prof.ir.J.F.Agemahoogleraar Algemene WaterbouwkundeTH-DelftBeton als golfbreker1Golfbreker te Sines (Portugal)2Aanleg van de oorspronkelijke lagedammen en de doorgraving van de NieuweWaterweg bij Hoek van Holland tussen1863 en 18783Havenmond Hoek van HollandCement XXXVI (1984) nr. 11. InleidingGolfbrekers zijn sedert eeuwen gebruikelijkewaterbouwkundige constructies voor hetvormen van een haven als beschutte lig-plaats voor schepen (foto 1). De functie vangolfbrekers houdt in dat deze constructiesaan relatief zware golfaanval blootstaan.E?n van de eerste golfbrekers is ongeveer2000 jaar voor Christus aangelegd voor dehaven van Phonos langs de kust van Egypte.Deze 250 m lange golfbreker (taluddam) wasopgebouwd uit grote stukken natuursteen.Historische voorbeelden in Europa zijn dehavendammen van Plymouth (UK) en Cher-bourgh (Frankrijk), daterend van omstreeks1800. Ook deze golfbrekers waren samenge-steld uit grote stukken natuursteen. Uit eigenland mag niet onvermeld blijven de door Pie-ter Caland ontworpen en gebouwde oor-spronkelijke (lage) dammen bij de doorgra-ving tussen 1863 en 1878 van de Nieuwe Wa-terweg bij Hoek van Holland (foto 2) voor detoegang van de havens van Rotterdam. De;z:edammen waren afgezonken met rijshoutenstukken en bekleed met prismavormige na-tuursteen in zgn. lipverband. De laatste de-cennia zijn en in de toekomst zullen havensworden aangelegd voor schepen met steedsgrotere afmetingen en verscheidenheid in ty-pen, zoals bulk-, container- en roll?on-roll-off schepen. Daardoor nemen de dimensiesvan de havens toe (fig. 3) en golfbrekers wor-den, in grotere waterdiepten tot ca. 45 maangelegd, blootgesteld aan een toenemen-de golfaanval tot significante hoogten van.16 m.502. Typen en functies van golfbrekersGolfbrekers kunnen we als volgt indelen::- taludtypen, opgebouwd uit steenmateria-len;- verticale wandtypen, samengesteld uitcaissons, damwanden e.d.;- hybride constructies.Dit artikel behandelt uitsluitend de construc-tie van gestrekte trajecten van golfbrekersvan het taludtype, met het accent op de be-tonnen bekledingselementen die op het zee-waartse talud liggen.Bij taludgolfbrekers kunnen we een viertalhoofdvormen onderscheiden (ligA):a. het taludtype;b. taludtype met onder water een 'voor'golf-breker;c. taludtype met een buitenberm;d. taludtype met een naar buiten gekniktzeewaarts talud.Vooral de vormen b,cen d beogen een reduc?tie van de golfoploop en -aanval op de golf-breker of gedeelten daarvan.De mogelijke functies van golfbrekers voorhav?ns en haventoegangen kunnen als volgtworden geformuleerd:a. golfkering of golfreductor;b. stroomgeleider;c. grond(zand)kering;d. geleiding en markering voor de scheep?vaart.Afhankelijk van de omstandigheden ligt hetaccent meer of minder op ??n van deze func-ties. Zo zijn de havendammen van Hoek van/iA ~ 0/iV:_~.~"",~,.,-,.,,.,...,.4Hoofdvormen van taludgolfbrekersa - talud typeb- met zgn. 'voor'golfbrekerc - met bermd - met geknikt talud5Golfbreker met het haventerrein directdaarop aansluitend (Zeebrugge)A~/L~W.~~~ ~-?kern" - - - ' . -- - -.- ~~Holland (Rotterdam-Europoort) primairstroomgeleiders. Omdat de havens meerlandinwaarts zijn gelegen, behoeven dedammen slechts beperkt golven te reduce-ren, zodat met relatief lage dammen met dekruin juist boven gemiddeld hoog water kanworden volstaan. Hierbij WOrdt ook voldaanaan de scheepvaarteisen. De Noorderdamvervult tevens een zandkerende functie.Aan de meeste golfbrekers bij havens wor-den aanzienlijk hogere eisen gesteld voor debescherming tegen golven, om schepen eenrustige ligplaats te bieden (foto 5). Deze ei-sen gelden ook voor golfbreektrajectenwaarop direct