Ontworpen op extremen (2)5201358Ontworpen opextremen (2)Gebruiksfase Tweede CoentunnelOntworpen op extremen (2) 52013 591 Bouw Tweede Coentunnel, Noordzeekanaal, A10foto: https://beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat / FotoMix.nlZoals in het eerste artikel is toegelicht, zal de tunnel door deonderspoeling niet overal gelijkmatig zijn gefundeerd. Daar-naast zorgen het profiel van kanaalbodem, oevers en dijkenvoor ongelijkmatige permanente belastingen. Bovendien moetonder een drukbevaren route als het Noordzeekanaal ookworden gerekend op de lokale belasting uit een gezonken schip.LiggerwerkingIndien de tunnel wordt opgevat als een op de kanaalbodemneergelegde ligger, zorgen de ongelijke belastingen en beddin-gen voor dwarskrachten en momenten en de bijbehorendevervormingen. Twee uitersten zijn mogelijk. In een starre liggertreden geen vervormingsverschillen op, maar moeten zeergrote snedekrachten worden opgenomen. Een kabel zal echternagenoeg spanningsloos zijn, ten koste van grote vervormin-gen. De werkelijkheid ligt daar altijd tussenin. Bij de bestaandeCoentunnel is destijds gekozen voor een tussenoplossing vanhet starre type: ongedilateerde tunnelelementen van 90 m lang,waarbij het merendeel van de vervormingen moet wordenopgenomen in de zinkvoegen tussen de elementen. Bij deTweede Coentunnel is gekozen voor een flexibel compromis:lange tunnelelementen, waarbij elk tunnelelement is verdeeldin zeven moten. Zowel de zinkvoegen als de mootvoegendienen hierbij als dilatatie.De krachtswerking in deze verend ondersteunde, ongelijkmatigbelaste, gedilateerde ligger is complexer dan op het eerstegezicht lijkt. Deze krachtswerking blijkt bijvoorbeeld te wordenbe?nvloed door temperatuurvariaties in de tunnel, ook al zijndie variaties in het gesloten tunneldeel beperkt ten opzichte vande open bakken van de toeritten. Naast de verticale beddingmoet ook met een interactie in langsrichting (wrijving) wordengerekend, en moet recht worden gedaan aan de niet-lineairestijfheid van de rubberafdichtingen in de zinkvoegen (GINA-profiel). De analyse van het liggergedrag is geanalyseerd meteen langskrachtenberekening.In dit model zijn de moten afzonderlijk als verend onder-steunde liggers gemodelleerd. Traditioneel werd de tunnelhierbij als een ketting van scharnierend verbonden schakelsgedacht (kettingmodel). In werkelijkheid liggen de moten ?faan de onderzijde tegen elkaar, ?f aan de bovenzijde (fig. 2). Inhet model is het mootcontact in lengterichting dan ook excen-Zo'n 10 tot 15 m ten oosten van de huidige Coentun-nel is de Tweede Coentunnel gerealiseerd. Deze zink-tunnel krijgt tijdens de gebruiksfase grote belastin-gen te verduren: 16 m water in het midden van hetNoordzeekanaal en 8 m grond ter plaatse van deoevers. De maatgevende ontwerpscenario's warenechter het zeetransport van twee dagen en de belas-ting uit een gezonken schip. In dit artikel wordt inge-gaan op de gebruiksfase van de tunnel, vooral op dekrachtswerking in de afgezonken tunnel en op demaatregelen met het oog op brand. In een eerderartikel [1] kwam de transportfase aan bod.1ir. coen van der vliet,ing. Remco LensenARCADIS Nederland BVir. Frederik DeurinckSA Besix NVing. gerrie JonkheijmCFEArtikel over bouw- entransportfaseEerder is een artikel verschenenover het algemene zinktunnelprincipe en debouw- en transportfase van de Tweede Coentun-nel. Dit artikel`Ontworpen op extremen (1)'isverschenen in Cement 2013/4 en is te raadplegenop www.cementonline.nl.Ontworpen op extremen (2)52013602 Langskrachtenmodel: bij verschilzakkingen liggen dedrukpunten afwisselend onder in en boven in de doorsnede;een additionele normaalkracht ten gevolge van bijvoorbeeldtemperatuur`tilt'de slapper ondersteunde moot