? offshore ? constructief ontwerp ? transporting.J. van Bokkem en ir.J.C.W.M. de Wit, De Weger Architecten- en Ingenieursbureau bvir.L.Franken en ir.J.Wens, Combinatie Piet Heintunnel 1 )In april 1997 is Nederlands langste verkeerstllnnel, de Piet Heintunnel in Amsterdam,opengesteld voor autoverkeer. In twee artikelenwordt een toelichtinggegeven op een bij-;e:onder aspect van de;e:e tunnel.Waar doorgaans de transportvoorspanning in de tunnelelementen ter plaatse van de dila-tatievoegen na af;e:inken wordtdoorgeslepen, is de;e:e bij de PietHeintunnel grotendeelsinstand gehouden. In dit eerste artikel ;e:al worden ingegaan op de aanleiding hiervoor, na-melijk het;e:eetransport van de tunnelelementen. In hetvolgende nummervan Cement;e:alhet gedrag van de tunnel in de gebruiksfase aan de orde komen.ZEETRANSPORTPIETHEINTUNNELLEIDTTOTBEHOUDVOORSPANNINGIN GEBRUIKSFASE (I)@ Dwarsdoorsnede afgezonken tunnelCD Situatie Piet HeintunnelBouwdok in AntwerpenVoor de bouw van de tunnelelementen is inhet bestek uitgegaan van het bouwdok inAmsterdam-Noord, waarin ook de elemen-ten voorde Coentunnel en de Hemspoortun"nel zijn gebouwd. Aangezien een bemalingniet meer was toegestaan, in verband metde invloed op de omgeving, waren drasti-sche en zeer kostbare aanpassingen vanhet bouwdoknodig. Daarbij kwam dat bij hetaangepaste bouwdok voor elk tunnelele-ment een relatief complexe opdrijf- en uit-sluisoperatie nodig zou zijn.Door de aannemer is een alternatief voorhet bouwdok in Amsterdam-Noord gezocht:op de Linker Schelde-oever in Antwerpen.Een consequentie hiervan was, dat hettransport van de tunnelelementen over zeemoest plaatshebben. Dit transport moestdaardoor nader beschouwd worden op zee-waardigheid van de tunnelelementen quasterkte en stabiliteit, en ten aanzien van devaarroute vanwege de afmetingen van deelementen. Deze randvoorwaarden hebbenuiteindelijk geresulteerd in acht tunnelele"menten met een lengte van circa 160 m.Bij de uitwerking van het transport van detunnelelementen over zee zijn de volgendefasen te onderscheiden:Hettrac? van de tunnel, meteen totale leng-te van circa 1950m, looptvanafdeoostzijdevan de Panamaweg, via het Spoorwegbas-sin, de ingang naar de Entrepothaven en hetAmsterdam-Rijnkanaal, naar de westzijdevan de Zuiderzeeweg op het IJ-eiland Zee-burg (fig. 1). Over een lengte van circa 1265mis de Piet Heintunnel uitgevoerd als eenafgezonken tunnel (fig. 2).De PietHeintunnel is onderdeel van de auto-verbindingtussenhetCentraal Station en deringweg Oost op het IJ-eiland, die in het ka-der van het bereikbaarheidsplan voor derandstad, in de gemeente Amsterdam is ge-realiseerd. De Piet Heintunnel is aangelegdin opdracht van Stedelijk Beheer Amster-dam, waarbij SAT Engineering vof verant-woordelijk was voor het besteksontwerp ende directievoering tijdens de uitvoering. Hetwerk werd aanbesteed volgens het Design &Construct-model. De Belgische aannemers-combinatie CPHTwerd geselekteerd voor deuitvoering, waarbij De Weger architecten- eningenieursbureau bv, Rotterdam, als advi-seur van de hoofdaannemer verantwoorde-lijk was voor het detailontwerp. Eind 1992werd gestart met de bouw.31,10..Ie 1,5A1"2,0 >a" 4,56.1Ic 1.5 Ic'I '1') Combinatie Piet