Honderd keer de zwaartekracht

Het idee van schaalproeven met behulp van een centrifuge is niet nieuw. Al in aan het eind van de negentiende eeuw werd voor het eerst gepraat over de methode, rond 1930 vonden de eerste proeven plaats in Rusland en ongeveer dertig jaar later werd in Cambridge de proeftechniek weer opgepakt. Door het ontwikkelen van betere elektronica werden de resultaten in korte tijd verbeterd.

Het gebruik van een centrifuge dient om sterk verkleinde modellen van de werkelijkheid te kunnen onderwerpen aan zeer hoge krachten, die kunnen oplopen tot honderdzestig keer de zwaartekracht. Bij schaalmodellen van bijvoorbeeld 1:100, zijn de spanningen een honderdste van de spanningen in de realiteit. Door middel van de centrifuge kan de zwaartekracht kunstmatig honderd keer worden vergroot, zodat dezelfde schuifspanningen als in de werkelijkheid optreden. Hierdoor wordt het spanningsafhankelijk gedrag van grond op correcte wijze gesimuleerd. Vooral wanneer veldproeven duur en lastig zijn, bijvoorbeeld bij de offshore-technieken, bewijst de centrifuge goede diensten.
Modern

De centrifuge van geotechniek bevindt zich in de kelder van het gebouw van Civiele Techniek. Het apparaat, dat in een grote ronde bak met een diameter van ongeveer drie meter staat opgesteld, bestaat uit een verticale as, waaraan twee horizontale armen bevestigd zijn. Aan deze armen hangen bakken, die naar buiten kunnen scharnieren als het geheel gaat roteren. In deze bakken kunnen schaalmodellen tot veertig kilogram worden geplaatst.

Rondom de as en boven op de armen zit een enorme hoeveelheid apparatuur gemonteerd. Dr. ir. H.G.B. Allersma, universitair hoofddocent bij geotechniek, wijst met het lichtje van zijn zaklantaarn de belangrijkste componenten aan. ,,Daar zit een single-board computer, daar een harde schijf van één gigabyte en dit zijn tankjes waarin perslucht zit opgeslagen. Daarmee kan een blow-out – een ondergrondse gasverplaatsing – worden gesimuleerd en kan water worden rondgepompt.” Ten slotte wijst hij nog de oude Commodore-computer aan, die in de begintijd van de centrifuge werd gebruikt. ,,Die hebben we er maar in laten zitten.”

Tegenwoordig bedienen ze zich bij geotechniek van de modernste apparatuur. In de regelkamer bevinden zich enkele snelle computers, een video en een monitor. Alles in de centrifuge is vanuit hier te regelen. ,,Wacht even, ik doe even een lichtje aan bij de centrifuge, dan kun je het beter op het beeldscherm zien.”

De centrifuge in Delft is relatief klein. Jarenlang was er een trend om de centrifuges steeds groter te maken, zodat er minder schaalproblemen zouden optreden. Men kon zo bovendien meer sensoren inbouwen dan in een kleine centrifuge het geval was. Het motto ‘hoe groter, hoe beter’ geldt echter niet altijd. ,,Hoe groter de grondmonsters, hoe moeilijker de proeven te reproduceren zijn. Het is niet eenvoudig om grote hoeveelheden grond meerdere malen in de zelfde samenstelling te verkrijgen”, aldus Allersma.

Toepassen van geavanceerde elektronica heeft ertoe geleid dat ook op een zeer kleine schaal goede resultaten worden geboekt. Allersma toont als voorbeeld een cameraatje van ongeveer vier bij vier centimeter, dat continu opnamen maakt van het model. Daarnaast wordt een belangrijk deel van de modellen geprepareerd door nauwkeurige computergestuurde apparatuur, iets dat de reproduceerbaarheid vergroot.
Wegverbreding

Sander Dresken studeerde onlangs af bij Civiele Techniek op wegverbreding op klei-ondergrond en maakte daarbij gebruik van de centrifuge. Dresken hield zich tijdens zijn afstudeerjaar bezig met scheurvorming in asfalt op kleigrond bij het verbreden van wegen. Dit is een actueel onderwerp, aangezien het wegennet in Nederland in de toekomst verbeterd zal moeten worden.

In zijn afstudeerwerk ‘Formation of cracks during widening tests on clay in a centrifuge’ doet Dresken eerst onderzoek naar de verschillen tussen twee kleisoorten, Kaolin-klei en Oostvaardersplassenklei. Vervolgens worden twee methoden voor wegverbreding geanalyseerd. Centraal staat de vraag, of scheuring voorkomen kan worden wanneer een andere wijze van wegverbreding wordt toegepast.

Bij Dreskens onderzoek wordt een kleilaag in een bak bedrukt met een inktraster (zie afbeelding). Bovenop de kleilaag wordt een wegverbreding op schaal gesimuleerd. Wanneer nu het geheel in de centrifuge wordt geplaatst kan aan de hand van de verandering van de rasterstructuur worden geanalyseerd hoe de grond vervormt en waar scheuren ontstaan. De analyse van deze verschillen gaat met behulp van zogenaamde image-processing software.

