ir.D.KoomanRijkswaterstaat, Deltadienst Ontwerpfilosofie1. OntwerpnormenToen op 21 februari 1953 de Deltacommissiewerd ingesteld, formuleerde de toenmaligeMinister van Verkeer en Waterstaat het doelvan het Deltaplan als volgt: '...het zoveel mo"gelijk veilig stellen van het zuid-westen deslands tegen de twee kwade invloeden der zee:de hoge vloeden en de verzilting'.Binnen een jaar nade instelling adviseerde deDeltacommissie de zeegaten tussen de Wes-terschelde en de Rotterdamse Waterweg af tedammen. In de resterende tijd, tot de aanbie-ding van het eindverslag, heeft de commissiezich beziggehouden met de uitdetailleringvan de plannen, waaronder het formulerenvan de eisen waaraan de constructies zoudenmoeten voldoen.Omdat de hoofdwaterkeringen in Nederlandtot op dat momentvrijwel uitsluitend uit dijkenbestonden, zijn de eisen die door de Delta-commissie geformuleerd zijn, toegespitst ophet beletten van overstroming.Dekruinhoogte vormt daarin het hoofdbe-standdeel van de 'sterkte' der waterkering,waarbij bedacht moet worden dat het bezwij-ken vaneen dijk pas naenigetijdvan overstro-ming door getij en golven, optreedt. In die tijdwas de kennis omtrent de statistiek van hetgezamenlijk optreden van hoogwaterstandenen golven slechts als karig te bestempelen. DeDeltacommissie heeft daarom de eisen, testellen aan hoofdwaterkeringen,gebundeldin een maatgevende stormvloedhoogwater-stand; hetzgn. ontwerppeil. Dit isde hoogwa-terstand die een oVerschrijdingskans heeftvan 2,5 x 10-4per jaar. Bij een geringe over-schrijding van dit peil moet ...'nog volledigeveiligheid tegen doorbreken aanwezig zijn'.Met betrekking tot de golfoverslag werdge?ist dat niet meer dan 2% van de golfoplo"pen reden mocht zijn van wateroverslag. Inpraktische zin betekent dit, dat 50 tot 60 gol-Ven, voorkomend tijdens hoogwater, golf-overslag mogen veroorzaken.Hoe hoog deze golven zouden zijn tijdens deoverschrijding van het ontwerppeil werdslechts indicatief aangegeven. In tegenstel"Iing tot dijken is de stormvloedkering eenconstructie die als gevolg van overstromingniet zal bezwijken. Daarentegen kan reeds decombinatie van ??n verval en ??n golf vol-doende zijn om de kering tedoen bezwijken ofZeer ernstig te beschadigen.Cement XXXI (1979) nr. 12Het is daarom noodzakelijk de 'Deltanorm' teinterpreteren met betrekking tot de storm-vloedkering. Hiertoe is het begrip 'potenti?lebedreiging' ingevoerd. Dit is dan de belas-tingscombinatie, genaamd de 'extreme be-lasting', die een overschrijdingskans heeftvan 2,5 x 10-4 per jaar.Deze extreme belasting is het uitgangspuntvan het ontwerp. Tenminsteeven belangrijk isde kans dat de stormvloedkering bezwijkt,met als gevolg het onderlopen van Zeeland.Over de grootte van deze kans wordtverderopin dit artikel meer vermeld.Tenslotte is het raadzaam een constructie teontwerpen die geen uitgesproken zwakkeschakels heeft, tenzij dit, uit constructieve ofandere overwegingen, juist gewenst is. Ditstreven naar een harmonisatie van het ont-werp van de stormvloedkering komt tot uit-drukking in de wens de faalkansen van deonderdelen zodanig op elkaar af te stemmen,dat van een evenwichtige opbouw van de to-taalfaalkans van het systeem kan worden ge-sproken.Teneinde dit te kunnen bereiken, zijn risico-analytische technieken