Theorie beoordeling grasbekledingen

Transcriptie

1 Theorie beoordeling grasbekledingen André van Hoven Deltares Pilot-cursus Bekledingen: module Gras 19 resp. 21 oktober 2016

2 Inhoud 1. Omgaan met onzekerheden 2. Faalmechanismen grasbekledingen, globaal overzicht 3. Toetsing GEKB (erosie kruin binnentalud) 4. Toetsing GEBU (erosie buitentalud) 5. Tijd voor vragen

3 Norm traject overstromingskansen; kans op falen van de waterkering

4

5 Van norm traject overstromingskans naar kans per faalmechanisme en per doorsnede 1/ Overstromingskansnorm (alle faalmechanismen en doorsneden samen) 5% 95% Verdeling over de mechanismen Grasbekleding buitentalud 1/ Overige mechanismen Faalkanseis per faalmechanisme Faalkansbegroting Lengte-effect Faalkanseis per faalmechanisme op doorsnedeniveau Dsn. 1

6 Normkans kleine kans grote kans

7 kansdichtheid Beoordeling faalmechanisme op basis van de kanseis per mechanisme en per doorsnede P eis;dsn Probabilistisch model: berekening van de kans dat een onzekere belasting groter is dan een onzekere sterkte Belasting (S) Sterkte (R) kans Belasting>Sterkte waterstand & faalwaterstand

8 kansdichtheid Probabilistisch model berekent de faalkans, deze wordt getoetst aan de faalkanseis Rekenmodellen vaak semi-probabilistisch. Rekenwaarden belasting en sterkte zodanig dat hierbij de kans op falen voldoet aan de faalkanseis van de doorsnede Belasting (S) Sterkte (R) waterstand & faalwaterstand Gemiddelde belasting Rekenwaarde Rekenwaarde Gemiddelde sterkte

9 Deel 2 Faalmechanismen grasbekledingen

10 Faalmechanismen gras 1. GEBU Gras Erosie BUitentalud (semi prob.) 2. GABU Gras Afschuiven BUitentalud (semi prob.) 3. GEKB Gras Erosie Kruin en Binnentalud (prob.) 4. GABI Gras Afschuiven BInnentalud (semi prob.)

11 Faalkanseis per doorsnede aan een toetsspoor grasbekledingen: Voorbeeld: GEKB GEBU p p eis, dsn eis, dsn 0, 24*1/ ,2 x ca. 16x kop/munt 0, 05*1/ ,6x ca. 20x kop/munt

12 GABU (1) Gras Afschuiven BUitentalud Geen fotomateriaal. Mechanisme zelden/nooit(?) in het veld waargenomen Speelt alleen bij een kleilaag op een zandlichaam Schematisch weergave mechanisme:

13 GABU (2) - Empirische rekenregel - Dikte en gewicht kleilaag - Taludhelling - Significante golfhoogte - Geen onderdeel van de cursus

14 GABI (1) Gras Afschuiven BInnentalud

15 GABI (2) Proces tot falen van de dijk Toetsing tot hier

16 GABI (3) Gedetailleerde toets, semi-probabilistisch (niet gekalibreerd) Kleidijk (Edelman Joustra) Zanddijk met kleibekleding afschuiven Zanddijk met kleibekleding opdrukken Zanddijk uitspoelen Zanddijk afschuiven

17 GABI (4) Optreden van mechanisme wordt bepaald door: de hoeveelheid water die in de dijk dringt en de waterspanningen doen toenemen en de schuifsterkte van de grond. Bepaling hiervan gebeurt op basis van veld- en laboratoriumonderzoek door gespecialiseerde bedrijven. Verder niet behandeld in deze cursus.

