Algemene projectomschrijving
Het Twentekanaal met sluiscomplex Eefde is een belangrijke verkeersader voor de regio Twente. Het is een cruciale schakel in de logistieke as van waterwegen die het oosten en westen van Europa met elkaar verbindt. De sluis is al sinds 1933 in gebruik en was toe aan een grondige renovatie.
Het scheepvaartverkeer is de afgelopen decennia aanzienlijk toegenomen, waardoor de wachttijden voor het passeren van sluis Eefde fors opliepen. Met de aanleg van een tweede, grotere sluiskolk zijn er twee knelpunten tegelijk opgelost. Er is extra sluiscapaciteit gecreëerd om de wachttijden te verminderen en de bestaande monumentale sluiskolk is volledig gerenoveerd zonder veel overlast voor de scheepvaart. Met de aanleg van de tweede sluiskolk (de Noordersluis) naast de bestaande sluiskolk (de Zuidersluis) is de bereikbaarheid van het Twentekanaal dan ook aanzienlijk vergroot. De nieuwe sluiskolk biedt zonder beperkingen doorvaart aan schepen in de grote 5a-klasse. Dit zijn schepen van 110 meter lang en een maximale vaardiepte van 3,5 meter.
Opdrachtgever Rijkswaterstaat heeft het contract voor de aanleg van deze nieuwe sluiskolk en de renovatie van de bestaande sluis gegund aan bouwcombinatie Lock-to-Twente (L2T), een samenwerkingsverband tussen de bedrijven TBI - Mobilis – CroonWolter&Dros. Het contract voor dit werk is een DBFM contract (Design-Build-Finance-Maintain). L2T heeft naast de opdracht voor de nieuwbouw van de Noordersluis en de renovatie van de Zuidersluis ook de verplichting op zich genomen voor 27 jaar onderhoud van deze nieuwe Noordersluis en inmiddels ook de Zuidersluis.
De nieuwe tweede sluiskolk bij Eefde is sinds 20 april 2020 in gebruik.
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
Staalbouwer Hollandia Infra heeft in opdracht van consortium L2T het ontwerp, de fabricage en de ingebruikstelling van alle stalen keermiddelen in de nieuwe sluiskolk voor haar rekening genomen. Dit bestaat uit een innovatieve stalen segmentdeur voor het bovenhoofd, twee stalen puntdeuren voor het benedenhoofd, het aanvaarmechanisme en de aandrijvingen.
Het bestaande sluiscomplex heeft een monumentale status. Daarom is ervoor gekozen om de tweede sluiskolk te voorzien van keermiddelen die niet zichtbaar zijn boven het maaiveld. In plaats van hefdeuren in portalen wordt de nieuwe sluis daarom voorzien van een stalen segmentdeur en stalen puntdeuren.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
Het Twentekanaal wordt kunstmatig tien meter boven NAP gehouden met behulp van gemalen. Het hoogteverschil van het waterniveau tussen het kanaal en de IJssel kan hierdoor oplopen tot ruim acht meter. Bij eventuele calamiteiten met de sluisdeuren, zoals een aanvaring, zou een open verbinding kunnen ontstaan tussen beide waterwegen. Hierdoor kan het kanaal in twee dagen leegstromen in het achterland.
In het ontwerp is daarom gekozen om het bovenhoofd te voorzien van een stalen segmentdeur. Dit type keermiddel wordt doorgaans alleen gebruikt bij noodkeringen, omdat deze kering zelfs bij een zware belasting gesloten kan worden. Storm en zware stromingen zorgen voor een grote waterkracht op de deur. De radiale vorm van de deur zorgt ervoor dat de resulterende krachten allemaal door het draaipunt van de deur worden geleid, waardoor de deur met een relatief kleine zijwaartse kracht toch makkelijk bewogen kan worden. Dus ook bij een aanvaring of andere calamiteit met een open-kolk-situatie.
Constructief ontwerp
De techniek van een segmentdeur is niet nieuw. Het is wel voor het eerst dat een segmentdeur van deze omvang wordt toegepast in een Nederlandse schutsluis. Daarom zijn er ontwerp aanpassingen op maat gemaakt. Een segmentdeur als noodkering wordt sporadisch ingezet maar een sluisdeur opent wel tientallen keren per dag. Dit vroeg om specifiekere ontwerpeisen. De nieuwe volledig stalen segmentdeur weegt 50 ton, is 15 meter lang en 6 meter hoog. Het is een uit staalplaten samengelaste constructie.
De achterzijde is een vlakke plaat en de voorzijde is voorzien van een terug liggende tegenradius van de vulmossel. Deze platen hebben ongelijkzijdige hoekstaal verstijvers. Om het volume laag te houden is een schuine onderzijde voorzien. Elke 2,16m een inwendig schot, zo ontstaat een sandwich-constructie met grote torsie stijfheid zodat de aandrijving aan één zijde mogelijk wordt.
Doordat de constructie bestaat uit een holle afgesloten ruimte, heeft de deur veel opwaartse kracht in het water. Hierdoor zal de constructie geneigd zijn om te gaan drijven. Dat draagt positief bij aan de betrouwbaarheid en veiligheid tijdens een storing of andere calamiteit. De sluiskolk kan te allen tijde gesloten worden. De inwendige schotten zorgen voor onderling gescheiden compartimenten in de constructie, waardoor bij schade aan de deur door een aanvaring maar een gedeelte van de holle constructie vol met water stroomt. Hierdoor blijft de toename van de benodigde cilinderkracht beperkt en blijft het mogelijk om na een aanvaring met lekkage de sluisdeur te bedienen. Daar wordt gekozen om tijdens het nivelleren niet alleen het water onder de deur door te laten stromen, maar ook door openingen in de deels open deur zelf.
