MOGELIJKHEDENENBEPERKINGENHUIDIGEREKENTECHNIEKENINGEOTECHNIEKGeotechnische berekeningen werden tot in de jaren zeventig handmatig gemaakt op ba-sis van empirische regels. De komst van de computer maakte niet alleen geotechnischestandaard-rekenprogramma's mogelijk,doch ook twee-en laterzelfsdriedimensionalesi-mulaties. Zogroeidede empirische wetenschapuittot een technologie waarmee een be-ter inzicht in het gedrag van ondergrond en fundering kon worden verkregen. Hierbij wor-den enkele kanttekeningen geplaatst ten aanzien van gebruiker, grondgedrag en pro-gramma-aanpassingen. Het artikel wordt besloten met een aantal verwachtingen van deauteur.prof.dr.ir.F.B.J.Barends, Technische Universiteit Delft / Grondrnechanlca DelftDe huidigegeotechnische rekenprogram-tastructuur.De rekenprogramma's eisten solide recep-ten, geen magie. Ze vormden een synthesevan de bestaande empirische techniek ende stand in de wetenschap. De beoefeningvan de geotechniek is met de invoering vande rekenmachines wezenlijk veranderd. Hetwerd mogelijk om tweedimensionale sim ula-ties uit te voeren. Hetgafde mogelijkheid omhet advies niet alleen te baseren op de sterk-te, op het moment van bezwijken, maar ookop de stijfheid, op het proces van deforma-tie. Hiervoor zijn andere grondkarakteristie-ken nodig, andere meetmethoden, anderecriteria. Het geotechnisch onderzoek veran-derde.De rekenprogramma's gaven ook probie-men. Hetduurdejaren voor de toepassing al-gemeen werd geaccepteerd. In de beginpe-riode waren rekenprogramma's mystiek voorde 'gewone' geotechnicus. Een saillant voor-beeld is, dat de eerste raket naar de planeetVenus zijn doel miste, doordat er in een FOR-TRAN-programma ergens een punt stond inplaats van een komma. De simulatie van eenkraterinslag met het eerste dynamica-pro-gramma, de HEMP-code van NASA, toondeeen kleine kegel in het centrum. Een nume-rieke fout? Hij was er niet uit te krijgen. Ten-slotte is er een gedegen fysische verklaringvoor gevonden. Nauwgezet onderzoek vande kraters op de maan toonde het bestaanervan aan.? berekeningToen in de jaren zeventig de computerschoorvoetend zijn intrede maakte, warenhet De Leeuwen Abbott die in Nederland hetstartsein gaven voor de automatisering vanbestaande rekenmethoden. Met een kleingroepje pioniers werden de eerste rekenpro-gramma's gemaakt: STABIL, DAMWAND,TREKPAAL, ZETTING,SAPRO,CONUS.Metdeoprichting van de vereniging CIAOwerden derekenprogramma's gemeengoed. Program-ma's zoals DAMWAND en CONSOL werdengeschoeid op gelijke leest: GENESYS, een fa-milie van programma's meteen uniforme da-Historie van de rekenkunde in degeotechniekDe oudere generatie weet noghoe hetwerkt,de rekenlat. Hetvaststellen van taludstabili-teit, terreinzakking enpaaldraagvermogengingmet handmatigeberekeningen op basisvan grotendeels empirische concepten, diegebruik maakten van voor die tijd geavan-ceerde terrein- en laboratoriumproeven: desondeerconus. de kleefmantelconus, hetcelapparaat. De geotechniek was een rela-tief jonge wetenschap en het arsenaal be-stond uit parametrische formules. de Bi-shop-glijcirkel, Terzaghi's consolidatietheo-rie, de Buisman-Koppejan kruipformule,Koppejan's 40-8D regel, de methode-Blum.De toepasbaarheid was subjectief. Gezag-hebbende coryfee?n hielden hun inzichtengeheim en verschaften magische voorspel-lingen. Het verhaal gaat dat Keverllng-Buls-man het paaldraagniveau kon bepalen doormet zijn paraplu in de grond te prikken.? geotechniek?54 CEMENT1995j5De eindige-elementenmethode maakt hetmogelijk om op robuuste wijze tweedimen-sionale deformatie-analyses uit te voeren.Intussen is veel over deze methode ultge-periode door ervaren toepassers vereist omvia evaluaties en praktische toetsen be-trouwbare software te verkrijgen. De tijd vande kinderziektes.Tenslotte is er de computer (hardware) waar-mee wordt gerekend. Dankzij de computerbestaat de numerieke grondmechanica. Eenvoorwaarde voor