gehanteerd. Hieropzal nog naderworden ingegaan.Om te komen tot een ontwerp werden driesporen uitgezet.Spoor A: Semi-probabilistische methodeNaast de kansverdeling van de belastingen,waaruit de ontwerpbelasting met overschrij-dingskans 2,5X 1O-4 /jaarvolgt, wordtgebruikgemaakt van parti?le veilgheidsfactoren,conform ISO 2394, met uitzondering van deco?ffici?nt voor overbelastingen. Deze wordtals niet terzake beschouwd, omdat de storm-vloedkering juist onder extreme belastingenmoet functioneren.Spoor B: Probabilistische methodeHierbij wordt, van het volgens Spoor Agedi-mensioneerde ontwerp, debezwijkkans bere-kend. Daartoe worden de sterkteparametersdie de draagkracht bepalen weergegeven metbehulp van kansverdelingen die gezamenlijkeen sterktefunctiebeschrijven meteen zekeregemiddeldewaarde en een spreiding. De con-volutie van de belastingskansverdeling ensterktekansdichtheidsfunctie levert de faal-kans op. Grof gesteld komt dit neer op hetvolgende: elkedraagkracht, hoe klein ofgrootook, heeft een zekere kans door de belasting532te worden overtroffen met bezwijken als ge-volg. De som van al deze kansen is de bezwijk-kans van de constructie of eventueel eenonderdeel. Toetsing aan de gestelde eisenmet betrekking tot faalkansen geeft aan ofmaatregelen genomen moeten worden ofniet,welke principieel neerkomen op aanpas-sing van de parti?le veiligheidsfactoren.Spoor C: De economische optimalisatieDeze methode bevat, naast de elementen vanspoor B, ook nog de bepaling van het econo-mische optimum tussen initi?le investeringende over de levensduur gekapitaliseerde scha"deverwachting. Met behulp van deze bereke-ningen kan nagegaan worden of met een ge-ringe extra investering een relatief grotemateaan veiligheid kan worden verkregen.2. FaalkansenDe grootte van de faalkans van de stormvloed-kering geeft aan welke kans een zekere groepvan bewoners van Zeeland heeft op overlijdenals gevolg van overstroming, veroorzaaktdoor een falende stormvloedkering. Uit-gangspunt bij de afschatting van de groottevan deze kans is, dathetwonen in Zeeland nietimpliceert, dat men vrijwillig een groter over-lijdensrisico accepteert dan elders. Een kop-peling van deze faalkans aan het gemiddeldeindividuele overlijdensrisico als gevolg vanongevallen, berekend voor geheel Nederland(ca. 1O-4/jaar/individu) ligt voor de hand.Dan moet nog wel het effect van de groeps-grootte op de maatschappelijke aan-vaardbaarheid van dit risicoverwerktworden.Uitgaande van een op basis van CBS-gegevens berekende overlijdenskans en eenverwacht aantal slachtoffers van ca. 1000,leidt deze filosofie tot een maximaal toelaat-bare faalkans van de stormvloedkering van10-7per jaar (10-4 /1000). Indien bedachtwordt dat de bedreigde groep ca. 100 000zielen telt, wordt het duidelijk dat het indivi-duele risico 10-9 per jaar bed raagt. Een eva-luatie hiervan kan gemaakt worden op basisvan figuur 1.3. Ontwerp-harmonisatieNaast het bereiken van een zekere faalkans, isook de ontwerp-harmonisatie een aspect vande ontwerpfilosofie. Daarvoor is een functio-nele analyse van de gehele constructie in haaronderdelen gemaakt. Het resultaat is een ver-zameling fouten- en gebeurtenissenbomenir.D.KoomanRijkswaterstaat, Deltadienst Ontwerpfilosofie1. OntwerpnormenToen op 21 februari 1953 de