Bijlagen Maarten Kuijper Gecomprimeerd

Bijlagen bij:

De drijvende funderingEen stabiele basis voor waterwonen in de 21 ste eeuw

Maarten Kuijper

Bijlagen bij:

De drijvende funderingEen stabiele basis voor waterwonen in de 21 s t e eeuwEindscriptie Maarten Kuijper oktober 2006

Commissie: Prof.dr.ir. J.C. Walraven, voorzitter Ir. J.A. den Uijl (Faculteit CiTG, Afdeling Bouw, Sectie GCC) Ir. T. Rijcken (Faculteit Bouwkunde, Afdeling Bouwtechnologie)

Ir. D. Tirimanna (FDN engineering)

ii

Bijlagen bij: De drijvende fundering

ColofonAuteur: Maarten Kuijper Datum verschijnen: 24-10-2006 Contact: [email protected]

Msc thesis: Maarten Kuijper |oktober 2006|

iii

VoorwoordIn dit rapport zijn de bijlagen opgenomen behorend bij: De drijvende fundering, een stabiele basis voor waterwonen in de 21ste eeuw.

Als ze je geloven dan ben je niet met iets nieuws bezig dr.ir. Noor van Andel

iv


Colofon ....................................................................................... ii Voorwoord ................................................................................. iii 1 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 Waterproblematiek en bodemdaling................................... 7 Waterproblematiek ........................................ 7 Bodemdaling ............................................... 8 kenmerkende recente projecten ......................................... 9 Leidsche Rijn, Utrecht ................................... 9 IJburg, Amsterdam ....................................... 9 Gewild wonen, Almere .................................. 10 Gouden ham, Maasbommel ............................. 10

2

Literatuurstudie drijfsystemen ......................................... 11 3.1 Drijfsystemen in beton .................................. 11 3.1.1 Open caisson: bak systeem ...................... 11 3.1.2 Gesloten caisson ..................................... 11 3.1.3 Omgekeerde bak .................................... 12 3.1.4 Omgekeerde bak met EPS ........................ 12 3.1.5 EPS met betonnen balkrooster systeem ......... 13 3.1.6 EPS met beton frame ................................ 14 3.1.7 omgekeerde bak met EPS + Caisson ........... 14 3.1.8 Archimedes drijfblokken ............................ 14 3.2 Drijfsystemen in staal ................................... 15 3.2.1 Pneumatically Stabilised Platform (PSP) ........ 15 3.2.2 Drijvende buizen ..................................... 16 3.2.3 Container pontons ................................... 16 3.3 Drijfsystemen in aluminium ............................ 17 3.3.1 Drijvende weg modules ............................. 17 3.4 Drijfsystemen in vezelversterkte kunststof ........ 17 3.4.1 Seacell ................................................. 17 3.4.2 Connect-A-Dock/ Versa dock ...................... 17 materiaalanalyse .............................................................. 18 4.1 Materialen ................................................. 18 4.1.1 Beton ................................................... 18 4.1.2 Staal .................................................... 18 4.1.3 Aluminium ............................................. 18 4.1.4 VVK ..................................................... 18 4.2 Afweging ................................................... 19 4.3 EPS .......................................................... 19

4


v

5 6

Combinaties morfologische tabel ...................................... 20 Voorstudie liggersysteem ................................................. 22 6.1 Niet voorgespannen liggers ............................ 22 6.1.1 Raatligger .............................................. 22 6.1.2 Vakwerkligger ......................................... 24 6.1.3 Vollewandligger....................................... 28 6.1.4 Vollewandligger met sparingen ................... 28 6.1.5 Rechthoekige balk ................................... 29 6.2 Voorgespannen liggers .................................. 30 6.2.1 Voorgespannen Raatligger ......................... 30 6.2.2 Voorgespannen vakwerk ............................ 33 6.2.3 Voorgespannen Vollewandligger .................. 35 6.2.4 Vollewandligger met sparingen ................... 37 6.2.5 Voorgespannen rechthoekige balk ................ 39 7.1 7.2 7.3 8.1 8.2 8.3 8.4 gewichtsberekening houtskeletbouw woning ................... 40 Vloer & Dak ................................................ 40 Spouwmuur ................................................ 41 Buitenwand ................................................ 41 Voorstudie dek.................................................................. 42 Dek 200 mm ............................................... 42 Dekdikte 150 mm ........................................ 43 Dwarsligger in n richting ............................ 43 Sandwich constructie .................................... 46

10 Constructief ontwerp elementen ...................................... 64 10.1 Belastingsafdracht aslastenstelsel ................. 64 10.2 Bepaling maatgevend moment en dwarskracht .. 65 10.2.1 Ligger1 ............................................... 65 10.2.2 Ligger 2 .............................................. 70 10.2.3 Ligger 3 .............................................. 70 10.2.4 Ligger 4 .............................................. 72 10.2.5 Conclusie ............................................ 72 11 Equivalente ligger............................................................. 73 screenshots Excelsheet stabiliteit .................................... 74 Handberekening Pons....................................................... 77

