60 thema Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels Effect scheepsbelastingen, explosies en aardbevingen nader beschouwd thema Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017 61 Naast de permanente belastingen op een afgezonken tunnel zijn er ook 'reguliere' variabele belastingen. Deze volgen uit de waterstandsverschillen, het verkeer en temperatuurinvloeden. Deze variabele belastingen zijn vaak beduidend minder groot dan de permanente belastingen en minder bepalend voor het ontwerp. De calamiteitsbelastingen, ofwel bijzondere belastin - gen, die over de levensduur van de tunnel sporadisch of zelfs helemaal niet voorkomen, zijn dat wél. Genuanceerde beschouwing In de Eurocodes zijn regels opgenomen voor deze bijzondere belastingen veroorzaakt door bijvoorbeeld scheepvaart. Deze zijn echter voornamelijk gericht op bruggen en andere constructies aan het wateroppervlakte en minder op onder - grondse constructies zoals afgezonken tunnels. De ROK (Richtlijn Ontwerp Constructie van Rijkswaterstaat [1] ) geeft meer houvast ten aanzien van deze belastingen. In binnen- en buitenland zijn er soms omstandigheden waardoor het nodig is deze belastingen genuanceerder te beschouwen. Dit artikel behandelt aan de hand van enkele voorbeelden een aantal van deze bijzondere belastingen: scheepsbelastingen, explosies en aardbevingen. Scheepsbelastingen Normaliter blijven schepen aan het wateroppervlakte. Echter, een ongeval of incident waarbij een schip zinkt, kan nooit worden uitgesloten. Hoewel de kans dat een schip precies op een tunnel zinkt nog veel kleiner is, moet in het ontwerp wel met een dergelijke situatie rekening worden gehouden. Invloedsfactoren belasting De grote van de belasting hangt ten eerste af van de geografische locatie. Een schip in een gebied met zeewaardige scheepvaart geeft vanzelfsprekend een andere belasting dan een klein motorjacht op een tunnel onder een regionale watergang. Daarnaast is de belasting van een zinkend schip gedefinieerd door onder andere het gewicht, maar ook de constructieve opbouw, de compartimentering en lading van het schip. Tege - lijkertijd speelt ook de waterhoogte of een eventuele getijden - wisseling bij een calamiteitssituatie een rol. Hierdoor blijft een deel van een gezonken schip boven of onder water en kan er een variatie in tijd van de belasting optreden. Een van de belangrijkste parameters is misschien wel de hoek waaronder een schip zinkt op een tunnel: volledig haaks of in de lengte van de tunnel. Afgezonken tunnels in een rivierdelta liggen bij uitstek nagenoeg haaks op de vaarweg. De kans dat een schip dan in de lengterichting van een tunnel zinkt, is dan nagenoeg nihil, in tegenstelling tot een situatie met een tunnel onder een brede vaarweg of zeestraat. Ook de manier van zinken is van belang. Over het algemeen zinkt een schip niet gelijkmatig, maar onder een hoek met de waterlijn. Het schip zal dan ook onder een hoek de tunnel raken (fig. 2a en 2b). Dit bepaalt welk deel van het onderwatergewicht van het schip en zijn lading op het dak wordt afgedragen. Zo zijn er allerlei configuraties die de belasting op de tunnel kunnen beïnvloeden. Belangrijkste is dat achter een gespecifi - ceerde vlakbelasting een doordachte analyse is uitgevoerd. De huidige ROK specificeert bijvoorbeeld 50 kN/m 2 voor reguliere schepen en 150 kN/m 2 voor zeewaardige schepen (afhankelijk van de locatie). In het buitenland zijn er projecten bekend waar deze belasting zelfs oploopt tot 300 kN/m 2 of meer. Tot in de jaren negentig was het voor afgezonken tunnels niet gebruikelijk deze belasting toe te passen in het ontwerp. In een afstudeeron - 1 ir. Marcel 't Hart TEC / Royal HaskoningDHV ir. Eelco van Putten TEC / Royal HaskoningDHV 1) 1 Afzinkoperatie Coatzacoalcos (Mexico); de vervorming is geconcentreerd in de zinkvoegenfoto: Volker