Deltacommissiewerd ingesteld, formuleerde de toenmaligeMinister van Verkeer en Waterstaat het doelvan het Deltaplan als volgt: '...het zoveel mo"gelijk veilig stellen van het zuid-westen deslands tegen de twee kwade invloeden der zee:de hoge vloeden en de verzilting'.Binnen een jaar nade instelling adviseerde deDeltacommissie de zeegaten tussen de Wes-terschelde en de Rotterdamse Waterweg af tedammen. In de resterende tijd, tot de aanbie-ding van het eindverslag, heeft de commissiezich beziggehouden met de uitdetailleringvan de plannen, waaronder het formulerenvan de eisen waaraan de constructies zoudenmoeten voldoen.Omdat de hoofdwaterkeringen in Nederlandtot op dat momentvrijwel uitsluitend uit dijkenbestonden, zijn de eisen die door de Delta-commissie geformuleerd zijn, toegespitst ophet beletten van overstroming.Dekruinhoogte vormt daarin het hoofdbe-standdeel van de 'sterkte' der waterkering,waarbij bedacht moet worden dat het bezwij-ken vaneen dijk pas naenigetijdvan overstro-ming door getij en golven, optreedt. In die tijdwas de kennis omtrent de statistiek van hetgezamenlijk optreden van hoogwaterstandenen golven slechts als karig te bestempelen. DeDeltacommissie heeft daarom de eisen, testellen aan hoofdwaterkeringen,gebundeldin een maatgevende stormvloedhoogwater-stand; hetzgn. ontwerppeil. Dit isde hoogwa-terstand die een oVerschrijdingskans heeftvan 2,5 x 10-4per jaar. Bij een geringe over-schrijding van dit peil moet ...'nog volledigeveiligheid tegen doorbreken aanwezig zijn'.Met betrekking tot de golfoverslag werdge?ist dat niet meer dan 2% van de golfoplo"pen reden mocht zijn van wateroverslag. Inpraktische zin betekent dit, dat 50 tot 60 gol-Ven, voorkomend tijdens hoogwater, golf-overslag mogen veroorzaken.Hoe hoog deze golven zouden zijn tijdens deoverschrijding van het ontwerppeil werdslechts indicatief aangegeven. In tegenstel"Iing tot dijken is de stormvloedkering eenconstructie die als gevolg van overstromingniet zal bezwijken. Daarentegen kan reeds decombinatie van ??n verval en ??n golf vol-doende zijn om de kering tedoen bezwijken ofZeer ernstig te beschadigen.Cement XXXI (1979) nr. 12Het is daarom noodzakelijk de 'Deltanorm' teinterpreteren met betrekking tot de storm-vloedkering. Hiertoe is het begrip 'potenti?lebedreiging' ingevoerd. Dit is dan de belas-tingscombinatie, genaamd de 'extreme be-lasting', die een overschrijdingskans heeftvan 2,5 x 10-4 per jaar.Deze extreme belasting is het uitgangspuntvan het ontwerp. Tenminsteeven belangrijk isde kans dat de stormvloedkering bezwijkt,met als gevolg het onderlopen van Zeeland.Over de grootte van deze kans wordtverderopin dit artikel meer vermeld.Tenslotte is het raadzaam een constructie teontwerpen die geen uitgesproken zwakkeschakels heeft, tenzij dit, uit constructieve ofandere overwegingen, juist gewenst is. Ditstreven naar een harmonisatie van het ont-werp van de stormvloedkering komt tot uit-drukking in de wens de faalkansen van deonderdelen zodanig op elkaar af te stemmen,dat van een evenwichtige opbouw van de to-taalfaalkans van het systeem kan worden ge-sproken.Teneinde dit te kunnen bereiken, zijn risico-analytische technieken gehanteerd. Hieropzal nog naderworden ingegaan.Om te komen tot een ontwerp werden driesporen uitgezet.Spoor