op, methogere dwarskrachten tot gevolg3 Resultaat van een DIANA-berekening van de krachtswerkingin de tunnel en de verdeling van de tandkrachten tengevolge van een op de tunnel gezonken schip4 Geprefabriceerde tandwapeningtrisch gemodelleerd, met een zeer stijve verbinding die geentrek kan opnemen (blokkenmodel). Verder kunnen in demootvoeg alleen dwarskrachten worden overgedragen. Ook inde zinkvoegen is gerekend met excentrisch contact, waarbijvoor de krachtsoverdracht in lengterichting is gerekend met deniet-lineaire indrukkingsstijfheid van het GINA-profiel.Deze modellering met excentriciteiten is vooral noodzakelijkom het effect van temperatuurvariatie correct te bepalen. Steldat bijvoorbeeld was gerekend met een ketting van scharnie-rende staven, en dat door een geconcentreerde belasting(grondophoging) lokaal grotere zakkingen waren opgetreden,dan zou op dat punt een kleine negatieve excentriciteit aanwe-zig zijn. Een verhoging van de normaalkracht door een tempe-ratuurtoename zou dan hebben geleid tot een vergroting vande zakking, tot hogere beddingreacties en dus tot lagere dwars-krachten en momenten. In werkelijkheid zal het contact in demootvoeg ter plaatse van de grotere zakking aan de bovenzijdeliggen: een grote positieve excentriciteit. Een verhoging van denormaalkracht leidt er dan toe dat de tunnel lokaal juist wordtopgetild, met lagere beddingreacties en grotere snedekrachtentot gevolg.Deze realistische modellering leidde tot de ontdekking dat dedwarskrachten en momenten in de als ligger opgevatte tunnelsterk afhangen van de temperatuur in de tunnel. Ten opzichte243Ontworpen op extremen (2) 52013 615 Om afspatten van de opofferlaag tevoorkomen, zijn polypropyleenvezelsopgenomen in het betonmengselDe belasting van een gezonken schip heeft in meerdere opzich-ten invloed op het ontwerp van de betonconstructie:- de belasting moet worden gedragen door het dak (dakwape-ning);- de belasting wordt voor een deel ? afhankelijk van de stijf-heid van de ondersteuning ? afgedragen aan naastgelegenmoten door middel van de tanden (tandwapening);- de tandkrachten leiden tot een hogere beddingreactie onderde naastgelegen moten (vloerwapening);- zowel in de belaste moot als in de aangrenzende moten wordtde dwarskracht opgenomen in de wanden (wandwapening).Het ontwerpen op dergelijke belastingen is een combinatie vanrisicoanalyse en krachtswerking. Bovenstaande effecten zijn hetgrootst als een schip direct naast een mootvoeg zinkt. Hoelanger de moten, hoe kleiner de kans is dat een schip directnaast de voeg zinkt, maar hoe groter de krachten ?ls hetgebeurt.Zoals door RWS is voorgeschreven, is de belasting geverifieerdmet behulp van een risicoanalyse. Voor het bepalen van hetmaatgevende schip is gebruikgemaakt van een inventarisatievan alle zeeschepen die in een jaar tijd de Coentunnel zijnvan het gangbare kettingmodel is het hier gehanteerde blok-kenmodel een betere representatie van de werkelijkheid.Om te voorkomen dat tussen de moten verschilvervormingenontstaan, zijn de moot- en zinkvoegen als scharnier uitgevoerd:rotaties zijn min of meer vrij mogelijk, maar (verticale) dwars-krachten worden door tanden in de wanden een-op-een over-gedragen tussen de moten. Ook horizontaal is de beweginggefixeerd door tanden in dak en vloer. Deze tandverbindingenkunnen het zwaar voor de kiezen krijgen, zeker in geval vaneen boven de tunnel gezonken schip.Zinkende schepenIn verband met de intensieve scheepvaart op het Noordzeekanaalis de tunnel berekend op de belasting van een gezonken schip.Rijkswaterstaat schrijft in de Richtlijnen voor het Ontwerp vanBetonnen Kunstwerken (ROBK, tegenwoordig vervangen doorde ROK) voor, dat moet worden gerekend met een belasting van150 kN/m2voor