Geotechnisch ontwerp geautomatiseerd: de winst in de praktijk

Toon van der Linden¹, Camille Habets¹, Jesper van Es¹, Alfred Roubos^{2, 3}

¹ Royal HaskoningDHV, Nederland

² Havenbedrijf Rotterdam NV, Nederland

³ Technische Universiteit Delft, Nederland

ABSTRACT

Door de mogelijkheden van digitalisering en automatisering volledig te omarmen en te implementeren in de geotechnische ontwerppraktijk, kan snel en op een efficiënte wijze meerwaarde worden gerealiseerd ten aanzien van bouwkosten alsmede op het gebied van duurzaamheid. In dit artikel wordt de opzet en toepassing van een gedigitaliseerd en geautomatiseerd ontwerpproces met eindige-elementen modellen besproken. De brede toepasbaarheid van de gecreëerde tools en de verschillende voordelen die men daarmee kan behalen worden toegelicht aan de hand van praktijkvoorbeelden. Deze voorbeelden betreffen een variantenstudie voor een complexe kaderenovatie, het ontwerp van nieuwe lijninfrastructuur binnen een groot tunnelproject en een uitgebreide analyse van een bestaande diepzeekade. Afsluitend wordt nader ingegaan op de volgende stappen die genomen moeten worden om het gedigitaliseerde ontwerpproces nog verder te verbeteren, o.a. ten aanzien van uitwisseling van data en de koppeling met andere softwarepakketten en disciplines.

KERNWOORDEN: Automatisering, EEM, Plaxis, casestudy, praktijktoepassing

Inleiding

Digitalisering en automatisering hebben grote belangstelling en populariteit vergaard in het civieltechnische werkveld. De mogelijkheden die digitalisering en automatisering brengen worden vaak als nut en noodzaak gezien om de kwaliteit en flexibiliteit van ingenieursdiensten naar een hoger niveau te tillen. Zo ook in de geotechniek. Door zogenaamde ‘tooling’ te implementeren in de geotechnische ontwerppraktijk, kunnen aanzienlijke voordelen voor opdrachtgevers en ingenieurs worden behaald. Deze voordelen centreren rondom de verhoging van snelheid, de reductie van foutgevoeligheid en daarmee de vergroting van flexibiliteit, inzicht en kwaliteit.

Door toepassing van digitalisering en automatisering binnen de geotechniek wordt de snelheid van het ontwerpproces verhoogd en kunnen vaak veel kosten bespaard worden. Daarnaast kunnen later in het proces ontwerpwijzigingen doorgevoerd worden dankzij de kortere rekentijd. Dit is van vitaal belang omdat ontwerpuitgangspunten zich vaak parallel aan het iteratieve ontwerpproces ontwikkelen. Tevens ondersteunt de kortere doorlooptijd de mate van optimalisering en inzicht die binnen een ontwerp behaald kunnen worden. Ten opzichte van een regulier ontwerpproces kunnen meerdere variabelen en risico’s in dezelfde tijd geanalyseerd worden. Een additioneel voordeel hiervan is de mogelijkheid tot een waardevollere interactie tussen dienstverlener en opdrachtgever.

Door automatisering van repetitieve en daarmee foutgevoelige taken wordt de kwaliteit van de dienstverlening verhoogd. Dit geldt voor zowel de invoer- als voor de uitvoerkant van het proces. Gestandaardiseerde uitvoerverwerking ondersteunt daarbij een heldere communicatie met de opdrachtgever. Hiervoor benoemde kansen speelden een grote rol bij de overweging om het geotechnische ontwerpproces rondom eindige-elementen-methode (EEM) berekeningen in Plaxis te digitaliseren en automatiseren.

