ONTWERP VOOR EEN SLUISDEUR IN VEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF

Transcriptie

1 3Z3zc9 2 ONTWERP VOOR EEN SLUISDEUR IN VEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF F.J. Klein Februari 2002 Afstudeercommissie: Prof. Dr. ir. J. Wardenier (voorzitter) ir. R. Abspoel (dagelijks begeleider) Ir. Van der Weijde (externe begeleider) Bouwdienst Rijkswaterstaat ing. H. Kolstein (VVK consultant) Ir. J.M.J. Spijkers (secretaris)

2 r VOORWOORD Dit rapport is geschreven in het kader van het afstuderen aan de Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen van de Technische Universiteit Delft. Het onderzoek is uitgevoerd onder begeleiding van de sectie Staal- en Houtconstructies van de subfaculteit Civiele Techniek en de Bouwdienst Rijkswaterstaat. In het kader van de ontwikkeling van onderhoudsarme en milieuvriendelijke waterbouwkundige kunstwerken voor de Bouwdienst Rijkswaterstaat is een ontwerp gemaakt van een sluisdeur in vezelversterkte kunststof voor de Koninginnesluis te Nieuwegein. Hierbij wil ik de afstudeercommissie bedanken voor hun inzet en begeleiding. Met name de heer Abspoel voor zijn dagelijkse begeleiding, de heer M. Ros van de Bouwdienst Rijkswaterstaat voor het helpen bij het vinden van informatie over het gedrag van VVK in water, doe heer R. Korn van ICCS voor zijn hulp bij de berekening in StaadPro en de heer F. Rob van Polymarin voor zijn bijdrage in de kostenberekening. Vanaf deze plaats wil ik mijn ouders bedanken voor de mentale en financiële steun die het mij mogelijk hebben gemaakt deze studie te doen. De gemeente Levend Water voor de steun in vriendschap en bemoediging. Boven iedereen wil ik God bedanken voor de mogelijkheid, die Hij mij heeft gegeven om deze studie te doen, de vrienden die hij rondom mij heeft geplaatst en de hulp, kracht en bemoediging die ik van Hem ontvangen heb tijdens mijn studie in Delft. Erik Klein Voorwoord - iii

3 P'i 2ft)O h:ut hoofdrapport richting liggen. De eigenschappen van het gehele pakket kunnen worden beïnvloed door een groter aantal legsels in één bepaalde richting te leggen. De CUR aanbeveling voor glasvezelversterkte kunststof geeft aan dat voor het verkrijgen van een goede spanningsverdeling tenminste 15% van het totale volume in elke hoofdrichting (00, 90 0, +451 en -451 ) moet worden gelegd. Er blijft dan nog 40% over om de stijfheid in een bepaalde richting te vergroten. Om gebruik te maken van dit voordeel is het verstandig om de belasting in een bepaalde richting af te dragen. Deze richting kan dan stijver worden gemaakt door een groter aandeel van het totale aantal vezels in deze richting te leggen. Om tot een ontwerp te komen zijn verschillende vormen voor de waterkerende beplating tegen elkaar afgewogen. Uit de krachtswerking volgt dat een aantal alternatieven sowieso een minder optimale oplossing zullen geven dan een ander alternatief. De overgebleven alternatieven zijn doorgerekend voor het opnemen van het positief verval. Bij het afdragen van de waterdrukken via trek- of drukkrachten in de beplating wordt de meest optimale doorsnede verkregen. Om de trekkrachten bij een op trek belaste plaat op te vangen is een stijf frame nodig. Het blijkt niet haalbaar een frame met voldoende stijfheid te verkrijgen in glasvezelversterkte kunststof. Bij het afdragen van de belastingen via druk in de beplating moet de doorsnede over voldoende stijfheid tegen knik beschikken. De stijfheid van de doorsnede kan gemakkelijk worden verkregen door de constructiedikte te vergroten door een relatief goedkoop kernmateriaal. Op deze wijze ontstaat een sandwich constructie van twee VVK platen met daartussen een constructieschuim. Na een afweging van de verschillende alternatieven blijkt dit alternatief het meeste te voldoen aan de doelstelling van het project. Dit alternatief is verder uitgewerkt. Bij het opnemen van de obstakelbelasting blijkt de sandwich niet in staat de belasting zelfstandig op te nemen. Om de belasting op te nemen wordt de deur verstijfd met een frame. VVK heeft niet voldoende sterkte om de dwarskrachten ter plaatse van de onderregel op te nemen en er moet een stalen frame worden toegepast. Door deze in de sandwich in te pakken is deze beschermd tegen water. In de berekening is uitgegaan van een volledige samenwerking tussen sandwich en staalprofielen. Om de krachten van de sandwich naar de koker over te brengen moet een boutverbinding worden toegepast, omdat een lijmverbinding niet volstaat. De gaten voor boutverbinding kan lekkage veroorzaken richting de stalen profielen, waardoor corrosie kan optreden. Hierdoor is niet duidelijk of de levensduur van de deuren nog wordt bepaald door de VVK. Door de eenvoudige vorm is de deur goedkoop te produceren. De deur is dermate goedkoop dat deze na een periode van 24 tot 34 jaar (twee onderhoudsbeurten aan de stalen deuren), goedkoper is dan stalen deuren. De vraag is echter of de levensduur van de deuren voldoende is om de deuren op de langere termijn goedkoper te laten zijn. 1. Inleiding -2