haventerreinen aansluiten.Dan is ook de grondkerende functie belang-rijk zoals bij de haven van Zeebrugge.Uit de te vervullen functies vloeien ontwerp-eisen voort betreffende de:- geometrie van het dwarsprofiel;- constructieve samenstelling;- sterkte en duurzaamheid.Voor desterktebepaling is de golfbelastingverreweg overheersend. Om ervoor te zor-gen dat in de loop van de tijd de golfbrekerzijn functie blijft vervullen, moet bij het ont-werp rekening worden gehouden met onder"houdsmogelijkheden.Resumerend kan op grond van het voorgaan-de een indeling voor golfbrekers worden ge-maakt met betrekking tot de kruinhoogte(fig. 6):I. lage kruin, waarbij vooral onder storm-condities de waterstand boven de kruin kankomen en relatief veel golfoverslag optreedt;11. middelhoge kruin met matige golfover"slag;111. hoge kruin, zodanig dat bij hoge water-standen geringe golfoverslag plaatsvindt.3. UitvoeringsaspectenDe uitvoeringsmethodiek en het daarbij tegebruiken materieel zijn mede bepalend voorhet ontwerp. Dit geldt speciaal voor de ver-schillende bouwfasen met de daarbij heer-sende omstandigheden van golven enstroom.Golfbrekers kunnen op 3 manieren wordengebouwd:a. geheel vanaf het water, zoals bij Hoek vanHolland (foto 7);b. geheel vanaf de golfbreker;c. combinatie van a en b waarbij het onder-ste gedeelte vanaf het water en de boven-bouw over de golfbreker wordt aangelegd.In Zeebrugge (Belgi?) is deze uitvoeringswij-ze getozen (foto 8).4. Economische facettenAls economisch uitgangspunt zou een ont-werp gerealiseerd moeten worden waarvande som van de initi?le kosten en van de geka-pitaliseerde kosten van-reparatie van de golf-breker vermeerderd met die van het herstelvan de gevolgschade, minimaal is. Gelet opde complexiteit hiervan wordt in het alge-H'~...,)'0//);';"/"'_'N:;l;.t!!,.,O~r:!~1'7 (1GJ/.,/',,#'~r//J~6a-bOpbouw van lage, middelhoge en hogegolfbreker7Blokkenvaartuig in actie bij opbouwhavendammen Hoek van Holland; aanleggeheel vanaf het waterCement XXXVI (1984) nr. 1 518Aan/eg golfbreker Zeebrugge; deonderbouw gebeurt vanaf het water, debovenbouw over de golfbreker9Vier typen kubussen: a. normale kubus,b. Antifer-kubus (Antifer ligt bij Le Havre),c. Sto/k-kubus, d. BH3-kubus (BH3 =Bouw Havenmond Hoek van Holland)Naast deze massieve blokken zijn tientallenslanke (ongewapende) elementen ontwik-keld waarbij een relatief grote haakweer-stand en pori?ngehalte van de bekledingwerd gerealiseerd, zodat naast reductie vangolfoverslagook de hydraulische stabiliteitwerd opgevoerd. De meest toegepaste (on-gewapende) typen met uitstekende armenzijn (tig. 10):- de Tetrapod, een regelmatig vier-armigelement;- de D%s,een stam met aan elk einde eendwarsstuk, die onderling een hoek van 90?met elkaar maken (te vergelijken met eenstokanker).- Tenslotte kan nog worden genoemd hettype gevormd door een stam zonder eind,zoals Stabit (foto 11).Kubussen, om precies te zijn niet gemodifi-ceerde blokken, zijn veelvuldig toegepast,bij voorbeeld voor de havendammen bij Hoekvan Holland. Mede gelet op de eenvoudigefabricage en andere bijkomende gunstigeaspecten worden tegenwoordig veelal ge-groefde (Antifer) kubussen toegepast, ondermeer bij de golfbrekers te Zeebrugge. StoIk-blokken zijn verwerkt in de golfbreker vanScheveningen.vormige profiel wordt geformeerd door eenbetonnen plaat met daarop een rij kubussenmet kleine tussenruimten.6. Betonnen bekledingselementenVoordat de elementen nader worden bespro-ken, wordt opgemerkt dat een bekleding inhet algemeen is opgebouwd uit twee lagen'at random' geplaatste elementen. Aanvan-kelijk werden uitsluitend (ongewapende) be-tonnen kubussen en prisma's toegepast. La-ter