52 thema Zinktunnel onder extreme omstandigheden 1 Tunnel dwars door de Gouden Hoorn in Istanbul ontworpen op aardbevingsbelasting In de metropool Istanbul worden verkeersproblemen groots aangepakt. Binnenkort wordt gestart met de bouw van een afgezonken tunnel in de Gouden Hoorn, gefundeerd op pijlers die ver boven de zeebodem zullen uitsteken. Extreme geotechnische en seismische omstandigheden speelden een grote rol in het ontwerp van de tunnel en de pijlers. thema Zinktunnel onder extreme omstandigheden 5 2017 53 In Istanbul wordt de oude binnenstad in het zuidwesten, het oorspronkelijke Constantinopel, door de Gouden Hoorn gescheiden van de wijk Galata in het noordoosten. Een belang - rijke verbinding wordt op dit moment gevormd door de Atatürkbrug (foto 2). Deze brug, in 1940 in gebruik genomen en vernoemd naar de oprichter en eerste president van de Republiek Turkije, is de vierde brug op deze locatie. Het is een drijvende brug: 24 dekken rusten op 23 pontons die aan de bodem zijn verankerd met kabels. Eén veld kan geopend worden om hoge schepen door te laten. De oude stad van Istanbul staat op de Unesco Werelderfgoed - lijst. Van bijzondere waarde is de skyline met hoogtepunten als de Hagia Sofia en de Blauwe Moskee. In het laatste decennium is voortvarend gewerkt aan verbetering van de infrastructuur van Istanbul. Hiervoor is onder meer een metrobrug gereali - seerd over de Gouden Hoorn die met haar pylonen hoog boven het water uitsteekt. Dit heeft tot een aantasting van het historische silhouet van de stad geleid. Om het uitzicht op de oude stad te verbeteren, heeft IBB (Istanbul Metropolitan Municipality) besloten de Atatürkbrug, die toch al het einde van zijn levens - duur heeft bereikt, te vervangen door een tunnel (foto 3 en 4): het Golden Horn Unkapani Highway Tube Tunnel Project. Arcadis heeft, in concurrentie met meerdere internationale ingenieursbureaus, de opdracht gekregen de haalbaarheid van een tunnel te onderzoeken en dit uit te werken tot referentie - ontwerp en technische specificaties. Dwarsprofiel Voor de beoogde verkeersintensiteit zijn tweemaal drie rijstroken benodigd, die worden aangebracht in twee verkeerskokers. Tussen deze kokers ligt het middentunnelkanaal dat onderver - deeld is in een vluchtwegkanaal op rijbaanniveau en een rook - afvoerkanaal boven in de tunnel (fig. 5). Alignement De bodem van de Gouden Hoorn ligt circa 35 m onder de waterspiegel. De tunnel moet aansluiten op de boulevards aan weerszijden van de Gouden Hoorn. Hiervoor zijn verdiepte verkeerspleinen voorzien op beide oevers. In de eerste ontwerpfase is overwogen de tunnel in een grondlichaam te leggen. In de Gouden Hoorn komen twee sedimentrijke rivier - tjes uit die tot een vervuilde waterbodem hebben geleid. Een permanente dam in de vorm van een tunnel in een grondli - chaam in de Gouden Hoorn zou tot aanzienlijke sedimentatie leiden. Om deze reden was een oplossing met een dam niet acceptabel en moest de tunnel op pijlers worden gefundeerd, waarmee de doorstroming gehandhaafd kan blijven. Het alignement moest wel zodanig zijn dat scheepvaart de tunnel bovenlangs kan passeren, met een doorvaartdiepte van 8,5 m over een breedte van 300 m (fig. 6). De scheepvaart bestaat hier hoofdzakelijk uit veerboten die de Bosporus oversteken en sleepboten die de Gouden Hoorn als thuishaven hebben. ir. Ronald Heijmans, ir. Coen van der Vliet Arcadis 1 Zinktunnel op pijlers2 Atatürkbrug over de Gouden Hoornfoto: Roger W. Haworth, Wikipedia Veiligheidsvoorzieningen De tunnel wordt uitgerust met veiligheidsvoorzieningen conform de NFPA-standaard en is in dit opzicht zeer vergelijkbaar met