Wil je je kunnen voorbereiden op de verwoestende kracht van water en wind, dan is een gedegen kennis van de stromingsleer onontbeerlijk. Aan de TU/e wordt dit vakgebied binnen diverse faculteiten beoefend, waaronder bij Technische Natuurkunde in de groep Turbulence & Vortex Dynamics (WDY).

Hoogleraar GertJan van Heijst ziet de situatie in Houston als gevolg van orkaan Harvey als wateroverlast in optima forma. “Daar is in een paar dagen een aantal keren de inhoud van het IJsselmeer naar beneden gekomen. Het is ook geen wonder dat dit niet zomaar kan wegstromen.” Hij verwacht dat naar aanleiding van deze ramp in Houston de riolering zal worden heringericht. Zelf denkt hij dan aan het aanleggen van enkele grote opvangbekkens in de stad zelf. “Dat lijkt me verstandig. Die zijn ook heel geschikt voor recreatie, zodat je het nuttige met het aangename kunt verenigen.”

Daarnaast helpt het als de bodem zoveel mogelijk waterdoorlatend is, benadrukt Van Heijst. “In Nederland zie je ook dat veel mensen hun tuinen volledig betegelen, zodat ze er minder onderhoud aan hebben. Dat zorgt er echter wel voor dat steeds meer regenwater via het riool moet worden afgevoerd, en het riool kan dit niet altijd aan.”

Overvloedige regen kun je dus kanaliseren door betere riolering en een ‘groenere’ bodem. Voor buiten hun oevers tredende rivieren lijkt de beste oplossing om de teugels wat te laten vieren en de rivieren meer ruimte te geven. “Daar is in Nederland in ieder geval voor gekozen na de overstromingen in de jaren negentig”, zegt Van Heijst. “Het is een goed alternatief voor het verhogen van de dijken."

Voor de bescherming van de Noordzeekust is een oplossing gekozen die hem als stromingsdeskundige erg aanspreekt. “Voor de kust van Zuid-Holland is een enorme berg zand in zee gestort. Deze ‘zandmotor’ zorgt via de natuurlijke getijdestromingen voor aangroei van zand langs de hele Hollandse kust.” Zelf is Van Heijst betrokken bij studie van een vergelijkbaar proces, waarin wordt gekeken hoe je havens het best kunt aanleggen om te voorkomen dat die snel verzanden door zand en slib dat door zee en rivieren wordt aangevoerd.

Een gordijn van luchtbelletjes houdt het zoute water tegen

De geleidelijke zeespiegelstijging brengt ook vrijwel onzichtbare, maar niettemin ingrijpende gevolgen met zich mee, benadrukt hij. “Zeker als je de Zeeuwse en Zuidhollandse delta in open verbinding wilt houden met de zee. Je ziet nu al dat zout zeewater, onder het zoete rivierwater door, doordringt tot in de binnenwateren van Gouda. Dat is natuurlijk een probleem voor de landbouw. Wij willen nu gaan kijken of je dat zoute water tegen kunt houden met zogeheten bellenschermen, een soort gordijnen van luchtbelletjes waar de scheepvaart geen hinder van ondervindt.”

En als de overstroming toch een feit is: zwem dan met je vingers iets gespreid, dan ben je eerder op het droge. Dat blijkt namelijk uit onderzoek van Josje van Houwelingen, promovenda in de groep WDY en zelf een fanatiek zwemster. Zij doet onderzoek in zwembad De Tongelreep, waarbij ze met speciale camera’s en luchtbelletjes de stroming rond wedstrijdzwemmers probeert te volgen - aangevuld met metingen aan kunstarmen in de windtunnel van gebouw Cascade.

Bij de faculteit Bouwkunde houden hoogleraar Bert Blocken en zijn collega’s van Building Physics zich bezig met aerodynamica en luchtstromingen in de gebouwde omgeving. Zo maakte Blocken bijvoorbeeld een stromingsmodel van de TU/e-campus. Eind dit jaar opent op het TU/e-terrein op zijn initiatief een nieuwe windtunnel.

In principe zou een zo aerodynamisch mogelijk vormgegeven gebouw het best bestand zijn tegen een orkaan als Irma, geeft Blocken desgevraagd toe. Iets met ronde, vloeiende vormen dus. En waarschijnlijk zeer symmetrisch, omdat je bij een orkaan voorbereid moet zijn op wind uit alle richtingen. “Maar je moet de zuigende werking van een orkaan niet onderschatten”, zegt hij. “Je ziet dat voertuigen en zelfs hele gebouwen de orkaan in gezogen worden. Een gestroomlijnd gebouw verkleint dus wel de windbelasting in horizontale richting, maar dan heb je nog altijd rekening te houden met die zuiging.”