zijn modificaties aangebracht om dehaakweerstand op te voeren en het pori?n-gehalte van de bekleding te vergroten, vooralom degoifopioop te reduceren. Enkele vandeze modificaties zijn (fig.9):a. een groef evenwijdig aan enin het middenvan de ribben van vier (staande) vlakken (ty-pe Antifer);b. twee onderling loodrechte groeven even~wijdig aan en in het midden van de ribbenvan elk van de vlakken (BH3 blok);c. cilindervormige gaten loodrecht op en inhet midden van elk paar tegenoverliggendevla\(ken (Stolk blok).5. Samenstelling van golfbrekersUitgaande van een zandige bodem bestaateen taludgolfbreker uit een filterconstructievan steenmaterialen, die van de bodem naarde belopen en de kruin steeds grotere afme-tingen aannemen (fig.6).Het buitentalud - dat vooral de belasting vande golven moet opnemen - wordt in het alge-meen het zwaarst aangevallen. De mate vanbelasting (onder meer door overslaande gol-ven) van de kruin en het binnenbeloop is gro-tendeels afhankelijk van de kruinhoogte engeometrie van de golfbreker. Economischeoplossingen leiden in het algemeen tot steile(1 : 11J~) belopen.De verdediging van het zeewaartse taludwordt opgebouwd uit betonnen elementen.Bij lage dammen wordt zo'n bekleding veelaldoorgezet over de kruinen het binnenbe-loop. Het komt ook voor, dat het binnenbe-loop van hogere golfbrekers met betonnenelementen moet worden verdedigd. Eengolfbreker bestaat in het algemeen uit eenkern van kleinere stukken natuursteen met??n of meer overgangs (secundaire) lagenvan natuursteen naar de bekledingslaag. Zo-wel aan de buiten- als aan de binnenzijdewordt de bekledingslaag gesteund door eenteenconstructie, veelal met een bodemver-dedigingsstrook ter voorkoming van erosielangs de teen (zie fjg.6).In middelhoge dammen wordt de kruin ge-woonlijk gevormd door een ter plaatse ge-storte bodemplaat met als opsluiting tweerijen kubussen of geprefabriceerde gewa-pend-betonnen manchetten.Bij hoge dammen worden L-vormige gewa-pend-betonmuren toegepast, die vaak groteafmetingen hebben. Een latere ontwikkelinggeeft een oplossing te zien, waarbij het L-meen een bepaalde schade aan de golfbre-ker als uitgangspunt voor het ontwerp aan-vaard. Deze schade treedt gemiddeld ??n-maal op gedurende een bepaalde periode,meestal 50 tot 100 jaar.Als we vooral letten op hetstochastische ka-rakter van de belastingen (golven, water-standen, stroom e.d.) verdient een ontwerp-methodiek aanbeveling waarbij ook de sterk-teparameters stochastisch in rekening wor-den gebracht. Tot nu toe vindt dit mede doorde onbekendheid van ontwerpers en op-drachtgevers met deze methodiek, nog(zeer) weinig toepassing./JOL OSTA+ccBJ1 TETRAPOl)Zy11Golfbreker met Stabit-e/ementen10Tetrapode en D%sCement XXXVI (1984) nr. 1 52o1080506070700ZEEFOPENINGEN ~ (11!'1)I IIJI1e (100 V1-70) IIIJTS-KRo MME P I'} DflJLLER ROHHE I'~~ IIVII,I VI VII V /1/Iof' V~",07 o~lP'. e'VI/' ~?v/V IV ,V V,t--:::::::V I ,-----=- I I~ , 60;01'= 2,~~100lIJ. D n7.~ IrD =S~$0 go~"'"40 ~ 80~~" JO ~t ? 10"'" ~~ 20? Q 60~ ~10'" '.1;0('l:jf '1 3 50/.f~ "1:1 1:1- I: 3 /:47? c0'l'Xc /,~ 'ro'"I"" ? 4' /1?~ 60 IrD=5 30~'"'l. $(1 Zo't'.~i oN 10..\!).:t.100201.4 2.~ 2.' J.tI~('12Gewicht kubus in relatie tot cotga = (hoekbeloop) en tot Pb (dichtheid beton)13Talsperrekrommeen Fullerkromme voortoeslagmateriaal met Dmax = 150 mm7. Ontwerp en dimensioneringvan debekledingslaag7. 