1213

7

8

9

Constructief ontwerp dek.................................................. 48 9.1 Dimensionering dek t.p.v. weg ........................ 48 9.1.1 Simulatie 1 ............................................ 48 9.1.2 Simulatie 2 ............................................ 54 9.1.3 Controleberekeningen ............................... 56 9.2 Dimensionering dek t.p.v de woningen .............. 58 9.2.1 Belastingsgevallen ................................... 58 9.2.2 Simulatie 1: ........................................... 58 9.2.3 Simulatie 2: ........................................... 60 9.2.4 Controleberekeningen ............................... 62

vi



7

1 Waterproblematiek en bodemdaling1 .1 Wat erp rob lema ti ekDoor de verandering van het klimaat zal het warmer worden in Nederland; de druk van het water op Nederland zal toenemen. Dit komt omdat door hogere temperaturen de verdamping van water toeneemt, toenemende verdamping heeft meer en hevigere neerslag tot gevolg. Er zal dus meer water vallen op Nederlands grondgebied. Regenval buiten Nederland zal samen met smeltende gletsjers en sneeuw zorgen voor hogere rivierafvoeren. De zeespiegelstijging wordt veroorzaakt door het smelten van landijs en het uitzetten van het oceaanwater door de hogere temperaturen. De mate waarin het warmer wordt is echter onzeker. Hierboven is al duidelijk gemaakt dat de temperatuurontwikkeling bepaalt hoe het wateraanbod zich zal gaan ontwikkelen, daarom is onderzoek naar de gevolgen van de temperatuurstijging gedaan aan de hand van een drietal scenarios. Het minimumscenario: temperatuur stijgt tot 2100 met 1 graad Celsius Het middenscenario: temperatuur stijgt tot 2100 met 2 graden Celsius. Het maximumscenario: temperatuur stijgt tot 2100 met 4 graden Celsius [Commissie waterbeheer 21ste eeuw, 2000]. In onderstaande tabel zijn achtereenvolgens de gevolgen van de verschillende scenarios in 2050 en 2100 weergegeven.

Tabel 1. 1: toekomstvoorspelling klimaatverandering 2050

Tabel 1. 2: toekomstvoorspelling klimaatverandering 2100

Het minimumscenario treedt waarschijnlijk al op door de reeds waargenomen trend van temperatuurstijging, dus zonder dat het broeikaseffect wordt meegenomen. In het m i d d e n s c e n a r i o i s h e t b r o e i k a s e f f e c t w e l v e r d i s c o n t e e r d . In het maximumscenario is het broeikaseffect versterkt in rekening gebracht.

8


1 .2 BodemdalingIn west en Noord Nederland daalt de bodem; hier zijn drie oorzaken voor aan te wijzen. Veengronden boven de grondwaterspiegel klinken in (oxideren). Deze bodemdaling is al vele eeuwen aan de gang maar neemt de laatste decennia onevenredig toe door verlaging van het grondwaterpeil. In de veengebieden kan de daling oplopen tot maximaal 1 meter per eeuw. Gronden in Noord Nederland dalen door delfstofwinning, aardgas. Plaatselijk kan deze daling oplopen tot enkele decimeters per eeuw. Noordwest-Nederland daalt enkele centimeters per eeuw, terwijl Zuidoost-Nederland stijgt. Deze geologische kanteling om de as Emmen-Bergen op zoom treedt op tengevolge van de weggevallen belasting op Zuidoost Nederland sinds het einde van de ijstijd.

Figuur 1. 1: bodemdaling in 2100


9

2 kenmerkende recente projectenIn Nederland zijn de afgelopen jaren een aantal drijvende woningbouwprojecten genitialiseerd. In deze bijlage een overzicht van recente projecten.

2 .1 L e id sc he R i jn , U tre ch tIn Leidsche Rijn, n van Nederlands grootste vinexlocaties nabij Utrecht, worden 19 drijvende woningen ontwikkeld. De woningen worden lijnvormig aan een oever geplaatst. Ten behoeve van de bereikbaarheid van de woningen is geen afzonderlijke infrastructuur nodig.

wordt een parkeergarage gebouwd voor autos. In de beginjaren van IJburg is sprake geweest van het aanleggen van een drijvende wijk voor ruim 500 woningen, nu daadwerkelijk gebouwd gaat worden is dit aantal geslonken tot ruim 200 woningen. Tevens zouden een aantal drijvende woningen bestemd worden voor minima. Hiervoor was de onroerende status van essentieel belang in verband met huursubsidie. Nu komen er alleen drijvende woningen bestemd voor het hogere koopsegment. De woningen worden geplaatst in water dat de eerste 5 jaar door middel van een sluis niet in verbinding komt te staan met het overige water. Gedurende deze eerste vijf jaar zal de waterkwaliteit gemonitord worden. Als blijkt dat de woningen geen nadelige invloed hebben op de waterkwaliteit dan mag het water in open verbinding met het overige water komen te staan.

Figuur 2. 1: impressie watervilla's Leidsche Rijn

Figuur 2. 2: waterbuurt IJburg

2 .2 IJburg , Am ste rdamIn IJburg wordt een drijvende wijk gebouwd in de vorm van het jachthavenmodel. Dit houdt in dat de drijvende woningen per steiger bereikbaar zijn. Op het vaste land

De bodem van de drijvende wijk is zo instabiel dat het niet mogelijk was om er een zandpakket op te plaatsen. Er kan dus met recht gesproken worden over het eerste drijvende project dat om andere dan louter stedenbouwkundige redenen wordt gerealiseerd.

