De vernieuwde balgkering Vervanging van de Maeslantkering Marjolein van Breukelen TU Delft

Transcriptie

1 De vernieuwde balgkering Vervanging van de Maeslantkering Marjolein van Breukelen TU Delft

2 Klimaatverandering Verscheidene rapporten over klimaatverandering tonen aan dat zwaardere regenval, meer frequente extreme revier debieten, dalende bodems en een stijgende zeespiegel verwacht kunnen worden in de 21ste eeuw. Daarom moet Nederland ver vooruitkijken en goede plannen maken voor de toekomst. Er kan geconcludeerd worden dat in de toekomst meer beweegbare stormvloedkeringen benodigd zijn om laag liggende gebieden te beschermen. Verder kan gesteld worden dat de bestaande ontwerpen voor stormvloedkeringen verouderd zijn. Daarnaast zijn er tegenwoordig relatief nieuwe en sterke lichtgewicht materialen (synthetisch weefsel) beschikbaar die bijna niet toegepast worden voor stormvloedkeringen. Deze materialen hebben verscheidene voordelen vergeleken met staal en beton. Een andere kwestie is dat conventionele stormvloedkeringen erg duur zijn, zowel in constructie als in onderhoud. Grootschalige toepassing van stormvloedkeringen vereist lagere kosten, lage milieu-impact, hoge duurzaamheid, weinig onderhoud en een eenvoudige constructie. Er is dus behoefte aan innovatieve stormvloedkeringen die naast technisch, economisch haalbaar zijn. Maeslantkering Een zeer bekende stormvloedkering is De Maeslantkering, gelegen op de grens van Het Scheur en de Nieuwe Waterweg bij Hoek van Holland. De Maeslantkering heeft een breedte van ca. 400 meter, een hoogte van 22 meter en kan een waterhoogte van 5 m boven NAP tegenhouden. Ter plaatse van de kering is een vaarwegbreedte van 360 m. Bij het ontwerp van de stormvloedkeringen in Nieuwe Waterweg is destijds rekening gehouden met een zeespiegelstijging van respectievelijk 20 en 50 cm per eeuw. Als de zeespiegel daar overheen gaat, is de functionele levensduur van de kering bereikt en moet de kering vervangen of aangepast worden. Tevens kan de functionele levensduur eerder worden bereikt door hetzij de technische levensduur, die wordt verkort door vaker sluiten bij hogere zeestanden, waarbij de scharnieren sneller slijten. Bovendien zullen er in de toekomst strengere normen ontstaan, waardoor de mogelijkheid bestaat dat de huidige kering niet meer voldoet. Om deze redenen is er in de toekomst een nieuwe innovatieve stormvloedkering benodigd ter plaatse van de huidige Maeslantkering. Balgkering Een innovatieve stormvloedkering die zowel economisch als technisch haalbaar is, is een balgkering. Bij dit type kering is een rubberen doek (met speciale additieven om ozon en ultraviolet licht te weerstaan) bevestigd aan de constructie op de bodem van het water en de oevers. Op het moment dat het water tegengehouden moet worden, pompt men de balg vol met water en lucht, waardoor de kering omhoog komt. Een groot voordeel van balgconstructies is dat zij nauwelijks onderhoud vergen. Andere bijkomende voordelen zijn de gunstige belastingafdracht en dat geen directe bewegingswerken nodig zijn. De externe belasting wordt afgedragen naar de fundatie doormiddel van trekkrachten in het membraan (normale krachten of axiale membraan krachten), en niet zijwaarts naar steunpunten op landhoofden of tussenpijlers, zoals bij traditionele schuiven. Daarom worden er, vanuit strekte- en stijfheidsoverwegingen, geen beperkingen opgelegd aan de overspanningslengte en zijn als regel geen tussenliggende pijlers benodigd. De grootste balgkering ter wereld met een hoogte van 8 meter is op dit moment gerealiseerd tussen het Ketelmeer en Zwarte meer bij het plaatsje Ramspol. Wanneer in de toekomst een balgkering ter plaatse van de huidige Maeslantkering toegepast gaat worden, moet het ontwerp van de huidige balgkering flink opgeschaald worden. Een balgkering ter plaatse van de Maeslantkering vereist een hoogte van ca. 25 m en een lengte van ca. 500 m. Dit komt neer op een drie keer hogere en een zes keer langere balg dan van Rampsol. Om deze opschaling mogelijk te maken is het belangrijk om de probleempunten van de huidige balgkering in kaart te brengen en deze te verbeteren.

