Kennisplatform over betonconstructies

Ontwerp deurkassen Nieuwe Zeesluis
Nieuwe Zeesluis IJmuiden (2)
John Regtop

di 12 mei 2020
artikel

De deurkassen van de sluishoofden voor de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden zijn gerealiseerd met de pneumatische caissonmethode. Aanleiding voor deze bouwmethode was de eis om de bestaande waterkeringen en sluizen tijdens de bouw intact te houden. Met de pneumatische caissonmethode kon de noodzaak van diepe bouwkuipen worden voorkomen. Hierdoor was er minder zwaar heiwerk nodig en dus minimale trillingsbelasting op de bestaande sluizen, met name op de bijna 100 jaar oude Noordersluis. Bijvangst was het minimaliseren van (geluids)hinder ten gevolge van heiwerk voor de omgeving.

Serie over de Nieuwe Zeesluis IJmuiden

Een nieuwe, grotere zeesluis in IJmuiden moet ruimte bieden aan de steeds groter wordende zeeschepen en daarmee de bereikbaarheid van de haven van Amsterdam verbeteren. Technisch hoogstandje van het project zijn de deurkassen die zijn uitgevoerd als pneumatische caissons. In een vierluik nemen we je mee in het ontwerp en de uitvoering van de nieuwe sluis. Het eerste artikel is een inleiding van het project. In dit tweede deel wordt het ontwerp van de deurkassen behandeld en in deel 3 de pneumatische caissonmethode waarmee deze zijn uitgevoerd. Tot slot wordt in deel 4 beschreven hoe volgens de observational method tijdens de realisatiefase aanpassingen in het uitvoeringsplan werden gedaan.

1. Luchtfoto met o.a. de bouw van het caisson voor het binnenhoofd op een kunstmatig eiland (foto: Topview Luchtfotografie)

Pneumatische caissonmethode

De pneumatische caissonmethode (fig .2) is een methode waarbij de constructie op het maaiveld wordt gebouwd en die men vervolgens afzinkt door de grond onder de constructie te verwijderen. Onder de vloer van een pneumatisch caisson wordt een werkkamer of graafkamer gerealiseerd door snijranden van 2 à 2,5 m hoog langs de periferie van de vloer. Deze snijranden rusten op zogenoemde grondbermen. De buitenomtrek van de snijranden is groter dan de buitenomtrek van de bak, waardoor tijdens het zakken een spleet (overcut) ontstaat, die wordt gevuld met bentoniet voor de vermindering van de wandwrijving tijdens afzinken.

2. Pneumatische caissonmethode

Op het moment dat de grondwaterstand wordt bereikt, wordt er in de werkkamer verhoogde luchtdruk toegepast, gelijk aan de heersende waterdruk ter plaatse van de onderzijde van de snijrand. Hierdoor ontstaat een luchtbel waarin caissonwerkers 'in den droge' kunnen werken; het caisson wordt gedragen door de luchtdruk en de snijrandreacties. Vanuit de werkkamer wordt grond deels verwijderd. Als de ontgraving van de werkkamer vordert, begint het caisson te zinken. Vervolgens wordt in een spel van graven en zinken het caisson naar zijn uiteindelijke diepte gewerkt.
Ontgraven van de werkkamer kan op verschillende manieren gebeuren. In het verleden werd de grond handmatig verwijderd. Het is ook mogelijk de grond handmatig hydraulisch los te spuiten met hogedruk waterkanonnen en af te pompen. Dat losspuiten en afpompen kan ook met op afstand bedienbaar materieel (foto 3). Die laatste methode is in ontwikkeling en is toegepast in de caissons van de nieuwe zeesluis IJmuiden. Het is een interessante ontwikkeling omdat fysiek werken onder druk wordt geminimaliseerd of zelfs volledig voorkomen.

3. Het materieel in de graafkamer wordt op afstand bediend

Andere voorbeelden van de pneumatische caissonmethode

Oorspronkelijk – in de tijd dat grote diepe bouwkuipen niet konden worden gerealiseerd – was de pneumatische caissonmethode dé methode om een fundering te realiseren op grotere diepte onder de grond en onder water. Voorbeelden uit het verre verleden zijn de funderingen van de pylonen van de Brooklyn Bridge, de Eiffeltoren en het noordelijke landhoofd voor de Willemspoorbrug (Rotterdam). Recentere voorbeelden zijn de caissons voor de metro in Amsterdam (Wibautstraat) uit de jaren 70, sluishoofd Barrow-in-Furness (GB) uit 1991 en de pijlerfundatie voor de Erasmusbrug (Rotterdam) uit 1995.