10


2 .3 G ew il d w o n en , A lm e reAls onderdeel van de bouwexpo gewild wonen zijn in Almere een aantal waterwoningen gerealiseerd. De woningen liggen in een rij aan n lange oever. Het bijzondere van dit project was dat de bewoners een casco drijflichaam met starttoren kochten. Hierin konden de bewoners gedurende de verdere bouw van de woning wonen. Aan de opbouw van de woningen werden geen welstandseisen gesteld.

2 .4 Gou den ham , Maa sbomm elIn recreatiegebied de gouden ham in Maasbommel zijn in de plaatselijke jachthaven drijvende en amfibische recreatiewoningen gebouwd. De amfibische woningen zijn voorzien van een dubbele fundering. Bij laag water rusten ze op een paalfundering, bij hoogwater drijven ze. Dit project is een goed voorbeeld van de manier waarop we in de toekomst om kunnen gaan met buitendijks bouwen. Er dient echter wel opgemerkt te worden dat de amfibische oplossing erg kostbaar is: er word als het ware een dubbele fundering aangelegd.

Figuur 2. 3: afbouwarken Almere

Figuur 2. 4: drijvende en amfibische woningen Maasbommel


11

3

Literatuurstudie drijfsystemen

In deze bijlage wordt een inventarisatie gegeven van reeds ontwikkelde drijfsystemen. De inventarisatie poogt de stand der techniek zo compleet mogelijk weer te geven. Naast een beschrijving van het drijfsysteem worden de kenmerkende aspecten van het systeem behandeld. De systemen zijn ingedeeld naar constructiemateriaal.

componenten middel ingesmeerde, draadijzers. uitgeharde twee componenten middel vormt waterdichte verbinding. De kosten kunnen met name door de geringe kosten beton beperkt blijven. We kunnen grofweg uitgaan van bedrag van 200 Euro per vierkante meter.

Het een van een

3 .1 D ri jf sys tem en i n b eto n3.1.1 Open caisson: bak systeem In Nederland wordt dit systeem veelvuldig gebruikt voor de bouw van woonarken. De zware betonnenbak in combinatie met de relatief lichte houten opbouw zorgt voor een laag gelegen zwaartepunt. Dit zorgt voor veel stabiliteit. De zware constructie heeft een diepgang tussen de 0,75 en 2 meter. De wanden en de onderplaat worden zwaar belast door de druk van het water. De massieve zwaar belaste onderplaat kan (zonder voorspanning) circa 7 meter overspannen. Wanneer de onderplaat ondersteund wordt door een balkrooster zijn bredere uitvoeringen mogelijk. Ook betonnen tussenwanden kunnen dienen ter ontlasting van de vloer en wanden. De toegankelijkheid van de bak is een groot voordeel. Het is mogelijk om de bak te gebruiken voor kabels, leidingen en installaties. In veel gevallen vormt de bak tevens (gedeeltelijk) de laagst gelegen verdieping van de woonark. Een nadeel van de toegankelijkheid is dat het systeem zinkbaar is. Vooral het bluswater, dat in geval van brand achter blijft in de bak, kan tot gevolg hebben dat de caisson zinkt. Verbindingen tussen caissons kunnen in drijvende toestand ook onder de waterspiegel - worden vervaardigd. Beide bakken worden doorboord. Vervolgens worden de caissons verbonden door, met twee

Figuur 3. 1: open caissons

3.1.2 Gesloten caisson Een gesloten caisson is zowel aan de onderzijde als de bovenzijde gesloten en bestaat vaak uit een aantal compartimenten. Tussenwanden vormen de compartimenten en zorgen voor reductie van de momenten in de vloeren. Het vrij massieve systeem is erg stabiel. De massiviteit zorgt echter wel voor een hoog eigengewicht en dus voor een grote diepgang. Hierdoor is de hoeveelheid bovengewicht die gedragen kan worden beperkt. De kosten van dit systeem zullen hoger liggen dan de

Figuur 3. 2: gesloten caisson

12


kosten van grootte.

een

open

caisson,

doch

in

dezelfde

orde

moeten worden tussen het open-caisson-systeem en het gesloten-caisson-systeem.

