1 Het veilig en goed functioneren constructies is van groot belang voor de samenleving; Op de foto de bouw van de Deltawerken, Oosterscheldekering, 1984 (foto: Rijkswaterstaat) 1 70? CEMENT 4 20 23 Een van de grootste hedendaagse uitdagingen in de wereld van civiele en bouwkundige con- structies is het uitdenken van nieuwe integrale beoordelings- methoden voor het nieuwbouwen, verbouwen en in stand houden. Deze nieuwe beoordelingsmethoden moeten zorgen voor een adequaat evenwicht tussen enerzijds het maatschappelijk welzijn dat de constructies bevorderen, en anderzijds de milieu-effecten die bouwen en verbouwen met zich meebrengen en die ook weer het maat- schappelijk welzijn beïnvloeden. De weten - schappelijke basis hiervoor is de Bayesiaanse kansrekening en de Bayesiaanse beslisana- lyse. Maar deze basis moet nog specifiek worden toegepast op dit nieuwe inzicht. In dit artikel worden enkele gedachten uitge- legd en toegelicht. Dit artikel is bedoeld als eerste voorzet voor een discussie die veel as- pecten kent en nadrukkelijk niet als sluitstuk. Milieu-impact Op dit moment zijn constructies in de ge- bouwde omgeving verantwoordelijk voor een bijdrage van circa 10% aan het BNP [6]. Het veilig en goed functioneren ervan is van groot belang voor de samenleving. Tegelij- kertijd zien we dat nieuwbouw- of verbouw- activiteiten een grote milieu-impact hebben. Zo zijn constructies verantwoordelijk voor circa 20% van de wereldwijde CO?-emissies en verantwoordelijk voor circa 90% van het wereldwijde materiaalgebruik uitgedrukt in gewicht [1]. Er is dus sterk de behoefte te kiezen voor constructies die optimaal func- tioneren, rekening houdend met veiligheid én duurzaamheid. De huidige ontwerp- en beoordelings- richtlijnen (gebaseerd op de Eurocodes) ge- ven echter slechts zeer beperkt de mogelijk- heid deze gezamenlijke optimalisatie naar veiligheid en milieu-impact uit te voeren; de veiligheidsbepalingen in de ontwerp- Duurzaamheid in keuzes voor voldoende veiligheid Behoefte aan bouwnormen waarbij wordt geoptimaliseerd naar veiligheid én milieu-impact PROF.DR.IR RAPHAËL STEENBERGEN TNO / UGent auteur Veiligheidsfactoren in normen en richtlijnen voor nieuwbouw of verbouw zijn in het verleden min of meer gekalibreerd aan streefwaarden van betrouwbaarheid, zonder daarbij rekening te houden met milieu-impact. Deze aanpak behoeft een nadere blik in het huidige tijdperk waarin duurzaamheid van enorm maatschappelijk belang is. CEMENT 4 2023 ?71 kosten3.8 Pf S C bouw normen zijn niet direct afhankelijk van de milieu-impact. Met duurzaamheid in de betekenis van levensduur, ofwel in de zin van gelimiteerde degradatie, is in de ontwerp- en beoordelings- richtlijnen overigens wel, al dan niet correct, rekening gehouden. Er is dus een nieuwe generatie bouw- normen benodigd, waarin op een holistische wijze rekening wordt gehouden met de inter- acties tussen constructief concept, materiaal - keuze, en hun respectievelijke milieu-impact. Vanwege de onzekerheden in belastingen, sterkte, modellen, milieu-impact etc. zijn hierbij probabilistische methoden van belang. In het hiernavolgende worden enkele achter- gronden gegeven bij de veiligheidsbepalingen in de huidig e bouwnormen en wordt aange - geven hoe deze kunnen worden uitgebreid en aang epast in relatie tot duurzaamheid. Achtergronden veiligheid in bouwnormen Het veiligheidsniveau van een constructie - ( deel) wordt vastgelegd in de kans op bezwij- ken gedurende een relevante tijdsperiode. In plaats van te