Construction International2 (a) Voorschip raakt de tunnel als eerst, (b) Volledig gezonken schip met het middenschip boven de tunnel 1) Vanaf 1 maart 2017 is Eelco van Putten werkzaam bij DIMCO / DEME Infra Marine Contractors. De meeste belastingen op afgezonken tunnels liggen redelijk voor de hand, zoals de grond- en water - drukken en het eigen gewicht. Er zijn daarnaast ook calamiteitsbelastingen. Vanwege de hoogte van de 'reguliere' permanente belastingen is er normaal gesproken een ruime marge voor het opnemen van deze calamiteitsbelastingen, waarbij immers andere veiligheidsfactoren gelden. Toch lijkt, door een groeiend bewustzijn van mogelijke calamiteiten, de laatste jaren de invloed van deze bijzondere belastingen op het (detail)ontwerp steeds groter te zijn geworden. 2a 2b Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017 Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017 62 thema ligger te vormen die de krachten van de scheepsbelasting kan opnemen. Hoewel de locatie niet zwaar bevaren is, is hier wel een scheepsbelasting gespecificeerd van 25 MN over een lengte van 15 m over de gehele breedte van de tunnel. Dit komt neer op een vlakbelasting van ongeveer 85 kN/m 2. Hoewel de belas - ting hier beperkter van aard is, is de invloed van de schematise - ring in dit geval zeer groot. Explosies Een explosie is gedefinieerd als het plotseling vrijkomen van energie, wat gepaard gaat met een vergroting van de hoeveel - heid licht en temperatuur en bovenal hoge overdrukken. De drukgolf die ontstaat, neemt af naarmate de piek zich vanaf de bron voortplant (fig. 5). Na een drukgolf ontstaat een implosie - reactie, een onderdruksituatie, die in diepergelegen tunnels een nadeel kan zijn. derzoek [2] is voor een bestaande afgezonken tunnel onder een vaarweg voor zeewaardige schepen (de Wijkertunnel, foto 3) een uitvoerige analyse uitgevoerd, waarin vele mogelijke scenario's alsmede hun kans van optreden zijn ingeschat. Het schip dat in dit onderzoek tot een maximale belasting leidde, was een ijzer - erts-bulkcarrier en resulteerde in een belasting van 190 kN/m 2 (tabel 1), wat zelfs groter is dan de belasting conform de ROK [1] . Afgezonken tunnels worden meestal onder het rivierbed gelegd wat een zekere mate van bescherming oplevert. De segmente - ringsconfiguratie met flexibele voegen zorgt voor vervormings - capaciteit. Zo niet bij de Söderströmtunnel (foto 4) in Stockholm [3] waar de tunnel vanwege de aansluiting op de oevers en geologische omstandigheden boven de rivierbedding is geplaatst en wordt ondersteund door een paalfundatie. De ontwerper heeft hier gekozen om niet de in Nederland gebruikelijke kettinglijn van flexibele voegen te creëren, maar juist de voegen over de gehele lengte voor te spannen en zo een buigstijve Tabel 1 Overzicht van mogelijke gebeurtenissen in het geval een schip aan de grond loopt of zinkt gebeurtenis kans belasting [kN/m 2] aan de grond lopen vastlopen in haaks op de tunnel laag 50 vastlopen in parallel op de tunnel laag 100 zinken horizontaal zinken haaks op de tunnel tunnel zonder gronddekking laag 150 tunnel met gronddekking hoog 120 parallel met de tunnel medium 80 zinken onder een hoek haaks op de tunnel tunnel zonder gronddekking laag 200 tunnel met gronddekking hoog 190 parallel met de tunnel medium 190 3 3 Voor de Wijkertunnel is een analyse uitgevoerd naar de belasting uit scheepvaart4 Bouwwerkzaamheden Söderströmtunnel, bestaande uit een 340 m lange zinktunnel tussen Riddarholmen and Södermalm, Zwedenfoto: TEC (Royal HaskoningDHV and Witteveen+Bos) 63 Ondergrondse constructies zoals tunnels zijn extra kwetsbaar voor explosies omdat de reflectie van de besloten ruimte de schokgolf vergroot. Daarnaast zijn tunnels ruimten waarin vaak mensen aanwezig zijn en waarbij de economische gevolgschade hoog is als deze voor een