3.1.3 Omgekeerde bak Wanneer de onderste vloer van het gesloten caisson weg wordt gelaten ontstaat een nieuw drijfsysteem: de omgekeerde bak. Het systeem ontleent haar drijfvermogen aan de gecomprimeerde lucht aan de onderzijde van het systeem. Een omgekeerde bak heeft bij gelijk gewicht van de bak minder drijfvermogen dan zijn rechtopstaande variant. Het omgekeerde systeem heeft tenslotte minder capaciteit tot het verplaatsen van water dan het rechtopstaande systeem. Met behulp van de algemene gaswet: pV/T = constant (wet van Boyle) kan de diepgang worden berekend. Dit gaat als volgt in zijn werk. Gebruik eerst de vereenvoudigde gaswet bij atmosferische druk: pV=C (Temperatuur blijft nagenoeg constant). P1 = 105 Pa = 10 kN/m2, pV = 10 V1 kNm. D e n e e r w a a r t s e k r a c h t i s b e k e n d ( q k N / m 2 ) . H i e r u i t v o l gt een hoeveelheid water die verplaatst wordt. q/10 m3/m2. Hieruit kan eenvoudig de druk op de scheidslijn lucht/water berekend worden: p2 = q/10 *10 kN/m3 = q kN/m2 . Nu de gaswet in de nieuwe situatie gelijkstellen aan de beginsituatie: p1V1 = P2V2 V2 = p1/p2 *V1 = 10 kN/m2 / q kN/m2 *V1. Er is gerekend per vierkante meter dus V2 is gelijk aan de hoogte van de luchtkolom. Hetzelfde geldt voor de hoeveelheid verplaatst water: q/10. De diepgang vindt met door de constructiehoogte h te verminderen met V2 en deze waarde op te tellen bij de hoogte van het verplaatste water: q/10. De diepgang wordt dus: d = h-V2 + q/10. De diepgang is dus h-V2 groter dan de rechtopstaande variant. Het hooggelegen zwaartepunt heeft tot gevolg dat het s y s t e e m m i n d e r s t a b i e l i s d a n d e e e r d e r b e s p r o k e n b ak systemen. Wat betreft de kosten zal dit systeem geplaatst

Figuur 3. 3: omgekeerd caisson

3.1.4 Omgekeerde bak met EPS De gecomprimeerde lucht onder de omgekeerde bak wordt bij dit systeem vervangen door EPS. Er kan bespaard worden op de hoeveelheid beton in vergelijking met de eerder besproken systemen, omdat sprake is van een meer elastisch ondersteunde ligger. Dit komt door aanwezigheid van het EPS. De momenten en dwarskrachten blijven kleiner; dit rechtvaardigt de uiteindelijke besparing op de hoeveelheid beton. Gevolg hiervan is een laag eigen gewicht waardoor het systeem relatief weinig diepgang heeft (circa 0,5 meter). Net zoals bij het omgekeerde baksysteem ligt het zwaartepunt hoog. Dit systeem is dus minder stabiel dan het traditionele caisson. Het grote voordeel van dit type drijflichaam is dat het theoretisch onzinkbaar is, omdat het water verdrongen wordt door EPS. G r o o t n a d e e l i s d e o n t o e g a n k e l i j k h e i d , h i e r d o o r k u n n en geen functies worden ondergebracht in het lichaam, zoals installaties, leidingen en gebruiksruimtes. Dit werkt kostenverhogend wanneer men bedenkt dat de kosten van de opbouw, bij een gelijkblijvend vloeroppervlak, hoger zullen uitvallen dan wanneer gekozen wordt voor het toepassen van een traditioneel caisson. Oorspronkelijk is dit systeem afkomstig uit Canada waar vele drijvende woningen gebouwd zijn op dit type


13

drijflichaam. In Nederland is dit systeem onder meer toegepast bij het drijvende bezoekerscentrum van IJburg. Er bestaat onduidelijk over de duurzaamheid van EPS in water. De aard van het materiaal maakt daarnaast aantasting door ratten e.d. mogelijk. Dit kan opgelost worden door aan de onderzijde een kunststof beschermlaag aan te brengen.

drijflichaam, gebaseerd op het omgekeerde-bak-met-EPSsysteem, te construeren. Eerst wordt op het wateroppervlak een laag EPS geplaatst. Boven op deze onderste laag, die het gehele platform omvat, wordt een tweede laag aangebracht. Deze tweede laag bestaat uit, in een regelmatig patroon aangebrachte, vierkante eilanden. Vervolgens wordt op de eerste laag en tussen de eilanden van de tweede laag vezel versterkt beton gestort. Op deze wijze ontstaat een rooster van betonnen balken. Uiteindelijk wordt het platform voorzien van een betonvloer. Op deze wijze is het mogelijk om ter plaatse grote stijve drijvende platformen te ontwikkelen. Uiteraard zijn veel stroming en golfslag funest voor het welslagen van deze constructiemethode.

Figuur 3.4: omgekeerd caisson met EPS

3.1.5 EPS met betonnen balkrooster systeem Dit systeem, ontwikkeld door Dura Vermeer, is een variant op de omgekeerde bak met EPS. Het drijfsysteem is ontwikkeld voor het demoproject drijvende kas. Met dit systeem is het mogelijk om in situ (op het water) een

Figuur 3. 5: drijvende kas Dura Vermeer

14


3.1.6 EPS met beton frame Een meer geavanceerd EPS-beton-systeem ontstaat wanneer men de functies van de beide materialen beter benut. EPS puur voor het drijfvermogen en het beton voor de sterkte. Dit is door Ties Rijcken gedaan. In zijn afstudeerrapport stelt hij een drijflichaam voor van EPS met daarin verstrengeld een betonnen space frame. Het malgevormde piepschuim wordt tevens gebruikt als bekisting voor het beton. Door de geometrie van het betonframe, in combinatie met zeer hoogwaardig beton, kan met relatief weinig materiaal een sterk en stijf drijflichaam gecreerd worden. Het zwaartepunt ligt lager dan de eerder behandelde beton-met-EPS-systemen.