Geautomatiseerd werkproces

Het handmatig opzetten van EEM-modellen en verwerken van resultaten kan een tijdrovende en repetitieve klus zijn, zeker wanneer binnen het project verlangd wordt om meerdere modellen door te rekenen. In Figuur 1 is een overzicht gegeven van de stappen die normaliter doorlopen dienen te worden om voor verschillende geotechnische EEM-modellen binnen een project tot resultaat te komen.

Binnen Royal HaskoningDHV is een set van Plaxis add-ins ontwikkeld voor het optimaliseren van het EEM-rekenproces, deze add-ins zijn ook zonder detailkennis van scripting te gebruiken. Het groene veld in de figuur geeft aan welk van deze stappen (momenteel) automatisch doorlopen kunnen worden waar dit voorheen handmatig diende te gebeuren. De witte velden refereren naar de handelingen die buiten de EEM-software uitgevoerd kunnen worden. De modelopzet (invoer) is volledig parametrisch, op basis van de beschikbare informatie (bodemopbouw, geometrie en fasering). De blauwe, grijze en oranje velden geven stappen aan (resp. klaarzetten, doorrekenen en uitlezen van resultaten) waarbij daadwerkelijk gebruik wordt gemaakt van de EEM-software. De modelopzet en postprocessing vindt onafhankelijk van de software plaats, zodoende heeft de EEM-software binnen het geautomatiseerde proces meer de functie van rekenhart.

Door de volledig parametrische invoer kunnen EEM-modellen zonder tussenkomst van de gebruiker opgezet worden, en kan de uitvoer van de verschillende modellen automatisch uitgelezen, gestructureerd en gepresenteerd worden. Door de flexibele opzet van de parametrische invoer leent deze automatisering zich voor een breed scala aan projecten. Voorbeelden hiervan zijn kadeconstructies, bouwkuipen (lijn-infrastructuur), tunnels en dijkversterkingen.

De automatisering maakt het mogelijk om UGT-stappen voor damwandontwerp, conform bijv. CUR 166 of CUR 211, te implementeren. De benodigde variaties in geometrie, parameters en factoren worden automatisch doorgevoerd tijdens de pre- en postprocessing. Wanneer hierbij gekozen wordt om gebruik te maken van relatief simpele grondmodellen (bijv. Mohr-Coulomb) zal het verschil in rekentijd ten opzichte van conventionele analytische modellen (bijv. verenmodel) kleiner worden, terwijl de voordelen van het gebruik van EEM benut blijven worden. De grens voor het gebruik van EEM-modellen wordt hiermee verlegd.

Met de add-ins wordt de mogelijkheid geschapen om per project een groter aantal secties te beschouwen en/of om makkelijker gevoeligheidsanalyses en ontwerpoptimalisaties door te rekenen. Het is hierdoor aantrekkelijker om EEM-software sneller als leidende ontwerpsoftware binnen een project in te zetten, waar voorheen vaak slechts een kleinere hoeveelheid EEM-modellen gebruikt werd ter verificatie of aanscherping van een veelvoud aan analytische ontwerpberekeningen. Hiermee kunnen de voordelen van het gebruik van EEM binnen een project veel beter benut worden, waarmee de opdrachtgever vaak een optimaler ontwerp aangeboden kan worden op het vlak van kosten en duurzaamheid. Door de inzet van ‘tooling’ worden risico’s gereduceerd aan de kant van de ingenieur aan de kant van de ingenieur (onzekerheden modeluitkomst, menselijke fouten, ontwerp- en rekentijd). De voordelen die in het proces van de EEM-berekening behaald worden zijn samengevat in Figuur 2.

Het zwaartepunt van de werkzaamheden van de gebruiker komt hiermee te liggen bij het verzamelen en ordenen van de modelinvoer en controle van de automatisch opgezette modellen. De gebruiker wordt nog steeds geacht invoer te definiëren door handmatig data aan te leveren in parametrische invoer. Hierbij gaat het om informatie zoals de bodemopbouw, geometrie van constructieve elementen, objecten die in bepaalde fases ge(de)activeerd worden en grootte van belastingen. De handmatige modelopzet wordt nu echter overgenomen door de tooling, waarmee invoerfouten voorkomen worden en tijd bespaard wordt.

