Herbeoordeling sluiskolk Rozenburgsesluis Constructieve veiligheid met geavanceerde analyse aangetoond 1 Kolk Rozenburgsesluis 1 20? CEMENT 4 2024 De Rozenburgsesluis is 305 m lang en 24 m breed en wordt 24/7 bediend. Eind jaren 60 werd hij door Rijkswaterstaat gebouwd ten tijde van de ontwikkeling van de Europoort (foto 2). Daarbij vormde de sluis de vaarverbinding tussen het Calandkanaal ? die een open ver- binding had met de zee ? en het Hartelka - naal ? dat toentertijd nog niet met zee was verbonden. De sluis was daarmee tevens onderdeel van de primaire hoogwaterkering. Met de verdere ontwikkeling van de Europoort (fig. 3) werd het Calandkanaal en alle aanliggende havenbekkens een belang - rijke bestemming voor de binnenvaart (met name de tankvaart) waardoor de route via de Rozenburgsesluis, het Hartelkanaal en vervolgens de Oude Maas tot op de dag van vandaag van groot belang is. Jaarlijks maken er zo'n 20.000 binnenvaartschepen gebruik van en wordt er zo'n 45 miljoen ton goederen door vervoerd. Eind jaren 90 vond een belangrijke aan - passing in het havengebied plaats. In 1997 is ten oosten van de sluis, in het Hartelkanaal, de Hartelkering in gebruik genomen, waarna op de Maasvlakte de Beerdam is doorgebag - gerd. Hiermee kwam het Hartelkanaal, net als het Calandkanaal, in open verbinding met zee te staan en verviel de hoogwaterkerende functie van de sluis (fig. 4). Na het vervallen van de hoogwaterkerende functie zijn er diverse studies uitgevoerd of er een open verbinding tussen het Caland - kanaal en het Hartelkanaal zou kunnen worden gerealiseerd; de schutsluis zou hier- bij vervallen. Uit deze studies bleek echter dat als gevolg van het faseverschil van het getij in beide kanalen nautisch gezien zeer onwenselijke stromingspatronen zouden optreden die de veilige scheepvaart in het geding zouden brengen. Tevens is onderzocht of het verwijde- ren en vervolgens dempen van de verbin - ding tussen de twee kanalen mogelijk was. Dit zou echter tot veel extra vaarbewegingen via de Maasvlakte leiden (via het Breediep of Beerkanaal), die qua nautische veiligheid én extra vaartijd voor de scheepvaart als on - wenselijk werden bestempeld. Uiteindelijk werd daarmee de blijvende noodzaak voor een schutsluis op deze locatie onderkend. Voor het veilig en betrouwbaar blijven functioneren van de sluis heeft het PROJECTGEGEVENS project Renovatie Rozenburgsesluis opdrachtgever Havenbedrijf Rotterdam adviseur Impakt IB (samenwerkingsverband Witteveen+Bos en RHDHV) Na jaren van trouwe dienst is de Rozenburgsesluis in het Rotterdamse havengebied, een schutsluis die sinds 1971 het Calandkanaal met het Hartelkanaal verbindt, aan een grondige renovatie toe. Vooruitlopend op deze renovatie heeft een uitgebreide analyse plaatsgevonden, met onder andere PLAXIS en DIANA om de constructieve veiligheid van de gewapend betonnen sluiskolk aan te tonen. CEMENT 4 2024 ?21 2 Bouwfase met Europoort en Botlekgebied in ontwikkeling, met links van de sluis het Hartelkanaal en aan de bovenzijde het Calandkanaal en de Brittaniëhaven, foto: Aerocamera Bart Hofmeester / Fotobureau Roel Dijkstra 3  Ontwikkeling van de havengebieden in de tijd 4  Overzicht Europoort met haven met Hartelkanaal, Calandkanaal en Rozenburgsesluis (huidige situatie) IR. NIKOLAAS VAN EMPEL Senior Adviseur Constructieve Veiligheid Impakt Ingenieursbureau - Witteveen+Bos IR. ZHEKANG HUANG Adviseur Constructieve VeiligheidImpakt Ingenieursbureau - Witteveen+Bos IR. WILLEM GALL RO Sr. Port Engineer Havenbedrijf