3.1.7 omgekeerde bak met EPS + Caisson De ontoegankelijkheid van het EPS systeem kan gedeeltelijk worden opgeheven door het te combineren met een caisson. Op deze gedachte kwam projectgroep aqua struenda van de Hogeschool Zuyd in Heerlen. In hun afstudeeronderzoek is dit drijfsysteem verder ontwikkeld en kansrijk gebleken. In het caisson gedeelte kunnen de kabels en leidingen geplaatst worden. Verder is het mogelijk om in dit bovenste gedeelte de verbindingsmiddelen om elementen onderling te koppelen te plaatsen. Inspectie van de verbindingen blijft dan mogelijk. Een nadeel van dit systeem is dat het zwaartepunt, door het toevoegen van veel materiaal aan de bovenzijde, hoog ligt. Indien het drijflichaam voldoende breed is hoeft dit niet tot een instabiele constructie te leiden.

Figuur3.7: omgekeerd caisson met tussenvloer

Figuur 3.6: de drijvende bouwsteen; in EPS verstrengelt betonnen spaceframe

3.1.8 Archimedes drijfblokken Dit systeem wordt toegepast voor het creren van drijvende terrassen bij woonarken, en voor drijvende steigers in drijvende jachthavens. De elementen bestaan uit een kern van EPS geheel omsloten door een 50mm dikke laag staalvezel versterkt beton. De gesloten doosachtige constructie maakt het mogelijk zeer slank te construeren. De elementen zijn voorzien van afgeschuinde hoeken waarin verbindingsmiddelen, voor het onderling verbinden van de elementen, geplaatst kunnen worden. Een oppervlak


15

van gekoppelde elementen leidt tot een zeer stabiel platform. Het zwaartepunt van een element zal ongeveer halverwege de hoogte liggen. Bijkomend voordeel is dat e e n d r i j v e n d t e r r a s g e k o p pe l d a a n e e n w o o n a r k d e stabiliteit van de ark aanzienlijk kan verhogen. De elementen zijn in verschillende afmetingen verkrijgbaar. Afhankelijk hiervan ligt de verkoopprijs per vierkante meter tussen de 190 en 450 Euro.

3 .2 D ri jf sy s tem e n i n s ta a l3.2.1 Pneumatically Stabilised Platform (PSP) Dit systeem geeft invulling aan het omgekeerde-baksysteem door, aan de bovenzijde gesloten, stalen cilinders in rijen te plaatsen. Een grit van cilinders wordt aan de b o v e n z i j d e e n z i j k a n t e n a f g es l o t e n d o o r b e t o n n e n p l a t e n . De waterbewegingen ten gevolge van golfslag zorgen er niet voor dat het platform in beweging komt maar dat de lucht in de buizen in beweging wordt gezet. De aan de bovenzijde gesloten buizen staan daartoe wel met elkaar in open verbinding. De lucht verplaatst zich door het gehele systeem. Hierdoor wordt de golfenergie over de buizen verdeeld en omgezet in warmte. De afmetingen van de toepassingen waar dit systeem voor gebruikt zou kunnen worden zijn aanzienlijk. Toepassingen waaraan gedacht moet worden zijn grote drijvende oppervlaktes in zee, zoals bijvoorbeeld een drijvend vliegveld. De kosten van dit systeem zijn aanzienlijk hoog. De voorgestelde constructies gaan uit van Stalen buisprofielen. Toepassing van andere materialen is echter denkbaar.

1 Staalvezel beton 2 polystyreen 3 dek geprofileerd 4 ankerbussen 5 koppelingen

Figuur 3. 8: Archimedes drijfblokken

Figuur 3. 9: PSP drijfsysteem

16


3.2.2 Drijvende buizen Afgesloten stalen buizen kunnen een enorm drijfvermogen genereren. Systemen gebaseerd op drijvende buizen worden voornamelijk toegepast in de offshore. De enorme stalen buizen zijn niet geschikt voor een drijflichaam voor drijvende huizen. Het principe echter wel. Zo zijn minder grote buisprofielen gebruikt als drijfsysteem voor een aantal drijvende villas in Middelburg. Stalen profielen zijn respectievelijk duur en onderhoudsgevoelig. Het grote voordeel: het geringe gewicht, dat de populariteit van staal voor schepen verklaart, kan niet goed worden benut. De buisprofielen, van de drijvende villas, moesten voor vergroting van de stabiliteit gevuld worden met betongranulaat.

3.2.3 Container pontons Dit modulaire drijfsysteem bestaat uit standaard stalen containers die door middel van een hoogwaardig systeem aan elkaar gekoppeld kunnen worden. De container pontons worden overwegend gebruikt als tijdelijk drijfsysteem: bijvoorbeeld als ponton voor heistellingen of ponton ten behoeve van baggerwerkzaamheden. Het systeem is echter ook meer permanent gebruikt als drijflichaam voor een havengebouw. De relatief eenvoudige manier van koppelen en de geringe massa van het systeem zorgen voor een zeer f l e x i b e l e n e e n v o u d i g v e r p l aa t s b a a r s y s t e e m . H e t s t a a l i s relatief onderhoudsgevoelig, periodiek onderhoud en inspectie is in dit kader onafwendbaar. Dit maakt het systeem meer geschikt voor tijdelijke toepassingen.