de Nederlandse praktijk (NFPA staat voor National Fire Protection Association; een Amerikaanse organisatie die als doel heeft de gevolgen van brand en andere gevaren te verminderen door middel van onder meer wetenschappelijk onderzoek, educatie en het uitbrengen van voorschriften en standaarden). In de binnenwanden worden hulpposten aangebracht met brandblussers en haspels. Vluchtdeuren geven toegang tot het vluchtwegkanaal. Om de luchtkwaliteit in de tunnel te waarborgen, wordt een langsventilatiesysteem toegepast met straalventilatoren geclusterd in nissen in het plafond. In geval van brand verdrijft de langsventilatie de ontwikkelde rook naar de uitgang van de tunnel, waardoor het verkeer in de file achter het incident veilig is. In deze tunnel is echter niet te garanderen dat er geen auto's staan voorbij het incident. Om dan toch een veilig klimaat in de tunnel te garanderen, is een rookafzuigsysteem voorzien in het bovenste deel van het middentunnelkanaal. Via bedienbare roosters in de wand van het middentunnelkanaal kan de hete lucht en rook worden afgezogen. In de tunnel zijn alleen perso - nenauto's en bussen toegestaan; de tunnel is gesloten voor vrachtverkeer. Dit maakt dat de brandlast in de tunnel beperkt blijft, waardoor afzuigsystemen effectief kunnen zijn. 2 Zinktunnel onder extreme omstandigheden 5 2017 Zinktunnel onder extreme omstandigheden 5 2017 54 thema Hellingen Voor het langsprofiel zijn veel grotere hellingen gehanteerd dan we in Nederland gewend zijn: maximaal 6% in de tunnel en 8% in de open toeritten. Om het effect van de hellingen op de rijsnelheid te analyseren, zijn rijsimulaties uitgevoerd met SimVra+. In dit voertuigmodel wordt het vermogen van een aantal karakteristieke voertuigen en het schakelgedrag in reke - ning gebracht met de ontworpen hellingen en bochtstralen. Hiermee kan de terugval in snelheid worden berekend. Voor het meeste verkeer is deze terugval minder dan 20 km/uur, het in Nederland gehanteerde criterium, maar voor dubbelgelede bussen loopt dit aanzienlijk op. In overleg met IBB is dit toch geaccepteerd, aangezien in het heuvelachtige Istanbul steile hellingen zeer gebruikelijk zijn en er geen alternatief is. Geologie De geologie in de Gouden Hoorn wordt gekenmerkt door een dik pakket slappe klei tot circa 67 m onder het wateroppervlak, met daaronder een 2,5 m dik zandpakket, een laag verweerde zandsteen en ten slotte siltsteen (fig. 6). Aan de oevers komt de rotsbodem omhoog en is deze deels afgedekt met heterogeen ophoogmateriaal. Door deze bodemopbouw zijn langs het aligne - ment van de tunnel grote verschilvervormingen te verwachten door de grote stijfheidsverschillen van het bodemmateriaal en het snelle verloop in diepte. Fundering In het referentieontwerp bestaan de pijlers uit pijlerbalken op stalen buispalen (fig. 7). De buispalen worden tot in de rots- bodem geslagen, waarna ze worden leeggehaald en uitgeboord in de vaste rots tot 100 m onder het wateroppervlak. Het geheel wordt voorzien van wapening en gevuld met beton. De pijler - balken worden met onderwaterbeton monoliet verbonden met de palen. De tunnelelementen worden vervolgens op de pijlers afgezonken (fig. 1). Aardbevingen Istanbul ligt dicht bij de Noord-Anatolische Breuk, een geologi - sche breuklijn die van oost naar west door Noord- Tu r k i j e en De tunnel moest worden ontworpen op belastingen van aan- varingen, vallende en slepende ankers en zinkende schepen. Gezien de ligging van de tunnel boven de zeebodem is het effect van dergelijke belastingen veel groter dan bij tunnels die in de bodem begraven liggen. 