GeoCentrifuge: geavanceerde tijdmachine voor bodemprocessen | Technisch Weekblad
Achtergrond

GeoCentrifuge: geavanceerde tijdmachine voor bodemprocessen

| maandag 4 juli 2022
Onderzoek & R&D

Deltares in Delft heeft in juni de GeoCentrifuge in gebruik genomen. Hiermee worden bodemprocessen op schaal getest door de zwaartekracht op te voeren. Wat in de grond jaren kan duren, wordt zo teruggebracht naar uren. Gezien de maatschappelijke uitdagingen zoals klimaatverandering, bodemdaling en de druk op de ruimte, is deze innovatieve onderzoeksfaciliteit van groot belang voor een veerkrachtige en duurzame infrastructuur.

Auteur: Loet van Bergen

“Toegepast onderzoek in de praktijk brengen, begint veelal met proeven”, vertelt Suzanne van Eekelen, onderzoeker bij Deltares. “Hierbij zie je een ontwikkeling van opschaling van labschaal tot werkelijke schaal. Dit is ook kostentechnisch het meest efficiënt. Voor onderzoek in en met grond is het belangrijk dat de aangebrachte krachten kloppen.”

“Daarbij spelen in de grond processen af over een lange periode. Het idee dat je krachten kunt verschalen door de zwaartekracht op te voeren, stamt al uit de jaren 30 van de vorige eeuw. Vanaf de 90’er jaren kon dit met moderner wordende machines beter uitgevoerd worden. Onze GeoCentrifuge is modern en bijzonder door zijn afmetingen. Door de grootte kunnen onder meer dijk-, weg- en spoorbaanmodellen in het geheel worden verschaald om hier onderzoek mee uit te kunnen voeren.”

“Er staan binnen Europa soortgelijke centrifuges van dezelfde grootte in Cambridge en Nantes, maar deze zijn wel uitgerust voor andere specifieke toepassingen voor onderzoek, zoals bijvoorbeeld aardbevingen. De versie van Deltares is met name ingericht op onderzoek gerelateerd aan slappe bodem met watervraagstukken. Zo kunnen we modellen van infrastructuur testen op extreme condities, zoals extreem weer.”

“Het plan voor de GeoCentrifuge is door Deltares ontwikkeld”, vertelt Harm Aantjes, manager bij Deltares, “en is gesteund door het Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat. De bouw is via marktconforme inkooptrajecten tot stand gekomen en duurde in totaal zo’n 10 jaar (van planvorming naar realisatie). Het apparaat zelf is gebouwd in Frankrijk door het Franse bedrijf Actidyn. Het bouwkundige deel is uitgevoerd door Verbakel Bouwbedrijf bv en de gebouw gebonden installaties door Groen & Aldenkamp Installatietechnieken. Daarnaast nog Hydac voor de hydraulische pomp/power pack, N.M. Heilig b.v. voor de kleimenger, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH voor het data-acquisitionsysteem”.

Werking

De GeoCentrifuge is een gigantisch apparaat waarvoor een speciale ruimte is gebouwd met een diameter van 8 meter waar onder geklimatiseerde condities testen worden uitgevoerd. De te testen modellen worden geplaatst in een proefbak. “Deze proefbak hangt aan het einde van een metalen arm van 5 m, die heel hard rond wordt gedraaid om een as”, licht Van Eekelen toe. “De proefbak kantelt daarbij, net als de zitjes van een zweefmolen. Door de centrifugaal krachten vergroten we de zwaartekracht in het model. De zwaartekracht g kan wel met een factor 150 worden verhoogd. De machine draait dan rond met een snelheid van meer dan 347 km/u en passeert driemaal per seconde.”

“Als het model bestaat uit bijvoorbeeld een klein dijkje op slappe grond, dan is het effect dat de druk onder het dijkje even groot wordt als onder een echte dijk buiten. We kunnen hiermee relatief snel een serie proeven uitvoeren met kleine schaalmodellen, terwijl de drukken in grond, of in de constructies, even groot zijn als in werkelijkheid. De werkelijkheid wordt dus heel goed nagebootst. Ook bepaalde processen worden versneld, zoals bijvoorbeeld consolidatie of de verspreiding van vervuiling in de grond.”

“Tijdens de vlucht kunnen we van alles meten en kijken hoge snelheidscamera’s mee. Ook kan met robot worden gewerkt voor extra activiteiten. Bij de GeoCentrifuge, waar modellen tot 1,2 m bij 1,2 m bij 1,8 m kunnen worden beproefd, hoort een ontwikkelomgeving, die maakt dat we kunnen beschikken over meetgegevens. Hiermee kunnen we numerieke geotechnische softwaremodellen valideren. Veel verschillende soorten wetenschappelijk onderzoek zijn hiermee mogelijk. De resultaten én videobeelden zijn live via internet te volgen”, aldus Van Eekelen.

(Tekst gaat verder onder het kader)

HWBP test opbarsten in GeoCentrifuge

In het pilotproject Reevediep onderzoeken Waterschap Drents Overijsselse Delta en Deltares hoe bij hoogwater het land achter de dijk omhoog wordt gedrukt en 'opbarst'. Als dat gebeurt wordt de dijk instabiel en schuift het talud van een dijk af. Er is nog onvoldoende kennis over hoe dit opbarsten precies werkt, stelt het HWBP, dat met het 'Praktijkonderzoek Opbarsten bij Dijken' meer inzicht wil krijgen in wat er met de dijk gebeurt bij opbarsten.