lange duur niet beschikbaar zijn. Afge - zonken tunnels zijn daarnaast kwetsbaar door de constructieve functie van de relatief zwakke binnenwand. Indien deze bezwijkt, vervalt de ondersteuning van het tunneldak. Categorieën Het explosierisico wordt vooral veroorzaakt door een incident met een truck met gevaarlijke stoffen of door terreur. Bij een incident met gevaarlijke stoffen lekt een beschadigd voertuig materiaal waardoor een gaswolk kan ontstaan met een mix van brandbaar gas en zuurstof. Bij ontsteking veroorzaakt dit gasmengsel een explosie. Het transport van gevaarlijk stoffen in tunnels wordt conform de Europese richtlijn ADR (interna - tionaal verdrag voor het vervoer van gevaarlijke stoffen [4]) ingedeeld in verschillende categorieën. Deze variëren van categorie A, zonder beperkingen, tot en met categorie E, waarbij er geen enkele vorm van gevaarlijke stoffen door de tunnel mag worden vervoerd. De meeste afgezonken tunnels in Nederland zijn ingedeeld in categorie C of D waarbij er strenge beperkingen zijn ten aanzien van explosieve, giftige en brand - bare stoffen (zie kader 'Categorie-indeling Nederlandse tunnels'). Het indelen in categorieën en daarmee het beperken van gevaarlijke stoffen is een zeer effectieve maatregel om het explo - sierisico te reduceren, net als snelheidsbeperkingen en tijdstip - pen van transport. Dit geldt zeker in Nederland, aangezien er altijd wel een alternatieve route te bedenken is, zonder gebruik Categorie-indeling Nederlandse tunnels Categorie A Roertunnel Schipholtunnel Swalmentunnel Leidsche Rijntunnel Willem-Alexander- tunnel Categorie B In Nederland zijn geen categorie B-tunnels aangewezen. Categorie C Beneluxtunnel Coentunnel Drechttunnel Ketheltunnel Kiltunnel Noordtunnel Sluiskiltunnel Salland-Twentetunnel Sijtwendetunnel Thomassentunnel Vlaketunnel Waterwolftunnel Westerscheldetunnel Wijkertunnel Zeeburgertunnel Categorie D Botlektunnel Heinenoordtunnel Hubertustunnel IJtunnel Koningstunnel Maasboulevardtunnel Maastunnel Piet Heintunnel Velsertunnel Michiel de Ruijter- tunnel Categorie E ArenAtunnel Stadsbaantunnel De categorie bepaalt welke gevaarlijke stoffen er volgens de richtlijn ADR wel of niet door de tunnel mogen. Bron: Inspectie Leefomgeving en transport te maken van tunnels. De luxe van een alternatieve route is er in het buitenland echter niet altijd. Hierdoor is het soms wel nodig bij het ontwerp rekening te houden met explosies. 4 Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017 64 5 Dissipatie van een drukgolf in de open ruimte6 Voorbeeld analyse binnenwand door explosie van gaswolk conform Eurocode: (a) belastingschematisatie, (b) response van de wand, (c) eindige-elementenmodel, implosieve situatie. Het betreft hier impulsachtige belastingen met een korte duur (< 100 ms) en grote kortdurende piekdrukken van 100 tot 2000 kN/m 2. Deze belastingen vergen veelal dyna - mische analyses die de korte duur en soms zelfs het niet-lineaire gedrag van de constructie kunnen meenemen. In figuur 6 is weergegeven hoe een voortplantende golf is gemodelleerd in DIANA. Het betreft hier het meest zwakke onderdeel in een afgezonken tunnel: de binnenwand. Op basis van de gebruiksbelastingen zou in de binnenwand kunnen worden volstaan met een lichte wapening. Uit een verificatie- berekening met een één-massa-verensysteem komt de belasting ongeveer overeen met een statisch equivalente belasting van 500 kN/m 2 over de volledige wand. Dit is inclusief aannamen ten aanzien van aanhangende massa, een acceptabele ductiliteits - ratio en een korteduurmateriaalsterkte voor beton en wapening. Een explosie door een terreuraanslag is een explosievorm waarbij de afstand, type explosie en hoeveelheid explosief materiaal de grote van de drukgolf bepaalt. Tot op heden is hier niet specifiek mee gerekend. De laatste jaren is hier meer