Om de specifieke draaiende en zuigende werking van een orkaan te bestuderen, zijn er zelfs speciale windtunnels gebouwd. “Het mooiste en meest recente voorbeeld is de WindEEE in Ontario, Canada. Dat is feitelijk geen tunnel, maar een koepel, waarin een orkaan gesimuleerd kan worden.” Dergelijke windkoepels zijn zeer duur, legt Blocken uit. Volgens hem zijn de kosten van WindEEE deels opgebracht door belanghebbenden: de grote Noord-Amerikaanse verzekeraars. Dichterbij huis, in het Engelse Birmingham, staat een kleine koepel waarmee zogeheten ‘downbursts’ kunnen worden opgewekt. “Dat zijn sterke neerwaartse luchtstromingen, die ontstaan bij een zeer lokale wolkbreuken. Die komen in Europa vaker voor dan orkanen.”

“Bij orkaankracht 5 bestaan er geen onschuldige voorwerpen meer”

Als hij naar de verwoesting kijkt die orkaan Irma op onder meer Sint-Maarten heeft aangericht, dan kan Blocken slechts concluderen dat de plaatselijke woningen, met veel houtskeletbouw, simpelweg kansloos zijn geweest tegen een orkaan van categorie 5. De woningen in Nederland zouden hiertegen een stuk beter bestand zijn geweest, denkt hij. “Hier wordt traditioneel veel stijver en steviger gebouwd. Je ziet ook dat hoge gebouwen de orkaan het best hebben doorstaan. Dat komt doordat hoogbouw door hun hoogte sowieso bestand moet zijn tegen een forse windbelasting. Alleen de ruiten van flatgebouwen begeven het vaak tijdens een orkaan.”

In mei was Blocken bij een conferentie in Florida, toen daar het orkaanalarm afging. “We zijn toen naar een binnenruimte gedirigeerd zonder ramen. Een inpandig toilet of de badkamer is vaak de veiligste optie, ook omdat daar vaak weinig losse voorwerpen te vinden zijn. Bij orkaankracht 5 wordt alles rondgeslingerd met snelheden ver boven tweehonderd kilometer per uur, en dan bestaan er geen onschuldige voorwerpen meer - een kast met boeken is levensgevaarlijk.”

In december opent op de TU/e-campus op zijn initiatief een zogeheten atmosferische grenslaagtunnel. “Dat is een aanvulling op de aeronautische tunnel in Cascade”, vertelt Blocken. “Die laatste focust op uniforme luchtstromingen, terwijl we met de nieuwe tunnel een windprofiel kunnen maken zoals dat typisch nabij het aardoppervlak aanwezig is.” Aan de grond is de windsnelheid nihil, licht hij toe, en de windkracht neemt toe naarmate je hoger komt. In de nieuwe tunnel zal daarom onderzoek worden gedaan aan situaties waarbij een dergelijk windprofiel van toepassing is. “Zoals aan gebouwen, schepen, voertuigen, wielrenners en schaatsers. Maar niet voor aan orkanen, helaas.”

Lijm tegen bevingen

In Groningen, waar de bodem de laatste jaren regelmatig trilt door de gaswinning rond Slochteren, houdt de vraag hoe je huizen kunt beschermen tegen aardbevingen de gemoederen flink bezig. TU/e-promovendus Ömer Türkmen onderzoekt momenteel het flexibele versterkingssysteem QuakeShield, bedoeld om bestaande huizen zo te versterken dat ze beter bestand zijn tegen aardbevingen.

QuakeShield is in Groningen ontwikkeld door de bedrijven Koninklijke Oosterhof Holman en SealteQ Group. De TU/e heeft met de TU Delft al diverse testen uitgevoerd en TU/e-promovendus Ömer Türkmen onderzoekt bij Bouwkunde nu op fundamenteel niveau de werking van dit versterkingssysteem, waarbij koolstoflamellen worden ingebracht in het metselwerk.

