Veranderingen in ruimte en tijd ir. A.C.W.lVl. Vrouwenvelder
Technische Universiteit Delft
Veranderingen in ruimte en tiid
Rede, uitgesproken ter gelegenheid van de aanvaarding van het ambt van hoogleraar in de Toegepaste Mechanica in de Faculteit der Civiele Techniek, aan de Technische Universiteit Delft, op woensdag 18 januari 1989 door
ir. A.C.W.M. Vrouwenvelder
V.
Mijnheer de Rector Magnificus en overige leden van het College van Bestuur, collegae hoogleraren en andere leden van de universitaire gemeenschap, directie en medewerkers van IBBC-TNO, geachte toehoorders.
inleiding De titel van deze rede belooft weinig over de inhoud. Het is een titet waarmee ik nog vele kanten uit kan. In wetenschappelijke kring geldt dat gewoonlijk als een minpunt, voor vandaag is deze titel echter precies op maat: ik wil namelijk ook verschillende kanten uit. De hoofdschotel zal, niet geheel onverwacht, technisch/wetenschappelijk van aard zijn, maar ik wil mij hier niet toe beperken. Bij wijze van voor- en nagerecht wil ik ingaan op een aantal ontwikkelingen in het onderzoek ten behoeve van de bouw en het functioneren van onze Technische Universiteit. Er staat u dus een eenvoudige doch voedzame maaltijd te wachten. Ontwikkelingen aan de Technische Universiteit Delft Als voorgerecht neem ik de veranderingen aan deze Technische Universiteit. Mijn persoonlijke ervaring strekt zich uit over een periode van bijna 20 jaar. Dat is lang genoeg om een aantal interessante ontwikkelingen meegemaakt te hebben. Met name in het onderzoek. Vlak na mijn afstuderen kwam ik als wetenschappelijk medewerker in dienst van deze toen nog Technische Hogeschool geheten instelling. De onderzoekers aan de universiteiten en hogescholen golden in die dagen als een nieuw soort vrijgestelden. Deze term stond destijds letterlijk in de Haagsche Post. Er was geen strak regime, men kwam en ging als dat uitkwam, men deed wat men leuk vond. Verantwoording was men nauwelijks verschuldigd. Voor de buitenwereld lag de conclusie voor de hand dat op zo'n Technische Hogeschool heel wat mensen rond liepen die op een gemakkelijke wijze een royaal salaris verdienden.
1
Nu wil ik niet ontkennen dat er incidenteel misbruik van de situatie werd gemaakt. Voor mij is dat echter niet het meest typerende van die tijd. Door velen werd ook hard en met overgave gewerkt. Vee! meer kenmerkend was de keuze van de onderwerpen. Het was een tijd waarin het 'zuiver wetenschappelijk onderzoek' hoge ogen gooide. Men telde vooral mee als het onderzoek een hoge wetenschappelijke waarde had. Belangrijk was dat collegaonderzoekers het werk de moeite waard vonden. Sommige onderzoeken werden vergeleken met 'het beklimmen van de Mount Everest': nut had het niet maar het gaf een geweldig gevoel van bevrediging. Deze periode duurde niet lang. Ik heb daar denk ik alleen het laatste deel van meegemaakt. Korte tijd later kwam de democratiseringsgolf. De jonge aangestelde wetenschappelijk medewerkers en ook de actieve studenten waren meestal links van het politieke centrum georiënteerd en kregen door hun grote aantal ook invloed. Het onderzoek moest, was het adagium in die tijd, 'maatschappelijk relevant' zijn. Belangrijk voor de keuze van onderwerpen was het feit of ontwerpers en uitvoerders in de praktijk beter en goedkoper zouden kunnen bouwen. Nog meer in tel waren de belangen van de uiteindelijke consument van de bouwwerken, de Nederlandse burger. De moeilijkheid was echter dat veel onderzoekers alleen verstand hadden van de theorie en niet van de praktijk van het bouwen. Discussies of iets nu we! of niet zo in de praktijk gebeurde waren dan ook niet van de lucht, maar bleven vaak onbeslist. Toch sprak en spreekt het adagium van de maatschappelijke relevantie, zeker voor een faculteit als die der Civiele Techniek, mij wel degelijk aan, Inmiddels is er een derde fase ingetreden. Onderzoek aan universiteiten wordt voor een steeds kleiner deei uit de directe en zogenaamde eerste geldstroom betaald. Het overige deel dient te komen via de tweede of derde geldstroom. Bij de tweede geldstroom gaat het om financiering via STW of ZWO. Men dient dan bij een dergelijke instantie een voorstel in voor een onderzoek. Doelstelling, te verwachten resultaten en te verwachten kosten moeten duidelijk op papier staan. Het onderzoek wordt goed- of afgekeurd op basis van een beoordeling door een team van andere onder-