Figuur 3. 10: (links) stalen buisprofielen als drijfsysteem (rechts) betongranulaat in stalenbuis

Figuur 3. 11: driehoekige configuratie van stalenbuizen (links) Drijvende Villa Middelburg (rechts)


17

3 .3 D ri jf sys tem en i n a lum in ium3.3.1 Drijvende weg modules In het kader van het innovatieprogramma: wegen naar de toekomst van het ministerie van verkeer en waterstaat werd de ontwerpwedstrijd de nieuwe waterweg uitgeschreven. In 2003 werd in Hedel het winnende ontwerp, de bouwsteen over water, als pilotproject gebouwd. De Bouwsteen over water bestaat uit aan elkaar gekoppelde aluminium pontons (l=3,50m x b=8,50m x h=1,5m). Aan de bovenzijde is een gesloten wegdek toegepast waarover het verkeer kan rijden. De pontons zijn voor de veiligheid onzinkbaar gemaakt door de holtes op te vullen met EPS (piepschuim). De pontons kunnen worden vervoerd met gewone vrachtwagens en zijn eenvoudig te installeren. De fixatie tegen wegdrijven van de pontons vindt plaats door middel van stalen palen die in de bodem steken, spudpalen. De open afrit naar de oevers is uitgevoerd als een U-vormig scharnierend aluminium brugdek.

3 .4 D ri jf sys tem en i n vez elv ers te rk te ku ns ts tof3.4.1 Seacell Dit systeem wordt in NoordAmerika toegepast als systeem voor het fabriceren van kleinschalige drijvende steigers en boothuizen. De stabiliteit van dit systeem is niet bijzonder groot. Tevens is de waterdichtheid van essentieel belang. Bij lekkraken zal de omgekeerde emmer direct zijn drijfvermogen verliezen. Het vezelversterkte kunststof vraagt weinig tot geen onderhoud

Figuur 3. 13: impressie Seacell

3.4.2 Connect-A-Dock/ Versa dock Dit type systemen hebben een met de seacell vergelijkbaar toepassingsgebied. Het drijflichaam bestaat uit een gesloten caisson dat door middel van uitsparingen modulair te koppelen is. Ook dit systeem zal weinig onderhoud behoeven.

Figuur 3. 14: Connect-A-Dock element

Figuur 3. 12: impressie drijvende brug nabij Hedel

18


4 materiaalanalyseDe gangbare materialen met een constructieve werking waarin drijflichamen uitgevoerd worden zijn: beton, staal, aluminium en VVK (Vezel Versterkte Kunststoffen), zie bijlage 3. Hieronder zal kort per materiaal een toelichting worden gegeven met betrekking tot toepassingsgebied en kenmerkende eigenschappen. Vervolgens zal op grond van deze kwalitatieve analyse een keuze worden gemaakt voor een materiaal.

te weten het intensieve onderhoud dat gepleegd moet worden om corrosie te voorkomen en de hoge prijs. In het geval van constructies die niet bedoeld zijn om veelvuldig te verplaatsen gaat dit echter niet op. Ook dit wordt gesterkt door de praktijk. Vroeger werden cascos van woonarken nog in staal uitgevoerd. Nu worden, naast schepen, voornamelijk tijdelijke drijflichamen, die enige flexibiliteit behoeven, in staal uitgevoerd. De containerpontons zijn hier een goed voorbeeld van, zie bijlage 1. 4.1.3 Aluminium In vergelijking met staal heeft aluminium het voordeel dat het niet kan corroderen. Daarnaast is aluminium bijzonder licht. Aluminium is echter zo duur dat het slechts veelvuldig wordt toegepast in situaties waarbij het geringe gewicht van bijzonder groot belang is. Dit is bijvoorbeeld het geval in de vliegtuigbouw. Voor grootschalige drijvende toepassingen lijkt het minder geschikt. Toch bestond het winnende ontwerp voor de drijvende weg wedstrijd uit aluminium pontons. Bij dit pilotproject is echter geen sprake geweest van een puur economische afweging. 4.1.4 VVK De twee VVK drijfconstructies, die in de bijlage worden vermeld, zijn bedoeld voor kleinschalige toepassingen in rustig water. Dit sluit niet uit dat het materiaal ook geschikt is voor grootschaligere toepassingen. Vezelversterkte kunststoffen zijn licht en behoeven geen onderhoud. In het recente verleden heeft VVK zijn intrede gedaan als constructiemateriaal in civieltechnische toepassingen. Vooral in agressieve milieus (kustgebieden) b l e e k d i t m a t e r i a a l t e k u n n e n c o n c u r r e r e n m e t s t a a l 1. D e stijfheid van het materiaal is niet bijzonder groot, maar

4 .1 Materialen4.1.1 Beton Drijvende cascos voor woonarken worden de laatste jaren standaard vervaardigd van beton. Het belangrijkste argument hiervoor is dat een betonnen drijflichaam zeer robuust en onderhoudsarm is. In dit kader levert het toepassen van beton een zeer duurzame constructie op. Beton wordt door het aanzienlijke gewicht (aanzienlijke volumieke massa) niet direct geassocieerd met drijvende toepassingen. Gezien de vereiste stabiliteit van een drijvende constructie is een aanzienlijk gewicht echter voordelig. Wanneer toch gekozen wordt voor een lichte constructie, omdat de diepgang beperkt moet blijven, is het mogelijk om met nieuwe betonsoorten erg slank te construeren. Bovenstaand pleidooi voor het toepassen van beton, als constructiemateriaal voor drijflichamen, wordt gesterkt door praktijkvoorbeelden. Uit deze voorbeelden blijkt dat beton in toenemende mate succesvol wordt toegepast in waterdichte vorm, zie bijlage 1. 4.1.2 Staal In de scheepsbouw is staal het meest gebruikte constructiemateriaal. Staalconstructies zijn relatief licht sterk, dus bijzonder geschikt voor schepen. De voordelen wegen in dit kader zwaarder dan de belangrijkste nadelen;

In een lifecycle benadering benadert een VVK constructie een stalen constructie; de aanschafprijs is hoger maar gedurende de levensduur kan dit worden terugverdiend doordat nauwelijks kosten verbonden zijn aan beheer en onderhoud.