In de nieuwe GeoCentrifuge wordt een model op kleine schaal getest met het doel om te bepalen of het model de werkelijkheid goed beschrijft bij verschillende variaties in de bodemopbouw (deklaag). De testen in de centrifuge gelden als voorbereiding op een grote veldproef bij het Reevediep. Deze veldproef is kostbaar, wat een goede voorbereiding met een serie testen in de GeoCentrifuge rechtvaardigt. Voor een paar honderdduizend euro kunnen hiermee verschillende variaties in de bodemopbouw (deklaag) beproefd ter voorbereiding op de grote veldproef bij het Reevediep.

 

Toepassingsmogelijkheden

De GeoCentrifuge is van tevoren uitvoerig getest. Naast het proefdraaien om machine en apparatuur te testen, is begonnen met een serie relatief eenvoudige proeven waarmee het gedrag van Nederlandse veen wordt onderzocht.

Het meest aansprekende voorbeeld dat met de Deltares getest kan worden is wellicht de windturbine. De energietransitie geeft ongekende uitdagingen. De afmeting van de windturbines op de Noordzee worden groter dan ooit gebouwd tot wel 300 meter hoog. Deze afmetingen zijn nog nooit gebouwd, en dit heeft effect op het ontwerp en de uitvoering. In de centrifuge test Deltares de funderingen van de turbines. “Voor de proeven hebben we een kleine versie van de monopiles ingebouwd en die op dezelfde manier belast als de windturbines straks in de Noordzee. Op deze manier kunnen de funderingspalen van de windturbines worden geoptimaliseerd.”

Onze infrastructuur in de water-, energie-, stads- en transportsector staat voor grote uitdagingen, variërend van effecten van extreem weer tot veroudering en toegenomen gebruik. In de GeoCentrifuge kunnen deze effecten worden getest op zowel de bestaande als nieuwe infrastructuren. “We draaien momenteel proeven om het gedrag van infrastructuur op veen te onderzoeken. Hiervoor hebben wij Noorse en Ierse onderzoekers te gast. Zeer binnenkort starten we met proeven aan waterkeringen. Hiervoor worden kleine dijkjes beproefd.”

Ook dijken moeten veilig zijn. In de GeoCentrifuge kan deze worden getest aan extreme condities die in het echt vrijwel nooit optreden, zoals hoge waterstanden of extreme regenval afgewisseld met droogte. Vanwege het veranderende klimaat willen we hier meer over weten. 

Kansen

Aantjes ziet veel kansen voor de GeoCentrifuge. “Mede gezien ook de interesse van overheden, ingenieursbureaus, kennisinstituten en de offshore-industrie naar de toepassingen van de GeoCentrifuge. Je kunt op zoek gaan naar effecten van omstandigheden die extreem zijn, maar met een kleine kans van voorkomen, of die nog gedacht worden ver voor ons liggen.”

“In Europees verband (tijdens de opening zijn Europese partners bezig met dit onderzoek) wordt gekeken naar de kwetsbaarheid van onze (kritische) infrastructuur (wegen, spoorwegen, leidingen) voor klimaatverandering. De restlevensduur van constructies in de vervangings- en renovatieopgave speelt hierin ook een rol.”

“Ook de werking van nieuwe innovatieve ideeën worden onderzocht. Bijvoorbeeld om infrastructuur minder gevoelig te maken voor extreem weer (methoden om gevolgen van verweking of erosie door overvloedige regenval te verminderen, of methoden om te bouwen met minder stikstofproductie (bijvoorbeeld een bepaald type weg (ophoging) op veen, waarbij veen niet hoeft te worden afgegraven).”

Van Eekelen vult aan: “Voor waterveiligheid wordt in de directe versterkingsopgave voor het Hoogwaterbeschermingsprogramma voor de komende jaren gekeken naar de modellering van opbarsten. Hiervoor gaat naast centrifugeonderzoek ook allerlei ander onderzoek plaatsvinden zoals een veldproef. Met de uitkomst ervan is de verwachting dat de opgave wordt geoptimaliseerd.”

“De ingrepen in onze delta dienen afgewogen plaats te vinden. Door de intensieve benutting beïnvloeden deze elkaar (meer en meer). Onder meer bodemdaling en klimaatverandering leggen hier nog meer druk op. Het gedrag van de (in Nederland vaak slappe) ondergrond beter begrijpen en kunnen simuleren in modellen maakt dat we dit in balans kunnen doen en effecten/overlast willen/kunnen beperken.”

 

 

Strategische waarde
Minister Harbers sprak bij de opening over de ‘enorme strategische waarde’ van de GeoCentrifuge. De nieuwe testfaciliteit kan, aldus de bewindsman, een belangrijke bijdrage leveren aan de opgaven waar het kabinet voor staat zoals waterveiligheid, energietransitie en klimaatbestendig bouwen.

“De kennis en data die hier worden verzameld zijn hartstikke noodzakelijk voor die opgaven. Denk aan dijkversterking, kustbescherming, offshore infrastructuur. Denk ook aan aardbevingen, droge en natte infrastructuur. En denk aan onze gigantische woningbouwgave. Daarbij levert GeoCentrifuge ook een bijdrage aan andere ambitie van het kabinet, namelijk dat water en bodem eerder en dwingender worden betrokken bij ruimtelijke plannen.”

 

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!