Project-cases

3a. ECT

De ECT-kade (Delta ZZ) aan de Amazonehaven is gebouwd in de jaren ’90 van de vorige eeuw. Door schaalvergroting van de containervaart is het noodzakelijk om de bestaande diepzeekade te verdiepen.  Het vertrekpunt is om zo min mogelijk versterkingsmaatregelen toe te passen en met alle beschikbare kennis en modelleringsmoglijkheden van nu de maximaal toelaatbare verdieping te bepalen. Een grote uitdaging hierbij is dat het oorspronkelijke ontwerp van de kade reeds in hoge mate geoptimaliseerd is op basis van variaties in geotechnisch langsprofiel en de daaruit resulterende variatie in dimensionering van de onderbouw (inheiniveaus, wanddikte combiwandpalen). Tevens moeten er, om de grotere schepen te kunnen faciliteren, zwaardere containerkranen en bolders op de kade komen. Daarom is in opdracht van Havenbedrijf Rotterdam een studie aangevangen waar Plaxis 2D wordt ingezet om een veelvoud aan doorsnedes geavanceerd en gedetailleerd te analyseren.

De ECT-kade bestaat uit een combiwand, kokervormige betonnen ontlastconstructie, betonnen drukpalen en MV-ankerpalen. De kadebelasting bestaat uit STS-kraanbelasting, bolderbelasting en terreinbelasting (AGV’s, verkeer en bij uitzondering tijdelijke opslag van containers). Een typische geotechnische doorsnede is weergegeven in Figuur 3.

Als eerste stap zijn oriënterende Plaxis-simulaties uitgevoerd in meerdere berekeningsprints, waarbij diverse gevoeligheidsanalyses zijn uitgevoerd. Hieruit is de basisinvoer van de modellering bepaald: het programma van eisen voor de analyse van de haalbare verdieping. Vervolgens zijn de Plaxis add-ins ingezet om 10 verschillende doorsnedes geparametriseerd op te zetten, geautomatiseerd door te rekenen en doelgericht te post-processen op basis van het nieuwe programma van eisen.

Dankzij de inzet van de Plaxis add-ins zijn de 10 doorsnedes binnen beperkte tijd op een effectieve manier geanalyseerd. De gedigitaliseerde en geautomatiseerde werkwijze blijkt direct meerwaarde te genereren op de volgende hoofdpunten:

• Specifieke kritische funderingselementen, bezwijkmechanismes of doorsnedes kunnen snel geïdentificeerd worden. Overzichtelijke vergelijkende uitvoerplots helpen hierbij. Gedetailleerdere vervolg- en sensitiviteitsanalyses kunnen effectief worden ingezet op de kritieke faalmechanismes. Risico’s kunnen hierdoor goed in kaart gebracht worden en onzekerheden worden geminimaliseerd.
• De add-ins gebruikt voor post-processing zijn ingericht op kritische verificaties conform het Handboek Kademuren (CUR211, 2e editie). Specifieke uitvoer ten behoeve van bijvoorbeeld de doorsnedecontroles van de combiwand wordt door de tooling additioneel gegenereerd en overzichtelijk gepresenteerd. Hierbij valt te denken aan lokale snedekrachten, gronddrukken en de 1,2x karakteristieke waardes.
• Het aantal fouten in de modellering wordt geminimaliseerd door geautomatiseerd te werken vanuit een basisopzet die meerdere malen getoetst is. De correcte werking van de tooling wordt additioneel gecontroleerd door de uitvoer van een handmatig opgezet model te vergelijken met de uitvoer van een geautomatiseerd opgezet model.