1


19

door slim te construeren 2 is dit redelijk te ondervangen. De materiaalprijs is echter - nog - hoog.

4 .2 AfwegingWanneer we spreken over het grootschalig toepassen van de drijvende fundering is een duurzame, met name een onderhoudsarme, constructie van essentieel belang. In dit kader is het zinloos om na te denken over het toepassen van staal of aluminium. Zoals uit de bijlage blijkt, bevestigt de praktijk dit standpunt. Daarnaast is het van belang dat een economisch concurrerende constructie ontworpen wordt. Ook op dit criterium vallen staal en aluminium af. VVK lijkt door zijn onderhoudsarmheid een redelijk alternatief. De hoge kosten en ook de matige mechanische eigenschappen zorgen ervoor dat VVK ten opzichte van beton minder voordelig is. Het hoge eigen gewicht van beton werkt vaak nadelig. Een drijvende constructie dient echter bijzonder stabiel te zijn. Daarbij is h e t v o o r d e l i g w a n n e e r g e k o z e n w o r d t v o o r e e n r e l a t i ef zware drijfconstructie in combinatie met een lichte opbouw. N a a r a a n l e i d i n g v a n d e z e m a t e r i a a l a n a l y s e w o r d t g e k o z en om de drijvende fundering uit te voeren in beton.

4 .3 E PSEPS is niet geschikt als constructiemateriaal, daarom is het in bovenstaande analyse buiten beschouwing gebleven. EPS is wel bijzonder geschikt om constructies onzinkbaar te maken. Het enige nadeel is de aanzienlijke prijs. Wat in de praktijk onzinkbaarheid wordt genoemd is eigenlijk niets anders dan een vergaande vorm van compartimentering. Een andere manier waarop dit bereikt kan worden is door het toevoegen van bijvoorbeeld pingpongballen in holtes. Ondanks de prijs wordt EPS als drijfmiddel als zeer waardevol beschouwd.

2

Maak bijvoorbeeld gebruik van grote inwendige hefboomsarmen. In het geval van een loopbrug werden de leuningen constructief bij het ontwerp betrokken in de vorm van een trogligger.

20


5 Combinaties morfologische tabelA B C oordeel 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 logisch bestaat n.int n.int bestaat logisch bestaat logisch bestaat logisch n.int logisch logisch logisch bestaat logisch onm logisch logisch logisch logisch logisch int onm onm onm logisch onm onm onm onm onm onm onm onm int logisch onm A B C oordeel 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 n.int logisch logisch logisch Logisch Onm Onm Logisch Logisch Onm logisch Onm n.int Int Int Onm n.int onm logisch bestaat n.int n.int logisch logisch logisch logisch bestaat n.int n.int logisch logisch logisch Onm Onm Onm Onm Onm Onm A B C oordeel 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 1 1 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 Onm logisch int onm onm onm logisch onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm n.int Int Int Onm n.int onm Logisch logisch A B C oordeel 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 n.int n.int logisch logisch logisch logisch logisch logisch n.int logisch logisch logisch n.int. n.int. onm n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. onm. n.int. n.int. n.int. n.int. Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm A B C oordeel 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 6 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 Onm. Onm. Int. n.int n.int onm logisch logisch logisch n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. onm n.int. n.int. n.int. n.int. n.int A B 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 1 1 1 1 C 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 oordeel n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm n.int. onm n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. Int. n.int n.int onm logisch logisch logisch n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. A 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 B 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 C 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 oordeel n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. Int. logisch Onm. n.int. Logisch Logisch logisch n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. Onm Onm Onm Onm Onm Onm Onm Int. logisch Onm. n.int. Logisch Logisch logisch


21

A 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

B 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4

C 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3

oordeel n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. logisch logisch n.int. n.int. logisch logisch logisch logisch logisch n.int. n.int. logisch logisch logisch n.int. n.int. Onm. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int n.int. n.int

A B 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8

C 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7

oordeel n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. Onm. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. Onm. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int. n.int.

ToelichtingAlle mogelijke combinaties uit de morfologische tabel, zie figuur 15-1, zijn geanalyseerd. Bekeken is welke combinaties interessante nieuwe concepten opleveren. Elke combinatie is voorzien van een, afgekort, oordeel. De afkortingen hebben de volgende betekenissen:

int: bestaat: n.int: Logisch:

Interessant nieuw concept. Van belang om nader te bekijken. Dit zijn de concepten opgenomen in tabel 15-4. Dit is een reeds bestaand systeem, zie figuur 15-3. Niet interessant. Deze combinatie levert geen interessant nieuw concept op. Combinaties met deze aanduiding zijn een logisch voortvloeisel uit reeds bestaande of nieuwe concepten. Deze concepten vormen varianten op bestaande of nieuwe (hoofd)systemen.

