58 thema Onderdeel van de verbreding van het Panamakanaal is de aanleg van een derde set sluizen, naast beide bestaande sluizencomplexen. Hiermee is de capaciteit van het kanaal verdubbeld en wordt ruimte geboden aan nog grotere schepen. Zowel aan de enorme hoeveelheden beton als aan de gigantische stalen sluisdeuren zijn strenge eisen gesteld. Panamakanaal verbreed 1 Twee nieuwe sluizencomplexen vergroten capaciteit aanzienlijk Het Panamakanaal is een 81 km lange verbinding tussen de Atlantische Oceaan en de Stille Oceaan (fig. 2). Het kanaal is een belangrijke ader in het intercontinentale transport: het bespaart een omweg van 7000 à 8000 km om Zuid-Amerika (via Kaap Hoorn). Het bestaande kanaal was toegankelijk voor schepen met zoge - noemde Panamax-afmetingen: lengte 294,1 m, breedte 32,3 m en diepgang 12,0 m. Dankzij het uitbreidingproject is het kanaal nu geschikt voor post-Panamaxschepen (of neo-Panamax- schepen). Deze hebben een lengte van 366 m, een breedte van 49 m en een diepgang van 15 m. thema Panamakanaal verbreed 1 2018 59 4 4 3 3 Gatunmeer Gatún- sluize n nieuwe ka naal Culebr a doorsnijding Miraor es- sluize n Pe dro Mi guel sluize n nieuwesluize n ka naal Mi raor es- sluize n M iraor esmeer k anaal drie nieuwe sluize n Stille Oceaan Caraïbsche Zee Gatún- sluize n Gatúnmeer ka naal drie nieuwe sluize n ore s- e slu 2 2 1 1 L O C A T I E 5 1 2 3 4 5Ve rdiepen toegangen Ve rbreden en ve rdiepen Ga t únmeer en ve rdiepen Culebra doorsnijding Ni euwe sluizen en bassin s Ve rhogen wa terniveau Ga t únmeer Ni euw 6,1 km lang kanaal VERGROTING P ANA MAKANAAL Caraïbsche Zee Stille Oceaan Gatúnmeer Panama Baaij Gatún- sluize n Pedro Mi guel sluize n Mi raor essluizen Colo n Arraijan Culebr a doorsnijding Panama Stad Beton Aan het beton voor de sluizencomplexen zijn zware eisen gesteld. Ondanks de belasting met zout water, is een levensduur van 100 jaar geëist. Om aan te tonen dat het beton aan de eis voldeed, is gebruikgemaakt van ASTM C1202 (Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration), een standaardmethode om de weerstand tegen chloride-indringing te bepalen. Om aan die test te voldoen, moest zeer lang worden nabehandeld, meer dan 90 dagen. ir. Jeremy Augustijn Iv-Groep 1 Het nieuwe Panamakanaal in vogelvluchtfoto: Panama Canal Authority2 Via complexen worden schepen van zeeniveau naar het 27 m hoger- gelegen Gatúnmeer geschutbron: De Ingenieur3 Overzicht van het Panamakanaal met de nieuwe sluizencomplexenbron: De Ingenieur Het kanaal bestaat zowel aan de zijde van Atlantische Oceaan als Stille Oceaan uit een sluizencomplex: de Gatúnsluizen aan de Atlantische Oceaan en de Miraflores- en de Pedro Miguel- sluizen aan de zijde van de Stille Oceaan (fig. 3). Via de complexen worden schepen van zeeniveau naar het 27 m hogergelegen Gatúnmeer geschut, een zoetwatermerengebied dat onderdeel is van het kanaal. Sluizen De uitbreiding van het Panamakanaal bestaat onder meer uit het verbreden en verdiepen van de bestaande kanalen en het Gatúnmeer. Belangrijkste onderdeel is ongetwijfeld de aanleg van een derde set sluizen, naast beide bestaande sluizencom - plexen. Het betreft enorme complexen van wel 2 km lang. De sluizen zijn aangelegd door de combinatie GUPC (Grupo Unidos por el Canal, bestaande uit Sacyr, Salini Impregilo, Jan De Nul en CUSA). Verantwoordelijk voor het ontwerp was de ingenieurscombinatie CICP. Het Nederlandse Iv-Groep is een van de ingenieursbureaus binnen CIPC. Verder maken MWH Global en TetraTech deel uit van het consortium. De nieuwe sluizen zijn 60% breder en 40% langer dan de bestaande (fig. 4). Elk nieuw sluizencomplex bestaat uit drie schutkolken van 427 m lang, 55 m breed en 18 m diep. De complexen zijn opgebouwd uit moten. Ook de sluishoofden vormen in feite een moot. De betonwanden van de sluizencomplexen zijn tot ruim 33 m hoog. Het zijn niet-verankerde wanden die omwille van de grote krachten