Wettelijk Toets Instrumentarium (WTI)
Ferdinand Diermanse Deltares
Deltares Kennisinstituut op het gebied van water en geotechniek Ongeveer 800 werknemers Vestigingen in Utrecht en Delft (+ USA, Singapore, Jakarta) In 2008 ontstaan door fusie van o WL | Delft Hydraulics – hydraulica, morfologie, integraal waterbeheer o GeoDelft - geotechniek o Onderdeel TNO – ondergrond en grondwater o Onderdelen Rijkswaterstaat - hydraulica, integraal waterbeheer, beleid
2
Deel I: achtergrond WTI
Lange historie van overstromingen in Nederland
4
Overstromingen Zuiderzee 1916 1916
huidig
5
Overstronigen 1953 Zeeland/Zuid Holland
Overstromingen • 1836 slachtoffers • 1800 km 2 overstroomd
Deltaplan • Afsluiten van estuaria en rivieren • Definitie van veiligheidsnormen
6
Systeem van (primaire) waterkeringen Duinen
Dijken
Stormvloedkeringen
7 • The system is a closed ring of several structures
Veiligheidsnormen primaire waterkeringen
Sinds 1996: elke 5/6 jaar een “APK” keuring van de waterkeringen: De landelijke toetsing
8
Voorbeeld: resultaten tweede toetsronde 2006
2001: 19%
2001: 40%
2001: 41%
HoogWaterBeschermingsProgramma
9
Landelijke toetsing waterkeringen Uit te voeren door de keringbeheerder (waterschappen, provincies) Rijkswaterstaat stelt Wettelijk Toetsinstrumentarium (WTI) beschikbaar WTI bestaat uit: o Toetsprocedure o Maatgevende hoogwatergebeurtenissen o Modellen voor faalmechanismen van keringen
10
Toetslagen van het WTI WTI eenvoudig
conservatief
complex
scherp
1. Relevantietoets/Eenvoudige toets
2. Gedetailleerde toets
3. Geavanceerde toets/toets op maat
11
Ontwikkeling kennisbasis toetsing
Sinds de 1e Deltacommissie (1958) is veel fysische kennis en inzicht verworven. De grote stappen:
Veiligheidsbenadering
toets/ontwerp
Overschrijdingskans waterstanden (1958) vuistregels Overbelastingskans waterkering (1996)
veilige rekenregels
Overstromingskans dijkring (2017)
faalkansberekening
12
Advies 2000 TAW aan staatsecretaris
Eerste vervolgstap: VNK
13
Advies TAW Verschil met bestaande manier van toetsen o Berekening per dijkring in plaats van per dijkvak o Bepalen van de faalkans in plaats van “goedgekeurd of afgekeurd” o Meer expliciet meewegen van kennisonzekerheden o Meer gelijkwaardige behandeling van faalmechanismen
Gevolg: o betere prioriteitsstelling voor verbeteringswerken o beter inzicht in kennislacunes
14
Hydra-Ring Rekenroutines grotendeels gebaseerd op PC-Ring (VNK) Ivm PC-Ring meer gebruiksvriendelijk, robuust, efficient, nauwkeurig, beter gedocumenteerd, beter getest, meer flexibel/uitbreidbaar an makkelijker te onderhouden. Onderdeel van de toetssoftware Ringtoets
15
Ringtoets en Hydra-Ring
1. Relevantietoets/Eenvoudige toets
Gedetailleerde toets Hydra-Ring
2a. per vak 2b. per Ring
3. Geavanceerde toets/toets op maat
16
Ringtoets
Deel II – WTI 2017 berekening van overstromingskansen
Computes failure probability of protected area (dike ring)
Combining dikes, dunes, barriers and structures
18
Diverse faalmechanismen
falen indien belasting > sterkte
19
Falen waterkering Z=R-S Z: grenstoestandsfunctie R: sterkte/weerstand kering (doorgaans deterministisch model) S: hydraulische belasting (doorgaans probabilistisch model)
Z>0: sterkte>belasting
geen falen
Z<0: sterkte
falen
Z=0: sterkte=belasting
grenstoestand
20
voorbeeld formulering faalmechanisme overloop
Z=R-S=K-h K: kruinhoogte [m+NAP] h: waterstand [m+NAP]
grenstoestand: waterstand = kruinhoogte falen: waterstand>kruinhoogte
21
voorbeeld: faalmechanisme golfoploop
Z = K – (h + hr) K: h: hr:
