WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken. Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies

Transcriptie

1 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies

2 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies Deltares, 2015, B

3 Deltares Titel WTI 2017Toetsregels Kunstwerken Opdrachtgever RWS Project Kenmerk Pagina's GEO Trefwoorden WTI2017, Kunstwerken,Sterkteen Stabiliteit, Faalmechanismen Keywords WTI2017, Hydraulicstructures,Strenght and Stability, Failuremechanisms Samenvatting Dit toetsspoorrapport bevat de basiselementen behorende bij het toetsspoor sterkte en stabiliteit kunstwerken (puntconstructies, d.w.z. sluizen, gemalen, coupures etc.). Deze basiselementen bestaan uit het toetsschemavoor de eenvoudigetoets (toetslaag 1) en de gedetailleerde toets (toetslaag 2), de beschrijving van de fenomenologie en het faalmechanismeen de beschrijvingvan de deelfaalmechanismen.de geschiedenisvan het faalmechanisme wordt beschreven alsmede de theoretische uitwerking hiervan in het WT De keuzes die hierbijworden gemaakt zijn onderbouwd.tenslotte wordt verwezen naar de schematiseringshandleidingen worden aanknopingspuntengegeven om een toets op maat (toetslaag3) uit te voeren. Summary This report is focusing on one specific failure mechanism of water retaining hydraulic structures, being strength and stability (with mechanismsfailure of constructionparts, failure of structure and surroundingsoil due to lack of stability and failure of sluice gate due to ship collision). The report has been set up in the framework of the research programmewti-2017 assigned by Rijkswaterstaat. It will form part of the collection of documents underlyingthe formal legallyapproved assessmentprocedureon the qualityof the water retainingnetworkin the Netherlands. The report holds amongst others review schedules, a fault tree and descriptions of the individual failure mechanisms. The report serves as a background documentto the separatelyreportedschematizationmanual. Referenties WTI2017 Zie de literatuurlijstaan het einde van ieder hoofdstuk. Versie Datum 01 dec.2015 Status definitief WT/2017 Toetsrege/sKunstwerken- ToetsspoorrapportSterkteen stabiliteitpuntconstructies

4 Inhoud 1 Inleiding Algemeen Achtergrond Wettelijk Toetsinstrumentarium 2017 (WTI 2017) Modulair Instrumentarium en documentatiestructuur Modulair instrumentarium en bouwstenen Documentatiestructuur WTI Cluster Toetsregels Kunstwerken Leeswijzer Referenties 5 2 Toetsschema sterkte en stabiliteit Inleiding Algemene toetsschema Eenvoudige toets toetslaag Gedetailleerde toets toetslaag Aanpassing ten opzichte van Toetsschema WTI Eenvoudige toets Gedetailleerde toets 9 3 Factsheet gedetailleerde toets Faalboom Deelfaalmechanisme Z 12 : Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie bodem Z-functie Model Deelfaalmechanisme Z 21 : Onvoldoende bergend vermogen Z-functie Sterktemodel Belastingmodellen Deelfaalmechanisme Z 22 : Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Z-functie Sterktemodel Belastingmodel Deelfaalmechanisme Z 411 : Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting Z-functie Sterktemodellen Belastingmodellen Deelfaalmechanisme Z 412 : Falen herstel sluiting na bezwijken keermiddel Z-functie Model Deelfaalmechanisme Z 421 : Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde Z-functie Sterktemodel Belastingmodel Deelfaalmechanisme Z 422 : Kans op aanvaring 2 e keermiddel Z-functie Model Deelfaalmechanisme Z 423 : Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring 21 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies i

5 3.9.1 Z-functie Sterktemodel Belastingmodellen Deelfaalmechanisme Z 43 : Instabiliteit constructie en grondlichaam Z-functie Sterkte modellen Belastingmodellen 23 4 Beschrijving faalmechanisme Inleiding Fenomenologische beschrijving Beschrijving op hoofdlijnen Gedetailleerde beschrijving van het faalproces bezwijken constructie onderdelen Gedetailleerde beschrijving van het faalproces instabiliteit constructie en grondlichaam Te toetsen deelfaalmechanismen voor bezwijken constructieonderdelen Te toetsen deelfaalmechanismen voor instabiliteit constructie en grondlichaam Reststerkte Schematisch overzicht van het faalproces Beknopte beschrijving van de te toetsen deelfaalmechanismen Deelfaalmechanismen bij bezwijken constructieonderdelen Deelfaalmechanismen bij instabiliteit constructie en grondlichaam Historie van de voorschriften voor het faalmechanisme Constructieve veiligheid Veiligheidsformats in bouwschriften vanaf Vigerende veiligheidsfilosofie en het toetsinstrumentarium VTV Wettelijk toetsinstrumentarium tot op heden WTI Wijzigingen in het WTI Beoordelingen in het WTI Referenties 48 5 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting Definitie Historie en kennisbasis Grenstoestandfunctie, sterkte en belastingmodellen Referenties 52 6 Beschrijving Deelfaalmechanisme Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) Definitie Historie en kennisbasis Grenstoestandsfunctie, sterkte en belastingmodellen 55 7 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel Definitie Historie en kennisbasis Grenstoestandsfunctie, modellering 59 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies ii

6 7.4 Referenties 60 8 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde Definitie Historie en kennisbasis Algemeen Kinetische energie van het schip Bezwijkenergie keermiddel-schip Normen en richtlijnen voor bepaling aanvaarbelasting Grenstoestandsfunctie, modellering Referenties 67 9 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 423 Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring Kennisbasis Grenstoestandsfunctie, modellering Referenties 70 10Beschrijving deelfaalmechanisme Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Definitie en historie Kennisbasis Instromend volume (belasting) Modellen instromend debiet Eenvoudig model verticale wand Eenvoudig model lage drempel Eenvoudig model verdronken koker Geavanceerde modellen instromend debiet Invloed verval op instromend debiet Kennisbasis kombergend vermogen (sterkte) Basisformulering Het kombergend oppervlakte Toelaatbare peilverhoging Kombergend vermogen per kunstwerk Nieuwe kennis Keuze model WTI Referenties 89 11Beschrijving deelfaalmechanisme Z 22 Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Definitie Kennisbasis Instromend debiet (belasting) Kennisbasis sterkte bodembescherming Kritieke stroomsnelheid bodembescherming Waterdiepte boven bodembescherming Stroomvoerende breedte Nieuwe kennis Keuze model WTI Referenties 94 12Beschrijving deelfaalmechanisme Z 12 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie bodem Historie en kennisbasis 95 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies iii

7 12.2 Beschrijving van het model Nieuwe kennis Keuze model WTI Referenties 97 13Beschrijving deelfaalmechanisme Z 412 Falen herstel sluiting na bezwijken keermiddel Definitie en historie Beschrijving van het model Nieuwe kennis Keuze model WTI Schematiseringshandleiding Invulling van de schematiseringshandleiding Referenties Toets op Maat Inleiding Aanleiding voor de Toets op maat Invulling van de Toets op maat Nadere bepaling sterkte van de te beschouwen constructieonderdelen Nadere vaststelling aanvaarbelastingen Nadere bepaling van de stabiliteit van het kunstwerk en het grondlichaam105 Bijlage(n) A Achtergrond hydraulische belasting met Goda (engels) A-1 A.1 The linear and quadratic limit state functions Z 411 and Z 43 A-1 A.2 Wave pressure distribution A-1 A.3 Linear load term A-4 A.4 Quadratic load term A-5 B Opmerkingen inzake implementatie Goda formules (engels) B-1 B.1 The Goda formula B-1 B.2 References B-3 C Definitie falen komberging C-1 D Begrippenlijst D-1 E Parameterlijst E-1 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies iv

8 1 Inleiding 1.1 Algemeen Voor de ontwikkeling van het Wettelijk Toetsinstrumentarium 2017 (WTI 2017) worden binnen het Cluster Toetsregels Kunstwerken (CTK) achtergrondrapporten voor de diverse toetssporen opgesteld. Dit toetsspoorrapport betreft het toetsspoor hoogte (faalmechanisme overslag en overloop). In deze inleiding wordt eerst de achtergrond van het WTI programma kort behandeld. Vervolgens wordt de opbouw van het modulaire instrumentarium belicht en de documentatiestructuur weergegeven. Daarna wordt de inhoud van het Cluster Toetsregels Kunstwerken beschreven en een leeswijzer voor voorliggend toetsspoorrapport gegeven. 1.2 Achtergrond Wettelijk Toetsinstrumentarium 2017 (WTI 2017) Voor het periodiek toetsen van dijkring(delen) aan de veiligheidsnorm tegen overstromen wordt binnen het onderzoeksprogramma WTI 2017 een Wettelijk Toetsinstrumentarium ontwikkeld dat aan beheerders voorschrijft hoe primaire waterkeringen te beoordelen. Aan de invulling van het WTI 2017 liggen beleidsmatige en inhoudelijke argumenten ten grondslag. Door RWS-WVL is, als gedelegeerd opdrachtgever namens het Ministerie van Infrastructuur en Milieu, aan Deltares gevraagd om binnen het WTI 2017 de inhoudelijke componenten van dit nieuwe instrumentarium voor de Vierde Toetsronde te ontwikkelen. Het WTI 2017 voor de Vierde Toetsronde is de opvolger van het WTI 2011, dat niet gepubliceerd of in gebruik is genomen. De doelstellingen voor het WTI 2017 zijn het overgaan op overstromingskansen en het in het instrumentarium implementeren van zoveel mogelijk nieuwe kennis ten opzichte van het WTI De uitwerking van deze doelstellingen binnen het (onderzoeks)programma vindt plaats binnen 12 inhoudelijke en meer generieke clusters, zie Figuur 1.1. Figuur 1.1 Indeling van het WTI/SBW programma in horizontale en verticale clusters In het programma WTI 2017 worden bestaande bouwstenen verbeterd en nieuwe ontwikkeld. Tezamen vormen de bouwstenen het Wettelijk Toets Instrumentarium. Deze bouwstenen zijn WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 1 van 105

9 mogelijk ook inzetbaar voor andere processen in het waterveiligheidsveld (ontwerp, beleidsstudies, programmering, crisismanagement en beheer en onderhoud). Het op maat maken van deze bouwstenen voor andere processen dan toetsen van primaire keringen valt buiten de opdracht, maar wordt in de volgende paragraaf wel kort belicht. Voor de toelichting, de visie en aanpak van het programma WTI 2017 wordt verwezen naar het overkoepelend Programmaplan WTI De uitgangspunten voor de activiteiten zijn verder uitgewerkt in het document Uitgangspunten WTI Modulair Instrumentarium en documentatiestructuur In deze paragraaf wordt aangegeven welke plaats Cluster Toetsregels Kunstwerken heeft in het modulaire instrumentarium en hoe haar uitwerking past in de documentatiestructuur. Voor een volledig overzicht van het modulaire instrumentarium wordt verwezen naar het document Uitgangspunten WTI 2017 [DLT-uitgangspunt 2012] Modulair instrumentarium en bouwstenen Het modulair instrumentarium bestaat uit een procesinstrumentarium en een basisinstrumentarium. Het procesinstrumentarium bevat onder andere het toets- en ontwerpinstrumentarium. Het basisinstrumentarium bevat bouwstenen of modules waarmee in de procesinstrumentaria gewerkt kan worden. Figuur 1.2 Modulair instrumentarium: Procesinstrumentarium en Basisinstrumentarium Sterkte en Belasting De veiligheid van de waterkering wordt bepaald door de sterkte van de kering in relatie tot de belasting op de kering. Het is dan ook belangrijk dat alle processen die gericht zijn op het behouden van de veiligheid van de kering, op een uniforme manier de sterkte van en de belasting op de waterkering bepalen. Het mag niet voorkomen met het toetsinstrumentarium wordt geconcludeerd dat een kering niet voldoet aan de norm en er volgens op basis van het ontwerpinstrumentarium wordt geconcludeerd dat er geen maatregelen nodig zijn. Daarom is het streven dat voor alle processen hetzelfde basisinstrumentarium sterkte en belasting gebruikt wordt. Cluster Toetsregels Kunstwerken richt zich op de sterkte kant van WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 2 van 105

10 kunstwerken, waarvoor in het basisinstrumentarium de volgende bouwstenen zijn uitgewerkt en verzameld in VTV achtergrondrapporten (zoals het voorliggende toetsspoorrapport): Faalmechanismebeschrijvingen: Betreft beschrijving hoe een mechanisme tot doorbraak leidt. Schematisatiehandleiding per toetsspoor: Betreft handleiding waarin staat beschreven hoe de werkelijkheid wordt geschematiseerd voor toepassing in een faalmechanismemodel. Geavanceerde analyses: Betreft handvatten voor geavanceerde analyses voor toets op maat. Het basisinstrumentarium wordt modulair opgebouwd. Sommige bouwstenen of modules worden in alle processen gebruikt, andere modules zijn alleen ontwikkeld voor specifieke processen. Modules die kenmerken of gedrag van keringen beschrijven zijn toepasbaar in alle processen. Dit betekent overigens niet dat ook alle gedragsmodellen in alle processen worden gebruikt. De modules die gaan over het omgaan met onzekerheden of rekentechnieken zijn vaker proces-specifiek. Het procesinstrumentarium beschrijft de processen die gericht zijn op het behouden van de veiligheid van de kering en geeft de uitgangspunten voor het gebruik van het basisinstrumentarium: door wie, hoe en wanneer wordt dit gebruikt. Dit instrumentarium bestaat per proces uit: Procesbeschrijving. Handleiding voor het gebruik van het basisinstrumentarium; aangevuld met programma-, project- of organisatiespecifieke eisen en uitgangspunten Documentatiestructuur WTI2017 In Figuur 1.3 is een schematische weergave gegeven van de documentatiestructuur binnen WTI2017. Cluster Toetsregels Kunstwerken bestaat uit: 1) Bouwstenen die zijn samengevoegd tot VTV-achtergrondrapporten, zoals voorliggend toetsspoorrapport, welke vallen in laag 3. 2) Onderliggende (onderzoeks)rapporten die vallen in laag 4. Enkel laag 1 is formeel vastgesteld door de minister. 1.4 Cluster Toetsregels Kunstwerken Binnen het Cluster Toetsregels Kunstwerken (CTK) vindt het (door)ontwikkelen, implementeren en operationaliseren van kennis rondom het periodiek toetsen van kunstwerken in primaire waterkeringen plaats. De hoofddoelstelling van het CTK is om tot bouwstenen te komen waarmee eenduidig kan worden getoetst en waarmee het aantal scores geen oordeel zal worden teruggebracht ten opzichte van de toetsing met het vorige instrumentarium. De activiteiten binnen het CTK zijn erop gericht om de kwaliteit en de eenduidigheid van het huidige instrumentarium te verbeteren door per faalmechanisme de kennis van bestaande modellen te ontsluiten, modellen waar nodig te optimaliseren en eenduidige schematiseringshandleidingen op te stellen. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 3 van 105

11 Figuur 1.3 Documentatiestructuur en locatie documentatie WTI CTK De verschillende toetssporen binnen CTK, hun invulling op de verschillende toetsniveaus en de gehanteerde afkortingen zijn in Tabel 1.1 gegeven. De invulling van het instrumentarium voor kunstwerken op toetsniveau 2 gebeurt op basis van Figuur 1.4. Bij punt- en langsconstructies kan een (semi-)probabilistische toets voor een mechanisme alleen op vakniveau worden uitgevoerd. Hieruit volgt dat het toetsinstrumentarium voor kunstwerken alleen op niveau 2a kan worden ingevuld. Toetsspoor WTI 2017 WTI kennisbasis invulling niveaus a 2b 3 HT kw : hoogte kunstwerk X X Xp X BS : betrouwbaarheid sluiting X X Xp X PI kw : piping kunstwerk X X Xs # X STC-p : sterkte en stabiliteit puntconstructie X X Xs #, Xp X STC-l : sterkte en stabiliteit langsconstructie X X X # deze semi probabilistisch toetsregel wordt wel ontwikkeld maar niet in Ringtoets geprogrammeerd. Tabel 1.1 Overzicht (door)ontwikkeld toetsinstrumentarium WTI 2017 (p=probabilistisch, s=semi-probabilistisch) WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 4 van 105

12 2a-1 (niveau 2a) (niveau 2b) 2b-1 PI kw # ST-p # n.v.t. 2a-2 2b-2 HT kw, BS, ST-p HT kw, BS, ST-p # wordt wel ontwikkeld maar niet in Ringtoets geprogrammeerd. Figuur 1.4 Definitie van mogelijkheden voor (semi-)probabilistisch invullen van toetslaag 2 bij kunstwerken 1.5 Leeswijzer Per faalmechanisme wordt een VTV achtergrondrapport opgesteld. Dit toetsspoorrapport betreft het toetsspoor sterkte en stabiliteit (faalmechanismen sterkte constructieonderdelen (STCO) en stabiliteit constructie en grondlichaam (STCG)) en is een bundeling van verschillende bouwstenen. Hieronder is in Tabel 1.2 aangegeven hoe de samenhang binnen dit rapport is in relatie tot de WTI bouwstenen. Hfst Titel WTI 2017 bouwsteen 1 Inleiding - 2 Toetsschema Toetsschema 3 Factsheet gedetailleerde toets - 4 Beschrijving faalmechanisme sterkte en stabiliteit Modelbeschrijving(en) 5-13 Beschrijving Deelfaalmechanismen Faalmechanismebeschrijving 14 Schematiseringshandleiding Schematiseringshandleiding 15 Handreiking toets op maat Handreiking toets op maat Tabel 1.2 Leeswijzer Toetsspoorrapport sterkte en stabiliteit 1.6 Referenties [DLT-uitgangspunt 2012] Uitgangspunten voor het WTI 2017, Deltares rapport GEO-0001, Versie 2, 1 oktober 2012, definitief WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 5 van 105

13 2 Toetsschema sterkte en stabiliteit 2.1 Inleiding Binnen het beoordelingsspoor sterkte en stabiliteit wordt onderscheid gemaakt tussen het beschouwen van de sterkte van de constructieonderdelen (faalmechanisme bezwijken constructieonderdelen (STCO)) en de stabiliteit van de constructie en het omringende grondlichaam als geheel (faalmechanisme instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG)). Verder wordt er in WTI 2017 bij waterkerende kunstwerken onderscheid gemaakt tussen puntconstructies en langsconstructies: Bij puntconstructies (o.a. sluizen) spelen onzekerheden gerelateerd aan de lengte (in de richting van de as van de waterkering) van het kunstwerk over het algemeen een ondergeschikte rol. Voor puntconstructies is binnen WTI 2017 in de deelsporen sterkte constructieonderdelen (STCO) en stabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) zowel een eenvoudige toets, een gedetailleerde toets als een Toets op Maat voorzien. Bij langsconstructies (o.a. schermen) moet dit lengte-effect nadrukkelijk wel in de beoordeling worden meegenomen. Hiervoor is binnen WTI 2017 in het gecombineerde spoor sterkte en stabiliteit langsconstructie (ST-lc) alleen een Toets op Maat voorzien. Het onderhavige toetsspoorrapport, en daarmee het toetsschema, heeft alleen betrekking op puntconstructies. In het vervolg worden deze als kunstwerken aangeduid. 2.2 Algemene toetsschema In onderstaande Figuur 2.1 is het algemene toetsschema gegeven waarmee binnen het WTI2017 gewerkt wordt. Middels het zwarte kader is tevens aangegeven waarop de in dit hoofdstuk gepresenteerde toetsschema s betrekking hebben. Figuur 2.1 Algemeen toetsschema WTI2017 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 6 van 105

14 2.3 Eenvoudige toets toetslaag 1 1a Het faalmechanisme is relevant voor de beoordeling van het kunstwerk Nee Ja 1b Het kunstwerk is volgens vigerende leidraden (of gelijkwaardig) ontworpen én de toetsrandvoorwaarden 1 zijn niet ongunstiger dan de ontwerprandvoorwaarden Nee Ja Mechanisme niet relevant Gedetailleerde toets Voldoet ruim 1 Hiermee wordt gedoeld op de geometrie, de belastingen, de actuele conditie van de constructie en de mate waarin het gebruik plaatsvindt binnen de gebruiksspecificaties van het beheersplan. Figuur 2.2 Toetsschema eenvoudige toets sterkte en stabiliteit deelsporen STCO en STCG In WTI 2011 wordt aangegeven, dat het mogelijk is om in de eenvoudige toets aantoonbare resultaten voldoet uit eerdere beoordelingen, op basis van de Leidraad Kunstwerken (2003) of het Voorschrift Toetsen op Veiligheid (2006) te gebruiken. Zowel toetssystematiek als hydraulische randvoorwaarden 1 zijn echter ingrijpend gewijzigd, zodat eerdere beoordelingen meestal alleen bruikbaar zijn bij het interpreteren van de resultaten binnen het WTI Opgemerkt wordt dat het van belang blijft de relevante gegevens over het kunstwerk compleet te verzamelen. Voor wat betreft de ontwerpuitgangspunten en gebruiksspecificaties in bijvoorbeeld een zogenaamd oplegblad voor het ontwerp (zie Leidraad Kunstwerken 2003) en voor wat betreft de conditie en gebruiksspecificaties in het beheersregister of beheersplan. In het verlengde van VTV 2006 en het WTI 2011 wordt gesteld dat er door de grote diversiteit in soorten, types en dimensies van kunstwerken het niet mogelijk is om algemeen geldende richtlijnen voor de eenvoudige toetsing van sterkte en stabiliteit te geven. 1 De wijzigingen van hydraulische randvoorwaarden binnen WTI 2017 kunnen ook leiden tot een afname van de belasting op een waterkerend object WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 7 van 105

15 2.4 Gedetailleerde toets toetslaag 2 Voor toetslaag 2 van de beoordeling van de deelsporen STCO en STCG voor kunstwerken is in het WTI 2017 een nieuw toetsschema opgesteld (zie Figuur 2.3). 2a.1 Gedetailleerde toets semi-probabilistisch (voor STCO en STCG niet geïmplementeerd in WTI 2017) 2a.2 Gedetailleerde toets probabilistisch: Faalmechanisme voldoet aan faalkanseis op doorsnedeniveau Nee Ja Naar keuze: Hoe verder? Voldoet Figuur 2.3 Toetsschema gedetailleerde toets sterkte en stabiliteit deelsporen STCO en STCG Voor alle deelsporen wordt in het WTI 2017 geen invulling aan stap 2a.1 (gedetailleerde toets semi probabilistisch) gegeven. De probabilistische beoordeling van de deelsporen STCO en STCG in stap 2 begint met het selecteren van constructieonderdelen welke dominant worden verondersteld voor de faalkans en de maatgevende belastingen en belastingcombinaties daarop. In eerste instantie kan bij STCO onderscheid worden gemaakt tussen afsluitmiddelen en overige onderdelen van de constructie. De overige te toetsen onderdelen zijn in de regel betonconstructies of oudere gemetselde constructies. 2.5 Aanpassing ten opzichte van Toetsschema WTI Eenvoudige toets De aanpassingen ten opzichte van het toetsschema WTI 2011 zijn: De opmaak van het schema is aangepast aan de huisstijl van het WTI De invulling van het schema in het WTI 2011 richtte zich op zowel langsconstructies als puntconstructies (beide aangeduid met de term kunstwerken ), terwijl het onderhavige toetsschema alleen op puntconstructies betrekking heeft. Stap 1a. In het WTI 2011 kan een kunstwerk onder voorwaarden de score voldoet krijgen op basis van het resultaat van een eerdere analyse. Aangezien zowel de toetssystematiek als hydraulische randvoorwaarden ingrijpend gewijzigd zijn, kan in stap 1.a en stap 1.b binnen het WTI 2017 toetsschema niet op een eerder toets- of ontwerpresultaat worden teruggegrepen om een gedetailleerde toets te vermijden. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 8 van 105

16 2.5.2 Gedetailleerde toets In het WTI 2011 is voor waterkerende kunstwerken (dus ook voor puntconstructies) geen apart schema opgenomen voor de gedetailleerde toets van sterkte en stabiliteit. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 9 van 105

