Een uniek ontwerp voor Zeesluis IJmuiden
Het contract van Rijkswaterstaat vereist een sluiscomplex met roldeuren. De ligging van de sluis tussen de bestaande operationele sluizen dicteert het ontwerp en de uitvoering. Vanwege de beperkte ruimte bij de naastgelegen Noordersluis, heeft de nieuwe sluis geen omloopriolen maar is het nivelleersysteem geïntegreerd in de roldeuren. Een traditioneel bewegingswerk is niet inpasbaar. De vereiste prestaties van de sluisdeuren en het bewegingswerk waren bepalend voor het ontwerp, wat heeft geleid tot een uniek ontwerp.
Na bijna 100 jaar is de Noordersluis in IJmuiden vervangen door een nieuwe, grotere sluis om de bereikbaarheid van de haven van Amsterdam te garanderen en te vergroten. De Zeesluis IJmuiden, met een sluiskolk van 500 m lang, 70 m breed en 18 m diep, is de grootste ter wereld. De sluis maakt de haven toegankelijk voor de nieuwste generatie zeeschepen en heeft een kerende hoogte van 8,85 m +NAP. De nieuwe sluis was nodig vanwege het einde van de levensduur van de Noordersluis en de behoefte aan een bredere en langere sluis voor toekomstige schepen. Als onderdeel van het Sluizenprogramma van Rijkswaterstaat werd de nieuwe IJmond-zeetoegang als DBFM-contract op de markt gebracht en gegund aan consortium OPENIJ, bestaande uit BAM-PGGM, VolkerWessels en DIF. Zij zijn verantwoordelijk voor het ontwerpen, bouwen, financieren en 26 jaar onderhouden van de nieuwe zeesluis. Iv heeft in opdracht van OpenIJ het ontwerp gemaakt van de sluisdeuren en bewegingswerken.
De goede werking van een schutsluis hangt in belangrijke mate af van de sluisdeuren en de bewegingswerken. Elke sluis vraagt om een specifiek ontwerp vanwege verschillende prestatie-eisen, ruimtelijke randvoorwaarden en omgevingscondities. De roldeuren van de nieuwe zeesluis in IJmuiden, met een lengte van 72 m, breedte van 11 m en hoogte van 25 m, zijn ontworpen met de vereiste betrouwbaarheid, robuustheid en beperkte ruimte in gedachten. De nieuwe sluis bevindt zich tussen de bestaande Middensluis en Noordersluis, die grotendeels openblijven tijdens de bouw. De beperkte beschikbare breedte waarbinnen de nieuwe sluishoofden en de roldeuren moeten worden ingepast, zorgt voor een ontwerpopgave waarbij alles uit de kast moeten worden gehaald. Roldeuren met een conventionele kabelaandrijving, zoals zoals toegepast bij vrijwel alle grote roldeuren, vallen hierdoor af. Er moeten innovatieve oplossingen worden bedacht, die tegelijkertijd voldoende betrouwbaar zijn met een minimale onderhoudsinspanning.
Het waterpeil op het Noordzeekanaal bedraagt 0,40 m –NAP. Om de vereiste betrouwbaarheid van de hoogwaterkeringsfunctie te garanderen, zijn zowel het buiten- als binnenhoofd ontworpen op de maatgevende waterkerende hoogte. Omdat tijdens het schutproces altijd een van beide hoofden gesloten is, volstaat een ontwerp met twee operationele deuren. Bovenop beide deuren is een verkeersweg voorzien. Voor het wegverkeer is de hoogte van de deur vastgesteld op 6,25 m +NAP, met een extra keerwand op dekniveau als hoogwaterkering. De keerwand aan de laagwaterzijde zorgt voor een goede aansluiting met de kerende wand op het sluishoofd, maar kan bij hoogwatercondities zwaarder belast worden door overlopende golven. Vanwege het ontwerpbesluit om de volledige
sluis op de maatgevende waterkerende hoogte
uit te leggen, zijn drie identieke en onderling
uitwisselbare sluisdeuren gebouwd: twee operationele deuren en één reservedeur die zich
in een onderhoudsdok naast het binnenhoofd
bevindt.