Dankzij bovenstaande werkwijze wordt snel een goed inzicht verkregen in de kritische funderingselementen, bezwijkmechanismes, belastingen en doorsnedes. Onzekerheden langs de lengte van de kade worden geminimaliseerd door de mogelijkheid alle doorsnedes binnen beperkte tijd door te rekenen. Resulterend is geconcludeerd dat een significante verdieping met grote economische impact haalbaar is, met een goede duiding van de bijbehorende risico’s. Op basis van de vele rekenkundige analyses in dit project lijkt het technisch haalbaar om bijna 2,0 m extra nautische waterdiepte te kunnen realiseren, iets dat eerder niet mogelijk werd geacht.  In vergelijking met het bouwen van een nieuwe kade zijn de bouwkosten een factor 4 lager en wordt circa 25.000 ton CO₂ bespaard.

3b. Vervanging Poti Kade 1

Het tweede project betreft een kademuur in de haven van Poti (Georgië). Deze kade bestaat oorspronkelijk uit een blokkenwand met daarvoor een dek-op-palen boven een talud met een beperkte waterdiepte van circa 5 meter voor de kade. De kade dient vervangen en uitgediept te worden om een waterdiepte van circa 14 meter te realiseren en tevens een verbeterde functionaliteit op de kade mogelijk te maken (railkranen, spoorlijnen en opslag). De nieuwe kadeconstructie is een hybride-oplossing die deels uit een grondkerende wand en deels uit een dek op palen bestaat en wordt over de (deels gesloopte) oude kade gebouwd. De geotechnische doorsnede van de kade en een bovenaanzicht van de bouw is weergegeven in Figuur 4. Te onderscheiden zijn de grondkerende wand, de vier palenrijen en de tussenliggende dekplaten en ankerbalken.

De geotechnische uitdagingen van het project zijn de relatief slappe grondcondities tot grote diepte (diepe marine kleiafzettingen) en de lokale wens om boorpalen in plaats van stalen buispalen te gebruiken voor de fundering van de kadeconstructie. Hierdoor ontstaat een relatief slap funderingssysteem. Om voldoende stijfheid te vinden en tevens een economisch ontwerp te behouden, dient in het ontwerp in hoge mate gevarieerd te worden met de paal-dek-configuraties om tot een optimale oplossing te komen. Dit terwijl de doorlooptijd van de ontwerpfase beperkt is vanwege vergunningsprocedures en de uitgangspunten voor de kadebelasting ten tijde van het ontwerp nog ter discussie staan.

Dankzij de inzet van de Plaxis add-ins kan in een korte doorlooptijd een grote verscheidenheid aan belastingen en constructieve configuraties beschouwd worden. Tijdens technische overleggen met het team kunnen live de effecten van verschillende opties in beeld gebracht worden. Aan de inputkant wordt hiertoe gebruikt gemaakt van de parametrische invoer van de Plaxis-modellering. Aan de outputkant kunnen dankzij de add-ins voor post-processing de resultaten snel inzichtelijk worden gemaakt en met elkaar vergeleken worden. Resulterend is tijdig een ontwerp afgeleverd dat veilig, economisch en bouwbaar is, wat zonder het gebruik van de add-ins niet goed mogelijk was geweest.

3c. Blankenburgverbinding

De Blankenburgverbinding is een cruciale connectie die de A20 bij Vlaardingen (Noordoever) met de A15 bij Rozenburg (Zuidoever) verbindt middels een nieuwe snelweg, de A24. Het technisch hoogtepunt van de verbinding is een ±400 meter lange afgezonken tunnel onder het Scheur, bestaande uit 2 afzinkelementen, en de aansluitende diepgelegen toeritten. Het ontwerp is erop gericht dat de zinkelementen ter plaatse worden gebouwd, boven op de toeritten (diepe cut & cover-bouwkuipen) die aan weerszijde van het Scheur worden gebouwd. De definitieve combiwanden van de toeritten (cut & cover-bouwkuipen) zijn meervoudig gestempeld door de onderwaterbetonvloer en de bouwdokvloer. De betonnen stempels, onderdeel van de bouwdokvloer, hebben hierbij een meervoudige functie: enerzijds als ondersteuning voor de wand en anderzijds als draagconstructie voor de dokvloer waarop het zinkelement gebouwd kan worden. In de eindsituatie dient deze dokvloer als tunneldak.