17 3 Factsheet gedetailleerde toets Dit hoofdstuk dient als overzicht voor de totale kennisbasis van het toetsspoor sterkte en stabiliteit van kunstwerken. Dit beoordelingsspoor bestaat uit een drietal deelsporen zijnde sterkte constructieonderdelen, stabiliteit constructie en grondlichaam en aanvaring. In tegenstelling tot beide eerstgenoemde deelsporen, waarin falen is gerelateerd aan de vervalbelastingen die onder hoogwatercondities optreden, is het deelspoor aanvaring niet hoogwater-gedomineerd. De factsheet van de gedetailleerde toets geeft een beknopte samenvatting van enkele bouwstenen waaruit de complete beschrijving van het faalmechanisme bestaat. Het factsheet is een samenvatting van het toetsschema (bouwsteen B-TS, zie hoofdstuk 2), de faalmechanismebeschrijving (bouwsteen B-FMB, zie hoofdstuk 4-9) en de schematiseringshandleiding (bouwsteen B-SH, zie hoofdstuk 14). De factsheet bestaat uit de faalboom, de faalfuncties (z-functies) en de modellen en hierbij behorende parameters die gebruikt worden in de gedetailleerde toets. 3.1 Faalboom In onderstaande figuur is de modellering in de vorm van de faalboom van het toetsspoor sterkte en stabiliteit (die de deelsporen STCO, STCG en aanvaring omvat) voor kunstwerken. Zxx: deelfaalmechanisme Falen als gevolg van gebrek aan sterkte en/of stabiliteit Of Bezwijken waterkerende constructie-onderdelen Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam Falen t.g.v. aanvaring En En Z 411 Bezwijken constructie t.g.v. verval Falen door instroming Z 412 Falen herstel sluiting Bezwijken 2 de keermiddel t.g.v. aanvaring Falen door instroming Z 12, Z 21, Z 22 Z 423 Falen herstel fatale aanvaring Of En Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Falen door erosie van bodem bij instroming Z 422 Z 421 Kans op Aanvaarenergie aanvaring 2 de groter dan keermiddel kritieke waarde En Z 12 Z 22 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van bodem Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Figuur 3.1 Modellering toetsspoor sterkte en stabiliteit ten behoeve van deelsporen STCO en STCG WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 10 van 105

18 Falen ten gevolge van een gebrek aan sterkte en/of stabiliteit treedt op indien zoveel water door het bezweken kunstwerk gaat, dat dit tot dusdanige gevolgen aan de binnenzijde van de waterkering leidt, dat het faalcriterium (overstromingsgevolgen) wordt overschreden. Voorafgaand aan de instroming van water is (een kritisch onderdeel ten behoeve van waterkeren van) het kunstwerk bezweken. De volgende deelsporen zijn aanwezig: 1. Falen door bezwijken constructieonderdelen. Het gaat hier bijna altijd om het bezwijken van de keermiddelen van een kunstwerk, waardoor een grote hoeveelheid water naar binnen kan stromen. 2. Falen door instabiliteit constructie en grondlichaam. Als gevolg van instabiliteit bezwijkt het kunstwerk of het aanpalende grondlichaam, waardoor een grote hoeveelheid water naar binnen kan stromen. Hierbij kan worden gedacht aan bijvoorbeeld het bezwijken van de fundatie van het kunstwerk. Indien instabiliteit optreedt is herstel niet meer mogelijk en dus zijn er ook geen andere deelfaalmechanismen meer aanwezig. 3. Falen door aanvaring van het 2 de keermiddel. Dit is een deelspoor dat geheel gericht is op schutsluizen 2. Omdat het alleen op één type kunstwerk van toepassing is, wordt het niet als apart toetsspoor gezien, maar als één van de deelsporen bij sterkte en stabiliteit. Bezwijken vindt plaats indien de deuren in het buitenhoofd open staan en een schip de deuren in het binnenhoofd eruit vaart. De volgende deelfaalmechanismen zijn aanwezig: Z 12 Bezwijken (onderuit gaan) van het kunstwerk als geheel, gegeven het feit dat erosie van de bodembescherming heeft plaatsgevonden. Heeft betrekking op reststerkte van het kunstwerk na bezwijken bodembescherming. Z 21 Falen van het kunstwerk als gevolg van onvoldoende waterbergend vermogen in het achterland, doordat er te veel water instroomt gedurende een hoogwatergolf. Z 22 Bezwijken van de bodembescherming achter het kunstwerk als gevolg van het instromende water, wat uiteindelijk leidt tot het ontstaan van erosiekuilen. Z 411 Bezwijken constructieonderdelen als gevolg van de vervalbelasting op het betreffende onderdeel. Dit bezwijken leidt direct tot ongecontroleerde instroming van water. Z 412 Falen van het herstel van het waterkerende vermogen nadat een constructieonderdeel van het kunstwerk is bezweken. Z 421 Bezwijken van de deuren in het gesloten sluishoofd als gevolg van het aanvaren door een schip, gegeven dat de aanvaarenergie groter is dan de door de constructie opneembare energie. Z 422 Kans dat het gesloten keermiddel wordt aangevaren. Z 423 Falen van het herstel van het waterkerende vermogen met behulp van het niet gesloten keermiddel, nadat door aanvaring het gesloten keermiddel is bezweken. Z 43 Falen van het kunstwerk als gevolg van instabiliteit van het grondlichaam en/of de constructie. 2 Keersluizen hebben een zeer klein risico om aangevaren te worden, aangezien zij enkel bij hoogwater sluiten en de vaarweg voorafgaand aan de sluiting wordt gestremd. In het geval dat toch een groot risico voor aanvaring van een keersluis wordt ingeschat, kan de kans op falen door aanvaring in de toets op maat bepaald worden. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 11 van 105

19 3.2 Deelfaalmechanisme Z 12 : Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie bodem Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans op falen (bezwijken) van het kunstwerk gegeven het feit dat er erosie van de bodem optreedt (na falen van de bodembescherming) Z-functie Z 12 kw erosie u (3.1) Hierin is: kw erosie [-] Betrouwbaarheidsindex corresponderend met de faalkans van het kunstwerk, gegeven het bezweken zijn van de bodembescherming met het optreden van erosie van de bodem als gevolg u [-] Standaard normaal verdeelde variabele, betreft hulpmiddel voor de probabilistische som Model kwerosie 1Pf,kwerosie (3.2) P f,kw eros ie Hierin is -1 de inverse van de standaard normale verdeling en geldt verder: Eenheid Betreft [-] u [-] Faalkans kunstwerk gegeven bezwijken bodembescherming en optreden van erosie bodem Hulpparameter probabilistische som Geldigheidsgebied Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t 0 P f,kw erosie 1 det invoer nor 0 =1, Deelfaalmechanisme Z 21 : Onvoldoende bergend vermogen Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans dat het aanwezige bergend vermogen niet toereikend is om het totale instromende debiet tijdens een hoogwatergolf te bergen in het achterliggende systeem, zonder dat dit tot grote gevolgen leidt Z-functie Z VV 21 c instroom (3.3) Hierin is: V c [m³] Maximaal aanwezig volume aan kombergend vermogen in het achterland, waarbij geen significante gevolgen optreden. Dit is een sterktemaat voor het achterland. V instroom [m³] Instromend volume als gevolg van instroming door het geopende kunstwerk gedurende een hoogwaterperiode. Dit is de belasting op het achterland. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 12 van 105

20 3.3.2 Sterktemodel Voor het kombergend volume van het achterland geldt: V m A h c kom kom kom (3.4) Hierin is: Eenheid Betreft Geldigheidsgebied m kom [-] A kom h kom [m²] [m] modelfactor kombergend vermogen kombergend oppervlak toegestane peilverhoging komberging Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t - logn 1,0 =0,20 KW 0-1 A kom > 0 logn invoer V r =0,10 KW 0-1 h kom < 10 logn invoer =0,10 KW Belastingmodellen Voor het instromend volume in het achterland V instroom geldt: Vinstroom min fts open ts Qin open (3.5) Hierin is: Eenheid Betreft Geldigheidsgebied Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t m in [-] modelfactor instromend volume logn 1,0 =0,20 KW 0,40-1 f ts open [-] factor voor stormduur hoogwater gegeven geopend kunstwerk 0 < f ts open < 1 det invoer t s [uur] stormduur t s > 0 logn 7,5 V r =0,25 KW 1-0 instromend debiet Q in open [m³/s] door kunstwerk gegeven geopend kunstwerk Voor het instromende debiet bij een geopend kunstwerk zijn twee modellen beschikbaar, waaruit de toetser op basis van de voorhanden zijnde situatie zelf een keuze dient te maken. Het gaat om een model voor stroming over een lage drempel en een model voor stroming door een verdronken koker. Bij het eerste model wordt door het programma Ringtoets bepaald of het om een onvolkomen of een volkomen stroming gaat. Deze keuze hoeft de toetser dus niet zelf te maken. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 13 van 105

21 belastingmodellen voor stroming over een lage drempel: a) in het geval van onvolkomen stroming: 3 1 Q Bm h h 2 g h h 2 bi 2 in open onv bi dr bu bi b) in het geval van andere situaties: 3 Q Bm 0, 55 g h h in open OL bu dr h h h bi 2 dr h h h dr (onvolkomen stroming over lage drempel) (volkomen stroming over lage drempel) (3.6a) (3.6b) belastingmodel voor stroming door een verdronken koker: Q A 2 g h h in open bu bi Hierin is: (stroming door verdronken koker) (3.6c) A [m 2 ] B Eenheid Betreft Geldigheidsgebied [m] m OL [-] m onv [-] Minimale waarde van doorstroomoppervlak verdronken koker Breedte van doorstroomopening (en) Modelfactor overloopdebiet volkomen overlaat Modelfactor voor onvolkomen stroming Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t A > 0 logn invoer =0,01 KW 0-1 B > 0 nor invoer =0,05 KW nor 1,1 =0,03 KW nor 1,0 V r =0,10 KW 0-1 [-] Afvoercoëfficiënt 0,5 1,5 nor 1,0 =0,20 KW 0-1 h bi [+mnap] Binnenwaterstand -10 h bi 50 nor invoer =0,10 KW 1 12 u 0 Drempelhoogte h dr [+mnap] niet gesloten kering -10 h dr 50 nor invoer =0,10 KW 0-1 h bu [+mnap] Lokale buitenwaterstand - door Hydra-Ring gegenereerd g [m/s²] Gravitatie versnelling Nederland det 9, WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 14 van 105

22 3.4 Deelfaalmechanisme Z 22 : Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans dat in het geval van een geopend kunstwerk, de achterliggende bodembescherming bezwijkt, waardoor erosiekuilen kunnen ontstaan en het kunstwerk instabiel kan worden Z-functie Z Q Q 22 c in open Hierin is: Q c [m³/s] Kritiek debiet waarbij de bodembescherming bezwijkt Q in open [m³/s] Instromend debiet door kunstwerk gegeven geopend kunstwerk Sterktemodel Voor het model met directe invoer van de sterkte geldt: Q q B c c sv (3.7) (3.8) Hierin is: q c B sv Eenheid Betreft Geldigheidsgebied Kritieke instromend [m³/s/m] debiet Stroomvoerende [m] breedte bodem bescherming Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t q c 0 logn invoer V r =0,15 KW 0-1 B sv 0 logn invoer =0,05 KW Belastingmodel Voor de belastingmodellen met betrekking tot het instromende debiet is een aantal modellen beschikbaar, waaruit de toetser op basis van de voorhanden zijnde situatie zelf een keuze dient te maken. In het geval van een lage drempel wordt het juiste belastingmodel op basis van de randvoorwaarden voor het waterpeil automatisch geselecteerd. Zie paragraaf Deelfaalmechanisme Z 411 : Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans dat constructieonderdelen bezwijken als gevolg van de optredende vervalbelasting. Anders dan de term vervalbelasting doet vermoeden worden ook de golven meegenomen als belasting. Dit deelfaalmechanisme heeft doorgaans betrekking op de keermiddelen die in het kunstwerk aanwezig zijn. Er zijn twee modellen aanwezig voor dit faalmechanisme, een model met een lineair verlopende belasting en een model met een kwadratisch verlopende belasting Z-functie Z R ms 411L lin S lin Z R ms 411Q kwad S kwad (3.9a) (3.9b) WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 15 van 105

23 R lin R kwad Sterktemodellen Voor dit deelfaalmechanisme geldt dat er geen specifieke sterktemodellen voorgeschreven zijn. Het is de bedoeling dat door de gebruiker een sterkte (stochast) wordt afgeleid uit de gegevens omtrent de constructie, ontwerpgegevens en/of bewezen sterkte. Hier wordt in de schematiseringsinstructie uitgebreid op ingegaan. Hierin is: Eenheid Betreft Geldigheidsgebied [kn/m²] [kn/m²] m S [-] Constructieve sterkte lineair belastingmodel Constructieve sterkte kwadratisch belastingmodel Modelfactor belastingeffect R lin 0 R kwad 0 Type logn invoer logn invoer Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t V r =0,07-0,30* V r =0,07-0,30* KW 0-1 KW 0-1 nor 1,0 0,05 KW 0-1 * De variatiecoëfficiënt moet door de gebruiker worden opgegeven en is afhankelijk van het materiaal Belastingmodellen De belasting S wordt gevormd door een vervalbelasting, die lineair of kwadratisch evenredig kan zijn met de buitenwaterstand. De belasting door golven wordt met behulp van de formule van Goda (zie formules en achtergronden in bijlage A) meegenomen in deze vervalbelasting. Voor de vervalbelasting lineair evenredig met de buitenwaterstand per eenheid van de kering geldt, mede op basis van figuur A.1 en figuur A.2 in bijlage A: S lin S lin, hbu S lin, hbi S lin, w (3.10a) waarin: S max ;0 lin, hbu w hbu hj S max ;0 lin, hbi w hbi hj Als h bu h dr, dan geldt er S lin,w = 0. Indien h bu > h dr : S als 0: 0 p max h h ;0 p1 p3 hj hdr lin, w 1 bu j als 0 : min p3 ; hbu hdr Er wordt opgemerkt dat niet kleiner kan zijn dan 0 en dat h kr groter moet zijn dan h j. Dus impliceert h bu > h kr implies h bu > h j. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 16 van 105

24 Het gebruik van als statements in plaats van maximum/minimum operators zorgt ervoor dat er geen sprake van kan zijn dat er door nul wordt gedeeld, en dat S lin,w correct is gedefinieerd indien er geldt dat h bu > h kr (zie figuur A.2). Voor de vervalbelasting kwadratisch evenredig met de buitenwaterstand per eenheid van de kering geldt, mede op basis van figuur A.1 en figuur A.2 in bijlage A: S S S S (3.10b) kwad kwad, hbu kwad, w kwad, hbi waarin: S, ½ kwad hbu Sbu w max hbu hj ;0 max hbu hkr ;0 2 S ½ max h h ;0 kwad, hbi w bi; CB j 2 2 De bijdrage van de golfbelasting aan de kwadratische belastingterm is gesplitst in twee componenten, te weten S kwad,w1 (onder de stilwaterlijn) en S kwad,w2 (boven de stilwaterlijn). Als h bu h dr, dan geldt er S kwad,w1 = 0 en S kwad,w2 = 0. Indien h bu > h dr : h, min h ; h bu corr bu kr p1 p3 h j hdr p1 p3 hbu, corr hdr S, 1 max, ;0 kwad w hbu corr hj p3 2h 2 bu hdr hbu hdr als 0: 0 als 0 en hbu hkr: 2 max, 2 ;0 S h max 0, min ½ 1 ; bu h kwadw j ½ p p1 Max0; ½ p4 ( h ) bu hkr als 0 en hbu hkr: 0 De totale golfbelasting is dus gelijk aan: S S S kw ad, w kw ad, w1 kw ad, w 2 In Figuur A.1 en Figuur A.2 van Bijlage A is: WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 17 van 105

25 Symbool Eenheid Variabele Geldigheidsgebied type x x t t B M m Bermbreedte det g m/s 2 Gravitatie Nederland det versnelling (9,81) h bi;cb m+nap Binnenwaterstand voor constructief bezwijken nor KW 0-1 h bu m+nap Buitenwaterstand door Hydra-Ring gegenereerd h dr m+nap Hoogte van nor KW 0-1 onderkant wand/drempel h j m+nap Hoogte waarop det de constructieve sterkte wordt beoordeeld h kr m+nap Hoogte van bovenkant wand nor KW 0-1 H S m Significante golfhoogte door Hydra-Ring gegenereerd m S - Modelfactor nor KW 0-1 belastingeffect m Ray,N - Quotiënt van Ray KW 0-1 H max,0 en H S voor N golven N a N - Aantal golven per det a stormgebeurtenis R lin kn/m 2 Sterkteterm lineair logn KW 0-1 belastingmodel R kwad kn/m Sterkteterm kwadratisch belastingmodel logn KW 0-1 T p s Piekperiode golf door Hydra-Ring h m Verticale afstand tussen onderkant wand en teen dijk/berm w kn/m 3 Volumegewicht water - Modificatiefactor voor geometrie wand - Modificatiefactor voor aard van wand gegenereerd det det det det WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 18 van 105

26 a type x x t t det door Hydra-Ring gegenereerd de kansverdelingsfunctie is Rayleigh-verdeling met een default waarde voor N van 5.000; 3.6 Deelfaalmechanisme Z 412 : Falen herstel sluiting na bezwijken keermiddel Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans dat, na het bezwijken van een keermiddel, ook het sluiten van het andere keermiddel faalt Z-functie Z 412 f,herstelsluiting u (3.11) Model Hierin is: f,herstelsluiting [-] Betrouwbaarheidsindex corresponderend met de faalkans van het herstel van de faalsituatie u [-] Standaard normaal verdeelde variabele, betreft hulpmiddel voor de probabilistische som f,herstel 1 P f,herstelsluiting (3.12) Hierin is -1 de inverse van de standaard normale verdeling en geldt verder: P f,herstel sluiting Eenheid Betreft [-] u [-] Faalkans herstel van gefaalde situatie (niet sluiten) Hulpparameter probabilistische som Symbool Eenheid Variabele Geldigheidsgebied wall Hoek tussen een lijn loodrecht op het keermiddel en het noorden waves Hoek van golfinval t.o.v. het noorden Geldigheidsgebied Typ e Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t 0 < P f,herstelsluiting 1 det nor 0 =1, WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 19 van 105

27 3.7 Deelfaalmechanisme Z 421 : Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans dat in het geval van een botsing tussen schip en keermiddel de optredende aanvaarenergie van dat schip op het keermiddel groter is dan de kritieke aanvaarenergie (waarbij bezwijken van het keermiddel optreedt) Z-functie Z E E 421 c 0 (3.13) Hierin is: E c [knm] Kritieke waarde aanvaarenergie E 0 [knm] Optredende waarde aanvaarenergie Sterktemodel Voor dit deelfaalmechanisme geldt dat er geen specifieke sterktemodellen zijn. Het is de bedoeling dat door de gebruiker een (stochastische waarde voor de) sterkte in de vorm van een maximaal opneembare hoeveelheid kinetische energie wordt afgeleid uit de gegevens omtrent de constructie, ontwerpgegevens en/of bewezen sterkte. Hierin is: E c Eenheid Betreft [knm] Kritieke waarde aanvaarenergie Geldigheidsgebied Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t E c 0 logn invoer V = 0,3 KW Belastingmodel De belasting wordt gevormd door de kinetische energie van het representatieve schip die door het aanvaren op de constructie wordt overgebracht. 1 E0 me mv 2 2 (3.14) m E [-] m Hierin is: Eenheid Betreft Geldigheidsgebied [ton] Modelfactor voor aanvaarbelasting Massa van het schip Typ e v [m/s] Aanvaarsnelheid 0 v 10 nor invoer Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t nor 1,0 V = 0,2 KW 0-1 m 0 nor invoer V = 0,2 KW 0-1 V = 0,55 KW 0-1 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 20 van 105

28 3.8 Deelfaalmechanisme Z 422 : Kans op aanvaring 2 e keermiddel Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans op aanvaring van het 2 e keermiddel Z-functie Z 422 aanvaring u (3.15) Hierin is: aanvaring [-] Betrouwbaarheidsindex corresponderend met de kans op aanvaring van het 2 e keermiddel. u [-] Standaard normaal verdeelde variabele, betreft hulpmiddel voor de probabilistische som Model Gegeven de kans op aanvaring van het 2 e keermiddel, die afhankelijk wordt gesteld van het aantal nivelleringen en de kans op aanvaring per nivellering, kan de bijbehorende betrouwbaarheidsindex als volgt worden gevonden: P f P 1 1 aanvaring aanvaring nivellering aanvaring;nivellering (3.16) Hierin is -1 de inverse van de standaard normale verdeling en geldt verder: f nivellerin g P aanvari ng; nivellering Eenheid Betreft [niv/jaar] Aantal nivelleringen per jaar [1/niv] Kans op aanvaring 2 e keermiddel per nivellering Geldigheidsgebied Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t f nivellering 0 det invoer P aanvaring;nivellering 1 det invoer Deelfaalmechanisme Z 423 : Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans dat de sluiting van het eerste keermiddel faalt als gevolg van een te grote stroomsnelheid door het kunstwerk Z-functie Z v v 423 c;sluit 0 Hierin is: v c;sluit [-] Kritieke stroomsnelheid waarbij na aanvaring van het tweede keermiddel het eerste keermiddel nog net kan worden gesloten v o [-] Optredende stroomsnelheid door het kunstwerk na aanvaring van het tweede keermiddel (3.17) Sterktemodel Voor de sterkte in dit deelfaalmechanisme zijn er geen specifieke sterktemodellen. Het is de bedoeling dat door de gebruiker uit ontwerpgegevens en/of bewezen sterkte een WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 21 van 105

29 (stochastische waarde voor de) sterkte wordt afgeleid in de vorm van een kritieke stroomsnelheid door het kunstwerk (v c;sluit ). v c;sluit [m/s] Stroomsnelheid waarbij na aanvaring het eerste keermiddel nog net kan worden gesloten Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t 0 v c;sluit 10 nor invoer V= 0,2 KW Belastingmodellen Wat betreft de belasting (de optredende stroomsnelheid door het kunstwerk) wordt er bij dit deelmechanisme onderscheid gemaakt tussen de situatie met een onvolkomen stroming (situatie 1, formule 3.18) en de overige situaties (situatie 2, formule 3.19): situatie 1: v m 0 onv situatie 2: 2g h bu 09, h = 2 ( ) 3 bi bij bij h h h (3.18) bi bi 2 dr h h h (3.19) dr Hierin is: m onv [-] m ol [-] Eenheid Betreft Modelfactor voor onvolkomen stroming Modelfactor voor overloopdebiet volkomen stroming. Eenheid Betreft Geldigheidsgebied Geldigheidsgebied Type Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t 0,7 < m onv < 2,0 nor 1,0 V = 0,1 KW 0 1 g [m/s 2 ] Gravitatieversnelling Nederland det 9, h bu [m+nap] Buitenwaterstand h bi [m+nap] Binnenwaterstand -10 h bi 50 nor invoer = 0,1 KW 1 12 u 0 Drempelhoogte niet h dr [m+nap] gesloten waterkering -10 h drmp 50 nor invoer = 0,1 KW 0-1 Opgemerkt wordt dat formule 3.19 niet is opgenomen in het toetsinstrumentarium. Hierin wordt v 0 = 0 m/s aangehouden in de situatie met volkomen stroming. Dit is echter niet correct. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 22 van 105

30 3.10 Deelfaalmechanisme Z 43 : Instabiliteit constructie en grondlichaam Het falen door instabiliteit van constructie en grondlichaam wordt geacht direct te leiden tot het bezwijken van het kunstwerk Z-functie R stab.ver lies;lin R stab.ver lies;kwad = ;; = ;; (3.20) Sterkte modellen Voor dit deelfaalmechanisme geldt dat er geen specifieke sterktemodellen zijn. Het is de bedoeling dat door de gebruiker een (stochastische waarde voor de) sterkte wordt afgeleid uit gegevens omtrent de constructie, ontwerpgegevens en/of bewezen sterkte. Hierin is: Eenheid Betreft [kn/m²] [kn/m²] m S [-] Sterkteterm lineair belastingmodel stabiliteit Sterkteterm kwadratisch belastingmodel stabiliteit Modelfactor belastingeffect Geldigheidsgebied Type R stab.verlies;lin 0 logn Parameters Verdeling Ruimtelijke spreiding Variatie in de tijd V r / x x t t invoer V r =0,07-0,30* R stab.verlies;kwad 0 logn invoer V r =0,07-0,30* KW 0-1 KW 0-1 nor 1,0 0,05 KW 0-1 * De variatiecoëfficiënt moet door de gebruiker worden opgegeven en is afhankelijk van het materiaal Belastingmodellen Net als bij het bezwijken van constructieonderdelen door vervalbelasting (Z-functie Z 411, zie paragraaf 3.5) wordt de belasting S gevormd door een vervalbelasting, die lineair of kwadratisch evenredig kan zijn met de buitenwaterstand. De belasting door golven wordt met behulp van de formule van Goda (zie formules en achtergronden in bijlage A) meegenomen in deze vervalbelasting. Voor de vervalbelasting lineair evenredig met de buitenwaterstand per eenheid van de kering geldt, mede op basis van bijlage A met figuur A.1 en figuur A.2: S lin S lin, hbu S lin, hbi S lin, w (3.21a) S S S S (3.21b) kwad kwad, hbu kwad, w kwad, hbi Toelichting op de symbolen in figuur A.1 en figuur A.2 van bijlage A staat in paragraaf WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 23 van 105