Rotterdam auteurs 2 3 4 22? CEMENT 4 2024 Haven bedrijf Rotterdam besloten het gehele complex in 2024 te renoveren. Daarbij wor- den alle voedings- en besturingssystemen vervangen, worden de sluisdeuren en de basculebruggen opnieuw geconserveerd en worden de bewegingswerken van de brug - gen gereviseerd. In 2023 is vooruitlopend op de renovatie al het noordelijke remming - werk vervangen. Inspecties kolk De kolk bestaat uit 20 m lange U-vormige betonmoten, die op staal zijn gefundeerd. Voordat kon worden overgegaan tot de ver- dere voorbereidingen van de renovatie, moest worden vastgesteld of huidige kolk voldoende restlevensduur bezat én con - structief veilig was. Uit diverse (duik-)inspecties en onder- zoeken bleek dat het betonwerk van de kolk nog in goede staat verkeerde. Wel werd een forse scheur in diverse kolkmoten waarge- nomen, in nagenoeg het midden van de kolk (scheurwijdte enkele mm's). Aangezien deze scheurvorming niet door de normale krachtswerking in de kolkmoten kon wor- den verklaard (grond- en waterdrukken op de wanden van de kolkmoten zouden een dergelijke scheur juist moeten dichtdruk - ken), is besloten tot nader onderzoek. Op basis van de inspecties bestond een vermoeden dat de scheur al langere tijd aanwezig moet zijn geweest. Daarom is eerst gedegen archiefonderzoek gedaan terug - gaande tot de bouw van de sluis. Archiefonderzoek De sluis is traditioneel gebouwd in een open ontgraving (tussen bouwputtaluds) met een vacuümbemaling (foto 5). Daarbij is eerst de 1,8 m dikke vloer gestort, en daarna daar- bovenop de taps verlopende wanden (van 1,80 m tot 1,00 m) (fig. 6). Uit de archiefstukken bleek dat de scheur al in de bouwfase is geconstateerd en geanalyseerd en dat er drie oorzaken zijn: Aan de hand van de zettingsmetingen ge- durende de bouw is geconstateerd dat de 5 Open ontgraving bouwfase, foto: Aerocamera Bart Hofmeester / Fotobureau Roel Dijkstra Bij inspecties werd een forse scheur in de vloer van diverse kolkmoten waargenomen 5 CEMENT 4 2024 ?23 6a 6 Bouwtekening typische kolkmoot: (a) dwarsdoorsnede, (b) kopse kant 6b in het ontwerp aangehouden beddingscon- stante onder het vloergedeelte te laag was. Hierdoor zakte het vloerveld minder dan verwacht, terwijl de zakkingen ter plaatse van de wanden wél conform verwachting waren. Daardoor werden de negatieve mo- menten in de vloer ('katterug') onderschat. Als gevolg van uittredend water uit de bouwputtaluds kon het zandpakket onder de wanden minder goed worden verdicht dan onder de rest van de vloer, met als ge- volg een lagere beddingsconstante bij het buitenste deel van de vloer dan in het mid - den. Ook dit fenomeen veroorzaakt additio- nele negatieve momenten in de vloer ten opzichte waarmee in het ontwerp rekening is gehouden. Ten slotte moest de aanwezige vacuüm- bemaling worden verwijderd vóór het aan -vullen van de grond tussen de taluds en de wanden. Daarbij kwam het grondwater onder de vloer circa 2 m hoger dan waar- mee in het ontwerp rekening is gehouden (NAP -5,00 m versus NAP -7,00 m NAP). Dit veroorzaakte ook extra negatieve momen - ten in de vloer. Deze drie fenomenen hebben opgeteld geleid tot de waargenomen scheurvorming. Verdere herberekeningen uit de archief - stukken gaven aan dat, rekening houdende met de aangepaste beddingsconstanten, er bij de optredende belastingen in de gebruiks- situatie (water in de kolk, gronddrukken tegen de wanden) sprake is van het 'dicht- drukken' van de scheur. Derhalve is destijds besloten tot het alleen injecteren van de scheur. 