aandacht voor gekomen, maar is er nog geen duidelijk beleid op ontwikkeld. Ondergronds ruimtegebruik neemt toe en deze belasting is dan ook niet exclusief van toepassing op afgezonken tunnels en heeft geen relatie met goederen die door tunnels worden vervoerd. Belasting bij gevaarlijke stoffen Indien een tunnel toch op een explosie wordt ontworpen, geeft de Eurocode een goed vertrekpunt ten aanzien van de belastin - gen. Anders dan de ADR hanteert de Eurocode een bovengrens - benadering en is er geen onderscheid in verschillende categorieën. Er zijn twee explosiebelastingen gespecificeerd, een detonatie en een deflagratie, beide alleen in overdruksituatie, niet in druk afstand van explosie explosiecentrum drukgolf drukgolf neemt af naarmate de piek zich vanaf de bron voortplant zijwaartse ondersteuning ballast beton kwadratische schaalelementen voortplantingsrichting denotatie 5 6c 6a 6b thema Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,000 -0,020 0 0,05 0,10 \ 0,15 0,20 0,25 0 5,825 11,15 17,48 23,3 axiale locatie op het segment doorbuiging [m] tijd [s] 65 Aardbevingen In het verleden zijn in Nederland veel ondergrondse constructies ontworpen zonder seismische overwegingen. In het buitenland zijn al geruime tijd seismische eisen van toepassing en wordt hierop ontworpen. Op grond van statistieken lijken ondergrondse constructies veiliger dan bovengrondse. Een aantal redenen hiervoor zijn: - Ondergrondse constructies zijn niet zo gevoelig voor zelf- vibratie in vergelijking met bovengrondse constructies. - De schade bij ondergrondse constructies is minder visueel dan bovengrondse constructies en wordt dus minder snel opgemerkt. Een deel van de constructie is immers door grond bedekt. - Er zijn minder ondergrondse constructies dan bovengrondse. Toch zijn er voorbeelden genoeg om een duidelijk beeld te krijgen van de schadelijke effecten van aardbevingen op onder - grondse constructies, namelijk: - Wanneer een breuklijn een ondergrondse constructie kruist, kan er schade ontstaan als gevolg van afschuiving. - De grond waarin de constructie zich bevindt kan falen doordat bijvoorbeeld een talud onderuitgaat of doordat de In Zweden is er recent onderzoek gedaan naar de impact van explosiebelastingen door terreur. Dit heeft geleid tot het definiëren van eisen ten aanzien van lokale dynamische explosiebelastingen in tunnels (door terreur) tot wel 5000 kN/m 2 op een beperkte oppervlakte van 16 m 2 [7] . In figuur 8 is weergegeven hoe voor de Marieholmtunnel (foto 7) deze eveneens voor de gekoppelde binnenwand is beschouwd [6]. Hierbij is aangenomen dat de aansluitingen tussen de wanden en de vloer en het dak plastisch mogen vervormen. Door de zeer korte duur van 2 ms treedt er deamplificatie op. Door tevens de spreiding in twee richtingen te beschouwen en door de binnenwanden te koppelen, is de explosiebelasting ook ongeveer gelijk aan een statisch equivalente belasting van 500 kN/m 2. In het algemeen kan dus worden geconcludeerd dat een afgezonken tunnel op diverse explosiescenario's kan worden ontworpen zoals deze in diverse richtlijnen te vinden zijn. Dit leidt dan veelal wel tot hogere wapeningspercentages. De regelgeving van het ontwerpen op deze belastingen wordt echter nog veelal op nationaal niveau geregeld. 7 7 Marieholmtunnel in Gothenburg, Zwedenfoto: TBT, Täby Brandskyddsteknik AB, Zweden Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017 66 Regelgeving De huidige Nederlandse annex van de Eurocodes schrijft géén aardbevingsbelasting voor. Sinds april van dit jaar schrijft de ROK [1] wél voor dat constructies aardbevingsbestendig moeten worden ontwerpen. Langzaam zullen dus ook de in het buitenland bekende ontwerpmethodieken gangbaar worden in sommige delen van Nederland. grond verweekt, waardoor deze zijn draagkracht verliest. - Het schudden van de grond kan tot constructieve schades leiden. De bovenstaande effecten kunnen leiden tot lokale schades als scheuren, afspatten van beton of lekkage maar ook tot algeheel instorten. 