Heintunnei (CPHT) vof, hoofdaan-nemer, is een samenwerkingsovereenkomst van vijfBelgische aannemers: CFE, Strukton De Meyer,Dredging International, Besix en Van Laere.22 CEMENT1998j31. opstellen sleepplan;2. defini?ren randvoorwaarden en uitgangs-punten;3. modelproeven en belastingen;4. ontwerp voorspanning en dimensione-ring dwarskrachtverbinding in dilatatie-voeg;5. faalkansanalyse.Fase 1: sleepplanDoor de onderaannemer Smit MaritimeContractors (SMC)is een sleepplan opge-steld voor het transport van de tunnelele-menten over open water tussen de sluis bijKallo bij Antwerpen en de Noordersluis vanIjmuiden (fig. 3). Daarbij is onderscheid ge-maakt tussen het traject over:? de Westerschelde tot aan Vlissingen, om-dat door de geulen en de stroming het sle-pen van de elementen tijgebonden is.Daarbij dient de sleep, in verband met degewenste wendbaarheid, te worden geas-sisteerd door een duwboot (foto 4);? de Noordzee, waarover de elementen van-af Vlissingen, via Het Scheur tot aan de ui-terboei in de Wielingen en vandaar kust"waarts van het Noordzee-scheepvaartka-naal tot in Ijmuiden worden gesleept.Fase 2: randvoorwaarden enuitgangspuntenOp basis van het sleepplan zijn de volgendeuitgangspunten en randvoorwaarden opge-steld:? slepen heeft plaats binnen de periode meitot oktober;? ontwerp-golfcondities:- onder normale condities (vanuit sleep-technisch oogpunt maximaal aanvaardba-re condities): een significante golfhoogteHs $ 2,0 m met een deiningscomponentHs $ 0,25 m;- onder overlevingscondities, in geval desleep ondanks alle voorzorgen in slechtweer terecht zou komen: een significantegolfhoogte Hs $ 3,5 m met een deinings-component Hs $ 1,0 m.De significante golfhoogte karakteriseerthet gekozen ontwerp-golfspectrum. Deontwerpcondities zijn gerelateerd aan de,voor het element, meest ongunstige in-valshoek van de golven;? vaarvenster datvoor de sleep vereist is ombinnen de normale golfconditieste blijven.Aan de gedefinieerde golfcondities zijn tech-nische randvoorwaarden gekoppeld op ba-sis waarvan de voorspanning en de tand-constructie in de dilatatievoeg zijn gedimen"sioneerd.De randvoorwaarden en uitgangspunten,zowel voor de golfcondities als voor de tech-nische uitwerking, zijn ter goedkeuring aan-geboden aan de verzekeringsmaatschappijLloyds, vertegenwoordigd door London Sal-vage Association (LSA). Hierop zijn door LSAde volgende aanvullende voorwaarden C.q.voorzieningen ge?ist:? transport dientplaatste hebben binnen deperiode 1 mei - 31 augustus;? transportvoorspanning op $ 0,80 op 0,1 k;? toepassen van een tweede (stalen) kop-schot op circa 2 m achter het betonnenkopschot.Fase 3: modelproeven en belastingenAan de hand van de randvoorwaarden is inonderling overleg een proevenprogrammaopgesteld, voor zowel mathematisch als fy-sisch modelonderzoek naar de stabiliteit ensterkte van een recht en een gekromd tun~nelelementvan circa 160 m. De proeven zijnuitgevoerd bij MARIN in Wageningen (foto 5).De modelproeven hebben de technischehaalbaarheid van het zeetransport binnende randvoorwaarden en uitgangspuntenaangetoond. Op basis van de uitgevoerdeproeven is bovendien een relatie vastgelegdtussen een MPM-kracht (most probablemaximum) en de golfperiode voor