1 Realisatie van bodemroosters in bouwkuip 1 28? CEMENT 7 20 22 Het sluizencomplex bij Terneuzen is dé toegangspoort naar Terneu- zen en Gent in de haven van North Sea Port en zorgt voor een scheep- vaartverbinding tussen Nederland, België en Frankrijk. Sinds eind 2017 wordt hier volop gebouwd aan de Nieuwe Sluis Terneuzen. Deze gaat voor een betere toegang en vlottere doorstroming van het toenemende scheepvaartverkeer zorgen, voor zowel binnenvaart- als zeeschepen. Ook neemt de capaciteit van de sluizen toe, waardoor de wachttijd voor binnenvaart- schepen afneemt. In 2023 vaart het eerste schip door de Nieuwe Sluis. Functie bodemroosters in sluiskolk De sluis bestaat uit een binnen- en buiten- hoofd met daartussen een 427 m lange sluis- kolk. Het nivelleersysteem bestaat uit een inlaat bij elk van de sluishoofden, die in ver- binding staat met het nivelleerkanaal, dat langs de volledige lengte van de kolk loopt. Het nivelleerkanaal sluit aan op een beton- nen caisson (fig. 3), dat op twee symmetri- sche locaties in de kolk is gepositioneerd en openingen in het dak bevat ten behoeve van de nivelleerfunctie. Vanwege deze geometrie worden deze constructies bodemroosters genoemd. Eisen en uitgangspunten ontwerp De inwendige vorm van de bodemroosters is gemodelleerd met stromingsmodellen en lag al in een vroeg stadium vast. De eisen voor het ontwerp: Gaten in het bodemrooster zijn rond met een diameter van 300 mm. De h.o.h.-afstand van de twee verst uit el- kaar gelegen gaten moet in breedterichting van het bodemrooster 14,5 m zijn. De h.o.h.-afstand van de twee verst uit el- kaar gelegen gaten moet in lengterichting van het bodemrooster 43 m zijn. IR. KOEN VAN DOREMAELE Constructeur / Hoofd Site Engineering BAM Infraconsult IR. SANDER VAN DALEN Constructeur door CI Engineers gedetacheerd bij BAM Infraconsult auteurs Ontwerp en afzinken bodemroosters In de sluiskolk van de Nieuwe Sluis Terneuzen bevinden zich twee betonnen caissons. Deze zijn in een droge bouwkuip gemaakt en opgedreven na het installeren van diverse waterafdichtingen. Het afzinken is gedaan met praktisch ontworpen afzinkpontons. De vele afdichtingen en uitwendige ballast vereisten een goed doordachte en risicobewuste aanpak om dit succesvol uit te kunnen voeren. Bodemroosters in sluiskolk van Nieuwe Sluis Terneuzen onderdeel van nivelleersysteem CEMENT 7 2022 ?29 diepwand omloopriool westelijke kolkwand(combiwand) bodemrooster holle ruimte De vloer heeft een helling van 1:22,5 met op het hoogste punt in het bodemrooster een verticale wand van 1,5 m hoog. Om een duiker toegang te verlenen is een wegneembaar toegangsluik nodig. Op basis van deze eisen zijn de bodemroos- ters uitgevoerd als rechthoekige constructies van 57,25 x 17,0 m² en 4,90 m hoog (fig. 4). De zone in het nivelleerkanaal heeft vijf in- stroomopeningen met een gekromde ramp. Er zijn vier binnenwanden om de dakbalk met daarop de damwand en prefab-panelen van het nivelleerkanaal te ondersteunen. In het gedeelte onder de kolk zijn 2 x 8 wand - kolommen geplaatst om het dak te onder- steunen. Die zone is ook voorzien van een hellingbaan om te voldoen aan de hydrauli- sche randvoorwaarden. In het dak zijn 43 x 16 = 688 ronde (Ø300 mm) doorstroom- openingen voorzien. Ontwerpoverwegingen Bouwmethode? Bij een eerste conceptont- werp werd uitgegaan van een in-situ bouw- methode. Hierbij was een droge bouwkuip nodig die, inclusief onderwaterbetonvloer, tot circa NAP -23,5 m zou moeten worden uitgegraven. Omdat het ontwerp van de kolkwanden vanwege de waterdruk dan nog veel zwaarder en daarmee mogelijk onhaalbaar zou worden, is een alternatieve bouwmethode bedacht. Daarbij zijn de volle- dige bodemroosters, inclusief dak, gemaakt in de tijdelijke (bemalen) bouwkuip in de (destijds) nog niet ontgraven sluiskolk (foto 1). Na voltooiing van het betonwerk is de bouwkuip onder water gezet, waardoor de bodemroosters opdreven. Vervolgens zijn de bodemroosters geparkeerd langs de kolk- wand en, na ontgraven van de kolk, getrans- porteerd naar hun eindlocatie en daar afge- zonken. 