1

Opleidingen Nieuwe Normering Waterveiligheid

2016/17www.opleidingen.stowa.nldigitaal cursus naslagwerk 2016/17 totaal

Opleidingen Nieuwe Normering WaterveiligheidLink naar: Digitaal Cursus Naslagwerk 2016/17

M01 - Basis Cursus Beoordelen en Ontwerpen (= link naar playlist op stowavideo)

M02 - Geotechniek: SOS en Piping

M03 - Indirecte Mechanismen en NWO

M04 - Geotechniek: Macrostabiliteit

M05 - Hydraulische Belastingen

M06 - Bekledingen: Gras

M07 - Geotechniek: Langsconstructies

M08 - Bekledingen: Steen en Asfalt

M09 – Kunstwerken (nog niet opgenomen op video)

M10 – Duinen

M11 – Assembleren

M12 – Databeheer WBI17

2

Module 1Basis Cursus Beoordelen en Ontwerpen

A Introductie

P01 Nieuwe normering en achtergronden

P02 Wettelijk Beoordelings Instrumentarium

P03 Omgang met onzekerheden

P04 Vertaling normering in beoordelingscriteria

Casus

B Vragen en vooruitblik 24 maart

Module 1Basis Cursus Beoordelen en Ontwerpen

A Introductie

P05 Hydraulische Belastingen

P06 Beoordelen vs ontwerpen (Marieke de Visser ipv Kin Sun Lam)

P07 Toetssporen WBI 2017

P08 Cases 1) macrostabiliteit

2) steenbekleding

B Evaluatie en afsluiting

3

Vertaling normering in beoordelingscriteriaFerdinand Diermanse

(Deltares)

15 februari 2017

Relatie met vorige presentatie

Vorige presentatie: Onzekerheden• Welke onzekerheden zijn relevant?• Hoe worden deze beschreven en afgeleid? • Wat zijn resulterende onzekerheden?

Huidige presentatie:Vertalen in beoordelingscriteria1) Hoe beïnvloeden deze onzekerheden de

overstromingskansen van eenwaterkering?

2) Hoe werken deze onzekerheden door in beoordelingcriteria?

4

Inhoud huidige presentatie

1) Hoe beïnvloeden de onzekerheden de overstromingskansen van een waterkering?

Probabilistische analyses en rekenmethoden

2) Hoe werken deze onzekerheden door in beoordelingcriteria?

a) Semi-probabilistische rekenregels

b) Faalkansbegroting

c) Lengte-effecten

d) Schematiseringsonzekerheden

Probabilistische rekenmethoden

Combinatie van kansrekenen (probability = kans) en modelleren van de fysica

Vaak toegepast om kans op falen van een systeem te bepalen

0

0.04

0.08

0.12

0.16

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

5

Probabilistische rekenmethoden

Waarom nodig bij nieuwe manier van beoordelen?

Expliciet meenemen van onzekerheden (uit oogpunt van kosten-efficiëntie, zie vorige presentatie) vraagt om probabilistische uitwerking

Overstap van overschrijdingskans naar overstromingskans

0

0.04

0.08

0.12

0.16

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Principe overschrijdingskans

Bepaal de waterstand met overschrijdingskans gelijk aan de toetsnorm

Toets of de dijk hoog/sterk genoeg is om deze belasting aan te kunnen

1/1.000

1/100

1/10

6

Principe overstromingskans

Expliciet berekenen van faalkans van traject (niet de kans op een waterstand)Afkeuren indien faalkans groter dan de normExpliciet rekening houden met faalkansen bij alle waterstanden

Probabilistische benaderingen

Twee vormen:1) Volledig probabilistisch

toets op basis van alle potentiëlefaalgebeurtenissen en hun kans op voorkomen

2) Semi-probabilistisch toets op basis van een karakteristieke gebeurtenis(sen)

De huidige voorschriften zijn qua vorm semi-probabilistisch, de nieuwe voorschriften bevatten beide vormen

7

Op te lossen vraagstuk

waterstand & faalwaterstand

ka

nsd

ich

the

id

Belasting (S)

Sterkte (R)

Mogelijke faalcombinaties (S>R)