"De deurkas voor het binnenhoofd is 81 x 55 x 25,6 m"

Indrukwekkende afmetingen

Het buitenhoofd van de zeesluis IJmuiden biedt plaats aan één operationele roldeur, het binnenhoofd aan zowel een operationele roldeur als aan het droogdok voor de reservedeur (fig. 4). De afmetingen zijn enorm. De deurkas voor het buitenhoofd meet 81 x 26 x 22 m (l x b x h) en de deurkas voor het binnenhoofd 81 x 55 x 25,6 m (afmetingen afgerond en exclusief 2,5 m hoge snijranden). De vloer is 4 m dik en de dikste wanden maar liefst 7 m.
Het binnenhoofd overtreft hiermee de maten van een vergelijkbaar referentieproject (een sluishoofd in Barrow-in-Furness (GB)) zelfs ruimschoots, hoewel de afmetingen daar ook indrukwekkend zijn: 50 x 50 x 25 m.

4. 3D-illustratie van het binnenhoofd

Realisatie

De caissons zijn gebouwd op de definitieve locatie op kunstmatige eilanden in het Noordzeekanaal (kanaalpeil NAP -0,4 m, fig. 5). Deze eilanden zijn opgebouwd uit damwandkuipen die met zand onder water zijn aangevuld tot NAP -5,0 m. Na het verlagen van de waterstand in de bouwkuipen tot NAP -8,0 m is deze aanvulling verdicht. Vervolgens zijn de bouwkuipen lokaal ontgraven tot NAP -7,5 m voor de bouw van de snijranden. Boven deze snijranden zijn vloer en wanden van de caissons gerealiseerd. Deze caissons konden vervolgens als geheel worden afgezonken. Aan het einde van het afzinken, met de caissons op het definitieve niveau, is zonder extra voorzieningen het effectief eigen gewicht nog steeds groter dan de opwaartse opdrijfkracht, zodat geen maatregelen nodig zijn tegen opdrijven.
Meer hierover staat in het derde artikel ‘Pneumatische caissonmethode’ in dit vierluik over de uitvoering.

5. Dwarsdoorsnede caisson deurkas binnenhoofd

Na het afzinken worden de deuraanslagen (aansluitvlakken tussen deur en caisson) en de laatste laag van de deurkaswanden met voorzieningen voor de roldeur gestort. Door deze werkwijze kunnen afzinktoleranties worden opgenomen. De caissons zijn voorzien van tijdelijke, voornamelijk uit staal opgebouwde kopschotten aan de kolkzijde. Deze zijn verwijderd na het afzinken, nadat de aansluiting met de bouwkuip voor de sluisdrempel was gerealiseerd. Na het afzinken van de caissons zijn de werkkamers gevuld met lagesterktebeton, door het pompen van het beton door de doorvoeringen in de vloeren van de caissons. De drempels worden vormvast verbonden met het caisson.

"De belastingen op de caissons tijdens het afzinken zijn niet eenduidig te definiëren vanwege de interactie tussen de grond en de caissons"

Afzinkontwerp caissons

Belangrijke fase voor het ontwerp van de caissons is het afzinken. Tijdens dit afzinken werken diverse belastingen op de caissons. Deze belastingen zijn niet eenduidig te definiëren omdat interactie plaatsvindt tussen de grond en de caissons. En deze interactie kan niet zo maar worden ontleend aan de basisprincipes van de mechanica.
Bij het bepalen van deze interactie moet rekening gehouden worden met diverse, niet alle in regels te vatten aspecten:

Belastingen:

  • eigen gewicht;
  • grond-, lucht- en waterdrukken;
  • ongelijkmatige snijrandreacties;
  • verhoogde gronddrukken tegen de caissonwanden ten gevolge van scheefzakken tijdens het afzinken (zogenoemde tiltbelastingen).