31 4 Beschrijving faalmechanisme 4.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt een beschrijving gegeven van de faalmechanismen behorende bij het toetsspoor sterkte en stabiliteit. Dit toetsspoor is opgesplitst in een tweetal andere toetssporen te weten sterkte waterkerende constructieonderdelen en stabiliteit constructie en grondlichaam. De bijbehorende faalmechanismen zijn bezwijken constructieonderdelen (STCO) en instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) (zie Figuur 4.1 ). Onder STCO valt naast bezwijken als gevolg van een hoogwatersituatie ook het bezwijken als gevolg van een aanvaring. Bij dit laatste gaat het specifiek over het aanvaren van constructieonderdelen van schut- en keersluizen, waarbij met name ook onder dagelijkse omstandigheden sprake kan zijn van een aanvaring met als gevolg een overstroming. Hierop wordt ook ingegaan in de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor [DLT-shst 2015]. Sterkte en stabiliteit Sterkte waterkerende constructieonderdelen Stabiliteit constructie en grondlichaam Toetssporen Bezwijken constructieonderdelen (STCO) Instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) Faalmechanismen Figuur 4.1 Overzicht toetsspoor sterkte en stabiliteit Dit hoofdstuk geeft een beschrijving van de toetsing van de constructieve veiligheid van waterkerende kunstwerken in het kader van hoogwaterveiligheid, welke gebaseerd is op: Bouwbesluit (en voorgangers) met daarin aangeroepen bouwrichtlijnen. Waterwet (en voorgangers). Leidraad Kunstwerken 2003 [TAW-LK 2003]. Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken [RWS-ROK 2013]. 4.2 Fenomenologische beschrijving Aangezien het toetsspoor sterkte en stabiliteit uit een tweetal subtoetssporen bestaat en daaraan gekoppeld andere faalmechanismen, wordt in deze paragraaf en de daaronder hangende sub paragrafen telkens de uitwerking per faalmechanisme beschreven Beschrijving op hoofdlijnen Falen als gevolg van een tekort aan sterkte en/of stabiliteit kenmerkt zich door het optreden van dusdanige belastingen dat onderdelen van het kunstwerk of het gehele kunstwerk bezwijkt dan wel instabiel wordt (kantelen, verzakken, verschuiven). WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 24 van 105

32 Faalmechanisme bezwijken constructieonderdelen (STCO) Falen als gevolg van het bezwijken van constructieonderdelen vindt in een hoogwatersituatie plaats wanneer als gevolg van vervalbelasting en golfbelasting de sterkte van een constructieonderdeel niet meer toereikend is om deze belasting af te dragen. Onder dagelijkse omstandigheden kan bezwijken ook plaatsvinden door aanvaringen. In eerste instantie zullen zich bij het constructieonderdeel grotere vervormingen voordoen, waarna uiteindelijk een uiterste grenstoestand (UGT) wordt overschreden. In het geval van toetsen op waterveiligheid zal over het algemeen de uiterste grenstoestand de te toetsen grenstoestand zijn (zie 4.5.1). Dit is veelal in de vorm van overschrijding van een maximaal opneembare spanning door het constructieonderdeel. Nadat het constructieonderdeel is bezweken, kan mogelijk dusdanig veel water door het kunstwerk stromen dat dit leidt tot overschrijding van het faalcriterium (maximale sterkte waterkering) welke is gekoppeld aan overstromingsgevolgen. Overschrijding van het faalcriterium kan enerzijds optreden doordat het instromende water niet meer geborgen kan worden in de achterliggende watergang (komberging) en anderzijds door het eroderen van de bodembescherming en vervolgens de bodem achter het kunstwerk. In het laatste geval leidt de erosie tot ontgrondingskuilen, waardoor het kunstwerk instabiel wordt. Dit kan uiteindelijk leiden tot een bres. Faalmechanisme instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) Hier treedt falen op als het kunstwerk en het grondlichaam ter plaatse van het kunstwerk niet meer in staat zijn om de vervalbelasting en golfbelasting te keren zonder dat dit tot substantiële vervormingen leidt. Als gevolg van deze vervormingen gaat het waterkerende vermogen van het kunstwerk verloren en kan bresvorming optreden. Het faalcriterium (maximale sterkte waterkering) dat gekoppeld is aan overstromingsgevolgen zal vervolgens worden overschreden. De stabiliteit van de achterliggende bodembescherming is als faalcriterium hier niet van belang, aangezien deze moet voorkomen dat instabiliteit van het kunstwerk kan optreden als gevolg van ontgrondingen. Omdat instabiliteit van het kunstwerk reeds is opgetreden als gevolg van dit faalmechanisme heeft de bodembescherming geen positieve invloed meer op het bezwijkproces Gedetailleerde beschrijving van het faalproces bezwijken constructie onderdelen In deze sub paragraaf wordt het faalproces met betrekking tot het faalmechanisme STCO verder in detail beschreven. Belasting De belasting op het kunstwerk wordt gevormd door meerdere componenten. Bij de toets vanuit het aspect waterkeren zijn niet alle mogelijke belastingen van belang. Per situatie dient afgewogen te worden welke belastingen van belang zijn in combinatie met een hoogwaterbelasting. Permanente belastingen dienen altijd meegenomen te worden. Met betrekking tot waterkeren onder hoogwatersituaties zijn het verval en golfbelastingen van prominent belang. Aanvullende belastingen zoals wind en stroming of ijs kunnen ook van belang zijn, maar dit is sterk afhankelijk van de situatie ter plaatse. Ditzelfde geldt voor andere externe belastingen. Uiteindelijk wordt het falen geïnduceerd door het toenemen van het verval als gevolg van het stijgen van de buitenwaterstand. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 25 van 105

33 Vervalbelastingen ontstaan door een hoogteverschil tussen de binnen- en buitenwaterstand. Het buitenpeil is hierbij de waterstand aan de buitenzijde van de waterkering, terwijl het binnenpeil betrekking heeft op de waterstand van de watergang die binnendijks van de waterkering aanwezig is. De binnenwaterstand wordt doorgaans onder normale omstandigheden vanuit het aspect waterbeheer in grote mate gereguleerd. Ten tijde van hoogwaters kan een afwijkend beheersregime gelden. Hiermee dient dan rekening te worden gehouden. De buitenwaterstand wordt beïnvloed door de afvoer van rivieren en/of de waterstanden op zee en daarnaast door de wind. De wind kan zorgen voor aanvullende golfbelastingen maar ook voor een opzet van de waterstand. De waterstanden en golven die gebruikt worden bij het toetsen van de primaire waterkeringen worden binnen Nederland vanuit Rijkswaterstaat voorgeschreven en aangeleverd in Hydra-Ring. Golven kunnen door verschillende oorzaken ontstaan. Voor waterkeringen geldt doorgaans dat onder hoogwateromstandigheden wind geïnduceerde golven maatgevend zijn. Afhankelijk van locatie en geometrie worden (onderdelen van) de constructies belast door golven. Golven worden beschreven aan de hand van de golfhoogte, de golflengte en de golfperiode. Van deze drie parameters zijn vele combinaties mogelijk, wat leidt tot een heel scala aan golfvormen. De hele lange golven (seiches) kunnen leiden tot een waterstandsverhoging die langere periode aanhoudt (10 minuten tot 2 uur). De kortere golven kunnen leiden tot golfklappen op onderdelen van de constructie. Voor het faalmechanisme bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting zijn zowel de lange als de korte golven van belang. Voor overige belastingen dient per situatie gekeken te worden of deze van toepassing zijn in combinatie met maatgevende (hoogwater) omstandigheden. In onderstaande Tabel 4.1 zijn de diverse belastingen weergegeven, waarbij onderscheidt gemaakt is in permanente, veranderlijke en bijzondere belastingen [tabel B4.1,TAW-LK 2003]. Permanent Veranderlijk Bijzonder Eigen gewicht Stroming Aanvaring Gronddruk Scheepsgolven Aardbeving Grondwaterdruk Scheepsstroming Explosie Troskrachten IJs Temperatuur Vandalisme/sabotage/terrorisme Verkeersbelasting Tabel 4.1 Overige belastingen kunstwerken Voor de veranderlijke belastingen geldt dat deze met name van toepassing zijn onder dagelijkse omstandigheden en niet in combinatie met een hoogwaterbelasting. Ditzelfde geldt ook voor de bijzondere belastingen. De permanente belastingen dienen altijd in beschouwing te worden genomen. Bijzondere belasting: aanvaren Een bijzondere belasting die apart dient te worden genoemd betreft het aanvaren van een kunstwerk, als gevolg waarvan het object geen water meer kan keren. In de praktijk gaat het om het aanvaren van een gesloten keermiddel waardoor dit keermiddel constructief bezwijkt en er dus een opening in de waterkering ontstaat. Opgemerkt wordt dat het hierbij niet gaat WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 26 van 105

34 om het aanvaren van een geopend keermiddel als gevolg waarvan dit keermiddel vervolgens niet meer gesloten kan worden. Dit aspect wordt namelijk bij betrouwbaarheid sluiting meegenomen. Aanvaren van een onderdeel van de constructie dat leidt tot het bezwijken van een waterkerend onderdeel vindt doorgaans plaats bij lagere waterstanden. Met name bij schutsluizen kan dit een rol spelen. Keersluizen worden over het algemeen gesloten bij een naderend hoogwater, op het moment dat de scheepvaart gestemd is. De aanvaarbelastingen zijn afhankelijk van de scheepsklasse, de configuratie van de sluis en het type constructie 3. Aanvaarbelastingen gaan vaak samen met een bepaald aanwezig verval over het beschouwde constructieonderdeel dat dus ook onder normale omstandigheden aanwezig kan zijn. Nadat de aanvaring tot bezwijken heeft geleid, kan water vrijelijk het achterland binnenstromen. Sterkte De sterkte van het kunstwerk bestaat uit de sterkte van de constructieonderdelen, de sterkte van de bodembescherming en het kombergend vermogen van het achterland. De sterkte van de constructieonderdelen wordt gevormd door de afmetingen, opbouw, het materiaal, de opleggingen en de conditie van deze constructieonderdelen in relatie tot de belastingen. Bij overschrijding van maximaal toelaatbare spanningen (te vinden in Eurocodes en nationale bijlagen) bezwijken deze constructieonderdelen. Dit bezwijken vindt over het algemeen plaats doordat een specifiek subonderdeel van het beschouwde constructieonderdeel bezwijkt, waardoor vervolgens andere subonderdelen ook bezwijken. Dit leidt uiteindelijk tot het algeheel bezwijken van het keermiddel. Wanneer een constructieonderdeel is bezweken, kan nog een poging worden gedaan om het waterkerende vermogen te herstellen door inzet van een alternatief constructieonderdeel (bijvoorbeeld ander keermiddel). Dit moet dan kunnen worden aangebracht in stromend water. Wanneer deze herstelpoging faalt en het waterkerend vermogen van het kunstwerk niet meer intact is, stroomt er water ongecontroleerd het achterland in. Falen treedt op wanneer het instromende water niet meer kan worden geborgen in het achterland (het achterliggende watersysteem), doordat de binnenwaterstand eenvoudigweg te hoog oploopt. Dit faalcriterium betreft het kombergend vermogen. Indien het instromende debiet het kombergend vermogen overschrijdt, leidt dit tot significante overstromingsgevolgen doordat bijvoorbeeld de achterliggende regionale kering als gevolg van stijging van het binnenwater bezwijkt. Vervolgens kan (een deel van) de kom leeglopen in de achterliggende polder en daarmee leiden tot substantiële gevolgen. In het geval er geen achterliggende watergang en daarmee komberging aanwezig is, zoals bij een coupure, dient op andere gronden een afweging te worden gemaakt van het moment van falen in relatie tot het volume instromend water. Het moment waarop gesproken kan worden van significante overstromingsgevolgen is dan vaak een subjectief oordeel. Binnen het WTI wordt hierbij uitgegaan van tenminste 10 miljoen euro schade en/of 1 slachtoffer, hetgeen vertaald is in een meer praktisch faalcriterium van 0,30 m water op straat/maaiveld. 3 Bij aanvaarbelastingen wordt de uiteindelijke belasting bepaald door de stijfheidsverhouding tussen schip en constructieonderdeel. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 27 van 105

35 Wanneer het instromende volume water door het kunstwerk wel geborgen kan worden in het achterliggende watersysteem, dient daarnaast de sterkte van de bodembescherming toereikend te zijn om onder de als gevolg van het instromende debiet optredende stroomsnelheden niet te bezwijken. Wanneer de bodembescherming hier niet toe in staat is, raken onderdelen (stenen) van de bodembescherming los. Hierdoor zullen aansluitende onderdelen ook gemakkelijker loslaten en kan de bodem onder de bodembescherming ook gaan eroderen. Uiteindelijk leidt dit tot het geheel bezwijken/verdwijnen van de bodembescherming, waarna de gronddeeltjes van de onderliggende bodem worden blootgesteld aan de optredende stroomsnelheden. Hierdoor kunnen erosiekuilen ontstaan, wat uiteindelijk kan leiden tot instabiliteit van de constructie. De laatste fase in dit faalproces bestaat uit het verzakken, kantelen of verschuiven van het gehele kunstwerk of een substantieel deel hiervan. Er is dan sprake van een bres, waarbij bresgroei zeer wel mogelijk is. Het faalproces van initiatiefase tot bezwijkfase Onder normale omstandigheden keert een kunstwerk dagelijkse waterstanden en waterstanden die voortkomen uit het normale gebruik van het kunstwerk. Bij hoogwatersituaties is een kunstwerk in principe gesloten en stijgt de buitenwaterstand. Als gevolg hiervan neemt ook het verval over het kunstwerk toe. Daarnaast kunnen golven leiden tot aanvullende belastingen op de constructie. Windbelasting kan tevens een bijkomende belasting zijn. Wanneer het totaal van relevante belastingen groter is dan de sterkte die een constructieonderdeel kan afdragen, zal het constructieonderdeel bezwijken en leiden tot een opening in de waterkering. Als gevolg hiervan stroomt er buitenwater naar binnen. Een poging tot herstel van het waterkerend vermogen is dan wellicht nog mogelijk door de ontstane opening op alternatieve wijze te sluiten (bijvoorbeeld ander keermiddel, inzet bigbag), maar dit is afhankelijk van de grootte van het kunstwerk en de mogelijkheden om een herstelactie uit te voeren. Wanneer de herstelactie faalt of niet mogelijk is, blijft het gat in de waterkering gehandhaafd. Aanvullende sterkte in relatie tot falen van het kunstwerk (overstromingsgevolgen) wordt dan geleverd door het achterliggende watersysteem en de bodembescherming achter het kunstwerk. Op het moment dat het instromende water niet meer kan worden geborgen in het achterliggende watersysteem, zonder dat er significante gevolgen optreden, is er sprake van falen. Het kombergend vermogen is afhankelijk van het kombergend oppervlak en de toelaatbare peilstijging op het achterliggende watersysteem. Wanneer er dusdanig veel water is ingestroomd dat het kritieke binnenpeil wordt overschreden, zal (een deel van) de kade van het achterliggende watersysteem bezwijken, waardoor overstromingsgevolgen optreden in de achterliggende polder. Water kan nu vrijelijk instromen door het kunstwerk en vervolgens door de bezweken kade van de komberging, waarna het de polder bereikt. Er is dan sprake van een bres (zie ook paragraaf 4.2.6). Een andere wijze van falen kan optreden na het bezwijken van een constructieonderdeel doordat de bodembescherming achter het kunstwerk wordt blootgesteld aan dusdanig hoge stroomsnelheden dat deze bezwijkt. Na het bezwijken van een onderdeel van de bodembescherming leidt dit tot verdere erosie van de bodembescherming en gedeelte van de onderliggende bodem. Uiteindelijk is de bodem geheel onbeschermd en wordt deze blootgesteld aan de dan aanwezige stroomsnelheden van het instromende water. Afhankelijk van de grondslag van de bodem, ontstaan vervolgens erosiekuilen die bij voldoende diepte kunnen leiden tot instabiliteit van het gehele kunstwerk of een substantieel deel hiervan. Dit leidt uiteindelijk tot het optreden van een bres. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 28 van 105

36 Een apart faalproces treedt op, op het moment dat een waterkerend constructieonderdeel bezwijkt als gevolg van aanvaring 4. Wanneer dit waterkerende constructieonderdeel het enige kerende onderdeel is tussen binnen- en buitenwater is er direct sprake van het verlies van waterkerend vermogen van het kunstwerk. Buitenwater stroomt dan het achterliggende watersysteem binnen. Op dat moment kan nog een poging tot herstel worden gedaan door het kunstwerk middels een ander onderdeel (lees keermiddel) alsnog te sluiten. Dit is afhankelijk van de dan optredende stroomsnelheid van het instromende water. Indien de poging tot herstel van het waterkerend vermogen faalt, blijft er water instromen en kunnen de aanvullende sterkte-eigenschappen in de vorm van komberging en sterkte bodembescherming een rol gaan spelen (zie alinea s hierboven) Gedetailleerde beschrijving van het faalproces instabiliteit constructie en grondlichaam In deze paragraaf wordt het faalproces met betrekking tot het faalmechanisme STCG verder in detail beschreven. Belasting Bij instabiliteit constructie en grondlichaam is met name de vervalbelasting van belang. Min of meer permanente belastingen als grondbelasting, grondwaterbelasting en eigen gewicht behoren daarnaast te worden meegenomen bij beschouwing van het faalmechanisme. Golfbelastingen kunnen ook een rol spelen, maar het gaat daarbij voornamelijk om lange golven. Deze lange golven zoals seiches worden standaard meegenomen in de hydraulische randvoorwaarden. Overige belastingen spelen in het geval van instabiliteit in combinatie met maatgevende (hoogwater) omstandigheden geen substantiële een rol. Vervalbelastingen ontstaan door een hoogteverschil tussen de binnen- en buitenwaterstand. Het buitenpeil is hierbij de waterstand aan de buitenzijde van de waterkering, terwijl het binnenpeil betrekking heeft op de waterstand van de watergang die binnendijks van de waterkering aanwezig is. De binnenwaterstand wordt doorgaans onder normale omstandigheden vanuit het aspect waterbeheer in grote mate gereguleerd. Ten tijde van hoogwater kan een afwijkend beheerregime gelden. Hiermee dient dan rekening te worden gehouden. De buitenwaterstand wordt beïnvloed door de afvoer van rivieren en/of de waterstanden op zee en daarnaast door de wind. De wind kan zorgen voor aanvullende golfbelastingen maar ook voor een opzet van de waterstand. De waterstanden die gebruikt worden bij het toetsen van de primaire waterkeringen worden binnen Nederland vanuit Rijkswaterstaat voorgeschreven en aangeleverd in Hydra-Ring. Golven worden beschreven aan de hand van de golfhoogte, de golflengte en de golfperiode. Van deze drie parameters zijn vele combinaties mogelijk, wat leidt tot een heel scala aan golfvormen. De hele lange golven (seiches) kunnen leiden tot een waterstandsverhoging die langere periode aanhoudt (10 minuten tot 2 uur). De kortere golven kunnen leiden tot golfklappen op onderdelen van de constructie. Voor het faalmechanisme instabiliteit constructie en grondlichaam zijn voornamelijk de lange golven van belang. De korte golven kunnen wel tot golfklappen leiden op een specifiek onderdeel, maar zijn vaak dusdanig kortstondig aanwezig, dat door de traagheid van de gehele constructie dit niet tot 4 Binnen het WTI2017 is dit gerelateerd aan het aanvaren van de tweede deur in het geval van een schutsluis. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 29 van 105

37 daadwerkelijk aanvullende belastingen leidt. Alleen wanneer golfklappen met regelmaat voorkomen kan het aanhoudend hameren wellicht tot een stabiliteitsprobleem leiden. Sterkte De sterkte van het kunstwerk bestaat uit de weerstand van het kunstwerk en het aanwezige grondlichaam tegen kantelen en horizontaal dan wel verticaal verplaatsen. Het gaat hierbij dus om stabiliteit van het kunstwerk De stabiliteit van het kunstwerk is afhankelijk van de fundatie, de afmetingen van het kunstwerk, de aanwezigheid van schermen (en haar aansluitingen op de harde constructie) en de grondeigenschappen van het grondmassief waarin het kunstwerk is gelegen. Bij overschrijding van maximale (schuif)spanningen kan een vorm van instabiliteit optreden van (onderdelen van) de constructie. Dit uit zich in significante verplaatsingen in het horizontale en/of verticale vlak, waarbij ook rotaties van de constructie kunnen optreden. Als gevolg van deze verplaatsingen is het waterkerende vermogen van het kunstwerk niet meer gewaarborgd, doordat water langs of onder de constructie door kan stromen het achterliggende watersysteem in. Als gevolg hiervan zijn aanvullende verplaatsingen te verwachten, waardoor uiteindelijk het geheel bezwijken van de constructie kan plaatsvinden. Wanneer de constructie is bezweken is een onbeheersbare situatie ontstaan en is direct sprake van bresvorming. Een eventueel aanwezige komberging kan de eerste tijd de gevolgen wellicht nog beperken, maar doordat het aansluitende dijklichaam niet wordt afgeschermd door een harde constructie (deze is immers bezweken) zal er ook bresgroei optreden. Bresgroei bij een kunstwerk met achterliggende watergang kan leiden tot het eroderen van aangrenzende dijklichamen, waarbij ook water instroomt buiten het achter het kunstwerk liggende watersysteem. Het faalproces van initiatiefase tot bezwijkfase Het faalproces begint doordat het verval over een kunstwerk dusdanig groot wordt dat verplaatsingen optreden. Deze kunnen in eerste instantie nog gering zijn, maar vervolgens bij toenemende belastingen verder doorzetten tot significante vervormingen. Op welke wijze dit proces verloopt is sterk afhankelijk van de fundatie, de afmetingen van het kunstwerk en de aanwezigheid van schermen. Zo zal bij een op loodpalen gefundeerd kunstwerk in eerste instantie de schuifweerstand van de wanden ten opzichte van de grond moeten worden overschreden voordat hier enige verplaatsingen optreden. Wanneer dit stadium is bereikt en er sprake is van enige verplaatsingen worden de palen aangesproken op buigende momenten. Die dragen daardoor bij aan de horizontale stabiliteit. Bij een kunstwerk waarbij ook nog schermen in de langsrichting van het kunstwerk aanwezig zijn (bijvoorbeeld vanuit de bouwkuip) zullen deze schermen ook direct belasting gaan afdragen en dragen de palen nauwelijks bij aan de horizontale schuifweerstand van het kunstwerk. Nadat significante verplaatsingen van (onderdelen van) het kunstwerk zijn opgetreden, worden aansluitingen tussen kunstwerk en naastliggende grond of tussen onderdelen van het kunstwerk verbroken. Hierdoor kan het aanwezige water gaan bijdragen aan erosie van de grondconstructie naast en onder het object. Bij stijgende buitenwaterstand worden mede hierdoor verplaatsingen groter en is het waterkerende vermogen niet meer aanwezig. Omdat de naast- en onderliggende grondlagen daardoor onbeschermd blootgesteld kunnen worden aan stromend water, treedt erosie van deze grondlagen op. Feitelijk is er op dat moment sprake van bresgroei. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 30 van 105

38 4.2.4 Te toetsen deelfaalmechanismen voor bezwijken constructieonderdelen Zoals uit paragraaf kan worden afgeleid, zijn de volgende deelfaalmechanismen te onderscheiden met betrekking tot het falen van constructieonderdelen ten gevolge van verval- en golfbelastingen: Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting Bezwijken van een waterkerend constructieonderdeel als gevolg van het optredende verval inclusief eventueel aanwezige golfbelastingen. Z 412 Falen herstel sluiting na bezwijken keermiddel Falen van het herstel van het waterkerende vermogen nadat een waterkerend constructieonderdeel is bezweken. Z 22 Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Het bezwijken van de bodembescherming aan de achterzijde van het kunstwerk als gevolg van de optredende stroomsnelheden nadat een waterkerend constructieonderdeel is bezweken en herstel hiervan gefaald is. Z 12 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie bodem Nadat de bodembescherming is bezweken, erodeert de onbeschermde bodem en ontstaan er erosiekuilen als gevolg van de aanwezige stroomsnelheden van het instromende water. Dit leidt tot een kans van het als geheel bezwijken van het kunstwerk door instabiliteit van het kunstwerk, waarmee een bres in de waterkering een feit is. Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Het kombergend vermogen op het achterliggende watersysteem is onvoldoende om het instromende volume buitenwater te bergen zonder dat dit tot significante overstromingsgevolgen leidt in de achterliggende polder(s). Zoals uit paragraaf kan worden afgeleid, zijn de volgende deelfaalmechanismen te onderscheiden met betrekking tot het falen van constructieonderdelen van schutsluizen ten gevolge van aanvaarbelastingen: Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel Kans dat het tweede keermiddel wordt aangevaren op het moment dat het eerste keermiddel open staat. Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde Kans dat de aanvaarenergie groter is dan de door de constructie van de keermiddelen opneembare energie. Z 423 Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring Falen van het herstel van het waterkerende vermogen met behulp van het niet gesloten keermiddel, nadat door aanvaring het gesloten tweede keermiddel is bezweken. Naast bovengenoemde deelfaalmechanismen spelen bij aanvaren ook het bezwijken van de bodembescherming (Z 12 en Z 22 ) en het kombergend vermogen (Z 21 ) nog een rol als sterkte. Deze deelfaalmechanismen zijn reeds hierboven beschreven. De faalmechanismen zoals in deze paragraaf aangegeven worden in de volgende hoofdstukken verder omschreven Te toetsen deelfaalmechanismen voor instabiliteit constructie en grondlichaam Zoals uit paragraaf kan worden afgeleid, is het volgende faalmechanisme te onderscheiden met betrekking tot het falen door algeheel stabiliteitsverlies van de constructie als gevolg van verval- en golfbelastingen: WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 31 van 105