2 Bovenaanzicht sluis met in het midden de sluiskolk en twee bodemroosters 3 Isometrisch aanzicht bodemrooster (over de breedte van de kolk) PROJECTGEGEVENS project Nieuwe Sluis Terneuzen opdrachtgever Vlaams-Nederlandse Scheldecommissie (VNSC, een samen- werkingsverband tussen het Nederlandse Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat en het Vlaamse Departement van Mobiliteit en Openbare Werken) opdrachtnemer (incl. constructief ontwerp) Consortium Sassevaart (een samenwerking van BAM, DEME, Stadsbader Constractors, van Laere en Equans) contractvorm Design & Construct (UAV-GC) 2 3 kolkwand westzijde kolkwand oostzijde 30? CEMENT 7 20 22 Hellingbaan en ramp? In eerste instantie was de gedachte om de hellingbaan en ramp onder water te storten als de bodemroosters op hun definitieve locaties zouden liggen. Bij nader inzien bleek dit vanwege de grote diepte en de beperkte toegang een lastige (zo niet onmogelijke) operatie te worden met de nodige risico's. Om deze reden is ervoor ge- kozen om de hellingbaan en ramp al in de bouwkuip aan te brengen. Om het gewicht van de bodemroosters te beperken is slechts de bovenste 300 mm van de hellingbaan uitgevoerd in beton. De zone eronder is voorzien van geëxtrudeerd polystyreen (XPS). Ondanks die optimalisa- tie, bleek voor de hele constructie nog steeds een lichter betonmengsel nodig te zijn om de bodemroosters drijvend te houden tijdens de bouwfase. Berekeningsaanpak Om de krachtswerking in de verschillende bouwfaseringen inzichtelijk te maken, zijn vier aparte SCIA-modellen van het bodem- rooster gemaakt: 1 bou wfase bouw; 2 bou wfase drijven; 3 bou wfase afzinken; 4 gebruiksfase. In de bouwfase moest de constructie water- dicht blijven. Om dit te bewerkstelligen, moest de constructie tijdens de verhar- dingsfase ongescheurd blijven zodat door- gaande scheuren voorkomen worden. Zodoende is voor de eerste twee modellen van de bouwfase (model 1 en 2) voor de stijfheid gerekend met een ongescheurde E-modulus. In het laatste model van de bouwfase (model 3) mocht scheurvorming ten gevolge van buiging optreden en om deze reden is voor de stijfheid gerekend met een gescheur- de E-modulus (korte duur). Ook in de gebruiksfase (model 4) mag scheurvorming ten gevolge van buiging op- treden en is gerekend met een gescheurde E-modulus (lange duur). Daarnaast is in de diverse modellen ook rekening gehouden met lage en hoge 4 Isometrische aanzicht met diverse onderdelen bodemrooster NIEUWE SLUIS TERNEUZEN IN CEMENT Cement besteedt niet alleen aandacht aan de bodemroosters, maar ook aan diverse andere aspecten van de Nieuwe Sluis Terneuzen. Eerder, in maart 2021, verscheen al een artikel over het ontwerp, de fasering en de bouwmethode van de gehele nieuwe sluis. Binnenkort verschijnen nog arti- kelen over de kolk, over de betonnen sluishoofden, over de deurkassen, over de brugkelder van de basculebrug en over het ontwerp van de wapening. 