Toleranties:

  • meetnauwkeurigheid;
  • ontgravingstoleranties;
  • variatie grondparameters.

Daarenboven moet rekening worden gehouden met hydratatiespanningen.
Het was de uitdaging de afzinkbelastingen zoveel mogelijk op te nemen met de hoeveelheid wapening die nodig was in de definitieve situatie.
Door al deze verschillende belastingen en de interactie kende het project een aantal flinke constructieve uitdagingen. Een aantal daarvan wordt hier behandeld.

6. Modellen voor afzinkbelastingen: (a) maximaal hogging, (b) maximaal sagging en (c) maximaal torsie

Modellen

De afzinkbelastingen en daarmee de reactiekrachten en de spanningen in het caisson spelen een grote rol in het ontwerp en moeten goed worden geanalyseerd. Daarbij worden in de caissontechniek van oudsher drie modellen gehanteerd (fig. 6) die relatief recent zijn opgenomen in [1]. In deze modellen worden het verloop en de relatieve grootte van de snijrandreacties geduid. Daarmee kan een bovengrens worden bepaald voor de in rekening te brengen snijrandbelastingen. De eerste twee modellen zijn gebruikt voor het bepalen van de maximale buiging van het caisson tijdens afzinken, de derde voor de maximale torsie. Het eerste model laat de bovengrens zien van maximale snijrandreacties in de hoeken van het caisson en levert de maxima voor de ‘sagging moments’ (positieve momenten) over het caisson op. Het tweede model laat de bovengrens zien van maximale snijrandreacties in het midden van het caisson en levert de maxima op voor ‘hogging moments’ (negatieve momenten) in het caisson.
Deze drie belastingsmodellen zijn geschikt voor stijve doosvormige caissons, maar minder geschikt voor zeer langwerpige niet-doosvormige caissons, zoals bij de zeesluis IJmuiden zijn toegepast. Met name het derde model is geheel ongeschikt voor een torsieslappe constructie zoals in dit project het geval is, omdat de optredende spanningen en vervormingen in de caissons bij dit belastingsmodel veruit de haalbaarheid overschrijden. Derhalve is er voor gekozen de torsievervormingen tijdens afzinken te beperken tot een maximale waarde (monitoringsvoorwaarde).

Ontgraving

De wijze van ontgraven heeft veel invloed op de krachtswerking. In dit project is, afwijkend van de normale werkwijze van ontgraven onder caissons, gekozen voor een meer beheerste ontgraving om zo de grond-caissoninteractie te beheersen. Deze interactie vindt plaats tussen het stelsel van de snijranden onder het caisson en de dragende grond.
Om geconcentreerde dwarsbuiging ter plaatse van de kopsnijranden (de snijranden in dwarsrichting over de korte zijde van de caissons) te beperken, hield de gehanteerde ontgravingsstrategie in: de kopsnijranden nagenoeg geheel ontgraven houden tijdens het afzinken.
Om de langsbuiging (volgens figuur 6a en 6b) te beperken, is onder de langssnijranden (snijranden in langsrichting onder de langswanden) een ontgravingstolerantie ten opzichte van vooraf bepaalde steunbermbreedtes onder de langssnijrand gehanteerd van + of – 0,50 m. Deze tolerantie komt overeen bij hoge funderingssterktes (grondsterktes) met een variatie in snijrandreactie van + of – 500 kN/m1.
Vervolgens is deze tolerantiewaarde gebruikt voor het bepalen van de buiging in de langswanden. Voor deze buiging is voor de ULS het volledige driehoekige snijrandreactiemodel gebruikt (fig. 6a en fig. 6b). Voor de SLS is voor 70% de driehoekige verdeling (fig. 6a en 6b) en voor 30% de rechthoekige verdeling van de snijrandreactie genomen. En ook voor de SLS is een variatie in snijrandreactie van ± 500 kN/m1 gerekend, in combinatie met de hydratatiespanningen.
De torsiebelastingen (fig. 6c) zijn gelimiteerd. Met behulp van monitoring en het bijsturen van de graafvolgorde is de maximum torsie beperkt tot 100 mm. Hierbij is de definitie van torsievervorming het afwijken van één hoekpunt van het caisson ten opzichte van het vlak door de drie andere hoekpunten.

