Gedetailleerde beschrijving van het faaltraject bezwijken constructie onderdelen - Kunstwerken

In deze sub-paragraaf wordt het faaltraject als gevolg van het bezwijken van constructieonderdelen 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.

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 door de in het kader van de toetsing beschikbaar gestelde software.

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 mechanisme bezwijken constructie onderdelen 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 10.1 zijn de diverse belastingen weergegeven, waarbij onderscheidt gemaakt is in permanente, veranderlijke en bijzondere belastingen (tabel B4.1uit [2]).

Voor de veranderlijke belastingen geldt dat deze vooral 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.

Een bijzondere belasting die apart dient te worden genoemd, is het aanvaren van een onderdeel van de constructie dat leidt tot het bezwijken van een waterkerend onderdeel. Dit kan ook plaatsvinden bij lagere waterstanden. Vooral bij schutsluizen kan dit een rol spelen. Keersluizen worden gesloten vlak voor naderend hoogwater, op dat moment is de scheepvaart gestremd zodat keersluizen een verwaarloosbare kans hebben om aangevaren te worden. Alleen in het uitzonderlijke geval waarin een keersluis zodanig is gelegen aan een drukke locatie dat ondanks stremming van de scheepvaart nog steeds verwacht wordt dat er een reële kans op aanvaren is (dronken schipper, losgeslagen schip), moet er ook voor een keersluis gerekend worden op een aanvaarbelasting.

De aanvaarbelastingen zijn afhankelijk van de scheepsklasse, de configuratie van de sluis en het type constructie. Bij aanvaarbelastingen wordt de uiteindelijke belasting bepaald door de stijfheidsverhouding tussen schip en constructieonderdeel.

Aanvaarbelastingen gaan vaak samen met een bepaald aanwezig verval over het beschouwde constructieonderdeel dat dus ook onder normale omstandigheden aanwezig kan zijn. Als de aanvaring tot bezwijken leidt, 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 (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 een 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.

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 niet te bezwijken onder de stroomsnelheden die het gevolg zijn van het instromende debiet. Wanneer de bodembescherming onvoldoende sterkte heeft, raken onderdelen (stenen) van de bodembescherming los. Hierdoor zullen aansluitende onderdelen ook gemakkelijker los laten 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 direct worden blootgesteld aan de optredende stroomsnelheden. Hierdoor kunnen erosiekuilen ontstaan, wat uiteindelijk kan leiden tot instabiliteit van de constructie. De laatste fase in het faaltraject 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 traject van initiatie tot falen

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 ook golven leiden tot aanvullende belastingen op de constructie. Windbelasting kan 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 met een ander keermiddel, inzet big bags), maar dit is afhankelijk van grote 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 aanwezig. 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 zonder significante gevolgen kan worden geborgen in het achterliggende watersysteem, 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 op enigerlei bezwijken, met overstromingsgevolgen in de daarachter liggende 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 10.1.6).

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 bodemopbouw, ontstaan vervolgens erosiekuilen die bij voldoende diepte kunnen leiden tot instabiliteit van het gehele kunstwerk of een substantieel deel hiervan. Dit leidt uiteindelijk tot een bres.

Een apart faaltraject treedt op, op het moment dat een waterkerend constructieonderdeel bezwijkt als gevolg van aanvaring^[1]. Wanneer dit waterkerende constructieonderdeel op dat moment het enige kerende deel 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 door middel van een ander onderdeel (lees keermiddel) alsnog te sluiten. Dit is afhankelijk van de 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 de beschrijving hierboven).