevoeligheid van de meetmethode. Evaluatie van het ontwerp: − evalueer de gevoeligheid van het meetsysteem voor het waarnemen van de betreffende parameters − evalueer of de monitorfrequentie gerelateerd is aan het mogelijke tempo van de verandering van de te meten parameters − evalueer de nauwkeurigheid van het meetsysteem ten aanzien van het waarnemen van de veranderingen van de te meten parameters − evalueer de beschikbaarheid van het meetsysteem op basis van de gevolgen van het uitvallen van het meetsysteem − leg de vorm en de frequentie vast waarin de gemeten gegevens beschikbaar worden gesteld − maak een inschatting van de bijdrage van het monitorsysteem aan de betrouwbaarheid van de constructie. Het inschatten van de bijdrage van het monitoren aan de betrouwbaarheid van de constructie is afhankelijk van het type informatie dat het monitoren oplevert. Hierbij kan onderscheid gemaakt worden tussen de volgende situaties: 1 de meetgegevens leveren informatie op waarmee één of meer van de variabelen in de grenstoestandfunctie kunnen worden opgewaardeerd; hier is dus sprake van directe informatie 2 de meetgegevens leveren de informatie dat een gewenst (doorverharding van beton) of ongewenst proces (bijvoorbeeld corrosie, scheurvorming of lekkage) loopt, daarbij kan het ook duidelijk worden hoe snel dat proces loopt; hierbij doen zich weer twee verschillende mogelijkheden voor:

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 41

a. het proces is onderdeel van de beschouwde grenstoestand (bijvoorbeeld als corrosie of scheurvorming is mee gemodelleerd); in dit geval is dus ook sprake van directe informatie b. het proces is geen onderdeel van de beschouwde grenstoestand, maar wordt wel in belangrijke mate bepaald door variabelen die van belang zijn in die grenstoestand (bijvoorbeeld het meten van trillingen geeft informatie over de elasticiteitsmodulus, bij ASR verandert de elasticiteitsmodulus; bijvoorbeeld het meten van machine-uren van een regenwaterafvoerpomp in een tunnel ten behoeve van preventief onderhoud aan de pomp levert informatie over de toenemende lekkage in de tunnel); in dit geval is dus sprake van indirecte ofwel afgeleide informatie In de gevallen 1 en 2a wordt direct een verbetering van de informatie ten behoeve van de grenstoestandsfunctie bewerkstelligd. In principe zal in dergelijke gevallen het monitoren efficiënter zijn dan in geval 2b. In dit laatste geval dient rekening gehouden te worden met de extra onzekerheid die ontstaat met het doorvertalen van het gemeten resultaat naar de in betreffende grenstoestandsfunctie. In geen van de gevallen kan van tevoren worden aangegeven in hoeverre de betrouwbaarheid van de constructie kan worden verhoogd. De verhoging is immers afhankelijk van het gevonden resultaat. Van tevoren kan alleen een inschatting worden gemaakt of de te meten gegevens een voldoende bijdrage kunnen leveren in het verhogen van de betrouwbaarheid. Het kiezen van de te meten grootheden is daarbij van groot belang. Alvorens te meten moet daarom een analyse worden gemaakt van de probabilistische berekening die ten grondslag lag aan het berekenen van de betrouwbaarheid van de betreffende constructie. In het algemeen wordt bij dergelijke berekeningen, naast de betrouwbaarheidsindex ook nog voor monitoren relevante aanvullende infor-matie verstrekt, zoals: − de ‘elasticiteit’ van alle variabelen in de grenstoestandsfunctie; dit is een maat voor de gevoeligheid van de berekende betrouwbaarheidsindex voor veranderingen in de gemiddelde waarde van die variabelen − de mate waarin de spreiding van een variabele bijdraagt aan de spreiding van de grenstoestandsfunctie. Op basis van een hoge waarde van de elasticiteit kunnen metingen worden gedaan die de informatie omtrent het gemiddelde van de betreffende variabele verbeteren. Op basis van een hoge waarde van de bijdrage aan de spreiding kunnen metingen worden gedaan om de spreiding van die variabele te verkleinen. Door middel van proefberekeningen dient nagegaan te worden welke verbeteringen van de informatie nodig zijn om het gewenste betrouwbaarheidsniveau van de constructie te bereiken. Vervolgens dan worden beredeneerd of het realistisch is om dergelijke verbeteringen te verwachten. Er dient echter rekening gehouden te worden met de mogelijkheid, dat bij het feitelijke monitoren meetresultaten worden verkregen, waarmee het niet mogelijk is om het gewenste betrouwbaarheidsniveau te bereiken. Dat levert dus een forse inperking op, die echter inherent is aan het gestelde probleem. Als je in staat bent om van te voren onomstotelijk de verhoging van de betrouwbaarheid, die samenhangt met het monitoren, aan te tonen, kun je dit in principe ook in je ontwerp verwerken en bestaat er geen directe aanleiding om te monitoren.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 42

Monitoren kan in principe leiden tot de conclusie dat de betreffende constructie onvoldoende betrouwbaar is. Dat betekent dat monitoren alleen een optie kan zijn als verbetermaatregelen kunnen worden genomen of als de eigenaar van het bouwwerk bereid is om het risico van de te lage betrouwbaarheid te lopen. 3.3.3

Semi-probabilistische benadering voor het in het ontwerpstadium beoordelen van de veiligheid

In betrekking 3.3. is het principe van een semi-probabilistische benadering aangegeven. In deze vorm kan die benadering ook ten grondslag worden gelegd aan het ontwerpen van een monitorsysteem. De mogelijkheden van het monitorsysteem zijn in eerste instantie beperkt tot de variabelen die in betrekking 3.3 staan vermeld. In de praktijk hoeft dat geen beperking te zijn om te monitoren. In de grenstoestandsfunctie staan immers de belangrijkste variabelen en dat zijn de variabelen die juist voor monitoren interessant zijn. Bij het Bayesiaans updaten van variabelen moeten belasting- en materiaalfactoren in stand worden gehouden en verder moet rekening worden gehouden met het feit dat variabelen karakteristiek kunnen zijn en dus een grote (materiaal) of kleine (belasting) overschrijdingskans hebben. 3.3.4

Monitoren om in de gebruiksfase de betrouwbaarheid van de constructie te beheren

Om een aantal redenen kan het nodig zijn om een constructie in de in de gebruiksfase te monitoren. Daartoe behoren: − in de ontwerpfase was al uitgegaan van de noodzaak tot monitoren (zie voorgaande paragraaf 3.3.3) − twijfels omtrent de veiligheid, bijvoorbeeld omdat schade is opgetreden; dit kan schade zijn die door calamiteiten (vergelijk de bijzondere belastingen uit de TGB, zoals aanrijding, brand, explosie, aardbeving) is opgetreden of door overbelasting (vergelijk de fundamentele belastingen uit de TGB zoals eigen gewicht, nuttige belasting, windbelasting, verkeersbelasting ) − overschrijden van een bruikbaarheidsgrenstoestand − veranderd gebruik van de constructie − ontdekken van constructiefouten − veranderde inzichten in de sterkte van materialen, de grootte van belastingen of rekenmodellen − plannen van onderhoud gebaseerd op de conditie. De procedure voor het ontwerpen van een monitorsysteem verschilt in wezen niet van de in paragraaf 3.3.3 beschreven procedure voor constructies, waarvan in het ontwerpstadium reeds was uitgegaan van de noodzaak tot monitoren. De belangrijkste afwijking is, dat het duidelijk moet zijn waarom het noodzakelijk is om te monitoren. De consequenties van deze oorzaak moet namelijk in de betreffende grenstoestand(en) worden verwerkt. Verder moet worden bedacht dat het in het gebruiksstadium over het algemeen lastiger, duurder en minder efficiënt is om te monitoren dan in het ontwerpstadium, waarin het gehele ontwerp nog kan worden aangepast aan het monitoren. Dit leidt in het algemeen tot gevolgen ten aanzien van de kosten van het monitoren.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 43

Bij bestaande constructies waar een monitorsysteem zal worden toegepast zal de referentieperiode ofwel de ontwerplevensduur over het algemeen korter zijn dan in het ontwerpstadium was aangenomen. Hier moet bij het definiëren van belastingen en materiaaleigenschappen rekening mee worden gehouden. Overigens kan de referentieperiode ook gelijk blijven of langer zijn. Bijvoorbeeld in het geval dat het monitorsysteem wordt toegepast om de ontwerplevensduur van de constructie te vergroten. Het in de gebruiksfase aanbrengen van een monitorsysteem zal in het algemeen worden voorafgegaan door een of meer inspecties. Activiteiten die bij dergelijke inspecties aan de orde kunnen komen zijn: − visuele beoordeling van de constructie − beoordeling van het oorspronkelijk ontwerp − beoordelen van de mogelijke veranderingen in belastingen, materiaaleigenschappen en rekenmodellen − beoordeling van opgetreden schade (scheuren, corrosie, zwelling e.d.) Bij het beoordelen van het gedrag van een bestaande constructie moet worden uitgegaan van de meest recente inzichten. Dit houdt in dat tenminste moet worden uitgegaan van de bestaande voorschriften. Deze bevatten in principe meer inzicht dan in de vroegere voorschriften die bij het ontwerp zijn gebruik. Indien informatie beschikbaar is, die beter is dan de informatie waarop de bestaande voorschriften zijn gebaseerd, dan dient deze te worden gebruikt. De gegevens die bij inspecties en bij monitoren worden vergaard, dienen om de ontwerpgegevens te updaten of om informatie aan te dragen voor de herontwerpformules. Het resultaat van inspecties en van monitoren kan zijn, dat corrigerende acties noodzakelijk zijn. Er zijn daarbij twee situaties te onderscheiden: − corrigerende acties zijn niet direct mogelijk; deze hebben een minimale plantijd TReact nodig. − corrigerende acties zijn direct mogelijk. Het verschil tussen beide is dat in het eerste geval de constructie nog gehandhaafd moet kunnen worden direct na de inspectie- of monitoractie; dat betekent dat de planning van de monitoractie daarop afgestemd dient te zijn. Mathematisch is het tweede geval de limiet van het eerste geval; TReact Ÿ 0; organisatorisch ligt dit wat minder simpel (beschikbaarheid personeel, materiaal en materieel). Met de vaststelling dat met in achtneming van een geplande reactietijd alle situaties in principe gedekt zijn, wordt die optie uitgewerkt.

3.3.5

Monitoren om in de gebruiksfase de veiligheid van de constructie op semi-probabilistische wijze te beheren

De ontwerpmethodiek verschilt in principe niet van de methoden die in paragraaf 3.3.3 en 3.3.4 zijn omschreven. Alleen als de begrootte levensduur van de constructie verschilt van de ontwerplevensduur van een nieuw te ontwerpen constructie dienen de variabele belastingen, de materiaaleigenschappen en de veiligheidsfactoren te worden aangepast aan die nieuwe levensduur. In het Bouwbesluit het gedeelte ‘Bestaande bouwwerken’ worden de te hanteren criteria aangegeven. In de tabellen 3.2 en 3.3 is voor verschillend waarden van de referentieperiode ofwel (rest)levensduur en de veiligheidsklasse bij wijze van voorbeeld aangegeven welke partiële belastingfactoren kunnen worden gehanteerd om de vereiste betrouwbaarheid te verkrijgen.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 44

referentieperiode variabele belasting permanente belasting [jaar] NEN 6723 γf ψt NEN 6702 γf Nieuw t = 50 1,35 1,5 1,2 1,35 1,5 bestaand t = 1 1,1 1,1 1,2 1,3 1,4 Bestaand t = 3 1,1 1,2 1,2 1,3 1,4 Bestaand t = 10 1,1 1,2 1,2 1,3 1,4 Bestaand t = 50 1,2 1,3 1,2 1,3 1,4 Bestaand t = 100 1,2 1,3 1,2 1,3 1,4 Tabel 3.2 Partiële factoren voor bestaande bouwwerken in veiligheidsklasse 3 permanente belasting Referentieperiode variabele belasting [jaar] NEN 6723 NEN 6702 γf γf ψt Nieuw t = 50 1,35 1,5 1,2 1,35 1,5 bestaand t = 1 1,0 1,0 1,1 1,2 1,3 bestaand t = 3 1,0 1,0 1,1 1,2 1,3 Bestaand t = 10 1,1 1,1 1,1 1,2 1,3 Bestaand t = 50 1,1 1,2 1,1 1,2 1,3 Bestaand t = 100 1,2 1,3 1,1 1,2 1,3 Tabel 3.3 Partiële factoren voor bestaande bouwwerken in veiligheidsklasse 2 3.3.6

Waarom, wat, wanneer en waar

Bij het ontwerpen van een monitorsysteem dat moet dienen om (mede) de betrouwbaarheid van een constructie aan te tonen dienen de eerder genoemde basisvragen als volgt beantwoord te worden: − Waarom? Om de betrouwbaarheid van de constructie door metingen mede te onderbouwen; dit kan in het ontwerpstadium en in de gebruiksfase. In principe moet worden uitgegaan van prestaties, grenstoestanden en referentieperioden zoals die gedefinieerd zijn in de TGB. De formulering van de grenstoestanden zal vaak moeten worden aangepast om een betere beschrijving van de grenstoestand te krijgen en om het tijdsafhankelijke karakter te introduceren. − Wat? Er moeten processen (veranderingen) gemeten worden waarmee relevante informatie wordt verkregen voor het updaten van variabelen, zoals die zijn gebruikt tijdens het ontwerp in de grenstoestanden. − Wanneer? Metingen moeten worden gedaan op zodanige tijdstippen dat maatregelen kunnen worden genomen om een dreigende onderschrijding van de betrouwbaarheidsindex te voorkomen − Waar? Metingen moeten worden uitgevoerd op plaatsen waar kosteneffectief de meest relevante informatie kan worden verworven voor het updaten van variabelen in de grenstoestandsfunctie. Dit hoeven niet per definitie de meest kritische plaatsen in de constructie te zijn. Het kan voordeel hebben om op zodanige plaatsen te meten, dat een voorwaarschuwing optreedt. Bijvoorbeeld door corrosiesensors op een mindere diepte in het beton in te bouwen dan de wapening.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 45

4

Toepassing van HERMES op het monitorplan A 59

In dit hoofdstuk wordt de gehanteerde argumentatie voor de gehanteerde monitorstrategie in paragraaf 4.1 nagetrokken. In paragraaf 4.2 volgt de beoordeling van het ontwerp op basis van de HERMES criteria, zoals uiteengezet in hoofdstuk 3 met de ontwerpcriteria zoals schematisch weergegeven in figuur 3.8. Ook in dit geval wordt alleen aandacht besteed aan de ‘betrouwbaarheidsimpuls’ ten aanzien van het monitoren. De ‘wetenschappelijke impuls’ blijft buiten beschouwing. 4.1

Waarom, wat, waar, wanneer

In paragraaf 3.3.6 is kort samengevat aan welke eisen een monitorsysteem moet voldoen. Dit schema zal worden gevolgd bij het beoordelen van het monitorplan voor de A 59. Bij de betreffende viaducten is sprake van schade door ASR, waarmee in het ontwerpstadium geen rekening is gehouden. Door middel van onderzoek aan de constructie, waarbij per dwarskrachtgebied de éénassige treksterkte is gemeten, en constructieve analyse is vastgesteld dat de meeste viaducten veilig zijn. De viaducten, waarvan de veiligheid niet kon worden aangetoond, worden in principe gesloopt of versterkt. Incidenteel is een lastbeperking opgelegd, waardoor alsnog een voldoende veilige situatie is bereikt. 4.1.1

Waarom

Bij de te monitoren rijdekken van de viaducten zijn renovatiemaatregelen genomen, die moeten voorkomen dat ASR nog verdere schade veroorzaakt. De renovatie is er op gericht om verder indringen van water in de constructie te voorkomen. De onderzijde is alleen voorzien van een hydrofobeerlaag, daarmee wordt beoogd om het uitdrogingsproces van het rijdek te bevorderen. Onder de voorwaarde van uitdrogen zal ook het zwellen (als gevolg van wateropname in de ASR-gel) kunnen vertragen of stoppen. De renovatie bestaat uit een waterdicht membraan onder de rijweg en een coating op het zichtbeton aan de boven- en de zijkanten. Studie wees uit [Visser en Siemes 1999] dat rechtstreekse constructieve beoordeling aan de hand van niet-destructieve meettechnieken niet mogelijk is. In het plan van aanpak (paragraaf 2.2) zijn de eisen aan het resultaat van het monitoren aangegeven: − Een uitspraak kunnen doen of het doel van de renovatie behaald wordt: het uitdrogen van de constructies; − Een uitspraak kunnen doen over de effectiviteit van de renovatie: Stopt de expansie? Op basis van de monitorresultaten moet op termijn een conclusie getrokken kunnen worden over het noodzakelijk beheer van de kunstwerken. De resultaten van het monitoren hebben tevens ten doel om vast te stellen in hoeverre het in de toekomst noodzakelijk is om andere ASR-viaducten na het renoveren te monitoren, en ter evaluatie van het verloop van het proces in het algemeen. Deze eisen zijn niet kwantificeerbaar, omdat een te hanteren beoordelingsmethode en criterium ontbreekt. Zelfs als de metingen er op duiden dat er geen expansie meer is opgetreden, kunnen geen absolute conclusies getrokken worden, omdat bij het meten en interpreteren van de meetresultaten onzekerheid aanwezig is. Een kwantificeerbaar criterium voor acceptabele expansie is niet zonder meer te geven,

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 46

wegens gebrek aan ervaring. Bij het beoordelen van het monitorsysteem is wel een kwalitatieve afweging gemaakt, onder meer gebaseerd op het beslisschema in figuur 2.1. De hiervoor gegeven doelstellingen zijn in eerste instantie beperkt tot het beoordelen van het effect van de renovatiemaatregelen. Als wij ons beperken tot het beoordelen van het effect, dan kunnen twee situaties worden onderscheiden: 1. de beoordeling betreft het effect van de renovatie ter plaatse van de meetsensoren 2. de beoordeling betreft het effect van de renovatie op het gehele rijdek van het betreffende viaduct. Deze doelstelling is er dus in eerste instantie op gericht om de vraag te beantwoorden of de toegepaste renovatiemaatregelen kunnen leiden tot uitdrogen en als dat het geval is of dan ook de zwelling als gevolg van ASR stopt. De vraag wordt dan gesteld: “Gaat de expansie door?” Indien hierop bevestigend wordt geantwoord, dan dient een nieuwe beoordeling van het vervangingsplan gegeven te worden. Indien ontkennend wordt geantwoord, dan zal in beginsel niets gedaan worden, zij het dat er een kans bestaat, dat dit een verkeerde conclusie is. In tweede instantie zou het monitorsysteem bedoeld zijn om vast te stellen of dat antwoord dan voor de gehele renovatie van het rijdek geldt. Bij de doelstelling op termijn wordt gesteld, dat het monitoren bedoeld is om het noodzakelijk beheer van de betreffende kunstwerken vast te stellen. Op het hoogste abstractieniveau valt onder beheer alles wat bijdraagt aan het op het vereiste niveau houden van de betrouwbaarheid van de constructie. Dit is gegeven de problematiek van de betreffende viaducten het belangrijkste doel van het monitoren. In de navolgende analyse van het monitorsysteem wordt de beoordeling daarom hoofdzakelijk op dit niveau gegeven. De gegeven doelstelling van het monitoren bevat de volgende drie onderdelen: − lokaal vaststellen of de renovatie leidt tot droging en vervolgens tot het stoppen van de zwelling als gevolg van ASR − vaststellen of dit ook geldt voor het gehele rijdek − afleiden van de betrouwbaarheid (veiligheid) van het viaduct. Hiervoor is het beoordelingssysteem met drie “vangnetten” opgezet om de trefkans voor het waarnemen van processen zo groot mogelijk te kunnen maken (zie figuur 2.1). De eerste twee doelstellingen hebben het karakter van monitoren met een wetenschappelijke impuls. De kennis die wordt verworven dient uiteindelijk om met betere informatie de derde doelstelling te bereiken. Gedurende de tijd, tussen het vaststellen van de momentane veiligheid van de betreffende viaducten, en de tijd, die nodig is om de doelstellingen 1 en 2 te realiseren, is het mogelijk dat de veiligheid van de constructie onder het gewenste niveau komt. In figuur 4.1 is schematisch het verloop weergegeven hoe het monitorsysteem kan worden ingezet teneinde de betrouwbaarheid van de constructie te beoordelen, waarbij lokale metingen met elkaar in één totaalbeoordeling samengebracht worden onafhankelijk van eventuele andere beheersmaatregelen (zie figuur 2.1). Alleen op deze wijze is de effectiviteit van het systeem op systeemniveau vast te stellen. Het schema is weergegeven voor de situatie dat slechts één viaduct wordt gemonitord.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 47

In het stroomschema is ervan uitgegaan, dat alleen gekeken wordt naar het aspect dwarskrachtdraagvermogen, waarbij het draagvermogen achteruitgaat door vermindering van de treksterkte, hetgeen samen kan hangen met het optreden van ASR. Ter vereenvoudiging zijn in dit schema de metingen van de verplaatsingen in de voegen buiten beschouwing gelaten. lokaal meetresultaat vochtigheid V1-4

lokaal meetresultaat zwelling Z1-4

verandering lokale eigenschappen T

beoordeling lokale betrouwbaarheid B1-4

4 lokaties

verandering globale eigenschappen T

beoordeling globale betrouwbaarheid Bg

Figuur 4.2 Stroomschema beoordeling lokale betrouwbaarheid op basis van het lokale monitorsysteem In het stroomdiagram zijn de volgende grootheden weergegeven: gemeten vochtgehalte op de locaties 1 tot en met 4 V1-4 Z1-4 gemeten zwelling op de locaties 1 tot en met 4 treksterkte op de locaties 1 tot en met 4, afgeleid uit V1-4 en Z1-4 T1-4 Tg treksterkte in het rijdek B1-4 betrouwbaarheidsindex op de locaties 1 tot en met 4 betrouwbaarheidsindex in het rijdek Bg Al deze grootheden zijn stochastisch ofwel onzeker. Om de betrouwbaarheid β uit te kunnen rekenen wordt op basis van de gemeten zwelling Z aangegeven in welke mate de treksterkte zal zijn gereduceerd ten opzichte van de gemeten treksterkte. Vooralsnog is de relatie tussen ASR-expansie en treksterkte nog onzeker. Door middel van een betrouwbaarheidsanalyse kan greep worden verkregen op de onzekerheid tussen de gemeten zwelling en de waarde van de treksterkte. Er dient dan een mathematisch model ontwikkeld te worden die de onderlinge relaties regelt. Het ontwikkelen houdt in dat deskundigen moeten aangeven hoe zij denken dat een dergelijk model er zou kunnen uit zien. Daar waar deskundigen twijfelen moet door het invoeren van stochastische modelfactoren de twijfels kwantitatief worden gemaakt. Vervolgens kan dit stochastische model worden doorgerekend en worden geverifieerd of de vereiste betrouwbaarheid kan worden aangetoond. Het zal duidelijk zijn, dat dit aantonen minder succes oplevert naarmate de onzekerheden groter zijn.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 48

De bedoelde modellen zijn in dit geval niet zonder meer beschikbaar. In wezen zijn twee modellen nodig: − een model voor de vochtigheidstoestand van het rijdek; dat model moet de relatie leggen tussen de gemeten vochtigheid ter plaatse van de meetcluster en de vochtigheid in de rest van het rijdek; indien er bijvoorbeeld een lek zit in de coating aan de bovenzijde van het rijdek, is de kans dat deze wordt gedetecteerd gelijk aan de verhouding van het oppervlak waarop het monitorsysteem aanwezig is en het totale oppervlak van het viaduct; de kans op detectie van een lek is dus maar enige procenten − een model om op basis van de gemeten zwelling de betrouwbaarheid van het viaduct te beschrijven; uit literatuur valt iets te zeggen over de reductie van de treksterkte van het beton en vervolgens kan daar weer een dwarskrachtberekening aan gekoppeld worden; op die wijze kan iets over de betrouwbaarheid ter plaatse van de meetclusters gezegd worden; het doorvertalen van dit resultaat naar andere plaatsen in het viaduct blijft ook hier een probleem; bovendien blijft het ook nog de vraag of de lage éénassige treksterkte het resultaat is van ASR of dat het een op zich staand fenomeen is (het verschijnsel is ook gevonden in beton waarin geen ASR aanwezig is). Bij het monitoren worden twee aspecten beoordeeld, te weten uitdroging en zwelling. Dat betekent, dat in principe de volgende zes combinaties van resultaten kunnen optreden (de mogelijkheid dat de constructie natter wordt is buiten beschouwing gelaten): 1. droging in combinatie met geen vervorming 2. droging in combinatie met zwelling 3. droging in combinatie met krimp 4. geen droging in combinatie met geen vervorming. 5. geen droging in combinatie met zwelling 6. geen droging in combinatie met krimp In de verdere beoordeling wordt teruggegrepen op deze zes combinaties. Indien wordt verondersteld dat het meetsysteem volledig betrouwbaar is ten aanzien van het vaststellen van deze combinaties, kunnen de navolgende conclusies worden getrokken. De betrouwbaarheid die behoort bij grenstoestanden met betrekking tot het draagvermogen van het rijdek ter plaatse van de meetsensoren, zal gelijk blijven aan de huidige situatie als combinatie 1 of 4 zich voor doet. De combinatie 4 doet zich voor als er geen restcapaciteit voor ASR meer aanwezig is. Het is echter een voorwaarde dat dit zich op korte termijn voordoet Als uitdrogen van het beton de door ASR veroorzaakte ‘voorspanning’ in het beton te niet doet, zal het draagvermogen verminderen en daarmee ook de betrouwbaarheid. Het is in principe mogelijk om rekenkundig vast te stellen hoe groot dit effect is en of de overcapaciteit van de constructie voldoende is om dit effect te compenseren. Er is bij de controlemetingen niet gerekend met voorspanning. Het is daarom niet te verwachten dat de constructie door uitdrogingskrimp onveilig wordt. De feitelijke draagkracht van het rijdek neemt wel af. Indien de combinaties 2 of 4 worden geconstateerd, neemt de betrouwbaarheid van de constructie af, waarbij de combinatie 2 leidt tot een grote afname, omdat het ingaat tegen de logica van het ASR-proces.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 49

In de praktijk zal het meetsysteem de hiervoor bedoelde volledige betrouwbaarheid niet hebben. Dat is onder meer het gevolg van onnauwkeurigheden in de metingen, verstoring van de metingen door ‘ruis’. Het is ook het gevolg van het feit dat bij het meten tegenstrijdige informatie kan worden verkregen (per meetplaats en tussen de vier meetplaatsen, tussen de beide onderzochte viaducten). Het bepalen van de mate van onbetrouwbaarheid is in dit geval mogelijk, bijvoorbeeld door een analyse met behulp van foutenbomen te maken. Het is niet bekend op welke wijze de conclusies uit de lokale metingen kunnen worden doorgetrokken naar het gehele rijdek of naar rijdekken die in de toekomst op een soortgelijke wijze worden gerenoveerd. Het monitoren gebeurt juist omdat dit type inzicht onvoldoende aanwezig is. Er bestaat immers ervaring om te kunnen vertrouwen op het goed functioneren van het op deze viaducten toegepaste renovatie. De twijfels met betrekking tot het functioneren van de renovatiemethode komen voort uit: − Randen langs het asfalt en de conservering aan de bovenzijde kunnen gaan lekken, de nieuwe voegovergangen zouden op termijn kunnen gaan lekken. − Het is niet met zekerheid te zeggen of het beton geheel uitdroogt en hoe lang dit duurt − Het instandhouden van de renovatie dient zeer zorgvuldig te gebeuren, als er in de loop van de tijd weer water kan indringen zal dat opnieuw tot zwellen leiden (mogelijk inclusief een inhaalslag omdat bij het uitdrogen in eerste instantie wordt bereikt dat de ASR-gel niet meer kan zwellen, er wordt nog wel gel gevormd; pas na nog verder uitdrogen stopt ook de ASR). De twijfels ten aanzien van het functioneren van de aangebrachte “paraplu” kunnen in principe van te voren in termen van faalkansen worden gekwantificeerd. Daarbij kan bijvoorbeeld worden uitgegaan van ervaringscijfers uit landen waar het gebruikelijk is om een waterdichte laag op een betonnen rijdek aan te brengen. Op basis van een kostenvergelijking kan worden nagegaan of het zinvol is om te renoveren en te monitoren. Stel bijvoorbeeld dat het alternatief vervangen van de constructie is, met een kostprijs van 2 106 Euro. Als het renoveren en monitoren 2,5 105 Euro (gekapitaliseerd) kost en de faalkans Pf , de maximaal acceptabele kans is dat monitoren niet effectief blijkt, waarbij de alternatieven gelijkwaardig zijn: 2 106 = 2,5 105 + Pf 2 106 met andere woorden Pf = 0,875 Dus bij relatief grote faalkansen is het nog rationeel om voor de lage kosten van het renoveren en monitoren te kiezen. Grote prijsverschillen maken grote faalkansen acceptabel. Als grote faalkansen acceptabel zijn, wordt het dus relatief eenvoudiger om de faalkans te kwantificeren. Het resultaat van een dergelijke kostenberekening verandert wanneer de doelstelling van het monitoren anders zou worden gedefinieerd, bijvoorbeeld als ‘het renoveren en monitoren om de betrouwbaarheid van de constructie vast te stellen’. In dat geval nemen de schadekosten aanzienlijk toe en moet de kans op het effectief functioneren aanzienlijk toenemen. Indien geen uitdroging of te langzame uitdroging optreedt, zal de betrouwbaarheid van de constructie teruglopen, omdat in dat geval de mogelijkheid van verdergaande ASR aanwezig is. Hierdoor ontstaat extra zwelling. Er bestaat afhankelijkheid tussen het reduceren van materiaaleigenschappen en de toename van de zwelling. Die afhankelijkheid is echter slecht bekend. Omdat ook de huidige betrouwbaarheid lastig te kwantificeren is, kan het ogenblik waarop niet

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 50

meer aan de betrouwbaarheidseis wordt voldaan, moeilijk worden vastgesteld. Er zal een ruime marge moeten worden genomen op dit aspect. Op basis van de huidige stand van kennis is het in principe mogelijk om deze marge te kwantificeren. In het huidige monitorsysteem is de betrouwbaarheid als zodanig echter niet het eerste doel van het monitoren. Het huidige monitorplan kent twee afgeleide doelen: − beantwoorden van de vraag of de renovatiemaatregelen leiden tot uitdroging − beantwoorden van de vraag of verdere zwelling optreedt. Als wordt geconstateerd dat droging en geen verdere zwelling optreedt, dan kan geconcludeerd worden dat de betrouwbaarheid voldoende is gebleven. Als wordt geconstateerd dat geen droging optreedt en zwelling gaat door, dan is het duidelijk dat een ongunstige situatie optreedt. Het kwantificeren daarvan in termen van betrouwbaarheid of veiligheidsmarges vormt dan een probleem dat nog moet worden opgelost. Als geconstateerd wordt dat geen droging plaatsvindt is het interpreteren van dat resultaat een probleem. Als alleen zwelling optreedt is er teruggang in de veiligheid en is nader onderzoek nodig. 4.1.2

Wat

Binnen het gekozen monitorsysteem wordt beoogd om twee typen veranderingen te meten, te weten het uitdrogen en het toenemen van de zwelling. Daarmee is gekozen om langs indirecte weg informatie te verzamelen omtrent sterkte, stijfheid en geometrie (scheurvorming). Indirect meten zal naar verwachting vaak moeten worden toegepast bij monitoren. In het beschouwde geval kleeft er als bezwaar aan dat de onzekerheid in de metingen betrekkelijk groot is en ook in het model dat moet worden gehanteerd om van meting naar grenstoestand te komen. Om zinvol te kunnen meten is het nodig om een beeld te hebben van de nauwkeurigheid van het meetresultaat. Daarbij moet niet alleen gekeken worden naar de nauwkeurigheid en lange duur stabiliteit van de meetsensoren, maar ook naar de ruis en de drift in het meetsignaal zoals dat veroorzaakt wordt door wisselingen in de atmosferische toestand en door het meetsignaal. Op basis daarvan moet worden beoordeeld of uitdroging en zwelling betrouwbaar kunnen worden gemeten teneinde te dienen om een waarschuwingsgrens aan te duiden. 4.1.3

Wanneer

In het gekozen meetsysteem worden de meetgegevens continu uitgelezen en in een data-acquisitiesysteem verwerkt. Fluctuaties van de metingen als gevolg van veranderende temperaturen en vochtigheden van de atmosfeer kunnen daardoor beter worden onderkend. Het aangeven dat een waarschuwingsgrens wordt onderschreden wordt daardoor vereenvoudigd. De frequentie van meten moet daarbij voldoende hoog zijn om het verloop van het degradatiemechanisme vast te kunnen stellen. Over het algemeen geldt dat degradatiemechanismen betrekkelijk langzaam verlopen, waardoor lage frequenties acceptabel zijn. 4.1.4

Waar

De metingen worden uitgevoerd op vier plaatsen per viaduct, alwaar een cluster van sensoren wordt aangebracht. Daarnaast worden metingen verricht door in de beide voegen één sensor te plaatsen. Gezien de eerdere opmerkingen over de onbetrouwbaarheid van de indirecte metingen is het van belang om in kritische gebieden te meten. Kritische plaatsen in de constructie zijn in dit geval de dwarskrachtgebieden. Dat zijn de gebieden naast de opleggingen. De gekozen meetgebieden zijn vaak om praktische reden wel in

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 51

dat gebied gekozen (bereikbaarheid). Echter, bij de keuze van de meetgebieden is primair gekeken naar de verdeling over sterk aangetaste en minder sterk aangetaste lokaties, en plaatsen welke vaak vochtig zijn. Het optreden van ASR en met name de heftigheid ervan blijkt sterk afhankelijk te zijn van de locale waterhuishouding op een viaduct. Bij het beoordelen van de meetplaatsen moet dat aspect wel mee worden genomen. De complicatie die bij de viaducten meespeelt is, dat zowel met de oorspronkelijke waterhuishouding (en de daarmee samenhangende ASRschade) moet worden gekeken als naar de waterhuishouding na renovatie (inclusief gebreken die daarin kunnen ontstaan). De keuze ten aanzien van de meetlocaties, is dat er twee meetplaatsen in twee dwarskrachtgebieden zijn gekozen. De meetplaatsen zijn dubbelsymmetrisch gekozen. Dat leidt ertoe dat van de acht potentiële dwarskrachtgebieden er maar twee daadwerkelijk worden gemeten. Bij het beoordelen van de mate van kritiek zijn juist de aspecten zoals ‘aanwezige schade’ en ‘ongunstige waterhuishouding’ meegewogen en het aspect ‘dwarskrachtgebied’ is in mindere mate meegewogen . De specifieke keuze voor de twee dwarskrachtgebieden is voornamelijk ingegeven door het aspect dat het aanbrengen van sensoren in deze gebieden nauwelijks tot verkeershinder leidt op de onderliggende autosnelweg. In dit geval wordt in zes van de acht dwarskrachtgebieden niet gemeten. In de twee andere meetgebieden is wel sprake van een ‘worst case’ voor wat betreft aantasting en mogelijke vochtbelasting. Het interpreteren van de meetgegevens die uit deze twee gebieden komen, levert indirecte informatie op ten aanzien van droging en zwelling. Het hebben van die informatie is behulpzaam bij het updaten van de kans dat ook in de zes andere dwarskrachtgebieden een soortgelijk gedrag aanwezig zal zijn. 4.2

Ontwerpbenadering

Bij het beoordelen van de ontwerpbenadering van het monitorsysteem op de A 59 zullen de volgende aspecten aan de orde komen: − ontwerpeisen − ontwerpmethode − evaluatie van het ontwerp. 4.2.1

Ontwerpeisen

In het plan van aanpak (paragraaf 2.1) zijn geen prestaties/grenstoestanden gedefinieerd waarvoor het monitorsysteem moet worden ingezet. Er is vastgelegd, dat het monitorsysteem het uitdrogen en het stoppen van het zwellen moet vaststellen. Op termijn moet daarmee het beheer van het viaduct kunnen worden gedefinieerd. Zoals reeds werd opgemerkt is de achterliggende ontwerpeis, dat het systeem in staat moet zijn om vast te stellen dat de betrouwbaarheid van het viaduct niet afneemt door het verder reduceren van de éénassige treksterkte. De ontwerpeis had dit expliciet moeten aangeven. Vocht en zwelling zijn indicatoren voor het continueren van het ASR-proces, maar zijn als zodanig onvoldoende om een uitspraak te doen over de betrouwbaarheid van de constructie. In het ontwerpplan is wel gedefinieerd op welke locaties van de constructie en constructieonderdelen het monitorsysteem moet worden ingezet. Daarbij heeft de effectiviteit van het monitorsysteem, binnen randvoorwaarden, een rol gespeeld. De plaats is zodanig bepaald, dat het verkeer onder het viaduct niet wordt belemmerd door het aanbrengen en onderhouden van het monitorsysteem.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 52

De referentieperiode (gebruiksduur) van het betreffende viaduct is in het plan van aanpak niet aan de orde gekomen. Impliciet zal deze periode wel in het plan een rol spelen, want Bouwdienst Rijkwaterstaat heeft daar een duidelijk beeld van. De gebruiksduur van het monitorsysteem is niet gedefinieerd. De bijdrage van het monitorsysteem aan de betrouwbaarheid voor de combinatie of de combinaties van prestatie, constructie(onderdeel) en referentieperiode is in het plan van aanpak niet vermeld. Dit hangt samen met het feit dat het plan van aanpak niet specifiek op het begrip betrouwbaarheid is geschreven. Een afgeleide doelstelling van het monitorsysteem is vaag vermeld, door te stellen dat de meetresultaten op termijn gebruikt kunnen worden voor het beheer. Beheer hoort in principe wel op betrouwbaarheid te zijn gebaseerd (zoals eerder al is opgemerkt). Er was in het plan van aanpak wel een budget vastgesteld voor het ontwerpen, bouwen, toepassen van het monitorsysteem en voor het evalueren van de meetresultaten. 4.2.2

Ontwerpmethode

Er is voor het aspect betrouwbaarheid geen specifiek ontwerp gemaakt. 4.2.3

Evaluatie van het ontwerp.

Evaluatie van het ontwerp is niet aan de orde omdat een dergelijk ontwerp niet is gemaakt.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 53

5

Conclusies Het praktijkvoorbeeld betreft een monitorsysteem voor het verifiëren van: de effectiviteit van de genomen verbeteracties de betrouwbaarheid van de constructie inclusief het monitorsysteem. Het voorbeeld laat zien dat de bij het ontwerp gehanteerde kwalitatieve uitgangspunten ten aanzien van de eerstgenoemde verificatie (bepalen of de verbeteracties werken/niet werken) onvoldoende zijn om de tweede verificatie, betreffende de betrouwbaarheid van de constructie inclusief het monitorsysteem, te kunnen uitvoeren. Zo ligt de benodigde en de aanwezige effectiviteit van het monitorsysteem niet expliciet vast. De te nemen maatregelen voor het geval dat de monitorresultaten (ongewenste) voortschrijdende zwelling zouden laten zien, waren uitgewerkt in een beslisschema. Ondanks dat had de onzekerheid over de effectiviteit van het monitorsysteem echter tot gevolg dat geconstateerde afwijkingen zouden kunnen leiden tot onzekerheid over zowel de toestand van het viaduct als onzekerheid over het monitorsysteem. De beoordeling van het praktijkvoorbeeld geeft aan dat toepassing van de HERMES-aanpak bij het monitorontwerp ertoe geleid zou hebben dat het behalen van bepaalde meetwaarden gekoppeld zou worden aan grenswaarden met te nemen acties. De materiaalkundige toestand zou daarmee direct gerelateerd kunnen worden aan de effectiviteit van de meetmethode met het gehanteerde expansiemodel. Het beoordelen van het praktijkvoorbeeld heeft verder laten zien dat de gestelde “HERMES vragen” resulteren in het vastleggen van het “wat, wanneer, waarom, hoe” van het monitorntwerp. Hierdoor wordt de monitoraanpak op kwaliteit getoetst en op effectiviteit gekwantificeerd en gedocumenteerd in de vorm van “ijkpunten”.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 54

6

Referenties A.J.M. Siemes en J.D. Bakker, 1997, ‘Herstel ASR-schade - Onderzoek naar ASR leidt tot herstel van twintig kunstwerken in A 59’, Cement, no. 10, oktober 1997, p.p. 24-30 Ton Siemes en Jeanette Visser, Low Tensile Strength in Older Concrete Structures with Alkali-Silica Reaction, Proceedings 11th International Conference on Alkali-Aggregate reaction in Concrete, Quebec City, QC, Canada, June 2000, pp. 1029-1038 J.A. den Uijl, N. Kaptijn, en J.C. Walraven, 2000, “Shear Resistance of Flat Slab Bridges Affected by ASR”, Proceedings of the 11th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, Québec Canada, June 11 – 16, 2000 G.H. Wijnants, 2001, TNO Bouw rapport 2001-CON-DYN-R8029 ‘Werkdocument Monitoringaanpak HERMES – Gestructureerd kosteneffectief beheer, 7 mei 2001, pp. 35 A.R. Koelewijn, Monitoringsfilosofie HerMes. Waarom, Wat, Waar, Wanneer en in Welke mate meten & verwerken. Concept. GeoDelft CO-710107/53, 301-2001, pp. 28. D.A. Hordijk, Feasibility of MARGAN’s Acoustic Emmission Technique for the assessment of viaducts with ASR. Second Opinion. TNO 98-CON-R1712, June 19,1998, pp. 20. J.H.M. Visser en A.J.M. Siemes, Monitoring van kunstwerken met schade door ASR: literatuurstudie naar monitoringtechnieken. TNO 98-BT-MKR1645/01, 3 februari 1999, pp. 67. H. Borsje en A.J.M. Siemes (TNO), J.D. Bakker en F.J. Postema (BWD RWS, voorwoord en tekstnoten), 2000, PDO-rapport Bouwdienst Rijkswaterstaat nr. xx Eindrapport Pilotproject monitoren van twee viaducten in rijksweg A59, Bouwdienst Rijkswaterstaat, pp.xx H. Borsje, Advisering ten aanzien van de uit te voeren monitoring aan het rijdek van 16 door ASR aangetaste kunstwerken in en over de A59; Plan van Aanpak en Economische Afweging; Eindrapport. TNO 2000-BT-MK-R0058, 26 juli 2000, pp. 25. ISE-procedure

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 55

A

Modelleren van tijdsonafhankelijke en tijdsafhankelijke prestaties A.1 Waarom modelleren? Bij het ontwerpen van een constructie of bij het plannen van onderhoud wordt nog relatief vaak gewerkt met globale beelden van de veroudering van bouwdelen (Damen 1991). Voor veel ontwerp- en onderhoudsbeslissingen is dit niet nauwkeurig genoeg en bovendien leidt het al gauw tot subjectiviteit. De oplossing is dat moet worden gezocht naar betere informatie. Dat kan in principe op twee verschillende manieren: 1. verzamelen van data in de praktijk, waarbij de verouderingssnelheid gekoppeld wordt aan de daarmee samenhangende relevante aspecten zoals samenstelling van het bouwdeel of bouwwerk en de gebruiksomstandigheden en de bedreigingen die inwerken 2. het mathematisch modelleren van het mechanisch gedrag en de veroudering van een bouwdeel of bouwwerk; dit impliceert het modelleren van het bouwdeel, de omgevingscondities, het functioneren en de aantasting. De eerst genoemde mogelijkheid komt in wezen alleen aan de orde als sprake is van snelle veroudering en het veelvuldig toepassen van het betreffende bouwdeel. Deze optie vervalt als er sprake is van nieuwe materialen of omstandigheden en indien de aantastingsnelheid relatief laag is. De tweede mogelijkheid heeft in het algemeen de voorkeur, omdat daarbij begrip ontstaat van de optredende processen. Het leent zich daarmee voor optimalisatie en innovatie. Voor het beoordelen van de draagveiligheid is mathematisch modelleren de gangbare praktijk. Wat wij daaraan zouden willen toevoegen is het modelleren van de veroudering. A.2 Modelleren bij constructieve veiligheid De ontwerpbenadering, zoals die in de moderne constructievoorschriften staat vermeld, is gebaseerd op prestaties. Als de constructie goed functioneert, wordt de gevraagde prestatie geleverd. Wordt de prestatie niet meer geleverd, dan treedt een ongewenste gebeurtenis op. De overgang van ‘goed presteren’ naar ‘niet presteren’ heet een grenstoestand. Ongewenste gebeurtenissen zijn bijvoorbeeld bezwijken, kantelen, te veel doorbuigen of trillen. De eerste twee voorbeelden behoren tot de uiterste grenstoestanden. De andere twee zijn grenstoestanden met betrekking tot het gebruik. Bij de uiterste grenstoestand is het in principe glashelder of de constructie nog goed functioneert of niet (hij staat of is ingestort). Bij grenstoestanden met betrekking tot het gebruik, moet van te voren arbitrair worden vastgesteld waar de grens ligt (de maximale doorbuiging van een vloer met een overspanning l kan bijvoorbeeld worden beperkt tot l/250, maar het zal duidelijk zijn dat bij l/225 of l/275 het ongemak als gevolg van de doorbuiging niet wezenlijk verschilt). Voor het beschrijven van een grenstoestand wordt uitgegaan van een wiskundige formule waarin zowel de invloed van de belasting staat vermeld als de capaciteit van de constructie om weerstand te bieden tegen deze belasting. Zowel S als R kunnen functies zijn van meer dan één variabele. Om te voorkomen dat een grenstoestand wordt overschreden, moet worden voldaan aan de volgende ongelijkheid:

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 56

g = R - S = R(X1,X2,…Xn) - S(Xn+1, Xn+2,….Xm) ≥ 0 waarin: g - de grenstoestandsfunctie R - een functie is die het draagvermogen van de constructie beschrijft S - een functie voor de invloed van de belasting - een basisvariabele. Xi

(A1)

Rekenvoorbeeld 1 Een betrekkelijk eenvoudig voorbeeld van een dergelijke grenstoestandsfunctie kunnen wij aan figuur A1 ontlenen. Daar is sprake van een op twee steunpunten opgelegde balk met een rechthoekige doorsnede. De balk wordt in het midden belast met een puntlast F, heeft een overspanning l, een balkbreedte b en een balkhoogte h.

F

h b l

F/2

F/2 Figuur A1: Balk opgelegd op twee steunpunten

Het grootste buigend moment Mmidden treedt op in de middendoorsnede: S = Mmidden = F/2 l/2 = 1/4 Fl (A2) In geval van lineair elastisch materiaalgedrag geldt dat de middendoorsnede een moment Mopneembaar kan opnemen: R = Mopneembaar = W f = 1/6 bh2 f (A3) Waarbij W het weerstandsmoment is en f de sterkte van het betreffende materiaal. Zolang geldt: g = R -S > 0 ofwel 1/6 bh2 f - 1/4 Fl > 0 is evenwicht aanwezig en treedt geen bezwijken op.

(A4)

Variabele omschrijving rekenwaarde b balkbreedte 150 mm h balkhoogte 400 mm F puntlast 350 kN l overspanning 5000 mm f materiaalsterkte 130 N/mm2 Tabel A1: Rekenwaarden ten behoeve van rekenvoorbeeld 1 Indien wij in betrekking (A4) de rekenwaarden van de variabelen, zoals die in tabel A1 zijn weergegeven, invoeren dan blijkt dat deze constructie in evenwicht is: g = 1/6 bh2 f - ¼ Fl = 1/6 150 4002 130 – ¼ 350 103 5000 =

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 57

520 106 – 438 106 = 82 106 Gezien het positieve resultaat van deze berekening is zelfs sprake van enige extra draagcapaciteit. A.3 Modificatie van de modellering naar duurzaamheid Bij constructieve grenstoestandfuncties worden R en S meestal opgevat als grootheden, die niet afhankelijk zijn van de tijd. Vaak is dat niet het geval en zou moeten worden geschreven (Siemes, 1996; Siemes 1996; Andrade et al 1996): g(t) = R(t) - S(t) > 0 (A5a) of: g(t) = R(t) - S > 0 (A5b) of: g(t) = R - S(t) > 0 (A5c) Mathematisch gezien zijn de betrekkingen (A5a, b en c) niets anders dan de basis om tijdsafhankelijke en daarmee ook duurzaamheidsaspecten te introduceren in de grenstoestandsfunctie. De functies R(t) en S(t) moeten dan niet alleen betrekking hebben op constructief gedrag, maar ook op degradaties. R(t) geeft daarbij de draagkracht weer inclusief het weerstand bieden tegen aantastingen en S(t) de invloed van de belasting inclusief de expositie-omstandigheden. Met andere woorden: R(t) en S(t) moeten zodanig worden geformuleerd dat alle in de tijd variërende prestaties beschreven kunnen worden, niet alleen de constructieve maar ook andere prestaties van een bouwwerk.

Indien wij nogmaals kijken naar het voorbeeld van de balk op twee steunpunten, dan kunnen wij daarin veronderstellen dat de breedte b en de hoogte h ieder jaarlijks met x mm afneemt als gevolg van aantasting. Dat geeft dan de volgende grenstoestandsfunctie: (A6) R > S ofwel g(t) = 1/6 (b-xt) (h-xt)2 f > ¼ Fl Betrekking (A6) laat dus zien dat bij toenemende expositietijd t het weerstandsmoment kleiner wordt als gevolg van aantasting. Wij zijn er dus in geslaagd om in de modellering het duurzaamheidsaspect mee te nemen. Het zal duidelijk zijn dat de bron van aantasting ook kan worden meegemodelleerd. Rekenvoorbeeld 2 Uitgaande van de rekenwaarden uit voorbeeld 1 en aannemende dat x = 1 mm/jaar is na 15 jaar expositie geen evenwicht meer mogelijk en is het einde van de levensduur bereikt: g(t) = 1/6 (b-xt) (h-xt)2 f - ¼ Fl = 1/6(150 – 1. 15) (400 –1.15)2 130 – ¼ 350 103 5000 = 434 106 – 437 106 = -3 106 < 0 A.4

Modelleren van onzekerheid

A4.1 Modelleren van de onzekerheid in geval van constructieve veiligheid De meeste variabelen in een grenstoestandsfunctie hebben niet één vaste waarde. Zij zijn aan spreiding onderhevig en zijn dus stochastisch. Als gevolg daarvan moet er rekening mee worden gehouden, dat er een zekere kans is dat de grenstoestand wordt overschreden. In figuur A2 is dit schematisch weergegeven voor de twee stochasten R en S, zie ook betrekking (A1).

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 58

Kansdichtheid

S R

R, S

0 Pacc

Figuur A2:

Kans Pacc op het overschrijden van een grenstoestandsfunctie g=R-S=0

De ontwerpprocedure beoogt daarbij de kans op het overschrijden van een grenstoestand, ofwel falen, te beperken: (A7) Pf = P{bezwijken} = P{g = R - S < 0} < Pacc = Φ(-β) waarin: Pf - de kans op falen van de constructie; deze kans is afhankelijk van de aard en de omvang van de schade - de geaccepteerde maximum waarde van de faalkans. Pacc Φ - de functie van de standaard normale verdeling (normale verdeling met gemiddelde gelijk aan 0 en standaardafwijking gelijk aan 1) β - de minimaal vereiste waarde van de betrouwbaarheidsindex; het Bouwbesluit eist voor constructie een waarde van tenminste β = 1,8 voor gebruiksgrenstoestanden (de faalkans is dan ongeveer 10-2) en β = 3,6 voor uiterste grenstoestanden (de faalkans is dan ongeveer 10-4); voor niet constructieve aspecten kunnen andere β-waarden worden aangehouden afhankelijk van de grootte van het risico. Met behulp van probabilistische berekeningsmethoden kan de faalkans, dan wel de betrouwbaarheidsindex, worden berekend. Voor eenvoudige gevallen kan dat met handmatige methoden. Bij ingewikkelde grenstoestandfuncties of verdelingsfuncties zal vaak moeten worden teruggegrepen op computerprogramma’s. Rekenvoorbeeld 3 In tabel A2 zijn voor de verschillende variabelen bij wijze van voorbeeld enige aannamen gedaan voor de basisvariabelen. Voor die basisvariabelen waarvan de spreiding gering is, wordt ter vereenvoudiging gesteld dat er geen spreiding is. De variabele is dan deterministisch. Aan de hand van de waarden uit tabel A2 kan met een probabilistisch rekenprogramma een betrouwbaarheidsindex β = 4,0 worden berekend.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 59

Basisvariabele B H F L F

omschrijving balkbreedte balkhoogte puntlast overspanning materiaalsterkte

verdeling deterministisch deterministisch normaal deterministisch normaal

gemiddelde 150 mm 400 mm 250 kN 5000 mm 200 N/mm2

standaardafwijking 75 kN 20 N/mm2

Tabel A2: Basisvariabelen en hun kenmerken uit de rekenvoorbeelden 3 en 4

Rekenvoorbeeld 4 In dit geval is het betrekkelijk eenvoudig om dit resultaat ook handmatig te berekenen. In de grenstoestandfunctie van voorbeeld 3 vullen wij daartoe alle deterministische waarden in: g = 1/6 b h2 f - 1/4 F l = 1/6 150 4002 f – 1/4 F 5000 = 4 106 f – 1250 F > 0 De gemiddelde waarde μ(g) kan dan berekend worden als: μ(g) = 4 106 μ(f) – 1250 μ(F) = 4 106 200 – 1250 250000 = 487,5 106 Nmm De standaardafwijking σ(g) kan worden berekend als: σ(g) = √{[4 106 σ(f)]2 + [1250 σ(F)]2}=

√{[4 106 20]2 + [1250 75000]2}= 123 106 Nmm De betrouwbaarheidsindex β volgt dan uit: β = μ(g)/ σ(g) = 487,5/123,2 = 3,95≈ 4,0 A.4.2 Modelleren van de onzekerheid in geval van duurzaamheid Ook hier moet gelden: (A8) Pf,T = P{Z(t) < 0}T < Pacc = Φ(-β) waarin: Pf,T - de kans dat het bouwwerk binnen de periode T faalt, waarbij de grootte van die kans afhangt van de aard en de omvang van de schade die ontstaat T - de beoogde ontwerplevensduur - c.q. referentieperiode. In tegenstelling tot betrekking (A2) moet in (A8) worden aangegeven, dat de faalkans moet worden berekend voor een periode van 0 tot T jaar. Overigens wordt op een verkapte wijze iets soortgelijks gedaan bij ontwerpen op basis van betrekking (A1), bijvoorbeeld door de grootte van een variërende belasting (bijvoorbeeld de windbelasting) of sterkte (bijvoorbeeld de langeduur sterkte) te koppelen aan een referentieperiode. Betrekking (A8) kan ook als levensduurfunctie L worden beschreven, door uit te gaan van: L = t{R,S} (A9) De betrouwbaarheid van het bouwwerk kan dan worden geschreven als: (A10) P{falen} = P{L < T} < Pacc Met behulp van probabilistische methoden kunnen de faalkansen die behoren bij de betrekkingen (A8) en (A10) worden berekend. In de figuren A3 en A4 is dat schematisch weergegeven. In figuur A3 is het verloop van de gemiddelde waarden

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 60

van μ(R) en μ(S) aangegeven. Wij weten dat voor ieder ogenblik in de tijd kansdichtheidsfuncties zijn gedefinieerd rondom deze gemiddelden. Als nu een levensduurberekening moet worden gemaakt voor een ontwerplevensduur van 100 jaar, wordt de periode van 100 jaar onderverdeeld in korte perioden, bijvoorbeeld van 1 jaar. Ter vereenvoudiging wordt gesteld, dat binnen die korte periode van 1 jaar R en S tijdsonafhakelijk zijn. Voor een willekeurige periode van jaar X tot X+1 kan dan de faalkans worden berekend, op een wijze die overeenkomt met betrekking (A7). Wij krijgen op die manier de faalkans in jaar X (de faalkans per jaar wordt ook wel faaltempo genoemd). Dit is in figuur A4 aangegeven, die een grote overeenkomst heeft met figuur A2. Voor alle afzonderlijke jaren van 1 tot en met 100, moet het faaltempo worden berekend. Deze moet kleiner zijn dan de geaccepteerde faalkans Pacc. In figuur A5 is de berekening van het faaltempo gedaan voor de periode vanaf jaar 1 tot oneindig. In dat geval ontstaat de levensduurverdeling. R, S

μ(R) μ(S)

X X+1

Figuur A3:

100 jaar Levensduur

Duurzaamheid geformuleerd door middel van R- en S-functies voor de gemiddelde waarden

R, S

Faalkans in jaar X

X X+1

100 jaar Levensduur

Figuur A4: Berekening van het faaltempo in de periode van jaar X tot X+1

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 61

OntwerpLevensduur

Figuur A.5:

Berekening van het faaltempo over alle jaren levert de levensduurverdeling op.

Deze werkwijze voor het ontwerpen van betonconstructies is in de afgelopen jaren ontwikkeld en kan in de literatuur worden teruggevonden (Siemes 1996; Siemes 1996; Andrade et al 1996). Uiteindelijk heeft dat geleid tot het verschijnen van een CEB Bulletin (Hergenröder et al 1997), waarin de basis van de methode is gegeven en een voorbeeld is uitgewerkt. Dit bulletin is in een vergadering van de General Council van CEB besproken en goedgekeurd. Daarna is in het mede door de Europese Unie gefinancierde onderzoeksproject DuraCrete (Brite/EuRam project BE95-1347 1999) een uitgebreide uitwerking van de methode gegeven. Rekenvoorbeeld 5 Indien aan het rekenvoorbeeld 2 wordt toegevoegd dat een aantal van de variabelen stochastisch zijn op de wijze zoals aangegeven in tabel A3, dan kan met behulp van een probabilistisch rekenprogramma het verloop van de betrouwbaarheidsindex met de tijd worden berekend. In figuur A6 is het berekende verloop weergegeven. Basisvariabele b h F l f x Tabel A3:

omschrijving balkbreedte balkhoogte puntlast overspanning materiaalsterkte aantasting

verdeling deterministisch deterministisch normaal deterministisch normaal lognormaal

gemiddelde 150 mm 400 mm 250 kN 5000 mm 200 N/mm2 1 mm/jaar

standaardafwijking 75 kN 20 N/mm2 0,05 mm/jaar

Basisvariabelen en hun kenmerken uit het rekenvoorbeeld 5 met aantasting

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 62

Rekenresultaat

betrouwbaarheid index β

5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

tijd (jaar)

Figuur A6: Verloop van de berekende betrouwbaarheidsindex A. 5

Referenties

Andrade, A. Sarja, A.J.M. Siemes en E. Vesikari, 1996, Rilem Report Series 14: Durability Design of Concrete Structures (ed. A. Sarja en E. Vesikari), Uitg. E & FN Spon, London, UK, pp. 180 Brite/EuRAm project BE95-1347, 1999, DuraCrete Report R17 “DuraCrete Probabilistic and Performace Based Design Manual for New and Existing Concrete Structures”, Gouda The Netherlands Damen, A. 1991, IOP-bouw Technisch Beheer Onderzoekprojecten 8 & 16: Levensduurcatalogus van bouwdelen en bouwmaterialen. Empirische gegevens. rapport IV. Uitgave: Technische Universiteit Eindhoven, Vakgroep Fago, Eindhoven NL, pp. 181 Hergenröder, M. en J. Möller, L-O. Nilsson, P. Schieβl, A.J.M. Siemes, 1997; CEB Bulletin 238, New Approach to Durability Design - An example for carbonation induced corrosion, Uitg. CEB Laussane CH, May 1997, pp.138 Siemes, A.J.M, 1996, Framework for a procedure for design for durability, Proceedings of the Seventh International Conference on the Durability of Building Materials and Components, 19-23 May 1996, Stockholm, Sweden, pp. 1175-1184 , Uitgave E & FN Spon, London, UK Siemes, A.J.M., 1996, Framework for a procedure for design for durability, Proceedings of the Seventh International Conference on the Durability of Building Materials and Components, 19-23 May 1996, Stockholm, Sweden, pp. 1175-1184 , Uitgave E & FN Spon, London, UK

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 63

B

Bayesiaans updaten4

B.1

Theorem of Bayes In order to update the prior use is made of Bayes Theorem (1.12):

P(A| B) =

P(B| A) P(A) P(B)

(B.1)

In this application of Bayes Theorem A represents some hypothesis (e.g. with respect to the unknown mean value μx of a distribution) and B represents the data relevant for the hypothesis (e.g. the mean x of a sample). If we substitute this in Bayes Theorem we get: P(hypothesis | data) = C P(data | hypothesis) P(hypothesis)

(B.2)

For example: P{μ(x) = m | x } = C P{ x | μ(x) = m ) P( μ(x) = m } where: = prior distribution for μx P{μ(x) = m} P{μ(x) = m | x } = posterior distribution for μx P{ x | μ(x)= m} = likelihood C = constant. In words this means that the probability that the mean value μx equals m , given some sample average x , is equal to the product of a the prior probability, the likelihood of the x if μx = m and a constant. Numerical example Let x be the carbonation depth for some structural element. Assume that x is normal with unknown mean and a standard deviation of 3 mm. As a prior it is guessed that μx is 10 or 15 mm, both with 50 % probability. Let there be two measurements with an average value of 11 mm. We then have for the posterior probabilities: P(μx = 10 | x =11) = C P( x =11 | μx=10) P(μx=10) P(μx = 15 | x =11 ) = C P( x =11 | μx =15) P(μx=15) The units mm have been omitted for clarity. As x is continuous, the probability of x being exactly 11 is simply zero and so we should actually write: P(μx = 10 | x =11) = C P(11< x <11+dx | μx=10) P(μx=10) 4 A. Vrouwenvelder, A.J.M. Siemes en M. Faber, DuraCrete report 2, Short Course on Probabilistic Methods for Durability Design, CUR, Gouda, 1998

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 64

P(μx = 15 | x =11 ) = C P(11< x <11+dx | μx=15) P(μx=15) We will elaborate the first line. The prior probability P(μx = 10) = 0.5. To evaluate the likelihood one should note that if μx = 10 mm the sum of two observations (x1 + x2) has a mean equal to 20 mm and a standard deviation equal to √(9+9) = 4.24; so the mean and standard deviation of the sample average x = (x1 + x2)/2 are 10 and 2.12 respectively. Given the normal distribution, the likelihood is given by (see Table 1.1): −

P (11 < x < 11 + dx| μ x = 10) =

1 1 11 − 10 2 exp{− ( ) }dx 2 2.12 2.12 2π

And so we find for the posterior probability that μx = 10: −

P( μ x = 10| x = 11 ) = C

1 1 11 − 10 2 exp{ − ( ) }dx * 0 .5 = 0 .17 Cdx 2 2.12 2.12 2π

Similar we may have: −

P( μ x = 15| x = 11 ) = 0 .03 Cdx We now may find C from the requirement that the sum of these two probabilities should be equal to one: C = 5/dx So: −

P(μx = 10| x =11) = 0.85 −

P(μx = 14| x =11) = 0.15 So the probability of μx = 10 has gone up from 0.50 to 0.85.

