Gemeente Amsterdam
Projectoverstijgende Verkenning Kabels & Leidingen
Masterclass Zeeburgereiland
POV-dag 20 september 2018 Franco Pantano & Harry Schelfhout
Gemeente Amsterdam
Aanleiding
Ontwikkelingsplan Zeeburgereiland Bouw circa 10.000 woningen en bedrijven
Gemeente Amsterdam
Situatie pilotcase
Gemeente Amsterdam
Verlegging waterkering
Dijktraject 44-2
Dijktraject 44-2 Figuur 1: Schets tracĂŠ verlegging: oude situatie (links) en nieuwe situatie (rechts, na versterking randen aan Markermeer)
Bestaande primaire waterkering dijktraject 44-2
Gemeente Amsterdam
Situatie drinkwaterleiding
Gemeente Amsterdam
Dwarsdoorsnede
Markermeer
Dijkversterking Zeeburgereiland Locatie drinkwaterleiding (inclusief ontgrondingskrater)
Zeeburgereiland
Gemeente Amsterdam
Is dat wel veilig? ......…
Interactie 1 …….. 1. Wat zegt NEN 3651 hierover? 2. Onder welke voorwaarden is een langsleiding in de kruin toegestaan? 3. Welke compenserende maatregelen zijn mogelijk?
Gemeente Amsterdam
Advies ELW: wat voorafging…. Expertisenetwerk Leidingen in Waterstaatswerken oordeelde: Ontwerp voldoet niet aan veiligheidseisen waterleiding + waterkering:
• Onderbouwing keuze leiding in kernzone? • Doorkijk toekomstige waterkering + leiding? • • • •
Faaloorzaken onvolledig Geen lekkage mogelijk? Aanname gatgrootte bij leidingbreuk? Rekenmethodiek zonder faalkans leiding
Gemeente Amsterdam
Hulp van POV K&L Win-win: • Pilotcase o.b.v. nieuwe normering • Invulling witte vlek in WBI/OI Samenwerking BOI/Deltares met POV K&L: • Generiek veiligheidsraamwerk K&L 1e praktijktest: • Dijkversterkingsproject Zeeburgereiland • Referentieproject voor POV K&L
Gemeente Amsterdam
Veiligheidsraamwerk K&L Faalkans leiding (‘optredingscriterium’) • Filters op basis van algemene kenmerken • Faalkansanalyse • Empirische data Sterktereductie (‘schadelijkheidscriterium’) • Filters op basis van invloedszones • Schematiseren in directe faalmechanismen (faalscenario’s) Detectie, herstel en hoogwater • Kans dat (niet herstelde) schade en hoogwater samenvallen Interactie tussen leidingfalen en faalmechanismen waterkering • Verschillende detailniveaus (van grof naar fijn)
Gemeente Amsterdam
Faalkansanalyse Zeeburgereiland Doelen: 1. Nagaan of dijkontwerp inclusief drinkwaterleiding voldoet aan nieuwe veiligheidseisen Waterwet. 2. Toepassen en testen systematiek Veiligheidsraamwerk K&L (nieuw beoordelingsinstrument).
Gemeente Amsterdam
Uitgangspunten en randvoorwaarden Ontwerp (zichtperiode 100 jaar: tot 2121) • methodiek: WBI2017 / OI2017 • toepassing Veiligheidsraamwerk K&L (van grof naar fijn) • robuuste, conservatieve uitgangspunten Primaire waterkering: • veiligheidseisen dijktraject 44-2 • norm (signaleringswaarde): 1/300 per jaar Leidingen (parallel): • lagedruk waterleiding staal 800 mm (ontwerp, aanleg en beheer conform NEN 3650 serie) • overige leidingen (LD gas-/rioolpersleidingen) niet beschouwd (aanname: ligging verstoringszones overige leidingen binnen ontgrondingkrater waterleiding)
Gemeente Amsterdam
Van norm naar doorsnede-eis ……
Interactie 2 …….. •
Hoe kom je van de veiligheidsnorm van een dijktraject tot de faalkanseis in een dijkdoorsnede?
Gemeente Amsterdam
1. Norm faalkanseis mechanisme • Veiligheidsnorm dijktraject (norm) • Lengte dijktraject (Ltraject) • Toelaatbare overstromingskans = maximaal toelaatbare kans op falen dijktraject (Pmax) = norm / 1,2 of 3 • Verdeling van Pmax over type waterkeringen en faalmechanismen o.b.v. faalruimtefactor ()
macro-instabiliteit
piping/heave
golfoverslag
schade bekleding
Gemeente Amsterdam
2. Faalkanseis mechanisme doorsnede
Verdiscontering lengte-effect • Aantal kunstwerken (puntconstructies): N = 10 • Lengte-effect per faalmechanisme (en langsconstructies) Faalkanseis mechanisme per doorsnede: • Peis,dsn = Pmax × / N o Overloop/golfoverslag: N = 1, 2 of 3 (afhankelijk van watersysteem) o Geotechnische faalmechanismen: N = 1 + a × Ltraject / b) - STPH: a = 0,9 (BOR) of 0,4 (overig) en b = 300 m - STBI/STBU: a = 0,033 en b = 50 m
Gemeente Amsterdam
Relatie tussen Pf ….??....
