Ontwerp deurkassen 1 Luchtfoto met o.a. de bouw van het caisson voor het binnenhoofd op een kunstmatig eiland, foto: Topview Luchtfotografie De deurkassen van de sluishoofden voor de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden zijn gerealiseerd met de pneumatische caissonmethode. Aanleiding voor deze bouwmethode was de eis om de bestaande waterkeringen en sluizen tijdens de bouw intact te houden. Met de pneumatische caissonmethode kon de noodzaak van diepe bouwkuipen worden voorkomen. Hierdoor was er minder zwaar heiwerk nodig en dus minimale trillingsbelasting op de bestaande sluizen, met name op de bijna 100 jaar oude Noordersluis. Bijvangst was het minimaliseren van (geluids)hinder ten gevolge van heiwerk voor de omgeving. 1 10? CEMENT 3 2020 Pneumatische caissonmethode De pneumatische caissonmethode (fig .2) is een methode waarbij de constructie op het maaiveld wordt gebouwd en die men vervol- gens afzinkt door de grond onder de con - structie te verwijderen. Onder de vloer van een pneumatisch caisson wordt een werk - kamer of graafkamer gerealiseerd door snij- randen van 2 à 2,5 m hoog langs de periferie van de vloer. Deze snijranden rusten op zo- genoemde grondbermen. De buitenomtrek van de snijranden is groter dan de buite- nomtrek van de bak, waardoor tijdens het zakken een spleet (overcut) ontstaat, die wordt gevuld met bentoniet voor de vermin - dering van de wandwrijving tijdens afzinken. Op het moment dat de grondwater- stand wordt bereikt, wordt er in de werkka - mer verhoogde luchtdruk toegepast, gelijk aan de heersende waterdruk ter plaatse van de onderzijde van de snijrand. Hierdoor ontstaat een luchtbel waarin caissonwer- kers 'in den droge' kunnen werken; het caisson wordt gedragen door de luchtdruk en de snijrandreacties. Vanuit de werkka - mer wordt grond deels verwijderd. Als de ontgraving van de werkkamer vordert, begint het caisson te zinken. Vervolgens wordt in een spel van graven en zinken het caisson naar zijn uiteindelijke diepte gewerkt. Ontgraven van de werkkamer kan op verschillende manieren gebeuren. In het verleden werd de grond handmatig verwij- derd. Het is ook mogelijk de grond handma - tig hydraulisch los te spuiten met hogedruk waterkanonnen en af te pompen. Dat los- spuiten en afpompen kan ook met op afstand bedienbaar materieel (foto 3). Die laatste methode is in ontwikkeling en is toegepast in de caissons van de Nieuwe Zeesluis IJmuiden. Het is een interessante ontwikke- ling omdat fysiek werken onder druk wordt geminimaliseerd of zelfs volledig voorkomen. Indrukwekkende afmetingen Het buitenhoofd van de zeesluis IJmuiden biedt plaats aan één operationele roldeur, het binnenhoofd aan zowel een operationele roldeur als aan het droogdok voor de reserve- deur (fig. 4). De afmetingen zijn enorm. De deurkas voor het buitenhoofd meet 81 x 26 x 22 m (l x b x h) en de deurkas voor het binnenhoofd 81 x 55 x 25,6 m (afmetingen afgerond en exclusief 2,5 m hoge snijranden). De vloer is 4 m dik en de dikste wanden maar liefst 7 m. Het binnenhoofd overtreft hiermee de maten van een vergelijkbaar referentieproject (een sluishoofd in Barrow-in-Furness (GB)) zelfs ruimschoots, hoewel de afmetingen daar ook indrukwekkend zijn: 50 x 50 x 25 m. Realisatie De caissons zijn gebouwd op de definitieve locatie op kunstmatige eilanden in het Noordzeekanaal (kanaalpeil NAP -0,4 m, fig. 5). Deze eilanden zijn opgebouwd uit damwandkuipen die met zand onder ING. JOHN REGTOP Ontwerpleider Sluishoofden OpenIJ / BAM Infraconsult auteur 2 3 2 Pneumatische caissonmethode 3 Het materieel in de graafkamer wordt op afstand bediend Nieuwe Zeesluis IJmuiden (2) CEMENT 3 2020 ?11 water zijn aangevuld tot NAP -5,0 m. Na het verlagen van de waterstand in de bouwkuipen tot NAP -8,0 m is deze aanvulling verdicht. Vervolgens zijn de bouwkuipen lokaal ont- graven tot NAP -7,5 m voor de bouw van de snijranden. Boven deze snijranden zijn vloer en wanden van de caissons gerealiseerd. Deze caissons zijn vervolgens als geheel afgezonken. Aan het einde van het afzinken, met de caissons op het definitieve niveau, is zonder extra voorzieningen het effectief eigen gewicht nog steeds groter dan de op- waartse opdrijfkracht, zodat geen maatrege- len nodig zijn tegen opdrijven. Meer hierover staat in het derde arti - kel 'Pneumatische caissonmethode' in dit vierluik over de uitvoering. Na het afzinken worden de deuraan - slagen (aansluitvlakken tussen deur en caisson) en de laatste laag van de deurkas- wanden met voorzieningen voor de roldeur gestort. Door deze werkwijze kunnen af - zinktoleranties worden opgenomen. De caissons zijn voorzien van tijdelijke, voorna - melijk uit staal opgebouwde kopschotten aan de kolkzijde. Deze zijn verwijderd na het af - zinken, nadat de aansluiting met de bouw - kuip voor de sluisdrempel was gerealiseerd. Na het afzinken van de caissons zijn de werk - kamers gevuld met lagesterktebeton, door het pompen van het beton door de doorvoeringen in de vloeren van de caissons. De drempels worden vormvast verbonden met het caisson. Afzinkontwerp caissons Belangrijke fase voor het ontwerp van de caissons is het afzinken. Tijdens dit afzinken werken diverse belastingen op de caissons. Deze belastingen zijn niet eenduidig te defi - niëren omdat interactie plaatsvindt tussen de grond en de caissons. En deze interactie kan niet zo maar worden ontleend aan de basisprincipes van de mechanica. Bij het bepalen van deze interactie moet rekening gehouden worden met diver- se, niet alle in regels te vatten aspecten: 4 3D-illustratie van het binnenhoofd ANDERE VOORBEELDEN VAN DE PNEUMATISCHE CAISSONMETHODE Oorspronkelijk ? in de tijd dat grote diepe bouwkuipen niet kon- den worden gerealiseerd ? was de pneumatische caissonmethode dé methode om een fundering te rea- liseren op grotere diepte onder de grond en onder water. Voorbeel- den uit het verre verleden zijn de funderingen van de pylonen van de Brooklyn Bridge, de Eiffeltoren en het noordelijke landhoofd voor de Willemspoorbrug (Rotterdam). Recentere voorbeelden zijn de caissons voor de metro in Amster- dam (Wibautstraat) uit de jaren 70, sluishoofd Barrow-in-Furness (GB) uit 1991 en de pijlerfundatie voor de Erasmusbrug (Rotterdam) uit 1995. 4 operationele deur onderhoudsdok drempel deursponning 12? CEMENT 3 2020 Belastingen: eigen gewicht; grond-, lucht- en waterdrukken; ongelijkmatige snijrandreacties; verhoogde gronddrukken tegen de caisson- wanden ten gevolge van scheefzakken tijdens het afzinken (zogenoemde tiltbelastingen). Toleranties: meetnauwkeurigheid; ontgravingstoleranties; variatie grondparameters. Daarenboven moet rekening worden gehou - den met hydratatiespanningen. Het was de uitdaging de afzinkbelas- tingen zoveel mogelijk op te nemen met de hoeveelheid wapening die nodig was in de definitieve situatie. Door al deze verschillende belastingen en de interactie kende het project een aantal flinke constructieve uitdagingen. Een aantal daarvan wordt hier behandeld. Modellen? De afzinkbelastingen en daarmee de reactiekrachten en de spanningen in het caisson spelen een grote rol in het ontwerp en moeten goed worden geanalyseerd. Daar- bij worden in de caissontechniek van ouds- her drie modellen gehanteerd (fig. 6) die relatief recent zijn opgenomen in [1]. In deze modellen worden het verloop en de relatieve grootte van de snijrandreacties geduid. Daarmee kan een bovengrens worden be- paald voor de in rekening te brengen snij- randbelastingen. De eerste twee modellen zijn gebruikt voor het bepalen van de maxi -male buiging van het caisson tijdens afzin - ken, de derde voor de maximale torsie. Het eerste model laat de bovengrens zien van maximale snijrandreacties in de hoe- ken van het caisson en levert de maxima voor de 'sagging moments' (positieve mo- menten) over het caisson op. Het tweede model laat de bovengrens zien van maxima - le snijrandreacties in het midden van het caisson en levert de maxima op voor 'hog - ging moments' (negatieve momenten) in het caisson. Deze drie belastingsmodellen zijn geschikt voor stijve doosvormige caissons, maar minder geschikt voor zeer langwerpi - ge niet-doosvormige caissons, zoals bij de zeesluis IJmuiden zijn toegepast. Met name het derde model is geheel ongeschikt voor een torsieslappe constructie zoals in dit project het geval is, omdat de optredende spanningen en vervormingen in de caissons bij dit belastingsmodel veruit de haalbaar- heid overschrijden. Derhalve is er voor ge- kozen de torsievervormingen tijdens afzin - ken te beperken tot een maximale waarde (monitoringsvoorwaarde). Ontgraving? De wijze van ontgraven heeft veel invloed op de krachtswerking. In dit project is, afwijkend van de normale werk - wijze van ontgraven onder caissons, geko- zen voor een meer beheerste ontgraving om zo de grond-caissoninteractie te beheersen. Deze interactie vindt plaats tussen het stel - sel van de snijranden onder het caisson en de dragende grond. Om geconcentreerde dwarsbuiging De deurkas voor het binnenhoofd is 81 x 55 x 25,6 m 6a 5 Dwarsdoorsnede caisson deurkas binnenhoofd 6 Modellen voor afzinkbelastingen: (a) maximale hogging, (b) maximale sagging en (c) maximale torsie 5 6b 6c Nieuwe Zeesluis IJmuiden (2) CEMENT 3 2020 ?13 ter plaatse van de kopsnijranden (de snij- randen in dwarsrichting over de korte zijde van de caissons) te beperken, hield de ge- hanteerde ontgravingsstrategie in: de kop- snijranden nagenoeg geheel ontgraven hou- den tijdens het afzinken. Om de langsbuiging (volgens figuur 6a en 6b) te beperken, is onder de langssnijran - den (snijranden in langsrichting onder de langswanden) een ontgravingstolerantie ten opzichte van vooraf bepaalde steunberm - breedtes onder de langssnijrand gehanteerd van + of ? 0,50 m. Deze tolerantie komt over- een bij hoge funderingssterktes (grond - sterktes) met een variatie in snijrandreactie van + of ? 500 kN/m¹. Vervolgens is deze tolerantiewaarde gebruikt voor het bepalen van de buiging in de langswanden. Voor deze buiging is voor de ULS het volledige driehoekige snijrandre- actiemodel gebruikt (fig. 6a en fig. 6b). Voor de SLS is voor 70% de driehoekige verdeling (fig. 6a en 6b) en voor 30% de rechthoekige verdeling van de snijrandreactie genomen. En ook voor de SLS is een variatie in snij- randreactie van ± 500 kN/m¹ gerekend, in combinatie met de hydratatiespanningen. De torsiebelastingen (fig. 6c) is gelimi - teerd. Met behulp van monitoring en het bijsturen van de graafvolgorde is de maxi - mum torsie beperkt tot 100 mm. Hierbij is de definitie van torsievervorming het afwij- ken van één hoekpunt van het caisson ten opzichte van het vlak door de drie andere hoekpunten. De belastingen op de caissons tijdens het afzinken zijn niet eenduidig te definiëren vanwege de interactie tussen de grond en de caissons 7 Plaxis-model voor het bepalen van de grondspanningen ten gevolge van tilt 8 Tijdelijke dwarswanden caisson deurkas