Richtlijn herstel en beheer (water)bodemkwaliteit

Constructief gedrag en materiaaleigenschappen

Achtergrond

In de huidige bouwpraktijk worden eisen veelal op het niveau van de 'aard van het materiaal' gesteld (zie ook: [Definities over de aard van het materiaal]). De eigenschappen op dit niveau zijn veelal eenvoudig en goedkoop te meten. Aangenomen wordt dat hiermee het materiaalgedrag en dus de functionaliteit van het materiaal in de constructie wordt vastgelegd en dat daarmee direct aan de eisen van de gebruiker wordt voldaan, rekening houdend met de invloed van de omgeving. Dit gaat echter slechts op voor materialen waarmee langdurige ervaring is opgedaan in een bepaalde toepassingsvorm. Hierbij wordt in het algemeen uitgegaan van een empirische benadering bij de beoordeling van het materiaal en bij het bepalen van relevante materiaaleigenschappen.

Bestaat er echter onvoldoende inzicht in het materiaalgedrag, of aspecten hiervan, of dienen nieuwe materialen te worden beoordeeld, dan staat men voor een probleem. In hoeverre zijn de materialen (beton, asfalt, klei, zand, AEC-bodemas e.d.) geschikt om binnen een GWW-constructie een bepaalde functie te vervullen? Een methode om de functionaliteit te beoordelen bestaat niet, terwijl evenmin voldoende praktijkervaring bestaat, zodat de relatie tussen functionaliteit, materiaalgedrag en aard van het materiaal nog niet kan worden bepaald. Via een empirische benadering is in het algemeen een lange weg te gaan, zodat een fundamentele benadering sneller tot resultaten leidt. Deze laatste vraagt echter een goed inzicht in de samenhang tussen het gedrag van de constructie en de eigenschappen van materialen.

Een belangrijk hulpmiddel om inzicht te krijgen in de samenhang tussen het gedrag van een constructie en materiaalgedrag in relatie tot in de praktijk optredende belastingen, is het uitwerken van de zogenoemde eisenpiramide voor de betreffende constructie. Uitgaande van de eisen die de gebruiker aan de constructie stelt, worden op het niveau van de constructie, c.q. het constructieonderdeel, eisen geformuleerd voor het gedrag van de betreffende constructie of constructieonderdeel. De samenhang tussen gebruikerseisen, gedrag van de constructie en materialen wordt weergegeven in de zogenoemde eisenpiramide:

eisenpiramide

In de eisenpiramide verloopt het abstractieniveau hiërarchisch van hoog (gebruikerseisen) naar laag (aard van het materiaal) en zijn er interacties tussen alle niveaus. De wensen en de eisen van de 'gebruikers' worden op het hoogste abstractieniveau gedefinieerd (bijvoorbeeld: bereikbaarheid, comfort). Deze eisen worden daarna geconcretiseerd en vanuit het specifieke gebruiksdoel vertaald naar de zogeheten functie-eisen die aan de specifieke constructie of aan onderdelen daarvan gesteld kunnen worden (bijvoorbeeld: vlakheid, stroefheid, geluid, waterafvoerend vermogen). Deze worden vervolgens vertaald naar relevante gedragingen, in eerste instantie in constructief gedrag (bijvoorbeeld: sterkte constructie, weerstand tegen vervorming) en in tweede instantie in elementair materiaalgedrag (bijvoorbeeld: stijfheid, vermoeiing). Dit materiaalgedrag wordt vervolgens weer gecorreleerd aan de aard van het in de constructie te verwerken materiaal (waarbij bijvoorbeeld de dichtheid van belang is).

Door middel van het uitwerken van een eisenpiramide kunnen de prestaties en functionaliteit van een materiaal worden vertaald naar, liefst op eenvoudige wijze, meetbare materiaalparameters. Pas dan kunnen zinvolle eisen en randvoorwaarden worden geformuleerd, die het mogelijk maken dat het betreffende materiaal kan worden toegepast zonder dat aan de gebruikseisen geweld wordt aangedaan. Dit houdt in dat criteria voor de aard van het materiaal het minimum kwaliteitsniveau dienen te beschrijven dat nodig wordt geacht om het betreffende materiaal in een bepaalde toepassing te kunnen laten functioneren.

De piramide is voor de meeste GWW-werken naar verwachting zowel kwalitatief als kwantitatief redelijk goed in te vullen, met name het bovenstuk. Het onderstuk (de koppeling tussen gewenst constructief gedrag en aard van het materiaal) zal meer witte vlekken opleveren, vooral voor nieuwe (niet-traditionele) materialen. Dit hangt samen met het feit dat de keuze van relevant geachte, en dus gemeten materiaalparameters, veelal op basis van ervaring is vastgesteld. Fundamentele materiaaleigenschappen worden veelal niet bepaald. Ook ontbreekt het soms aan exacte modellen die de relatie beschrijven tussen de aard van het materiaal en het constructieve gedrag.

Voor definities van gehanteerde termen zie ook:

Definities zijn voor een belangrijk deel ontleend aan CROW publicatie 156 Nomenclatuur van weg en verkeer.

Hoe gaat de bodemrichtlijn om met de eisenpiramide?