alle rele-vante voegdoorsneden en per moment- endwarskrachtparameter. Deze verbanden(overdrachtsfuncties) zijn gebruikt in defaalkansanalyse.Tijdens de modelproeven zijn de krachtenbepaald als gevolg van dynamische golfbe-lastingen en sleepbelastingen, optredendter plaatse van de maatgevende sneden inde elementen: de dilatatievoegen (L/2, L/3en L/6). De dilatatievoegen worden belastdoor een combinatie van buigende momen-ten, dwarskrachten en wringende momen-ten (fig. 6):? verticaal buigend langsmomentMy (domp-moment);? horizontaal buigend langsmoment Mz(giermoment);? horizontale dwarskracht Fy;? verticale dwarskracht Fz;? wringend moment Mx(rolmoment).? Transportroute @ Slepen over de Westerschelde met duwbootassistentieMUNITIE STORTPlAATS fIJMUIDEN / IJMUIDEN?9983MEETPOSTN~~ ? AMm"'''MEUROPLATFORM lICHTEILAND9613 GOEREE? ? % 1 0 ='". ~CEMENT1998/3 23? offshore ? constructief ontwerp ? transport~.........;;L-.--'-~'---ditatatievoegen .~ .....~ 0'Jq7,? Modelproeven bij Marin foto: Marin ? Belastingen tijdens zeetransportVoor het ontwerp en de detaillering diendete worden gerekend met de som van dekrachten als gevolg van dynamische golfbe-lastingen en sleepbelastingen en destati-sche krachten in het drijvend tunnelele-ment.De voorspanning is gedimensioneerd op decombinatie van de verticale en horizontalebuigende momenten My en Mz ter plaatsevan de dilatatievoegen; maatgevende sne-de daarbij is L/2 (fig. 7):? overlevingscondities:My= 475000kNm;Mz = 380 000 kNm.? normale of sleepcondities:My= 250000 kNm;Mz = 160 000 kNm.De tandverbinding in het tunneldak en in detunnelvloer ter plaatse van de dilatatievoe-gen is gedimensioneerd op een combinatievan een verticale dwarskracht Fz en eenwringend moment Mx' waarbij de maatge-vende combinatie onder overlevingscondi-ties optreedt in snede L/3:Fz = 11 OOOkN en Mx = 80 000 kNm.De tandverbinding ter plaatse van de dilata-tievoegen in de buitenwandenisgedimen"sioneerd op een horizontale dwarskracht ~,waarbij de maatgevende waarde onder over-levingscondities optreedt in snede L/6:Fy = 8000 kN (fig. 8).Fase 4: ontwerp voorspanning endilatatievoegVoor het opdrijven, transport en afzinkenworden de moten in ??n tunnelelement ge"koppeld door voorspanning, zodat eenbuigstijve constructie wordt verkregen. In detraditionele tunnelbouw wordt na afzinkende voorspanningterplaatsevan de dilatatie-voegen doorgeslepen, zodat zich daar eenscharnierkan vormen, waardoorongelijkma-tige zettingen eenvoudiger kunnen wordenopgevangen.De hoeveelheid voorspanningin een tunnel-element wordt bepaald door de verschillen"de uitvoeringsfasen:? opdrijven;? drijvend transport;? afzinken;? onderstromen (aanbrengen zandbed on-der tunnel).Gewoonlijk leveren al deze uitvoeringsstadiahun aandeel in de omhullendekrachtenlij-nen. Voor de Piet Heintunnel werden dezekrachtenlijnen echter geheel gedomineerddoor het zeetransport. Het transport overzee levert namelijk vier-? vijfvoudige belas-tingen dan het transport over binnenwate-ren, waarover tunnelelementen gewoonlijkworden versleept.Met het oog op de dilatatievoegen zijn voorde voorspanning de volgende randvoor-waarden opgesteld:? tijdens zeetransport:- onder normale golfcondities dient de'-"-'-" '-"-"-"-([) Momentenverdeling over tunnelelement onder overlevingscon-dit/es tijdens zeetransportballastbeton'--=::..