24? CEMENT 4 2024 Herberekening met PLAXIS Om voorgaande conclusies te onderbouwen en om te bevestigen dat de injectie van de scheur een toereikende maatregel vormde, is een herberekening van de sluiskolk uitge- voerd met PLAXIS. Hierbij zijn de verschil - lende fasen in de bouwfase en de gebruiks- fase, alsook de uiterste grenstoestand en bruikbaarheidsgrenstoestand in het heden gemodelleerd in een gefaseerd model (fig. 7). Hierbij is de sluiskolk stapsgewijs opge- bouwd en belast conform de beschikbare in - formatie uit de archiefstukken. De resultaten van het PLAXIS-model hebben bevestigd dat in de bouwfase een voor de kolkvloer maatgevende maar tijde- lijke situatie optreedt, die leidt tot de gecon - stateerde scheurvorming door opwaartse buiging van de kolkvloer. In de gebruiksfase, waarbij water in de kolk aanwezig is en waarbij de wanden van de kolk worden belast, is de opwaartse buiging geringer en voldoet de aanwezige vloerwapening. Samen met het destijds uitgevoerde injectiewerk leidt dit tot de conclusie dat de constructieve integriteit van de vloer is geborgd. Aansluiting wand vloer? In de herbereke- ning is naast de vloer, ook de aansluiting (inklemming) van de wand met de vloer beschouwd. In deze aansluiting treden bui - gende momenten en dwarskrachten op die moeten worden opgenomen met de aanwe- zige wapening. Uit de herberekening bleek dat de wapening ruimschoots onvoldoende was om de krachten op te nemen. De be- schouwing was gebaseerd op de gangbare methode van berekening van wapenings- doorsneden, waarbij de uit het model ver- kregen momentenlijn over een hoogte d was verschoven en ter plaatse van meerdere sneden over de wand werd getoetst aan de momentweerstand. Gezien de locatie van dit constructie- detail (diep onder de grond en grondwater), zijn de mogelijke versterkingsmaatregelen zeer complex en ingrijpend. Als alternatief voor een versterkingsmaatregel is een ver- kenning uitgevoerd naar mogelijke maatre- gelen voor het ontlasten van de wand. Hier- bij is met name gekeken naar het reduceren van de (dominante) grondbelasting op de wand. Echter ook dergelijke beheersmaat- regelen zijn ingrijpend. In dit geval moest worden gedacht aan het verwijderen van de bovenste 4 m van het aanvulzand achter de kolkwanden en deze vervangen door licht- gewicht EPS-blokken. Initiële inschattingen gaven aan dat hiermee een kostenpost van circa ? 2 miljoen zou zijn gemoeid. Dubo- 7 Met een niet-lineair DIANA-model is aangetoond dat de aansluiting wand-vloer wel voldoet aan de vereisten 7 Gefaseerd 2D-PLAXIS-model sluiskolk, met buigende momenten in de uiterste grenstoestand CEMENT 4 2024 ?25 calc-berekeningen gaven bovendien aan dat de maatregel gepaard zou gaan met een uit- stoot van 1600 ton CO2 . Daarom werd besloten een nadere beoordeling uit te voeren. Beoordeling aansluiting wand- vloer met DIANA Om ingrijpende versterkings- en beheers- maatregelen te voorkomen, is in navolging op de PLAXIS-analyses een analyse met DIANA uitgevoerd. Hierin is de gefaseerde geotechnische berekening van PLAXIS gecombineerd met de constructieve functio- naliteit van DIANA ten aanzien van niet- lineair gedrag. De beschouwing van dit niet- lineaire gedrag, dat optreedt als gevolg van scheurvorming en herverdeling van gewa - pend beton, levert vaak een genuanceerder en realistischer beeld van de krachtswer- king op in vergelijking met conventionele methoden. De berekeningen zijn uitgevoerd volgens RTD 1016 (Guidelines for Nonlinear Finite Element Analysis