18 GEKB (1) (Gras Erosie Kruin en Binnentalud Golfoverslag in het echt Golfoverslag gesimuleerd

19 GEKB (2) Golfoverslagdebiet q (l/s/m), zeer verschillend voor verschillende watersystemen Stormgedreven watersystemen, relatief lage waterstand, hoge golven. De helft van de dijkhoogte is nodig voor keren van de golven. 10 l/s/m weinig maar grote overslagvolumes Rivierdijken, hoge waterstand kleine golven 10 l/s/m waterstand rondom kruin, veel maar kleine overslagvolumes Waaldijk 1995, hoge waterstand geen golven

20 GEKB (3) Proces tot falen van de dijk Toetsing tot hier

21 Schadebeelden onderzoek met golfoverslagsimulator

22

23 Schadebeelden onderzoek met golfoverslagsimulator

24 GEKB (4) Model graserosie: cumulatieve overbelastingmethode Model: N D = α M U 2 i α S U2 X X c i=1 D : cumulatieve overbelasting N: aantal golfoverslaggebeurtenissen Ui: snelheid overslaande golf Uc: kritische stroomsnelheid (afhankelijk van graskwaliteit) D 4000 m 2 /s 2 meerdere plekken schade D crit = 7000 m 2 /s 2 falen gras (nog niet onderlagen)

25 Uitdetaillering te ver voor vandaag; kort voorbeeld voor stationaire conditie:

26 GEKB (5) Bij een storm: discretisatie in stukjes van 1 uur

27 Storm gekarakteriseerd max. q (l/s/m) en H m0 (m), berekening D (m 2 /s 2 ) Beschouw U c en D crit als stochast op basis van overslagproeven Dan volgt een verdeling van het kritisch overslagdebiet q c (l/s/m) Bron: SH Grasbekledingen

28 GEKB (6) Duik dieper in de cumulatieve overbelastingmethode: MEMO Verdeling kritisch overslagdebiet WTI2017 d.d. 10 september 2015, Deltares HYE-0003, A. van Hoven (Deltares) en J.M. van der Meer (van der Meer Consulting) Rapport Onderbouwing kansverdelingen kritisch overslagdebiet ten behoeve van het OI2014v4, Deltares GEO-0006, juli 2016, A. van Hoven (Deltares) en J.M. van der Meer (van der Meer Consulting)

29 GEBU (1) GEBU Erosie grasbekleding in golfklapzone Erosie grasbekleding in golfoploopzone waterstand P dsn,eis Belasting door golfklappen is veel groter dan door golfoploop. Bij gras in klapzone EN oploopzone alleen beoordeling van de klapzone nodig. Deze is maatgevend.

30 GEBU (2) Faalproces gras in klapzone Faalproces gras in golfoploopzone toetsing tot hier toetsing tot hier

31 Schade door golfklappen welke fase? Deltares Noodmaatregelen-wiki RWS Beeldenbank Foto Dico van Ooijen

32 Schade door golfoploop welke fase? Denemarken 1976 Proef Tholen 2012 Groningen 1976

33 Golfklappen (software beschikbaar) Gedetailleerd model: standtijdlijn Empirisch model, gekalibreerd Bekleding wordt belast in zone tussen waterstand en waterstand 0,5*H m0

34 Standtijd van de grasbekleding afhankelijk van graskwaliteit (gesloten zode/ open zode; vanmiddag aan bod). Software houdt gedurende het waterstandverloop en golfcondities bij hoeveel van de sterkte is opgesoupeerd. Indien faalfractie > 1 falen van het gras. faal-fractie=2/16=12,5% 2 uur 16 uur

35 Golfoploop model graserosie: cumulatieve overbelastingmethode Model: N D = α M U 2 i α S U2 X X c i=1 D : cumulatieve overbelasting N: aantal golfoploopgebeurtenissen Ui: snelheid oplopende golffront Uc: kritische stroomsnelheid (afhankelijk van graskwaliteit) D 4000 m 2 /s 2 meerdere plekken schade D crit = 7000 m 2 /s 2 falen gras (nog niet onderlagen)

36 GEBU Golfoploop (software beschikbaar) Oploopsnelheid afhankelijk van golfcondities Software houdt voor elke golf bij wat de toename is van D en of de kritische waarde van D (=7000) wordt overschreden. Voor de rekenwaarde van Uc: Gesloten zode Uc=5,1 m/s Open zode Uc=3,3 m/s Fragmentarische zode weinig erosiebestendig, geen rekenwaarde gegeven