naar beneden toe breder worden. Aan de voet zijn de wanden wel ongeveer 30 m breed. Onder in de wanden bevinden zich aan beide zijden twee zogenoemde omloopriolen, in lengterichting (foto 5). Deze zijn nodig voor het transport van het water tussen de kolken en van en naar de naastgelegen bassins. Deze kanalen zijn dubbel uitgevoerd. Van deze redun - dantie wordt gebruik gemaakt als onderhoud nodig is aan één van de kanalen. Al het beton is ter plaatse gestort. Deels gebeurde dat via trans - portbanden en een stortkoker (foto 6). De sluizen zijn gebouwd in een open bouwkuip. Bij het ontgraven van de kuip is gebruikgemaakt van dynamiet, omdat de bodem voor een deel uit basalt bestaat. 2 3 Stille Oceaan Gatúnmeer Atlantische Oceaan Chagresrivier Panamakanaal verbreed 1 2018 Panamakanaal verbreed 1 2018 60 thema Andere grote uitdagingen waren de hoge omgevingstempera - tuur en de hoge luchtvochtigheid. De temperatuur kon oplopen tot 37 °C. Het probleem van constructies met dergelijke grote afmetingen is dat de temperatuur in het beton, als gevolg van hydratatiewarmte, in de kern een stuk hoger kan oplopen dan aan de rand. Bij het afkoelen van het beton ontstaan er dan trekspanningen die tot scheurvorming kunnen leiden. Om scheurvorming te beheersen moesten de temperatuur- verschillen worden beperkt en moest veel wapening worden toegepast. De temperatuurverschillen zijn beperkt door het beton te koelen, zowel tijdens productie als transport. Tijdens de productie zijn installaties toegepast die de temperatuur van het beton onder de 12 °C moesten houden. Om het toeslagma - teriaal te koelen, zijn grote tenten geïnstalleerd en is ijs toege - past. Voor het transport zijn geïsoleerde truckmixers gebruikt. Met deze maatregelen kon de temperatuur voldoende worden beheerst. Koelen in het werk was daardoor verder niet nodig. Uitgangspunt was dat na het storten de temperatuur in het beton niet mocht oplopen tot boven de 70 °C. De temperatuur - gradiënt tussen het oppervlak en de kern moest worden beperkt tot 17 °C. Bij de verwerking vormde de regen ? dat kan in Panama in grote hoeveelheden naar beneden komen ? een potentieel probleem. Het beton is in lagen gestort waarbij er altijd één laagste punt was. Vanuit daar kon het eventuele regenwater worden wegge - pompt. Regende het te lang te hard, werd het storten gestaakt. Het gevolg was wel dat er een stortnaad ontstond. Aan problemen met hechting is extra aandacht besteed. 4 6 5 water uit bassin 1 water uit bassin 2 water uit bassin 3 water uit vorigesluis of het meer sluis loopt vol sluis loopt leeg kleppen voor het vullen en legen van de bassins 61 Toeslagmateriaal Een ander probleem met het beton was het toeslagmateriaal. Het mengsel bestond voor een deel uit basaltsteen. Het beschik - bare materiaal bleek echter te veel fijne delen te bevatten. Dat was een flinke tegenvaller. Circa 30% van het toeslagmateriaal moest worden verwijderd en er moest meer cement en silica fume worden toegepast dan was voorzien. Sluisdeuren Tussen de drie schutkolken zijn steeds dubbele deuren geplaatst (fig. 8, foto 9). Dit vanwege de hoge eisen aan de betrouwbaarheid en beschikbaarheid. Elk sluizencomplex bevat dus in totaal acht deuren. Er is gebruikgemaakt van roldeuren in tegenstelling tot de bestaande sluizen waar dubbele puntdeuren zijn toegepast. Roldeuren zijn hier een Scheurvorming Ondanks alle maatregelen kwamen er in augustus 2015 proble - men met scheurvorming aan het licht. Dit gebeurde toen een van de kolken werd gevuld, terwijl de naastgelegen kolk droog bleef, een situatie die zich overigens niet voordoet in de uitein - delijke situatie. Deze eenzijdige belasting veroorzaakte scheu - ren in het beton van de drempel onder de sluisdeuren en daarmee flinke lekkage (foto 7). Deze scheuren hadden volgens de aannemer niet te maken met de kwaliteit van het beton maar waren eerder het gevolg van een ontwerpfout: er was te weinig wapening voorzien. De problemen werden opgelost door achteraf extra wapening en voorspanning in het beton in te boren. Onder in de drempel werden ook meer drainagegaten aangebracht om de hydrostatische druk te beperken. De problemen werden hier uiteindelijk mee opgelost. Wel heeft dit geleid tot een vertraging van circa vier maanden. 