C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWater bou wcement 2005 726Het opdrijven en uitvaren van heteerste ponton is uitgevoerd in deeerste week van oktober (foto 1).Na een vaartocht over de Wester-schelde en door de binnenwaterenvan Zeeland en Zuid-Hollandwordt het ponton momenteel inrecordtempo van een opbouwvoorzien in Zaandam. In januarizal het eerste ponton opgeleverdworden. De ligplaatsvoorzienin-gen worden momenteel ontwor-pen, berekend en getekend, waar-door het detentieplatform spoedigoperationeel is.De aanbieders was gevraagd in teschrijven met een ontwerp dat hetbouwkundig besteksontwerp vande bovenbouw respecteerde. Dezebovenbouw omvat drie verdiepin-gen. De aanvraagspecificatie en-tekeningen suggereerden eenbetonnen ponton, waarvoor pres-tatie-eisen waren omschreven inde vorm van: functionele eisen engaranties voor waterdichtheid, eenminimale vrijboordeis in stilwater, een maximale diepgangeis,mogelijkheid van verplaatsingdoor sluizen en onder bruggen,een ontwerp-golfbelasting, en cer-tificering van de constructie bijeen classificeringsbureau voor descheepvaart.De combinatie van het min ofmeer vaststaande ontwerp voor debovenbouw, impliceerde dat deponton moest worden voorzienvan verpompbare ballast. Bij pas-sage van bruggen moet de pontoncirca 0,50 m dieper worden afge-zonken.A l g e m e e n o n t w e r pDe bovenbouw is volledig modu-lair opgebouwd. Aan de beidelange zijden van het bouwwerkbevinden zich op de bovenstetwee verdiepingen cellen van 2,4 x5,8 m2. In de middenzones en opde begane grond zijn gemeen-schappelijke ruimtes en ruimtesvoor personeel en ondersteuning.In de middenzones bevinden zichook vides over de bovenste tweeverdiepingen. Verder zijn in detweede en derde verdiepingsvloe-ren zones uitgespaard voor lucht-plaatsen.Het constructieve ontwerp van debovenbouw voorziet in kanaal-plaatvloeren op een staalconstruc-tie met ge?ntegreerde liggers. Debelangrijkste overweging hierbij isde bouwsnelheid. Gevels en bin-nenwanden en inrichtingselemen-ten voor de cellen worden vrijwelvolledig geprefabriceerd in de tim-merfabriek van Ursem in Wog-num (N.H.).De basisgeometrie van de pontonis een rechthoekige bak van 21 x102 m2, met een uitwendige hoog-te (holte) van 3,90 m; vrijboord0,40 m, diepgang 3,50 m. De pon-ton is voorzien van waterdichteopstaande randen tot 0,92 mboven dek.Justitie laat drijvende detentieplatforms bouwenOnvrijwillig drijven op betonir. D.J. Peters, Royal Haskoningir. J. Bauwens, Besixcapt. H. van Mameren B.Sc., HaC? Marineing. K. Pierik en N van Ruitenburg, Ursem Bouwgroep BV.Het idee om constructies te laten drijven op oppervlaktewater heeft meerdere`drivers', waaronder flexibiliteit en mobiliteit, en in het geval van de drijvendedetentieplatforms is er nog een belangrijk planningstechnisch projectvoor-deel. De bouw van de detentieplatforms kon worden gestart nog voordat deligplaats bekend was. De procedures die verbonden zijn aan de locatiekeuze,bouw- en gebruiksvergunning kunnen gelijktijdig met de bouw plaatshebben.Op het tijdstip dat bekend is waar de extra capaciteit toegestaan is, en de(lokale overheids-) procedures zijn doorlopen en de bouw van een traditioneelcellencomplex zou kunnen starten, is de drijvende gevangenis al gereed. Dezebehoeft alleen nog maar naar de betreffende locatie te worden versleept. Opdeze wijze zijn de cellen minimaal een jaar eerder beschikbaar dan in eentraditionele oplossing.1 |Drijvend