ir.E.YpeyRijkswaterstaat, directie Bruggen Het ontwerp van deschuifconstructies1Dwarsdoorsnede kering2Belasting op de schuif in gesloten positieInleidingZoals reeds vermeld in de andere artikelen,is de stormvloedkering een compositie vanbeton, staal en stenen. De openingen in dekering worden gevormd door de pijlers, dedrempel en de bovenbalk, de netto door-stroomopening ten opzichte van NAP be-draagt 14 000 m2. De openingen worden ge-sloten door middel van beweegbare ele-menten: de schuiven. Figuur 1 geeft de ver-schillende elementen van de kering weer.Omdat de pijlers 45 meter hart-op-hart zijngeplaatst, bedraagt de overspanningsleng-te van een schuif 41,3 meter. De hoogte vande schuiven varieert tussen 5,9 en 11,9 me-ter, aangezien het bovenvlak van de drem-pel min of meer de oorspronkelijke bodem-lijn van de drie geulen van de Oosterscheldevolgt.Sterkte-eisen van de constructieDe stormvloedkering moet bestand zijn te-gen de krachten, stromingen enz. die eenkans van voorkomen hebben van 2,5 ? 10"4per jaar. Uitgaande van de zgn. deterministi-sche methode betekent dit, dat de schuivenbelastingen moeten weerstaan, zoals weer-gegeven in figuur2.Geval I:waterstand zeezijde NAP + 5,3 mwaterstand landzijde NAP - 1,7 msignificante golfhoogte 4,5 mgolfperiode T= 12 sec.GevalII:waterstand zeezijde NAP - 1,5 mwaterstand landzijde NAP + 3,5 mIn geval I bedraagt de maximum belastingop de schuif ongeveer 140 kN/m2.De invloed van de golven wordt ge?llus-treerd in figuur 3. Uitgaande van degolfhoogte die 2,5 ? 10~4keer per jaar kanvoorkomen, en rekening houdend met hetreflextie-effect van de kering, zal de extremehoogte van de golven voor de schuiven, ge-legen in het diepste gedeelte van de geulen,circa 16 meter bedragen.Aangezien de duur van de perioden, waarinde Oosterschelde is afgesloten, zo kort mo-gelijk moet zijn, betekent dit dat tijdens hetsluiten en openen van de kering grote belas-tingen op de schuiven kunnen worden uit-geoefend.3Golfbelasting op de schuifDe maximum belasting op de schuif in deeindfase van het sluiten is weergegeven infiguur 4, waaruit blijkt dat het een sterk wis-selende belasting is met maximum waardenvan ongeveer 80 kN/m2.Gedurende het bewegen van de schuif zalhet belastingsschema zijn zoals weergege-ven in figuur 5. De grootte van de belastingbij het begin van de sluitingsoperatie be-draagt ongeveer 30 kN/m2. Deze belastingwerkt op het onderste gedeelte van deschuiven.Een belastingreductie wordt verkregen,wanneer de verschillende belastingsgeval-len worden opgesteld volgens de zgn. pro-babilistische methode. Deze methode houdtrekening met de kans van samenvallen vanverschillende gebeurtenissen, zoals- waterstand ten tijde van een stormvloed;- golfenergie;- waterstand in Oosterscheldebekken;enz.Cement XXXIV (1982) nr. 11 7344Belasting op de schuif tijdens sluiten5Vereiste krachten om de schuif te sluiten6Natuurlijke condities7Constructie van de schuifDe op deze wijze bepaalde belastingen dieeen kans van voorkomen hebben van 2,5 ?10~4per jaar, bedragen ongeveer 75-80%van de belastingen, bepaald volgens de de-terministische methode.Bij het vaststellen van de kans van voorko-men van gebeurtenissen is er van uitge-gaan, dat de beheerder van de stormvloed-kering volledige vrijheid van handelen heeftbij de sluitings- of openingsoperaties van destormvloedkering. Uiteraard is dit uitgangs-punt een zware eis voor de belastingopna-mecapaciteit van de constructiedelen.Voor de levensduur van de stormvloedke-ring is een periode van 200 jaar gekozen. Indie periode kunnen beschadigingen aan destalen schuiven worden aanvaard, mits dezekunnen worden gerepareerd. Voorde bepa-ling van de uiterste draagkracht