,,De effecten waren niet altijd goed met het blote oog waar te nemen. Soms waren de scheuren maar een halve millimeter breed”, vertelt Dresken. ,,Je moet je dan wel realiseren dat die scheur dan in werkelijkheid honderd keer zo groot is.”
Boortoren

Naast het afstudeerproject van Dresken noemt Allersma nog talrijke andere toepassingen van de centrifuge. Zo kanbijvoorbeeld het verzakken van een dijk worden geanalyseerd als gevolg van de overstromende golven. Trots toont hij de filmjes over dit onderwerp, die hij op zijn Internet-homepage heeft ingebouwd.

,,De laatste tijd zijn we ook nog bezig met een EG-onderzoek, waarbij we proberen uit te zoeken hoe verontreiniging in de grond zich verspreidt.” Dat gebeurt met de centrifuge, door midden in de bak met grond een korreltje kaliumpermanganaat-kleurstof te doen. Tijdens het centrifugeren wordt de verspreiding van de kleurstof zichtbaar. Processen, die in werkelijkheid jaren duren, kunnen door centrifugeproeven binnen enkele minuten zichtbaar worden gemaakt.

Shell past inmiddels de bij geotechniek verkregen kennis toe in de praktijk. Het gaat hier om de funderingen van booreilanden. In de centrifuge is onder andere onderzocht hoeveel horizontale krachten de fundering aankan. Bovendien is ook het heien van holle buispalen voor booreilanden aan nader onderzoek onderworpen. Daarvoor is bij geotechniek een apart schaalmodel van een heimachine ontworpen, dat ook zijn werk kan doen met hondervijftig keer de zwaartekracht in de centrifuge.

Het meest spectaculaire onderzoek heeft betrekking op gasbellen, die zich onder de grond bevinden. Wanneer het gas zich plotseling naar boven gaat verplaatsen, verzwakt de grond. Hierdoor ontstaan kraters. Gebouwen, die boven deze grond staan kunnen wegzakken. Op deze manier is in de jaren vijftig bij Sleen in Drente een complete boortoren in de grond weggezakt. Met de centrifuge zijn deze blow-outs na te bootsen. ,,Dat zijn natuurlijk interessante zaken voor een geoloog”, concludeert Dresken.
(R.K.)

,

Hoewel relatief klein blijkt de centrifuge van de vakgroep geotechniek (370 omwentelingen per minuut) voor steeds meer onderzoeken geschikt, mede door toepassing van geavanceerde elektronica. Schaalmodellen van bijvoorbeeld dijken kunnen met behulp van dit apparaat worden blootgesteld aan hoge krachten, die de schaalverkleining compenseren. Zo kunnen effecten worden geanalyseerd die in ‘het veld’ moeilijk te onderzoeken zijn.

Het idee van schaalproeven met behulp van een centrifuge is niet nieuw. Al in aan het eind van de negentiende eeuw werd voor het eerst gepraat over de methode, rond 1930 vonden de eerste proeven plaats in Rusland en ongeveer dertig jaar later werd in Cambridge de proeftechniek weer opgepakt. Door het ontwikkelen van betere elektronica werden de resultaten in korte tijd verbeterd.

Het gebruik van een centrifuge dient om sterk verkleinde modellen van de werkelijkheid te kunnen onderwerpen aan zeer hoge krachten, die kunnen oplopen tot honderdzestig keer de zwaartekracht. Bij schaalmodellen van bijvoorbeeld 1:100, zijn de spanningen een honderdste van de spanningen in de realiteit. Door middel van de centrifuge kan de zwaartekracht kunstmatig honderd keer worden vergroot, zodat dezelfde schuifspanningen als in de werkelijkheid optreden. Hierdoor wordt het spanningsafhankelijk gedrag van grond op correcte wijze gesimuleerd. Vooral wanneer veldproeven duur en lastig zijn, bijvoorbeeld bij de offshore-technieken, bewijst de centrifuge goede diensten.
Modern

De centrifuge van geotechniek bevindt zich in de kelder van het gebouw van Civiele Techniek. Het apparaat, dat in een grote ronde bak met een diameter van ongeveer drie meter staat opgesteld, bestaat uit een verticale as, waaraan twee horizontale armen bevestigd zijn. Aan deze armen hangen bakken, die naar buiten kunnen scharnieren als het geheel gaat roteren. In deze bakken kunnen schaalmodellen tot veertig kilogram worden geplaatst.

Rondom de as en boven op de armen zit een enorme hoeveelheid apparatuur gemonteerd. Dr. ir. H.G.B. Allersma, universitair hoofddocent bij geotechniek, wijst met het lichtje van zijn zaklantaarn de belangrijkste componenten aan. ,,Daar zit een single-board computer, daar een harde schijf van één gigabyte en dit zijn tankjes waarin perslucht zit opgeslagen. Daarmee kan een blow-out – een ondergrondse gasverplaatsing – worden gesimuleerd en kan water worden rondgepompt.” Ten slotte wijst hij nog de oude Commodore-computer aan, die in de begintijd van de centrifuge werd gebruikt. ,,Die hebben we er maar in laten zitten.”

