jar.- f7 WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE BRUGGEN RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE SLUIZEN EN STUWEN toegepast onderzoek waterstaat

Transcriptie

1 jar.- f7 WATERLOOPKUNDIG LAORATORIUM RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE RUGGEN 1. RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE SLUIZEN EN STUWEN konstruktieve en hydraulische ontwerpaspekten bij deuren in schutsluizen inventarisat ie Q 289 S/TOW-C nu I.siiiifss. -am ;!«'. : maart 1987 toegepast onderzoek waterstaat

2

3 WATERLOOPKUNDIG LAORATORIUM RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE RUGGEN RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE SLUIZEN EN STUWEN konstruktieve en hydraulische ontwerpaspekten bij deuren in schutsluizen ILIOTHEEK OUWDIENST RIJKSWATERSTAAT NR Cdh^L^.!^r.:. ILIOTHEEK ouwdienst Rijkswaterstaat Postbus LA Utrecht inventarisat ie Q 289 maart 1987 iimt S/T0W-C imiiiii.::iii t:. nat m :«w w nui illiiil iliiili niir i»" toegepast onderzoek waterstaat

4

5 INHOUD biz. 1. Inleiding \ 2. Soorten deuren 3 3 Konstruktieve aspekten bij ontwerp enkele draaideur 6 4 Konstruktieve aspekten bij ontwerp puntdeuren 9 5. Konstruktieve aspekten bij ontwerp roldeur Konstruktieve aspekten bij ontwerp schuifdeur Horizontale belastingen enkele draaideur/puntdeuren Horizontale belastingen roldeur/schuifdeur 17

6

7 KONSTRUKTIEVE EN HYDRAULISCHE ONTWERASPEKTEN IJ DEUREN IN SCHUTSLUIZEN 1. Inleiding In het kader van S/TOW-C (ouwspeurwerk/toegepast Onderzoek Waterstaat-Kunstwerken) wordt door het Waterloopkundig Laboratorium onderzoek verricht naar deuren in schutsluizen. Dit onderzoek heeft tot doel het ontwikkelen van ontwerpregels/formules/ rekenmetnodes ter bepaling van de krachten op de deuren als gevolg van het water. Dit is bestemd voor: - de dimensionering van de deuren zelf in gesloten en open stand ten gevolge van de krachten van het water door externe invloeden zoals verval, kolk-/ havenslingeringen, wind, scheepvaart, enz. - de dimensionering van het bewegingswerktuig en de deuren tijdens de deurbeweging als funktie van deurbeweging en deurkasvorm. Het onderzoek bestaat uit 4 delen, te weten: - hydraulische krachten op punt-/enkele draaideuren door de deurbeweging - hydraulische krachten op roldeuren door de deurbeweging - hydraulische krachten op deuren door externe invloeden. - externe gevolgen van de deurbeweging op schepen, andere sluisonderdelen, voorhaven, zout/zoet belasting, enz. Deze nota is bedoeld om de te ontwikkelen hydraulische zaken zo goed mogelijk af te stemmen op de konstruktieve aspekten bij deuren. De hoofdstukken 2 t/m 5 geven de konstruktieve zaken weer b i j de huidige ontwerpfilosofie van RWS-Direkties ruggen en Sluizen en Stuwen. Niet gestreefd is naar volledigheid en alles staat in telegramstijl. De hoofdstukken 6 en 7 geven de hydraulische belastingen weer voor punt-/ enkele draaideur en roldeur. Hier is wel gestreefd naar volledigheid, alles wordt echter zeer kort verwoord in tabelvorm. Deze nota is voortgekomen uit besprekingen van 2 oktober 1986, 9 en 27 januari 1987 met ing. D. Kranenburg en ir. F.J. Remery (Direktie ruggen), ing. M. v.d. Schaft (Direktie Sluizen en Stuwen) en ir. J. Huystee, dr. P.A. Kolkman, ir. H.W.R. Perdijk en ir. A. Vrijer (WL) en is samengesteld onder leiding van ir. A. Vrijer.

8 -2- Konklusies over de richting van verder onderzoek worden hier niet getrokken. Aan de hand van aparte projektvoorstellen wordt dit in werkgroepverband verder behandeld.