Met de systematiek van de eisenpiramide is het voor de ontwerper mogelijk om voor een bepaald constructieonderdeel de relevante materiaalparameters af te leiden. Omdat deze methode universeel en in wezen materiaalonafhankelijk is, vormt het een hulpmiddel om ook nieuwe of alternatieve materialen op hun toepasbaarheid in het betreffende constructieonderdeel te beoordelen. Deze systematiek sluit aan bij de recente ontwikkelingen om contracteisen op een hoger niveau te formuleren dan alleen op het niveau van de materialen.

De eisenpiramide is in de vorm van een aantal tabellen uitgewerkt. In deze tabellen (zie volgende paragraaf) is de koppeling tussen het constructief gedrag, het elementair materiaalgedrag en de aard van het materiaal beschreven. Uitgaande van deze relatietabellen, zijn in de factsheets over de bouwstoffen de materiaalparameters en materiaalgedragingen kwantitatief ingevuld, voor zover deze gegevens bekend zijn voor het betreffende materiaal. De relatietabellen zijn primair voor korrelvormige materialen afgeleid, al of niet in gebonden vorm. Voor andersoortige materialen zijn de relevante materiaalparameters en materiaalgedragingen zonder deze eisenanalyse afgeleid.

Voor grondkerende constructies is de relevantie van het constructief gedrag niet uitgewerkt, omdat de diversiteit tussen de gangbare oplossingen en daarmee de complexiteit te groot is.

Toelichting tabellen

Het "Vertalen" van het constructief gedrag naar elementaire materiaalgedrag en de aardeigenschappen van materialen vindt stapsgewijs plaats aan de hand van de tabellen:

Drie stappen zijn te onderscheiden:

Stap 1: Koppeling van het constructieonderdeel aan relevante gedragsparameters

In de tabellen Relevantie van constructief gedrag - wegbouwkundige constructie

en Relevantie van constructief gedrag - waterbouwkundige constructie zijn de relevante constructieve gedragsparameters aangegeven. De tabellen zijn algemeen van opzet, omdat het mogelijk is dat voor een specifiek constructieonderdeel in een gegeven situatie ook niet genoemde constructieve gedragsparameters toch relevant zijn. De ontwerper dient dit na te gaan.

Stap 2: Koppeling van gedragsparameter aan elementair materiaalgedrag

In tabel Interactie tussen constructief gedrag en elementair materiaalgedrag is het constructief gedrag gekoppeld aan het elementair materiaalgedrag. Hiermee is het mogelijk inzicht te krijgen in het voor de betreffende constructie relevante materiaalgedrag. Het materiaalgedrag is vastgelegd in de vorm van materiaalonafhankelijke parameters. Een aantal hiervan is uitgedrukt als mogelijkheid tot het betreffende gedrag, waarbij het werkelijk gedrag afhangt van omgevingsfactoren. In hoeverre een bepaald gedrag daadwerkelijk optreedt, en daarmee relevant is, is ter beoordeling van de ontwerper. Zo is de uitloogbaarheid een vermogen tot uitloging, waarbij de mate afhangt van de vochtcondities (isolatie, afstand tot het grondwater en dergelijke).

Stap 3: Koppeling van elementair materiaalgedrag en aardeigenschappen van het materiaal

In tabel Interactie tussen elementair materiaal gedrag en materiaaleigenschappen is het elementair materiaalgedrag gecorreleerd aan specifieke materiaaleigenschappen, c.q. aard van het materiaal. Aangegeven is welke aardeigenschappen relevant zijn voor een bepaald materiaalgedrag. Door deze laatste tabel te koppelen aan de voorgaande tabellen kunnen voor het constructieonderdeel de relevante aardeigenschappen worden afgeleid.

VOORBEELD

Situatie: u bent op zoek naar relevante eigenschappen voor materialen in constructieve ophogingen.

Hoe gaat u te werk:

Stap 1: U kijkt in tabel Relevantie van constructief gedrag - wegbouwkundige constructie en zoekt het constructieonderdeel 'Constructieve ophogingen' op. Door vervolgens in deze kolom te kijken naar de 'eentjes' en 'tweetjes' ziet u dat bijvoorbeeld 'Volumevastheid' qua constructief gedrag relevant is.

Stap 2: U kijkt in tabel Interactie tussen constructief gedrag en elementair materiaalgedrag en zoekt in de meest linkse kolom onder 'Constructief gedrag' naar 'Volumevastheid'. Door in deze rij van de tabel op zoek te gaan naar 'eentjes' en 'tweetjes' ziet u dat 'Samendrukbaarheid' relevant is qua elementair materiaalgedrag.

Stap 3: U kijkt in tabel Interactie tussen elementair materiaal gedrag en materiaaleigenschappen en zoekt in de bovenste rij (onder elementair materiaalgedrag) naar 'Samendrukbaarheid'. Door vervolgens in deze kolom op zoek te gaan naar 'eentjes' en 'tweetjes' ziet u dat o.m. korrelverdeling en dichtheid relevante materiaaleigenschappen zijn.

Een exercitie zoals hierboven weergegeven is alleen noodzakelijk om specifieke situaties onder de loep te nemen, of in situaties waarbij zich alternatieve materialen aandienen.