8a 8b 9a 9b 9c 9d afschuifgolf front onvervormde toestand tunnel tijdens golfbeweging top tunnel tegengestelde kromming tunnel kromming samendrukking uitrekking onvervormde toestand tunnel tijdens golfbeweging afschuifgolf front worming snaking racking ovaling thema Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017 67 8 Voorbeeld analyse van een gekoppelde binnenwand door lokale belasting met exposief materiaal; (a) in het midden en (b) bij de aansluiting van de binnenwand 9 Indicatief gedrag van de tunnel tijdens een aardbeving in langs- en dwarsrichting 10 Dynamische analyse m.b.v. Plaxis aardbeving die groter is dan waar in het ontwerp vanuit is gegaan, ontstaan scheuren op locaties die op eenvoudige wijze kunnen worden nageïnjecteerd. Tevens is een dynamische analyse met Plaxis gedaan om het racking -effect in dwarsrichting te beschouwen (fig. 10). Ontwerpkeuzen Dit artikel is niet allesomvattend en behandelt slechts een aantal bijzondere belastingen en de impact hiervan op het ontwerp van een tunnel. Het blijkt dat niet altijd kan worden teruggegrepen op de bestaande normen en richtlijnen. En ook al treden deze bijzondere belastingen misschien wel nooit op tijdens de levensduur van een tunnel, ze kunnen toch essentieel zijn voor de ontwerpkeuzen in een project. ? Voortplanten golven Wanneer er een aardbeving optreedt, planten seismische golven zich door de ondergrond voort vanuit het hypocenter in alle richtingen. Ze bewegen van de diepere harde rotslagen door naar de zachtere bodemafzettingen aan het oppervlak. Eenmaal aan het oppervlak zorgen de golven ervoor dat de grond gaat schudden. De belangrijkste kenmerken van deze seismische golven zijn dan ook de invalshoek, het type seismische golven en de voortplantingssnelheid. Soorten vervormingen Axiale en krommingsvervormingen in de tunnelconstructie ontstaan wanneer seismische golven zich langs de as van een tunnel voortplanten. Dit kan bijvoorbeeld zijn worming (ampli - tude in langsrichting) en snaking (amplitude in laterale richting) (fig. 9a en 9b). Laterale vervormingen loodrecht op de constructie leiden tot vervorming van de doorsnede van de tunnel, bijvoorbeeld racking en ovaling (fig. 9c en 9d). Voegconstructie Het belangrijkste effect dat aardbevingsbelasting op het ontwerp van een afgezonken tunnel heeft, is dat de vervorming en krachten op de tunnel zo groot worden dat een speciaal type voegconstructie nodig is. Een uitdaging daarbij is dat de voeg voldoende flexibel moet zijn terwijl deze toch waterdicht moet blijven. Dit leidt in het buitenland tot andere ontwerpkeuzen. Zo leidde een aardbevingsanalyse voor de afgezonken tunnel in Coatzacoalcos (Mexico, foto 1 [5]) ertoe om de voorspanning, die normaal na transport in elke mootvoeg wordt doorgezaagd, juist te behouden en de vervorming te concentreren in de zink - voegen. De Gina-profielen in deze voegen werden daardoor bijna twee keer zo groot qua afmeting als gebruikelijk. In het tunnelelement zijn bovendien op een aantal strategische locaties scheurinleiders met injectievoorzieningen opgenomen. Na een 10 ? LITERATUUR 1 RWS ? RTD, Richtlijn Ontwerp Kunstwerken, ROK 1.4 ? april 2017. 2 Lagen, G. van, Immersed tunnels subjected to a sunken ship load, TU Delft/RHDHV, mei 2016. 3 Johansson, C., et al, Project Development from Tender Design to Construction of the Söderströmstunnel. 4 ADR ? Accord européen relatif au transport international des marchandises dangereuses par route. 5 Barten, P., Design of the Coatzacoalcos Immersed Tunnel. 6 Marieholm Connection Project Gothenburg, Trafikverket. 7 TRVK Tunnel 11 ? Trafikverket ? 2011. Bijzondere belastingen op afgezonken tunnels 5 2017