Interactie 3 ……… • Wat is de relatie tussen: o faalkans Pf o betrouwbaarheidsindex o (partiële) veiligheidsfactor
Gemeente Amsterdam
1. Van Pf naar Kansdichtheidsfunctie (Gausskromme standaard normale verdeling)
bovengrens
ondergrens
90% betrouwbaarheidsinterval
- 1,64
+ 1,64
Overschrijdingskans: P (= Pf ) = 5% = +1,64 Onderschrijdingskans: P = 5% = -1,64
Gemeente Amsterdam
2. Van naar Semi-probabilistische methode
j Rekenwaarde Belasting: xj = j × j
i Rekenwaarde Sterkte: xdi = i / i
Golfoverslag (HT): Sterkte = deterministisch Geotechnische mechanismen (STBI en STPH) : Belasting = deterministisch
Gemeente Amsterdam
Faalkanseisen OI2014v4 Handreiking Ontwerpen met overstromingskansen (februari 2017) Veiligheidsnorm: • norm dijktraject (signaleringswaarde) • maximaal toelaatbare kans op falen: Pmax (ondergrens norm) Verdeling faalkansruimte: • faalkansbegroting faalmechanismen • factor faalkansruimte: • optimalisatie is mogelijk
Bepaling faalkanseis: • per faalmechanisme op doorsnedeniveau Peis,dsn • verdiscontering lengte-effecten (factor lengte-effect N) Formule:
Peis,dsn = (Pmax × ) / N
Gemeente Amsterdam
Veiligheidseisen dijktraject 44-2
Faalmechanismen dijken Macro-instabiliteit STBI 1) binnenwaarts Macro-instabiliteit STBU 2) buitenwaarts Overloop/golfoverslag, erosie HT kruin/binnentalud
Dijktraject 44-2 (Pmax = 1/100 per jaar); L = 28,8 km bij standaard faalkansbegroting volgens OI2014v4 Factor Factor Faalkanseis Vereiste faalkansruimte lengte-effect doorsnede Herhalings- betrouwbaarheidsindex N Peis,dsn tijd eis,dsn [-] [-] [1/jaar] [jaar] [1/jaar] 0,04
20,0
0,24
2
2,00E-05
50.020
4,11
2,00E-04
5.002
3,54
1,20E-03
833
3,04
Veiligheidsfactoren (klassieke/semi-probabilistische beoordeling) 1) Partiële veiligheidsfactoren STBI MC CSSM schadefactor n = 1,01 1,03 modelfactor d = 1,05 1,06 schematiseringsfactor b = 1,3 / 1,0 1,3 / 1,0 Stabiliteitfactor SF = 1,38 / 1,06 1,41 / 1,09
2) Partiële veiligheidsfactoren STBU MC CSSM schadefactor n = 0,94 0,94 modelfactor d = 1,05 1,06 schematiseringsfactor b = 1,3 / 1,0 1,3 / 1,0 Stabiliteitfactor SF = 1,28 / 0,99 1,30 / 1,00
Gemeente Amsterdam
Aanpak van grof naar fijn 1e analyse • semi-probabilistisch • met verstoringszone leiding • zonder kans op falen leiding
1. ’Klassiek’ ontwerp
voldoet?
ja
nee 2e analyse: Veiligheidsraamwerk K&L • integrale faalkansanalyse • faalpaden/gebeurtenissenbomen • met verstoringszone leiding • met kans op falen leiding 3e analyse: verdiepende faalkansanalyse
2. Semi-probabilistisch
voldoet?
ja
nee
3. Probabilistisch
voldoet?