Naast betrouwbaarheid moet de sluis ook een veilige en snelle doorvaart van schepen mogelijk maken. De vereiste beschikbaarheid van de schutfunctie houdt in dat er maximaal 70 uur per jaar beschikbaar is voor gepland onderhoud en maximaal 18 uur per jaar voor het oplossen van onverwachte storingen. Een sluis met dubbele deuren per sluishoofd zou een voor de hand liggende keuze zijn, maar dit zou de sluis nog langer maken en de inpassing complexer. Aan de hand van faalkansanalyses is aangetoond dat de vereiste beschikbaarheid ook te halen is met twee operationele deuren en één reservedeur, waarbij een geplande deurwissel niet meer dan 24 uur in beslag neemt. Om aan de beschikbaarheidseisen te voldoen, worden de deuren eenmaal in de 15 jaar uitgewisseld. Dit vormde een belangrijke randvoorwaarde voor het ontwerp van de roldeuren, die zijn ontworpen volgens het ‘kruiwagenprincipe’. Net als bij een kruiwagen rust de roldeur aan de voorzijde op een onderrolwagen en aan de achterzijde op een bovenrolwagen. Dit beperkt de lengte van de railbaanconstructies en het aantal bewegende onderdelen onder water. De bovenrolwagen en railbaanconstructie in de deurkassen zijn goed inspecteerbaar en bereikbaar voor onderhoud. De bovenrolwagen dient ook als wegplateau voor het wegverkeer over de sluisdeur. Voor de horizontale geleiding van de deur worden glijblokken en UHWMPE-geleidingsstroken gebruikt in plaats van geleidewielen. Dit om het aantal onderhoudsgevoelige bewegende delen te minimaliseren. De glijblokken zijn vervaardigd uit superduplex roestvast staal om de zware omgevingscondities te weerstaan. Bij kritieke schade aan de rails of horizontale geleidingen onder water, kan de railbaanconstructie in zijn geheel worden uitgetild en vervangen.
De sluisdeuren zijn dubbelzijdig kerend vanwege de dagelijkse schommelingen van het waterpeil. De staalconstructie, gemaakt van S355N en S355J2+N, bestaat uit twee waterkerende huidplaten met vier horizontale plaatvloeren ertussen. De plaatvloeren gedragen zich met meewerkende huidplaat samen als horizontale liggers op twee steunpunten en dragen de waterbelasting af naar de wanden van het sluishoofd. Verticale verbandframes waarborgen de integriteit van de constructie.
De horizontale plaatvloeren dienen verschillende functionaliteiten: de bovenplaat als wegdek en de lagere niveaus vormen de drijfkist, gecompartimenteerd in drijf- en ballasttanks. Onder de drijfkist bevinden zich zestien nivelleerkokers. De structuur boven en onder de drijfkist is open gehouden om het ‘piston’-effect te minimaliseren. De openende en sluitende beweging
van de deur in de deurkas, kan gezien worden
als een zuiger die beweegt in haar behuizing.
Dit levert weerstand op dat moet overwonnen door het bewegingswerk van de deur. De deur werkt bij dagelijks schutpeil als een tweezijdig opgelegde buigligger. Bij extremere waterstanden, golven of aanvaringen wordt de belasting op de wanden van het sluishoofd deels afgedragen via de kolommen in het onderste deel van de deur naar de betonnen drempelconstructie. De frames onderin zijn gekoppeld door een zware ligger die bij aanvaringen de impactbelasting spreidt over de meerdere frames.
De aanslaglijst rondom de deur bestaat uit aaneensluitende UHMWPE-blokken op de deur die de belasting afdragen aan granieten blokken aan de zijde van het sluishoofd, en zorgt tevens voor de waterafdichting. Het verschil in doorbuiging langs de drempelaanslag wordt ondervangen door de UHMWPE-blokken op een flexibele stalen plaat te plaatsen. Tussen de kolommen en deze verende plaat bevindt zich speling, die naar het midden van de deur steeds groter wordt. Waardoor de drukverdeling zo gelijk mogelijk blijft bij een doorgebogen deur over de lengte van de dorpel.
De waterkerende huid van de deur is verstijfd met ‘Holland’-profielen, bulbvormige verstijvers die vaak in de scheepsbouw worden gebruikt. Deze profielen beperken vuilophoping, water- of luchtinsluiting en zijn eenvoudiger te conserveren. De aansluitingen van deze profielen zijn voorzien van spanningsverlagende schotjes om de noodzakelijke full pen-lassen te verminderen. Verstijvers buiten de drijfkist zijn doorgevoerd door de kolommen om delingen te beperken. De staalconstructie weegt, exclusief installaties, ongeveer 2850 ton.