9

10 -3-2. Soorten deuren Toegasbare_dearty^es 1. enkele draaideur 2. puntdeuren (enkelzijdige kering) 3. puntdeuren (dubbelzijdige kering) 4. roldeur 5. schuifdeur 6. hefdeur 7. waaierdeur 8,9 zak/klepdeur. horizontale doorsnede 4.5 horizontale doorsnede ver ti kale doorsnede wwwwww \ \ \ \ \ \ \ \\\\\\\ 8

11

12 -4- Enige opmerkingen hierover: ad L. Enkele draaideur: lang sluishoofd tenzij buiten sluis, weinig bewegende delen onderwater, gemakkelijk te vervangen, weinig onderhoud, geschikt voor tegenverval met grendel/stempel, beperkte sluisbreedte. ad 2. Puntdeuren bij enkelzijdige kering: deur licht van konstruktie, lang sluishoofd (tenzij deur erbuiten) met grote spatkrachten, weinig bewegende delen onder water, gemakkelijk te vervangen, weinig onderhoud, niet zonder meer geschikt voor tegenverval (grendel, duwpers nodig), extra voorzieningen in vulopeningen voor vulstraal//sluisas t.b.v. debietspreiding. ad 3. Puntdeuren bij dubbelzijdige kering (vierkant gezet): alleen veilig bij alle deuren in gebruik (stel: vergeten van deuren wisselen bij kentering); overige opmerkingen zoals bij puntdeuren bij enkelzijdige kering. ad 4. Roldeur: grote deurbreedte mogelijk, dubbelzijdige kering, kort hoofd maar dure deurkas, dure railbaan onder water. ad 5. Schuifdeur: zoals roldeur, maar railbaan vervangen door glijdbaan van kunststof of hydrost. lager en zwaarder bewegingswerk. ad 6. Hefdeur: uit te voeren als glijdschuif, erg duur in verband met hefmechanisme en kontragewicht, dubbelzijdige kering mogelijk, doorvaarthoogte soms probleem, beveiliging nodig om onder verval te openen, druipwater aanwezig, kan dienen als spuimiddel met grote kapaciteit. ad 7. Waaierdeur: veilig, sluit tegen verval in (of met verval mee), dure konstruktie. ad 8,9 Zak/Klepdeur: deur verdwijnt in bodem, bijvoorbeeld in kombinatie met woelkelder, bezwaarlijk in verband met vervuiling/aanzanding, toepasbaar als zoutdrempel. S5ii^isl^_2 ntw EE' ce ye e v a n deurtyges De keus wordt gebaseerd op ekonomische motieven (bouwkosten van deur met aandrijving en van sluishoofd met deurkas, bouwtijd, kosten van bediening en onderhoud) en op veiligheidsmotieven en is in de regel:

13 -5- - enkelzijdigkerend : sluisbreedte tot 8 m enkele draaideur sluisbreedte 4 tot 30 ra puntdeuren - dubbelzijdigkerend: sluisbreedte 4 tot 12 m enkele draaideur sluisbreedte 12 tot 30 m : dubbele puntdeuren sluisbreedte vanaf 16 m : roldeur, schuifdeur - In primaire keringen, zoals getijde gebieden, zijn de deuren aan de hoogwaterzijde in tweevoud uitgevoerd en funktioneren ook zodanig (vooral in winterperiode). - Het schutpeil (waarbij nog geschut wordt) ligt meestal lager dan het ontwerppeil (behorend bij hoogste stormvloedstand of hoogwaterpeil). - Het sluisplateau ligt in de regel horizontaal i.v.m. de scheepvaartafwikkeling en heeft een nivo behorend bij het ontwerppeil. ij gelijk drempelnivo van de hoofden kunnen de deuren in beide hoofden gelijk worden en zijn dan uitwisselbaar. Het aantal reserve deuren kan dan beperkt worden.

14 -6-3 Konstruktieve aspekten bij ontwerp enkele draaideur Eni^e_kenmerken: deur met enkele beplating en rubberafdichting; - deur wordt dichtgedrukt in de richting van het voornaamste verval van het sluishoofd. vergrendeling kan de deur dubbelkerend maken voor (minder belangrijk) tegenverval, dubbele kering bij primaire kering. binnen deurkas kan eventueel vervallen. vlakke deur met hydraulisch goede vulopeningen. bewegingswerk aan e"e"n zijde. keus op enkele draaideur hangt af van h/b verhouding: in ieder geval geen enkele draaideur bij sluisbreedte boven 16 m.!s!}i2yh^ 2!}i horizontaal: via beplating, liggers, voor/achterhar naar: 4 steunpunten onder verval x 3 steunpunten bij tegenverval C y v 1 svan ondarragal </ onder verval: bij draaipunten zonder speling; 4 steunpunten bij draaipunten met speling: onder tegenverval: 3 of 4 steunpunten voorhar onder voorspanning tegen lek lijnoplegging achterhar