ja
nee
Onveilig ontwerp
Veilig ontwerp
Gemeente Amsterdam
Beschouwde faalmechanismen Waterkering: • golfoverslag, erosie kruin/binnentalud (HT) • macro-instabiliteit binnenwaarts (STBI) • macro-instabiliteit buitenwaarts (STBU) Waterleiding: • sluipend lek (verzadiging dijklichaam) • gapend lek (ontgronding door leidingbreuk)
Gemeente Amsterdam
Resultaten ‘klassiek’ ontwerp (1e analyse) Vereist: 1,2E-03
Voor aanscherping schematiseringsfactor: zie TR Grondmechanisch Schematiseren
Gemeente Amsterdam
Faalpaden HT Semi-probabilistisch (2e analyse) Veiligheidsraamwerk K&L: falen leiding + golfoverslag
> kritiek overslag (0.1 l/m/s) > kritiek overslag (10 l/m/s)
sluipend lek
> kritiek overslag (10 l/m/s)
> kritiek overslag (10 l/m/s)
Gemeente Amsterdam
Faalpaden STBI/STBU Semi-probabilistisch (2e analyse) Veiligheidsraamwerk K&L: falen leiding + macro-instabiliteit
instabiliteit
instabiliteit
instabiliteit sluipend lek instabiliteit
instabiliteit
Gemeente Amsterdam
Faalkans leiding en hersteltijd NPR 3659 (stalen lagedrukleiding): • faalkans / m / jaar = 2,6E-04 • faalkans / 270 m (vaklengte) / jaar = 7,0E-02 (100%) RIVM (BEVI): • 25% als gevolg van leidingbreuk, groot lek (gapend lek) • 75% als gevolg van klein lek (sluipend lek)
Gemeente Amsterdam
Gebeurtenissenboom HT Semiprobabilistisch (2e analyse) Veiligheidsraamwerk K&L: falen leiding + golfoverslag
(DWP3 en DWP5)
(87%)
(12%)
(100%)
Faalkanseis HT: Peis,HT,dsn = 1,2E-03 (1/833) per jaar (ď ˘ eis,HT,dsn = 3,04)
Gemeente Amsterdam
Gebeurtenissenboom STBU Semiprobabilistisch (2e analyse) Veiligheidsraamwerk K&L: falen leiding + macro-instabiliteit buitenwaarts (DWP5)
(23%)
(77%)
(100%)
Faalkanseis STBU: Peis,STBU,dsn = 2,0E-04 per jaar (ď ˘ eis,STBU,dsn = 3,54)
Gemeente Amsterdam
Resultaten semi-probabilistisch (2e analyse)
Verdiepende faalkansanalyse STBU - DWP5: a) sluipend lek (eventueel niet volledig verzadigd) b) gapend lek (inclusief onzekerheid in ontgrondingskrater en in LWstand)
Gemeente Amsterdam
Resultaten probabilistisch (3e analyse) Veiligheidsraamwerk K&L: verdiepende faalkansanalyse STBU sluipend lek DWP5 bij extreem LW: • faalkans STBU = 1,3E-03 / jaar (i.p.v. 7,0E-05 / jaar semi-probabilistisch)
(5%)
(94%)
(100%)
Faalkanseis STBU: Peis,STBU,dsn = 2,0E-04 per jaar (ď ˘ eis,STBU,dsn = 3,54)
Gemeente Amsterdam
Gevoeligheidsberekening Afmetingen ontgrondingskrater • Rekenwaarde volgens bijlage A van NEN 3651): o
ontgrondingsstraal RB (max. 11,13 m ď‚ť Fkar,5%)
Onzekerheden
Gemeente Amsterdam
Conclusies Veiligheidsoordeel Zeeburgereiland • ‘klassiek’ ontwerp: voldoet deels • Veiligheidsraamwerk K&L met integrale faalkansanalyse: voldoet • specifieke aandachtspunten sterkteberekening waterleiding: - verdiscontering verschilzettingen en verkeersbelasting - beschouwing bochten waar de leiding naar binnen afbuigt - bepaal ontgrondingsstraal met werkelijke i.p.v. ‘virtuele’ pompkromme Toepassing Veiligheidsraamwerk K&L • werkt in de praktijk • integrale faalkansanalyse geeft inzicht in bepalende mechanismen • aanscherpingen zijn mogelijk
Gemeente Amsterdam
Doelen gehaald 1. Dijkontwerp inclusief drinkwaterleiding voldoet aan nieuwe veiligheidseisen Waterwet.
2. Systematiek Veiligheidsheidsraamwerk K&L werkt in de praktijk.
Gemeente Amsterdam
Aanbevelingen voor vervolg Faalkansen leidingen • NPR 3659 waarde stalen LD-leidingen is onrealistisch hoog en vatbaar voor discussie; nader onderzoek nodig • Nadere uitwerking nodig van kansbijdrage verschillende faaloorzaken van leidingen • Invloed HW-gerelateerde vervormingen op belasting c.q. de faalkans van een leiding is nog een kennisleemte Analyse macro-instabiliteit • voor faalkansanalyse buitenwaartse macro-instabiliteit inclusief leidingfalen zijn geen richtlijnen of handvatten beschikbaar • kalibratie macro-instabiliteit voor semi-probabilistische analyses is gebaseerd op binnenwaartse stabiliteit voor ‘standaard dijken’ zonder leidingfalen en zijn niet zonder meer toe te passen op situaties met sluipend lek of een gapend lek met ontgrondingskrater
Gemeente Amsterdam
Zeeburgereiland: ‘gouden ei’ • • • •
Nieuwe kennis met Veiligheidsraamwerk K&L ontwikkeld en toegepast in de praktijk. Drinkwaterleiding veilig ingepast in waterkering. Aan veiligheidseisen nieuwe normering voldaan. Minstens 3 miljoen euro bespaard voor de B.V. Nederland.