zeeschepen en 50 kN/m2voor binnenvaartsche-pen (inclusief dynamisch gedrag), maar ook dat een en andermet een risicoanalyse moet worden aangetoond.5Ontworpen op extremen (2)5201362verschilverplaatsingbeton moot 2beton moot 1hittewerende beplatingvoegprofielinjectiepijpjesrubbermetalenvoegstrook (injecteerbaar)sparing t.b.v. injectiepunt(later dichtzetten)hittewerende beplatingmoot 1 moot 26 Traditionele oplossing hittewerende bekleding7 Breuk in hittewerende beplating ten gevolge van verschilverplaatsingengevolge van een gezonken schip volledig door de tandenzouden moeten worden gedragen, zouden de tanden onwen-selijk sterk moeten worden: tweemaal zo sterk als voor deoverige ontwerpscenario's zou zijn vereist. Om dit te voorko-men, is er in het ontwerp voor gekozen voor dit soort cala-miteitsbelastingen de elementen extra vervormingscapaciteitte geven door de tanden beheerst te laten bezwijken. Hierbijblijft de waterdichting intact, omdat deze is berekend op dezegrote vervormingen. Op deze wijze wordt voldaan aan deeisen die worden gesteld aan een tunnel bij een calamiteit,maar is tevens gezocht naar een economische oplossing.Dit neemt echter niet weg dat de tanden de zwaarst gewa-pende onderdelen van de zinkelementen zijn geworden(foto 4).BrandwerendheidEen andere extreme situatie ontstaat bij brand. De tunnelmoet bestand zijn tegen de extreme temperaturen diekunnen ontstaan tijdens een koolwaterstofbrand. Het verloopvan deze temperatuur is vastgelegd in de RWS-brand-kromme, waarbij de temperatuur in de tunnel binnen eenuur oploopt naar 1350 ?C. Twee aspecten van brandwerend-heid worden hieronder toegelicht: bescherming van debetonconstructie en van de rubberen voegprofielen.Bescherming betonconstructieBij een brand warmt vooral de buitenste schil van het beton aande aan brand blootgestelde zijde zeer snel op. Beton en staalverliezen hun sterkte en stijfheid vanaf temperaturen van respec-tievelijk circa 400 ?C en 250 ?C. Om te voorkomen dat deconstructie hierdoor bezwijkt, is het dak en de bovenste metervan de tunnelwanden beschermd met behulp van isolerend plaat-materiaal. Dit is eenvoudig op de tunnelbekisting aan te brengenen wordt aan het beton verbonden door middel van schroevendie v??r het betonstorten in het plaatmateriaal worden gedraaid.gepasseerd. Op basis van de eigenschappen van deze schepen(afmetingen, tonnage, soort schip) is voor elk schip bepaaldhoe groot de kans zou zijn dat dat schip precies op de Coentun-nel zou zinken, hoe groot de belasting zou zijn gegeven depositie in lengte- en breedterichting en wat de kansverdeling isvan die belasting. Op deze wijze is een cumulatieve kansverde-ling bepaald van de belasting op de tunnel en kon voor eenoverschrijdingskans van 1?10-6per jaar een maatgevend schipen de bijbehorende belasting worden bepaald. Deze belastingbleek maar weinig lager te zijn dan de door RWS voorgeschre-ven waarde. Hierdoor is besloten de RWS-waarden aan tehouden.De krachtswerking in de constructie ten gevolge van eenzinkend schip is bepaald met behulp van een DIANA-bereke-ning (fig. 3). Deze berekening gaf inzicht in de verdeling vande tandkrachten over de vier wanden, de verhoogde bedding-reactie en het verloop van de bijbehorende dwarskrachten.TandenEerder is aangegeven dat in de dilatatievoegen tussen demoten tanden zijn opgenomen om dwarskrachten over tedragen en verschilvervormingen te voorkomen. De tandenzijn gedimensioneerd op de krachtswerking ten gevolge vande ongelijkmatige belasting op de tunnel en de ongelijkma-tige stijfheid van de ondersteuning. Wanneer de krachten ten76Ontworpen op extremen (2) 52013 63steenwolbrandwerendebeplating 27 mm RVS stalen strip8 Flexibel detail hittewerende bekleding alsontworpen voor de