of Concrete Structures). Het DIANA-model en de bijbehorende gefaseerde opbouw van de sluiskolk zijn overeenkomstig het PLAXIS-model opgezet. DIANA biedt al geruime tijd een gevalideerd hardening soil materiaalmodel van grond, dat in deze casus succesvol is gebenchmarkt met het PLAXIS- model. In DIANA is de betonconstructie van de sluiskolk vervolgens op de meest geavan - ceerde wijze gemodelleerd met een smeared cracking model en individuele wapeningstaven met bijbehorende hechtingseigenschappen tussen wapeningsstaal en beton (fig. 8). Het gehanteerde model simuleert de optredende grond-constructie-interactie. Voor een zo realistisch mogelijk beeld, is gekozen voor een benadering op basis van de Global Resistance Factor Method conform RTD 1016. Conform van deze methode zijn de materiaalparameters van het beton (K225) en wapening (QR24) bepaald op basis van fib model code 2010. Dat geldt ook voor de hechtingseigenschappen tussen beton en wapening. Toetsing? Met het DIANA-model is het ver- volgens mogelijk de verschillende stappen in de bouw van de sluiskolk alsook de bruik - baarheidsgrenstoestand en uiterste grens- toestand te beschouwen (fig. 9). Voor de bruikbaarheidsgrenstoestand is zowel de wapening in de vloer als de wand gecontroleerd op scheurwijdte. De spannin - gen en rekken in de wapening zijn op basis van het DIANA-model bepaald en vervolgens volgens Eurocode 2 op conventionele wijze getoetst. Hierbij werd voldaan aan de gestel - de scheurwijdte-eisen. Ten aanzien van de uiterste grenstoe- stand zijn de betonstuik en de spanning in de wapening getoetst (fig. 10). Ook voor de uiterste grenstoestand bleek de sluiskolk te voldoen aan de gestelde criteria. Ter bevestiging van de conclusies van de herberekening is een monito- ringscampagne uitgevoerd 8b 8a 8 Gefaseerd DIANA-model sluiskolk met individueel gemodelleerde wapeningstaven 26? CEMENT 4 2024 Verschil DIANA-model en PLAXIS-model Vervolgens is gezocht naar een verklaring voor het verschil in uitkomst tussen het DIANA-model en het PLAXIS-model. De belangrijkste verklaring is dat de snedekrach - ten uit de PLAXIS-resultaten waren betrok - ken op de systeemlijnen van vloer en wand. Het buigend moment op het snijvlak tussen wand en vloer bleek echter aanzienlijk klei - ner dan het uitgelezen buigend moment op een halve vloerdikte onder dit snijvlak (ter plaatse van de systeemlijn). Met behulp van de gemodelleerde hechting van wapenings - staven kon worden aangetoond dat voldoende (aanhecht-)sterkte van de wapening kan wor - den gemobiliseerd om het buigend moment op het snijvlak op te nemen. Ook de gehan - teerde verschuiving van de momentenlijn over d bleek op basis van het DIANA-model aan de conservatieve kant. Met een analyse van drukspanningstrajectoriën en vertaling naar een vakwerkmodel bleek de verschui - ving in de orde van 0,5d te liggen (fig. 11). Resultaten? Met conventionele doorsnede- berekeningen op basis van de bijgestelde buigendmomentwaarden en de bijgestelde verschuiving van momentlijn, kon een unity check kleiner dan 1,0 worden bevestigd. Er moet te allen tijde behoedzaam om worden gesprongen met de resultaten van geavanceerde niet-lineaire rekenmodellen. De combinatie van het toegepaste PLAXIS- en het geotechnisch gebenchmarkte DIANA- model (conform RTD 1016), samen met de bovengenoemde analyse van de verschillen, bieden het noodzakelijke vertrouwen in de uitkomsten van het DIANA-model. Een grondige analyse van rekenresultaten en het relateren van deze rekenresultaten aan