detentieplat-formC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWater bou wcement 2005 7 27Bij het aanbiedingsontwerp warende bouwtijd en de bouwkostenverbonden aan de bouwwijze en-locatie het meest bepalend. Voorde ponton zijn drie variantenonderzocht (tabel 1), een volledigstalen ponton, een betonnen pon-ton en een hybride variantbestaande uit een zeer lichte sta-len hull-constructie (huidconstruc-tie) waarin, drijvend, een beton-nen ponton kon worden afge-bouwd.In het aanbiedingsstadium zijnzowel het volledig betonnen pon-ton als het betonnen ponton eneen stalen hull technisch en finan-cieel uitgewerkt. Uiteindelijk bleekdat een al dan niet voordeligeoplossing voor het benodigdebouwdok, dan wel een tewaterla-tingsoperatie voor de betonnenponton bepalend waren voor dekeuze. In het aanbiedingsstadiumzijn het constructieve ontwerp vande onderbouw en de bovenbouwin relatie tot elkaar geoptimali-seerd.C o n s t r u c t i e f o n t w e r pDe betonconstructie van de pon-ton in dwarsdoorsnede bestaat uiteen bodemplaat van 300 mm, bui-tenwanden van 250 mm, binnen-wanden van 200 mm, stalen vak-werkconstructies onder de kolom-men van de bovenbouw en eendekplaat van 200 mm (foto 2). Opdeze wijze ontstaan er in debodem en het dek vijf velden,waardoor de buigende momenteneffectief klein blijven. Voor hetontwerp van een waterdichtebetonconstructie is het van belangdat doorgaande scheurvormingwordt voorkomen en dat buigtrek-scheuren slechts over een beperktdeel van de dikte ontstaan.De bodem is in dwarsrichtingvoorgespannen met 4-strengs voor-spankabels, h.o.h. 0,67 m. Dezekabels hebben binnen de bodem-plaatdikte een licht welvend ver-loop, tegen de momentenlijn vande opwaartse waterdruk in. Dekabels kruisen daarbij de centrischin de bodemplaat liggende langs-voorspanning van de ponton.In langsrichting ondervindt deponton buiging als gevolg vanlange golven en ook als gevolg vaneen ongelijkmatige gewichtsverde-ling van de bovenbouw. Zondercorrecties ondervindt de pontonlangsbuiging als gevolg van hetontbreken van het gewicht van deverdiepingsvloeren ter plaatse vande luchtplaatsen en de vides. Hetstatisch langsmoment bedraagtcirca 14 MNm. Pogingen om ditte corrigeren met de onderwater-geometrie van de ponton leiddentot toename van de diepgang, watniet acceptabel was. Het statischlangsmoment leidt tot een trek-spanning in de bodem en druk-spanning in het dek. De bodem isdaarom (centrisch) voorgespan-nen.De daarbijkomende golfbelastingkan zowel in de bodem als in hetdek aanleiding geven tot trekspan-ning. Trekspanning in het dek zelfis niet bezwaarlijk; in het bovenstedeel van de wanden wel. Om diereden was het ook nodig enigevoorspanning aan te brengen bo-ven de neutrale lijn van de ponton.Er zijn twintig kabels toegepast inde bodem en acht in het dek.2 |Overzicht wanden enstaalconstructie pontonTabel 1 | Vergelijking drie onderzochte variantenvariant voordelen nadelenstalen ponton - traditioneel ponton ontwerp - hoge directe kosten- intrinsiek waterdicht - onderhoudsintensief- indelingsvrijheid kelderverdieping beperkt- snelle bouwtijd ponton moeilijk haalbaar(capaciteit scheepswerf en ?helling)betonnen ponton - intrinsiek stabiel - bouwdok, droogdok of scheepshelling benodigd- laagste directe kosten - onconventioneel ontwerphybride ponton - intrinsiek waterdicht - hoge directe kosten- bouwtijd na gereed zijn van de hull - onderhoudsintensiefonafhankelijk van dokken en werven - snelle bouwtijd hull onzeker (capaciteitscheepswerf en ?helling)- onconventioneel