werken met de kans op be- zwijken, wordt vaak gebruikgemaakt van de betrouwbaarheidsindex ?. Belasting- en ma- teriaalfactoren in combinatie met karakte- ristieke waarden zijn in beginsel zodanig gekozen dat daarmee het veiligheidsniveau, uitgedrukt in ?, wordt behaald dat hoort bij de betreffende gevolgklasse. Voor een nor- maal bouwwerk (gevolgklasse CC2) is de waarde van ? volgens NEN-EN 1990, bijlage B, gelijk aan 3,8 voor de ontwerplevensduur van 50 jaar. Een betrouwbaarheidsniveau van ? = 3,8 correspondeert ongeveer met een faalkans van 10 -4 in 50 jaar. Optimalisatie bouwkosten en schadever- wachting? Veiligheid wordt dus uitgedrukt in een acceptabele faalkans. Absolute veilig- heid bestaat niet, er is altijd sprake van een kleine geaccepteerde kans op falen: daarom spreken we van 'voldoende veilig' in plaats van 'veilig'. De vraag hiermee is direct: wat is voldoende veilig? Waar komen de streef- waarden van de betrouwbaarheid voor constructies (bijvoorbeeld de hierboven genoemde ? = 3,8) vandaan? Deze komen hoofdzakelijk uit een analyse waarin de tota- le kosten van investeringen in veiligheid van een constructie en de verwachte schade (faalkans maal directe en indirecte schade) over een langere periode worden geminima- liseerd. Onder anderen Rackwitz [2] en Steenbergen et al [3] geven de achtergron- den hierbij en geven aan hoe een dergelijke analyse resulteert in een streefwaarde van de faalkans. Ter illustratie is in figuur 2 de situatie geschetst voor nieuwbouw. Minimalisering van de som van de bouwkosten C bouw en schadeverwachting P f S (P f is faalkans en S de schade bestaande uit directe schadekos- ten C schade,direct en indirecte schadekosten C schade,indirect ) leidt tot (bijvoorbeeld) ?n = 3,8. Aangenomen is dat voor nieuwbouw de eco- nomische overweging maatgevend is ten op- zichte van de overwegingen voor menselijke veiligheid (zie het TNO achtergronddocument bij NEN 8700 [4]). In bovenstaande optimalisatie zijn bouwkos- ten meegenomen (hoe veiliger een construc- tie, hoe duurder de constructie) en schade- kosten. Deze laatste kosten bestaan uit directe schadekosten: herstel van de con- structie, verlies van mensenlevens; maar ook indirecte schadekosten, zoals kosten voor omleidingen bij wegen of verlies van functionaliteit bij gebouwen et cetera. Optimalisatie naar veiligheid én milieu-impact De vraag is echter of deze afleiding óók qua duurzaamheid/milieu-impact een optimale constructie oplevert. Hiervoor zou het nood- zakelijk zijn dat ook duurzaamheidsgerela- 2 Totale kosten als functie van de betrouwbaarheid met bijbehorend optimale niveau van voldoende veiligheid Bij het meenemen van de milieu - kosten kan het optimale veilig- heidsniveau naar lagere waardes verschuiven 2 72? CEMENT 4 20 23 teerde kosten worden meegenomen, zoals kosten voor milieu-impact qua materiaalge- bruik en uitstoot. Dit leidt dan tot een geop- timaliseerde constructie die én voldoende veilig én duurzaamheid is. ISO 2394 [5] geeft hiertoe reeds een eerste aanzet in paragraaf 6.3. Hierin wordt het volgende g esteld: "Con- sequences shall be expressed numerically with respect to the extent o f human f atalities and injuries and/or environmental damage and economic loss." Hier onder wordt voor (a) nieuwbouw en voor (b) bestaande bouw aan- gegeven hoe een dergelijke optimalisatie eruit zou kunnen zien. Nieuwbouw Wiskundig kan voor een nieuw te bouwen constructie het optimalisatieprobleem als volgt worden geformuleerd: p opt = argmax Z(p) (1) met: Z(·) totale