2
zoekers en mensen uit de praktijk. Nut voor de praktijk staat daarbij hoog in het vaandel. Tenslotte is er de derde geldstroom. Hierbij wordt de Universiteit geacht opdrachten te verwerven bij bedrijven en overheden. Is dit nu een voltooiing van de ontwikkeling naar de 'maatschappelijk relevantie' van het universitair onderzoek, of is de TU voor het karretje van het bedrijfsleven gespannen? Laat ik beginnen met op te merken dat er veel voordelen zijn ais de TU direct vanuit zijn onderzoekervaring het bedrijfsleven bedient. De lijn van producent tot consument van wetenschappelijk onderzoek wordt verkort. Een bedrijf wordt geholpen door de voor dat onderwerp meest deskundige onderzoeker en de onderzoekers krijgen contacten met de praktijk, hetgeen stimulerend kan werken op de voortzetting van het onderzoek. Zolang dit de primaire beweegredenen van een dergelijke situatie zijn, is er weinig aan de hand. Maar we mogen hier dan bezig zijn met het voorgerecht van een eenvoudige, doch voedzame maaltijd, geld speelt wel degelijk een rol. in de strijd om te overleven bij een kleiner wordende eerste geldstroom bestaat het gevaar dat de TU zich steeds meer naar het bedrijfsleven gaat richten en alle middelen in dienst van de tweede en derde geldstroom zal stellen. Op die manier kan het fundamenteel onderzoek ernstig in de knel komen. Verder zien we de TU opschuiven in de richting van TNO. Op dit laatste punt ga ik gezien mijn verbintenis met beide instellingen graag nader in, waarbij ik het betoog zal toespitsen op de Vakgroep Mechanica en Constructies enerzijds en het Instituut voor Bouwmaterialen en Bouwconstructies anderzijds. Uitgangspunt kan denk ik zonder veel vorm van discussie zijn dat er geen ruimte is voor twee onafhankelijk opererende instellingen voor toegepast onderzoek in de bouw, op 5 km afstand van elkaar. Dat geldt nu, maar dat geldt in nog sterkere mate als we naar de toekomst kijken en in het Europa van na 1992 een rol van betekenis willen spelen. Het geld dat wordt uitgegeven aan de dubbele infrastructuur, de dubbele technische ondersteuning en de onderlinge concurrentie kan beter worden besteed. In een Europees kader komen verder zowel de vakgroep Mechanica en
3
Constructies als IBBC-TNO ieder afzonderlijk op te veel gebieden onder de kritische grens om als erkend kenniscentrum te kunnen fungeren. Het is bijna een wet in het commerciële onderzoek dat iedereen je wilt betalen om iets te schrijven, maar niemand om je iets te laten lezen. Ik denk weleens dat de onderzoekwereld er veel beter uit zou zien als er tweemaal zoveel gelezen en slechts de helft gepubliceerd zou worden. Wetenschap is slechts wetenschap indien het zowel in geschreven vorm vast ligt, als leeft in de hoofden van een voldoend aantal deskundigen. In de tijd van de vrijgestelden was hiervoor volop ruimte. In de tegenwoordige tijd zullen we deze ruimte bewust moeten scheppen. Daarvoor is op de eerste plaats een onderzoek-infrastructuur nodig met voldoende omvang en samenhang, steunend op een sterke financiële basis. De conclusie uit het voorgaande is mijns inziens duidelijk. Gestreefd zal moeten worden naar een verregaande samenwerking tussen de vakgroep Mechanica en Constructies van de Afdeling Civiele Techniek, TU-Delft, en de relevante onderdelen van IBBCTNO. De drie doelstellingen van deze samenwerking zouden moeten zijn: 1. veiligstellen van het fundamenteel en moeilijk financierbaar maatschappelijk relevant onderzoek in de bouw in Nederland; 2. meetellen als kenniscentrum op Europees niveau en 3. optreden als slagvaardig onderzoek/advies-orgaan voor bedrijfsleven en overheden. We kunnen ons gelukkig prijzen dat deze samenwerking niet van de grond af aan behoeft te worden opgebouwd. Goede contacten bestaan er al sinds jaar en dag. Het punt is dat de noodzaak toeneemt deze contacten meer structureel en minder vrijblijvend te maken. De discussie daarover is het laatste jaar op een aantal fronten goed op gang gekomen. Verbonden aan beide instellingen zal ik mij inzetten aan de verdere ontwikkelingen in deze een positieve bijdrage te leveren. Fluctuaties in belasting en sterkte Ik wil overstappen naar de hoofdschotel. Veranderingen in ruimte en tijd. Veel grootheden die een rol spelen in de beschrijving van het gedrag van een constructie zijn daaraan onderhevig.