3 4 55 Dynamische rekenmodellen Om de haalbaarheid van het ontwerp aan te tonen, zijn FEM- modellen ontwikkeld in DIANA die in de tijd de krachten en vervormingen van de tunnelelementen kunnen beschrijven. Dit is noodzakelijk omdat met name te grote voegopeningen kunnen leiden tot inundatie en bezwijken van de tunnel. Gezien de variatie van geometrie en grondeigenschappen was een integraal dynamisch rekenmodel noodzakelijk ? het modelleren van de hele tunnel met palen en grondmassief zou echter resulteren in een onwerkbaar groot rekenmodel. onder de Zee van Marmara loopt. Het is een seismisch zeer actieve zone waar veel aardbevingen plaatsvinden. De breuklijn vormt de scheiding tussen de Euraziatische en Anatolische Plaat. In de breukzone in de Zee van Marmara worden zeer zware aardbevingen verwacht, dichtbij Istanbul. In het projectgebied wordt gerekend met een beving met momentmagnitudeschaal Mw = 7,5 en horizontale piekversnellingen van 6,2 m/s 2. Seismische ontwerpfilosofie Bij het ontwerpen op statische belastingen zijn de principes relatief eenvoudig: is er sprake van opgelegde belastingen, maak het dan sterk; is er echter sprake van opgelegde vervormingen, dan is flexibiliteit belangrijk. Bij aardbevingen is het niet zo helder. In een stijve constructie zullen grote krachten ontstaan, die leiden tot onpraktische ontwerpoplossingen. Deze krachten worden voorkomen door de constructie zeer flexibel te maken. Maar om bij de inherent grote vervormingen lekkage te voor - komen, zijn mogelijk even onpraktische oplossingen noodzake - lijk. Bij dit project is gekozen voor een oplossing die 'beperkt flexibel' is: - relatief korte zinkelementen (60 m), met dilaterende zinkvoegen; - glijdende opleggingen op de pijlerbalken; - relatief flexibele pijlers; - flexibele voegen in de overgangsconstructies. Alle flexibele onderdelen (voegen, opleggingen) hebben een begrenzing die enigszins geleidelijk wordt geactiveerd, om impactkrachten te voorkomen. 3 Impressie van de eindsituatie, met uitzicht op de oude stad4 Overzicht met van rechts naar links: de metrobrug, de Atatürkbrug en het tracé van de nieuw te bouwen tunnel5 Dwarsprofiel van de tunnel6 Langsprofiel van de zink - tunnel7 Doorsnede van de tunnel op een pijler bestaande uit stalen buispalen en een betonnen pijlerbalk nieuw aangelegde grondslappe kleizandsteenslibsteenziltig grindziltig zanddoleriet 1 verkeerstunnel2 vluchtweg3 kabels en leidingen4 rookafvoerkanaal5 technische ruimte 35.440 10.300 1 1 2 3 4 5 5 6 7 Zinktunnel onder extreme omstandigheden 5 2017 56 8 Directe en indirecte belastingsoverdracht 9 Grond-paal-interactiemodel: (a) zoals toegepast; (b) met verre-velddemping 10 p-y grondreactie met gaping en ontlast-herbelastgedrag de rotsbodem door de slappere grondlagen naar boven bewegen (fig. 8). Het model moet beide vormen van belastingoverdracht (het aardbevingssignaal dat via verschillende wegen bij de construc - tie aankomt) mogelijk maken. De directe belastingoverdracht wordt automatisch in rekening gebracht, als de versnellingen, snelheden of verplaatsingen van het aardbevingssignaal op de ondersteunde knopen van de palen worden aangebracht. De indirecte overdracht kan worden geïmplementeerd door tijd- verplaatsingsrelaties op te geven voor elke individuele paal- grond-veer. Voor deze methode moet de bodemrespons bij elke pijler worden bepaald door middel van een 1D seismische analyse (met bijvoorbeeld Nera of DeepSoil) en opgesplitst in verplaatsingen voor de ondersteunde knopen van de afzonder - lijke veren op verschillende hoogten. Deze methode vereist echter veel nauwkeurige boekhouding en houdt een kwaliteits - risico in, omdat de hoeveelheid data