de Eurocode 2 en conventionele doorsnede- berekeningen leidde tot de benodigde zeker- heid. Monitoring Om de conclusies van de herberekening te bevestigen is een monitoringscampagne 9a 9b 10a 10b 9 Bruikbaarheidsgrenstoestand: spanning in (a) buitenste wapening en (b) binnenste wapening 10 Uiterste grenstoestand: spanning in (a) buitenste wapening en (b) scheurvorming in de constructie CEMENT 4 2024 ?27 uitgevoerd. Hiermee kan enerzijds worden vastgesteld of de daadwerkelijke vervormin - gen van de sluiskolk zich bevinden in de bandbreedte die wordt voorspeld door het DIANA-model. Anderzijds kan hiermee in de toekomst de constructieve integriteit van de sluiskolk worden bewaakt. Het uitgangspunt is dat het verschil tussen de waterstand in de sluiskolk en de grondwaterstand buiten de sluiskolk de be- palende belasting vormt op de sluiskolkwan - den en aansluiting tussen sluiskolkwand en sluiskolkvloer. Ten gevolge van getijde vari - eert dit waterstandsverschil in de tijd. Door de verplaatsing van de sluiskolkwand te meten onder variërend waterstandsverschil en dit te relateren aan het gehanteerde DIANA-model kan het rekenmodel worden gevalideerd. In eerste instantie werd gebruikgemaakt van tiltmeters (gevoelige instrumenten die een hoekverdraaiing registreren), bevestigd op de wanden van de sluiskolk. Deze tiltmeters zijn echter zeer gevoelig voor de buitentempera - tuur, waarmee een correlatie tussen water - standen en vervormingen van de wanden van de sluiskolk niet te bepalen viel. In tweede instantie is dan ook gebruikge - maakt van tachymetrische metingen. Hier- bij is gebruikgemaakt van een netwerk van twee total stations en vier referentiepunten om de verplaatsing van twee reflectoren op de sluiswanden nauwkeurig te registreren. De meetcampagne is bij nachtelijk springtij uitgevoerd. De meetresultaten waren in lijn met de DIANA-berekeningen en bieden ook een goede basis voor herhaalde metingen in de toekomst. Zolang toekomstige metingen zich in de bandbreedte van de nu uitgevoer- de metingen bevinden, kan worden gecon - cludeerd dat de stijfheid en daaruit afgeleide sterkte van de constructie is geborgd. Beloning Voor de herberekening van constructiedetails in relatief dikwandige betonconstructies hebben traditionele rekenmodellen, waarbij de constructie wordt vereenvoudigd tot zijn systeemlijnen, duidelijke beperkingen. Dit bleek ook bij de herbeoordeling van de Rozen - burgsesluis. Met behulp van geavanceerde DIANA-berekeningen kon worden vastge- steld dat de kolk van de Rozenburgsesluis voldoet aan de gestelde eisen ten aanzien van de bruikbaarheidsgrenstoestand en uiterste grenstoestand. Door de modelresul - taten te vergelijken en te verifiëren met conventionele berekeningsmethodieken en het eerder gehanteerde PLAXIS-model, is het model geverifieerd. Vervolgens is het DIANA-model gevalideerd aan de hand van een uitvoerige monitoringscampagne. De uitkomsten van deze monitoringscampagne hebben de resultaten van het DIANA-model bevestigd en bieden tevens een basis voor de bewaking van de constructieve staat van de sluiskolk in de toekomst. Een dergelijke geavanceerde analyse vraagt uiteraard een grotere inspanning qua tijd en geld, maar heeft bij dit project zeer zeker geloond. Met in dit geval als 'beloning' de borging van de constructieve veiligheid, geen operationele verstoring van de sluis, een interessante kostenbesparing en een wezenlijke duurzaamheidswinst. 11 Interpretatie van het DIANA-model conform vakwerkanalogie 11 28? CEMENT 4 2024