4 SAMENVATTING Stalen sluisdeuren worden tegen corrosie beschermd door een coating. De onderhoudskosten van stalen sluisdeuren nemen toe door de strengere milieueisen die door de overheid worden gesteld. Om deze reden is Rijkswaterstaat geïnteresseerd in ontwerpen van waterkerende constructies in onderhoudsvriendelijke materialen. Vezelversterkte kunststof (VVK) is een alternatief materiaal, dat voor het construeren van een sluisdeuren gebruikt kan worden. VVK is een materiaal dat binnen de Civiele Techniek steeds meer in de belangstelling staat. De laatste decennia is veel onderzoek gedaan naar de geschiktheid van VVK in waterbouwkundige constructies. Vezelversterkte kunststof wordt nauwelijks aangetast door het water en behoeft weinig onderhoudswerkzaamheden. De hogere investering voor de stichtingskosten kan hierdoor worden terugverdiend door lagere onderhoudskosten. Om de kosten van een deur in VVK met stalen deuren te vergelijken wordt uitgegaan van gelijke randvoorwaarden. Voor het ontwerpen van een sluisdeur in WK wordt daarom uitgegaan van een bestaande sluis. Een aantal afstudeerders hebben reeds een ontwerp gemaakt in een alternatief materiaal. Voor de stormvloeddeuren van de Koninginnesluis te Nieuwegein zijn reeds ontwerpen gemaakt in roestvast staal, aluminium en hout. De stormvloeddeuren worden daarom ook gekozen als uitgangspunt van dit afstudeerproject. De Koninginnesluis is een schutsluis met puntdeuren, die scheepvaartverkeer mogelijk maakt tussen de Lek en het Merwedekanaal. De hoofdfunctie van een sluisdeur is het keren van water. Daarnaast moet het mogelijk zijn om scheepvaartverkeer doorgang te verlenen Door de hogere materiaal- en fabricagekosten zijn de stichtingskosten van een sluisdeur in een alternatief materiaal vaak hoger dan in staal. Een alternatief materiaal kan qua totale kosten alleen concurreren met een stalen sluisdeur indien de onderhoudskosten gedurende de levensduur lager zijn. De doelstelling van dit afstudeerproject is een sluisdeur te ontwerpen in VVK en daarbij te streven naar minimalisering van de stichting- en onderhoudskosten. Om tot een optimaal ontwerp te komen moet rekening worden gehouden met de specifieke eigenschappen van WK. Er is een studie gedaan naar de materiaaleigenschappen van VVK en een studie naar reeds gemaakt ontwerpen van VVK in waterbouwkundige constructies. VVK wordt vaak toegepast wanneer een gunstige verhouding wordt verlangd tussen de mechanische prestaties en het eigen gewicht van een constructie. Bij sluisdeuren kan het lage eigen gewicht van WK juist voor problemen zorgen in verband met het opdrijven van de deur. Om de doelstelling te bereiken is gekozen voor het toepassen van glasvezel. Dit vezeltype heeft de beste prijs/prestatie verhouding van de voor VVK beschikbare vezeltypen. De glasvezels worden aangetast wanneer ze in contact komen met water. Om contact met water te voorkomen mogen de rekken niet groter worden dan 0,276%. In een studie naar het toepassen van WK in de Oosterscheldekering van Veraard blijkt dat met name polyester- en epoxyhars in aanmerking komen voor een toepassing in een waterbouwkundige constructie. Vanwege de lagere prijs van een polyesterhars wordt deze toegepast. Voor het verwerken van vezelversterkte kunststoffen zijn veel prod uctietech n ieken beschikbaar. De productietechniek heeft een grote invloed op de eigenschappen van de elementen. Om de omvang van het afstudeerwerk te beperken zijn de prod uctietech n ieken beperkt tot pultrusie en handlamineren. Bij pultrusie worden vezeidraden van rollen getrokken en door een harsbad geleid. Vervolgens worden ze door een matrijs getrokken die de vorm van het profiel bepaald. Door de prod uctietech n iek liggen de meeste vezels in de lengterichting van het profiel. De profielen zijn hierdoor erg geschikt voor het opnemen van normaalspanningen veroorzaakt door buiging en normaalkracht. Bij handlamineren wordt een constructie-element gerealiseerd door op een mal laag voor laag vezelpakketten te leggen. Voor het ontwerp is uitgegaan van legsels waarbij de vezels in één - 1.Inleiding-1

5 TIJ Delft INHOUDSOPGAVE 1 INLEIDD4G DOEL VAN HET AFSTUDEERWERK INLEIDING IN DE PROBLEMATIEK DOELSTELLING AANPAK DE STORM VLOEDDEUREN IN DE KONINGINT'4ESLUIS INLEIDING SITUATIESCHETS DE BESTAANDE DEUREN IN DE KONTNGJNNESLUIS MAATGEVENDE BELASTINGCOMBINATIES RANDVOORWAARDEN UITGANGSPUNTEN ONTWERPASPECTEN VVK INLEIDING BESCHRIJVING VAN DE MATERIAALEIGENSCHAPPEN FABRICAGETECHNIEKEN PULTRUSIE BEWERKEN VAN HET MATERIAAL VERBINDINGSTECHNIEKEN REPARATIE CONCLUSIES BESTAANDE ONTWERPEN VAN WATERKERINGEN IN VVK INLEIDING ONTWERP GLASVEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF SLUISDEUR- MUDDE ONTWERP EN REALISATIE VAN EEN PAAR DEUREN IN DE SPIERINGSSLUIS TE DORDRECHT - BOUWDIENST RIJKSWATERSTAAT EN DE SMOZ EEN SLUISDEUR IN VVK - LUKASSEN GLASVEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF SCHUIVEN IN DE OOSTERSCHELDE KERING - VERAART ONTWERP VAN DE OOSTERSCFIELDEKERING IN VEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF - VAN DER LAKEN CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN GENEREREN VAN ALTERNATIEVEN INLEIDING HOOFD-DRAAGSYSTEMEN VORMALTERNATIEVEN OPBOUWALTERNAT[EVEN CONCLUSIES GENEREN ALTERNATIEVEN TECHNISCHE HAALBAARHEID ALTERNATIEVEN INLEIDING UITGANGSPUNTEN MATERIAALEIGENSCHAPPEN HAALBAARHEID ALTERNATIEF 1A: REGELDEUR DJMENSIONEREN VAN DE REGELS HAALBAARHEID ALTERNATIEF 1B: RECHTE SANDWICH HAALBAARHEID ALTERNATIEF 2A: GEBOGEN PLAAT OP TREK HAALBAARHEID ALTERNATIEF 3B: GEBOGEN SANDWICH CONCLUSIES Inleiding - 3

6 8 ALTERNATIEF KEUZE INLEIDING HOOFDCPJTERIA HOOFDCRITERIUM STICI-ITINGSKOSTEN HOOFDCRITERIUM ONDERHOUDSKOSTEN CONCLUSIE DEFINITIEF ONTWERP INLEIDING NEGATIEF VERVAL OBSTAKEL BELASTING BEREKENING VAN DE SANDWICH IN STAAD SCFIEMATISERING VAN DE SLIJISDEUR IN STAAD DIMENSIONEREN BOVENREGEL BIJ NEGATIEF VERVAL POSITIEFVERVAL HETOPDRIJVENVANDEDEUR CONCLUSIES DETAILLERING INLEIDING DIMENSIONEREN VERBINDINGEN DETAILLERING ONDERREGEL DETAILLERING BOVENREGEL DETAILLERING ACHTERHAR SPUIGATEN AANVARING CONCLUSIES TOTALE KOSTEN INLEIDING TOTALE KOSTEN STALEN SLUISDEUR TOTALE KOSTEN KuNSTSTOF DEUR VERGELIJKING KOSTEN STALEN EN KUNSTSTOFFEN SLUISDEUR CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN CONCLUSIES AANBEVELINGEN LITERATUURLIJST BIJLAGEN Inleiding -4