7 8 9 4 Afmetingen nieuwe sluizen t.o.v. oude sluizenbron: De Ingenieur5 Onder in de betonwanden van de sluizen bevinden zich aan beide zijden in lengterichting twee omloopriolenfoto: Grupo UPC6 Waterbeheersing Panamakanaalbron: De Ingenieur7 Scheurvorming in het beton van de drempel onder de sluisdeuren door eenzijdige belasting bij vullen van één van de kolken, augustus 2015foto: Newsroom Panama8 Dubbele sluisdeuren9 De nieuwe sluisdeurenfoto: Panama Canal Authority recessen sluiskamer sluisdeuren vloer sluiskamer lagere sluiswand Panamakanaal verbreed 1 2018 62 ze maar beperkt water doorlaten en moeten ze bijna de gehele tijd beschikbaar zijn: door de intensieve scheepvaart over het Panamakanaal wordt er een beschikbaarheid van 99,6% verwacht. Dit terwijl de gebruiksintensiteit, met 9000 cycli per jaar, erg hoog is. En niet onbelangrijk: er moest rekening worden gehouden met aardbevingen. Vooral bij de sluis aan de kant van de Stille Oceaan was de invloed van de aardbevings - belasting groot (fig. 10). Deze uitgangspunten vereisten een innovatief ontwerp. Verschillende sluizen in bijvoorbeeld België of Nederland hebben weliswaar vergelijkbare afmetingen, maar konden niet zo maar worden gekopieerd. Daarvoor waren de omstandigheden te verschillend. Om tot het goede ontwerp te komen, is veel kennis ingezet vanuit onder meer aardbevingslanden als Japan en Griekenland. Er zijn complexe analyses uitgevoerd, onder andere op basis van time history analysis. Bij een droogdok in Heusden is een aardbeving gesimuleerd om te onderzoeken hoe het water zich in een dergelijke situatie gedraagt. Load Limiting Device Om de belasting als gevolg van aardbevingen of aanvaringen op de rolwagens ? hiermee rollen de sluisdeuren over de bodem logische optie. Voor dergelijke afmetingen is dit een zeer gebruikelijk systeem. Bovendien nemen roldeuren relatief weinig ruimte in beslag, bijvoorbeeld ten opzichte van sector - deuren. En ruimte moest hier zo optimaal mogelijk worden benut. De deuren zijn 31 m hoog, circa 57 m breed en 10 m dik. Ze bestaan per stuk uit gemiddeld 3500 ton staal. Het ontwerp van de sluisdeuren moest voldoen aan extreem hoge eisen. De sluisdeuren moeten bestand zijn tegen enorme waterdruk, die door hoge windsnelheden nog eens extra kan oplopen, en eventuele botsingen van schepen. Daarnaast moeten ze binnen vijf minuten open of dicht kunnen, mogen Kengetallen De hoeveelheden materiaal die zijn toegepast, zijn indrukwek - kend. Voor het sluizencomplex aan de Atlantische zijde is 2.270.000 m 3 beton gebruikt. Aan de kant van de Stille Oceaan is dat zelfs 2.550.000 m 3. Voor het beton zijn aan beide zijden betoncentrales gebouwd. Beide centrales waren ontworpen om 16 m 3 per vijf minuten te produceren. In totaal werd circa 200.000 m 3 beton per maand geproduceerd. Ook de hoeveelheden wapeningsstaal zijn indrukwekkend: voor beide sluiscomplexen 90.000 respectievelijk 102.000 ton! Voor de productie van de zestien sluisdeuren, met een totaalge - wicht van 48.000 ton staal, werden bij benadering 650 km lassen gelegd met een volume van 60 m 3 en een gewicht van 500 ton. Het project zorgde voor veel werkgelegenheid. Er waren meer dan 10.000 mensen actief met veertig verschillende nationalitei - ten. Ook aan de engineeringskant is veel werk verzet. Op het drukste moment werkten er 300 ingenieurs aan het ontwerp. 