4
Het is een van de zaken die het ontwerpen zo boeiend maken. De betasting op een constructie is geen twee momenten precies het zelfde. Ook de constructie is aan veranderingen onderhevig. Processen als vermoeiing en betonrot zijn bekend tot ver buiten de kring van de vakdeskundigen, maar er zijn er natuurlijk veel meer. In deze rede zal ik vooral de aandacht richten op de fluctuaties in de belasting op een constructie. Deze keuze is eigenlijk een bijzondere. Zoals velen van u weten verzorg ik aan deze instelling al enige jaren samen met enkele waterbouwcollega's het college b3, Probabilistisch Ontwerpen van Constructies. Het uitgangspunt daarbij is dat een constructie bezwijkt zodra de sterkte R ontoereikend is om de belasting S te dragen. In formulevorm: Z = R ~ S en bezwijken treedt op als dit verschil kleiner is dan nul. Weinigen zullen deze eenvoudige waarheid betwisten. Als het probleem zo gesteld wordt, lijkt het volkomen symmetrisch: falen treedt op ais R kleiner is dan S. Wanneer we echter naar het totale studieprogramma kijken, dan valt op dat de aandacht voor R en S helemaal niet symmetrisch is. Er zijn veel meer colleges die over R gaan dan over S. Studenten worden uitvoerig geïnformeerd hoe de sterkte van diverse staal-, beton- en houtconstructies moet worden beoordeeld, maar over de belasting horen zij betrekkelijk weinig. Het zelfde geldt overigens voor de onderzoekwereld. Er zijn veel meer publicaties over de constructie zelf dan over de belasting erop. En tenslotte wil ook de ontwerper in de praktijk bij voorkeur een zo eenvoudig mogelijk belastingvoorschrift. Tegen ingewikkelde formules voor de constructie-berekening wordt veel minder opgezien. Je zou kunnen zeggen dat de civiel ingenieur een beetje aan belastingontduiking doet. De sterkte is duidelijk populair, de belasting is dat niet. Gunstige uitzonderingen in deze zijn de waterbouwkunde en de offshore. Zonder twijfel is deze uitzondering deels terug te voeren tot het geavanceerde karakter van de constructies in deze sectoren, waarbij vaak buiten het ervaringsgebied gewerkt moet worden. Maar ook de financieringsstructuurvan het onderzoek speelt hier parten. In de gewone bouw wordt veel commercieel onderzoek geïnitieerd en gefinancierd door bedrijven of bedrijfstakken, die vooral belang hebben bij onderzoek naar het gedrag van hun produkt. Dat is vrijwel per definitie onderzoek naar de sterkte en naar een overtuigende bereke-
5
ningsmethode daarvoor. 'Commercieel onderzoek' is inderdaad niet precies hetzelfde als 'Maatschappelijk relevant onderzoek'. Als leidraad voor mijn betoog over de belasting neem ik het werk van C1B werkgroep W81, waarvan ik, naar u zult begrijpen, deel uitmaak. Deze commissie heeft zich tot doel gesteld informatie te verzamelen over en modellen te ontwikkelen voor op civiele constructies veel voorkomende belastingen. U moet daarbij denken aan eigen gewicht, vloer-, sneeuw- en windbelasting, belasting door verkeer zowel op bruggen als in gebouwen, golven, silobelasting, aardbevingen, brand, explosies, botsingen, enz. Uitgangspunt voor al deze belastingen is dat het stochastische grootheden zijn die variëren in ruimte en tijd. De modellen die deze fluctuaties beschrijven dienen dit te doen met de graad van gedetailleerdheid die bij de beoordeling van constructies nodig is. Nu is dat vooraf en in het algemeen moeilijk te zeggen. De grootste interesse gaat als vanzelfsprekend uit naar de extreme waarde in de levensduur. Maar er is meer dat ons bezig dient te houden. Op de eerste plaats is de maximale totale belasting op de constructie niet de optelsom van individuele maxima. Het maximum van de ene belasting hoeft in de tijd niet samen te vallen met dat van de ander. We hebben dus het belangrijke probleem van de beiastingcombinaties. Verder zijn ook voor lange-duursterkte, kruip, vermoeiing en bruikbaarheid meer gegevens nodig dan alleen de verdeling van de extreme waarde. Globaal gesteld moet men dan weten hoelang de verblijftijd voor elk belastingniveau is. Tenslotte, bij zeer snelle belastingfluctuaties gaat de constructie dynamisch reageren. Dit vereist een nauwkeurige beschrijving van het hoogfrequente deel van de belastingwisselingen. Omdat CIB W81 geen specifieke toepassing op het oog heeft, is besloten de modellen vrij algemeen te houden. De informatie is bedoeld voor de voorschriftenmakers van de toekomst. Voor een deel kunnen dat voorschriften zijn zoals wij die op dit moment kennen: zeg maar met partiële veiligheidsfactoren, combinatieregels, lange-duurcorrecties, dynamische vergrotingsfactoren, enz., kortom het bekende woud van gamma, phi en psi-factoren. Maar tegelijkertijd staat ons ook een ander soort voorschrift voor ogen,
6
een probabilistisch voorschrift, waarin expliciet de volledige modellen voor de belasting worden gegeven, te zamen met gestandaardiseerde procedures hoe hiermee verder te manipuleren. Ik kom hier in het derde deel van deze rede nog op terug. Eerst de modellen zelf. Alhoewel belastingen en toepassingen onderling qua karakter totaal kunnen verschillen, blijken er toch maar enkele basismodelien nodig voor de beschrijving van hun fluctuaties. Vanmiddag wil ik met u er drie kort bespreken.