Voorbeeld probabilistische analyse

Falen/overstromen van de dijk als de waterstand groter is dan de dijkhoogte

Dijkhoogte is exact bekend (dus: geenonzekerheden in de sterkte)

8

Voorbeeld Rijn/Maasmonding

2.75 3

33.25

3.25

3.5

3.5

3.5

3.75

3.75

3.75

3.75

4

4

4

4

4.25

4.25

4.25

4.5

4.5

4.5

4.75

4.75

5

discharge [1000 m3/s]

se

a w

ate

r le

ve

l [m

+N

AP

]

local water level [m+NAP]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101

1.5

2

2.5

3

3.5

4

ZeewaterstandRivierafvoer

Lokale waterstand

beïnvloed door rivierafvoer

en zeewaterstand

(we negeren voor het

gemak de Maeslantkering)

Voorbeeld Rijn/Maasmonding

3.5

3.5

3.7

5

3.7

5

3.7

54

4

44.2

5

4.2

5

4.2

54.5

4.5

4.5

4.7

5

4.7

5

4.7

55

5

55.2

5

discharge [1000 m3/s]

se

a w

ate

r le

ve

l [m

+N

AP

]

local water level [m+NAP]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Zee

Rivier

Contourlijnen verschillen

per locatie

9

Voorbeeld Rijn/Maasmonding

22

2

2.252.25

2.25

2.52.5

2.5

2.752.75

2.75

33

33

3.253.25

3.25

3.53.5

3.5

3.753.75

3.75

44

44

4.254.25

4.25

discharge [1000 m3/s]

se

a w

ate

r le

ve

l [m

+N

AP

]

local water level [m+NAP]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Zee

Rivier

Contourlijnen verschillen

per locatie

Voorbeeld Rijn/Maasmonding

2.75 3

3

3.25

3.25

3.5

3.5

3.5

3.75

3.75

3.75

3.75

4

4

4

4

4.25

4.25

4.25

4.5

4.5

4.5

4.75

4.75

5

discharge [1000 m3/s]

se

a w

ate

r le

ve

l [m

+N

AP

]

local water level [m+NAP]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Zee

Rivier

Gebruik een

simulatiemodel om de

contourlijnen af te leiden

10

Voorbeeld Rijn/Maasmonding

2.75 3

33.25

3.25

3.5

3.5

3.5

3.75

3.75

3.75

3.75

4

4

4

4

4.25

4.25

4.25

4.5

4.5

4.5

4.75

4.75

5

discharge [1000 m3/s]

se

a w

ate

r le

ve

l [m

+N

AP

]

local water level [m+NAP]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Zee

Rivier

Voorbeeld: overstromen

vanaf 4.5 m+NAP

Voorbeeld Rijn/Maasmonding

ZeeRivier

faaldomein

11

falen faalkans (probabilistisch rekenen)

Kans dat de kering “faalt”, d.w.z.

kans dat de belasting zo groot is dat de kering er niet tegen bestand is

Bepaald moet worden:

1) alle mogelijke gebeurtenissen die tot falen leiden (h>NAP+4,5 m)

2) de totale kans op voorkomen van deze gebeurtenissen

Analogie: gooien met dobbelstenen

“falen”: tegenstander gooit 10 of meermet twee dobbelstenen

6 7 8 9 10 11 12

5 6 7 8 9 10 11

4 5 6 7 8 9 10

3 4 5 6 7 8 9

2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6

12

6 7 8 9 10 11 12

5 6 7 8 9 10 11

4 5 6 7 8 9 10

3 4 5 6 7 8 9

2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6

Analogie: gooien met dobbelstenen

Stap 1: Bepaal faalkansgebied (som >=10)

6 7 8 9 10 11 12

5 6 7 8 9 10 11

4 5 6 7 8 9 10

3 4 5 6 7 8 9

2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6

Kans per combinatie = 1/36Totaal van 6 combinaties: 6*1/36 = 1/6

Analogie: gooien met dobbelstenen

Stap 2: Bepaal faalkans

13

Bepalen faalkans waterkering

Zelfde principe, maar complexer dan 2 dobbelstenen vanwege:

1. eventueel meer dan 2 variabelen 2. complexe(re) kansverdelingen 3. tijdvariatie moeilijk terug te brengen tot 1 variabele4. complexe en rekenintensieve hydraulische modellen

om de belasting te bepalen. 5. complexe faalmechanismen (piping, instabiliteit

bekleding)

exacte analytisch bepaling faalkans onmogelijk geavanceerde schattingsmethoden nodig

Volledig probabilistische benadering

afvoer

zeew

ate

rsta

nd

faalgrens

Q

h

falen

geen falen

14

Voor- en nadelenprobabilistische beoordeling

Voordeel:Houd rekening met alle mogelijke gebeurtenissen die tot falen leiden, is daarmee de ‘koninklijke route’ in de overstromingsbenadering

Nadeel:• Complex• Rekenintensief• Beperkte expertise beschikbaar

Om die reden wordt vaak gebruik gemaakt van semi-probabilistische beoordelingen, een soort slimme “work-around”

S*

Belasting (S)

R*

Sterkte (R)

** , 1S R S

R

RS

Semi-probabilistische benadering

* *R S

R*, S*: karakteristieke waarden

R, S: veiligheidsfactoren

15

Afleiden semi-probabilistische toetsregels

Baseren op probabilistische sommen voor strategisch gekozen testcases

Doelen:• zo veel mogelijk consistentie met de

probabilistische toets• semi-probabilistische toets conservatiever dan

probabilistische toets• semi-probabilistische toets niet té conservatief

Benodigde mate van conservatisme hangt af van (niet-)uniformiteit van de testcases

Voorbeeld semi-probabilistische toets

Duinafslagmodel DurosInvoer: waterstand, golfhoogte, piekperiodekorreldiameter en duinprofiel

Uitvoer: afslagprofiel, afslagvolume, afslagpunt

16

Semi-probabilistisch toetsvoorschrift

Op basis van de volgende invoergegevens wordt met DUROS+ één afslagberekening gemaakt:

gemeten duinprofiel (Jarkus-profiel) van een gekozen referentiejaar

hydraulische randvoorwaarden: waterstand, golfhoogte en piekperiode

korreldiameter van het duinprofiel

toeslag om rekening te houden met onzekerheden

Vergelijking met probabilistisch model

17

In principe wordt voor elk mechanisme de waterstand gekozen met een overschrijdingskans gelijk aan de trajectnorm

Reden: geen wirwar van toetspeilen

Uitzondering (net als in vorige toetsronden): duinafslag

Hydraulische belastingen insemi-probilistische rekenregels

Beide benaderingen berusten op:

hetzelfde faalmechanismemodel

dezelfde kansverdelingen van de belastingen en sterkte-eigenschappen (en dus dezelfdemeetgegevens)

dezelfde faalkanseis voor het traject (de norm)

Probabilistisch/semi-probabilistisch: overeenkomsten

18

Probabilistisch/semi-probabilistisch: verschillen

onderdeel probabilistisch semi-

probabilistisch

invoer kansverdelingen karakteristieke

waarden

uitvoer faalkans ‘voldoet (niet)’

faalkans-

begroting

vrij ‘Vast’

(vooraf te kiezen)

Eenvoudige toets / relevantie toets

Gelaagde beoordeling WBI

Toets op maat

Gedetailleerde toets per vak

Gedetailleerde toets per traject

semi-probabilistisch of probabilistisch

probabilistisch

grof

scherp

eenvoudig

complex

2017

2019

19

Systeem analyse

piping instabiliteit overslag …

Dijkvak 1

Overstromingskansdijktraject

Dijkvak 2 Dijkvak 3

Norm

Probleemstelling toets per vak

Gedetailleerde toets op trajectniveau combineert kansenvan dijkvakken en mechanismen .Dit is meer dan een eenvoudige optelsom!

In de gedetailleerde toets op vakniveau kan dit niet. Immers, vakken en mechanismen worden afzonderlijkgetoetst, dus zonder kennis van uitkomsten van anderevakken en mechanismen

Maar:

hoe weten we dan of het traject voldoet?