"De wijze van ontgraven heeft veel invloed op de krachtswerking"

Belastingen scheefzakken

Ten gevolge van scheefzakken van het caisson tijdens het afzinken, ontstaan horizontale belastingen op de wanden (tiltbelastingen). Deze zijn bepaald met een caisson-grond-interactiemodel in Plaxis (fig. 7). Daarbij is de bentonietgevulde overcut (spleet tussen grond en caisson) verwaarloosd. Een tilt van 1% is aangehouden als bovengrens bij start afzinken en 0,3% bij einde afzinken.
De extra horizontale grondspanningen ten gevolge van tilt zijn niet alleen van belang voor de verticale buiging in de caissonwanden en voor de belastingen van de kopschotten van de caissons, maar ook voor constructies in de directe omgeving van de caissons, met name damwanden en stempelramen. Deze kunnen door de verhoogde grondspanningen namelijk ook extra worden belast.

7. Plaxis-model voor het bepalen van de grondspanningen ten gevolge van tilt

"Voor het opnemen van de afzinkbelastingen zijn tijdelijke dwarswanden gebruikt"

Tijdelijke dwarswanden binnensluishoofd

Voor het opnemen van de afzinkbelastingen in dwarsrichting (met name dwarsbuiging) zijn tijdelijke dwarswanden gebruikt voor het caisson van het binnensluishoofd (fig. 8).

8. Tijdelijke dwarswanden caisson deurkas binnenhoofd

Dwarsanalyse binnensluishoofd

De vloer en de tijdelijke dwarswanden van het caisson van het binnensluishoofd moeten het eigen gewicht van de vloer met tijdelijke dwarswanden, de middentussenwand, de buitenste langswanden en de werkkamerdrukken opnemen. In de situatie dat het caisson als het ware op twee steunpunten (de grondbermen onder de langssnijranden) staat, is de 4 m dikke vloer alleen daar niet toe in staat, en ook in combinatie met de tijdelijke dwarswanden is de situatie kritisch. In dwarsrichting komen daar nog bij de buigende momenten als gevolg van de excentriciteiten van de massieve langswanden ten opzichte van de zwaartepunten van de grondreacties. Om dit op te lossen is de middensnijrand in de ontgravingscyclus zodanig betrokken dat er een beperkte, in grootte beheerste grondreactie ter plaatse van dit steunpunt wordt geleverd. De middensnijrand is ingezet om aan de strategische keuze ‘geen extra wapening ten gevolge van de afzinkbelastingen’ maximaal tegemoet te komen en om een vorm van robuustheid in de constructie ten behoeve van het afzinkproces in te bouwen.
De middensnijrand is niet gebruikt als star middensteunpunt omdat dat tot een onvoorspelbare draagstructuur voor het caisson zou leiden. Immers de constructie verwacht in een situatie met een star middensteunpunt een reactie van 3/8 en 10/8 q l (l is de afstand tussen de steupunten in het model van fig. 9) voor respectievelijk de randsteunpunten en het middensteunpunt. Maar de grond ‘weet dit niet’ en is dus een onzekere parameter. Zeker met inachtname van variaties in het grondgedrag en eigenschappen tijdens het dynamisch proces van afzinken in combinatie met ontgravingstoleranties.

9. 2D-liggermodel dwarsanalyse afzinkfase

Uitvoering dwarsanalyse

Voor een enkele situatie tijdens afzinken is, net als voor de eindsituatie, een 3D-model in SCIA gebruikt. Omdat het postprocessen van 3D-modellen tijdrovend en arbeidsintensief is, en vanwege het zeer grote aantal belastingsituaties tijdens het afzinkproces (van start afzinken tot einde afzinken met alle tussenliggende stadia) in combinatie met het aantal te beoordelen dwarsdoorsneden, is voor de dwarsanalyse van de caissons voor het afzinken gekozen uit te gaan van 2D-liggermodellen.
De verleiding is groot om de 2D-liggermodellen te berekenen met een werkende breedte gelijk aan de hart-op-hart-afstanden van de tijdelijke dwarswanden, maar dit zou tot onder- en overschatting van de werkelijke dwarswerking leiden. Immers door de combinatie met al of niet driehoekige snijrandreacties treedt andere belastingafdracht op dan die op basis van de hart-op-hart-afstand van de tijdelijke dwarswanden. Voor het bepalen van de uiteindelijk belastingafdracht per tijdelijke dwarswand zijn correctiefactoren bepaald uit het 3D-model.
Ter illustratie is in figuur 10 het torsiemodel uit het 3D-model getoond dat o.a. laat zien dat de belastingafdracht per wand niet lineair is, maar wordt beïnvloed door de vorm van de snijrandreacties en door de eigenschappen van de constructie zelf, bijvoorbeeld de invloed van de stijve middenwand.