22


6 Voorstudie liggersysteemDeze bijlage, voorstudie liggersysteem behorend bij het gelijknamige hoofdstuk (H19) geeft een chronologisch verslag van de genomen stappen.

Figuur 6. 1: mechanica model beproefde ligger

Figuur 6. 2: geometrie eerste schatting

6 .1 Ni et voo rg espa nne n l igge rs6.1.1 Raatligger In een aantal modulaties is toegewerkt naar een ligger die goed te beproeven is. Begonnen is met een model met de hieronder weergegeven grootheden.Bijlage 6, tabel 1

Ligger Flensen: Lijf:

Hoogte: Breedte: Dikte: Stramien: Breedte opening hoogte

1,2 m. 0,15 m verlopend van 0,03 m naar 0,06 m 1,5 m. 1,3 m. 0,78 m.

In het gedefinieerde model blijkt de momentcapaciteit van de verbindingen te gering. De ligger bezwijkt ter plaatse van de verbinding (tussen de verticale en horizontale delen), terwijl de capaciteit van de flensen niet geheel benut wordt. De geometrie van de ligger is daartoe aangepast. Dit heeft geleid tot het hieronder weergegeven model. De flensen zijn hierbij gelijk gebleven. De dikte van het lijf is verhoogd tot 50 mm. Daarnaast zijn de afschuiningen sterk vergroot, zodat de verbindingen meer momentcapaciteit krijgen.

Figuur 6. 3: geometrie tweede schatting


23

Door middel van het stapsgewijs verhogen, met een stapgrootte van 1 kN/m, van de verdeelde belasting is het bezwijkdraagvermogen van de ligger bepaald. Bij een belasting van 7 kN/m is Atena stabiel. Hoewel Atena bij een last van 8 kN/m wel resultaten geeft, wordt niet geheel voldaan aan alle convergentiecriteria. Bij een belasting van 8,5 kN/m bezwijkt de ligger, de berekening moet afgebroken worden, zie onder.

Figuur 6. 5: spanning- verplaatsingsdiagram

Scheurpatroon bij een belasting van 8,5 kN/mFiguur 6. 4: scheurpatroon bij een belasting van 8,5 kN/m

De kracht is teruggelopen terwijl de verplaatsing onverminderd doorloopt; de ligger is bezweken. Het verwijderen van belastingsstap 9, zie onder, laat zien dat belastingsstap 8 zich bevindt in het hardening-gedeelte.

Spanning-verplaatsingdiagrammen kunnen inzichtelijk maken waar, in welk traject van het spanningverplaatsingdiagram, een belastingssituatie zich bevindt. Op deze wijze kunnen we controleren of een ligger bij een bepaalde belasting daadwerkelijk op het punt van bezwijken staat. Onderstaand is het spanningv e r p l a a t s i n g d i a g r a m v a n d e r aa t l i g g e r w e e r g e g e v e n , v o o r een punt halverwege de overspanning in de onderste vezel, inclusief belastingsstap 9 (8,5 kN/m).

Figuur 6. 6: spanning- verplaatsingsdiagram

Stap 7 (7 kN/m) heeft maximale buigspanningen van 12,3 N/mm2 tot gevolg, zie fig. 6,7. Plaats men dit punt in het bovenstaande diagram, dan blijkt dat stap 7 zich op circa 1/3 van het hardeningstraject bevindt. In het geval van zuivere trek zouden we verwachten dat het

24


hardeningstraject pas bij circa 12 N/mm2 zou beginnen, dan zou immers de treksterkte overschreden worden en de eerste scheur ontstaan. Volgens het diagram ontstaat de eerste scheur ongeveer bij 11,2 N/mm2. Controleren we dit dan zien we inderdaad dat de eerste scheur ontstaat bij stap 6 (6 kN/m) de spanning die dan heerst in de onderste vezel is 11,3 N/mm2. Dit lijkt dus te kloppen. Dat de eerste scheur bij 11,3 N/mm2 en niet bij 12 N/mm2 ontstaat komt doordat er geen sprake is van zuivere trek in 1-richting: de overige spanningen verbruiken een gedeelte van de capaciteit. we kunnen concluderen dat de ligger bezwijkt belasting van 7-8 kN/m. De momentcapaciteit doorsnede ligt dan tussen: bij een van de

Onderstaand zijn de optredende schuifspanningen weergegeven. Schuifspanningen worden veroorzaakt door dwarskrachten. Nabij de opleggingen is de dwarskracht maatgevend. In de figuur is dit te zien door de hoge schuifspanningen in het lijf ter plaatse van de opleggingen. De dwarskracht wordt overgedragen door de momentvaste verbindingen in het lijf van de ligger. In de figuur is te zien dat aan de trekzijde van deze zwaarbelaste verbindingen scheuren ontstaan.

1 8 ql 2

< 71 < 81 kNm.

En de dwarskrachtcapaciteit tussen: 32

Bijlagen Maarten Kuijper Gecomprimeerd

Documents

Transcript of Bijlagen Maarten Kuijper Gecomprimeerd