Roteerbare betonnen waterkering1 2012 | onlineonlineRoteerbarebetonnenwaterkeringWaternet, de gemeenschappelijke organisatie vande Gemeente Amsterdam en het WaterschapAmstel, Gooi en Vecht, wil een waterkering plaatsenin de Amstel. Deze kering moet in geval van eenbreuk in een Amsteldijk het water tegenhoudenzodat de gevolgschade kan worden beperkt tot ??nzijde van de kering. Hiervoor is een locatie voor ogenten zuiden van de A9, vlakbij Oudekerk aan deAmstel. Uit een studie blijkt dat beton een goedalternatief is voor de oorspronkelijke stalen variant.1Innovatieve keuze voor betonnen draaischijvenENCI Studieprijs 2011Dit is het eerste artikel in een serie met bijdragenvan prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2011. Destudie die in dit artikel wordt beschreven, ontvingde eerste prijs in de categorie PMSE.Roteerbare betonnen waterkering 22012 | online1 3D-visualisatie van de betonnen waterkering2 Globale werking van de keringIn het plan van Waternet is gekozen voor een segmentkeringmet aan weerszijden van de rivier een verticale schijf in land-hoofden. Hiertussen wordt een kerende plaat geplaatst. In opentoestand ligt deze plaat in een inkassing in de drempel, op debodem van de rivier. In gesloten toestand worden de schijvengedraaid waardoor de kerende plaat rechtop in de rivier komtte staan en tweezijdig kan keren (fig. 2). Dit ontwerp komtovereen met de Thames Barrier in Londen en hetEmssperrwerk in rivier de Eems bij Emden in Duitsland.Bij het referentieontwerp is uitgegaan van een stalen segment-deur. Een nadeel van een stalen kering is echter dat de onder-houdskosten voor een 100-jarige levensduur erg hoog zijn. Alsalternatief is de technische haalbaarheid van een betonnensegmentdeur onderzocht, waarbij de onderhoudskostenkunnen worden geminimaliseerd. Hierbij is nadrukkelijkgekeken naar hogesterktebeton.Om een goede vergelijking tussen staal en beton te kunnenmaken, zijn de ontwerpuitgangspunten voor de betonnenkering gelijk gehouden aan die van de stalen variant. De nettooverspanning bedraagt 40 m, waarbij 3,85 m waterstandsver-schil moet kunnen optreden. De vereiste levensduur is 100 jaar.Verder is aangenomen dat de afmetingen van de kering nietgroter worden dan die van de stalen variant. Het gewicht vande kering, dat met scharnieren moet worden overgebracht naarde landhoofden, is zodanig begrensd dat deze niet hoger magzijn dan bij de segmentkering in de Eems.OntwerpkeuzenVoordat een globaal ontwerp kon worden gemaakt, is eerst eenaantal ontwerpkeuzen gemaakt die grote invloed op deconstructie hebben. Zo is de maximale vervorming van dekering op 100 mm gesteld, om zo de waterafdichting te kunnenwaarborgen met gangbare afdichtingsprofielen. Verder moesteen keuze worden gemaakt in de draairichting van de kering.Een dijkbreuk kan aan beide zijden van de kering optreden.Wanneer de kering altijd richting de laagwaterkant draait, kaneen gebogen voorspanverloop worden toegepast, waardoorlichter kan worden geconstrueerd. Ook de afdichting is in ditgeval eenvoudig doordat de kering tegen de drempel wordtaangedrukt. Met het oog op de betrouwbaarheid van de keringis het wenselijker om deze altijd te laten sluiten in dezelfderichting. Er hoeft dan bij een kadebreuk niet worden gedefini-eerd aan welke kant (stroomop- of afwaarts) de breuk is opge-treden. Ook kan het bewegingswerk dan eenvoudiger wordenuitgevoerd. Deze keuze heeft wel tot gevolg dat voor de voor-spanning alleen een centrisch kabelverloop kan wordengekozen.2Johan van Sloten MSEng BBE1)DHV1) Johan van Sloten heeft met het onderzoek `Ontwerp van een roteerbarebetonnen waterkering' zijn PMSE-studie afgerond. Hij werd begeleid dooring. Niek Kaptijn (Adviesbureau ir. J.G.Hageman B.V.).Het jurycommentaarEen zeer origineel ontwerp is gemaakt voor een beweegbare beton-nen waterkering in de rivier de