van de sta-len schuiven zijn de volgende factoren inacht genomen:materiaalfactorymat = 1,05belastingsfactorYbei = 1,00berekeningsfactoryber = 1,05De materiaalfactor houdt rekening met hetverschil in sterkte van het materiaal in degerealiseerde constructie en het materiaalvan de proefstukken.De berekeningsfactor houdt rekening met:- de onnauwkeurigheden in de schemati-sering van de constructie ten behoeve vande berekeningen;- de onnauwkeurigheden in de bereke-ningsmethode;- de afwijkingen van de gerealiseerde con-structies t.o.v. de theoretische constructies.Eisen te stellen aan het ontwerp van deschuiven met het oog op de bouwtoleran-tiesAangezien de kering in de open zee wordtgebouwd, moet rekening worden gehoudenmet de noodzakelijke toleranties in de ma-ten van de gehele constructie. De noodza-kelijke toleranties zijn een gevolg van:- ongelijkheid van het funderingsbed;- hoogteligging van het funderingsbed;- plaatsingstoleranties van de pijlers;enz.Bovendien moet onder meer rekening wor-den gehouden met:- het ongelijk lopen van de eindharren vande schuiven tijdens het sluiten en openen;- zettingseffecten van de pijlers, drempelsenz. als gevolg van de belastingen op dekering.Als resultante van deze toleranties is aange-nomen dat de overspanning van een schuifvarieert tussen:41,3 + 0,55 meter en 41,3 - 0,55 meter.Cement XXXIV (1982) nr. 11 735Tevens moeten de schuiven torsieslappeconstructies zijn, aangezien tussen tweeopvolgende pijlers een rotatiehoek, om deas van de kering, van 1 cm op 1 m aanwezigkan zijn. Teneinde het effect van een draai-ing van de pijler om zijn lange as te compen-seren, zijn de breedten van de aanslagen opde pijlers onder meer afgestemd op dezedraaiingstolerantie.Beschrijving van de staalconstructieIn totaal komen in de stormvloedkering 63schuiven voor, vari?rend in hoogte van5,9 m tot 11,9 m. De variatie in hoogte wordtuitgevoerd in sprongen van een meter. Hetstaalgewicht van een schuif varieert tussen300 en 500 ton. De schuiven zijn samenge-steld uit de volgende delen:- een verticale beplating;- een horizontaal hoofddraagsysteem;- een verticaal verbandsysteem.Voor de beplating zijn cilindrische segmen-ten gekozen, die gelegen zijn aan de Oos-terscheldezijde van de schuiven. In de seg-menten treden hoofdzakelijk trekspannin-genop; alleen in het geval dat de waterstandin de Oosterschelde hoger is dan de water-stand in de Noordzee zullen drukspannin-gen ontstaan. De segmenten zijn zodanigontworpen, dat deze drukspanningen toe-laatbaar zijn. De belastingen worden via de? verticale Mggertjes overgebracht naar hethoofddraagsysteem.De voordelen van de cilindrische segmen-ten ten opzichte van de vlakke beplatingzijn:- geen verstijvingen op de beplating nood-zakelijk;- de aanwezigheid van grote openingentussen de segmenten en het hoofddraagsy-steem.Het laatste voordeel vermindert de weer-stand die het water ondervindt, indien het inverticale richting door de schuif stroomt.Deze verticale stroming geeft een dempendeffect op de schuiftrillingen en verkleint deonderdruk onder de schuiven bij het sluitenen openen.Het hoofddraagsysteem is samengesteld uittwee of drie horizontale vakwerkliggers. Hetaantal is afhankelijk van de schuifhoogte.De vakwerkligger is opgebouwd uit buizen,waardoor een geringere gevoeligheid tenaanzien van golfklappen wordt bereikt. Hetverticale verband in de schuiven is zodaniggekozen en gepositioneerd, dat de torsie-stijfheid van de schuiven niet groter is dannoodzakelijk voor de stabiliteit. De horizon-tale belastingen die worden uitgeoefend opde schuiven, worden naar de pijlers overge-bracht via de eindharren, gesitueerd in desponningen van de pijlers.Aangezien de