7 TtJ Delft 1 INLEIDING De onderhoudskosten van stalen sluisdeuren nemen toe door de strengere milieueisen die de overheid stelt. Het onderhoud van een stalen sluisdeur bestaat in hoofdzaak uit het blank stralen van de deur en het opnieuw aanbrengen van een conserveringssysteem. Dit conserveringssysteem moet eens in de 12 tot 17 jaar opnieuw aangebracht worden. Door de strengere milieueisen zijn een aantal stoffen in het conserve ri ngssysteem niet langer toegestaan, waardoor de corrosieresistentie van de deur afneemt en de onderhoudsfrequentie toeneemt, hetgeen kostenverhogend werkt. Om deze redenen is Rijkswaterstaat geïnteresseerd in een ontwerpen in onderhoudsvriendelijke materialen. Door de hogere materiaal- en fabricagekosten zijn de stichtingskosten van een sluisdeur in een alternatief materiaal vaak hoger. Een alternatief materiaal kan qua totale kosten alleen concurreren met een stalen sluisdeur indien de onderhoudskosten gedurende de levensduur lager zijn. Vezelversterkte kunststoffen (VVK) is een alternatief materiaal, dat gebruikt kan worden voor het construeren van een sluisdeur. Vezelversterkte kunststof is een materiaal dat binnen de Civiele Techniek steeds meer in de belangstelling staat. De laatste decennia is onderzoek gedaan naar de geschiktheid van vezelversterkte kunststoffen in waterbouwkundige constructies. Vezelversterkte kunststof wordt nauwelijks aangetast door het water en behoeft nauwelijks onderhouds. De hogere investering voor de stichtingskosten kan hierdoor worden terugverdiend. De doelstelling van dit afstudeerproject is een sluisdeur te ontwerpen in vezelversterkte kunststoffen en daarbij te streven naar een minimalisatie van de som van de stichtings- en onderhoudskostenkosten. Door andere afstudeerders zijn reeds ontwerpen gemaakt in roestvast staal, aluminium en hout. Om een goede vergelijking tussen de verschillende ontwerpen te maken gelden voor elk ontwerp dezelfde randvoorwaarden. De randvoorwaarden zijn verkregen door uit te gaan van een bestaande sluisdeuren: de stormvloeddeuren van de Koninginnesluis te Nieuwegein. Het afstudeerrapport is als volgt opgebouwd. In hoofdstuk 2 wordt het doel van het afstudeerwerk geformuleerd. In hoofdstuk 3 staat een beschrijving van de bestaande situatie en de randvoorwaarden en uitgangspunten voor het ontwerp vastgelegd. In hoofdstuk 4 worden de materiaaleigenschappen van VVK beschreven en wordt aangegeven wat de gevolgen daarvan op een ontwerp in dit materiaal. In hoofdstuk 5 staat een samenvatting van ontwerpen van waterkeringen in VVK die in Nederland zijn verschenen. In hoofdstuk 6 worden alternatieven gegenereerd door de geschiktheid van constructievormen en doorsneden voor een sluisdeur in VVK te bekijken. In hoofdstuk 7 wordt door middel van handberekening een indicatie verkregen voor het gedrag van de ontwerpen uit hoofdstuk 6. In hoofdstuk 8 wordt beoordeeld welk ontwerp het beste aan de doelstelling voldoet en wordt een alternatief gekozen dat verder wordt uitgewerkt in hoofdstuk 9 en 10. Tot slot worden in hoofdstuk 11 de stichtings- en onderhoudskosten van het ontwerp bepaald, zodat een vergelijking met een stalen deur mogelijk is. In hoofdstuk 12 staan de conclusies die uit het onderzoek zijn getrokken. 1. Inleiding-5

8 TtJ Delft 2 DOEL VAN HET AFSTUDEERWERK 2.1 Inleiding in de problematiek Door strengere milieueisen nemen onderhoudskosten van koolstofstalen sluisdeuren toe. Hierdoor nemen ook de life cycle costs van deuren in staal toe en kunnen de life cycle costs van deuren in alternatieve materialen lager uitvallen dan die van stalen deuren. Life cycle costs worden opgesplitst in stichtingskosten, de kosten voor de bedrijfsvoering, onderhoudskosten en sloopkosten. Er zijn al een aantal studies gedaan naar de stichtings- en onderhoudskosten voor deuren in roestvast staal (RVS), aluminium en hout door afstudeerders aan de. In deze studies dienden de koolstofstalen stormvloeddeuren van de Koninginnesluis in Nieuwegein als referentie. Om de stichtings- en onderhoudskosten te minimaliseren, werd gekeken naar nieuwe concepten en vormen voor sluisdeuren in het betreffende materiaal. In eerder gemaakte ontwerpen waren met name de stichtingskosten van deuren in een alternatief materiaal aanzienlijk hoger dan voor koolstofstalen deuren. Een ontwerp in een alternatief materiaal zal slechts tot lagere life cycle costs leiden wanneer de kosten voor de bedrijfsvoering, sloopkosten en met name de kosten voor onderhoud lager uitvallen. Om de kosten van een deur in vezelversterkte kunststof (VVK) te kunnen vergelijken met de kosten van deuren worden ook hier de stormvloeddeuren van de Koninginnesluis als referentie gebruikt. In dit afstudeerwerk wordt gekeken naar de constructieve haalbaarheid van de deuren in VVK en minimalisatie van de stichtings- en onderhoudskosten. 2.2 Doelstelling Het maken van een ontwerp voor de stormvloeddeuren van de Koninginnesluis te Nieuwegein in vezelversterkte kunststoffen waarbij gestreefd wordt naar minimalisering van de stichtings- en onderhoudskosten. 2.3 Aanpak Om tot een ontwerp te komen wordt eerst een studie gedaan naar eerder gemaakte ontwerpen voor waterkeringen in VVK. Door de studie kan inzicht worden verkregen in de aspecten die een rol spelen bij het uitvoeren van een waterbouwkundige constructie in VVK. Aan de hand van verschillende vormen/concepten wordt een optimaal ontwerp gekozen dat verder zal worden uitgewerkt. Door een fabrikant te benaderen zal worden bepaald wat de stichtingskosten zijn van het ontwerp. Nadat inzicht is verkregen in de onderhoudskosten zal een vergelijking worden gemaakt met het bestaande ontwerp van de stalen stormvloeddeuren in de Koninginnesluis. 2. Doel van het afstudeerwerk - 6

9 ÇJ hoofdrapport Delft 3 DE STORMVLOEDDEUREN IN DE KONINGINNESLUIS 3.1 Inleiding Om een goede vergelijking te kunnen maken met traditionele stalen deuren wordt uitgegaan van sluisdeuren in een reeds bestaande situatie. In eerdere studies zijn ontwerpen gemaakt in RVS, aluminium en hout voor de stormvloeddeuren van de Koninginnensluis te Nieuwegein. Het ontwerp van kunststof deuren zal daarom ook worden gebaseerd op deze deuren. De bestaande stormvloeddeuren zijn van het type puntdeuren, de kunststof deuren zullen ook als puntdeuren worden ontworpen. De bestaande situatie ter plaatse van het sluishoofd geeft de randvoorwaarden voor het ontwerp. In paragraaf 3.2 wordt de situatie van de bestaande sluis beschreven. De werking en opbouw van de puntdeuren in de Koninginnesluis wordt kort beschreven in paragraaf 3.3. In paragraaf 3.4 staan de maatgevende belastinggevallen gebaseerd op de bestaande situatie. Tot slot volgt een opsomming van de randvoorwaarden en uitgangspunten in paragraaf 3.5 en Situatieschets Inleiding De Koninginnensluis te Nieuwegein is gelegen in de uitmonding van het Merwede kanaal in de Lek (zie figuur 3.1). De schutsluis is opgebouwd uit twee kolken en vier paar deuren (zie figuur 3.1). Het buitenhoofd aan de zijde van de Lek is dubbelkerend. Dit betekent dat de buitenste deuren (4) de hoogwaterstand opnemen en de binnenste deuren (3) het negatief verval. Het ontwerp van de buitenste deuren (4) in VVK is het onderwerp van dit afstudeerproject. Merwede kanaal Lek Figuur 3.1 Opbouw Koninginnensluis 2 De sluis heeft een totale lengte van 30.4 meter. De doorvaartbreedte bij het hoofd is 12 meter. Ter plaatse van het buitenhoofd ligt de bovenkant van de vloer op NAP m. en de bovenkant van de bestaande drempel op NAP m. De drempelhoogte bedraagt 0.25 m. Gezien vanaf de Lekzijde zijn over de lengte van het buitenhoofd achtereenvolgens 2 schotbalksponningen (5), stalen stormvloeddeuren (4) en houten ebdeuren (3) aangebracht. De diepte van de deurkassen bedraagt 800 mm. Met een deurhelling van 1:3 in gesloten toestand is de deurlengte circa 6.3 m. De totale deurhoogte is 10.0 m. Het bewegingsmechanisme van de deuren bestaat uit een hydraulische trek- en duwpers. 3. Stormvloeddeuren in de Koniriginnesluis - 7