37 Deel 3 Toetsing GEKB (Gras Erosie Kruin Binnentalud)

38

39 Gegevens verzamelen Norm, lengte-effectfactor, faalkansbegroting (Ringtoets) Geometrie van de dijk (AHN, veldmetingen,..) Helling binnentalud (schematisering in recht lijnstuk) Geometrie buitentalud voor oploopberekening Hierbij voldoen aan SH Hoogte en SH Hydraulische condities bij dijken Graskwaliteit (gesloten/ open of fragmentarisch) Dikte kleilaag binnentalud Significante golfhoogte

40

41 Vakindeling GEKB Aandachtspunten: golfoverslagdebiet is afhankelijk van oriëntatie dijk, kruinhoogte, geometrie buitentalud, dammen en voorland zodekwaliteit taludhelling binnentalud (meer/ minder dan 1:4) kleilaagdikte (meer/ minder dan 0,4 m)

42

43 Toetsing GEKB geen eenvoudige toets gedetailleerde toets: stap G.1. Toepassingsvoorwaarden open of gesloten zode EN taludhelling flauwer dan 1:4 OF kleilaag> 0,4 m stap G.2. Probabilistische som in Ringtoets geeft de faalkans. Invoer mu en sigma kritisch overslagdebiet o.b.v. golfhoogteklasse en kwaliteit zode (let op: in Ringtoets in m 3 /s/m)

44 Berekende faalkans P f;dsn als volgt beoordelen: Cat. Aanduiding categorie toetsoordeel per vak per toetsspoor Begrenzing categorie P * f;dsn Berekende faalkans per vak (doorsnede of kunstwerk) en per toetsspoor [1/jaar]. P eis Maximaal toelaatbare overstromingskans van het dijktraject: de signaleringsnorm [1/jaar]. P eis;dsn Faalkanseis die per doorsnede aan een faalmechanisme wordt gesteld [1/ jaar] D Voldoet niet; * Pf ; dsn 90Peis afstand tot de eis is groot C Voldoet niet; * 3Peis Pf ; dsn 90Peis afstand tot de eis is significant B1 Voldoet niet * 3P P 3P eis; dsn f ; dsn eis B2 Voldoet niet * P P 3P A Voldoet; afstand tot de eis is significant A+ Voldoet; afstand tot de eis is groot O Nog geen oordeel eis; dsn f ; dsn eis; dsn P P P 1 * 30 eis; dsn f ; dsn eis; dsn P P * 1 f ; dsn 30 eis; dsn

45

46 Deel 4 Toetsing GEBU (Gras Erosie Buitentalud)

47

48 Gegevens verzamelen Norm, lengte-effectfactor, faalkansbegroting (Ringtoets) Significante golfhoogte Waterstand Geometrie van de dijk (AHN, veldmetingen,..) Geometrie buitentalud voor oploopberekening Hoogte overgang steen/asfalt bekleding- grasbekleding Graskwaliteit (gesloten/ open of fragmentarisch) komt vanmiddag aan bod Aanwezigheid kleikern en tot welke hoogte Dikte kleilaag buitentalud en zandgehalte hiervan

49

50 Vakindeling GEBU Aandachtspunten: Golfhoogte en golfoploop is afhankelijk van oriëntatie dijk, strijklengtes, geometrie buitentalud, voorland en dammen Overgangen in hoogteligging van de grasbekleding Overgangen in de zodekwaliteit Golfhoogte (kleiner groter dan 0,25 m en/of 0,6 m) Overgang in aanwezige kleilaag of in aanwezigheid kleikern

51

52 Toetsing GEBU: eenvoudige toets Nee Nee E.1 Belastingniveau 0,1 l/s/m E.2 H m0 < 0,6 m en dijk met kleikern Ja Ja E.1 zal verplaatst worden naar het einde. Volgorde: E.2, 3, 4 en dan E.1 Nee E.3 Graszode is open of graszode is gesloten Ja Nee E.4 H m0 0,25 m Ja Verder toetsen NVT / FV

