Methoden om sterkte aan te tonen - Eisen vanuit de primaire functie

Methoden om sterkte aan te tonen

Er zijn verschillende sporen die leiden tot de gewenste aantoonbaarheid van sterkte. In deze
paragraaf wordt ingegaan op de volgende mogelijkheden om de sterkte aan te tonen:

• vergelijking met bestaande systemen
• modelonderzoek;
• proefvakken aanleggen;
• langs theoretische weg een rekenmethode afleiden;
• numerieke modellen.

Vergelijking met bestaande systemen

Voor veel bestaande bekledingstypen zijn reeds ontwerp- en toetsregels ontwikkeld. Door de
innovatieve bekleding in te delen in een van de categorieën (zie §3.1) kan gebruik gemaakt
worden van bestaande modellen voor deze categorie. Ook kan getracht worden een analogie te maken met een specifiek materiaal. Bij een analogie gelden dezelfde faalmechanismen en daarom kunnen de voor het analoge systeem ontwikkelde formules en modellen worden toegepast. Een nieuw materiaal zal echter nooit 100% gelijk zijn aan een bestaand materiaal. Daarom zal altijd het volgende onderzocht moeten worden:

• in hoeverre valt het materiaal binnen de reikwijdte van de rekenregel/model;
• worden alle faalmechanismen bekeken;
• welke parameters verschillen met het reeds bestaande materiaal.

De parameters die verschillen met het bestaande materiaal moeten worden geïdentificeerd
en gekwantificeerd. Dit kan wellicht door enkele simpele testen, maar voor een aantal
parameters is (schaal-)modelonderzoek vereist.

In Tabel 3-4 wordt verwezen naar literatuur en ontwikkelde sterktemodellen voor bestaande
materialen. Deze zijn over het algemeen toepasbaar/ontwikkeld voor één of enkele
bekledingstypen. Een innovatieve bekleding zal doorgaans buiten het toepassingsgebied
vallen. De bestaande literatuur en sterktemodellen dienen dan ook als voorbeeld.

(Schaal-)modelonderzoek en testen

Een schaalmodel is een kleine (of grote) kopie van het werkelijke object. De maatgevende
verhoudingen blijven daarbij zoveel mogelijk hetzelfde. De werkelijke situatie (belasting en
sterkte) wordt daarbij zo goed mogelijk nagebootst. Schaalmodelonderzoek heeft de
volgende doelen:

• inzicht in mogelijke (complexe) faalmechanismen;
• vaststellen van karakteristieke parameters waaruit de werkelijke sterkte van een materiaal blijkt;
• verificatie van theoretisch bepaalde parameters of formules.

Er kan een model worden gemaakt van een gehele waterkering, maar het is ook mogelijk
een model van één onderdeel van een bekleding of waterkering te maken. Bij een model van
de gehele kering wordt gekeken naar meerdere faalmechanismen en bij een onderdeel wordt doorgaans een bepaalde parameter bepaald of wordt de sterkte ten aanzien van een
specifiek faalmechanisme onderzocht. Bij dit laatste hoort ook een aantal standaardmateriaaltesten, bijvoorbeeld het bepalen van het gewicht en de doorlatendheid
van een materiaal.

Bij schaalmodelonderzoek dienen de schaalregels voor de relevante mechanismen in acht te
worden genomen.

Bij een schaalmodel kunnen andere fysische processen en faalmechanismen een rol spelen
dan in de werkelijkheid. Daarom is inzicht in de fysische processen bij schaalmodelonderzoek belangrijk. Het moet duidelijk zijn welke faalmechanismen worden onderzocht en welke parameters worden bepaald. Onverwachte faalmechanismen kunnen bijvoorbeeld ontstaan door randverschijnselen van het model. Omgekeerd kunnen ook in de werkelijkheid andere fysische processen een rol gaan spelen die in het schaalmodel niet
Het is daarom belangrijk om voorzichtig om te gaan met extrapolatie onderzoeksresultaten. Met name bij het extrapoleren naar beduidend golfhoogtes/stroomsnelheden. Deze problematiek kan ertoe leiden slechts geaccepteerd wordt tot een bepaalde golfhoogte of stroomsnelheid tevens het toepassingsgebied van het bekledingssysteem.