10 3.2.2 Waterstandgegevens Aan de Lekzijde van de sluis zijn de volgende waterstandgegevens bekend: Hoogst Bekende Waterstand (HBW) : NAP m. Gemiddeld Hoog Water (GHW) : NAP m. Gemiddeld Laag Water (GLW) : NAP m. Laagst Bekende Waterstand (LBW) : NAP m. Maatgevend Hoog Water (MHW) : NAP m. Significante goifhoogte bij MHW (H) : 0.20 m. Ontwerp goifhoogte bij MHW : 0.30 m. Opwaaiing bij MHW : 0.00 M. Kerende hoogte : NAP+7.12m. Aan de zijde van het Merwedekanaal zijn de volgende waterstandgegevens bekend: Gemiddeld Hoog Water (GHW) : NAP m. Gemiddeld Laag Water (GLW) : NAP m Het schutbedrijf In het originele ontwerp van de sluis zijn waren deuren van hout. Deurpaar 4 fungeert ook als stormvloedkering en is in 1999 vervangen door stalen deuren. Doordat de deuren als worden gebruikt als stormvloedkering zijn ze hoger dan de andere deuren. Indien de waterstand op het Merwede kanaal lager is dan op de Lek worden de deuren 1 en 2 ôf 2 en gebruikt voor het schutten van de sluis (zie figuur 3.3). Merwede.. Lek Figuur 3.2 Het schutbednj! Als de waterstand op het Merwede kanaal hoger is dan op de Lek wordt getrapt geschut met de deuren 1,2 en 3, omdat de deuren 1 en 2 geen groot negatief verval kunnen keren (zie figuur 3.3). 3. Stormvloeddeuren in de Koninginnesluis - 8

11 Ar Merwede <anaal 11111ÏH:d-1-T. Lek Merwede kanaal Lek Figuur 3.3 Het schutbedrjf bij een negatief veival. De openingsfrequentie van deuren 1, 2 en 4 is 5000 keer per jaar (14 keer per dag). Dit is inclusief testen en onderhoud. Uit de waterstandsgegevens blijkt dat de gemiddelde waterstand in de Lek hoger is dan op het Merwede kanaal, zodat deur 3 niet zo vaak gesloten wordt als de deuren 1 en Huidige gebruik als hoogwaterkering Extreem hoge waterstanden op de Lek worden op dit moment middels een getrapte kering opgevangen. Bij waterstanden tot NAP m. vormen de stormvloeddeuren (4) de eerste trap en de deuren in het midden- of benedenhoofd (1 en 2) de tweede trap. Bij hogere waterstanden wordt een rij schotbalken (5) aangebracht, waarover dan eveneens een trap wordt gerealiseerd. Indien de waterstand NAP m. overstijgt wordt het waterstandsverschil over de schotbalken vergroot door het aanbrengen van een tweede rij schotbalken, een kleivulling tussen de twee rijen en een zeil aan de Lekzijde. Het niveau verschil over de verschillende trappen wordt in deze situatie middels pompen in stand gehouden. HwLek > NAP m. Er wordt niet meer geschut NAP+ 2.40m. < Hw:Lek < NAP m. Er wordt getrapt geschut met twee kolken Hw;Merwedekanaal < Hw;Lek <NAP m. Er wordt met een kolk naar keuze geschut HwMerwedekanaal > HwLek Niet de stormvloeddeuren worden gebruikt maar de ebdeuren 3. Stormvloecideuren in de Koninginnesluis - 9

12 3.3 De bestaande deuren in de Koninginnesluis Werking van de puntdeuren in de sluis De stormvloeddeuren moeten in staat zijn het verval over de deuren te keren. Naast deze functie moeten de deuren ook geopend kunnen worden, zodat scheepvaartverkeer mogelijk is tussen de Lek en het Merwedekanaal. De deuren draaien om de verticale as en zijn op twee scharnierpunten, een onderdraaipunt (de taats) en een bovendraaipunt (een pen met een halsbeugel) verbonden met de sluiswand. Bij traditionele puntdeuren is een keuze mogelijk tussen twee soorten draaipunten, te weten een vast draaipunt of een vrij draaipunt. De keuze voor een van beide uitvoeringen is bepalend voor de krachtsafdracht van de deur. Bij toepassing van een vast draaipunt worden de oplegkrachten volledig opgenomen door het boven- en onderdraaipunt. Het ontwerp van de deur wordt hier dan ook op afgestemd. De taats en halsbeugel worden zwaar uitgevoerd, omdat grote krachten worden overgebracht. De waterafdichting wordt verzorgd door aanslagen op de deur. Door speling in de halsbeugel toe te laten, kan de sluisdeur opgelegd worden op de aanslagen. Als de halsbeugel ruim om de hals geplaatst wordt, waarbij een speling van enkele millimeters voldoende is, zetten de aanslagen bij belasting door de waterdruk zich af tegen de sluiskolkwand. Hierdoor worden de oplegkrachten gelijkmatig via de achterhar op het sluishoofd overgebracht, zonder dat de draaipunten worden belast. De waterafdichting kan hierdoor worden gecombineerd met de oplegging tussen achterhar en sluiswand. Omdat ze fungeren als oplegging en afdichting moeten de aanslagen van constructief sterk materiaal gemaakt zijn. Meestal worden ze uitgevoerd in hout of rubber. Bij grote deuren worden voor de krachtsinleiding drukstoelen gebruikt in plaats van doorgaande aanslagen. Deze drukstoelen rusten op plaatselijke steunpunten in de sluiswand, bevestigt aan de slagstijl. Deze manier van opleggen wordt toegepast als de achterhar hoog en ongelijkmatig wordt belast. De deur mag dan niet tegen de slagdrempel steunen, omdat dan de spatkracht over het onderste gedeelte van de deur wegvalt en de achterhar niet meer over de gehele hoogte van de deur door het sluishoofd wordt gesteund. De waterafdichting aan de onderkant van de deur wordt verzorgd door de onderaanslag. Om toch een goede waterafdichting te verkrijgen, wordt de onderaanslag verend uitgevoerd. Bij de Koninginnesluis zijn in de huidige situatie vrije draaipunten aanwezig. Gezien de relatief zware opleggingen bij een vaste oplegging geniet de vrije oplegging over het algemeen de voorkeur. Bovendien is bij een vaste oplegging een stijf frame nodig, om de belastingen af te dragen naar de opleggingen. 3.4 Maatgevende belastingcombinaties Inleiding Bij het bepalen van de belasting op de sluisdeur is uitgegaan van de situatie ter plaatse van de Koninginnensluis te Nieuwegein. De belasting op de sluisdeur bestaat uit: Eigen gewicht Hydrostatische druk Golfbelasting Obstakelbelasting Het eigen gewicht van de deur is afhankelijk van het ontwerp en kan nog niet worden bepaald. De hydrostatische krachten worden veroorzaakt door het verval over de deur. De waarden voor de hydrostatische druk zijn overgenomen van het rapport van M.S. Krüse [LIT 1]. De 3. Storrnvloeddeuren in de Koningirinesluis - 10

