Engineeren en modelleren van de civiele draagconstructies

Het concept van de zelfsluitende Vlotterkering^® bij de dijkversterking Steyl – Maashoek lijkt zo simpel: een betonnen bak die vol water loopt zodat het drijfelement met stalen klep autonoom omhoog beweegt en het kloosterdorp Steyl beschermt tegen hoog water. De praktijk blijkt weerbarstiger, gezien de beperkte ruimte, aanwezige fundaties van de bestaande keermuur, complicerende kabels en leidingen in de ondergrond, en nog vele meer. Dijkzone Alliantie schakelde Ingenieursbureau Maters en De Koning in voor het constructieve ontwerp van de civiele draagconstructies.

Maters en De Koning is bekend met het Limburgse landschap en eerder al betrokken bij de gebiedsontwikkeling Ooijen-Wanssum, ook voor Dura Vermeer. “Dijkversterking Steyl – Maashoek heeft in rolverdeling veel gelijkenis met dat project”, weet Maikel Bal, projectleider bij Maters en De Koning. “Wij zijn verantwoordelijk voor de engineering en modellering van het civiele gedeelte van de zelfsluitende Vlotterkering^®, een enorme betonnen bak van 130 meter lang, inwendig 2,5 meter breed en 4 meter hoog, die gefundeerd wordt op palen en een damwand. Wij zijn daarnaast een belangrijke schakel tussen de uitvoering, de geotechniek die Fugro grotendeels voor rekening neemt, en de stalen klep van Hollandia Infra.”

Poortconstructie

Het drijfelement met de waterkerende stalen klep zorgt voor een behoorlijk krachtenspel op de betonnen bakconstructie in hoogwatersituaties. “Het principe is niet eerder op deze schaal toegepast”, zegt Idde-Jan Terpstra, senior constructeur bij Maters en De Koning. “Er worden strenge eisen gesteld aan de vervorming en waterdichtheid. Er mag zo goed als geen (lek)water doorheen of te veel kwelwater onderdoor sijpelen. Dat laatste gebeurt nu wel bij de bestaande, op boorpalen gefundeerde keermuur waardoor het risico op piping aanwezig is. Daarom wordt in de nieuwe situatie gebruik gemaakt van een damwand en die heeft daarmee een dubbelfunctie: het afdragen van de krachten in de ondergrond en tegelijk een kwel- en pipingscherm.”

Vervorming

Het voldoen aan de eisen voor vervorming is volgens de heren uitdagend. Dwars door de kering heen loopt namelijk een oude kleigeul. “Deze ondraagkrachtige laag zorgt lokaal voor een veel grotere vervorming dan op de uiteinden van de lange bak waar de poortconstructies bovendien zorgen voor extra stijfheid vanwege de haakse opleggingen”, zegt Maikel. Idde-Jan vult aan: “Daarnaast hebben we te maken met een boringsvrije zone, de Venloschol (een waterafsluitende laag voor bescherming van drinkwatervoorziening in Limburg, red.), die veel uitdaging gaf in het ontwerp door het beperkte toegestane inbrengniveau van de funderingselementen. Aan ons de taak om de provincie mee te nemen in ons ontwerp en onze argumenten te presenteren om hier op een veilige manier mee om te gaan. Ook hierin weer ondersteund met analyses van Fugro.”

Geavanceerde 2D Plaxis-modellen

De unieke randvoorwaarden van het project hadden hun weerslag op het ontwerp van de fundering. De voor de hand liggende knoppen waar je normaal aan kan draaien, zoals het dieper zetten van palen of het toepassen van schoorpalen of een verankering om horizontale krachten op te vangen, waren hierdoor niet of beperkt mogelijk. Hierdoor was het noodzakelijk om met geavanceerde 2D Plaxis-modellen de interactie tussen palen, damwand en het naastgelegen talud te laten analyseren door Fugro.

Maters en De Koning heeft vervolgens de bakconstructie volledig doorgerekend in SCIA Engineer, gevoed met de Plaxis-resultaten van Fugro. Hierdoor zijn onzekerheden door het complexe gedrag van de variërende grondopbouw én de krachten van de stalen klep van Hollandia Infra op de betonnen bak in beeld gebracht en is een constructie ontworpen die minstens 100 jaar lang hoogwater kan keren. “Een dergelijke afstemming met onder andere twee verschillende rekenprogrammaturen maakt het project alleen rekenkundig al uniek”, vindt Maikel. 

Raakvlakken managen

Frans Moen, BIM-modelleur bij Maters en De Koning vult aan: “We hebben op voorhand goede afspraken gemaakt en een vast punt afgesproken om het model op te bouwen, zodat wij het Inventor-model van Hollandia Infra snel konden importeren in ons Revit-model. Dat geldt ook voor de AutoCAD-tekeningen van de landschapsarchitect en het kabel- en leidingwerk dat door de alliantie is voorzien.”

Alsof er nog niet genoeg raakvlakken zijn, wordt er ook nog een persriool in de directe nabijheid van de nieuw aan te leggen kering verlegd. “De mogelijke consequenties van het bezwijken van het riool, wat leidt tot een enorme erosiekrater, zijn in beeld gebracht. Vervolgens zijn in ons 3D-model de gevolgen voor de bakconstructie en fundatie in kaart gebracht. Voor deze en alle andere belastinggevallen hebben we een model gemaakt van de klep bij iedere waterstand, waarmee wordt aangetoond dat de kering bij iedere waterstand veilig functioneert. En zo zijn we dus een belangrijke schakel in heel veel verschillende onderdelen. Een rol die we graag op ons nemen.”