10. Torsiemodel uit SCIA 3D-model caisson deurkas binnensluishoofd

Dwarswanden buitenhoofd

De afmeting van het caisson voor de deurkas van het buitenhoofd in dwarsrichting is de helft van die van het binnenhoofd. Voor de dwarsanalyse bestaat dit caisson uit twee langswanden en een tussenliggende vloer met een totale breedte van 26 m en een dikte van 4 m. Voor dit caisson zijn tijdelijke dwarswanden niet nodig voor het opnemen van de afzinkbelastingen.

Ontwerp eindsituatie

De belangrijkste functionele eisen die worden gesteld aan de sluis zijn: water keren, schutten, reservedeurbehuizing (droogdok) en weerstand tegen aanvaring. Impliciet betekent dit ook: grond keren. Op deze functionele eisen voor de definitieve situatie zijn de deuren, deurkassen, drempels en sponningen ontworpen. De globale stabiliteit van de caissons in de eindsituatie (deurkassen) onder invloed van de belastingen die voortkomen uit de functionele eisen, is geanalyseerd met Plaxis. Hieruit is gebleken dat deze globale stabiliteit niet kritisch is, zelfs niet bij extreem hoog water (NAP +8,85 m) of scheepsstoot (tot 80 MN ten gevolge van aanvaarbelastingen). Het constructief ontwerp van de deurkassen in de eindsituatie is geanalyseerd met een SCIA 3D-eindige-elementenmodel, vergelijkbaar met het model als getoond in figuur 10. Ten opzichte van het afzinkontwerp, is het ontwerp voor de eindsituatie relatief statisch of semi-statisch te noemen, met belastingen ten gevolge van eigen gewicht, grond- en waterdrukken, deurreacties, en aanvaarbelastingen. Complexer is het raakvlak tussen deur en deuraanslagen, met de hoge oplegkrachten van de deur bij scheepsstoten en hoog water. Maar dit is niet onoplosbaar. Desondanks leidt dit voor zowel de standaarddoorsnede als voor de complexere details tot ingewikkelde wapeningsdetails. Dit maakte het noodzakelijk om 3D-wapeningsmodellen te maken ten behoeve van de uitvoering. Hierin kwamen vooraf, voor start van de uitvoering, de toe te passen wapening, de in te storten onderdelen en de (zware) wapeningssupportconstructies samen. Een investering vooraf die in de uitvoering ruimschoots is terugverdiend.

"Ten opzichte van het afzinkontwerp, is het ontwerp voor de eindsituatie relatief statisch of semi-statisch te noemen"

Bijzondere uitvoeringaspecten

Onder meer door de afmetingen van de constructie en de bijzondere uitvoeringswijze zijn er diverse aspecten in de uitvoering nader bekeken. Drie daarvan worden hier beschreven.

Stortfasering

De 4 m dikke caissonvloeren met breedtes van 26 m en 55 m en lengtes van 81 m zijn in langsrichting van de caissons gefaseerd gestort in vier moten van ruim 18 m. Tussen de stortfasen zijn stortstroken van 2 m aangebracht (fig. 11), waarin zettingsverschillen en verhardingskrimp wordt opgenomen. De wanden (tot 7 m dikte) zijn eveneens gestort in vier moten van circa 20 m per stort, zonder stortstroken, en in zes lagen (buitenhoofd vijf lagen).