effici?nt gebruik van dehardware is een effectieve infrastructuur,aansluitbaarheid op netwerken, applicatie-pakketten en databasesystemen.AImet al is een rekenmodel in feite een com-plex geheel. Voor de buitenstaander eenwonder van techniek, voor de gebruiker eenuitkomst of een nachtmerrie, voor de makereen verslaving. Het is echter niet meer enniet minder dan een stuk gereedschap,waarvan de bruikbaarheid afhankelijk is vanhet vakmanschap van de gebruiker. De ge-bruikerdientzich bewustte zijn van de beper-kingen van eerdergenoemde elementen vaneen rekenmodel.theekDe PC heeft de afgelopen tien jaar :de toe-passing van rekenmodellen enorm bevor-derd. De ontwikkeling van de rekenkrachtvan de PCis ongekend en nog nietten einde.Berekeningen die voorheen onmogelijk le-ken, zijn nu heel gewoon. In 1976 is er voorhet ontwerp van de Oostersehelde-storm-vloedkering ??n keer een driedimensionaleanalyse uitgevoerd om de tweedimensiona-le aanpak te rechtvaardigen. In drie maan-den tijd is het bestaande 2D-rekenmodel uit-gebreid tot een 3D-model, inclusief grafi-sche faciliteiten (er waren toen nog geen ap-plicatiepakketten). De berekening kon al-leen solo worden uitgevoerd op de TUD-com-puter tijdens oud-en-nieuw en duurde 22uur. Nu is een dergelijke berekening op een'gewone' PC niet bijzonder meer. De stan-daard-rekenmodellen van toen zijn bijna totcomputerspelletjes verworden, eenvoudig ingebruik met fraaie grafische uitvoer. DeMSERIE uitgebracht door GrondmechanicaDelft is hiervan een voorbeeld: MSTAB,MSEEp, MWAND, MZET, MBREAK, MSHEET,MGEOT.ma's vinden hun oorsprong in de oude inzich-ten en empirische rekenregels. Ze zijn nuvoor ieder toegankelijk, betrouwbaar envriendelijk in gebruik. De toepasbaarheid isveelbelovend, echter ook beperkt. De vragenen de problemen worden steeds complexeren de gegevens steeds omvangrijker.In 1949 dacht men dat de wereldbehoefteaan rekenmachines met vijf computers konworden verzadigd. De fout die bij deze voor-spelling werd gemaakt, is dat de veranderingdie door de invoering wordt veroorzaakt, isonderschat. Dit is ook meteen het probleem,want de teweeggebrachte verandering ismoeilijk te voorspellen. Voor de geotechniekstaat de informatie- en simulatietechnologienog in een beginfase. Het is zinvol om destand op te maken en over de toekomst te fi-losoferen.Elementen van een rekenmodelEen rekenmodel isnietde oplossing van eenprobleem. Het is een hulpmiddel om een pro-ces of een mechanisme na te bootsen. Uit-gaande van de natuurkundige wetten, zoalsbenoudswetten. en geobserveerd mate-riaalgedrag (constitutief model) is een pro-ces wiskundig te beschrijven met differen-tiaalvergelijkingen (conceptueel model).Hierbij worden allerlei aannamen gedaan.Denk bijvoorbeeld aan de benadering vanhet mechanisch gedrag of aan de keus voorkleine rekken. Het kan ook zijn dat er in hetconceptuele model essenti?le processenniet worden meegenomen.Vervolgens wordt de numerieke wiskunde er-bij gehaald om die vergelijkingen op te los-sen. Hierbij wordt het continue proces in fa-cetten opgedeeld (dlscretlsering van degeometrie en de tijd) om het aantal reken-stappen eindig te maken. Er wordt een re-kenrecept (algoritme) ontwikkeld waarmeede nauwkeurigheid en stabiliteit van het re-kenproces optimaal zijn. Net als een dokterbij een zieke pati?nt verschillende receptenkan uitproberen met wel of geen bijwerkin-gen, kan een rekenprobleem met verschil-lende algoritmes worden opgelost met ofzonder (onbedoelde) effecten, zoals nume-rieke dispersie, kunstmatige viscositeit,hourglasslng en numerieke ruis.Vervolgens wordt het recept geprogram-meerd, in software omgezet. Bij het program-meren, zeker bij ingewikkelde programma's,zijn fouten onvermijdelijk. Er is een gebruiks-CEMENT1995j5Geotechnische rekenmodellen-biblio-zocht, geschikte algoritmes :zijn ontwikkelden er is veel aan opleiding gedaan om de me-thode ingang te doen vinden in de praktijk.Een