Kennisplatform over betonconstructies

Observational method in de praktijk
Nieuwe Zeesluis IJmuiden (4)
John Regtop

do 14 mei 2020
artikel

Voor de realisatie van de deurkassen voor de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden is gebruikgemaakt van pneumatisch caissons. Zowel de afmetingen als de eigenschappen zijn buitenproportioneel. Om te voorkomen dat in het ontwerp voor alle extreme belastingsituaties tijdens afzinken een sterkte- of weerstandseis moest worden verwerkt, is gekozen voor toepassing van de observational method.

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 deel 2 wordt het ontwerp van de deurkassen behandeld en in deel 3 de pneumatische caissonmethode waarmee deze zijn uitgevoerd. In dit vierde deel wordt tot slot beschreven hoe volgens de observational method tijdens de realisatiefase aanpassingen in het uitvoeringsplan werden gedaan.

1. Werkzaamheden bouw Nieuwe Zeesluis IJmuiden, met rechtsonder het pneumatisch caisson binnenhoofd (foto: Topview Luchtfotografie)

De beschikbare ruimte voor de realisatie van de nieuwe sluis is beperkt door de aanwezigheid van de bestaande sluizen. Het grotendeels meer dan 100 jaar oude sluizencomplex mag niet worden aangetast. Bovendien moet tijdens de bouw de waterkerende functie en de schutfunctie gehandhaafd blijven. Daarom is binnen de beïnvloedingszones van het oude zeesluizencomplex voor de nieuwbouw gekozen voor trillingsarme uitvoeringsmethoden (fig. 2). Deze methoden bestaan onder andere uit het toepassen van diepwanden, damwanden in cement-bentonietwanden en pneumatische caissons. Buiten de beïnvloedingszones zijn getrilde en geheide damwanden en combiwanden toegepast.

2. Overzicht Nieuwe Zeesluis IJmuiden

Deurkassen

De pneumatische caissonmethode is toegepast voor de deurkassen. Dit betreft voor het buitenhoofd:

  • caisson van circa 81 x 26 x 22 m (l x b x h, exclusief 2,5 m hoge snijranden) van circa 75.000 ton, geschikt voor:
  • één operationele deur.

En voor het binnenhoofd (foto 1 en fig. 3):

  • caisson van circa 81 x 55 x 25,6 m (l x b x h, exclusief 2,5 m hoge snijranden) van circa 150.000 ton, geschikt voor:
  • één operationele deur;
  • (droog)dok voor de reservedeur;
  • cellenwand van 81 x 10 m aan de zijde van het Noordzeekanaal;
  • appendix van 10 x 20 m.

De cellenwand is er ten behoeve van zowel de verkeersverbinding als de aanvaarbeveiliging. Deze wand wordt na het afzinken gevuld zand en puin. De appendix dient voor scheepsgeleiding en tevens voor aanvaarbeveiliging. Ook deze wordt met zand en puin gevuld. De appendix heeft een open onderzijde en is van bovenaf ontgraven. Hiermee was dit geen onderdeel van het pneumatische ontgravings- en afzinkregime. Er was echter wel afstemming vereist met de voortgang van het pneumatisch afzinken.

3. Pneumatisch caisson binnenhoofd

Afzinkwerkzaamheden

Nog nooit is ergens ter wereld een pneumatisch caisson afgezonken met een oppervlak zo groot als het binnenhoofd bij de zeesluis in IJmuiden. De caissons zijn gebouwd op kunstmatige eilanden in een bouwkuip met een maaiveld niveau van NAP -5,0 m (grondwaterpeil NAP -8,0 m tijdens ruwbouw), omgeven door (grond)water met een waterstand van NAP -0,4 m (waterpeil Noordzeekanaal).

De afzinkwerkzaamheden bestonden uit:

  • het pneumatisch afzinken van het caisson voor de deurkas van het buitenhoofd van NAP -7,50 m tot NAP -24,30 m (snijrandniveaus);
  • het pneumatisch afzinken van het caisson voor de deurkas van het binnenhoofd van NAP -7,50 m tot NAP -25,55 m NAP (snijrandniveaus).