schuiven als glijschuiven zijnontworpen, is het noodzakelijk voor de aan-slagen materialen toe te passen met een ge-ringe wrijvingsweerstand, teneinde dekrachten, benodigd voor het openen en slui-ten, zo laag mogelijk te houden. Ter voorko-ming van trillingen van de schuiven bij hetopenen en sluiten als gevolg van het zgn.stick-slip verschijnsel, is het noodzakelijkdat het verschil tussen de statische en dyna-Cement XXXIV (1982) nr. 11 73610Stelconstructie voor de montage van deschuifgeleidingen11Stelconstructie (in de bouwfase)12Aluminium-bronzen schuifgeleidinggemonteerd op de pijler13Positie van de verticale beplating De keuze van de ligging van de beplatingIn het totaal-ontwerp van de kering is debetonnen bovenbalk opgenomen, gelegenboven NAP, waardoor een aanzienlijke be-sparing is verkregen in het totale oppervlakvan de schuiven. Zonder bovenbalk zou ditoppervlak 35 000 m2groot moeten zijn,maar door toepassing van de bovenbalk isdit teruggebracht tot 22 500 m2.Een ligging van de bovenbalk aan de zeezij-de van de schuiven, zoals aangegeven infiguur 13, heeft het nadeel van grote golf-klappen tegen de onderkant van de balk inde situaties, waarbij de waterspiegel onge-veer op NAP + 1,0 m is gelegen. Deze golf-klappen kunnen waarden bereiken van 200-300 kN/m2, hetgeen betekent dat het eigengewicht van de balk onvoldoende groot isom het 'oplichten' ervan tegen te gaan. Eenander nadeel van deze situering is, dat tij-dens het openen of sluiten van de schuivenongunstige stroomeffecten zullen ontstaan,waardoor de schuiven in heftige trilling kun-nen geraken. Een derde nadeel is het as-pect, dat bij deze oplossing de pijlers aan dezeezijde aanzienlijk buiten de beplating vande schuiven uitsteken, waardoor zware golf-klappen in de hoeken gevormd door schuifen pijler zullen optreden. Als gevolg van de-ze redenen is een ligging van de bovenbalkaan de zeezijde van de schuiven onaan-vaardbaar.Met betrekking tot de ligging van de vertica-le beplating aan de zeezijde gelden de vol-gende opmerkingen:? de krachten benodigd voor het heffen vande schuiven worden vergroot door het ge-wichtvan het watervolume boven de schuif;? ongunstige krachten worden uitgeoe-fend op de lijf plaat van de bovenste regel tengevolge van golfklappen enz.;? tijdens het bewegen van de schuiven zul-len trillingsproblemen ontstaan met betrek-Cement XXXIV (1982) nr. 11 73714Schema van hydraulisch modelonderzoekking tot de onderste hoofdligger en de totaleschuifconstructie. Het laatste mede door deongunstige verhouding tussen hoogte endikte van de schuif, die 1:1 is voor de lageschuiven en 3:1 voorde hoge schuiven.Als gevolg van deze redenen is een liggingvan de verticale beplating aan de zeezijdeonaanvaardbaar.Blijft over, dat de ligging van de beplatingaan de Oosterscheldezijde moest wordenaanvaard.De invloed van trillingen en golfklappenIn de ontwerpperiode van de stormvloedke-ring is grote aandacht geschonken aan demogelijke trillings- en golfklapeffecten. Inhet algemeen kan gezegd worden, dat hetbeste resultaat in de ontwerpfase wordt ver-kregen, wanneer een nauwe samenwerkingtussen ontwerper en onderzoeker wordt na-gestreefd. leder heeft zijn specifieke des-kundigheid, gezamenlijk bereiken ze meerdan de simpele som van deze deskundighe-den.In figuur 14 is een indruk gegeven van hetalgemene onderzoekschema met betrek-king tot trillingen.Het stijve model geeft de mogelijkheid vanhet bepalen van de belastingen uitgeoefendop de schuif.Het massa-veer-model geeft de responsievan de constructie.Kleine veranderingen moesten worden aan-gebracht in het voorontwerp, waarna:- meer gedetailleerde informatie wordt ver-kregen door toepassing van een