k osten-baten functie p vector met ontwerpparameters, bijvoorbeeld de afmetingen van de construc - tieve elementen met p opt de optimale set Het economische model dat gebruikt moet w orden in (1) is een uitbreiding van het model zoals voorgesteld door Rackwitz [2], met als uitbreiding een expliciete toevoeging van de milieukosten. We definiëren dit als volgt: Z(p,t) = B - C bouw (p) ? C sloop (p) - C schade,direct (p) - C schade,indirect (p) ? C milieu (p) (2) met: t tijd [ a] B baten vanuit het bestaan van de constructie C bouw (·) bouwkosten C sloop (·) sloopkosten C schade,direct (·) dir ecte schadekosten afhanke- lijk van de faalkans C schade,indirect (·) indir ecte schadekosten afhan- kelijk van de faakans C milieu (·) milieukosten door materiaal - g ebruik en uitstoot Door middel van probabilistische bereke- ningen en een optimalisatieroutine kan een oplossing worden gevonden van (1) voor de optimale set aan ontwerpparameters. Al meer dan een eeuw worden grote Nederlandse investeringsprojecten op het gebied van waterveiligheid ondersteund door een economische analyse van de kosten en baten voor de Nederlandse samenleving. Be- langrijke voorbeelden van maatschappelijke kosten-batenanalyses voor waterveiligheid zijn die in het wetsvoorstel uit 1901 voor af- sluiting van de Zuiderzee, de MKBA van de Deltawerken door Jan Tinbergen (1954), de beroemde formule van Van Dantzig over de optimale hoogte van een dijk [6] en [7]. In de wereld van bouwkundige en civiele con- structies is een dergelijke benadering nog geen gemeengoed, maar zou goed kunnen bijdragen om tot een geoptimaliseerde con- structie te komen die én voldoende veilig én duurzaamheid is. Als we ? in een vereenvoudigde en sterk geschematiseerde situatie ? de vergelijking maken met figuur 2, dan zal bij gelijkblijven- de schadeverwachting en het meenemen van de milieukosten, die hoger zijn bij hogere ?-niveau's dan bij lagere ?-niveau's, het opti- male veiligheidsniveau naar lagere waardes verschuiven. Dit is schetsmatig toegelicht in figuur 4. Dit zou in het voorbeeld van figuur 4 beteke- nen dat, in geval van een grote milieuvoet- afdruk uitgedrukt in milieukosten, een con - structie die én voldoende veilig én duur - zaam is een betrouwbaarheidsniveau ? heeft, dat enigszins is verlaagd ten opzichte van het betrouwbaarheidsniveau achter de huidige Eurocode. Dit sluit aan bij de ge- dachte in ISO 2394: bij grote relatieve kosten om extra veiligheid te bewerkstelligen hoort een lager veiligheidsniveau (tabel 1). Die re- latieve kosten voor extra veiligheid hoeven niet alleen bouwkosten te zijn, maar kun - nen juist ook milieukosten zijn. Opgemerkt wordt dat bovenstaande benadering met de nodige omzichtigheid moet zijn toegepast: de kunst is natuurlijk ook om productie- processen te vinden die bij vergelijkbare constructieve prestaties minder grondstof - fen verbruiken en minder CO?-uitstoot opleveren. CEMENT 4 2023 ?73 kosten3.8 Pf S C bouw 4 3 Sluiten laatste gat van de Afsluitdijk ter hoogte van De Vlieter, 28 mei 1932 (foto: Rijkswaterstaat / L. Verbost) 4 Totale kosten als functie van de betrouwbaarheid in geval van relatief grote milieu-impact 3 Tabel 1?Tabel G.4 uit ISO 2394 relative cost of safety measure consequences of failure class 2 class 3 class 4 large ? = 3,1 (P f ? 10 -3) ? = 3,3 (P f ? 5 · 10 -4) ? = 3,7 (P f ? 10 -4) medium ? = 3,7 (P f ? 10 -4) ? = 4,2 (P f ? 10 -5) ? = 4,4 (P f ? 5 · 10 -6) small ? = 4,2 (P f ? 10 -5) ? = 4,4 (P f ? 5 · 10 -6) ? = 4,7 (P f ? 