39 Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam Falen van het kunstwerk als gevolg van instabiliteit van het grondlichaam en/of de constructie. Het bovengenoemde faalmechanisme wordt in hoofdstuk 6 verder omschreven Reststerkte Bij het faalmechanisme sterkte constructieonderdelen is sprake van reststerkte na het moment van bezwijken van de bodembescherming. Deze reststerkte zit opgesloten in het deelfaalmechanisme bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie bodem (Z 12 ). Middels dit deelfaalmechanisme kan de kans worden meegenomen dat het kunstwerk als geheel bezwijkt (onderuit gaat) door erosie van de ondergrond nadat bezwijken van de bodembescherming heeft plaatsgevonden. Voordat het kunstwerk als geheel bezwijkt, moet een aantal vervolgprocessen zijn beslag krijgen. Allereerst moet in de nabijheid van het kunstwerk een ontgrondingskuil van voldoende omvang ontstaan. Vervolgens moet een afschuiving aan de rand van deze ontgrondingskuil optreden, waarvan de inscharing het kunstwerk bereikt. Als gevolg van het wegvallen van de passieve gronddruk aan de binnenzijde van het kunstwerk moet vervolgens de overall-stabiliteit van het kunstwerk onvoldoende worden, waarna kantelen of afschuiven van het hele kunstwerk optreedt. Ook kan na het wegvallen van de passieve gronddruk een proces in gang worden gezet waarbij successievelijk (onder)delen van het kunstwerk constructief bezwijken, met het bezwijken van het totale kunstwerk als uiteindelijke gevolg. Reststerkte bij het faalmechanisme instabiliteit constructie en grondlichaam wordt niet beschouwd. Er wordt vanuit gegaan dat bij het bezwijken van de constructie als gevolg van instabiliteit er direct sprake is van het verloren gaan van waterkerend vermogen. Het optreden van een bres wordt direct geïnitieerd en de situatie wordt vervolgens onbeheersbaar verondersteld. Reststerkte na bezwijken bodembescherming Het bezwijken van de bodembescherming (Z 22 ) bestaat uit het optreden van doorgaande erosie van (onderdelen van) de bodembescherming als gevolg van de optredende stroomsnelheden van het instromende water. De reststerkte die dan nog aanwezig is betreft de sterkte die ervoor zorgt dat het kunstwerk na bezwijken van de bodembescherming niet onderuit gaat en er geen bres optreedt (verlies van waterkerend vermogen). Voordat er een bres optreedt en het kunstwerk dus als geheel onderuit gaat na het bezwijken van de bodembescherming, moeten er nog een aantal processen optreden. Optreden van erosie van de onbeschermde bodem als gevolg van de optredende stroomsnelheden. Dit proces leidt uiteindelijk tot het optreden van ontgrondingskuilen. Afmetingen (diepte, breedte) van de ontgrondingskuilen zijn dusdanig dat dit leidt tot instabiliteit (kantelen, verschuiven) van het kunstwerk. Dit kan optreden door het wegvallen van passieve gronddruk aan de binnenzijde, maar ook het uitspoelen van gronddeeltjes onder de binnenzijde van het kunstwerk is mogelijk. Het kunstwerk faalt als gevolg van kantelen en/of, verschuiven van het geheel of het opeenvolgend bezwijken van onderdelen van de constructie. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 32 van 105

40 De reststerkte van het kunstwerk na bezwijken van de bodembescherming is dus afhankelijk van een groot aantal factoren. De belangrijkste zijn: Grondslag onder de bodembescherming De vorming van een ontgrondingskuil gaat in zandige grond veel sneller dan in cohesieve grond (klei). Fundatie van het kunstwerk Een kunstwerk dat op palen staat zal minder snel (deels) bezwijken dan een kunstwerk dat op staal gefundeerd is, aangezien de verticale stabiliteit (in eerste instantie) door de palen wordt gewaarborgd. Geometrie van het kunstwerk Een kort kunstwerk zal sneller kantelen of afschuiven dan een lang kunstwerk Aanwezigheid van een damwandscherm aan de binnenzijde van het kunstwerk. Bij het ontbreken van een damwandscherm aan de binnenzijde treden eventuele ontgrondingen onder het kunstwerk veel sneller op. Nadat de bodembescherming is bezweken moet er dus nog het nodige gebeuren voordat het kunstwerk als geheel bezwijkt. Dit kan in rekening worden gebracht via het deelfaalmechanisme bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van de bodem (Z 12 ) Het is echter zeer lastig deze reststerkte te kwantificeren en uit te drukken in een concrete kans op bezwijken van het kunstwerk als geheel nadat bezwijken van de bodembescherming is opgetreden. Opgemerkt wordt dat bij het bezwijken van de constructie of constructieonderdelen het verval over het kunstwerk nagenoeg altijd substantieel is, waardoor na bezwijken zeker grote stroomsnelheden optreden. Het niet meenemen van eventuele reststerkte is dan een verantwoorde keuze. Reststerkte na overschrijding kombergend vermogen Het overschrijden van het kombergend vermogen (Z 21 ) bestaat uit het instromen van dusdanig veel water dat het niet meer kan worden geborgen in het achterliggende gebied, zonder dat dit tot het overschrijden van de faalcriteria leidt. Deze faalcriteria zijn gekoppeld aan het optreden van substantiële gevolgen. Hiermee is er na overschrijden van het kombergend vermogen geen sprake meer van reststerkte. 4.3 Schematisch overzicht van het faalproces In de volgende Figuur 4-2 is een schematisch overzicht gegeven van het proces van falen als gevolg van het faalmechanisme bezwijken constructieonderdelen. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 33 van 105

41 Toenemen belastingen (verval, golven, wind) Bezwijken constructie (-onderdelen) Primaire mechanisme Falen herstel waterkering Overschrijden kritieke stroomsnelheid bodembescherming nee Aanwezige komberging onvoldoende nee ja Ontstaan ontgrondingskuil nee ja Bezwijken (delen van) kunstwerk nee ja reststerkte mechanisme ja Bresgroei Geen bresgroei Kunstwerk faalt, geen bresgroei Geen bresgroei Figuur 4.2 Schematische weergave proces van falen voor faalmechanisme bezwijken constructieonderdelen Voor het proces van falen als gevolg van aanvaren wordt in Figuur 4.3 een schematische weergave gegeven. Dit schema is grotendeels hetzelfde als in bovenstaand Figuur 4-2. Het verschil zit in de modellen van het primaire mechanisme. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 34 van 105

42 Aanvaring tweede keermiddel Aanvaarenergie groter dan bezwijkenergie Primaire mechanisme Falen herstel waterkering (sluiting eerste keermiddel) Overschrijden kritieke stroomsnelheid bodembescherming nee Aanwezige komberging onvoldoende nee ja Ontstaan ontgrondingskuil nee ja Bezwijken (delen van) kunstwerk nee ja reststerkte mechanisme ja Bresgroei Geen bresgroei Kunstwerk faalt, geen bresgroei Geen bresgroei Figuur 4.3 Schematische weergave proces van falen voor bezwijken als gevolg van aanvaren Ten slotte is voor het faalmechanisme instabiliteit constructie en grondlichaam onderstaand schema van toepassing. Dit is een eenvoudig schema, omdat er geen reststerkte processen aan gekoppeld zijn. Toenemen belastingen (verval, golven) Instabiliteit constructie en/of grondlichaam Primaire mechanisme Bresgroei reststerkte mechanisme Figuur 4.4 Schematische weergave proces van falen bij instabiliteit constructie en grondlichaam 4.4 Beknopte beschrijving van de te toetsen deelfaalmechanismen In de toetsing spelen meerdere deelfaalmechanismen een rol. In deze paragraaf wordt kort ingegaan op deze deelfaalmechanismen. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 35 van 105

43 4.4.1 Deelfaalmechanismen bij bezwijken constructieonderdelen Bij dit faalmechanisme zijn in de toetsing de volgende deelfaalmechanismen van toepassing (hierbij is aanvaren ook meegenomen): Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting. Z 412 Falen herstel sluiting na bezwijken keermiddel. Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde. Z 422 Kans op aanvaring van tweede keermiddel. Z 423 Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring. Z 22 Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk. Z 12 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie bodem. Z 21 Onvoldoende bergend vermogen. Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting Dit deelfaalmechanisme betreft het bezwijken van de constructie(-onderdelen) van het kunstwerk als gevolg van de optredende belastingen. Hierbij gaat het om belastingen die gerelateerd zijn aan hoogwaterkeren, zijnde hydraulische en wellicht windbelastingen. Bezwijken treedt op als de sterkte van de constructie(-onderdelen) niet toereikend is voor de optredende belastingen. In bijna alle gevallen zijn de maatgevende constructie(-onderdelen) van een waterkerend kunstwerk de keermiddelen of zaken die hieraan zijn gerelateerd, zoals opleggingen. Het beoordelen van dit deelfaalmechanisme bestaat uit het vergelijken van de maximaal toelaatbare snedekrachten in een constructie(-onderdeel) met de optredende snedekrachten als gevolg van de belastingen. Z 412 Falen herstel sluiting na bezwijken keermiddel Dit deelfaalmechanisme betreft de kans op falen van herstelpogingen van het waterkerend vermogen van het kunstwerk nadat een waterkerend constructieonderdeel is bezweken. In de praktijk kan het ongewenst instromen van water als gevolg van het bezwijken van een waterkerende constructieonderdeel wellicht nog worden gestopt door het kerende vermogen van het kunstwerk te herstellen. Hierbij kan gedacht worden aan het sluiten van een ander aanwezig keermiddel, of het op alternatieve wijze stoppen van het instromende debiet. Een voorbeeld van een alternatieve wijze van waterkeren is het gooien van zandzakken in een watervoerende leiding door de waterkering. Er zijn geen richtlijnen voor het hanteren van een faalkans voor herstelpogingen. Dit betekent dat in de toetspraktijk in principe de kans van falen van herstel van de sluiting een waarde 1 krijgt (herstelpogingen falen altijd). Met name bij de kleinere kunstwerken kan het mogelijk zijn om een instroming nog te stoppen. Indien bereikbaarheid, materieel en materiaal geen probleem zijn, kan de faalkans van herstel worden geschat op een waarde kleiner dan 1. Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde Dit deelfaalmechanisme betreft het bezwijken van een constructie als gevolg van een aanvaring door een schip. Om deze kans op bezwijken te bepalen wordt de door de constructie opneembare energie vergeleken met de optredende energie uitgeoefend door het schip tijdens de botsing. Indien de opneembare energie kleiner is dan de optredende energie zal bezwijken van de constructie plaatsvinden. Dit leidt vervolgens tot instroming van water in de achterliggende vaarweg. Van belang bij dit deelfaalmechanisme zijn de opneembare energie en de vaarsnelheid en massa van het schip. De opneembare energie is over het algemeen lastig te bepalen. Een nauwkeurige berekening hiervan vereist zeer uitgebreide sommen. De opneembare energie is daarbij onder andere afhankelijk van het soort en de opbouw van de constructie (keermiddel). WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 36 van 105

44 Metingen en kentallen van vaarsnelheden in sluizen kunnen worden gebruikt om snelheden af te schatten. De massa s van de diverse schepen is meestal redelijk bekend. Algemeen uitgangspunt is dat recreatievaart te weinig massa bezit om een constructie middels een botsing te laten bezwijken. Z 422 Kans op aanvaring van het gesloten tweede keermiddel Dit deelfaalmechanisme beschrijft de kans per jaar op aanvaring van een keermiddel door een schip. Het faalmechanisme speelt met name een rol bij schutsluizen, waarbij tijdens het invaren van een schip van buiten naar binnen, bij nog openstaande buitendeur, de binnendeur wordt aangevaren. De kans dat dit optreedt is met name afhankelijk van het aantal nivelleringen dat plaats vindt en de kans op een aanvaring per nivellering. De kans op aanvaring per nivellering wordt onder andere beïnvloed door de afmetingen van de schepen in relatie tot de afmetingen van de kolk en de aanvaarroute van de sluis. Indien de aanvaarroute dusdanig is dat dit nog niet tot substantiële afname van de normale vaarsnelheid leidt, betekent dit dat het verminderen van vaart alleen vanuit de optiek van schipper en sluiswachter plaats zal vinden. Bij bijvoorbeeld een bocht voor de sluis, wordt de schepen bij het naderen van de sluiskolk al gedwongen om sterk vaart te minderen. De kans op aanvaren wordt zeer sterk gereduceerd als er in de sluis aanvaarconstructies voor de sluisdeuren worden toegepast bij het schutten. Z 423 Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring Dit deelfaalmechanisme betreft de kans op falen van herstelmaatregelen met betrekking tot het waterkerende vermogen, nadat door een botsing dit vermogen is verdwenen. In de praktijk komt dit neer op het alsnog realiseren van een gesloten kunstwerk nadat een constructie(-onderdeel) is uitgevaren. Vaak wordt hierbij gekeken naar het alsnog sluiten van het keermiddel in het andere hoofd van de schutsluis. Of een dergelijke sluiting alsnog gerealiseerd kan worden hangt af van het type keermiddel dat wordt ingezet voor het herstel en de stroomsnelheden die optreden nadat het constructie(-onderdeel) is uitgevaren. Hierbij geldt bijvoorbeeld dat waaierdeuren bij hogere stroomsnelheden gesloten kunnen worden dan puntdeuren. Z 22 Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Dit deelfaalmechanisme betreft het bezwijken van de bodembescherming achter het kunstwerk. Dit kan optreden door hoge stroomsnelheden boven de bodembescherming als gevolg van instromend water. Onder bezwijken wordt verstaan het optreden van doorgaande erosie van de bodembescherming, waardoor de ondergrond blootgesteld wordt aan de optredende stroomsnelheden. De kritieke stroomsnelheid waarbij bezwijken van de bodembescherming optreedt, verschilt per type bodembescherming. Zo is een bodembescherming bestaande uit beton, asfalt of gezette steen doorgaans bestand tegen hogere stroomsnelheden dan een bodembescherming bestaande uit losgestorte steen. De kritieke stroomsnelheid wordt in het faalmodel vertaald naar een toelaatbaar debiet dat naar binnen kan stromen zonder dat de bodembescherming bezwijkt. Het optredende debiet na bezwijken van een constructie(-onderdeel) wordt bepaald met behulp van stromingsmodellen voor de diverse situaties, zoals het model lage drempel en verdronken koker. Het instromende debiet is middels deze modellen afhankelijk van de afmetingen van de doorstroomopening(en), de hoogte van de drempel van het niet waterkende kunstwerk en het verval over het kunstwerk. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 37 van 105

45 Z 12 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie bodem Dit deelfaalmechanisme betreft de kans dat het kunstwerk als geheel bezwijkt (onderuit gaat) door erosie van de onbeschermde bodem nadat bezwijken van de bodembescherming heeft plaatsgevonden. Als gevolg van deze erosie ontstaan ontgrondingskuilen, die een dusdanige afmetingen kunnen krijgen dit leidt tot instabiliteit van het kunstwerk, bijvoorbeeld als gevolg van het afnemen van de passieve gronddruk of het ondergraven van de binnenzijde van de constructie. De instabiliteit van het kunstwerk kan bestaan uit het schuiven of kantelen van (onderdelen van) het kunstwerk. Ook is het mogelijk dat er een proces ontstaat waarbij successievelijk delen van het kunstwerk constructief bezwijken met het bezwijken van het totale kunstwerk als uiteindelijke gevolg. Dit kan leiden tot een bres in de waterkering, met bresgroei tot gevolg. Regels voor het bepalen van een kans zijn niet voorhanden. Grotendeels komt dit deelfaalmechanisme neer op expert judgement. Een veilige (en conservatieve) benadering is om de kans op bezwijken als gevolge van erosie van de bodem op een getalswaarde van 1 te zetten. Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Dit faalmechanisme betreft het falen van het kunstwerk als gevolg van onvoldoende waterbergend vermogen in het achterland doordat er te veel water door het niet waterkerende kunstwerk stroomt gedurende een hoogwatergolf. Hierbij moet sprake zijn van significante overstromingsgevolgen. Een harde definitie van significante gevolgen is vooralsnog niet voor handen. Bij het deelfaalmechanisme Z 21 is in veel gevallen geen sprake van bezwijken van het kunstwerk, met bresgroei tot gevolg. Het is echter wel mogelijk dat er een situatie is waarbij overschrijding van het kombergend vermogen leidt tot bezwijken van het kunstwerk. In dit geval is sprake van een situatie waarbij na het bezwijken van een kade van de komberging een dusdanig verval over het kunstwerk ontstaat, dat de keermiddelen bezwijken of de waterdiepte zo klein wordt dat de kritieke stroomsnelheid voor de bodembescherming wordt overschreden Deelfaalmechanismen bij instabiliteit constructie en grondlichaam Dit faalmechanisme is niet opgebouwd uit meerdere deelfaalmechanismen. Hierdoor is alleen het volgende faalmechanisme van toepassing: Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam. Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam Bezwijken als gevolg van algeheel stabiliteitsverlies treedt op wanneer de optredende belastingen niet kunnen worden afgedragen naar de ondergrond, zonder dat dit leidt tot substantiële vervormingen. De belastingen die van toepassing zijn, zijn met name hoogwater gerelateerd zoals verval en wellicht windbelasting. Golfbelastingen kunnen van toepassing zijn indien de golfperiode lang genoeg is om de constructie te laten merken dat er een golf aanwezig is. Bij grote golven kunnen golfklappen optreden, welke bij veelvuldig voorkomen ook kunnen bijdragen aan instabiliteit. Stabiliteitsverlies van het grondlichaam waarin een kunstwerk is opgenomen is zelden van belang, aangezien het kunstwerk vaak zijn eigen fundatie kent. Daarnaast wordt door de aanwezigheid van (kwel-)schermen en vleugelwanden ook al een weerstand tegen instabiliteit van het grondlichaam opgebouwd. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 38 van 105

46 Het beoordelen van dit deelfaalmechanisme bestaat uit het vergelijken van de maximaal optredende belastingen en de maximaal opneembare belastingen. Indien de opneembare belasting kleiner is dan de optredende belasting, treedt falen op. 4.5 Historie van de voorschriften voor het faalmechanisme De historie met betrekking tot de faalmechanismen bezwijken constructieonderdelen (STCO) en instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) is nagenoeg hetzelfde Constructieve veiligheid Constructieve veiligheid betreft de veiligheid tegen bezwijken van een constructie als gevolg van een belasting op deze constructie. Parameters die hierbij een rol spelen zijn de sterkte van een constructie en de belasting op diezelfde constructie. Ten behoeve van de nadere beschrijving van de historie van de faalmechanismen wordt eerst een korte beschouwing over constructieve veiligheid gegeven. Constructieve veiligheid bij kunstwerken wordt gespecificeerd door het hanteren van betrouwbaarheidseisen. Deze betrouwbaarheidseisen geven aan welke bezwijkkans voor een kunstwerk (of onderdelen daarvan) maximaal toelaatbaar is vanuit een bepaalde functie van het kunstwerk gedurende een bepaalde periode (referentieperiode). Feitelijk is een betrouwbaarheidseis aan een waterbouwkundig kunstwerk een prestatie-eis die in algemene zin als volgt kan worden geformuleerd (JCSS, Joint Committee on Structural Safety): De constructie mag: 1. De gedefinieerde uiterste grenstoestanden. 2. Met de vastgelegde maten van betrouwbaarheid. 3. Gedurende de vastgestelde referentieperiode niet overschrijden. Constructies (of onderdelen daarvan) bezitten één of meer functies. Het niet langer vervullen van een functie wordt falen genoemd. De grenstoestand is de toestand waarin nog net geen sprake is van falen. In de praktijk wordt onderscheid gemaakt tussen de volgende typen grenstoestanden: 1. Uiterste grenstoestand (Ultimate Limit State). 2. Bruikbaarheidsgrenstoestand (Serviceability Limit State). Soms wordt ook een vermoeiingsgrenstoestand (Fatigue Limit State) beschouwd. Deze is ook op te vatten als een uiterste grenstoestand. Voor elk faalmechanisme wordt een afzonderlijke grenstoestand geformuleerd. Bij overschrijding van de bruikbaarheidsgrenstoestand kan de constructie (of onderdelen daarvan) een gewenste gebruiksfunctie niet langer vervullen maar is nog geen sprake van bezwijken. Een voorbeeld hiervan zijn grote vervormingen. Bij overschrijding van de uiterste grenstoestand bezwijkt de constructie, bijvoorbeeld door afschuiving. In het geval van toetsen op waterveiligheid zal over het algemeen de uiterste grenstoestand de te toetsen grenstoestand zijn, omdat dit betrekking heeft op het verlies van de waterkerende functie. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 39 van 105

47 Een constructie faalt als de (onzekere) belasting groter is dan de (onzekere) sterkte. Een grenstoestandfunctie of Z-functie geeft aan of de belasting groter is dan de sterkte. Als de Z- functie kleiner is dan nul, dan is de belasting groter dan de sterkte en is sprake van falen. Vaak wordt een Z-functie als volgt geschreven: Z R S (4-1) Hierin is R de (onzekere) sterkte en S de (onzekere) belasting. Een onzekere grootheid wordt doorgaans als een stochastische variabele gemodelleerd. Dit betekent dat deze variabele wordt beschreven middels een kansverdeling. De sterkte laat zich immers niet definiëren als één bepaalde waarde als gevolg van variaties in materiaaleigenschappen en schematisering en lokale imperfecties. Voor de belasting geldt hetzelfde. Ook hier zijn variaties mogelijk bv als gevolg van wisselend gebruik van een constructie of de extrapolatie van belastingen met een zeer kleine kans van voorkomen. Dit laatste is het geval bij extreme waterstanden bij onze primaire keringen. Zoals aangegeven kunnen de waarde van de sterkte en van de belasting worden beschreven met behulp van verdelingen. In onderstaande Figuur 4-1 zijn voorbeelden van de kansdichtheidsfuncties van de normaal verdeeld aangenomen belasting (S= Sollicitation) en sterkte (R=Resistance) weergegeven. Figuur 4-1 Kansverdelingen sterkte en belasting In bovenstaande figuur blijkt dat nagenoeg voor elke waarde van de belasting geldt dat deze kleiner is dan de sterkte. Er is slechts een zeer beperkte kans (dit is gekoppeld aan de betrouwbaarheidseis) dat de belasting groter is dan de daadwerkelijke sterkte. De genoemde parameters in zijn: S m S k R m R k Gemiddelde waarde van de belasting Karakteristieke waarde van de belasting Gemiddelde waarde van de sterkte Karakteristieke waarde van de sterkte WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 40 van 105

