Krachtsensoren meten de impact van golven op waterkeringen

Door de stijging van de zeespiegel wordt de constructie van waterkeringen steeds belangrijker. Een belangrijk onderdeel in de ontwikkeling van nieuwe waterkeringen is het meten van de impact van golven op de constructie. In het Fluid Mechanics Laboratory van de faculteit Civil Engineering van de TU Delft voerde de Braziliaan Ermano de Almeida een project uit om de impact van golven op waterkeringen met een overhang te meten. Hij gebruikte daarvoor krachtsensoren van HBM. Bij het project zijn ook andere partners betrokken zoals het NWO, Rijkswaterstaat, Witteveen + Bos, PT Structural en Deltares, het Nederlandse kennis- en innovatie-instituut voor water en ondergrond. De resultaten van het onderzoek zijn van belang voor de ontwikkeling van moderne waterbouwkundige installaties, zoals de nieuwe wateruitlaten in de Afsluitdijk. 

De Almeida noemt in vlot tempo een groot aantal overstromingen en dijkdoorbraken op, die wereldwijd enorme overlast en schade hebben veroorzaakt. New Orleans en Houston staan nog in ieders geheugen gegrift, maar ook Duitsland en Zuidoost-Azië hebben de afgelopen decennia met ernstige wateroverlast te kampen gehad. “Het ontwikkelen van goede waterkeringen wordt steeds belangrijker omdat steeds meer gebieden door het stijgen van de zeespiegel en het dalen van de bodem te maken krijgen met een groter risico op overstromingen. Ook de kans op zware stormen neemt toe. Daarom wordt onderzoek naar de kwaliteit van waterkeringen steeds belangrijker”, benadrukt hij. 

De Almeida houdt zich bij de afdeling Hydraulic Engineering in het kader van zijn doctoraal aan de TU Delft bezig met onderzoek naar de impact van golven op modellen van stalen waterkeringen. De Almeida studeerde civiele techniek in Madrid en Aken en haalde zijn master aan de TU Delft. Toen hij daar de kans kreeg het onderzoeksproject naar waterkeringen uit te voeren, greep hij die met beide handen aan. Niet alleen omdat hij het project zowel in theoretisch als praktisch opzicht interessant vond, maar ook omdat watermanagement en waterbeheer een van de belangrijkste uitdagingen voor de komende decennia zijn. 

Verticale waterbouwkundige waterkeringen van metaal of beton met een overhang
Het lopende onderzoek van De Almeida is gericht op verticale waterbouwkundige waterkeringen van metaal of beton met een overhang. Die komen veel voor in havens, bij sluizen en wateruitlaten, maar zijn ook veel toegepast in de Nederlandse waterkeringen langs de Noordzeekust. Daar worden ze in combinatie met hydraulische en mechanische installaties gebruikt om de wateruitlaten of vaarwegen bij hoogwater of stormvloed af te sluiten. Als waterkering is dit type constructie vooral geschikt op plaatsen waar een opening voor de waterstroom of voor transportdoeleinden noodzakelijk is, maar waar de opening ook afgesloten moet kunnen worden om overstromingen bij hoogwater tijdens storm te voorkomen. 

Het doel van het onderzoeksproject is het meten van de kracht van de impact die golven op de verticale constructie uitoefenen. Zeker bij verticale constructies met een overhang zijn die krachten enorm, omdat de kracht van de golf niet naar boven afgeleid kan worden.    

De proeven van De Almeida werden uitgevoerd in een van de grootste watergoten in het lab.

Daardoor wordt ook de druk op het verticale deel van de waterkering groter. Daarnaast oefenen de golven ook een enorme kracht uit op de overhang. Dat kan bijvoorbeeld een betonnen beschermrand boven de waterkering zijn of het plafond van de opening waarin schotten zijn opgehangen. Ook het effect van de resonantie en trillingen van de relatief dunne metalen platen op de levensduur van de constructie en het gebruikte materiaal bij een dergelijke belasting is volgens De Almeida interessant om te onderzoeken. “Het aantal situaties waarin dergelijke waterbouwkundige constructies faalden is niet erg talrijk”, licht De Almeida toe, “maar er zijn meerdere gevallen bekend, waarbij het gebrek aan kennis over de karakteristieken van de belasting en de reactie van de constructie daarop tot onveilige situaties geleid hebben en soms zelfs tot het bezwijken de waterkering.  Door meer informatie over de kracht van de impact van golven te verzamelen zijn we beter in staat om robuuste en veilige constructies te maken, zonder dat we ze overdimensioneren zoals dat nu soms gebeurt. Daardoor kunnen we bij de bouw tijd, materiaal en kosten besparen. Misschien kunnen we op basis van het onderzoek zelfs nieuwe manieren ontwikkelen om dit soort waterkeringen te bouwen.”  