kruinhoogte [m+NAP] waterstand [m+NAP] golfoploop tov waterlijn [m]
22
Voorbeeld: faalmechanisme “instabiliteit talud” Z en R “complexe functies”, afhankelijk van: type bekleding (gras, steen, asfalt), dikte bekleding, dikte onderliggende laag, materiaal onderliggende laag …)
23
Belasting Load versus resistance Hydraulisch belastingmodel getij, wind, neerslag
waterstand golven
bedreiging
Hydraulische belasting bij de kering
Falen ?? Sterktemodel 24
Verschillende belastingmodellen ea nS de d a W
Oos te
rsch elde
Westers chelde
Sea and estuaries
25
Gevraagd … Jaarlijkse faalkans van een dijkring (deel)
26
Falen kan optreden …
Op elke plek in de dijkring Op elk moment in het jaar Als gevolg van een scala aan faalmechanismen
27
Systeemanalyse: combineren van alle faalkansen overstroming
Falen dijkvak 1
Piping
t1
instabiliteit
t2
Falen dijkvak 2
Overslag
…
t3 28
Falen dijkvak 3
The major components of Hydra-Ring
Hydraulisch belastingmodel
Crude Monte Carlo FORM Numerical integration Directional sampling Importance sampling
Systeem analyse
Probabilistiche rekentechnieken sterkte model
Faalkans element
29
Faalkans dijkring
Faalkans van een enkel element - Monte Carlo
falen geen falen
30
Faalkans van een enkel element - Numerieke Integratie
failure no failure
X2
Z=R-S
Z=0
x
2
x
1
X1 31
Faalkans van een enkel element - FORM
32
Resumerend Numerieke integratie Crude Monte Carlo “snelle” Monte Carlo methoden o MC with importance sampling o Directional sampling First Order Reliability Method (FORM)
33
Systeemanalyse: combineren van alle faalkansen overstroming
Falen dijkvak 1
Piping
t1
instabiliteit
t2
Falen dijkvak 2
Overslag
…
t3 34
Falen dijkvak 3
Hydra-Ring: systeemanalyse met meerdere elementen
Een element is: 1 doorsnede van een waterkering 1 faalmechanisme 1 basistijdstap (getijperiode)
35
Voorbeeld: parallel system of 2 elements 1
2
Falen gebeurt als alle elementen falen Als de elementen onafhankelijk zijn: PFail = PF1* PF2
36
Voorbeeld: serie systeem van twee elementen 1
2
Falen gebeurt als 1 of meer elementen falen Indien de elementen onafhankelijk zijn: PFail = 1 – (1-PF1) * (1-PF2)
PF1 + PF2
als PF1 and PF2 zeer klein
37
Complexer als er sprake is van correlatie 1
2
PFail = PF1 * PF2 | F1
38
Correlatie in tiijd
Zeewaterstand (getijperiode)
Rivierafvoer (weken)
Dijk-karakteristieken (jaren)
39
Correlatiie in de ruimte Belastingvariebelen zoals windsnelheid, rivierafvoer, zeewaterstand: vele kilometers Dijk-karakteristieken: typisch in de orde van enkele honderden meters 1
( x)
x 0 0
0.5
1
1 .5
2
2 .5
3
x dx
40
Correlatie tussen belastingvariabelen
41
Gecombineerde faalkans met correlatie 1
2
PFail = PF1 * PF2 | F1
Correlatie tussen elementen wordt bepaald op basis van mate van overeenkomst van invloedsvariabelen
42
Afleiden correlaties tussen elementen
1 2
Variabele rivierafvoer zeewaterstand windsnelheid
dijkvak 1 dijkvak 2 100% 100% 0% 0% 0% 0%
Dijkvakken 100% gecorrelleerd
43
Afleiden correlaties tussen elementen
1 2
Variabele rivierafvoer zeewaterstand windsnelheid
dijkvak 1 dijkvak 2 100% 0% 0% 100% 0% 0%
Dijkvakken 0% gecorreleerd
44
Afleiden correlaties tussen elementen
1 2
Variabele rivierafvoer zeewaterstand windsnelheid
dijkvak 1
dijkvak 2 80% 15% 5%
20% 30% 50%
Dijkvakken 77% gecorreleerd
0.8*0.2
0.15*0.3
0.05*0.5 45
0.77
Tabellen met combinatieresultaten
Sectie 1
Sectie 2
Sectie j
Combinatie
Mechanisme 1
P11
P12
P1j
P1,ring
Mechanisme 2
P21
P22
P2j
P2,ring
Mechanisme i
Pi1
Pi2
Pij
Pi,ring
Pmech,1
Pmech,2
Pmech,j
Poverstroming
Combinatie
46
Voorbeeld resultaat dijkring
47