van de modellen die hierbij een bijzon-dere rol heeft gespeeld is PLAXIS, waarmeetweedimensionale elasto-plastische defor-matie van grond en constructies kan wordengesimuleerd. Op het ogenblik wordt het col-lectief gebruikt en verder ontwikkeld.Een andere voorspoedige ontwikkeling in derekenkundige simulatie is te zien op het ge-bied van geomltieutechnlek, namelijk de si-mulatie van het transport van water en deverspreiding van verontreinigingen in de on-dergrond.Nu komen de driedimensionale modellenop. Voor realistisch grond-constructie inter-actiegedrag zijn er in de wereld maar enkelebruikbare 3D-modellen. Nederland loopthierbij mee in de voorhoede. DIANAen PLU-TO zijn modellen die goed kunnen wedijverenmet buitenlandse modellen zoals CRISPenABAQUS. Het gebruik van driedimensionalemodellen vereist vooralsnog een gedegenkennis, grote rekenkracht, geavanceerdepre- en postprocessoren. bijzondere grafl-sche faciliteiten en een gevulde beurs. Ver-wacht magworden. dat ook deze toepassingin afzienbare tijd gemeengoed wordt.Waardering van de huidige geotechnischerekenmodellen-bibliotheekDe geotechniek is met haar arsenaal aan re-kenprogramma's van een empirische weten-schap uitgegroeid tot een ware technologie.De problematiek is toegankelijkergeworden.Het is mogelijk om een essenti?le bijdrage tegeven aan de optimalisering van verbeterin-gen in de infrastructuur. Dijken, wegen,spoorwegen, viaducten, tunnels en hoog-bouw kunnen mede dankzij een beter inzichtin het gedrag van de ondergrond en de fun-dering met minder risico worden ontworpen.Er zijn echter enige kanttekeningen te ma-ken.Het is verantwoord dat alleen goed gekwalifi-ceerde gebruikers met geavanceerdereedschappen omgaan. Eigenlijk is gebrui-kersvriendelijkheid een bron van fouten. Im-mers, een model met verborgen default-waarden geijkt voor 90% van de gevallen,verliest zijn toepasbaarheid in de overige10%. Weet elke gebruiker dat?55? ? geotechniek ? berekeningHOMOGEEN ZANDPLUTO-simulatie van het opdrijf-bezwijkmechanisme vooreen ronde tunnel in een homo-geen en een gelaagd grondpakket; ontwikkeling van plastische schuifzones.Invloed van laagscheiding is evident, zowel tussen klei en zand als langs de in rood aangege-ven plasticiteitsgebieden.Slechts de helftvan de symmetrische figuren is afgebeeld; linker figuurbegrenzing is symme-trie-as tunnel56 CEMENT1995j5Er zijn indrukwekkende gedragsmodellenvoor grond bedacht. De bekendste zijn hetMohr-Coutornb-model en het Camclay-mo-del. De parameters hiervoorkunnen redelijkgoed uit proeven worden bepaald. Maartoch! De warrigheid van de grond (heteroge-niteit) en de richtinggevoeligheid (anisotro-piel worden grotendeels buitenbeschou-wing gelaten. Enerzijds omdat het dan erggecompliceerd wordt, anderzijds omdat derelevante parameters eenvoudig niet te me-ten zijn. Voor de beschrijving van het ont-staan van schuifvlakken, het afnemen vansterkte (strain softenlng) en kruip is nog veelonderzoek nodig. Een groot probleem vormtechter de initi?le situatie. Omdat grondge-drag typisch nlet-linealr is en derhalve desterkte en stijfheid van de absolute spannin-gen afhangt, is de actuelespanningssituatieessentieel. Die kan helaas in de werkelijk-heid niet worden vastgesteld, althans nietmet een nauwkeurigheid die het rekenmodelaankan.De onlangs georganiseerde competitie omde deformatie van een damwand in Karlsru-he te voorspellen,leverde een pover resul-taat op. Hetzelfde werd geconstateerd bij deheivoorspellingen tijdens de Stress-Waveconferentie in Delft. Ten aanzien van trans-portmodellen is de dispersieco?ffici?nt diebij berekeningen wordt toegepast, in veel ge-vallen eigenlijk onjuist. Daar zijn de geleer-den het over eens.Veel inspanningaan de rekenmodellen is no-digvoor programma-aanpassing aan nieuwecomputersystemen. Dat geeft, afgezien vande rekentijd en de uitvoer, geen wezenlijkemeerwaarde. Het kost veel arbeid en het isvaak 