Om de belasting op de rolwagens en railconstructies te beperken, is de deur voorzien van een drijfkist over de gehele lengte en breedte. Dit reduceert het eigengewicht van de deur van ongeveer 3000 ton tot een dienstgewicht van 400 ton. De drijfkist is groter gemaakt dan strikt noodzakelijk, zodat de deur stabiel drijvend kan worden uitgewisseld met de reservedeur. Deze overcapaciteit aan drijfvermogen wordt gecompenseerd door de deur met omgevingswater te ballasten. In geval van een lek moet de deur nog steeds kunnen drijven; daarom is de drijfkist gecompartimenteerd in kleinere tanks die met perslucht kunnen worden leeggeperst. Bij extreem hoge waterstanden ontstaat te veel drijfvermogen door waterdichte installatieruimtes boven in de deur. Om te voorkomen dat de sluisdeur gaat opdrijven, wordt water ingelaten in overlooptanks om het dienstgewicht te verhogen. Compensatietanks regelen het dienstgewicht bij mariene aangroei en sedimentatie. Een belastingsensor (loadcel) in de onderrolwagen monitort continu om overbelasting te voorkomen. In geval van verhoogd dienstgewicht kan ballastwater uit de compensatietanks worden afgevoerd. Op de vier hoekpunten van de deur bevinden zich waterdoorsnijdende zaktanks voor gecontroleerd opdrijven en extra stabiliteit tijdens transport. Alle tanks zijn bereikbaar via een gangenstelsel met waterdichte deuren en schachten, waar ook water- en persluchtleidingen en meetinstrumenten zich bevinden.
De sluisdeur moet zijn waterkerende functie behouden in geval van een aanvaring met een totale aanvaarenergie van 34 MJ. Tegelijkertijd moet de deur normaal kunnen blijven bewegen en nivelleren na een aanvaring met maximaal 12 MJ energie, zonder dat dit de beschikbaarheid ervan beperkt. Bij dergelijke aanvaringen buigen de boegen van de betrokken schepen doorgaans tussen 0,6 en 1,0 meter. Deze conclusies komen voort uit botsingsimulaties met dynamische FEM-analyses in ANSYS LS-DYNA.
In overleg met Rijkswaterstaat zijn alle kritische aanvaringsscenario’s vastgesteld, gebaseerd op een analyse van verschillende scheepstypen en variabelen zoals waterverplaatsing, breedte, diepgang, boegvorm, maximale snelheid, en waterstanden voor en achter de sluisdeur. Omdat de scheepsboeg als onbuigbaar wordt beschouwd, moet de sluisdeur alle bewegingsenergie absorberen.
Voor elk scenario is een boegvorm met een vastgestelde massa en initiële snelheid op het deurmodel losgelaten. De analyse eindigt wanneer de boeg tot stilstand is gekomen en alle energie is overgedragen. Naast het evalueren van plastische vervorming en rekken, is ook de krachtsverdeling tijdens de aanvaring geanalyseerd. Hieruit blijkt dat kritische vervormingen van de sluisdeur binnen aanvaardbare grenzen blijven, waardoor functionele eisen worden gehaald en de deuren robuust genoeg zijn (zie figuur 10).
Het onderzoek toont aan dat de belasting op de granieten aanslagen door het keren van hoog water hoger is dan door de beschouwde aanvaringen. Alle hydraulische en elektrische installaties zijn buiten de kwetsbare zone van de deur geplaatst. Om dezelfde reden zijn de 16 nivelleerschuiven met hun hydraulische cilinders in het midden van de deurbreedte geplaatst, waardoor de schuifgeleidingen geen blijvende vervormingen ondervinden bij een aanvaring.
De luchtkisten zijn gecompartimenteerd ontworpen, waardoor bij een mogelijke lekkage maximaal 10% van het drijfvermogen verloren kan gaan. In zo’n situatie kan de sluisdeur nog steeds functioneren zonder het schutproces te verstoren.
Om overbelasting van de UHWMPE-glijvlakken en railbaanconstructie door hoge golven te voorkomen, is het geleideblok aan de voorzijde van de sluisdeur bevestigd aan een flexibele ophangconstructie met rubberen fenders. Dit systeem zorgt ervoor dat horizontale krachten door hoge golven worden afgedragen aan de drempelconstructie, waardoor het hydraulisch bewegingswerk de snelheid van de deur automatisch verlaagt bij verhoogde wrijvingsweerstand.