-~...-'.-.........'-.;;.Hz)""',Mzl.-./'/,./'HyHz}.E'--+-----+--~+-~--+--~--+~--"~? Belastingen op tand dilatatievoegen en detail dilatatievoeg intunnelvloerHy = + 437 000 kNmHz = + 380 000 kNm24 CEMENT1998/3? Overzicht bouwdok met de bouwstroom tunnelelementenvoeg volledig onder druk te blijven:ab ::s; -0,1 N/mm2;" onder overlevingscondities is openenvan de voeg toegestaan, waarbij spanningin voorspanstaal: ap ::s; 0,80 apO,l k;? tijdens transport over binnenwateren, op-drijven en afzinken dient de voeg volledigonder druk te blijven, waarbij geldt:ab ::s; -0,1 N/mm2;? de dilatatievoegendienen na hetzeetrans-port waterdicht te lijn;? de kopvlakken van de zinkvoeg dienen nahet zeetransport nog nauwkeurig op maatte zijn.Voor de dimensionering van de tandverbin-ding in de dilatatievoeg is gerekend met eenveiligheid van 1,4 onderde normale golfcon-ditiesgedurende zeetransport en tijdens op-drijven en afzinken. Onderoverlevingscondi-ties isgerekend meteen veiligheid van 1,2.Als onderdeel van het onderzoek naar demogelijkheid van zeetransport is een grondi-ge analyse uitgevoerd naar het gedrag vande dilatatievoeg in relatie met de detailIe"ring, teneinde een optimaal voorspanont-werp te kunnen maken. Als eerste is daarbijhet 'traditionele' voegontwerp nader be-schouwd. Daarnaast is een alternatief ont-werp ontwikkeld, dat inspeelt op het trans-port over zee.Traditioneel ontwerp dilatatievoegHet traditionele ontwerp van de dilatatie-voeg wordt gekenmerkt door een relatiefeenvoudige uitvoeringsmethode, waarbijgeen bijzondere voorzieningen worden ge"troffen. Het voorspanontwerp berust op defilosofie van volledig voorspannen (fig. 10).Indien dit voegontwerp echter nader wordtbeschouwd met oog op het zeetransport,valt het volgende op:? door de stortvolgorde van de tunnelmoten(vloer 1 t.m. 4 - binnenwanden - buiten-wanden + dak, zie bouwstroom op foto 9)en het daarbij behorendekrimpproces ishet aanligpunt of drukpunt bij negatievemomenten (trek in hetdak) nietondubbel-zinnig vast te stellen; veelal bevindt ditpunt zich onderin de wand.Met name tijdens transport over zee,waarbij wisselende dynamische belastin-gen kunnen optreden, bestaat het gevaarvan 'klapperende' voegen, hetgeen totschade aan de voegen en verlies vanmaatvastheidvan hetelement kan leiden;? bij het toepassen van het principe van vol-ledig voorspannen, met name voor de bijhet zeetransport gedefinieerdeoverfe-vingscondities, ontstaat een bijzonder on-voordelig voorspanontwerp; daarbij dienttevens rekening te worden gehouden meteen kleinere (onzekere) hefboomsarm;? de schadelijke effecten van de voegsple-ten kunnen worden tegengegaan door de"ze achteraf te injecteren en daarna devoorspankabels aan te spannen. In elkge"val is dan bereikt dat de voegen bij wisse-lende belastingen niet 'klapperen'. Tegelij-kertijd moet echter in de gehele doorsne-de een minimale voorspanning gehand-haafd blijven, ook in de hoekpunten waarde invloed van de dubbele buiging hetgrootstis. Ditvereist relatiefzeerveel voor-spanning.AI metal was beschouwingvan detraditione-Ie uitvoering van de voeg in relatie