13 TtJ Delft goifbelasting moet worden berekend volgens de TAW-richtlijn. In het rapport van M.S. Krüse staat dat de goifbelasting in rekening kan worden gebracht als een vergroting van de hydrostatische druk. De golfbelasting wordt opgeteld bij de hydrostatische druk die ontstaat bij een verval over de deuren. De obstakelbelasting wordt veroorzaakt doordat een obstakel, op de drempel van de deur, het sluiten van de verhindert. Omdat de belastingen niet tegelijkertijd optreden worden de belastingen, die tegelijkertijd op de deur werken, gecombineerd in belastingcombinaties. Belastingcombinaties Belastinggeval 1: positief ve,val Als de deuren van de sluis gesloten zijn moet het maximum positief verval door de deur opgenomen kunnen worden. Het maximum positief verval is gelijk aan 5.95 m (figuur 3.4). 6.25' = maatgevend hoog water 0.30k = minimum kolkpeil Belastinggeval II: negatief ve,val De beplating wordt door het maximum negatief verval op druk belast. Het maximum negatief verval is gelijk aan de golfbelasting van passerende schepen. Dit wordt in rekening gebracht door een negatief verval van 0.2 m (figuur 3.5) k max. schutpeil AH = 0.2 m. t.g.v. staande golf door passerende schepen. Figuur 3.4 Maximum positief verval. Figuur 3.b Maxi,num negatief verval. Belastinggeval III: Obstakelbelasting Een voorwerp dat bekneld raakt tussen de deur en de onderaanslag, op 1 meter afstand van het onderdraaipunt (figuur 3.6). Figuur 3.6 Obstakel belasting. 3. Storrnvloeddeuren in de Koninginnesuis- 11

14 TLJ Delft 3.5 Randvoorwaarden Natuurlijke randvoorwaarden - De maatgevende hoogwaterstand op de Lek is NAP +6,25 m. - De extra benodigde kerende hoogte i.v.m. golven is 0,3m. - De laagste waterstand op het Merwede kanaal is NAP +0,3m. Afmetingen van de sluiskolk - De breedte van de sluisdeurkolk ter plaatse van het buitenhoofd bedraagt 12 m. - De drempelhoogte van het buitenhoofd ligt op NAP 2,24 m. - Het bodemniveau van de drempel ligt op NAP 2,49 m. - Het bestaande aangrijpingspunt van het bewegingsmechanisme licht op 2500 mm vanuit het draaipunt en 300 mm onder de bovenkant van de deur. Constructieve randvoorwaarden - De constructie wordt uitgewerkt in Vezelversterkte kunststof - De kering moet voldoen aan de TAW-richtlijn voor waterkerende kunstwerken. 1 - Het maximaal optredend positief verval over het buitenhoofd bedraagt 6,25 m. 1 - De kerende hoogte bedraagt NAP +7,12 m. 3.6 Uitgangspunten Natuurlijke uitgangspunten - De deuren bevinden zich in zoet water. (In de bestaande situatie is sprake van brak water. Omdat voor de ontwerpen in RVS, aluminium en hout is uitgegaan van een zoetwater huishouding wordt met zoetwater gerekend.) Functionele uitgangspunten - De ontwerplevensduur bedraagt 200 jaar. - De totale kosten gedurende de levensduur van de sluis moeten geminimaliseerd worden. Constructieve uitgangspunten - Er moet een ontwerp gemaakt worden van een puntdeuren. - De deur is op de aanslagen opgelegd, de draaipunten worden bij hoogwater niet belast. - Bij het bepalen van de belasting wordt uitgegaan van de situatie ter plaatse van de Koninginnesluis te Nieuwegein. - Er worden geen eisen gesteld aan de doorbuiging van sluisdeuren, als uitgangspunt wordt gekozen voor een doorbuiging van 1/250 van de overspanning. Uitvoeringstechnische uitgangspunten - De deurkas mag worden aangepast - De drempelhoogte en vorm mogen worden aangepast. - Taats en ophangbeugel mogen worden vervangen. In Bijlage 1 staat een uitgewerkte berekening van de belastingen volgens de TAW-richtlijn 3. Stormvloeddeuren in de Koninginnesluis - 12

15 TIJ Delft 4 ONTWERPASPECTEN VVK 4.1 Inleiding VVK heeft materiaaleigenschappen welke duidelijk verschillen van de eigenschappen van traditionele bouwmaterialen uit de civiele techniek, zoals beton, staal en hout. Anders dan bij metalen stelt de constructeur zelf zijn materiaal samen en legt hiermee ook voor een deel de mechanische eigenschappen, kwaliteit, vormgeving en productie vast. Om de gunstige materiaaleigenschappen van VVK tot hun recht te laten komen in een ontwerp is het nodig om inzicht te hebben in de opbouw van het materiaal. In paragraaf 4.2 wordt beschreven uit hoe het materiaal is opgebouwd. De productiemethoden voor het maken voor een sluisdeur worden beschreven in paragraaf 4.3. En in hoofdstuk 4.4 wordt aangegeven op welke wijze verbindingen kunnen worden gerealiseerd. 4.2 Beschrijving van de materiaaleigenschappen Opbouw van het materiaal Figuur 4.1 Relatie stjfheid tot hoek spanningen met vezeloriëntatie 4. Ontwerpaspecten WK - 13