Het nivelleersysteem, geïntegreerd in de sluisdeur, bestaat uit zestien nivelleerkokers van 2,2 m breed en 3 m hoog, ongeveer 10 m onder water. Hydraulisch aangedreven stalen schuiven in het midden van de deur sluiten deze kokers. De keuze voor nivellering via de deur in plaats van omloopriolen in betonnen sluishoofden komt door de beperkte bouwruimte en de kwetsbaarheid van bestaande funderingen. Zelfs met slechts veertien werkende schuiven kan het systeem de vereiste prestaties leveren, waardoor er tijd is voor onderhoud of vervanging van schuiven. Voorzieningen als bordessen, hijsvoorzieningen en verlichting in de deur faciliteren dit onderhoud.
De ontwerpvereisten van het nivelleersysteem zijn getest met een schaalmodel (1:40) van de sluiskolk, inclusief sluisdeuren, nivelleerkokers, schuiven en stroombreekbalken. Het schaalmodel, inclusief sluiskolk en voorhavens, was 56 m lang en 20 m breed. Dynamische analyses hebben gezorgd dat de eigenfrequenties van de schuiven en het aandrijfsysteem buiten het bereik van excitatiefrequenties van de waterstroom blijven. Een druppelvormige onderbalk en puntvormige rubberen afdichting van de schuiven verminderen het risico op trillingen.
Om ongewenste trillingen van het nivelleersysteem te voorkomen, zijn dynamische analyses uitgevoerd waarbij is bewerkstelligd dat de horizontale en verticale eigenfrequenties van de nivelleerschuiven inclusief het aandrijfsysteem ver genoeg buiten het bereik van de excitatiefrequenties van de waterstroom onder de schuiven blijven. Een specifiek ontwerp van de schuiven, met een druppelvormige onderbalk en een puntvormige rubberen afdichting, vermindert daarbij het risico op trillingen door vortex-excitatie van de waterstroom.
Ter plaatse van beide rolwagens wordt de sluisdeur centraal ondersteund door een gewapend rubberen oplegblok. Hierdoor kan de deur als gevolg van de hydrostatische waterdruk horizontaal opzij bewegen en tegen de granieten aanslagen op de sluishoofden worden gedrukt. Op deze manier worden ongewenste horizontale belastingen op de rolwagens voorkomen, en worden de loopwielen en rails behoed van overmatige slijtage. Dit oplegsysteem van roldeuren wordt in Nederland vaak toegepast.
De onderrolwagen is hoofdzakelijk verticaal belast en heeft een totale lengte van 4,5 m en een wielbasis van 1,8 m, vergelijkbaar met de nieuwe Panama-sluizen. Om onderhoudsgevoelige componenten te beperken, bevat de onderrolwagen geen wielbogies. De belasting wordt gelijkmatig verdeeld over acht wielen van 800 mm diameter door de torsieslapheid van de staalconstructie. Strenge bouwtoleranties van de betonnen drempel en railbaanconstructie zijn noodzakelijk. Veredelde staalsoorten en een hardingsbehandeling beperken slijtage.
De bovenrolwagen draagt de verticale belasting van de sluisdeur naar de betonconstructie van de deurkas. De deur steunt via een uitkragende constructie op de bovenrolwagen. Een centrisch geplaatst rubberen oplegblok verdeelt de belasting over zes wielen op twee rails. Horizontale geleidewielen zorgen ervoor dat de wielen goed op de rails lopen. De bovenrolwagen kan horizontale uitbuigingen van de deurkaswanden volgen, die tot 140 mm kunnen oplopen afhankelijk van de waterstand in het naastgelegen droogdok.
