Kansen voor UHPC8200872Kansen voor UHPCAls gevolg van het agressieve (zeewater)milieu zijn de huidigestalen schuiven in de Afsluitdijk erg onderhoudsgevoelig. Alsinzending van de prijsvraag B2(80+50)-schuif heeft een teamvan twee studenten van de Hogeschool Utrecht ? onder bege-leiding van Arcadis ? onderzocht of met alternatieven winstkan worden behaald op onderhoud en duurzaamheid. Ultra-hogesterktebeton (UHPC) bood uitkomst.Ontwerpwedstrijd B2(80+50)-schuif (1)Ontwerp spuisluisdeurDe primaire functie van de nieuwe schuif is het afdichten vaneen stroomgat van 14 m hoog en 32 m breed. In totaal wordener vijf openingen per sluiscomplex gerealiseerd. Deze aanpas-singen maken het mogelijk het waterniveau in het IJsselmeerminimaal tot 2050 te kunnen reguleren. De spuischuif is gedi-mensioneerd om bij een `super' stormvloed vanaf de Wadden-zee een waterstandverschil van 7,5 m en de daarbij komendegolfhoogte van 3,5 m te kunnen keren. Anders dan bij destormvloedkering Oosterschelde levert een extreme stormvanuit de landzijde, het IJsselmeer, een tweede maatgevendebelasting. Deze belasting is circa de helft van de belastingvanuit de Waddenzee.I-elementenHet ontwerp voor de schuif is voortgekomen uit een reeksglobale schetsen waarvan de voor- en nadelen zijn bepaald. Deuiteindelijke variant bestaat uit twee voorgespannen platen diebeide een ronding hebben van 1/30 van de overspanning. Dezeronding is toegepast om gewicht te besparen en om de schuifesthetische waarde mee te geven. Om uitvoeringstechnischeredenen is deze ronding gerealiseerd met behulp van zevenknikpunten. Hierdoor is de bekisting minder complex en kande voorspanning optimaal in de betondoorsnede wordengeplaatst. Er is gekozen voor een variant met aan beide zijdeneen gesloten plaatconstructie. Op deze manier kan de voor-spanning het meest effectief in de constructie worden opgeno-men en over de constructie worden verdeeld. Daarnaast wordtde kans op beschadiging door kruiend ijs vanuit het IJsselmeerweggenomen. De dikten van de platen zijn 90 mm aan de zijdeVoordat met het ontwerp werd gestart, is een literatuurstudiegedaan naar betonsoorten met een hogere sterkte (>130 MPa).Hieruit bleek dat de prestaties van deze betonsoorten superieurzijn ten opzichte van gangbaar beton. Deze verbeteringen zijnvoornamelijk te danken aan de verbeteringen van vier basisprin-cipes: homogeniteit, pakkingdichtheid, microstructuur en ducti-liteit. Zo wordt niet alleen de druksterkte vergroot, maar wordenook de treksterkte en weerstand tegen indringing van agressievestoffen sterk verbeterd ten opzichte van normaal beton. Vanafeen sterkte van 150 MPawordt deze betonsoort ultra-hogesterk-tebeton genoemd of Ultra High Performance Concrete (UHPC).Door de zeer hoge weerstand tegen indringing van chloriden isdit materiaal uitermate goed geschikt om in de waterbouw teworden toegepast. Het onderhoud aan het oppervlak van deschuif in UHPC is tot een minimum beperkt. Als sterkteklasse is`B200' gekozen wat als prefab goed is te produceren.ontwerpwedstrijdKansen voor UHPC 82008 73eindharwaterschottensparingen voorwaterinlaatsparingen voorgewichtbesparingeindharribben / naspankanalenlijf van elementen1van het IJsselmeer en 95 mm aan de Waddenzeekant. Dezedikten zijn mogelijk door de zeer hoge weerstand tegen chlori-den van het materiaal, waardoor een beperkte dekking op destrengen voorgerekt voorspanstaal mogelijk is. Tussen de beideplaten zijn lijven van 84 mm dik gedimensioneerd om de span-ningen over te dragen. Om te voorkomen dat de schuif gaatopdrijven in extreme situaties, is er in het midden van de schuifgekozen voor een (verticaal) open constructie. Hierdoor kanhet water de schuif inlopen. Met behulp van waterschottenwordt voorkomen dat de totale schuif zich met water zal vullen.Dit is nodig om het hefmechanisme niet onnodig te belasten bijhet heffen. De schotten kunnen gebruikt worden als ophijspun-ten tijdens de montage. Bij het inhijsen van de totale schuifleveren deze schotten stabiliteit in de vorm van schijven (fig. 1).Om het ontwerp uitvoerbaar te maken is de schuif opgedeeldin 10 identieke elementen. Door bekisting 50 maal te herge-bruiken is het mogelijk flink op de kosten