elastischgelijkvormig model;- de laatste controle wordt uitgevoerd ophet elastisch gelijkvormige model van hetuiteindelijke ontwerp van de schuif.Gedurende de onderzoekperiode is er eenvoortdurende uitwisseling geweest van in-zichten enz. tussen ontwerper en onderzoe-ker teneinde het optimale ontwerp te berei-ken. Zoals blijkt uit figuur 15 bestaat de ke-ring uit een aantal elastische balken die hettrillingsgedrag van de schuif be?nvloeden.Figuur 16 geeft een beeld van de trillingenals gevolg van spleetstroming in de laagstepositie van de schuif respectievelijk in depositie van een gedeeltelijk geheven schuif.Figuur 17 geeft de trillingen weer die kun-nen ontstaan ten gevolg van overstortendwater. Dit kan zich voordoen in het geval datde waterstand in de Oosterschelde hoger isdan die aan de zeezijde en bij geslotenschuif. In deze figuur is bovendien aangege-ven de mogelijke trilling ten gevolge vanstroming bij geheven schuif.De invloed van de toepassing van een zgn.neusconstructie aan de bovenbalk is weer-gegeven in figuur 18. Aan de onderkant vande schuif gaf de vorm van de cilindrischesegmenten tegen de rechte rand van de15Onderzochte delen met elastische balk- enschuif opleggingen16Trillingen ten gevolge van spleetstromingCementXXXIV (1982) nr. 1173818Neusconstructie van bovenbalk omtrillingen te onderdrukkendrempel een positief effect op het verklei-nen van de trillingsamplitudes van deonderste delen van de schuif.Een ander belangrijk onderzoek is de analy-se van golf klappen. Figuur 19 toont de bere-keningsmethodiek van de golfklap op deschuifonderdelen. De maximum waardenvan de golfklappen worden bereikt, wan-neer horizontale delen van de schuif in denabijheid van de gemiddelde waterspiegelzijn gelegen, meer precies, wanneer dezedelen zijn gelegen in het gebied tussen50 cm boven en 50 cm onder de gemiddeldewaterspiegel. In geheven stand van deschuiven treedt dit op, wanneer de gemid-delde waterspiegel is gelegen in de nabij-heid van NAP + 3,0 m. Andere mogelijke si-tuaties, waarbij golfklappen kunnen ont-staan, zijn de situaties bij bewegen van deschuif (fig. 20).Zoals hiervoor genoemd, treden de grootstegolfklappen op schuifonderdelen op, wan-neer deze onderdelen in het gebied + 50 cmen -50 cm van de waterspiegel zijn gelegen.Aangezien het bewegen van de schuif ge-schiedt met een snelheid van ongeveer3 mm per seconde, betekent dit dat eenonderdeel van een schuif ongeveer 5 minu-ten in dit gebied is gesitueerd. In de laagstepositie van de schuif zullen de onderdelenCement XXXIV (1982) nr. 11 73917Trillingen ten gevolge van overstortendwater en waterbewegingen21Golfklap op horizontale liggergeen golfklappen ontvangen, aangezien de-ze delen dan voldoende diep onder de ge-middelde waterspiegel zijn gelegen. Figuur21 geeft een indruk van de golfklappen opde horizontale delen. De krachten ten gevol-ge van de golfklappen tegen horizontaleplaatelementen kunnen waarden bereikenvan 280 kN/m2, tegen buisvormige elemen-ten zijn deze waarden 85 kN/m2.Andere onderzoekingenVoor het ontwerp van de schuiven is eenaantal studies en onderzoekingen noodza-kelijk geweest. Naast de onderzoekingenbetreffende de trillingsproblemen en de in-vloeden van golfklappen zijn onder meer devolgende studies en onderzoekingen uitge-voerd:- de bepaling van de wrijvingsco?ffici?ntbij verschillende materiaal combinaties voorde aanslagen in de pijlers en op de schui-ven;- de invloed van aangroei door zeediertjesop de wrijvingsco?ffici?nten de slijtage vande oppervlakken;- de invloed van het 'stick-slip' verschijnselop de trillingen van de schuiven;- de responsie van de schuifconstructiesop de golfbelastingen enz.;- de spannings- en rekconcentraties