“Het is niet zo gemakkelijk om de wanden van Groningse huizen te verstevigen, omdat ze niet zo dik zijn”, vertelt Türkmen. “De bestaande versterkingsmethoden richtten zich op huizen met dikkere wanden. Voor de lokale situatie moesten we een andere oplossing zoeken. We zijn in 2014 zelf gaan experimenteren en kwamen erachter dat een goede verbinding tussen de stijve koolstoflamellen en het brosse metselwerk cruciaal is. Dat wil zeggen dat de verbindende lijm zowel flexibel als stevig moet zijn.” Inmiddels is dat product ontwikkeld en verfijnd. Er worden eerst diepe groeven in de muur gefreesd, en daarin wordt de taai-elastische lijm aangebracht. Vervolgens worden hierin lichtgewicht koolstofcomposiet-strips geplaatst. Dit kan zowel bij nieuwbouw als bij bestaande bouw worden gedaan.

De initiatiefnemers hebben nu gezien dat het werkt en in samenwerking met de TU/e en de TU Delft is een makkelijk te gebruiken Excel-rekentool voor constructeurs ontwikkeld. Ze richten zich in eerste instantie nog vooral op Groningse huizen, waarvan er inmiddels vijf met QuakeShield zijn verstevigd. Gezien de positieve reacties vanuit het buitenland zal er in de toekomst worden gekeken wanneer de afzetmarkt kan worden uitgebreid. De werking van de flexibele lijm is echter nog niet op fundamenteel niveau verklaard, waardoor nog onduidelijk is in welke situaties dit versterkingssysteem verder nog van nut kan zijn. Het is de taak van promovendus Ömer Türkmen om dat uit te zoeken.

QuakeShield is een van de projecten die eind oktober te zien is tijdens de Dutch Design Week (DDW). In een proefopstelling zullen kleine metselwerkwanden op buiging worden belast. Zo kunnen bezoekers met eigen ogen zien dat het proefstuk niet bezwijkt, maar dat er slechts kleine scheurtjes ontstaan. De gedachte is dat het versterkte proefstuk eerst zal doorbuigen en vervolgens grotendeels tot zijn oorspronkelijke vorm zal “terugveren” door de flexibele werking van de lijm.

Adaptieve constructies

Bij Bouwkunde proberen ze gebouwen op een slimme manier beter bestand te maken tegen krachten van buitenaf, of zoals wind of een bewegende bodem. Zo houdt universitair docent Arjan Habraken van Structural Design zich bezig met zogeheten ‘adaptieve constructies’, die reageren op een variabele belasting.

Adaptieve constructies moet je zien als een soort interne spieren die geactiveerd kunnen worden, vertelt Habraken. “Met sensoren meet je de toestand van het bouwwerk. Dat wordt doorgegeven aan een computer, die vervolgens aan actuatoren doorgeeft wat ze moeten doen.” Ter illustratie noemt hij een voetgangersbrug waar hij zelf momenteel aan werkt. “Die is heel slank van bouw en zou in principe sterk doorbuigen als je er overheen loopt. Door het brugdek te onderspannen met een kabel, beperken we dat effect. En door een actuator tussen de kabel en het brugdek toe te passen, willen we deze doorbuiging op bepaalde punten altijd gelijk aan nul houden en zo de trillingen beperken.”

Om op die manier ook aardbevingen te ondervangen, is overigens nog erg lastig, benadrukt hij. “De tijdspanne waarbinnen aardbevingen plaatsvinden, is vaak heel kort. Dan heb je actuatoren nodig die zeer snel grote krachten moeten kunnen produceren. In de praktijk komt het erop neer dat je vooral reageert op de reactie van het gebouw op de aardbeving. Die treedt veelal op een wat langere tijdschaal op.”

Habraken geeft nog een voorbeeld van zo’n adaptieve constructie: de ‘mass tuned’ demper, een grote massa die hoog in een gebouw hangt, als een soort klokkenspel aan een touw. Deze komt in trilling als het gebouw zelf ook gaat trillen (door de wind, bijvoorbeeld), maar dan in tegenfase, zodat voorkomen wordt dat het gebouw in resonantie komt en kapot trilt. “Dat is de passieve variant”, legt Habraken uit. “Maar je kunt zo’n demper ook actief finetunen door tegen die massa aan te duwen.”

Onlangs waren bij Structural Design nog Italiaanse studenten te gast, vertelt Habraken. “Die deden onderzoek naar een schil om oude gebouwen in aardbevingsgebied. Je maakt dan een zogeheten stabiliteitskern die via actuatoren is gekoppeld aan de oudbouw. Die koppeling dempt de reactie van de oudbouw op de aardbeving.”