16 4.2.2 Vezelmaterialen De vezels bepalen de mechanische eigenschappen van een composiet. De vezels worden niet allemaal in dezelfde richting gelegd en vervolgens gemengd met een hars. Daarom zijn de zeer hoge mechanische prestaties niet zo extreem terug te vinden in het product. De meest meest toegepaste vezeltypen zijn: Glasvezels : Het goedkoopste type vezel. De mechanische prestaties van dit type vezel zijn duidelijk lager dan de prestaties van de andere typen. Koolstofvezels: Koolstof vezels leveren de beste mechanische prestaties, maar zijn ook het duurst. Aramidevezels: Een vezeltype met eigenschappen die tussen de bovengenoemde typen liggen. De prestaties van de vezeltypen staan tabel 4.1. Tabel 4.1 Belangrijkste eigenschappen van de vezels Vezel Soortelijke massa max. Temp. E-modulus Breukrek Pnjs/kg [103 kg/m 3 ] [C ] [Mpa} [%] [fi] Glasvezel ,5 3-4 Aramide 1, , KoolstofHT 1, , ! KoolstoflM 1, j 1, KoolstofHM 1, , De keuze voor een bepaald type vezel wordt met name bepaald door de eisen die het ontwerp stelt. Wanneer een lichte of slanke constructie moet worden vervaardigd liggen de duurder typen meer voor de hand. In het geval van de sluisdeur spelen gewicht en slankheid een minder grote rol. Van de bekende vezeltypen hebben glasvezels de beste prijs/prestatie verhouding. Aangezien het doel is de totale kosten van het ontwerp te minimaliseren wordt er gekozen voor het toepassen van glasvezels Matrixmaterialen De hars is dominerend voor de duurzaamheid (chemische resistentie) en bepaald de mechanische weerstand tegen schades en schadegroei (vermoeiing en delaminaties). De meest toegepaste harsen zijn polyester en vinylesters. De afstudeerder Veraart heeft een literatuur onderzoek gedaan naar de eigenschappen van verschillende harssoorten. Hij onderzocht met name de geschiktheid van de hars voor toepassing in de waterkering in de Oosterschelde. Bij de Oosterscheldekering is sprake van een milieu met zout water. In zijn rapport [LIT 2] concludeerde hij dat epoxy (EP) en onverzadigd polyester (UP) het meest geschikt zijn voor de toepassing van een waterkering, vanwege de goede verwerkbaarheid, de goede chemische resistentie en de lagere prijs ten opzichte van epoxy. Uit zijn onderzoek bleken bepaalde eigenschappen van thermoplasten ervoor te zorgen dat minder geschikt zijn voor toepassing in een waterbouwkundige constructie. Bij de productie van de kunststofsluisdeur in de Spieringsluis is ook gebruik gemaakt van een polyester. De bouwdienst heeft voor polyester gekozen vanwege de lagere prijs van het materiaal ten opzichte van epoxy, maar geeft wel aan dat het een iets grotere onzekerheid over het behalen van de beoogde levensduur van vijftig jaar geeft. Gezien de rol van de kosten in de doelstelling wordt gekozen voor het toepassen van polyesterhars in het ontwerp van de deur in de Koninginnesluis Ontwerpaspecten VVK - 14

17 ' hoofdrapport TIJ Delft Vezelversterkingsvormen Vezels komen uit een spinproces in een vorm van een bundel (roving). Deze rovings dienen als basis voor verwerking tot een van de onderstaande verwerkingsvormen. Weefsels : Geweven continue vezels. Breisel Gebreide continue vezels, de vezels liggen in een patroon als in een breiwerk. Legsels : Gestapelde Uni-directionele (UD-) lagen in verschillende richtingen. stiksels Glasmatten : Matten waarin vezels willekeurig liggen. In het ontwerp van de sluisdeur zal met name gebruik worden gemaakt van legsels, waarbij laag voor laag vezels in een bepaalde richting worden gelegd. Bij pultrusie liggen de meeste vezels in de lengterichting van de profielen Mechanische prestaties In paragraaf is reeds beschreven dat de sterkte van vezelversterkte kunststoffen met name afhankelijk is van de vezels en vezeloriëntatie. Om inzicht te krijgen in het verschil tussen het ontwerpen in VVK en traditionele materialen worden de prestaties van de materialen met elkaar vergeleken. In tabel 4.2 en 4.3 worden de prestaties van verschillende materialen vergeleken. Tabel 4.2 RVS constructie staal Hout K70 Aluminium HM koo lstof(ud)* Glas / oolvester (UD Stijfheids eigenschappen UD-laminaat vergeleken met staal trek 0 [N/mm2J trek 90"ff//mrn2J *Vezelvolume fractie van 45% en maximale rek glasvezels van 0,6% L druk 0 /NImm2j druk 9OJN/rnm2J Bij het ontwerpen van een waterbouwkundige constructie mag bij WK geen vezelbreuk optreden. De maatgevende rek is de rek waarbij dit optreedt is gesteld op 0,27% (CUR aanbeveling GVK). De opneembare spanningen worden daardoor een factor 2 Weiner dan in tabel 4.2 wordt aangegeven. Tabel 4.3 Sterkte eigenschappen UD-laminaat vergeleken met staal E-modulus 0 GpaJ E-modulus 90 GpaJ G GpaJ RVS Constructie staal Hout K70 16,7 1,3 1,25 AlumLnium HM koo lstof(ud)* ,2 13,5 - Glas / polyester (UD)* ,5 * Vezel volume fractie van 45% 60 4.Ontwerpaspecten WK 15

18 4.3 Fabricagetechnieken Voor het verwerken van vezelversterkte kunststoffen tot een halifabrikaat of eindproduct zijn een groot aantal technieken beschikbaar. De prod uctietech n iek heeft een grote invloed op de eigenschappen van de materialen. In de voorbespreking van het afstudeerwerk is aangegeven dat het onderzoek wordt beperkt tot laminaten en profielen gemaakt met de techniek van pultrusie. De beschrijving van de fabricage processen zal daarom beperkt worden tot deze twee technieken, waarbij er bij het produceren van een laminaat vanuit wordt gegaan dat er gebruik wordt gemaakt van productie methode van handlamineren. Handlamineren is een relatief goedkope techniek en er is reeds ervaring met het gebruiken van de techniek voor het maken van een sluisdeur Handlamineren Er wordt een enkelvoudige open mal gebruikt. Op de mal worden eerst een oplossingsmiddel en een gelcoat aangebracht Deze gelcoat is een harslaag die de kleur aan het product geeft en zorgt voor een mooi en glad oppervlak en bescherming biedt tegen aantasting door UVstraling en beschadigingen Het vezelpakket wordt hierna } laag voor laag handmatig in de mal gelegd Met een kwast of roller wordt elke laag bevochtigd met hars Door het toevoegen van versnellers en vertragers is de Figuur 4.2 Pnncipe van handlamineren verwerkingstijd van de hars vrij nauwkeurig te sturen. Het product moet tijdens het proces worden ontlucht, want luchtinsluitsels verzwakken het product. Het verdrijven van de lucht kan worden gedaan met speciale rollers. Voordelen De investeringen voor handlamineren zijn laag, er is slechts een enkelvoudige houten of kunststof mal nodig en eenvoudig handgereedschap. Door het handmatig inleggen van de vezels is de richting ervan te bepalen. Door hier in het ontwerp rekening mee te houden kunnen de gunstige eigenschappen meer tot hun recht komen en kan het materiaal optimaal benut worden. Door een ontwerp te maken dat voornamelijk op trek en druk word belast kunnen de vezels in deze richting worden gelegd en kan een sterke en stijve constructie worden gerealiseerd. Daarnaast zijn met deze productietechniek grote producten mogelijk. Nadelen Handlamineren is een arbeidsintensief proces. Door de open mal is de styreenemissie erg hoog bij het gebruik van polyesterharsen. Hierdoor zijn een afzuiginstallatie en beschermingsmiddelen voor de arbeiders noodzakelijk. Doordat uitharding plaatsvindt bij kamertemperatuur, is de cyclustijd relatief lang. Door de open mal heeft het product slechts aan één zijde een glad oppervlak. Tenslotte is de reproduceerbaarheid beperkt en is er kans op luchtinsluitingen, welke het product verzwakken. 4. Ontwerpaspecten VVK - 16