15 -7- Deurkas/nis: voldoende betoniengte /voor afvoeran kracht HW HW / HW 27 ' deur buiten sluis korte kas volledige deurkas kas/nis ruimte is belangrijk voor kracht tijdens beweging en voor vuil/slib/ijs ophoping door stroming in de spleten te krap: grote krachten bewegingswerk bij in en uit kas komen; remmende werking bij in en uit nis komen. te ruim: geen remmende werking meer. Aandrijving - elektromechanische aandrijving met rechte heugelstang kost meer kelderruimte en heeft een kleinere aandrijfkracht in vergelijking met hydraulische aandrijving; beide vinden toepassing. - bij hydraulische aandrijving is de zuigersnelheid afhankelijk van het geleverde debiet van de oliepomp. bij einde sluiten of openen deur wordt oliedebiet en dus de snelheid beperkt. bij overschrijding maximale kracht kan ventiel in werking gesteld worden, die de kracht een maximum geeft. - bewegingswerk is bij enkele draaideur op te bergen in e'en wand en goed te beveiligen tegen vandalisme. - grendels of stempels (eveneens hydraulisch bediend) in tegenover liggende wand.

16 -8- Afdichting - beplating aan laagwaterzijde met kokers voor vulopening; bij beplating aan hoogwaterzijde echter zal de deur snel opdrijven. \ \ v \ V \ \.\\ L l _ 1^ V "s V V V V - rubberafdichting aan laagwaterzijde escherming deur bij deur buiten sluis rammingwcrk Materiaal_deur normaliter staal - houten deur van gestapelde balken kan scheluw worden. Vulogeningen - enkelzijdig kerend: schuiven aan hoogwaterzijde, te bedienen met heugelstangen (met - in geopende stand deels verend en deels star opgelegd; reken op scheepsstoten! vertragingskast) of spindels met elektromotoren. de schuiven vallen in de deurkas in geopende stand van de deur breekbalken aan laagwaterzijde - dubbelzijdig keren: schuiven aan buitenzijde en breekbalken aan kolkzijde. bij tegenverval zitten de breekbalken aan verkeerde kant.

17 Konstruktieve aspekten bij ontwerp puntdeuren ie hoofdstuk 3, behalve: schuine stand deur vereist voorzieningen voor vulopeningen voor een vul straal evenwijdig aan sluisas: tegen het verval in keren is in beperkte mate mogelijk door: koppelen voorharren blokkeren bewegingswerk spatkrachten van de deur geven aanleidingen tot grote buigende momenten de wanden bij de vloer, vooral bij hoge kolkwanden (eventueel koppelen boven). vulopeningen zie hoofdstuk 3.

18 Konstruktieve aspekten bij ontwerp roldeur Enige kenmerken: grote deurbreedte mogelijk, kort hoofd, dure deurkas, - deur met dubbele beplating, afdichting ter plaatse van beplating railbaan onderin, bewegingswerk door middel van horizontale kabels bovenin, horizontale deurgeleiding (rollend of schuivend) ter plaatse van kas en nis - bij vulsysteem met riolen zijn lange riolen benodigd. bij vulsysteem door de deur zijn hydraulisch gezien goede openingen te maken door vlakke deur. - golven in deurkas en deur zelf en stroming door deur bij bewegen roldeur belangrijk - let op vertikale windgolfbelasting luchtkisten tijdens bewegen roldeuren - voor beperken belasting railbaan en krachten bewegingswerk zijn bij de grotere roldeur luchtkisten boodzakelijk. Krachtsverdeling: - vertikale krachten. centraal afvoeren op railbaan op 2 plaatsen: van de deur via rubberopleggingen naar wielstellen en dan naar railbaan puntbelasting voor railbaan i s ongunstig, maar door zorgvuldig konstrueren is toch een goede oplossing mogelijk. 3-K) horizontale krachten in gesloten positie afvoeren naar wanden (niet naar bodem) via horizontale regels \slappc afdichting