11. Tussen de stortfasen zijn stortstroken aangebracht

Controle op onthechting wapening

Tijdens de storten van de vloermoten treden zettingen op in de ondergrond. Hierdoor zouden wapeningsstaven door het vers gestorte beton kunnen worden getrokken, waardoor er holle ruimtes ontstaan rondom de staven. Hierdoor zouden onthechting en op termijn ook duurzaamheidsproblemen kunnen ontstaan. Dit effect is geanalyseerd door de wapeningsstaven te schematiseren als een tweezijdig ingeklemd liggertje, waarbij voor de wapeningsstaven Ø40 mm een opleglengte van 100 mm in het (verse) beton is gekozen (fig. 12).

12. Schematisering wapeningsstaaf

De optredende betonoplegspanningen van de wapeningsstaven per mm zetting op de verse en net verhardende beton worden als volgt bepaald:

P=3·E·I 12·δl3

P = 40 N/mm zetting

Per mm zetting is de oplegspanning van de staaf:

σc=4040·100=0,01 N/mm2

De optredende zetting als gevolg van de (toenemende) stortbelasting, tegen de tijd, tegen de toenemende oplegspanningen en de ontwikkelende betondruksterkte zijn geanalyseerd en weergegeven in figuur 13.
Uit de analyse blijkt dat de optredende betonoplegspanningen van de wapeningsstaven bij de voorspelde zettingen vele malen minder snel worden ontwikkeld dan de ontwikkeling van de sterkte van het beton. Het beton blijft de wapeningsstaven dus omsluiten. Dit is te zien in de derde grafiek, in figuur 13c. Daarenboven zijn de gemeten zettingen kleiner gebleven dan de voorspelde zettingen (60%), te zien in de grafiek in figuur 13b.

 

13a. Het verloop van de storthoogte

13b. Het verloop van de optredende zetting als gevolg van de (toenemende) stortbelasting

13c. Het verloop de toenemende oplegspanningen en de ontwikkelende betondruksterkte

Hydratatiekrimp

Trekspanningen in het beton van de wanden (tot 7 m dikte, met stortmoten van circa 20 m) ten gevolge van hydratatiekrimp kunnen worden beperkt door de keuze van het juiste betonmengsel. Echter in het geval van de pneumatische caissonmethode komen bovenop deze hydratatiekrimpspanningen de trekspanningen als gevolg van de afzinkbelastingen. Deze combinatie vereist extra aandacht.
De gemiddelde afkoeling ten gevolge van de hydratatie bedraagt 26 °C. Deze is berekend met verhardingsmodellen. In dit model wordt de warmteontwikkeling ten gevolge van hydratatie en de afdracht naar de omgeving met een eindige-elementenmodel berekend.
De hydratatiespanningen zijn berekend op basis van een langs de rand verhinderde constructie conform CIRIA C660 inclusief de latere aanvulling [2], en gecombineerd met de trekspanningen ten gevolge van de afzinkbelastingen. De totale spanningen vormen vervolgens de basis voor de berekening van de scheurwijdtebeheersende horizontale wapening in de caissonwanden conform de Eurocode.

14. Temperatuurontwikkeling tijdens hydratatie

Slot

De caissons liggen onbeschadigd op diepte, wat laat zien dat het afzinkontwerp van de caissons adequaat is geweest voor het afzinkproces. De ongekende schaalgrootte van de caissons voor de grootste zeesluis ter wereld was een flinke uitdaging voor het afzinkontwerp, maar heeft niet geleid tot onmogelijkheden. Het ontwerpteam mag met recht trots zijn op de geleverde prestatie.

Referenties

  1. Richtlijnen Ontwerp Kunstwerken ROK, Rijkswaterstaat.
  2. The development of a revised unified approach for the design of reinforcement to control cracking in concrete resulting from restrained contraction; ICE Research Project 0706; February 2010.

Projectgegevens

Project Nieuwe Zeesluis IJmuiden
Opdrachtgever Rijkswaterstaat
Opdrachtnemer OpenIJ, consortium bestaande uit BAM-PGGM, VolkerWessels en DIF
Contractvorm DBFM met 26 jaar onderhoud
Oplevering 2022

Reacties

xMet het invullen van dit formulier geef je Cement en relaties toestemming om je informatie toe te sturen over zijn producten, dienstverlening en gerelateerde zaken. Akkoord

Copyright 2020 Aeneas Media

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie AccepterenWeigeren