3 Trekkrachten in het balgdoek Het voornaamste probleempunt bij grote balgkeringen zijn de enorme trekkrachten die in het balgdoek kunnen voorkomen. Deze trekkrachten, bestaande uit statische en dynamische trekkrachten, worden hoofdzakelijk veroorzaakt door waterstandsverschillen, golfbelastingen en de krachtenverdeling over het balgdoek. Voor de balgkering van Ramspol kunnen de statische trekkrachten in het balgdoek oplopen tot 200 kn/m. Door lokale piekspanningen in het balgdoek zijn de maximale trekkrachten een stuk groter dan alleen de statische trekkrachten, namelijk 950 kn/m. Deze lokale piekspanningen worden voornamelijk veroorzaakt door de vorm van de balg; de balgkering van Ramspol heeft in opgeblazen toestand veel plooien, zie figuur 1, wat leidt tot hoge piekspanningen in het balgdoek. Deze plooien zorgen er dus grotendeels voor dat de ontwerpbelasting 4,75 keer hoger is dan alleen de statische trekkracht. Figuur 1: Balgkering Ramspol, plooien en piekspanningen in het doek. Wanneer een balgkering met een hoogte van 25 m gerealiseerd zou worden, zal het balgdoek een statische trekkracht van meer dan 650 kn/m ondervinden. Indien dezelfde vermenigvuldigingsfactor (4,75) als voor Ramspol toegepast wordt, komt de maximale trekkracht op meer dan 3100 kn/m. Dit is erg hoog. Ook al zijn er op dit moment reeds rubbersoorten op de markt die deze hoge belastingen kunnen weerstaan, blijft het vanwege de materiaalkosten belangrijk dat deze hoge ontwerpbelasting gereduceerd wordt. Dit kan gedaan worden door het traditionele ontwerp van de balgkering aan te passen. Aanpassen traditioneel ontwerp balgkering De vorm van de balg van Ramspol is zodanig ontworpen dat krachtafdracht in lengterichting van de balgkering voorkomen wordt. In een optimale situatie vindt de krachtafdracht alleen in omtreksrichting van de balg plaats. Om krachtafdracht in lengterichting te voorkomen moet de balg ter plaatse van de taludaansluiting genoeg bewegingsvrijheid hebben. De balg moet dus vrij kunnen vervormen ten opzichte van de zijtaluds. Voor de balgkering van Ramspol is deze bewegingsvrijheid gerealiseerd door het balgdoek in de lengterichting van de balg extra lengte te geven. Deze extra lengte is tevens benodigd voor het kunnen opbergen van het doek in een bodemkas. Een nadelig effect van deze verlening is de plooivorming en piekspanningen ter plaatse van de taludaansluitingen.

4 Een nieuw ontwerp is gemaakt voor een balgkering ter plaatse van de Maeslantkering waarin getracht is de vorm van de balg zodanig te verbeteren dat plooien en piekspanningen in het balgdoek zowel in opgeblazen als opgeborgen toestand gereduceerd zijn ten opzichte van de balgkering van Ramspol. Twee belangrijke randvoorwaarden voor het ontwerp zijn dat de balg vrij moet kunnen vervormen ten opzichte van de zijtaluds en dat de balg in een bodemkas opgeborgen kan worden. De vorm van de nieuwe balgkering is ellipsoïde boven de taluds en half cilindrisch in het middendeel, zie figuur 2. Tevens wordt een minder steil talud (30 i.p.v. 45 ) aangehouden. Figuur 2: De nieuwe balgkering (ellipsoïde boven de taluds en half cilindrisch in het middendeel) De ellipsoïde vorm van de balg en het minder steile talud zorgen ervoor dat plooien bijna niet voorkomen, waardoor de krachtafdracht bijna rechtstreeks in omtrekrichting plaats kan vinden. Dit voorkomt hoge piekspanningen in het balgdoek. Door de afwezigheid van (grote) plooien in het nieuwe ontwerp kan geconcludeerd worden dat de ontwerpbelasting lager is dan 4,75 keer de statische trekkracht. De lagere vermenigvuldigingsfactor zorgt ervoor dat de materiaalkosten gereduceerd wordt. De nieuwe vorm van de balgkering geeft de balg genoeg bewegingsvrijheid om krachtafdracht in lengterichting te voorkomen. Tevens heeft het balgdoek genoeg lengte om de balg in een bodemkas op te bergen. Figuur 3: Balgkering t.p.v. De Maeslantkering (gezien van boven)