19 TIJ Delft 4.4 Pultrusie Pultrusie is een continu-proces voor de productie van profielen in allerlei soorten en maten. Continue vezels worden van rollen getrokken en door een harsbad geleid. Vervolgens worden ze door een matrijs getrokken, die de vorm van het profiel bepaalt. Uitharding vindt plaats in een verwarmd gedeelte van de matrijs. Voor grotere en complexere profielen wordt de hars in de matrijs geïnjecteerd. Het proces laat een grote variëteit aan profieldoorsneden, vezelmaterialen en harssystemen toe. Vanwege de productie methode liggen de meeste vezels in de langsrichting van het profiel. De profielen zijn hierdoor erg geschikt het opnemen van normaalkrachten en momenten, maar minder geschikt in het opnemen van dwarskrachten. Het is in beperkte mate mogelijk weefsels mat en vliezen in de doorsnede te verwerken. De constructie principes sluiten eenvoudig aan bij gangbare technieken voor staalconstructies. Figuur 4.3 Opstelling bij het pultruderen Voordelen Er is een hoog vezelvolumegehalte haalbaar (tot ca. 70%) en daardoor een hoge specifieke stijfheid en sterkte van de profielen. De productie is een continu proces met alle voordelen van goede kwaliteitsbeheersing. Met name de voor relatief goede maatbeheersing is een voordeel ten opzichte van het handlamineren. De techniek is geschikt voor alle soorten vezels, ook meerdere soorten kunnen worden gecombineerd. Een ander voordeel van pultrusie profielen is de lage prijs. Nadelen Door slijtage van de mal worden doorsnede afmetingen van de profielen groter. Bij een grote lengte aan profielen zal er dus sprake zijn van een maatafwijking. Voor grote wanddiktes is een lange uithardingtijd nodig, wat zich vertaalt in een lage productiesnelheid of een lange matrijs. Voor profielen met afwijkende maten moet een nieuwe matrijs worden gemaakt, waardoor de kosten voor dergelijke afmetingen hoger uitvallen. 4.5 Bewerken van het materiaal Vaak wordt het product verder bewerkt om het te verbinden of met andere onderdelen van de constructie. Het is goed mogelijk te boren in VVK, het met behulp van een frees te bewerken, te zagen of te snijden. De bewerkbaarheid hangt voor het grootste deel af van de vezeloriëntatie. 4. Ontwerpaspecten VVK - 17

20 TIJ Delft 4.6 Verbindingstechnieken De meest bekende technieken om de kunststof constructiedelen te verbinden zijn: Lijmverbindingen Mechanische verbindingen (bouten, schroeven, klinken en pennen). Hybride lijm-/mechanische verbindingen Ontwerpaspecten Iijmverbindingen in WK Bij het ontwerpen van Iijmverbindingen zijn er drie belangrijke aandachtsgebieden Pas de verbinding zo toe dat de krachten via afschuiving worden overgedragen. Lijmverbinding zijn niet goed in staat trek op te nemen. Op druk fungeert de lijm meer als "pakkingsmateriaal" Reduceer de afpelspanningen en piekspanningen door spanningsconcentraties Voorkom kruip N. 2<) MP Piekspannin gen Figuur 4.5 Spanningsverloop in Iijmverbinding De piekspanningen bepalen in hoge mate de sterkte van de lijmverbinding. De piekspanningen worden verlaagd door: - Een geringe stijfheidsprong in de verbinding. - Een dikke Iijmnaad; voor verbindingen die op sterkte worden ontworpen is het beheersen van de lijmnaaddikte belangrijk - Het verkleinen van de excentriciteit verlaagd de afpelspanningen. Kruip Kruip treedt op wanneer de schuifspanning hoog is over de gehele lente van de lijmnaad. Het kan dus worden voorkomen door een Iijmnaadlengte te kiezen waarbij de minimale schuifspanning laag is. Een grotere dikte van de lijmnaad en een slappe lijm verhogen de kruip. Een gelamineerde verbinding Een andere mogelijkheid om composieten te verbinden kan door een gelamineerde verbinding. De verbinding wordt gemaakt door niet uitgehard composiet materiaal op de verbinden onderdelen te lammeren en te laten uitharden. De hars vervult dan de functie van de lijm. 4. Ontwerpaspecten WK- 18

21 Al TtJ Delft Ontwerpaspecten boutverbindingen in WK Net als bij lijmen geld dat de verbinding op trek, druk of afschuiving kan worden belast. Bij trek wordt de belasting via dwarskracht op het laminaat overgebracht op de bout en vervolgens overgedragen op het andere laminaat. Bij schuifbelasting zijn er twee mogelijkheden voor het overdragen van de belastingen. De belasting wordt via vlaktedruk in het laminaat ingeleid, de bout wordt primair op afschuiving belast. De belasting wordt via wrijving overgebracht. Voorspanning van de bout is essentieel. Bij composieten wordt hiervan zelden gebruik gemaakt, omdat kruip in de dikterichting kan optreden. Figuur 4.6 Spanningen rondom een boutverbinding in WK De sterkte van de verbinding wordt bepaald door een aantal factoren: - Vlakte druk: Vlakte druk is afhankelijk van de gatpassing, de laminaatopbouw en de zijdelingse ondersteuning. De toelaatbare vlaktedruk wordt experimenteel bepaald. - Spanningsconcentratie rond een gat: Bij composieten is het gedrag anders dan bij metalen. De hoogte van de spanningsconcentratie is afhankelijk van de elasticiteitsmodulus en de glijdingsmodulus. Als de gatbreedte toeneemt neemt de spanningspiek evenredig toe. Bij een metaal vervormt het metaal plastisch als de belasting groter wordt dan de vloeigrens. Composieten hebben een bros breukgedrag en vanwege het ontbreken van plastisch gedrag zou worden verwacht dat bij het overschrijden van statische sterkte het laminaat breekt. Dit is echter niet het geval, vezelversterkte kunststoffen. Een gangbaar criterium is het dat op een bepaalde afstand van de gatrand de lineair elastisch berekende spanning de sterkte niet mag overschrijden (figuur 4.6) Hybride bout-lijmverbindingen De voordelen van een hybride verbinding ten opzichte van een lijmverbinding zijn: - De mechanische verbinding verzorgt voor de lijm de benodigde aandrukkracht. - De mechanische verbinding geeft het product direct voldoende sterkte en stijfheid om het product te hanteren. - De lijm kan ook dienen als vullaag voor het opheffen van maatafwijkingen of het vloeistof- of gasdicht maken van de verbinding. In civiele constructies zal vaak voor een combinatie van lijmen met een pen-gat verbinding worden gekozen. De bouten kunnen dan de pelspanningen reduceren. Er is onderscheid te maken tussen een verbinding met een dunne lijmnaad en een dikke lijmnaad. Bij dunne lijmnaad is de verbinding zeer stijf, de belasting overgedragen door de bouten is verwaarloosbaar. De bouten kunnen het lokaal falen van de lijmverbinding opvangen en meewerken bij het overdragen van een extreme belasting. Bij een dikke lijmnaad wordt wel vaak verondersteld dat de belasting wordt overgedragen door de bouten. De lijm fungeert meer als vulmiddel en pakking. 4. Ontwerpaspecten WK - 19

