Ontwerp van aardbevingsbestendige dijken Hoe doe je dat? Bert de Wolff, Antea Group in samenwerking met waterschap Noorderzijlvest. 10 november

Transcriptie

1 Ontwerp van aardbevingsbestendige dijken Hoe doe je dat? Bert de Wolff, Antea Group in samenwerking met waterschap Noorderzijlvest 10 november Inhoudsopgave Onderzoeksvragen rondom aardbevingen Aanpak Eemhaven-Delfzijl Lessons learned Delfzijl 10 november

2 Onderzoeksonderwerpen rondom aardbevingen Wat doen aardbevingen met dijken? Met welke belastingen moeten we rekenen? Hoe moeten we op aardbevingen ontwerpen? 10 november Wat doen aardbevingen met dijken? Kans op functieverlies door instabiliteit en/of kruindaling Kans op schade door verweking van zand in of onder de dijk 10 november

3 Schade aan dijken door aardbevingen: Japan Vooral wanneer zand in of onder de dijk verweekt All pictures from: Y. Sasaki et al. / Soils and Foundations 52 (2012) november Overstroming als gevolg van aardbeving Picture from: Masaru Noharaa, Impact of the Great East Japan Earthquake and tsunami on health, medical care and public health systems in Iwate Prefecture, Japan, november

4 Schade aan dijken door aardbevingen: NL Roermond, 1992 (magnitude 5.8) All pictures from: beeldbank.rws.nl 10 november Welke faalmechanismes worden beïnvloed? Binnenwaartse stabiliteit Kruindaling (afschuiven, verdichten wegpersen) Buitenwaartse stabiliteit Geaccepteerde modellen voor instabiliteit. Benaderend model voor kruindaling, icm fit op EEM resultaten (voor wegpersen) Horizontaal Evenwicht 10 november

5 Welke faalmechanismes worden beïnvloed? Bezwijken grond Bezwijken damwand Geaccepteerde modellen (voor/na), icm dynamische EEM 10 november Zijn aardbevingen een probleem? Conclusie onderzoek Deltares obv kansverdeling KNMI 2014: Door aardbevingen ontstaan in zand extra waterspanningen waardoor zand verweekt (verlies van sterkte) Gronings zand gedraagt zich niet anders dan andere zanden en de internationale methode om de verwekingsgraad bij aardbeving te voorspellen kan worden gebruikt. Consequentie: verweking in dijken is een reëel probleem bij de te verwachten bevingen waterschap Noorderzijlvest moet versneld gaan versterken! 10 november

6 Onderzoeksonderwerpen rondom aardbevingen Wat doen aardbevingen met dijken? Met welke belastingen moeten we rekenen? Hoe gaan we op aardbevingen ontwerpen? 10 november Piekversnelling aan maaiveld volgens KNMI NEN NPR 9989 (2014) Geen fysisch maximum? Eemskanaal (regionale kering) PGA [m/s^2] Eemshaven Delfzijl (primaire kering) 7,0 6,0 Terugkeertijd [jaar] Piekversnelling [m/s^2] 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Terugkeertijd [jaar] km november

7 KNMI kansverdeling 2014 Kansverdeling magnitude is conservatief ingeschat (volgens TNO) Probabilistische overdrachtsfunctie van bron naar maaiveld is gefit op gemeten versnellingen (max 0.85 m/s^2): er is dus geen rekening gehouden met het dempende gedrag van slappe grond bij hogere versnellingen 10 november Onderzoekvragen rondom aardbevingen Wat doen aardbevingen met dijken? Met welke belastingen moeten we rekenen? Hoe gaan we op aardbevingen ontwerpen? 10 november

8 Aanpak ontwerp Semi-probabilistisch ontwerp Beperkte verplaatsing wordt wel toegestaan (performance based design). Drie belastingcombinaties A. Waterstand dominant, Aardbeving niet dominant B. Aardbeving dominant, Waterstand niet dominant C. Alleen waterstand Maatgevend Dominant Niet dom Niet dom Dominant A B C 10 november Inschatten piekversnelling is kritiek! 12,0 10,0 PGA [m/s^2] 8,0 : 0.9: 8.3 / Fysische bovengrens in slappe grond? 6,0 4,0 2,0 : 0.7: 3.7 / Invloedsfactor α en lengte effect hebben forse invloed op te hanteren piekversnelling! 0, Terugkeertijd [jaar] 10 november