48 Beoordeling van constructieve veiligheid kan op meerdere niveaus plaatsvinden (zie voor een volledige uitwerking CUR 190). Dit zijn: Niveau 0 Deterministische benadering, waarbij gerekend wordt met deterministische waarde voor sterkte en stabiliteit en een standaard overall veiligheidsfactor. Deze veiligheidsfactor is per gebied vastgelegd, met name op basis van ervaringen. Niveau I Semi-probabilistische benadering, waarbij er wordt niet expliciet maar impliciet met de kansverdelingen van sterkte en belasting gewerkt. Daartoe worden de kansverdelingen teruggebracht naar karakteristieke waarden van de sterkte en de belasting en wordt er gewerkt met partiele veiligheidsfactoren. Niveau II Probabilistische benadering, waarbij zaken worden gelineariseerd en alle kansverdelingen worden getransformeerd naar equivalente normale kansverdelingen. Niveau III Volledig probabilistische analyse, waarbij de volledige kansdichtheidsfuncties van de stochastische variabelen in rekening worden gebracht en exact rekening wordt gehouden met het eventueel niet-lineaire karakter van de betrouwbaarheidsfunctie. Momenteel (zoals in de bouwvoorschriften) worden de meeste beschouwingen op niveau I uitgevoerd, waarbij op sommige terreinen langzaam een verschuiving richting niveau II kan worden waargenomen, zoals bij hele complexe constructies. Voor de semi-probabilistische methode (niveau I) zijn de parameters uit Figuur 4-1 als vertegenwoordiging van de kansdichtheidsfuncties beschikbaar. De karakteristieke waarde van de belasting en de sterkte is afhankelijk van welke definitie hiervoor wordt gehanteerd 5 en de spreiding van de belasting c.q. de sterkte. De constructieve veiligheid wordt uitgedrukt in termen van de betrouwbaarheid dat de aanwezige sterkte groter is dan de optredende belasting. Of complementair, in termen van de mate waarin de kans dat de optredende belasting groter is dan de aanwezige sterkte (dit is de faalkans) klein is. De vereiste constructieve veiligheid wordt uitgedrukt in termen van een vereiste betrouwbaarheidsindex, of complementair, in termen van een toelaatbaar kleine faalkans. De relatie tussen vereiste betrouwbaarheidsindex en toelaatbare faalkans is eenduidig Veiligheidsformats in bouwschriften vanaf 1955 In de laatste halve eeuw is de manier waarop constructieve veiligheid in het ontwerp werd ingebracht veranderd. Het basisprincipe zoals geschetst in Figuur 4-1 is gehandhaafd, alleen is dit steeds op een meer geavanceerde wijze uitgewerkt. Hieronder volgen voor een aantal tijdsvakken van de afgelopen eeuw de toegepaste veiligheidsformats. TGB 1955 Voor 1972 beschouwde men in de ontwerpnormen belastingen en materiaalsterkte als deterministische variabelen. Veiligheid creëerde men door met toelaatbare materiaalspanningen ( a ) te rekenen. Toelaatbare spanningen werden verkregen door de gemiddelde waarde van de vloeigrens of de breeksterkte van het materiaal te delen door een veiligheidscoëfficiënt. Deze reductiefactor werd niet vermeld in de voorschriften, maar was 5 Over het algemeen de 5% overschrijdingswaarde (belastingen) dan wel de 5% onderschrijdingswaarde (sterkte). WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 41 van 105

49 impliciet opgenomen door de toelaatbare spanning a voor te schrijven. Voor onderstaande materialen werd met de volgende veiligheidsfactor gewerkt: Beton en betonstaal = 1,8 Staal: = 1,5 Hout: is niet bekend. Figuur 4.5 Constructieve veiligheid TGB 1955 Deze veiligheidsfilosofie sluit dus niet aan op de huidige praktijk. Hoewel de veiligheid in de bovenstaande procedure geheel is ondergebracht aan de sterktekant, wijkt het deterministische safety format sterk af van de semi-probabilistische safety formats van na De toelaatbare materiaalspanning ( a ) en vloei- of breukspanning zoals gebruikt voor 1972 zijn deterministische variabelen en niet te vergelijken met een stochastische waarde van de materiaalsterkte, uitgedrukt in de ontwerp-, representatieve (karakteristieke) en gemiddelde waarde, zoals gebruikt na TGB 1972 In de semi-probabilistische methode conform de TGB 1972 werd van zowel de sterkte als de belasting de gemiddelde waarde (R m en S m ) en de karakteristieke waarde (R k en S k ) bepaald. Voor het bepalen van de rekenwaarden gebruikte men een overall veiligheidsfactor. Deze veiligheidsfactor werd toegepast op de belasting en daarom wel aangeduid als belastingfactor. De karakteristieke belasting(-en) werden vermenigvuldigd met deze veiligheidsfactor, die per materiaal was bepaald. Beton: = 1,7 (VB1974/1984-beton, NEN3880: Regulations concrete, Artikel A ). Staal: = 1,5 (TGB1972-staal, NEN3851: Staalconstructies, Artikel 1.9.2). Hout: vanaf 1972 bleef men voor hout de methode van voor 1972 gebruiken. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 42 van 105

50 Figuur 4.6 Constructieve veiligheid TGB 1972 Het safety format in de periode ziet er dus als volgt uit: Rd S d Rk S k TGB 1990 en Eurocode Vanaf de TGB 1990 is men gaan werken met partiële veiligheidsfactoren. Er wordt zowel een belastingfactor toegepast bij de belasting als een materiaalfactor voor de sterkteeigenschappen van het materiaal. In de semi-probabilistische methode conform de Eurocodes en TGB1990 wordt van zowel de sterkte als de belasting de gemiddelde waarde (= verwachtingswaarde = S m en R m ) en de spreiding ( S en R ) bepaald. Met behulp hiervan is de normale verdeling voor zowel belasting als sterkte vastgelegd. Vervolgens wordt voor de belastingzijde gezocht naar de 5%-overschrijdingswaarde. Deze waarde wordt dus in 5% van de gevallen van een steekproef van de belasting overschreden. Deze waarde wordt gevonden door bij de gemiddelde waarde 1,64 maal de spreiding op te tellen. De nu gevonden waarde wordt de karakteristieke waarde van de belasting genoemd (S k ). Voor de sterkte geldt dat gezocht wordt naar de 5%-onderschrijdingswaarde. Deze waarde wordt dus in 5% van de gevallen bij een steekproef op sterkte onderschreden. Deze waarde wordt gevonden door van de gemiddelde waarde 1,64 maal de spreiding af te trekken. De nu gevonden waarde wordt de karakteristieke waarde van de sterkte genoemd (R k ). Voor het bepalen van de rekenwaarden van sterkte en belasting wordt in de Eurocodes en de TGB1990 gebruik gemaakt van partiële veiligheidsfactoren. Door de karakteristieke sterkte te delen door een materiaalfactor ( m ) wordt de rekenwaarde van de sterkte (R d ) gevonden. Door de karakteristieke belasting te vermenigvuldigen met een belastingfactor ( s ) wordt de rekenwaarde van de belasting (S d ) gevonden. Op deze wijze wordt de in de huidige normen geëiste veiligheidsmarge gecreëerd. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 43 van 105

51 De vigerende belasting- en materiaalfactoren zijn vastgelegd in de Eurocodes en Leidraad Kunstwerken. De Eurocodes zijn in principe geschreven voor gebouwen en in de Leidraad Kunstwerken wordt ingegaan op belastingen specifiek voor natte constructies. Vanaf 2012 is er een aanvulling op de Leidraad Kunstwerken uitgekomen ten gevolge van de komst van de Eurocodes [DLT-lk1 2012] 6. Het safety format vanaf 1990 ziet er dus als volgt uit: Rd S d R k S R k S Figuur 4-2 Constructieve veiligheid TGB Vigerende veiligheidsfilosofie en het toetsinstrumentarium VTV2006 Leidraad Kunstwerken In de Leidraad Kunstwerken [TAW-LK 2003], welke vanaf 2003 vigerend is, wordt specifiek ingegaan op de constructieve veiligheid bij waterkerende constructies. De leidraad is geschreven omdat in de normen geen specifieke regels voor waterkerende constructies werden gegeven. Daarnaast hebben de betrouwbaarheidseisen uit de TGB en Eurocode betrekking op grotere referentieperiodes dan een jaar, terwijl de normen uit de Waterwet per jaar zijn geformuleerd. Opgemerkt wordt dat de Leidraad Kunstwerken op het gebied van constructieve veiligheid (toepassing van veiligheidsfactoren) met de komst van de Eurocodes aanpassing behoeft In de Leidraad Kunstwerken wordt voorgeschreven om de karakteristieke vervalbelasting onder dominante belasting (maatgevende hoogwaterstanden) standaard te vermenigvuldigen met een belastingfactor van 1,25. Deze factor is een combinatie van een belastingfactor en een toeslag op de vanuit de TGB te hanteren materiaalfactoren. In de Leidraad worden daarnaast handvatten gegeven om deze belastingfactor voor specifieke situaties nader te bepalen. Op dat gebied sluit de Leidraad aan op de veiligheidsfilosofie die sinds de TGB 1990 van kracht is. 6 Dit document is op te vragen bij Rijkswaterstaat WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 44 van 105

52 In de Leidraad kunstwerken worden eisen gesteld aan de sterkte en stabiliteit (constructief bezwijken). In Figuur 4.7 is de relatie tussen de faalkanseis voor constructief bezwijken en de overschrijdingskansnorm gegeven. FALEN WATERBEZWAAR CONSTRUCTIEF BEZWIJKEN GEGEVEN MHW P CB < 0,01 NORM OVERSLAG/OVERLOOP INSTROMEND VOLUME OVER GESLOTEN KUNSTWERK P OO < 1 NORM NIET SLUITEN INSTROMEND VOLUME DOOR GEOPEND KUNSTWERK P BS < 0,1 NORM Figuur 4.7 Faalboom kunstwerken Leidraad Kunstwerken De eis ten aanzien van constructief bezwijken (sterkte en stabiliteit) is dat de faalkans met betrekking tot dit toetsspoor kleiner is dan 1/100 van de overschrijdingskansnorm van de betreffende dijkring uit de Waterwet. In tegenstelling tot de toetssporen hoogte en betrouwbaarheid sluiting wordt in de Leidraad Kunstwerken bij constructief falen niet gekeken naar eventuele reststerkte in de vorm van komberging en/of sterkte bodembescherming. Er wordt verondersteld dat na constructief bezwijken de situatie onbeheersbaar is en er sprake van een overstroming zal zijn. Nieuw Bouwbesluit 2012 Sinds 2012 vervangen de Eurocodes de TGB-normen bij vaststelling van het nieuwe Bouwbesluit (wet). De eisen voor constructieve veiligheid zijn daarbij verscherpt. Dit heeft invloed op de veiligheidseisen voor waterkerende kunstwerken. Ten tijde van de TGB waren de veiligheidseisen in de Waterwet, welke tot uitdrukking kwamen in de normfrequenties, namelijk maatgevend boven de eisen in de TGB. Dit betekent dat de belastingfactor in Leidraad Kunstwerken mogelijk niet meer voldoende groot is. In 2016 wordt Leidraad Kunstwerken ook op dit punt herzien. Daarnaast is in opdracht van RWS in 2012 onderzoek gedaan naar een voorlopig te kiezen waarde van de belastingfactor, opdat tot het uitkomen van de voorgenomen update van de Leidraad Kunstwerken er met voldoende veiligheid ontworpen kan worden (zie [DLT-lk1 2012]). Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken (ROK) Dit betreft een ontwerpdocument [RWS-ROK 2013] van Rijkswaterstaat dat dient als aanvulling en invulling van de Eurocodes inclusief de Nationale bijlagen. Het document is van toepassing verklaard op alle kunstwerken (o.a. bruggen, tunnels, natte kunstwerken) die door RWS worden aangelegd. De ROK gaat uit van de Eurocodes en maakt bepaalde keuzes die in deze voorschriften nog niet zijn vastgelegd. Ook worden aanvullingen gegeven op de eisen uit de Eurocodes. In de ROK is het resultaat van het bovenstaande onderzoek in 2013 naar de belastingfactor op WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 45 van 105

53 verval bij hoogwater opgenomen. Er dient conform de ROK met een belastingfactor van 1,5 rekening gehouden te worden voor vervalbelastingen. Er worden wel mogelijkheden gegeven om deze factor te optimaliseren middels een verwijzing bekende methode in Leidraad Kunstwerken 2003, maar in de kern is deze factor 20% groter dan de factor uit de Leidraad Kunstwerken. In het kader van het RWS project RBK-Nat is er vervolg onderzoek gedaan om de factor 1,5 eventueel te kunnen verkleinen. Dit onderzoek is nog niet vastgesteld en uitgebracht Wettelijk toetsinstrumentarium tot op heden In de wettelijke toetsingen tot en met de derde toetsronde is in de toetsvoorschriften (o.a. [DWW-VTV ]) zoveel mogelijk aangesloten op de Leidraad Kunstwerken. Onderstaand is het toetsschema uit het vigerend toetsvoorschrift [DWW-VTV ] voor sterkte en stabiliteit weergegeven. Figuur 4.8 Toetsschema sterkte en stabiliteit uit het VTV2006 De eerste stap is de eenvoudige toets. Deze toets blijkt in de praktijk vaak niet echt eenvoudig te zijn, omdat de benodigde informatie hiervoor ontbreekt en ook niet eenvoudig te achterhalen is. De tweede stap behoeft ook de nodige beschikbare informatie en blijkt uit dat oogpunt ook lang niet altijd toepasbaar. Met name het aspect van de vigerende leidraden is zeker tegenwoordig niet meer van toepassing. De laatste jaren zijn meerdere leidraden en voorschriften vervallen of aangepast. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 46 van 105

54 De derde stap in het toetsproces (gedetailleerde toets) betreft het daadwerkelijk narekenen van de constructie conform vigerende leidraden en normen. Feitelijk vindt hier een controle van sterkte en stabiliteit plaats op basis van een semi-probabilistische benadering. De geavanceerde toetsing geeft uiteindelijk de mogelijkheid om een probabilistische benadering toe te passen, waarbij ook herverdeling van de voor kunstwerken totaal beschikbare faalkansruimte mogelijk is. In de praktijk wordt deze stap nooit toegepast, mede omdat de tools hiervoor niet of nauwelijks voor handen zijn. In de vigerende toetsing (tot en met WTI2011) geldt de overbelastingsbenadering als uitgangspunt. Het betrekken van gevolgen wordt bij sterkte en stabiliteit niet meegenomen. 4.7 WTI2017 In het WTI2017 maakt het toetsspoor sterkte en stabiliteit ook deel uit van de toetsing Wijzigingen in het WTI2017 In het WTI2017 wordt grotendeels aangesloten op de huidige wijze van toetsen. Het gaat nu echter om het beschouwen van overstromingsrisico s en daarmee over grotere gevolgen. Het optreden van wateroverlast wordt niet meer als het primaire criterium gezien, maar het optreden van grote gevolgen is nu de randvoorwaarde. Dit kan worden vertaald naar het primaire uitgangspunt dat de constructie bezweken moet zijn, waarna een bres in de waterkering ontstaat. Voor het faalmechanisme bezwijken constructieonderdelen (STCO) betekent dit dat bezwijken van een constructieonderdeel nog niet per definitie hoeft te betekenen dat een bres optreedt. De komberging en de bodembescherming bieden hierbij nog aanvullende sterkte. Voor het faalmechanisme Instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) wordt met deze aanvullende sterkten geen rekening gehouden. Bezwijken wordt hier direct gelijk gesteld aan falen van de waterkering. De overstromingsbenadering in het WTI2017 heeft onderstaand schema als basis. FALEN HOOGTE BETROUWBAARHEID SLUITING PIPING STERKTE EN STABILITEIT INSTROMEND DEBIET / VOLUME OVER GESLOTEN KUNSTWERK INSTROMEND DEBIET / VOLUME DOOR GEOPEND KUNSTWERK BEZWIJKEN KUNSTWERK INSTROMEND VOLUME BEZWEKEN KUNSTWERK Figuur 4.9 Faalboom kunstwerken WTI Beoordelingen in het WTI2017 In het WTI2017 wordt voor het toetsspoor gestart met een eenvoudige beslisregel. Deze is nagenoeg gelijk aan de tweede stap in de vigerende toetsmethodiek. De volgende stap (stap 2) bestaat uit het uitvoeren van een gedetailleerde analyse op 2a-2 (probabilistisch niveau). De toetsing op niveau 2a-1 (semi- probabilistisch) wordt wel uitgewerkt, maar is niet in stap 2 beschikbaar. De semi-probabilistische toets kan worden gebruikt in een toets op maat of ter verificatie van de gedetailleerde analyse op probabilistisch niveau. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 47 van 105

55 4.8 Referenties [DLT-lk1 2012] Afstemming Leidraad Kunstwerken en Eurocode Activiteit 1: Belastingfactoren bij maatgevende waterstanden, Deltares, kenmerk GEO-0008 v4 definitief, mei 2012 [DLT-shst 2015] Schematiseringshandleiding Sterkte en stabiliteit puntconstructies Deltares rapport, kenmerk GEO-0004, Versie D1, 30 december 2015, definitief [DWW-VTV ] Voorschrift Toetsen op Veiligheid primaire waterkering 2006 (VTV2006), Dienst Weg- en Waterbouwkunde (RWS), ISBN , september 2007 [RWS-ROK 2013] Richtlijn Ontwerp Kunstwerken, RWS Dienst Infrastructuur, document RTD 1001:2013, versie 1.2 definitief, 1 januari 2013 [TAW-LK 2003] Leidraad Kunstwerken, Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, ISBN , mei 2003 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 48 van 105

56 5 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting In dit hoofdstuk wordt een beschrijving gegeven van het deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting. Hierbij wordt eerst de definitie vastgelegd, waarna wordt ingegaan op historie en kennisbasis en eventuele nieuwe ontwikkelingen. Tot slot worden de grenstoestandfunctie en de sterkte- en belastingmodellen binnen het WTI2017 besproken. Het deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting is het initiërende mechanisme voor het deelfaalmechanisme Bezwijken van de waterkerende constructieonderdelen (zie Figuur ), wat optreedt als na het bezwijken van de constructieonderdelen door de vervalbelasting de instroming ontoelaatbaar groot wordt én de sluiting van het eventueel aanwezige tweede keermiddel of alternatief keermiddel mislukt. In essentie bestaat de toetsing van deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting uit het vergelijken van de aanwezige sterkte van de beschouwde constructieonderdelen met de optredende hydraulische belastingen in de uiterste grenstoestand (UGT). Anders dan de term vervalbelasting doet vermoeden worden ook de golven meegenomen als belasting. De beschouwde constructieonderdelen dienen dusdanig gekozen te worden, dat bij bezwijken ervan door de hydraulische belasting verlies van waterkerend vermogen kan optreden. 5.1 Definitie Het kunstwerk is gefaald voor het deelfaalmechanisme bezwijken van de waterkerende constructieonderdelen (linker tak in figuur 5-1) bij het optreden van de combinatie van: Deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting. Deelfaalmechanisme Falen door instroming hetgeen is onderverdeeld in: - Deelfaalmechanisme Z 21 Onvoldoende bergend vermogen. - Deelfaalmechanisme Falen door erosie van bodem bij instroming, bestaand uit: Deelfaalmechanisme Z 22 Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Deelfaalmechanisme Z 12 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van bodem Deelfaalmechanisme Z 412 Falen herstel sluiting. Bij deze optredende combinatie is er sprake van verlies van waterkerend vermogen. Hierbij geldt deelfaalmechanisme Z 411 : Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting als het initiërende mechanisme, wat optreedt zodra de hydraulische belastingen leiden tot een dusdanige waterdruk dat de beschouwde constructieonderdelen bezwijken. Als gevolg daarvan stroomt met grote snelheid water door het kunstwerk het achterland in, wat kan leiden tot het ontstaan van erosie van de bodem achter het kunstwerk of tot het vollopen van het gebied. Deze twee mogelijke gevolgen bepalen de faalcriteria voor het deelfaalmechanisme bezwijken van de waterkerende constructieonderdelen zoals uitgewerkt in [DLT-dfk 2015]. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 49 van 105

57 Het faalcriterium met betrekking tot erosie bodembescherming is: Het faalcriterium wordt overschreden als er dusdanige stroomsnelheden ter plaatse van de bodembescherming ontstaan dat doorgaande erosie van de bodembescherming optreedt. Het faalcriterium met betrekking tot komberging is: Het faalcriterium wordt overschreden als het instromende water leidt tot significante gevolgen in het achterliggende watersysteem dan wel gebied. Zxx: deelfaalmechanisme Falen als gevolg van gebrek aan sterkte en/of stabiliteit Of Bezwijken waterkerende constructie-onderdelen Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam Falen t.g.v. aanvaring En En Z 411 Bezwijken constructie t.g.v. verval Falen door instroming Z 412 Falen herstel sluiting Bezwijken 2 de keermiddel t.g.v. aanvaring Falen door instroming Z 12, Z 21, Z 22 Z 423 Falen herstel fatale aanvaring Of En Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Falen door erosie van bodem bij instroming Z 422 Z 421 Kans op aanvaring 2 de keermiddel Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde En Z 12 Z 22 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van bodem Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Figuur 5.1 Modellering toetsspoor sterkte en stabiliteit ten behoeve van deelspoor STCO 5.2 Historie en kennisbasis In het deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting wordt de aanwezige sterkte van de beschouwde constructieonderdelen vergeleken met de optredende hydraulische belastingen in de uiterste grenstoestand (UGT). Falen treedt op als de sterkte (Resistance) kleiner is dan de belasting (Sollicitation). In formulevorm: = (5.1) Voor de sterkte- en belastingmodellen wordt verwezen naar de regels uit de toegepaste mechanica. Deze informatie is algemeen voorhanden en de invulling is afhankelijk van de WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 50 van 105

58 configuratie van constructieonderdelen en het type krachtcontrole. Strikt genomen dient in de bovenstaande grenstoestandsfunctie gewerkt te worden met belastingeffecten. De hydraulische belasting is één van de belastingsituaties waarop een waterkerend kunstwerk volgens het Bouwbesluit constructief ontworpen dient te worden. Daarnaast is het tezamen met aanvaring dé belastingsituatie waarop een waterkerend kunstwerk voor de Waterwet constructief ontworpen en periodiek getoetst wordt. Het Bouwbesluit bepaalt onder andere het veiligheidsniveau waaraan het kunstwerk moet voldoen. De nationale bouwvoorschriften vanuit de geschiedenis tot aan het huidige Bouwbesluit hebben voor de uitwerking daarvan allen een semi-probabilistisch safety format, waarvan de aard verschilt tussen de perioden waarin zij zijn uitgebracht. Voor een overzicht op hoofdlijnen van de verschillende safety-formats in de tijd wordt verwezen naar paragraaf Aangezien de bouwvoorschriften in eerste instantie voor gebouwen zijn geschreven, is eerst in 1997 de Leidraad Kunstwerken en Bijzondere constructies [TAW-WKBC 1997] en vervolgens in 2003 de Leidraad Kunstwerken [TAW-LK 2003] uitgebracht, waarin de vereiste mate van veiligheid voor de hydraulische belastingsituatie bij waterkerende kunstwerken is uitgewerkt. Hierin is tevens de link gelegd met de Waterwet. Met de komst van de Eurocodes en daarmee het Bouwbesluit 2012 is de uitwerking in de Leidraad Kunstwerken gedateerd. In Afstemming Leidraad Kunstwerken en Eurocode Activiteit 1: Belastingfactoren bij maatgevende waterstanden [DLT-lk1 2012] is een aanbeveling gedaan voor nieuwe default veiligheidsfactoren voor deze belastingsituatie, welke is overgenomen door Rijkswaterstaat in de Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken 1.2 [RWS-ROK 2013] voor haar nieuw te bouwen waterkerende constructies. Ten aanzien van het golfbelastingmodel van Goda geldt dat de eerste versie hiervan in 1972 door Goda is opgesteld. Vervolgens is deze in 1973 gepubliceerd. Het model had een aantal grote voordelen ten opzichte van andere bestaande golfmodellen. Een van de belangrijkste hiervan was dat het zowel voor staande als brekende golven kon worden toegepast. In de loop der jaren is het model verder uitgebreid. In 1976 is de incidentele golfrichting toegevoegd door Tanimoto. Uiteindelijk heeft Takahashi in 1994 het huidige model opgesteld, door golfdrukcoëfficiënten toe te voegen. 5.3 Grenstoestandfunctie, sterkte en belastingmodellen De grenstoestandfunctie voor het deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting kent in Hydra-Ring de volgende basisformule: = (5.2) In de formule komt een aanvullende parameter m s naar voren. Dit is een modelfactor voor het belastingeffect. Hiermee wordt de onzekerheid in rekening gebracht waarmee belastingen (waterdruk) uiteindelijk doorwerken op het belastingeffect (snedekrachten dan wel spanningen). De sterkte en hydraulische belasting worden in de bovenstaande grenstoestandsfunctie in Hydra-Ring echter wel in een waterdruk uitgedrukt, lineair of kwadratisch evenredig met de buitenwaterstand. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 51 van 105

59 Voor de hydraulische belasting geschiedt dat automatisch in Hydra-Ring volgens formules 3.10a en 3.10b, waarbij golven volgens de methode van Goda naar een waterdrukverdeling over het constructieonderdeel worden omgerekend. De sterkte dient gemodelleerd te worden aan de hand van het lineaire (R lin ) dan wel kwadratische (R kwad ) model. De toetser dient hier zelf een keuze in te maken afhankelijk van het dominant veronderstelde constructieonderdeel 7 en de bijbehorende belastingsituatie. Daarnaast dient het model te passen bij het model waar de sterkte van het constructieonderdeel mee in rekening is gebracht (verschillende type snedekrachten dan wel een van de typen van instabiliteit zoals knik). Hierop wordt uitgebreid ingegaan in de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor [DLT-shst 2015]. 5.4 Referenties [DLT-dfk 2015] Definitie falen bij kunstwerken. Deltares, R. Delhez, B. van Bree, kenmerk GEO-0004, versie 03, 9 november 2015 [DLT-lk1 2012] Afstemming Leidraad Kunstwerken en Eurocode Activiteit 1: Belastingfactoren bij maatgevende waterstanden, Deltares, kenmerk GEO-0008 v4 definitief, mei 2012 [DLT-shst 2015] Schematiseringshandleiding Sterkte en stabiliteit puntconstructies Deltares rapport, kenmerk GEO-0004, Versie D1, 30 december 2015, definitief [RWS-ROK 2013] Richtlijn Ontwerp Kunstwerken, RWS Dienst Infrastructuur, document RTD 1001:2013, versie 1.2 definitief, 1 januari 2013 [TAW-WKBC 1997] Leidraad Waterkerende Kunstwerken en Bijzondere Constructies, Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, 1997 [TAW-bWKBC 1997] Basisrapport Waterkerende Kunstwerken en Bijzondere Constructies, Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, 1997 [TAW-LK 2003] Leidraad Kunstwerken, Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, ISBN , mei Constructieonderdeel met de grootste faalkans WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 52 van 105