met hetzeetransport voldoende aanleiding een al-ternatieve uitvoering van de voeg te ontwik-kelen, die beter inspeelt op de aspecten vantransport over zee.? Traditioneel ontwerp dilatatievoeg. Stortvolgorde:1 t.m. 4: vloeren, 5: binnenwanden, 6: buitenwanden + dak@ Alternatiefontwerp dilatatievoeg: terugzetten wanden door po-lystyreen in de bekisting. Stortvolgorde als figuur 10dakIschematisch polystyreenIIIIschematischCEMENT1998/3 25.off$hore ? constructief ontwerp ? transportAlternatief ontwerp dilatatievoegVoor de Piet Heintunnel is een alternatiefontwerp voor de dilatatievoeg ontwikkeld,dat bij uitstek geschikt is voor het opnemenvan hoge wisselende periodieke golfbelas-tingen die kunnen optreden tijdens zee-transport (fig. 11). In combinatie met eenaangepaste filosofie ten aanzien van hetvoorspannen heeft dit geleid tot een uitge-balanceerd voorspanontwerp.Aan hetalternatiefontwerp liggen de volgen-de overwegingen ten grondslag:? door de wanden terug te zetten, door mid-del van polystyreen in de kist, is de detaille-ringvan de voeg zodanig aangepastdat deaanIig- of drukpunten te allen tijde bekendzijn; het dak en de vloer liggen namelijk ge-garandeerd aan, zodat geen gevaar be-staat voor 'klapperende' voegen;? de ontwerpfilosofie met betrekking totvoorspannen gaat niet meer zonder meeruit van volledig voorspannen, maar laatonder voorwaarden ontwerpen op 'breuk-moment' toe:- onder normale golfcondities tijdens zee-transport en onder gebruiksconditieswordt nog steeds uitgegaan van volledigvoorspannen. Door hetterugzetten van dewanden is het netto betonoppervlak sterkTabel 1Rekenvoorbeeldgereduceerd, terwijl het weerstandsmo-ment slechts beperktis afgenomen, waar-door de voorspanning effectiever werkt;- onder overlevingscondities tijdens zee-transport wordt ontwerpen op 'breukmo-ment' voorgesteld, waarbij de spanning inhet voorspanstaal de door LSA gesteldewaarde niet mag overschrijden. Hetbreuk-moment wordt hierbij beschouwd ten op-zichte van de zwakke buigingsas, waarbijhet dwarsmoment Mz door de drukzone inhet dak of in de vloer wordt opgenomen.De toepassing van dit alternatieve voegont-werp heeftgeleid tot een grote besparing opde hoeveelheid voorspanning, zonder datditten koste is gegaan van de veiligheid vande tunnel. Een en ander is verder onder-bouwd met de uitgevoerde faalkansanalyse.Een voorbeeld ter illustratie van het verschiltussen het traditionele en alternatieve ont-werp is opgenomen in tabel 1.Bij hetgekozen voorspansysteemBBR ConaMulti 12121 15,7 / FeP 1860 zijn de in tabel 2aangegeven kabels berekend. Met betrek-kingtot hetkabelontwerp (fig. 12)valthierbijhet volgende op:? het relatief grote verschil in aantal kabelstussen de voegen L/2 en L/3 en de buiten-ste voeg L/6;? bij een traditioneel uitgevoerd kabelont-werp met doorgaande kabels is het aantalspanverankeringenin de kopvlakken zeergroot in verhouding met de beschikbareruimte.Er is daarom gekozen voor de toepassingvan luskabels. De lus fungeert hierbij alsblinde verankering. Omdat de maatgevendemomenten per voeg Verschillen, kunnen delussen/blinde verankeringen zodanig wor-den geplaatst dateen geoptimaliseerd voor-spanontwerp wordt verkregen.Fase 5: FaalkansanalyseDe