4 CEMENT 7 2022 ?31 houten plaat betonnen dak 5 6 7 5 Binnenkant bodemrooster na realisatie betonwerk 6 Montage van afdichtingsplaten 7 Schematisch effect van uitvoeringstolerantie op indrukking van rubber Om de krachts- werking in de verschillende bouwfaseringen inzichtelijk te maken zijn vier aparte modellen gemaakt 32? CEMENT 7 20 22 beddingconstanten en met (een zekere mate van) verhinderde vervorming. Definitief ontwerp Aan de hand van de controle van het drijf- vermogen van de constructie, en de daarbij behorende belastingfactoren en -combina- ties, is bepaald dat een betonmengsel met een dichtheid van 2100 kg/m³ moest worden toegepast voor de bodemroosters.Op basis van dit lichtere betonmengsel zijn voor de vier rekenmodellen de maat - g evende situaties berekend waarop de uit- eindelijke wapeningsconfiguratie van de bodem r oosters is bepaald. Tijdelijke constructies voor afzinken Afdichtingsplaten? Elk van de in totaal 688 doorstroomopeningen Ø300 mm, vijf water - inlaten van 4,8 x 2,8 m² en één toegangsluik van 1,5 x 1,5 m² moest volledig waterdicht zijn voor afzinken. Daartoe zijn ze afgesloten met afdichtingsplaten (foto 6). Het principe bestond uit een staalplaat met daaronder een houten uitvulling en langs de randen een samendrukbaar rubberprofiel. Het rub- ber moest voldoende samengedrukt zijn om waterdichtheid te garanderen direct onder de waterlijn, maar ook voldoende sterk voor 19 m waterkolom die op het rubber drukt. Omdat het eigen gewicht van de platen onvoldoende was om waterdichtheid direct onder de waterlijn te garanderen, is het rubber voorgespannen door middel van draadeinden die zijn verbonden met in het dak ingestorte ankers. De rubberdikte is tevens bepaald in relatie tot de uitvoerings- tolerantie van het dak. Wanneer het dak namelijk lokaal lager is gestort, resulteert dit in minder indrukking en daardoor een lagere waterdichtheid. Het effect hiervan is schematisch weergegeven in figuur 7. Bolders? Bovenop het bodemrooster zijn op acht locaties bolders bevestigd, door middel van in het dak ingestorte ankers. Hiervan zijn vier stuks gebruikt voor het horizontaal verplaatsen van het bodemrooster in de drijvende situatie. Voor het afzinken waren deze niet nodig. De andere vier stuks, de hijsbolders, zijn gebruikt tijdens het afzinken en voorzien van een hijsoog bovenop de bolder. Dit is het bevestigingspunt voor de lieren waarmee het bodemrooster wordt afgezonken. Tijdens het afzinken worden de hijsbolders ook gebruikt om het bodemrooster in horizontale richting te positioneren. Ze zijn zodoende gedimensio - neerd op een combinatie van gelijktijdige ho - rizontale en verticale belasting. Bij het onder w ater raken krijgt de horizontale lierkracht ook een verticale component. Om te voorko - men dat de lier van de hijsbolder afschoot, is g ebruikgemaakt van vast trekpunt op een buis-in-buissysteem (fig. 8). De dubbele functie van de hijsbolders werkte zeer goed, waardoor de bolders voor de horizontale verplaatsen uiteindelijk niet veel zijn gebruikt. Meettorens? Het dak van het bodemrooster is ontworpen op NAP -16,80 m. Tijdens het afzinken is een kolkpeil tussen NAP +0,0 m en +1,0 m gehanteerd. Voor het positioneren zijn drie meettorens gebruikt, die altijd boven water uitsteken. Met een prisma bovenop de meettorens kon zowel de absolute positie als de helling in dwars- en lengterichting worden ingemeten. Uitvoering bodemroosters? Door de bodem- roosters uit te voeren in een bemalen bouw- kuip, zijn deze in een gecontroleerde omge- ving gemaakt. Het lichtbeton had geen negatief effect op de voortgang of uitvoering; de verwerkbaarheid ervan was goed. Over de wapening en de in te storten voorzienin- gen is regelmatig contact geweest tussen de constructeur van het ontwerp en die van 8 De in totaal 688 doorstroom - openingen zijn tijdelijk afgesloten met afdichtings- platen 8 Hijsbolder CEMENT 7 2022 ?33 de hulpconstructies, waardoor verrassingen zijn voorkomen en ankers tijdig op ontwerp- tekeningen zijn verwerkt. Testen