A: Semi-probabilistische methodeNaast de kansverdeling van de belastingen,waaruit de ontwerpbelasting met overschrij-dingskans 2,5X 1O-4 /jaarvolgt, wordtgebruikgemaakt van parti?le veilgheidsfactoren,conform ISO 2394, met uitzondering van deco?ffici?nt voor overbelastingen. Deze wordtals niet terzake beschouwd, omdat de storm-vloedkering juist onder extreme belastingenmoet functioneren.Spoor B: Probabilistische methodeHierbij wordt, van het volgens Spoor Agedi-mensioneerde ontwerp, debezwijkkans bere-kend. Daartoe worden de sterkteparametersdie de draagkracht bepalen weergegeven metbehulp van kansverdelingen die gezamenlijkeen sterktefunctiebeschrijven meteen zekeregemiddeldewaarde en een spreiding. De con-volutie van de belastingskansverdeling ensterktekansdichtheidsfunctie levert de faal-kans op. Grof gesteld komt dit neer op hetvolgende: elkedraagkracht, hoe klein ofgrootook, heeft een zekere kans door de belasting532te worden overtroffen met bezwijken als ge-volg. De som van al deze kansen is de bezwijk-kans van de constructie of eventueel eenonderdeel. Toetsing aan de gestelde eisenmet betrekking tot faalkansen geeft aan ofmaatregelen genomen moeten worden ofniet,welke principieel neerkomen op aanpas-sing van de parti?le veiligheidsfactoren.Spoor C: De economische optimalisatieDeze methode bevat, naast de elementen vanspoor B, ook nog de bepaling van het econo-mische optimum tussen initi?le investeringende over de levensduur gekapitaliseerde scha"deverwachting. Met behulp van deze bereke-ningen kan nagegaan worden of met een ge-ringe extra investering een relatief grotemateaan veiligheid kan worden verkregen.2. FaalkansenDe grootte van de faalkans van de stormvloed-kering geeft aan welke kans een zekere groepvan bewoners van Zeeland heeft op overlijdenals gevolg van overstroming, veroorzaaktdoor een falende stormvloedkering. Uit-gangspunt bij de afschatting van de groottevan deze kans is, dathetwonen in Zeeland nietimpliceert, dat men vrijwillig een groter over-lijdensrisico accepteert dan elders. Een kop-peling van deze faalkans aan het gemiddeldeindividuele overlijdensrisico als gevolg vanongevallen, berekend voor geheel Nederland(ca. 1O-4/jaar/individu) ligt voor de hand.Dan moet nog wel het effect van de groeps-grootte op de maatschappelijke aan-vaardbaarheid van dit risicoverwerktworden.Uitgaande van een op basis van CBS-gegevens berekende overlijdenskans en eenverwacht aantal slachtoffers van ca. 1000,leidt deze filosofie tot een maximaal toelaat-bare faalkans van de stormvloedkering van10-7per jaar (10-4 /1000). Indien bedachtwordt dat de bedreigde groep ca. 100 000zielen telt, wordt het duidelijk dat het indivi-duele risico 10-9 per jaar bed raagt. Een eva-luatie hiervan kan gemaakt worden op basisvan figuur 1.3. Ontwerp-harmonisatieNaast het bereiken van een zekere faalkans, isook de ontwerp-harmonisatie een aspect vande ontwerpfilosofie. Daarvoor is een functio-nele analyse van de gehele constructie in haaronderdelen gemaakt. Het resultaat is een ver-zameling fouten- en gebeurtenissenbomen(1,7) ?motorvoertuigenI ..oorzaak10-:610-7(3,6) verdrinking(4,6) verkeer te water(1.2) spoorwegen(2.2) bliksem(7.3) luchtvaartning. Cruciale onderdelen van het bewe-gingsmechanisme zullen nu dubbel