F1+F2
Borges-Castanheta-model
7
Het eerste model is het Borges-Castanheta-model of blokmodei. In dit model worden belastingen bloksgewijs gevarieerd. Als men alle belastingwisseiingen erg nauwkeurig wil volgen, zijn de waarden in de opeenvolgende blokken normaliter niet onafhankelijk. In zeer veel gevallen is het echter mogelijk om het interval A t zo te kiezen dat de opeenvolgende blokken wel stochastisch onafhankelijk zijn. Als daaraan voldaan kan worden ontstaat een zeer krachtig model waarmee problemen als belastingcombinaties, duureffecten, bruikbaarheidsgrens-toestanden zonder veel moeite aangepakt kunnen worden. Het aantal parameters dat nodig is om middels dit model een belasting te beschrijven is drie: het gemiddelde voor de beschouwde referentieperiode, een standaardafwijking voor de spreiding en een fluctuatietijd A t , die aangeeft om de hoeveel tijd een nieuwe onafhankelijke waarde wordt aangenomen. De waarde van de fluctuatietijd kan variëren van enkele uren voor windbelasting of significante golfhoogte tot enkele jaren voor een vloerbelasting.
T
L_i_L. il II
I I I I
I I il ii
1 I
At Poisson-puls-model Een tweede interessant belastingmodel is het Poisson-pulsmodei, dat bedoeld is voor de modellering van plotselinge belastingen. Bij dit proces bestaat er in elk willekeurig, even lang tijdsinterval eenzelfde kans dat een bepaalde gebeurtenis optreedt. Die gebeurtenis kan bij elk probleem nader worden ingevuld. Sn
8
het kader van belastingen op constructies kunt u denken aan explosies, aardbevingen, brand, botsing, enz. Het Poisson-proces wordt in de civiele techniek dus meestal geassocieerd met rampen. In toenemende mate is het echter nodig om dit soort belastingen ook mee te nemen in het ontwerp. De vraag of en in welke mate aan de gevolgen van een dergelijke rampgebeurtenis aandacht moet worden besteed, wordt voor een belangrijk deel beheerst door de kans waarmee de gebeurtenis optreedt. Uiteraard moet voor een volledige beschrijving ook de intensiteit van de gebeurtenis zelf nog worden gemodelleerd. Het maakt verschil of de brand beperkt blijft tot de pruilemand, of dat een huis volledig uitbrandt. Ook hier komen we dus op een karakterisering met drie kentallen: de kans per tijd, het gemiddelde en de standaardafwijking van de intensiteit. Het Poisson-proces heeft iets verraderlijks over zich. Wiskundigen praten dan over een paradox. Staande aan het begin van een periode kunnen we uitrekenen wat de verdeling is van de tijd die verstrijkt totdat de betreffende Poisson gemodelleerde gebeurtenis zal optreden. Die verdeling heeft een gemiddelde en een standaardafwijking. Laten we als gebeurtenis even iets alledaags nemen: het aankomen van bussen bij een bushalte. Stel dat iemand ontdekt heeft dat de bussen gemiddeld om de 10 minuten arriveren, maar daaromheen nogal wat spreiding vertonen. Hij modelleert vervolgens de aankomst van de bussen als een Poisson-proces. De consequenties daarvan zijn echter onverwacht. De gemiddelde wachttijd is 10 minuten. Wie dus een bus net mist, moet gemiddeld 10 minuten wachten. Het merkwaardige is nu dat die tijd niet vermindert. Als hij laten we zeggen 5 minuten gewacht heeft, zou je denken dat hij gemiddeld nog maar 5 minuten te wachten heeft. Het model leert echter dat hij nog steeds gemiddeld 10 minuten moet wachten. De conclusie hieruit moet zijn dat het model niet geschikt is om de aankomst van bussen bij een halte te modelleren. Als dat we! kan, dan mankeert er iets aan de wijze waarop de betreffende maatschapppij de dienstregeling uitvoert. Maar voor de brand in een woning klopt het wel degelijk. Zeg dat in een woning gemiddeld eens in de 100 jaar brand uitbreekt. Globaal wordt ieder huis
9
dus een keer in honderd jaar door brand getroffen. U hoeft echter niet extra bang te worden als u in een huis woont dat 99 jaar oud is en waarin nog nooit brand is geweest. Moeilijker wordt het bij een aardbeving. Een aardbeving is vaak het gevolg van de opbouw van spanningen in de aardkorst. Na de beving zijn de spanningen gereiaxeerd en begint de opbouw weer van voren af aan. Dit periodiek getinte verschijnsel zou de modellering via een stationair Poisson-proces moeten verstoren, vergelijkbaar met de wachttijd op de bus. In werkelijkheid is het probleem echter zo complex dat modellering via een eenvoudig stationair Poisson-proces voor praktische doeleinden goed genoeg is.
Fl
Lonbekende fasehoek F2
WÊmmmm F1+F2+..