10 -6) 74 ? CEMENT 4 20 23 Toekomstige ontwikkelingen? De milieukos- ten in vergelijking (2) zouden kunnen wor- den vastgesteld op basis van bijvoorbeeld de bepalingsmethode 'Milieuprestatie Bouw- werken' (Nationale Milieudatabase). Hierbij moet echter voldoende aandacht zijn voor onzekerheden in de toekomst. Een voor- beeld van de milieukosten zijn de kosten voor CO 2-uitstoot. Deze zullen in de toekomst naar verwachting sterk stijgen en steeds belangrijker worden. In figuur 5 staan een aantal scenario's zoals deze door de IIASA (International Institute for Applied Systems Analysis) zijn bepaald voor de NGFS (The Central Banks and Supervisors Network for Greening the Financial System). In een optimalisatie moet echter niet uitslui- tend aandacht zijn voor een vernieuwde kwantificering van de milieukosten. Niet alleen milieukosten zijn aan verandering onderhevig, maar we zijn als samenleving ook steeds meer afhankelijk van construc- ties. Kijk bijvoorbeeld naar hoogspannings- masten of bruggen. Zo zijn de indirecte faal- kosten bij uitvallen van bijvoorbeeld de Moerdijkbrug berekend op ? 5 miljoen per dag ten gevolge van onbeschikbaarheid [9]: in dat geval levert een beperkte periode met indirecte schade reeds evenveel schadekos- ten op als de bouwkosten voor een nieuwe brug. Dit is dus een extra reden een optima- lisatie als genoemd in de vergelijkingen (1) en (2) expliciet uit te voeren. Bestaande bouw In geval van bestaande bouw moet een afwe- ging worden gemaakt tussen enerzijds de totale kosten geassocieerd met het hand- haven van de bestaande situatie C bestaand en anderzijds de totale kosten in geval van versterking van de constructie C versterken (bouwkosten, milieukosten én ten opzichte van de bestaande situatie verlaagde schade- kosten als gevolg van de versterking). In formulevorm kan dit in zijn meest een- voudige vorm als volgt wordt opgeschreven. Geen versterking kost: C bestaand = P f,bestaand · S Versterken kost: C versterken = C bouw + C milieu + P f,versterkt · S waarin: S = C schade,direct + C schade,indirect met ook hier een milieukostencomponent. Het beslissingspunt volgt uit: C bestaand = C versterken 5 Er moet voldoende aan - dacht zijn voor onzekerheden in de toekomst 5 Scenario's voor CO 2-kosten [8] CEMENT 4 2023 ?75 Bovenstaande formules geven aan dat het vanuit kostenoptimalisatie zo kan zijn, dat het optimaler is een bestaande constructie met een zekere faalkans te handhaven P f,bestaand en niet te versterken (wat een klei- nere P f,versterkt oplevert), als de milieukosten voor het versterken aan de hoge kant zijn. Ook hier spelen de directe en indirecte schadekosten S een belangrijke rol in de afweging. In het geval van hergebruik van be- staande constructieve elementen kan ook een dergelijk afweging worden gemaakt: door hergebruik worden materialen en uitstoot bespaard; daardoor zou genoegen genomen kunnen worden met een lagere veiligheid dan in het geval van complete nieuwbouw zonder hergebruik. In formule- vorm luidt dit beslisprobleem: Complete nieuwbouw en geen hergebruik kost: C nieuw = C bouw + C milieu + P f,Eurocode,nieuwbouw · S Hergebruik kost: C hergebruik = C bouw + P f,hergebruik · S Het beslissingspunt volgt uit C nieuw = C hergebruik en daaruit kan P f,hergebruik worden berekend. Dit zal voor het te hergebruiken element leiden tot een grotere faalkans (en daarmee lagere ?) dan de faalkans P f,Eurocode volgend uit de nieuwbouwregels in de Eurocode. Hoeveel lager hangt weer af van de bespaar- de