53 Stap E.2. Reststerkte kleikern Bij een kleikern tot minimaal 0,5 m boven waterstand h (m +NAP) en bij een golfhoogte H m0 0,6 m leidt golfaanval nooit tot een bres. Onafhankelijk van de kwaliteit van de bekleding. h: waterstand (m +NAP) H m0 :golfhoogte (m)

54 Stap E.3. Voorwaarde graskwaliteit open of gesloten zode Stap E.4. Een open of gesloten zode zal bij H m0 0,25 m nooit leiden tot een bres. Onafhankelijk van dijksmateriaal klei of zand. H m0 :golfhoogte (m)

55 Stap E.1. Ligt de grasbekleding in aangevallen zone? H h h ln 2 g H 2.6 m0 3 k0,1 m0 H h h ln 2000 g H 2.6 m0 3 k0,1 m0 h k0,1 : hoogte waarboven q<0,1 l/s/m h: waterstand (m +NAP) H m0 : golfhoogte (m) Let op, 2 moet zijn 2000 Opmerking: leidt zelden tot goedkeuren

56 Toetsing GEBU: gedetailleerde toets Stap G.1. Toepassingsvoorwaarden: open of gesloten zode EN taludhelling flauwer dan 1:2,5 Stap G.2. Semi-probabilistische beoordeling met software BM GrasBuitentalud (vanmiddag oefenen)

57 Eerst keuze: beoordeling op golfklap of op golfoploop waterstand P dsn,eis Belasting door golfklappen is veel groter dan door golfoploop. Bij gras in klapzone EN oploopzone alleen beoordeling van de klapzone nodig. Deze is maatgevend. Grens is waterstand bij P dsn;eis

58 Indien gras aanwezig onder waterstand behorend bij niveau P dsn;eis dan toets op golfklap anders op golfoploop

59 Golfklap invoerscherm (1) Software bepaald voor een waterstandverloop en golfcondities de faalfractie. Dit gebeurt in de golfklapzone om de hoogte Delta Z (m). Deze moet default op 0,1 m

60 Golfklap invoerscherm (2) Met de minimale en maximale golfhoogte kan de standtijdlijn die volgt uit de coëfficiënten a, b en c kunstmatig worden afgekapt. Voor WBI moet standaard worden uitgegaan van min. golfhoogte = 0,25 m (= c) en voor maximale golfhoogte a+c, afhankelijk van gesloten zode of open zode respectievelijk 1,25 m of 1,05 m

61 Golfklap invoerscherm (3) Met de minimale en maximale waterstand kan de beoordeling kunstmatig worden afgekapt bij de opgegeven waterstanden. Voor WBI moet standaard worden uitgegaan van de minimale en maximale waterstand uit de waterstandverloop tool (komt in het volgende cursusblok aan bod)

62 Golfklap invoerscherm (4) De erosiebestendigheid van de grasbekleding zit in de coëfficiënten a, b en c, die de standtijdlijn beschrijven. Deze volgen uit de Schematiseringshandleiding Grasbekledingen en zijn afhankelijk van de graskwaliteit (volgt vanmiddag).

63 Golfklap invoerscherm (5) De reststerkte van de onderliggende kleilaag is afhankelijk van het zandgehalte (massa fractie >63 mm) en de dikte van de kleilaag. Indien er geen kleilaag is, dan moet hier 0 worden ingevoerd. In de berekening wordt een laagdikte van maximaal 1 m meegenomen. Dikkere lagen leveren geen extra reststerkte, hiervoor is het reststerktemodel ongeschikt.

64 Golfklap invoerscherm (6) Het minimale niveau waarop de grasbekleding moet worden getoetst kan hier worden ingevuld. Bijvoorbeeld het niveau waaronder een steenbekleding aanwezig is. Het maximale niveau zal vaak gelijk zijn aan de maximale waterstand, echter in sommige gevallen ligt er hoger op het talud nog een andersoortige bekleding. Dan kan de hoogte van deze overgang worden ingevuld.