uitge-voerd worden; ook een geheel anderbewe-gingssysteem is onderwerp van studie. Uitge-breide studies zijn inmiddels gestart om dekans op menselijkebedieningsfouten te mini-maliseren.4. ConclusieDe ontwerpfilosofie van de stormvloedkeringheeft tot doel, het ontwerp zodanig vorm tegeven, dat er sprake is van:? een optimaal en evenwichtig ontwerp vande stormvloedkering, uitgaande van de be-schikbare tijd, mankracht, kennis, natuur- enmateriaalgegevens;? een constructie met een faalkans kleinerdan een zekere waarde. Deze faalkans moetgerelateerd zijn aan de doordeDeltacommis-sie geformuleerde normen met betrekking totdijkhoogten.De uitgevoerde studies hebben aangetoonddat hethuidige ontwerp van de stormvloedke"ring hieraan voldoet.Wel is het noodzakelijk, de uitvoering zodanigte doen zijn, dat de kwaliteit van het geredeprodukt niet slechter is dan in de ontwerpfaseis berekend. Derhalve is hetsystematisch ana-lyseren van uitvoeringsmethoden met behulpvan risico-analytische technieken onont"beerlijk.2Foutenboom stormvloedkering10-810 -:9 _J..El-_-{~s~to~rm~vl~oe~d~k~e~rin~g~:::J1Overlijdenskans per individu per jaar in deNederlandse samenlevingdie op systematische wijze weergeven hoeeen ongewenste gebeurtenis kan leiden tothet bezwijken van de stormvloedkering. Alsvoorbeeld (fig. 2) is de zgn. hoofdfoutenboomtoegevoegd, waarin alle ongewenste ge-beurtenissen, die kunnen leiden tot een tehoge waterstand op de Oosterschelde, in ??nschema zijn weergegeven.De topgebeurtenis is die fout, waarvan dekans kleiner moet zijn dat 10"7/jaar. Door dediverse gebeurtenissen in deze boom tekwantificeren, kan gecontroleerd worden ofaan dezeeis wordt voldaan. De kwantificeringis een probleem apart, omdat veelal te weiniginformatie voorhanden is. Voor de bezwijk-kans van de stalen en betonnen onderdelenzijn probabilistischefaalkansberekeningengemaakt; meer informatie is te vinden in hetdesbetreffende artikel.Voor natte werken ligt dit moeilijker, omdathiervoor meestal rekenmodellen ontbreken.Uitgebreid schaalmodelonderzoek moet danuitkomst bieden; zowel belastingvariatie alssterkteparametervariatie wordt in de proevenopgenomen.Daarnaast zijn er ook belastingonafhankelij-ke gebeurtenissen die tot calamiteuze ge"beurtenissenaanleidingkunnen geven. Voor-beelden zijn storingen in het elektrisch-hy-draulische gedeelte van het bewegingswerk,alsook schuif- en/of bovenbalkbeschadigingdoor scheepsaanvaringen. Kansen op ditsoort gebeurtenissen zijn afgeschat op basisvan uitgebreide analyses, uitgevoerd doordeskundige instituten.Uit deze gehele excercitie bleek, dat de stalenen betonnen onderdelen op een vergelijkbaremaar grote draagkracht kunnen bogen. Om"trent de faalkansen van de natte werken kannu met redelijke zekerheid worden gezegd,dat deze zich op een vergelijkbaar niveau alsde staalconstructie bevinden.De kritieke punten blijken een falend bewe-gingssysteem tezijn alsook fouten in hetmen-selijk handelen tijdens de operationele bedie-Cement XXXI (1979) nr. 12 533r;A~RsT~D-opo:SCH?U;El'- ~G!!l DAN~E~A~~R-.J3HAVo FAO~ 5)56789101112131415171819WATERSTAND OP O'SCHELDEHOGER DAN TOELAATBAARha v FAO 1 23of 4JFAO FALENDE AFSLUITOPENING6?ETA1.LBOOM(1,7) ?motorvoertuigenI ..oorzaak10-:610-7(3,6) verdrinking(4,6) verkeer te