1 OntwerpformulesEr is ongeveer een dozijn ontwerpformulesafgeleid, die' de hydraulische stabiliteit vande elementen beschrijven. De meest een-voudige en gebruikte formule is die van Hud-son, ontwikkeld voor natuursteen:wschouwd. De kubus vertoont de kleinstespreiding.Uit de formule blijkt, dat voor een bepaaldegolfhoogte (Hs) en Ko-co?ffici?nt, het ge-wicht (W) van het element lager wordt als:a. de waarde van cotg a toeneemt (de hel-ling van het talud flauwer wordt en/ofb. naarmate de massadichtheid van het be-ton (Qb) groter wordt genomen.Tabel 1KD-waarden volgens een internationaleinventarisatie van een groot aantalgolfbrekerskubustetrapodedolosstabitwerkelijk2-152-322-284-23KO-waardeontwerpaanbeveling3- 57- 822-25Ko ( Qb _1)3 cotgaQwW =gewicht van het element (kg)Hs == significante golfhoogte (m)Qb = dichtheid van beton (kg/m3)Qw = dichtheid van water (kg/m3)a = hoek van het beloop met dehorizontaalKo =stabiliteitsco?ffici?ntEen groot aantal be?nvloedingsfactoren issamengebracht in de co?ffici?nt Ko, bij voor-beeld:- de vorm en ruwheid van het element;- het plaatsingspatroon en de ori?nteringvan de elementen;- de golfperiode en -vorm;-de geometrie van de golfbreker met deaansluitende zeebodem;- de samenstelling van de onderlagen en dekern; de aanwezigheid van dichte kruinele-mentene.d.;- de hoek van het natuurlijke talud;- de definitie van het schadecriterium;- het stabiliteitscriterium, bijv. een zekerebeperkte mate van beweging.Voor verschillende elementen zijn ontwerp-waardenvoor Kobepaald. Recent uitgevoerdonderzoek naar werkelijke Ko-waarden vangolfbrekers over de gehele wereld leverdehet in tabel 1 vermelde resultaat. Ter verge-lijking zijn ontwerpaanbevelingen opgeno-men.Hieruit blijkt een grote spreiding. Dat komtook omdat golfbrekers van allerlei samen-stelling en met diverse kruinhoogten zijn be-Voor een lage dam (met veel golfoverslag) isvoor een Hs =8 m en een Ko= 5, het gewichtvoor Qb = 26,5 kN/m3, weergegeven als func-tie vancotg a, resp. voor cotg a = 1,5, hetgewicht als functie van de massadichtheidvan beton (fig. 12).Zoals reeds eerder opgemerkt leidt een steilehelling vaak tot een economische oplossing;dit betekent dat de bekledingselementeneen relatief hoog gewicht verkrijgen. De uit-voering legt soms beperkingen op t.a.v. hetgewicht van de elementen. Dit kan wordenopgelost door het toepassen van een flauwe-re helling van het talud.-Een andere mogelijk"heid is het opvoeren van de dichtheid vanhet beton. Op dit laatste wordt nader inge-gaan.7.2 Betonnen elementen met hogeremassadichtheidMet grind als toeslagmateriaal kan een dicht-heid worden bepaald van 23,5 tot 24,5 kN/m3? Het bereiken van hogere dichtheden kanworden verkregen door het gebruik van:1. toeslagmateriaal met een relatief hogemassadichtheid, zoals graniet, basalt e.d.;2. reductie van de hoeveelheid cement endaarmee van het water door de maximumkorreldiameter van het aggregaat te vergro-ten (fig. 13).Hiertoe moet de verdeling van het toeslag-materiaal worden aangepast ten opzichtevan de kromme volgens Fuller:p =Vl. Deze leidt namelijktot een te wei-nig aan fijn materiaal waardoor de verwerk-baarheid ongunstig wordt be?nvloed. Opgrond van ervaringen met massabeton inCement XXXVI (1984) nr. 1 53Ij/ErON/)ICHTHEtj)Het totale schadebedrag aan deze golfbre-kers is geraamd op meer dan ??n miljard gul-Het modelonderzoek wordt uitgevoerd inzgn. goten en in een bassin op een schaalvan 1:40 tot 1:70. Essentieel is dat onregel-matige golven worden gereproduceerd (foto22 en 23). Voorts moeten schaaleffecten tenaanzien van viskeuze krachten zoveel moge-lijk worden vermeden. Tenslotte moet zorgworden besteed aan een correcte ruwheiden hoek van het natuurlijk talud van de mo-del-bekledingselementen. Bedacht moetworden dat door de samenstelling van dezemodelelementen, geen breuk door golfbe-lasting zal optreden, wat in werkelijkheidvooral bij slanke elementen wel degelijk hetgeval kan zijn.Voor belangrijke golfbrekers wordt na bo-vengenoemd onderzoek een toetsing alsme"de een speciaal gericht onderzoek uitge-voerd in een grotere goot, zoals de Deltagootin het Waterloopkundig Laboratorium DeVoorst, waar golven tot een maximum hoog-te van 3 m kunnen worden opgewekt.