B.2

General formulas If the parameter μx is not a discrete variable, but a continuous variable, or even a vector of parameters θ, we may rewrite (4.1) as:

fθ ( θ | D ) = C f X ( x ,θ ) fθ ( θ ) Where: fθ(θ|D) fX(x|θ) fθ(θ) C

= = = =

(B.3)

posterior distribution for the parameters θ probability density function for X, given θ (likelihood function) prior distribution for the parameters θ normalising constant

Graphically the Bayesian analysis is presented in figure B1. Once the distribution for the parameter θ has been established, two theoretically equivalent ways of introduction into

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 65

the reliability analysis can be followed. One way is to consider θ as an additional set of random variables. This is straight forward but increases the number of random variables. The other way is to incorporate the statistical uncertainty into the distribution of the basic variables X: fx(x|D) =

³

fx(x;θ) fθ(θ|D) dθ

(B.4)

Where: fx(x|D) = predictive distribution

μ) P(μ

μ) P(μ PRIO R

μ μ) P(x|μ

μ

μ) P(x|μ LIK ELY H O O D

μ P(u|x)

P(u|x) PO STERIO R

μ

μ

Figure B.1: Graphical presentation of a Bayesian updating procedure

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 66

B.3

Informative and non-informative priors

B.3.1

Non-informative or vague priors As the choice of a prior may very have great influence on the final result, very often a so called 'vague' or non-informative prior is used. Graphically this means that the priors in figure B1 are constant, flat and almost equal to zero. A very common example is the following situation:

Let x be normal with unknown mean and unknown standard deviation. Assume that we have a set of n observations. It can be proven that on the basis of non-informative priors the posterior fractile for x can be found from: xp = m ± kn,p s

(B.5)

Where: m = sample mean s = sample standard deviation k = a coefficient following from:

p = 0.1 p = 0.05 p = 0.01

n=3 2.18 3.27 8.00

n=6 1.62 2.21 3.69

n = 10 1.44 1.89 2.90

n = 30 1.33 1.72 2.50

n =∞ 1.28 1.64 2.08

For instance: the 5 percent fractile of a concrete cube strength fc (the charac-teristic value), where a mean value of 30 MPa and a standard deviation of 4 MPa have been measured out of 6 cubes is equal to: f c = m - 2.21 s = 30 - 2.21*4 = 21.2 MPa. Note that if we have the same mean and standard deviation, but resulting from more than 100 observations we have 30 - 1.64*4 = 23.4 MPa. The difference between 23.4 and 21.2 is caused by the so called statistical uncertainty in the mean and the standard deviation. Note: in standard frequentistic analysis this uncertainty is dealt with via the so called confidence intervals. In Bayesian analysis this confidence level is already incorporated in the outcome. B.3.2

Informative priors In some cases one might want to use an informative prior, based on general data (statistical as well as non-statistical) and circumstantial evidence. A useful strategy in those cases is often to specify an interval { Θ iL , Θ iU } for which one reasonably can assume that there is a 95 % probability that the unknown quantity will be inside. Such values can be established as the aggregated opinion of a number of experts Assuming a normal distribution, the mean and standard deviation of Θ i can then be estimated from:

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 67

μ( Θ i ) = { Θ iL + Θ iU } / 2

(B.6)

σ( Θ i ) = { Θ iL + Θ iU } / 4

(B.7)

Similar expressions exist if a lognormal distribution for the parameter is assumed.

B.4

The selection and updating of a distribution In most cases theoretical considerations will not be sufficient to establish the distribution type. Also in those cases Bayesian updating procedures may help to find the distribution. A practical solution is to model X as some polynomial function of for instance the standard normal variable U (mean 0, standard deviation 1.0): X = a0 + a1u + a2u2+ .... + anun

(B.8)

The constants a in the polynomial can be found in the same way as the parameters θ of a distribution. Another approach, which sometimes might be required, is to use mixed distribution: fX(x) = P(C1) fX |C1 (x) + P(C2) fX |C2(x) + ...

(B.9)

In here fX|Ci(x) is the probability density given some condition Ci and P(Ci) is the probability that this condition occurs. Whether or not theoretical arguments and supporting data are available, the choice of a distribution is a difficult task. The results of reliability analyses based on low values for the probability’s are very sensitive to the tail of the probability distribution, and observations to give information about the tail characteristics are in most cases not available.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 68

C

FMEA voor betonconstructies code bedreiging a. mechanisch a.1 belasting/deformatie

proces/mechanisme

type schade

spanning/rek

a.2

langeduur belasting

micro-defecten

a.3

langeduur belasting

kruip

a.4

wisselende belasting

vermoeiing

scheurvorming vervorming bezwijken, breuk, instabiliteit scheurvorming bezwijken, breuk, instabiliteit doorbuiging scheurvorming vervorming scheurvorming bezwijken, breuk, instabiliteit

b. biologisch b.1 micro-organismse b.2 organismen/planten c. chemisch c.1 zuren c.2 zuren c.3 zuurvormende gassen wapening c.3a kooldioxyde wapening c.3b zwaveldioxyde wapening c.3c stikstofoxyde wapening c.4 micro-organismen c.5 zacht water c.6 zure regen c.7 globale depassivering ijzer+water+zuurstof

zuurvorming vervuilen

uitlogen/oplossen 'verminderen uiterlijk’

neutraliseren uitlogen/oplossen neutraliseren

depassiveren wapening desintegratie beton globale depassivering

carbonatatie

globale depassivering

sulfateren

globale depassivering

nitrateren

globale depassivering

vorming zuur uitlogen/oplossen uitlogen algehele corrosie

oplossen, desintegratie beton desintegratie beton desintegratie beton uitzetten, verminderen van de doorsnede en verlies van hechting chloride bij de wapening zwelling, desintegratie zwelling, desintegratie pop-outs zwelling, desintegratie zwelling, desintegratie chloride bij de wapening putcorrosie

c.8 chloride c.9a sulfaat c.9b sulfaat c.10 verontreinigde toeslag c.11 alkali + silica c.12 alkali + carbonaat c.13 chloride c.14 chloride bij de wapening d. fysisch d.1 lage temperatuur d.2 temperatuurverandering

indringen ettringiet vorming van gips kristallisatie ASR ACR inmengen lokale depassivering

d.3

relatieve vochtigheid

krimpen of zwellen

d.4

temperatuur

gradiënt

Datum 12-dec-2002

vorst expansie

desintegratie lengteverandering opgelegde vervorming lengteverandering opgelegde vervorming kromming

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 69

d.5

relatieve vochtigheid

Datum 12-dec-2002

gradiënt

kromming opgelegde vervorming

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 70

D

Hermes mythologie

Hermes De Griekse god van de wegen en reizigers, van kooplieden en handel, en vandaar van alles waarbij behendigheid en list te pas komt. In Arcadië geboren als kind van Zeus en Maia, toonde hij al direct zijn bijdehand karakter door in de wieg de lier uit te vinden: hij bespande het schild van een schildpad met snaren. Kort daarop stal hij de runderen van Apollo, die de god hem liet houden in ruil voor de lier. Zeus stelde Hermes aan als bode van de Olympische goden en als begeleider van de gestorvenen naar de onderwereld; vandaar zijn titel: psychopompos = begeleider der schimmen. Een van de opdrachten die hij handig wist uit te voeren, was het doden van Argus (Ovidius, Metamorphoses I, 668 vv.). Als god van de koophandel, waarbij overleg en slimheid vereist zijn, was hij zelfs de beschermer van dieven en bedriegers. Zijn karakter was vriendelijk, hij was de mens goedgezind en elk buitenkansje (Gr.: hermaion) dankte men aan hem. Daar hij heraut was, gold Hermes ook als de schenker van welbespraaktheid en overredingskracht. Lateren zagen in hem zelfs de uitvinder van het schrift, de wiskunde en de astronomie; allerlei nuttige en aangename zaken werden aan Hermes toegeschreven, zoals de lier, fluit, maten en gewichten en ook de sport. Ook werd Hermes beschouwd als god van de slaap en de dromen: door aanraking met zijn herautstaf (zie caduceus) of met zijn hem door Apollo geschonken gouden toverstaf opende en sloot hij ogen. Hij verscheen en verdween plotseling: vandaar bij de ouden de uitdrukking ‘Hermes is aanwezig’, als er plotseling een stilte ontstond. Afkomstig uit het herdersland Arcadië, was Hermes ook de nomios, weidegod, die herders en kudden beschermde. De Romeinen kenden als god van handel en winst Mercurius (Lat.: merx = koopwaar), die wellicht van Griekse oorsprong was en later geheel met Hermes werd vereenzelvigd. Sedert ca. 495 v.C. had hij een tempel in Rome, verbonden met een soort beurs. Het belangrijkste Mercurius-feest werd gevierd op 15 mei. Ook in de beeldende kunst is de voorstelling van Mercurius en Hermes gelijk: hij werd uitgebeeld als jongeman, met vleugels aan helm of reishoed en schoeisel en met de caduceus in de hand; soms draagt hij een geldbuidel.5 Mercurius De Romeinse god van de handel en winst, werd geheel gelijkgesteld met de Griekse Hermes. In de keizertijd was de cultus van Mercurius vooral in het Keltische en het Germaanse cultuurgebied zeer verbreid; in het laatstgenoemde werd hij geïdentificeerd met Wodan.6

5"Hermes," Encarta® - Encyclopedie® 2000 - Winkler Prins. © 1993-1999 Microsoft Corporation/Elsevier. Alle rechten voorbehouden.

6"Mercurius [mythologie]," Encarta® - Encyclopedie® 2000 - Winkler Prins. © 19931999 Microsoft Corporation/Elsevier. Alle rechten voorbehouden.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade/ 01.01.07-03

Pagina 71

Wodan Een van de belangrijkste Germaanse goden, in Scandinavië Odin geheten, wordt genoemd in de Merseburger Toverspreuken en in een Oud-Saksische doopgelofte. Zijn naam komt ook voor in plaatsnamen, zoals Wudinsberg (thans: Bad Godesberg). Dat de Romeinse ‘dies mercurii’ in sommige Germaanse talen vertaald werd met ‘dag van Wodan’ (woensdag; Eng.: wednesday) wijst op overeenkomst tussen Wodan en Mercurius. Beiden stonden o.m. in verband met het dodenrijk.7

7"Wodan," Encarta® - Encyclopedie® 2000 - Winkler Prins. © 1993-1999 Microsoft Corporation/Elsevier. Alle rechten voorbehouden.

Datum 12-dec-2002

HERMES Case Monitoring ASR Schade / 01.01.07-03

Pagina 72

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" Contactpersoon

:

G.H. Wijnants

Datum

:

12 december 2002

Author(s)

:

G.H. Wijnants

Opdrachtgever

:

DelftCluster

Project naam

:

HERMES

Project nummer

:

01.01.07

Aantal pagina's

:

21

Aantal tabellen

:

1

Aantal figuren

:

2

Aantal bijlagen

:

-

Keverling Buismanweg 4 Postbus 69 2600 AB Delft 015-2693793 015-2693799 [email protected] www.delftcluster.nl Delft Cluster verricht lange-termijn fundamenteel strategisch onderzoek op het gebied van duurzame inrichting van deltagebieden.

Projectgroep Tijdens de uitvoering van de studie “Risicobeheersing vanuit de toetsende rol” bestond de Delft Cluster-groep van thema 01.01.07 uit Naam

Organisatie

Thema Trekker

P. Hölscher

GeoDelft

Thema Duwer

G.H. Wijnants

TNO Bouw

Thema Leden

R.J. Aartsen

Projectorganisatie HSL Zuid

F.J. Postema

Bouwdienst Rijkswaterstaat

B.G.H.M. Wichman

Rijkswaterstaat DWW

J.K. van Deen

GeoDelft

W.O. Molendijk

GeoDelft

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 2

Betrokken personen Bij de totstandkoming van dit rapport waren betrokken: Naam

Organisatie

A. Kooiman / R.J. Aartsen / B. Bruinsma

Projectorganisatie HSL Zuid

J. Brinkman / R. Stoevelaar / M. Korff

GeoDelft

D.J. Molenaar / G. Esposito / H.J. Buitenkamp

TNO Bouw

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 3

Management Summary

Title

HERMES Case; Risk management by means of testing role.

Author(s)

G.H. Wijnants

Date

12 December 2002

Project number

01.01.07

Report number

04

The HERMES monitoring philosophy has been used on behalf of the HSL-South project organization, in order to obtain a rational set-up of the monitoring system for settling management. The monitoring plan that has been designed serves as a means for comparison for the monitoring plan that has been designed by the constructor and has been used in order to implement a feedback and prediction system between the settings of the TBM and the resulting settlement at surface level. In this report the project is described with the aim to describe the role of HERMES in this situation and to identify the lacks of knowledge that were encountered in this situation. The HERMES philosophy has provided an effective means in order to implement a rational setup for a monitoring plan that meets the HERMES design requirements. The targets set and the uncertainties present have been translated in performance requirements, target levels, alert and alarm values, that provide the means for managing the settlement during construction. As a result from the assessment of the monitoring plan of the contractor, a need has been traced for a special form or checklist in order to document both the targets set and the points of reference used on behalf of the design of the monitoring plan. In the project is has also been found that within the HERMES philosophy an approach is missing by which the risks that are found within a project can be assessed in an unambiguous and traceable way, even when failure costs are not known.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 4

Management samenvatting Titel

HERMES Case: risicobeheersing vanuit de toetsende rol.

Auteurs

G.H. Wijnants

Datum

12 december 2002

Project nummer

01.01.07

Rapport nummer

04

De HERMES monitoring filosofie is toegepast ten behoeve van de HSL-Zuid projectorganisatie, om daarmee een rationeel opgezet monitoringplan te verkrijgen waarmee zakking beheerst dient te worden. Dit monitoringplan dient als vergelijkingsmateriaal voor het door de aannemer uitgewerkte monitoringplan en is daarnaast gebruikt om een terugkoppeling te realiseren tussen de instellingen van de tunnelboormachine en de resulterende zakking aan het maaiveld. In dit rapport wordt het project beschreven met als doel om de rol van HERMES in deze situatie weer te geven en aanwezige kennishiaten te identificeren. De HERMES filosofie is effectief ingezet om een rationele aanpak in te vullen die voldoet aan de HERMES ontwerpcriteria. De gestelde doelen en de invloed van onzekerheden zijn vertaald in prestatieeisen, streefwaarden, alert en alarm waardes, waar het constructieproces tijdens de uitvoering mee te sturen is. Op grond van de uitgevoerde beoordeling van het monitoringplan van de uitvoerder, is de behoefte vastgesteld aan een beoordelingsformulier cq checklist, waarmee zowel de uitgangspunten als de kwaliteit van een aanwezig monitoringplan te beoordelen is. Daarnaast is vastgesteld dat binnen de HERMES aanpak nog niet voorzien is in een systematiek die als beoordelingsrichtlijn kan dienen voor aanwezige risico’s binnen een project, ook wanneer kosten van falen niet bekend zijn.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 5

Inhoud 1

INLEIDING................................................................................................7

2

PROJECTPLAN........................................................................................9

3

RESULTATEN. .......................................................................................11 3.1 Inventarisatie grijze gebieden (WB-1) .......................................11 3.2 Offspec parameters gebruikmakend van Catsby (WB-2)...........11 3.3 Voorspellingsmarges van model (WB-3) ...................................11 3.4 Begroting geotechnische onzekerheden (WB-4) ........................12 3.5 Kwaliteitscriteria voor een betrouwbare zettingsmeting (WB-5)12 3.6 Toetsing van het B/K monitoringprotocol (WB-6) ....................13 3.7 Afhandeling toetsingsresultaten (SB-7)......................................13 3.8 Criteria voor aanpassing dichtheid meetpunten (BB-8). ............13 3.9 Vlekkenkaart / categorie indeling zettingsgedrag (SB-13).........14 3.10 Evaluatie stuurproces (SB-14)....................................................14 3.11 TBM Monitoring tool (SB-15). ..................................................15

4

TOETSINGSKADER..............................................................................16

5

CONCLUSIES. ........................................................................................18

6

AANBEVELINGEN. ...............................................................................20

7

REFERENTIES. ......................................................................................21

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 6

1

INLEIDING.

In opdracht van de HSL-Zuid heeft TNO Bouw in samenwerking met GeoDelft een onderzoeksopzet uitgewerkt teneinde de zakkingsrisico’s ten gevolge van de bouw van de Groene Hart boortunnel vanuit een toetsende rol te beheersen. De gehanteerde projectopzet is uitgewerkt in [Ref. 1]. In dit project is de HERMES monitoring filosofie toegepast. De beoordelingscriteria voor het ontwerp van een monitoringsysteem die in dit praktijkgerichte project gehanteerd worden zijn gebaseerd op de HERMES monitoringfilosofie; HERMES staat voor HEt Rationele Monitoring ontwerp en Evaluatie Systeem, een Delft Cluster initiatief. De resultaten van deze praktijkcase zijn van belang voor het HERMES project omdat op basis van de opgedane ervaringen de methodiek verder aangescherpt kan worden. Dit rapport heeft als doel de opgedane ervaringen te rapporteren. De nadruk lag in dit project op het inrichten van de toetsende rol voor een regelsysteem waarmee zakking beheerst moet worden (schematisch weergegeven in figuur 1), rekening houdend met de verschillende taken en verantwoordelijkheden van de betrokken partijen. Daarom is het project toegespitst op het specificeren van benodigde akties en aktienemers ter contrôle van de door de aannemer geplande activiteiten. Akties: Eenduidigheid werkprocessen in kaart brengen. (betrouwbaarheid werkproces – incl. gehanteerde middelen -).

Organisatie expertises. Opgelegde normen.

Europ. Normen (EN) ISO Standaards Wettelijke eisen (NL) Contractuele eisen

Akties: Relevante toegepaste en toepasbare eisen in kaart brengen.

Beheers Methodiek

Akties: Rationele beheersmethodiek uitwerken (“Catsby +”).

Normalisatie zakking. Akties: Eis en toe te passen beoordelingsmethode in kaart brengen.

Resultaat: Overzicht van toetsingscriteria voor werkprocessen met argumentatie voor de noodzakelijkheid. (waaruit blijkt dat ‘t nu goed is geregeld?) Figuur 1: Schematische weergave van de hoofdzaken voor een beheerssysteem, waar bij de inrichting van de toetsingsmethodiek op ingespeeld wordt.

Door deze beheersmatige insteek gaat dit project verder dan de scope van HERMES. Dit project is daarom gedefinieerd als een initiatieproject, om voortbouwend op de resultaten van dit project in Delft Cluster verband tot een uitwerking van de rationele opzet van een beheerssysteem te komen, inclusief aanbevelingen voor de organisatorische taakverdelingen. Benodigde beheersacties die in dit geval uit de toetsing van de geregistreerde zakkingen voortvloeien zijn in de vorm van acceptatiecriteria en evaluatiemomenten in de projectonderdelen uitgewerkt.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 7

Het onderzoek had als doel de middelen te verschaffen om het door de aannemer (consortium Bouygues-Koop; vanaf hier B/K genoemd) gehanteerde werkproces in de vorm van de beperking van zettingen aan het maaiveld boven de geboorde tunnel, effectief te toetsen tijdens het bouwproces. Gegeven de gehanteerde design en construct contractvorm, het beperkte risico van zettingen en de beperkte mogelijkheden voor sancties, gelden hierbij de volgende uitgangspunten: • Feitelijke, directe sturing van het boorproces door HSL is binnen de contractvorm niet gewenst. • De toetsing stelt in staat om risico’s te identificeren gebruikmakend van concrete, onderbouwde criteria, voordat dit tot ongewenste situaties leidt. Verwacht wordt dat de toetsing inzichten verschaft die zullen leiden tot een andere aanpak door de aannemer wanneer dat voor hem voordelig is. • De toetsing stelt de HSL in staat tot correcties van het gehanteerde werkproces door beperkingen op te leggen (formele kennisgeving van ingebreke blijven, inhouding deelbetaling, informeren belanghebbenden). Hiermee wordt een pro-actieve rol ingenomen ten behoeve van de betrokkenen waarvoor HSL de aansprakelijkheidsrol vervult. • De toetsing richt zich op de aanwezige normale werkprocessen. Situaties die voortvloeien uit onvoorspelbare incidenten cq onvoorziene omstandigheden zijn niet middels toetsing vast te stellen; het behoort bij uitstek tot de competentie van de aannemer om de kans op incidenten te beheersen. Om de gereedschappen voor het monitoren van de beheersing van zetting vast te stellen, zijn door GeoDelft de Geotechnische en meettechnische invloedsfactoren vastgesteld die binnen het tracé invloed hebben. TNO heeft de verwerking van empirische gegevens uit andere projecten en de terugkoppeling van de zettingsresultaten naar de gehanteerde instellingen van de TBM uitgewerkt, alsmede het daarbij, vanuit de contractvorm, te hanteren werkproces.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 8

2

PROJECTPLAN.

Het projectplan bestaat uit een aantal onderdelen die ten behoeve van dit HSL project ingevuld dienen te worden en uit een aantal projectonderdelen m.b.t. de indentificatie en categorisering van risico’s, die binnen het Delfts Cluster verband verder uitgewerkt dienen te worden. De onderdelen waaruit het HSL deel van het projectplan bestaat zijn hieronder weergegeven:

Project flow diagram. = GeoDelft Activiteit: = TNO Activiteit:

Mogelijke valkuilen / grijze gebieden: WB-1 Kwaliteits indicator uit Catsby: WB-2

Inrichten kwaliteitsindicator op basis Catsby: SB-15

Onzekerheid zettingsbepaling; verwerking in acceptatiecriteria. WB-3

Evaluatie stuurproces zetting dmv TBM: SB-14

Zettingsprognose model: WB-4 Kwaliteitscriteria zettingsmeting: WB-5

Toetsing monitoringplan B/K: WB-6

Criteria meetpunt aanpassing: BB-8 Categorie indeling zettingsgedrag SB-13

Bepaling acceptatie punten: SB-7

Figuur 2: Flow van het project waarmee de toetsingsmethodiek uitgewerkt is.

De projectonderdelen WB-1 en BB-8 betreffen afzonderlijke activiteiten waarbij in de projectopzet geen directe relatie met andere onderdelen voorzien is. WB-1 geeft een overzicht van valkuilen en risico’s op basis van de opgedane ervaringen binnen Design & Construct overeenkomsten. BB-8 verschaft de beoordelingscriteria voor een voorstel van de aannemer tot uitbreiding of reductie van het aantal meetpunten. Een deel van de projectonderdelen heeft als doelstelling om de kwaliteit van de door de aannemer gehanteerde werkprocessen te toetsen. Dat betreft de volgende aktiviteiten: • Toetsing monitoringplan B/K (wat het meten van zettingen betreft): WB-6 • Bepaling acceptatiepunten (wat de omgang met diversiteit bodemkarakter in relatie tot de zettingsrisico’s betreft): SB-7 • Evaluatie stuurproces zetting dmv TBM (wat de terugkoppeling van zettingsresultaten naar bijsturing TBM parameters betreft): SB-14. De basis voor de toetsing is gelegd door referenties te verzamelen en op te bouwen voor wat betreft: • het te verwachten zettingsgedrag als functie van stuurparameters en de daarbij aanwezige onzekerheden van zettingen in de tijd op basis van theorie en empirie

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 9

• het benodigde meetprotocol om daarmee de betrouwbaarheid van metingen zeker te stellen De door B/K gehanteerde aanpak is getoetst ten opzichte van deze referenties; de daardoor zichtbaar geworden risico’s zijn als zodanig in de rapportages vermeld en worden in dit rapport als direct projectresultaat weergegeven. Het restant van de projectactiviteiten, verwerkt in SB-15, heeft als doelstelling om het boorproces in combinatie met zakkingsresultaten selectief te volgen teneinde de beheersing van zetting direct te kunnen volgen. Dit om hiermee factoren te identificeren waardoor de voor de zetting relevante boorprocesinstellingen niet gehaald kunnen worden (bijv. drukverlies groutpompen, misaanwijzing drukregistratie), zonder dat deze al tot feitelijk geconstateerde overmatige zettingen hebben geleid. De nummering van de diverse projectonderdelen loopt niet sequentieel door, omdat een aantal onderdelen als optioneel gekenmerkt is. Dit betreft met name de kwantificering van de aanwezige risico’s. Het is de bedoeling om deze in DelftCluster verband verder uit te werken in het kader van een “HERMES +” project. Dat project heeft een rationeel beheerssysteem tot uitgangspunt. De scope ligt daarmee verder dan rationeel monitoring, wat binnen het bestaande HERMES project de aandacht heeft. Door de tijdsdruk die aan dit project ten behoeve van het HSL project is opgelegd, ontbrak de tijd om alle relevante aspecten voor een beheerssysteem volledig uit te werken binnen het tijdsframe van DelftCluster projecten. Waar beperkingen aangebracht moesten worden zijn deze in overleg met de opdrachtgever bepaald. Aspecten als de eenduidigheid van de te hanteren risicomatrix zijn in dit project niet belicht.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 10

3

RESULTATEN.

Dit hoofdstuk geeft de essentie van de behaalde resultaten per projectactiviteit weer. De manier waarop de afzonderlijke activiteiten in samenhang een toetsingskader voor het door de aannemer gehanteerde werkproces vormen, wordt in het volgende hoofdstuk weergegeven.

3.1

Inventarisatie grijze gebieden (WB-1)

Dit projectonderdeel is gericht op het bepalen van grijze gebieden bij de risicobeheersing in het geval van design en construct contracten. Uit de inventarisatie van grijze gebieden (Ref. 1), is vanuit de aansprakelijkheidsdiscussie gebleken dat het de verantwoordelijkheid van de aannemer is om op adequate wijze op geotechnische onzekerheden in te spelen. Gebleken is dat met name bij vernieuwende projecten zekerheden in de vorm van een kwaliteitscontrole een onvoldoende waarborg vormen voor risicobeheersing. Betrokkenheid van de opdrachtgever door beoordeling van werkprocessen is van groot belang. Bij de inventarisatie is gebleken dat modellering alleen geen waarborg vormt dat aan de zettingseisen voldaan kan worden. Daarvoor is een adequate terugkoppeling van meetresultaten naar het boorproces noodzakelijk.

3.2

Offspec parameters gebruikmakend van Catsby (WB-2)

In dit rapport is een voorstel gedaan voor de te gebruiken stuurparameters om zakking te beheersen. Hierbij is een terugkoppeling van zakkingsresultaten naar de TBM instellingen noodzakelijk om zakking in reactie op TBM instellingen nauwkeurig weer te geven. Als stuurparameter voor de zakking is de Grout Filling Ratio voorgesteld; de hoeveelheid grout zoals per tunnelring aangebracht gedeeld door de afstand tussen: a) schild en de externe tunnel-lining en b) de overexcavation als gevolg van de gehanteerde boordiameter en de hoek van de TBM t.o.v. de ontwerp tunnelas. Daarnaast zijn drie parameters voorgesteld om de stabiliteit van het boorproces te volgen; twee waarmee onregelmatigheden, die van belang zijn voor plaatselijke zakking, zichtbaar worden; één om de stabiliteit van het boorproces te volgen.

3.3

Voorspellingsmarges van model (WB-3)

Dit projectonderdeel is gericht op het vaststellen van de onzekerheid in zakking waar een perfecte (optimaal nauwkeurige) voorspelling aan onderworpen is. In dit projectonderdeel is vastgesteld dat in een drietal relevante (- tunnelbouw in slappe grond-) praktijksituaties, gebruikmakend van modellen voor de berekening van zakking, in het beste geval de feitelijke zakking met een standaarddeviatie van 3 mm te berekenen valt. Wanneer (gebruikmakend van een gevalideerd model) de zakking op de bepalende factoren gestuurd wordt is daarmee dus in het beste geval op 3 mm nauwkeurig (Std. Dev.) te sturen; wanneer die sturing ontbreekt, bedraagt de standaard deviatie in het beste geval 7 mm. De aanwezige onzekerheden zijn een gegeven; om stabiele werkprocessen te verkrijgen zullen de gehanteerde beoordelingscriteria de aanwezigheid van onzekerheden moeten kunnen tolereren. De noodzaak is vastgesteld om een zettingsdoel te definiëren dat ruim (in termen van de onzekerheid) binnen de acceptatiegrenzen ligt. De effectiviteit van de sturing op dat zettingsdoel is te verbeteren door een “alert niveau” aan te brengen wat incidenteel (in 5% van de gevallen) overschreden kan worden. Gegeven de door de aannemer gehanteerde procesinstellingen, waarbij gestuurd wordt op de zettingseis in plaats van op een (scherper gesteld) zettingsdoel, is een aanzienlijk percentage overschrijdingen van de zakkingseisen begroot. Op basis van de beschikbare informatie is een acceptatiegrens van 16 mm als een reëel uitgangspunt vastgesteld voor de gebieden met 10 mm zakkingseis. Dit kwaliteitscriterium betreft één afzonderlijke resultaatbeoordeling.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 11

De vraag hoe vaak met de hier gegeven beoordelingscriteria toetsing van het gemiddelde kwaliteitsniveau plaats zou moeten vinden, is onderzocht in § 3.8, “Criteria voor aanpassing dichtheid meetpunten (BB-8).”.

3.4

Begroting geotechnische onzekerheden (WB-4)

In dit projectonderdeel zijn de bij de GHT aanwezige geotechnische onzekerheden geanalyseerd en gekwantificeerd ten aanzien van maaiveldzakking. Daarnaast is de variatie in het reguliere, beheerste werkproces als uitgangspunt genomen. De factoren waarvan de variatie beschouwd is zijn de effectieve spanning en de grondwaterspanning in de kruin, de sterkte en stijfheidseigenschappen alsmede twee boorprocesparameters, de grout- en de boorfrontdruk. De door de HSl vanuit het referentieontwerp gehanteerde marge voor de boorfrontdruk is daarbij gehanteerd als het 90% zekerheidsgebied. Voor de variatie in de groutdruk is 2 x de variatie van de boorfrontdruk als uitgangspunt genomen. Vastgesteld is dat het instantane deel van de zakking, afhankelijk van het gebied een grote variatie kan hebben. Voor het 90% zekerheidsgebied kan dit oplopen tot 4 x de gestelde eis voor maximale zakking. De analyse laat ook de mogelijkheid van een extreme stijging zien. Daar tegenover staan gebieden waar de zakking beperkt blijft tot ca. 50% van de eis; de uiterst mogelijke stijging overtreft in alle gevallen de eis met een factor 1 –2. Uit de resultaten van de analyse is gebleken dat de effectieve korrelspanning een belangrijke parameter is voor de variatie van maaiveld zakkingen. Door de stuurparameters te corrigeren voor de verandering van de korrelspanning kan een betere beheersing van de zakkingen worden verkregen. Met name in de gebieden na de startschacht en voor de ontvangstschacht waar het alignment een sterke daling cq stijging vertoont zou dit de beheersing sterk kunnen verbeteren. De invloed van het tijdsafhankelijke deel in de zakking is berekend op maximaal 2 mm. Een meetduur van 4 dagen blijkt afdoende te zijn om het tijdsonafhankelijke deel van de zakking te registreren, mits het TBM front inmiddels ook meer dan 4x de tunneldiameter gepasseerd is. Voor een deel in het tracé blijken de door B/K voorgestelde boor- en groutdrukken niet in overeenstemming te zijn met de voor dat gebied gestelde eis voor de zakkingsbeperking tot 25 mm. In het rapport wordt het belang gesignaleerd van het beginnen met grouten op het moment dat de TBM vooruit beweegt. Toetsing van het werkproces van de aannemer op dit aspect beperkt de kans op zakking.

3.5

Kwaliteitscriteria voor een betrouwbare zettingsmeting (WB-5)

In dit rapport is nader uitgewerkt hoe een betrouwbare zettingsmeting is vorm te geven uitgaande van optische zakkingsmeetsystemen. Er zijn kwaliteitscriteria voor betrouwbare metingen aangegeven. De gestelde criteria gaan uit van een gestelde nauwkeurigheidseis waar aan te voldoen is; deze leidt tot criteria voor zowel het aantal herhalingsmetingen om ruis uit te middelen, als criteria voor het aantal stappen in de meting van het referentiepunt tot het zakbaken. Om de traceerbaarheid van het werkproces te waarborgen, is het noodzakelijk dat de volgende factoren gehanteerd worden in het werkproces: • Vastleggen van de sluitfout (verschil van meting van referentiepunt naar zakbaak en weer terug naar referentiepunt), • handhaving van uitgezette referentiebakens voor controle doeleinden. De vastgelegde criteria vormen een maatstaf voor de betrouwbaarheid van de meting zoals uitgevoerd in opdracht van de aannemer. Zonder deze maatstaf bestaat onzekerheid over de mate van beheersing.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 12

3.6

Toetsing van het B/K monitoringprotocol (WB-6)

In dit rapport is de informatie zoals beschikbaar met betrekking tot het door B/K gehanteerde monitoringsprotocol, gelegd naast de vereisten zoals die in WB-5 zijn vastgelegd. Gegeven de eisen in het PVE (de zakkingseis ligt op 1 mm nauwkeurig vast) wordt een nauwkeurigheid van de meting van 0,5 mm verondersteld. Het resultaat is dat eenduidigheid en daarmee een waarborg voor betrouwbaarheid ontbreekt op de volgende punten: 1/ kwaliteit van de te gebruiken instrumenten, 2/ de gehanteerde afstand tussen instrument van zakkingsmeting en het referentiepunt 3/ het benodigde aantal herhalingsmetingen om de vereiste nauwkeurigheid te halen 4/ de dichtheid van het meetnet en 5/ eisen m.b.t. de kwaliteit van de referentiepunten. De conclusies bevatten de aanbeveling om de aannemer een specificatie te laten vaststellen van zowel de benodigde betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de meting als de benodigde eisen voor het werkproces om die betrouwbaarheid te verkrijgen. Gegeven de aanwezige uitwerking van de gestelde eisen is voldoende vastgelegd met betrekking tot de punten: a/ de dichtheid van de meetplaatsen en b/ de meetfrequentie. Wanneer de kwaliteit van het werkproces getoetst gaat worden gebruikmakend van de ISO 2859, zal de dichtheid van de meetplaatsen aan de norm aangepast moeten worden. De algemene conclusie is dat de betrouwbaarheid van de zakkingsmetingen onvoldoende gewaarborgd is.

3.7

Afhandeling toetsingsresultaten (SB-7).

Om een effectieve toetsing en bijsturing mogelijk te maken, is het noodzakelijk het bij de toetsing behorende werkproces zo helder mogelijk te structureren door middel van een duidelijk gedefinieerde evaluatiestructuur. Een helder gedefinieerd afhandelingsproces wordt gekenmerkt door duidelijk gedefinieerde mijlpalen bij de beoordeling: “wanneer” en “hoe” wordt “wat” gecontroleerd. In dit geval, waarbij het werkproces van de aannemer getoetst wordt, zijn die mijlpalen gekoppeld aan de voortgang van de aannemer. Daarom zijn de mijlpalen gedefinieerd in de vorm van acceptatiepunten door middel van TBM posities in het veld met een eraan gekoppelde tijd voor reageren en actie van 3 dagen, rekening houdend met a) variatie in de zakking en de mogelijkheid van foutieve zakkingsresultaten door 3 meetpunten te vereisen en b) de benodigde tijd waarmee zettingsresultaten beschikbaar komen. In SB-7 zijn, op basis van het pakket van eisen, 4 plaatsen vastgelegd waar, gegeven de risico’s van zetting in het tracé van de HSL en de tot dan toe gerealiseerde zettingsresultaten, de gehanteerde werkwijze formeel als risicovol gemarkeerd kan worden. Dit is gedaan door acceptatiepunten te definiëren. Het voor controle en aanpassing van het werkproces benodigde gebied is vastgesteld en vergeleken met de door de aannemer vastgelegde gebiedsgrootte. Geconstateerd is dat met de gehanteerde definitie van acceptatiepunten het werkproces van de aannemer onvoldoende mogelijkheden biedt om de beheersing van zakking vast te stellen en bij afwijkingen nog bij te sturen. Geconcludeerd is dat het aan te bevelen is om de aannemer te wijzen op de risico’s van een werkproces waarin geen evaluatiemomenten aanwezig zijn die voldoen aan de definitie van een acceptatiepunt.

3.8

Criteria voor aanpassing dichtheid meetpunten (BB-8).

Dit rapport heeft als doel de benodigde dichtheid aan meetpunten vast te stellen, om de kwaliteit van de beheersing van zakking vast te stellen. In dit rapport is beargumenteerd dat omwille van de aanwezige variatie in invloedsfactoren, in alle 12 gebieden met een verschillend zakkingskarakter (volgens Ref. 10) een ondergrens met zeker 3 metingen noodzakelijk is om beheersing van het werkproces vast te kunnen stellen (waarmee zonder verdere kwaliteitscriteria aan de gestelde eisen is te voldoen).

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 13

Te allen tijde zijn dus 3 meetresultaten nodig om de TBM instelling te wijzigen op basis van het zakkingsresultaat. Om beheersing van een productieproces als waarborg voor kwaliteit op een continue basis aan te kunnen tonen, is de toepasbaarheid van de ISO 2859 onderzocht (norm voor steekproefgewijze controle van producten op basis van meetbare producteigenschappen). Voor de definitie van het product zetting is in dit geval een gebied van 30 meter lengte boven de tunnel vastgesteld. Dat is gebaseerd op de effecten van veranderingen in het ondergrondse werkproces op zetting, zoals vastgelegd middels het invloedsgebied van de trogbreedte. De daarbij behorende stapgrootte is voldoende klein om veranderingen in het continue constructieproces te volgen. Met dit uitgangspunt is in deze situatie één meting per 30 meter een afdoende basis voor 100% controle in de kritische gebieden. Per gebied met een unieke zettingsverwachting, zoals vastgelegd in SB-13 (zie volgende paragraaf), is op basis van de ISO 2859 vastgesteld welke groepsgrootte praktisch hanteerbaar is over het grootste deel van de tunnel. Dat blijkt een groep van 8 producten te zijn (2-8 producten is de kleinste groep uit de ISO 2859). Om controle met een gereduceerde steekproefomvang plaats te laten vinden, blijkt gebruikmakend van deze groepsgrootte conform de ISO 2859 een totale hoeveelheid van minimaal 20 metingen over 10 groepen van 8 producten noodzakelijk te zijn, wil afdoende aangetoond kunnen worden dat de geleverde kwaliteit beheerst is. Dat impliceert 10*8*30 meter, ofwel 2,4 km. Dit traject overtreft de trajectlengtes zoals gedefinieerd in de vlekkenkaart (§ 3.9) gezien de aanwezige varieteit in gebieden. Uitgaande van de groepsgrootte kan nergens in het gehele tracé met een gereduceerde steekproefomvang gecontroleerd worden. Daarnaast is een voorstel gedaan voor het te hanteren kwaliteitsniveau in de vorm van het acceptabele kwaliteitsniveau (AQL; een maat voor het kunnen accepteren van afwijkingen), afhankelijk van de aanwezige risico’s in een bepaald gebied. Op basis van het AQL en de daarbij behorende steekproefomvang is per gebied uit de vlekkenkaart een steekproefomvang van 25%, 33% of 100% als noodzakelijk vastgesteld om de mate van beheersing te toetsen. Geadviseerd is om in overleg met de aannemer de ISO 2859 te hanteren als middel om de geleverde kwaliteit te beoordelen. Omdat de hanteerbaarheid van relevante criteria als AQL en groepsomvang voor deze situatie vastgesteld zijn, is daarmee een hulpmiddel aanwezig om de mate van beheersing van het werkproces gestructureerd te volgen.

3.9

Vlekkenkaart / categorie indeling zettingsgedrag (SB-13).

In dit rapport is een gebiedsindeling gemaakt over het tracé van de tunnel, waarbij voor elke gebied een verschillend zakkingskarakter verwacht wordt. De voor de indeling beschouwde factoren zijn de zettingseisen (bepaalt het werkproces en daarmee de zettingsverwachting), de geologie en de daarbij begrootte karakteristieke zakkingstrog en de geometrie (diepteligging) van de tunnel. Voor het gehele traject zijn 12 gebieden (schachtgebieden uitgezonderd) onderscheiden die een divers zettingsgedrag hebben. In het kader van het rapport geldt een zone als één gebied, wanneer met een VASTE instelling van de aan de gronddruk gerelateerde TBM parameters te voldoen is aan aldaar geldende zakkingeis.

3.10 Evaluatie stuurproces (SB-14). De aannemer hanteert een werkproces uitgaande van een model voor de zetting en gebruikmakend van TBM parameters. Dit model is gevalideerd door op één plaats in het tracé uitgebreide metingen te verrichten in een aangebracht meetveld en de resultaten daarvan te plaatsen naast de resultaten van de berekening voor die plaats. Binnen SB-14 is vastgesteld in welke mate op basis van deze werkwijze een zettingsresultaat te verwachten is wat binnen de gestelde eisen valt.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 14

Daarbij is gebleken dat: • De diversiteit aan situaties door de geologie en grondwaterstanden in het gebied, de geometrie van de tunnel en de gestelde zettingseisen, feitelijk leiden tot 12 situaties die onderling verschillen (Ref. 4). Met een aparte afregeling van de TBM procesinstellingen voor ieder van deze gebieden, zou het werkproces optimaal voorbereid zijn voor de gestelde zettingseisen. Het gehanteerde werkproces kent in feite echter 8 instellingen van boordruk en groutdruk die worden gehanteerd om aan 2 eisen te voldoen (10 en 25 mm zetting). • De gehanteerde tijdsduur waarover gemeten wordt is vastgelegd is door tot 60 meter ná passage TBM met een meetfrequentie van 1 keer per dag te meten. Dit komt overeen met het meten gedurende minimaal 3 dagen bij de maximale TBM snelheid van 17 meter/dag. Dat is voor de verschillende gebieden (Ref. 4 aangevuld met Ref. 5) niet voldoende om het criterium voor de eindzetting als gevolg van het bouwproces te halen van 4*tunneldiameter na passage TBM. • De aanwezige kwaliteitswaarborgen voor de meting van zetting, komen niet overeen met vereisten waarmee de detectie van een foutief meetresultaat en een traceerbaar werkproces gewaarborgd is (Ref. 5 aangevuld met Ref. 6 (WB-6)). • Op grond van voorgaande punten, is een duidelijke kans aanwezig op grotere zetting dan op basis van de gestelde eisen gewenst. HSL heeft het advies ontvangen om, vanuit de toetsende rol, de aannemer en diens risicomanager bekend te maken met deze risico’s om daarmee de aannemer tot gepaste maatregelen aan te zetten.

3.11 TBM Monitoring tool (SB-15). WB-2 heeft de dimensieloze parameters voor (a) de “Overexcavation ratio” en (b) de “Grout Filling Ratio” vastgesteld, waarmee het boorproces te volgen is op factoren die indicatief zijn voor de maaiveldzetting. Gebruikmakend van deze parameters, is in SB-15 de functionele specificatie voor een software tool beschreven die toegepast is in een functioneel prototype met de volgende eigenschappen: • Uitschieters in de waarde van de te volgen parameters en foutieve stuur gegevens worden in een logfile vastgelegd, teneinde herhalende incidenten te registreren en deze indien nodig gericht aan te pakken. • De output van Catsby wordt als ringgemiddelde met de resultaten van maaiveldzetting gecombineerd binnen een TBM monitoring systeem met behulp van een (bijv. Access) database. • Dit systeem levert na calibratie met concrete zettingsresultaten “alert” en “alarm” registraties voor de begrootte zetting per tunnelring, uitgaande van de aanwezige TBM procesinstellingen. • Met deze informatie is het door de aannemer gehanteerde werkproces gericht te volgen door voor iedere ring de actuele verhouding van (a) en (b) te koppelen aan het historische lineaire verband tussen zakking en de parameterverhouding. • De “alarm” registraties vormen altijd een aanleiding tot terugkoppeling van dit resultaat naar de risicomanager van de aannemer om deze te informeren over de begrootte overschrijding van het pakket van eisen. • Een optredend “alarm” in de als kritisch aangemerkte gebieden, levert een geformaliseerde aktie op tot toetsing of de voorziene consequenties van overschrijding van de zettingseisen waarneembaar zijn en daar indien noodzakelijk aktie op te nemen. De onzekerheid in de zetting, zoals die in de praktijk aanwezig is (resultaat WB-3) is in de indicator verwerkt door de aangebrachte bandbreedte van het “alert” gebied. Een “alert” melding heeft de status dat overschrijding van de bestekseisen mogelijk is, maar niet met normale zekerheid te voorspellen is. Een “alert” melding wordt binnen HSL geëvalueerd op de aanwezige oorzaak. Daarom wordt een logfile bijgehouden om daarmee opvallende kenmerken in het stuurgedrag van de TBM vast te kunnen stellen.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 15

4

TOETSINGSKADER

In dit hoofdstuk wordt de gehanteerde aanpak getoetst door deze te plaatsen naast de rationele stappen zoals die in de HERMES procesbeschrijving zijn weergegeven. Doelstelling van dit hoofdstuk is evaluatie van de kwaliteit van de aanpak in HERMES criteria. De HERMES aanpak betreft een beschrijving van achtereenvolgens uit te voeren activiteiten. De beoordeling of de diverse stappen doorlopen zijn is uitgewerkt door op thema niveau te beoordelen of dat aspect ingevuld is. Hieruit resulteert dan een tabel in de vorm van een soort checklist zoals hieronder weergegeven. Wanneer in deze tabel een aspect is benoemd in de kolom “Verwerkt in:”, dan is dat aspect van HERMES in het monitoringproject uitgewerkt. Men dient zich te realiseren dat e.e.a. NIET betekent dit aspect in het bestaande monitoring protocol van de aannemer verwerkt is. In het vorige hoofdstuk is behandeld of dát het geval is. In de HERMES filosofie worden de volgende onderdelen benoemd die van belang zijn bij een monitoringstrategie: a) de ontwerpeisen b) de ontwerpmethode c) de evaluatie van het monitoringsysteem. Op welke manier de diverse criteria verwerkt zijn, blijkt uit de volgende tabel waarin verwezen wordt naar referenties waarin uitwerking heeft plaatsgevonden. Aspect Toelichting Verwerkt Conclusie: in (ref): Ontwerp eisen (die vastgelegd dienen te zijn) Prestatie eis De te bewaken WB-5; Meettechnisch en methodologisch is grenstoestanden, WB-6 het controlesysteem uitgewerkt; nauwkeurigheid, onzekerheid m.b.t. het bouwproces van betrouwbaarheid de aannemer resteert (bijv.: is groutdruk wel goed instelbaar) ToepassingsBepaalt de SB-13; Aanwezige geotechnische varieteit is gebied constructiedelen BB-8 als invloedsfactor geidentificeerd en waarvoor het systeem heeft weerslag op monitoring opzet. toe te passen is. Gebruiksduur Van belang om zeker SB-7; Aanwezige tijd van meten is te stellen dat in de WB-5 uitgewerkt; de gebruiksduur (tijd van tijd een voldoende instandhouding) van de referentiebaken relevant beeld is is onbeperkt. verkregen BetrouwbaarVan belang om de WB-5 Uitgewerkt uitgaande van impliciet heidseis trefzekerheid van het “normaal werken”. gehele systeem vast Betrouwbaarheid beperkt zich tot het te leggen monitoringsysteem; betrouwbaarheid van relevante componenten in het bouwproces is niet belicht. Budget voor Van belang om N.v.t. Kosten voor totale monitoring is niet totale balans te vinden gespecificeerd; vormt een onderdeel van het totale pakket van de aannemer. monitoring tussen eisen en uitvoering. Balans tussen kosten en baten (besparing op correctieve maatregelen) is beperkt uitgewerkt in BB-8.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 16

Aspect

Toelichting

Ontwerpaspecten: Te monitoren Betreft de parameters parameters waarop de beheersaandacht zich richt. Wanneer monitoren

Beperking aanbrengen voor wat betreft de intensiteit (in tijd) van meten Waar monitoren Beperken van de ruimtelijke dichtheid van monitoring Hoe monitoren Vastleggen van het benodigde instrumentele systeem Betrouwbaarheid, Bedrijfszekerheid nauwkeurigheid. tijdens gebruiksfase waarborgen

Verwerkt in (ref): WB-5; SB-15; WB-2 WB-5

BB-8 WB-5

Conclusie: Complete uitwerking monitoring van zakking; uitwerking relevante TBM parameters beperkt tot identificatie items in WB-2 en registratie parameters in SB-15. Compleet uitgewerkt op basis van de variatie in de tijd van zakking en het gestelde doel tot controle van gestelde eisen. Uitgewerkt op basis van een redelijke aanname voor het niveau waarmee de kwaliteit geborgd moet zijn. Uitgewerkt door identificatie van componenten in het instrumentele systeem met eisen per component.

WB-5

Uitgewerkt door onderhoudsprogramma in de vorm van instrumentcontroles en benodigde calibratiecertificaten. Evaluatie monitoring ontwerp op de volgende punten: Gevoeligheid Check ontwerp punt WB-5 Uitgewerkt Intensiteit Check ontwerp punt BB-8 Uitgewerkt Nauwkeurigheid Check ontwerp punt WB-5; Uitgewerkt SB-6 Beschikbaarheid Check ontwerp punt Of voldoende capaciteit aanwezig is om de monitoring uit te voeren moet tijdens de toetsing gedurende de bouw blijken. Behoort als uitvoeringstoets bij taken aannemer. Rapportage Beoordeling totaal SB-7 Uitgewerkt frequentie proces; betreft rapportage naar afnemer monitoring (aannemer) Effectiviteit voor Check gestelde Dit Uitgewerkt doel doelen rapport Tabel 1: Check op overeenkomst van gevolgde aanpak met HERMES onderdelen

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 17

5

CONCLUSIES.

In dit initiatieproject zijn HERMES criteria toegepast voor wat betreft het definiëren van het “wat, waarom en wanneer” van een monitoringplan. Daarnaast is een voorschot genomen op de te ontwikkelen “HERMES +” beheersfilosofie door de benodigde terugkoppeling van zakkingsresultaten naar de sturing van zakking te onderzoeken. Dit heeft geleid tot de volgende inzichten met betrekking tot de uitvoering van het monitoringplan: Wat: het is noodzakelijk om zettingen te meten om daarmee het TBM proces ondergronds bij te kunnen sturen. De intensiteit van terugkoppeling is afhankelijk van aanwezigheid van kritische objecten en de in die omgeving aanwezige variatie in de geologische situatie. Criteria voor omvang van meetplan en de variatie van de geologische situatie zijn uitgewerkt. Waarom: de voorspelling van zettingen op basis van procesparameters bezit een relatief grote onzekerheid; dat is gebleken uit de berekening van de begrootte zakking op basis van de bekende variatie in grond en variatie in werkinstelling. Het is daarom noodzakelijk om te compenseren voor de onzekerheid door daar zowel met de werkinstelling als de acceptatiecriteria als door middel van de terugkoppeling rekening mee te houden. Wanneer: De intensiteit van zettingsmetingen is afhankelijk gesteld van de aanwezige risico’s van overschrijding van de gestelde eisen. Grotere risico’s vereisen een hogere mate van beheersing van het werkproces dan zonder die risico’s. Deze beheersing is vormgegeven middels acceptatiecriteria en de dichtheid van het meetraster, op basis van de ISO 2859. Waar: De begroting van de aanwezige variatie in zakkingen op basis van verschillende situaties m.b.t. grondsamenstelling, grondwaterniveau’s en de verschillende aanwezige eisen, hebben geleid tot de idenficatie van 12 gebieden die als verschillend zijn te karakteriseren. Ieder van deze gebieden vergt een eigen benadering waarbij opnieuw op basis van terugkoppeling van het resultaat naar de TBM instellingen een optimaal resultaat te behalen is. Op basis van deze inzichten is de opdrachtgever in staat gesteld om de aannemer te wijzen op aanwezige risico’s. Door het gehanteerde werkproces te toetsen tegen een eenduidig werkproces wat voldoet aan de HERMES ontwerpcriteria zijn risico’s geïdentificeerd; met de daarop volgende verbeteracties is de uiteindelijke mate van beheersing van zakking te vergroten. Hiermee is invulling gegeven aan het gestelde doel om zakking te beheersen vanuit de toetsende rol. Dit initiatieproject heeft op de volgende gebieden ingespeeld op concrete beheersaspecten die in de scope van het HERMES project nog niet uitgewerkt waren: • Opdelen van benodigde aktiviteiten naar een verdeling van taken, gegeven de verschillende verantwoordelijkheden van aannemer en opdrachtgever. • Matchen van benodigde informatie betreffende de tijd (benodigde tijdsduur van meten) op het door de aannemer gehanteerde werkproces, waarbij activiteiten in de ruimte (tunnelas) worden gespecificeerd. In dit werkproces is het door de aannemer opgezette systeem voor risicobeoordeling als maatgevend beschouwd. De afweging tussen meetintensiteit en risico is in de bestaande HERMES opzet niet van een integrale risicoafweging voorzien. Om een volledig beheerssysteem voor zetting te realiseren, is het daarom nodig om in het vervolg van HERMES in DelftCluster verband een risicoinventarisatie uitgaande van de werkelijke effecten van zakking uit te werken. Daarvoor dient een methodiek te worden vastgesteld voor het categoriseren van de mate van zetting, de effecten ervan en de waarschijnlijkheid van optreden. De case heeft laten zien dat de rationele HERMES criteria een hoeveelheid uitgangspunten geeft waarmee een bestaand monitoringplan te traceren is tot het gestelde doel; een beheersmatig correctief doel leidt tot een duidelijk andere opzet dan een beheersmatig preventief doel. In de case is gebleken dat de HERMES monitoringaanpak de mogelijkheid biedt om de kwaliteit van een bestaande monitoringopzet te toetsen op bepaalde “ijkpunten”. Omdat een

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 18

dergelijke uitwerking ten tijde van dit project nog ontbrak, is op deze plaats een eerste aanzet uitgewerkt. Een uitwerking van deze ijkpunten in de vorm van een checklist biedt de mogelijkheid om een monitoringontwerp te voorzien van een beoordelingscertificaat. De uitgangspunten en de kwaliteit van het monitoringontwerp zijn met zo’n checklist overzichtelijk te documenteren ten behoeve van de gebruiksfase.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 19

6

AANBEVELINGEN.

De in het project opgedane ervaringen leiden tot de volgende aanbevelingen voor uitbreiding van de HERMES ontwerp methode: Ƒ ontwikkeling van een checklist met ruimte voor argumentatie en referenties om daarmee een monitoringontwerp op volledigheid te toetsen en het uitgewerkte ontwerp voor de beheersfase te documenteren. Ƒ Inbreng van een integraal model voor risicobeoordeling, om daarmee de balans tussen de omvang van een monitoringplan en het aanwezige risico te kunnen vinden, ook indien faalkosten onbekend zijn. Ƒ Uitwerken van de HERMES aanpak tot de beheersfase, om daarmee de omvang van het pakket aan beheer en onderhoud op eenduidige wijze vast te leggen waarmee de door het monitoringsysteem te leveren prestatie op het vereiste niveau gehouden wordt. Ƒ Uitontwikkeling van de HERMES aanpak tot een basismethode, die in de GWW sector als leidraad toe te passen is.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 20

7

REFERENTIES.

Ref. 1. “Projectinhoud toetsende rol bij risico-beheersing zettingen. G.H. Wijnants. 5Oct. 2001. TNO Bouw Notitie no. 2001-CI-N1001. Ref. 2. (WB-1) Toetsende rol. Inventarisatie grijze gebieden WB1. 4 December 2001. Rapport no. 2001-CI-R1046. D.J. Molenaar; G.H. Wijnants. TNO Bouw Ref. 3. (WB-2) Offspec parameters gebruikmakend van Catsby WB2. 7 Dec. 2001. Rapport no. 2001-CI-R1034. G. Esposito. TNO Bouw. Ref. 4. (WB-3) Voorspellingsmarges van model. G.H. Wijnants. Jan. 2002. TNO Bouw Rapport no. 2002-CI-R2042. Ref. 5. (WB-4) Methodiek om geotechnische onzekerheden mee te nemen. H. Brinkman GeoDelft. Ref. 6. (WB-5) Kwaliteitscriteria voor een betrouwbare zettingsmeting. R. Stoevelaar GeoDelft. Ref. 7. (WB-6) Risicobeheersing uitvoering Boortunnel Groene Hart. – Beoordeling monitoringprotocol op betrouwbaarheid. 29 Januari 2002. Rapport no. 2002-CI-R-2017. D.J. Molenaar TNO Bouw. Ref. 8. (SB-7) Risicobeheersing uitvoering Boortunnel Groene Hart – Acceptatiepunten (meetpunten/acceptatie punten alvorens de kritische gebieden te passeren). 30 Januari 2002. Rapport no. 2002-CI-R-2013. D.J. Molenaar TNO Bouw. Ref. 9. (BB-8) Vaststellen criteria voor aanpassing dichtheid meetpunten. April 2002. Rapport no. 2002-CI-R2045. G.H.. Wijnants TNO Bouw. Ref. 10. (SB-13) Risicobeheersing uitvoering Boortunnel Groen Hart tunnel. Vlekkenkaarten. Dec. 2001 Projectnummer CO-402830.0004.. M. Korff. GeoDelft. Ref. 11. (SB-14) Evaluatie van het door BK gehanteerde beheersingsproces voor zetting bij GHT. 9 April 2002. Rapport no. 2002-CI-R2057. G.H. Wijnants; G. Esposito. TNO Bouw. Ref. 12. (SB-15) Functionele specificatie softwareprogramma voor predictie zakkingsresultaten gebruikmakend van Catsby. Rapport no. 2002-CI-R2058. 13 Maart 2002. G.H. Wijnants TNO Bouw.

Datum 20-jan-2003

HERMES case "risicobeheersing vanuit toetsende rol" / 01.01.07-04

Pagina 21

TNO-rapport 2000-CON-DYN-R2101

Vergelijking van monitoringstrategieën op basis van HERMES-monitoringsfilosofie Case studie: gewapend betonnen ligger

TNO Bouw

Contactpersoon P.H. Waarts Lange Kleiweg 5, Rijswijk Postbus 49 2600 AA Delft Telefoon 015 284 20 00 Fax 015 284 39 90

Datum

3 november 2000

Auteur(s)

Ir. M.S. de Wit Dr. ir. P.H. Waarts Prof. ir. A.C.W.M. Vrouwenvelder Opdrachtgever

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.

: Delft Cluster Postbus 69 2600 AB Delft

Projectnaam

:

Projectnummer

:

DC 1 Monitoren

Aantal tabellen

: 49 :

Aantal figuren

:

Aantal pagina's

© 2001 TNO

Nederlandse Organisatie voor toegepastnatuurwetenschappelijk onderzoek TNO TNO Bouw verricht onderzoek en geeft advies over b t kk lijk i d ht d

Op opdrachten aan TNO zijn van toepassing de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO

2 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Inhoud

1.

Inleiding 4

2.

Basisfilosofie ............................................................................................... 5 2.1 Definitie van monitoring.............................................................. 5 2.2 Waarom monitoren?..................................................................... 5 2.3 Monitoringstrategie...................................................................... 5 2.3.1 Formulering van het beslissingsprobleem.................................... 7 2.3.2 Herhaalde observaties ................................................................ 10 2.4 Samenvatting.............................................................................. 11

3.

Case beschrijving....................................................................................... 13 3.1 Inleiding ..................................................................................... 13 3.2 Voorbeeldconstructie ................................................................. 13

4.

Betrouwbaarheid ....................................................................................... 15 4.1 Inleiding ..................................................................................... 15 4.2 Grenstoestandsfunctie ................................................................ 15 4.3 Modellering grenstoestandsfunctie ............................................ 17 4.3.1 Inleiding ..................................................................................... 17 4.3.2 Maximaal opneembaar buigend moment ................................... 17 4.3.3 Opgelegd buigend moment Mload ............................................... 19 4.4 Modelparameters........................................................................ 19

5.

Initiële betrouwbaarheidsanalyse .............................................................. 21

6.

Monitoring................................................................................................. 23 6.1 Inleiding ..................................................................................... 23 6.2 Visuele inspecties....................................................................... 24 6.2.1 Inleiding ..................................................................................... 24 6.2.2 Eerste inspectie .......................................................................... 26 6.2.3 Tweede inspectie........................................................................ 28 6.3 Inspecties met meetapparatuur................................................... 30 6.3.1 Inleiding ..................................................................................... 30 6.3.2 Eerste inspectie .......................................................................... 30 6.3.3 Update van model voor random variabelen ............................... 31 6.3.4 Update van betrouwbaarheidsanalyse ........................................ 35 6.3.5 Tweede inspectie........................................................................ 36 6.3.6 Update van model voor random variabelen ............................... 37 6.3.7 Update van de betrouwbaarheidsanalyse ................................... 39

3 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

7.

Samenvatting ............................................................................................. 40

Literatuur .................................................................................................................. 41 Appendix A Bayesiaanse bijstelling na 1e inspectie ............................................... 43 A-posteriori kansdichtheid na 1 e inspectie ................................................ 43 A-priori kansdichtheid............................................................................... 43 Likelihood ................................................................................................. 44 Kans op de observatie................................................................................ 45 Reliability analysis .................................................................................... 45 Appendix B Bayesiaanse bijstelling na volgende inspecties ................................... 48 A-posteriori kansdichtheid na 2 e en volgende inspecties .......................... 48 Likelihood LX(2) .......................................................................................... 48 Kans op de observatie................................................................................ 49 Reliability analysis na 2e en volgende inspecties ...................................... 49

4 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

1. Inleiding Het Delft Cluster Project 01.01.07 heeft tot doel een methodiek te ontwikkelen ter ondersteuning van rationeel ontwerp en de evaluatie van monitoringstrategieën aan civieltechnische en geotechnische constructies. Het project richt zich vooral op monitoring ter bewaking van de betrouwbaarheid van deze constructies. Bij het ontwerp van veel monitoringstrategieën wordt onvoldoende stilgestaan bij het waarom van monitoren. Dat heeft tot gevolg dat keuzen met betrekking tot wat, waar, wanneer en hoe monitoren op ad-hoc basis worden benaderd. Aan deze keuzen gaat geen systematische, (kwantitatieve) analyse vooraf, zodat het resulterende monitorprogramma mogelijk focust op indicatoren die niet maatgevend of niet gevoelig zijn. Dit zal in veel gevallen leiden tot een sub-optimaal rendement van de monitoringstrategie. Dit document schetst eerst de hoofdlijnen van een filosofie voor het ontwerp van een monitoringstrategie, waarin de genoemde keuzes op systematische en rationele wijze worden benaderd. Vervolgens wordt de strategie toegepast op een case, waarin twee monitoringstrategieën worden geëvalueerd.

5 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

2. Basisfilosofie

2.1 Definitie van monitoring Van Dale geeft bij ‘to monitor’: controleren, toezicht houden. Dit impliceert het optreden van verandering, van een proces dat gevolgd wordt. Om dit te kunnen doen, zijn observaties, metingen aan het proces nodig. Monitoren is daarmee het meten aan een proces teneinde dit proces (of de relevante aspecten daarvan) te volgen.

2.2 Waarom monitoren? In de meest algemene zin is het doel van monitoren om meer informatie te verkrijgen over het proces waarop de monitoring zich richt. Aan monitoren ligt dus een informatievraag ten grondslag. Deze vraag kan optreden in verschillende contexten, bijvoorbeeld: a. operationeel: keuzen, beslissingen b. wetenschappelijk: valideren, kalibreren, verbeteren modellen, toetsen van hypothesen c. juridisch: voldoen aan wettelijke verplichting, verkrijgen van vergunning In dit project ligt de nadruk op de eerste twee contexten: de beslissingscontext en de gevolgtekkingscontext. In de eerste context dient de via monitoring verkregen informatie als ondersteuning van bepaalde beslissingen, die moeten worden genomen in tijdens bouw of beheer van de constructie. In de tweede context worden de via monitoring verkregen gegevens bijvoorbeeld gebruikt om ontwerpmodellen, op basis waarvan initiële (betrouwbaarheids)analyses zijn gemaakt, bij te stellen of te toetsen.

2.3 Monitoringstrategie Een monitoringstrategie is het antwoord op de vragen wat te monitoren en hoe. Deze vragen vormen een besluitvormingsprobleem. We beperken ons ter illustratie even tot de beslissingscontext. Figuur 2.1 schetst een eenvoudig beslissingsprobleem, waarin een keuze moet worden gemaakt tussen al dan niet repareren van een constructie.

6 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

repareren

niet repareren

 

falen in volgende t kosten reparatie

 

niet falen in volgende t kosten reparatie

 

falen in volgende t geen additionele kosten

 

niet falen in volgende t geen additionele kosten

Figuur 2.1 Illustratie van een eenvoudig besluitvormingsprobleem

In deze beslissingsboom geven de takken aan de vierkante beslisknoop de mogelijke acties aan. De takken aan de ronde kansknopen geven de mogelijke toestanden weer die kunnen voortvloeien uit de actie. Deze toestanden zijn beschreven in voor de beslisser relevante attributen of prestaties, in dit geval al dan niet falen van de constructie en additionele kosten. Wanneer de beslisser weinig informatie heeft over de huidige staat van de constructie kan hij overwegen een meting te laten uitvoeren alvorens de gegeven beslissing te nemen. Daarmee breidt hij het beslissingsprobleem in feite uit. Dit is weergegeven in Figuur 2.2. Hoewel het tweede beslissingsprobleem complexer is dan het eerste, is voor het nemen van een rationele beslissing in beide problemen een vergelijkbare aanpak nodig. In deze twee voorbeelden is de beslisser al op een punt in de analyse aangekomen waar hij een goed overzicht heeft van de mogelijke acties die open staan en de relevante aspecten van de mogelijke gevolgen van deze acties. Om de analyse te voltooien dient hij nog te bepalen met welke waarschijnlijkheden de verschillende mogelijke gevolgen (takken van de ronde kansknopen) zullen optreden. Om op basis van deze analyse op rationele gronden een actie te kiezen, zal hij voor iedere actie de mogelijke gevolgen moeten afwegen tegen de waarschijnlijkheid waarmee deze kunnen optreden. Voor dit soort opgaven geeft met name de Bayesiaanse beslissingstheorie een goed houvast (zie bijvoorbeeld French, 1993, French and Smith, 1997, JCSS, 2000). Deze theorie biedt de mogelijkheid om via een analytische aanpak, waarin het totaalprobleem wordt uiteengerafeld in overzichtelijke en behapbare deelproblemen, te komen tot een goed begrip van het beslissingsprobleem en daarmee tot een rationele keuze (voor een praktijkvoorbeeld zie Hellevik en Langen, 2000).