Gaussisch proces
10
Een derde interessant belastingmode! is het Gaussisch proces, waarmee meestal, zij het niet noodzakelijk, de snellere belastingveranderingen gemodeileeerd worden. Gaussische processen maken op veei ingenieurs de indruk erg ingewikkeld te zijn, maar zijn dat in wezen helemaal niet. Misschien is het te eenvoudig. De basis van het Gaussisch proces is een enkeie sinus met een stochastische fasehoek. Dat wil zeggen: we weten van de sinus de frequentie, we kennen de amplitude, we weten alleen niet precies wanneer de sinus door de nul heengaat. De moeilijkheid is dit bijna onnozele stukje onzekerheid ais essentieel te zien. Het probleem is dat er geen enkelvoudige sinusvormige belasting is, waarbij dit direct van belang is. Bij het ontwerpen van een machine-fundament bijvoorbeeld, wil de ontwerper weten wat de frequentie van de machine is en hoe groot de onbalans, maar hij zal zich geen zorgen maken of de machine om twaalf uur dan wel een seconde over twaalf wordt aangezet. Het effect van de onzekerheid in de fasehoek van de sinus komt pas tot uiting bij een groot aantal. Beschouw daartoe een groot aantal sinusfuncties, alle met verschillende frequentie en amplitude. Kies voor iedere sinus een random fasehoektussen 0 en 360 graden, bijvoorbeeld door het gooien van een grote dobbelsteen met 360 kanten eraan. De som van deze sinussen is dan een model waarmee belangrijke belastingen als wind of golven beschreven kunnen worden. Uiteraard moet voor elke frequentie de juiste keuze voor de amplitude worden gedaan. De informatie daarvoor is te vinden in het spectrum. Om een dergelijk proces te karakteriseren is dus minstens een gemiddelde nodig en twee of drie kenmerken van het spectrum, meestal de standaardafwijking, de centrale frequentie en de breedte van het spectrum of de vorm van de staart. Het Gaussisch proces als middel om variaties in ruimte en tijd te modelleren, heeft binnen de civiele techniek de meeste bekendheid gekregen bij de beschrijving van wind en golven, met name om via de weg van het frequentiedomein de lineaire dynamische responsie te kunnen bepalen. De reden daarvan is dat over het algemeen goed bekend is hoe een constructie reageert op een individuele sinusbelasting. In theorie in elk geval, in de praktijk valt
11
het nog we! eens tegen. De toepassingen van het Gaussisch model zijn echter allang niet meer tot deze categorie van berekeningen beperkt gebleven. Ten eerste zijn er de uitbreidingen naar de responsie van niet-lineaire systemen. Verrassend genoeg blijft hier een spectrale aanpak langer mogelijk dan op het eerste gezicht voor mogelijk wordt gehouden. Maar ook als de overstap naar een tijdsdomeinberekening noodzakelijk wordt, blijft het belastingmodel als zodanig onverkort bruikbaar. Een ander vruchtbaar gebleken toepassingsgebied van de Gaussische processen is de beschrijving van ruimtelijke fluctuaties. Neem bijvoorbeeld de ruimtelijke fluctuaties van de vloerbelasting. Op een klein oppervlak kunnen plaatselijk zeer hoge belastingen voorkomen, bijvoorbeeld een pianopoot. Naarmate het belastingeffect in een constructiedeel bepaald wordt door een groter vloerdeel, neemt de kans af dat de gemiddelde waarde erg hoog is. Met een variant op het Gaussisch proces is dat uitstekend te modelleren zodat reducties in vloerbelastingen voor grote oppervlakken op rationele wijze gekwantificeerd kunnen worden. Het Gaussisch proces kan ook worden toegepast op het eigen gewicht. Op het eerste gezicht verbaast dat wellicht: een ingewikkeld model voor een eenvoudige belasting. Toch zijn de resultaten de moeite waard. Het gaat dan natuurtijk niet in de eerste plaats om het bepalen van het buigend moment in het midden van de vloer. Het gaat om die gevallen waar juist de fluctuaties rondom de gemiddelde waarde een grote invloed hebben, zoals excentriciteiten bij schaaldaken. De gangbare praktijk is dat de excentriciteiten worden teruggekend uit de gemeten bezwijkbelasing. Een deel van de excentriciteit valt echter via een Gaussisch model uit de gewichtsbelasting te herleiden. We moeten daartoe informatie hebben over de variaties in de afmetingen {maattoleranties) en de variaties in de massadichtheid. Voor een van de meest succesvolle toepassingen van Gaussische processen in de civiele techniek moeten we overstappen van de belasting- naar de sterktekant, om precies te zijn naar de sterkte van taluds. Iedereen weet dat grond onder een helling kan staan, maar als de helling te steil is, kan er een afschuiving optre-
12