- het breken van golven op het beloop bijrelatief diep water of een steilebodem directvoor de golfbreker; daartegenover bij be-perkte waterdiepte het breken van golvenvoordat ze de golfbreker bereiken;- bij een golfbreker met lage kruin, dus veelgolfoverslag, is de golfbelasting aanzienlijklager dan bij een hoge golfbreker, omdat eengroot deel van de energie over de kruin gaat.8. Sterkte van de elementenDe bekledingselementen zullen voldoendesterk moeten zijn om de belastingen te weer"staan tijdens het verwerken ervan en onderstormc?ndities (ontwerpgolven) op de vol-tooide golfbreker. Het meest gevoelig vo?rbreuk zijn slanke elementen als tetrapodenen dolosse (foto 16a).Zoals in de praktijk is gebleken zijn elemen-ten van dit type in verschillende gevallen nietbestand gebleken tegen opgetreden golfbe-lastingen. Er trad breuk op met als gevolgstabiliteitsverlies van de bekleding en scha-de aan kruinconstructies, onderliggende na-tuursteenlagen enz. (foto 16b). Hierbij wordtopgemerkt dat dit niet heeft gelegen aan dekwaliteit van het gebruikte beton. De schadeheeft zich vooral gemanifesteerd bij havenswaar sprake is van schaalvergroting wat be-treft waterdiepte en golfkarakteristieken, zo"als bij de golfbrekers van de haven van Sines(Portugal), Arzew (Algerije) en Tripoli (Libi?).7.3 Hydraulisch model/enonderzoekGelet op de eenvoud van de in paragraaf 7.1genoemde formule van Hudson met de onze-kerheden in de co?ffici?nt Ko, mag deze nietzonder meer worden toegepast. In bijna allegevallen is hydraulisch modelonderzoeknoodzakelijk. Vooral de hieronder genoemdebe?nvloedingen zijn van belang:- onregelmatigheid van golven; de vorm vanhet energiedichtheidsspectrum; golftreinenmet hoge gemiddelde golfhoogte; de invloedvan de golfperiode;In beide formules is:p =percentagein volumeprocenten datdoor de zeefmet diameterd gaat;d =maasopeningvan de vierkante zeefinmm;D =maximumkorreldiameter in mm.Uiteraard is de maximum korreldiameter eenfunctie van de afmetingen en vorm van hetelement. Voor een goede verdichting en ver-werkbaarheid verdient, naast het gebruikvan een plastificeerder, het aanbevelingzand met afgeronde korrelvorm (rivierzand)toe te passen. Het zal duidelijk zijn dat voorde verdichting van het beton met grof enzwaar toeslagmateriaal speciale verdich-tingsapparatuur moet worden gebruikt.De te bereiken dichtheid van beton als func-tie van de dichtheid van het toeslagmateriaalmet een Dmax = 150 mm is aangegeven infiguur 14. Deze geldt voor een cementhoe-veelheid van 225 kg per m3beton en een wa-ter-cementfactor van 0,45.De hoeveelheid cement is gebaseerd op hetvolgende. De theoretisch benodigde hoe-veelheid cement om het toeslagmateriaal teomhullen met een laagdikte van 0,05 mmwordt ge?llustreerd aan de hand van fig. 15,geldend voor de F?ller-kromme. Hieruit blijktdat voor een kubusvormig toeslagmateriaalmet een Dmax van 32 mm ca. 250 kg cementnodig is. Dit wordt gereduceerd tot 140 kgvoor een Dmax van 150mmo Opgemerkt wordtdat aan deze hoeveelheid nog 10 ? 15% moetworden toegevoegd voor opvulling van deoverblijvende holle ruimten. Toepassing vanminder cement leidt tot lagere thermischespanningsgradi?nten in de elementen tij-dens de verharding van het beton.stuwdammen (maximum korreldiameter:150 mm) kan gebruik worden gemaakt vande Zwitserse Talsperre (TS)-kromme:p =.1Q..(100 3Q_10)9 Vfj--.-'" 100 2()Od""illC (mh?J ~0