Een bijkomend voordeel van de gesloten constructie van de segmentdeur is dat alleen een conserveringssysteem aan de buitenzijde toegepast hoeft te worden, een keuze die positief bijdraagt tot economisch en veilig onderhoud.
Vanuit montage-eisen is het eigengewicht laag gehouden. Dit betekent dat de segmentdeur is opgebouwd uit een relatief dunne huidplaat met hoekstaal verstijvers. De sterkte is minder belangrijk in het ontwerp van deze deur, vermoeiing en stijfheid zijn de grootste uitdagingen in het ontwerp. Elke schutcyclus geeft een vermoeiingswisseling. De deur dient conform de uitvraag berekend te worden op een miljoen wisselingen. Dit reduceert de toelaatbare spanningen behoorlijk en vraagt ten aanzien van de detaillering geregeld doorlassingen.
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
Robuust en betrouwbaar systeem
Het nivelleren van een sluis gebeurt gewoonlijk met behulp van openingen in de keermiddelen die geopend en gesloten kunnen worden. De segmentdeur wordt op een kier gezet om de sluiskolk vol te laten lopen. De deur is daarbij uitgerust met een zogeheten ‘vulmossel’ (een soort uitsparing in de radiale wand) waardoor het water zeer gecontroleerd de kolk instroomt. Tevens is de constructie volledig afgesloten. Het inwendige volume zorgt middels opwaartse kracht dat zelfs bij storing aan de aandrijvingen de deur toch gaat drijven en de kolk daarmee deels afsluit. Deze methode draagt bij aan een eenvoudiger en tegelijkertijd robuust en betrouwbaar systeem.
Afdichting
De combinatie L2T is de eerste 27 jaar verantwoordelijk voor het onderhoud. De segmentdeur beweegt en dicht af langs stalen ingestorte sponningen. Bij elke deurbeweging glijden kunststof afdichtingen langs een kwart cirkel en weer terug. Aan het einde van levensduur zijn er vele kilometers afgelegd. De vaak toegepaste rubber afdichtingen slijten te snel en daarom is gekozen voor polyurethaan. Dit materiaal is sterker dan rubber en heeft een lagere slijtage factor.
Om de aandrukkracht tijdens bewegen laag te houden is gekozen voor een “self activating seals”. Door het water middels poorten naar de achterzijde van de afdichting te leiden wordt deze onder druk van de hoogwaterzijde van de deur tegen de drempel wordt aangedrukt.
Nieuwe hybride aandrijftechniek
Indien de deuren toch worden aangevaren door een schip, dan zal ook het bewegingswerk ongewenst belast worden. Om schade aan het bewegingswerk zoveel mogelijk te voorkomen en daarmee reparatietijd te beperken, heeft Hollandia Infra gekozen voor hydraulische cilinders, omdat die beter overweg kunnen met stootbelasting. Hollandia Infra heeft Bosch Rexroth opdracht gegeven om een nieuwe hybride aandrijftechniek te gebruiken, een combinatie van een elektromechanische lineaire actuator en een klassieke hydraulische aandrijving. Het is wereldwijd de eerste toepassing van dit type cilinder binnen de civiele techniek.
Deze innovatieve elektro-hydraulische 3-kamer cilinders bestaan uit een compleet gesloten systeem waarbij de olie zich alleen beweegt tussen de verschillende kamers binnenin de cilinder. Hierdoor is tien tot twintig keer minder olie nodig en wordt de toepassing van een groot hydraulisch reservoir overbodig. Een compacte plug-and-play powerbox, met servomotor en hydraulische pomp bovenop de cilinder, brengt de cilinderstang in beweging. Dankzij dit ruimtebesparende concept hoeft de sluis niet voorzien te worden van een ruimte verslindende kelder met hydraulisch aggregaat. Bovendien is de nieuwe techniek 25 procent efficiënter ten opzichte van traditionele systemen en draagt de aandrijving zodoende bij aan het minimale energieverbruik van de sluis.
Paraplu-stand
Aangezien het Twentekanaal kunstmatig op dezelfde waterstand wordt gehouden, zal de radiale kant van de segmentdeur altijd onder water staan. Om de bolle zijde van de deur met daarop de afdichtingen te kunnen inspecteren en onderhouden is in het ontwerp een onderhoudsstand voorzien. Door de deurconstructie in de 90° kerende stand mechanisch vast te zetten, kan het stangenstelsel van de draaiarmen deels gedemonteerd worden. Daardoor kan de cilinder opnieuw uitgeschoven worden en rechtstreeks aan de deur worden gekoppeld. Door de cilinder nogmaals in te trekken en dus de slag van de cilinder nogmaals te gebruiken trekt de cilinder de deur in de 180° stand, de zogenoemde paraplu-stand, waarbij de deurconstructie volledig boven water uit komt.
Energiegebruik en verbruik tijdens bouw en gebruik
De belastingen tijdens de schutcyclus worden grotendeels bepaald door de opwaartse kracht van de gesloten deurconstructie. In de gesloten kerende stand wordt er aan de cilinder getrokken. Tijdens het bewegen naar de geopende stand toe, keert deze kracht echter om naar een drukkende kracht tijdens het nivelleren. Als de segmentdeur helemaal naar de geopende stand is gedraaid, is deze drukkende belasting bijna verdwenen en wordt de opwaartse kracht van het water voornamelijk opgenomen door de draaipunten. Zodra de deur vanuit de bodem terug draait naar de kerende stand ontstaat wederom een drukkende kracht.
Tijdens deze drukkende kracht is de functie van de cilinder een afremmende functie. De installatie van de aandrijving wekt energie op uit deze afremmende kracht. Deze terug gewonnen energie wordt teruggegeven aan het energienetwerk, hetgeen bijdraagt aan een milieuvriendelijke situatie.