7 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

mogelijke observaties repareren

niet repareren

 

falen in volgende t kosten reparatie + meting

 

niet falen in volgende t kosten reparatie + meting

 

falen in volgende t kosten meting

 

niet falen in volgende t kosten meting

meten

niet meten repareren

niet repareren

Figuur 2.2

 

falen in volgende t kosten reparatie

 

niet falen in volgende t kosten reparatie

 

falen in volgende t geen additionele kosten

 

niet falen in volgende t geen additionele kosten

Uitbreiding van het besluitvormingsprobleem met de keuze tussen wel of niet meten.

Het zal duidelijk zijn, dat Figuur 2.1 en Figuur 2.2 een sterk vereenvoudigd beeld geven van de problematiek. Op de eerste plaats zal het besluitvormingsprobleem over het algemeen niet zo helder worden aangeleverd in de vorm van een kant en klare beslissingsboom. Bovendien gaat het bij monitoring meestal niet om één enkele meting, maar om herhaalde observaties. Deze twee aspecten komen hieronder achtereenvolgens aan de orde.

2.3.1 Formulering van het beslissingsprobleem Om een beslissingsboom te kunnen opstellen, dient eerst geïnventariseerd te worden welke mogelijke acties er eigenlijk in overweging kunnen of moeten worden genomen en welke aspecten van de mogelijke gevolgen eigenlijk belangrijk zijn. In het voorbeeld gaat de keuze tussen wel of niet meten, in problemen van praktische relevantie zal er een scala van mogelijke meet- of monitoringstrategieën zijn waaruit kan worden gekozen.

8 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Bij de inventarisatie van mogelijke strategieën spelen vooral twee aspecten een belangrijke rol: a. de informativiteit van een strategie: in hoeverre deze in staat zal zijn de oorspronkelijke kennis te vergroten of bij te stellen. b. de implicaties van het adopteren van een strategie in termen van bijvoorbeeld kosten en oponthoud. Deze aspecten worden hieronder kort besproken.

Inventarisatie Bij de inventarisatie en de evaluatie van de informativiteit van een monitoringprogramma spelen de elementen uit Figuur 2.3 een centrale rol. De beslisser heeft de relevante aspecten van de mogelijke consequenties vertaald naar kwantificeerbare prestaties. Met behulp van een procesmodel kunnen deze prestaties worden bepaald (inclusief hun onzekerheden) op basis van de modelparameters x. Informatie over deze modelparameters is in eerste instantie slechts beschikbaar uit apriori kennis. Via observaties kan de kennis over x worden bijgesteld. Het is echter niet noodzakelijk, dat deze observaties ook daadwerkelijk aan de parameters x worden gedaan. In veel gevallen worden observatievariabelen y gemonitord en komt hieruit informatie over x beschikbaar via een (invers) observatiemodel (zie bijvoorbeeld Potter, 2000).

a-priori kennis

consequenties

procesmodel ULS+verouderingsmodel

prestaties al dan niet falen

modelparameters x bijv. o.a.:  corrosiesnelheid  tijd tot initiatie corrosie

observatiemodel bijv. scheurvormingsmodel

observatievariabelen y bijv. scheurwijdte

Figuur 2.3 Schema van informatiestromen bij evaluatie van prestaties

2000-CON-DYN-R2101

9 van Error! Bookmark not defined.

Op basis van Figuur 2.3 wordt dus op de eerste plaats welke aspecten met name bijdragen aan de informativiteit van een monitoringaanpak:  nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de observaties van de variabelen y  de gevoeligheid van de (onzekerheid in de ) modelparameters x voor de variabelen y  de gevoeligheid van de (onzekerheid in de ) prestaties voor de parameters x De figuur geeft ook een aardig overzicht van de verschillende kennisdomeinen die bij een inventarisatie van geschikte monitoringstrategieën betrokken zijn. Naast de beslisser is dat op de eerste plaats de deskundige op het gebied van het procesmodel. In het voorbeeld in de figuur zijn dat eigenlijk al mensen uit twee domeinen: de geavanceerde constructeur (ULS) en de deskundige op het gebied van verouderingsprocessen. Vervolgens is daar de meetdeskundige, die zijn kennis inbrengt over meetmethoden. Dat zullen ook vaak verschillende mensen zijn wanneer er meerdere methoden een rol kunnen spelen (denk bijvoorbeeld aan het meten van de dikte van asfalt via radarmetingen versus het boren van proefmonsters). Dan zijn er nog mensen nodig die zicht hebben op mogelijke observatiemodellen. Dat is een slecht te classificeren groep. (bijv. in voorbeeld kan dat dezelfde persoon zijn als van de verouderingsmodellen). Tot slot hebben we nog degenen die een overzicht hebben van hoe alle elementen (onder andere probabilistisch) geïntegreerd kunnen worden (en die ook enige achtergrond hebben in besliskunde). Het zal duidelijk zijn dat voor een succesvol verloop van het (inventarisatie)proces deze mensen met elkaar in dialoog moeten treden. Implicaties Bij gegeven procesmodel en observatiemodel wordt de informativiteit van een monitoringstrategie bepaald door de nauwkeurigheid en de betrouwbaarheid van de observaties. Een bepaald niveau van informativiteit legt dus eisen op aan de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid en daarmee aan de implementatie en de uitvoering van de monitoringstrategie. Deze omvat onder andere (zie bijv. Dunnicliff, 1999, Matthews, 2000):  meetsysteem:  ontwerp  inbouw  diagnostische faciliteiten (werkt het systeem naar behoren)  monitoringprotocol (wie, wat, hoe):  inregelen  onderhoud  documentatie wijzigingen  opslag en verwerking van gegevens Deze zaken dienen geregeld te zijn volgens de regels van de kwaliteitszorg in de monitoringdiscipline. Een goed kwaliteitssysteem garandeert niet alleen dat de vereiste specificaties worden gehaald, maar biedt ook een grondslag waarmee het

2000-CON-DYN-R2101

10 van Error! Bookmark not defined.

bepalen van bijv. de kosten van de monitoringstrategie systematisch kan worden aangepakt.

2.3.2 Herhaalde observaties In het voorgaande deel is nauwelijks onderscheid gemaakt tussen meten en monitoren. Aangezien monitoren echter het volgen van een of meerdere processen inhoudt, zal er meestal sprake zijn van herhaalde metingen. Na elke meting of reeks van metingen kan een beslissing worden genomen (of een gevolgtrekking gemaakt). Deze beslissingen kunnen het gemonitorde proces betreffen maar ook de monitoringstrategie zelf. Zo kan bijvoorbeeld op basis van een eerste reeks observaties vast komen te staan dat de tijdschalen waarop het gemonitorde proces zich afspeelt trager zijn dan voorzien, als gevolg waarvan de monitoringfrequentie omlaag kan. Om een goede inschatting te kunnen maken van de implicaties van een gekozen monitoringstrategie, zal dus op de eerste plaats vastgesteld moeten worden waar de beslismomenten zullen liggen en welke mogelijke acties er op die momenten open staan. De actuele beslissing inzake een te kiezen monitoringstrategie omhelst dus in feite de modellering van alle toekomstige beslissingen over de looptijd van de strategie. De uitkomst van elke toekomstige beslissing hangt af van de (onbekende) monitoringgegevens tot dan toe en de eventueel daarvoor genomen beslissingen. Dit betekent in de meeste gevallen van praktische relevantie dat voor elke te overwegen monitoringstrategie een sterk uitwaaierende tak aan de beslissingsboom ontstaat. Een eenvoudig voorbeeld is geschetst in Figuur 2.4. Hier staat de betrouwbaarheidsindex  (in feite de kans op één van de gevolgen: falen) uit als functie van de tijd. De monitoringstrategie bestaat eruit, dat gedurende een gegeven referentieperiode (bijv. de beoogde levensduur van de constructie) gemeten wordt wanneer de betrouwbaarheidsindex onder een minimaal geaccepteerde waarde duikt. Op basis van het meetresultaat kunnen twee beslissingen worden genomen: niets doen (observatie zelf heeft betrouwbaarheidsindex al op voldoende hoog peil gebracht) of repareren. In deze strategie ligt het tijdstip van de eerste inspectie vast: dit wordt bepaald door het procesmodel (bijv. verouderingscomponent daarin) en de a-priori kennis. De tijdstippen voor de volgende inspecties hangen echter af van de uitkomsten van de metingen en de daarna genomen beslissingen. Dit leidt tot een steeds verder vertakkende boom van mogelijke -curven met daaraan verbonden implicaties in termen van bijvoorbeeld kosten.

11 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

mogelijke -curven na e 1 inspectie + beslissing

betrouwbaarheidsindex 

mogelijke -curven na e 2 inspectie + beslissing

t1 Figuur 2.4

mogelijke t2

tijd t

Voorbeeld van strategie, waarin steeds gemeten wordt, wanneer de betrouwbaarheidsindex onder een minimaal geaccepteerde waarde duikt. De actie die na elke meting openstaat is ‘niets doen’ of ‘repareren’.

Het systematisch rechttoe rechtaan doorrekenen van de mogelijke gevolgen van een monitoringstrategie en de kansen daarop zal in het algemeen dan ook niet mogelijk zijn. In plaats daarvan zullen vereenvoudigende aannamen en afschattingen moeten worden ingepast in de beslissingsboom in samenspraak met de beslisser en in dialoog met de betrokken domeinspecialisten.

2.4 Samenvatting Het kiezen voor een monitoringstratiegie is een beslissingsprobleem, dat in het algemeen onderdeel vormt van een groter besluitvormingsprobleem. Een dergelijk probleem kan rationeel benaderd worden met behulp van een aanpak die geworteld is in de Bayesiaanse beslistheorie. In het beslissingsprobleem zal vaak een afweging moeten worden gemaakt tussen de informativiteit van een monitoringstrategie aan de ene kant en de implicaties in termen van bijvoorbeeld kosten aan de andere kant. Ter inventarisatie en evaluatie van de informativiteit van een strategie is een schema van de belangrijkste informatiestromen opgenomen. Een gewenst peil van informativiteit stelt eisen aan de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid en daarmee de uitvoering van een monitoringstrategie. Om aan deze eisen te voldoen zal een kwaliteitsborging van de uitvoering noodzakelijk zijn. Een goed kwaliteitssysteem bewaakt niet alleen de informativiteit van de monitoring, maar faciliteert ook het in kaart brengen van de implicaties van een strategie in termen van bijvoorbeeld kosten. Tot slot impliceert monitoring meestal herhaald meten en vooral herhaald beslissen. Om de actuele beslissing met betrekking tot de keuze van een monitoringsysteem te

2000-CON-DYN-R2101

12 van Error! Bookmark not defined.

kunnen nemen moet voor de toekomstige beslissingen al worden vastgelegd welke mogelijke acties er open staan. Aangezien de acties die daadwerkelijk genomen zullen worden afhangen van de (nog onbekende) output van de monitoringstrategie, zal bij een groot aantal beslismomenten in de looptijd van de strategie een zeer groot aantal mogelijke situaties moeten worden beschouwd met hun kansen van optreden. Dit zal in veel gevallen praktisch onmogelijk zijn. In die situaties zullen vereenvoudigende aannamen en afschattingen moeten worden ingepast.

13 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

3. Case beschrijving

3.1 Inleiding Deze case studie betreft de betrouwbaarheid van een gewapend betonnen balk op twee steunpunten onder een random belasting. Deze voorbeeldconstructie is beschreven in paragraaf 3.2. Door blootstelling aan de buitenlucht dringt kooldioxide geleidelijk door in het beton en neutraliseert het alkalische betonmilieu. Wanneer ook het betonmilieu rond de wapening wordt geneutraliseerd, kan corrosie van de wapening gaan optreden. Dit resulteert onder andere in een afname van de doorsnede van het wapeningsstaal, waardoor de draagkracht, en daarmee de betrouwbaarheid afneemt. Het ontwerp van de balk in het voorbeeld is zodanig gedimensioneerd, dat bij de gekozen belasting onvoldoende initiële veiligheid aanwezig is om de minimaal vereiste betrouwbaarheid over de gehele beoogde levensduur te kunnen halen. Monitoring en eventueel onderhoud zijn dus noodzakelijk. In deze case studie worden twee monitoringstrategieën besproken. De eerste strategie is gebaseerd op visuele inspecties, in de tweede strategie wordt gebruik gemaakt van specifiek meetinstrumentarium. Bij de evaluatie van beide methoden wordt met name ingegaan op de vragen hoe en wat te monitoren? De kwesties wanneer en waar zullen in een vervolgstudie aan de orde komen. In hoofdstuk 4 wordt het principe van de betrouwbaarheidsanalyses kort besproken en wordt ingegaan op de modellering van de grenstoestandsfuncties. Daarmee zijn alle ingrediënten aanwezig om een initiële betrouwbaarheidsstudie te doen, waarvan de resultaten in hoofdstuk 5 worden gerapporteerd. In hoofdstuk 6 worden twee monitoringstrategieën geavalueerd op hun effectiviteit met betrekking tot de betrouwbaarheid. Besloten wordt met een samenvatting in hoofdstuk 7.

3.2 Voorbeeldconstructie We gaan hier uit van een gewapend betonnen balk als voorbeeldcontructie (zie ook Vrouwenvelder en Schiessl (1999)). Een schets van de constructie en de belangrijkste kenmerken zijn weergegeven in Figuur 3.1 en Tabel 3.1. De balk bevindt zich in een beschut buitenmilieu1 en wordt blootgesteld aan een combinatie van mechanische belasting en carbonatatie.

1

Balk bevindt zich buiten, maar komt niet direkt in aanraking met water.

14 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Figuur 3.1 Gewapende betonnen balk, maten in mm .

Tabel 3.1 Karakteristieke eigenschappen van het beton en de wapening.

L A Heff B As0 Nbar fy fc dc w/b

Lengte van de balk Afstand vanaf oplegging Effectieve hoogte Breedte van de balk Initiële doorsnede van staal Aantal hoofdwapeningsstaven Vloeispanning staal Druksterkte beton Dikte betondekking Water/cement factor Cement

3000 mm 1095 mm 351.5 mm 250 mm 1185 mm2 6 573 N/mm2 43 N/mm2 20 mm 0.45 Portland Cement

15 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

4. Betrouwbaarheid

4.1 Inleiding Voordat we een analyse van de betrouwbaarheid kunnen uitvoeren, zullen we eerst moeten definiëren wat we precies onder betrouwbaarheid verstaan. De betrouwbaarheid van een constructie over een bepaalde periode is gerelateerd aan de waarschijnlijkheid dat deze constructie gedurende de gehele periode in een gewenste of acceptabele staat blijft. Een veel gebruikte maat voor de betrouwbaarheid is de gegeneraliseerde betrouwbaarheidsindex , die gedefinieerd is als:  = -1(1 – Pf) Hierin is Pf de faalkans, waarbij ‘falen’ betekent dat de constructie zich in een ongewenste of onacceptabele staat bevindt op enig moment in de periode onder beschouwing. Daarmee is (1 - Pf) dus gelijk aan de hiervoor genoemde waarschijnlijkheid dat de constructie gedurende deze periode steeds in acceptabele staat verkeert. De inverse normale (Gaussische) verdelingsfunctie -1 dient voornamelijk als schaling om te zorgen dat de waarden van de betrouwbaarheidsindex in een prettige range komen te liggen (typisch tussen 0 en 6 á 7). Tabel 4.1 geeft een aantal combinaties van faalkansen en waarden van de betrouwbaarheidsindex. Tabel 4.1 Enkele combinaties van faalkans en betrouwbaarheidsindex.

β Pf

0.0 0.5

1.3 10-1

2.3 10-2

3.1 10-3

3.8 10-4

4.3 10-5

4.8 10-6

5.2 10-7

5.6 10-8

De definitie van de betrouwbaarheid is nu rond, behalve dat we nog moeten specificeren wat we onder onacceptabele (ongewenste) en acceptabele (gewenste) toestanden verstaan. Dit komt aan de orde in de volgende paragraaf.

4.2 Grenstoestandsfunctie De scheiding tussen acceptabele en onacceptabele toestanden noemen we een grenstoestand. Twee typen grenstoestanden worden over het algemeen onderscheiden: uiterste grenstoestanden en grenstoestanden met betrekking tot de bruikbaarheid (Eurocode 1.1, 1994, Achtergrondinformatie voor de Eurocode, 1996, ISO-DIS 2394, 1996). De uiterste grenstoestanden zijn gerelateerd aan instorten, breuk, omslaan en andere gebeurtenissen waarbij de veiligheid van de constructie in het geding is. De

16 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

bruikbaarheidsgrenstoestanden hebben betrekking op het gemak van de gebruiker, de functionaliteit en esthetische aspecten. Om aan betrouwbaarheid te kunnen rekenen, wordt over het algemeen een model voor de grenstoestand gebruikt, de grenstoestandsfunctie. Deze functie wordt zodanig gekozen, dat de ongewenste toestanden worden beschreven door: g(X) < 0

(1)

waarin g(X) de grenstoestandsfunctie is. De vector X in het argument van deze functie kan variabelen representeren als: F f a θ

belastingen (mechanisch, chemisch of anderszins) materiaaleigenschappen (mechanisch of fysisch/chemisch) geometrische eigenschappen van de constructie modelonzekerheden

De eerste drie typen variabelen spreken voor zich. Variabelen van de laatste soort modelleren de onzekerheid in welke mate het gebruikte model ook inderdaad de grenstoestanden weergeeft. Via dit soort variabelen kan bijvoorbeeld de spreiding worden verdisconteerd die in experimenten wordt gevonden en die niet kan worden verklaard uit met de modelparameters. Ook de onzekerheden in de extrapolatie van laboratoriumcondities naar de actuele omstandigheden waaronder de constructie zal moeten functioneren kunnen tot uitdrukking worden gebracht in deze variabelen. Alle variabelen in X = (X1, X2, …, Xn) kunnen random zijn of deterministisch, afhankelijk van de kennis die over de variabelen beschikbaar is op het moment dat de grenstoestand wordt geëvalueerd. In de analyse van constructies is het gebruikelijk om grenstoestandsfuncties in twee delen te splitsen, die respectievelijk de weerstand en de belasting weergeven: g(X) = R(X) - S(X) met: R S

(2)

het model dat de weerstand van de constructie beschrijft het model dat de belasting op de constructie beschrijft

In de duurzaamheidsproblematiek wordt de tijd een wezenlijke parameter in de grenstoestandsfunctie. Dit leidt tot de algemene formulering dat de constructie faalt indien: g(X, t) = R(X, t) - S(X, t) < 0 voor een gegeven moment t in het interval [0, T] waarbij T de referentieperiode (beoogde levensduur) is.

(3)

17 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

In de volgende paragraaf werken we één uiterste grenstoestandsfunctie uit voor de in hoofdstuk 3 beschreven voorbeeldconstructie.

4.3 Modellering grenstoestandsfunctie 4.3.1 Inleiding We gaan uit van de volgende algemene grenstoestandsfunctie van de constructie: g(t) = Mres(t) - Mload(t)

(4)

waarbij de afhankelijkheid van de variabelen in X voor het gemak niet expliciet is weergegeven. In deze betrekking is Mres het buigend moment dat de balk maximaal kan opnemen en Mload het buigend moment in de centrale doorsnede als gevolg van het eigen gewicht en de variabele belasting P. De twee termen worden hieronder afzonderlijk uitgewerkt. 4.3.2 Maximaal opneembaar buigend moment Het moment dat de gewapend betonnen balk maximaal kan opnemen kan worden gemodelleerd als (zie Vrouwenvelder en Schiessl, 1999):

 

M res (t )  b  heff



As ( t )  f y b  heff  f c

2

  f c    1  

  2

(5)

(6)

waarin b de breedte van de betonnen balk is, heff de effectieve hoogte, fc de druksterkte van het beton, fy de vloeispanning van het wapeningsstaal, en As(t) de totale doorsnede van de hoofdwapeningsstaven. Deze doorsnede wordt in verband met het eventueel optreden van corrosie als een functie van de tijd beschouwd. De afname van de wapeningsdoorsnede als functie van de tijd wordt bepaald door twee processen in opeenvolgende fasen: 1. Initiatiefase. Als gevolg van het feit dat het beton aan de oppervlakte wordt blootgesteld aan de buitenlucht en beschut is tegen directe blootstelling aan water zal kooldioxide geleidelijk in het beton kunnen doordringen. Dit heet carbonatatie van het beton. De kooldioxide neutraliseert het alkalisch milieu in het beton, dat een zeer effectieve bescherming tegen corrosie van de wapening vormt. Wanneer het carbonatatiefront dus bij de wapening aankomt, valt deze bescherming weg en kan corrosie worden geïnitieerd. 2. Propagatiefase. De wapening begint te roesten, waardoor de doorsnede afneemt en daarmee de buigweerstand van de balk.

18 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Beide processen worden hier apart gemodelleerd. De modellering is gebaseerd op de resultaten in (Duracrete, 1999). Om de berekeningen inzichtelijk te houden, zijn verschillende modelparameters geaggregeerd, zonder overigens afbreuk te doen aan de statistische eigenschappen. Voor details zie De Wit en Vrouwenvelder (2000). Initiatiefase De initiatiefase loopt af op het moment dat het carbonatatiefront de wapening bereikt en de corrosie geïnitieerd wordt: Xc(t0) = Dc

(7)

waarin Xc de diepte van het carbonatatiefront is, t0 het tijdstip waarop de initiatiefase is afgelopen en Dc de dikte van de betondekking is. Om t0 te kunnen bepalen wordt gebruik gemaakt van het volgende model (Duracrete, 1999):

X c t   C t

(8)

waarin: C carbonatatiesnelheid t tijd Met behulp van vergelijkingen (7) en (8) kan t0 worden bepaald bij gegeven dikte van de betondekking en gegeven modelparameters:

D  t0   c   C 

2

(9)

Propagatiefase Wanneer de corrosie eenmaal geïnitieerd is, nemen we aan dat de straal van elke wapeningsstaaf met constante snelheid afneemt:

r t   r0  veff t  t 0 

(10)

waarin r0 de initiële straal van de wapeningsstaaf de gemiddelde corrosiesnelheid veff Hieruit kan eenvoudig worden afgeleid, dat de totale doorsnede van het wapeningsstaal verloopt volgens:

As t   As 0   1

2

(11)

19 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

waarin



r0 

veff t  t 0  r0

(t  t0)

As 0  N bar

(12)

(13)

Voor t < t0 is  uiteraard 0. Hiermee is de modellering van het weerstandsmoment Mres(t) compleet. Rest nog een modellering van de belastingscomponent Mload. 4.3.3 Opgelegd buigend moment Mload Voor het opgelegd buigend moment wordt het model gehanteerd: Mload = al P

(14)

waarin al de afstand van de oplegging tot de belasting is en P de jaarlijks maximale variabele kracht. We beschouwen hier dus alleen het moment ten gevolge van de variabele belasting P. Hiermee is de specificatie van de grenstoestandsfunctie voltooid op de waarden van de parameters na. Deze komen in de volgende paragraaf aan de orde.

4.4 Modelparameters De parameters in de grenstoestandsfunctie moeten een waarde toegekend krijgen alvorens kan worden bepaald of de constructie faalt of niet. Een aantal parameters is inderdaad deterministisch en heeft een bekende, vaste waarde. Van een deel van de parameters is de waarde echter onzeker. Deze parameters worden beschouwd als random variabelen die beschreven worden door een kansverdeling. In Tabel 4.2 zijn van de deterministische parameters de waarden gegeven terwijl voor de onzekere parameters een verdelingstype is gespecificeerd plus gemiddelde en variatiecoefficient (CoV). De variatiecoefficient is gelijk aan de standaarddeviatie gedeeld door het gemiddelde.

20 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Tabel 4.2 Specificatie van de modelparameters Variabele As0 Nbar b heff al t fy fc Dc C to veff P

Beschrijving tot. initiële staaldoorsnede aantal wapeningsstaven breedte balk hoogte balk afstand oplegging tot belasting tijd vloeispanning staal druksterkte beton dikte betondekking carbonatatiesnelheid initiatieperiode* effectieve corrosiesnelheid belasting (max. in 1 jaar)

Eenheid mm2 mm mm mm

Type deterministisch deterministisch deterministisch deterministisch deterministisch

jaar deterministisch kN/mm2 lognormaal kN/mm2 lognormaal mm lognormaal 0.5 mm/jaar lognormaal jaar lognormaal mm/jaar weibull kN gumbel

Gemiddelde CoV 1185 6 250 351.5 1095 variabel 573 43 20 2.65 65 1.9 10-3 80

0.08 0.12 0.15 0.15 0.43 1.6 0.10

* De verdeling voor t0 volgt in feite uit die voor C en Dc. Aangezien op sommige plaatsen in de analyse direct van t0 gebruik zal worden gemaakt is de verdeling ook in de tabel opgenomen. De waarden, verdelingstypen en verdelingsparameters of –momenten in de tabel zijn gebaseerd op Vrouwenvelder en Schiessl (1999) en Duracrete (1999) en De Wit en Vrouwenvelder (2000).

21 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

5. Initiële betrouwbaarheidsanalyse

Met behulp van de gegevens in de vorige paragrafen kan de betrouwbaarheid van de voorbeeldconstructie als functie van de tijd worden berekend. Daartoe is het alleen nog noodzakelijk een referentieperiode te kiezen, waarover de faalkans (en dus de betrouwbaarheid) wordt bepaald. De specificatie van de belasting P als de maximale belasting over de periode van 1 jaar suggereert al, dat we voor deze periode 1 jaar kiezen. Op deze manier kunnen we het verloop van de betrouwbaarheid in de tijd goed volgen en actie ondernemen op of vóór het moment dat deze te ver afneemt. De huidige EUROCODE 1 vereist minimaal een betrouwbaarheid  = 3.8 over de beoogde levensduur van de constructie. Als beoogde levensduur voor de voorbeeldconstructie nemen we 100 jaar aan. De betrouwbaarheidseis van 3.8 over deze levensduur kan worden vertaald in een eis dat de betrouwbaarheidindex voor een periode van 1 jaar niet lager mag zijn dan 4.8.

betrouwbaarheidsindex beta per jaar

6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 0

20

40

60

80

100

120

tijd (jaar)

Figuur 5.1

Betrouwbaarheidsindex per jaar voor de constructie als functie van de tijd. De beoogde levensduur is 100 jaar. De stippellijn geeft de minimaal vereiste betrouwbaarheid aan.

In Figuur 5.1 staat de jaarlijkse betrouwbaarheidsindex  voor de constructie als functie van de tijd weergegeven. De minimale waarde van 4.8 is met een stippellijn aangegeven. Het is duidelijk dat na een periode van 70 jaar de betrouwbaarheid van de constructie onder de minimaal vereiste waarde duikt. Op of vóór dit moment is dus actie vereist.

2000-CON-DYN-R2101

22 van Error! Bookmark not defined.

Voor de goede orde dient te worden opgemerkt, dat de in Figuur 5.1 gepresenteerde waarden voor de betrouwbaarheidsindex ondergrenzen zijn, aangezien we niet expliciet het effect van falen in de periode voorafgaand aan de referentieperiode hebben uitgesloten.

23 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

6. Monitoring

6.1 Inleiding In Figuur 5.1 staat de jaarlijkse betrouwbaarheidsindex  voor de constructie als functie van de tijd weergegeven. De minimale waarde van 4.8 is met een stippellijn aangegeven. Het is duidelijk dat na een periode van 70 jaar de betrouwbaarheid van de constructie onder de minimaal vereiste waarde duikt. Op of vóór dit moment is dus actie vereist. We beperken ons in dit rapport tot de actie ‘monitoring’. Bij inspecties, die deel uitmaken van een monitoringstrategie wordt informatie verkregen. Hiermee zijn twee bronnen van informatie voorhanden. De eerste bron bestaat uit de verdelingen over de modelparameters die aangeven welke onzekerheid in deze parameters bestaat vóórdat het inspectieresultaat bekend is. We zullen aan deze verdelingen refereren als de a-priori verdelingen. De tweede bron van informatie is het inspectieresultaat. Als input voor de betrouwbaarheidsanalyse zijn we nu geïnteresseerd in een verdeling over de parameters, waarin informatie uit beide bronnen is verwerkt. Deze verdeling noemen we de a-posteriori verdeling. De a-posteriori verdeling voor een willekeurige parameter X kan uit de a-priori verdeling en meetresultaat Y = y worden bepaald volgens de regel van Bayes. In de meeste tekstboeken is deze regel genoteerd als:

P A | B  

P  B | A P  A  P B 

(15)

Wanneer we substitueren: A variabele X heeft waarde x B inspectieresultaat Y = y is gevonden en overgaan van kansen op kansdichtheidsfuncties f dan vinden we:

f X x | y  

f Y  y | x  f X x  fY  y

Hierin is: de a-posteriori kansdichtheidsfunctie voor X fX (x| y) fY (y| x) de likelihood van het meetresultaat, gegeven dat X = x fX (x) de a-priori kansdichtheid voor X een normalisatieconstante die zorgt dat fX (x| y) een nette fY (y) kansdichtheid is

(16)

24 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Dit proces waarin de a-posteriori kansdichtheid bepaald wordt, wordt ook wel Bayesiaanse bijstelling van de a-priori kansdichtheid genoemd op basis van de meetresultaten. De aldus verkregen a-posteriori kansverdelingen over de modelparameters kunnen in een hernieuwde betrouwbaarheidsanalyse worden gebruikt in plaats van de a-priori verdelingen om de betrouwbaarheid na inspectie te bepalen. Er worden hier twee monitoringstrategieën beschouwd. In de eerste strategie wordt uitsluitend gebruik gemaakt van visuele inspectie op corrosie-geïnduceerde scheuren. De tweede strategie is gebaseerd op de resultaten van meer geavanceerde metingen. Voor beide strategieën wordt uitgewerkt hoe het inspectie-/ meetresultaat de betrouwbaarheid beïnvloedt. Dit gebeurt voor fictieve, maar realistische inspectieresultaten. Op basis van de uitkomsten van de analyse kan nog geen goede vergelijking worden getrokken tussen de twee inspectiestrategieën. Daarvoor moet immers ook de onzekerheid in het toekomstig inspectieresultaat worden meegenomen. Wel kan een eerste indruk worden verkregen van de effectiviteit van de strategieën. De twee monitoringstrategieën worden hieronder apart uitgewerkt.

6.2 Visuele inspecties 6.2.1 Inleiding We gaan er vanuit dat bij een visuele inspectie uitsluitend wordt gekeken naar scheurvorming ten gevolge van corrosie van de wapening. Wanneer de wapeningsstaven in de betonnen balk gaan corroderen, zullen op een gegeven moment scheuren in de betondekking ontstaan als gevolg van de expansie van de corrosieproducten. De wijdte w van deze scheuren kan worden gemodelleerd als: w = 0.05 + b (vc,eff (t – t0) - r0)

(17)

In dit model spelen vier onafhankelijke2 stochasten een rol, namelijk: b de scheurgroei-parameter vc,eff de effectieve corrosiesnelheid het tijdstip waarop corrosie geïnitieerd wordt t0 r0 afname van de wapeningsstraal waarbij scheurvorming begint Ook in dit model zijn parameters geaggregeerd. Voor meer informatie zie De Wit en Vrouwenvelder (2000).

2

De stochasten r0 en t0 zijn niet geheel onafhankelijk aangezien ze beide afhangen van de dekkingsdikte. De afhankelijkheid is echter gering en wordt hier verwaarloosd.

25 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

De verdelingen voor de stochasten veff en to zijn al in Tabel 4.2 aan bod gekomen. De overige twee stochasten worden beschreven door: Tabel 6.1 Verdelingen van de stochasten in het scheurgroeimodel.

variabele Δr0 b

eenheid m mm/m

verdeling (afgeknot) normaal normaal

gemiddelde 27 1 10-2

CoV 0.5 0.1

In de terminologie van de basisfilosofie is vergelijking (17) het observatiemodel, dat de observatiegrootheid w koppelt aan de parameters veff en to (corrosiesnelheid en initiatieperiode) uit de grenstoestandsfunctie. Via dit observatiemodel kunnen we inspectieresultaten gebruiken om de betrouwbaarheid bij te stellen. In de praktijk zal het zo zijn, dat de informatie over de scheurwijdte uit de inspectie niet perfect is. Indien scheuren worden waargenomen, wordt de breedte hiervan bepaald met een zekere (on)nauwkeurigheid. De kans dat een scheur wordt waargenomen hangt af van zijn wijdte. Dit wordt uitgedrukt in een zogenaamde POD-curve (Probability Of Detection). De POD-curve die in deze studie is gehanteerd is weergegeven in Figuur 6.1.

POD-curve

1

kans op detectie (POD)

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

scheurwijdte (mm)

Figuur 6.1

POD-curve die in deze studie is gehanteerd voor visuele inspectie op scheuren. Bron: Huibert Borsje, TNO Bouw (2000).

Op basis van deze resultaten kunnen we inspectieresultaten verwerken.

26 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

6.2.2 Eerste inspectie

Inleiding We gaan er vanuit dat op t = 55 jaar een eerste inspectie uitgevoerd. Dit is ruimschoots voordat de betrouwbaarheid onder het minimale niveau dreigt te zakken (zie Figuur 5.1). Op basis van een visuele inspectie wordt bekeken hoe het met de scheurvorming gesteld is. Als voorbeeld nemen we hier aan, dat bij de genoemde eerste inspectie op t = 55 jaar geen scheuren worden geconstateerd. We kunnen nu deze informatie gebruiken om de verdeling over de modelparameters veff en to (corrosiesnelheid en initiatieperiode) in de grenstoestandsfunctie bij te stellen. Dit gebeurt via de regel van Bayes, die we in dit geval als volgt noteren:

f

(1) t 0 ,veff

t , v  

f t0 ,veff t , v | I1 : nc  

PI1 : nc | t , v f t0( 0,v)eff t , v  PI1 : nc

(18)

 waarin: ft0, veff(1) inspectie ft0(0) fveff(0) I1 : nc P{A} A|B t Lt0, veff(1) en veff P(1)

L(t10),veff t , v  P (1)

f t0( 0) t  f v(eff0) v 

de gezamenlijke a-posteriori verdeling voor t0 en veff na de 1e de a-priori verdeling voor t0 vóór de 1e inspectie de a-priori verdeling voor veff vóór de 1e inspectie de gebeurtenis dat geen scheuren (no cracks) worden gedetecteerd bij 1e inspectie de kans dat gebeurtenis A optreedt gebeurtenis A treedt op, terwijl gegeven is dat gebeurtenis B optreedt afkorting voor t0 = t de likelihood van de observatie bij de 1e inspectie als functie van t0 de (a-priori) kans op de observatie bij de 1e inspectie

De kans op de observatie is al aan de orde gekomen in de vorige paragraaf. In Appendix A staat uitgewerkt hoe de likelihood kan worden bepaald op basis van de POD-curve. De a-priori kansdichtheidsfunctie voor t0 en veff kan worden geschreven als het product van de a-priori kansdichtheden die in Tabel 4.2 Specificatie van de modelparameters zijn gespecificeerd. Figuur 6.2 toont een vergelijking tussen a-priori en a-posteriori kansdichtheid voor t0 en veff samen. De lijnen in de figuur zijn lijnen van gelijke kansdichtheid.

27 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

vergelijking a-priori en a-posteriori kansdichtheidsfuncties voor (t0, veff) 0.1

t = tinsp

a-priori

0.09

a-posteriori

0.08

10

-6

0.5

veff (mm/jaar )

0.07 0.06

10

-5

0.05

10

0.04 0.03

10

0.02

10

0.01 0

10 0

50

0

100

10

-4

-3

-2

-1

150

t0 (jaar)

Figuur 6.2

Vergelijking tussen de a-priori en a-posteriori kansdichtheidsfuncties voor t 0 en veff samen. De curven zijn lijnen van gelijke kansdichtheid. De betreffende kansdichtheid staat vermeld.

Het is duidelijk dat combinaties van kleine t0 (vroege initiatie van corrosie) en grote effectieve corrosiesnelheid veel minder waarschijnlijk zijn geworden in het licht van de inspectieresultaten. Tevens valt op dat er a-posteriori een duidelijke, en tamelijk complexe afhankelijkheid is ontstaan tussen t0 en veff. Wanneer we deze a-posteriori kansdichtheidsfunctie gebruiken in de betrouwbaarheidsanalyse voor de uiterste grenstoestand vinden we een resultaat zoals weergegeven in Figuur 6.3. Op het tijdstip van inspectie t = 55 jaar komt de betrouwbaarheidsindex weer terug op het oude niveau en begint pas weer te dalen op t = 80 jaar. Op t = 95 jaar, in feite vlak voor het aflopen van de beoogde levensduur, zakt de betrouwbaarheidsindex onder de minimaal vereiste waarde van 4.8.

28 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

betrouwbaarheidsindex beta per jaar

6.00 5.50 5.00 4.50

zonder inspectie

4.00

na 1e inspectiet = 55 jr. 3.50 3.00 2.50 2.00 0

20

40

60

80

100

120

tijd (jaar)

Figuur 6.3

Betrouwbaarheidsindex als functie van de tijd. De twee curves tonen de situatie zonder inspectie en na 1 e visuele inspectie.

6.2.3 Tweede inspectie

Inleiding Op t = 70 jaar wordt een volgende inspectie gepleegd. Net als de eerste keer is dit een visuele inspectie, die plaatsvindt ruim voordat de betrouwbaarheid te ver zakt. We gaan er vanuit dat de POD-curve identiek is aan die voor de eerste inspectie (zie Figuur 6.1). Net als bij de eerste inspectie worden geen scheuren gedetecteerd, die van corrosie afkomstig zouden kunnen zijn. Op dezelfde manier als dat na de eerste inspectie is gebeurd kan nu de verdeling over de random variabelen in het model worden bijgesteld op basis van het inspectieresultaat. We hanteren daarvoor weer de regel van Bayes. Dit is uitgewerkt in Appendix B. Op basis van de bijgestelde kansverdeling over de stochasten kan ook de betrouwbaarheid worden bijgesteld. De observatie bij de tweede inspectie: ‘geen scheuren gedetecteerd’ kan op analoge wijze worden verwerkt in de bijstelling van de betrouwbaarheid met betrekking tot de uiterste grenstoestand. Dit levert het resultaat in de onderstaande figuur.

29 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

betrouwbaarheidsindex beta per jaar

6.00 5.50 5.00 4.50

zonder inspectie

4.00

na 1e inspectiet = 55 jr. 3.50

na 2e inspectiet = 70 jr.

3.00 2.50 2.00 0

20

40

60

80

100

120

tijd (jaar)

Figuur 6.4

Betrouwbaarheidsindex als functie van de tijd. De drie curves tonen de situaties zonder inspectie, na 1 e visuele inspectie en na 2 e visuele inspectie.

De informatie de uit de tweede inspectie verkregen wordt leidt tot een betrouwbaarheidsindex, die tot het beoogde einde van de levensduur op voldoende hoog niveau blijft.

30 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

6.3 Inspecties met meetapparatuur 6.3.1 Inleiding In de vorige paragrafen is uiteengezet hoe op basis van resultaten uit visuele inspecties de betrouwbaarheid van de voorbeeldconstructie kan worden bijgesteld. Hier richten we ons op inspecties met gebruikmaking van meer specifieke meetapparatuur. Zoals Figuur 5.1 laat zien, wordt de vereiste betrouwbaarheid van de constructie vanaf 70 jaar na de bouw niet meer gehaald. Daarom wordt nu op t = 70 jaar een eerste inspectie uitgevoerd. In eerste instantie wordt op basis van een globale visuele inspectie de conditie van de constructie ingeschat. Hieraan wordt echter geen analyse gekoppeld om de betrouwbaarheid expliciet te beoordelen zoals in de vorige paragraaf. Als aanvulling op deze observatie worden verdere, meer gedetailleerde metingen verricht.

6.3.2 Eerste inspectie

Inspectiemethode In dit voorbeeld gaan we er vanuit dat bij de globale visuele inspectie wordt geconstateerd dat de constructie nog in goede staat lijkt te verkeren: er is geen sprake van kenmerkende scheurvorming, de betondekking is nog intact en er zijn geen sporen van roestproducten aan de oppervlakte zichtbaar. Met andere woorden: er zijn geen aanwijzingen dat corrosie van de wapening heeft plaatsgevonden. Om echter te beoordelen hoe het carbonatatieproces tot nu toe is verlopen worden twee in-situ metingen uitgevoerd: a. meting van de betondekking b. meting van de carbonatatiediepte Deze twee metingen worden hieronder besproken. Meting van de betondekking Op basis van de constructieve functie van het constructie-element kan de plaats en het belang van de wapening worden ingeschat en de dikte van de betondekking boven deze wapening in kaart worden gebracht met een betondekkingsmeter. In dit voorbeeld is de grenstoestand gedefinieerd in termen van het buigend moment in het midden van de balk. We zullen ons hier dan ook richten op de betondekking boven de wapening in het midden van de balk. In werkelijkheid kan ook het buigend moment op een andere plaats maatgevend blijken te zijn wanneer de corrosie daar sneller voortschrijdt dan in het midden, bijvoorbeeld in verband met een geringere dekking. Deze situatie wordt hier echter buiten beschouwing gelaten.

31 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Bij het gebruik van de huidige generatie betondekkingsmeters moet rekening worden gehouden met een meetfout van ongeveer  2 mm (95% confidence interval, Bungey, 1989). Meting van de carbonatatiediepte Bij een in-situ meting van de carbonatatiediepte wordt op één of meerdere plaatsen zeer lokaal een holte in het beton gemaakt. Tegen de wand van het ontstane verse breukvlak wordt een indicatorspray (fenolftaleïne) gespoten. Gecarbonateerd beton blijft kleurloos, terwijl de spray op niet-gecarbonateerd beton paars kleurt. De diepte van het carbonatatiefront kan na deze behandeling eenvoudig worden opgemeten. Met deze in-situ methode kan de carbonatatiediepte met een nauwkeurigheid van  5 mm (95% confidence interval, Bungey, 1989) worden bepaald. Inspectieresultaten Als voorbeeld nemen we hier aan, dat met de genoemde meetmethoden resultaten worden gevonden zoals weergegeven in de onderstaande tabel. Tabel 6.2 Resultaten van de eerste inspectie

grootheid dikte betondekking carbonatatiediepte

gemeten waarde 20 mm 20 mm

nauwkeurigheid (95% confidence)  2 mm  5 mm

6.3.3 Update van model voor random variabelen Op basis van de inspectiegegevens kunnen de verdeling over de random variabelen inde grenstoestandsfunctie worden ‘geupdate’ op Bayesiaanse wijze.

Betondekkingsmeting Om de a-posteriori verdeling over de betondekking Dc te bepalen gegeven dat het resultaat van de betondekkingsmeting Zc = zc :

f Dc d c | z c   K f Z c  z c | d c  f Dc d c 

(19)

moeten drie factoren bekend zijn:  de likelihoodfunctie bij het gegeven meetresultaat fZc(zc| dc)  de a-priori kansdichtheidsfunctie fDc(dc)  de normalisatieconstante K Deze factoren worden apart besproken. Likelihood Het resultaat van de betondekkingsmeting is niet direct de gezochte dikte van de betondekking aangezien rekening moet worden gehouden met een meetfout. We nemen aan dat de waarde Zc die de betondekkingsmeter aangeeft als volgt gerelateerd is aan de werkelijke dekkingsdikte Dc:

32 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Zc = Dc 

(20)

waarin ε een random variabele is die de meetfout modelleert. Al genoemd is dat de meetonnauwkeurigheid  2 mm (95% confidence interval) bedraagt. Dit suggereert een additieve meetfout (grootte van de meetfout onafhankelijk van de dikte van de dekking). Om rekentechnische redenen zullen we hier echter uitgaan van een multiplicatief model voor de meetfout. De likelihood kan met vergelijking (20) geschreven worden als:

z  f Z c  z c | d c   f   c   dc 

(21)

waarin fε (.) de kansdichtheidsfunctie voor de meetfout is. We kiezen een lognormale verdeling voor ε: fε (ε)= LN(1.0, 0.05)

(22)

De letters LN staan voor ‘lognormaal’ en de waarden binnen de haakjes geven het gemiddelde respectievelijk de standaarddeviatie weer. Voor de waarde dc = 20 mm geeft dit de likelihoodfunctie: fZc(zc| dc = 20 mm) = LN( 20 mm, 1.0 mm)

(23)

A-priori verdeling De a-priori kansdichtheidsfunctie weerspiegelt de onzekerheid in de waarde van de dekkingsdikte vóórdat de inspectieresultaten bekend zijn. Dit is dus de lognormale kansdichtheidsfunctie die we in de initiële betrouwbaarheidsanalyse hebben gebruikt (zie Tabel 4.2): fDc(dc) = LN( 20 mm, 3 mm)

(24)

Normalisatieconstante De normalisatieconstante K kan met behulp van het total probability theorema uit de likelihood en de a-priori kansverdeling worden bepaald via: 

K   f Z c  z c | x  f Dc  x  dx 0

A-posteriori verdeling Hiermee zijn alle ingrediënten voorhanden om met behulp van vergelijking (19) de gezochte a-posteriori kansverdeling te berekenen bij de gemeten waarde zc = 20 mm. In dit speciale geval is een alternatieve (en eenvoudiger) aanpak mogelijk, die in de

33 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Appendix is uitgewerkt. De resulterende a-posteriori verdeling is ook weer een lognormale verdeling: fDc (dc | zc = 20 mm) = LN( 20.1 mm, 0.95 mm )

(25)

0.5 0.45

a-posteriori

kansdichtheid

0.4 a-posteriori bij diffuse a-priori

0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1

a-priori

0.05 0 10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

dc (mm)

Figuur 6.5 Kansdichtheidsfuncties voor de dikte van de betondekking

Figuur 6.5 toont zowel a-priori als a-posteriori kansdichtheidsfuncties voor de betondekking Dc. Het gemiddelde blijkt in dit geval niet te veranderen ten gevolge van de inspectie; de standaarddeviatie wordt flink kleiner. Ter vergelijking is in de figuur ook de a-posteriori kansdichtheidsfunctie weergegeven die zou resulteren wanneer voorafgaande aan de inspectie helemaal geen informatie over de betondekking bekend zou zijn geweest. We zouden dan te maken hebben gehad met een diffuse of non-informatieve a-priori verdeling. Het blijkt dat ten gevolge van de aanwezige voorkennis de a-posteriori verdeling smaller wordt, hoewel in beperkte mate.

Meting van de carbonatatiediepte In tegenstelling tot de dikte van de betondekking is de diepte van het carbonatatiefront geen parameter in de grenstoestandsfunctie, maar de output van een observatiemodel (vergelijking (26)). Aangezien het observatiemodel slechts afhangt van één stochastische modelparameter, is dit eenvoudig op te lossen. We kunnen via vergelijking (26):

Xc  C t

(26)

34 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

een inspectieresultaat voor Xc namelijk direct koppelen aan een inspectieresultaat voor de carbonatatiesnelheid C bij t = tinsp. Vervolgens kan de verdeling voor C worden bijgesteld via de regel van Bayes. Geheel analoog aan de behandeling van het resultaat van de betondekkingsmeting kan nu worden bepaald, dat de a-posteriori verdeling voor C gelijk is aan: fC (c | Yc = 20 mm ) = LN( 2.42 mm/jaar0.5, 0.20 mm/jaar0.5)

(27)

Figuur 6.6 toont zowel a-priori als a-posteriori kansdichtheidsfuncties voor de parameter C. Ter vergelijking is in de figuur ook de a-posteriori kansdichtheidsfunctie weergegeven die zou resulteren wanneer voorafgaande aan de inspectie helemaal geen informatie over de betondekking bekend zou zijn geweest. We zouden dan te maken hebben gehad met een diffuse of non-informatieve a-priori verdeling. Het blijkt dat ten gevolge van de aanwezige voorkennis de a-posteriori verdeling duidelijk smaller wordt.

2 1.8

a-posteriori

kansdichtheid

1.6

a-posteriori met diffuse a-priori

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4

a-priori

0.2 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.5

3.5

4

4.5

5

c (mm/jaar ) Figuur 6.6 Kansdichtheidsfuncties voor de carbonatatiesnelheid C.

De a-posteriori kansverdeling voor C kan nu gebruikt worden voor een verdere betrouwbaarheidsanalyse.

35 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Samenvatting In deze paragraaf is aan de hand van de voorbeeldconstructie besproken op welke wijze een inspectie wordt uitgevoerd op t = 70 jaar na de bouw. Vervolgens is geïllustreerd hoe de resultaten van twee typen metingen, een betondekkingsmeting en een bepaling van de carbonatatiediepte, gebruikt kunnen worden om de kansverdelingen over parameters van de limit state functie bij te stellen. Het resultaat is weergegeven in Tabel 6.3. Tabel 6.3 Parameters met bijgestelde verdelingen. Variabele

Beschrijving

Eenheid

Dc

dikte betondekking carbonatatiesnelheid

mm lognormaal 0.5 mm/ jaar lognormaal

C

Type

Gemiddelde 20.1 2.42

CoV 0.047 0.083

In de volgende paragraaf wordt geanalyseerd welke invloed de inspectieresultaten hebben op de betrouwbaarheid van de constructie. 6.3.4 Update van betrouwbaarheidsanalyse Wanneer we een betrouwbaarheidsanalyse uitvoeren aan de hand van de grenstoestandsfunctie uit paragraaf 4.3, waarbij gebruik wordt gemaakt van de aposteriori verdelingen voor de betondekking Dc en de carbonatatiesnelheid C, vinden we de volgende curve als functie van de tijd.

betrouwbaarheidsindex beta per jaar

6 na eerste inspectie 5.5 5 4.5 4 zonder inspectie

3.5 3 2.5 2 0

20

40

60

80

100

120

tijd (jaar)

Figuur 6.7

Betrouwbaarheidsindex als functie van de tijd met gebruikmaking van de inspectiegegevens op t = 70 jaar. Ter vergelijking is ook de curve zonder inspectie weergegeven.

36 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Als gevolg van de kennis die bij de inspectie wordt verkregen komt de betrouwbaarheid op het moment van inspectie weer terug op de originele waarde. Direkt erna zakt de waarde van beta weer om 20 jaar na de inspectie op t = 90 jaar weer onder de minimale waarde van 4.8 te duiken. Op of vóór dat moment moet er dus weer aktie worden ondernomen om de betrouwbaarheid gedurende de referentieperiode van 100 jaar te kunnen garanderen. Besloten wordt op t = 90 jaar weer een inspectie uit te voeren. Deze komt aan de orde in de volgende paragraaf.

6.3.5 Tweede inspectie

Inleiding Op t = 90 jaar wordt een tweede inspectie gepleegd aangezien op dit moment de betrouwbaarheid onder het minimaal vereiste niveau dreigt te zakken. Nog steeds is er aan de buitenzijde geen achteruitgang van de constructie te constateren: geen alarmerende scheuren, geen afgedrukte betondekking, geen uitvloeiende roestprodukten. Er wordt een elektrochemische halfcelmeting uitgevoerd om een indruk te krijgen van het voortschrijden van eventuele corrosie. Bij deze inspectie wordt geen verdere studie gedaan naar de diepte van het carbonatatiefront. Bij een halfcelmeting ofwel SCE-meting wordt een potentiaalverschil gemeten tussen twee elektroden. De ene elektrode is verbonden aan de wapening, de andere elektrode is via een goed geleidende verbinding in contact met het betonoppervlak. Het potentiaalverschil is een indicatie voor het optreden van corrosiereakties: op plaatsen waar deze reakties plaatshebben zal het potentiaalverschil tussen de twee elektroden groter zijn dan op plaatsen waar dit niet het geval is. Met de halfcelmeting kan de corrosie globaal in kaart gebracht worden. Per lokatie kan de meetmethode een resultaat geven in één van de categorieën uit Tabel 6.4. Tabel 6.4 Mogelijke resultaten van een halfcelmeting. Bron: CUR (1994). Categorie

Potentiaalverschil

Corrosie

Groen Roze Rood

tussen 0 en –200 mV tussen –200 en –300 mV kleiner dan –300 mV

geen corrosie met betrouwbaarheid van 90% onduidelijk of er wel of geen corrosie optreedt wel corrosie met betrouwbaarheid van 90%

Meetresultaat In dit voorbeeld nemen we aan, dat ter plaatse van de wapening die relevant is voor de limit-state functie onder beschouwing op t insp = 90 jaar potentiaalverschillen worden gevonden in de categorie ‘groen’. In de volgende paragraaf komt aan de orde hoe deze informatie kan worden gebruikt voor het bijstellen van verdelingen over modelparameters.

37 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

6.3.6 Update van model voor random variabelen Het moment waarop corrosie gaat optreden is in het model gecodeerd met de variabele t0. Vóór dit tijdstip treedt überhaupt geen corrosie op, daarna schrijdt de corrosie voort volgens vergelijking (10). We kunnen de informatie uit de halfcelmeting dan ook gebruiken om onze kennis over de waarde van to bij te stellen. De a-priori informatie over to is vastgelegd in Tabel 4.2. Als eerste moeten we precies omschrijven hoe we de uitslag van de meting interpreteren. Daarna komt de vraag aan de orde hoe de voorkennis en het resultaat van de inspectie kunnen worden gecombineerd en tot welk resultaat dit leidt in termen van de betrouwbaarheid van de constructie. Deze punten komen hier achtereenvolgens aan de orde.

Informatie uit de meting De informatie die we uit de halfcelmeting krijgen staat gegeven in Tabel 6.4. Deze tabel stelt, dat bij een uitslag ‘groen’ er geen corrosie aan de gang is met een betrouwbaarheid van 90%. We zullen deze in probabilistische zin wat onduidelijke frase hier interpreteren als: P(‘groen’ | geen corrosie) = 0.9

(28)

Behalve deze kans hebben we nog meer informatie over de meetmethode nodig, namelijk de kans op ‘groen’, gegeven dat er wél corrosie optreedt. We schatten deze kans af aan de hand van de volgende vergelijking: P(‘groen’ | wel corrosie) + P(‘roze’ | wel corrosie) + P(‘rood’ | wel corrosie) = 1 (29) De laatste term in deze vergelijking volgt ook uit Tabel 6.4 en is gelijk aan 0.9. Dat betekent dat er voor de overige twee termen nog 0.1 overblijft. Daarbij is het aannemelijk dat de tweede term beduidend groter is dan de eerste. We zullen hier aannemen dat P(‘groen’ | wel corrosie) = 0.01

(30)

Voor een zorgvuldige bepaling van de a-posteriori verdeling en daarmee de betrouwbaarheid van de constructie zou het wenselijk zijn de karakteristiek van de halfcelmeting beter te kennen.

Combinatie van de informatie Net als bij het verwerken van de resultaten van de vorige inspectie zullen we bij het combineren van de a-priori informatie en de informatie uit de meting gebruik maken van de regel van Bayes:

f t 0 t0 |' groen' op tinsp  

P' groen' op tinsp | t0  f t 0 t0  P' groen' op tinsp 

(31)

38 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Om de a-posteriori verdeling ft0 (t0 | ‘groen’ op tinsp) te berekenen moeten drie factoren worden bepaald. De a-priori verdeling ft0 (t0) is al bekend. De kans in de noemer is een evenredigheidsconstante die zorgt dat de totale kansmassa onder de aposteriori kansdichtheidsfunctie gelijk aan 1 is. Deze kan via integratie van de teller in het rechterlid worden bepaald en is gelijk aan 0.083. Dan rest nog de bepaling van P(‘groen’ op tinsp| t0) in vergelijking (31) voor een willekeurige t0 om de a-posteriori verdeling over t0 te berekenen. Wanneer t0  tinsp geldt dat corrosie al is geïnitieerd bij inspectie, zodat P(‘groen’ op tinsp | t0) = P(‘groen’ | wel corrosie) = 0.01

(32)

Voor t0 > tinsp geldt analoog: P(‘groen’ op tinsp | t0) = P(‘groen’ | geen corrosie) = 0.9

(33)

Daarmee wordt de a-posteriori kansdichtheid over t0 dus:

0.12 f t 0 t  f t 0 t0 |' groen' op tinsp    10.85 f t 0 t 

t0  tinsp  90 jaar t0  tinsp  90 jaar

(34)

Deze kansdichtheid is grafisch weergegeven in Figuur 6.8 samen met de a-priori kansdichtheid over t0.

0.09 0.08 0.07

a-posteriori

kansdichtheid

0.06 0.05 a-priori

0.04 0.03 0.02 0.01 0

0

20

40

60

80

100

120

140

t0 (jaar)

Figuur 6.8 Vergelijking van de a-priori en a-posteriori kansdichtheden over t 0.

39 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Deze a-posteriori verdeling kan worden gebruikt in de betrouwbaarheidsanalyse. Dit komt in de volgende paragraaf aan de orde. 6.3.7 Update van de betrouwbaarheidsanalyse Wanneer we op basis van de a-posteriori verdeling voor to de betrouwbaarheid van de constructie na de tweede inspectie berekenen, leidt dit tot de resultaten in Figuur 6.9.

betrouwbaarheidsindex beta per jaar

6

na 2e inspectie

5.5 5 4.5 4 zonder inspectie

3.5

zonder 2e inspectie

3 2.5 2 0

20

40

60

80

100

120

tijd (jaar)

Figuur 6.9

Betrouwbaarheidsindex als functie van de tijd met gebruikmaking van de inspectiegegevens op t = 70 jaar en op t = 90 jaar. Ter vergelijking zijn ook de curves zonder inspectie en met alleen de eerste inspectie weergegeven.

De betrouwbaarheid komt niet meer helemaal terug op het oude niveau ( = 5.2 in plaats van 5.4) ondanks het feit dat de halfcelmeting aangeeft dat er nog geen corrosie is opgetreden. Dit heeft te maken met het feit dat de a-priori verdeling over t0 sterk suggereert (geeft kans van 95%, zie Figuur 6.8) dat corrosie geïnitieerd is vóór het tijdstip van inspectie. De betrouwbaarheid van de halfcelmeting is niet voldoende hoog om deze suggestie volledig teniet te doen. Het resultaat van de inspectie is echter wel zodanig, dat de betrouwbaarheid van de constructie tot het einde van de referentieperiode (t = 100 jaar) boven de minimale waarde blijft zonder dat reparaties noodzakelijk zijn.

40 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

7. Samenvatting In dit rapport is een aanzet gegeven tot een basisfilosofie voor het ontwerp van een monitoringstrategie. Deze filosofie is vervolgens toegepast op een concrete case. Deze betreft de duurzame veiligheid van een gewapend betonnen balk op twee steunpunten. Twee alternatieve monitoringstrategieën zijn geformuleerd en op effectiviteit met elkaar vergeleken. In de case studie is eerst een initiële betrouwbaarheidanalyse uitgevoerd op basis van de a-priori aanwezige kennis (en onzekerheden) over belasting en sterkteparameters. Deze analyse geeft aan, dat de minimaal vereiste betrouwbaarheid niet gedurende de gehele levensduur (100 jaar) wordt gehaald. Het is dus noodzakelijk de betrouwbaarheid van de constructie te monitoren. Hiertoe zijn twee alternatieve monitoringstrategieën geformuleerd. De eerste strategie is gebaseerd op visuele inspecties. De tweede strategie maakt gebruik van een meer geavanceerd meetinstrumentarium. Bij de evaluatie van beide monitoringstrategieën zijn fictieve, doch realistische meetresultaten aangenomen. De case studie geeft aan, dat de geformuleerde basisfilosofie een bruikbaar handvat vormt voor het evalueren van de twee strategieën. Het op Bayesiaanse wijze combineren van a-priori informatie en informatie uit de metingen kan naadloos worden geïntegreerd in de betrouwbaarheidsanalyses. Verder wordt over het voetlicht gebracht, dat in veel gevallen de betrouwbaarheid van een constructie op peil kan worden gehouden door middel van monitoring alléén, zonder dat onderhoud wordt gepleegd. Monitoring verkleint de onzekerheden, hetgeen op zichzelf al kan leiden tot een verhoging van de betrouwbaarheid. Ook wordt aannemelijk dat een ‘eenvoudige’ strategie gebaseerd op visuele inspectie qua effectiviteit niet hoeft onder te doen voor een strategie waarin meer geavanceerde apparatuur wordt ingezet. Om een harde vergelijking tussen deze twee strategieën te maken, moet ook de onzekerheid in het inspectieresultaat in de berekeningen worden meegenomen. Dit is in deze studie nog niet gebeurd: er zijn deterministische inspectiegegevens gesimuleerd. Om de neergelegde basisfilosofie verder te toetsen is vervolg in op deze studie gewenst in twee richtingen: 1. Meenemen van de onzekerheid die bestaat in de inspectieresultaten bij het ontwerp van constructie en/of monitoringstrategie. Naast deze onzekerheden zouden ook de kosten van de inspectietechnieken kunnen worden beschouwd en de mogelijkheden die bij negatief inspectieresultaat bestaan om nog onderhoud te plegen. 2. De vragen ‘wat en hoe’ monitoren uitbreiden naar ‘wanneer en waar’.

41 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Literatuur

Achtergrondinformatie voor de Eurocode 1 (1996), Part 1: Basis of Design, JCSSJoint Committee on Structural Safety, Project Team Eurocode 1, Werkdocument no. 94, Maart 1996. Borsje, H. Personal communications (2000). CUR (1994), Duurzaamheid en onderhoud van betonconstructies, CUR publicatie 172, Civieltechnisch centrum uitvoering research en regelgeving. De Wit, M.S., Vrouwenvelder, A.C.W.M., Duurzame veiligheid met behulp van inspectie en onderhoud, een voorbeeldstudie’, TNO-rapport 2000-CON-DYNR2015, 2000. De Wit, M.S., Vrouwenvelder, A.C.W.M., Duurzaheid met behulp van inspectie en onderhoud, voorbeeldstudie 2’, TNO-rapport 2000-CON-DYN-Rxxxx, 2000. Dunnicliff, J., ‘Systematic approach to planning monitoring programs using geotechnical instrumentation: an update’, Proc. 5 th Int Symp. on Field Measurements in Geomechanics, Singapore, 1-3 December 1999. Duracrete (1999), Duracrete report, Task 4, Statistical quantification of the variables in the limit state functions. The European Union - Brite EuRam III Report, Document BE95-1347/R9, Oktober 1999. Eurocode 1.1 (1994), Basis of design and Actions, Part I Basis of Design, European prestandard ENV 1991-1, CEN, September 1994. French, S., ‘Decision theory’, Ellis Horwood, London, 1993. French, S., Smith, J.Q. (eds.), ‘The practice of Bayesian Analysis’, Arnold, London, 1997. Hellevik, S.G., Langen, I., ‘In-service inspection planning of flowlines subjected to CO2-corrosion’, Proc. 10th Int. Offshore and Polar Eng. Conf., Seattle, USA, May 28- June 2, 2000. ISO-DIS 2394 (1996), General principles on reliability of structures, Draft International Standard ISO/DIS 2394, ISO. JCSS (Joint Committee on Structural Safety), ‘Assessment of Existing Structures’, Draft February 2000.

2000-CON-DYN-R2101

42 van Error! Bookmark not defined.

Matthews, S.L., ‘Deployment of instrumentation for in-service monitoring’, The Structural Engineer, vol. 78 no. 13 pp. 28-32, 2000. NEN 6720, Voorschriften beton TGB 1990, CUR, NNI, 1995. Potter, R.W., ‘The art of measurement, theory and practice’, Prentice Hall, New Jersey, 2000. Vrouwenvelder, A.C.W.M. and Schiessl, P. (1999), Durability aspects of probabilistic ultimate limit state design, HERON, v44 n1 pp19-29. Waarts, P.H., Structural reliability using finite element methods, Ph.D. Thesis TUDelft, 2000.