9 Dijkverbetering Eemshaven- Delfzijl Versterking tussen Eemshaven en Delfzijl Dijkringgebied 6, beheerd door Eemshaven Waterschap Noorderzijlvest Traject van 11,7 kilometer Afgekeurd in de derde toetsronde op: - Macrostabiliteit binnenwaarts - Bekledingen Delfzijl Aanvullend op standaard ontwerp: - aardbeving belasting meenemen - uitgaan van de nieuwe normering (kruinverhoging) 10 november Dijkverbetering Eemshaven-Delfzijl Doelstelling dijkverbetering Eemshaven-Delfzijl De doelstelling is het zodanig uitvoeren van de dijkverbetering dat deze voldoet aan de nieuwe normering en waarbij de dijkverbetering voldoende veiligheid bied tegen aardbevingen. Uitdaging voor het ontwerpteam: - Hoe om gaan met onzekerheden nieuwe normering/oi2014? - Wanneer is de dijk voldoende aardbevingsbestendig? - Versnellingsopgave door bestuurlijke urgentie ( van 8 jaar naar 4 jaar) Ontwerpteam verkenningsfase: - Combinatie waterschap Noorderzijlvest/Arcadis/Fugro/Deltares - Consultatie TNO/ENW en KPR (kennisplatform) - Consulteren ENW-Techniek Delfzijl 10 november

10 Dijkverbetering Eemshaven-Delfzijl 10 november Grondopbouw: lengteprofiel Eemshaven Delfzijl NAP + 0 m NAP 20 m Tcsf/Tcsm Pfc2 Tfsc Tcsf Pfc1 Shp Tfcc Tfco Pfsm Pgcc Tfcc Tcsf 10 november

11 Grondopbouw: zandige lagen Salami aan zandlagen door wadafzettingen 20 cm 10 november Grondopbouw: opbouw van de dijk Zand in én onder de dijk => aardbevingsproblematiek 10 november

12 Aanpak 4 sporen: Spoor 1: Huidige norm zonder aardbeving Spoor 2: Huidige norm met aardbeving Spoor 3: Nieuwe norm zonder aardbeving Spoor 4: Nieuwe norm met aardbeving Huidige norm = 1/4.000 overschrijdingskans Nieuwe norm = 1/3.000 of 1/ overstromingskans Doel: - Vaststellen scope/omvang verbeteringsopgave - inzicht krijgen in verschillen/impact per spoor - Inzicht in benodigde ruimtebeslag 10 november Werken met scenario s Faalkansverdeling Omrekening middenkans afkeurkans Conservatief Geoptimaliseerd Optimistisch Gekozen set uitgangspunten VKA STB(I): 4% STB(I): 24% STB(I): 24% STB(I): 24% STPH: 24% STPH: 4% STPH: 4% STPH: 4% HT: 24% HT: 24% HT: 24% HT: 24% Overig: 30% Overig: 30% Overig: 30% Overig: 30% Factor 2 Factor 3 Factor 3 Factor 3 Reststerkte 1 0,33 0,1 0,33 Kansverdeling aardbevingen Invloedsfactor aardbevingen KNMI met reductie KNMI ongewijzigd KNMI met λ = 27 en M max, λ = 27 en niet KNMI met λ = 27 en aftopping op 4 m/s 2 lineaire aftopping op 4 m/s 2 overdrachtsfunctie >0,9 0,9 0,7 0,9 Kruinhoogte 1 l/s/m 5 l/s/m 10 l/s/m 5 l/m/s 10 november

13 Werken met scenario s Conservatief Geoptimalise erd Optimistisch Doelmatige set uitgangspunten VKA (On)gedraineerd rekenen Gedraineerd Gedraineerd Gedraineerd Gedraineerd Zonering (met aardbeving)/ optimalisatie van reststerkte. Geen zonering Geen zonering Wel zonering Geen zonering Ontwerplevensduur 50 jaar 25 jaar 25 jaar HR ruwheid bekleding 25 jaar, ook op basis van LCC, dus makkelijk uitbreidbaar HR2011 uitgangspunt 0,9, hier zit wel een optimalisatie 10 november Conservatief scenario Uitgangspunten eerste stabiliteitsberekeningen Planperiode 50 jaar Kruinhoogte bij kritiek overslagdebiet 1 l/s/m Faalkansbudget 4% Factor middenkans/afkeurkans 2 Geen reststerkte na instabiliteit door beving Invloedsfactor aardbeving 0,7 Ongewijzigde kansverdeling beving KNMI PGA = 3,7 m/s 2, a yield = 0,6 m/s 2 Verweking wordt door maatregel uitgeslote 10 november

14 Resultaten conservatief scenario Resultaten stabiliteitsberekeningen : - Extra ruimte binnen agv nieuwe normering: 10-30m - Extra ruimte binnen met beving: 30-80m Meenemen aardbevingen leidt tot m extra berm! Noot: tussen rekenraaien is (voor visualisatie doeleinden) linear geïnterpoleerd 10 november Conclusie eerste berekeningen Aardbevingen hebben een zeer forse impact op ruimtebeslag en de verbeteringsopgave te conservatieve uitgangspunten in de hele keten zijn er optimalisaties mogelijk? 10 november