ontwerpC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWater bou wcement 2005 728V o o r s p a n n i n g v e r s u sb o u w v o l g o r d eDe voorspanning in de bodem isdrie dagen na de stort aangespan-nen tot een waarde van circa1 N/mm2druk in het beton, intwee richtingen.De overige dwarsvoorspanningvan de bodem is aangebracht nacirca veertien dagen verharding.De langskabels van de bodem zijnpas op 100% voorspanninggebracht na het storten en enkeledagen verharden van de wanden.Op deze wijze wordt ook in delangswanden horizontale druk-spanning aangebracht. De krom-ming van de ponton is verhinderddoordat de ponton op de beddingligt.Het dek wordt na de wandengestort en nadien voorgespannen.Bij het opdrijven verdwijnt debodemdruk die de kromming vande ponton verhindert en stelt zicheen spanningssituatie in waarbijde bodem en de buitenwandenoptimaal voorgespannen zijn.K r i m pHet storten van lange wandengeeft doorgaans risico's op krimp-scheuren. Bij het ontwerp van deponton is gebruikgemaakt van dekorte bouwtijd en de relatief snelleopeenvolging van de storts van deverschillende onderdelen. Nadatde ponton eenmaal drijft, treedt erover de dunne wanden en debodem een evenwichtstoestand opin de vochthuishouding en is deverdere uitdrogingkrimp nihil.Slechts de binnenwanden en hetdek zijn voor de rest van delevensduur onderhevig aan voort-durende krimp. Verhindering vanvervormingen in de monolitischeconstructie geeft dat de krimp vandeze onderdelen (extra) drukspan-ningen in de buitenwanden ver-oorzaakt.De te storten wanden zijn relatieflang. De lengte-/hoogteverhou-ding is 3,4 : 25 = 1/8 voor de bin-nenwanden en 4,5 : 25 = 1/6 voorde buitenwand. In beide gevallenhebben de wanden een midden-zone die te beschouwen is als eenonderdeel van een oneindig langewand.De te storten wanden zijn ookrelatief dun. Dit is zeer gunstigvoor het risico van ontwikkelingvan scheuren als gevolg van ther-mische krimp. De kans dat despanningen die het gevolg zijnvan temperatuurgradi?nten ver-oorzaakt door het hydratatieprocesde ontwikkelde treksterkte over-schrijden is zeer gering.Een onderkend risico bij het stor-ten van wanden op een vloer isdat de wand warm wordt, terwijlde vloer relatief koel blijft en daar-door op trek komt. In de vloer kandan scheurvorming ge?nitieerdworden die zich doorzet in de(nog niet volledig sterke) wand.Het risico van scheurvorming inde vloer is in dit geval uitgeslotenaangezien de vloer op dat momentreeds voorspannen is.Het cementgehalte van de wandenwordt relatief laag gehouden. Dewater-cementfactor (wcf) bedraagt0,45. Gezien het feit dat alle beton-storts plaatsvinden bij zomersetemperaturen is het gunstig dewanden snel te ontkisten en vervol-gens (uitwendig) matig te koelen.De wanden worden zo snel moge-lijk, doch uiterlijk na twee dagenontkist. De wanden worden afge-schermd en bij hoge buitentempe-raturen op dag 2 en 3 natgehou-den met oppervlaktewater(ca. 18 ?C). Op deze wijze wordtgetracht de warmteontwikkelingaf te toppen en zo gunstig moge-lijk te vertragen ten opzichte vande sterkteontwikkeling. Het(geringe) scheurrisico in de eerstepaar dagen wordt daardoor gemi-nimaliseerd.Een ander gunstig effect is dat dewandstorten elkaar zeer snelopvolgen en ook relatief kort nade stort van de bodem plaatsheb-ben (tabel 2). De werkelijk verhin-derde uitdrogingskrimp is daar-door maar slechts een deel van detotaal optredende uitdrogings-krimp in de onderdelen (fig. 3en 4).Voor de opeenvolgende