5 kosten Zoals hiervoor geconcludeerd zal door het nieuwe ontwerp van de balgkering bespaard kunnen worden op materiaalkosten. Normaliter zijn de twee grootste kostenposten van de gehele balgkering het balgdoek en de fundering. Het balgdoek is een uniek element van het project en is vanwege de grote omvang geen standaard bouwmateriaal. Verwacht kan worden dat het aantal fabrikanten, die in staat zijn een dergelijke balgdoek te maken, beperkt is. Om deze redenen is het moeilijk om een nauwkeurige prijs voor het balgdoek te bepalen. Gebaseerd op gegevens uit het verleden (Ramspol) is een prijs van 1200 / m 2 vastgesteld. Het balgdoek dat vereist is voor de Nieuwe Waterweg moet hogere belastingen weerstaan en zou daarom duurder zijn. Voor nu wordt aangenomen dat de kosten van het balgdoek voor de Nieuwe Waterweg 2000 / m 2(1) bedragen. Een balg ter plaatse van de Maeslantkering heeft een lengte van ca. 500 m en een hoogte van ca. 25 m, waardoor het balgdoek een oppervlakte heeft van m 2. De kosten van één balgdoek komen hiermee op ,-. De conservatieve schatting van de levensduur van het balgdoek is minstens 25 jaar. Op basis van de ervaring met Ramspol en aanvullende periodieke destructieve sterktetesten is het misschien mogelijk om een levensduur van ongeveer 50 jaar van het balgdoek aan te tonen. Dit is een enorme kostenbesparing. Voorlopig wordt aangenomen dat de levensduur van het balgdoek 25 jaar is en de levensduur van de kering 100 jaar. Om deze reden zijn 4 balgdoeken nodig gedurende de verwachte levensduur van de kering. Zie Tabel 1 voor de kostenberekening van het balgdoek. Oppervlak balgdoek 25 yr Oppervlak balgdoek 100 yr Totale kosten balgdoek Balgkering Ramspol m m ,- Balgkering Nieuwe Waterweg m m ,- Balgkering Nieuwe Waterweg (2% rente per jaar) Tabel 1: Kostenberekening balgdoek m m ,- (2) Gebaseerd op de investeringen van Ramspol dekken de kosten van het balgdoek (in 100 jaar zonder prijsverhoging) 50% (3) van de totale investeringskosten. De kosten van het balgdoek in 100 jaar bedraagt ,- (4 x ,-), waardoor de overige investeringskosten neerkomen op ,-. Compensatie voor de mogelijke negatieve en milieueffecten van de aanleg van de kering is niet meegenomen. De totale investeringskosten voor de balgkering ter plaatse van de Maeslantkering met een levensduur van 100 jaar bedraagt bijna 900 miljoen euro ( , ,-). Zoals al eerder genoemd vergen balgkeringen nauwelijks onderhoud, waardoor de onderhoudskosten van de balgkering laag zullen zijn. Tevens zouden de kosten lager kunnen zijn door een langere levensduur van het balgdoek. De actuele constructiekosten van de huidige Maeslantkering bedragen 945 miljoen. Dit is exclusief vervanging van onderdelen, terwijl dit (gedeeltelijk) wel in de prijs van de balgkering inbegrepen zit. Hieruit kan geconcludeerd worden dat een balgkering economisch een aantrekkelijk alternatief is voor de huidige Maeslantkering. 1 Dunlop 2 Kosten balgdoek met rente: /m , /m , /m , /m 2 = Bouwdienst Rijkswaterstaat, Aandachtspunten Balgstuwen, (NIO-A-N-96085), July 1997

6 Conclusie Zoals al eerder aangegeven is een balgkering een innovatie stormvloedkering die naast technisch, ook economisch haalbaar is. Een groot voordeel van een balgconstructie is het minimaal benodigde onderhoud. Door het nieuwe ontwerp (ellipsoïde) van de balgkering vindt een betere krachtoverdracht in het doek plaats, wat zorgt voor minder hoge piekspanningen en dus voor een kleine vermenigvuldigingsfactor (<4,75) tussen de statische belasting en ontwerpbelasting, wat schaalvergroting meer haalbaar maakt. De betrouwbaarheid van de balgkering kan vergroot worden door o.a. het dubbel uitvoeren van de balgen, twee balgen naast elkaar plaatsen en een reserve doek op voorraad houden voor noodgevallen. Er kan geconcludeerd worden dat een ellipsoïde balgkering een goede optie is voor de vervanging van de Maeslantkering. Hieronder zijn enkele impressiebeelden weergeven. Figuur 4: Balgkering zonder water t.p.v. De Maeslantkering Figuur 5: Balgkering t.p.v. De Maeslantkering (gezien van de zijkant)

7 Figuur 6: Balgkering t.p.v. De Maeslantkering (water doorzichtig)