binnenhoofd Belastingen scheefzakken? Ten gevolge van scheefzakken van het caisson tijdens het af - zinken, ontstaan horizontale belastingen op de wanden (tiltbelastingen). Deze zijn be- paald met een caisson-grond-interactiemo- del in Plaxis (fig. 7). Daarbij is de bentoniet- gevulde overcut (spleet tussen grond en caisson) verwaarloosd. Een tilt van 1% is aangehouden als bovengrens bij start afzin - ken en 0,3% bij einde afzinken. De extra horizontale grondspannin - gen ten gevolge van tilt zijn niet alleen van belang voor de verticale buiging in de caissonwanden en voor de belastingen van de kopschotten van de caissons, maar ook voor constructies in de directe omgeving van de caissons, met name damwanden en stempelramen. Deze kunnen door de ver- hoogde grondspanningen namelijk ook extra worden belast. Tijdelijke dwarswanden binnensluis- hoofd? Voor het opnemen van de afzinkbe- lastingen in dwarsrichting (met name dwarsbuiging) zijn tijdelijke dwarswanden gebruikt voor het caisson van het binnen - sluishoofd (fig. 8). Dwarsanalyse binnensluishoofd? De vloer en de tijdelijke dwarswanden van het caisson van het binnensluishoofd moeten het eigen gewicht van de vloer met tijdelijke dwarswanden, de middentussenwand, de buitenste langswanden en de werkkamer- drukken opnemen. In de situatie dat het 7 8 14? CEMENT 3 2020 caisson zou leiden. Immers de constructie verwacht in een situatie met een star midden- steunpunt een reactie van 3/8 en 10/8 q l (l is de afstand tussen de steupunten in het model van fig. 9) voor respectievelijk de randsteunpunten en het middensteunpunt. Maar de grond 'weet dit niet' en is dus een onzekere parameter. Zeker met inachtname van variaties in het grondgedrag en eigen - schappen tijdens het dynamisch proces van afzinken in combinatie met ontgravingstole- ranties. Uitvoering dwarsanalyse? Voor een enkele situatie tijdens afzinken is, net als voor de eindsituatie, een 3D-model in SCIA gebruikt. Omdat het postprocessen van 3D-modellen tijdrovend en arbeidsintensief is, en vanwege het zeer grote aantal belastingsituaties tij- dens het afzinkproces (van start afzinken tot einde afzinken met alle tussenliggende sta - dia) in combinatie met het aantal te beoor- delen dwarsdoorsneden, is voor de dwarsa - nalyse van de caissons voor het afzinken gekozen uit te gaan van 2D-liggermodellen. De verleiding is groot om de 2D-ligger- modellen te berekenen met een werkende breedte gelijk aan de hart-op-hart-afstanden van de tijdelijke dwarswanden, maar dit zou tot onder- en overschatting van de werkelijke dwarswerking leiden. Immers door de com - binatie met al of niet driehoekige snijrand - reacties treedt andere belastingafdracht op dan die op basis van de hart-op-hart-afstand van de tijdelijke dwarswanden. Voor het be- palen van de uiteindelijk belastingafdracht per tijdelijke dwarswand zijn correctiefacto- ren bepaald uit het 3D-model. Ter illustratie is in figuur 10 het torsie- model uit het 3D-model getoond dat onder De wijze van ontgraven heeft veel invloed op de krachts­ werking caisson als het ware op twee steunpunten (de grondbermen onder de langssnijranden) staat, is de 4 m dikke vloer alleen daar niet toe in staat, en ook in combinatie met de tij- delijke dwarswanden is de situatie kritisch. In dwarsrichting komen daar nog bij de bui - gende momenten als gevolg van de excentri - citeiten van de massieve langswanden ten opzichte van de zwaartepunten van de grond - reacties. Om dit op te lossen is de midden- snijrand in de ontgravingscyclus zodanig betrokken dat er een beperkte, in grootte beheerste grondreactie ter plaatse van dit steunpunt wordt