19 -11- tijdens bewegen als driepuntsoplegglng naar sluiswand en bodem: I horizontaal gclcidcwiel (bijv) x t p.v via sponning in bodem emdschotten voldoende tussenrulmte bij dubbele roldeuren voor afvoeren horizontale kracht Deurkas/nis bij dubbele sluizen roldeuren te schakelen - ruimte naast roldeur in deurkas, ruimte tussen kaswand en roldeur en doorstroomprofiel in langsrichting van roldeur bepalen de stromings- en golfverschijnselen bij bewegen roldeur. - deurkas bij kleinere sluizen hoeft ten behoeve van onderhoud van de roldeur niet drooggezet te worden (de deur wordt met bok eruitgelicht). De deurkas kan hierdoor nauw zijn, maar stromings- en golfverschijnselen spelen duidelijk mee. - beperken zoutbelasting van kas: de kas staat voortdurend in open verbinding met het zoute water en wisselt niet met de kolk uit. De afdichting deur is dan steeds naar een kant. deur heeft meestal 2 aparte wielstellen; via deur, rubber oplegging en wielstellen wordt de railbaan centraal belast. Horizontale geleiding wielstellen via flenzen wielen

20 -12- r rubber oplegging tussen deur en wielstel maakt horizontale bewegingen mogelijk horizontale geleiding van de roldeur onderin via de onderkant van de eindschotten van de roldeur t.p.v. de sponning in de bodem. De geleiding bestaat uit staal/kunststof, waarbij het kunststof op de beton is aangebracht in verband met warmteoverdracht en slijtage. geleiding bovenin met centreerinrichting met rollen (eventueel). speling tussen deur en rol ±0,5 cm, deur kan dus tegen de centreerinrichting stoten. aandrijving door middel van horizontale draden en trommellierwerk voldoende overwicht van de deur moet aanwezig zijn tegen opwippen denk om eigenfrekwentie in langsrichting van deur met kabels ten opzichte van eigenslingering kas.

21 -13- Afdichting roldeur met dubbele beplating en open eindschotten dubbele afdichting waarbij: afdichting ter plaatse van wanden is tevens overdracht horizontale belasting afdichting ter plaatse van bodem is verend zonder krachtsoverdracht (in verband met doorbuiging deur) -bijv hout afdichting v«rend«afdichting L u eventuele vulopeningen in de deur met kokers in verband met afdichting. voor beperken zoutbelasting afdichting deur steeds naar e n zijde, zodat de deurkas niet met kolk uitwisselt. Deur zelf - roldeur voert de horizontale krachten in gesloten stand af via de horizontale regels en de eindschotten naar de sluiswanden. roldeur zo open mogelijk in langsrichting van de deur. De deur bestaat uit twee beplatingen, op afstand gehouden door de regels, stijlen en eindschotten. luchtkisten voor zeer grote roldeur (boven 24 m sluisbreedte) ter ontlasting van de railbaan en ter beperking aandrijfkracht. Railbaan krijgt grootste belasting bij droogzetten roldeur in kas. vermijd zo mogelijk luchtkisten voor de kleinere roldeur in verband met onderhoud weerstand van water bij deurbeweging drukveranderingen in het water ten gevolge van windgolven boven of onder luchtkist

22 -14- breng eventuele luchtkisten zo hoog mogelijk aan (onder laagste w.s.) ten behoeve van stabiliteit bij het drijven. voor het oplichten van roldeur moet het water uit de luchtkisten verwijderd worden, hierbij zijn 2 drijftorens nodig in verband met een beheersbare beweging. is reserve-kas aanwezig dan onderhoud roldeur in kas mogelijk. is geen reserve-kas aanwezig bij kleinere roldeur, dan met bok eruit lichten voor onderhoud.

23

24 -15-6 Konstruktieve aspekten bij ontwerp schuifdeur Kenmerken: - de schuifdeur is een roldeur, waarbij de wielen vervangen zijn door een glijdbaan. komt voort uit het feit dat wielstellen (met hun puntvormige belasting) met railbaan duur en bewerkelijk zijn. - de glijdbaan kan uitgevoerd zijn met kunststof/kunststofmortel of met hydrostatische lagers. vijzel horizontale geleiding JZZA _lj ji_ E2 N afdichting^ m kerende stand tijdens beweging deur de glijdbaan bevindt zich onder het zwaartepunt van de deur. de deur draagt tijdens het glijden op lange vlakken op de vloer (geen puntlasten) de deur glijdt in de opgevijzelde stand van de deur. drijfkisten in de deur moet de aandrijfkracht beperken: ten opzichte van wielstellen is bij kunststof glijdvlakken de wrijvingskracht meer. in kerende stand draagt de deur z'n vertikale belasting af via 2 lange vlakken op de vloer (geen puntlasten). dit is tevens de afdichting, die op een simpele manier is uitgevoerd.