22 TtJ Delft 4.7 Reparatie Bij een beschadiging moet een constructie op gebouwd uit composieten in principe altijd kunnen worden gerepareerd. De reparaties kunnen goed worden vergelijken met de reparaties in houtconstructies. Zowel in hout als kunststof wordt de belasting gedragen door de vezels. Krachtsoverdracht tussen vezels vindt plaats door afschuiving van de lijmlaag of de hars. Zowel lijm als hars zijn gevoelig voor verontreiniging van het lijmvlak. Verschillen met hout zijn de grotere afschuiningen en het werken met een 'nat' systeem. Ten opzichte van hout kan is er een grotere vrijheid voor de vorm van de versterkingslaag. Bij reparatie is het van belang dat er in een schone omgeving wordt gewerkt en de omgevingscondities zoals temperatuur en vochtigheidsgraad kunnen worden beheerst. Bij hoogbelaste vezelversterkte kunststoffen moeten de laminaten extreem worden afgeschuind, zodat een zeer geleidelijke overgang ontstaat tussen het oude materiaal en het reparatiemateriaal. Hierbij moet worden gedacht aan een afschuining van 1:20 of meer. Bij de keuze en opbouw van het reparatiemateriaal is van groot belang dat dezelfde opbouw en vezeloriëntatie worden gebruikt. Diktesprongen moeten worden voorkomen, ingelamineerde stukken zullen daarom aan de rand altijd stapsgewijs verlopen. 4. Ontwerpaspecten VVK - 20

23 4.8 Conclusies Materiaalaspecten In de voorgaande ontwerpen van sluisdeuren in WK is gebruik gemaakt van door E-glasvezels versterkt kunststof als constructiemateriaal. Door de betere prijs/prestatie verhouding van dit type vezel ten opzichte van de andere typen wordt dit type in het ontwerp toegepast. Voor de hars wordt polyesterhars toegepast. Met name de lage prijs, goede verwerkbaarheid en de relatieve ongevoeligheid voor water maken deze harssoort het meest geschikt. De hars moet de vezels goed afdekken. In het geval van een aanvaring kan een kleine beschadiging ervoor zorgen dat de vezels bloot komen te liggen. Het is aan te bevelen hiervoor maatregelen te treffen en de mogelijkheden voor inspectie en reparatie in kaart te brengen Vorm aspecten De mechanische eigenschappen van het materiaal worden het beste benut wanneer het elementen worden belast evenwijdig aan de vezelrichting. Door voor de kromming / \\ een cirkelboog te kiezen, ontstaan bij een gelijkmatig verdeelde alzijdige belasting membraanspanningen in de plaat (figuur 4.7). De normaalspanning in de plaat volgt uit de ketelformule: N=q 0 R (4.1) Waarin: q0 = belasting; R = straal. De straal van de cirkelboog kan met vergelijking 4.2 bepaald worden: R 2 = L 2 +(R -h) 2 =>R =+ (4.2) 2 2h Waarin: R = straal; L = halve plaatoverspanning; h = hoogte van de kromming. Het is echter niet mogelijk om een dergelijk vorm met de techniek van pultruderen te realiseren. t qwater Figuur 4.7 Mebraanspannin gen N = q R 11, Fabricageaspecten Figuur 4.8 Grafisch verband Ren h Er is reeds aangegeven dat de ontwerpen in eerste instantie worden afgestemd op de productietechnieken handlamineren en pultrusie. Met kleine aanpassingen is het vaak wel mogelijk een andere techniek te gebruiken voor het maken van de benodigde elementen. Verbindingen zijn altijd kwetsbare punten in de constructie. Om een grotere zekerheid te verkrijgen over het functioneren van verbindingen op de lange duur zijn hybride boutlijmverbindingen aan te raden. De zwakke punten van de Iijmverbinding worden hier ondervangen door de bouten. 4. Ontwerpaspecten WK - 21

24 TIJ Delft 5 BESTAANDE ONTWERPEN VAN WATERKERINGEN IN VVK 5.1 Inleiding Om inzicht te krijgen in het toepassen van VVK in waterkerende constructies wordt een samenvatting gegeven van een aantal ontwerpen en gerealiseerde projecten. Aan de hand van deze studies kan inzicht worden verkregen in oplossingen en keuze overwegingen voor een ontwerp voor een sluisdeur in WK en wordt gebruik gemaakt van de reeds eerder opgedane kennis. 5.2 Ontwerp glasvezelversterkte kunststof sluisdeur - Mudde Samenvatting van het rapport Mudde heeft een ontwerp van een puntdeur uitgewerkt voor de Spieringssluis in Werkendam [lit 6]. Hij heeft drie concepten ontworpen waarvan hij één verder heeft uitgewerkt. De constructie van zijn ontwerp is opgebouwd uit gepultrudeerde profielen. De keuze voor het gebruik van pultrusie-profielen is voortgekomen uit: - Het economische voordeel van de lage productie kosten van pultrusie-profielen. - Modulariteit en flexibiliteit in het ontwerp en de uitvoering. - Breed potentieel toepassingsgebied voor de profielen. - Goede kwaliteitsbeheersing van het pultrusie-proces. Concept 1: Ontwerp opgebouwd uit damwandprofielen. De constructie is opgebouwd uit platen met de vorm van damwandprofielen, die op elkaar worden gelijmd. Om een voldoende stijve doorsnede te verkrijgen kunnen voor grotere belastingen meerdere platen op elkaar worden gelijmd. Om voldoende stijfheid in verschillende richtingen te verkrijgen wordt een nieuw toegevoegde plaat steeds onder een hoek van 900 gelegd ten opzichte van de plaat waarop deze bevestigd wordt (figuur 5.1b). Er zijn twee varianten gemaakt (figuur 5.1a), waarbij de hoofdrichting van de binnenste profielen in één variant horizontaal is en in de andere verticaal is. Uiteindelijk heeft Mudde besloten dit concept niet verder uit te werken, omdat het lastig is de profielen goed met elkaar te verbinden en de benodigde profielen een investering in een nieuwe matrijs vereisen. t r Figuur 5. Ib 3D doorsnede opbouw  Figuur 5. la Varianten concept damwandprofielen 5. Bestaande ontwerpen voor waterkeringenin WK- 22