"Er was een andere ontgravingsstrategie nodig dan gebruikelijk"

Torsiegevoelig

Normaal gesproken bestaat een caisson uit een ‘gesloten doos’ of een gedrongen, stijve constructie. Dit is echter voor de caissons voor de deurkassen in IJmuiden niet het geval. De caissons zijn hier, globaal gesproken, torsie-slappe constructies die niet in staat zijn de extreme belastingen tijdens afzinken op te nemen (met name torsiebelastingen). Tijdens het afzinken moet namelijk worden gerekend op ongelijkmatige, niet eenduidig voorspelbare reactiekrachten vanuit de grond, waardoor extreme buiging en torsie als een mogelijke belastingsituatie moet worden beschouwd.
Hierdoor was een andere ontgravingsstrategie nodig dan gebruikelijk. Waar normaal alleen wordt gestuurd op zakking en scheefstand, is hier gekozen voor een strategie met een uitzonderlijke beheersing van het ontgravingsproces, waarbij de globale belasting op de caissons beperkt werd gehouden.
Deze strategie vereist duidelijk inzicht in de krachten die de grond tijdens het afzinken uitoefent op de caissons. Dit inzicht wordt niet zomaar verkregen, omdat het gedrag en de sterkte- en stijfheidseigenschappen van de grond variëren. Dit ook tijdens het ontgravings- en bezwijkproces van de grondbermen onder het caisson. Doordat de grond tijdens afzinken lokaal wordt belast tot plastisch gedrag, en op andere locaties het gedrag statisch is, kunnen zeer grote reactieverschillen ontstaan.
Het is daarom noodzakelijk het geheel van krachten en reacties te beheersen, bestaande uit:

  • aandrijvende krachten (gewichten van de vloeren en wanden van het caisson);
  • weerstand biedende krachten (gronddruk langs de snijranden, pneumatische druk tegen de vloer, wrijving langs de buitenwanden);
  • krachten ten gevolge van opgelegde en opgetreden vervormingen van de constructie door ongelijkmatig grondgedrag en ontgravingstoleranties in de werkkamer;
  • uitwendige belastingen (water- en korreldruk).

Dit geheel van krachten en reacties moest integraal worden beoordeeld tijdens de verschillende fases van het afzinkproces. Om te voorkomen dat voor alle extreme belastingsituaties een (voor deze constructie onhaalbare) sterkte- of weerstandseis moest worden verwerkt in het ontwerp, is gekozen voor de observational method.

Observational method

De ‘observational method’ is een ontwerpmethodiek waarbij tijdens de realisatiefase van het project aanpassingen kunnen worden doorgevoerd in met name het uitvoeringsplan. De observational method begint met het maken van een plan waarin de uitgangspunten voor ontwerp en uitvoering worden gedefinieerd en waarin de bepalende, te observeren parameters worden gekozen.

Statisch systeem

De te observeren parameters moeten een eenduidige relatie hebben met de stress state (het geheel van trek-, druk- en schuifspanningen) van de constructie en de ondergrond. Vanwege niet eenduidige eigenschappen, met name vanuit de grond, is het verkrijgen van inzicht in de parameters die de stress state bepalen gedurende het gehele afzinkproces zeer moeilijk, bijna onmogelijk.
Het gaat bij de zeesluis om een meervoudig statisch onbepaald systeem, bestaande uit een samenspel van vijf door de grond ondersteunde snijranden (drie langs en twee kopse, fig. 4). Met het oog op de complexiteit is voor ontwerp en uitvoering echter gekozen voor een enkelvoudig statisch bepaald systeem, namelijk een systeem opgelegd op twee steunpunten: de snijranden onder de langswanden van het caisson. Bij het ontgraven van de overige snijranden is een boven- en ondergrens toegekend aan de bijdrage in de draagfunctie.
Een systeem op twee steunpunten in deze toepassing zal altijd evenwicht zoeken en vinden. Daarbij zakt het caisson scheef als de sterkte of stijfheid van één van de twee steunpunten onvoldoende is. Op deze wijze wordt een nagenoeg statisch enkelvoudig systeem gecreëerd dat te beoordelen is gedurende alle fasen van afzinken.