43 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Appendix A Bayesiaanse bijstelling na 1e inspectie

A-posteriori kansdichtheid na 1e inspectie De gezamenlijke a-posteriori kansdichtheidsfunctie over de stochastische modelparameters in X na het resultaat ‘geen scheuren’ bij de eerste inspectie volgt uit:

f X(1)  x   f X  x | I1 : nc  



PI1 : nc | x f X( 0)  x  PI1 : nc

L(X1)  x  P

(1)

f X( 0)  x 

met: X fX(1) fX(0) I1 : nc bij 1e inspectie P{A} A|B optreedt x LX(1) P(1)

vector van stochastische modelvariabelen de a-posteriori verdeling voor X na de 1e inspectie de a-priori verdeling voor X vóór de 1e inspectie de gebeurtenis dat geen scheuren (no cracks) worden gedetecteerd de kans dat gebeurtenis A optreedt gebeurtenis A treedt op, terwijl gegeven is dat gebeurtenis B afkorting voor: X = x de likelihood van de observatie bij de 1e inspectie als functie van x de (a-priori) kans op de observatie bij de 1e inspectie

Om de a-posteriori kansdichtheid te bepalen moeten dus 3 grootheden worden bepaald: de a-priori kansdichtheid, de likelihood en de kans op de observatie (die in dit geval op ‘no cracks detected’ neerkomt). A-priori kansdichtheid Aangezien de modelvariabelen in deze studie aanvankelijk als onafhankelijk worden beschouwd, kan de a-priori kansdichtheid worden geschreven als:

f X( 0)  x   f X( 10)  x1  f X( 02 )  x 2   f X( 0n )  x n 

44 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

dat wil zeggen als het product van de marginale a-priori kansdichtheidsfuncties van de modelvariabelen in X. Deze marginale kansdichtheidsfuncties zijn in Tabel 4.2 gespecificeerd. Likelihood De likelihood van de observatie ‘no cracks detected’ bij de eerste inspectie kan met behulp van het ‘total probability theorema’ als volgt worden bepaald3: 

(1) X

L

x   PI1 : nc | x   PI1 : nc | w, x f W w | x  dw t1

0

waarin f Wt1 w | x  de kansdichtheidsfunctie is van de scheurwijdte op tijdstip van de eerste inspectie t1 wanneer gegeven is dat X = x. Aangezien de detectie van een scheur slechts van zijn wijdte afhangt, geldt dat: P{I1 : nc | w, x} = P{I1 : nc | w} = 1 – POD(w) waarin POD(w) de Probability Of Detection curve is die bij de gebruikte inspectiemethode hoort. Deze curve is weergegeven in Figuur 6.1. Wanneer er behalve de modelparameters in X ook nog andere stochastische modelparameters Y zijn, die de scheurwijdte mede bepalen, dan kan voor een gegeven X = x de likelihood benaderd worden via een Monte Carlo aanpak: 



0

0

L(X1)  x    PI1 : nc | w, x f Wt 1 w | x  dw   1  PODw f Wt1 w | x  dw  E1  PODw | x 

1 N

N

 1  POD( w x  i

i 1

waarin E{.} de verwachtingswaarde is, wi(x) = w(x, yi, t1) met yi, i = 1, …, N een random sample van de modelvariabelen, die niet in x zijn vastgelegd en t1 het tijdstip van de eerste inspectie4.

3

Bij de kansdichtheidsfunctie

f Wt1 w | x  hoeft niet te worden aangegeven of het om een a-

priori of a-posteriori kansdichtheid gaat, aangezien geconditioneerd wordt op de variabelen waarvan de verdeling wordt bijgesteld. 4 In deze studie is praktische invulling gegeven aan de likelihood functie door eerst een rooster aan te leggen over de ruimte opgespannen door x en voor de roosterpunten de

45 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Indien X alle (stochastische) modelvariabelen bevat, is Wt1 een deterministische grootheid bij gegeven X = x, zodat de likelihood volgt uit:

L(X1)  x   1  PODw x, t1  Kans op de observatie De kans op de observatie ‘no cracks detected’ is niet meer dan een evenredigheidsconstante, die ervoor zorgdraagt, dat de kansmassa onder de aposteriori kansdichtheidsfunctie netjes gelijk aan 1 is. De kans kan als volgt worden bepaald:

P (1)  PI1 : nc 















    PI1 : nc | x f X  x  d x

    L(X1)  x  f X  x  d x

 

 E L(X1) 

1 N

N

 L x  (1) X

i

i 1

waarin xi een random sample uit de a-priori verdeling over de modelparameters in X.

Reliability analysis Gegeven een grenstoestandsfunctie g(X, t). Falen is gedefinieerd door g(X, t) < 0. De faalkans Pf is de kans dat falen optreedt. Deze kans kan als volgt worden berekend:

likelihood via Monte Carlo sampling op bovenstaande wijze te bepalen. De likelihood in de tussen-roosterpunten werd vervolgens via lineaire interpolatie bepaald.

46 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Pf 



 f x  d x

X g  x , t  0









   I g x, t  f X x  d x

waarin:

g  x, t   0 anders

1 I  g x, t    0

Deze integraal kan met behulp van een Monte Carlo sampling-techniek worden benaderd. In de meest ruwe vorm wordt de integraal benaderd met:

Pf 

1 N

N

 I g x , t   i

i 1

N fail N

Hierin is xi , i = 1, …, N een random sample uit de verdeling over de modelvariabelen x en Nf het aantal samples waarvoor falen optreedt, dat wil zeggen waarvoor g(xi, t) < 0. Deze ruwe Monte Carlo methode is in deze studie om twee redenen niet optimaal: 1. De faalkansen zijn vaak klein, hetgeen betekent, dat veel samples moeten worden doorgerekend om een schatting van de faalkans te krijgen met een voldoende kleine onzekerheid. 2. In tegenstelling tot de a-priori verdeling over de modelvariabelen, waarin de variabelen onafhankelijk worden gekozen en nette marginale verdelingen krijgen toebedeeld, zijn deze variabelen a-posteriori vaak afhankelijk met veel minder nette marginalen. Het trekken van een random sample uit een dergelijke a-posteriori verdeling is numeriek geen eenvoudige zaak. Beide problemen kunnen worden ondervangen door uit een andere verdeling te samplen dan uit de verdeling voor fX zelf, bijvoorbeeld uit de verdeling hX. De uitdrukking voor de faalkans wordt dan:

47 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101









Pf     I  g  x, t  f X  x  d x 







    I  g  x, t 



1 N

N

 I g x i , t  i 1

f X x 

hX x 

h X x  d x

f X x i 

hX x i 

waarin xi , i = 1, …, N een random sample uit de verdeling hX(x) is. Deze verdeling mag nergens 0 zijn in het integratiedomein. In verband met de vergroting van de efficiency van de Monte Carlo procedure (argument 1) wordt voor hX(x) een verdeling gekozen die meer kansmassa toekent aan het faal-gebied, dat is het gebied in de x-ruimte waarvoor de grenstoestandsfunctie negatief is. Men spreekt in dit geval van importance sampling. In deze studie is gewerkt met increased variance sampling, waarbij de variantie van de (marginale) verdelingen van de variabelen wordt vergroot (zie Waarts, 2000). In situaties waarin fX(x) de a-posteriori verdeling over de variabelen voorstelt (argument 2), kan voor hX(x) bijvoorbeeld de a-priori verdeling worden gekozen, waaruit meestal via standaardtechnieken een random sample kan worden getrokken. Wanneer beide argumenten een rol spelen is een geschikte keuze voor hX(x) niet direct duidelijk. In deze studie is op pragmatische gronden gekozen voor de a-priori verdeling met vergrote varianties, waarbij de vergrotingsfactor gebaseerd is op de empirische betrekking in Waarts (2000).

48 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

Appendix B Bayesiaanse bijstelling na volgende inspecties

A-posteriori kansdichtheid na 2e en volgende inspecties We nemen aan dat bij een tweede inspectie wederom geen scheuren worden gedetecteerd, dus I2 : nc. We kunnen dan de a-posteriori kansdichtheid over de modelparameters X als volgt bepalen:

f

( 2) X

x  

f X  x | I 2 : nc  

PI 2 : nc | x f X(1)  x  PI 2 : nc

L(X2)  x 



P (2)

f X(1)  x 

L(X2)  x  L(X1)  x 



P

(2)

P

f X( 0)  x 

(1)

De twee nieuwe grootheden in deze betrekking zijn LX(2) en P(2). Deze worden hieronder besproken. Likelihood LX(2) Wanneer er behalve de modelparameters in X ook nog andere stochastische modelparameters Y zijn, die de scheurwijdte mede bepalen, dan kan voor een gegeven X = x de likelihood geheel analoog aan de procedure bij de 1e inspectie benaderd worden via een Monte Carlo aanpak:

L(X2)  x   PI 2 : nc | x 



 PI

2

: nc | w, x f Wt 2 w | x  dw

0



1 N

N

 1  PODw  i

i 1

waarin wi(x) = w(x, yi, t2) met yi, i = 1, …, N een random sample van de modelvariabelen, die niet in X zijn vastgelegd en t2 het tijdstip van de eerste inspectie. Wanneer X alle (stochastische) modelvariabelen bevat, vereenvoudigt deze uitdrukking weer tot:

49 van Error! Bookmark not defined.

2000-CON-DYN-R2101

L(X2)  x  

1  PODwx, t 2 

Voor volgende inspecties verloopt de berekening geheel analoog. Kans op de observatie Analoog aan de eerste inspectie kan worden geschreven:

P ( 2)  PI 2 : nc 











    PI 2 : nc | x f X(1) x  d x

    L(X2)  x  





1 N P (1)

N

L(X1)  x  P

(1)

f X( 0) x  d x

 L x  L x  i 1

( 2) X

i

(1) X

i

waarin xi, i = 1, …, N een random sample uit de a-priori verdeling over X. Voor volgende inspecties is de procedure geheel analoog.

Reliability analysis na 2e en volgende inspecties Verloopt geheel analoog aan die na eerste inspectie.

Monitoringsfilosofie HerMes definitief CO-710107/53 30-1-2001

Monitoringsfilosofie HerMes Waarom, Wat, Waar, Wanneer en in Welke mate meten & verwerken

definitief

CO-710107/53 30-1-2001 N:\projecten.afd\710107 Opgesteld in opdracht van: DELFT CLUSTER POSTBUS 69 2600 AB DELFT

AFDELING GRONDCONSTRUCTIES Projectleider : dr.ir. A.R. Koelewijn Projectbegeleider : dr. J.K. van Deen

GeoDelft Stieltjesweg 2, 2628 CK DELFT Postbus 69, 2600 AB DELFT Telefoon (015) 269 35 00 Telefax (015) 261 08 21 Postbank 234342 Bank MeesPierson NV Rek.nr. 25.92.35.911

CO-710107/53

definitief

rapportnr: CO-710107/53

datum rapport: 30-1-2001

titel en subtitel: Monitoringsfilosofie HerMes Waarom, Wat, Waar, Wanneer en in Welke mate meten & verwerken

behandelende afdeling: Grondconstructies

projectleider(s): dr.ir. A.R. Koelewijn naam en adres opdrachtgever: Delft Cluster Postbus 69 2600 AB Delft

30-1-2001

projectnaam: Monitoringsfilosofie HerMes projectbegeleider(s): dr. J.K. van Deen referentie opdrachtgever: 01.01.07 Monitoringsfilosofie HerMes verzenden in: n-voud type rapport: definitief

samenvatting rapport:

opmerkingen:

trefwoorden:

verspreiding:

aantal blz.: 40

opgeslagen op: onder titel: N:\projecten.afd\710107 - Monitoringsfilosofie\E. Rapport of Advies aan klant\710107_53_totaal_herdruk_Monitoringsfilosofie HerMes.doc versie: datum: opgesteld door: paraaf: 1 12-7-2000 ir. A.R. Koelewijn

gecontroleerd door: dr. J.K. van Deen

2

28-7-2000

ir. A.R. Koelewijn

dr. J.K. van Deen

3

3-1-2001

ir. A.R. Koelewijn

dr. J.K. van Deen

4

30-1-2001

dr.ir. A.R. Koelewijn

dr. J.K. van Deen

paraaf:

GeoDelft

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

INHOUDSOPGAVE 1

Inleiding 1 1.1 Doelstelling 1.2 Projectkader 1.3 Organisatie van het project 1.4 Leeswijzer bij dit rapport

1 1 3 3

2

Rationele monitoring 2.1 Inleiding 2.2 Afbakening van het project en de relevante omgevingsfactoren 2.3 Bepaling van de maatgevende faalmechanismen 2.4 Bepaal welke vragen door monitoring dienen te worden beantwoord 2.5 Keuze van een monitoringsstrategie 2.5.1 Formulering van het beslissingsprobleem 2.5.2 Herhaalde observaties

5 5 7 8 9 10 12 14

3

Ontwerpfase: systematische opzet monitoringssysteem 3.1 Inleiding 3.2 Bepaal de te monitoren parameters 3.3 Bepaal orde van grootte van veranderingen 3.4 Bedenk aanvullende maatregelen 3.5 Bepaal locaties van de instrumenten 3.6 Benoem specifieke doel van elk instrument 3.7 Registratie van relevante omgevingsinvloeden 3.8 Beschrijf eisen aan de uit te voeren metingen 3.9 Stel procedures op ter bepaling van het correct functioneren van de meetinstrumenten 3.10 Plan regelmatige kalibratie en onderhoud 3.11 Verantwoordelijkheden bepalen voor diverse projectfasen 3.12 Selecteer instrumenten 3.13 Aankoopspecificaties voor instrumenten 3.14 Stel de voorlopige begroting op 3.15 Plan installeren van instrumenten 3.16 Plan verzameling van meetgegevens 3.17 Plan verwerking van meetgegevens 3.18 Stel de begroting vast 3.19 Vastleggen van het monitoringssysteem in een ontwerpverslag

17 17 17 17 18 18 18 18 19 19 19 19 20 20 20 20 21 21 21 21

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

4

Bouwfase: periodieke toets van de monitoringsstrategie

23

5

Beheerfase: periodieke toets van de monitoringsstrategie

25

6

Literatuur

27

Bijlage bij herdruk 28-3-2001: Verwerking van meetdata (4 pagina’s)

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

1 Inleiding 1.1 Doelstelling In dit rapport wordt een methodiek aangegeven om monitoringsgegevens op rationele wijze kwantitatief te laten bijdragen aan de betrouwbaarheid bij de bouw en het beheer van civieltechnische constructies. Hiermee is een betere beheersing van risico’s mogelijk, zowel tijdens het bouwproces als in de exploitatiefase.

1.2 Projectkader Deze methodiek is ontwikkeld in het kader van het Delft Cluster project ‘Monitoringsfilosofie HerMes’1. Dit project maakt deel uit van het Delft Cluster onderzoeksprogramma voor de periode 1999-2002. Dit programma is onderverdeeld in zeven thema’s, waarvan het thema ‘Grond en Constructies’, waar dit project onder valt, er één is. Binnen dit thema is onderscheid gemaakt tussen specifieke basisprojecten, die een directe koppeling hebben met één van de subthema’s, en generieke basisprojecten, die relevant zijn voor alle subthema’s. Dit project is een onderdeel van het generieke basisproject ‘Verkennen, Meten en Monitoren’. In het onderzoeksprogramma is voor het thema ‘Grond en Constructies’ als doelstellingen reductie van risico, kosten, bouwtijd, overlast en ruimtedruk genoemd. Dit project sluit daar als volgt op aan: -

-

-

1

de risico’s nemen toe naarmate nieuwe constructies ingewikkelder zijn, meer kritische elementen bevatten en er minder relevante ervaring mee bestaat, bijvoorbeeld omdat ontworpen wordt op basis van een lange ontwerplevensduur. Dergelijke situaties leiden tot meer onzekerheid, waardoor het ontwerp potentieel minder betrouwbaar is. Monitoring tijdens bouw en beheer leidt tot beperking van deze risico’s, waardoor (verdere) kostenreductie mogelijk wordt. kostenreductie kan verder onder meer worden bereikt door het optimaliseren van de beheerskosten door middel van een kwantitatieve afweging van mogelijke maatregelen (zoals niets doen, repareren, renoveren of integraal vervangen) en het in beschouwing nemen van de gevolgkosten (bijvoorbeeld files of geluidsoverlast). In toenemende mate worden beheerskosten op systeemniveau beoordeeld en niet meer op objectniveau (een viaduct bijvoorbeeld staat daarbij niet op zichzelf, maar is dan een onderdeel van een wegtraject). Hierdoor wordt het voorspellen van verouderingsverschijnselen steeds belangrijker. Door middel van monitoring kunnen verouderingsverschijnselen in kaart worden gebracht en kunnen rekenmodellen voor het voorspellen van deze verschijnselen worden geverifieerd, gevalideerd en geoptimaliseerd. monitoring tijdens kritische bouwfasen kan calamiteiten helpen voorkómen en bijdragen aan een beter inzicht in het gedrag op de langere termijn van de constructie. Dit vermindert eventuele hinder door en de kans op disfunctioneren van de constructie.

Het acroniem ‘HerMes’ staat voor ‘HEt Rationeel Monitor Evaluatie Systeem’ 1

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

De huidige stand van zaken met betrekking tot monitoren biedt goede mogelijkheden tot verbetering. Monitoringsprogramma’s zijn momenteel veelal nog niet rationeel van opzet, waarbij met name de volgende elementen in het oog springen:

-

-

-

veelal wordt onvoldoende stilgestaan bij het waarom van monitoren, waardoor de keuzen wat, waar, wanneer en in welke mate gemonitord wordt, meestal op kwalitatieve overwegingen worden gemaakt. Aan deze keuzen ligt dan geen systematische, kwantitatieve betrouwbaarheidsanalyse ten grondslag, zodat mogelijk gemonitord wordt op indicatoren die niet maatgevend of niet gevoelig zijn, waardoor de monitoring niet optimaal of gewoonweg ineffectief is. vaak zijn de verouderingsmechanismen (en de oorzakelijke factoren daarvan) van een constructie nog niet goed begrepen of nog niet in modellen gevat. Soms ontbreken ook indicatoren om vast te stellen hoe ver een eventuele aantasting is voortgeschreden. de tijdreeks van meetdata wordt in het algemeen niet afgezet tegen de predicties van een ontwerpmodel (waarin verouderingsmodellen zijn inbegrepen); daarbij zijn de beschikbare tijdreeksen vaak onvolledig of te kort. Hierdoor kan geen toetsing van de gebruikte ontwerpmodellen op uitgangspunten en parameterkeuze plaatsvinden. De monitoringsresultaten spelen dan geen rol in de verbetering van predicties met het ontwerpmodel voor de verdere toekomst, noch waar het gaat om de inschatting van het geldigheidsgebied van het model, noch waar het de parametervariabiliteit van de constructie of haar omgeving betreft. Het doel van monitoring zou echter juist het verbeteren van de oorspronkelijke ontwerppredicties moeten zijn, zeker indien de juistheid van deze predicties niet wordt bevestigd door de metingen.

In dit rapport wordt aangegeven hoe hieraan tegemoetgekomen kan worden door middel van een op systematische wijze opgesteld monitoringsplan, dat in de loop van de tijd kan worden aangepast indien daartoe aanleiding bestaat. De gepresenteerde methodiek is gebaeerd op de expertise en ervaring van GeoDelft en TNO Bouw op het gebied van monitoren, zoals deze onder meer ontwikkeld bij het ontwerp en de aanleg van de HogeSnelheidsLijn-Zuid en de Betuweroute. Verder is gebruik gemaakt van buitenlandse kennis en ervaring op dit gebied. De hier ontwikkelde methodiek sluit nauw aan bij de concepten GeoQ en DuraCrete, die recent door GeoDelft respectievelijk TNO Bouw ontwikkeld zijn:  Het GeoQ-concept richt zich op het verhogen van de kwaliteit van het geotechnische ontwerp door systematisch de risico’s te inventariseren en de significante mechanismen te identificeren. Op basis hiervan wordt het benodigde geotechnisch onderzoek vastgesteld en de benodigde probabilistische geotechnische berekeningen uitgevoerd. Hiermee zijn feitelijk de eerste stappen voor de Hermes methodiek gezet.  Het DuraCrete-concept richt zich op een probabilistische benadering van de duurzaamheid van betonconstructies waarbij de tijdsafhankelijke effecten beschouwd worden. Tijdsafhankelijke processen, bijvoorbeeld chloride indringing, kan de betrouwbaarheid van een constructie gedurende de levensduur te veel reduceren. Rationele monitoring is zinvol om in een vroeg stadium de toekomstige onderhoudsbehoefte te signaleren. Beide concepten hebben gemeen dat er processen beschouwd worden die (langzaam) in de tijd verlopen. Monitoring voor dergelijke processen is van belang om de inherente onzekerheid kosteneffectief af te handelen.

2

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

De methodiek is inmiddels gedemonstreerd aan de hand van drie concrete toepassingen, te weten de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte nabij Bergambacht [Koelewijn 2000a], de referentiebaan in het No-Recess project bij ’s-Gravendeel [Koelewijn 2000b] en een meer algemene case studie van een gewapend betonnen ligger [De Wit et al. 2000].

1.3 Organisatie van het project Dit Delft Cluster project, dat naar verwachting tot 2002 doorloopt, wordt uitgevoerd door de Delft Cluster partners TNO Bouw en GeoDelft. De basisfilosofie, die in dit rapport is verwerkt, is door beide instituten gezamenlijk ontwikkeld. Toepassing ervan op constructieve projecten vindt in principe plaats door TNO Bouw, terwijl de toepassing op de geotechnische projecten wordt uitgewerkt door GeoDelft. Beide partijen werken hierbij samen met diverse sectorpartijen (o.a. Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde en Projectorganisatie HSL-Zuid) voor de toepassing op een aantal concrete cases. Op basis van de hierbij opgedane kennis zal in 2002 een bijgewerkte versie van dit rapport worden uitgebracht.

1.4 Leeswijzer bij dit rapport Dit rapport bestaat voor een belangrijk gedeelte uit algemene, fundamentele kennis op het gebied van monitoren. Afhankelijk van de eigen ervaring van de lezer op het gebied van monitoren kan dit rapport daardoor voor een aanzienlijk gedeelte als bekend overkomen. Het doel van dit rapport is evenwel om ook de minder in het onderwerp ingevoerde lezer wegwijs te maken en een gemeenschappelijk begrippenkader te definieren aan het begin van het project. Verder is het mogelijk dat de volgorde van enkele onderdelen anders is dan in de huidige praktijk gangbaar is. In de meeste gevallen zal dit samenhangen met het verschil tussen een rationele aanpak van monitoring en een aanpak gebaseerd op gewoonten en gebruiken bij eerdere, soms onvergelijkbare projecten in het verleden, waarbij achteraf geen of onvoldoende evualatie heeft plaatsgevonden van de gevolgde werkwijze. In hoofdstuk 2 wordt ingegaan op monitoring in het algemeen en wordt het kader afgebakend waarbinnen rationele monitoring uitgevoerd kan worden: op basis van informatie over het gedrag van de constructie kan worden bepaald waar het monitoringssysteem betrekking op dient te hebben en kan een monitoringsstrategie worden bepaald. In hoofdstuk 3 wordt vervolgens uitgebreid ingegaan op de systematische opzet van een monitoringssysteem door middel van een stappenplan waarmee op rationele wijze kan worden vastgesteld waarom, wat, waar, wanneer en in welke mate gemonitord dient te worden. In hoofdstuk 4 en 5 wordt kort ingegaan op de verwerking van meetgegevens en de aanpassingen in respectievelijk de bouw en het beheer van de constructie op basis van de verwerkte gegevens en welke weerslag dit kan hebben op de gekozen monitoringsstrategie.

3

CO-710107/53

4

definitief

30-1-2001

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

2 Rationele monitoring 2.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt getracht een rationele basis voor monitoring te leggen. Dit vormt de basis voor de toepassing van monitoring tijdens het ontwerp (hoofdstuk 3), de bouw (hoofdstuk 4) en het beheer (hoofdstuk 5) van een constructie. Monitoren wordt in dit verband gedefinieerd als het herhaald uitvoeren van metingen aan of bij een constructie om beslissingen te kunnen nemen ten aanzien van de verdere bouw- en/of beheerfasen. Het antwoord op de vraag ‘Waarom monitoren?’ heeft te maken met de behoefte aan kennis over de betrouwbaarheid van het functioneren van een constructie, veelal uitgedrukt als de kans op falen. Hierbij kunnen twee niveau’s van ‘falen’ worden onderscheiden: het niet meer voldoen aan de functionele eisen die aan de constructie worden gesteld (in de (bouw)normen aangeduid als ‘servicibility limit state’ (SLS)) en het daadwerkelijk bezwijken van de constructie (‘ultimate limit state’ (ULS)). De behoefte aan kennis over het functioneren kan optreden in een verschillende context, bijvoorbeeld: - operationeel: keuzen, beslissingen - wetenschappelijk: valideren, kalibreren, verbeteren modellen, toetsen van hypothesen - juridisch: voldoen aan wettelijke verplichting, verkrijgen van vergunning In dit project ligt de nadruk op de eerste twee: de beslissingscontext en de gevolgtrekkingscontext. In de eerste context dient de via monitoring verkregen informatie als ondersteuning van bepaalde beslissingen, die moeten worden genomen in tijdens bouw of beheer van de constructie. In de tweede context worden de via monitoring verkregen gegevens bijvoorbeeld gebruikt om ontwerpmodellen, op basis waarvan initiële (betrouwbaarheids)analyses zijn gemaakt, bij te stellen of te toetsen. Voor rationele monitoring kan het in figuur 2.1 weergegeven stroomschema worden opgesteld. Hierin wordt verwezen naar diverse paragrafen en hoofdstukken in dit rapport. Het opstellen van een rationeel monitoringssysteem begint bij de afbakening van het project en een inventarisatie van de omgevingsfactoren die relevant zijn voor het functioneren van de constructie. Vervolgens kan een betrouwbaarheidsanalyse worden uitgevoerd waarmee van de diverse mogelijke faalmechanismen die het functioneren dan wel het voortbestaan van de constructie bedreigen, de kans van optreden wordt bepaald. Op basis hiervan kan worden vastgesteld waar de monitoring zich het beste op kan richten, ofwel: de vragen ‘wat, waar, wanneer en in welke mate monitoren?’ kunnen op zinvolle wijze worden gesteld. Hierna kan een keuze worden gemaakt voor de te volgen monitoringsstrategie.

5

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

Projectafbakening (§ 2.2)

Betrouwbaarheidsanalyse (§ 2.3)

Bepaling monitoringsvragen (§ 2.4)

Keuze monitoringsstrategie (§ 2.5)

Systematische opzet monitoringssysteem (§§ 3.2-3.13) (Wat, waar, wanneer en in welke mate meten van verwerkbare gegevens om op kwantitatieve wijze bij te dragen aan de betrouwbaarheid van de constructie)

Opstellen voorlopige begroting (§ 3.14)

Passend binnen budget?

nee

Budget aanpasbaar?

ja

nee

Bezuiniging op monitoring en/of gehele projectopzet

ja

Verdere planning installatie/verzameling/ verwerking (§§ 3.15-3.17)

Vastleggen ontworpen monitoringssysteem (§§ 3.18-3.19)

Eventuele bijstelling van onderdelen

Figuur 2.1

Bouw (uitvoering) en beheer (onderhoud): meten, bijstellen van prognoses op basis van metingen en afwijkingen t.o.v. ontwerp, eventueel bijstellen van uitvoering, onderhoud en monitoring om aan gestelde eisen te voldoen (h. 4-5)

Stroomschema rationele monitoring

Vervolgens kan het monitoringssysteem op systematische wijze worden opgezet. De kosten hiervan kunnen uiteindelijk wel of niet blijken te passen binnen budget dat binnen het project beschikbaar is voor monitoring. Indien het budget niet toereikend is en niet in voldoende mate kan worden aangepast, dan zal alsnog een andere monitoringsstrategie gekozen moeten worden, waarbij de reikwijdte van de monitoring zal moeten worden ingeperkt en het ontwerp zal moeten worden herzien.

6

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

Zodra een haalbaar monitoringssysteem is ontworpen kan de nadere planning plaatsvinden van de installatie van instrumenten en de inwinning en verwerking van meetgegevens. Mede om de toelaatbaarheid van eventuele toekomstige aanpassingen van het project (inclusief de bijbehorende monitoring) te kunnen toetsen dient het ontwerp van het monitoringssysteem (met de daarvoor gehanteerde uitgangspunten en vragen) op een toegankelijke wijze te worden vastgelegd in een ontwerpverslag. Tijdens de bouw en het beheer van het project kunnen daarna diverse aanpassingen aan het oorspronkelijke ontwerp van het project en/of van het monitoringssysteem plaatsvinden. Deze aanpassingen kunnen onder meer gebaseerd zijn op de uitgevoerde metingen en op verbeteringen in de gehanteerde ontwerpmodellen. Hierdoor zullen vernieuwde betrouwbaarheidsanalyses en een heroverweging van de te volgen monitoringsstrategie soms noodzakelijk blijken te zijn. Dit is echter sterk projectafhankelijk.

2.2 Afbakening van het project en de relevante omgevingsfactoren Voordat op rationele wijze een monitoringsprogramma kan worden opgezet moet er duidelijkheid bestaan over het project en de relevante omgevingsfactoren. Afhankelijk van het type project kan hierbij (onder meer) aan de volgende zaken worden gedacht: 1. programma van (functionele) eisen waar de constructie aan moet voldoen, inclusief de geldende regelgeving. 2. fysieke vormgeving. 3. gegevens met betrekking tot de belasting op de constructie. 4. gehanteerde ontwerpmodellen, inclusief de daarin gemaakte vereenvoudigingen en de daarvoor geldende beperkingen. 5. beoogde wijze van uitvoeren, inclusief alle bouwfasen. 6. materiaaleigenschappen van de constructiematerialen welke worden toegepast. 7. opbouw van de ondergrond, inclusief de variaties daarin. 8. (geotechnische) eigenschappen van de onderscheiden grondlagen en eventueel nieuw aan te brengen grond, met de mogelijke variatie in deze eigenschappen. 9. gegevens over nabijgelegen objecten. 10. overige relevante omgevingsinvloeden, bijvoorbeeld klimatologische omstandigheden of materialen die de constructie (en eventuele meetinstrumenten!) kunnen aantasten. Deze informatie is op het moment dat er over monitoring nagedacht dient te gaan worden doorgaans al globaal bekend bij degenen die al bij het project betrokken zijn. Dergelijke informatie is echter vaak slecht toegankelijk voor anderen. Bij (civiel-)technische projecten kan dit met name gelden voor impliciete aannamen in het ontwerp en voor informatie die gebaseerd is op visuele waarnemingen die niet gemakkelijk in getallen kan worden uitgedrukt. Het vastleggen van bovengenoemde informatie is met name van belang als de opzet van het monitoringsprogramma wordt opgedragen aan personen die tevoren niet bij het project betrokken waren. Met het bovenstaande overzicht dient flexibel te worden omgegaan: wijzigingen en aanvullingen moeten indien nodig gemaakt kunnen worden. Deze kunnen om uiteenlopende redenen noodzakelijk zijn. Zo kunnen bijvoorbeeld de kennis omtrent het gedrag van het betreffende type constructie, de 7

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

van toepassing zijnde regelgeving en de invloeden uit de omgeving in de loop van de tijd ingrijpend wijzigen. Hier wordt in hoofdstuk 4 (bouwfase) en 5 (beheerfase) nader op ingegaan. Dat betekent niet dat dit tijdens de ontwerpfase niet van belang is; er moet, integendeel, juist in de ontwerpfase rekening mee worden gehouden dat er nog allerlei wijzigingen worden doorgevoerd.

2.3 Bepaling van de maatgevende faalmechanismen Overeenkomstig de bepalingen in (bijvoorbeeld) de NEN 6700-serie dient voor elke (bouw)constructie te worden aangetoond dat in alle bouw- en gebruiksfasen wordt voldaan aan de in deze normen gestelde eisen ten aanzien van veiligheid en bruikbaarheid. In verband met onzekerheden ten aanzien van de aanwezige sterkte en de optredende belastingen is in deze norm voor elk type constructie aangegeven wat de maximale kans is dat een uiterste grenstoestand of een bruikbaarheidsgrenstoestand wordt overschreden gedurende de referentieperiode van het ontwerp, met andere woorden, hoe groot de kans is dat een constructie niet meer aan de daaraan gestelde functionele eisen voldoet op enig moment tijdens de ontwerplevensduur van die constructie. In de betrouwbaarheidsanalyse die volgens deze wettelijk voorgeschreven norm dient te worden gemaakt hoeft alleen te worden aangetoond dat de totale kans op het niet meer voldoen aan de prestatie-eisen voldoende klein is – er hoeft niet voor ieder mogelijk faalmechanisme afzonderlijk te worden bepaald wat de kans is dat dit mechanisme optreedt, mits de veiligheid en de bruikbaarheid van de constructie zijn beoordeeld aan de hand van de belastingen en vervormingen volgens NEN 6702 en de van toepassing zijnde materiaalgebonden normen. In dat geval worden de veiligheid en de bruikbaarheid van de constructie bepaald met behulp van partiële factoren voor zowel de belasting als de sterkte. De precieze kans op het niet meer voldoen aan de gestelde eisen is daardoor meestal niet bekend, er mag alleen verwacht worden dat deze niet groter is dan de voor dat type constructie algemeen toegestane kans op disfunctioneren. Voor de rationele opzet van een monitoringssysteem en een op kwantitatieve gronden gefundeerde keuze van een monitoringsstrategie is het echter noodzakelijk om wèl een globale betrouwbaarheidsanalyse van het ontwerp te maken, waarbij voor elk mogelijk faalmechanisme een kans van optreden wordt bepaald, rekening houdend met alle kennis die met betrekking tot het project beschikbaar is. Een dergelijke analyse hoeft overigens niet voor elk mechanisme even uitvoerig te worden uitgevoerd: er kan een categorie ‘overige mechanismen’ worden gedefinieerd waarvoor alleen bekend hoeft te zijn dat de kans van optreden daarvan relatief gering is. In eerste instantie kunnen de mogelijke faalmechanismen op gestructureerde wijze kwalitatief worden bepaald door middel van een zogenoemde ‘Failure Mode Effect Analysis’ (FMEA, voor de achtergronden hiervan wordt verwezen naar [CUR 1997]). Daarna kan voor elk faalmechanisme waarvan op basis van de beschikbare kennis en ervaring vermoed kan worden dat de kans van optreden relatief groot is, een kwantitatieve analyse worden uitgevoerd waarbij de kans van optreden van het betreffende faalmechanisme daadwerkelijk wordt bepaald. Vervolgens kan de monitoring zich verder richten op de faalmechanismen met een kans van optreden boven een bepaald te kiezen niveau. Dit kan bijvoorbeeld worden gedaan voor alleen het meest waarschijnlijke mechanisme, voor de drie meest waarschijnlijke mechanismen, voor de mechanismen met de ernstigste gevolgen, of voor alle mechanismen met een kans van optreden die groter is dan bijvoorbeeld 10 -5 per jaar. Afhankelijk van

8

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

de te volgen monitoringsstrategie (zie § 2.5) kan vervolgens de keuze worden gemaakt op welke faalmechanismen de monitoring zich daadwerkelijk zal richten. Uit de betrouwbaarheidsanalyse zal voor elk mechanisme kunnen worden afgeleid welke indicatoren voldoende maatgevend en bovendien voldoende gevoelig zijn om gemeten te worden. Het is van groot belang indicatoren te kiezen waarmee het betreffende faalmechanisme tevoren aangekondigd wordt, zodat tijdig ingrijpen mogelijk is (zie ook § 3.4). Bij het maken van de betrouwbaarheidsanalyse kan eventueel naar voren komen dat er een betrekkelijk grote onzekerheidsmarge bestaat met betrekking tot de parameters in de gehanteerde rekenmodellen. Door aanvullend onderzoek in de ontwerpfase zal deze onzekerheidsmarge verkleind kunnen worden. Met name in de geotechniek, waar men doorgaans te maken heeft met op natuurlijke wijze gevormd materiaal, geldt dat bestaande onzekerheden vaak op economisch zinvolle wijze verkleind kunnen worden door ter plaatse gericht onderzoek te verrichten naar de bodemeigenschappen.

2.4 Bepaal welke vragen door monitoring dienen te worden beantwoord Monitoring is slechts een middel voor het beantwoorden van vragen met betrekking tot het gedrag van de constructie en is dus geen doel op zich. Derhalve zal eerst moeten worden bepaald welke vragen of onduidelijkheden zich kunnen voordoen tijdens het ontwerp, de bouw of het beheer van de constructie. Monitoring zonder duidelijk omschreven doelen zal slechts bij toeval tot bruikbare resultaten leiden. Dit zal ook het geval zijn als er onvoldoende aandacht aan de monitoring wordt geschonken, of wanneer prestige of mode (‘iedereen doet aan monitoring’) de voornaamste drijfveer vormt voor de opzet van een monitoringsprogramma. De vragen waar door gericht monitoren antwoorden op gevonden kunnen worden zijn in principe af te leiden uit de bepaling van de maatgevende mechanismen zoals in de vorige paragraaf beschreven is. Een monitoringsprogramma hoeft daarmee niet beperkt te worden tot de bij deze betrouwbaarheidsanalyse geïdentificeerde mechanismen zelf, het kan ook gebruikt worden om te bepalen in welke mate de aannamen en vereenvoudigingen die bij deze analyse (en doorgaans ook in de ontwerpmodellen) zijn gemaakt te rechtvaardigen zijn. Dit maakt het ook mogelijk om andere mechanismen dan waar de monitoring zich primair op richt tijdig te onderkennen. Uiteindelijk zal elk meetinstrument dat wordt geselecteerd en geplaatst bij een project moeten dienen ter beantwoording van een specifieke vraag. Als er geen enkele vraag is waarbij de metingen van een bepaald instrument een significant aandeel leveren in de beantwoording dan moet dat instrument worden weggelaten. Anderzijds, wanneer één enkel meetinstrument een zo belangrijke plaats inneemt binnen het hele monitoringsprogramma dat bij uitval van dit instrument geen antwoord kan worden verkregen op belangrijke vragen ten aanzien van het gedrag van de constructie, dan is het raadzaam om meerdere instrumenten aan te brengen met hetzelfde doel. Door onderlinge vergelijking van de meetwaarden kan dan ook het vertrouwen in de juistheid van de metingen toenemen. Voorts dient er op te worden gelet dat op alle relevante vragen een antwoord kan worden verkregen. Hoewel incomplete gegevens zinvoller zijn dan helemaal geen gegevens kunnen hiermee hooguit incomplete resultaten worden verkregen.

9

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

De algemene kennis met betrekking tot een bepaald bezwijkmechanisme zal in een aantal gevallen in belangrijke mate kunnen toenemen indien de voor een bepaald project noodzakelijke monitoring in geringe mate wordt uitgebreid. Er moet daarbij wel voor worden gewaakt dat de omvang van het monitoringsprogramma niet uit de hand loopt vanwege onvoldoende onderscheid tussen datgene wat noodzakelijkerwijs gemeten moet worden, hetzij voor het betreffende project zelf, hetzij om het inzicht in het gedrag van het betreffende type constructies (of onderdelen daarvan) te verhogen, en datgene wat uit het oogpunt van onderzoek slechts interessant is om te weten – en niet meer dan dat.

2.5 Keuze van een monitoringsstrategie Zodra duidelijk is welke vragen door monitoring dienen te worden beantwoord kan ook een monitoringsstrategie worden bepaald. Een monitoringstrategie is het antwoord op de vragen wat te monitoren en waar, wanneer en in welke mate dat moet gebeuren. Deze vragen vormen een besluitvormingsprobleem. Dit wordt in deze paragraaf in algemene zin geïllustreerd binnen de beslissingscontext. Een nadere uitwerking hiervan is overigens te vinden in [De Wit 2000]. Een nadere uitwerking hiervan binnen de gevolgtrekkingscontext is gegeven in [Koelewijn 2000a]. Figuur 2.2 schetst een eenvoudig beslissingsprobleem, waarin een keuze moet worden gemaakt tussen al dan niet repareren van een constructie.

repareren

niet repareren

Figuur 2.2

 

falen in volgende t kosten reparatie

 

niet falen in volgende t kosten reparatie

 

falen in volgende t geen additionele kosten

 

niet falen in volgende t geen additionele kosten

Illustratie van een eenvoudig besluitvormingsprobleem

In deze beslissingsboom geven de takken aan de vierkante beslisknoop de mogelijke acties aan. De takken aan de ronde kansknopen geven de mogelijke toestanden weer die kunnen voortvloeien uit de actie. Deze toestanden zijn beschreven in voor de beslisser relevante attributen of prestaties, in dit geval al dan niet falen van de constructie en additionele kosten. Wanneer de beslisser weinig informatie heeft over de huidige staat van de constructie kan hij overwegen een meting te laten uitvoeren alvorens de gegeven beslissing te nemen. Daarmee breidt hij het beslissingsprobleem in feite uit. Dit is weergegeven in figuur 2.3. De koppeling tussen mogelijke observaties enerzijds en de keuze wel of niet tot reparatie over te gaan (in feite het bovenste deel van deze figuur) is onderwerp van verdere studie in het vervolg van dit onderzoeksproject.

10

CO-710107/53

definitief

mogelijke observaties (waaronder onverwachte) repareren

niet repareren

30-1-2001  

falen in volgende t kosten reparatie + meting

 

niet falen in volgende t kosten reparatie + meting

 

falen in volgende t kosten meting

 

niet falen in volgende t kosten meting

meten

niet meten repareren

niet repareren

Figuur 2.3

 

falen in volgende t kosten reparatie

 

niet falen in volgende t kosten reparatie

 

falen in volgende t geen additionele kosten

 

niet falen in volgende t geen additionele kosten

Uitbreiding van het besluitvormingsprobleem met de keuze tussen wel of niet meten.

Hoewel het tweede beslissingsprobleem complexer is dan het eerste, is voor het nemen van een rationele beslissing in beide problemen een vergelijkbare aanpak nodig. In deze twee voorbeelden heeft de beslisser overigens al een goed overzicht van de mogelijke acties die open staan en de relevante aspecten van de mogelijke gevolgen van deze acties. Om de analyse te voltooien dient nog te worden bepaald met welke waarschijnlijkheden de verschillende mogelijke gevolgen (takken van de ronde kansknopen) zullen optreden. Om op basis van deze analyse op rationele gronden een actie te kiezen, zal de beslisser voor iedere actie de mogelijke gevolgen moeten afwegen tegen de waarschijnlijkheid waarmee deze kunnen optreden. Voor dit soort opgaven geeft met name de Bayesiaanse beslissingstheorie een goed houvast (zie bijvoorbeeld [French 1993], [French & Smith 1997] en [JCSS 2000]). Deze theorie biedt de mogelijkheid om via een analytische aanpak, waarin het totaalprobleem wordt uiteengerafeld in overzichtelijke deelproblemen, te komen tot een goed begrip van het beslissingsprobleem en daarmee tot een rationele keuze (voor een praktijkvoorbeeld zie [Hellevik & Langen 2000] of [De Wit 2000]). Hiermee is het ook mogelijk om figuur 2.3 concreet in te vullen. Het zal duidelijk zijn, dat figuur 2.2 en figuur 2.3 een sterk vereenvoudigd beeld geven van de problematiek. Op de eerste plaats zal het besluitvormingsprobleem over het algemeen niet zo helder worden aangeleverd in de vorm van een kant en klare beslissingsboom. Bovendien gaat het bij monitoring meestal niet om één enkele meting, maar om herhaalde observaties. Deze twee aspecten komen hierna achtereenvolgens aan de orde.

11

CO-710107/53

2.5.1

definitief

30-1-2001

Formulering van het beslissingsprobleem

Om een beslissingsboom te kunnen opstellen, dient eerst geïnventariseerd te worden welke mogelijke acties er eigenlijk in overweging kunnen of moeten worden genomen en welke aspecten van de mogelijke gevolgen eigenlijk belangrijk zijn. In het voorbeeld gaat de keuze tussen wel of niet meten, in problemen van praktische relevantie zal er een scala van mogelijke meet- of monitoringstrategieën zijn waaruit kan worden gekozen. Hierbij is ook de verwerkbaarheid van eventuele meetgegevens van groot belang: alleen van verwerkbare gegevens is het zinvol om ze te meten. Het gaat daarbij niet uitsluitend om een deskundige interpretatie van getalsmatige gegevens; ook ‘zachte data’ kan waardevol zijn indien deze geïnterpreteerd wordt door een ter zake kundige. Bij de inventarisatie van mogelijke monitoringsstrategieën spelen vooral de volgende twee aspecten een belangrijke rol: -

de informativiteit van een monitoringsstrategie: in hoeverre deze in staat zal zijn de gestelde vragen te beantwoorden. de implicaties van het adopteren van een monitoringsstrategie in termen van bijvoorbeeld kosten en oponthoud.

Deze aspecten worden hieronder kort besproken. Informativiteit van een monitoringsstrategie Bij de inventarisatie en de evaluatie van de informativiteit van een monitoringsprogramma spelen de elementen uit figuur 2.4 een centrale rol. De beslisser heeft daarbij de relevante aspecten van de mogelijke consequenties al vertaald naar kwantificeerbare prestaties (hetgeen op zichzelf al bepaald geen sinecure is). Met behulp van een procesmodel kunnen deze prestaties worden bepaald (inclusief hun onzekerheden) op basis van de (stochastische) toestandsvariabelen x. Informatie over deze variabelen is in eerste instantie slechts beschikbaar uit a-priori kennis. Via observaties kan de kennis over deze variabelen worden bijgesteld. Het is echter niet noodzakelijk, dat deze observaties ook daadwerkelijk rechtstreeks aan de toestandsvariabelen x worden gedaan. In veel gevallen worden observatievariabelen y gemonitord en komt hieruit informatie over x beschikbaar via een (invers) observatiemodel (zie bijvoorbeeld [Potter 2000]). Op basis van figuur 2.4 wordt dus op de eerste plaats duidelijk welke aspecten met name bijdragen aan de informativiteit van een monitoringsaanpak: -

12

nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de observaties van de variabelen y de gevoeligheid van de (onzekerheid in de) variabelen x voor de variabelen y de gevoeligheid van de (onzekerheid in de) prestaties voor de variabelen x

CO-710107/53

definitief

a-priori kennis

consequenties

procesmodel

toestandsvariabelen x

30-1-2001

ontwerpmodel in combinatie met verouderingsmodel

prestaties al dan niet falen

bijv. mate van corrosie

observatiemodel bijv. scheurvormingsmodel

Figuur 2.4

observatievariabelen y bijv. scheurwijdte

Schema van informatiestromen bij evaluatie van prestaties

Deze figuur geeft ook een overzicht van de verschillende kennisdomeinen die bij een inventarisatie van geschikte monitoringstrategieën betrokken zijn. Naast de beslisser is dat op de eerste plaats de deskundige op het gebied van het procesmodel. In het voorbeeld in de figuur, dat betrekking heeft op wapeningscorrosie bij beton zijn dat eigenlijk al mensen uit twee domeinen: de geavanceerde constructeur (deskundig met betrekking tot het ontwerpmodel) en de deskundige op het gebied van verouderingsprocessen. Vervolgens is er de meetdeskundige, die zijn kennis inbrengt over meetmethoden. Dat zullen ook vaak verschillende mensen zijn wanneer er meerdere methoden een rol kunnen spelen (denk bijvoorbeeld aan het meten van de dikte van asfalt via radarmetingen versus het boren van proefmonsters). Dan zijn er nog mensen nodig die zicht hebben op mogelijke observatiemodellen. Dat is een moeilijk te classificeren groep (in het voorbeeld kan dat dezelfde persoon zijn als de deskundige op het gebied van verouderingsmodellen). Tenslotte zijn er nog degenen die een overzicht hebben van hoe alle elementen (bijvoorbeeld op probabilistische wijze) geïntegreerd kunnen worden en ook enige achtergrond hebben in de besliskunde. Het zal duidelijk zijn dat voor een succesvol verloop van het (inventarisatie)proces al deze mensen met elkaar in dialoog zullen moeten treden. Implicaties van een monitoringsstrategie Bij een gegeven proces- en observatiemodel wordt de informativiteit van een monitoringsstrategie bepaald door de nauwkeurigheid en de betrouwbaarheid van de observaties en de aard van de te oberserveren processen. Een bepaald niveau van informativiteit legt dus eisen op aan de nauwkeurigheid en de betrouwbaarheid en daarmee aan de implementatie en de uitvoering van de monitoringsstrategie. Deze omvat onder andere (zie ook [Dunnicliff 1999] en [Matthews 2000]): - meetsysteem: - ontwerp - inbouw - diagnostische faciliteiten (werkt het meetsysteem naar behoren?) 13

CO-710107/53

-

definitief

30-1-2001

monitoringsprotocol (wie, wat, hoe?): - inregelen - onderhoud - documentatie van wijzigingen - opslag en verwerking van gegevens

Dit wordt in het volgende hoofdstuk verder toegelicht en uitgewerkt. Deze zaken dienen geregeld te zijn volgens de regels van de kwaliteitszorg in de monitoringsdiscipline. Een goed kwaliteitssysteem garandeert niet alleen dat de vereiste specificaties worden gehaald, maar biedt ook een grondslag waarmee het bepalen van bijv. de kosten van de monitoringsstrategie systematisch kan worden aangepakt.

2.5.2

Herhaalde observaties

In het voorgaande deel is nauwelijks onderscheid gemaakt tussen meten en monitoren. Aangezien monitoren echter het volgen van een of meerdere processen inhoudt, zal er meestal sprake zijn van herhaalde metingen. Na elke meting of reeks van metingen kan een beslissing worden genomen (of een gevolgtrekking worden gemaakt). Deze beslissingen kunnen het gemeten proces betreffen, maar ook de monitoringsstrategie zelf. Zo kan bijvoorbeeld op basis van een eerste reeks observaties, door vergelijking met ontwerppredicties (eventueel aangepast op basis van wijzigingen in de bouwfase) vast komen te staan dat de tijdschalen waarop het gemeten proces zich afspeelt trager zijn dan voorzien, als gevolg waarvan de monitoringsfrequentie omlaag kan. Het omgekeerde kan ook het geval zijn, waardoor de frequentie juist omhoog moet. Om een goede inschatting te kunnen maken van de implicaties van een gekozen monitoringsstrategie, zal dus op de eerste plaats vastgesteld moeten worden waar de beslismomenten zullen liggen en welke mogelijke acties er op die momenten open staan. De actuele beslissing inzake een te kiezen monitoringsstrategie omhelst dus in feite de modellering van alle toekomstige beslissingen over de looptijd van de strategie. De uitkomst van elke toekomstige beslissing hangt af van de (vooraf onbekende) monitoringsgegevens tot dan toe en de eventueel daarvoor genomen beslissingen. Dit betekent in de meeste gevallen van praktische relevantie dat voor elke te overwegen monitoringstrategie een sterk uitwaaierende tak aan de beslissingsboom ontstaat. Deze zal echter weer enigszins worden ingeperkt op basis van de functionele eisen die aan een constructie worden gesteld, waardoor bijvoorbeeld al te frequente perioden van buitendienststelling ten gevolge van ‘klein onderhoud’ niet mogelijk zijn. Een eenvoudig voorbeeld van de uitwaaiering van mogelijkheden is geschetst in figuur 2.5. Hier staat de betrouwbaarheidsindex  (in feite de kans op één van de gevolgen: falen) uit als functie van de tijd. De monitoringsstrategie bestaat hieruit, dat gedurende een gegeven referentieperiode (bijvoorbeeld de beoogde levensduur van de constructie) gemeten wordt wanneer de betrouwbaarheidsindex onder een minimaal geaccepteerde waarde duikt.

14

CO-710107/53

definitief

mogelijke -curven na eerste inspectie + beslissing

initiële -curve

d (1insp.+1rep.)c (2insp.+1rep)

betrouwbaarheidsindex 

30-1-2001

b (2insp.+1rep)

d (2e insp.+rep. na ingrijpende 1e reparatie)

a b

b

c

c

ingrijpgrens d (reparatie noodzakelijk) dI

b

cI

dII

II

II

a

bI

faalgrens

verouderingssnelheid

t1

t2(c)

t2(dI) t2(b)

t3(cI) t2(dII)

t3(bI)

tijd t

Figuur 2.5 Voorbeeld van strategie, waarin steeds gemeten wordt wanneer de betrouwbaarheidsindex onder een minimaal geaccepteerde waarde duikt. De actie die na elke meting openstaat is ‘niets doen’ of ‘repareren’. In figuur 2.5 zijn vier mogelijke uitkomsten van de eerste inspectie weergegeven (a, b, c en d), elk met een verouderingssnelheid die afwijkt van die in het ontwerpmodel. Vervolgens is in één geval (d) direct reparatie noodzakelijk, waarna eventueel een andere verouderingssnelheid mogelijk is, bijvoorbeeld na een ingrijpende reparatie. In de andere gevallen (a, b en c) is reparatie niet direct nodig, dit kan dan na een tweede inspectie plaatsvinden, op een tijdstip dat mede op basis van het resultaat van de eerste inspectie kan worden vastgesteld. Overigens bevat deze figuur diverse vereenvoudigingen; zo is bijvoorbeeld aangenomen dat na een reparatie het oorspronkelijke betrouwbaarheidsniveau weer aanwezig is en dat de curven tussen twee inspecties in recht zijn. Op basis van het meetresultaat kunnen twee beslissingen worden genomen: niets doen (doordat de observatie zelf al leidt tot de vaststelling dat de betrouwbaarheidsindex nog op een voldoende hoog peil ligt, bijvoorbeeld doordat de a priori verwachte verouderingsnelheid lager blijkt te zijn), of repareren. In deze strategie ligt het tijdstip van de eerste inspectie vast: dit wordt bepaald door het procesmodel (bijvoorbeeld verouderingscomponent daarin) en de a-priori kennis. De tijdstippen voor de volgende inspecties hangen echter af van de uitkomsten van de metingen en de daarna genomen beslissingen. Dit leidt tot een steeds verder vertakkende boom van mogelijke -curven met daaraan verbonden implicaties in termen van bijvoorbeeld kosten. Het systematisch recht-toe recht-aan doorrekenen van de mogelijke gevolgen van een monitoringstrategie en de kansen op het optreden van ongewenste toestanden zal in het algemeen dan ook niet mogelijk zijn. In plaats daarvan zullen vereenvoudigende aannamen en afschattingen moeten worden ingepast in de beslissingsboom in samenspraak met de beslisser en in dialoog met de betrokken domeinspecialisten, rekening houdend met de gestelde functionele eisen en de beschikbare mogelijkheden.

15

CO-710107/53

16

definitief

30-1-2001

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

3 Ontwerpfase: systematische opzet monitoringssysteem 3.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt stap voor stap concreet aangegeven hoe op systematische wijze een monitoringssysteem kan worden opgezet, uitgaande van de betrouwbaarheidsanalyse en de daarop gebaseerde monitoringsvragen en -strategie. Het in dit hoofdstuk aangegeven stappenplan voor het ontwerp van een monitoringssysteem is onder meer gebaseerd op [DiBiagio 1977], [Dunnicliff 1999] en [Matthews 2000]. De eerste twee referenties zijn gerelateerd aan toepassingen in de geotechniek terwijl de laatste referentie gerelateerd is aan constructieve toepassingen.

3.2 Bepaal de te monitoren parameters De te monitoren parameters dienen de antwoorden te bieden op de in § 2.4 bepaalde vragen. Bovendien moeten de uitkomsten van de metingen ook verwerkbaar zijn. Verder dienen deze parameters zodanig gekozen te worden dat tijdig voor falen gewaarschuwd wordt, zodat ook reparaties of desnoods evacuaties tijdig uitgevoerd kunnen worden. Voor verbetering van inzicht in het gedrag van de constructie kan het voorts zinvol zijn om met betrekking tot hetzelfde mechanisme naar meerdere parameters tegelijk te kijken teneinde oorzaakgevolg relaties met grotere zekerheid vast te stellen. Als voorbeeld hiervan kan de stabiliteit van een helling worden genomen. Vervormingen worden hiervoor vaak als maatgevende parameter genomen, maar de vervormingen worden vaak veroorzaakt door een oplopende grondwaterstand. Door zowel oorzaak (grondwaterstand) als gevolg (vervorming van de helling) te monitoren, kunnen gerichter maatregelen worden getroffen om nadelige effecten weg te nemen.

3.3 Bepaal orde van grootte van veranderingen Om de benodigde meetrange en de benodigde meetnauwkeurigheid van de meetinstrumenten te bepalen moet een schatting worden gemaakt van maximaal mogelijke meetwaarden en minimale grootte van veranderingen die geregistreerd dient te worden. In combinatie hiermee dienen waarschuwingsniveau’s te worden bepaald waarbij overgegaan moet worden tot een hogere meetfrequentie, verhoogde paraatheid en/of tegenmaatregelen. Dergelijke waarschuwingsniveaus hoeven overigens niet (alleen) op basis van absolute meetwaarden te worden vastgesteld, maar kunnen ook worden vastgesteld op basis van de snelheid waarmee meetwaarden veranderen. De meetnauwkeurigheid dient voldoende hoog te zijn om op betrouwbare wijze te kunnen bepalen of een zekere alarmfase bereikt is of niet. Hierbij moet ook rekening worden gehouden met de betrouwbaarheid van de instrumenten: instrumenten met een onnodig hoge meetnauwkeurigheid zijn wel eens minder betrouwbaar dan instrumenten met een wat lagere meetnauwkeurigheid. De laatste hebben dan de voorkeur. Bij de bepaling van de meetrange dient overigens niet zozeer te worden uitgegaan van de meetwaarden die onder extreme omstandigheden kunnen optrreden, maar van de uiterste waarden die 17

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

voor het beslissingsproces nog van belang zijn. Om bij het in het vorige hoofdstuk aangehaalde voorbeeld van wapeningscorrosie te blijven: als de constructie is ingestort is de scheurwijdte niet langer van belang.

3.4 Bedenk aanvullende maatregelen Tevoren dient te worden bedacht welke maatregelen getroffen dienen te worden indien zich ongewenste meetwaarden voordoen. De eerder genoemde Failure Mode Effect Analysis (zie § 2.3) zal hierbij een zinvol hulpmiddel zijn. Voor eventuele maatregelen dient over het algemeen van tevoren al het een en ander voorbereid te zijn: dit moet ook inderdaad het geval zijn indien een calamiteit zich voordoet. Verder dienen de verantwoordelijkheden binnen een project- of beheerorganisatie zodanig verdeeld te zijn dat eventuele acties ook daadwerkelijk (en voldoende snel) kunnen worden ondernomen.

3.5 Bepaal locaties van de instrumenten De locaties van de instrumenten dienen gekozen te worden op basis van de uitkomsten van de betrouwbaarheidsanalyse(s). In eerste instantie dienen instrumenten te worden geplaatst op de meest zwakke of zwaarstbelaste zones. Wanneer dergelijke zones niet aanwezig zijn, of wanneer er een (onderbouwde!) behoefte bestaat aan uitgebreidere instrumentatie, dan kunnen één of meer representatieve gebieden worden bepaald waar de instrumentatie zich primair op richt. Deze primaire meetgebieden zullen in het algemeen de vorm hebben van een (dwars)doorsnede. Naast deze primaire meetraaien dienen ook enkele secundaire meetraaien te worden ingericht, welke niet louter als reserve-doorsneden dienen, maar ook om te kunnen controleren of deze doorsneden inderdaad slechts van secundair belang zijn. Uit oogpunt van kosten verdient het de voorkeur om de instrumentatie in deze secundaire meetraaien zo eenvoudig mogelijk te houden. Tegelijkertijd dienen in de primaire meetraai(en) dezelfde instrumenten als in de secundaire raaien te worden geplaatst, in aanvulling op de in de primaire raai al aanwezige instrumenten, om zodoende een goede vergelijking mogelijk te maken.

3.6 Benoem specifieke doel van elk instrument Voor elk instrument dat wordt voorzien dient een specifiek doel geformuleerd te kunnen worden, daar het anders immers overbodig is. Verder geldt dat in verband met mogelijke uitval van instrumenten en de vereiste controleerbaarheid van gegevens er een zekere redundantie moet worden ingebouwd, mede afhankelijk van de te verwachten prestaties van de instrumenten (zie ook § 2.4). Een instrument dat niet dient ter beantwoording van een specifieke monitoringsvraag dient te worden weggelaten!

3.7 Registratie van relevante omgevingsinvloeden De registratie van relevante omgevingsinvloeden is van belang om de betrouwbaarheid van de meetwaarden van de instrumenten te kunnen bepalen. Er zal immers veelal sprake zijn van een vertaling van observatiewaarden via modelwaarden naar gedrag van de constructie (zie ook figuur 2.4). Daarbij is het van belang dat bijzondere omstandigheden die het constructiegedrag of de

18

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

instrumentatie kunnen beïnvloeden worden geregistreerd, of deze nu alleen lokaal (ter plaatse van een instrument) of over de gehele constructie aanwezig zijn. Hierbij dient nadrukkelijk ruimte te zijn voor de registratie van volstrekt onvoorziene en onvoorzienbare omstandigheden. Ook hier gaat het om metingen, waarbij de ‘meetresultaten’ lang niet altijd uit getalswaarden zullen bestaan. Dit onderdeel kan van essentieel belang zijn bij de bepaling of gehanteerde modellen wel geldig zijn: impliciete en expliciete aannamen daarin moeten getoetst kunnen worden. Dit is het geval bij het optreden van volstrekt onvoorziene bezwijkmechanismen en -oorzaken.

3.8 Beschrijf eisen aan de uit te voeren metingen De meetnauwkeurigheid dient te voldoen aan de in § 3.3 gestelde eisen. De meetfrequentie dient afgestemd te worden op de te verwachten snelheid waarmee veranderingen (kunnen) optreden, en dient hieraan tijdig te kunnen worden aangepast (zie eveneens § 3.3). Hierbij zal ook overwogen moeten worden of de instrumenten handmatig danwel automatisch uitgelezen dienen te worden.

3.9 Stel procedures op ter bepaling van het correct functioneren van de meetinstrumenten Er moet kunnen worden vastgesteld of een instrument nog naar behoren functioneert. Om hier betrouwbare informatie over te krijgen is het zinvol om meerdere instrumenten te plaatsen, zodat door onderlinge vergelijking van meetresultaten kan worden vastgesteld of de afgelezen waarden betrouwbaar zijn. Met name voor crisissituaties kan een dubbele uitvoering van groot belang zijn. De meetnauwkeurigheid van de extra instrumenten kan dan overigens soms wel kleiner zijn dan die van de ‘primaire’ instrumenten (zie ook § 3.5). Met visuele waarnemingen kan soms ook al voldoende ondersteunende informatie worden verkregen, met name met betrekking tot trendmatige veranderingen in de meetwaarden. Hiervoor kan het ook zinvol zijn om gedurende een korte periode de waarnemingsfrequentie te verhogen.

3.10 Plan regelmatige kalibratie en onderhoud Voor de betrouwbaarheid en het correct functioneren van de instrumenten is het nodig om deze regelmatig na te lopen. Hoe vaak dat moet is afhankelijk van onder meer de fase waarin het project zich bevindt en de eigenschappen van het toegepaste instrument zelf.

3.11 Verantwoordelijkheden bepalen voor diverse projectfasen Voor elk van de fasen van het project (voorbereidend ontwerp, definitief ontwerp, voorbereiding van de uitvoering, de proef zelf en het afbreken van de proeflocatie na afloop van de proef) zal moeten worden bepaald welke van de betrokken partijen verantwoordelijk is voor taken als de planning van het monitoringsprogramma, installatie van de instrumenten, het aflezen van gegevens, de verwerking daarvan, enzovoorts. Hierbij moet behalve voldoende deskundigheid ook de macht aanwezig zijn om de uitvoering van een taak indien nodig af te dwingen, ondanks eventuele onwelwillendheid van

19

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

andere partijen, en moet bij de verantwoordelijk gestelde partij ook voldoende interesse of belang aanwezig zijn om de taak naar behoren uit te voeren.

3.12 Selecteer instrumenten Het is van essentieel belang om betrouwbare instrumenten te gebruiken, ook indien deze in aanschaf duurder zijn dan eventuele andere instrumenten waarvan bekend is dat het uitvalpercentage daarvan hoog is; dit leidt immers tot een op voorhand niet in te schatten uitval van meetgegevens. Selectie van instrumenten kan daarom ook het beste gebeuren in samenspraak met een deskundige op dit gebied.

3.13 Aankoopspecificaties voor instrumenten De aankoopspecificaties voor de instrumenten volgen uit de betrouwbaarheidseis en de eisen aan meetbereik en meetnauwkeurigheid zoals die in § 3.3 zijn geformuleerd. Over het algemeen kan het ontwerp en de vervaardiging van meetinstrumenten het beste worden overgelaten aan daarin gespecialiseerde bedrijven (zie ook [DiBiagio 1977] en [Dunnicliff 1999]).

3.14 Stel de voorlopige begroting op Het in deze fase opstellen van een voorlopige begroting heeft als doel om te bepalen of het voorliggende monitoringsplan binnen de projectbegroting kan worden uitgevoerd. Wanneer dit niet het geval is kan de vraag worden gesteld of het voor monitoring gereserveerde budget niet beter kan worden verruimd. Als dit niet kan, en er geen alternatieve monitoringsstrategie mogelijk is, zal – impliciet of expliciet – bezuinigd worden op de mate waarin de monitoring bijdraagt aan de betrouwbaarheid van de constructie. Een nadere beschouwing van de monitoringsvragen (in combinatie met de onderliggende betrouwbaarheidsanalyse) is dan noodzakelijk, waarbij moet worden nagegaan of een reductie van het op rationele wijze opgezette monitoringssysteem niet leidt tot een dermate grote toename van de onzekerheid met betrekking tot het gedrag van de constructie dat het voor het project als geheel uiteindelijk efficiënter is om niet op de monitoring te bezuinigen. Het bepalen of de monitoring voldoende kosteneffectief is, is overigens alleen mogelijk indien de kosten van de monitoring en de potentiële opbrengst van de verkleining van de onzekerheden met betrekking tot het gedrag van de constructie met een redelijke mate van nauwkeurigheid geschat kunnen worden.