60 6 Beschrijving Deelfaalmechanisme Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) In dit hoofdstuk wordt een beschrijving gegeven van het deelfaalmechanisme Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG). In essentie bestaat de toetsing van deelfaalmechanisme Z 43 uit het vergelijken van de optredende hydraulische belastingen met de aanwezige weerstand tegen instabiliteit in de uiterste grenstoestand (UGT). De modellering van het mechanisme in Hydra-Ring lijkt erg veel op die van het deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting. 6.1 Definitie Het kunstwerk is gefaald voor het deelfaalmechanisme Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam (STCG) wanneer het volgende faalcriterium is overschreden: Het optreden van instabiliteit van de gehele constructie en aanliggend grondlichaam als gevolg van een verval over het kunstwerk. Instabiliteit kan zich hierbij manifesteren in verticale dan wel horizontale richting. Bezwijken als gevolg van algeheel stabiliteitsverlies treedt op wanneer de optredende belastingen niet kunnen worden afgedragen naar de ondergrond, zonder dat dit leidt tot substantiële vervormingen. Als gevolg hiervan raakt het kunstwerk ontzet en kan in zijn geheel of in delen verschuiven dan wel wegspoelen, zodat er een bres ontstaat in de waterkering met als gevolg verlies van waterkerend vermogen van de kering. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 53 van 105

61 Zxx: deelfaalmechanisme Falen als gevolg van gebrek aan sterkte en/of stabiliteit Of Bezwijken waterkerende constructie-onderdelen Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam Falen t.g.v. aanvaring En En Z 411 Bezwijken constructie t.g.v. verval Falen door instroming Z 412 Falen herstel sluiting Bezwijken 2 de keermiddel t.g.v. aanvaring Falen door instroming Z 12, Z 21, Z 22 Z 423 Falen herstel fatale aanvaring Of En Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Falen door erosie van bodem bij instroming Z 422 Z 421 Kans op Aanvaarenergie aanvaring 2 de groter dan keermiddel kritieke waarde En Z 12 Z 22 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van bodem Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Figuur 6-1 Modellering toetsspoor sterkte en stabiliteit ten behoeve van deelspoor STCG 6.2 Historie en kennisbasis In het deelfaalmechanisme Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam wordt de aanwezige weerstand tegen instabiliteit van de totale constructie en grondlichaam vergeleken met de optredende hydraulische belastingen in de uiterste grenstoestand (UGT). Falen treedt op als de sterkte (Resistance) kleiner is dan de belasting (Sollicitation). In formulevorm: = (6.1) Voor de sterkte en belastingmodellen wordt verwezen naar de regels uit de toegepaste mechanica, grondmechanica en nationale bouwvoorschriften. Deze informatie is algemeen voorhanden. De invulling is afhankelijk van de configuratie van het kunstwerk en het type instabiliteitscontrole (horizontaal, verticaal of rotatie). Strikt genomen dient in de bovenstaande grenstoestandsfunctie gewerkt te worden met belastingeffecten, analoog aan deelfaalmechanisme Z 411 Bezwijken constructieonderdelen door vervalbelasting. Voor de toets- en ontwerpregelgeving in nationale bouwvoorschriften en Waterwet, als mede de daaruit volgende wettelijke eisen ten aanzien van veiligheid die gebruikt dienen te worden voor de schematisering van de sterkte, wordt verwezen naar paragraaf 5.1. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 54 van 105

62 6.3 Grenstoestandsfunctie, sterkte en belastingmodellen De grenstoestandsfunctie voor het deelfaalmechanisme Z 43 kent in Hydra-Ring de volgende basisformule: = (6.2) In de formule komt een aanvullende parameter m s naar voren. Dit is een modelfactor voor het belastingeffect. Hiermee wordt de onzekerheid in rekening gebracht waarmee belastingen (druk) uiteindelijk doorwerken op het belastingeffect (bijvoorbeeld schuifweerstand). De sterkte en hydraulische belasting worden in de bovenstaande grenstoestandsfunctie in Hydra- Ring echter wel in een waterdruk uitgedrukt, lineair of kwadratisch evenredig met de buitenwaterstand. Voor de hydraulische belasting geschiedt dat automatisch in Hydra-ring volgens formules 3.10a en 310b, waarbij golven volgens de methode van Goda naar een waterdrukverdeling over de constructie worden omgerekend. De sterkte in de vorm van weerstand tegen de mogelijke instabiliteit dient gemodelleerd te worden aan de hand van het lineaire (R lin ) dan wel kwadratische (R kwad ) model. De toetser dient hier zelf een keuze in te maken afhankelijk van het dominant veronderstelde instabiliteitsmechanisme. Hierop wordt verder ingegaan in de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor (zie hoofdstuk 14). WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 55 van 105

63 7 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel In dit hoofdstuk wordt een beschrijving gegeven van het deelfaalmechanisme Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel. Hierbij wordt ingegaan op historie en kennisbasis en eventuele nieuwe ontwikkelingen. Daarna worden de grenstoestandfunctie en modellering binnen het WTI2017 besproken. Het deelfaalmechanisme Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel bepaalt samen met het deelfaalmechanisme Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde de kans dat het tweede keermiddel bezwijkt als gevolg van een aanvaring (zie Figuur 7.1 ). Dit kan leiden tot bezwijken van het kunstwerk, als daarna de instroming ontoelaatbaar groot wordt én de sluiting van het eventueel aanwezige tweede keermiddel mislukt. 7.1 Definitie Het kunstwerk is gefaald voor het deelfaalmechanisme Falen t.g.v. aanvaring (rechter tak in Figuur 7.1 ) bij het optreden van de combinatie van: Deelfaalmechanisme Bezwijken tweede keermiddel t.g.v. aanvaring hetgeen is onderverdeeld in: - Deelfaalmechanisme Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel. - Deelfaalmechanisme Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde. Deelfaalmechanisme Falen door instroming hetgeen is onderverdeeld in: - Deelfaalmechanisme Z 21 Onvoldoende bergend vermogen - Deelfaalmechanisme Falen door erosie van bodem bij instroming, bestaand uit: deelfaalmechanisme Z 22 Bezwijken bodem-bescherming achter kunstwerk deelfaalmechanisme Z 12 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van bodem Deelfaalmechanisme Z 423 Falen sluiting eerste keermiddel. Bij deze optredende combinatie is er sprake van verlies van waterkerend vermogen. Hierbij geldt de combinatie van de deelfaalmechanisme Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel en Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde als initiërend mechanisme. Dit treedt op zodra een aanvaring zich voordoet en dit tot zodanige belastingen leidt dat de beschouwde constructieonderdelen bezwijken. Als gevolg daarvan stroomt met grote snelheid water door het kunstwerk de achterliggende vaarweg in, wat kan leiden tot het ontstaan van erosie van de bodem achter het kunstwerk of tot het vollopen van het gebied. Deze twee mogelijke gevolgen bepalen de faalcriteria voor het deelfaalmechanisme Falen t.g.v. aanvaring zoals uitgewerkt in [DLT-dfk 2015]. Het faalcriterium met betrekking tot erosie bodembescherming is: Het faalcriterium wordt overschreden als er dusdanige stroomsnelheden ter plaatse van de bodembescherming ontstaan dat doorgaande erosie van de bodembescherming optreedt. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 56 van 105

64 Het faalcriterium met betrekking tot komberging is: Het faalcriterium wordt overschreden als het instromende water leidt tot significante gevolgen in het achterliggende watersysteem dan wel gebied. Zxx: deelfaalmechanisme Falen als gevolg van gebrek aan sterkte en/of stabiliteit Of Bezwijken waterkerende constructie-onderdelen Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam Falen t.g.v. aanvaring En En Z 41 Bezwijken constructie t.g.v. verval Falen door instroming Z 412 Falen herstel sluiting Bezwijken 2 de keermiddel t.g.v. aanvaring Falen door instroming Z 12, Z 21, Z 22 Z 423 Falen herstel fatale aanvaring Of En Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Falen door erosie van bodem bij instroming Z 422 Z 421 Kans op aanvaring 2 de keermiddel Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde En Z 12 Z 22 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van bodem Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Figuur 7.1 Modellering toetsspoor sterkte en stabiliteit ten behoeve van deelspoor Falen t.g.v. aanvaring 7.2 Historie en kennisbasis De kans per jaar op aanvaring van een keermiddel door een schip speelt met name een rol bij schutsluizen, waarbij tijdens het invaren van een schip varende van buiten naar binnen, bij nog openstaande buitendeur, de binnendeur wordt aangevaren. De kans dat dit gebeurt is afhankelijk van het aantal nivelleringen dat plaats vindt en kans op een aanvaring per nivellering. In formulevorm: P aanvaring = f nivellering x P aanvaring;nivellering (7.1) Hierin is: P aanvaring f nivellering P aanvaring;nivellering [1/jaar] Kans op aanvaring van het tweede keermiddel [niv/jaar] Aantal nivelleringen per jaar [1/niv] Kans op aanvaring per nivellering De kans op aanvaring per nivellering wordt onder andere beïnvloed door de afmetingen van de schepen in relatie tot de afmetingen van de kolk en de aanvaarroute van de sluis. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 57 van 105

65 Het aanvaren van een keermiddel is met name van belang bij kunstwerken waar vaartuigen doorheen kunnen varen. Het aanvaren van kunstwerken die geen scheepsvaartfunctie hebben is ook mogelijk, echter de kans hierop is aanmerkelijk kleiner. Een voorbeeld is het aanvaren van een gesloten coupure tijdens een hoogwater. Hierbij is dan niet zozeer sprake van aanvaren als wel van het botsen van een losgeslagen schip of ander object. De oorzaken voor het aanvaren van gesloten keermiddelen zijn in drie categorieën op te delen; menselijk falen, technisch falen en externe omstandigheden. In onderstaande figuur is een beeld gegeven van een aantal mogelijke groepen van faaloorzaken. Menselijk falen - foutieve besturing - foutieve beoordeling - foutieve communicatie Aanvaren Technisch falen - falen stuurinrichting - falen keerkoppeling - falen communicatie Externe oorzaken - Wind - Stroming - Opzet (terrorisme) Figuur 7.2 Categorieën van faaloorzaken Communicatie komt zowel voor bij menselijk falen als bij technisch falen. Er kan immers zowel sprake zijn van miscommunicatie als van het falen van een communicatiemiddel. Naar de kans op aanvaren van keermiddelen is in Nederland in het verleden onderzoek gedaan bij schutsluizen [WL-ARS 1992]. Er zijn ook andere studies uitgevoerd, waarbij gekeken is naar aanvaring van constructies zoals remmingwerken [WL-ARR 1992]. Bij toetsen en ontwerpen wordt vooral bij schutsluizen gekeken naar de kans op aanvaren. Vooral omdat onder dagelijkse omstandigheden en bij een groot verval over een schutsluis het aanvaren van het gesloten keermiddel tijdens een schutting al tot grote gevolgen kan leiden. Bij een keersluis is het ook mogelijk het gesloten kunstwerk aan te varen, waarbij opgemerkt wordt dat een keersluis in principe alleen gesloten staat bij hoogwater. De hoeveelheid scheepvaart is dan reeds behoorlijk beperkt of zelfs afwezig door stremming voor de scheepvaart vanwege het hoge water. Het aanvaren van een keersluis is dan ook in de regel gerelateerd aan menselijk falen. Bij het aanvaren van een schutsluis is met name de aanvaring van het tweede keermiddel 8 interessant, omdat bij bezwijken van dit keermiddel bij het invaren van een sluis, direct sprake is van een opening in de waterkering, waardoor onmiddellijk water naar binnen stroomt. 8 Dit is het keermiddel dat gesloten is bij het invaren van de kolk WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 58 van 105

66 Enkele globale conclusies uit de uitgevoerde studies in 1992 zijn overgenomen in de Leidraad Kunstwerken [TAW-LK 2003]. Met name wordt hierin vermeld dat de kans op het onbruikbaar geraken van het hoogwaterkerend keermiddel gelijk is aan 1/ passerende schepen 9. Dit getal heeft dan echter betrekking op het aspect van betrouwbaarheid sluiting (beschikbaarheid hoogwaterkerend keermiddel) aangezien het over scheepspassages gaat en niet over schuttingen. Een ander getal dat niet de in Leidraad Kunstwerken wordt genoemd, maar in de praktijk wel wordt toegepast is de kans op aanvaren van het tweede gesloten keermiddel per schutting, zijnde 1: Ook dit getal is afkomstig uit de in 1992 uitgevoerde studies en kan worden gebruikt bij het constructief falen als gevolg van een aanvaring. Het gaat hier over een kans per schutting, waarbij het onderliggende uitgangspunt is dat alleen het eerste schip dat de kolk in vaart in staat is het gesloten keermiddel aan te varen. Scheepvaartongevallen zoals aanvaringen met sluizen worden landelijk geregistreerd door RWS. De afgelopen jaren worden de gegevens verzameld in de SOS-database (scheepsongevallen registratie systeem). Uit navraag is gebleken dat de gegevens die worden geregistreerd slechts voor een deel gebruikt kunnen worden om nadere analyses van aanvaarrisico s te maken. De genoteerde gegevens zijn hiervoor niet specifiek genoeg. De kans op aanvaren van het tweede keermiddel wordt zeer sterk gereduceerd als er in de sluis aanvaarconstructies worden toegepast bij het schutten. Eerste stappen ten aanzien van het bepalen van aanvaarrisico s worden momenteel binnen RWS gezet middels de ProBO-systematiek [RWS-MAR 2013]. Dit kan leiden tot nieuwe inzichten ten aanzien van de belangrijkste gegevens. 7.3 Grenstoestandsfunctie, modellering Voor de grenstoestandsfunctie wordt verwezen naar paragraaf 3.8 van dit rapport. Op de aan te houden waarden voor zowel de kans op aanvaring per nivellering als het aantal nivelleringen wordt uitgebreid ingegaan in de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor [DLT-shst 2015]. 9 Het gaat hierbij om zowel gesloten als geopende keermiddelen. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 59 van 105

67 7.4 Referenties [DLT-dfk 2015] Definitie falen bij kunstwerken. Deltares, R. Delhez, B. van Bree, kenmerk GEO-0004, versie 03, 9 november 2015; [DLT-shst 2015] Schematiseringshandleiding Sterkte en stabiliteit puntconstructies Deltares rapport, kenmerk GEO-0004, Versie D1, 30 december 2015, definitief [RWS-MAR 2013] Aanvaarrisico - Methode voor het kwantitatief bepalen van het aanvaarrisico van objecten in de vaarweg. Rijkswaterstaat - Steunpunt ProBO, 18 december 2013, Documentnaam PROBO C1RD Methode Aanvaarrisico versie 0.6 PB en GKvW.doc, Concept, Versienummer 0.6 [TAW-LK 2003] Leidraad Kunstwerken, Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, ISBN , mei 2003; [WL-ARR 1992] Aanvaarrisico's voor remmingwerken Waterloopkundig Laboratorium, ref nr. Q1401, juli 1992 [WL-ARS 1992] Aanvaarrisico s voor sluisdeuren, Waterloopkundig Laboratoriumref.nr Q1399, april 1992 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 60 van 105

68 8 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde In dit hoofdstuk wordt een beschrijving gegeven van het deelfaalmechanisme Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde. Hierbij wordt ingegaan op historie en kennisbasis en eventuele nieuwe ontwikkelingen. Daarna worden de grenstoestandsfunctie en de modellering binnen het WTI2017 besproken. Het deelfaalmechanisme Z 421 Aanvaarenergie groter dan kritieke waarde bepaalt samen met het deelfaalmechanisme Z 422 Kans op aanvaring tweede keermiddel de kans dat het tweede keermiddel bezwijkt als gevolg van een aanvaring (zie Figuur 7.1 ). Dit kan leiden tot bezwijken van het kunstwerk, als daarna de instroming ontoelaatbaar groot wordt én de sluiting van het eventueel aanwezige tweede keermiddel mislukt. 8.1 Definitie Hiervoor wordt verwezen naar paragraaf Historie en kennisbasis Algemeen Het aanvaren van het tweede keermiddel (zie hoofdstuk 7) betekent nog niet dat het keermiddel ook bezwijkt. Voor bezwijken van het keermiddel dient de aanvaring met dusdanig veel energie plaats te vinden, dat dit tot het bezwijken van het keermiddel leidt. Hiermee is de kans op falen afhankelijk van de massa en snelheid van een schip en de sterkte van het keermiddel. In formulevorm treedt falen van de constructie op als: E kin, schip E schip E constructi e (8.1) Hierin is: E kin,schip E schip E constructie [knm] Kinetische energie van het schip op het moment van aanvaren. [knm] Door scheepsconstructie opgenomen energie. [knm] Bezwijkenergie van de constructie (keermiddel). De kinetische energie wordt omgezet in vervormingen van zowel het schip als de constructie (keermiddel). Voor falen van de waterkering is het van belang of de door het keermiddel op te nemen energie niet groter is dan wat maximaal door het keermiddel kan worden opgenomen. Indien het schip oneindig stijf wordt verondersteld, bestaat de bezwijkenergie alleen uit de kritieke vervorming van het keermiddel. In dat geval kan formule 8.1 worden gewijzigd in. E E kin, schip construct e (8.2) In de praktijk zal het schip ook altijd wat vervormen, zodat formule 8.2 een conservatieve benadering is. Op beide termen uit formule 8-2 wordt in de volgende paragrafen nader ingegaan. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 61 van 105

69 8.2.2 Kinetische energie van het schip De kinetische energie (of bewegingsenergie) van een schip kan worden gemodelleerd met de volgende formule: E kin, schip Cm ½mv 2 (8.3) Hierin is: E kin,schip [knm] Kinetische energie van het schip op het moment van aanvaren. C m [-] Toeslagfactor hydrodynamische massa (standaardwaarde = 1,1). m [ton] Waterverplaatsing van het schip. v [m/s] Vaarsnelheid van het schip op het moment van de botsing. De toeslagfactor voor de hydrodynamische massa (massa aan water die meebeweegt met het schip) is niet eenduidig bekend. Verschillende onderzoeken tonen aan dat de waarde ligt tussen de 0% en 10%. Een veilige keuze lijkt daarom een waarde van 1,1. Bij aanvaring van een willekeurig object speelt ook de hoek van aanvaring nog een rol. Aangezien het hier met name gaat over het aanvaren van de tweede deur in een sluiskolk speelt aanvaring onder een hoek geen rol. Indien zich een geval voordoet waar dit wel speelt, dient rekening te worden gehouden met aanvullende beschouwingen ten aanzien van aanvaarrichtingen en meebewegende watermassa s Uit formule 8.3 blijkt dat de vaarsnelheid van groot belang is bij bepaling van de kinetische energie. Deze vaarsnelheid wordt in een schutkolk beïnvloed door: 1. De snelheid waarmee de kolk wordt ingevaren. 2. Het natte oppervlak van de doorsnede van het schip in relatie tot de natte doorsnede van de sluiskolk. 3. De massa van het schip en de lading. 4. Het motorvermogen van het schip. ad. 1. Een hoge snelheid aan het begin van de kolk betekent dat er harder afgeremd moet worden om op tijd tot stilstand te komen. Echter een hoge beginsnelheid betekent ook een hogere translatiegolf in de kolk waardoor het schip wordt afgeremd. ad. 2. Hoe groter de verhouding tussen het natte oppervlak van de sluis en het waterdoorsnijdend oppervlak van het schip, des te harder wordt het schip afgeremd in de sluiskolk. Dit komt doordat het water meer wordt opgestuwd richting de sluisdeur. Dit betekent dus dat een ongeladen schip minder hard wordt afgeremd dan een geladen schip, omdat een ongeladen schip minder diep ligt. ad. 3. In feite heeft dit een directe relatie met het tweede punt. Daarnaast geldt dat een schip met een grote massa en snelheid v(t) meer kinetische energie bezit dan een schip met dezelfde snelheid maar een lagere massa. Hierdoor kost het meer energie om het schip met de grotere massa te doen vertragen. ad. 4. Het motorvermogen is met name van belang bij het achteruitslaan van de motor om af te remmen in de kolk. Door bovenstaande factoren zal de vaarsnelheid ter plaatse van het gesloten tweede keermiddel gewijzigd zijn ten opzichte van de vaarsnelheid bij het invaren van de kolk. In [WL-ARS 1992] en [WL-SSVS 1992] zijn voor een beperkt aantal situaties mogelijke vaarsnelheden ter plaatse van het gesloten tweede keermiddel berekend. Met behulp van het WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 62 van 105

70 programma WAROS (RWS) kunnen vaarsnelheden in kolken worden berekend rekening houdend met de diverse invloedsfactoren. De massa van het schip kan worden uitgedrukt in tonnen waterverplaatsing van het schip. De waterverplaatsing uitgedrukt in tonnen is gelijk aan het totale gewicht van het schip, dus inclusief constructiegewicht, lading en brandstof. In Nederland worden de binnenvaartschepen ingedeeld in CEMT-klasse 10. Per klasse worden hierbij indicatieve onder- en bovengrenzen vermeld ten aanzien van het waterverplaatsingstonnage (zie bijvoorbeeld [RWS-RVW 2011]). Opgemerkt wordt dat de indeling in CEMT-klasse gebaseerd is op afmetingen van de schepen en dus niet op waterverplaatsingstonnage Bezwijkenergie keermiddel-schip De kinetische energie leidt tot vervorming van het schip en de constructie. Gedurende deze vervorming wordt er een kracht uitgeoefend op zowel het schip als de constructie. Het verloop van de kracht en de vervorming van het keermiddel kan worden uitgezet in een zogenaamd kracht-vervormingsdiagram. In Figuur 8.1 is een mogelijke vorm van een dergelijk diagram weergegeven, waarbij de rechte lijn een geschematiseerde lijn betreft. De stippellijn is een sterk vereenvoudigd verloop zoals dat bij een computersimulatie in veel gevallen wordt gevonden kracht Figuur 8.1 Kracht-vervormingsdiagram constructie bij aanvaring vervorming Uit de figuur is zichtbaar dat de kracht oploopt, totdat een onderdeel van de constructie bezwijkt of constructief instabiel wordt. De kracht loopt dan tijdelijk terug tot het moment dat de vervormingen dusdanig zijn dat het volgende constructieonderdeel in het krachtenspel wordt betrokken, waardoor de kracht weer toeneemt. Indien een sluisdeur bezwijkt, zal de kracht oplopen volgens het principe van bovenstaande figuur, tot het moment dat de sterktecapaciteit geheel verdwenen is en de sluisdeur geheel bezwijkt en het schip dus doorschiet. Op dat moment zal de kracht afnemen naar 0. De totale hoeveelheid energie die door de combinatie schip-keermiddel geabsorbeerd wordt is gelijk aan het oppervlak onder de lijn in het kracht-vervormingsdiagram. 10 CEMT: Conférence Européenne des Ministres des Transports WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 63 van 105

71 Het voor een combinatie van schip en deur nauwkeurig bepalen van het krachtvervormingsdiagram vergt het nodige rekenwerk, waarbij feitelijk voor elk scheepstype, elke beladingssituatie van het schip en voor elke waterstand in de kolk 11 dergelijke sommen gemaakt moeten worden. Hierbij kan gebruik gemaakt worden van Eindige Elementen Methode (EEM) programma s welke in staat zijn om onder meer met grote vervormingen om te gaan Normen en richtlijnen voor bepaling aanvaarbelasting Het bepalen van de aanvaarbelasting is een analyse die niet eenvoudig nauwkeurig is uit te voeren. Stijfheidsverhoudingen tussen schip en constructie spelen een belangrijke rol, alsmede de massa en snelheid van het schip. Ten aanzien van aanvaarbelastingen worden binnen Nederland vooral de Eurocodes, de Ufereinfassungen Hafen und Wasserstrassen [EAU 2012] en de Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken (ROK) [RWS ROK 2013] gebruikt. In deze paragraaf wordt kort op deze documenten ingegaan. Eurocode In de Eurocode NEN-EN wordt in de paragrafen (binnenvaart) en (zeevaart) ingegaan op aanvaarbelastingen met name gericht op bruggen. Hier wordt vermeld dat de rekenwaarden van de stootbelastingen, daar waar relevant, opgegeven dienen te worden door bijvoorbeeld de opdrachtgever. In bijlage C, tabel C.3 en tabel C.4 van genoemde norm worden indicatieve dynamische krachten als gevolg van aanvaren gegeven, afhankelijk van de CEMT-klasse (binnenvaart), danwel de afmetingen (zeevaart). In de Nationale Bijlage van de genoemde norm wordt onderstaande tabel ten aanzien van stootbelastingen bij de binnenvaart aangegeven. Hierbij is een vaarsnelheid van 3,0 m/s aangehouden. 11 Indien de constructie van het keermiddel sterk veranderd over de hoogte van het keermiddel, wordt op verschillende niveaus ook verschillende bezwijkvormen van het keermiddel gevonden. De (horizontale) oplegging van het keermiddel is hierop van invloed. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 64 van 105