te besparen. Deelementen hebben een breedte van 1400 mm, een lengte van 30meter en een maximale hoogte van 3,2 m. Hierbij is gelet op deuitvoerbaarheid en het gewicht. De betondoorsnede is geopti-maliseerd. Het vervoer van de elementen kan over de weg ofover het water. Om uitvoeringstechnische redenen zijn deelementen uitgewerkt als I-vormige profielen. In vergelijkingmet kokerliggers zijn deze elementen gemakkelijker te storten.Door de keuze van horizontale elementen in plaats van verti-cale elementen, is het mogelijk ook de relatief schaarse trekca-paciteit van het UHPC in de hoofdrichting te gebruiken. Bijeen keuze van verticale elementen zou het niet mogelijk zijnom de trekcapaciteit van het materiaal optimaal te benutten,omdat de voegen in dat geval bij hoge belastingen open zullengaan staan, waardoor de voorspanning door het zeewateraangetast kan worden.In de toegepaste horizontale voegen wordt epoxyhars toegepastom de waterdichtheid te garanderen. Om de elementen goedop elkaar te laten passen wordt de contramaltechniek toegepasten wordt het aansluitvlak van een profilering voorzien. De opte nemen trekcapaciteit van de epoxyhars wordt niet meegeno-men in de berekeningen.De op elkaar gestapelde elementen worden ter plaatse verticaalgespannen met nagerekt voorspanstaal. De voorspankanalenhiervoor zijn ingestort.ir. Tom van der LindenHogeschool Utrecht, fac. Civiele TechniekWouter van der MaasHogeschool Utrecht, fac. Civiele Techniek / ARCADISIvar RoozenbeekHogeschool Utrecht, fac. Civiele Techniekdr.ir. Jacques StuifbergenHogeschool Utrecht, fac. Civiele Techniekir. Rob VergoossenARCADIS1 3D-weergave van de schuif(links opengewerkt)Kansen voor UHPC8200874-80-601 3 5 7 9 11 13-40-20020druk waddenzeezijdetrek waddenzeezijde15 17spanningN/mm232 LITeRaTuuR1 Van der Maas, W.F.J., Roozenbeek I., Ontwerp spuisluisdeur vanhogeresterktebeton. Afstudeerverslag Hogeschool Utrecht, juni 2008.Mogelijkheden UHPCIn het afstudeeronderzoek is meer bekend geworden over eenmogelijke toepassing van UHPC als bouwmateriaal voor eenschuif in een primaire waterkering. Desondanks is tot op hedennog niet alles bekend op het gebied van dit zeer-hogesterkte-beton. Met de huidige kennis kan er wel geconcludeerd wordendat het door de verbeterde eigenschappen mogelijk is zeer lichten slank te construeren. De op te nemen krachten, met name deop te nemen trekkracht, blijven hierbij nog wel achter bij die vanstaal. Iets van dit verlies is terug te halen in het gewicht van hetbeton dat circa een derde van het gewicht van staal is. Naast dezewinst is er met behulp van voorspanning meer van de drukcapa-citeit van de UHPC te halen en is het mogelijk hogere trekspan-ningen op te nemen.Uit het ontwerp komt naar voren dat een schuif van UHPCminder dan 20% zwaarder zal zijn dan een stalen schuif. Hetgevolg hiervan is dat onderdelen als hefmechanisme en pijlersniet rigoureus anders gedimensioneerd hoeven te worden.Om te kunnen concurreren met een stalen variant moet eenschuif van UHPC financieel aantrekkelijker zijn. De algemenevisie op dit gebied is dat de variant van UHPC hogere investe-ringskosten zal hebben dan een stalen schuif. Door de mini-male onderhoudskosten aan de betonnen schuif zal dezetijdens de levensduur van 100 jaar uiteindelijk goedkopermoeten zijn dan een stalen variant. Dit komt doordat een stalenschuif, ondanks de nieuwste conserveermethode TSA(Thermal Spray Aluminium), tijdens de levensduur tweemaalvan een coating moet worden voorzien. Deze onderhoudskos-ten worden, naar het heden gekapitaliseerd, bij de investerings-kosten opgeteld. In dit onderzoek blijkt dat het UHPC-ontwerpin aanschaf al goedkoper zal zijn dan een stalen schuif. Bij hetverder uitwerken van het ontwerp en door de kosten vooracceptatie van dit innovatieve materiaal zal dit in de praktijkwellicht nog niet zo zijn. In ieder geval biedt dit een positievetoekomst voor UHPC.Voor dit ontwerp zijn ook aspecten als vermoeiing en trillingbekeken. De wanden van de schuif waarin trek- en drukspan-ningen voorkomen zijn niet vermoeiingsgevoelig. Ook de eigen-frequentie van de constructie verschilt dusdanig van de golffre-quentie dat deze geen bezwijken door trilling teweeg