Tweede Coentunnelpervlak zijn de diepliggende rubberen profielen zeer lastig terepareren. In het contract werd daarom ge?ist dat de tempera-tuur van het rubber in de voeg niet hoger mocht worden dan80 ?C na twee uur brand volgens de RWS-brandkromme.Traditioneel worden de voegen beschermd door de voeg in hetisolerende plaatmateriaal versprongen aan te brengen (fig. 6).Het nadeel van deze relatief eenvoudige methode is, dat debekleding kan breken bij verschilverplaatsingen loodrecht ophet vlak van het plaatmateriaal (fig. 7). Vanwege de grotedwarskrachten in de Tweede Coentunnel is gekozen voortanden in wanden, dak en vloer in plaats van de traditioneleoplossing met een kraagverbinding rondom. Verschilverplaat-singen in het vlak van de wand worden daarmee voorkomen,maar verplaatsingen loodrecht op het vlak kunnen min of meerongehinderd optreden, bijvoorbeeld door ongelijkmatige belas-tingen door bovenliggend materiaal. Voor de Tweede Coentun-nel is daarom een flexibeler detail ontworpen, waarbij verschil-verplaatsingen in alle richtingen kunnen optreden zonder debekleding te beschadigen (fig. 8).AfrondingInmiddels is de Tweede Coentunnel in gebruik genomen en iseen start gemaakt met de renovatie van de Eerste Coentunnel.Met de realisatie van de Tweede Coentunnel is opnieuw eenproject gerealiseerd waar de Nederlandse ingenieurswereldtrots op kan zijn. Ook de rest van de tunnelwanden moeten worden beschermd.Hier is echter de oplossing met plaatmateriaal uitvoeringstech-nisch minder geschikt, omdat het niet praktisch is de platen verti-caal in de bekisting te hangen. Vanwege de goede ervaringen vanenkele combinanten bij de landtunnel in de A2 bij Leidsche Rijn,is ook voor de Tweede Coentunnel gekozen voor isolatie in devorm van een laag `opofferbeton'. Voor de wanden is een kalk-steenmeelhoudend mengsel toegepast, met 100 mm dekking opde wapening. Na twee uur brand volgens de RWS-brandkrommeheeft de kritische betontemperatuur van 380 ?C een diepte bereiktvan circa 70 mm. De wapening is ook dan nog ingebed in 30 mmgezond beton. De betondoorsnede is rekentechnisch gereduceerdom het effect van het gedegradeerde beton op de sterkte mee tenemen.Na een brand moet de gedegradeerde betonlaag worden verwij-derd en gerepareerd. Om afspatten van de opofferlaag te voor-komen, zijn polypropyleenvezels opgenomen in het beton-mengsel (foto 5). Dat dit mengsel inderdaad niet spat, is aange-toond met brandproeven [2].Bescherming rubberen voegprofielenDe dilatatievoegen zijn voorzien van rubberen waterdichtin-gen. De voegprofielen liggen weliswaar diep in de voeg, maarbij enige voegopenstand kan de temperatuur aan het rubberop-pervlak snel oplopen. Aantasting van de rubbers bij brand zoudaarom kunnen leiden tot lekkage of tot een lagere betrouw-baarheid van de waterdichting. In tegenstelling tot het betonop- LIteRAtuuR1 Vliet, C., van der, Lensen, R., Deurinck, F., Jonkheijm, G., Ontworpen opextremen (1). Cement 2013/4.2 Bossche, B.P., van den, Brandwerend beton. Cement 2008/4. pRoJectgegevensproject capaciteitsuitbreiding Coentunnelopdrachtgever Rijkswaterstaatontwerp, realisatie, onderhoud en financiering CoentunnelCompany: consortium van ARCADIS, Besix, CFE, Dredging International,Dura Vermeer, TBI Bouw en Vinci Grands Projects (DBFM-contract)uitvoering Coentunnel Construction: samenwerkingsverband vanbouwbedrijven Besix, CFE, Dredging International, Dura Vermeer, TBIBouw, Vinci Construction en Croon Electrotechniekoplevering De realisatie van de Tweede Coentunnel is gestart in 2008met het maken van het ontwerp. De tunnelelementen zijn in hetvoorjaar van 2011 afgezonken. De tunnel is in mei 2013 in gebruikgenomen. Aansluitend wordt de bestaande Coentunnel gedurende??n jaar gerenoveerd.8