3.15 Plan installeren van instrumenten De installatie van de instrumenten dient stap-voor-stap doordacht te worden, waarbij rekening gehouden dient te worden met de algehele uitvoeringsplanning van het project (er zal bijvoorbeeld tijdig een nul-meting moeten worden uitgevoerd), eventuele vereiste vergunningen en toestemmingen en de gevoeligheid van de instrumenten zelf. Eventuele knelpunten hierbij kunnen immers het beste in een zo vroeg mogelijk stadium worden gesignaleerd, zodat de projectplanning daarop zonodig kan worden aangepast.

20

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

3.16 Plan verzameling van meetgegevens De verzameling van meetgegevens kan in hoge mate tevoren worden voorbereid (hierbij kan gedacht worden aan zaken als meetprocedures, meetformulieren, enzovoorts); dit moet dan ook daadwerkelijk gebeuren.

3.17 Plan verwerking van meetgegevens De verwerking van de meetgegevens omvat onder meer de verslaglegging, de presentatie, de interpretatie en het (eventueel aangepast) handelen op basis van de gemeten waarden. De frequentie van de verslaglegging, de wijze van presentatie en de frequentie waarmee de data geïnterpreteerd wordt zal tevoren moeten worden vastgelegd. Dit zal in elk geval zo vaak moeten gebeuren dat tijdig kan worden besloten tot een verhoging van de meetfrequentie in verband met ongewenste meetwaarden (zie ook § 3.4).

3.18 Stel de begroting vast Als het monitoringsplan eenmaal vaststaat, kan ook de bijbehorende begroting definitief worden vastgesteld.

3.19 Vastleggen van het monitoringssysteem in een ontwerpverslag Voor de vervolgfasen (bouw en beheer) van het project dient een overzichtelijk, hanteerbaar document te worden samengesteld waarin alle overwegingen die aan het ontwerp van het monitoringssysteem ten grondslag liggen zijn vastgelegd. Met name voor eventuele aanpassingen van het monitoringssysteem is een dergelijk ontwerpverslag van groot belang, opdat snel kan worden nagegaan of er door de voorgenomen aanpassingen geen relevante zaken verloren dreigen te gaan.

21

CO-710107/53

22

definitief

30-1-2001

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

4 Bouwfase: periodieke toets van de monitoringsstrategie De tijdens het ontwerp gemaakte risico-analyse kan in de loop van de bouwperiode zijn geldigheid verliezen. Dit kan bijvoorbeeld het gevolg zijn van: -

wijzigingen/aanpassingen aan het ontwerp tijdens de bouw nieuwe inzichten op het gebied van het gedrag van materialen en constructies. veroudering, waardoor sommige risicofactoren van groter belang kunnen worden en andere weer van (relatief) minder belang kunnen worden. verwerking van monitorgegevens: op basis van meetgegevens kunnen diverse faalkansen worden aangepast; dit kan onder meer zijn weerslag hebben op de keuze wat, waar, wanneer en in welke mate te monitoren.

De eerder gemaakte risico-analyse dient dan opnieuw getoetst te worden. De frequentie waarmee dat dient te gebeuren is afhankelijk van de waarschijnlijkheid dat er relevante veranderingen op zullen treden in de uitkomsten van deze analyse. Over het algemeen zal het zinvol zijn om in elk geval bij de oplevering van het project de gekozen monitoringsstrategie opnieuw te toetsen. Op dat moment is immers alle relevante kennis over de bouw nog beschikbaar bij de partij(en) die rechtstreeks bij de bouw betrokken zijn; bij de overdracht van het beheer gaat onvermijdelijk kennis verloren. Bovendien is de monitoring tijdens de bouwfase vaak wezenlijk anders dan de monitoring in de beheerfase. De nadere invulling van dit onderdeel is sterk afhankelijk van de gekozen monitoringsstrategie, de uitkomsten van de monitoring en de mate waarin wijzigingen ten opzichte van het ontwerp relevant zijn bij een concreet project.

23

CO-710107/53

24

definitief

30-1-2001

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

5 Beheerfase: periodieke toets van de monitoringsstrategie De tijdens het ontwerp gemaakte risico-analyse kan in de beheerfase zijn geldigheid verliezen. Dit kan het gevolg zijn van: -

-

wijzigingen/aanpassingen aan het ontwerp tijdens bouw en/of beheer. nieuwe inzichten op het gebied van het gedrag van materialen en constructies. veroudering, waardoor sommige risicofactoren van groter belang kunnen worden en andere weer van (relatief) minder belang kunnen worden. verwerking van monitoringsgegevens: op basis van meetgegevens kunnen diverse faalkansen worden aangepast; dit kan onder meer zijn weerslag hebben op de keuze wat, wanneer en in welke mate te monitoren veranderde omgevingsinvloeden, bijv. door nieuwbouw of sloop van nabijgelegen constructies, of door klimaatsverandering.

De eerder gemaakte risico-analyse dient dan opnieuw getoetst te worden. De frequentie waarmee dat dient te gebeuren is afhankelijk van de waarschijnlijkheid dat er relevante veranderingen op zullen treden in de uitkomsten van deze analyse. Over het algemeen zal een dergelijke ingrijpende toetsing niet vaak plaats hoeven te vinden, te denken valt aan hooguit enkele malen tijdens de (ontwerp)levensduur van de constructie. De nadere invulling van dit onderdeel is sterk afhankelijk van de gekozen monitoringsstrategie, de uitkomsten van de monitoring en de mate waarin wijzigingen ten opzichte van het ontwerp relevant zijn bij een concreet project.

25

CO-710107/53

26

definitief

30-1-2001

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

6 Literatuur [CUR 1997] Civieltechnisch Centrum Uitvoering en Regelgeving CUR-publicatie 190, ‘Kansen in de civiele techniek, Deel 1: probabilistisch ontwerpen in theorie’ Gouda, maart 1997 [DiBiagio 1977] E. DiBiagio Field Instrumentation – A Geotechnical Tool Norges Geotekniske Institutt, publikasjon nr. 115, Oslo 1977, pp. 29-40 Eerder gepubliceerd in Proceedings of the First Baltic Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol. I, pp. 39-59. [Dunnicliff 1999] J. Dunnicliff Systematic approach to planning monitoring programs using geotechnical instrumentation: An update. In Field Measurements in Geomechanics, Leung, Tan & Phoon, editors, Balkema, Rotterdam, 1999 pp. 19-30 [French 1993] S. French Decision theory Ellis Horwood, London 1993 [French & Smith 1997] S. French & J.Q. Smith The practice of Bayesian Analysis Arnold, London 1997 [Hellevik & Langen 2000] S.G. Hellevik & I. Langen In-service inspection planning of flowlines subjected to CO 2-corrosion. In Proceedings Tenth International Offshore and Polar Engineering Conference, Seattle, May 28 – June 2, 2000 [JCSS 2000] Joint Committee on Structural Safety Assessment of Existing Structures Draft February 2000 [Koelewijn 2000a] A.R. Koelewijn Monitoringsfilosofie – toepassing op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte GeoDelft CO-710107/37, 20 oktober 2000

27

CO-710107/53

definitief

30-1-2001

[Koelewijn 2000b] A.R. Koelewijn Monitoringsfilosofie – toepassing op referentiebaan No-Recess GeoDelft CO-710107/45, 5 december 2000 [Matthews 2000] S.L. Matthews Deployment of instrumentation for in-service monitoring. In The Structural Engineer, volume 78, no. 13, pp. 28-32, 2000 [Potter 2000] R.W. Potter The art of measurement, theory and practice Prentice Hall, New Jersey, 2000 [De Wit et al. 2000] M.S. de Wit, P.H. Waarts & A.C.W.M. Vrouwenvelder Vergelijking van monitoringsstrategieën op basis van HERMES-monitoringsfilosofie, Case studie: gewapend betonnen ligger TNO Bouw 2000-CON-DYN-R2101, 5 november 2000

28

BIJLAGEN

Bijlage:

1

Bijlage bij herdruk ‘Monitoringsfilosofie HerMes’ (concept 30-1-2001), GeoDelft kenmerk CO710107/53, herdruk d.d. 28-3-2001 Voor de verwerking van meetgegevens (zie ook hoofdstuk 4 en 5) is inmiddels voorgesteld om dit in eerste instantie bij GeoDelft nader uit te werken voor (rest)zettingvoorspellingen bij ophogingen op slappe grond. Hiertoe zal een probabilistisch zettingsvoorspellingsmodel worden ontwikkeld waarin de volgende algemene theorie voor een probabilistisch model met bijstelling van de voorspelling (inclusief onzekerheidsmarge) op basis van meetwaarden zal zijn verwerkt (gedeelte uit ‘Monitoring strategy: a rational approach to measuring and processing data’, bijdrage aan de internationale Delft Cluster/GeoDelft cursus ‘Geotechnical Monitoring’, gehouden van 3 t/m 5 april 2001 in Delft).

Incorporating measured data in the decision process To incorporate measured data in the decision process, regularly updated information on the current state of the construction will be required. In addition, regular updates of predictions regarding future behaviour of the construction should be made. For the first aspect, it may be sufficient to check whether the warning levels are not exceeded (and whether these are still appropriate). For the second, it is necessary to incorporate the measured data in the prediction models. If the mechanisms governing the behaviour of the construction are all adequately described by the prediction model (i.e. usually the design model), then the quality of the prediction mainly depends on a suitable choice of the parameter values in the model. If sufficient independent measurement data are available, these values may be fitted using some kind of inverse modelling technique, in order to decrease uncertainty in the prediction. However, if a major mechanism which actually occurs is not included in the model, significant differences may occur between measurements and prediction which cannot be remedied properly using any type of curve fitting procedure. In such a case, the only solution is to use a calculation model which describes what happens more accurately. Data obtained from monitoring may then be very useful. Another possibility is that the measurement data and the prediction are both of the same order of magnitude, but too few measurement data are available to perform an inverse analysis properly. A more general approach towards incorporating measurement data in a prediction model may then be applied, as described by Calle (2001) and Calle & Van Heteren (1989). This will be described briefly in the remainder of this course contribution. First, it is assumed that a process, for instance the settlement at a certain location, may be described by:

Z(t)  Z( a; t)

(1)

where Z(t) is the process variable, t denotes time and a is a vector of process parameters. These may all be characterised as stochastic variables with a certain probability density function, characterised by a mean μ a and a standard deviation σa. The different elements of a may be correlated, as characterised by the (symmetric) covariance matrix:

Bijlage:

1

 σ 2 ( a1 ) cov(a1 , a 2 )  σ 2 (a 2 )  cov(a2 , a1 )  cov( a )      cov(an , a1 )

cov(a1 , a n )  cov(a2 , a n )      2 σ (a n ) 

(2)

It is assumed that all components of the parameter vector a are Gaussian distributed. In general, a model factor should be applied to the calculation model. This may be expressed by:

Z(t)  m Z( a; t)

or

Z(t)  Z( a; t)  

(3)

where m is a stochastical variable with a mean value and a standard deviation, while Δ is an additional term equal to zero in the case of a calculation model which is correct on average. These parameters ( m and Δ) may be considered as extra parameters in the calculation model. They are therefore included in the vector a and only equation (1) will be considered here. Instead of a scalar function, Z(t) may also be a vector function:

Z (t)  (Z 1 ( a; t), Z 2 ( a; t), ..., Z m ( a; t))T

(4)

where the superscript T denotes the transpose. A prediction can be made for any realisation of the parameter vector a: the value of Z(t) can be calculated for each time step t. Because the components of a are stochastical variables, the components of Z(t) are likewise stochastical variables, and estimates and (co)variances may be

E[ Z (t)]  Z (E[ a ];t)  (Z 1 (E[ a ];t), Z 2 (E[ a ];t)...Z ( E[ a ];t))T

(5)

calculated. A first (order) estimation of the estimates is: A first order estimation of the covariances is:

cov[ Z p ( a ; t k ), Z q ( a ; t l )]   a Z p ( a ; t k )T cov( a )  a Z q ( a ; t l )

(6)

where∇ is the gradient vector:

Z p ( a; t k )   Z p ( a ; t k ) Z p ( a ; t k )   a Z p ( a ; t k )   , , ...  a  a  a 2 1 n  

T

(7)

Bijlage:

1

Using these equations, the stochastical structure of Z(t) is completely determined. If the probability distributions are not Gaussian, because of non-linearity of Zp(a;t) (p=1…n), the equations become more complicated. In the case of monitoring, the values of Z1(a;t1), Z2(a;t1),…, Zl(a;t1) (l ≤ m) may have been measured at time step t1. The measured data is denoted by zl =(z1, z2, …, zl )T, which is a realisation (at t1) of the vector Zl(t1) = (Z1(a;t1), Z2(a;t1),…, Zl(a;t1))T which is a part of vector Z(t1). The question is now: how do these measured values influence the statistical properties of Z(t) at time step t2, somewhere in the future, i.e. the conditional values E[Z(t2)|zl] and cov(Z(t2)|zl) are now of interest. A general expression for the conditional estimates and covariances may now be derived as follows. Consider the combined vector (in 'block partitioned' form):





l

Z  Z (t 1 ) , Z (t 2 )

T

(8)

Using the definitions given earlier, the estimates and the covariance matrix may be determined:

 E[ Z l (t 1 )]  E[ Z ]     E[ Z (t 2 )] 

(9a)

and: l  cov( Z l (t 1 )) cov( Z (t 1 ), Z (t 2 )) ω C T  cov( Z )     l cov( Z (t 2 ))  C   cov( Z (t 2 ), Z (t 1 ))

(9b)

The dimensions of the (symmetrical and positive definite) matrices ω and Ω are (l x l) and (mxm) respectively, while the dimensions of matrix C are (mxl). The conditional estimates and (co)variances of vector Z(t2), given measurements zl then are:

E[ Z (t 2 ) | z ]  E[ Z (t 2 )]  C T  1 ( z  E[ Z (t1 )]) l

l

l

(10)

and: l

cov( Z (t 2 ) | z )  cov( Z (t 2 ))  C T  1C

(11)

This approach may simply be extended for cases in which measurements at various times are available. All measured data are entered through zl, while the corresponding vector of estimates and the matrix containing the covariances are adjusted accordingly. In that case, dimension l may, of course, become greater than m.

Bijlage:

Until now, this approach has only been applied to very simple demonstration problems. Within the HerMes project, it may be demonstrated on a practical case, such as a settlement problem. Although the theoretical basis may seem complicated, this approach may prove to be a helpful tool when using monitoring data to improve the quality of design predictions.

References Calle, E.O.F. 2001. Opzet Probabilistisch Monitoringmodel. Technical note. Delft: GeoDelft Calle, E.O.F. & Van Heteren, J. 1989. Statistical inference of trend and covariance of a random field with nonstationary mean and stationary covariance properties. In Armstrong, M. (ed), Geostatistics 1:249-258. Kluwer

1

Title:

Influence monitoring on reliability of predictions of settlements; Application isotache model Invloed monitoring op betrouwbaarheid zettingsprognoses; Toepassing isotachen model report in Dutch

Author:

Dr. P. Hölscher

Institute:

GeoDelft

Februari 2003 Number of pages

:

21

Keywords (3-5)

:

monitoring, consolidation, creep, reliability

DC-Publication-number

:

01.01.07-07

Institute Publication-number (optional)

:

710107.087

Report Type

:

Intermediary report or study

:

Final projectreport

:

DUP Standard

DUP-publication Type

GeoDelft

DUP-Science Acknowledgement This research has been sponsored by the Dutch Government through the ICES-2 programme and the Waardse Alliantie. The research is part of the Research programme of Delft Cluster. We thank the supportgroup for their critical comments. Conditions of (re-)use of this publication The full-text of this report may be re-used under the condition of a correct reference to this publication.

Other Research project sponsor(s): GeoDelft

TNO bouw

Waardse Alliantie

Bouwdienst Rijkswaterstaat

Rijkswaterstaat project Dienst Weg- en organisatie Waterbouwkunde HSL-zuid

Delft Cluster-publication: 01.01.07-07

Abstract In this study a method to introduce the results of monitoring of settlements of an embankment into the prediction of residual settlements is elaborated. It shows that such a monitoring reduces the uncertainty in the predictions of residual settlements. The case studied here is the construction of an embankment for a new railway on soft soil. The settlements are predicted using the isotache model. In this special case, the uncertainty of the parameters in the model is taken into account. Both the soil parameters and the loading are considered as stochastic variables and described by a mean value and de standard deviation. The residual settlement is calculated by a Monte-Carlo simulation, thus leading to a mean value and standard deviation. A characteristic value can be calculated. Now the result of the monitoring is introduced. Taking into account a reasonable range around the measured settlement, the settlement on time curves which are in agreement with the measurement can be selected. Using only these curves, the improved prediction of the residual settlements can be made. Also the choice of parameters can be improved by this method. It turns out that a big gain in certainty can be expected by using this method.

PROJ ECT NAME: Monitoringsfilosofie Hermes P R O J E C T C O D E : 01.01.07 BASEPROJECT NAME: Measuring, Monitoring and Exploration BASEPROJECT CODE: 01.01 T H E M E N A M E : Soil and Structures T H E M E C O D E : 01

Date:

March 2003

influence monitoring on reliability of settlement predictions

p. 2

Delft Cluster-publication: 01.01.07-07

Executive Summary In the Delft Cluster project Rational Monitoring HerMes a rational approach for monitoring projects is developed.In order to create rational monitoring a work description is developped. An excisting monitoring plan can be judge on its’ rationality by a checklist. The consequences and applications of this approach are shown in several case-studies. This report describes one casestudy. This casestudy points at the utilisation of the monitoring results during the construction of a heavy embankment for a railroad. The settlements of the sand-embankment is studied. For this embankment the residual settlements must be very limited. During the construction of the embankment the contractor have to decide about the total amount of elevation. The question arises: does monitoring of the settlements helps in making this decision. For one location along a railway line in very soft subsoil the prediction for the settlements is done once again, but now the isotache model is used and the uncertainty in the parameter choice is taken into account by a Monte Carlo simulation. After that the measured settlement is introduced in the calculation. This method shows a significant reduction in the uncertainty of the residual settlements. The method presented in this report is very practical for introducing the results of monitoring during the construction of a large infrastructure work. It supports decision making during construction and it supports the decission which must be made during the delivery of the embankment.

PROJECT NAAM: Monitoringsfilosofie Hermes P R O J E C T C O D E : 01.01.07 BASISPROJECT NAAM: Measuring, Monitoring and Exploration BASISPROJECT CODE: 01.01 T H E M A N A A M : Soil and Structures T H E M A C O D E : 01

Date:

March 2003

influence monitoring on reliability of settlement predictions

p. 3

Delft Cluster-publication: 01.01.07-07

General Appendix: Delft Cluster Research Programme Information This publication is a result of the Delft Cluster research-program 1999-2002 (ICES-KIS-II), that consists of 7 research themes: ►Soil and structures, ►Risks due to flooding, ►Coast and river , ►Urban infrastructure, ►Subsurface management, ►Integrated water resources management, ►Knowledge management. This publication is part of: Research Theme

:

Soil and structures

Baseproject name

:

Measuring, Monitoring and Exploration

Project name

:

Monitoringsfilosofie Hermes

Projectleader/Institute

dr. P. Hölscher

Project number

:

01.01.07

Projectduration

:

01-03-2000

Financial sponsor(s)

:

Delft Cluster

GeoDelft

-

31-12-2002

GeoDelft TNO Bouw Bouwdienst Rijkswaterstaat Dienst Weg- en waterbouwkunde project organisatie HSL-Zuid Waardse Alliantie Projectparticipants

:

GeoDelft TNO Bouw

Total Project-budget

:

€ 571.000

Number of involved PhD-students

:

0

Number of involved PostDocs

:

0 Delft Cluster is an open knowledge network of five Delft-based institutes for long-term fundamental strategic research focussed on the sustainable development of densely populated delta areas.

Keverling Buismanweg 4 Postbus 69 2600 AB Delft The Netherlands

Date:

March 2003

Tel: +31-15-269 37 93 Fax: +31-15-269 37 99 [email protected] www.delftcluster.nl

influence monitoring on reliability of settlement predictions

p. 4

Delft Cluster-publication: 01.01.07-07

Theme Managementteam: Ground and Construction Name

Organisation

Dr. P. van den Berg

GeoDelft

Dr. J. Rots

TNO-Bouw

Projectgroup During the execution of the project the researchteam included: Name

Organisation

1 ir. F. J. Postema

Rijkswaterstaat Bouwdienst

2 drs. B.G.H.M. Wichman

Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde

3 ir. R.J. Aartsen

Projectorganisatie HSL Zuid

4 ir. W.O. Molendijk

Waardse Alliantie

5 dr. ir. P. Hölscher

GeoDelft

6 ir. G.H. Wijnants

TNO Bouw

Other Involved personnel The realisation of this report involved: Name

Organisation

1 ing. F.P.W. van den Berg

GeoDelft

2 dr.ir. P. Hölscher

GeoDelft

3 ir. W.O. Molendijk

GeoDelft

4 dr. ir. J.B. Sellmeijer

GeoDelft

5 ing. E.D.G. van Zantvoort

GeoDelft

Date:

March 2003

influence monitoring on reliability of settlement predictions

p. 5

Inhoudsopgave 1

2

3

4

5

Inleiding

1

1.1

Het project rationele monitoringfilosofie HerMes

1

1.2

Positie van dit project binnen het HerMes project

1

1.3 Uitwerking van de case in dit rapport Uitwerking case studie

2 3

2.1

Algemeen

3

2.2

Parameter keuze 2.2.1 Algemeen 2.2.2 Belasting 2.2.3 Bodemprofiel 2.2.4 Bodemparameters

3 3 3 5 6

Monte Carlo simulatie

9

3.1

9

Implementatie isotachen model in spreadsheet

3.2 Interpretatie berekeningsresultaten De prognose met de monitoringsgegevens

9 13

4.1

Algemeen

13

4.2

Meetgegevens

13

4.3

Resultaten voor de restzetting

15

4.4 Resultaten voor parameters Conclusies en aanbevelingen

15 17

5.1

Conclusies met betrekking tot de zakkingsproblematiek

17

5.2

Conclusies met betrekking tot de rationele monitoringsfilosofie HerMes

Bijlage 1 Bijlage 2

17

Bepaling consolidatie coëfficiënt Uitwerking van het isotachenmodel

Rapportnummer

Datum

01.01.07.07 v3

februari 2003

1

Inleiding

1.1

Het project rationele monitoringfilosofie HerMes

Monitoring van processen in de tijd is een voor de hand liggende manier om de betrouwbaarheid van de prognoses met een model te verhogen. Toch blijkt het vaak moeilijk om de resultaten van waarnemingen daadwerkelijk in verbeteringen van de modelprognose te vertalen. In dit kader is binnen het Delft Cluster de ontwikkeling van een monitoringonderzoek gestart. Dit onderzoek heeft geleid tot een theoretische uitwerking: de monitoringfilosofie HerMes [Koelewijn, 2000]. De theoretische uitwerking moet aan de praktijk getoetst worden. De betrokken Delft Cluster partners hebben dit elk op hun eigen specialistische werkterrein uitgewerkt: TNO bouw op het gedrag en de duurzaamheid van betonconstructies, GeoDelft op de sterkte van waterkeringen en de zettingen van aardebaanlichamen en gemeenschappelijk op de zettingen tijdens het boren van een grote diameter tunnel.

1.2

Positie van dit project binnen het HerMes project

Een rationeel monitoringsproject verloopt in een aantal projectfasen: initiatie, voorontwerp, ontwerp, realisatie, gebruik en ontmanteling. Dit rapport richt zich op een specifiek aspect in de gebruiksfase. In de gebruiksfase van het monitoringsproject worden regelmatig monitoringsgegevens verzameld en beoordeeld, zoals in het monitoringsplan beschreven is. Afhankelijk van de monitoringsresultaten wordt over noodzakelijke acties besloten. In dit rapport wordt het aspect restzettingen van een baanlichaam in de vorm van een case studie uitgewerkt. Voor de Betuweroute is een aardebaanlichaam nodig. Het hiervoor benodigde zand moet in korte tijd aangebracht worden, terwijl er strenge restzettingseisen gelden. De restzettingen van zo’n zwaar baanlichaam kunnen tijdens de bouwfase goed beïnvloed worden, terwijl na oplevering slechts beïnvloeding mogelijk is tegen hoge kosten. Daarom wordt bij de aanleg van de Betuweroute de actuele zetting van het baanlichaam gemonitored. Als op basis van de monitoringsgegevens van de actuele zetting geconcludeerd moet worden dat de restzetting naar verwachting groter zal zijn dan de geëiste restzetting, dan moet in een zo vroeg mogelijk stadium van het project actie ondernomen worden. Hierbij treedt de volgende complicatie op: de restzetting is pas na lange tijd enigszins betrouwbaar te voorspellen. De vraag die in dit rapport beschouwd wordt luidt hoe met behulp van monitoring de betrouwbaarheid van de voorspelling van de restzettingen vergroot kan worden.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

1

1.3

Uitwerking van de case in dit rapport

In dit rapport wordt eerst de beschikbare informatie van de bodem en de bijbehorende parameters uitgewerkt (hoofdstuk 2). Voor deze case wordt een Monte Carlo simulatie uitgevoerd. Deze leidt tot een kansverdeling op zettingen die in hoofdstuk 3 uitgewerkt wordt. Daarna wordt op basis van de monitoring een beperkt aantal mogelijkheden geselecteerd, zie hoofdstuk 4. Daarmee kan aangegeven worden of het mogelijk is op basis van monitoring van het zettingsverloop in de beginfase van de consolidatie, nauwkeurigere uitspraken te doen over de verwachte restzettingen. Aan de uitwerking van dit rapport ligt de aanname ten grondslag dat het gebruikte model in staat is het fysische fenomeen correct te beschrijven. Dit moet gebleken zijn uit eerdere validatie studies. Daarnaast moet de doelstelling van de monitoring voor de aannemer van het project beschouwd worden. Tijdens de oplevering moet de aannemer aannemelijk maken dat de zakkingen in de toekomst gaan voldoen aan de gestelde eisen. Met welke methode en welke betrouwbaarheid dit moet gebeuren behoort in het contract vastgelegd te zijn, maar is voor deze studie niet essentiëel.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

2

2

Uitwerking case studie

2.1

Algemeen

In dit hoofdstuk wordt de opzet van de simulatie uitgewerkt door aan alle parameters in het model een waarde en een betrouwbaarheid toe te kennen.

2.2 2.2.1

Parameter keuze Algemeen

De case studie is uitgevoerd voor de locatie km 16.7 van het traject Sliedrecht Gorinchem van de Betuweroute. Voor deze locatie is voldoende grondonderzoek verricht en zijn voldoende monitoringsgegevens vlakbij de locatie van het grondonderzoek voor handen. De Betuweroute loopt hier door maagdelijk terrein. De parameters worden zoveel mogelijk bepaald uit de bestaande modellering en metingen. Voor de probabilistische beschouwing is het noodzakelijk ook een standaardafwijking te schatten. Hiervoor wordt enerzijds gekeken naar proefresultaten, en anderzijds naar de kennis hierover bij experts. Voor een normale verdeling wordt daarbij een bovengrens die opgegeven wordt beschouwd als een 95% bovengrens, zodat deze in 1 op de 20 gevallen overschreden wordt. Bij een normale verdeling volgt dan voor de standaardafwijking dat deze gelijk is aan 1/1.64 maal het verschil tussen de bovengrens en het gemiddelde. In dit geval is ook een ondergrens bruikbaar. Voor een lognormale verdeling wordt uitgegaan van het gemiddelde en de ondergrens van de parameter, dat wil zeggen: de waarde die nooit onderschreden zal worden. 2.2.2

Belasting

De bouw is begonnen met het verwijderen van de bovenste 42 cm van de toplaag. Verondersteld wordt dat gelijktijdig de eerste ophoging aangebracht is. Daarna is het baanlichaam in 5 ophoogslagen aangebracht. Ruim een jaar later, wordt volgens de planning de overhoogte verwijderd en wordt het spoor en de ballast aangebracht.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

3

Tabel 2.1 geeft een overzicht van de belastingen in de tijd. datum 9 jun 2000 2 aug 2000 24 sep 2000 10 jan 2001 20 mrt 2001 23 jul 2001 (1 sep 2002)

aantal dagen 0 54 107 215 284 409

activiteit verwijderen toplaag, eerste ophoging plaatsen zakbaak tweede ophoging derde ophoging vierde ophoging vijfde ophoging verwijderen overhoogte en aanbrengen ballast

ophoging [m] 1.29 1.03 1.04 0.87 0.69

Tabel 2.1 Werkvolgorde ophoging

Deze werkwijze in het veld moet omgezet worden in een belasting voor de berekening. Hierbij treedt als complicatie op dat bij de berekeningen voor dit project (in een spreadsheet) geen rekening gehouden kan worden met het onderwaterzakken van het ophoogzand. Dit aspect is als volgt verwerkt: uitgaande van de bestaande Msettle berekening is bekend hoeveel zand er naar verwachting onderwater zakt. Dit wordt per belastingsstap en ook tijdens de consolidatie als gelijktijdige ontlasting in de berekening ingevoerd. Het feit dat deze berekening niet exact is wordt als extra onzekerheid in de belasting ingevoerd. De standaardafwijking van de belasting voor het ‘onderwaterzakken’ is bepaald uit de aanname dat de zettingsprognose, die voor het bepalen van de belasting door onderwaterzakken gebruikt is, een afwijking van maximaal 30% heeft. Dat betekent dat 130% van de berekende waarde overeenkomt met de bovengrens van het éénzijdige 95% betrouwbaarheidsinterval. Dit geeft een variatiecoëfficiënt (standaardafwijking/gemiddelde) van 0.3/1.64 = 0.18. Bij het aanbrengen van het zandlichaam wordt altijd een zekere overhoogte aangebracht, om er zeker van te zijn dat er in een later stadium geen extra belasting meer aangebracht hoeft te worden om de vereiste ophoging te halen. Voor de overhoogte tot het moment van aanbrengen ballast wordt maximaal 0.50 m aangehouden. Dit getal gaat ervan uit dat later extra belasten zeer onwenselijk is, dus het kan geïnterpreteerd worden als gemiddeld 0.25 m met een 95% bovengrens van 0.50. De bijbehorende standaardafwijking is dan 0.15 m. De standaardafwijking is bepaald voor het belastingsincrement. Dit is wenselijk, omdat de onzekerheid in de voorgaande stappen eenmaal getrokken in de Monte Carlo simulatie voor de resterende tijd constant moet zijn. Deze aanpak levert voor de belastingen de waarden volgen Tabel 2.2 op. De tijdstippen tot een jaar zijn gekozen op basis van de werkelijk uitgevoerde ophoogslagen, deze kunnen bepaald worden uit de zakbaakaflezingen: er is een snelle stijging van de zettingen direct na de ophoogslag. De tijdstippen later zijn gebaseerd op de contractplanningen van de Waardse Alliantie:  de recente zakbaak aflezingen: 29 nov 2001 en 10 mrt 2002  start afwerken baan 1 sep 2002  de oplevering 11 nov 2003  de zetting 1, 3, 10 en 30 jaar na oplevering. Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

4

datum

dagnummer

9 jun 2000 2 aug 2000 24 sep 2000 10 jan 2001 20 mrt 2001 23 jul 2001 29 nov 2001 10 mrt 2002 1 sep 2002 11 nov 2003 11 nov 2004 11 nov 2006 11 nov 2013 nov 2033

[-] 0 54 107 215 284 409 538 639 813 1250 1615 2345 4900 12200

geschatte increment van de belasting [kPa] 7.10 -2.08 15.18 12.80 11.02 9.86 -1.20 -0.48 -0.40 -0.40 -0.24 -0.40 -0.64 -1.20

standaardafwijking in belasting increment [kPa] 1.09 0.37 1.53 2.00 1.62 1.08 0.22 0.09 2.77 0.07 0.04 0.07 0.12 0.22

Tabel 2.2 Definitie belasting op bodem

2.2.3

Bodemprofiel

Het bodemprofiel is ontleent aan eerder onderzoek uitgevoerd onder CO-710402. Voor deze studie zijn een aantal aannames gedaan om het gebruikte profiel zo realistisch mogelijk te houden. 1. De toplaag (klei van Tiel) wordt vrijwel geheel afgegraven (ten behoeve van het opzetten van perskades). De resterende 9 cm klei is verder niet in de beschouwing betrokken en opgevat als zand. 2. De laag Hollandveen en Gorkum licht heeft gezamenlijk een redelijk constante dikte (op basis van grondonderzoek in de omgeving). Deze is gekozen op 6.43 m met een bovengrens van ongeveer 7 m. Dit geeft voor de standaardafwijking van de ligging van de laagscheiding 0.36 m. 3. De laagscheiding Hollandveen en Gorkum licht is veel minder zeker. Hier komen wel afwijkingen van 1 m voor. Dit geeft voor de ligging van deze laagscheiding een gemiddelde van 5.14 m en een standaardafwijking van 1/1.64 = 0.61 m. Echter, uit praktische overwegingen is de dikte van het Gorkum licht in de berekening als stochast opgevat. 4. In de Hollandveen laag is in het oorspronkelijke lagen model uitgegaan van 3 sub-lagen. Deze drie sub-lagen hebben in principe wel dezelfde eigenschappen, maar de actuele waarden worden als ongecorreleerd getrokken. Er worden drie lagen gemaakt om diepte afhankelijke parameters te verdisconteren. Om de parameters die niet diepte afhankelijk zijn de juiste standaardafwijking te geven moet deze vermenigvuldigd worden met de wortel uit het aantal lagen, in dit geval √3 = 1.73.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

5

5. Voor het basisveen geldt dezelfde overweging. Daarom is deze laag als enkele laag ingevoerd. De dikte is bepaald op 0.46 m. Deze dikte is vrij zeker, de standaardafwijking is eenvoudigheidshalve op 0.10 m gesteld. 6. De laag van Kreftenheye is gesteld op 0.75 m met een standaardafwijking van 0.25/1.64 = 0.15 m . De volgende trekkingsprocedure wordt toegepast: 1. de dikte van het totale pakket Hollandveen en Gorkum licht wordt bepaald 2. de dikte van Gorkum licht wordt bepaald 3. de dikte van het basisveen wordt bepaald 4. de dikte van Kreftenheye wordt bepaald. Voor de laagdiktes in het profiel leidt dit tot de waarden in laagnaam

stochast

verdeling normaal

gemiddeld [m] 6.43

standaardafwijking [m] 0.36

Hollandveen en Gorkum licht Gorkum licht Basisveen Kreftenheye

totale dikte dikte dikte dikte

lognormaal normaal normaal

1.29 0.46 0.75

0.20 (*) 0.10 0.15

Tabel 2.3 Bodemprofiel (*) dit is de ondergrens van de lognormale verdeling

De Hollandveenlaag wordt nog in drie sub-lagen gedeeld. De diktes van deze drie sub-lagen zijn (van boven naar onder: 25%, 35% en 40% van de totale laag. Deze relatieve diktes worden opgevat als stochasten met een relatief kleine afwijking van 1.5% voor de eerste en 2.1% voor de tweede sub-laag. De dikte van de derde sub-laag volgt uit het feit dat de totale dikte al bekend is. 2.2.4

Bodemparameters

Tenslotte moeten de modelparameters (materiaalparameters) voor elke laag bepaald worden. Het betreft de volgende parameters: -

volumieke gewicht (γ) a-coëfficient isotachenmodel b-coëfficient isotachenmodel c-coëfficient isotachenmodel pre-overburden pressure (POP) consolidatiecoëfficiënt (cv)

Het volumieke gewicht is op basis van monsters in het laboratorium bepaald. Ervaring leert dat hier meestal geen afwijkingen van meer dan 10% voorkomen, wat resulteert in een variantiecoëfficient van 0.10/1.64 = 0.061.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

6

De volgende vier modelparameters ( de coëfficiënten a, b en c en de POP) worden bepaald uit laboratorium proeven. Er zijn proeven voor twee locaties (11.7 km en 16.7 km) beschikbaar. De standaardafwijking wordt beïnvloed door enerzijds de ruimtelijke spreiding en anderzijds de meetresultaten in het laboratorium. Deze metingen zijn in dit geval zonder onderscheid naar afkomst verwerkt. Als de standaardafwijking onder de 6% komt, wordt deze opgehoogd naar 6%. De bepaalde afwijkingen lijken voldoende klein om zonder problemen de verdeling als normaal op te vatten. Voor de POP van het basisveen is de standaardafwijking op 6% gesteld, omdat de bewerking van de twee metingen een onwaarschijnlijk kleine standaardafwijking opleverde. Voor de parameters van de laag van Kreftenheye is voor de standaardafwijking 6% aangehouden Tenslotte de consolidatie coëfficiënt. Deze is op basis van de laboratoriumproeven via linearisatie (zie bijlage 1) bepaald en hangt nauw samen met de doorlatendheid. De doorlatendheid is echter aan grote onzekerheid onderhevig. Daarom wordt hiervoor een log-normale verdeling gekozen met als ondergrens 1/10 van het gemiddelde. De resultaten van deze beschouwingen worden in twee tabellen weergegeven: één voor de gekozen gemiddelde waarden, zie tabel 2.4 één voor de gekozen standaardafwijkingen, zie tabel 2.5 de variatiecoëfficiënten zijn gegeven in Tabel 2.6 laag H. veen

Gorkum l Basisv. Kreften.

Vol. gew. [kN/m3] 10.4

a-coef.

b-coef.

c-coef.

0.033

0.295

0.023

POP [kN/m2] 9.47

12.4 10.6 18.5

0.024 0.035 0.0035

0.237 0.311 0.069

0.016 0.032 0.0033

6.78 55.3 12.6

cv [m2/s] 2.4E-7 4.4E-7 5.3E-7 3.5E-8 7.5E-7 2.5E-7

Tabel 2.4 Gemiddelde waarden modelparameters

laag

a-coef.

b-coef.

c-coef.

verdeling H. veen

Vol. gew. [kN/m3] Normaal 0.63

normaal 0.0060

normaal 0.0177

normaal 0.0020

POP [kN/m2] normaal 1.61

Gorkum l Basisv. Kreften.

0.76 0.65 1.13

0.0020 0.0021 0.0002

0.0160 0.0187 0.0041

0.0020 0.0050 0.0002

0.91 3.32 0.76

cv [m2/s] lognorm 0.24E-7 0.44E-7 0.53E-7 0.35E-8 0.75E-7 0.25E-7

Tabel 2.5 Standaardafwijking modelparameters (voor normale verdeling) en ondergrens (voor lognormale verdeling) Voor de Hollandveenlaag moet de correctie voor de onderverdeling in de lagen nog aangebracht worden

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

7

laag verdeling H. veen

Gorkum l Basisv. Kreften.

Vol. gew. a-coef. b-coef. c-coef. POP cv Normaal normaal normaal normaal normaal lognorm 6.1% 18.2% 6.0% 8.7% 17.0% 10.0% 10.0% 10.0% 6.1% 8.3% 6.8% 12.5% 13.4% 10.0% 6.1% 6.0% 6.0% 15.6% 6.0% 10.0% 6.1% 5.7% 5.9% 6.1% 6.0% 10.0%

Tabel 2.6 Variatie coëfficiënten voor modelparameters

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

8

3

Monte Carlo simulatie

3.1

Implementatie isotachen model in spreadsheet

Omdat er momenteel nog geen versie van Msettle is waarmee de hier noodzakelijke berekeningen gemaakt kunnen worden, is een vereenvoudigde versie van het isotachen model in een spreadsheet geïmplementeerd. Hiertoe zijn wat beperkingen ten opzichte van het volledige model ingevoerd. Hierbij wordt verondersteld dat de consolidatie vooral in het begin na de belastingsstap optreedt en dat de kruip pas relevant wordt als de consolidatie vrijwel afgelopen is. Dit model is door dr. ir. Sellmeijer in Bijlage 2 theoretisch uitgewerkt. Het is door ing. E.D.G. van Zantvoort in een set van Excel worksheets geïmplementeerd. Bij de implementatie is het begin van de consolidatie voor alle belastingsstappen gekozen op het tijdstip t = 0. Correcte implementatie van het begin van consolidatie is binnen het kader van spreadsheets niet haalbaar De Monte Carlo simulatie is uitgevoerd door 10000 parametersets te bepalen. Voor elke parameterset is een zakkingslijn als functie van de tijd bepaald voor de tijdstippen die in Tabel 2.2 genoemd zijn. De berekeningen in het spreadsheet zijn voor enkele bijzondere situaties vergeleken met de resultaten van Msettle-sommen en deze bleken goed overeen te komen.

3.2

Interpretatie berekeningsresultaten

Figuur 3.1 geeft de zetting het gemiddelde, de mediaan en de 5% onder en bovengrens, steeds op een tijdstip berekend over de bijna 10000 simulaties. Wat opvalt is het grote verschil tussen de gemiddelde en mediane zakking en de grote spreiding in zakking tussen 1000 en 10000 dagen.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

9

Tijd-zettingsverloop

0.0

0.5

Zetting [m]

1.0

1.5

gemiddeld 5% 50% 95%

2.0

2.5

3.0

3.5 10

100

Tijd [dagen]

1000

10000

Figuur 3.1 Gemiddelde zakking in de tijd met boven- en ondergrens (de datum van een dagnummer is vermeld in Tabel 2.2)

Op basis van de 10000 berekeningen kan een histogram getekend worden, zie Figuur 3.2. Dit histogram geeft de frequentieverdeling van de restzettingen van af het tijdstip van oplevering tot 30 jaar na aanvang van de bouw.

Restzetting per klasse voor 10000 varianten 3.5

3.0

Aantal per klasse [%]

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Zetting [klasses van 0.01 m]

Figuur 3.2 Histogram voor de restzetting van alle 10000 curven

De verdeling blijkt erg scheef te zijn met een eerste piek bij restzetting 0.2 m en een tweede piek bij restzetting 1.6 m. Deze vreemde verdeling is nader geanalyseerd en blijkt de volgende fysische achtergrond te hebben. Figuur 3.3 licht dit nog enigszins toe. Bij de gemiddelde Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

10

consolidatie-coëfficiënt treedt een restzetting van gemiddeld 0.2 m op. Deze restzetting wordt vooral bepaald door de kruip in de grond. Bij de gegeven parameters veroorzaakt de kruip altijd een zetting die groter is dan 0.08 à 0.10 m. Echter, voor een kleinere waarde van de consolidatie-coëfficiënt treedt er in het beschouwde tijdsinterval wel meer consolidatie op. In een bepaald interval is de restzetting nagenoeg onafhankelijk van de consolidatie-coëfficiënt. Hierdoor neemt in die klasse het aantal gevonden berekeningsresultaten toe. 0.000 0.10

1.00

10.00

-0.200

tijdsinterval waarbij de consolidatiecoefficient weinig invloed heeft op de restzetting

-0.400

-0.600 restzetting

-0.800

Cv/C0 = 1 Cv/C0 = 3 Cv/C0 = 5

-1.000

-1.200

Figuur 3.3 Restzetting onafhankelijk van consolidatie coëfficiënt

Het blijkt dat de spreiding in de consolidatiecoëfficiënt de kans op een overschrijding van de geëiste restzetting (0.30 m) erg groot maakt. Op basis van de oppervlakken onder de lijn in het histogram is deze kans 70%.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

11

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

12

4

De prognose met de monitoringsgegevens

4.1

Algemeen

In dit hoofdstuk wordt nagegaan of de prognose van de restzetting nauwkeuriger kan worden door de monitoringgegevens van de zettingen in de beschouwing te betrekken. De vraag is langs welke stappen een betrouwbaarder eindresultaat gerealiseerd kan worden, rekening houdend met onzekerheden in de meting en de voorspelling.

4.2

Meetgegevens

Er wordt gebruik gemaakt van meting 152_016-075_6387, die geleverd is door de Waardse Alliantie. Deze meting moet aangepast worden aan de tijd-as, die in de berekening gebruikt is. Er moet rekening gehouden worden met het feit dat de monitoring pas 54 dagen na aanvang van de werkzaamheden begonnen is. Op dat moment is er al enige zakking geweest. Deze is bepaald uit de gemiddelde zakking na 54 dagen uit de spreadsheet berekeningen. Dit is een bron van onzekerheid, die overigens door eerdere start van de monitoring beperkt kan worden. In formele zin moet deze waarde als schatting van de gemiddelde zakking opgevat worden en zou de standaardafwijking hiervan in de beschouwing betrokken moeten worden. Dit is niet gebeurd, om de gevolgde aanpak overzichtelijk te houden. Verwacht wordt dat deze late start de betrouwbaarheid van de restzetting (in negatieve zin) sterk kan beïnvloeden. De in dit geval gebruikte meting staat in Figuur 4.1 vermeld als ‘verschoven’.

152_016-075_6387 0.000 10

100

1000

-0.500

Zetting [m]

-1.000

geleverd -1.500

verschoven

-2.000

-2.500 Tijd [dagen]

Figuur 4.1 Resultaten monitoring

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

13

Verder is de betrouwbaarheid van de meting nodig. Er zijn verschillende bronnen van onzekerheid. Hierbij valt te denken aan een standaard meetfout en de verschuiving door de latere start van de monitoring. Aangenomen is dat een berekende curve die voor de beschikbare meetpunten minder dan 0.10 m afwijkt, voldoet aan de meting. Hierbij wordt opgemerkt dat deze keuze invloed heeft op de uiteindelijk bepaalde betrouwbaarheid. De gekozen betrouwbaarheid van de meting heeft tot gevolg dat 83 van de bijna 10000 berekende curven nog aan de meting voldoen. Het gemiddelde en het 90% betrouwbaarheidsinterval van deze 83 curven zijn getoond in Figuur 4.2. Deze figuur toont duidelijk dat de lijnen tot ongeveer 300 dagen in een nauw gebied lopen. Daarna waaieren deze lijnen uit. Opvallend is dat de lijnen na ongeveer 3000 dagen evenwijdig lopen. Dit is periode van de kruip, zoals in paragraaf 3.2 aangegeven is. 0 .0 0 10

100

1000

10 0 0 0

-0 .5 0

ge m id d e ld 5 % o n d e rgren s 9 5 % b o ve n gre n s

Zetting [m]

-1 .0 0

-1 .5 0

-2 .0 0

-2 .5 0

-3 .0 0

-3 .5 0 T ijd [d ag en ]

Figuur 4.2 Gemiddelde en 90% betrouwbaarheidsinterval voor 83 geselecteerde curven

De resultaten in Figuur 4.2 zijn vergelijkbaar met de oorspronkelijke resultaten in Figuur 3.1. Het blijkt dat door de monitoring de range waarin de zettingen nog kunnen lopen veel smaller is geworden. Bij de vergelijking van figuur 4.2 met figuur 4.1 dient men zich te realiseren dat het model (figuur 4.2) het effectieve gedrag op een beperkt aantal tijdstippen weergeeft, terwijl in figuur 4.1 nog “hobbels” aanwezig zijn door ophoogslagen en mogelijk tijdelijke invloedsfactoren (bijvoorbeeld variatie grondwaterniveau). Tevens zijn de assen anders geschaald. Vanuit monitoringsoogpunt wordt nog opgemerkt dat de gemiddelde waarde en de spreiding van de totale zetting (op 10000 dagen) nauwelijks beïnvloed wordt door de uitgevoerde monitoring.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

14

4.3

Resultaten voor de restzetting

Bij de aanleg van een aardebaan is men vooral geïnteresseerd in de restzetting. De restzetting is de zetting die optreedt vanaf de dag van oplevering (dag 1250) tot 30 jaar later (ongeveer dag 10000). Vergelijking van oorspronkelijke prognoses (Figuur 3.1) en de prognoses met monitoring (Figuur 4.2) geeft aan dat door monitoring de spreiding in de restzettingsprognose aanzienlijk verkleind is. De verdeling van de restzettingen van dag 1250 (oplevering) tot 10000 (na 30 jaar) is gegeven in Figuur 4.3. Hierbij is op de horizontale as de restzetting uitgezet op dezelfde schaal als in figuur Figuur 3.2. Het betreft niet zoveel curven (83 stuks), waardoor dit histogram niet erg continue verloopt. Onder de aanname dat de restzetting normaal verdeeld is, volgt voor het gemiddelde 0.20 m en de standaard deviatie 0.035 m. De kans dat de restzettingseis van 0.30 m overschreden wordt is dan 0.21 %. Dit is aanzienlijk kleiner dan de oorspronkelijke 70%, zie paragraaf 3.2. Of deze overschrijdingskans voldoende klein is moet uit het opgestelde contract blijken. Deze vraag is voor het principe avn de aanpak niet relevant

20% 18%

Percentage lijnen in deze groep

16%

klasse grootte 0.01 m

14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Restzakking toelaatbare lijnen

Figuur 4.3 Histogram voor geselecteerde curven

4.4

Resultaten voor parameters

Tabel 1 geeft de gemiddelde consolidatie-coëfficiënt voor de lagen van zowel de gehele trekking als de selectie. Bij de interpretatie van deze tabel moet rekening gehouden worden met het feit dat de consolidatie-coëfficiënt log-normaal verdeeld is verondersteld. Toch lijkt deze figuur aan te geven dat de werkelijke consolidatie-coëfficiënten voor alle lagen minder dan een factor

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

15

2 afwijken dan de oorspronkelijk aangenomen waarden. Dat houdt in dat in dit geval de oorspronkelijk aangenomen spreiding (binnen een factor 10) wat groot is geweest. Laag laag 31a laag 32d laag 34d laag 36d laag 37b laag 37c

gemiddeld gemiddeld trekkingen selectie 3.41E-06 3.66E-06 6.98E-06 1.23E-05 6.92E-06 4.98E-06 4.90E-07 7.77E-07 9.69E-06 9.33E-06 3.63E-06 5.23E-06

factor 1.07 1.76 0.72 1.58 0.96 1.44

Tabel 1 Gemiddelde consolidatie-coëfficiënt trekking en selectie

Ook uit het feit dat de piek in de histogrammen in Figuur 3.2 en Figuur 4.3 op vrijwel dezelfde plaats ligt, geeft aan dat in gemiddelde waarde de parameterschatting heel redelijk is geweest. De spreiding in de consolidatie-coëfficiënt van de selectie is ook kleiner geworden dan de spreiding in de trekking: was eerst een factor 10 aangehouden, in de 83 geselecteerde curven is dit nog een factor 3 à 4.

Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

16

5

Conclusies en aanbevelingen

5.1

Conclusies met betrekking tot de zakkingsproblematiek

Uit deze analyse blijkt dat monitoring een aanzienlijke reductie van de onzekerheid met zich meerengt. Bij de gemiddelde parameterkeuze voldeed het ontwerp aan de restzettingseis, maar rekening houdend met de mogelijke spreiding bleek de kans op overschrijding aanzienlijk. De monitoringsgegevens zijn geïnterpreteerd en geven aan dat de spreiding veel minder is. Momenteel wordt de kans op overschrijding van de restzettingseis voor de beschouwde doorsnede op minder dan 1% geschat. Bij de interpretatie van dit getal moet wel rekening gehoden worden met het feit dat hieraan een aantal aannames ten grondslag liggen, die binnen het huidige case niet verder onderbouwd zijn. Het betreft onder meer de betrouwbaarheid van de meting en de invloed van de eerste consolidatie. De case maakt duidelijk dat het noodzakelijk is de monitoring direct bij het begin van de ophoging te starten. Dit verkleint de onzekerheid.

5.2

Conclusies met betrekking tot de rationele monitoringsfilosofie HerMes

De in dit rapport gepresenteerde techniek is praktisch bruikbaar in de opzet van een monitoringssysteem voor een beheersmatige impuls. De Monte-Carlo simulatie kan in de ontwerpfase (van het monitoringssysteem) uitgevoerd worden. Eigenlijk behoort een dergelijke simulatie ook thuis in de ontwerpfase van het totale project ‘aanleg baanlichaam’. Tijdens de monitoring kan na elke aflezing een verbeterde voorspelling van de restzetting gemaakt worden, waarbij steeds geëvalueerd moet worden of naar verwachting de restzettingseis met een overeengekomen aanvaardbare kans gehaald zal worden. Zo niet, dan kunnen maatregelen genomen worden. Bij het ontwerp van het monitoringssysteem moet wel bepaald zijn welke maatregelen dat zijn en of die maatregelen nog wel zin hebben. Een aantal aspecten zijn in dit rapport niet bekeken, terwijl deze voor de praktijk wel relevant zijn:  het betrouwbaarheidscriterium voor de zettingseis. Dit moet uit het overeengekomen contract volgen.  de bijdrage van de modelonzekerheid is klein verondersteld ten opzichte van de parameter onzekerheid. Dit zou formeel aangetoond moeten worden  de onzekerheid in de meting is op basis van engineering judgement gekozen. De invloed hiervan op het eindresultaat is nog niet beschouwd.  de ruimtelijke spreiding van de parameters (en dus de restzetting) is nog niet in de beschouwing opgenomen. Het belang van deze aspecten moeten in een vervolg uitgewerkt worde Rapportnummer

Datum

Pagina

01.01.07-07

Februari 2003

17

Bijlage 1

Bepaling consolidatie coëfficiënt

Door: dr. ir. E.J. den Haan De consolidatiecoëfficiënt cv is niet constant. Het is samengesteld uit de doorlatendheid en de compressibiliteit volgens cv = k/(mv w) waarin cv = consolidatiecoëfficiënt [m2/s] k = doorlatendheid [m/s] mv = compressibiliteit [1/kPa] w = volumiek gewicht water [kPa/m] Noch k, noch mv zijn constant. In de Ko-C.R.S. proeven wordt de doorlatendheid indirect bepaald uit het hydraulisch gradiënt over de hoogte van het monster en de snelheid van verandering van de hoogte (debiet). Het resultaat wordt gefit met

k  k o 10 ε / C k De incrementele compressibiliteit is te bepalen als

mv 

dε dσ v'

In het maagdelijke gebied geldt

b 

dε H d ln σ v'



σ v' dσ v' (1  ε ) dε

waarbij b redelijk constant is. Dan is cv te bepalen uit de parameters ko , Ck en b voor een bepaalde rek en spanning. In het algemeen resulteert geen constante waarde van c v . Bovendien geldt b = constant alleen in het maagdelijke gebied, terwijl in het algemeen de effectieve spanning toeneemt van een waarde ruim vóór de grensspanning tot een waarde ergens in het maagdelijke gebied. Daarom wordt er de voorkeur aan gegeven om een waarde van cv te kiezen bij een gemiddelde waarde van de effectieve spanning. De terreinspanning varieert van 3 tot 8 kPa; de spanningsverhoging door de ophoging is circa 60 kPa. Als gemiddelde waarde van de spanning wordt 30 kPa genomen.

Datum

Bijlage

februari 2003

1

Bij 30 kPa is voor alle uitgevoerde Ko-C.R.S. proeven, de bijbehorende rek bepaald. Hieruit volgt de doorlatendheid. Door regressie van een aantal (,v, ) punten vóór en na 30 kPa is mv bepaald. Daaruit volgt dan cv. De resultaten staan hieronder.

30a 31a 32d 34d 36d 37b 37b2 37c

 bij 30kPa

cv

cv

0.204 0.255 0.190 0.255 0.125 0.139 0.046

M2/s 2.4E-07 4.4E-07 5.3E-07 3.5E-08 5.2E-07 9.8E-07 2.5E-07

m2/y 7.5 13.7 16.9 1.1 16.5 30.9 7.9

Datum

Bijlage

februari 2003

1

Bijlage 2

Uitwerking van het isotachenmodel

door: dr. ir. J.B. Sellmeijer

Lijst met symbolen OCR [kPa] : Over Consolidation Ratio POP [kPa] : PreOverburden Pressure OFF [kPa] : Offset Pressure a b c h p s t v

[-] [-] [-] [m] [Pa] [m] [s] [m3]

: : : : : : : :

ε

[-]

: natuurlijke rek

index

d i r s

: : : :

directe compressie index seculaire compressie index coëfficiënt van seculaire compressie snelheid laagdikte gronddruk zetting verlopen tijd volume

direct initieel referentie seculair

MSettle: Isotache model, ontkoppelde waterspanningen Algemeen Kruip is beschreven als een reksnelheid die afhangt van effectieve spanning en vervorming. In het geval van belasten is deze reksnelheid constant langs rechte lijnen in het logaritmische spanning-vervorming vlak. Deze lijnen worden isotachen genoemd; lijnen, waarlangs de snelheid gelijk is. Een belangrijke complicatie is de aanwezigheid van water. Door een belastingverhoging zal de grond samen willen drukken. Dit is elast(o-plast)isch gedrag. Maar ook de kruip draagt bij aan de volumeverkleining. Dit is viskeus gedrag. De aanwezigheid van water verzet zich tegen volume verandering. Het gevolg is een proces van consolidatie, waarin de aanpassingen vertraagd verlopen. Het berekenen van het gecombineerde consolidatie-kruip proces is gecompliceerd. Het systeem van bergingvergelijking, grondmodel en evenwicht moet worden opgelost. Dit is een delicate numerieke klus. De vraag is aan de orde om de aanpak te ontkoppelen. Dit wordt bij de regels van Koppejan of NEN zo uitgevoerd. Een belastingverhoging zal aanvankelijk voor een groot gedeelte door waterspanningen gecompenseerd worden. Het consolidatie proces zorgt er uiteindelijk voor dat de effectieve spanningen de belasting zullen

Datum

Bijlage

februari 2003

2

dragen. Omdat op voorhand de waterspanningen niet bekend zijn, is een geïntegreerde berekening zo moeilijk uit te voeren. Daarom is in de zettingbepaling volgens de regels van Koppejan of NEN het optreden van wateroverspanningen genegeerd. De idee hierachter is, dat de consolidatie voornamelijk plaats heeft op de directe zakking. Tijdens de kruip spelen wateroverspanningen een ondergeschikte rol. Tijdens een samendrukkingsproef is dit inderdaad het geval. In een doorsnee praktijkgeval is dit twijfelachtig. Een grote meevaller is het feit dat de afloop van het consolidatie proces niet van invloed is op de grootte van de zettingen. Hoe groot de wateroverspanningen aanvankelijk ook geweest zijn, het zettinggedrag voor grote waarden van de tijd is altijd eender. Het puur seculaire proces is alleen enigszins vertraagd (opgeschoven) in de tijd. Bij Koppejan en NEN wordt dit niet van groot belang geacht. De zettingen worden over het gehele tijddomein bepaald zonder wateroverspanningen. Het directe deel van de zettingen, echter, wordt gecorrigeerd met behulp van een consolidatieratio. Deze wordt bepaald op grond van een oplossing voor elastische berging. Kruip speelt hierin dus geen rol. Vanwege de eenvoud is het handig om deze aanpak ook over te nemen voor het isotache grondmodel. In deze notitie wordt aangegeven hoe dit verwezenlijkt kan worden.

Spanning-rek model Eerst zal voor de duidelijkheid de spanning-rek-relatie geformuleerd worden. De rek bestaat uit een directe en seculaire component. De rek is niet gerelateerd aan het oorspronkelijke volume maar aan het huidige. Deze rek wordt natuurlijke rek genoemd. Er geldt:

ε  εd  εs  

. v   ln v v

De primaire rek is eenvoudig gerelateerd aan de spanning via een spanningsafhankelijke stijfheid:

εd  a

. p  ln p a  p

In het isotache model wordt gesteld dat de kruipsnelheid logaritmisch toeneemt in de richting loodrecht op de rechte isotachen. Dit wordt gerekend ten opzichte van een referentiepunt dat met een index r wordt aangegeven. In formulevorm laat zich dit schrijven als:

 ε  v  p c ln s   ln   b ln   εr   vr   pr  Substitutie van de primaire en seculaire rek in de uitdrukking voor de natuurlijke rek resulteert in:

. a . v p ln v p a  v pa

   

 v 1  p b   εr   c   c  vr   pr 

Deze relatie kan worden uitgeïntegreerd:

 vp  a  vr pr a

  



1 c

v p   i  vr p

a i a r

  



1 c

t

ε  r c 0

 p  b c a   dt  pr 

Datum

Bijlage

februari 2003

2

De index i geeft het initiële tijdstip aan. Het resultaat wordt gefatsoeneerd tot:

 v pa    a   vi p i 



1 c

1

 v p b  c ε  1   i ib  r  vr pr  c

 p  bc a 0  pi  dt t

De term vóór de integraal is de definitie van de kruipsnelheid voor het initiële tijdstip. Het blijkt dat het referentie punt uitgewisseld kan worden met het initiële punt:

 v pa    a   vi p i 



1 c

 p  b c a 0  pi  dt t

ε  1 i c

Let wel! Dit is alleen juist in het geval van belasten. Indien de referentiedruk ooit hoger geweest is, is het beter de referentie grootheden te laten staan:

 v pa    a   vi p i 



1 c

1

 v p a  c ε  1   i ia  r  vr pr  c

 p  bc a 0  pr  dt t

Nu is in de term vóór de integraal ontlasten aan de orde, waardoor het resultaat gelijk wordt aan 1 :

 v pa    a   vi p i 



1 c

 p  bc a 0  pr  dt t

ε  1 r c

Er zijn aldus twee gelijkluidende uitdrukkingen verkregen. Het rechterdeel ervan wordt òf in het referentie punt uitgedrukt, òf in het initiële punt. De kruipsnelheid kan gemeten worden in het laboratorium. Deze is gelijk aan de coëfficiënt van seculaire compressie snelheid per referentietijd: c / τ . De referentietijd wordt op een dag gesteld. Deze snelheid is onafhankelijk van de druk. Het uiteindelijke resultaat kan dus geschreven worden als:

 v pa    a   vi p i 



1 c

 1

1 τ

 p  b c a 0  pr  dt t

p r  max pr , pi 

In feite vervult pr de functie van grensspanning. Onder deze spanning blijven de vervormingen erg klein, erboven zijn ze veel groter. Dit mechanisme wordt meestal uitgedrukt in PreOverburden Pressure aanpak (POP) of de Over Consolidation Ratio aanpak (OCR). In het eerste geval wordt de initiële spanning verhoogd met de ooit opgetreden extra bovenbelasting: pi = pi + POP ; In het laatste geval worden de initiële spanningen een factor verhoogd.: pi = pi * OCR . In formulevorm luidt dit:

 v pa  a  vi p i

  



1 c

1  1 τ

  b c a p 0  pi OCR  POP  dt t

In principe is het POP òf OCR, niet beide. Dus òf POP = 0 , òf OCR = 1 .

Datum

Bijlage

februari 2003

2

Stapsgewijze belasting De belasting wordt aangebracht in stappen. Omdat er geen rekening gehouden hoeft te worden met waterspanningen, zijn de effectieve spanningen op voorhand bekend. De integratie in de uitdrukking voor de vervorming kan dus onmiddellijk worden uitgevoerd:

 vp  vp

a m -1 a i i

  



1 c

 bc a pn -1 1 m   t n  t n-1   1   τ n 1  pi OCR  POP 

Stel er zijn N belastingstappen, van 0 t/m N-1 . Tussen de m-1 de en de mde stap moet de zetting bepaald worden. Dan wordt bovenstaande formule gehanteerd met tm = t . Indien de hele tijdas moet worden doorgerekend, dan is het verstandig het rechterdeel van de uitdrukking uit te rekenen door steeds een increment te voegen bij het vorige resultaat. Daarna wordt de rek expliciet geschreven. De zakking is de som van alle elementaire rekken in de verticaal:

v  s      1 d z  v  0 i h

 pia  1  0  pma -1  h

 1 m   b c a pn -1     1  t  t    n n 1    τ n 1  pi OCR  POP  

c

  dz  

Datum

Bijlage

februari 2003

2

Title:

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

Author:

N. Han

Institute:

TNO-Bouw

February 2003 Number of pages

:

21 (incl. Appendix)

Keywords (3-5)

:

Monitoring; Rational; Indirect; Parameters; Validation

DC-Publication-number

:

01.01.07-11

Institute Publication-number (optional)

:

Report Type

:

Intermediary report or study

:

Final project report

:

DUP Standard

DUP-publication Type

TNO-Bouw

DUP-Science Acknowledgement The Dutch Government through the ICES-2 programme has sponsored this research. The research is part of the Research programme of Delft Cluster. We thank the project steer group for the critical comments on a draft of this report. Conditions of (re-)use of this publication The full-text of this report may be re-used under the condition of an acknowledgement and a correct reference to this publication. Other Research project sponsor(s):

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Abstract The HERMES monitoring philosophy has been developed in order to obtain a rational framework for the development of a monitoring approach. The rationality of an approach can be shown subsequently by compatibility with the HERMES requirements. A monitoring system that is intended for integrity management purposes should guarantee that the current condition meets the stated requirements. In many cases it is not possible to measure the parameter of interest directly. In those cases the parameter needs to be measured indirectly. In the framework of a rational approach, the main point of interest is then whether the measured parameter effectively presents the information that is needed. In this application that is directed towards the applicability of practical data, a situation has been taken in which indirect indicators are used in order to assess the remaining strength of the concrete of crossovers that have deteriorated by means of ASR. The assessment criterion that is of interest in this case, is the strength of the construction material. The indirect indicator that has been used in this case is expansion. The question that arizes itself in this case, is to what extent rational acceptance criteria can be determined for the indirect indicators in order to evaluate the monitoring results. In order to answer this question as a first step the rational assessment criteria have been determined in order to validate the correlation between multiple parameters using a series of data gathered. Then, using results of earlier investigations, it has been assessed to what extent these results can be used in order to obtain acceptance levels for the present situation, taking into account variation due to the a-priori “as-built” situation. The study shows that in order to validate an assumed correlation or a model, in a first step reliability criteria have to be stated. By means of this reliability level both the range of uncertainties in the measurement data and the bandwidth for the correlation assumed for the proposed model result. Depending on the relation assumed, by means of the correlation coefficient the unambiguousness of the model can be assessed. In this case it appears that on the basis of measurement results present and the accompanying reliability, no unambiguous acceptance criterion for the expansion can be found by which the strength of the construction can be maintained to a specified level.