brengen.Door de voorspanning staat de schuif continu onder drukspan-ning. De schaarse maar aanwezige trekcapaciteit van de beton-doorsnede zal alleen worden aangesproken in zeer uitzonder-lijke situaties. In figuur 3 zijn de spanningen weergegeven in dewand (vanuit het midden naar het oplegpunt toe) aan deWaddenzeezijde tijdens de ontwerpwaterstand behorende bijeen extreme storm aan de Waddenzee- en de IJsselmeerzijde.Hierbij is het gebruik van de trekcapaciteit goed te zien. Doordeze mogelijke wisselende belasting aan de Waddenzee- en deIJsselmeerzijde werkt voorspanning in ??n van beide wandenaltijd negatief op de constructie. De drukkant in de schuifcon-structie moet de belasting en daarbij opgeteld de voorspan-kracht opnemen. De maximale voorspanning is mede hierdoormaximaal 30% van de drukcapaciteit van het beton. De voor-spankracht in de wand aan de IJsselmeerzijde is tweemaal zohoog als de voorspankracht aan de Waddenzeezijde. Dit resul-teert in een dubbel aantal voorspanstrengen in de IJsselmeer-zijde-wand (30 strengen van 150 mm2) ten opzichte van deWaddenzeezijde-wand (15 strengen). De excentriciteit van devoorspanning is hierdoor 510 mm.Aan beide zijden van de elementen worden met een natte voegde eindharren aan de constructie vastgestort. Deze dienen voorde geleiding in de sponningen. De eindharren worden uitge-voerd in C53/65. Dit wordt gedaan om kosten te besparenaangezien UHPC hier voor de krachtoverdracht niet noodzake-lijk is. Door gebruik te maken van UHMWPE-plaatjes, diegeleiden over RVS in de sponning, wordt de schuifweerstandtot een minimum beperkt.Het gewicht van de totale schuif komt op 533 ton, dit is inclu-sief de eindharren.ontwerpwedstrijdKansen voor UHPC 82008 75doorsnede terhoogte van hetmidden van deconstructiedoorsnede terhoogte van deopleggingen1000320014001400excentriciteit951208418412090608608425420 21159590120 760 120841846086084waddenzee3200042000ijsselmeereindhareindhar5DuurzaamheidNaast een financi?le winst voor UHPC is er ook winst tebehalen op duurzaamheid. Dit geldt op het gebied van energie-verbruik en afvoer van metalen. Hierbij is vooral gekeken naarde uitstoot van CO2tijdens het vervaardigen van de grondstof-fen benodigd voor een schuif in beton en in staal. De verschil-len tussen het UHPC en stalen ontwerp zijn vrij groot. Hetontwerp van UHPC zal bijna drie keer minder uitstoot vanCO2geven dan van een stalen ontwerp. Ook moet er tijdens hetonderhoud aan de stalen schuif een deel van de milieubelas-tende coating afgevoerd worden.Hieruit is te concluderen dat vooral de aspecten op langeretermijn in het voordeel zijn van een ontwerp in UHPC. Ininvesteringskosten zal er weinig verschil zijn tussen beide vari-anten. Maar op de aspecten onderhoud, energiegebruik enduurzaamheid heeft de betonnen schuif een voordeel.AanbevelingenDoor het gebrek aan ervaring met en regelgeving voor UHPCzijn er op dit moment vooral conservatieve berekeningengemaakt. Er wordt op dit moment veel onderzoek gedaannaar dit materiaal, bijvoorbeeld in Frankrijk en Duitsland.Ook Nederland kan zichzelf op de kaart zetten door hetbeschreven innovatieve schuifontwerp in het nieuwe sluizen-complex van de Afsluitdijk toe te passen. Het kan dan wordengezien als bijvoorbeeld een icoon in het rijksmonument, deAfsluitdijk.Met betrekking tot het ontwerp is verdere detaillering noodza-kelijk om de kosten, uitvoering en wapening nauwkeurig tekunnen bepalen. Daarnaast moeten er goede en minderconservatieve ontwerprichtlijnen voor ontwerpen in UHPCworden ontwikkeld. Vooral op het gebied van vermoeiing en deequivalente (buig)treksterkte valt hier winst te behalen. Dooronderzoek te doen naar een optimalisering van het beton-mengsel zoals het percentage staalvezels kan de kostprijs vandit materiaal dalen.Wanneer er wordt ge?nvesteerd in bovenstaande onderdelen,biedt dit een constructief fundament voor verdere ontplooiingvan mogelijke toepassingen van dit, nu nog, bijzonderemateriaal. 2 Samenstelling diverse betonmengsels3 Spanningen in de wand aan de Wadden-zeezijde tijdens de extreme situaties4 Doorsnede ter hoogte van het midden(links) en de opleggingen (rechts)5 Situatieschets van de schuif in B200tussen de pijlers