fasen isop basis van de tijdsduur en deomgevingsconditie berekend watde `gekrompen toestand' is die hetbetreffende constructieonderdeelaan het eind van de fase bereikt.De rek die over de fase optreedtwordt als opgelegde rek ingevoerd.Het optreden van deze rek kan(deels) verhinderd worden. Ditleidt tot trekspanningen in hetdeel dat wil krimpen en tot druk-spanningen elders in de construc-tie. Deze spanningen zijn onder-hevig aan relaxatie. De elastischeherverdeling en de relaxatie zijnberekend met een eindige-ele-mentenprogramma, waarbijgebruikgemaakt wordt van phasedanalysis. De wanden en het dekworden in de betreffende fasenverbonden met de reeds in deTabel 2 | Tijdsplanning opeenvolgende wandstortsdagstort bodem 11ewandstort 182ewandstort 223ewandstort 264ewandstort 30voorspanning bodem en wanden 3300,51,01,52,02,50 20 40 60 80 100tijd (dg)krimp(?10-4)krimp bodem+voorspanningwand 1wand 4wand 2wand 33 |Ontwikkeling van dekrimprek in de tijd.Krimp van de wandengesuperponeerd op dievan de bodem4 |Schematische voorstel-ling krimpbelasting enoptredende spanning bijverhindering van verkor-ting van de wand tenopzichte van vloer. Linksmet en rechts zonderverhindering van krom-mingwandbodemkrimpbelasting druk trekC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWater bou wcement 2005 7 29constructie aanwezige onderdelenen zijn op het tijdstip dat zeonderdeel gaan uitmaken van deconstructie spanningsloos.De nieuwe onderdelen gaan zelfbelasting uitoefenen doordat zegaan krimpen. Ze komen echterook op spanning door kruip vande onderdelen die reeds in devorige fase(n) verhinderde krimp-belasting ondervonden. Op dezewijze kan de spanning in de eer-der aanwezige onderdelen afne-men en is er sprake van relaxatie.Deze effecten worden gesuperpo-neerd in een elastische bereke-ning per fase. In deze fase wordendan de belastingen uit alle voor-gaande fasen ge?valueerd doormiddel van berekeningen met peronderdeel en per fase verschil-lende E-moduli.De relevante berekeningsresultatenzijn de normaalspanningen in dewanden, de bodem en het dek enook de vervorming van de ponton.De ponton heeft de neiging omdoor te buigen direct na hetopdrijven. Deze kromming neemtbij verdere krimp (van het dek)toe. Voor de eindfase is een door-buiging van 33 mm berekend (fig.5 en 6).Berekende spanningen ten gevol-ge van alleen krimpverhinderingzijn weergeven in tabel 3. Despanningen ten gevolge van voor-spanning en uitwendige belastin-gen moeten hierbij opgeteld wor-den. De berekende krimpspannin-gen leiden niet tot overschrijdingvan de treksterkte.T e m p e r a t u u r b e l a s t i n g e nTijdens de bouw staan de beton-oppervlakken bloot aan zonbestra-ling. In het gebruiksstadium ishiervan nauwelijks sprake. Detemperatuurbelasting met demeeste impact op spanningen isafkoeling van de opstaande randbij strenge vorst. De betoncon-structie van de ponton neemtoverwegend de watertemperatuuraan. Aan de bovenzijde van hetdek en tegen de opstaande randenis isolatie toegepast waardoor degehele ponton in de wintersituatierelatief koel is. Volgens de NEN6702 moet echter gerekend wor-den op een afkoeling van deopstaande rand tot -25 ?C. Devoorspanning en wapening van dewand zijn hierop berekend.De ponton ligt afgemeerd middelskragen om twee grote meerpalen(?1,6 m.). De ponton ligt daarmeerelatief star, waardoor er grotekrachten optreden bij golfbelas-ting dwarsscheeps. De staalcon-structies van de kragen zijn metvoorspanstaven verbonden aan hetponton.U