'unpaid production'. Er is eerder meerinspanning nodig op het gebied van validatiein de praktijk. Helaas is dat kostbaar enschijnbaar minder spectaculair.Niettegenstaande bovengenoemde bezwa-ren en tekortkomingen is de grote waarde diede huidige rekenmodellen verschaffen, hetkwalitatiefinzicht in complexe situaties. Heteffect van aanpassingen en veranderingenin de belasting, in de constructie ofin degeo-metrie kan relatief worden gekwantificeerd.Dit is een essenti?le vooruitgang in de geo-techniek, die kan worden toegeschreven aande ontwikkeling van de numerieke reken"techniek.CEMENT1995/5VerwachtingenDe kwaliteit van commerci?le geotechni-sche programmatuur moet officieel kunnenworden vastgesteld: de bewaking van dekwaliteit via de norm ISO-9000 en de verbe-tering van de kwaliteit via bijvoorbeeld denorm DoD2167A (documentatie). De toe-pasbaarheid kan via zogeheten benohmark-toetsen worden bepaald. Verwachtwordtdatin de nabije toekomst deze zaken formeelzullen worden geregeld. Nu wordt de plausi-biliteit van een berekeningsresultaattoetst aan intu?tie, aan een alternatlevebe-rekening of aan validatie in het terrein of ineen schaalproef. De geocentrifuge biedthiervoor goede mogelijkheden.Uitgekiende software zal meer en meer eenon-line-controlefunctie uitvoeren in deen gebruiksfase. Belangrijk hierbij isdat het robuust is en onvoorwaardelijk be-trouwbaar. Als voorbeeld kan worden ge-noemd een heisimulator of een monitorsys-teem voor een bemaling of een afvalopslag.Het uitvoeren van 3D-berekeningen loopt nutegen hardware-grenzen aan (geheugen, re-kentijd en 10) net zoals dat 20 jaar geledenbij de 2D-berekeningen optrad. Dit zal van tij-delijke aard zijn. Echter de enorme hoeveel-held gegevens vereist een nieuwe aanpak,een nieuwe database-technologie, gerichtop hoogwaardige visualisering (virtual reali-ty). GIS doet zijn intrede.Ontwikkelingen in verschillende sectorenvan de techniek gaan elkaar meer en meeroverlappen. lnter-dlscipllnalr onderzoekwordt lucratief: het proces van het vervaamt-gen van papier wordt met precies dezelfdevergelijkingen beschreven als de consolide-tie van slib. Logisch eigenlijk!De aanpak van heterogeniteit, initi?le situa-tie, stochastische randvoorwaarden en mi-cro-mechanisch gedrag is nietechtgoed mo-gelijk met de deterministische aanpakgeba-seerd op een specifiek conceptueel model.Mogelijk geeft de ontwikkeling van een inter-actieve relatie tussen modelinformatie enmeetinformatie een oplossing: metingen omeen model te corrigeren en modelberekenin-gen om een meting te corrigeren (data-assl-milatie). Een numeriek 'leerproces'. De we-tenschap op dit gebied zoekt naar eenvoudi-ge concepten (geadjungeerd model). In dekomendejaren zal hierin vooruitgangwordengeboekt, maar toepassing in de praktijk zalnog wel even duren.De tijd van universele multi-toepasbare re-kenprogramma's lijkt voorbij. Het kost de ge-bruiker te veel inspanning om voor zijn pro-bleem alle overbodige faciliteiten die hetprogramma biedt, uit te zetten. De verwach-ting is dat er een vraag komt naar dedicatedsoftware, naar programmatuur in de vormvan afzonderlijke genormaliseerde elemen-ten, ieder afzonderlijk geschikt voor herge-bruik, net zoals dat gebruikelijk is :bij hoog-waardige componenten in de electronica. Endan zijn we toch weerterugbij deoorspronke-Iijke gedachte achter GENESYS(een familievan programma's met een uniforme data-structuur).Er zijn voldoende uitdagingen en idee?n. :Erzijn en komen krachtige rekenfaciliteiten. Eris een goede bibliotheek aan geotechnischerekenmodellen. Er zijn echter onvoldoendefinanci?le middelen om de voortgang te on-dersteunen. Het is daarom belangrijk de in-spanning te bundelen en beschikbare capa-citeiten optimaal in te zetten om de verwach-tingen te realiseren en om vanuit de geotech-niek een essenti?le bijdrage te blijven gevenaan de noodzakelijke verbetering en aan-passing van de infrastructuur.?57