65 Golfklap invoerscherm hydraulische belasting Voor WBI moet gekozen worden voor de optie synthetische storm met een Delta T van 0,25 uur. De Delta T is de tijdstap waarmee de faalfractie gedurende het stormverloop wordt bepaald.

66 Golfklap resultaten (1) Na validatie van de invoer berekent de software een minimale veiligheidsfactor (max{1/faalfractie;10}). Als deze groter is dan 1, dan wordt het dijkvak goedgekeurd.

67 Golfklap resultaten (2) Daarnaast wordt voor elke evaluatiehoogte (om de 0,1 m) de faalfractie van het gras en van de combinatie van gras en klei gegeven. Als er falen optreedt, dan wordt aangegeven op welk tijdstip tijdens de storm.

68 Golfoploop invoerscherm (1) Het maatgevende punt in de oploopzone is de overgang tussen harde bekleding en gras. Dit is de evaluatiehoogte. Cu (-) is de coëfficiënt tussen golfoploophoogte en frontsnelheid van de oplopende golf. Deze moet voor WBI default op 1,1 staan. De valversnelling moet voor WBI default op 9.81

69 Golfoploop invoerscherm (2) Scaling moet voor WBI default aangevinkt en Nfixed moet default op Deze optie zorgt ervoor dat het aantal golven voldoende groot is bij de berekening van de cumulatieve overbelasting (zie eerdere sheet 25).

70 Golfoploop invoerscherm (3) De erosiebestendigheid van de grasbekleding zit in de kritische snelheid U c (m/s). Deze is afhankelijk van de graskwaliteit en wordt gegeven in de SG Gras De kritische cumulatieve overbelasting is gelijk aan die voor golfoverslag, 7000 m 2 /s 2.

71 Golfoploop invoerscherm (4) Met de alfa s kan de invloed van overgangen en objecten in de oploopzone (en bij golfoverslag) worden berekend. Kwantitatief is hier nog onvoldoende over bekend om hiermee binnen WBI aan de slag te gaan. Alfa s moeten binnen WBI op 1 worden gezet.

72 Golfoploop invoerscherm - geometrie Hier moet de richting van de dijknormaal, de geometrie van het buitentalud en de talud(deel)ruwheid worden opgegeven voor de golfoploopberekening.

73 Golfoploop invoerscherm - HB Naast dezelfde HB die moeten worden ingevuld voor golfklap, moet hier de coëfficiënt Ctm-tm10 (-) worden gegeven. Voor WBI is deze standaard 0,92. Deze coëfficiënt wordt gebruikt om de gemiddelde golfperiode te schatten, die nodig is voor de berekening van het aantal aankomende golven.

74 Golfoploop resultaten (1) Na validatie van de invoer berekent de software de veiligheidsfactor. Als deze groter is dan 1, dan wordt het dijkvak goedgekeurd. Daarnaast wordt de bereikte cumulatieve overbelasting gegeven.

75 Golfoploop resultaten (2) In de gedetailleerde resultaten wordt naast de hydraulische belasting in de tijdstap ook het 2% golfoploopniveau gegeven, de cumulatieve overbelasting in de tijdstap, en tot dusver tijdens de storm en de ontwikkeling van de veiligheidsfactor tijdens de storm. Met deze gegevens kan achteraf worden bepaald wanneer gedurende de storm falen optreedt (als dat het geval zou zijn).

76 Deel 5 Tijd voor vragen

77 Meer informatie Algemeen: Cursusmateriaal: Presentaties, video s en oefenbestanden staan op ww.wbigebruikers.deltares.nl (zie onder opleidingen WBI ) Presentaties ook beschikbaar via Video s ook beschikbaar via cht_videos.pdf Vragen over cursussen: [email protected] Vragen over WBIsoftware en Generale repetitie: [email protected]