De constructie van de cut & cover is (geometrisch) grotendeels constant over de lengte van de tunneltoerit. De maaiveld geometrie, stratigrafie en belasting varieert, er is sprake van asymmetrie en/of er is interactie met naastgelegen (hulp)constructies. De situatie vroeg zodoende om een EEM-berekening ter verificatie van de snellere, maar minder geavanceerde berekeningen met verenmodellen. In de ontwerpfase was er mede door de complexe bouwfasering veel vraag naar flexibiliteit in het rekenproces. Deze flexibiliteit is binnen de EEM-berekeningen gecreëerd door gebruik te maken van de add-ins. De 2D Plaxis modellen zijn aan de inputkant parametrisch opgezet. Nieuwe of aanvullende berekeningen en/of wijzigingen en variaties konden, ondanks de complexiteit van de constructie en fasering, snel worden uitgevoerd en tijdig ingepast worden in het project. CUR-verificatiestappen zijn semi-automatisch geïmplementeerd. Aan de outputkant konden resultaten snel inzichtelijk worden gemaakt en met elkaar vergeleken worden om tot ontwerpkeuzes te komen.

De add-ins zijn ook zeer bruikbaar gebleken voor het uitvoeren van de opbarstberekeningen ten bevordering van de bouwfasering van het stempelraam, onderdeel van de bouwdokvloer (stempelraam bouwdokvloer in Figuur 6). Dit stempelraam is gebouwd op een opbarstgevoelig-niveau met behulp van spanningsbemaling. Met behulp van de add-ins waren deze analyses snel en efficiënt uit te voeren met meer geavanceerde (EEM) rekenmodellen. Op deze manier is optimaal gebruik gemaakt van het positieve effect van spanningsspreiding en wandwrijving langs de combiwanden om de spanningsbemaling te optimaliseren.

Binnen het project hebben de add-ins bijgedragen aan het behalen van een hoger detailniveau van het ontwerp. Zonder concessies te doen op het gebied van flexibiliteit en doorlooptijd kon gebruik gemaakt worden van meer geavanceerde (EEM) rekenmodellen ter verificatie van de eenvoudigere berekeningen (verenmodellen). Op deze manier is de grond-constructie-interactie nauwkeuriger in beeld gebracht en is er gestuurd op de economisch meest geschikte oplossing, zonder concessies te doen aan veiligheid en betrouwbaarheid.

Doorontwikkeling

In de voorgaande projecten is er nog voor gekozen om de benodigde modelinvoer handmatig door de gebruiker te laten verzamelen. Dit verzamelproces is foutgevoelig door een gebrek aan (geautomatiseerd) versiebeheer bij het combineren van de verschillende bronnen en de ‘handmatige’ afstemming tussen verschillende disciplines binnen een project.

Hoewel met de huidige status van de automatisering de relevante uitvoer gemakkelijk en op uniforme manier te verkrijgen is, dient de data door de gebruiker apart opgeslagen en gedeeld te worden of handmatig in een rapportage opgenomen te worden. Voor dit onderdeel van het proces bestaat hiermee nog steeds het risico dat de vigerende rekenresultaten niet overal gebruikt worden en dat resultaten van verschillende modelversies door elkaar gaan lopen.

