• Onderzoek , Sluitstuk
  • 14/02/2023

Sluitstuk | Rekenen aan het riool

Het grootste deel van onze rioolbuizen is vlak na de Tweede Wereldoorlog aangelegd. Met een gemiddelde levensduur van zo’n tachtig jaar komt het einde van deze buizen in zicht. Er is onvoldoende capaciteit om het gehele rioolnetwerk te vervangen, maar volgens TU/e-bouwkundige Irene Scheperboer is dat mogelijk ook niet nodig. Ze onderzocht de sterkte van rioolbuizen die al lang in de grond liggen en ontwikkelde een geavanceerd model dat beter kan aangeven of een buis vervangen moet worden.

door
foto Levi Baruch

“Ik werk in de rioleringen.” Met een uitgestreken gezicht geeft TU/e-onderzoeker Irene Scheperboer op feestjes antwoord op de vraag wat voor werk ze doet. Even een binnenpretje. Want Scheperboer - “liefst een jurkje en een hakje”- zorgt graag voor wat verwarring. Toch heeft ze zich de afgelopen vijf jaar intensief bezig gehouden met ons rioolstelsel en zal vandaag, dinsdag 14 februari, haar promotieonderzoek verdedigen aan de faculteit Built Environment.

Riool-robot

Tijdens haar onderzoek raakte Scheperboer steeds meer gefascineerd door de ondergrondse verborgen wereld, zoals ze het rioolsysteem zelf graag benoemt. Na de Tweede Wereldoorlog, in de tijd van de wederopbouw, werd een grootschalig systeem van buizen en putten onder de grond aangelegd in Nederlandse steden en dorpen. Deze riolering voert het regen- en afvalwater op een veilige en vooral hygiënische manier af. Het merendeel van die buizen zijn van beton. Scheperboer laat een paar stukken zien die ze in haar experimenten gebruikt heeft. De kleinste buis meet 400 mm, de grootste is maar liefst 800 mm breed en 1200 mm hoog. En opvallend, deze is niet rond maar eivormig. Dat zie je bij veel vrijverval-rioleringsbuizen, legt de promovenda uit. “Dit systeem maakt gebruik van de zwaartekracht om het afvalwater naar de plaats van bestemming te laten stromen. De buizen zijn onder een kleine hoek in de grond gelegd. De bovenste helft van de buis is rond, van onderen loopt hij taps toe. Hierdoor kan het rioolwater ook als het niet zoveel regent door de smallere geul snel en makkelijk doorstromen. Bij een hevige regenbui is er door de grote ruimte aan de bovenkant voldoende capaciteit om de extra toevoer te verwerken.”

Met een gemiddelde levensduur van zo’n tachtig jaar, beginnen veel rioolbuizen nu tegen hun einde aan te lopen. En willen we straks niet ‘in the shit’ komen te zitten, dan moeten we volgens Scheperboer nu actie ondernemen om de kwaliteit van onze riolering beter in kaart te brengen. “Met de huidige manier van inspecteren rijdt een robot met een CCTV-camera van put tot put door de rioolbuis. Hij kan weliswaar veel zien, rondraaien en inzoomen, maar het blijven slechts beelden. Van de gemeente Den Haag en Arnhem hebben we oude rioolbuizen gekregen waarmee we metingen konden doen. Zo konden we de resterende sterkte van de buizen testen, bekijken wat de materiaaleigenschappen van het beton zijn en onderzoeken in welke mate de buizen aangetast waren.”

Zwavelverbindingen

Het rioolwater dat door de buizen stroomt is niet bepaald schoon en bevat allerlei chemische stoffen, legt Scheperboer uit. “Aantasting van de rioolbuizen komt vaak door zogenoemde biogene zwavelzuuraantasting. De zwavelverbindingen in het rioolwater worden door aanwezige bacteriën omgezet in waterstofsulfide - de bekende rotte-eieren-lucht - en vervolgens door andere bacteriën weer wordt omgezet in zwavelzuur. Dat zwavelzuur kan reageren met het beton, waardoor er gips wordt gevormd. Dat is een veel brosser materiaal, dat makkelijk van de wand loslaat. De buis wordt als het ware opgegeten en in de loop van de tijd daarom steeds dunner.”