faalkansanalyse diende uiteindelijk aante gevenwanneer en onder welke zeecondi-ties een tunnelelement getransporteerdkon worden, waarbij een afgesproken faal-kans niet wordt overschreden. De uitgevoer-de analyse is een beperkte risicoanalyse,omdat is uitgegaan van een deterministischsterktemodel en een stochastisch belas-tingsmodel. Deze aanpak is behalve prak-tisch, ook verantwoord: de spreiding van debelastingsparameters is immers aanzienlijkgroter dan de spreiding van de sterktepara-meters.Voor het opstellen van het sterktemodel isgebruikgemaakt van de detailberekeningenvoor de tunnelelementen en de geanaly-26 CEMENT1998j3Tabel 2Benodigd aantal kabels ter plaatse van dilatatievoegen voor recht en gekromd elementseerde resultaten van de modelproeven.Hierbij bleek dat er drie mogelijke bezwijk-mechanismen voor de dilatatievoeg be-staan, waarbij ieder mechanisme gekoppeldbleekte zijn aan een specifieke voeg (fig. 6):la. bezwijken voorspankabels onder in-vloed van buigendelangsmomenten(voeg L/2);lb. openen voegtot maximaal 15 mm (voegL/2);2. bezwijken tandverbindingin buitenwan-den onderinvloed van horizontale dwars-krachten (voeg L/6);3. bezwijken tandverbinding in dak en vloeronder invloed van wringend moment enverticale dwarskracht (voeg L/3).Voor het belastingsmodel is uitgegaan vandrie-uurlijkse golfge?nduceerde belastingentijdens het slepen, bepaald door een combi"natie van een statische drijfbelastingen eendynamische golfbelasting. Daarbij is uitge-gaan van een golfklimaatgebaseerd op golf"waarnemingen van Rijkswaterstaatvoor eenlocatie op circa 50 km ten westen van IJmui-den. Dit station bleek de meest representa-tieve bovengrens te geven voor degolfcondi-@ Ontwerp voorspanning met luskabelsa. tunneldak b. tunnelvloer::?ties langs de sleeproute. Doormiddel van deoverdrachtsfuncties, die zijn opgesteld metbehulp van de uitgevoerde modelproeven,konden de golfmetingen worden vertaaldnaar dynamische golfbelastingen op hettunnelelement.Ten aanzien van het transport is door SMCeen maximaal acceptabele golfconditie be-paald waaronder nog verantwoord met desleep gevaren kon worden. Doortoepassingvan een golfvoorspelling kon in de praktijkvrij nauwkeurig worden afgeschatof ditvaar-criterium gedurende de geplande sleepduurzou worden overschreden. Een beslissingtot vertrek kon dus beter worden onder-bouwd door toepassing van een golfvoor-spelling. In hettoegepaste faalkansanalyse-c. kopvlak primaire zijdemodel zijn het gebruik van een golfvoorspel-ling en de toetsing aan het vaarcriteriumge?ntegreerd.FaalkansberekeningDe feitelijke faalkansberekeningen werdenuitgevoerd met behulp van een computer-model. Dit maakte het mogelijk een helereeks vaarcriteria en verschillende sleepdu"ren door te rekenen en bovendien een ge-voeligheidsanalyse te maken van de belang-rijkste paramaters in de (kunstmatige) golf-voorspelling. Iedere twaalf uurwerd een mo-gelijk vertrek bekeken over het seizoen meitot en met augustus. Stap voor stap ging decomputersimulatieals volgt:d. kopvlak secundaire zijde--~~.r::_-=- -"'F- ~ "L __ ~ t~m:~~~=~~=::~=-===~,....,;_'"'-_;;;.:.~-=+-;;;.:--=;;;.:-=-_;;;.:._-=-;;;.:~=-~;;;.:_-=-;;;.:~=-~=_-==F-=-=;;;.:=.=-=;;;.:=.=-=~:..:-=--=:.:-:r.:b