De vervolgstap voor de Plaxis add-ins is het ontwikkelen van een volledig geautomatiseerde koppeling aan een centrale (project)database (single source of truth). Hierin is de benodigde invoer voor verschillende disciplines (en engineering applicaties) beschikbaar en kunnen gegevens worden uitgewisseld. Hiermee wordt het eerdergenoemde verzamelproces gecentraliseerd en wordt de afstemming tussen disciplines gestroomlijnd en verder geoptimaliseerd. Door in deze database de objecten op uniforme manier te beschrijven, is het mogelijk om deze objecten uit te wisselen tussen verschillende engineering-applicaties, bijv. SCIA, DIANA, SOFiSTiK en verschillende visuele modelleringspakketten. Op deze manier kan een model dat opgezet is in het ene pakket via de database worden omgeschreven naar een ander softwarepakket.

Door de database te koppelen aan applicaties die resultaten op overzichtelijke en interactieve manier kunnen presenteren, zoals dashboards op basis van MS Power BI of interactieve rapporten, kan de uitvoer op een snelle, overzichtelijke en foutloze manier gepresenteerd worden. Niet alleen ter ondersteuning van het interne ontwerpproces, maar ook ter informatie van, of ter controle door, de opdrachtgever.

Het ligt in lijn der verwachting dat het ontwikkelen van een centrale database nieuwe mogelijkheden zal creëren. Binnen projecten wordt naast rekenoutput namelijk ook veel uitvoeringsdata verzameld. Denk hierbij aan bijvoorbeeld de kalendering van funderingspalen, benodigde installatie-energie en hoeveelheid grout voor ankerpalen. Door deze data te vergelijken met de ontwerpinput lijkt het mogelijk om lokale afwijkingen tijdig te signaleren. Verder worden veel nieuwe constructies voorzien van geavanceerde sensoren. Zo wordt binnen het Havenbedrijf Rotterdam gestuurd op het meten van rekken in ankers en bolderbelastingen tijdens de gebruiksfase. Deze data kunnen eveneens opgenomen worden in de centrale database en kan gebruikt worden ter verificatie van de rekenoutput. Al deze ontwikkelingen maken het mogelijk om voor toekomstige projecten ‘reverse engineering’ toe te passen, zodat de betreffende constructie in de toekomst optimaal benut kan worden. Naast reverse engineering zijn er grote ontwikkelingen mogelijk ten aanzien van faalkansanalyses. Door het inzetten van automatisering kan de onzekerheid ten aanzien van rekeninput gemodelleerd worden en kan de betrouwbaarheid van een constructie direct geanalyseerd worden.

ACKNOWLEDGEMENTS

Speciale dank gaat uit naar de volgende personen en instanties die toepassing van geautomatiseerd geotechnisch ontwerp in de genoemde voorbeeldprojecten ondersteund hebben:

ECT kade: Havenbedrijf Rotterdam

Poti Kade 1: Alexander Sokolowsky (Prime Concrete LLC)

Blankenburgverbinding: Eelco van Putten (BAAK / DEME Infra)

CONCLUSIES

In deze paper is uiteengezet welke voordelen het gebruik van automatisering van EEM-berekeningen (door middel van Plaxis add-ins) kan bieden in projecten. Door de flexibele opzet van de automatisering kunnen de add-ins in een breed scala aan projecten ingezet worden. De generieke voordelen zijn hierbij dat projectkosten vaak lager uitvallen en minder materiaal gebruikt wordt, waardoor ook een belangrijke duurzaamheidsbijdrage gerealiseerd kan worden voor opdrachtgevers. Verder kan in een korter tijdsbestek veel meer engineering gedaan worden, wat flexibiliteit in het ontwerpproces faciliteert. De automatisering van EEM-berekeningen faciliteert de inzet van EEM-software als leidende ontwerpsoftware binnen een project in plaats van minder nauwkeurige analytische modellen. Wanneer in de toekomst de parametrische invoer en modelbeheer via een centrale database verloopt, wordt daarnaast een robuuste koppeling met andere disciplines (engineering-applicaties) voorzien. Hierdoor komt in toenemende mate de focus van de ingenieur te liggen op de inhoud en kwaliteit van de modellen in plaats van het aanmaken ervan.