25

26 Horizontale belastingen enkele draaldeur/puntdeuren Krachten op de deur t.g.v. droge deur: - traagheidskrachten - wrijving ophangpunten - botsing met aanslag t.g.v. eind sluiten tijdens sluiten begin sluiten helemaal opett eind openen tiidens openen begin openen helemaal dicht beginsituatie aan weerszijden van de deur: - waterstandsverschil - dichtheidsversch.il - trillen door spleten - sluiten in stromend water t.g.v. stroming ontstaan door de deurbeweging: - krachten door niet-eenparige deurbeweging (toegevoegde waterraassa,invloed vand/kas, freq. afh. golfopwekking) - krachten door eenparige deurbeweging (sleepkrachten met golfopwekking, invloed wand/kas/nis) - trillen (bodeminvloed) - sluiten in stromend water - 8» 0 8 El Hi 8 E El El - <8> KI El El El - El El IS 0 El KI IS t.g.v. tijdsafhankelijke externe - wind condities: - windgolven - seiches, translatiegolven kanaal - kolkslingeringen (overtravel, eigen kolkslingeringen met dichtheidsverschil) t.g.v. schepen: - invaren betreft dichte deur (pos. transl. golf, botsen van schip) - langsvaren betreft open deur (waterspiegeldaling, retourstroom, invloed deurkas) - uitvaren betreft dichte deur (schroefstraal) t.g.v. schuiven: - stromingskrachten (vullen, spuien) - trillen * diversen: ijs, drijvend vuil slib of gezonken vuil t.p.v. drempel spuien met open deuren (incl. trillen) rioolmonden gericht naar deur a l la ca 13 El ta SI a ra ra 09 ra l ra ra ca Naast bovengenoemde krachten dienen ook krachten tijdens bouwfasen en reparaties beschouwd te worden. Het betreft dan krachten die reeds behandeld zijn bij de beginsituatie en bij de tijdsafhankelijke externe condities, maar de randvoorwaarden dienen hierbij herzien te vorden. a x N.. t3 belangrijk, te onderzoeken CjO belangrijk, niet te onderzoeken vanwege werktuigbouw of bekendheid minder belangrijk of nog niet aan de orde

27 -17- ROLDEUREN i za i de bestudering 1 worden uitgegaan van de volgende categorieen: en inventarisering van het ontwerp en gebruik van roldeuren ft. Hydrostatica sluissysteem. Hydrodynamica sluissysteem C. elastingen roldeur 0. Werktuigbouwkunde E. Scheepvaart F. Externe invloeden G. Diversen ASPECTEN Stadia: Elementen: I. Droog II. Transport III. Gebruik IV. Extremiteiten a. Voorhaven b. Frontnis c. Deuropening d. Roldeur e. Kas f. Kolk g. Riool LEGENDA egin openen Openen deur Einde openen Open deur egin sluiten Sluiten deur Einde sluiten Gesloten deur M elangrijk elangrijk, doch in mindere mate

28 -18- fl. HYDROSTP.TICA SLUISSYSTEEM I \ < II Waterstand verschil Dichtheid verschil (hor) * gelaagdheid (ver). HYDRODYNAM I CA SLUISSYSTEEM > 1 > 1 < < 1 nn Waterstand/verloop Dichtheid Tri11ingen Toegevoegde watermassa variatie stromen spleten tgv schuiven (kas/deur) (kas/deur) deurafdichting in deur door niet-eenparige -> waterbeweging M M M M Kolkslingering interne golf tgv voortrekken deur M tgv vullen externe golf tgv voortrekken deur M tgv vullen Kasslingering Spleetstroming kas-roldeur Vulstraaleffect tgv vullen door schuif boegstraal waterspiegeldaling tgv voortrekken deur boegstraal waterspiegeldaling Zoutbestrijdingssystemen o.a. luchtbellen- -> scherm, zoutvang M M M M

29 -19- C. ELASTINGEN ROLDEUR I I < I < II Krachten Momenten D. SCHEEPVAART langs dwars verticaal traagheid - effecten wrijving in deurvlak om nor as deur om ver as deur M M M M M M M M M M M M M > 1 > 1 < < 1 Invaren schip pos translatiegolf botsingen Langsvaren schip * waterspiegeldaling retourstroom Uitvaren schip. schroefstraal * neg. translatiegolf Gemeerd sch i p. voortrekken deur E. ETERNE INVLOEDEN > 1 > 1 < < 1 nn Wind kracht (direct) M M M M golven M M M Halingen/seiches Trans1at i ego1ven voorhaven/kanaal F. DIVERSEN > 1 > 1 < < 1 nn Vuil drijvend M gezonken Us Slib Dmloopr100I richting uitmonding M