4. Doorsnede caisson met drie snijranden in langsriching (caisson deurkas binnenhoofd)

Steunbermen

In de caissontechniek gebeurt (scheef)zakken niet plotseling, maar langzaam, als functie van de ontgraving van de steunbermen. Stoppen met ontgraven resulteert in groei van de steunbermen, waardoor evenwicht wordt gevonden. Het caisson bepaalt als het ware zelf welke breedte van de steunberm benodigd is.
Variaties in de breedte van de steunberm over de langsrichting (rode en groene zones in figuur 5) en variaties in de grondsterkte zijn erg belangrijk, omdat deze bepalend zijn voor langsbuiging van de wanden van het caisson en voor globale torsie. Gemiddelde variaties in breedte van de steunbermen zijn in dit geval beperkt tot +/- 0,5 m. De variaties in grondeigenschappen over de langsrichting kunnen vervolgens worden beoordeeld door middel van torsiemetingen.

 

5. Steunberm onder de snijrand (twee situaties: smalle berm (links) en brede berm (rechts) inclusief ontgravingstoleranties )

Monitoring

Omdat afzinken een langzaam verlopend proces is, kunnen de ontgravingen van de steunbermen goed als beheersmaatregel worden ingezet voor de langsbuiging, torsie en scheurwijdte. Door het voortdurend meten en beoordelen van de steunbermen onder de langswanden (foto 6) in combinatie met het meten van scheefstanden en torsie (fig. 7) kan de stress state van de constructie worden beheerst.

6. Scheurwijdte-inspectie en bermmeting in de werkkamer, gecombineerd met onderhoud

7. Impressie real time monitoring

De praktische toets van de theoretische stress state is uitgevoerd met scheurwijdte-inspecties (foto 6, fig. 8), die op reguliere intervallen tijdens het ontgravingsproces zijn uitgevoerd. Deze inspecties betroffen met name het plafond van de werkkamer, de wanden van het caisson en de tijdelijke dwarswanden.

8. Ontwikkeling van de scheurvorming in de oostelijke werkkamer bij het einde van het aflaten

Naast realtime monitoring van scheefstanden, torsie en absolute positie zijn ook andere parameters gemonitord die het afzinkproces beïnvloeden, zoals grondwaterstanden, stijghoogtes en luchtdrukken. Ook de omgeving is realtime gemonitord. Het gaat om spanningen in stempels en vervormingen van de bouwkuipen.

"Het belangrijkste stuurmiddel is het monitoren van de breedtes van de steunbermen in de werkkamer"

Bermbreedtes

Het belangrijkste stuurmiddel om ongewenste zakking en vervorming van het caisson te voorkomen, is het monitoren van de breedtes van de steunbermen in de werkkamer. Om de operators van de graafarmen te ondersteunen bij de interpretatie van de beelden, zijn vooraf een aantal gekleurde ‘haarspelden’ in het plafond van de werkkamer gestort. Deze haarspelden dienden als oriëntatie en om een inschatting te kunnen maken van de plaatselijke bermbreedte. Afhankelijk van de zaksnelheid zijn de bermen periodiek ingemeten door een beperkt aantal mensen kortstondig in de werkkamer te brengen.
De resultaten van deze metingen zijn verwerkt in een controlesheet en vergeleken met de targetbreedtes van de bermen inclusief de bijbehorende toleranties (fig. 9). Ook de actuele scheefstand en torsie zijn beoordeeld.