moeilijk te verifiëren is. Daarom wordt een geïntegreerd model voorgesteld, waarin de aardbevingsbelasting, de grond-constructie-interactie en de constructie zelf zijn geïntegreerd (fig. 9a). In dit model is de grondkolom met niet-lineaire grondeigen - schappen opgenomen. De respons van de grondkolom wordt direct berekend in de EEM-analyse, waardoor de boekhouding voor de interface tussen vrije veldbeweging en constructieres - pons wordt vermeden. Bovendien biedt dit model de mogelijk - heid de invloed van verre-velddemping te onderzoeken: door een secundaire grondkolom mee te nemen, en tussen de beide kolommen verre-velddempers (Lysmer-dempers) op te nemen (fig. 9b), worden de aardbevingsgolven ongedempt doorgege - ven aan de constructie, terwijl de golven die ontstaan door interactie tussen grond en constructie worden weggedempt. Het langsprofiel van figuur 5 laat een verlopende hoogte van het slappe-lagenpakket zien. Dit profiel is vereenvoudigd Op basis van de doelstellingen van de analyse is daarom een optimum gezocht tussen integraliteit en nauwkeurigheid. De seismische analyses moesten meer inzicht geven in het constructieve gedrag en de interacties van de tunnelelementen. Dit was nodig om de haalbaarheid van de constructie te kunnen beoordelen en de details van voegen en verbindingen goed te kunnen ontwerpen. Daarnaast moest het model een gevoeligheidsanalyse mogelijk maken met betrekking tot de bodemparameters en aardbevingseigenschappen. Deze twee criteria hebben geleid tot een aanpak waarbij een eenvoudig constructief model (balken, veren, fig. 11) wordt gecombineerd met zelfontwikkelde geavanceerde materiaalmodellen (grond, bodem-constructie-interactie, niet-lineaire voegveren) tot een integrale oplossing (zowel aardbevingsbelasting als respons van de constructie in één model). Gedurende een aardbeving wordt de seismische belasting opge - legd op de constructie op twee manieren: direct vanuit de stijve rotsbodem en de palen en indirect door schuifgolven die vanuit slappe lagen rotsbodem 8 10 9b 9a gekalibreerde grondkolom in EEM-model voor het opleggen van in de tijd variërende verplaatsingen verdeelde veren primaire grondkolom verrevelddempers secundaire grondkolom thema Zinktunnel onder extreme omstandigheden 5 2017 -2000 -1500 -1000-500 0 500 1000 1500 2000 -0,4 -0,3-0,2-0,1 00,1 0,20,30,4 beddingreactie langs omtrek p [kN/m 2] y [m] relatieve verplaatsing bodembodem -15 m 57 11 Modellering Gina-profiel 12 Vervormde constructie na 15 seconden in de maatgevende aardbeving meegenomen als drie representatieve grondkolommen die elk een deel van het pakket vertegenwoordigen. Elke grondkolom is door middel van de paal-grond-veren verbonden met de palen die in het betreffende deel aanwezig zijn. Hydrodynamische belasting Als de tunnel door het water beweegt, oefent het water een tegengestelde kracht uit op de constructie. Deze interactie bestaat uit een traagheidseffect (meewerkende watermassa, gunstig of ongunstig afhankelijk van de situatie) en uit demping door de snelheidsafhankelijke wrijvingskrachten (drag ). In tegenstelling tot een brug, waar het grotste deel van de constructie wordt omringd door lucht, is een tunnel geheel omringd door water. Het effect van hydrodynamische krachten is daarmee groot. Hydrodynamische krachten worden in reke - ning gebracht door middel van een snelheids- en versnellings - afhankelijke factor, drag en toegevoegde massa. Grond-constructie-interactie (GCI) Bij het gehanteerde model (fig. 9) wordt de grond-constructie- interactie gemodelleerd door veren met een p-y-relatie volgens het American Petroleum Institute (API). Voor klei wordt