15 Werken met scenario s Faalkansverdeling Omrekening middenkans afkeurkans Conservatief Geoptimaliseerd Optimistisch Gekozen set uitgangspunten VKA STB(I): 4% STB(I): 24% STB(I): 24% STB(I): 24% STPH: 24% STPH: 4% STPH: 4% STPH: 4% HT: 24% HT: 24% HT: 24% HT: 24% Overig: 30% Overig: 30% Overig: 30% Overig: 30% Factor 2 Factor 3 Factor 3 Factor 3 Reststerkte 1 0,33 0,1 0,33 Kansverdeling aardbevingen Invloedsfactor aardbevingen KNMI met reductie KNMI ongewijzigd KNMI met λ = 27 en M max, λ = 27 en niet KNMI met λ = 27 en aftopping op 4 m/s 2 lineaire aftopping op 4 m/s 2 overdrachtsfunctie >0,9 0,9 0,7 0,9 Kruinhoogte 1 l/s/m 5 l/s/m 10 l/s/m 5 l/m/s 10 november Werken met scenario s Conservatief Geoptimaliseerd Optimistisch Doelmatige set uitgangspunten VKA (On)gedraineerd rekenen Gedraineerd Gedraineerd Gedraineerd Gedraineerd Zonering (met aardbeving)/ optimalisatie van reststerkte. Geen zonering Ontwerplevensduur 50 jaar 25 jaar 25 jaar HR ruwheid bekleding Geen zonering Wel zonering Geen zonering 25 jaar, ook op basis van LCC, dus makkelijk uitbreidbaar HR2011 uitgangspunt 0,9, hier zit wel een optimalisatie 10 november

16 Resultaat gekozen scenario VKA - Ruimtebeslag aardbevingssituatie fors afgenomen (van ca naar 5-25m) - Ruimtebeslag waterbelasting ook afgenomen, o.a. door herverdeling in faalkansbudget, ontwerplevensduur en overslagdebiet (van 5-30m naar 5-15m) Noot: tussen rekenraaien is (voor visualisatie doeleinden) linear geïnterpoleerd 10 november Conclusies gekozen scenario maart 2015 Gekozen set uitgangspunten VKA voldoende veilig en robuust Op een aantal onderdelen is nog een optimalisatie mogelijk Een aantal aannames dient nog nader geverifieerd te worden tbv DO 10 november

17 Periode maart-december Consultatie onafhankelijke internationale experts (aardbevingsbelasting, respons en prestatiecriteria, effectieve mitigerende maatregelen) - Studies naar terugkeertijden - Maatregelen tegen verweking - Verificatie aanname reststerkte - Te hanteren kansverdeling KNMI - Aanpassen projectsoftware (1 D en 2D responsberekeningen) - Gevoeligheidsanalyse gedraineerd/ongedraineerd rekenen (OI2014) 10 november Consultatie buitenlandse experts 10 november

18 Consultatie buitenlandse experts: Advies op hoofdlijnen De grootste impact op het ontwerp zit in de te hanteren aardbevingsbelasting. Er wordt aanbevolen om een Hazard Analysis op maat te maken voor versnellingen op diepte in open dialoog met NAM/KNMI. De toegepaste verwekingsmodellen en parameters zijn OK; Ook voor de Groningse signalen en voor Gronings zand. Advies is om het schuifspanningsverloop uit lokale 1D seismische respons-berekeningen te gaan halen en om 2D effective stress berekeningen te gebruiken voor controle. 10 november Consultatie buitenlandse experts: Advies op hoofdlijnen Advies uit Noord-Amerika is om het vervormingsgedrag na verweking numeriek 2D te voorspellen met hulp van reststerkte en daar prestatie-eisen aan te hangen. Advies uit Japan is om voor het gedrag na verweking niet te veel op numerieke modellen te vertrouwen: de verschillen met metingen zijn vaak groot. Het gebruik van specialistische analysetools voor het ontwerp vraagt om daarvoor gekwalificeerde gebruikers. Er wordt aanbevolen om het seismisch ontwerp (incl. ontwerp van mitigerende maatregelen) strikt te scheiden van de uitvoeringsfase en om het specialistisch gebruik van seismische 2D effective stress berekeningen te beperken tot controleberekeningen (niet door de aannemer). 10 november

19 Studies naar terugkeertijd Herhalingstijd en daarmee piekversnelling zijn erg hoog. Kunnen we daar nog optimalisaties vinden? B Probabilistische studie naar invloedsfactor (maat voor de invloed van de kansverdeling voor een dominante aardbevingsbelasting op de faalkans deze blijft 0,9. Lengte-effect aardbevingsbelasting vooralsnog gelijk gekozen aan de parameters in OI2014v3 zeer hoge terugkeertijden en piekversnelling. 10 november Maatregelen tegen verweking Oplossen verwekingsgevoelig zand in de dijk: Grondverbetering Verdichten Drainage Constructieve maatregel 10 november

20 Dia 37 BPP1 Voegt dit plaatje nu veel toe? Volgens mij leidt het alleen maar af Bart Pieter, P.J.N.J.;

21 Lessons learned Werken met scenario s geeft inzicht in impact verschillende uitgangspunten Brede inzet experts werkt effectief Kijk bij de uitgangspunten integraal naar de hele keten (seismologie, geotechniek en waterbouw) Probeer bij onzekerheden niet alles dicht te rekenen maar beargumenteerd te onderbouwen Kijk onder aan de streep of je set ontwerpuitgangspunten in zijn geheel voldoende sober en robuust zijn. 10 november Vragen? 10 november