Waterbak en krachtsensoren
De proeven werden uitgevoerd in het Fluid Mechanics Laboratory van de TU Delft. Het lab heeft een oppervlakte van zo’n 5000 m², waarvan 1.700 voor het uitvoeren van experimenten. Er zijn acht watergoten voor experimenten beschikbaar, die een waterstroom van 2 kubieke meter per seconde kunnen leveren. De proeven van De Almeida werden uitgevoerd in een van de grootste watergoten in het lab. Hij heeft een lengte van 42 meter, is 80 centimeter breed en 1 meter hoog.  Aan het eind van de goot staat een massief betonnen blok van 80 x 80 x 100 centimeter, waaraan met behulp van aluminium profielen een aluminiumplaat van 1 centimeter dik is gemonteerd. Tussen het aluminium frame en de metalen plaat zijn negen U3 krachtsensoren van HBM op rij geïnstalleerd, die een capaciteit hebben van 1 kN. HBM heeft de onderzoekers deze krachtopnemers geadviseerd, omdat ze gemaakt zijn van rvs, niet gevoelig zijn voor temperatuurinvloeden en dus bij uitstek geschikt zijn voor de natte proefopstelling. Ze hebben bovendien een hoge eigen stijfheid, compenseren buigmomenten en zijn ongevoelig voor zijwaartse krachten, waardoor de meetresultaten zeer betrouwbaar zijn. 

De sensoren zijn gekoppeld aan meetversterkers, die de TU Delft zelf ontwikkeld heeft. Ze leggen de impact van de golfslag vast met een sample rate van 5000/s. Op een monitor kan De Almeida de meetgegevens realtime bekijken. Het scherm toont de hoogte van de golven en de impact op de constructie. De opstelling is flexibel. De Almeida kan de hoogte van de metalen plaat, de afmetingen van de overhang en de positie van de krachtsensoren aanpassen. 

Op een monitor kan De Almeida de meetgegevens realtime bekijken.

In de watergoot worden series regelmatige en onregelmatige golven met variabele hoogte opgewekt met behulp van een golfmaker. Die is uitgerust met een actieve reflectiecompensatie, die terugkomende golven neutraliseert om de meetgegevens niet te beïnvloeden. Een paar meter voor de metalen plaat hangen acht sensoren op een onderlinge afstand van ongeveer veertig centimeter in het water, die de karakteristieken van de golven meten. Drie camera’s nemen de beelden van de proeven op om bij bijzondere meetresultaten de bijbehorende beelden te kunnen bestuderen. 

Spuisluizen van het IJsselmeer in de Afsluitdijk
Voor het ontwerp van de testopstelling werden aanvankelijk de spuisluizen van het IJsselmeer in de Afsluitdijk als referentie gebruikt. Op twee locaties in de Afsluitdijk liggen spuisluizen die bij hoogwater en storm afgesloten worden met stalen schuiven. De golven die tegen de schuiven onder de horizontale beschermingsconstructie slaan, worden plotseling geblokkeerd en oefenen daardoor enorme krachten uit op de constructie. De constructie werd tachtig jaar geleden ontworpen en wordt samen met de hele Afsluitdijk gerenoveerd. De Almeida wil de kennis die tijdens zijn onderzoek wordt opgedaan ook toepassen op ander locaties in de wereld, bijvoorbeeld in de Verenigde Staten. Daar zou men vanwege de ernstige overstromingen van de laatste jaren en de goede reputatie van de TU Delft op het gebied van waterbouwkundig onderzoek weleens veel interesse voor het onderzoek kunnen hebben.

De Almeida kan op dit moment nog geen afgeronde resultaten presenteren omdat de proeven nog lopen. De ruwe data worden de komende maanden uitgewerkt en de komende jaren in zijn proefschrift gepresenteerd. Hij verwacht dat zijn onderzoek waardevolle informatie zal opleveren voor de engineering en bouw van nieuwe waterkeringen.