72 Figuur 8.2 Tabel NB.6-C.3 NEN-EN : Indicatieve waarden voor de dynamische krachten door een stootbelasting veroorzaakt door een schip op binnenwateren. F xd is de frontale stootbelasting en F yd is de zijdelingse stootbelasting bij aanvaren onder een hoek Opgemerkt wordt dat de achterliggende gedachte bij bovenstaande tabel is dat aanvaring plaatsvindt tegen een relatief star object. Dat betekent dat alle vervorming in het schip optreedt en niet bij het aangevaren object. Daarnaast gaat bovenstaande tabel ervan uit dat gevaren wordt in open water, zodat de vaarsnelheid hoog is ten opzichte van de vaarsnelheden in een sluiskolk. Ten aanzien van dit laatste aspect passen deze waarden wellicht wat beter bij het aanvaren van het eerste keermiddel. Bij het uitvoeren van berekeningen is het van belang om de juiste belastingcombinaties te beschouwen ten aanzien van de aanvaarbelasting. In hoofdstuk 6 van NEN-EN-1990 (grondslagen constructief ontwerp) wordt hierop ingegaan. Specifiek het aanvaren van keermiddelen van sluizen komt hierin overigens niet aan bod. Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen Hafen Und Wasserstraßen [EAU 2012] Deze Duitse richtlijn voor het ontwerpen van waterbouwkundige constructies gaat gedetailleerd in op de bepaling van de aanvaarenergie van schepen. Veel methoden in andere richtlijnen zijn hierop gebaseerd. Richtlijnen ontwerpen kunstwerken (ROK versie 1.2) Vanuit Rijkswaterstaat worden aanvullende bepalingen ten opzichte van de Eurocode meegegeven bij het opstellen van ontwerpen en het aanpassen van bestaande objecten. De Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken (ROK) [RWS ROK 2013] gaat over het ontwerpen van nieuwe constructie(onderdelen), terwijl de RBK (Richtlijnen Beoordelen Kunstwerken [RWS RBK 2013]) ingaat op het beoordelen van bestaande constructies. In de ROK versie 1.2 wordt ook ingegaan op het aspect van aanvaren. Specifieke tekst over het aanvaren van WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 65 van 105

73 sluisdeuren ontbreekt echter in versie 1.2 van de ROK. Het volgende wordt aangegeven in punt 1.5 van paragraaf 5.10 in de ROK 1.2: In alle gevallen moet voldaan worden aan: 1. In open stand moeten de keermiddelen, inclusief de daaraan bevestigde leidingen, wrijfhouten en andere onderdelen, zich onder alle omstandigheden volledig en gefixeerd buiten het vrije doorvaartprofiel + 50 mm bevinden. 2. In gesloten stand moeten de keermiddelen bij aanvaring of een andere overbelasting een dusdanig faalmechanisme hebben dat hoogstens de constructie van het keermiddel (gedeeltelijk) bezwijkt, maar dat de opleggingen (bijvoorbeeld aanslagen, halsbeugels, taatsen en ibo s) blijven functioneren. 8.3 Grenstoestandsfunctie, modellering Voor de grenstoestandsfunctie wordt verwezen naar paragraaf 0 van dit rapport. Binnen toetslaag 2 van het WTI2017 vindt de bepaling van de kritieke opneembare energie plaats aan de hand van sterk vereenvoudigde schematiseringen. Het rekenen met EEMmodellen is onderdeel van toetslaag 3. In de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor [DLT-shst 2015] worden aanwijzingen gegeven voor schematisering in toetslaag 2. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 66 van 105

74 8.4 Referenties [DLT-shst 2015] Schematiseringshandleiding Sterkte en stabiliteit puntconstructies Deltares rapport, kenmerk GEO-0004, Versie D1, 30 december 2015, definitief [EAU 2012] Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen" Häfen und Wasserstraßen EAU 2012, 11. Auflage - November 2012, Hardcover (Duits) ISBN: , Ernst & Sohn, Online ISBN: [RWS RBK 2013] Richtlijnen Beoordelen Kunstwerken Rijkswaterstaat, Ministerie van Infrastructuur en Milieu, versie 1.1, doc nr. RTD 1006:2013, 27 mei 2013 [RWS ROK 2013] Richtlijnen Ontwerpen Kunstwerken Rijkswaterstaat, Ministerie van Infrastructuur en Milieu, versie 1.2, doc nr. RTD 1001:2013, 1 januari 2013 [RWS-RVW 2011] Richtlijnen Vaarwegen 2011 Rijkswaterstaat, Dienst Verkeer en Scheepvaart (DVS), december 2011, ISBN [TUD ASSC 1993] Aanvaarbelasting door schepen op starre constructies TU Delft, Faculteit der Civiele Techniek, vakgroep Waterbouwkunde, N.D. Joustra en R.P.N. Pater, Delft, mei 1993 [WL-ARS 1992] Aanvaarrisico s voor sluisdeuren, Waterloopkundig Laboratoriumref.nr Q1399, april 1992 [WL-SSVS 1992] Snelheden van schepen in voorhavens en sluizen Waterloopkundig Laboratorium, ref nr Q1399/Q1401, maart 1992 WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 67 van 105

75 9 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 423 Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring In dit hoofdstuk wordt een beschrijving gegeven van het deelfaalmechanisme Z 423 Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring. Hierbij wordt ingegaan op historie en kennisbasis en eventuele nieuwe ontwikkelingen. Daarna worden de grenstoestandfunctie en de modellering binnen het WTI2017 besproken. Het deelfaalmechanisme Z 423 betreft de kans op falen van herstelmaatregelen met betrekking tot het waterkerende vermogen, nadat door een botsing dit vermogen is verdwenen. In de praktijk komt dit neer op het alsnog realiseren van een gesloten kunstwerk nadat een constructie(-onderdeel) is uitgevaren. Vaak wordt hierbij gekeken naar het alsnog sluiten van het keermiddel in het andere hoofd van de schutsluis. Of een dergelijke sluiting alsnog lukt hangt af van het type keermiddel dat wordt ingezet voor het herstel en de stroomsnelheden die optreden nadat het constructie(-onderdeel) is uitgevaren. Het deelfaalmechanisme Z 423 Kans op falen van het herstel van een fatale aanvaring bepaalt samen met de deelfaalmechanismen Bezwijken tweede keermiddel na aanvaring en Falen door instroming de kans dat het kunstwerk bezwijkt als gevolg van een aanvaring (zie Figuur 7.1 ). 9.1 Kennisbasis Nadat een keermiddel van een sluis bezweken is, leidt dit niet in alle gevallen tot een definitief falen van de waterkering ter plaatse. Indien een ander keermiddel in de sluis na de fatale aanvaring alsnog vlot gesloten kan worden, is er sprake van herstel van het waterkerend vermogen. Of het alsnog sluiten mogelijk is, is afhankelijk van de stroomsnelheid die optreedt bij het te sluiten keermiddel en het type keermiddel dat gesloten moet worden, op het moment dat het aangevaren keermiddel is bezweken. Optredende stroomsnelheid De stroomsnelheid van het water in een vrije kolk is afhankelijk van de hydraulische situatie die ontstaat na het uitvaren van het keermiddel, en laat zich globaal bepalen middels de volgende formules: v w; onvolk m 2g onv h h bi (h bi-h ok) > (h-h ok) (9.1) v w; volk Hierin is: v w 2g h hok mol (h bi-h ok) (h-h ok) (9.2) 3 [m/s] Gemiddeld stroomsnelheid van het water bij volkomen dan wel onvolkomen stroming. m ol [-] Modelfactor voor overloopdebiet volkomen stroming. m onv [-] Modelfactor (afvoercoëfficiënt) voor onvolkomen stroming. g [m/s²] Gravitatieversnelling. h [mnap] Lokale buitenwaterstand. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 68 van 105

76 h bi [mnap] Lokale binnenwaterstand. h ok [mnap] Hoogte drempel waterkering (kunstwerk). B [m] Doorstroombreedte van het kunstwerk. Uit de formules 9.1 en 9.2 is direct herleidbaar dat het verval van grote invloed is op de stroomsnelheid door een vrije (geen obstakels) kolk. Dit verval wordt bepaald door de lokale buiten- en binnenwaterstand. Het debiet door de kolk kan worden berekend met behulp van de volgende formule: Q A v w (9.3) Hierin is: Q m³/s] Debiet: Instromende volume water per tijdseenheid A [m²] Doorstroomoppervlakte v w [m/s] Gemiddeld stroomsnelheid van het water De doorstroomopening die overblijft nadat het schip het tweede keermiddel heeft uitgevaren is conform formule 9.3 van groot belang bij bepaling van het totale debiet dat na de aanvaring door de sluis kan stromen. Deze doorstroomopening is afhankelijk van: Locatie van het schip na de aanvaring. Indien het schip na de aanvaring doorschiet of terugveert, ontstaat een min of meer vrije opening in de sluiskolk. Het is echter waarschijnlijker dat een schip dat keermiddelen eruit vaart dusdanige afmetingen heeft, dat het vast blijft zitten ter plaatse van de bezweken keermiddelen. In dat geval is de doorstroomopening beperkt. Diepgang, breedte en vorm van het schip. Afhankelijk van de afmetingen van de dwarsdoorsnede van het schip in relatie tot de dwarsdoorsnede van de sluiskolk, kan bij een vastzittend schip de voor het water beschikbare resterende doorstroomopening beperkt worden. Het debiet dat door de sluis kan stromen ter plaatse van de uitgevaren keermiddelen bepaalt ook het debiet dat ter plaatse van het andere keermiddel door de sluis stroomt. Met behulp van de natte doorsnede ter plaatse van dit keermiddel kan nu de optredende stroomsnelheid ter plaatse van dit keermiddel worden bepaald (formule 9.3, waarbij voor A de natte doorsnede ter plaatse van het te sluiten keermiddel moet worden ingevuld). Type keermiddel Welke stroomsnelheid nog toelaatbaar is voor het sluiten van het niet aangevaren keermiddel is met name afhankelijk van het type keermiddel en de aandrijving hiervan. Zo laten puntdeuren zich minder goed sluiten in stromend water dan waaierdeuren en hefdeuren. In de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor [DLT-shst 2015] worden aanwijzingen gegeven voor aan te houden waarden voor de maximaal toelaatbare stroomsnelheid voor diverse typen keermiddelen. 9.2 Grenstoestandsfunctie, modellering Voor de grenstoestandsfunctie wordt verwezen naar paragraaf 3.9 van dit rapport. In de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor [DLT-shst 2015] worden aanwijzingen gegeven hoe de faalkans van herstel adequaat in te schatten. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 69 van 105

77 9.3 Referenties [DLT-shst 2015] Schematiseringshandleiding Sterkte en stabiliteit puntconstructies Deltares rapport, kenmerk GEO-0004, Versie D1, 30 december 2015, definitief WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 70 van 105

78 10 Beschrijving deelfaalmechanisme Z 21 Onvoldoende bergend vermogen In dit hoofdstuk wordt het deelfaalmechanisme Z 21, Onvoldoende bergend vermogen, nader beschreven. Hierbij wordt eerst de historie en kennisbasis vastgelegd, waarna wordt ingegaan op eventuele nieuwe ontwikkelingen. Er wordt een onderbouwde keuze gemaakt voor het te hanteren model binnen het WTI2017. Het deelfaalmechanisme Z 21 Onvoldoende bergend vermogen vormt samen met het deelfaalmechanisme Falen door erosie van bodem bij instroming het deelfaalmechanisme Falen door instroming. Dit deelfaalmechanisme komt zowel in de linkertak van de faalboom terug als onderdeel van het deelfaalmechanisme Bezwijken waterkerende constructieonderdelen als in de rechtertak als onderdeel van het deelfaalmechanisme Falen t.g.v. aanvaring (zie Figuur 10.1 ). In beide gevallen wordt het deelfaalmechanisme Falen door instroming vooraf gegaan door een initiërende gebeurtenis, namelijk Bezwijken constructieonderdelen t.g.v. verval of Bezwijken 2 de keermiddel t.g.v. aanvaring. Tezamen met een kans op herstel bepaalt het deelfaalmechanisme Falen door instroming of er uiteindelijk bezwijken van het kunstwerk optreedt. Zxx: deelfaalmechanisme Falen als gevolg van gebrek aan sterkte en/of stabiliteit Of Bezwijken waterkerende constructie-onderdelen Z 43 Instabiliteit constructie en grondlichaam Falen t.g.v. aanvaring En En Z 411 Bezwijken constructie t.g.v. verval Falen door instroming Z 412 Falen herstel sluiting Bezwijken 2 de keermiddel t.g.v. aanvaring Falen door instroming Z 12, Z 21, Z 22 Z 423 Falen herstel fatale aanvaring Of En Z 21 Onvoldoende bergend vermogen Falen door erosie van bodem bij instroming Z 422 Z 421 Kans op Aanvaarenergie aanvaring 2 de groter dan keermiddel kritieke waarde En Z 12 Z 22 Bezwijken kunstwerk als gevolg van erosie van bodem Bezwijken bodembescherming achter kunstwerk Figuur 10.1 Plaats van deelfaalmechanisme falen door instroming in de modellering toetsspoor sterkte en stabiliteit WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 71 van 105

79 Het model voor dit deelfaalmechanisme bestaat uit een vergelijking van het kombergend vermogen met het volume water die bij een niet-gesloten kunstwerk gedurende een hoogwatergolf naar binnen stroomt. Voor de Z-functie wordt verwezen naar paragraaf Definitie en historie Het kombergend vermogen is het kritieke volume water dat gedurende een hoogwaterperiode door een of meerdere kunstwerk(en) mag stromen zonder dat dit leidt tot falen van de waterkering. Falen is hierbij gedefinieerd als het overschrijden van de grenstoestand, waarbij sprake is van het verlies van waterkerend vermogen. Hieraan is gekoppeld dat er dusdanige gevolgen (schade en slachtoffers) optreden dat dit (maatschappelijk) niet acceptabel is. Deze definitie bevat zowel de gemodelleerde sterkte als de reststerkte die nog niet in modellen in het instrumentarium van WTI2017 kan worden vervat. In het WTI2017 is de definitie van substantiële gevolgen nader bekeken. In bijlage C is dit nader verwoord. De basis van het deelfaalmechanisme wordt beschreven in de Leidraad Kunstwerken (bijlage B2 uit [TAW-LK 2003]). Hierin wordt een eenvoudige benadering van het aanwezige kombergend vermogen uitgewerkt. Met betrekking tot het instromende volume aan water geldt dat reguliere formuleringen uit de hydraulica (bv [Nortier-tvm 1996]) kunnen worden toegepast. In de afgelopen wettelijk toetsronden is sporadisch gebruik gemaakt van het kombergend vermogen bij de gedetailleerde dan wel geavanceerde methode. In VNK heeft komberging meer aandacht gekregen, omdat er ook een model voor beschikbaar was. In de volgende paragrafen wordt de kennisbasis verder uitgewerkt, waarbij eerst gekeken wordt naar de aanwezige belasting (instromende volume bij niet sluiten) en vervolgens naar de sterkte (aanwezige komberging) Kennisbasis Instromend volume (belasting) Het instromende volume wordt bepaald door een sommatie van het tijdsafhankelijke instromende debiet. Deze tijdsafhankelijkheid wordt veroorzaakt door de veranderende buitenwaterstand gedurende een hoogwatergolf en de variatie in de binnenwaterstand mede als gevolg van het instromende volume. Dit beïnvloedt uiteindelijk de aandrijvende kracht achter de instroming, zijnde het verval tussen buiten en binnen. In eerste instantie wordt gekeken naar de modellen waarmee het instromende debiet per tijdseenheid kan worden bepaald. De relatie met de tijdsafhankelijkheid komt daarna nog aan bod Modellen instromend debiet Afhankelijk van de situatie zijn er een drietal eenvoudige modellen voorhanden om het instromende debiet te berekenen. Deze modellen zijn: 1. Verticale wand of hoge drempel. Bijvoorbeeld het tweede keermiddel van een schutsluis na bezwijken van het eerste keermiddel. 2. Lage drempel (overlaat). Voorbeelden zijn coupures en keersluizen waarvan het keermiddel is bezweken, of een schutsluis waarvan het tweede keermiddel is aangevaren. 3. Verdronken koker. Voorbeelden zijn in- en uitwateringsduikers en perskokers van gemalen waarvan het keermiddel is bezweken. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 72 van 105

80 Eenvoudig model verticale wand In deze situatie is er geen direct contact tussen binnen- en buitenwater. Binnen dit model zijn drie situaties te onderkennen: I. Buitenwaterstand is lager dan of gelijk aan kerende hoogte van kunstwerk. In dit geval is alleen sprake van golfoverslag. II. Buitenwaterstand is hoger dan kerende hoogte van kunstwerk en geen of aflandige golven. In dit geval is er sprake van een overloopsituatie. III. Buitenwaterstand is hoger dan kerende hoogte van kunstwerk en er zijn golven. In deze situatie wordt het instromende debiet met een combinatieformule bepaald Situatie I: instromend debiet bij golfoverslag De formule voor het instromende debiet als gevolg van golfoverslag (bovenkant kunstwerk is hoger dan buitenwaterstand) is (zie formule B2.4 uit [TAW-LK 2003]): q os m os g H s hkhh 3,0 Hs 1 n 3 h kh h buit (10.1) e met: o 20 o o 90 o 1 max cos( 20);0,7 0 (10.2) hkh h 0,5 Hs hkh h n 0,5 1 Hs hkh h 1 Hs n n n 1 hkh h 1,3 0,6 H 0,7 s (10.3) WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 73 van 105

81 Hierin is: q os m os g H s h h kh n [m³/s/m¹] Gemiddeld overslagdebiet over een verticale wand [-] Modelfactor voor overslagdebiet. Voor deterministische berekeningen geldt m os =0,13. Voor probabilistische analyses geldt voor m os een lognormale verdeling met gemiddelde =0,09 en een spreiding =0, [m/s²] Gravitatieversnelling (g=9,81 m/s²) [m] Significante golfhoogte [mnap] Lokale buitenwaterstand [mnap] Kerende hoogte kunstwerk [ ] Hoek van golfaanval. Dit is de hoek tussen de golfrichting en de normaal van het kunstwerk [-] Invloedsfactor neusconstructie (waarden hiervoor kunnen worden berekend met [-] Invloedsfactor scheve golfaanval Het gemiddeld overslagdebiet is een rekengrootheid. Indien er sprake is van golfoverslag is er in werkelijkheid geen constant debiet, maar gaat er nu en dan bij een hoge golf een grote hoeveelheid water over de constructie heen en dan weer een lange tijd niets. Deze overslaghoeveelheden per golf hangen af van de golfhoogte en de afstand tussen de waterstand (stilwaterlijn) en de kruinhoogte. Hoe groter de golfhoogte hoe groter de hoeveelheden in een hoge overslag kunnen zijn, overigens bij eenzelfde gemiddeld overslagdebiet. Een paar grote overslaande golven kunnen immers eenzelfde debiet geven als vele kleine golfjes. In de Leidraad Kunstwerken [TAW-LK 2003] wordt nog gesproken over het toepassen van een aanvullende windfactor, indien er kleine overslagdebieten optreden (q os 10 /s/m¹). Deze factor brengt het debiet in rekening dat door de wind over de kering wordt geblazen, op het moment dat vanuit een golf opgestuwd water tegen een verticale wand boven de kruin uitkomt. Deze factor is alleen van toepassing in situaties met relatief ondiep water en een relatief groot verschil tussen de kerende hoogte en de waterstand. Een dergelijke situatie kan zich voordoen bij lage coupures 13. Bij bijvoorbeeld keersluizen en schutsluizen komt dit niet voor. Hieronder is voor de volledigheid in formulevorm de aanpassing van het debiet aangegeven: q os; w w w q os qos 1 l/s/m 1 qos 10 l/s/m qos 10 l/s/m w w w q os (10.4) Opgemerkt wordt dat kleine debieten (q os 10 /s/m¹) geen rol spelen bij het deelfaalmechanisme komberging in het WTI Opgemerkt wordt dat dit andere waarden zijn dan in de Leidraad Kunstwerken staat aangegeven. De waarden die daarin staan weergegeven zijn niet correct. 13 Bijvoorbeeld coupures op een kade, waar direct voor de coupure het water op de kade staat en dus sprake is van een relatief lage waterstand. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 74 van 105

82 Geldigheidsgebied De formule is geldig: Voor verticale wanden. Als de inkomende golfhoogte vlak voor de constructie niet groter is dan ongeveer 1/3 van de waterdiepte. Als de buitenwaterstand kleiner of gelijk is aan de kerende hoogte van het kunstwerk. Onder voorwaarde dat geen zwaar golfbreken vlak voor de constructie plaatsvindt. Indien zwaar golfbreken optreedt vlak voor het kunstwerk dan kan formule 10.1 eventueel wel gebruikt worden maar geeft een overschatting van het optredende overslagdebiet. Voor constructiedelen die niet verticaal lopen wordt het overslagdebiet juist onderschat bij gebruik van formule Hiervoor zijn diverse andere formules uit onderzoek naar golfoverslag bij dijken beschikbaar. Omdat deze situatie bij kunstwerken eigenlijk nooit voorkomt, wordt hier niet nader op ingegaan Situatie II: instromend debiet bij overloop De formule voor het instromende debiet als gevolg van overloop (bovenkant kunstwerk is lager dan buitenwaterstand en er zijn geen golven) is (zie formule B2.16 uit [TAW-LK 2003]): q ol h 3 m 0,55 g h h kh < h (10.5) ol kh Hierin is: q ol m ol g h h kh [m³/s/m¹] Gemiddeld overloopdebiet over een verticale wand [-] Modelfactor voor overloopdebiet afhankelijk van verhouding tussen straal van de kruin en de overloophoogte (veelal wordt aangehoud en m ol = 1,1, de waarde kan variëren tussen 1 en 1,3) [m/s²] Gravitatieversnelling (g=9,81 m/s²) [mnap] Lokale buitenwaterstand [mnap] Kerende hoogte kunstwerk Geldigheidsgebied De formule is geldig: Voor verticale wanden. Als de buitenwaterstand groter is dan de kerende hoogte van het kunstwerk. Als er geen of aflandige golven zijn. Als er sprake is van een rechthoekig aanstroomkanaal. Voor de situaties bij waterkerende kunstwerken is dit nagenoeg altijd het geval Situatie III: instromend debiet bij zowel golfoverslag als overloop De formule voor het instromende debiet als gevolg van zowel golfoverslag als overloop is (zie formule B2.17 uit [TAW-LK 2003]): q os h h 3 m g H 3 / ol mol 0, 55 g h kh < h (10.6) kh os s WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 75 van 105

83 Hierin is: q os/ol m ol m os g h h kh H s [m³/s/m¹] Gemiddeld overslag/overloopdebiet over een verticale wand [-] Modelfactor voor overloopdebiet afhankelijk van verhouding tussen straal van de kruin en de overloophoogte (algemeen geldt m ol = 1,1)) [-] Modelfactor voor overslagdebiet. Voor deterministische berekeningen geldt m os =0,13. Voor probabilistische analyses geldt voor m os een lognormale verdeling met gemiddelde =0,09 en een spreiding =0, [m/s²] Gravitatieversnelling (g=9,81 m/s²) [mnap] Lokale buitenwaterstand [mnap] Kerende hoogte kunstwerk [m] Significante golfhoogte Geldigheidsgebied De formule is geldig: Voor verticale wanden. Als de inkomende golfhoogte vlak voor de constructie niet groter is dan ongeveer 1/3 van de waterdiepte. Als de buitenwaterstand groter is dan de kerende hoogte van het kunstwerk. Als er golven zijn, onder voorwaarde dat geen zwaar golfbreken vlak voor de constructie plaatsvindt. Als er sprake is van een rechthoekig aanstroomkanaal. Voor de situaties bij waterkerende kunstwerken is dit nagenoeg altijd het geval Eenvoudig model lage drempel In het geval van een lage drempel is er sprake van direct contact tussen binnen- en buitenwater. Afhankelijk van de verhouding tussen de binnen- en de buitenwaterstand is er sprake van een volkomen of een onvolkomen overlaat (stroming). In de eerste situatie beïnvloedt de binnenwaterstand het instromende debiet niet, terwijl dit in de tweede situatie wel het geval is. De basis van de formules voor de hier besproken gevallen kunnen worden gevonden in onder andere [Nortier-tvm 1996] Onvolkomen stroming (overlaat) Hieronder is de afleiding van het debiet bij een onvolkomen stroming weergegeven. Deze afleiding dient ter ondersteuning van het begrip van de formule die uiteindelijk binnen het instrumentarium van het WTI2017 wordt toegepast. De afleiding is deels afkomstig uit [Nortier-tvm 1996]. Onderstaande afbeelding vormt het uitgangspunt bij de afleiding. 14 Opgemerkt wordt dat dit andere waarden zijn dan in de Leidraad Kunstwerken staat aangegeven. De waarden die daarin staan weergegeven zijn niet correct. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 76 van 105