Tegenwoordig bedienen ze zich bij geotechniek van de modernste apparatuur. In de regelkamer bevinden zich enkele snelle computers, een video en een monitor. Alles in de centrifuge is vanuit hier te regelen. ,,Wacht even, ik doe even een lichtje aan bij de centrifuge, dan kun je het beter op het beeldscherm zien.”

De centrifuge in Delft is relatief klein. Jarenlang was er een trend om de centrifuges steeds groter te maken, zodat er minder schaalproblemen zouden optreden. Men kon zo bovendien meer sensoren inbouwen dan in een kleine centrifuge het geval was. Het motto ‘hoe groter, hoe beter’ geldt echter niet altijd. ,,Hoe groter de grondmonsters, hoe moeilijker de proeven te reproduceren zijn. Het is niet eenvoudig om grote hoeveelheden grond meerdere malen in de zelfde samenstelling te verkrijgen”, aldus Allersma.

Toepassen van geavanceerde elektronica heeft ertoe geleid dat ook op een zeer kleine schaal goede resultaten worden geboekt. Allersma toont als voorbeeld een cameraatje van ongeveer vier bij vier centimeter, dat continu opnamen maakt van het model. Daarnaast wordt een belangrijk deel van de modellen geprepareerd door nauwkeurige computergestuurde apparatuur, iets dat de reproduceerbaarheid vergroot.
Wegverbreding

Sander Dresken studeerde onlangs af bij Civiele Techniek op wegverbreding op klei-ondergrond en maakte daarbij gebruik van de centrifuge. Dresken hield zich tijdens zijn afstudeerjaar bezig met scheurvorming in asfalt op kleigrond bij het verbreden van wegen. Dit is een actueel onderwerp, aangezien het wegennet in Nederland in de toekomst verbeterd zal moeten worden.

In zijn afstudeerwerk ‘Formation of cracks during widening tests on clay in a centrifuge’ doet Dresken eerst onderzoek naar de verschillen tussen twee kleisoorten, Kaolin-klei en Oostvaardersplassenklei. Vervolgens worden twee methoden voor wegverbreding geanalyseerd. Centraal staat de vraag, of scheuring voorkomen kan worden wanneer een andere wijze van wegverbreding wordt toegepast.

Bij Dreskens onderzoek wordt een kleilaag in een bak bedrukt met een inktraster (zie afbeelding). Bovenop de kleilaag wordt een wegverbreding op schaal gesimuleerd. Wanneer nu het geheel in de centrifuge wordt geplaatst kan aan de hand van de verandering van de rasterstructuur worden geanalyseerd hoe de grond vervormt en waar scheuren ontstaan. De analyse van deze verschillen gaat met behulp van zogenaamde image-processing software.

,,De effecten waren niet altijd goed met het blote oog waar te nemen. Soms waren de scheuren maar een halve millimeter breed”, vertelt Dresken. ,,Je moet je dan wel realiseren dat die scheur dan in werkelijkheid honderd keer zo groot is.”
Boortoren

Naast het afstudeerproject van Dresken noemt Allersma nog talrijke andere toepassingen van de centrifuge. Zo kanbijvoorbeeld het verzakken van een dijk worden geanalyseerd als gevolg van de overstromende golven. Trots toont hij de filmjes over dit onderwerp, die hij op zijn Internet-homepage heeft ingebouwd.

,,De laatste tijd zijn we ook nog bezig met een EG-onderzoek, waarbij we proberen uit te zoeken hoe verontreiniging in de grond zich verspreidt.” Dat gebeurt met de centrifuge, door midden in de bak met grond een korreltje kaliumpermanganaat-kleurstof te doen. Tijdens het centrifugeren wordt de verspreiding van de kleurstof zichtbaar. Processen, die in werkelijkheid jaren duren, kunnen door centrifugeproeven binnen enkele minuten zichtbaar worden gemaakt.

Shell past inmiddels de bij geotechniek verkregen kennis toe in de praktijk. Het gaat hier om de funderingen van booreilanden. In de centrifuge is onder andere onderzocht hoeveel horizontale krachten de fundering aankan. Bovendien is ook het heien van holle buispalen voor booreilanden aan nader onderzoek onderworpen. Daarvoor is bij geotechniek een apart schaalmodel van een heimachine ontworpen, dat ook zijn werk kan doen met hondervijftig keer de zwaartekracht in de centrifuge.

Het meest spectaculaire onderzoek heeft betrekking op gasbellen, die zich onder de grond bevinden. Wanneer het gas zich plotseling naar boven gaat verplaatsen, verzwakt de grond. Hierdoor ontstaan kraters. Gebouwen, die boven deze grond staan kunnen wegzakken. Op deze manier is in de jaren vijftig bij Sleen in Drente een complete boortoren in de grond weggezakt. Met de centrifuge zijn deze blow-outs na te bootsen. ,,Dat zijn natuurlijk interessante zaken voor een geoloog”, concludeert Dresken.
(R.K.)