in debuisverbindingen.Vermoeiing en inspectieAangezien de schuiven bij normale situatiesboven de waterspiegel zijn gelegen, is deinspectie van de verschillende onderdelenvan de schuif mogelijk. De toegang tot deonderdelen wordt bereikt door gebruik temaken van een speciale inspectiewagen.Deze wagen (flg. 22) zal over de bruggen vande stormvloedkering rijden en is voorzienvan een inspectieplatform. Het platform kanin elke gewenste positie worden gebrachtmet behulp van een aantal hydraulisch ge-stuurde hefboomarmen.De invloed van de golfbelastingen is cy-clisch met perioden van 6 tot 10 seconden,resulterend in ongeveer 15 000 belas-tingswisselingen gedurende een storm van24 uur.Een uitgangspunt in de ontwerpfilosofie isde aanvaarding, dat gedurende de levens-duur van de stormvloedkering of de schuif,scheurtjes mogen ontstaan in de zwaarstbelaste buisverbindingen. Uit proeven is ge-bleken dat de verhouding tussen het aantalbelastingen, benodigd om een scheur volle-dig door de buiswand te laten groeien, enhet aantal belastingen, benodigd om eenjuist zichtbare scheur te doen ontstaan, gro-ter is dan 1,5. Voor de zwaarst belasteschuif, dit is de schuif in het midden van deRoompot, betekent dit dat na waarnemingvan het begin van een scheur ongeveer 10zware stormen nodig zijn, alvorens een vol-ledig bezwijken van de buisverbinding is be-reikt.Teneinde de scheuren in een vroeg stadiumte ontdekken is gekozen voor de inspectie-eis, dat na elke zware storm, waarin deschuiven gesloten zijn geweest, de zwaarstbelaste onderdelen ge?nspecteerd zullenworden. Aldus doende zal het mogelijk zijnde scheur te repareren in het begin van degroeiperiode.Uit vermoeiingsproeven op gerepareerdebuisverbindingen is gebleken, dat de ver-moei i ngssterkte van een dergelijke verbin-ding gelijk is aan of zelfs beter dan de sterk-te van het oorspronkelijke, niet beschadig-de, proefstuk.Fabricage, assemblage en montage vande schuivenIn totaal moeten 63 schuiven worden ver-vaardigd en gemonteerd in de kering. Ten-einde een zekere seriematige produktie tebereiken zijn de schuifconstructies ver-deeld in de onderdelen die min of meer ge-lijk aan elkaar zijn. Figuur 23 geeft een in-druk van deze verdeling. De belangrijksteonderdelen zijn:- de horizontale vakwerkliggers;- de verticale verbandstaven;- de cilindrische plaatsegmenten;- deeindharconstructies.Aangezien de fabricage van de verschillen-de onderdelen zal zijn begonnen, voordatde pijlers in hun uiteindelijke positie zijngeplaatst, zijn maatregelen nodig om de ge-volgen van de plaatsingstoleranties enz. tecompenseren. Deze maatregelen zijn:- de horizontale vakwerkliggers hebbeneen overlengte van 720 mm,- de verticale beplating die de cilindrischesegmenten verbindt aan de eindharren,heeft een overlengte van 360 mm.Cement XXXIV (1982) nr. 11 74023Overzicht schuifonderdelenDe assemblage van de schuiven zal geschie-den in de volgorde, waarin ze worden ge-plaatst. De invloeden van de toleranties inhet positioneren van de pijlers zullen ver-werkt worden bij de assemblage. De monta-ge van de schuiven zal worden uitgevoerdmet behulp van de drijvende bok die ookwordt gebruikt voor het plaatsen van debrugdelen, de bovenbalken enz. van de ke-ring (fig. 24).Teneinde de schuiven te monteren in desponningen van de pijlers, waarin ze in eenmin of meer voorgespannen positie verke-ren, worden trechtervormige hulpconstruc-ties toegepast, die aan de bovenzijde op depijlers worden geplaatst. De onderkant vande schuif wordt in deze trechters geplaatst,waarna deze tijdens het zakken van deschuif tussen de aanslagen van de pijler zalglijden.24Plaatsen schuif met drijvende bokCement XXXIV (1982) nr. 11741