Amstel. Het gaat hierbij om eenontwerp in hogesterktebeton (C90/105) in combinatie met wape-ning en centrische voorspanning, dat niet alleen qua kosten, maarook qua duurzaamheid bijzonder hoog scoort. De krachtswerkingin de constructie is op intelligente wijze geanalyseerd, op grondwaarvan de constructie op een creatieve manier is vormgegeven.Vooral de innovatieve keuze van de betonnen draaischijven isopvallend. Het fraaie ontwerp is perfect uitgevoerd.Roteerbare betonnen waterkering3 2012 | onlineonlineRDH1600148024005940100yxR=35001480135150100665180517501002303 Variabelen in de halfronde holle doorsnede4 Doorsnede brugkokerprofielen5 Definitieve halfronde holle doorsnedeStandaard brugliggersHet alternatief voor de doorsnede is de toepassing van stan-daard brugkokerprofielen (fig. 4). Hierbij is uitgegaan van deRogir K-profielen van Romein Beton. Door gebruik te makenvan twee standaard kokers en twee standaard randkokers kaneen doorsnede worden ontworpen die binnen de randvoor-waarden van het ontwerp past. De toegepaste betonsterkte-klasse is C45/55. De optredende belasting is ongeveer gelijk aande verkeersbelasting waarop de liggers zijn ontworpen. Hierbijis het wel noodzakelijk dat de vier liggers samenwerken en dusonderling worden verbonden. Het gewicht van deze oplossingis ongeveer twee maal zo hoog als die van de halfronde holledoorsnede.AfwegingQua prijs zullen de beide opties ongeveer gelijk liggen. Maar hethoge gewicht en de benodigde samenwerking tussen de liggerszijn twee grote nadelen van de brugliggeroplossing. Daarom iservoor gekozen de halfronde doorsnede verder uit te werken.UitwerkingKerende plaatIn de doorsnede zijn vier lijven aangebracht met een dikte van100 mm. Nabij de oplegging zijn ze verdikt tot 150 mm (fig. 5).Voor de eigenschappen van het beton is steeds naar driebetonsterkteklassen gekeken: C50/60, C90/105 en C175/200.Doorsnede variantenEr is een aantal doorsnedevarianten beschouwd. Hierbijkwamen twee haalbare ontwerpen voor de kerende plaat naarvoren: een halfronde doorsnede en een variant met standaardbrugliggers.Halfronde doorsnedeDe halfronde doorsnede is voorzien van holle ruimten enlijven. Deze doorsnede (fig. 3) past precies in het uitgespaardegebied in de drempel. Hierbij kan met drie parameters wordengevarieerd: de straal van de schijven, de hoogte van de plaat ende dikte van de lijven. Door de verhouding tussen het opper-vlaktetraagheidsmoment en doorsnede (dus gewicht) uit tezetten tegen de dikte van de lijven, kan voor de driebeschouwde sterkteklassen de meest optimale doorsnedeworden bepaald. Gebleken is dat de doorbuiging maatgevend isvoor het ontwerp. Doordat de elasticiteitsmodulus van hetbeton minder sterk oploopt bij hogere druksterkte, blijkt hetvoor dit geval niet economisch om de hoogste sterkteklasse(C175/200) toe te passen.Om de doorbuigingseisen te halen, is het nodig uit te gaan vaneen ongescheurde doorsnede. In dit geval is dat alleen metvoorspanning te realiseren. De toepassing van C90/105 lijktdaarom voor dit ontwerp de beste optie. Bij normalesterkte-beton (C50/60) is het gewicht zodanig hoog dat eigen gewichteen maatgevende belasting wordt. Dit is voor C90/105 niet hetgeval.Het voordeel van dit ontwerp is dat een optimale doorsnedekan worden ontworpen die precies binnen de beschikbare half-ronde vorm past. Het nadeel is dat een lastige vorm moetworden gemaakt met een speciale bekisting.345Roteerbare betonnen waterkering 42012 | onlineSluisdeur van hogesterktebetonDe conclusie uit dit onderzoek kan worden doorgetrokken naarandere (beweegbare) waterbouwkundige constructies. Sluisdeu-ren, stormvloedkeringen, stuwen en noodkeringen komen veelvoor in Nederland en veel geld voor bouw en onderhoud kanworden bespaard door de toepassing van beton. De eerste sluis-deuren van hogesterktebeton bij IJburg in Amsterdam zijn