geleverd. De middensnij- rand is ingezet om aan de strategische keuze 'geen extra wapening ten gevolge van de afzinkbelastingen' maximaal tegemoet te komen en om een vorm van robuustheid in de constructie ten behoeve van het afzink - proces in te bouwen. De middensnijrand is niet gebruikt als star middensteunpunt omdat dat tot een onvoorspelbare draagstructuur voor het 10 9 9 2D-liggermodel dwarsanalyse afzinkfase 10 Torsiemodel uit SCIA 3D-model caisson deurkas binnensluishoofd Nieuwe Zeesluis IJmuiden (2) CEMENT 3 2020 ?15 andere laat zien dat de belastingafdracht per wand niet lineair is, maar wordt beïn- vloed door de vorm van de snijrandreacties en door de eigenschappen van de constructie zelf, bijvoorbeeld de invloed van de stijve middenwand. Dwarswanden buitenhoofd? De afmeting van het caisson voor de deurkas van het bui - tenhoofd in dwarsrichting is de helft van die van het binnenhoofd. Voor de dwarsanalyse bestaat dit caisson uit twee langswanden en een tussenliggende vloer met een totale breedte van 26 m en een dikte van 4 m. Voor dit caisson zijn tijdelijke dwarswanden niet nodig voor het opnemen van de afzinkbelas- tingen. Ontwerp eindsituatie De belangrijkste functionele eisen die wor- den gesteld aan de sluis zijn: water keren, schutten, reservedeurbehuizing (droogdok) en weerstand tegen aanvaring. Impliciet be- tekent dit ook: grond keren. Op deze functio- nele eisen voor de definitieve situatie zijn de deuren, deurkassen, drempels en sponnin - gen ontworpen. De globale stabiliteit van de caissons in de eindsituatie (deurkassen) onder invloed van de belastingen die voort- komen uit de functionele eisen, is geanaly - seerd met Plaxis. Hieruit is gebleken dat deze globale stabiliteit niet kritisch is, zelfs niet bij extreem hoog water (NAP +8,85 m) of scheepsstoot (tot 80 MN ten gevolge van aanvaarbelastingen). Het constructief ont- werp van de deurkassen in de eindsituatie is geanalyseerd met een SCIA 3D-eindige- elementenmodel, vergelijkbaar met het mo- del als getoond in figuur 10. Ten opzichte van het afzinkontwerp, is het ontwerp voor de eindsituatie relatief statisch of semi-statisch Voor het opnemen van de afzinkbelastingen zijn tijdelijke dwarswanden gebruikt te noemen, met belastingen ten gevolge van eigen gewicht, grond- en waterdrukken, deurreacties, en aanvaarbelastingen. Com - plexer is het raakvlak tussen deur en deur- aanslagen, met de hoge oplegkrachten van de deur bij scheepsstoten en hoog water. Maar dit is niet onoplosbaar. Desondanks leidt dit voor zowel de standaarddoorsnede als voor de complexere details tot ingewik - kelde wapeningsdetails. Dit maakte het noodzakelijk om 3D-wapeningsmodellen te maken ten behoeve van de uitvoering. Hier- in kwamen vooraf, voor start van de uitvoe- ring, de toe te passen wapening, de in te storten onderdelen en de (zware) wapenings- supportconstructies samen. Een investe- ring vooraf die in de uitvoering ruimschoots is terugverdiend. Bijzondere uitvoeringaspecten Onder meer door de afmetingen van de con - structie en de bijzondere uitvoeringswijze zijn er diverse aspecten in de uitvoering nader bekeken. Drie daarvan worden hier beschreven. Stortfasering? De 4 m dikke caissonvloeren met breedtes van 26 m en 55 m en lengtes van 81 m zijn in langsrichting van de caissons gefaseerd gestort in vier moten van ruim 18 m. Tussen de stortfasen zijn stort- stroken van 2 m aangebracht (fig. 11), waarin zettingsverschillen en verhardingskrimp wordt opgenomen. De wanden (tot 7 m dikte) zijn eveneens gestort in vier moten van circa 20 m per stort, zonder stortstroken, en in zes lagen (buitenhoofd vijf lagen). Controle