i t v o e r i n g p o n t o nDe belangrijkste uitdaging van deuitvoering is de korte bouwtijd.De betonstorts zijn niet van eenbijzonder groot volume, maargezien de relatief complexe wape-ning en voorspanning is er sprakevan een arbeidsintensief beton-Tabel 3 | Spanning als gevolg van verhinderde krimpbuitenwand binnenwandxxbodem 250 mm 200 mm dek(N/mm2) 300 mm 200 mm(onderste 1 m van de wand)bouwfase 30 d -0,13 0,20 0,35 -60 d -0,50 0,40 0,80 0,60gereed 50 jr -1,33 0,32 2,50 1,005 |Berekende krimp-spanningen en?vervormingen;rechterhelft dek nietweergegeven6 |Berekende krimp-spanningen in opeenvol-gende fasen; detail in hetmidden van ponton;rechterhelft dek nietweergegevenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWater bou wcement 2005 730werk. Er is maximaal gebruikge-maakt van speciaal voor het werkgeprefabriceerde wapeningsnet-ten.De bodem wordt gestort op houtenplaten op een grindbed (foto 7). Inverband met de geringe dikte vande bodem en de gewenste nauw-keurige ligging van de voorspan-ning gold een vlakheidseis van+/ - 10 mm voor het grindbed. Ditgrindbed was noodzakelijk om hetonderstromen van de pontonmogelijk te maken wanneer hetmoet worden opgedreven. Debodem zelf is gestort op 290 +/- 10 mm dikte. Voorspankoppenvoor de dwarsvoorspanning zijnnog dezelfde dag mee gestort (foto8). De vloer is gevlinderd, ade-quaat nabehandeld en drie dagenonder water gezet. Daarna iskrimpvoorspanning aangebracht.De wandstorts zijn traditioneel,met een standaard bekistingssy-steem. In de binnenwanden zijnmangaten voorzien en diversesparingen voor installaties die inde ponton worden gesitueerd.Het bouwdokVoor het bouwdok was gedurendeenige tijd het oog gevestigd op dediverse grote scheepsdokken inAntwerpen en Rotterdam. Uitein-delijk is gekozen voor het Kluizen-dok in het havengebied van Gent.Dit dok is al enige tijd in aan-bouw. De kademuren zijngemaakt met het diepwandsys-teem en zijn gereed. Het bassin isnog niet uitgegraven. Juist in dezebouwfase is de locatie excellentgeschikt als bouwdok. Voor dekade zijn twee achter elkaar gele-gen ondiepe dokken uitgegravenwaar door bemaling de waterstandzo'n 2,5 m is gezakt. Uitvarengebeurde door het bouwdok te vul-len en een verbinding van circa100 m naar het kanaal van Gentnaar Terneuzen te baggeren.Op de nieuwe kade staan toren-kranen en er is voldoende ruimtevoor opslag en pre-assemblage.Voor het dek is ? zeer innovatief ?een voor te spannen lichtbetontoegepast. Het (droge) betonmor-telgewicht is circa 1650 kg/m3. Natwaalf dagen verharden is desterkte B 35 gehaald, waarna hetdek kon worden voorgespannen.Voor het dek gelden wegens deopstaande randen geen water-dichtheidseisen.C e r t i f i c e r i n gHet complete ontwerp en uitvoe-ringsproces is conform de besteks-eisen in opdracht van de aanne-mer gecertificeerd door het klas-sebureau Germanischer Lloyd. Alsresultaat van deze certificeringwordt voor de ponton een zoge-noemd 3.1C certificaat verstrekt.Dit type certificaat is bekend in destaalbouw en staat daar, evenals indit geval, voor een compleetgecontroleerd proces en traceer-baar product. Projectgegevensopdrachtgever:Rijksgebouwendienstarchitectonisch ontwerp +directie:EMG Architectenconstructeur:Royal Haskoningaannemer:Ursem Bouwgroep BVleverancier betonnen platform:Besix NVleverancier betonspecie:Interbeton8 |Een beeld door de tralies;voorspankoppen van dedwarsvoorspanning vande bodem7 |Bodemwapening pontonin bouwdok langs toe-komstige havenkade inGent