Voor de aandrijving van de sluisdeuren zijn meerdere systemen onderzocht en afgewogen op inpasbaarheid, onderhoudbaarheid, levensduurkosten en betrouwbaarheid. Vanwege de beperkte ruimte is gekozen voor een dubbele pennenbaan met hydraulisch aangedreven bonkelaars, vergelijkbaar met de Maeslantkering. De pennenbanen, met pennen van 110 mm diameter, zijn op de betonnen deurkaswanden gemonteerd om schade bij aanvaringen te voorkomen. De bonkelaars, met een steekcirkel van 735 mm, bevinden zich in de bovenrolwagen. De aandrijving bestaat uit zes bonkelaars, verdeeld over twee aandrijftreinen. Veerbuffers drukken beide aandrijftreinen tegen de pennenbanen om vervormingen van de deurkaswanden op te vangen. Hydromotoren in de bovenrolwagen drijven de bonkelaars aan, met een totale trekkracht van 1500 kN. Het systeem kan zich aanpassen aan hoekverdraaiingen van de deur bij hoog water of aanvaringen. Het bewegingswerk is redundant uitgevoerd om de vereiste deursnelheid te bereiken onder alle omgevingscondities. Vier van de zes bonkelaars zijn nodig, waardoor storingen in één aandrijflijn automatisch geïsoleerd worden zonder de beweging van de sluisdeur te stoppen.
De fabricage van de bewegingswerken wordt uitgevoerd door Hollandia en de hydraulische installaties door Bosch Rexroth, terwijl het staalwerk van de sluisdeuren in Zuid-Korea plaatsvindt. De sluisdeuren voldoen aan de hoogste uitvoeringsklasse EXC4 volgens Eurocode NEN-EN-1090. Dit vereist hoge kwaliteit van lassen, maatvoering en traceerbaarheid. Het certificeringstraject van de Koreaanse staalbouwer duurde ruim een jaar. Rijkswaterstaat stelde aanvullende kwaliteitseisen en de staalbouwer werd vanaf het begin betrokken bij het ontwerpproces. Na een intensieve overdracht van het definitief ontwerp, beoordeling van werkplaatstekeningen en fabricageplannen, testen van lassen en keuren van lasprocedures, duurde de fabricage van de drie roldeuren ongeveer twee jaar. De deuren werden geassembleerd uit kleinere secties en volledig geconserveerd. Vervolgens werden ze voorzien van installatiedelen, leidingwerk, bordessen en leuningwerk, en uiteindelijk samengesteld tot de definitieve sluisdeur.
Bij het ontwerp van de nieuwe zeesluis is besloten om drie identieke, onderling uitwisselbare sluisdeuren te maken die binnen 48 uur uitgewisseld kunnen worden. De maatvoering van granieten aanslagen en aanslagconstructies moest zeer nauwkeurig zijn, een grote uitdaging voor zowel de bouwplaats als de staalbouwer. Gedurende het hele fabricageproces was er fulltime een team van OpenIJ aanwezig in Zuid-Korea. Het repetitieve werk vergde veel aandacht voor technische afstemming en lessons learned, zoals praktische oplossingen voor lassen en het voorkomen van vervormingen. Nadat de sluisdeuren waren afgewerkt, werden ze met SPMT’s op het half-afzinkbare transportschip de Talisman naar Nederland getransporteerd. Het ontwerp hield rekening met zware belastingen en krachten door golfbewegingen op zee. Extra versterkingen werden toegevoegd aan het definitief ontwerp.
In Nederland aangekomen, werden de deuren in de Tweede Maasvlakte gelost en drijvend naar naburige havens gesleept. Daar werden de deuren gekanteld met kranen en een drijvende bok. Ballasttanks werden gevuld om de deuren stabiel verticaal te laten drijven. Vervolgens werden ze naar de Alaskahaven in Amsterdam gesleept. In IJmuiden werden railbaanconstructies en rolwagens gemonteerd en hydraulische aandrijvingen geïnstalleerd. Na een testperiode werden de deuren ingevaren in de deurkassen. Nauwkeurige manoeuvres waren nodig om schade te voorkomen, met slechts 5 cm ruimte tussen de granieten sponningen en de aanslagen van de deur. Lieren op de vier hoekpunten hielpen de deur gecontroleerd in positie te brengen. Na positionering werd de deur afgezonken en op de rolwagens geplaatst. Waterinlaten in ballasttanks werden continu gemonitord om het juiste dienstgewicht te bereiken. Na het koppelen van aandrijftreinen en het aansluiten van bekabeling was de deur gereed voor gebruik, een belangrijke test voor de uitwisseloperatie die elke 15 jaar moet plaatsvinden.
Wouter, directeur Infra en tevens COO van Iv, gaat hier graag over met je in gesprek! Neem contact op via 088 943 3200 of stuur een bericht.