deze relatie tussen gronddruk p en verplaatsing y gegeven door: 13 u 50 () 0, 5 1 py y py ?? = ?? ?? ? waarin: pu = 9 cu y50 = 2,5 ?50 D D = paaldiameter Deze p-y-relatie is vervolgens aangepast om rekening te houden met groepseffect en cyclisch gedrag. Daarnaast moest de numerieke modellering rekening houden met gaping door belast-ontlastrelaties. Wanneer een paal in de omringende grond wordt gedrukt, mobiliseert deze een reactiedruk aan de voorzijde en laat een gat achter aan de achterzijde. Wanneer de paal terugbeweegt, laat deze ook een gat achter aan de voor - zijde, en begint pas reactiedruk aan de achterzijde te mobiliseren als de spleet volledig is gesloten. Figuur 10 toont voor één van de doorgerekende aardbevingssignalen de last-vervormings- relaties op twee verschillende niveaus ? de getrokken lijn op grotere diepte, en de gestippelde lijn dicht bij de bodem. Uit de figuur blijkt dat ook op grotere diepte gaping ontstaat: in beide curves neemt de spanning bij ontlasten af tot 0, waarna de spanning-vervormingscurve langs de horizontale as naar de oorsprong terugloopt. Gina-profielen In de zinkvoegen zijn langs de tunnelomtrek Gina-profielen aanwezig. De excentrische positie in combinatie met de niet- lineaire veerkarakteristiek resulteert in een zeer niet-lineaire moment-rotatierelatie voor de verbinding, in combinatie met een koppeling tussen rotatiestijfheid en langsgedrag. Figuur 11 toont de manier waarop de Gina-profielen zijn gemodelleerd om dit gedrag vast te leggen. Resultaten Het rekenmodel is geïmplementeerd in DIANA. De paalgroepen per pijler zijn als één zogenoemde 'superpile' geschematiseerd om de rekentijd binnen de perken te houden. Figuur 12 toont het rekenmodel 'in actie'. Naast de pijlers en zinkelementen zijn onder meer de drie representatieve grondkolommen zichtbaar. model Gina-profiel voorspankracht uit waterdruk rigid links balkelelementen tunnelas verdeelde niet-lineaire veren (Gina) q [kN/m] ? [mm] 11 12 Zinktunnel onder extreme omstandigheden 5 2017 58 13 Zinkvoeg met kabels over de voeg 14 Rekenmodel pijler Tot slot Op dit moment is een aannemerscombinatie geselecteerd om het project te gaan realiseren. De zinktunneltechniek zal met dit project weer een stuk verder worden ontwikkeld, nu is aangetoond dat zelfs voor de meest extreme geotechnische en seismische omstandigheden een zinktunnel kan worden ontworpen. ? ? PROJECTGEGEVENS project Golden Horn Unkapani Highway Tube Tunnel opdrachtgever Metropolitan Municipality Istanbul (IBB) ontwerp opdrachtgever en specificaties Arcadis uitvoering Yap? Merkezi-STFA-ASL ?n?aat Group Niet getoond zijn de interface-elementen die elke grondkolom verbinden met de bijbehorende pijlers. De verwachte vervorming in langsrichting bij de landhoofden is circa 0,5 m. Dit is niet meer op te nemen met gewone Gina- of Omega-profielen. Het is noodzakelijk bij de landhoofden zogenoemde seismic joints toe te passen die een grotere vervor - mingscapaciteit hebben. Om te voorkomen dat de Gina-profie - len in de zinkvoegen te veel ontspannen waardoor de water - dichtheid niet meer is gewaarborgd, zijn voorspankabels voor - zien die als stopper fungeren (fig. 13). De maximaal gevonden vervorming van de pijlerbalk, 0,72 m, is opgelegd als belasting in een detailmodel van de paalgroep en pijlerbalk. Deze zijn in Scia Engineer gemodelleerd (fig. 14). De constructie moest zodanig worden gedimensioneerd dat de wapening niet gelijktijdig mocht vloeien in zowel de inklem - ming in de pijlerbalk als de inklemming in de rots. 13 14 760 720 640 560 480 400 320 240 160 80 0 Uy [mm] thema Zinktunnel onder extreme omstandigheden 5 2017