water(1.2) spoorwegen(2.2) bliksem(7.3) luchtvaartning. Cruciale onderdelen van het bewe-gingsmechanisme zullen nu dubbel uitge-voerd worden; ook een geheel anderbewe-gingssysteem is onderwerp van studie. Uitge-breide studies zijn inmiddels gestart om dekans op menselijkebedieningsfouten te mini-maliseren.4. ConclusieDe ontwerpfilosofie van de stormvloedkeringheeft tot doel, het ontwerp zodanig vorm tegeven, dat er sprake is van:? een optimaal en evenwichtig ontwerp vande stormvloedkering, uitgaande van de be-schikbare tijd, mankracht, kennis, natuur- enmateriaalgegevens;? een constructie met een faalkans kleinerdan een zekere waarde. Deze faalkans moetgerelateerd zijn aan de doordeDeltacommis-sie geformuleerde normen met betrekking totdijkhoogten.De uitgevoerde studies hebben aangetoonddat hethuidige ontwerp van de stormvloedke"ring hieraan voldoet.Wel is het noodzakelijk, de uitvoering zodanigte doen zijn, dat de kwaliteit van het geredeprodukt niet slechter is dan in de ontwerpfaseis berekend. Derhalve is hetsystematisch ana-lyseren van uitvoeringsmethoden met behulpvan risico-analytische technieken onont"beerlijk.2Foutenboom stormvloedkering10-810 -:9 _J..El-_-{~s~to~rm~vl~oe~d~k~e~rin~g~:::J1Overlijdenskans per individu per jaar in deNederlandse samenlevingdie op systematische wijze weergeven hoeeen ongewenste gebeurtenis kan leiden tothet bezwijken van de stormvloedkering. Alsvoorbeeld (fig. 2) is de zgn. hoofdfoutenboomtoegevoegd, waarin alle ongewenste ge-beurtenissen, die kunnen leiden tot een tehoge waterstand op de Oosterschelde, in ??nschema zijn weergegeven.De topgebeurtenis is die fout, waarvan dekans kleiner moet zijn dat 10"7/jaar. Door dediverse gebeurtenissen in deze boom tekwantificeren, kan gecontroleerd worden ofaan dezeeis wordt voldaan. De kwantificeringis een probleem apart, omdat veelal te weiniginformatie voorhanden is. Voor de bezwijk-kans van de stalen en betonnen onderdelenzijn probabilistischefaalkansberekeningengemaakt; meer informatie is te vinden in hetdesbetreffende artikel.Voor natte werken ligt dit moeilijker, omdathiervoor meestal rekenmodellen ontbreken.Uitgebreid schaalmodelonderzoek moet danuitkomst bieden; zowel belastingvariatie alssterkteparametervariatie wordt in de proevenopgenomen.Daarnaast zijn er ook belastingonafhankelij-ke gebeurtenissen die tot calamiteuze ge"beurtenissenaanleidingkunnen geven. Voor-beelden zijn storingen in het elektrisch-hy-draulische gedeelte van het bewegingswerk,alsook schuif- en/of bovenbalkbeschadigingdoor scheepsaanvaringen. Kansen op ditsoort gebeurtenissen zijn afgeschat op basisvan uitgebreide analyses, uitgevoerd doordeskundige instituten.Uit deze gehele excercitie bleek, dat de stalenen betonnen onderdelen op een vergelijkbaremaar grote draagkracht kunnen bogen. Om"trent de faalkansen van de natte werken kannu met redelijke zekerheid worden gezegd,dat deze zich op een vergelijkbaar niveau alsde staalconstructie bevinden.De kritieke punten blijken een falend bewe-gingssysteem tezijn alsook fouten in hetmen-selijk handelen tijdens de operationele bedie-Cement XXXI (1979) nr. 12 533r;A~RsT~D-opo:SCH?U;El'- ~G!!l DAN~E~A~~R-.J3HAVo FAO~ 5)56789101112131415171819WATERSTAND OP O'SCHELDEHOGER DAN TOELAATBAARha v FAO 1 23of 4JFAO FALENDE AFSLUITOPENING6?ETA1.LBOOM