20

Faalkansbegroting voor vaktoets

Overstromingskansnorm (alle

faalmechanismen en doorsneden samen)

Faalkanseis per faalmechanisme

Faalkansbegroting

25% 75%

Piping 1/4.000 Overige

mechanismen

1/1.000

Lengte-effect

Faalkanseis per faalmechanisme op

doorsnedeniveau

Dsn. 1

Verdeling over de

mechanismen

Dsn. 2

… …

Benadering is conservatief

Faalkansbegroting(“startwaarden” in WBI)

Type waterkering Faalmechanisme Type traject

Zandige kust Overig (dijken)

Dijk Overloop en golfoverslaga,b 0,0 0,24

Opbarsten en piping 0,0 0,24

Macrostabiliteit binnenwaarts 0,0 0,04

Beschadiging bekleding en erosie 0,0 0,10

Kunstwerk Niet sluiten 0,0 0,04

Piping 0,0 0,02

Constructief falen 0,0 0,02

Duin Duinafslag 0,70 0,0 / 0,10c

Overig 0,30 0,30 / 0,20

Totaal 1,0 1,0

21

Wat betekent dit?

Stel: trajectnorm = 1/1.000

Piping (24%) faalkanseis = 0,24 * 1/1.000 1/4.000

Macrostabiliteit (4%) faalkanseis = 0,04 * 1/1.000 = 1/25.000

Dus:hoe lager het percentage,hoe strenger de faalkanseis voor het mechanisme

Wat betekent dit?Faalkansbegroting is een inschatting van de individuelebijdragen van faalmechanismen aan de overstromingskans voor een “gemiddeld” traject

Keuze kan tot onterecht afkeuren leiden; nooit tot onterecht goedkeuren

Voorgestelde keuze leidt naar verwachting tot minimalisatie van onterecht afgekeurde keringen

Indien voor een traject een andere faalkansbegrotingbeter van toepassing lijkt, mag afgeweken worden

22

Analogie: de broodjeslunch

Vrije verdeling (zelfbediening)

9 broodjes beschikbaar

voor 3 personen (A, B en C)

• A wil 4 broodjes en pakt 4 broodjes

• B wil 2 broodjes en pakt 2 broodjes

• C wil 3 broodjes en pakt 3 broodjes

Iedereen tevreden

23

Vaste verdeling (broodjes uitdelen)

9 broodjes beschikbaar

voor 3 personen (A, B en C)

• A wil 4 broodjes en krijgt 3 broodjes

• B wil 2 broodjes en krijgt 3 broodjes

• C wil 3 broodjes en krijgt 3 broodjes

A ontevreden

Aangepaste vaste verdeling

9 broodjes beschikbaarvoor 3 personen (A, B en C)

A wil 4 broodjes en krijgt 3 4 broodjesB wil 2 broodjes en krijgt 3 broodjesC wil 3 broodjes en krijgt 3 2 broodjes

C ontevreden

24

Aangepaste vaste verdeling

9 broodjes beschikbaar

voor 3 personen (A, B en C)

A wil 4 broodjes en krijgt 4 broodjes

B wil 2 broodjes en krijgt 2 broodjes

C wil 3 broodjes en krijgt 3 broodjes

Iedereen tevreden

Analoog voor waterkeringen

Stel: trajectnorm = 1/1.000

Piping (24%)

faalkanseis = 0,24 * 1/1.000 1/4.000

Macrostabiliteit (4%)

faalkanseis = 0,04 * 1/1.000 = 1/25.000

Indien de kering wordt afgekeurd op macrostabiliteit, en (ruimschoots) goedgekeurd op piping, kan overwogenworden de percentages aan te passen (bijv 24% voormacrostabiliteit en 4% voor piping)

25

Conclusies (1)Aanpassen van de vaste verdeling (faalkansbegroting) kan voorkomen dat een traject in de gedetailleerde toetsop vakniveau onterecht wordt afgekeurd

Aanpassen is toegestaan, er is geen sprake van ‘valsspelen’. Als op deze wijze een traject wordtgoedgekeurd wordt datzelfde traject in de gedetailleerdetoets op trajectniveau eveneens goedgekeurd.