11 10 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 horizontal - level I horizontal - level II RA [g] T [sec] 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 \ 2,25 2,50 2,75 thema Panamakanaal verbreed 1 2018 63 10 Respons spectrum sluizen aan kant van de Stille Oceaan 11 Met een 'Weld Analysis Tool' konden lassen met hun bijbehorende oriëntatie auto - matisch worden gedetecteerd in een EEM-model 12 Het eerste schip (COSCO Shipping containerschip) passeert het Panamakanaal tijdens de officiële opening van het kanaal ? te beperken, is een belastingbegrenzer ontwik - keld (LLD: Load Limiting Device). Wanneer de belasting op de wagens te hoog wordt, kan de LLD inveren en worden de verti - cale belastingen via de 'poten' van de deur doorgevoerd. De LLD bestaat uit een set voorgespannen schotelveren, waardoor compressie niet zal optreden tijdens normaal gebruik. Omdat de LLD zelfherstellend is, zal de deur na een aardbeving zijn originele positie weer innemen en kan de sluis direct in gebruik worden gesteld. Detaillering In tegenstelling tot de meeste sluisdeuren is bij het Panamaka - naal de hoge vermoeiingsbelasting voor veel aansluitingen de maatgevende belasting. Om in de toekomst scheurvorming te voorkomen, moesten de knopen zorgvuldig worden gedetail - leerd en berekend, zodat spanningsconcentraties zo veel moge - lijk worden vermeden. Alle unieke knopen zijn in detail gemo - delleerd in een eindige-elementenpakket (Femap en Ansys) en geïntegreerd met het al bestaande globale model, om zo de correcte stijfheidsinteractie te verkrijgen. Om de beschikbare rekencapaciteit zo efficiënt mogelijk te benutten, zijn er meer - dere modellen gemaakt waarbij steeds een beperkt aantal knopen is gedetailleerd. In één sluisdeurtype bevinden zich bij benadering 400 van zulke verbindingsknopen, waarvan er vijftig uniek zijn. Met een gemiddelde van honderd lassen per knoop en een totaal van zes verschillende deurtypen, resul - teerde dit in 30.000 lassen die moesten worden berekend. Dit alles moest worden opgeleverd binnen negen maanden. Om de gestelde deadline te halen met alle daarbij behorende kwali - teitsaspecten, is er een zogenoemde 'Weld Analysis Tool' ontwikkeld die automatisch lassen met hun bijbehorende oriëntatie kan detecteren in een EEM-model (fig. 11). Na het bepalen van het lasttype en de lasgrootte door een construc - teur, bepaalde de 'tool' vervolgens op welke kerfdetails deze las moest worden gecontroleerd en werd de verwachte cumula - tieve schade berekend volgens Eurocode 3 aan het einde van de gebruiksduur van de deur. Waterhuishouding Het Panamakanaal loopt zoals gezegd voor een groot deel door een zoetwatermerengebied, het Gatúnmeer. Dit gebied is van groot belang voor Panama: het voorziet de bewoners van drink - water en energie. Om deze reden is bij het ontwerp van het nieuwe kanaal veel aandacht besteed aan het waterbeheer. Bij elke doorgang van een schip loopt er immers water weg uit het hoger - gelegen meer. Om zo weinig mogelijk zoetwater verloren te laten gaan, wordt bij het schutten gebruikgemaakt van waterbassins, welke op drie verschillende niveaus boven de laagste waterstan - den in de kolk gelegen zijn. Door een deel van het water tijdens het schutten tijdelijk in deze bassins op te slaan, kan het worden hergebruikt; zo'n 60% van het zoetwater wordt hergebruikt. Hoewel de schepen 2,5× zo veel vracht kunnen meenemen dan voorheen, wordt er dankzij de bassins 7% minder water gebuikt. Ten behoeve van dit systeem bevindt zich naast en onder de sluis een uitgebreid riolenstelsel met wel 144 nivelleerschuiven (fig. 5). Opening Het project kende een lange en niet altijd vlekkeloze geschiede - nis. Maar na bijna zeven jaar intensieve samenwerking was het op zondag 26 juni 2016 zover, het nieuwe Panamakanaal werd officieel geopend (foto 12). ? Bronnen Het artikel van Jeremy Augustijn is door de redactie van Cement aangevuld op basis van diverse bronnen: - www.concreteconstruction.net - gcaptain.com - www.gupc.com.pa - www.pancanal.com - www.sacyr.com - www.theconcreteproducer.com 12 Panamakanaal verbreed 1 2018