Sinds twee jaar beschikken ze bij Structural Design over een uniek apparaat dat in principe heel geschikt is om adaptieve constructies mee te creëren: een 3D-betonprinter. “Je kunt daar sensoren en actuatoren in het vloeibare beton meeprinten”, zegt Habraken. “Zo ver zijn we op dit moment nog niet, maar we zijn wel al aan het brainstormen over hoe we die mogelijkheden van de 3D-printer het best kunnen benutten.”

Bij Electrical Engineering is in de loop der jaren veel expertise opgebouwd over bliksem, en hoe je jezelf (en vooral je kwetsbare elektronica) daartegen kunt beschermen. Ook vandaag de dag wordt hoogleraar Guus Pemen nog regelmatig geconsulteerd over bliksemgerelateerde kwesties.

“In het verleden hebben we onderzoek gedaan naar de beveiliging tegen bliksem van de hogesnelheidslijn, hoogspanningsnetwerken, elektriciteitscentrales en industriecomplexen”, vertelt Pemen. “Momenteel hebben we slechts een paar kleine onderzoeksprojecten lopen, maar opereren we nog wel als een soort expertisecentrum.” Zo treedt hij zelf af en toe op als getuige-deskundige in rechtszaken waarbij moet worden bepaald of bepaalde bliksemschade wel of niet gedekt is door de verzekering. “Dat hangt vaak af van de vraag of de schade direct of indirect is.”

Directe schade is als de bliksem inslaat in het object zelf, legt hij uit. “Zo’n blikseminslag zorgt voor gigantische schade; vooral door de hitte, die kabels doet smelten en brandplekken veroorzaakt, maar ook mechanische schade tot gevolg heeft. Hele bomen worden door bliksem in tweeën gespleten.” Indirecte schade, daarentegen, ontstaat door de magneetvelden afkomstig van een naburige inslag, tot wel een paar honderd meter verderop. Door inductie kunnen die magneetvelden weer hoge stromen opwekken in elektrische installaties, die daardoor worden opgeblazen.

Zonnepanelen zijn een interessant geval, vindt Pemen, die onlangs nog een geval van bliksemschade onderzocht aan een boerenschuur vol panelen. “Je ziet dat het daar nog erg vaak mee mis gaat; de kapotte zonnepanelen vliegen je om de oren.” Die apparatuur op daken is erg gevoelig voor zowel directe als indirecte schade door bliksem, zegt hij. “Dat kun je voorkomen door ze goed te installeren, maar dat zit nog niet echt in de genen van de installatiebranche.”

Doordat de panelen en de bijbehorende bekabeling fungeren als een soort antenne, en bovendien zijn aangesloten op de elektrische circuits in huis, kan schade aan tv’s, computers, koelkasten ontstaan, zelfs bij een blikseminslag in de omgeving. Ook is er een risico op brand. “Eigenlijk is het heel verstandig om bij onweer alle stekkers uit de stopcontacten te trekken, en de kabels uit de omvormer van je panelen. Maar dat doe ik zelf ook niet hoor, moet ik zeggen.”

De ‘tien geboden’ voor bliksembeveiliging

Bij Pemens groep Electrical Energy Systems hebben ze ‘tien geboden’ voor bliksembeveiliging opgesteld. De belangrijkste is dat je moet zorgen dat de elektrische stromen die gepaard gaan met een inslag worden weggeleid van de gevoeligste onderdelen - vaak elektronica. “Dat kan met metalen behuizingen en dikke geleidende mantels om de kabels, maar we kijken nu met chipfabrikant NXP zelfs of je op chipniveau kunt beveiligen, bijvoorbeeld door dikkere sporen op printplaten aan te brengen en minuscule kooitjes van Faraday aan te brengen, die alle elektromagnetische velden buiten houden.”

Als je zelf buiten bent en door onweer wordt overvallen: de padvinderswijsheid gaat volgens Pemen gewoon op. “Hurk met voeten dicht bij elkaar, dan blijf je laag en hebt minste contact met de grond.” Met name bij festivals is het risico geraakt te worden reëel, vindt hij. “Ook afgelopen zomer zijn er volgens mij weer vier mensen door bliksem getroffen bij een festival in Frankrijk. Gelukkig worden podia en installaties tegenwoordig steeds beter beveiligd met bliksemafleiders.”