PROJ ECT NAME: Monitoringsfilosofie Hermes P R O J E C T C O D E : 01.01.07 BASEPROJECT NAME: Measuring, Monitoring and Exploration BASEPROJECT CODE: 01.01 T H E M E N A M E : Soil and Structures T H E M E C O D E : 01

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 2

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Management samenvatting. De HERMES filosofie is ontwikkeld om een rationele opzet van monitoringsystemen te verkrijgen. De rationaliteit van een gehanteerde aanpak blijkt dan daaruit dat deze voldoet aan de HERMES ontwerpcriteria. Een monitoringssyteem dat ingezet wordt voor beheersdoeleinden moet zeker stellen dat de aanwezige toestand gedurende de gebruiksfase voldoet aan de vastgestelde eisen. Vaak is het niet mogelijk de parameter waar het werkelijk om gaat direct te meten. In dat geval moet deze parameter indirect gemeten worden. Binnen de rationele opzet is het dan van belang dat op een rationele manier bepaald wordt of de gemeten parameter daadwerkelijk informatie geeft over datgene waar het eigenlijk om gaat. In deze praktijkgerichte toepassing is een situatie genomen waarbij indirecte indicatoren gehanteerd worden ter beoordeling van de werkelijk aanwezige betonsterkte van viaducten die door ASR aangetast worden. De maat voor de toestand die te beoordelen is, is de sterkte van het constructiemateriaal. De gehanteerde indirecte indicator is in dit geval een gemeten uitzetting. De vraag die zich in dit geval voordoet is in hoeverre rationele acceptatiecriteria vast te stellen zijn voor de beoordeling van monitoringresultaten. Daarvoor zijn allereerst rationele beoordelingscriteria vastgesteld om een correlatie tussen verschillende parameters te kunnen valideren op basis van een serie verzamelde gegevens. Daarna is op basis van aanwezige onderzoeksresultaten vastgesteld in hoeverre gebruikmakend van die rationele basis concrete acceptatieniveau’s voor de aanwezige toestand zijn vast te stellen, rekening houdend met variatie uit de a-priori “as built” situatie. De toepassing laat zien dat voor de validatie van een veronderstelde correlatie of een model allereerst betrouwbaarheidscriteria vast te stellen zijn. Met dat betrouwbaarheidsniveau ligt zowel de onzekerheid van de meetresultaten vast als de bandbreedte voor de veronderstelde correlatie of het geponeerde model. Afhankelijk van de veronderstelde relatie is met behulp van de correlatie coëfficiënt te bepalen in hoeverre een voldoende eenduidig verband valt waar te nemen. In dit geval blijkt op grond van de beschikbare gegevens met de daarbij behorende betrouwbaarheid géén eenduidig acceptatiecriterium voor de uitzetting vastgesteld te kunnen worden waarmee de sterkte van de constructie op een vereist niveau te houden is.

PROJECT NAAM: Monitoringsfilosofie Hermes P R O J E C T C O D E : 01.01.07 BASISPROJECT NAAM: Measuring, Monitoring and Exploration BASISPROJECT CODE: 01.01 T H E M A N A A M : Soil and Structures T H E M A C O D E : 01

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 3

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Inhoud 1

INLEIDING..................................................................................................................................5

2

Het verzamelen van data .............................................................................................................5

3

Onzekerheid..................................................................................................................................6

4

Statistische data analyse ..............................................................................................................9

5

Conclusies en aanbevelingen .....................................................................................................13 5.1 Conclusies..........................................................................................................................13 5.2 Aanbeveling.......................................................................................................................14

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 4

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

1

INLEIDING. In het kader van HERMES wordt een rationele monitoring van constructies uitgewerkt. Bij het rationeel ontwerp van het monitoringssysteem moet aangegeven worden wat de te monitoren parameters zijn en in welke range de parameters variëren (zie de werkomschrijving, de paragrafen 3.1 en 3.2). Veelal is het niet mogelijk de parameter waarin men werkelijk geïnteresseerd is direct te monitoren, terwijl het wel mogelijk is een andere parameter te monitoren, die naar verwachting gerelateerd is aan de parameter van de interesse. De vraag of een dergelijke (indirecte) monitoring toelaatbaar is moet beantwoord worden. Om deze vraag te beantwoorden, is een deelproject opgezet met de titel: "Rationele monitoring van indirecte indicatoren i.p.v. directe conditieparameters". De doelstelling van dit project is het vaststellen van een criterium om indirecte monitoring toe te staan ten behoeve van conditiebewaking. Het deelproject is uitgewerkt aan de hand van een praktijk case. In geval van geconstateerde ASR schade (Alkali-silica reactie) is de sterkte van het beton in de constructie de vraag die beantwoord moet worden, om na te gaan of reparatie of vervanging van een viadukt noodzakelijk is. Een veel gestelde vraag is in hoeverre door meting van de expansie van de constructie (een indirecte indicator, ook wel uitzetting genoemd), een harde conclusie over de materiaaleigenschap betonsterkte (de directe indicator) van de door ASR beschadigde constructie kan worden getrokken. Het monitoren van expansie is veel eenvoudiger en goedkoper dan het monitoren van sterkte. Om monitoring van indirecte parameters mogelijk te maken moet aangetoond worden dat de indirecte parameter een voldoende betrouwbare relatie heeft met de directe parameter. Hierbij moet rekening gehouden worden met de onzekerheden in deze relatie. Het project is langs de volgende stappen uitgevoerd: − het verzamelen van data (uit verschillende projecten) − het analyseren van de verzamelde data (statistisch) − het modelleren van de relatie tussen de conditie (sterkte) en de indirecte parameter(expansie) (Bayesian analyse) − het vaststellen van een criterium (het voorspellen van de conditie (sterkte) op basis van de gemeten indirecte parameter (expansie).

2

Het verzamelen van data Om de relatie tussen de expansie en de indicator van de conditie van een constructie op te zetten, zijn de gegevens uit een basisonderzoek verzameld wat verricht is aan twintig kunstwerken in de A 59, waar ASR schade is geconstateerd. De wijze van werken bij het basisonderzoek is in een procedure vastgelegd (TNO Bouw rapport 96BT-R0933). Deze procedure is een modificatie van een Britse procedure (ISE, Structural Effects of Alkali-Silica Reaction - Technical Guidance on the Appraisal of Existing Structures, 1992). Het basisonderzoek begint met een inspectie aan de constructie, waarbij het accent ligt op de vraag of schade is ontstaan door ASR of door andere oorzaken. Het aanwezige scheurpatroon wordt opgemeten teneinde een kwantitatieve indruk te krijgen van de mate van zwelling die is opgetreden (hiermee wordt de expansie vastgesteld). Tevens wordt gekeken naar de vochtbelasting van de constructie. Uit de constructie worden betonmonsters genomen. Deze worden visueel beoordeeld en vervolgens in het laboratorium onderzocht, waarbij de volgende onderzoeken worden verricht: − polarisatie- en fluorescentiemicroscopie − druksterkte

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 5

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

− − −

(éénassige) treksterkte potentiële verdere zwelling gedurende expositie in een vochtkamer en in een bad met warm, zout water gedurende een periode van één jaar niet-destructief onderzoek aan de zwellingsproefstukken in de vorm van het meten van veranderingen van de massa, de ultrasone voortplantingssnelheid en de dynamische elasticiteitsmodulus.

De expansie is uitgedrukt door de zogenoemde relatieve cumulatieve scheurwijdte, die is gemeten door op de betreffende meetplaatsen twee loodrecht op elkaar staande meetlijnen te tekenen (aan de constructie gemeten, dus geen vrijexpansie). De meeste meetlijnen waren 1 m lang, maar vanwege de beperkte afmeting van enkele constructieonderdelen waren enkele meetlijnen korter (waar voor gecorrigeerd is). Alle scheuren die de meetlijnen kruisten zijn ingetekend, waarna per scheur zowel de scheurwijdte (loodrecht op de scheur) als de hoek met de meetlijn zijn opgemeten. Vervolgens is de totale scheurwijdte langs de meetlijnen bepaald. Hierbij is gerekend met de scheurwijdte langs de meetlijn (wl), welke berekend is uit de scheurwijdte loodrecht op de scheur (w) en de hoek van de scheur met de meetlijn (α), met de formule wl = w × sin(α). Tenslotte is de cumulatieve scheurwijdte gedeeld door de lengte van de meetlijnen, waarmee de relatieve cumulatieve scheurwijdte per strekkende meter werd verkregen (mm/m). Naast de expansie zijn de sterkte-eigenschappen van het beton (die als factor nodig is om de conditie van een constructie vast te kunnen stellen) verzameld. Deze waarden zijn gemeten aan kernen die uit de constructies op locatie van de scheurvorming zijn geboord. De druksterkte en éénassige treksterkte zijn bepaald door het uitvoeren van proeven. De splijttreksterkte is berekend met behulp van de volgende bekende relatie:

splijttreksterkte (N/mm2) = 1 + 0,05 druksterkte (N/mm2)

(1)

De verzamelde gegevens zijn in tabel 1 in bijlage B weergegeven.

3

Onzekerheid De leerresultaten, zoals weergegeven in de figuur 1 en 2, laten een grote spreiding in de gevonden meetwaarden zien als functie van de aangetroffen expansie. Bij de interpretatie van deze gegevens dient men zich bewust te zijn van de volgende feiten: De meetfout De nauwkeurigheid en de betrouwbaarheid van gehanteerde methoden wordt bepaald door de eenduidigheid van het werkproces en de nauwkeurigheid van de gehanteerde meetmiddelen. In dit geval geldt dat aan de visuele waarneming van de scheurbreedte, een relatieve fout van ca. 10% van de waargenomen waarde kan worden toegekend. De meetnauwkeurigheid van de sterkte-eigenschappen van een materiaal als beton wordt bepaald door de nauwkeurigheid van de gehanteerde meetapparatuur en het effect van de meetopstelling en de meetprocedure op het meetresultaat. Dit effect kan op 5% afgeschat worden.

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 6

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

120

Druksterkte (N/mm 2)

100

y = -8,2006x + 66,676 R2 = 0,1002

80

60

40

20

0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

Expansie (m m/m )

Figuur 1

De door proeven bepaalde druksterkte tegen de gemeten expansie

Expansie –vrij of verhinderd ? Beton waarin ASR is opgetreden, kan worden beschouwd als een betonsoort met speciale eigenschappen, waarvan de expansie een duidelijk herkenbare is. Om deze reden worden de veranderingen in mechanische eigenschappen (sterkte) meestal gerelateerd aan de mate van expansie die is opgetreden. Het is echter van belang om te beseffen dat de homogeniteit, die wij kennen van normaal beton, in het geval van ASR verloren is gegaan. De plaats waar de ASR optreedt, varieert sterk. Met name door dit soort variaties ontstaan scheuren in het beton. In eerste instantie zullen de microscheuren groter worden, maar in een later stadium kunnen deze uitgroeien tot forse macroscheuren. De wijze waarop dit uitgroeien plaatsvindt, wordt in belangrijke mate door de constructie bepaald. Belangrijke parameters zijn hierbij de geometrie, de wapeningsconfiguratie (in welke mate en in welke richting verhindert de wapening de expansie), de waterhuishouding (bijvoorbeeld: waar blijft water staan) en de expositieomstandigheden. Deze parameters bepalen niet alleen de lokale veranderingen van de materiaaleigenschappen, maar hebben bovendien invloed op de mate waarmee expansie door de lokale omstandigheden zich kan uiten. De inhomogeniteit wordt dus in belangrijke mate door de beschouwde constructie bepaald. Variaties in de “as-built” sterkte eigenschappen als gevolg van lokale invloedsfactoren vallen binnen de variaties zoals toegestaan door het aanwezige systeem van kwaliteitseisen.

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 7

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

4,5

Eénassige treksterkte (N/mm2)

4,0 y = -0,3787x + 2,3968 R2 = 0,0375

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Expansie (mm/m)

Figuur 2

De door proeven bepaalde éénassige treksterkte tegen de gemeten expansie

Blijkbaar is de gemeten expansie (op basis van de cumulatieve scheurwijdte) in dit project altijd de verhinderde expansie genoemd. Om een meer realistische beeld van de uitzetting in beton, die wordt veroorzaakt door ASR, te geven is het verstandig een zogenoemde vrijexpansie te meten. Deze worden gekregen door het uitvoeren van de versnelde uitzettingsproef in het laboratorium met een standaard betonproefstuk (prisma). De proefstukken worden in een bepaalde omgeving bewaard. Na een bepaalde expositietijd wordt de vrijexpansie nauwkeurig gemeten. Druk of treksterkte ? Druksterkte van beton wordt vaak beschouwd als de belangrijkste parameter voor het ontwerpen en de kwaliteitscontrole. Het is dus logisch deze parameter na te gaan als ASR in het beton optreedt. De druksterkte van beton voor het ontwerpen en de kwaliteitscontrole is in het algemeen gebaseerd op de waarde, die wordt gemeten op een ouderdom van beton van 28 dagen. Het is wel bekend dat de hydradatieproces verder doorgaat tot een aanzienlijke lange periode, waarbij de druksterkte kan oplopen tot 2 á 3 keer zo hoog als die van 28 dagen. Uit figuur 1 blijkt dat de minimale druksterkte boven 40 N/mm2 ligt, en die is vermoedelijk hoger dan de ontwerpwaarde (B30 ?). Daarom vormt de reductie van druksterkte door ASR in de praktijk vaak geen probleem. Toch dient men meer aandacht te besteden aan de reductie van de treksterkte van beton door ASR. In de VBC wordt aangenomen dat tussen de éénassige treksterkte ft,uniax en de splijttreksterkte de volgende relatie bestaat: éénassige treksterkte (N/mm2) = 0,9 × splijttreksterkte (N/mm2) (2) Op basis van de vergelijking 1 en 2 bestaat de volgende relatie tussen de éénassige treksterkte en de druksterkte: (3) éénassige treksterkte (N/mm2) = 0,9*(1 + 0,05 druksterkte) (N/mm2) Uit vergelijking 3 blijkt dat er een lineaire relatie bestaat tussen de éénassige treksterkte en de druksterkte. In figuur 3 en 4 is deze relatie niet meer teruggevonden. Dit is misschien gedeeltelijk veroorzaakt door ASR.

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 8

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Berekende treksterkte versus druksterkte. 4,5 4,0 y = 0,0302x + 0,3335 R2 = 0,1603

Treksterkte (N/mm2)

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0

20

40

60

80

100

120

2

Druksterkte (N/mm )

Figuur 3

4

De éénassige treksterkte tegen de druksterkte

Statistische data analyse De drie sterkte-eigenschappen (druksterkte, éénassige treksterkte en splijttreksterkte) zijn weergegeven in respectievelijk figuur 1, 2 en 5 als een functie van de expansie. Tevens is de verhouding tussen de éénassige treksterkte en de druksterkte als een functie van de expansie weergegeven in figuur 4. Om de statistische indruk te krijgen, is de lineaire regressielijn ook ingetekend in dezelfde figuren. De eerste indruk van figuur 1 en 2 toont aan dat er met de gehanteerde meetmethoden geen duidelijke relatie tussen de druksterkte of de éénassige treksterkte en de expansie valt waar te nemen (figuur 5 geeft de zelfde tendens als figuur 1 omdat de splijttreksterkte is afgeleid van de druksterkte met behulp van de vergelijking 1). Verder geeft de lineaire regressie aan dat de mechanische eigenschappen (druk- en treksterkte) in lichte mate afhankelijk zijn van de expansie. De regressiecoëfficiënt R2 duidt echter niet op een sterke relatie (met de waarde tussen 0,0375 en 0,1002). Hetzelfde geldt ook voor de gegevens in figuur 4, waarin de verhouding tussen de éénassige treksterkte en de druksterkte tegen de expansie is weergegeven.

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 9

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Trek/Druksterke versus expansie. 0,08 0,07

y = -0,0026x + 0,0366 R2 = 0,0081

Trek/druksterkte

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Expansie (mm/m)

Figuur 4

De verhouding tussen éénassige treksterkte en druksterkte tegen de gemeten expansie

Trek / Druksterkte versus expansie. 7,0 y = -0,41x + 4,3338 R2 = 0,1002

Splijttreksterkte (N/mm2)

6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Expansie (mm/m)

Figuur 5

De berekende splijttreksterkte op basis van de druksterkte tegen de gemeten expansie

Wanneer is er sprake van een duidelijke relatie ? Met andere woorden: welke criteria zijn te hanteren, rekening houdend met onzekerheid in de veronderstelde correlatie. Op basis van statistiek is het mogelijk een criterium vast te stellen. Hieronder is een simpel geval gegeven om een voorbeeld voor de lineaire situatie in dit verband uit te werken.

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 10

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Er is een groep data (x, y) dat met een meetfout ε van y wordt gemodelleerd. Het model is geschreven als: y voorspel = β 0 + β 1 x + ε (4) waarin ε een stochastische variabele is die in het volgende voorbeeld als normale verdeling wordt aangenomen. Voor iedere datapunt (xi, yi) zijn er drie typen van afwijkingen, namelijk: - fout-(of residu-) afwijking y - yvoorspel - regressieafwijking yvoorspel – μy - totaalafwijking y - μy De relaties van deze verschillende afwijkingen zijn weergegeven in figuur 6. De totaalafwijking kan worden geschreven als:

y−μ

y

=(y− y

voorspel

)+(y

voorspel

−μ

y

)

(5)

De relatie van vergelijking (2) is in feite nog van toepassing voor de kwadratensom van afwijkingen:

¦( y − μ ) y

2

= ¦( y − y

voorspel

)

2

+ ¦( y

voorspel

−μ

y

)

2

(6)

De linker kant van vergelijking (6) noemen wij totaal-kwadratensom (SST). Het eerste stuk van de rechter kant van vergelijking (6) wordt residuele kwadratensom (SSE) genoemd. Het tweede stuk van de rechter kant van vergelijking (6) noemen we regressie-kwadratensom (SSR). De vergelijking (6) kan worden omgeschreven: SST = SSE + SSR

(7)

De regressiecoëfficiënt R2 (ook wel benoemd als ‘coëfficiënt van beslissing’) kan met de volgende vergelijking worden berekend:

R

2

=

SSR SSE = 1− SST SST

(8)

Uit vergelijking (8) kan men zien dat de waarde van de regressiecoëfficiënt R2 tussen 0 en 1 ligt. Als de foutafwijking klein is ten opzichte van de totaalafwijking is er sprake van een duidelijke relatie (met andere woorden, R2 ligt dichtbij het getal 1).

(x, y) y - yvoorspel yvoorspel - μy

y - μy μy

Figuur 6 Drie typen afwijkingen in de modellering

We nemen aan dat na de meetfout ε een normale verdeling volgt met het gemiddelde με = 0 en de standaarddeviatie σ. In dit voorbeeld wordt de verspreiding van data alleen door de meetfout beheerst. Hierbij worden twee waarden van de standaarddeviatie gekozen, namelijk σ = 1,6 en σ = 0,13. Dus: Voor geval 1: ε = N(0, 1,6) ε = N(0, 0,13) Voor geval 2:

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 11

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

De regressiecoëfficiënt R2 voor beide gevallen is berekend: Voor geval 1: R2 = 0,037 Voor geval 2: R2 = 0,908 De grenzen met een zekerheid van 90% (dat wil zeggen dat het voorgestelde model 90% meetresultaten kan dekken) zijn berekend en weergegeven in figuur 7 en 8. Het interval tussen bovengrens en ondergrens noemen we de bandbreedte, die als een belangrijke indicator voor de modelzekerheid wordt beschouwd. In figuur 7 is het duidelijk dat het voorgestelde model niet in staat is om met een redelijke zekerheid (de bandbreedte is te groot) de voorspelling te geven. De regressiecoëfficiënt R2 (in dit geval 0,037) toont aan dat de residuele fout ten opzichte van de totale fout te groot is. In figuur 8 is de bandbreedte aanzienlijk kleiner met de regressiecoëfficiënt R2 van 0,908. Dit betekent dat een goede voorspelling kan worden gekregen met het voorgestelde model. In het algemeen kan de regressiecoëfficiënt R2 = 0,9 als een statistisch criterium voor de geldigheid van een lineair model worden beschouwd. Het moet worden benadrukt dat twee extreme voorbeelden zijn gegeven in dit rapport. In de praktijk is de situatie vaak niet zo simpel. Mensen praten hierbij niet alleen over de modelonzekerheid, maar ook over meetonzekerheid, enzovoort. Het is vooral nog ingewikkeld voor problemen als ASR. De integrale beschouwing, dus alle onzekerheden meenemend, is essentieel voor het aanpakken van het ASR probleem. data regressie bovengrens ondergrens

6 5 4

y

3 2 1 0 -1 -2 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

x

Figuur 7

Date:

Modelonzekerheid – voorbeeld (geval 1), bandbreedte waarbinnen met 90% zekerheid een model door meetresultaten gedekt wordt. De figuur laat duidelijk zien dat een sterke verandering van de helling mogelijk is, wat ook uit de lage waarde van de correlatie coëfficiënt blijkt. Een éénduidige relatie tussen de variabelen x en y valt in dit geval dus niet aan te tonen.

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 12

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

3

data regressie

2,5

bovengrens ondergrens

y

2

1,5 1

0,5 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

x

Figuur 8

Modelonzekerheid – voorbeeld (geval 2), een situatie waarin met 90% zekerheid een model klopt met meetresultaten. De band is smal waardoor de helling nog maar weinig kan variëren wat ook uit de hoge waarde van de correlatiecoëfficiënt blijkt.

5

Conclusies en aanbevelingen

5.1

Conclusies Als gevolg van de relatief grote onzekerheid in de bepalende parameters, is het niet mogelijk een eenduidig verband tussen uitzetting en sterkte parameters vast te stellen. De relatie tussen uitzetting en sterkte kan niet aangetoond worden hoofdzakelijk door een combinatie van de volgende redenen: − de gemeten expansie is niet vrijuitzetting (zeer sterk locatieafhankelijk); − de onderzochte monsters zijn allemaal loodrecht van de richting van de expansiemeting uitgeboord. Als de expansie anisotroop is, is de relatie tussen de expansie en de sterkte niet relevant. Het is in dit geval niet mogelijk een veronderstelde expansierelatie rationeel te valideren, gebruikmakend van uit de praktijk afkomstige waarnemingen. Variatie in eigenschappen als gevolg van de a-priori situatie (de “as-built” eigenschappen zoals aanwezig na oplevering) zijn daarin verwerkt. Van een rationeel verband tussen het model en de meetresultaten zou sprake zijn wanneer het theoretische verband door de waarnemingen en de daarbij behorende onzekerheden aangetoond kan worden met de vereiste statistische zekerheid. Dit betekent dat het op basis van deze resultaten niet mogelijk is om de monitoring van de expansie van een viadukt te gebruiken om een betrouwbare indicatie te krijgen van de betonsterkte in een viadukt. Expansie is geen betrouwbare indirecte indicator van beton sterkte. Op deze manier kunnen verschillende te monitoren parameters gecontroleerd worden op bruikbaarheid.

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 13

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

5.2

Aanbeveling Om de relatie tussen vrijexpansie door ASR en de reductie van treksterkte te vinden, is het raadzaam een laboratoriumonderzoek uit te voeren. In een dergelijk onderzoek zal de vrijexpansie worden gemeten, in combinatie met de vergelijkingen van de treksterkte tussen het aangetaste beton en het gezonde beton. Deze relatie vormt een basis voor de verandering van de materiaaleigenschap van ASR, en kan worden gebruikt voor de constructieve beoordelingen.

TNO Bouw Afdeling Civiele Infrastructuur

Dr. Ir. Ningxu Han

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 14

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

A. Proefmethoden in dit project Voor het beoordelen van de constructieve gevolgen van ASR is het zaak de mechanische eigenschappen te bepalen met behulp van proeven met kernen, die zijn geboord uit de betreffende constructies. De opzetten van deze proeven zijn weergegeven in figuur 6. F

(a) Figuur 9

Date:

l=75 mm

(b)

F l=75 mm

d=75 mm

d=75 mm

l=150 mm

F

d=75 mm

(c)

Eénassige trekproef (a), splijttrekproef (b) en éénassige drukproef (c); afmetingen proefstukken, aangebrachte krachten en breukvlakken.

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 15

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

B. Data Tabel 1 Data van proeven en inspectie A59 Nr. Meetplaats 1.1 1.8 1.9 1.10 1.11 Nr. Meetplaats 2.2 2.4 2.6 2.8 2.9 Nr. Meetplaats 3.2 3.4 3.8 3.10 3.12 Nr. Meetplaats 4.4 4.6 4.7 4.9 Nr. Meetplaats 5.3 5.9

Date:

1 Druksterkte 2 N/mm 72,4 55,9 55,9 60,2 74,2

E-treksterkte 2 N/mm 1,4 0,6 2,1 2,4 2,1

Naam Expansie mm/m 0 0 0 0 0

Hambaken Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,6 3,8 3,8 4,0 4,7

2 Druksterkte 2 N/mm 76,6 82,6 74,4 65,0 71,3

E-treksterkte 2 N/mm 1,9 1,9 1,2 2,4 2,6

Naam Expansie mm/m 0 0 0 0 0

Hedelseweg Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,8 5,1 4,7 4,3 4,6

E-treksterkte 2 N/mm 2,4 2,7 1,1 3,9 2,9

Naam Expansie mm/m 0 0 0 0 0

Rietvelden Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,8 4,8 3,5 3,9 4,0

4 Druksterkte 2 N/mm 78,4 80,8 59,1 69,0

E-treksterkte 2 N/mm 1,7 2,4 2,5 2,6

Naam Expansie mm/m 0 0 0 0

Den Bosch West Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,9 5,0 4,0 4,5

5 Druksterkte 2 N/mm 62,0 66,5

E-treksterkte 2 N/mm 2,5 0,8

Naam Expansie mm/m 0 0,7

Vlijmen Oost Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,1 4,3

3 Druksterkte 2 N/mm 76,1 76,1 49,6 57,1 60,1

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 16

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Nr. Meetplaats 6.3 6.6 6.7 6.9 6.10 6.12 Nr. Meetplaats 7.3 7.7 7.8 7.10 7.12 Nr. Meetplaats 8.3 8.7 8.11 Nr. Meetplaats 9.3 9.4 9.8 9.9 9.11 Nr. Meetplaats 10.3 10.4 10.8 10.9 10.12 Nr. Meetplaats 11.4 11.7 11.10 11.11 11.12

Date:

6 Druksterkte 2 N/mm 55,2 55,2 46,2 64,1 54,3 59,1

E-treksterkte 2 N/mm 1,2 0,6 1,0 2,0 1,8 1,2

Naam Expansie mm/m 0,7 0,4 0,7 0 0 0

Heidijk Spl.-treksterkte 2 N/mm 3,8 3,8 3,3 4,2 3,7 4,0

7 Druksterkte 2 N/mm 44,1 76,6 66,6 70,6 71,8

E-treksterkte 2 N/mm 1,3 2,0 3,2 3,1 2,9

Naam Expansie mm/m 0 0 0 0 0

Pres. Kennedybrug Spl.-treksterkte 2 N/mm 3,2 4,8 4,3 4,5 4,6

8 Druksterkte 2 N/mm 49,6 33,1 45,6

E-treksterkte 2 N/mm 1,6 0,3 1,1

Naam Expansie mm/m 0,3 1,8 0,9

Wolfput Spl.-treksterkte 2 N/mm 3,5 2,7 3,3

9 Druksterkte 2 N/mm 73,2 68,0 64,4 48,6 91,7

E-treksterkte 2 N/mm 3,2 3,3 0,7 1,5 3,2

Naam Expansie mm/m 0,4 0,9 1,5 0,8 0,3

Wolfshoek Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,7 4,4 4,2 3,4 5,6

E-treksterkte 2 N/mm 2,3 2,3 2,3 2,6 0,6

Naam Expansie mm/m 0,4 0,5 0 0,5 1,2

Elshoutseweg Spl.-treksterkte 2 N/mm 3,8 3,8 4,1 3,7 4,0

E-treksterkte 2 N/mm 0,7 2,1 2,6 2,8 0,7

Naam Expansie mm/m 1,6 0,4 0 0 0,8

Drunen West Spl.-treksterkte 2 N/mm 3,7 3,7 3,8 4,8 4,0

10 Druksterkte 2 N/mm 55,7 55,7 62,9 54,7 60,1 11 Druksterkte 2 N/mm 53,3 53,9 55,8 76,4 59,2

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 17

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Nr. Meetplaats 12.4 12.6 12.7 12.9 12.11 Nr. Meetplaats 13.4 13.8 13.10 13.12 Nr. Meetplaats 14.3 14.6 14.7 14.9 14.10 Nr. Meetplaats 15.4 15.5 15.8 15.10 15.12 Nr. Meetplaats 16.1 16.6 16.12 Nr. Meetplaats 17.4 17.6 17.8 17.10 17.11

Date:

12 Druksterkte 2 N/mm 59,5 61,3 63,9 72,6 46,0

E-treksterkte 2 N/mm 2,6 1,9 3,0 2,1 2,5

Naam Expansie mm/m 0,1 0 0 0,4 1,0

Labbegat Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,0 4,1 4,2 4,6 3,3

13 Druksterkte 2 N/mm 61,0 56,0 67,4 84,2

E-treksterkte 2 N/mm 3,1 2,6 2,3 2,5

Naam Expansie mm/m 1,0 0,5 0 0

Capelsche Haven Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,1 3,8 4,4 5,2

14 Druksterkte 2 N/mm 83,3 90,6 28,9 48,9 43,0

E-treksterkte 2 N/mm 3,6 2,8 1,6 2,0 2,2

Naam Expansie mm/m 0,2 0 0,9 0,4 0,0

Schoutstraat Spl.-treksterkte 2 N/mm 5,2 5,5 2,4 3,4 3,2

15 Druksterkte 2 N/mm 61,7 53,3 72,0 53,7 71,5

E-treksterkte 2 N/mm 2,6 0,4 3,9 2,1 3,0

Naam Expansie mm/m 0,0 0,3 0 0,1 0,0

Zijlweg Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,1 3,7 4,6 3,7 4,6

16 Druksterkte 2 N/mm 80,5 59,6 64,4

E-treksterkte 2 N/mm 2,0 1,1 0,8

Naam Expansie mm/m 0,6 0,5 0,9

Heemraadsingel Spl.-treksterkte 2 N/mm 5,0 4,0 4,2

17 Druksterkte 2 N/mm 68,2 80,8 81,0 54,7 75,8

E-treksterkte 2 N/mm 3,5 3,4 0,8 2,9 3,3

Naam Expansie mm/m 0,0 0 0,2 0 0,1

Hespelaar Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,4 5,0 5,1 3,7 4,8

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 18

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Nr. Meetplaats 18.3 18.5 18.7 18.10 18.12 Nr. Meetplaats 19.3 19.4 19.6 19.7 19.10 Nr. Meetplaats 20.4 20.5 20.8 20.11

Date:

18 Druksterkte 2 N/mm 64,3 72,0 59,6 70,3 79,5 19 Druksterkte 2 N/mm 53,5 67,7 54,8 63,0 51,0 20 Druksterkte 2 N/mm 84,4 59,0 57,9 67,1

February 2003

E-treksterkte 2 N/mm 3,2 2,6 2,9 3,2 3,8

Naam Expansie mm/m 1,3 0,7 0,3 0 0,5

Haasdijk Spl.-treksterkte 2 N/mm 4,2 4,6 4,0 4,5 5,0

E-treksterkte 2 N/mm 2,7 3,4 2,6 3,6 2,8

Naam Expansie mm/m 1,0 1,3 0 0,9 1,1

Houteind Spl.-treksterkte 2 N/mm 3,7 4,4 3,7 4,2 3,6

E-treksterkte 2 N/mm 3,5 2,2 2,2 3,9

Naam Expansie mm/m 1,2 1,1 0,7 1,2

Rode Weel Spl.-treksterkte 2 N/mm 5,2 4,0 3,9 4,4

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 19

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

General Appendix: Delft Cluster Research Programme Information This publication is a result of the Delft Cluster research-program 1999-2002 (ICES-KIS-II), that consists of 7 research themes: ŹSoil and structures, ŹRisks due to flooding, ŹCoast and river , ŹUrban infrastructure, ŹSubsurface management, ŹIntegrated water resources management, ŹKnowledge management. This publication is part of: Research Theme

:

Soil and structures

Baseproject name

:

Measuring, Monitoring and Exploration

Project name

:

Monitoring philosophy Hermes

Project leader / Institute Project number

Ir. A.R. Koelewijn :

01.01.07

Project duration

:

01-03-2000

Financial sponsor(s)

:

Delft Cluster

-

GeoDelft

31-12-2002

GeoDelft Dienst Weg en Waterbouw Rijkswaterstaat. Bouwdienst Rijkswaterstaat Projectbureau HSL-zuid TNO-Bouw Project participants

:

GeoDelft TNO Bouw Dienst Weg en Waterbouw Rijkswaterstaat. Bouwdienst Rijkswaterstaat Projectbureau HSL-zuid

Total Project-budget

:

€ 571.000

Number of involved PhD-students

:

0

Number of involved PostDocs

:

0 Delft Cluster is an open knowledge network of five Delft-based institutes for long-term fundamental strategic research focussed on the sustainable development of densely populated delta areas.

Keverling Buismanweg 4 Postbus 69 2600 AB Delft The Netherlands

Date:

February 2003

Tel: +31-15-269 37 93 Fax: +31-15-269 37 99 [email protected] www.delftcluster.nl

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 20

Delft Cluster-publication: 01.01.07-11

Theme Management team: Ground and Construction Name

Organisation

Dr. Ir. P. van den Berg

GeoDelft

Prof. Dr. Ir. J.G. Rots

TNO-Bouw

Project group During the execution of the project the research team included: Name

Organisation

1. Dr. Ir. P. Hölscher

GeoDelft

2. Ir. G.H. Wijnants

TNO Bouw

3. Dr. Ir. J.K. van Deen

GeoDelft

4. Ir. F.J. Postema

Bouwdienst Rijkswaterstaat

5. Drs. B.G.H.M. Wichman

Rijkswaterstaat DWW

6. Drs. R.J. Aartsen

Projectorganisatie HSL Zuid

7. Ir. W.O. Molendijk

GeoDelft

Other Involved personnel The realisation of this report involved: Name

Organisation

1. Dr. Ir. A.R. Koelewijn

GeoDelft

2. Dr. Ir. P.H. Waarts

TNO Bouw

Date:

February 2003

HERMES Case; Rational monitoring of indirect indicators instead of direct condition parameters.

p. 21

Monitoringsfilosofie - toepassing op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte CO-710107/37 20-10-2000 definitief

Monitoringsfilosofie - toepassing op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte

CO-710107/37 20-10-2000 definitief Opgesteld in opdracht van: RIJKSWATERSTAAT – DIENST WEG- EN WATERBOUWKUNDE POSTBUS 5044, 2600 GA DELFT & DELFT CLUSTER POSTBUS 69, 2600 AB DELFT AFDELING GRONDCONSTRUCTIES Projectleider : ir. A.R. Koelewijn Projectbegeleider : dr. J.K. van Deen

GeoDelft Stieltjesweg 2, 2628 CK DELFT Postbus 69, 2600 AB DELFT Telefoon (015) 269 35 00 Telefax (015) 261 08 21 Postbank 234342 Bank MeesPierson NV Rek nr 25 92 35 911

CO-710107/37

20-10-2000

rapportnr: CO-710107/37

datum rapport: 20-10-2000

titel en subtitel: Monitoringsfilosofie - toepassing op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte

behandelende afdeling: Grondconstructies projectnaam: Monitoringsfilosofie HerMes

projectleider(s): projectbegeleider(s): ir. A.R. Koelewijn dr. J.K. van Deen namen en adressen opdrachtgevers: referentie opdrachtgever: Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en MONFIL, verplichtingennummer 35000825 (RWS-DWW) Waterbouwkunde, 01.01.07 Monitoringsfilosofie HerMes (Delft Cluster) Postbus 5044 verzenden in: 2600 GA Delft 25-voud Delft Cluster type rapport: Postbus 69 definitief 2600 AB Delft samenvatting rapport: Dit rapport bevat de toepassing van de in Delft Cluster-verband door GeoDelft en TNO-Bouw ontwikkelde monitoringsfilosofie op één van de proeven in het Proefvak Actuele Sterkte nabij Bergambacht, nl. de zogenoemde macrostabiliteitsproef. Deze proef bestaat uit twee delen: eerst een verhoging van de freatische lijn in de dijk, gevolgd door het aanbrengen van een belasting op de kruin van de dijk, totdat bezwijken optreedt. Na afbakening van het project is een betrouwbaarheidsanalyse uitgevoerd, waarbij naar voren gekomen is dat: bezwijken waarschijnlijk pas optreedt bij een betrekkelijk hoog belastingsniveau. een buitenwaartse afschuiving ongeveer even waarschijnlijk is als de gewenste binnenwaartse bezwijkvorm. gericht onderzoek naar de cohesie van de bovenste grondlagen de onzekerheid ten aanzien van het te verwachten moment van bezwijken aanmerkelijk kan verkleinen de huidige onzekerheid over het verloop van het buitentalud een aanzienlijke bijdrage levert ten aanzien van de onzekerheid met betrekking tot het optreden van een buitenwaarts glijvlak Op basis van de betrouwbaarheidsanalyse is een aantal vragen geformuleerd waar door monitoring antwoorden op gevonden dienen te worden. Verder is een model aangegeven voor de verwerking van monitoringsgegevens. Vervolgens is op basis van de resultaten van de betrouwbaarheidsanalyse op systematische wijze een monitoringssysteem ontworpen en is aangegeven hoe er in de vervolgfasen te werk kan worden gegaan. Tenslotte zijn de belangrijkste verschillen ten opzichte van de tot nu toe gebruikelijke aanpak aangegeven. opmerkingen:

verspreiding: trefwoorden: DWW: 10 ex., DC 10 ex., GD 5 ex. monitoring, monitoringsfilosofie, praktijkproef opgeslagen op: onder titel: N:\tmp\Hols\710107_37_Monitoringsfilosofie_macrostabiliteitsproef.doc versie: datum: opgesteld door: paraaf: 1 20-10-2000 ir. A.R. Koelewijn

aantal blz.: 51 gecontroleerd door: dr. J.K. van Deen

paraaf:

GeoDelft Report no.: CO-710107/37

Date report: 20-10-2000

CO-710107/37 Title: Monitoringsfilosofie - toepassing op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte

20-10-2000 Department: Grondconstructies Project: Monitoringsfilosofie HerMes

Project manager: Project supervisor: ir. A.R. Koelewijn dr. J.K. van Deen Names and addresses of clients: Reference clients: Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en MONFIL, verplichtingennummer 35000825 (RWS-DWW) Waterbouwkunde, 01.01.07 Monitoringsfilosofie HerMes (Delft Cluster) P.O. Box 5044 Copies sent: NL-2600 GA Delft 25 Delft Cluster Type of report: P.O. Box 69 definitive NL-2600 AB Delft Summary of report: In this report the monitoring philosophy as developed for Delft Cluster by GeoDelft and TNO-Building & Construction research is applied to one of the large scale tests as foreseen at the test area near Bergambacht (about 30 km east of Rotterdam), namely the overall slope stability test. This test comprises the raising of the freatic line in the embankment, followed by loading the top of the embankment until failure occurs. After giving full details of the project, a reliability analysis has been performed, which showed that: failure is likely to occur only at a comparatively high load level failure into the river is about as likely as the desired failure mode (into the polder) determination of the cohesion of the upper layers could give a significant reduction of the overall uncertainty regarding the moment of failure the present uncertainty regarding the position of the slope of the embankment at the side of the river results in a significant contribution to the uncertainty regarding the mechanism of failure into the river On the basis of the reliability analysis, a number of questions have been formulated which should be answered by monitoring. Next, a model for the processing of monitoring data is presented. Next, on the basis of the reliablity analysis, a monitoring system has been devised in a systematic manner and an indication is given how to proceed in the next fases of the test (further preparation, execution and evaluation). Finally, the differences with respect to the traditional approach are indicated. Comments:

Distribution: Key words: RWS-DWW: 10 copies, DC 10 copies, GD 5 copies monitoring, monitoring filosofy, large scale test No. of pages: Saved: 51 Filename: N:\tmp\Hols\710107_37_Monitoringsfilosofie_macrostabiliteitsproef.doc Version: Date: Prepared by: Signature: Checked by: 1 20-10-2000 ir. A.R. Koelewijn dr. J.K. van Deen

Signature:

GeoDelft

CO-710107/37

20-10-2000

INHOUDSOPGAVE

1

Inleiding 1.1 Doelstelling 1.2 Projectkader 1.3 Organisatie van het project 1.4 Leeswijzer bij dit rapport

1 1 1 2 2

2

Rationele monitoring 2.1 Inleiding 2.2 Afbakening van het project en de relevante omgevingsfactoren 2.2.1 Inleiding 2.2.2 Proefopzet 2.2.3 Waterspanningen 2.2.4 Aanvullende bovenbelasting 2.2.5 Bodemopbouw 2.3 Bepaling van de maatgevende (bezwijk)mechanismen 2.3.1 Inleiding 2.3.2 Invloed zandscherm op bezwijkvlak 2.3.3 Binnenwaarts bezwijken 2.3.4 Te laat bezwijken 2.3.5 Buitenwaarts bezwijken 2.4 Bepaal welke vragen door monitoring dienen te worden beantwoord 2.5 Opzet/keuze van een model voor de verwerking van meetgegevens

3 3 3 3 3 5 7 8 9 9 13 14 17 17 18 19

3

Ontwerpfase: systematische opzet monitoringssysteem 3.1 Inleiding 3.2 Bepaal de te monitoren parameters 3.3 Bepaal orde van grootte van veranderingen 3.4 Bedenk aanvullende maatregelen 3.5 Bepaal locaties van de instrumenten 3.6 Benoem specifieke doel van elk instrument 3.6.1 Waterspanningsmetingen 3.6.2 Positie(veranderings)metingen 3.6.3 Hellingmetingen 3.7 Plan de registratie van relevante omgevingsinvloeden 3.8 Beschrijf eisen aan de uit te voeren metingen

23 23 23 24 24 25 26 26 29 30 30 30

CO-710107/37

20-10-2000

3.9 Stel procedures op ter bepaling van de correcte functionering van de meetinstrumenten 3.10 Plan regelmatige kalibratie en onderhoud 3.11 Verantwoordelijkheden bepalen voor diverse projectfasen 3.12 Selecteer instrumenten 3.13 Aankoopspecificaties voor instrumenten 3.14 Stel de voorlopige begroting op 3.15 Plan installeren van instrumenten 3.16 Plan verzameling van meetgegevens 3.17 Plan verwerking van meetgegevens 3.18 Stel de begroting vast 3.19 Vastleggen van het monitoringssysteem in een ontwerpverslag

31 31 31 32 32 32 32 33 33 33 33

4

Uitvoeringsfase

34

5

Evaluatiefase

36

6

Slotbeschouwing

38

7

Literatuur

40

BIJLAGEN Bijlage 1: Situatietekening Proefvak Bergambacht Bijlage 2: Bodemopbouw t.p.v. Hm 84,5 (dwarsprofiel 32A) Bijlage 3: Proeflocatie Actuele Sterkte Bijlage 4: Peiling Rijkswaterstaat – voorjaar 1996 Bijlage 5: Bodemopbouw t.p.v. Hm 85 mede op basis van peiling Rijkswaterstaat Bijlage 6: Glijvlak volgens MProStab bij verhoogde freatische lijn en bovenbelasting van 13 kN/m2 over een breedte van 2,5 meter. Bijlage 7: Glijvlak in buitenwaartse richting bij ontwerpbelasting en dwarsprofiel volgens [Van Duyvendijk 1997] Bijlage 8: Glijvlak in buitenwaartse richting bij ontwerpbelasting en dwarsprofiel buitentalud volgens bijlage 4 Bijlage 9: Locaties waterspanningsmeters hoofdraai Bijlage 10: Locaties vervormingsmetingen hoofdraai

CO-710107/37

20-10-2000

1 Inleiding 1.1 Doelstelling Het doel van dit rapport is tweeledig: -

-

in de eerste plaats dient het duidelijk te maken hoe de algemene monitoringsfilosofie voor civieltechnische constructies zoals die is vastgelegd in het rapport ‘Monitoringsfilosofie – Waarom, Wat, Waar en Wanneer meten & verwerken’ [Koelewijn 2000a] kan worden toegepast op een concreet project. In hoofdstuk 6 wordt ingegaan op de geconstateerde verschillen met de tot nu toe gebruikelijke aanpak bij dergelijke projecten. daarnaast dient het een systematische opzet te vormen van het monitoringssysteem voor de macrostabiliteitsproef die voor het voorjaar van 2001 is voorzien op het Proefvak Actuele Sterkte nabij Bergambacht.

Om het tweede doel zo goed mogelijk te realiseren is er naar gestreefd om er voor te zorgen dat dit rapport zelfstandig leesbaar is, dus zonder voortdurend te verwijzen naar het algemene rapport over monitoringsfilosofie. Enige overlap daarmee is daardoor onvermijdelijk. Om het eerste doel te bereiken is echter wel ondermeer dezelfde paragraafnummering aangehouden als in [Koelewijn 2000a]. Vergelijkingen tussen beide rapporten worden hierdoor gemakkelijker. Het hierboven al genoemde hoofdstuk 6 is hierop een aanvulling.

1.2 Projectkader Deze toepassing op een concreet project van de tegelijkertijd ontwikkelde algemene monitoringsfilosofie is uitgevoerd in het kader van het Delft Cluster project ‘Monitoringsfilosofie HerMes1’. Dit project maakt deel uit van het Delft Cluster onderzoeksprogramma voor de periode 1999-2002. Dit onderzoeksprogramma is onderverdeeld in zeven thema’s, waarvan het thema ‘Grond en Constructies’, waar dit project onder valt, er één is. Binnen dit thema is onderscheid gemaakt tussen specifieke basisprojecten, die een directe koppeling hebben met één van de subthema’s, en generieke basisprojecten, die relevant zijn voor alle subthema’s. Het project ‘Monitoringsfilosofie HerMes’ is een onderdeel van het generieke basisproject ‘Verkennen, Meten en Monitoren’. De macrostabiliteitsproef op het Proefvak Actuele Sterkte is opgezet vanuit het specifieke basisproject ‘Waterkeringen’. Dit projectonderdeel is uitgevoerd in opdracht van Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en Waterbouwkunde, waar dit project aangeduid wordt met de naam MONFIL en verplichtingennummer 35000825. Rijkswaterstaat is tevens opdrachtgever voor het onderzoek met betrekking tot het Proefvak Actuele Sterkte.

1

Het acroniem ‘HerMes’ staat voor ‘HEt Rationeel Monitor Evaluatie Systeem’ 1

CO-710107/37

20-10-2000

De ontwikkelde monitoringsfilosofie is in het kader van dit onderzoekproject in opdracht van Rijkswaterstaat ook toegepast op de referentiebaan (HW1) in het No-Recess project bij ’s-Gravendeel [Koelewijn 2000b].

1.3 Organisatie van het project Dit Delft Cluster project, dat naar verwachting tot 2002 doorloopt, wordt uitgevoerd door de Delft Cluster partners TNO Bouw en GeoDelft. De algemene theorie is door beide instituten gezamenlijk ontwikkeld. De toepassing ervan op constructieve projecten vindt in principe plaats door TNO Bouw, terwijl de toepassing op geotechnische projecten is uitgewerkt door GeoDelft, dat hiertoe zoals genoemd een afzonderlijke deelopdracht van Rijkswaterstaat – Dienst Weg- en Waterbouwkunde heeft ontvangen.

1.4 Leeswijzer bij dit rapport In hoofdstuk 2 wordt de macrostabiliteitsproef als project afgebakend en wordt vastgesteld wat het doel van een monitoringssysteem bij deze proef is. Daarna wordt ingegaan op de mogelijke faalmechanismen en de mogelijkheden voor de verwerking van meetgegevens: meten van onverwerkbare gegevens kan hierdoor achterwege blijven. Vervolgens wordt in hoofdstuk 3 op een systematische manier een monitoringssysteem voor deze proef opgezet. Via een uitgebreid stappenplan wordt op rationele wijze vastgesteld waarom, wat, waar en wanneer gemonitord dient te worden. In afwijking van de meeste andere civiel-technische projecten is er voor de macrostabiliteitsproef geen duidelijk onderscheid te maken tussen een bouw- en een beheerfase. In plaats daarvan is er meer sprake van een uitvoeringsfase (die net als de gebruikelijke bouwfase uit een aantal elkaar vrij snel opvolgende verschillende onderdelen bestaat) en een evaluatiefase, waarin duidelijk meer tijd beschikbaar is voor het besluitvormingsproces om tot een eventueel op basis van meetgegevens aangepaste actie over te gaan (in dit geval niet meer met betrekking tot de bemeten constructie zelf, maar bij vergelijkbare constructies). In hoofdstuk 4 wordt ingegaan op de uitvoeringsfase van de proef, waarin een aanzienlijk deel van de meetgegevens verzameld zal moeten worden en de uitvoering van de proef, indien noodzakelijk, op basis van de waarnemingen zal worden bijgesteld. In hoofdstuk 5 wordt ingegaan op de verwerking van de gegevens na afloop van de proef, tijdens de evaluatie daarvan. In hoofdstuk 6 wordt tenslotte ingegaan op de meerwaarde van de gehanteerde monitoringsfilosofie ten opzichte van de tot nu toe gebruikelijke aanpak bij dergelijke projecten.

2

CO-710107/37

20-10-2000

2 Rationele monitoring 2.1 Inleiding Bij het opstellen van een monitoringsplan voor een constructie moet allereerst duidelijk zijn waarom zo’n plan wordt opgesteld. Een zinvol monitoringsplan is over het algemeen gericht op het in een vroeg stadium onderkennen van (bezwijk)mechanismen die het functioneren van de constructie in gevaar brengen. Voor het opstellen van een monitoringsplan moeten daarom eerst de maatgevende mechanismen tijdens zowel de bouw- als de beheerfase worden vastgesteld. In § 2.2 wordt de macrostabiliteitsproef als project afgebakend en wordt de relevante informatie met betrekking tot dit project gegeven. Eén van de bijzondere aspecten van deze proef is dat het op een bepaalde wijze bezwijken van de dijk expliciet wordt nagestreefd. Daardoor is één van de faalmechanismen juist het overeind blijven van de dijk. In § 2.3 wordt een betrouwbaarheidsanalyse van deze proef gemaakt, waarbij ook aan andere faalmechanismen aandacht wordt besteed. Hieruit en uit het algemene doel van de proef volgt welke vragen door de monitoring dienen te worden beantwoord. In § 2.4 wordt hier nader op ingegaan. In § 2.5 wordt tenslotte globaal ingegaan op de verwerking van de meetgegevens, opdat het meten van onverwerkbare gegevens zoveel mogelijk voorkomen kan worden. In de hoofdstukken hierna wordt meer in detail op het monitoringssysteem ingegaan.

2.2 Afbakening van het project en de relevante omgevingsfactoren 2.2.1

Inleiding

In de afgelopen jaren is duidelijk geworden dat het inzicht in de werkelijke sterkte van een dijk nog vrij gebrekkig is. Dit is vooral tijdens het hoogwater van 1995 duidelijk naar voor gekomen, toen een aantal gebieden geëvacueerd is. Achteraf is geconcludeerd dat met betere kennis van de sterkte van de waterkeringen deze evacuaties, met de daaraan verbonden maatschappelijke onrust en kosten, grotendeels achterwege hadden kunnen blijven. Rijkswaterstaat heeft daarom het project Actuele Sterkte gestart, dat als doel heeft om het inzicht in de werkelijke sterkte van dijken te vergroten. Het Proefvak Actuele Sterkte maakte tot voor kort deel uit van de dijkring van Krimpenerwaard in Zuid-Holland en ligt enkele kilometers stroomafwaarts van Bergambacht, aan de rivier de Lek. Het betreft een oud dijkvak met een lengte van ruim 400 meter, dat vrijgekomen is na het uitvoeren van een dijkversterkingsproject. Achter het oude dijkvak is een nieuw dijkgedeelte gebouwd, dat sinds zomer 2000 de functie van primaire waterkering heeft overgenomen van het oude dijkvak. In verband met het vergroten van de ruimte voor de rivier zal het oude dijkvak voor het hoogwaterseizoen 2001/2002 worden verwijderd.

2.2.2

Proefopzet

Eén van de deelprojecten op het Proefvak Actuele Sterkte, die tijdens de opzet van dit rapport voorzien was, betreft de zogenoemde macrostabiliteitsproef. Deze proef bestaat in feite uit twee

3

CO-710107/37

20-10-2000

opeenvolgende proeven op dezelfde locatie, namelijk een zogenoemde freatische lijn-proef, waarbij de freatische lijn in de dijk wordt verhoogd, en een zogenoemde vervormingsproef, waarbij afschuiven van de dijk wordt nagestreefd. In verband met de verwijdering van de dijk enerzijds en de noodzakelijke voorbereidingstijd anderzijds staat de macrostabilteitsproef gepland voor zomer 2001. Een situatietekening is achterin dit rapport terug te vinden als bijlage 1. Het doel van de macrostabiliteitsproef is het bepalen van de sterkte van een rivierdijk onder de voor ontwerp en toetsing maatgevende hoogwateromstandigheden. Het is de bedoeling dat de resultaten van deze proef onder meer kunnen worden gebruikt voor: -

-

de validatie van de bestaande richtlijnen voor het ontwerp en de toetsing van dijken. de kalibratie van de bestaande rekenmodellen voor macrostabiliteit onder meer ten aanzien van 3D-effecten en anisotropie van de ondergrond, mede ter onderbouwing van eventuele wijzigingen van de hiervoor genoemde richtlijnen het bepalen van de mogelijkheden om op basis van een eventuele relatie tussen aangesproken sterkte en opgetreden vervormingen vast te kunnen stellen bij welke mate van vervorming maatregelen zoals een noodversterking of evacuatie van het achtergelegen gebied getroffen dienen te worden. (N.B. deze proef kan eventueel een eerste aanzet vormen tot het vaststellen van een dergelijke relatie, afhankelijk van de situatie en indien een dergelijke relatie gelegd kan worden.)

In eerste instantie is ervoor gekozen om de macrostabiliteitsproef uit te voeren rondom een dwarsdoorsnede halverwege de hectometerpalen 84 en 85 op de dijkweg, hierna aangeduid met Hm 84,5. Deze keuze is voor het eerst aangegeven in [Salazar Rivera 2000a]. Inmiddels is echter besloten om de proef uit te voeren over een lengte van ongeveer 75 meter, met Hm 85 in het midden. Zowel het verhogen van de freatische lijn als het aanbrengen van de bovenbelasting zoals hiervoor geschetst zullen dus over deze lengte worden uitgevoerd. De opdrijfproef zal worden uitgevoerd rondom Hm 84. In bijlage 2 is een meer gedetailleerd bovenaanzicht van de proeflocatie gegeven. De macrostabiliteitsproef is dus voorzien rondom de zogenaamde hoofdraai zoals aangegeven in deze bijlage, terwijl de opdrijfproef rondom de bijraai zal worden uitgevoerd. Beide delen van de dijk zijn betrekkelijk recht, met een redelijke lengte van de achterland. Dit laatste is van belang omdat de stabiliteit van de nieuwe dijk niet in gevaar mag komen door de proeven. De kruin van de dijk ligt op ongeveer NAP +5,30 m. De kruinbreedte bedraagt ongeveer 7 m. Het (bovenste deel van het) buitentalud kent een helling van 1:2,5 (verticaal:horizontaal), terwijl het binnentalud onder een helling van ongeveer 1:2,7 verloopt. De ligging van het achterland varieert van NAP 0,00 m bij de binnenteen tot NAP –0,25 m nabij de nieuwe dijk. Het cunet van de nieuwe dijk ligt op een afstand van tenminste 45 m vanaf de binnenteen. De maatgevende omstandigheden dienen uiteraard zo goed mogelijk in de proef gesimuleerd te worden. Deze omstandigheden worden gekenmerkt door een in enkele weken tijd sterk oplopende rivierwaterstand met een piek die enkele dagen aanhoudt, in combinatie met een belasting op de kruin van de dijk. Deze kruinbelasting bedraagt volgens de thans geldende ontwerpnormen 13 kN/m 2 werkend over een breedte van 2,5 meter (zie [TAW 1994]). Dit komt overeen met een kolonne met zand geladen vrachtwagens die in verband met een dreigende calamiteit op de dijk aanwezig is. De

4

CO-710107/37

20-10-2000

hoogwatergolf op de rivier leidt tot een verhoogde ligging van de freatische lijn in de dijk en een grotere stijghoogte in de diepere watervoerende lagen. 2.2.3

Waterspanningen

De stijghoogte in de diepere watervoerende lagen wordt volgens de huidige ontwerpnormen alleen van belang geacht wanneer de opdrukveiligheid (de verhouding tussen het gewicht van het slechtdoorlatende slappe-lagenpakket en de waterdruk bovenin de watervoerende zandlaag) kleiner is dan 1,2 (zie [TAW 1989 en TAW 1994]). Het onder dergelijke zogeheten opdrijfcondities optredende glijvlak verschilt echter in belangrijke mate van de glijvlakken welke anders optreden. Bij de macrostabiliteitsproef wordt er naar gestreefd om een binnenwaarts glijvlak te creëeren dat niet beïnvloed wordt door de stijghoogte in de diepere watervoerende lagen. Daarom zal deze stijghoogte niet worden beïnvloed tijdens de macrostabiliteitsproef. Er zal dan geen sprake zijn van opdrijfcondities, tenzij zich tijdens de proef een uitzonderlijk hoge rivierwaterstand voordoet. De kans daarop is echter verwaarloosbaar klein; het hoogwaterseizoen is dan immers voorbij. De macrostabiliteit bij opdrijfcondities zal eventueel in een andere proef op het Proefvak Actuele Sterkte worden onderzocht, namelijk in de zogenoemde ‘opdrijfproef’, waarbij de stijghoogte in de diepere watervoerende lagen wèl sterk zal worden verhoogd. De ligging van de freatische lijn in de dijk heeft in het algemeen een grote invloed op de macrostabiliteit van een dijk. Bij de macrostabiliteitsproef zal daarom eerst de freatische lijn in de dijk worden verhoogd op een wijze die zoveel mogelijk overeenkomt met de situatie bij maatgevend hoogwater. In eerste instantie is door Gemeentewerken Rotterdam voorgesteld om een zandscherm nabij het buitentalud aan te brengen tot een diepte van 5 meter beneden de kruin van de dijk, waarna via dit zandscherm water in de dijk kan worden geïnfiltreerd. Hiermee zou de invloed van een hoogwatergolf kunnen worden gesimuleerd (zie [Salazar Rivera 2000a]). De voorgestelde positie van dit zandscherm in een doorsnede dwars op de dijk is weergegeven in bijlage 3. De vrees bestaat dat deze sleuf een grote invloed heeft op de sterkte van het dijklichaam. Een alternatief is daarom het toepassen van zand- of grindkolommen in plaats van een doorgaande sleuf. Door deze op een zekere onderlinge afstand te plaatsen blijft een gedeelte van de sterkte van het dijklichaam behouden. De onderlinge afstand dient dan dusdanig te worden ontworpen dat er enerzijds voldoende sterkte aanwezig blijft en anderzijds dat de toevoer van water uit de kolommen er niet toe leidt dat lokaal, nabij de kolommen, de ligging van de freatische lijn sterk afwijkt van de ligging tussen de kolommen. Door het plaatsen van een zandscherm of kolommen ter hoogte van de buitenkruinlijn kan wel de ontwikkeling van de freatische lijn worden gevolgd, maar het aspect van de indringing van water vanuit het buitentalud wordt hier niet meegenomen. In [Zwanenburg & Van der Meer 2000] wordt hiervoor een alternatief aangegeven, waarbij in plaats van een zandscherm, op het buitentalud een frame wordt geplaatst dat aan de bovenzijde is afgesloten met een zware plaat. Door het frame onder de plaat te vullen met water ontstaat de mogelijkheid om het dijktalud onder water te zetten en de indringing van het water in het dijklichaam op een meer realistische wijze te simuleren. Het een en ander is geschetst in figuur 2.1.

5

CO-710107/37

Figuur 2.1

20-10-2000

Toepassing van een frame met afdekkende plaat ter verhoging van de freatische lijn

Een punt van aandacht bij dit alternatief is de fundatie van het frame. Voorkomen dient te worden dat het frame gaat hangen aan het dijklichaam. Hierdoor zou het frame op de vooroever moeten steunen of zou er een grondaanvulling onder het frame noodzakelijk zijn. Een andere mogelijkheid om aan de buitenzijde een hoge rivierwaterstand te creëren wordt gevormd door het plaatsen van een (dunne) zandlaag tegen het buitentalud welke wordt afgedekt door een waterdicht folie. Aan de buitenzijde van het folie zal voor de stabiliteit eveneens een grondaanvulling nodig zijn. De zandlaag, afgedekt door het folie, kan nu vergelijkbaar werken als het frame of de sleuf. Voor een goede voorbereiding van de proef is het van belang om ook de waterspanningen in de uitgangssituatie te kennen. In de eerder genoemde hoofd- en bijraai zijn daarom in het voorjaar van 2000 de in bijlage 2 aangegeven waterspanningsmeters en peilbuizen geplaatst waarmee het verloop van de waterspanningen onder dagelijkse omstandigheden wordt gemeten. Om een indruk te krijgen van het verloop over de diepte zijn op een aantal plaatsen meerdere meters boven elkaar geplaatst. Op basis van de meetresultaten van maart t/m juni 2000 [Van Duinen 2000] is voorlopig geconcludeerd dat de freatische lijn in het late voorjaar van 2001, wanneer met de verhoging van de freatische lijn zal worden gestart, naar verwachting hetzelfde verloop zal hebben als in april 2000, namelijk: -

gemiddelde buitenwaterstand op ongeveer NAP +1,00 m. t.p.v. de buitenkruinlijn op NAP +3,00 m. t.p.v. de binnenkruinlijn op NAP +2,00 m. t.p.v. de teen van de dijk op NAP –0,20 m. t.p.v. de sloot en verderop in het achterland op NAP –0,40 m.

Tussen bovengenoemde punten in wordt een lineair verloop aangenomen. Een afwijking in de orde van één derde meter (naar boven of naar beneden) wordt voor mogelijk gehouden. Het tussen de oude en de nieuwe dijk ontstane poldertje wordt slechts af en toe bemalen en is over het algemeen zeer drassig. Na verhoging van de freatische lijn met behulp van infiltratie via de zandsleuf wordt het volgende verloop verwacht: 6

gemiddelde buitenwaterstand op ongeveer NAP +1,00 m.

CO-710107/37

-

20-10-2000

t.p.v. de zandsleuf, op anderhalve meter vanaf buitenkruinlijn landinwaarts, op NAP +5,00 m. t.p.v. de binnenkruinlijn op NAP +3,90 m. t.p.v. de teen van de dijk op NAP –0,40 m. t.p.v. de sloot en verderop in het achterland op NAP –0,60 m.