De sterkte van het model kan worden bepaald door de belasting langzaam op te voeren totdat het model faalt. Door meerdere van deze testen (verschillende dimensies van het materiaal, verschillende belastingen) uit te voeren kan een rekenregel worden ontwikkeld.

In een schaalmodel zijn er altijd randverschijnselen en bovendien kunnen nevenprocessen een grotere of een kleinere rol gaan spelen. Hierdoor zal het schaalmodel in het algemeen een kleine dan wel grote over- of onderschatting geven. Het dient duidelijk te zijn hoe groot deze misschatting is. Een misschatting kan vervolgens worden verwaarloosd of worden verdisconteerd. Voor sommige materialen is schalen echter in het geheel niet mogelijk: gelijmde materialen zijn bijvoorbeeld moeilijk te schalen; de lijm houdt doorgaans haar sterkte bij schaling en het model is dan relatief veel sterker. Ook grasbekleding kan bijvoorbeeld niet geschaald worden. Voor deze materialen kunnen dan wel testen gedaan worden, maar die moeten dan worden uitgevoerd op (ongeveer) ware grootte. Dit geldt ook voor materialen waarvoor conflicterende schaalregels gelden die leiden tot schaaleffecten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij steenzettingen.

Een voorbeeld van schaalmodelonderzoek is te zien in Figuur 3-13. In het modelonderzoek op de foto's wordt de stabiliteit van een bekleding bepaald in een tweedimensionale golfgoot. Door de golfhoogte stapsgewijs op te voeren, wordt bepaald bij welke golfbelasting de constructie bezwijkt. Op basis van de resultaten van verschillende proeven (verschil in onderlaag, plaatsingsdichtheid, helling, et cetera) kan een formule worden ontwikkeld. Meer informatie over schaling en modelonderzoek kan onder andere gevonden worden in [22]. Een uitgebreider voorbeeld van een schaalmodelonderzoek is gegeven in bijlage V.

Proefvakken aanleggen

Het testen of bewijzen van sterkte van een nieuwe bekleding kan gedaan worden met behulp van een proefvak. Een relatief klein gedeelte van een waterkering wordt bekleed met een prototype van de bekleding. Dit proefvak wordt dan belast door de belastingen die optreden in dit proefvak. Wanneer de bekleding niet faalt, is vastgesteld dat de bekleding ten minste deze belastingen aan kan. In het algemeen zal de in een proefvak geteste bekleding
uiteindelijk onder vergelijkbare belastingen/omstandigheden worden toegepast en niet
worden verschaald zoals bij schaalmodelonderzoek wel het geval is. Het proefvak wordt met
name gebruikt voor het verkrijgen van ervaring met aanleg, onderhoud, duurzaamheid en
maatschappelijke acceptatie. Proefvakken kennen een aantal voor- en nadelen:

• voordelen:

  • real life: geen schalingsproblemen;

  • bewezen sterkte: de bekleding is in ieder geval zo sterk als de zwaarst voorgekomen belasting in het proefvak;

  • ervaring opbouwen met aanleg en duurzaamheid.

• nadelen:

  • het proefvak loopt een risico: de sterkte van de bekleding is immers niet bewezen en faalt mogelijk eerder dan verwacht;

  • de belasting die optreedt is niet te reguleren, daardoor zal de belasting relatief klein zijn (geen 1/10.000 jaar stormconditie). Falen van de bekleding wordt waarschijnlijk niet bereikt. Hierdoor wordt niet duidelijk hoe sterk een bekleding precies is. Dit resulteert in een grotere veiligheidsmarge bij het ontwerp;

  • het is moeilijk om de exacte belasting op een proefvak te achterhalen;

  • in een proefvak wordt meestal slechts één configuratie aangelegd. Het effect van helling, dichtheid of andere parameters wordt dan niet duidelijk;

  • weinig inzicht in faalmechanismen, vaak is de enige informatie dat een bepaalde bekleding stabiel is tot een bepaalde belasting (de hoogst voorgekomen belasting in de proefperiode).

Aangelegde proefvakken kunnen eventueel zwaarder worden belast dan de frequent
voorkomende belastingen, door gebruik te maken van de golfoverslag-simulator of de
golfklap-simulator. Deze apparaten simuleren slechts een deel van de complexe golfbelasting op de bekleding. Daarom moet bij een dergelijke keuze van beproeven sprake zijn van voldoende inzicht in de maatgevende bezwijkmechanismen.