den. Hiervoor zijn rekenmodellen beschikbaar. De gewone deterministische rekenmodellen voorspellen in principe een oneindig lang afschuifvlak, terwijl in de praktijk altijd afschuifvlakken van 30 tot 100 m worden waargenomen. Indien de grondeigenschap voor de sterkte gemodelleerd wordt ais een Gaussisch proces, dan vindt men in beginsel een eindige glijvlaklengte. De clou is dat, ais gevolg van de fluctuaties, een gebied ontstaat, waar de sterkte iager is dan in de omgeving. Onzekerheid als voordeel Vooral vanuit filosofisch oogpunt hebben we hier een opmerkelijk resultaat. Het Gaussich proces is gevormd door de som van een groot aantal sinussen. Aan iedere sinus is een klein snufje onzekerheid toegevoegd in de vorm van een onzekere fasehoek. We geven dus toe die fasehoek niet precies te weten. Door toe te geven iets niet precies te weten, zijn we in staat bepaalde zaken te berekenen en te begrijpen die anders niet verklaard kunnen worden. Soms is het kennelijk beter niet alles precies te weten. Jaren geleden, ten tijde van de eerder gememoreerde democratiseringsgolf, luidde een van de gevleugelde uitdrukkingen dat het beter was om niet gehinderd te worden door kennis, in bovenstaand voorbeeld hebben we een geval waar deze uitspraak op onverwachte wijze met recht in stelling gebracht kan worden. Onwetendheid kan dus vruchten afwerpen. Wetlicht had u die uitspraak niet gauw uit de mond van een wetenschapper verwacht. In dit opzicht zijn er echter nog verdergaande voorbeelden. Er zijn situaties waarin het in principe mogelijk is om alles exact te beschrijven en met alle details rekening te houden, maar het kan wei hoogst bewerkelijk zijn. In dat geval kan met vrucht gebruik worden gemaakt van het begrip 'randomizen'. We maken dan random, stochastisch, wat eigenlijk deterministisch is. Een voorbeeld uit de praktijk: het is bekend dat de belasting in slaapkamers gemiddeld lager is dan die in woonkamers. Moet een belastingvoorschrift daar nu wel of geen rekening mee houden? Als het wel gebeurt, wordt het voorschrift ingewikkelder. Een mogelijke oplossing is om het type kamer te randomizen. Het argument ter rechtvaardiging is dat een (slechte) vloerbalk van te voren niet
13
weet of hij in een woonkamer of een slaapkamer terecht zal komen. Een ander voorbeeld is de richting van de windbelasting. De wind waait uit diverse richtingen, maar meestal harder uit het westen. De windroos is niet symmetrisch. In de voorschriften wordt daarmee geen rekening gehouden. Ais rechtvaardiging geldt dat atie gebouwen een verschillende oriëntatie hebben. Van ieder willekeurig gebouw is de gebouworiëntatie natuurlijk precies bekend. Maar op het niveau van de voorschriftenmaker is er sprake van een populatie van gebouwen met een uniforme verdeling. Op dit niveau kan hij dus beslissen de gebouworiëntatie te randomizen. ik wil op dit punt de hoofdschotel afsluiten, uiteraard in het besef dat veel onbesproken moet blijven, zoals bijvoorbeeld het combineren van de verschillende modellen, de rekentechnieken die nodig zijn om er mee te kunnen werken, de statistische gegevens, enz. Ik hoop echter dat u met het voorgaande een voldoende idee heeft gekregen van de hoofdlijnen van dit interessante onderzoekveid dat bezig is in hoog tempo zijn weg naar de praktijk te vinden. Enkele lijnen naar de toekomst Daarmee kom ik toe aan het derde en laatste onderdeel van deze rede, het nagerecht, waarin ik enkele door mij verwachte toekomstige ontwikkelingen wil aanstippen. Ik heb mij daarop niet voorbereid via grondige toekomstverkenningen. Niet gehinderd door al te veel systematische kennis, wil ik echter toch een aantal lijnen, zoals ik die in mijn omgeving waarneem, aan u doorgeven. Voorschriften /normalisa tie Veei van het werk waar ik via 1BBC-TNO mee te maken heb is het normalisatie- en voorschriftenwerk. Ik denk dat dit heel belangrijk werk is, omdat via de normalisatie veel van de verworvenheden van de wetenschap in de praktijk worden toegepast. Op dit moment wordt gewerkt aan de herziening van de bouwvoorschriften van 1972. Er is veel veranderd en veel verbeterd. Toch is een ding eigenlijk hetzelfde gebleven. Het zijn boeken en zelfs dikke boeken. Oneerbiedig spreken we vaak van kookboeken, met kant
14
en klare recepten voor het uitrekenen van allerlei belastingsituaties, constructie-onderdelen, enz., vaak nog sterk georiënteerd op handberekening volgens het LSD-concept: Lineair, Statisch en Deterministisch, omgeven door de al eerder genoemde knikcoëfficiënten, plastic excuses, stootfactoren, vergrotingsfactoren, veiligheidsfactoren, enz. Een dergelijke vorm van presentatie heeft denk ik zijn langste tijd gehad. Waarom bijvoorbeeld zouden wij bij IBBC-TNO berekeningen maken via een computerprogramma voor de bepaling van de dynamische vergroting van de windbelasting, de resultaten daarvan vangen in grafieken om vervolgens de constructeur te laten interen extrapoleren omdat zijn geval er net niet bijstaat. In een tijd van PC's, floppies, computerprogramma's, databestanden, expertsystemen enz, komt dat primitief over. Het voorschrift zou zich moeten beperken tot het aangeven van de algemene principes en geen uitgebreide uitwerking moeten bevatten. Het zou voldoende moeten zijn de vereiste betrouwbaarheidsniveaus aan te geven in combinatie met de te hanteren modellen voor belasting en constructie-eigenschappen, inclusief de