waterdichtheid? Voorafgaand aan het opdrijven is de waterdichtheid van de totale constructie getest, door alle afdich- tingsplaten te monteren en de bouwkuip onder water te zetten. Daaruit ontstonden bij de waterinlaten lekkages, omdat het be- ton niet voldoende vlak was. Om dit te corri- geren zijn de afdichtingsplaten verwijderd en is het betonoppervlak geëgaliseerd. Gewichtscontrole? Om de drijfstabiliteit van de bodemroosters te verifiëren was een con- trole van het gewicht per onderdeel nodig. Van elke stort is een dichtheidsmeting ge- daan in combinatie met een rapportage van het exact gestorte volume. Vervolgens is dit per constructieonderdeel verwerkt in een rekenblad waarmee de totale stabiliteit van het bodemrooster is bepaald. Het gemeten gewicht bleek hierbij slechts 0,5% zwaarder te zijn dan de ontworpen 4530 ton. Afzinkontwerp Stabiliteit bodemrooster en ballastplan? Op basis van de gewichtscontrole en de volledig uitgewerkte hulpconstructies (afdichtings- platen, bolders, meettorens) is de stabiliteit van het bodemrooster geverifieerd. Daaruit volgde voor de drijvende situatie een vrij- boord (afstand waterlijn tot bovenzijde con- structie) van circa 200 mm met een meta- centrische hoogte (GM) van 5,15 m. Het drijvende bodemrooster was daarmee zeer stabiel (ter vergelijk: voor een drijvende con- structie op open water wordt vaak als voor- waarde GM > 0,50 m gehanteerd). Afzinken met ballastwater was vanwe- ge de aanwezigheid van de hellingbaan niet mogelijk, omdat er slechts beperkt ruimte was en het water daardoor excentrisch zou zijn gepositioneerd en instabiliteit kon ver- oorzaken. Daarom is gekozen ballast, be- staande uit massief stalen blokken, bovenop het dak te plaatsen. Om te compenseren voor de excentri- sche ligging van de hellingbaan, is trimge- wicht toegepast bij de waterinlaten om het bodemrooster waterpas te krijgen. Vervol- gens is de ballast over het volledige dak ver- deeld op basis van de stabiliteitsberekenin- gen en het zwaartepunt. Omdat de stalen blokken bovenop het bodemrooster liggen, verliezen deze circa 15% aan effectief gewicht wanneer ze volledig onder water raken. Hiermee moest in de bepaling van het globale zwaartepunt en de hoeveelheid ballast ook rekening worden gehouden. Voor het bepalen van de ballast zijn meerdere metingen van de dichtheid van het water gedaan; deze bedroeg over de volledige waterdiepte 1003 kg/m³. Dit is iets In plaats van afzinken met ballastwater is gekozen om de ballast bovenop het dak te plaatsen 9 Visualisatie afzinkponton en bodemrooster 9 34? CEMENT 7 20 22 hoger dan de standaard 1000 kg/m³, omdat er sprake is van (licht) brak water. Afzinkponton Doordat alle ballast bovenop het dak is ge- plaatst, bevindt deze zich boven het zwaarte- punt van het bodemrooster. Hierdoor kan bij een lichte rotatie al instabiliteit optreden, waardoor het bodemrooster kan kantelen. Daarnaast is er risico op lekkage van een van de 688 doorstroomopeningen. Bij een lekkage tijdens het afzinken, en de daardoor excentrische toestroom van water, zou het bodemrooster kunnen kantelen. Een optie voor het afzinken met behulp van twee kra- nen was om die reden te risicovol, omdat de hijskracht op de kranen dan ongecontro- leerd kon toenemen, met kraaninstabiliteit als mogelijk gevolg. Gekozen is zodoende voor een afzinkponton (fig. 9), waarbij het bodemrooster met vier individuele lieren wordt afgezonken aan de hijsbolders. Hier- bij gold als voorwaarde dat elke lierkabel continu onder trek staat, om kantelen van het bodemrooster onder water te voorko- men. Afzinken Het bodemrooster is bovenop een grindbed geplaatst, dat dient als fundatie en daarnaast opbouw van