eenfeit. Hoewel het hier nog om relatief kleine deuren gaat, geeft ditwel aan dat zowel opdrachtgevers als aannemers in de water-bouw tegen een omslagpunt aanzitten. De vraag is dan ook niet?f, maar wanneer hogesterktebeton de nieuwe standaard voorbeweegbare keringen wordt.6 Aansluiting schijven op kerende plaatte brengen, wordt de kracht alleen als centrische drukkracht inde schijf en kerende plaat ingeleid. Hiermee is een eenvoudigemontage mogelijk. De voorspanning voorkomt dat onder demaatgevende situatie de kering loskomt van de schijf.Belangrijk aandachtspunt bij het detailleren van de staven is deduurzaamheid en de mate van flexibiliteit. De staven moetenworden geplaatst in een te grote buis, waardoor kleine rotatiesover de hele hoogte mogelijk zijn. Op deze manier kan dekerende plaat iets roteren ten opzichte van de schijf. Deschijven zelf worden door middel van een as verbonden aan delandhoofden.VergelijkingUit het ontwerp blijkt dat de losse onderdelen in beton kunnenworden uitgevoerd. De grote vraag is nu of het opweegt tegenhet oorspronkelijke ontwerp van staal. De betonnen variant is,ondanks de kleinere afmetingen van zowel de kerende plaat alsde schijf, 70% zwaarder. Daarom zijn zwaardere aandrijf-mechanismen nodig. De belastingen op de scharnieren blijkenwel lager dan die bij de stalen segmentdeuren in Emden. Dezekritische onderdelen zijn dus technisch haalbaar.Of de betonnen variant een goed alternatief is, hangt sterk afvan de kosten voor de bouw en het onderhoud. Uit een globalekostenraming blijkt dat de stichtingskosten van de betonnenkering iets lager liggen dan bij een het stalen ontwerp. Deonderhoudskosten van de stalen kering zijn ongeveer gelijk aande stichtingskosten. De betonnen kering daarentegen is vrij vanonderhoud, waarmee een besparing van ongeveer 50% op deLife Cycle Costs kan worden gerealiseerd. Verder is deCO2-footprint van de betonnen kering minder dan de helft dandie van een stalen kering. De betonnen kering scoort dus ookop dit aspect goed. Deze verdikkingen zijn nodig voor de dwarskrachtcapaciteitvan de doorsnede. Verder wordt hierdoor de overspanning inde dwarsrichting van de ligger beperkt en ontstaat er ruimtevoor de voorspankanalen. De buitenste platen hebben een diktevan 100 mm en zijn gewapend. Dit is enerzijds nodig om dewaterdrukken te kunnen overbrengen naar de lijven, anderzijdsheeft de doorsnede hierdoor meer capaciteit om lokale punt-lasten te kunnen opnemen. Hierbij moet worden gedacht aanbijvoorbeeld vallende ankers. Staalvezels zouden hier als alter-natief kunnen worden toegepast. Dit is niet uitgewerkt.De voorspanning is op tien plaatsen in de doorsnede aange-bracht, waarbij 27 strengen per kanaal worden gebruikt. Hetzwaartepunt van de voorspanning valt samen met het zwaarte-punt van de doorsnede. Bij de opleggingen buigen de voor-spankanalen iets af naar de binnenzijde, zodat voldoende rand-afstand voor de voorspankoppen ontstaat.De holle ruimten in de doorsnede worden gevormd doortoepassing van EPS. Door het relatief lage gewicht en EPS-vulling in de kerende plaat, zal de constructie blijven drijven inhet water. Dit geeft de mogelijkheid de constructie te bouwenin een betonfabriek en over water te verplaatsen naar de bouw-locatie.SchijvenDe kerende plaat, zoals hierboven wordt beschreven, is aan delandhoofden verbonden met twee betonnen schijven. Dezeschijven hebben een diameter van 7 m en een dikte van 1 m. Zeworden uitgevoerd in gewapend beton C50/60. Om de verbin-ding tussen de kering en de schijven demontabel en scharnie-rend te houden, worden geen natte knopen aangebracht tussendeze onderdelen, maar worden ze met voorspanstaven zonderaanhechting verbonden (fig. 6). De scharnierende verbinding isnodig om zo de momenten in de schijven te beperken. Door destaven waarmee de delen worden verbonden door en door aan6