Tussen bovengenoemde punten in wordt weer een lineair verloop aangenomen. Dit verloop van de freatische lijn is gebaseerd op [Salazar Rivera 2000a]. Op een aantal punten wijkt het genoemde verloop daar echter van af. In plaats van een lineair verloop tussen de zandsleuf en de teen van de dijk is een enigszins concave vorm van de freatische lijn te verwachten omdat de grondwaterstroming ten gevolge van de infiltratie in de zandsleuf waarschijnlijk nog niet in evenwicht is op het moment dat de bovenbelasting wordt aangebracht. Dit komt overigens overeen met de situatie tijdens hoogwater: de freatische lijn in een dijk stijgt over het algemeen nog als de top van de hoogwatergolf op de rivier al is gepasseerd. Overigens is in de berekeningen die aan [Salazar Rivera 2000a] ten grondslag liggen eveneens uitgegaan van een hogere ligging van de freatische lijn ter plaatse van de binnenkruinlijn dan volgens een lineair verloop van de freatische lijn tussen de ligging van deze lijn in de zandsleuf en ter plaatse van de teen van de dijk, dit in afwijking van wat gerapporteerd is. In deze berekeningen is namelijk een niveau van NAP +4,00 m gehanteerd voor de freatische lijn t.p.v. de binnenkruinlijn. Het verwachte verloop in het achterland, waarvoor eveneens een andere waarde is aangenomen dan gerapporteerd in [Salazar Rivera 2000a], hangt samen met de gewenste toegankelijkheid hiervan tijdens de uitvoering van de proef; daarvoor is enige drooglegging noodzakelijk. In [Salazar Rivera 2000a] is juist aangenomen dat de freatische lijn in het achterland stijgt tot maaiveldniveau, met hier en daar enkele plassen. Er is besloten om voor het verloop van de verhoogde freatische lijn eenzelfde afwijking voor mogelijk te houden als voor de freatische lijn voor verhoging, dus één derde meter naar boven of naar beneden.

2.2.4

Aanvullende bovenbelasting

In aanvulling op de verhoging van de freatische lijn dient een belasting op de kruin van de dijk te worden aangebracht om de maatgevende omstandigheden zo goed mogelijk te simuleren. Zoals genoemd bestaat de ontwerpbelasting uit een kruinbelasting van 13 kN/m 2 werkend over een breedte van 2,5 meter. Als er op de dijk een weg aanwezig is, werkt deze belasting over het algemeen het meest ongunstig indien deze wordt aangebracht op de rijstrook aan de binnenzijde van de dijk. Bij het Proefvak Actuele Sterkte is dit vrijwel direct naast de rand van de kruin. Op basis van de ervaring van de dijkbeheerder, het Hoogheemraadschap van de Krimpenerwaard, wordt vermoed dat het voor de proef beschikbare dijkvak betrekkelijk sterk is. In het verleden traden bij hoogwater namelijk geen opvallende vervormingen op bij dit deel van de Lekdijk, terwijl dat wel het geval was bij de aangrenzende dijkvakken. Het is daarom waarschijnlijk dat tijdens de proef bij een verhoging van de freatische lijn en het aanbrengen van een bovenbelasting overeenkomstig de ontwerpnormen slechts beperkte vervormingen op zullen treden – een spectaculair onderuit zakken van de dijk ligt dus niet voor de hand. Bezwijken van de dijk kan eventueel worden geforceerd door het aanbrengen van een grotere belasting op de kruin van de dijk. De belasting kan worden verhoogd door eerst de breedte waarover de belasting aanwezig is te verdubbelen en vervolgens door de grootte van de belasting per eenheid van oppervlakte te laten toenemen. De belasting zou bijvoorbeeld kunnen bestaan uit met zand 7

CO-710107/37

20-10-2000

gevulde stalen (afval)containers. Aanvankelijk kan één enkele rij worden geplaatst, vervolgens kan een tweede rij ernaast worden geplaatst en daarna kunnen er nog twee rijen bovenop worden geplaatst. Mocht dit dan nog wenselijk zijn, dan kan de belasting eventueel nog verder worden verhoogd door de containers te vullen met water. Overigens zal het bezwijken van de dijk niet ten koste van alles moeten worden geforceerd: als bezwijken pas bij een extreem hoge bovenbelasting optreedt, dan wijken de bezwijkomstandigheden zozeer af van de maatgevend geachte omstandigheden dat de proef niet meer reëel is: in de praktijk is er altijd een grens aan de op een dijk uitgeoefende belasting. Als deze belasting te sterk wordt overschreden verliest de proef zijn geloofwaardigheid. In bijlage 3 is de mogelijke positie van een bovenbelasting met een breedte van vijf meter aangegeven. In het gehanteerde dwarsprofiel is juist voldoende ruimte tussen het zandscherm en de rand van de weg, bij de binnenkruinlijn, om een dergelijke belasting aan te brengen.

2.2.5

Bodemopbouw

Ten behoeve van de twee meest recente dijkversterkingen in dit gebied is in het verleden op beperkte schaal door Grondmechanica Delft onderzoek verricht naar de bodemopbouw in dit gebied. Op basis hiervan zijn geotechnische lengteprofielen opgesteld ter plaatse van de kruin, in het achterland op 5 meter en op 20 meter vanaf de binnenteen van de dijk, en buitendijks [Grondmechanica Delft 1996]. De hieruit afgeleide bodemopbouw ter plaatse van Hm 84,5 is weergegeven in bijlage 3. Het verloop van het maaiveld is gebaseerd op het door het Hoogheemraadschap geleverde dwarsprofiel 32A [Van Duyvendijk 1997]. Tot op een diepte van NAP –6,00 m is de bodemopbouw volgens deze bronnen tot kort voor Hm 86 hetzelfde. Op grotere diepte zijn er wel enkele verschillen, maar deze zijn betrekkelijk klein. De ligging van de bodem buitendijks varieert wel vrij sterk. Volgens [Van Duyvendijk 1997] verloopt het buitentalud bij Hm 85 wat steiler. Een veel steiler verloop van het buitentalud onder water is aangegeven in een in voorjaar 1996 door Rijkswaterstaat uitgevoerde peiling, weergegeven in bijlage 4. In bijlage 5 is het bodemprofiel ter plaatse van Hm 85 weergegeven, rekening houdend met deze peiling. Het verschil met het profiel in bijlage 3 is aanzienlijk. Ter plaatse van de voorgestelde proeflocatie zijn nog nauwelijks proeven uitgevoerd ter bepaling van de geotechnische eigenschappen. Voorlopig moet daarom worden volstaan met eigenschappen welke zijn afgeleid uit boringen en celproeven uitgevoerd in de Krimpener- en Alblasserwaard. Als een eerste indicatie zijn deze goed te gebruiken, maar bedacht moet worden dat de eigenschappen lokaal toch in belangrijke mate kunnen afwijken van de eigenschappen volgens deze regionale proevenverzameling. Voor de meeste typen grondlagen is een onderscheid gemaakt tussen eigenschappen onder de dijk en naast de dijk. Daarnaast zijn er geulafzettingen van Tiel en van Gorkum aangetroffen. In tabel 2.1 zijn alle geotechnische eigenschappen welke vanuit de celproevenverzamelingen van de betreffende regio zijn te bepalen weergegeven, alsmede het aantal proeven dat is uitgevoerd. In verband met de belastinggeschiedenis is onderscheid gemaakt tussen grondlagen ‘onder’ en ‘naast’ de dijk.

8

CO-710107/37

20-10-2000

Laagtype

volumegewicht (kN/m3)

aantal correlatie wrijvingshoek phi (º) cohesie (kPa) proeven gemiddelde standaardafw. gemiddelde standaardafw. c-phi

Dijksmateriaal

18.5

54

6.85

2.69

23.61

3.15

-0.2

Gorkum geul

18

7

3.18

3.42

25.73

6.90

0

Gorkum licht naast

12

29

6.03

3.57

20.81

0.46

0

Gorkum licht onder

13.5

25

18.89

7.68

20.86

6.22

0

Gorkum zwaar naast

16

48

3.78

1.93

22.00

3.78

-0.4

Gorkum zwaar onder

16

25

16.48

3.62

17.28

0.55

-0.4

Hollandveen naast

10.4

42

4.02

2.78

26.84

4.57

0

Hollandveen onder

11

22

19.17

2.98

27.88

4.18

0

Tiel geul

19

13

8.4

4.91

23.27

5.26

0

Tiel naast

15

16

2.76

1.6

23.27

2.46

0

Tiel onder

15

26

5.6

4.16

23.12

1.66

0

Tabel 2.1

Geotechnische eigenschappen op basis van regionale celproevenverzamelingen

De standaardafwijkingen zijn volgens de lognormale verdeling, omdat toepassing van de gebruikelijke normale verdeling gemakkelijk tot fysisch onmogelijke negatieve waarden zou kunnen leiden (zie ook [CUR 1997]). Het was niet voor alle laagtypen mogelijk om de correlatiecoëfficiënt tussen de cohesie en de wrijvingshoek te bepalen. In die gevallen is aangenomen dat er geen correlatie is, hetgeen een enigszins conservatieve aanname is (zie [Delft Geotechnics 1994]).

2.3 Bepaling van de maatgevende (bezwijk)mechanismen 2.3.1

Inleiding

De macrostabiliteitsproef is bijzonder in die zin dat er bij dit project juist gestreefd wordt naar het optreden van een bepaald bezwijkmechanisme, namelijk een min of meer cirkelvormig binnenwaarts glijvlak, veroorzaakt door een verhoging van de freatische lijn en een betrekkelijk kortdurende belasting op de kruin van de dijk. ‘Falen’ treedt daardoor ondermeer juist op indien de dijk niet bezwijkt. Andere faalmechanismen zijn ondermeer bezwijken van de dijk op een ongewenste wijze en/of op het verkeerde moment. De mogelijke faalmechanismen kunnen op gestructureerde wijze kwalitatief worden bepaald middels een zogenaamde Failure Mode Effect Analysis (FMEA) voor de belangrijkste aspecten van de proef (voor de achtergrond van een FMEA wordt verwezen naar [CUR 1997]). Deze is weergegeven in tabel 2.2, waarin voor elk van de mogelijke ongewenste gebeurtenissen achtereenvolgens één of meerdere oorzaken, gevolgen en mogelijke tegenmaatregelen zijn aangegeven. Deze tegenmaatregelen kunnen bestaan uit maatregelen c.q. onderzoek vooraf en maatregelen tijdens de uitvoering van de proef zelf. In de tabel ligt de nadruk op de maatregelen welke vooraf genomen kunnen worden. Aan de maatregelen die tijdens de proef genomen kunnen worden welke geen rechtstreeks verband houden met de monitoring maar meer met bijvoorbeeld veiligheidsaspecten kan in een later stadium van het ontwerp van de proef meer aandacht worden besteed.

9

CO-710107/37

20-10-2000

Uit deze analyse komt onder meer naar voren dat het van groot belang is om een goed inzicht te hebben in de opbouw van de dijk en de ondergrond. Met name de aanwezigheid van lokaal sterke variaties in de bodemopbouw kunnen van grote invloed zijn op het verloop van de proef. In de vorige paragraaf is gesteld dat op basis van het tamelijk summiere grondonderzoek ter plaatse in het verleden aangenomen mag worden dat de grondopbouw op de beoogde locatie van de macrostabiliteitsproef in alle onderzochte dwarsdoorsneden ongeveer hetzelfde is. Uit het geotechnische profiel ([Grondmechanica Delft 1996]) blijkt echter ook dat de variabiliteit van de ondergrond op het gehele Proefvak Actuele Sterkte vrij groot is: op de boringen en sonderingen rondom de hoofdraai bij Hm 85 na vertoont vrijwel iedere boring en sondering die op dit dijkvak is uitgevoerd belangrijke verschillen met de naastgelegen boring of sondering. Het is daarom niet denkbeeldig dat de overeenkomsten tussen de boringen en sonderingen rondom de hoofdraai betrekkelijk toevallig zijn: het is niet denkbeeldig dat zich ook hier een restant van een stroomgeul bevindt of afwijkend (niet-kleiïg) materiaal dat in het verleden bij een dijkversterking gebruikt is. Met historisch onderzoek en aanvullend grondonderzoek kan hier meer duidelijkheid over komen. De proefopzet is dusdanig dat een afschuiflengte tot ruim 75 meter reëel is. In de praktijk zijn over het algemeen afschuiflengten van 50 tot 100 meter gevonden bij afschuivingen via een tamelijk diep (lager dan het maaiveldniveau van het achterland) en min of meer cirkelvormig glijvlak. Op een aantal bezwijkmechanismen kan met de thans beschikbare informatie al op meer kwantitatieve wijze worden ingegaan. Het gaat hier om de gebeurtenissen ‘Geen bezwijken’ (d.w.z. geen substantiële vervormingen), ‘Buitenwaarts bezwijken’, ‘Vroegtijdig bezwijken’, ‘Te laat bezwijken’ en ‘Glijvlak loopt door zandscherm’. Laatstgenoemde gebeurtenis kan worden geanalyseerd met het tweedimensionale eindige-elementenpakket PLAXIS. De andere bezwijkmechanismen kunnen worden geanalyseerd met behulp van het programma MProStab (zie [Delft Geotechnics 1994]). Met dit programma kan de kans van optreden van diverse cirkelvormige glijvlakken worden bepaald, rekening houdend met de onzekerheden in de waarden van de sterkteparameters van de diverse grondlagen en de onzekerheden ten aanzien van de waterspanningen. Het is eveneens mogelijk om hiermee de kans op bezwijken te bepalen met het gegeven dat een eerdere situatie door de constructie doorstaan is, hetgeen mogelijkheden biedt om tijdens de proef de uitvoering aan te passen op basis van meetdata en aanvullende berekeningen op basis van deze data (zie ook hoofdstuk 4). Bovendien kunnen randeffecten enigszins in rekening worden gebracht. De theoretische achtergrond van het programma is beschreven in [Calle 1990].

10

CO-710107/37

20-10-2000

GEBEURTENIS OORZAAK Geen bezwijken Dijk sterker dan gedacht

GEVOLG  Ander proefresultaat dan verwacht  Moeilijk uit te leggen verhaal voor buitenwereld

Buitenwaarts bezwijken

 

Buitenwaarts bezwijken maatgevend (door taludhelling, dijkopbouw en toegepaste belasting)



Vroegtijdig bezwijken

Dijk minder sterk dan verwacht





MAATREGEL  Extra bovenbelasting achter de hand houden  Vooraf onderzoek om onzekerheden te verkleinen  Vooraf goede communicatie indien dit volgens de betrouwbaarheidsanalyse en het nadere ontwerp relevant blijkt te zijn

Stremming rivier 2 Ander proefresultaat dan verwacht (daardoor verkeerd opgestelde meetapparatuur etc.) Moeilijk uit te leggen verhaal voor buitenwereld



Onvoldoende meetgegevens verzameld Moeilijk uit te leggen verhaal voor buitenwereld



 

 





 Tabel 2.2a

Vervormingen buitentalud en waterspanningen controleren tijdens proef Goede bepaling geometrie buitentalud Zorgvuldig plaatsing kruinbelasting; niet te dicht bij buitenkruinlijn Buitentalud verzwaren Vooraf goede communicatie dat dit kan gebeuren indien dit volgens het nadere ontwerp en de betrouwbaarheidsanalyse relevant blijkt Aandacht hiervoor bij ontwerp monitoringssysteem Vooraf onderzoek om onzekerheden te verkleinen Zorgvuldige evaluatie mede met het oog op betekenis voor veiligheidsniveau andere dijken Vooraf goede communicatie

Failure Mode Effect Analysis voor macrostabiliteitsproef, eerste gedeelte

2

Gezien de grootte van een mogelijke buitenwaartse afschuiving en de breedte en de diepte van de rivier ter plaatse zal de kans op een stremming voor het scheepvaartverkeer als gevolg van een buitenwaartse afschuiving verwaarloosbaar klein zijn. 11

CO-710107/37

20-10-2000

GEBEURTENIS Te laat bezwijken (nadat de proef eigenlijk beeindigd is)

OORZAAK Tijdsafhankelijke effecten (zoals voortgaande ontwikkeling van de freatische lijn, consolidatie en kruip)

GEVOLG  Metingen te vroeg gestopt  Slechte publiciteit

MAATREGEL Aandacht voor tijdsafhankelijke effecten bij ontwerp proef en opzet monitoringssysteem

Bewijken op grotere schaal dan verwacht

Bezwijkmechanismen onder beproevingsomstandigheden onvoldoende doorgrond



Zorgvuldig ontwerp met voldoende aandacht voor de mogelijke impact van de infiltratie van water in de dijk en het aanbrengen van een grote kruinbelasting

Glijvlak loopt door zandscherm

Schuifsterkte langs zandscherm is gering

Optreden oppervlakkige glijvlakken

  

Bovenbelasting kan niet worden aangebracht Geen toevoer van water naar zandscherm Tabel 2.2b

12

Steil talud Bovenbelasting te dicht bij kruinrand Slappelagenpakket sterker dan verwacht

Geen goede procedure aanbrengen bovenbelasting Storing pomp

Slachtoffers onder toeschouwers en/of uitvoerenden  Veiligheid nieuwe dijk in gevaar  Ander proefresultaat dan verwacht (daarom fout opgestelde meetapparatuur etc.) Proefresultaten minder goed bruikbaar / minder representatief

Minder relevante proefresultaten

Proef stopt vroegtijdig

Proef loopt vertraging op



Na verhoging freatische lijn en voor aanbrengen van bovenbelasting zandscherm vullen met cement of grout (maakt het overigens weer te sterk!)  Toepassen van zandkolommen, frame met plaat of zandaanvulling met folie in plaats van zandscherm  Aandacht aan schenken bij ontwerp proef  Uitgekiende locatie bovenbelasting  Talud verflauwen (twijfelachtige oplossing in verband met neveneffecten) Procedure tevoren oefenen

Voldoende, betrouwbare pompcapaciteit inzetten

Failure Mode Effect Analysis voor macrostabiliteitsproef, tweede gedeelte

CO-710107/37

20-10-2000

GEBEURTENIS OORZAAK Freatische lijn  Zeer lage reageert niet op doorlatendheid verhoogde kleikern potentiaal in  Lokaal veel hogere zandscherm doorlatendheid

Problemen met meetapparatuur



 Onvoldoende meetgegevens

    

Tabel 2.2c

2.3.2

GEVOLG  Onverwacht proefresultaat, proef minder representatief voor andere dijkvakken  Water stroomt lokaal weg; piping-achtige situatie en proefopzet mislukt  Water stroomt af langs buitentalud

MAATREGEL  Grondonderzoek gericht op het vaststellen van de opbouw van de dijk  Verkleining potentiaal in zandscherm tijdens proef op basis van monitoring  Aanpassen proef naar microinstabiliteitsproef (dient tevoren goed te zijn voorbereid)

Verlies van apparatuur door bezwijken van de dijk Storing in meetapparatuur

Geen of minder meetgegevens dan gewenst

Reserve-apparatuur gebruiken (deels meervoudig installeren, deels achter de hand houden)

Te weinig (werkende) meetapparatuur Meetapparatuur op verkeerde locaties Te lage meetfrequentie Onvoldoende onderzoek vooraf Proef te laat opgestart (zodat met de verwijdering van de proeflocatie al moet worden begonnen voordat de proef eigenlijk is afgelopen)

Optimale evaluatie proefresultaten niet mogelijk





Goed ontwerp monitoring-systeem, gekoppeld aan een goede planning van de gehele proef Meetfrequentie aanpassen aan verloop van de proef (evenwicht zoeken tussen zo kort mogelijk voor bezwijken nog meten en lastig verwerkbare brij aan stationaire meetdata)

Failure Mode Effect Analysis voor macrostabiliteitsproef, derde en laatste gedeelte

Invloed zandscherm op bezwijkvlak

In [Salazar Rivera 2000b] is op het bezwijkmechanisme ‘Glijvlak loopt door zandscherm’ nader ingegaan. Met behulp van het twee-dimensionale eindige-elementenprogramma Plaxis is op deterministische wijze geconstateerd dat het zandscherm niet veel invloed heeft op de vorm van het bezwijkvlak en dat bezwijken inderdaad optreedt langs een min of meer cirkelvormig glijvlak.

13

CO-710107/37

2.3.3

20-10-2000

Binnenwaarts bezwijken

Met behulp van MProStab is voor een aantal situaties bepaald wat de kans is dat de gewenste bezwijkvorm (binnenwaarts bezwijken) optreedt, waarbij voor de statistische spreiding van de materiaalparameters is uitgegaan van een horizontale correlatieschaal van 50 meter, een verticale correlatieschaal van 0,5 meter en een waarde van =0,75 voor de verhouding van de variantie van de spreiding van de materiaalparameters binnen een enkele verticaal en de variantie van de spreiding van alle metingen ten opzichte van het gemiddelde over het gehele meetgebied. De waarden voor de correlatieschalen zijn betrekkelijk klein, gezien de in het Technisch Rapport Waterkerende Grondconstructies [DWW 2000] aangegeven waarden. Deze vrij kleine waarden zijn gekozen vanuit de wetenschap dat in het verleden in het betreffende dijkvak een vrij grote mate van heterogeniteit is aangetroffen (zie [Grondmechanica Delft 1996]). De waarde voor komt overeen met de waarde gebruikt in de TAW-Leidraad voor het ontwerpen van rivierdijken ([TAW 1989]). Deze waarde wordt ook in het Technisch Rapport Waterkerende Grondconstructies [DWW 2000] een verstandige keuze genoemd. Voor de consolidatie van de ondergrond ten gevolge van de kruinbelasting is uitgegaan van een aanpassingspercentage van 10 (d.w.z. 10% van de wateroverspanningen is gedissipeerd), met waarden van 1 tot 19% binnen een waarschijnlijkheidsinterval van 95%. Op basis van ervaringen bij dijkversterkingen elders in het benedenrivierengebied zijn dit aannemelijke waarden. In tabel 2.2 staan de resultaten vermeld voor acht verschillende belastingssituaties; achtereenvolgens de situatie bij aanvang van de proef met een lage freatische lijn en zonder bovenbelasting; de situatie met alleen een verhoogde freatische lijn; de situatie die min of meer overeenkomt met de vigerende ontwerpnormen; en een vijftal situaties met een verhoogde freatische lijn, een kruinbelasting over een breedte van vijf meter vanaf de binnenkruinlijn en verschillende belastingniveaus. Voor elke situatie is vermeld wat de veiligheidsfactor voor bezwijken is, uitgaande van de gemiddelde waarden van de ingevoerde parameters. Bij de vermelde bezwijkkans moet worden bedacht dat dit betrekking heeft op de kans op binnenwaarts bezwijken in relatie tot de kans dat het faalmechanisme ‘Geen vervormingen’ optreedt. Deze analyse levert verder een indicatie van de kans dat het faalmechanisme ‘Vroegtijdig bezwijken’ oplevert, bijvoorbeeld bezwijken wanneer er nog geen bovenbelasting is aangebracht. De andere faalmechanismen, zoals bijvoorbeeld buitenwaarts bezwijken, zijn hier niet bij betrokken. Uit de tabel blijkt dat de kans op bezwijken in de huidige situatie (dus bij een lage freatische lijn) volgens het rekenmodel erg klein is. Dit is ook logisch, daar deze dijk in het verleden immers al grotere belastingen heeft doorstaan. Bij verhoging van de freatische lijn neemt de bezwijkkans met ruim een factor 10 toe. Het gegeven dat de situatie met een lage freatische lijn is doorstaan blijkt hierop niet van invloed. Aanbrengen van de ontwerpbelasting leidt tot een kans van 19% dat het gewenste bezwijkmechanisme optreedt. Om er vertrouwen in te hebben dat de proef slaagt is dit een betrekkelijk kleine kans. Vanuit het oogpunt van de veiligheid van deze voormalige waterkering is dit echter een zeer grote kans! Dit wordt deels veroorzaakt door de hoge ligging van de freatische lijn in het achterland, waardoor de effectieve spanningen in het passieve deel van het glijvlak beduidend lager zijn dan vroeger. Overigens geldt ook hier weer dat de kennis dat een voorgaande (zij het veel lagere) belastingssituatie is doorstaan niet leidt tot een lagere bezwijkkans. Een typische bezwijkcirkel is weergegeven in bijlage 6, voor de situatie met een verhoogde freatische lijn en een bovenbelasting van 13 kN/m2 over een breedte van 2,5 meter. De glijcirkel doorsnijdt alleen de kleiafzettingen van Tiel en de dijk zelf.

14

CO-710107/37

20-10-2000

veiligheids- bezwijk-

belastingsituatie freatische lijn laag

kruinbelasting breedte (m) grootte (kN/m2) -

-

bezwijkkans indien situatie

bijdrage in onzekerheid (%) ruimt. spr. ligging

factor

kans

ervoor is doorstaan

cohesie

freatische lijn

1,61

0,0024

-

33

54

hoog

-

-

1,33

0,027

0,027

40

50

hoog

2,5

13

1,20

0,19

0,19

45

44

hoog

5

13

1,122

0,40

-

52

37

20

1,031

0,68

0,49

59

30

30

0,923

0,894

0,61

73

18

40

0,835

0,971

0,84

83

10

50

0,789

0,9912

0,80

84

8

Tabel 2.2

Resultaten analyse met MProStab voor binnenwaarts bezwijken

Bij een verdere vergroting van de kruinbelasting neemt de bezwijkkans verder toe. Bij een kruinbelasting van 40 kN/m2 of meer over een breedte van 5 meter is bezwijken zo goed als zeker. Voor deze situaties geldt wèl dat het gegeven dat een wat lagere belasting is doorstaan leidt tot een kleinere bezwijkkans. Tot de resultaten van MProStab behoort onder meer een overzicht van de bijdrage van de verschillende stochastische parameters in de onzekerheid van het berekende resultaat. Indien van alle parameters de exacte waarde zou kunnen worden ingevoerd zou bezwijken immers alleen optreden indien de veiligheidsfactor kleiner dan 1 wordt, ervan uitgaande dat het rekenmodel volkomen juist is. In de laatste twee kolommen van tabel 2.2 zijn voor elke situatie de bijdragen vermeld van de twee belangrijkste factoren die aan de onzekerheid bijdragen, namelijk de ruimtelijke spreiding van de cohesie en de ligging van de freatische lijn. Deze factoren samen dragen voor 87 tot 93% bij aan de onzekerheid. Factoren die in mindere mate bijdragen zijn de schatting van de gemiddelde waarde van de cohesie (3 tot 5%) en de ruimtelijke spreiding in de hoek van inwendige wrijving (2 tot 9%). De invloed van de schatting van de gemiddelde waarde van de hoek van inwendige wrijving en de onzekerheid ten aanzien van de consolidatiegraad dragen elk voor hooguit 1% bij. Hieruit kan worden geconcludeerd dat gericht grondonderzoek naar de (variatie van de) cohesie van het dijksmateriaal en de kleiafzettingen van Tiel van groot belang is om vooraf de onzekerheid ten aanzien van deze proef te kunnnen verkleinen. Verder blijkt dat het goed meten van de freatische lijn tijdens de proef eveneens van groot belang is. Voor de eerste drie situaties uit tabel 2.2 is nagegaan hoe groot de invloed van de horizontale en verticale correlatieschalen is. Hierover is immers geen specifieke informatie bekend, behalve dat de locatie betrekkelijk heterogeen is. In tabel 2.3 zijn bezwijkkansen aangegeven een viertal andere combinaties van deze correlatieschalen (50 meter horizontaal en 0,5 meter verticaal is in de andere berekeningen toegepast): het blijkt dat de bezwijkkansen in beperkte mate variëren indien sterk uiteenlopende waarden voor deze schalen zoals vermeld in [Delft Geotechnics 1994] en [DWW 2000] worden toegepast.

15

CO-710107/37

20-10-2000

freatische verkeerslijn

bezwijkkans bij een correlatieschaal van ...

belasting

30 m horizontaal

100 m horizontaal 50 m horizontaal 0,3 m verticaal 0,5 m verticaal 1,0 m verticaal 0,5 m verticaal

aanwezig?

0,5 m verticaal

laag

nee

0,0035

0,0017

0,0024

0,0062

0,0015

hoog

nee

0,037

0,019

0,027

0,037

0,019

hoog

ja

0,24

0,14

0,19

0,21

0,14

Tabel 2.3 Invloed horizontale en verticale correlatieschalen op resultaten MProStab voor binnenwaarts bezwijken Het programma MProStab bevat in aanvulling op de gebruikelijke twee-dimensionale analyse een tamelijk conservatief model voor het in rekening brengen van de invloed van de beide uiteinden van het afschuivende grondlichaam, zoals beschreven in [Calle 1990]. Zoals daarin betoogd leidt de toepassing van dit model tot een ondergrens van de kans op bezwijken. Anderzijds leidt het negeren van deze invloed, zoals gebruikelijk is in twee-dimensionale analyses, feitelijk tot een bovengrens van de bezwijkkans. In tabel 2.4 zijn resultaten met dit model vermeld voor dezelfde situaties als in tabel 2.2. Met name voor de lagere belastingniveau’s wordt een aanzienlijk kleinere bezwijkkans gevonden.

veiligheidsfactor bezwijkkans

belastingsituatie freatische lijn

bezwijkkans indien situatie

kruinbelasting breedte (m) grootte (kN/m2)

ervoor is doorstaan

laag

-

-

1,61

0,0000035

-

hoog

-

-

1,33

0,00061

0,00061

hoog

2,5

13

1,20

0,035

0,035

hoog

5

13

1,122

0,11

-

20

1,031

0,35

0,29

30

0,923

0,73

0,44

40

0,835

0,926

0,76

50

0,789

0,975

0,77

Tabel 2.4 Resultaten analyse met MProStab voor binnenwaarts bezwijken rekening houdend met randinvloeden In theorie zou de invloed van de randen ook met een driedimensionale eindige-elementenanalyse (bijvoorbeeld met behulp van de nieuwe 3D-versie van Plaxis) kunnen worden bepaald. Voor een zinvolle analyse is echter een dermate omvangrijk elementennet noodzakelijk dat de resulterende eisen aan de rekenapparatuur een dergelijke analyse onhaalbaar maken. Geconcludeerd kan worden dat bezwijken waarschijnlijk pas op zal treden bij een belasting welke groter is dan de voor ontwerp en toetsing maatgevende (verkeers)belasting. Aangetoond is dat de onzekerheid over wanneer bezwijken optreedt verder in belangrijke mate zal kunnen worden verkleind door gericht grondonderzoek.

16

CO-710107/37

2.3.4

20-10-2000

Te laat bezwijken

Ten aanzien van de waarschijnlijkheid van het faalmechanisme ‘Te laat bezwijken’ kan een voorzichtige schatting worden gemaakt door een verhoging van de consolidatiegraad ten gevolge van de aangebrachte kruinbelasting. Verhoging van het aanpassingspercentage tot 30, met waarden van 15 tot 45% binnen een waarschijnlijkheidsinterval van 95% leidt bij een belasting van 13 kN/m2 over een breedte van 2,5 meter tot een verlaging van de bezwijkkans van 19% tot 12%. Bij een belasting van 30 kN/m2 over een breedte van 5 meter leidt tot een verlaging van de bezwijkkans van 89% tot 79%. Het faalmechanisme ‘Te laat bezwijken’ zal dus niet optreden ten gevolge van consolidatie alleen, hetgeen logisch is, daar stabiliteitsbedreigende wateroverspanningen door consolidatie alleen maar afnemen in de loop van de tijd. Tijdsafhankelijke effecten als een verdere ontwikkeling van de freatische lijn en kruip zijn hierbij dus niet meegenomen.

2.3.5

Buitenwaarts bezwijken

Voor het faalmechanisme ‘Buitenwaarts bezwijken’ zijn zowel het profiel van het buitentalud zoals gegeven in [Van Duyvendijk 1997] als het profiel zoals dat uit bijlage 4 volgt beschouwd. De berekeningsresultaten voor het eerste geval staan vermeld in tabel 2.5. Opvallend is dat het aanbrengen van de ontwerpbelasting nauwelijks invloed heeft: de bezwijkkans is vrijwel gelijk aan de situatie met alleen een verhoogde freatische lijn. Het optredende glijvlak bij de ontwerpbelasting is weergegeven in bijlage 7. In vergelijking met binnenwaarts afschuiven valt het op dat bij een verhoogde freatische lijn alléén er een grotere kans is dat buitenwaarts afschuiven optreedt dan dat binnenwaarts afschuiven optreedt, en ook bij toepassing van diverse kruinbelastingen blijft er een aanzienlijke kans aanwezig dat afschuiven van het buitentalud optreedt. Overigens blijkt dit ook uit de in [Salazar Rivera 2000b] gepresenteerde Plaxis-berekeningen.

veiligheids- bezwijkkans

belastingsituatie freatische lijn laag

kruinbelasting breedte (m) grootte (kN/m2) -

-

factor 1,60

bezwijkkans indien situatie

0,00077

bijdrage in onzekerheid (%) ruimt. spr. ligging

ervoor is doorstaan

cohesie

freatische lijn

-

49

41

hoog

-

-

1,321

0,16

0,16

59

35

hoog

2,5

13

1,320

0,16

0,068

59

35

hoog

5

13

1,20

0,35

-

63

31

30

1,037

0,68

0,51

76

17

50

0,883

0,90

0,70

85

8

Tabel 2.5 Resultaten analyse met MProStab voor buitenwaarts bezwijken uitgaande van dwarsprofiel buitentalud volgens [Van Duyvendijk 1997] Voor het tweede geval zijn de resultaten vermeld in tabel 2.6. Omdat het buitentalud in dit geval aanzienlijk steiler verloopt (zie ook bijlage 8) worden aanmerkelijk grotere bezwijkkansen gevonden. Met uitzondering van de situatie met de grootste kruinbelasting geldt dat de kans op buitenwaarts bezwijken ook steeds groter is dan de kans op binnenwaarts bezwijken bij dezelfde belastingsituatie.

17

CO-710107/37

20-10-2000

Hierbij moet wel worden aangetekend dat bijvoorbeeld de zware steenbekleding op het buitentalud niet is meegemodelleerd, hetgeen tot een overschatting van de faalkans leidt.

veiligheids- bezwijkkans

belastingsituatie freatische lijn laag

kruinbelasting breedte (m) grootte (kN/m2) -

-

factor 1,27

bezwijkkans indien situatie

0,077

bijdrage in onzekerheid (%) ruimt. spr. ligging

ervoor is doorstaan

cohesie

freatische lijn

-

49

36

hoog

-

-

1,081

0,59

0,55

65

24

hoog

2,5

13

1,068

0,62

0,22

65

23

hoog

5

13

1,010

0,75

-

70

19

30

0,900

0,924

0,76

79

11

50

0,794

0,985

0,86

85

6

Tabel 2.6 Resultaten analyse met MProStab voor buitenwaarts bezwijken uitgaande van dwarsprofiel buitentalud volgens bijlage 4. Hieruit volgt ten eerste dat het van groot belang is om het werkelijke verloop van het buitentalud (inclusief de vooroever) te bepalen. De huidige onzekerheid ten aanzien van dit punt is bijzonder groot. Ten tweede blijkt uit deze betrouwbaarheidsanalyse dat er een reëele kans is dat niet een binnenwaarts glijvlak optreedt, maar een buitenwaarts glijvlak. Hier dient bij het ontwerp en de uitvoering van de proef terdege rekening mee gehouden te worden.

2.4 Bepaal welke vragen door monitoring dienen te worden beantwoord Een overzicht van de vragen welke door monitoring dienen te worden beantwoord is noodzakelijk om tot een zinvol monitoringsprogramma te komen. Bij monitoring zonder helder omschreven doel(en) is er een gerede kans op verspilling van tijd en middelen. De te beantwoorden vragen zijn over het algemeen af te leiden uit de bepaling van de maatgevende mechanismen zoals in de vorige paragraaf beschreven is. Het monitoringsprogramma hoeft daarbij overigens niet beperkt te worden tot de bij de betrouwbaarheidsanalyse geïdentificeerde mechanismen zelf, het kan ook gebruikt worden om te bepalen in welke mate de aannamen en vereenvoudigingen die bij deze analyse en doorgaans ook in de ontwerpmodellen zijn gemaakt te rechtvaardigen zijn. De monitoring van de macrostabiliteitsproef dient primair om te kunnen bepalen welk bezwijkmechanisme optreedt. Daarbij moet gedurende de proef uit de monitoring blijken of de (eventueel aangepaste) uitvoeringswijze er toe zal leiden dat uiteindelijk het gewenste bezwijkmechanisme optreedt: zo zou bijvoorbeeld de kruinbelasting anders geplaatst kunnen worden om een eventueel dreigend optreden van buitenwaarts bezwijken of te oppervlakkige glijvlakken te voorkomen. Naar aanleiding van de in de vorige paragraaf geidentificeerde voor de proef maatgevende bezwijkmechanismen kunnen de volgende vragen worden geformuleerd: Op procesniveau:

18

CO-710107/37

20-10-2000

1. Wat is de ligging van de freatische lijn in en naast de dijk in de loop van de tijd? 2. Werkt het infiltratiesysteem naar behoren? 3. Ontstaat er een homogeen grondwaterstromingsbeeld in de 75 meter dijklengte waarop de proef primair wordt uitgevoerd, of wordt dit beeld verstoord door lokaal aanwezige stroombanen? 4. Hoe verlopen de waterspanningen in en naast de dijk ter plaatse van potentiële schuifvlakken? 5. Hoe verloopt de belasting op de kruin in de loop van de tijd ? 6. Welke vervormingen treden op in en naast de dijk? 7. Welke vorm heeft het schuifvlak? 8. Wordt het schuifvlak beïnvloed door de zandsleuf? 9. Welke omvang heeft het schuifvlak? Op gevolgniveau: 10. Komt de veiligheid van omstanders in gevaar? 11. Komt de stabiliteit van de nieuwe dijk in gevaar? De volgorde van de vragen dient uitsluitend om vergelijkbare vragen op elkaar te laten volgen; er is nadrukkelijk geen sprake van enige prioriteitstelling. Uiteindelijk zal elk meetinstrument dat wordt geselecteerd en geplaatst moeten dienen ter beantwoording van één of meer specifieke vragen. Als er geen enkele vraag is waarbij een bepaald instrument een significant aandeel kan leveren in de beantwoording, dan moet dat instrument worden weggelaten. Anderzijds geldt dat wanneer één enkel meetinstrument een zo belangrijke plaats inneemt binnen het hele monitoringsprogramma dat bij uitval van dit instrument geen antwoord kan worden verkregen op één of meer vragen, het verstandig is meerdere instrumenten aan te brengen met hetzelfde doel. Door onderlinge vergelijking van de meetwaarden kan dan ook het vertrouwen in de juistheid van de metingen toenemen. Voorts dient er op te worden gelet dat op alle relevante vragen een antwoord kan worden verkregen. Hoewel incomplete gegevens zinvoller zijn dan helemaal geen gegevens kunnen hiermee hooguit incomplete resultaten worden verkregen. Tenslotte geldt dat de algemene kennis met betrekking tot een bepaald bezwijkmechanisme soms in belangrijke mate kan toenemen indien de monitoring in geringe mate wordt uitgebreid. Dit geldt met name bij grootschalige praktijkproeven zoals de macrostabiliteitsproef. Er moet daarbij wel voor worden gewaakt dat de omvang van het monitoringsprogramma niet uit de hand loopt vanwege onvoldoende onderscheid tussen datgene wat noodzakelijkerwijs gemeten moet worden en datgene wat uit het oogpunt van onderzoek slechts interessant is om te weten.

2.5 Opzet/keuze van een model voor de verwerking van meetgegevens Voordat nader kan worden ingegaan op de te monitoren parameters, dient eerst duidelijk te zijn of eventuele meetgegevens verwerkt kunnen worden. Zonder verwerking van meetgegevens is er immers geen sprake van monitoring. De meetgegevens hoeven niet per sé in een rekenmodel verwerkt te worden: interpretatie door een deskundige, indien nodig gevolgd door (wijziging van) actie is immers ook verwerking. Elk monitoringssysteem zal deels gericht zijn op het tijdig waarnemen van ongewenste bezwijkmechanismen – als die niet optreden betekent dat natuurlijk niet dat het

19

CO-710107/37

20-10-2000

monitoringssysteem voor een gedeelte overbodig was: zoiets kan immers alleen achteraf worden geconcludeerd. De gemaakte betrouwbaarheidsanalyse kan in de loop der tijd zijn geldigheid verliezen. Dit kan het gevolg zijn van: -

-

aanpassingen aan het te beproeven dijkvak vóór aanvang van de proef. Dit kan onder meer gebeuren op basis van het detailontwerp van de proef of op basis van de in paragraaf 2.3 gegeven betrouwbaarheidsanalyse (bijvoorbeeld verzwaren van het buitentalud). wijzigingen in de uitvoeringswijze van de proef, zowel vóór aanvang van de proef als tijdens de proef zelf. Zo zou bijvoorbeeld de zandsleuf vervangen kunnen worden door een afdekkende plaat op het buitentalud (zie paragraaf 2.2) of kan tijdens de proef op basis van de meetgegevens tot een gewijzigde uitvoering worden besloten.

De eerder gemaakte betrouwbaarheidsanalyse dient dan opnieuw getoetst te worden. De frequentie waarmee dat dient te gebeuren is onder meer afhankelijk van de waarschijnlijkheid dat er relevante veranderingen op zullen treden in de uitkomsten van deze analyse waardoor een aanpassing van de monitoring wenselijk wordt (dit zal dus op basis van de metingen moeten worden bepaald), en van de mogelijkheden om een dergelijke aanpassing tijdig uit te voeren. Verder kan uit de monitoring blijken dat een zeker ondergeschikt geacht mechanisme, waar de monitoring ook niet primair op gericht is, toch optreedt. Ook kan blijken dat de bij het ontwerp en de betrouwbaarheidsanalyse gemaakte aannamen en vereenvoudigingen onjuist zijn. Zoals al eerder is aangegeven is voor het mechanisme macrostabiliteit in het verleden al een programma ontwikkeld waarmee meetwaarden kunnen worden verwerkt, nl. MProStab. Dit kan ook tijdens de proef worden gebruikt om beslissingen te nemen over het verdere verloop van de proef. Zo kan bijvoorbeeld op basis van waterspanningsmetingen de ligging van het freatisch vlak en de consolidatiegraad worden aangepast. Voor de verwerking van meetgegevens achteraf geldt verder dat een uitgebreide evaluatie voor de op het Proefvak Actuele Sterkte uit te voeren proeven is voorzien. Zo zal waarschijnlijk ook onder meer met Plaxis worden getracht om het verloop van de proef terug te rekenen. Een uitgebreide voorbeschouwing van deze evaluatiefase valt echter buiten dit project (zie ook hoofdstuk 5). In figuur 2.2 is aangegeven hoe de verschillende informatiestromen lopen bij de macrostabiliteitsproef. Hierbij is nadrukkelijk onderscheid gemaakt tussen de gehanteerde modellen en de observaties van de werkelijkheid. De a priori beschikbare kennis (linksboven) levert de modelparameters (met enige onzekerheid) en kan gebruikt worden voor een betrouwbaarheidsanalyse, waarbij gebruik gemaakt kan worden van procesbeschrijvende modellen. Hiervoor dienen de modelparameters als invoer. Middels observatie van de werkelijkheid, waarbij bepaalde parameters worden gemeten in het Proefvak Actuele Sterkte, is de onzekerheid in de modelparameters te verkleinen. Met behulp van het procesbeschrijvend (reken)model kan met deze parameters worden bepaald wat er mogelijk kan gebeuren. Uit deze analyse komen kennisleemten naar voren, welke zowel leiden tot een verbetering van het procesbeschrijvend model als een aanpassing van de instrumentatie (die overigens beperkt is door de meetmogelijkheden). Met nieuwe observaties van de werkelijkheid kan het al dan niet verbeterde procesmodel weer worden toegepast. Tijdens de 20

CO-710107/37

20-10-2000

uitvoerings- en evaluatiefase kan voorts de werkelijkheid met het model worden vergeleken, waaruit dan weer een verbetering van het model volgt, hetgeen ook het onderliggende doel was van de macrostabiliteitsproef. Zoals aangegeven in de figuur stopt dit proces zodra daar aanleiding voor is.

21

CO-710107/37

20-10-2000

A priori kennis - algemene grondmechanische kennis - kennis over stabiliteit van dijken - gegevens Proefvak Actuele Sterkte: - geometrie - bodemopbouw - grondeigenschappen - waterspanningsgegevens - geplande uitvoeringswijze proef - ...

Modelparameters (met onzekerheid) - geometrie - bodemopbouw - ligging freatische lijn - grondeigenschappen (bijv. c en ) - belasting op de dijk - consolidatiegraad - ruimtelijke spreiding grondeigenschappen - ...

Analyse mogelijke faalmechanismen en effecten van falen - bepalen maatgevende mechanismen

Procesbeschrijvend model rekenmodel macrostabiliteit - probabilistisch met cirkelvormige glijvlakken (MProStab) - deterministisch met eindigeelementen (Plaxis)

Kennisleemten - onderdelen met relatief grote bijdrage aan onzekerheid

Prestaties (kans op) wel of niet falen volgens een bepaald mechanisme - binnenwaarts afschuiven - buitenwaarts afschuiven - overig

Verbetering model

Beslissing: stoppen of doorgaan? Afhankelijk van resultaten, onzekerheden daarin, beschikbare tijd en budget en bereikte veiligheidsniveau

Observatiemodel: Proefvak Actuele Sterkte te bepalen grootheden tijdens vooronderzoek - geometrie - bodemopbouw - grondeigenschappen - waterdrukken

Vergelijking werkelijkheid model

Observatievariabelen (metingen) meetparameters in vooronderzoek - hoogte dijk, voor- en achterland - boringen en sonderingen - overige veld- en labproeven - meten van waterspanningen

Observatiemodel: Proefvak Actuele Sterkte te bepalen grootheden tijdens uitvoering proef - belasting - waterdrukken - vervormingen

Meetinstrumenten Type, aantal, positie, meetfrequentie (eventueel bijstelling)

Observatievariabelen (metingen) meetparameters in uitvoeringsfase - plaats en grootte kruinbelasting - meten van waterspanningen - meten verplaatsingen of posities

Observatiemodel: Proefvak Actuele Sterkte te bepalen grootheden tijdens evaluatiefase - vorm van afgeschoven grondlichaam - grondeigenschappen langs glijvlak (verknede eigenschappen / reststerkte)

Meetmogelijkheden - methoden - observeerb. parameters - meetnauwkeurigheid - kosten

Observatievariabelen (metingen) meetparameters in evaluatiefase - visuele inspectie, aangevuld met hoogtemetingen - veld- en laboratoriumproeven

Figuur 2.2

22

Engineering judgment Interpretatie waarnemingen op basis van kennis en ervaring

Schema van informatiestromen bij de monitoring van de macrostabiliteitsproef

CO-710107/37

20-10-2000

3 Ontwerpfase: systematische opzet monitoringssysteem 3.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt het monitoringssysteem op systematische wijze opgezet. Uitgaande van de betrouwbaarheidsanalyse, de voor de monitoring relevante vragen en de mogelijkheden voor de verwerking van meetgegevens zoals die in het voorgaande hoofdstuk zijn weergegeven kan dit op een tamelijk rechtlijnige wijze gebeuren. Hierbij wordt een aanpak gehanteerd welke vergelijkbaar is met die in [Dunnicliff 1999] en [Matthews 2000], waarbij moet worden bedacht dat deze referenties met name ingaan op de instrumentatie-aspecten van monitoring.

3.2 Bepaal de te monitoren parameters Voor het beantwoorden van de eerste vier in § 2.4 genoemde vragen zijn waterspanningsmetingen noodzakelijk, aangevuld met visuele inspecties (bijvoorbeeld om te bepalen of er water uit het talud uittreedt). Voor de beantwoording van de vijfde vraag (ontwikkeling van de belasting) dient te worden bijgehouden welke belasting waar wordt geplaatst. Hierbij moet ook rekening worden gehouden met bijvoorbeeld de invloed van eventuele regenval (bij het ontwerp van de proef moet aan dit aspect al aandacht worden besteed). De volgende vier vragen hebben betrekking op de vervormingen. Vervormingen aan de oppervlakte kunnen worden bepaald door (absolute) posities te meten en daaruit de verschillen met voorgaande metingen te bepalen (zie bijvoorbeeld [Allersma 1999]. Voor het bepalen van verplaatsingen in de ondergrond is het veelal het eenvoudigst om hellingmetingen uit te voeren, waar de vervormingen vervolgens uit kunnen worden afgeleid. Een meer indirecte wijze om plastische vervormingen in de ondergrond te bepalen is het meten van waterspanningen in het schuifvlak, zoals ondermeer aangegeven in [Koelewijn 2000c]. Of er een relatie kan worden gelegd tussen waterspanningsveranderingen en vervormingen zal moeten blijken uit een onderlinge vergelijking van de meetresultaten. Of de veiligheid van omstanders en/of de stabiliteit van de nieuwe dijk in gevaar komen (vraag 10 en vraag 11), is afhankelijk van de wijze waarop de proef wordt uitgevoerd, waar de personen zich bevinden (bijvoorbeeld: niet onder een kraan waarmee de belasting wordt aangebracht) en de optredende vervormingen. Tevoren kan worden bepaald binnen welke grenzen vervormingen (en waterspanningsveranderingen) mogen optreden zonder dat er voor de nieuwe dijk of delen van het Proefvak Actuele Sterkte gevaar optreedt. Te monitoren parameters voor deze laatste twee vragen in aanvulling op de al genoemde parameters liggen in de sfeer van visuele inspecties en het gebruik van gezond verstand.

23

CO-710107/37

20-10-2000

3.3 Bepaal orde van grootte van veranderingen Voor de waterspanningen kunnen de meetwaarden variëren tussen 0 kPa (absoluut) en de maximale verticale gronddruk (inclusief atmosferische druk en bovenbelasting) ter plaatse van de waterspanningsmeters. Uit de betrouwbaarheidsanalyse is naar voren gekomen dat eventuele bezwijkvlakken binnenwaarts waarschijnlijk niet dieper zullen liggen dan ongeveer zeven meter onder de kruin van de dijk en buitenwaarts niet dieper dan ongeveer negen meter onder het niveau van de kruin van de dijk (zie bijlagen 5, 7 en 8). Uitgaande van een meter marge (dat wil zeggen: waterspanningsmeters worden maximaal 1 meter onder het te verwachten glijvlak geplaatst), de volumegewichten in tabel 2.1, de bodemopbouw zoals aangegeven in bijlage 2 en spreiding van de kruinbelasting onder een hoek van 45 graden (zie ook [Verruijt 1999]) is een maximale (absolute) waterdruk van 175 kPa te verwachten. De gewenste meetnauwkeurigheid is 1 kPa (= 10 cm waterkolom), gelet op de nauwkeurigheid waarmee de resultaten verwerkt zullen worden en de vereisten voor de monitoring: veranderingen kleiner dan 1 kPa zijn onvoldoende significant om bijvoorbeeld te bepalen of een schuifvlak tot ontwikkeling komt in of nabij de betreffende waterspanningsmeter, verder wordt het (na)rekenen met een hogere nauwkeurigheid dan 1 kPa of 10 cm waterkolom voor de waterspanningen niet zinvol geacht, mede omdat de rekenmodellen als geheel geen hogere nauwkeurigheidsgraad bezitten. De vervormingen kunnen oplopen tot maximaal enkele meters. Voor het volgen van het tot stand komen van een bezwijkvlak (dus ook voor de monitoring) zijn vervormingen tot enkele decimeters het belangrijkst; bezwijken is dan in feite al opgetreden. Daarna zijn alleen de globale ontwikkeling van de verdere afschuiving en het uiteindelijke profiel dan nog van belang. Voordat het zover komt is het van belang om met name het begin van vervormen te detecteren. Daarbij zijn vooral plastische deformaties van belang, de elastische vervormingen zijn minder interessant (zie [Koelewijn 2000c]). Zodoende is de vereiste nauwkeurigheid in de orde van enkele millimeters (ten minste 0,5 cm).

3.4 Bedenk aanvullende maatregelen Indien de meetwaarden niet overeenkomen met het bij het ontwerp bepaalde ideaalbeeld kunnen aanvullende maatregelen wenselijk of zelfs noodzakelijk zijn. Op zich zijn deze aanvullende maatregelen, die voor een groot gedeelte al vooraf genomen of in elk geval voorbereid dienen te zijn, al genoemd in tabel 2.2. Een tweetal punten is echter van zo groot belang dat deze hier weer apart onder de aandacht worden gebracht: 

24

Op basis van de betrouwbaarheidsanalyse (§ 2.3) is het duidelijk dat allereerst zal moeten worden gekozen tussen a) een proef die met name gericht is op binnenwaarts bezwijken en waarbij alleen ten behoeve van de monitoring aan de buitenzijde gemeten wordt, en b) een proef waarbij aan zowel binnenwaarts als buitenwaarts bezwijken op gelijkwaardige, zinvolle wijze gemeten wordt ten behoeve van het onderzoek in het kader van het gedrag van waterkeringen. Het zal duidelijk zijn dat in het eerste geval indien buitenwaarts bezwijken op dreigt te treden, de instrumentatie van het buitentalud tijdens de proef alsnog uitgebreid zal moeten worden(!), of dat het buitentalud (verder) verzwaard zal moeten worden, eventueel in combinatie met een aanpassing van de plaats en grootte van de kruinbelasting en/of de mate waarin de freatische lijn in de dijk wordt verhoogd. In het geval van een proef ad. b) is er geen sprake van een calamiteit en zijn aanvullende maatregelen niet nodig.

CO-710107/37



20-10-2000

Ten tweede geldt dat bij voortzetting van de proef de uiteindelijke totaalbelasting nog enigszins moet overeenkomen met de ontwerpomstandigheden, anders verliest de proef teveel aan geloofwaardigheid en schiet de proef zijn doel voorbij. Hierbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan een zo extreme verzwaring van het buitentalud dat er bijna een ‘extra’ dijk ligt, en ook een bovenbelasting in de orde van 100 kN/m2 is te groot om geloofwaardig over te komen. Bijvoorbeeld het maatschappelijk draagvlak voor dijkversterkingen zou hierdoor teveel schade op kunnen lopen.

Als tijdens de proef wordt geconstateerd dat aanvullende maatregelen noodzakelijk zijn, dan dienen deze ook daadwerkelijk uitgevoerd kunnen worden. Snelle communicatie tussen diegenen die de meetwaarden registreren en diegenen die verantwoordelijk zijn voor het verloop van de proef is daarvoor noodzakelijk.

3.5 Bepaal locaties van de instrumenten In § 3.2 is geconstateerd dat drie verschillende typen parameters met behulp van instrumenten gemonitord dienen te worden, namelijk: 1. waterspanningsmetingen 2. positie(veranderings)metingen 3. hellingmetingen Het ligt voor de hand om deze metingen, voor zover het punt- of lijnmetingen betreft, niet willekeurig over het proefvak te spreiden, maar om deze in één of meer dwarsraaien te concentreren. De proef zal worden uitgevoerd over een lengte van 75 meter. Aangezien eerder afschuiflengten van 50 tot 100 meter zijn geconstateerd, is instrumentatie van alleen één dwarsraai in het midden van de proeflocatie in principe voldoende om een dwarsdoorsnede in een eventuele afschuiving te monitoren. Het is dan echter de vraag in hoeverre de meetwaarden representatief zijn voor de afschuiving als geheel. Het is daarom zinvol om ook aan weerszijden van een meetraai in het midden, enkele secundaire meetraaien in te richten, waarvan de meetwaarden kunnen dienen ter ondersteuning van de betrouwbaarheid van de metingen in de centrale meetraai en om te bepalen in hoeverre een homogeen belastings- en vervormingsbeeld aanwezig is in het proefvak van de macrostabiliteitsproef. Ook lokale instabiliteiten kunnen hiermee gemakkelijker worden gedetecteerd. De totale afschuiving is in kaart te brengen door van tevoren en na afloop van de proef het gehele gebied dat mogelijk door deze proef beïnvloed kan worden in te meten middels hoogtemetingen op een voldoende fijn raster. Naar aanleiding van de resultaten van de betrouwbaarheidsanalyse is ervoor gekozen om zowel binnenwaarts als buitenwaarts bezwijken te monitoren: de kans van optreden van beide bezwijkmechanismen is qua orde van grootte immers ongeveer hetzelfde. Als de monitoring zich op slechts één van beide mechanismen zou richten is de kans dat de proef feitelijk mislukt doordat er onvoldoende relevante metingen kunnen worden verricht indien de dijk ‘aan de verkeerde kant’ bezwijkt daardoor naar verhouding erg groot. Uit oogpunt van te verwachten kosteneffectiviteit is het daarom beter om de instrumentatie af te stemmen op beide mogelijke bezwijkvormen.

25

CO-710107/37

20-10-2000

In bijlage 9 is globaal aangegeven waar in de centrale meetraai waterspanningsmeters geplaatst dienen te worden (in de volgende paragraaf zal per instrument zo nauwkeurig mogelijk worden aangegeven waar precies en vooral waaròm elk instrument moet worden aangebracht). In twee secundaire meetraaien, elk op 20 à 25 meter uit het midden (dus op 17,5 à 12,5 meter van de rand van het gebied waar getracht zal worden om een homogene belasting aan te brengen) dienen, ter aanvulling, de in bijlage 9 bij B3, D1, E2 en F3 aangegeven meters te worden aangebracht. In totaal levert dit 28 waterspanningsmeters op. In bijlage 10 zijn de locaties van de vervormingsmetingen in de hoofdraai globaal aangegeven: 12 oppervlaktemetingen en twee hellingmetingen die tot in een enigszins vaste, zanderige laag steken (de geulafzetting van Gorinchem). In de secundaire raaien dienen oppervlaktemetingen ter plaatse van punt 2, 3, 5, 7, 9 en 10 te worden uitgevoerd, daarnaast dienen ook daar hellingmetingen te worden uitgevoerd. Dit levert in totaal 24 oppervlaktemetingen en zes hellingmetingen op. Daarnaast is het aan te bevelen om ook de resultaten van de zogenoemde ‘visuele inspecties’ op een of andere wijze vast te leggen, bijvoorbeeld met video’s en foto’s met goede oppervlaktereferentiepunten. In bijlage 9 en 10 is uitgegaan van het dwarsprofiel van het buitentalud volgens [Van Duyvendijk 1997]. Dit is uitsluitend omwille van de overzichtelijkheid van de figuren: er mag niet uit worden afgeleid dat er vanuit wordt gegaan dat het buitentalud op die manier verloopt. Nader onderzoek naar het verloop van het buitentalud, zoals aangegeven in § 2.3.5, blijft van groot belang.

3.6 Benoem specifieke doel van elk instrument Voor elk instrument dat wordt voorzien dient een specifiek doel geformuleerd te kunnen worden, daar het anders immers overbodig is. Verder geldt dat in verband met mogelijke uitval van instrumenten en de vereiste controleerbaarheid van gegevens de monitoring niet te sterk afhankelijk moet zijn van een beperkt aantal instrumenten (zie ook § 2.4). Voor de in de vorige paragraaf voorgestelde instrumenten geldt dat ze in elk geval ten behoeve van navolgende doelen dienen te worden aangebracht.

3.6.1

Waterspanningsmetingen

In de centrale raai (zie ook bijlage 9) dienen om de volgende redenen waterspanningsmeters te worden aangebracht: -

-

26

A1 (buitenteenlijn, op 1 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd (mede onder invloed van het getij en de rivierafvoer). - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. A2 (buitenteenlijn, op 3 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties.

CO-710107/37

20-10-2000

-

A3 (buitenteenlijn, op 5 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. Dit instrument kan worden weggelaten indien het buitentalud betrekkelijk hoog blijkt te liggen; bijvoorbeeld zoals aangegeven door [Van Duyvendijk 1997], aangezien het dan zeer onwaarschijnlijk is dat het afschuifvlak zo diep zal liggen.

-

B1 (in het buitentalud, in een raai op ongeveer een derde van de hoogte van dijk (gerekend vanaf de teen), aangezien daar de dikte van de afschuivende moot grond ongeveer het grootst is en, volgens de huidige inzichten, in deze zone bovendien het afschuifvlak het eerst tot ontwikkeling komt, op een diepte van 1 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd, voornamelijk onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. - ter verificatie van de aanname dat de freatische lijn onder het talud min of meer recht verloopt. B2 (zelfde raai als B1, op 2 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd, voornamelijk onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. Deze locatie geeft meer zekerheid voor een betrouwbare meting dan t.p.v. B1, maar is tegelijkertijd minder nauwkeurig in het geval van een niet-lineair verloop. - ter verificatie van de aanname dat de freatische lijn onder het talud min of meer recht verloopt. - ter detectie van het ontstaan van meer oppervlakkige afschuivingen. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. B3 (zelfde raai als B1, op 3,5 meter onder het oppervlak): - ter detectie van het ontstaan van een afschuiving. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. B4 (zelfde raai als B1, op 5 meter onder het oppervlak): - ter detectie van het ontstaan van een afschuiving. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties.

-

-

-

-

-

C1 (in de buitenkruinlijn, op een diepte van 1,5 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. C2 (in de buitenkruinlijn, op een diepte van 3 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. Deze locatie geeft meer zekerheid voor een betrouwbare meting dan t.p.v. C1, maar is tegelijkertijd minder nauwkeurig in het geval van een niet-lineair verloop. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. - ter bepaling van de invloed van de bovenbelasting op water(over)spanningen (consolidatiegraad). 27

CO-710107/37

-

C3 (in de buitenkruinlijn, op een diepte van 4,5 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. - ter bepaling van de invloed van de bovenbelasting op water(over)spanningen (consolidatiegraad)

-

D1 (in de zandsleuf, op een diepte van 4 meter onder het oppervlak) - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de zandsleuf in de loop van de tijd. - ter bepaling van het functioneren van het infiltratiesysteem. - ter bepaling van de randvoorwaarden voor grondwaterstromingsanalyses.

-

E1 (in de binnenkruinlijn, op een diepte van 1,5 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. - ter bepaling van de invloed van de bovenbelasting op water(over)spanningen (consolidatiegraad). E2 (in de binnenkruinlijn, op een diepte van 3 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. Deze locatie geeft meer zekerheid voor een betrouwbare meting dan t.p.v. E1, maar is tegelijkertijd minder nauwkeurig in het geval van een niet-lineair verloop. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. - ter bepaling van de invloed van de bovenbelasting op water(over)spanningen (consolidatiegraad). E3 (in de binnenkruinlijn, op een diepte van 4,5 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. - ter bepaling van de invloed van de bovenbelasting op water(over)spanningen (consolidatiegraad).

-

-

-

-

28

20-10-2000

F1 (in het binnentalud, in een raai op ongeveer een derde van de hoogte van dijk (gerekend vanaf de teen), aangezien daar de dikte van de afschuivende moot grond ongeveer het grootst is en, volgens de huidige inzichten, in deze zone bovendien het afschuifvlak het eerst tot ontwikkeling komt, op een diepte van 1 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd, voornamelijk onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. - ter verificatie van de aanname dat de freatische lijn onder het talud min of meer recht verloopt. F2 (zelfde raai als F1, op 2 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd, voornamelijk onder invloed van het kunstmatig verhogen van deze lijn. Deze locatie geeft meer zekerheid voor een betrouwbare meting dan t.p.v. F1, maar is tegelijkertijd minder nauwkeurig in het geval van een niet-lineair verloop.

CO-710107/37

20-10-2000

-

-

-

-

-

ter verificatie van de aanname dat de freatische lijn onder het talud min of meer recht verloopt. - ter detectie van het ontstaan van meer oppervlakkige afschuivingen. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. F3 (zelfde raai als F1, op 3,5 meter onder het oppervlak): - ter detectie van het ontstaan van een afschuiving. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. F4 (zelfde raai als F1, op 5 meter onder het oppervlak): - ter detectie van het ontstaan van een afschuiving. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. G1 (binnenteenlijn, op 1 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van de ligging van de freatische lijn in de loop van de tijd. - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties. G2 (binnenteenlijn, op 3 meter onder het oppervlak): - ter bepaling van het verloop van de waterspanningen in en nabij potentiële schuifvlakken onder invloed van plastische deformaties.

N.B. De bepaling van de ligging van de freatische lijn met een aantal waterspanningsmeters wordt ook gebruikt ter bepaling van het functioneren van het infiltratiesysteem en van de homogeniteit van de optredende grondwaterstroming ten gevolge van de infiltratie. In de secundaire raaien dient ter aanvulling op en controle van de metingen in de centrale meetraai een beperkt aantal waterspanningsmeters te worden geplaatst. Hier zou kunnen worden volstaan met de instrumenten met de belangrijkste functies, namelijk B3, D1, E2 en F3.