waterdruk onder het bodem- rooster moet voorkomen. De uitvoeringsto- lerantie van het grind is aangehouden op ?z = +/-50 mm, omdat het bodemrooster een gelijkmatige bedding moet hebben en het eigen gewicht van het bodemrooster geen bulten van grind zal vereffenen. Na aan- brengen van het grindbed is dit ingemeten met een peilboot en nog vereffend met een stalen balk van 18 m lengte die over de bo- dem is getrokken.De bodemroosters lagen in drijvende situatie parallel aan de kolklengte. Na het plaatsen van het trimgewicht en een eerste set ballastblokken, is het vrijboord verlaagd tot 50 mm, waarna het bodemrooster is ge- roteerd tot boven de uiteindelijke eindlocatie (foto 10). Hiermee werd de hoeveelheid tijd voor het plaatsen van de ballastblokken op de dag van het afzinken zelf enigszins beperkt. Na het plaatsen van in totaal 395 ton ballast bevond het bodemrooster zich onder de waterlijn, met een trekkracht van SAMENWERKING Het ontwerp en de uitvoering van het afzinken zijn gedaan met een klein team, wat de samen- werking eenvoudig maakte. Het team is samengesteld uit BAM en DEME, waarbij veel kennis en ervaring van eerdere afzink- projecten aanwezig is en wat een belangrijke bijdrage heeft geleverd aan de praktische hulpconstructies en succesvolle uitvoering. 10 Afzinken bodemrooster 10 CEMENT 7 2022 ?35 circa 10 ton in elke lier. Deze kracht is als minimum aangehouden, omdat tijdens het afzinken de lieren nooit exact gelijktijdig zakken en de trekkracht lokaal toe- en af kan nemen. Het afzinken is tot een meter boven het grindbed snel verlopen, waarna het positio - neren is gestart. De plaatsingstolerantie van het bodemr ooster is in verticale richting be - grensd door de geëiste minimale kolkdiepte (? z: +/-50 mm) en in horizontale richting door de later erbovenop te plaatsen dam - wand van het nivelleerkanaal (?y : +/- 50 mm). Na het bereiken van de gewenste posi- tie zijn de lieren afgelaten en is het bodem- rooster op het grindbed geplaatst. Vervol- gens is het bodemrooster gevuld met water via de watertoevoer die in het toegangsluik is verwerkt (foto 11). Door het vullen is het gewicht op het grindbed verhoogd en het bodemrooster nog nagezakt. Dit is 24 uur na het afzinken ingemeten, op basis waarvan besloten kon worden dat het bodemrooster goed gepositioneerd lag. De nazakking bleek het grootst aan de kant van waterinlaten, waar zich logischerwijs ook het meeste water verzamelt. Bij het noordelijke en zuidelijke bodemrooster bedroeg de nazakking res- pectievelijk circa 70 en 50 mm. Hiermee is voorafgaand aan het afzinken rekening gehouden, waardoor de bodemroosters binnen de ontwerptolerantie bleven. Ervaringen Voorafgaand aan het afzinken zijn risicoses- sies gehouden. Voor de grootste risico's zijn corrigerende maatregelen opgesteld. Voor het nauwkeurig positioneren van de bodem- roosters zijn bijvoorbeeld vijzels voorzien aan de kopse kanten, die door vakkundig positioneren van het afzinkteam uiteindelijk niet nodig bleken. Ondanks een goede voorbereiding ontstond bij het zuidelijke bodemrooster toch oponthoud. Voor de bouwkuip van de bodemroosters was een groutkolom gebruikt als waterafsluiting. Voorafgaand aan het afzinken is deze verwijderd om het bodem- rooster te kunnen plaatsen. Tijdens het af- zinken bleek hiervan echter nog een deel aanwezig ter hoogte van het bodemrooster- dak. Dit is verholpen door onder water een ballastblok te verschuiven en daarmee ruimte te maken. Het totale afzinkproces, inclusief het positioneren, heeft bij beide bodemroosters circa 7 uur geduurd en is daarmee voor- spoedig en succesvol verlopen. 11 11 Voorzieningen via tijdelijk toegangsluik 36? CEMENT 7 20 22