Echter, aanpassen van de faalkansbegroting en opnieuwuitvoeren van beoordeling…• is “arbeidsintensief”• zal vaak niet tot goedkeuren leiden (“7 broodjes

beschikbaar, 9 broodjes gewenst”)

Conclusies (2)

Beoordeling op basis van dijkvakken en vastefaalkansbegroting (gedetailleerde toets op vakniveau) geeftaanleiding tot strenge eisen en daardoor mogelijk onterechtafkeuren

Beoordelen op basis van traject en vrije faalkansbegroting(gedetailleerde toets op trajectniveau) leidt minder snel tot onterecht afkeuren en is in die zin dus efficienter

Waarom dan toch de gedetailleerde toets op vakniveautoepassen?• Gedetailleerde toets op trajectniveau is pas in 2019

gereed en dan nog maar voor een deel van de mechanismen

• Gedetailleerde toets op vakniveau lijkt op de oudemanier van toetsen en maakt daardoor de overstap naarde overstromingskans kleiner.

26

Verschillen probabilistisch / semi-probabilistisch

onderdeel probabilistisch semi-

probabilistisch

invoer kansverdelingen karakteristieke

waarden

uitvoer faalkans ‘voldoet (niet)’

faalkans-

begroting

vrij ‘vast’ (vooraf te

kiezen)

Combineren van dijkvakken:het lengte-effect

Verhoudingfaalkans dijktrajectversusfaalkans doorsnede(dijkvak)

27

Combineren van dijkvakken:het lengte-effect

Hoe groter de lengte van de dijk, hoe groter de kans op een “zwakke plek”

Het lengte-effect

28

Afhankelijkheid

Dijkvakken en –doorsneden zijn geen onafhankelijkeschakels zoals de schakels van een ketting:• Ze worden bijvoorbeeld doorgaans gelijktijdig zwaar

belast (hoogwaters)• Nabijgelegen dijklocaties hebben vaak overeenkomsten

in opbouw

Deze ruimtelijke samenhang is sterk bepalend voorde grootte van het lengte-effect

Ruimtelijke variatie in de sterkte

Afstand (m)0 100 200 300 400 500

(onbekende) werkelijkheid

“zwakste plek”

Sterkte

29

Ruimtelijke variatie in de belasting

Afstand

(km)

0 10 20 30 40 50

(onbekende) werkelijkheidBelasting

Ruimtelijke samenhang en lengte-effect

Dijkvakken en –doorsneden zijn geen onafhankelijkeschakels zoals de schakels van een ketting:• ze worden bijvoorbeeld doorgaans gelijktijdig zwaar belast

(hoogwaters)• nabijgelegen dijklocaties hebben vaak overeenkomsten in

opbouw

Deze ruimtelijke samenhang is sterk bepalend voor het lengte-effect

30

Lengte-effect verschilt per mechanisme

Lengte-effect is relatief klein voor mechanismenwaarbij de faalkans vooral wordt bepaald door de onzekerheid in de belasting

• Overloop en overslag

• Duinafslag

Lengte-effect is relatief groot voor mechanismenwaarbij de faalkans vooral wordt bepaald door de onzekerheid in de sterkte

• Piping

• Macrostabiliteit

Faalkansbegroting voor vaktoets

Overstromingskansnorm (alle

faalmechanismen en doorsneden samen)

Faalkanseis per faalmechanisme

Faalkansbegroting

25% 75%

Piping 1/4.000 Overige

mechanismen

1/1.000

Lengte-effect

Faalkanseis per faalmechanisme

op doorsnedeniveau

Dsn. 1

Verdeling over de

mechanismen

Dsn. 2

… …

31

Scenario’s - bodemopbouw

clay sand peat

sand lens

clay sand peat Verschillende mogelijke

schematisaties op basis

dezelfde beperkte hoeveelheid

grondonderzoek

“anomaliën” (bv. zandbanen)

clay sand peat

Probabilistisch - scenarios

Faalkans = 0.2*(faalkans kering bij scenario 1)

+ 0.8*(faalkans kering bij scenario 2)

clay sand peat

2/10

Scenario 1 Scenario 2

8/10

clay sand peat

32

Besproken onderwerpenTrajecten, dijkvakken, doorsneden en

mechanismen

Overschrijdingskans versus overstromingskans

Probabilistisch versus semi-probabilistisch

Vertaalslag normering naar doorsnede/dijkvak

• Lengte-effect

• Faalkansbegroting

Omgaan met scenario’s

/schematiseringsonzekerheden

Cases

33

Meer informatieSTOWA opleidingen@stowa.nl

www.opleidingen.stowa.nl