9. Voorbeeld van een verwerkte bermmeting en opstellen van nieuwe targetbreedtes

Door de site engineering zijn de data vertaald naar de stress state van het caisson. Hierbij zijn ook de ontwikkeling van scheurpatronen en de grootte van de scheurvorming als parameter meegenomen (fig. 8). Op basis van deze verzamelde informatie en de evaluatie ervan, zijn voortdurend ontgravingsinstructies voor de steunbermen geformuleerd, zodanig dat de stress state van de constructie binnen de ontwerprandvoorwaarden bleef. Hierbij is gebruikgemaakt van een spreadsheet om snel en adequaat te kunnen beoordelen.
Een en ander is vervolgens vastgelegd in een baggerplan (fig. 10). Hierin is aangeven hoeveel bij welke positie mag worden weggebaggerd om binnen de gemiddelde variatie van +/- 0,5 m bermbreedte te blijven.

10. Voorbeeld van een baggerplan

"Tijdens het afzinkproces is 24 uur per dag overleg gevoerd tussen engineering en uitvoering over de data uit het monitoringssysteem"

Observational method in de praktijk

Vanwege de toepassing van de observational method was er gedurende het hele proces een continue afstemming tussen ontwerp en uitvoering. In de voorbereiding is veel overleg gepleegd over vereiste toleranties, signalerings- en interventiewaarden van scheefstanden en torsie, en informatie hierover is verwerkt in het ontwerp van het caisson. Een belangrijke afweging hierbij was de praktische haalbaarheid van toleranties. In geval van tegenstrijdige belangen zijn afwegingen gemaakt tussen oplossingen in het ontwerp.
Tijdens het afzinkproces is 24 uur per dag overleg gevoerd tussen engineering en uitvoering over de data uit het digitale monitoringssysteem, inmetingen van bermbreedtes, scheurvorming, en zijn de resultaten verwerkt in baggerplannen.
In theorie lijkt dit heel erg gecompliceerd. In de praktijk heeft dit echter goed gewerkt. Vanwege de uitgebreide voorbereiding en samenwerking tussen ontwerp, site engineering en uitvoering waren alle uitgangspunten en beperkingen voor iedereen helder. Er was commitment met betrekking tot alle noodzakelijke eisen en randvoorwaarden. Zo is gedurende het project, zowel in de voorbereiding als in de uitvoering, een optimale mix ontstaan tussen theoretische kennis en praktische haalbaarheid. Belangrijk aspect hierin was het bij elkaar huisvesten van het ontwerpteam, site-engineeringsteam en het uitvoeringsteam.
Vanuit risicobeheersing, geïnventariseerd in het voortraject, is een uitgebreid communicatieprotocol opgezet. Hierin zijn duidelijk de bandbreedtes vastgesteld voor de afzinkoperatie voor de constante informatie-uitwisseling tussen alle betrokken partijen. Het gemeenschappelijk doel was voor iedereen heel erg duidelijk: beide caissons moesten onbeschadigd op diepte worden afgezonken en dat binnen toleranties die nog nooit eerder waren behaald.
Uiteindelijk bleken de caissons voor de deurkassen van zowel het buitenhoofd als het binnenhoofd tijdens het afzinken goed beheersbaar en bestuurbaar. Het inmeten van de bermen, het beoordelen van het monitoringssysteem, het opstellen van de graafplannen en het uitvoeren van scheurinspecties, hebben ervoor gezorgd dat het afzinkproces tijdens het zakken en het plaatsen op einddiepte binnen de gestelde toleranties is verlopen. De vooraf vastgelegde toelaatbare scheurwijdtes en geometrische toleranties zijn niet overschreden. Het gevoel voor het gedrag van het caisson is gedurende het afzinkproces steeds beter tot ontwikkeling gekomen. Dit gold voor zowel de engineers als de operators. De observational method en het op afstand bediend afzinken hebben beiden daarmee hun waarde bewezen en hebben geleid tot een succesvolle afronding van het pneumatisch afzinken van de caissons voor de deurkassen van de zeesluis IJmuiden.

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