kentallen voor de fluctuaties in ruimte en tijd. De keuze is vervolgens aan de constructeur op welk niveau hij verder een uitwerking verkiest. Een dergelijke opzet zou veel meer recht doen aan de vele mogelijkheden die de huidige constructeurs tot hun beschikking staan. Een dergelijke gedachte strookt ook met de visie zoals die bijvoorbeeld wordt uitgedragen door CIB W81 en het Joint Committee on Structural Safety. Daarmee zeg ik niet dat we zomaar computerprogramma's moeten uitdelen. Het is maar al te vaak bewezen dat onoordeelkundig gebruik van programma's tot grote fouten kan feiden. Maar dat waren de programma's van 10 jaar terug. De tegenwoordige programma's zijn veel gebruikersvriendelijker en op dat pad moet worden doorgegaan. Bij iedere invoerparameter hoort een toelichting om de gebruiker in juiste banen te leiden. Deze toelichting zou kunnen staan in een expertsysteem dat aan het programma gekoppeld is. Veel ontwikkelingswerk zal zich daar in de komende
15
tijd ongetwijfeld op gaan richten. Het lijkt mij ook een ideaal veld waar TU, TNO, overheid en bedrijfsleven in kunnen participeren. De overheid speelt daarbij op twee fronten een rol. Als participant in het bouwen is Rijkswaterstaat vergelijkbaar met andere bouwondernemingen. Via het ministerie van VROM vervult de overheid echter ook de taak van regelgever. Actueel daarbij is de voorbereiding van het Bouwbesluit. In principe strookt de gedachte om alleen veiligheidseisen en globale modellen te presenteren goed met een van de uitgangspunten van het Bouwbesluit: beperking van de voorschriften tot de prestatie-eisen. Het Bouwbesluit heeft echter nog een tweede uitgangspunt: toetsbaarheid en eenduidigheid. Op dit moment dreigt dit tweede uitgangspunt het te winnen van het eerste, waardoor een voorkeur ontstaat voor eenvoudige regels boven principes en uitgangspunten. Een concreet gevolg hiervan is dat in de huidige versie van het Bouwbesluit geen rol van betekenis is weggelegd voor de TGB-Algemeen, NEN 6700. Bij afwijkende gevallen wordt men niet verplicht het pad dat aan de totstandkoming van de diverse belasting- en materiaalvoorschriften ten grondslag heeft gelegen zoveel als mogeiijk is te volgen. Het valt te hopen dat het Bouwbesluit voor zijn inwerkingtreding op dit punt nog zal worden bijgesteld. Ik ben in bovenstaande erg snel over een belangrijk punt heengestapt, namelijk de vaststelling van het vereiste veiligheidsniveau. Tegenwoordig gebeurt dit voornamelijk door te vergelijken met bestaande dimensioneringsmethoden. In de droge civiele techniek heet dit 'calibratie', in de dijkenbouw 'geen trendbreuk'. Dit kan de indruk wekken dat er weinig essentiële vernieuwing is. Toch biedt ook de huidige situatie al veel voordelen, omdat er betere mogelijkheden komen in afwijkende gevallen consistent te handelen. Dit neemt niet weg dat onderzoek naar het gewenste veiligheidsniveau op basis van een rationele risico-afweging een hoge prioriteit verdient Meten aan gebouwen Een andere lijn naar de toekomst waar ik bij deze gelegenheid graag op wil wijzen is de toegenomen mogelijkheid om gegevens
16
aan echte constructies te ontlenen. Vroeger was het bepaald erg ingrijpend om aan constructies metingen te doen. Vele mannen met ingewikkelde apparaten moesten er voor in het geweer komen. Met name de permanente bewaking van een gebouw was eigenlijk uitgesloten. De computer heeft echter de mogelijkheden op dit gebied aanzienlijk verruimd en hiervan zou meer gebruik gemaakt moeten worden. Veel onderhoud begint met een goede bewaking van de gebouwen. Moderne meetapparatuur maakt het mogelijk gebouwen regelmatig met weinig inspanning te monitoren. In de mechanica-sfeer kan men zowel informatie ontlenen aan de responsie op kunstmatige excitaties als op natuurlijke belastingen. Bij kunstmatige excitaties moet u denken aan een speciaal voor dit doei aangebrachte puls- of stapbelasting. Hiermee krijgt men een goed beeld van enkele belangrijke constructie-eigenschappen. De responsie op natuurlijke belastingen maakt het mogelijk de gehele berekeningsketen te verifiëren. Dergelijke gegevens geven naast inzicht in het functioneren van het betreffende gebouw een terugkoppeling naar de ontwerpmethodiek. Op die manier vindt men veel van de ontbrekende schakels, die het laboratoriumonderzoek niet leveren kan. Met name in het veld van belastingen en belastingeffecten valt hier vee! waardevolle informatie te verkrijgen. Een bijzondere methode van monitoren is die waarbij actief op de gemeten verplaatsing wordt ingespeeld door kunstmatig tegenwerkende belastingen op te roepen. In het bijzonder bij dynamisch belaste constructies kan dit een methode zijn om bijvoorbeeld opslingeringen actief te bestrijden, in de eerste plaats denkt men dan aan hoge gebouwen in aardbevingsgebieden, maar ook toepassingen bij offshore constructies, constructies die door de wind worden belast of bruggen met verkeersbelasting zijn zeker niet uit te sluiten.