op onthechting wapening? Tij- dens de storten van de vloermoten treden zettingen op in de ondergrond. Hierdoor 11 12 11 Tussen de stortfasen zijn stortstroken aangebracht 12 Schematisering wapeningsstaaf 16? CEMENT 3 2020 Ten opzichte van het afzinkontwerp, is het ontwerp voor de eindsituatie relatief statisch of semi­statisch te noemen 13a 13b 13c Nieuwe Zeesluis IJmuiden (2) 13  Het verloop van (a) de storthoogte, (b) de optredende zetting als gevolg van de (toenemende) stortbelasting en (c) de toenemende oplegspanningen en de ontwikkelende betondruksterkte CEMENT 3 2020 ?17 zouden wapeningsstaven door het vers ge- storte beton kunnen worden getrokken, waardoor er holle ruimtes ontstaan rondom de staven. Hierdoor zouden onthechting en op termijn ook duurzaamheidsproblemen kunnen ontstaan. Dit effect is geanalyseerd door de wapeningsstaven te schematiseren als een tweezijdig ingeklemd liggertje, waar- bij voor de wapeningsstaven Ø40 mm een opleglengte van 100 mm in het (verse) beton is gekozen (fig. 12). De optredende betonoplegspanningen van de wapeningsstaven per mm zetting op de verse en net verhardende beton worden als volgt bepaald: P = 40 N/mm zetting Per mm zetting is de oplegspanning van de staaf: De optredende zetting als gevolg van de (toenemende) stortbelasting, tegen de tijd, tegen de toenemende oplegspanningen en de ontwikkelende betondruksterkte zijn geanalyseerd en weergegeven in figuur 13. Uit de analyse blijkt dat de optredende betonoplegspanningen van de wapenings- staven bij de voorspelde zettingen vele ma -len minder snel worden ontwikkeld dan de ontwikkeling van de sterkte van het beton. Het beton blijft de wapeningsstaven dus omsluiten. Dit is te zien in de derde grafiek, in figuur 13c. Daarenboven zijn de gemeten zettingen kleiner gebleven dan de voorspelde zettingen (60%), te zien in de grafiek in figuur 13b. Hydratatiekrimp? Trekspanningen in het beton van de wanden (tot 7 m dikte, met stortmoten van circa 20 m) ten gevolge van hydratatiekrimp kunnen worden beperkt door de keuze van het juiste betonmengsel. Echter in het geval van de pneumatische caissonmethode komen bovenop deze hydratatiekrimpspanningen de trekspan - ningen als gevolg van de afzinkbelastingen. Deze combinatie vereist extra aandacht. De gemiddelde afkoeling ten gevolge van de hydratatie bedraagt 26 °C. Deze is berekend met verhardingsmodellen. In dit model wordt de warmteontwikkeling ten ge- volge van hydratatie en de afdracht naar de omgeving met een eindige-elementenmodel berekend. De hydratatiespanningen zijn berekend op basis van een langs de rand verhinderde constructie conform CIRIA C660 inclusief de latere aanvulling [2], en gecombineerd met de trekspanningen ten gevolge van de afzinkbelastingen. De totale spanningen vor- men vervolgens de basis voor de berekening van de scheurwijdtebeheersende horizontale wapening in de caissonwanden conform de Eurocode. Slot De caissons liggen onbeschadigd op diepte, wat laat zien dat het afzinkontwerp van de caissons adequaat is geweest voor het afzink - proces. De ongekende schaalgrootte van de caissons voor de grootste zeesluis ter wereld was een flinke uitdaging voor het afzinkont- werp, maar heeft niet geleid tot onmogelijk - heden. Het ontwerpteam mag met recht trots zijn op de geleverde prestatie. REFERENTIES 1?Richtlijnen Ontwerp Kunstwerken ROK, Rijkswaterstaat. 2?The development of a revised unified approach for the design of reinforcement to control cracking in concrete resulting from restrained contraction; ICE Research Project 0706; February 2010. 14 14 Temperatuurontwikkeling tijdens hydratatie 18? CEMENT 3 2020