The Sewer Babes

In het lab fabriceerden Scheperboer en een postdoc waar ze veel mee samenwerkte - met een knipoog: “We opereerden onder de naam ‘TheSewer Babes’ ” - een indrukwekkende opstelling waarmee ze per buis onder meer wanddikte, treksterkte en de stijfheid van het beton konden bepalen. Eerst werden de buizen op ware grootte getest waarna ze er kleinere materiaalmonsters afzaagden, vertelt Scheperboer. “Zo konden we bepalen hoe ver de corrosie daadwerkelijk in de buiswand was doorgedrongen. Het blijkt dat de CCTV-camera niet altijd een goed beeld van de werkelijkheid geeft. Soms zag de buis er behoorlijk aangetast uit, maar bleek er nog een dikke laag gezond beton onder te zitten. En andersom zagen we ook vaak dat de buis er relatief goed uitzag, maar was de wanddikte voor meer dan de helft aangetast. Om te kunnen bepalen of je een rioolbuis direct moet vervangen of dat hij nog een jaar of tien, twintig mee kan, zijn metingen over de wanddikte van de buis dus heel belangrijk. Uiteindelijk wil je het liefst een tool waarmee de rioolbeheerder zelf de kwaliteit eenduidig kan bepalen, daar hebben we nu de eerste stappen voor gezet.”

Lees verder onder de foto.

Met deze opstelling kon Irene Scheperboer de wanddikte, treksterkte en de stijfheid van rioolbuizen meten.

Op basis van de experimentele data ontwikkelde Scheperboer vervolgens een model dat het bezwijkgedrag van rioolbuizen kan simuleren. “We zien dat de effectieve wanddikte van een buis de belangrijkste voorspeller is voor hoelang een buis nog mee kan. Verder zagen we dat een buis altijd bezwijkt door vier scheuren die vrijwel tegelijkertijd ontstaan. Slechts een van deze scheuren is doorgaans te zien op de camerabeelden, de andere scheuren zitten ofwel aan de buitenzijde, of zijn niet zichtbaar door het vuile rioolwater. Je hebt dan vier stijve delen die door een soort scharnieren aan elkaar verbonden zijn. Dat reageert heel anders op belasting en is veel instabieler dan een buis met één breuk. Het systeem kan dan plotseling bezwijken, bijvoorbeeld wanneer er graafwerkzaamheden in de buurt van zo’n buis worden uitgevoerd.”

Sinkhole

Een andere aanleiding waardoor veel rioolbuizen bezwijken is het wegspoelen van grond rondom de buis, waardoor de spanningsverdeling verandert. Zulke situaties zijn in de praktijk heel lastig te meten - immers: wanneer je de buis uitgraaft verdwijnen de holtes eromheen - en blijven ook buiten het zicht van de camera. Maar met een ‘eindige elementen model’, in het Engels finite element model (FEM) lukt het Scheperboer wél om het proces van gronderosie zichtbaar te maken. Daarvoor deelde ze een model van de rioolbuis op in kleine blokjes, de elementen. Wanneer ze de buis belast  - in het erosiemodel kan dat ook een grondwaterstroom zijn - worden vervolgens de spanningen en vervormingen lokaal, per element, berekend. Het totaal geeft dan een beeld van hoe de erosieholte zich ontwikkelt. Uit het onderzoek van Scheperboer werd duidelijk dat de ene vorm van gronderosie nauwelijks verzakkingen veroorzaakt, maar dat een ander type, waarbij grondwater en grond de buis in spoelen door een gat in de buiswand, tot grote lege holtes in de grond kan leiden. “Zonder dat we het door hebben spoelt er steeds meer grond weg waardoor het systeem instabiel wordt. Er kan dan ineens een enorme verzakking ontstaan - een sinkhole - wat tot gevaarlijke situaties kan leiden. Zien we nu een grote lekkage dan weten we dat we direct actie moeten ondernemen en het niet nog een paar jaar kunnen laten liggen.”

Het complexe van de rioolwereld blijft haar trekken, lacht Scheperboer tot besluit. Sinds anderhalf jaar is ze daarom werkzaam als projectmanager Underground Infrastructure bij onderzoeksinstituut IKT, waar ze verder kan werken aan allerlei ondergrondse problematiek. Voorlopig dus nog steeds “in de rioleringen”.

Deel dit artikel