17
Nabeschouwing Deze intreerede bestond uit drie delen. Sta mij toe de hoofdpunten nog even de revu te laten passeren en waar mogelijk nog enkele verbanden aan te brengen. De hoofdschotel bestond uit een beschrijving van fluctuaties in ruimte en tijd voor de belasting op een constructie, ik vraag mij natuurlijk af wat er bij uzoal blijft hangen. Het zou kunnen zijn dat u aan dit deel het idee heeft overgehouden dat de meest geavanceerde manier om een constructie uit te rekenen is om vele malen met een dobbelsteen te gooien. Op de keper beschouwd is dit nog juist ook, al noemen we de dobbelsteen een random number generator. De kunst is echter niet het gooien zelf, maar de verwerking van het resultaat. Verder mondde het middelste deel van deze rede uit in de stelling dat het vaak beter is om niet alles precies te weten. Deze stelling kan ook op het wetenschappelijk onderzoek zelf worden toegepast. Bij veel onderzoek zou moeten worden afgewogen of de kosten van het onderzoek opwegen tegen de baten. Baten kunnen dan zijn: goedkopere constructies, veiliger constructies, duurzamer constructies, enz. De afweging zal vaak erg moeilijk expliciet te maken zijn, maar de grondgedachte is zinvol bij veel commercieel toepassingsgericht onderzoek. Voor het fundamentele onderzoek ligt dit veel moeilijker. Toen Faraday het electron had ontdekt, vroeg zijn huishoudster hem naar het nut ervan. Faraday haalde de schouders op en zei: 'Wat is het nut van een pasgeboren baby?' De les hieruit is duidelijk. Het fundamenteel onderzoek moet langs andere weg worden veiliggesteld. Een goede samenwerking tussen TU en TNO is daarbij een van de aangewezen middelen.
18
Besluit Geachte leden van het College van Bestuur en van het College van Dekanen Graag wil ik aansluiten bij een goede gewoonte door aan het slot van deze inaugurale rede u te danken voor mijn benoeming en het vertrouwen dat daar uit blijkt. U mag gerust weten dat ik lang heb nagedacht bij het aanvaarden van deze benoeming. De drukke functie die ik heb bij de afdeling Dynamica van iBBC-TNO, beschouwde ikzelf als een mogelijk nadeel voor een goede uitoefening van deze voor mij nieuwe functie aan deTU. Nu ik eenmaal de stap genomen heb, kunt u er echter van op aan dat ik met volle overgave in mijn nieuwe functie zal werken. Geachte directie en medewerkers van IBBC-TNO Ruim 10 jaar werk ik inmiddels bij het IBBC-TNO, de eerste jaren daarvan als wetenschappelijk medewerker bij de afdeling Betonconstructïes en sinds 1984 als hoofd van de afdeling Dynamica. Ik heb al laten doorschemeren dat dit een drukke baan is die veel tijd en inspanning vraagt. Dat geldt overigens niet alleen voor mijn functie, maar dat geldt voor veel functies binnen het instituut. Maar er staat veel tegenover. Het werk wordt gekenmerkt door een permanente uitdaging geavanceerde theorie en weerbarstige werkelijkheid aan elkaar te koppelen. Ik hoop dat mijn benoeming van hoogleraar aan de Technische Universiteit Delft een extra stimulans voor dit werk zal betekenen. Geachte leden van de Vakgroep Mechanica en Constructies Wij kennen elkaar al geruime tijd. In 1969 ben ik bij de toenmalige leerstoel Toegepaste Mechanica afgestudeerd en er daarna komen werken, eerst als voltijdmedewerker, later als deeltijdmedewerker. De samenwerking is altijd bijzonder plezierig en collegiaal geweest. Ik heb alle reden om te vertrouwen op een ongewijzigde voortzetting daarvan. Dames en heren studenten De stelling dat het niet nodig is om alles precies te weten en toch een voldoende resultaat te behalen wordt door u haast dagelijks in
19
praktijk gebracht. Ik neem u dat niet kwalijk. U heeft het tegenwoordig zeker niet eenvoudig en dan laat ik de perikelen rond rechtszekerheid en studiefinanciering nog even buiten beschouwing. Met name doei ik op de kortere studieduur die sinds 1982 aan deze afdeling is ingevoerd. Op vee! terreinen wordt toch van u vereist dat u hetzelfde weet en kunt als de generatie studenten voor u. Ik zal met dat probleem rekening dienen te houden. Maar dan met name door te werken aan goed onderwijsmateriaal en een goede begeleiding. De eisen moeten naar mijn mening hoog blijven. De praktijk heeft behoefte aan gedegen opgeleide ingenieurs, die goed zijn voorbereid op de veranderingen van de toekomst. Ik dank u voor uw aandacht.
20