84 Figuur 10.2 Overlaatconstructie Wet van Bernoulli H v 1 Q Q 1 h h h h 0 in in v 2 A v 2 h2 hdr B h h B 2 g h h 2 ok dr v 2 2 v 2 g 2 2 g dr h h v 2 g Praktisch gezien is h 2 niet bekend, maar h bi is wel vaak een bekend gegeven. Het verschil tussen beide waarden is circa 10% [Nortier-tvm 1996]. h bi invullen ipv h 2 levert: Q h h g h h m B 2 in, onvolk onv bi dr bi (h bi-h dr) > (h-h dr) (10.7) Hierin is: Q in,onvolk m onv g h h bi h dr B [m³/s] Gemiddeld instromend debiet bij onvolkomen overlaat [-] Modelfactor (afvoercoëfficiënt) voor onvolkomen overlaat (waarde tussen 0,7 en 1,4) [m/s²] Gravitatieversnelling [mna Lokale buitenwaterstand P] [mna Lokale binnenwaterstand P] [mna Hoogte drempel waterkering (kunstwerk) P] [m] Doorstroombreedte van het kunstwerk Het geldigheidsgebied van formule 10.7 is achter de formule vermeld (h bi -h ok )> (h-h ok ). Uit bovenstaande afleiding blijkt dat de modelfactor voor onvolkomen stroming (m onv = afvoercoëfficiënt) niet alleen betrekking heeft op energieverlies door wrijving en vormgeving van het kunstwerk. De fout om gebruik te maken van h bi ipv h dr wordt hiermee ook afgedekt. De waarde voor m onv ligt in de praktijk tussen 0,7 en 1,4. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 77 van 105

85 Volkomen stroming Er is sprake van volkomen stroming als geldt: (h bi -h ok ) (h-h ok ). De formule voor een volkomen stroming is grotendeels gelijk aan de formule voor overloop bij verticale wanden (zie formule 10.5). h h 3 Qin, volk mol 0, 55 B g (h dr bi-h ok) (h-h ok) (10.8) Hierin is: Q in,volk m ol g h h dr B [m³/s] Gemiddeld instromend debiet bij volkomen overlaat [-] Modelfactor voor overloopdebiet volkomen overlaat (algemeen geldt m ol = 1,1)) [m/s²] Gravitatieversnelling [mnap] Lokale buitenwaterstand [mnap] Hoogte drempel waterkering (kunstwerk) [m] Doorstroombreedte van het kunstwerk Lange en korte overlaten Naast onvolkomen en volkomen overlaten, kan ook een onderscheid worden gemaakt in lange en korte overlaten. Hierbij zijn lange overlaten dusdanig lang dat de stroomlijnen boven de drempel rechtlijnig zijn, waardoor de druk daar ook hydrostatisch is. Bij korte overlaten zijn de stroomlijnen gekromd en is geen sprake van hydrostatische druk. In feite zijn de formules voor lange overlaten, zoals weergegeven in de paragrafen en (bv schutsluis) ook van toepassing op korte overlaten (bijvoorbeeld coupure). Het verschil tussen beide wordt tot uitdrukking gebracht in de waarde van de afvoercoëfficiënt. Die is voor korte overlaten maximaal circa 40% hoger Eenvoudig model verdronken koker Het model voor de verdronken koker heeft betrekking op situaties waarbij het watervoerende element geheel onder water zit. Hierbij is het verval de drijvende kracht achter het instromende debiet. Q in, koker A 2g h h bi (10.9) Hierin is: Q in,koker [m³/s] Gemiddeld instromend debiet door een verdronken koker [-] Afvoercoëfficiënt (waarde tussen 0,6 en 1) g [m/s²] Gravitatieversnelling h [mnap] Lokale buitenwaterstand h bi [mnap] Lokale binnenwaterstand A [m] Kleinste waarde van de oppervlakte van de doorstroomopening(en) Bovenstaande formule (10.9) is nagenoeg gelijk aan formule 10.7, alleen de modelfactor is anders. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 78 van 105

86 Geavanceerde modellen instromend debiet Met behulp van rekensoftware en modelonderzoek zijn geavanceerdere modellen voor het instromende debiet af te leiden. Een voorbeeld van een computerprogramma dat vaak wordt gebruikt is Duflow. Er zijn ook eindige elementen pakketten waarmee stromingen tot in detail kunnen worden berekend. Deze worden toegepast wanneer het stromingsbeeld sterk beïnvloed wordt door 3D-effecten. Als gevolg van de toegenomen rekenkracht is men tegenwoordig in staat modellen steeds groter en gedetailleerder te maken. Voor zeer complexe situaties kan dit worden toegepast, waarbij modelonderzoek ook van wezenlijk belang kan zijn. Voor het overgrote deel van de kunstwerken volstaat echter het gebruik van de formules zoals in dit hoofdstuk gepresenteerd Invloed verval op instromend debiet De drijvende kracht achter het instromende debiet is voor de modellen lage drempel en verdronken koker het waterstandsverschil tussen binnen- en buitenwaterstand. Alleen bij het model verticale wand heeft de binnenwaterstand geen directe invloed op het instromende debiet. In dat geval is de drijvende kracht achter het instromende debiet afhankelijk van het verschil tussen bovenkant constructie en buitenwaterstand in combinatie met de optredende golven. Voor de situaties waarbij direct contact is tussen binnen- en buitenwater bepaalt het verval over de constructie het instromende debiet. In de volgende paragrafen worden de diverse situaties besproken die hierbij kunnen optreden Constante binnen- en buitenwaterstand In het hypothetische geval dat zowel de binnen- als de buitenwaterstand constant in de tijd zijn (voorbeeld zie Figuur 10.3 ) kunnen de formules uit voorgaande paragrafen direct worden toegepast, omdat de waterstanden die hierin worden benoemd een constante waarde hebben. Het verval zorgt hiermee gedurende een hoogwaterperiode voor een constante instroming in de tijd. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 79 van 105

87 Waterstand [+mnap] H_bui h_bin 4 H Begin hoogwatergolf Einde hoogwatergolf tijd [uren] Verval [m] Figuur 10.3 Constant verval bij constant verloop hoogwatergolf Als gevolg van het constante debiet dat binnenstroomt, neemt het totale debiet gedurende de hoogwatergolf lineair toe Variërende buitenwaterstand met constante binnenwaterstand In het geval dat de buitenwaterstand varieert als gevolg van de hoogwatergolf is het verval over de kering aan verandering onderhevig. In Figuur 10.4 is het verloop van het verval over de kering gegeven. Waterstand [+mnap] H_bui H Verval [m] h_bin Begin hoogwatergolf Einde hoogwatergolf tijd [uren] Figuur 10.4 Variërend verval bij variërende buitenwaterstand en constante binnenwaterstand WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 80 van 105

88 Indien dit wordt vertaald naar instromende debieten voor een verdronken koker wordt onderstaande Figuur 10.5 gevonden. Hierin is het verloop van het instromende debiet per tijdseenheid (q op linker y-as) en het totale instromende debiet (Q tot op rechter y-as) weergegeven. q [m³/s] 10,00 9,00 8,00 q 90E+04 80E+04 70E+04 Q_tot [m³] 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00,00 Begin hoogwatergolf 60E+04 50E+04 40E+04 Q_tot 30E+04 20E+04 10E E Einde hoogwatergolf tijd [uren] Figuur 10.5 Instromende debiet bij variërende buitenwaterstand en constante binnenwaterstand (verdronken koker) Bovenstaande resultaten kunnen middels integraalberekeningen van het instromende debiet worden berekend, waarbij de buitenwaterstand in de tijd varieert. De hier beschouwde situatie is reëel voor situaties met een hele grote kom en/of kleine watervoerende element(en) Variërende buitenwaterstand met beinvloeding van binnenwaterstand In het geval dat de buitenwaterstand varieert en er een relatief kleine kom aanwezig is, gaat de binnenwaterstand het instromende debiet beinvloeden. Het verval over de kering is dan ook constant aan verandering onderhevig. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 81 van 105

89 Waterstand [+mnap] H_bui 7 6 h_bin H Begin hoogwatergolf Einde hoogwatergolf Verval [m] tijd [uren] Figuur 10.6 Variërend verval bij verlopende buitenwaterstand en meelopende binnenwaterstand In bovenstaande Figuur 10.6 is een voorbeeld gegeven van een situatie waarbij de komberging voldoende groot is en op een gegeven moment de binnenwaterstand als gevolg van het instromende debiet en de weer dalende buitenwaterstand deze buitenwaterstand inhaalt. Het verval over de kering wordt op een gegeven moment dan ook negatief, zodat er water naar buiten stroomt. Het verloop van het instromende debiet, dat een basis is voor Figuur 10.6, is in Figuur 10.7 weergegeven. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 82 van 105

90 q [m³/s] 10,00 8,00 6,00 4,00 q Einde hoogwatergolf 45E+04 40E+04 35E+04 30E+04 Q_tot [m³] 2,00 25E+04,00-2,00-4,00-6,00-8,00 20E Begin hoogwatergolf tijd [uren] 15E+04 Q_tot 10E+04 05E E+00 Figuur 10.7 Instromend debiet bij variërende buitenwaterstand en meelopende binnenwaterstand (verdronken koker) Indien de komberging een limiet kent, omdat bijvoorbeeld de achterliggende keringen de binnenwaterstand niet meer kunnen keren, dan zal de binnenwaterstand niet meer stijgen, maar vrij gaan dalen, doordat er een doorbraak plaatsvindt van de kaden van de kom. Bovenstaande berekeningen vergt de hulp van computerprogramma s. Eenvoudige benaderingen kunnen met behulp van bijvoorbeeld Excel worden gemaakt Variërende buiten- en binnenwaterstand In het geval dat de buitenwaterstand varieert en de binnenwaterstand onafhankelijk van het instromende debiet door of over het desbetreffende kunstwerk ook niet constant is, wordt de situatie nog complexer. Zo kan de binnenwaterstand beïnvloed worden door toestroming vanuit het achterland, terwijl er ook instroming van buitenaf plaats vindt. Ook kan het zijn dat een gemaal tijdens een hoogwaterperiode water uit de kom slaat en op het buitenwater loost. Het is duidelijk dat het verloop van de waterstanden en de instromende debieten dan een computerprogramma vereisen om een berekening van de komberging te maken. Een benadering kan relatief eenvoudig met behulp van bijvoorbeeld Excel worden gemaakt Kennisbasis kombergend vermogen (sterkte) Het kritieke volume water dat gedurende een hoogwaterperiode door het geopende kunstwerk mag slaan/lopen, het kombergend vermogen, wordt bepaald door de karakteristieken van het achterliggende watersysteem. Het betreft de toelaatbare peilstijging van dit watersysteem in combinatie met het oppervlak waarover deze peilstijging mag plaatsvinden. Indien het instromende volume het kombergend vermogen overschrijdt, treden substantiële gevolgen op, zoals het ontstaan van een bres in de kaden van het kombergend watersysteem, waardoor water het achterland in kan stromen en de watergang wellicht leegstroomt. Dit leegstromen van de binnendijkse watergang kan ook andere (deel)faalmechanismen initiëren als de binnenwaterstand zover daalt dat het verval over het kunstwerk sterk toeneemt. Denk hierbij aan bezwijken van de bodembescherming als gevolg van een toegenomen stroomsnelheid of bezwijken van constructie-onderdelen als gevolg van een toegenomen verval. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 83 van 105

91 In deze paragraaf wordt ingegaan op de aanwezige kennis met betrekking tot bepaling van het kombergend vermogen en waarmee hierbij rekening moet worden gehouden Basisformulering In de Leidraad Kunstwerken [TAW-LK 2003] worden enkele basisformules gegeven met betrekking tot het kombergend vermogen en het terugrekenen hiervan naar een kritieke debiet. Voor het kombergend vermogen geldt de volgende basisformule welke van toepassing is op het totale kombergend vermogen van een binnendijks gelegen watersysteem: K A h kom (10.10) Hierin is: K A h ko m [m³] Kombergend vermogen [m²] Het oppervlak van het open binnenwater dat met het kunstwerk verbonden is [m] Toelaatbare peilverhoging op het binnenwater De parameters die in deze eenvoudige formule zijn verwerkt worden in de volgende paragrafen toegelicht Het kombergend oppervlakte Het kombergend oppervlak is het oppervlak van het open water waarin instromend buitenwater geborgen kan worden. Deze formulering past niet bij alle denkbare situaties, aangezien er ook situaties kunnen zijn waarbij geen sprake is van open water achter kunstwerken. Afhankelijk van de specifieke situatie is een coupure de daadwerkelijke uitzondering. Bij coupures in het open veld, waarbij instromend water in eerste instantie nog geborgen kan worden in het achterliggende weiland, is nog sprake van een soort van komberging. Bij coupures die zich in een stad bevinden en waarbij bij instroming direct water op de straat staat, is sprake van een afwijkende situatie. Komberging dient dan toch enigszins anders (specifiek) benaderd te worden. Het kombergend oppervlak zoals gedefinieerd in formule kan zowel heel eenvoudig als heel uitgebreid en complex van vorm zijn. In onderstaande figuur is hiervan schematisch een beeld gegeven. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 84 van 105

92 Kombergend oppervlak Kombergend oppervlak Eenvoudig Complex Figuur 10.8 Schematische voorbeelden vormgeving kombergend oppervlak Voor het kombergend vermogen is niet alleen de vorm van het oppervlak benodigd dat aan het begin van de hoogwaterperiode aanwezig is. Ook het verloop van dit oppervlak gedurende een hoogwater is van belang. In Figuur 10.9 is dit, wederom schematisch, weergegeven. hkom A 2 h kom A 2 A 1 A 1 Gelijkblijvend oppervlak: A 2 = A 1 Veranderend oppervlak: A 2 > A 1 Figuur 10.9 Schematische weergave verandering kombergend oppervlak bij stijging binnenpeil In de rechterfiguur neemt bij een stijgende binnenwaterstand het oppervlak toe, terwijl dit in het linker figuur gelijk blijft. Een nog treffender voorbeeld van verschil in wateroppervlak bij stijgende waterstand treft men aan daar waar natuurvriendelijk oevers zijn toegepast. In Figuur is dit weergegeven. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 85 van 105

93 h kom A 2 A 1 Figuur Veranderend wateroppervlak bij stijgende waterstand in geval van natuurvriendelijke oevers Toelaatbare peilverhoging Naast het kombergend oppervlak speelt ook de toelaatbare peilstijging een rol. Deze peilstijging is direct gerelateerd aan het toelaatbare peil en het streefpeil in het kombergende gebied. In formulevorm: h kom h bi ; toel h bi ; streef (10.11) Hierin is: h ko m h bi;toe l h bi;str eef [m] Toelaatbare peilverhoging van het open binnenwater [mnap] Toelaatbare (kritieke) peil op het open binnenwater [mnap] Streefpeil of gemiddeld peil op het open binnenwater Het verschil tussen kritiek peil en streefpeil bepaalt de waterstijging die in het achterland mag plaatsvinden, voordat significante gevolgen 15 optreden. Met het oog hierop betreft het kritieke binnenpeil die waterstand, die leidt tot significante gevolgen in het achterliggende watersysteem dan wel gebied óf leidt tot het initiëren van andere (deel)faalmechanismen (zie paragraaf 10.1). Opgemerkt wordt dat het, als het gaat om doorbraak van zachte keringen langs de komberging, in de praktijk vaak voorkomt dat er geen uitgebreide veiligheidsanalyse beschikbaar is van deze keringen. In dat geval moet een onderbouwde schatting van dit peil worden gemaakt. In toetslaag 2 wordt hierbij in principe uitgegaan van de waterstanden die horen bij de normering van de kades (normpeilen). Dit kan echter alleen worden toegepast als die achterliggende kades hier ook daadwerkelijk op zijn getoetst. Indien dit niet het geval is, kan het gebeuren dat er geen correct beeld van de veiligheid ontstaat. De kades kunnen immers wel genormeerd zijn met een bijbehorende waterstand, maar als ze hierop niet getoetst zijn, zegt deze normering niets over de daadwerkelijk aanwezige sterkte van deze kades. Het streefpeil is het peil dat onder normale omstandigheden gehandhaafd wordt op het open binnenwater. Afhankelijk van het seizoen kan dit een ander peil zijn. Een specifieke aanpassing van het streefpeil is mogelijk indien bewust voorafgaand aan een hoogwater afgemaald wordt naar een lager peil, zodat er meer kombergend vermogen aanwezig is. Opgemerkt wordt hierbij dat dit vaak plaatsvindt indien men verwacht dat aanvoer van water vanuit het achterland substantieel kan zijn gedurende een hoogwater. 15 Voor instroming bij kunstwerken wordt binnen het WTI de volgende definitie van significante gevolgen gehanteerd: meer dan 10 miljoen euro schade en/of tenminste 1 slachtoffer. WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 86 van 105

94 Benadrukt wordt dat bovenstaande formulering uitgaat van een standaard situatie, zonder overige invloeden. De op deze wijze toelaatbare peilstijging geldt hiermee voor een standaard situatie en bepaald hiermee de standaard aanwezige komberging zijnde een volume aan water dat geborgen kan worden. In de volgende paragraaf wordt deze standaard aanwezige komberging specifiek gemaakt voor een kunstwerk Kombergend vermogen per kunstwerk Het kombergend vermogen kan door het meenemen van de diverse invloedsfactoren specifiek gemaakt worden voor één kunstwerk. Deze factoren kunnen voor het merendeel worden uitgedrukt in een volume die de beschikbare komberging per kunstwerk positief dan wel negatief beïnvloeden. Hieronder is dat in de formule toegevoegd, waardoor deze formule specifiek wordt gemaakt voor één kunstwerk. V c, kw Ah kom i n i1 V kw, i V achterland V pompen (10.12) Hierin is: V c,kw A h kom V kw,i n V achterland V pompen [m³] Kombergend vermogen (volume) beschikbaar voor het beschouwde kunstwerk [m²] Het oppervlak van het open binnenwater dat met het kunstwerk verbonden is [m] Toelaatbare peilverhoging op het binnenwater [m³] Instromend volume door of over kunstwerk i dat aansluit op hetzelfde kombergende vermogen [-] Aantal kunstwerken buiten het beschouwde kunstwerk dat op dezelfde komberging uitkomt [m³] Instromend volume als gevolg van aanvoer vanuit het achterland, bv door regen. Dit kan al voorafgaand aan het daadwerkelijke hoogwater deels plaatsvinden. [m³] Volume dat gedurende een hoogwater kan worden weggepompt door inzet van bv aanwezige gemalen of mobiele pompen. Indien meerdere kunstwerken uitkomen op hetzelde kombergend vermogen, dient de invloed hiervan te worden meegenomen bij de bepaling van het kombergend vermogen per kunstwerk. De aanvoer van water vanuit het achterland (binnenland) naar de komberging kan van grote invloed zijn op het kombergend vermogen. Deze aanvoer kan via normale afstroming plaatsvinden, maar ook gemalen in de polder die uitslaan op het kombergend oppervlak kunnen voor aanvoer zorgen. Vanuit die optiek kan het gewenst zijn om in de protocollen vast te leggen dat deze gemalen gedurende een hoogwater niet of slechts deels ingezet mogen worden. Indien er gemalen of pompen zijn die water vanuit de komberging kunnen uitslaan op het buitenwater, kan hiervan gebruik worden gemaakt bij het beperken van het totale instromende volume. Naast de genoemde factoren kunnen nog andere aspecten een rol spelen, kijkend naar het kombergend vermogen per kunstwerk. Hierbij kan worden gedacht aan onder andere de volgende punten: WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 87 van 105

95 Af/opwaaiing van binnenwater. Door wind kan het peil direct achter een kunstwerk worden beinvloed, wat lokaal ervoor kan zorgen dat het toelaatbare peil reeds eerder of later wordt bereikt dan verwacht. Opstuwing van instromend water. Door de vorm van de komberging is het mogelijk dat bij substantiele hoeveelheden instromend water, er opstuwing optreedt waardoor lokaal de binnenwaterstand stijgt. Bovenstaande punten zijn niet uit te drukken in volumes, maar komen naar voren bij een nadere analyse van de (vormgeving) van de komberging Nieuwe kennis Ten aanzien van komberging geldt dat er de laatste jaren geen nieuwe kennis is bijgekomen. De principes van komberging zijn eenvoudig en algemeen geldend, er is geen specifiek toepassingsgebied. Ontwikkelingen die indirect met het kombergend vermogen te maken hebben, zijn wel te benoemen. 1. Meer inzicht in sterkte van kaden van komberging. Door het uitvoeren van toetsen op primaire c-keringen en regionale keringen is er meer inzicht gekomen in de sterkte, en daarmee kritieke waterstanden van de kaden van de komberging. 2. Invoering van de overstromingskansbenadering. Vigerend is momenteel nog de overbelastingsbenadering, waarbij wateroverlast vaak als criterium wordt gehanteerd ten aanzien van de komberging. In de toekomst kan hier een verschuiving plaats gaan vinden, waarbij het criterium bijvoorbeeld gelinkt wordt aan het daadwerkelijk bezwijken van de kaden van de komberging. In bepaalde gevallen kan dit direct leiden tot gevolgen groter dan wateroverlast. 3. Nauwkeurigere modellering van het kombergend vermogen. Met behulp van steeds meer geavanceerde data en modellen is het mogelijk om het volume dat beschikbaar is voor komberging en de stromingen door de komberging beter in kaart te brengen en ook de diverse invloedsfactoren mee te nemen in de beschouwingen. Bovengenoemde ontwikkelingen zorgen ervoor dat er meer inzicht in het kombergend vermogen ontstaat en hoe dit ingezet kan worden. Aandachtspunt hierbij is dat bij gebruik van dergelijke geavanceerde tools (met name bovenstaande punt 3), de actualiteit van de gebruikte gegevens telkens gecontroleerd dient te worden. Daarnaast geldt dat een uitgebreide modelverfijning van het kombergend vermogen alleen van toegevoegde waarde is als ook het instromende debiet nauwkeurig kan worden berekend Keuze model WTI2017 Het model dat binnen VNK2 voorhanden was, wordt ook in het WTI2017 toegepast. Voor het instromende debiet worden de formules zoals gegeven in paragraaf 10.2 gebruikt. Het verloop van de hoogwatergolf en het daardoor instromende debiet wordt sterk versimpeld gemodelleerd. Dit komt met name door het feit dat de tijdsverlopen van de hoogwatergolven zelf niet in Hydra-Ring geprogrammeerd zijn. In het WTI2017 zijn de volgende versimpelingen aangebracht: WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 88 van 105

96 1. De hoogwatergolf is geschematiseerd als rechthoekig blok, waarbij de piek van de hoogwatergolf (wat uit de sommen als de ontwerppuntwaarde van de buitenwaterstand naar voren komt) gedurende een in te geven periode aanwezig is. Buiten deze periode is er dus geen sprake van hoogwater. 8 Waterstand +mnap Begin hoogwatergolf hoogwaterblok in model Einde hoogwatergolf 3 2 t model 1 Figuur h hmodel Geschematiseerd hoogwaterverloop tijd 2. De binnenwaterstand is constant verondersteld gedurende de berekeningen en is gelijk aan een door de gebuiker in te geven waarde. Dit is voor de situatie van instroming door een kunstwerk in feite een conservatieve benadering, omdat een stijgende binnenwaterstand bij een gelijkblijvende buitenwaterstand het instromende debiet doet afnemen. Het kombergend vermogen wordt in het WTI2017 ingevoerd door het opgeven van een kombergend oppervlak en een toegestane peilverhoging. Hiermee sluit dit direct aan op de formulering van formule In de Schematiseringshandleiding van dit toetsspoor [DLTshst 2015] worden aanwijzingen gegeven ten aanzien van de in te voeren waarden voor beide parameters Referenties [DLT-shst 2015] Schematiseringshandleiding Sterkte en stabiliteit puntconstructies Deltares rapport, kenmerk GEO-0004, Versie D1, 30 december 2015, definitief [Nortier-tvm 1996] Toegepaste vloeistofmechanica, hydraulica voor waterbouwkundigen Nortier, ISBN , 1996; [TAW-LK 2003] Leidraad Kunstwerken Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, ISBN , mei 2003; WTI 2017 Toetsregels Kunstwerken - Toetsspoorrapport Sterkte en stabiliteit puntconstructies 89 van 105