milieukosten. Dit kan nader worden uit- gewerkt. Hierbij kan het volgende worden opgemerkt: Verbouwing van bestaande bouw kan lei- den tot een efficiënter gebouw (bijvoorbeeld qua stookkosten of logistiek) en dat moet uiteindelijk ook worden meegewogen. Ook kan afbraak van bestaande bouw nuttig zijn als onderdelen/materialen zonder veel ener- gie-inspanning kunnen worden hergebruikt. Een levensduurbeschouwing is van belang. In sommige omstandigheden kan het duur- zamer zijn om meer materiaal te gebruiken om verbouw in de toekomst uit te sluiten (bijvoorbeeld vermoeiing van staalconstruc- ties). Bij een levensduurbeschouwing zou ook rekening kunnen worden gehouden met de wijze van materiaalwinning en materiaal- productie nu en in de toekomst (bijvoor- beeld staal geproduceerd met waterstof af- komstig van duurzame energie). Dit zou kunnen betekenen dat een bestaande con- structie wat langer in leven te houden is met een enigszins vergrootte faalkans totdat de milieukosten van vervanging en/of renovatie wat gezakt zijn. De hierboven genoemde economische analyses worden begrensd door limieten voor menselijke veiligheid. Nieuwe ontwerpfilosofie In het huidige tijdperk waarin duurzaam- heid van enorm maatschappelijk belang is, is het belangrijk hernieuwd naar de regelge- ving voor het beoordelen van nieuwe en be- staande constructies te kijken. Er kan een nieuwe ontwerpfilosofie worden ontwikkeld voor een nieuwe generatie bouwcodes. Hier- in krijgt a) duurzaamheid een duidelijke plaats in de life-cycle cost optimisation voor nieuwe en bestaande constructies en b) wor- den constructies beter gezien in het systeem waar ze een duidelijke functie hebben. Het methodologische raamwerk voor de proba- bilistische optimalisatie van constructies ligt er, is wetenschappelijk gefundeerd en heeft zich bewezen waardevol te zijn. Het raam- werk moet echter nog wel concreet worden ingevuld en doorontwikkeld voor het toetsen van bouwconstructies voor veiligheid én duurzaamheid. LITERATUUR 1?Faber, M.H., Perspectives on Reassessment of Structures and Regulation, JCSS Workshop on Assessment of Existing Structures, 2021; https://www.jcss-lc.org/workshop-on- assessment-of-existing-structures/. 2?Rackwitz, R., Optimization ? the basis of code-making and reliability verification. Structural Safety 22(1), 2000, p. 27-60. 3?Steenbergen, R.D.J.M., Rózsás, Á., Vrouwenvelder A.C.W.M., Target reliability of new and existing structures - A general framework for code making; Heron, vol 63,3, 2018. 4?TNO rapport 060-DTM-2011-03086, Veiligheidsbeoordeling bestaande bouw, Achtergrondrapport bij NEN 8700, A.C.W.M. Vrouwenvelder, N.P.M. Scholten, R.D.J.M. Steenbergen, 2011. 5?ISO 2394, General principles on reliability for structures, 2015 6?Dantzig, D. van, Economic decision problems for flood prevention. Econometrica nr. 24, 1956, p. 276-287. 7?Dantzig, D. van en Kriens, J., Het economische beslissingsprobleem tenzake de beveiliging van Nederland tegen stormvloeden. Deel 3, bijlage Jl.2 van het rapport van de Deltacommissie, 1960. 8?Network of Central Banks and Supervisors for Greening the Financial System; https://www.ngfs.net/sites/ default/files/media/2021/08/27/ngfs_ climate_scenarios_phase2_june2021.pdf 9?Filekosten wegverkeer bij uitval oever- verbindingen. H. Drolenga en L. de Vries, Sweco rapport SWNL0240028, 2019. Het kan optimaler zijn een bestaande constructie met een zekere faalkans niet te versterken als de milieukosten voor het versterken aan de hoge kant zijn 76? CEMENT 4 20 23