3.6.2

Positie(veranderings)metingen

In de centrale raai dient van ter plaatse van de volgende punten regelmatig tijdens de proef de positie te worden bepaald (zie ook bijlage 10) -

-

meetpunten 1 (rand plasberm), 2 (buitenteenlijn) en 10 (binnenteenlijn) voor het bepalen van de vorm van de optredende afschuiving. meetpunten 5 (buitenkruinlijn), 6 (midden van de kruin, vlak naast de plaats waar over maximaal vijf meter breedte een bovenbelasting wordt aangebracht) en 7 (binnenkruinlijn) eveneens voor het bepalen van de vorm van de optredende afschuiving en bovendien voor de bepaling van de lokale invloed van de kruinbelasting. meetpunten 3 (buitentalud, op een derde van de hoogte), 4 (buitentalud, op twee derde van de hoogte), 8 (binnentalud, op twee derde van de hoogte) en 9 (binnentalud, op een derde van de hoogte) voor het bepalen van de vorm van de optredende afschuiving, met name voor het detecteren van eventuele oppervlakkig afschuivende wiggen.

29

CO-710107/37

-

20-10-2000

meetpunten 11 (op 6 meter vanaf de binnenteen; naar verwachting buiten het primaire glijvlak) en 12 (op 12 meter vanaf de binnenteen) voor het detecteren van een eventueel horizontaal wegdrukken/meevervormen van de bovenste slappe lagen.

In de secundaire raaien dient ter aanvulling op en controle van de metingen in de centrale meetraai een beperkt aantal punten te worden gevolgd. Hier zou kunnen worden volstaan met de meetpunten 2, 3, 5, 7, 9 en 10.

3.6.3

Hellingmetingen

Deze dienen ter bepaling van de vervormingen in de ondergrond en zijn onder meer van belang bij het beantwoorden van de tiende vraag: is er een verband tussen waterspanningsveranderingen en vervormingen. Hellingmetingen dienen een duidelijk referentiepunt te hebben, bij voorkeur middels verankering in een diepere zandlaag. Deze zullen daarom ten minste tot in de geulafzetting van Gorkum moeten steken. Voor alle drie de raaien dienen de hellingmetingen zowel in het binnentalud als in het buitentalud op ongeveer één derde van de hoogte (gerekend vanaf de teen) te worden uitgevoerd, om de volgende redenen: -

-

aan beide zijden van de dijk omdat zowel binnenwaarts als buitenwaarts bezwijken beiden een grote kans van optreden hebben voor alle drie de raaien om ook indien een betrekkelijk kleine maar wel diepe afschuiving optreedt (dus het gewenste type afschuiving met een korte afschuiflengte) deze altijd in het middengedeelte te detecteren, dus niet mogelijk alleen aan één van de randen. op ongeveer één derde van de hoogte vanaf de teen zodat een betrekkelijk groot gedeelte van de afschuivende moot gemeten wordt (gerekend over de diepte) en bovendien de diepteligging van de onderkant van het schuifvlak min of meer bekend is (volgens alle berekeningsresultaten binnenwaarts en buitenwaarts met een ‘hoge’ oever ligt het diepste punt van de afschuiving ongeveer in deze langsraai).

3.7 Plan de registratie van relevante omgevingsinvloeden Relevante omgevingsinvloeden dienen ook geregistreerd te worden. Hierbij is in eerste instantie te denken aan de neerslag, de buitenwaterstand op de rivier en de luchtdruk, maar ook andere invloeden van buitenaf kunnen van belang zijn. Hierbij dient uitdrukkelijk ruimte te zijn voor de registratie van volstrekt onvoorziene omstandigheden. De ‘meetresultaten’ zullen overigens lang niet altijd uit getalswaarden zullen bestaan. Dit onderdeel kan van essentieel belang zijn bij de bepaling of gehanteerde modellen wel geldig zijn: impliciete en expliciete aannamen daarin moeten getoetst kunnen worden, met name bij het voorkomen van volstrekt onvoorziene bezwijkmechanismen of oorzaken van bezwijken kan dit van belang zijn.

3.8 Beschrijf eisen aan de uit te voeren metingen De meetnauwkeurigheid dient te voldoen aan de in § 3.3 gestelde eisen. Daarnaast zal al snel na het verhogen van de kruinbelasting duidelijk moeten zijn wat het effect daarvan is, teneinde het verdere verloop van de proef daarop aan te passen dient snel (binnen enkele minuten) duidelijk te zijn of, en zo ja, waar, afschuiven op begint te treden, of dat meer belasting moet worden bijgeplaatst. Het 30

CO-710107/37

20-10-2000

verdient daarom de voorkeur om het aflezen van instrumenten zoveel mogelijk automatisch te laten plaatsvinden.

3.9 Stel procedures op ter bepaling van de correcte functionering van de meetinstrumenten Er moet kunnen worden vastgesteld of een instrument nog naar behoren functioneert. Deels kan dit gebeuren door installatie van een aantal extra instrumenten, waarmee meer zekerheid kan worden verkregen over de juistheid van de metingen. Dit geldt bijvoorbeeld voor een aantal instrumenten in de centrale raai (die overigens naast een controle-functie vaak ook een ‘eigen’ functie hebben) en voor een deel van de instrumenten in de secundaire raaien, zoals aangegeven in § 3.6. Deels kan de correcte functionering ook worden vastgesteld door regelmatige kalibratie. Voorts kan ook op andere wijze worden nagegaan of de meetwaarden plausibel zijn (bijvoorbeeld: in een waterspanningsmeter in de zandsleuf zal nooit een stijghoogte ver boven de kruin van de dijk gemeten kunnen worden). Aangezien de meetperiode relatief kort is, zal het uitvoeren van één of twee nulmetingen na installatie (afhankelijk van de bij het betreffende type instrument in het verleden in vergelijkbare omstandigheden bewezen betrouwbaarheid) en een extra controlemeting na afloop van de proef in dit geval voldoende zijn.

3.10 Plan regelmatige kalibratie en onderhoud Aangezien de proef betrekkelijk kort duurt zal slechts twee maal een kalibratie van de instrumenten hoeven worden uitgevoerd; namelijk vooraf en achteraf, ervan uitgaande dat typen instrumenten worden toegepast waarvan de betrouwbaarheid gedurende een periode van enkele weken inmiddels bewezen is.

3.11 Verantwoordelijkheden bepalen voor diverse projectfasen Voor elk van de fasen van het project (voorbereidend ontwerp, definitief ontwerp, voorbereiding van de uitvoering, de proef zelf en het afbreken van de proeflocatie na afloop van de proef) zal moeten worden bepaald welke van de betrokken partijen verantwoordelijk is voor taken als de planning van het monitoringsprogramma, installatie van de instrumenten, het aflezen van gegevens, de verwerking daarvan, enzovoorts. Hierbij moet behalve voldoende deskundigheid ook de macht aanwezig zijn om de uitvoering van een taak indien nodig af te dwingen, ondanks eventuele onwelwillendheid van andere partijen, en moet bij de betreffende partij ook voldoende interesse of belang aanwezig zijn om de taak naar behoren uit te voeren. Dit onderdeel is hier niet nader uitgewerkt, aangezien het buiten het huidige kader van het Delft Cluster project ‘Monitoringsfilosofie HerMes’ valt. Een nadere specificatie hiervan vereist namelijk onder meer beter inzicht in de belangen en mogelijkheden van de diverse bij het project betrokken partijen. De daartoe noodzakelijke inventarisatie kan daarom pas worden verricht indien duidelijk is dat er daadwerkelijk wat mee zal worden gedaan.

31

CO-710107/37

20-10-2000

3.12 Selecteer instrumenten Het is van essentieel belang om betrouwbare instrumenten te gebruiken, ook indien deze in aanschaf duurder zijn dan eventuele andere instrumenten waarvan bekend is dat het uitvalpercentage daarvan hoog is; dit leidt immers tot een op voorhand niet in te schatten uitval van meetgegevens. Selectie van instrumenten kan daarom ook het beste gebeuren in samenspraak met een deskundige op dit gebied. Ook hiervoor geldt dat dit alleen kan worden gedaan als er daadwerkelijk wat mee zal gebeuren, daarom is ook dit onderdeel niet nader uitgewerkt.

3.13 Aankoopspecificaties voor instrumenten De aankoopspecificaties voor de instrumenten volgen uit de betrouwbaarheidseis en de eisen aan meetbereik en meetnauwkeurigheid zoals die in § 3.3 zijn geformuleerd. Over het algemeen kan het ontwerp en de vervaardiging van meetinstrumenten het beste worden overgelaten aan daarin gespecialiseerde bedrijven (zie ook [DiBiagio 1977] en [Dunnicliff 1999]). Ook van dit onderdeel is een nadere uitwerking achterwege gelaten: in elk geval zou § 3.12 hiervoor moeten worden uitgewerkt.

3.14 Stel de voorlopige begroting op Het in deze fase opstellen van een voorlopige begroting heeft als doel om te bepalen of het voorliggende monitoringsplan voldoende kosteneffectief is. Hiervoor dient uiteraard ongeveer bekend te zijn hoeveel elk onderdeel kost, hetgeen eventueel nagegaan kan worden door bij één of meer hierin gespecialiseerde bedrijven een voorlopige offerte aan te vragen. Dit valt echter buiten het kader van het Delft Cluster project ‘Monitoringsfilosofie HerMes’ en is daarom niet uitgevoerd. De voorlopige begroting leidt in principe tot een heroverweging van de voorgaande acht onderdelen (dus vanaf § 3.5). Op basis van kosteneffectiviteit dient het monitoringsprogramma eventueel te worden aangepast. De inschatting van het te verwachten nut van de monitoring speelt hierbij een belangrijke rol. Hierbij zowel denken aan potentiële kostenbesparingen als gevolg van een uitgekiender bouw en beheer van andere dijkvakken als gevolg van de analyses op basis van de bij deze proef uitgevoerde metingen, als aan kostenvermijdingen als gevolg van tijdig ingrijpen bij dreigende calamiteiten bij de proef zelf (voorkomen directe schade, bijvoorbeeld aan de nieuwe dijk, en vervolgkosten). Een nadere beschouwing van het belang van elke vraag (paragraaf 2.4) kan hierbij ook nuttig zijn. Is een meting noodzakelijk, of alleen maar interessant?

3.15 Plan installeren van instrumenten De installatie van de instrumenten dient stap-voor-stap doordacht te worden, waarbij rekening gehouden dient te worden met de uitvoeringsplanning van de proeven op het Proefvak Actuele Sterkte in het algemeen, de vereiste vergunningen en toestemmingen (bijvoorbeeld van de beheerder, het Hoogheemraadschap van de Krimpenerwaard) en de gevoeligheid van de instrumenten zelf. Eventuele knelpunten kunnen immers het beste in een zo vroeg mogelijk stadium worden gesignaleerd.

32

CO-710107/37

20-10-2000

3.16 Plan verzameling van meetgegevens De verzameling van meetgegevens dient zorgvuldig te worden gepland, waarbij er rekening mee moet worden gehouden dat een deel van de data niet automatisch, maar handmatig zal moeten worden afgelezen. De afleesfrequentie is afhankelijk van de mate waarin de belasting op de dijk toeneemt en de mate waarin een afschuifvlak tot ontwikkeling komt: tijdens het verhogen van de freatische lijn kan met een lage frequentie worden volstaan tenzij de waterspanningen of vervormingen sterk toenemen, tijdens het belasten van de kruin is sowieso een veel hogere frequentie noodzakelijk. De meetfrequentie moet in elk geval zo hoog zijn dat significante veranderingen, die kunnen wijzen op een naderend afschuiven, tijdig kunnen worden opgemerkt. De afleesfrequentie van de handmatig af te lezen instrumenten kan mede worden bepaald aan de hand van de automatische metingen.

3.17 Plan verwerking van meetgegevens De verwerking van de meetgegevens omvat ondermeer de verslaglegging, de presentatie, de interpretatie en het (eventueel aangepast) handelen op basis van de gemeten waarden. De verwerking van meetdata ten behoeve van een verbeterde betrouwbaarheidsanalyse tijdens de proef bijvoorbeeld zal terdege voorbereid dienen te worden. De frequentie van de verslaglegging, de wijze van presentatie en de frequentie waarmee de data geïnterpreteerd wordt zal tevoren moeten worden vastgelegd. Dit zal in elk geval zo vaak moeten gebeuren dat tijdig kan worden besloten tot een verhoging van de meetfrequentie in verband met de verwachte nabijheid van bezwijken.

3.18 Stel de begroting vast Als het monitoringsplan eenmaal vaststaat kan de begroting definitief worden vastgesteld.

3.19 Vastleggen van het monitoringssysteem in een ontwerpverslag Ten behoeve van zowel de uitvoering als de evaluatie dient een overzichtelijk, hanteerbaar document te worden samengesteld waarin alle overwegingen die aan het ontwerp van het monitoringssysteem ten grondslag liggen zijn vastgelegd. Met name voor eventuele aanpassingen van het monitoringssysteem is een dergelijk ontwerpverslag van groot belang, opdat snel kan worden nagegaan of er door de voorgenomen aanpassingen geen relevante zaken verloren dreigen te gaan.

33

CO-710107/37

20-10-2000

4 Uitvoeringsfase Zoals al in § 2.5 is aangegeven kan het tijdens de uitvoeringsfase wenselijk of zelfs noodzakelijk blijken te zijn dat de uitvoeringswijze van de proef of mogelijk ook het monitoringsplan wordt aangepast. Op basis van de meetwaarden en aanvullende analyses met bijvoorbeeld MProStab, waarin bijvoorbeeld de ligging van het freatisch vlak, de consolidatiegraad of de onzekerheid daarover zijn aangepast, kan bijvoorbeeld blijken dat een oppervlakkige afschuiving dreigt op te treden. Verder is het mogelijk dat de proef om andere redenen (bijvoorbeeld problemen met het aanbrengen van de kruinbelasting) anders wordt uitgevoerd. Ook in dat geval dient op basis van de metingen en eventuele aanvullende analyses het vervolg van de proef eventueel te worden aangepast. In dit verband is het wel van belang dat dergelijke aanvullende analyses voldoende snel kunnen worden uitgevoerd – zo’n tussentijdse analyse tijdens de uitvoering van de proef mag geen weken kosten, en zal daarom ook goed voorbereid dienen te zijn. Tenslotte geldt dat de beslisstructuur bij de proef ook dusdanig dient te zijn dat aanpassing van de proef op basis van de meetdata ook daadwerkelijk mogelijk is.

34

CO-710107/37

20-10-2000

35

CO-710107/37

20-10-2000

5 Evaluatiefase Voor de verwerking van meetgegevens achteraf geldt verder dat een uitgebreide evaluatie voor de op het Proefvak Actuele Sterkte uit te voeren proeven is voorzien. In de evaluatiefase worden de gemeten gegevens definitief verwerkt. Verder kan in deze fase nog aanvullend grondonderzoek worden verricht voor en tijdens het afgraven van het Proefvak Actuele Sterkte, wat na afloop van de proeven zal gebeuren. De gegevens kunnen worden gebruikt om de macrostabiliteitsproef achteraf te reconstrueren. Behalve met MProStab zal hiervoor waarschijnlijk ook ondermeer het programma Plaxis worden gebruikt. Een uitgebreide voorbeschouwing van deze evaluatiefase valt echter buiten het kader van dit Delft Cluster project ‘Monitoringsfilosofie HerMes’. De evaluatie kan in principe leiden tot aanpassing van de ontwerpnormen, en achteraf gezien daardoor ook leiden tot de conclusie dat de proef en de bijbehorende monitoring, anders had moeten worden opgezet. Een nadere evaluatie van dit monitoringsplan kan zinvol zijn voor eventuele vervolgproeven en voor monitoring bij civieltechnische constructies in het algemeen.

36

CO-710107/37

20-10-2000

37

CO-710107/37

6

20-10-2000

Slotbeschouwing

In de voorgaande hoofdstukken is de in Delft Cluster verband ontwikkelde monitoringsfilosofie voor zover dat mogelijk was toegepast op de macrostabiliteitsproef in het Proefvak Actuele Sterkte. Deze proef is momenteel nog in de ontwerpfase. Hierdoor is de toepassing vooral beperkt gebleven tot de basisopzet van rationele monitoring voor dit specifieke project en de systematische opzet van een monitoringssysteem. In vergelijking met de tot nu toe gebruikelijke aanpak bij dergelijke projecten (die overigens ook voor de macrostabiliteitsproef ten dele is gevolgd, parallel aan dit Delft Cluster project) vallen met name de volgende verschillen op: -

-

-

38

het uitvoeren van een betrouwbaarheidsanalyse waarbij de geïdentificeerde bezwijkmechanismen zoveel mogelijk kwantitatief beschouwd zijn, waar mogelijk bovendien niet alleen met een (deterministische) bezwijkveiligheidsfactor, maar ook met een kans van optreden. Uit deze betrouwbaarheidsanalyse zijn enkele onderdelen naar voren gekomen waarvan het belang bij de traditionele aanpak niet onderkend was: - het belang van het mechanisme ‘buitenwaarts bezwijken’: de kans van optreden hiervan was aanvankelijk ingeschat op ‘voldoende klein om daar verder geen aandacht aan te besteden’. - het belang van kennis omtrent het verloop van het bodemprofiel aan de buitenwaartse zijde van de dijk. - de bijdrage van de onzekerheid in de waarde van de cohesie van het dijksmateriaal en de kleiafzettingen van Tiel aan de totale onzekerheid omtrent het wel of niet bezwijken van de dijk bij een gegeven belastingssituatie. een systematische, rationele onderbouwing van de instrumentatie op basis van de betrouwbaarheidsanalyse, in plaats van een meer gevoelsmatige bepaling van het aantal en de locaties van de meetinstrumenten. de mogelijkheden om in de uitvoeringsfase van de proef bij te sturen op basis van met behulp van meetdata vernieuwde (betrouwbaarheids)analyses.

CO-710107/37

20-10-2000

39

CO-710107/37

20-10-2000

7 Literatuur [Allersma 1999] H.G.B. Allersma Application of image processing in measuring displacements during slope failure Field Measurements in Geomechanics, Leung, Tan & Phoon, editors, Balkema, Rotterdam 1999, Supplement Proceedings, pp. 1-6 [Calle 1990] PROSTAB, een computerprogramma voor probabilistische analyse van stabiliteit van taluds Grondmechanica Delft CO-266484/32 [CUR 1997] Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving CUR-publicatie 190, “Kansen in de civiele techniek, Deel 1: probabilistisch ontwerpen in theorie”, Gouda, maart 1997 [Delft Geotechnics 1994] Delft Geotechnics User's manual PC-model MProStab – Probabilistic analysis of stability of earth slopes, Version 2.0, september 1994 [DiBiagio 1977] E. DiBiagio Field Instrumentation – A Geotechnical Tool Norges Geotekniske Institutt, publikasjon nr. 115, Oslo 1977, pp. 29-40 Eerder gepubliceerd in: Proceedings of the First Baltic Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol. I, pp. 39-59. [Van Duinen 2000] T.A. van Duinen Proefvak Actuele Sterkte – Analyse bestaande meetgegevens waterspanning in dijken Mondelinge communicatie augustus 2000 gebaseerd op metingen t.b.v. GeoDelft CO-710301 [Dunnicliff 1999] J. Dunnicliff Systematic approach to planning monitoring programs using geotechnical instrumentation: An update Field Measurements in Geomechanics, Leung, Tan & Phoon, editors, Balkema, Rotterdam, pp. 19-30 [Van Duyvendijk 1997] P. van Duyvendijk Dwarsprofielen 30-36 behorende bij bestek nr. 4875, 20-02-1997 Hoogheemraadschap van de Krimpenerwaard, Krimpen aan den IJssel [DWW 2000]

40

CO-710107/37

20-10-2000

Ministerie van Verkeer en Waterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde Technisch Rapport Waterkerende Grondconstructies, tweede concept, februari 2000 [Grondmechanica Delft 1996] Geotechnisch profiel Lekdijk-West te Bergambacht, 1996-03-27 Grondmechanica Delft CO-356570 [Koelewijn 2000a] A.R. Koelewijn Monitoringsfilosofie – Waarom, Wat, Wanneer en in Welke mate meten & verwerken GeoDelft CO-710107/22 (concept) [Koelewijn 2000b] A.R. Koelewijn Monitoringsfilosofie – toepassing op referentiebaan No-Recess GeoDelft CO-710107/… (concept) [Koelewijn 2000c] A.R. Koelewijn Verslag brainstormsessie ‘Relatie tussen vervormingen en sterkte van dijklichamen’ GeoDelft CO-393440/60 [Matthews 2000] S.L. Matthews Deployment of instrumentation for in-service monitoring, The Structural Engineer, volume 78, no. 13, pp. 28-32 [Salazar Rivera 2000a] J.R. Salazar Rivera Proef macrostabiliteit Bergambacht Gemeentewerken Rotterdam 2000-080/B [Salazar Rivera 2000b] J.R. Salazar Rivera Proef macrostabiliteit Bergambacht / PLAXIS berekeningen Gemeentewerken Rotterdam 2000-080/C [TAW 1989] Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen Leidraad voor het ontwerpen van rivierdijken. Deel 2 – Benedenrivierengebied Waltman Delft, ’s-Gravenhage september 1989

41

CO-710107/37

20-10-2000

[TAW 1994] Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, projektgroep ‘TAWB Constructief’ Handreiking Constructief ontwerpen – Onderzoek en berekening naar het constructief ontwerp van de dijkversterking, april 1994 [Verruijt 1999] A. Verruijt Grondmechanica Delft University Press, Vijfde druk, Delft 1999 [Zwanenburg 2000] C. Zwanenburg & M. van der Meer Proeven op proeflocatie Actuele Sterkte GeoDelft CO-710301/9 (concept)

42

BIJLAGEN

Bijlage:

1

Werkinstructie Checklist HERMES

Title:

(report in Dutch)

Werkinstructie Checklist HERMES Author: Author:

Ir. G.H. Wijnants Dr. P. Hölscher

Institute:

TNO-Bouw

Institute:

GeoDelft

february 2003 Number of pages pagina’s

:

20

Keywords (3-5)

:

Rational monitoring

DC-Publication-number

:

01.01.07-09

Institute Publication-number (optional)

:

Report Type

:

Intermediary report or study

:

Final projectreport

:

DUP Standaard

DUP-publication Type

DUP-Science Acknowledgement The Dutch Government through the ICES-2 programme has sponsored this research. The research is part of the Research programme of Delft Cluster. We thank the project group for the critical comments on a draft of this report. Conditions of (re-)use of this publication The full-text of this report may be re-used under the condition of a correct reference to this publication. Other Research project sponsor(s):

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

Abstract The research ‘Monitoring-philosophy HerMes’ developed a step-by-step method to elaborate a monitoring project rationally. The design of a monitoring project is divided in two phases, a pre-design and a final-design phase. For each phase the essential steps are defined and explained in this report. By using this aid, an engineer who has to design a monitoring project, can do this on a fully rational way. In order to record the decisions made during the design for later use, also a questionnaire has been developed. This questionnaire is primarily meant for principals of monitoring projects. A principal can use the checklist to evaluate the rationality of the delivered design. All questions in this questionnaire contain all the essential points of the HerMes philosophy. Moreover, besides the answers on these essential questions, the questionnaire also facilitates the recording of the arguments, leading to the answers. Each question refers to a step in the Hermes philosophy. All these steps are described in this report. From this point of view, the report serves as an aid for filling in the questionnaire. This questionnaire is added as an appendix to the report, but developed as an interactive tool.

PROJ ECT NAME: Monitoringsfilosofie Hermes P R O J E C T C O D E : 01.01.07 BASEPROJECT NAME: Measuring, Monitoring and Exploration BASEPROJECT CODE: 01.01 T H E M E N A M E : Soil and Structures T H E M E C O D E : 01

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 2

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

Samenvatting In het onderzoek ‘Monitoringsfilosofie HerMes’ is een stapsgewijze aanpak ontwikkeld om het monitoringstrategie op een rationele manier uit te werken. Om de gemaakte afwegingen op traceerbare wijze vast te leggen, is een checklist ontwikkeld. De daarin aanwezige vragen stellen bevatten de essentiële onderdelen van de HERMES filosofie. Naast antwoorden op deze essentiële onderdelen, de zogenaamde “ijkpunten”, is het vanzelfsprekend van belang dat de gehanteerde argumenten traceerbaar vastliggen. Daartoe is in de checklist voorzien door op de daartoe bestemde plaats een referentie vast te leggen waarmee de uitwerking van het desbetreffende ijkpunt terug te vinden is. De te stellen vragen zijn zo kort en bondig mogelijk gesteld. Voor diegenen die niet bekend zijn met de achtergronden van de vragen, is een toelichting opgesteld. Deze toelichting vindt u hierachter. Deze toelichting vormt samen met het basisrapport en de checklist, een geheel om de HERMES monitoringfilosofie effectief in de praktijk in te zetten.

PROJ ECT NAME: Monitoringsfilosofie Hermes P R O J E C T C O D E : 01.01.07 BASEPROJECT NAME: Measuring, Monitoring and Exploration BASEPROJECT CODE: 01.01 T H E M E N A M E : Soil and Structures T H E M E C O D E : 01

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 3

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

Applicability for the sector Monitoring vindt binnen de civiele sector op veel gebieden plaats. In veel situaties blijkt dat resultaten die door de monitoring verkregen zijn, gebruikt worden voor andere doeleinden als oorspronkelijk beoogd. Hiermee ontstaat het risico dat de zwaarte van de toegepaste monitoring niet in verhouding staat tot doeleinden waarvoor de resultaten ingezet worden. Voor dergelijke situaties en ook bij overdracht van functies van voor de monitoring verantwoordelijke personen, is met de checklist voorzien in de overzichtelijke weergave van gestelde doelen en de daarna gemaakte afwegingen zoals die bij het ontwerp van het monitoringsysteem een rol gespeeld hebben. De checklist met deze daaraan verbonden werkinstructie, is daartoe in te zetten binnen de volgende sectoren:  Weg en waterbouw  Civiele techniek.  Beheer van constructies.  Wetenschappelijk onderzoek van degradatiemechanismen aan constructies. De toepasbaarheid van de checklist en de werkinstructie is vastgesteld door de daarachter liggende filosofie bij het ontwerp van meerdere monitoringsystemen toe te passen. De beoogde gebruiker(s) van de checklist en de bijbehorende werkinstructie zijn:  Opdrachtgevers; hiermee valt de kwaliteit van het ontwerp te toetsen.  Ontwerpers van een monitoringtaak; de lijst stelt in staat een volledig ontwerp te realiseren.

PROJECT NAME: BASEPROJECT NAME: THEME NAME:

Datum: Februari 2003

Monitoringsfilosofie Hermes Measuring, Monitoring and Exploration Soil and Structures

PROJECT CODE: BASEPROJECT CODE: THEME CODE:

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

01.01.07 01.01 01

p. 4

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

Societal relevance of the research Het uitgevoerde onderzoek is voor de maatschappij van belang op de volgende punten:  Het leidt tot een effectiviteitsverhoging van bestaande en toekomstige monitoring programma’s  Het leidt tot een efficiencywinst oftewel een hogere doelmatigheid van monitoringtaken die benodigd zijn om een gesteld doel te behalen.  Het leidt tot vergroting van inzicht voor belanghebbenden voor de relatie tussen het gestelde doel en de daarvoor benodigde resulterende aanpak Het leidt binnen projecten tot verbetering van de afstemming van monitoringtaken binnen het totaal aan akties.

PROJ ECT NAME: Monitoringsfilosofie Hermes P R O J E C T C O D E : 01.01.07 BASEPROJECT NAME: Measuring, Monitoring and Exploration BASEPROJECT CODE: 01.01 T H E M E N A M E : Soil and Structures T H E M E C O D E : 01

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 5

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

Table of contents Werkinstructie Checklist HERMES.................................................................................................... 1 Abstract

2

Samenvatting ......................................................................................................................................... 3 Toepasbaarheid voor de sector............................................................................................................. 4 Relevantie van het onderzoek voor de maatschappij ......................................................................... 5 1

Inleiding ....................................................................................................................................... 8 1.1 Globale indeling.................................................................................................................. 8

2

Voorstudie voor het ontwerp...................................................................................................... 9 2.1 Doelstelling van het project ................................................................................................ 9 2.2 Afbakening van het project ................................................................................................. 9 2.3 Inventarisatie beschikbare informatie ................................................................................. 9 2.4 Bepaling maatgevende faalmechanismen ........................................................................... 9 2.5 Vaststelling welke vragen door monitoring beantwoord moeten worden ........................ 10 2.6 Keuze van een monitoringsstrategie ................................................................................. 10

3

Ontwerp van het monitoringssysteem ..................................................................................... 11 3.1 De te monitoren parameters .............................................................................................. 11 3.2 De grootte orde van de variaties ....................................................................................... 11 3.3 Aanvullende maatregelen.................................................................................................. 11 3.4 Locatie opnemers .............................................................................................................. 11 3.5 Specifieke doel van elke opnemer .................................................................................... 12 3.6 Omgevingsinvloeden ........................................................................................................ 12 3.7 Planning functioneren monitoringsysteem........................................................................ 12 3.8 Instrumentatie ................................................................................................................... 13 3.9 Planning instandhouding monitoringssysteem.................................................................. 13 3.10 Toedeling taken en verantwoordelijkheden ...................................................................... 13 3.11 Voorlopige begroting ........................................................................................................ 13 3.12 Evaluatie van het ontwerp................................................................................................. 14

4

Definitieve ontwerp monitoringssysteem ................................................................................ 15 4.1 Overzicht van de afwijkingen ........................................................................................... 15 4.2 Definitieve instrumentatieplan.......................................................................................... 15 4.3 Definitieve planning functioneren monitoringsysteem..................................................... 15 4.4 Definitieve planning instandhouding monitoringssysteem............................................... 15 4.5 Ontmanteling..................................................................................................................... 16 4.6 Rapportage ........................................................................................................................ 16

5

Referenties/References.............................................................................................................. 17

Bijlage checklist voor beoordeling rationele monitoring 01.01.07-08

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 6

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 7

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

1

Inleiding

In het onderzoek ‘Monitoringsfilosofie HerMes’ is een gedachtengang ontwikkeld waarmee monitoring op een rationele manier aangepakt kan worden. Binnen het project zijn verschillende casestudies uitgevoerd, waarin gekeken is naar de praktische consequenties van de gekozen aanpak. Op grond van aanwezige behoeftes uit de praktijk, die in de evaluaties naar voren gekomen zijn, wordt hierbij een eerste aanzet gegeven voor een checklist, waar een toekomstige gebruiker van de filosofie zich op kan baseren bij het opstellen van een monitoringsproject en waarmee een uitgewerkt monitoringproject op volledigheid te toetsen is. Hierbij wordt de aandacht primair gericht op monitoring om de correcte uitvoering van een constructie te waarborgen en op monitoring om de levensduur van een constructie te waarborgen.

1.1

Globale indeling

Een monitoringsproject valt in de volgende fasen te verdelen:     

voorstudie voor het ontwerp ontwerp van het monitoringssysteem evaluatie van het monitoringssysteem bouw van het monitoringssysteem functioneren van het monitoringssysteem

In deze notitie worden uitsluitende de eerste drie fasen uitgewerkt. De uit te voeren activiteiten worden genummerd. Het functioneren van het monitoringssysteem bestaat uit verschillende onderdelen, die gedeeltelijk synchroon in de tijd en gedeeltelijk sequentiëel in de tijd kunnen optreden. De volgende onderdelen zijn onderkend: beheren (in stand houden) van het monitoringssysteem, het aflezen van de gegevens, het interpreteren (verwerken) van de aflezingen en het ondernemen van de noodzakelijke acties op basis van deze interpretaties. Voor achtergrond informatie wordt verwezen naar de verschillende rapporten, zoveel mogelijk met paragraaf nummer uit het rapport.

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 8

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

2 2.1 2.1.1

Voorstudie voor het ontwerp Doelstelling van het project Stel de doelstelling en de impuls van het monitoringsproject vast.

Geef hierbij de reden en de achtergrond waarvoor het monitoringsplan uitgewerkt moet worden. Mogelijkheden zijn de operationele (beheersmatige of kwaliteitsborgende), juridische en wetenschappelijke achtergrond [Wijnants, 2001]. Meestal heeft de opdrachtgever hier specifieke ideeën of eisen over. In het vervolg wordt met de term ‘project’ het ‘monitoringsproject’ bedoeld.

2.2

Afbakening van het project

Het project wordt afgebakend in ruimte en tijd om de omvang van de activiteit te kunnen beheersen. Daartoe is het noodzakelijk om de volgende onderdelen vast te stellen: 2.2.1. De objecten die tot het project behoren 2.2.2. De onderdelen van die objecten die behoren tot het monitorings project 2.2.3. De objecten die tot de omgeving van het project behoren (dat zijn objecten die invloed op de objecten in het project kunnen hebben) 2.2.4. De tijd gedurende welke het project moet lopen 2.2.5. Het budget dat voor monitoring beschikbaar is Bij het beschikbare budget moet men zich realiseren dat er een (eenmalig) budget nodig is voor ontwerp en bouw van het monitoringssysteem en een (meestal meerjarig) budget voor functioneren van het monitoringssysteem.

2.3

Inventarisatie beschikbare informatie

Voorafgaand aan het eigenlijke ontwerp moet de beschikbare informatie vastgesteld worden: 2.3.1. De ontwerpeisen die voor het project gelden 2.3.2. De normen en voorschriften die van toepassing zijn (zowel voor de te monitoren constructie als voor het monitoringsysteem zelf) 2.3.3. De rekenmodellen die van toepassing zijn 2.3.4. De waarden van de gebruikte modelparameters (in ieder geval materiaalparameters en belastingen) 2.3.5. De variaties in deze parameters die verwacht mogen worden 2.3.6. De uitvoeringsmethodiek voor het project (voor nieuwbouw projecten) 2.3.7. De resultaten van uitgevoerd onderzoek met betrekking tot de locatie waar de te monitoren constructie zich bevindt (bijv. grondonderzoek) 2.3.8. De ontwerptekeningen van de te monitoren constructie

2.4 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3.

Bepaling maatgevende faalmechanismen Alle mogelijke faalmechanismen moeten vastgesteld worden De kans (of het risico) van elk faalmechanisme moet (globaal) bepaald worden De maatgevende faalmechanismen worden vastgesteld.

Een constructie of een proces kan zich in een acceptabele of niet acceptabele toestand bevinden. De scheiding tussen deze twee toestanden noemen we een grenstoestand [de Wit, 2000]. Een

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 9

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09 faalmechanisme is een proces waardoor een constructie of een proces van een acceptabele toestand de grenstoestand bereikt onder invloed van een combinatie van (externe) invloeden. Maatgevende faalmechanismen zijn de faalmechanismen met de grootste kans (of risico). Uitsluitend deze maatgevende faalmechanismen worden in het ontwerp van het monitoringssysteem beschouwd. Voor grenstoestanden die samenhangen met bezwijken lijkt kans de aangewezen variabele, voor grenstoestanden die samenhangen met functioneren lijkt risico de aangewezen variabele.

2.5

Vaststelling welke vragen door monitoring beantwoord moeten worden

2.5.1. De monitoringsvragen worden concreet opgeschreven De monitoringsvragen moeten in concrete vragen uitgewerkt worden. Deze vragen moeten direct gecorreleerd worden aan de maatgevende faalmechanismen. Alle maatgevende faalmechanismen moeten door een monitoringsvraag afgedekt worden. 2.5.2. Er wordt concreet vastgesteld dat de gestelde monitoringvragen met inzet van meetmiddelen te realiseren zijn. Door monitoring zijn bepaalde mechanismen effectief te vervolgen; er kunnen ook mechanismen aanwezig zijn (vaak abrubte gebeurtenissen die als gevolg van 2.5.1 als “niet maatgevend” gelden) die niet effectief door monitoring te vervolgen zijn. Door expliciet vast te stellen in welke vraag voorzien wordt is de scope van het monitoringsysteem effectief afgebakend. Aangegeven kan worden welke vragen expliciet niet tot de monitoring behoren.

2.6 2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. 2.6.4.

Keuze van een monitoringsstrategie Selecteer een aantal mogelijke monitoringsstrategieën Bepaal voor elke strategie de totale kosten van de monitoring opgesplitst in kosten van het ontwerp/bouw en het beheer Bepaal voor elke strategie de opbrengsten in verband met de vermindering van de risico’s Kies de meest aantrekkelijke strategie

Een monitoringsstrategie geeft op het globale niveau aan - wat er gemonitored wordt - waarom er gemonitored wordt - waar gemonitored wordt - wanneer er gemonitored wordt - hoe er gemonitored wordt De opbrengsten kunnen liggen in de vermindering van het risico opverlies van geld, tijd, kwaliteit of imago. Dit is een beslissingsprobleem dat uitgewerkt wordt in [Wijnants, 2001].

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 10

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

3

Ontwerp van het monitoringssysteem

In dit hoofdstuk wordt de gekozen monitoringsstrategie uitgewerkt.

3.1

De te monitoren parameters

3.1.1. stel de te monitoren parameters vast. In het voorontwerp is het "wat, waar, wanneer" van de te meten parameters vastgelegd; op deze plaats is uit te werken of met de te verkrijgen monitoringresultaten op tijd akties plaats kunnen vinden om het beoogde doel conform de monitoringstrategie te bereiken. 3.1.2. geef aan welke monitoringsvraag (-vragen) door elke parameter beantwoord wordt. Door deze vraag te beantwoorden ligt vast in hoeverre er parameters aanwezig zijn die niet op enigerlei wijze van invloed zijn op een monitoringvraag; wanneer die invloed er niet is dan is het ondoelmatig om deze parameter in het monitoringplan op te nemen. 3.1.3. toon aan dat de gekozen parameters compleet is (alle monitoringsvragen kan beantwoorden). Door deze volledigheidsvraag wordt zeker gesteld dat niet bepaalde parameters zijn vergeten die het te behalen doel zouden kunnen belemmeren.

3.2

De grootte orde van de variaties

3.2.1. bepaal de range van elke te monitoren parameter. Deze range wordt bepaald door de niveaus die gedefinieerd zijn om de voor het monitoring doel relevante situaties te kunnen kenmerken. 3.2.2. bepaal de vereiste nauwkeurigheid van elke te monitoren parameter. Door dit ijkpunt te behandelen ligt vast of de nauwkeurigheid van de eindregistratie van de te monitoren parameter voldoende groot is om de benodigde veranderingen te kunnen signaleren. Deze vraag betreft de systeemnauwkeurigheid waar de meetunit maar een onderdeel van is. Houd hierbij rekening met de situatie die in het beslisproces relevant is.

3.3

Aanvullende maatregelen

3.3.1. geef voor elk faalmechanisme aan welke parameterwaarde(n) overschreden wordt om tot interventie over te gaan 3.3.2. geef aan welke interventiemaatregel uitgevoerd moet worden Gevraagd wordt om de benodigde maatregels expliciet uit te werken en vast te leggen om zeker te stellen dat niets over het hoofd is gezien. 3.3.3. geef aan dat deze interventiemaatregel uitvoerbaar is. De vraag is of de expliciete maatregel wel uitvoerbaar is. Dit om te vermijden dat benodigde tijd of informatie of personen ontbreekt op het moment dat aktie ondernomen dient te worden. 3.3.4. geeft aan wie voor de uitvoering verantwoordelijk is. De vraag is of de benodigde vervolgakties een eindverantwoordelijke kennen om daarmee te voorkomen dat door een groepsverantwoordelijkheid een aktie aan de aandacht kan ontsnappen.

3.4 3.4.1.

Locatie opnemers bepaal de locaties van de opnemers

Bij deze stap is het noodzakelijk om de bepaling uit te voeren op basis van betrouwbaarheidsanalyses voor alle maatgevende faalmechanismen. Hiermee wordt zeker gesteld dat de locatie waar de te

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 11

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09 monitoren parameter wordt geregistreerd voldoende gevoeligheid heeft bij het betreffende faalmechanisme.

3.5

Specifieke doel van elke opnemer

3.5.1. benoem het specifieke doel van elk instrument Deze doelen zijn direct gerelateerd aan de maatgevende faalmechanismen Instrumenten zonder doel moeten verwijderd worden. Eén instrument kan verschillende doelen dienen. 3.5.2. check of elk maatgevend faalmechanisme gemonitored wordt Bij instrumenten die veel doelen dienen, en instrumenten die essentieel zijn om een maatgevend faalmechanisme te monitoren, is het hier noodzakelijk om af te wegen of met één instrument kan worden volstaan.

3.6

Omgevingsinvloeden

3.6.1. selecteer relevante omgevingsinvloeden Door deze stap wordt vastgesteld of over relevante verstoringen is nagedacht en of de invloed daarvan is uitgesloten door een gerichte maatregel. 3.6.2. geef aan voor welk mechanisme iedere relevante omgevingsinvloed van belang is Bij dit punt wordt doordacht of de consequenties van het optreden van een relevante omgevingsfactor voor het uiteindelijke monitoring resultaat bekend zijn. 3.6.3. geef aan hoe de check op omgevingsinvloeden in de monitoring opgenomen worden Bij dit punt is vast te stellen of de relevante omgevingsfactoren binnen het monitoringprogramma expliciet verwerkt zijn. Door dat te doen wordt het tijdsplan van de monitoring en het tijdsplan van de omgevingsinvloed expliciet met elkaar in verband gebracht. Bij punt nummer 3 kan soms volstaan worden met visuele waarnemen of algemene waarnemingen (getijde grafieken RWS). Als meetinstrumenten noodzakelijk zijn, dan kunnen deze volgens de hierboven strategie meegenomen worden.

3.7

Planning functioneren monitoringsysteem

3.7.1. plan de aflezingen (frequentie, nauwkeurigheid conform paragraaf 3.2) 3.7.2. plan de verwerking van de aflezingen. Hiermee wordt geregeld dat de benodigde verwerking ten behoeve van vervolgakties expliciet uitgewerkt is. Dit om zeker te stellen dat tot het niveau van capaciteitsplanning is uitgewerkt om capaciteitstekorten uit te sluiten. 3.7.3. plan de vervolg akties Door deze aktie wordt zeker gesteld dat ook voor eventuele vervolgakties ruimte in de planning aanwezig is om deze in te kunnen vullen. Het betreft hier een globale planning die nodig is voor de globale kostenraming zie ook DelftCluster rapport 01.01.07-05 par. 3.7

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 12

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

3.8

Instrumentatie

3.8.1. selecteer de benodigde instrumenten Deze aktie is erop gericht om vast te stellen dat instrumenten op basis van kwaliteits en betrouwbaarheidseisen zijn geselecteerd. Dit om te voorkomen dat alleen op een functie wordt geselecteerd. Hierbij wordt opgemerkt dat instrumenten die hetzelfde specifieke doel hebben (zie ook paragraaf 3.5.1) wel mogelijk zijn als het doel van de dubbele uitvoering goed omschreven is. Hierbij kan gedacht worden dat uitval of storing in een instrument dat essentiële data opneemt, de volledige monitoring waardeloos maakt. Dat risico moet redelijkerwijs afgedekt worden. 3.8.2. stel voor alle instrumenten specificaties op. Deze aktie is erop gericht om vast te stellen dat eisen met betrekking tot de instrumentprestaties (nauwkeurigheid, betrouwbaarheid, evt. onderhoudbaarheid) expliciet vastliggen. 3.8.3. stel een installatie plan voor alle instrumenten op Het betreft hier een globale planning die nodig is voor de globale kostenraming Meetbereik en meetauwkeurigheid volgen uit paragraaf 3.2, meetduur en frequentie uit paragraaf 2.1 en 3.7. Het installatie plan moet de installatie stap voor stap omvatten. zie ook DelftCluster rapport 01.01.07-05, par. 3.11, 3.12 en 3.14

3.9 3.9.1. 3.9.2.

Planning instandhouding monitoringssysteem stel procedures op om het correct funtioneren van de instrumenten te bepalen plan regelmatige callibratie en onderhoud

Het betreft hier een globale planning die nodig is voor de globale kostenraming Deze activiteiten zijn noodzakelijk om te allen tijde betrouwbare aflezingen te krijgen. De noodzaak hiertoe hangt natuurlijk ook samen met de responsie tijd na een overschrijding van een grenswaarde en het bijbehorende risico. zie ook DelftCluster rapport 01.01.07-05, par. 3.8 en 3.9

3.10 Toedeling taken en verantwoordelijkheden 3.10.1. geef aan wie verantwoordelijk is voor de aflezingen 3.10.2. geef aan wie verantwoordelijk is voor de verwerking van de aflezingen 3.10.3. geef aan wie verantwoordelijk is voor de vervolg acties zie ook DelftCluster rapport 01.01.07-05, par. 3.10

3.11 Voorlopige begroting 3.11.1. stel voor het voorziene monotoringsplan een voorlopige begroting op 3.11.2. vergelijk deze begroting met het beschikbare budget (paragraaf 2.1 en ook 2.6) Bij deze stap wordt de begroting geevalueerd in verhouding tot de taakstellende monitoringopdracht waarbij het noodzakelijk is dat afwijkingen duidelijk gemotiveerd worden. Indien de begroting en het budget niet in evenwicht zijn kunnen de volgende acties overwogen worden (terug naar paragraaf 2.1) - het ontwerpproces nog eens kritisch beschouwen - het beschikbare budget verhogen - de monitoringsvragen beperken

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 13

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09 Indien de begroting en het budget wel in evenwicht zijn, kan doorgegaan worden met hoofdstuk 4 Definitieve ontwerp monitoringssysteem.

3.12 Evaluatie van het ontwerp Deze globale evaluatie is wenselijk, om te voorkomen dat er teveel op detailstappen gestuurd wordt, waarbij het totale ontwerp niet of nier meer aan de (mogelijk door gevorderd inzicht ontwikkelde) eisen voldoet. 3.12.1. voldoet het ontwerp aan gestelde eisen: geeft het monitoringssysteem antwoord op de gestelde monitoringsvragen 3.12.2. is het beheer van monitoringssysteem zodanig dat het systeem blijft functioneren 3.12.3. is het verkrijgen van de meetgegevens gegarandeerd 3.12.4. zijn de vervolgacties in vervolg op monitoringresultaat gegarandeerd 3.12.5. worden de begrote opbrengsten (in termen van geld, tijd, kwaliteit en imago) behaald Hierbij moet gelet worden op het feit dat alle participanten betrokken zijn bij deze evaluatie.

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 14

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

4

Definitieve ontwerp monitoringssysteem

In de fase van het definitieve ontwerp wordt het ontwerp zodanig gespecificieerd, dat het ontwerp gereed is voor de uitvoering. Dit hoofdstuk bevat de aspecten waarop wordt de effectieve inzet van het totale monitoringssysteem wordt geëvalueerd.

4.1

Overzicht van de afwijkingen

Het is niet te voorkomen dat er afwijkingen tussen het voorontwerp en het definitieve ontwerp ontstaan. Deze moeten echter wel gedocumenteerd en gemotiveerd zijn. 4.1.1

4.2

stel een document op waarin alle afwijkingen tusssen het voorontwerp en definitieve ontwerp beschreven en gemotiveerd zijn.

Definitieve instrumentatieplan

Vergelijk paragraaf 3.8, maar nu in definiteve en meer gedetailleerde vorm 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3.

4.3

maak een (of meer) situatie tekening(en) voor het monitoringsproject, waarin de locaties van alle instrumenten vastgelegd is leg de specificaties van elk instrument vast leg de methode van installeren vast

Definitieve planning functioneren monitoringsysteem

Vergelijk paragraaf 3.7, maar nu in definitieve en meer gedetailleerde vorm 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3.

beschrijf de planning van de aflezingen (frequentie, nauwkeurigheid) beschrijf de planning van de verwerking van de aflezingen beschrijf de grenswaarden waarbij vervolgacties nodig zijn en geef aan welke vervolgacties dan genomen moeten worden

Geef hierbij ook aan wie er verantwoordelijk is voor de vervolgacties en zorg ervoor dat de verantwoordelijke dit ook daadwerkelijk kan en zal uitvoeren.

4.4

Definitieve planning instandhouding monitoringssysteem

Vergelijk paragraaf 3.8, maar nu in definitieve en meer gedetailleerde vorm 4.4.1. 4.4.2.

beschrijf de procedures waarmee bepaald moet worden of de instrumenten correct functioneren stel het onderhoudsplan op.

In het onderhoudsplan is de regelmatige calibratie van de instrumenten opgenomen. In het onderhoudsplan moet aandacht geschonken worden aan mogelijke uitval van instrumenten. Het tijdelijk ontbreken van meetgegevens kan acceptabel zijn zolang de doelstelling van het project maar niet ingevaar komt. Door, bijvoorbeeld, regelmatige inspectie moet langdurige uitval voorkomen worden. Dit is onderdeel van het onderhoudsplan.

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 15

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

4.5 4.5.1. 4.5.2.

4.6 4.6.1.

Ontmanteling geef aan wie verantwoordelijk is voor de ontmanteling van het systeem stel hiervoor een ontmantelingsplan op

Rapportage Leg het ontworpen monitoringsplan vast in een rapport.

Dit rapport bevat tenminste de volgende hoofdstukken: 1. 2. 3. 4. 5.

Afbakening van het project en relevante omgevingsinvloeden Maatgevende faalmechanismen Monitoringsvragen Samenvatting van de monitoringsstrategie Instrumentatieplan met daarin opgenomen de locatie van de opnemers, het doel van elek opnemer, meetbereik en nauwkeurigheid van de opnemers, wijze van installeren 6. Instandhoudingsplan met daarin opgenomen de procedures voor de instanthouding 7. Functioneringsplan met daarin opgenomen de methode van aflezing, de methode van verwerken en de procedure voor vervolgacties. Tevens worden de verantwoordelijkheden aangegeven 8. Ontmantelingsplan

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 16

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

5

Referenties/References DelftCluster rapport 01.01.07-05. Monitoringfilosofie HERMES. Basisrapport. Koelewijn, Hölscher, Wijnants. de Wit, 2000. TNO Bouw rapport 2000-CON-DYN-R2102 “HERMES” 3 November 2000. Wijnants 2001. TNO Bouw rapport 2001-CON-DYN-R8028 “Werkdocument Monitoringaanpak HERMES – Gestructureerd kosteneffectief beheer”. 7 Mei 2001.

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 17

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

General Appendix: Delft Cluster Research Programme Information This publication is a result of the Delft Cluster research-program 1999-2002 (ICES-KIS-II), that consists of 7 research themes: ►Soil and structures, ►Risks due to flooding, ►Coast and river , ►Urban infrastructure, ►Subsurface management, ►Integrated water resources management, ►Knowledge management. This publication is part of: Research Theme

:

Soil and structures

Baseproject name

:

Measuring, Monitoring and Exploration

Project name

:

Monitoringsfilosofie Hermes

Projectleader/Institute

dr. A.R. Koelewijn

Project number

:

01.01.07

Projectduration

:

01-03-2000

Financial sponsor(s)

:

Delft Cluster

-

GeoDelft

31-12-2002

Rijkswaterstaat Dienst Weg en Waterbouw Bouwdienst Rijkswaterstaat Projectorganisatie HSL-Zuid GeoDelft TNO-Bouw

Projectparticipants

:

GeoDelft TNO-Bouw

Total Project-budget

:

€ 259.145

Number of involved PhD-students

:

0

Number of involved PostDocs

:

0 Delft Cluster is an open knowledge network of five Delft-based institutes for long-term fundamental strategic research focussed on the sustainable development of densely populated delta areas.

Keverling Buismanweg 4 Postbus 69 2600 AB Delft The Netherlands Datum: Februari 2003

Tel: +31-15-269 37 93 Fax: +31-15-269 37 99 [email protected] www.delftcluster.nl Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 18

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09 Theme Managementteam: Ground and Construction Name

Organisation

Dr. P. van den Berg

GeoDelft

Dr. J. Rots

TNO-Bouw

Projectgroup During the execution of the project the researchteam included: Name

Organisation

1.

dr. P. Hölscher

GeoDelft

2.

G.H. Wijnants

TNO Bouw

3.

Other Involved personnel The realisation of this report involved: Name

Organisation

1.

P. Hölscher

GeoDelft

2.

G.H. Wijnants

TNO Bouw

3.

R.J. Aartsen

Projectorganisatie HSL Zuid

4.

F.J. Postema

Bouwdienst Rijkswaterstaat

5.

B.G.H.M. Wichman

Rijkswaterstaat DWW

6.

J.K. van Deen

GeoDelft

7.

W.O. Molendijk

GeoDelft

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 19

Delft Cluster-publication: 01.01.07-09

Bijlage checklist voor beoordeling rationele monitoring 01.01.07-08

zie voor de digitale versie www.DelftCluster.nl

Datum: Februari 2003

Werkinstructie Checklist HERMES / 01.01.07-09

p. 20

Checklist HERMES

Klik op HERMES om verder te gaan. Checklist behorend bij Monitoring Filosofie HERMES.

Dit spreadsheet is het resultaat van de toepassing van de basis gedachten voor de monitoring filosofie HERMES. Met deze filosofie is een richtlijn uitgewerkt voor het rationele ontwerp van een monitoringprogramma vanaf de initiatieffase tot en met de verwijderingsfase. De binnen het HERMES project gehanteerde ratio heeft betrekking op de kennisvragen van het “waarom”, “wat”, “wanneer” en “in welke mate” meten en verwerken van meetresultaten. De aspecten die gerelateerd zijn aan de beslissingen die samenhangen met een monitoringsprogramma zijn in het basisdocument DC-01.01.07-05 beschreven. De voorstudie fase en de ontwerpfase voor een monitoringssysteem zijn daarin in generieke termen beschreven. Dit spreadsheet ondersteunt de rationele uitwerking en beoordeling van een willekeurig monitoringssysteem door voor de relevante vragen: a) te toetsen of deze beantwoord zijn (voldoen aan randvoorwaarden) b) vast te leggen waar dit antwoord vast ligt (traceerbaarheid) Dit document is daardoor zowél door ontwerpers als opdrachtgevers te gebruiken om de uitvoering van een monitoringopdracht op volledigheid te toetsen.

Aan dit document is een werkinstructie gekoppeld. Deze is gratis te verkrijgen via de DelftCluster site, en heeft het nummer 01.01.07-08

Acknowledgement The Dutch Government through the ICES-2 programme has sponsored this research. The research is part of the Research programme of Delft Cluster. We thank the project steer group for the critical comments on a draft of this report. Conditions of (re-)use of this publication The full-text of this report may be re-used under the condition of an acknowledgement and a correct reference to this publication. Other Research project sponsor(s):

Delft Cluster is an open knowledge network of five Delft-based institutes for long-term fundamental strategic research focussed on the sustainable development of densely populated delta areas.

Keverling Buismanweg 4 Postbus 69 2600 AB Delft The Netherlands

Delft Cluster, 01.01.07-08; versie 11 april 2003

Tel: +31-15-269 37 93 Fax: +31-15-269 37 99 [email protected] http://www.delftcluster.nl/ pagina: 1

datum: 20-5-2003

HerMes Checklist Rationele monitoring Delft Cluster 01.01.07

Projectnaam : Projectnummer :

Voorstudie Beoordelaar : 0 Datum : 0-jan-00

Nummer IJkpunt 2.1 Doelstelling van het monitoringsproject

Beoordeling Mis 1

Toelichting op beoordeling 0

2.2

Afbakening van het monitoringsproject

Mis 9

0

2.3 2.4 2.5

Maatgevende faalmechanismen Vaststellen monitoringsvragen Vaststellen monitoringsstrategie

Mis 3 Mis 1 Mis 4

0 0 0

Ontwerp Beoordelaar : Datum : Nummer IJkpunt 3.1 Vaststelling van de te monitoren parameters 3.2 Grootte orde van de variaties 3.3 Aanvullende maatregelen als interventie waarden overschreden worden 3.4 Vaststellen locatie opnemers 3.5 Specifieke doel van elk instrument 3.6 Omgevingsinvloeden 3.7 Instrument selectie 3.8 Kwaliteits eisen voor de metingen 3.9 Planning instandhouding monitoringsysteem 3.10 Toedeling taken en verantwoordelijkheden 3.11 Voorlopige begroting 3.12 Evaluatie van het ontwerp

0 0 Beoordeling Mis 3

Toelichting op beoordeling 0

Mis 2 Mis 4

0 0

Mis 1 Mis 2 Mis 3 Mis 3 Mis 3 Mis 2

0 0 0

Mis 3 Mis 2 Mis 5

File / Tab: 710107.0101.echte checklist voor HerMes versie 5BB.xls / Algemeen

Printdatum en tijd: 20-5-2003 / 10:37

Aangemaakt door DelftCluster 20-5-2003

Bladzijde 1

HerMes Checklist Rationele monitoring Delft Cluster 01.01.07

Projectnaam : Projectnummer : Beoordelaar : Datum :

0 0

Voorstudie Nummer IJkpunt Beoordeling 2.1 Doelstelling van het monitoringsproject 2.1.1 is de doelstelling als impuls vastgelegd? #N/A overall beoordeling Mis 1 2.2 Afbakening van het monitoringsproject 2.2.1 zijn de objecten die binnen het project als "monitoringobject" gelden, vanuit de aanwezige #N/A doelstelling geselecteerd? 2.2.2 is het overzicht van invloeds-factoren uit de omgeving op compleetheid vanuit de doelstelling getoetst? #N/A

2.3

2.2.3 is de looptijd van het monitorings-projectafgeleid vanuit de doelstelling? 2.2.4 is het benodigde budget van het monitoringsprojectafgeleid vanuit de doelstelling? 2.2.5 is vastgelegd dat het beoogde resultaat met meetmiddelen te realiseren is? 2.2.6 zijn de van belang zijnde normen en voorschriften vermeld? 2.2.7 zijn vanuit de doelstelling de van toepassing zijnde rekenmodellen vastgelegd? 2.2.8 Zijn de waarden van de te hanteren modelparameters alsmede de bijbehorende referentiegegevens vastgelegd? 2.2.9 is gecheckt of de verwachte variaties in de invloedsfactoren geen belemmering is voor het bereiken van het geoogde resultaat? overall beoordeling Maatgevende faalmechanismen 2.3.1 Is een inventarisatie van faalmechanismen aanwezig die als "volledig" geïdentificeerd is? 2.3.2 is voor elk faalmechanisme de bepaling van de kans van optreden (of het risico) uitgewerkt en aangegeven welke referenties daarbij horen? 2.3.3 Is de vaststelling van de maatgevende faalmechanismen expliciet gebaseerd op de bepaalde kansen? overall beoordeling

2.4

2.5

Vaststellen monitoringsvragen 2.4.1 zijn de monitoringsvragen expliciet gerelateerd aan de maatgevende faalmechanismen? overall beoordeling Vaststellen monitoringsstrategie 2.5.1 Is aangegeven dat de beschouwde monitoringstrategieën alle effectief toepasbare mogelijkheden betreft? 2.5.2 is voor elke monitoringstrategie een expliciete kostenberekening uitgewerkt op basis van de benodigde meetintensiteit en de kosten van alle fasen van het monitoringsproject? 2.5.3 zijn voor elke strategie de opbrengsten (in termen van verminderd risico) expliciet onderbouwd op basis van de expliciet begrootte effectiviteit van de strategie? 2.5.4 is de keuze van de meest aantrekkelijke strategie op basis van kosten en opbrengsten onderbouwd? overall beoordeling

Toelichting op beoordeling

Waar is dit vastgelegd

#N/A #N/A #N/A #N/A #N/A #N/A

#N/A Mis 9 #N/A #N/A

#N/A Mis 3 #N/A Mis 1

#N/A

#N/A

#N/A

#N/A Mis 4

File / Tab: 710107.0101.echte checklist voor HerMes versie 5BB.xls / Voorstudie

Bladzijde 1

710107.0101.echte checklist voor HerMes versie 5BB.xls

HerMes Checklist Rationele monitoring Delft Cluster 01.01.07

Projectnaam : Projectnummer : Beoordelaar : Datum :

0 0

Ontwerp Nummer IJkpunt Beoordeling 3.1 Vaststelling van de te monitoren parameters 3.1.1 zijn de te monitoren parameters vastgesteld conform de gekozen #N/A strategie? 3.1.2 is voor elke parameter aannemelijk gemaakt dat deze daadwerkelijk #N/A bijdraagt aan het beantwoorden van tenminste één monitoringsvraag? 3.1.3 is duidelijk dat deze parameterset antwoord geeft op alle #N/A monitoringsvragen? overall beoordeling Mis 3 3.2 Grootte orde van de variaties 3.2.1 is binnen het beoogde meetgebied de range vastgesteld waarover de te meten #N/A parameter kan variëren? 3.2.2 voldoet de systeemmeetnauwkeurigheid van de parameterset aan de behoefte #N/A vanuit de monitoringopzet?

3.3 3.3.1

3.3.2

3.3.3 3.3.4

3.4 3.4.1

3.5 3.5.1 3.5.2

3.6 3.6.1

Waar is dit vastgelegd

overall beoordeling Mis 2 Aanvullende maatregelen als interventie waarden overschreden worden Zijn voor elk faalmechanisme de parameterwaarde(n) vastgelegd waarbij #N/A vervolgaktie noodzakelijk is? Is aan iedere interventieniveau een duidelijke en expliciete maatregel #N/A gekoppeld? Zijn de vastgestelde maatregelen #N/A uitvoerbaar? Is duidelijk en vastgelegd wie de #N/A verantwoording draagt voor de te nemen vervolgakties? overall beoordeling Mis 4 Vaststellen locatie opnemers Zijn de locaties van de opnemers vastgesteld op grond van #N/A betrouwbaarheidsanalyses per maatgevend mechanisme? overall beoordeling Mis 1 Specifieke doel van elk instrument Is het doel van ieder instrument #N/A expliciet en duidelijk? Wordt ieder maatgevend #N/A faalmechanisme gemonitored? overall beoordeling Mis 2 Omgevingsinvloeden Zijn omgevingsinvloeden die tot afwijkingen van het monitoringssysteem kunnen leiden geïdentificeerd en als #N/A factor getoetst op invloed?

3.6.2 Is de relatie tussen deze omgevingsinvloeden en de te monitoren mechanismes duidelijk en expliciet?

3.7

Toelichting op beoordeling

#N/A

3.6.3 Is de beoordeling van de invloed van omgevingsinvloeden expliciet in het #N/A monitoringtijdsschema opgenomen? overall beoordeling Mis 3 Planning functioneren monitoringsysteem 3.7.1 Is de uitlezing van de metingen met de #N/A juiste frequentie gepland ? 3.7.2 Is de verwerking van de metingen met #N/A de juiste frequentie en op tijd gepland?

File / Tab: 710107.0101.echte checklist voor HerMes versie 5BB.xls / Ontwerp

Bladzijde 1 van 2

710107.0101.echte checklist voor HerMes versie 5BB.xls

3.8

3.9

3.7.3 Zijn vervolgakties in de planning verwerkt? overall beoordeling Instrumentatie 3.8.1 Zijn de benodigde instrumenten geselecteerd op basis van betrouwbaarheidskenmerken? 3.8.2 Zijn voor al de benodigde instrumenten technische specificaties opgesteld?

#N/A Mis 3

#N/A

#N/A

3.8.3 Is een installatieplan voor al de #N/A instrumenten opgesteld? overall beoordeling Mis 3 Planning instandhouding monitoringsysteem 3.9.1 Zijn procedures voor de preventieve contrôle van de apparatuur beschikbaar? #N/A

3.9.2 Zijn calibraties en onderhoud #N/A ingepland? overall beoordeling Mis 2 3.10 Toedeling taken en verantwoordelijkheden 3.10.1 Is vastgelegd wie verantwoordelijk is #N/A voor de aflezingen? 3.10.2 Is vastgelegd wie verantwoordelijk is voor de verwerking van de afgelezen #N/A resulaten? 3.10.3 Is vastgelegd wie verantwoordelijk is #N/A voor de vervolgakties? overall beoordeling Mis 3 3.11 Voorlopige begroting 3.11.1 Is een begroting opgesteld voor het #N/A voorziene monitoringplan? 3.11.2 Is de begroting gemotiveerd vergeleken #N/A met het gestelde budget? overall beoordeling Mis 2 3.12 Evaluatie van het ontwerp 3.12.1 Voldoet het ontwerp aan de gestelde #N/A eisen? 3.12.2 Is het beheer zodanig dat het systeem #N/A blijft functioneren? 3.12.3 Is het verkrijgen van meetgegevens #N/A gegarandeerd? 3.12.4 Zijn de vervolgacties in vervolg op het #N/A monitoringresultaat gegarandeerd? 2.12.5 Worden de begrootte opbrengsten (Geld, Tijd, Kwaliteit, Imago) behaald? #N/A overall beoordeling

Mis 5

File / Tab: 710107.0101.echte checklist voor HerMes versie 5BB.xls / Ontwerp

Bladzijde 2 van 2