Algemene projectomschrijving
Net als bij de bestaande sluizen zullen drie kamers achter elkaar worden aangelegd die de schepen van zeeniveau naar het 27 m hoger gelegen Gatunmeer brengen. De sluizen zijn 60% breder en 40% langer dan de bestaande sluizen en bestaan elk uit drie schutkolken waartussen steeds dubbele deuren worden geplaatst. In totaal dus acht deuren per sluizencomplex. Deze deuren moeten bestand zijn tegen enorme waterdruk, tegen eventuele botsingen van schepen en aardbevingen. Daarnaast moeten ze binnen vijf minuten open of dicht kunnen en voor 99,6% van de tijd beschikbaar zijn, wat grote gevolgen heeft voor het ontwerp en onderhoud. Om te voldoen aan de strenge en ongebruikelijke ontwerpeisen, waaronder de enorme hydraulische belasting, het voor een sluisdeur grote aantal belastingswisselingen (vermoeiing) de strenge eisen aan lekkage en eisen voor grote seismische belasting zijn in het ontwerp enkele innovatieve oplossingen opgenomen.
De dubbele, stalen deuren van de sluizen zijn 31 m hoog, ruim 57 m breed en 10 m dik. Ze wegen per stuk drieduizend ton en kunnen in een tijdsbestek van vijf minuten geopend of gesloten worden met een elektro-mechanisch aandrijfsysteem. De oude sluizen zijn voorzien van puntdeuren, maar de deuren in de nieuwe sluizen zijn roldeuren, die bij het openen en sluiten een horizontale beweging maken, haaks op de sluisas.
Bij het ontwerp van de sluisdeuren speelt een aantal zeer specifieke voorwaarden een rol. De intensieve scheepvaart maakt dat het Panamakanaal voor 99,6% van de tijd beschikbaar moet zijn, inclusief gepland en ongepland onderhoud. Het aandrijfsysteem van de nieuwe sluisdeuren is daarom bestand tegen het enkelvoudig falen van kabels, elektromotoren, tandwielkasten, koppelingen enzovoort. Voor het vervangen van (onderdelen van) de boven- en onderwagens van de sluisdeuren is per keer maar vier uur beschikbaar. Nu wordt er voor onderhoud bij de huidige sluizen met duikers gewerkt, maar in het nieuwe ontwerp kunnen de wielen van de onderwagen van bovenaf door de sluisdeur uit het water worden gelicht. Omdat de onderdelen een lange levensduur moeten hebben, is er veel aandacht besteed aan slijtage- en vermoeiingsberekeningen.
Een andere belangrijke eis voor het ontwerp is het bestand zijn van de sluisdeuren tegen aardbevingen. Het sluizencomplex aan de kant van de Stille Oceaan ligt pal boven twee breuklijnen in de aardkorst die met zekere regelmaat lichte maar ook zware aardbevingen kunnen veroorzaken. Ook moet rekening gehouden worden met schepen die de sluisdeuren per ongeluk kapot varen. Als de deuren grote schade oplopen, bestaat de kans dat de in het kanaal gelegen zoetwatermeren leeglopen naar de oceaan. Het duurt dan vele jaren voordat het meer weer gevuld is, een economische ramp voor Panama. In het ontwerp zijn daarom dubbele deuren opgenomen: bij calamiteiten keert de eerste deur het schip, de tweede keert het water.
Bij een aardbeving of aanvaring kan de belasting op de roldeuren extreem hoog worden. Om de boven- en onderwagens tegen overbelasting te beschermen is er een belastingbegrenzer ontwikkeld, een zogenoemde LLD: Load Limiting Device. Bij een te hoge belasting kan de LLD inveren en worden de verticale belastingen via de ‘poten’ van de deur doorgevoerd. Doordat de LLD bestaat uit een set voorgespannen schotelveren, zal compressie niet optreden tijdens normaal gebruik. Omdat de LLD zelfherstellend is, zal de deur na een aardbeving zijn originele positie weer innemen en kan de sluis direct in gebruik worden gesteld.
De sluizen moeten dus vrijwel permanent beschikbaar zijn en tegen flinke schokken van aardbevingen en schepen kunnen. Een derde strenge eis is dat de sluisdeuren maar zeer beperkt zoet water naar de oceanen mogen lekken. Dit zoete water, afkomstig uit het 27 m hoger gelegen zoetwatermerengebied Gatun, is van groot belang voor de drinkwater- en elektriciteitsvoorziening van Panama. Lekkage van het zoete water door een sluisdeur is beperkt toegestaan: een gemiddelde lekkage van vijf liter per meter per minuut en een maximale lekkage voor enig punt op de deur van tien liter per meter. De afdichting die lekkage tegengaat moet vijftien jaar meegaan, wat inhoudt dat de deur in die tijd 135.000 maal geopend en gesloten wordt. Gedurende die tijd moeten de seals aan alle strenge eisen blijven voldoen en mogen ze dus niet te veel slijten. Een door drukverschil geactiveerde afdichting biedt hiervoor de oplossing.
Om zo min mogelijk zoet water verloren te laten gaan, wordt bij het schutten van de schepen gebruik gemaakt van spaarbekkens. Deze spaarbekkens, drie naast elke sluiskamer, beperken het waterverlies tijdens het schutten met 60%. Door een deel van het water tijdens het schutten via deze bekkens te laten lopen, kan het worden hergebruikt.
Elk uur staat er beurtelings 0 tot 18 m waterhoogte verschil aan weerszijde van de deur. Dit betekent dat de deuren op vermoeiing worden belast en daar 250.000 cycli lang tegen moeten kunnen. In IJmuiden is dit 0 tot 5 m, eens in de tien jaar.
Bijzonder is ook dat er in het ontwerp rekening is gehouden met een capaciteitstekort van het kanaal in de verre toekomst. Zo is voldoende ruimte ‘over’ voor weer een nieuwe dubbele set sluizen. Het ontwerp van de zestien sluisdeuren is afgerond en de deuren zijn gebouwd in Italië en getransporteerd naar Panama.
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
Iedere sluisdeur bestaat uit verstijfde huidplaten aan boven- en benedenstroomse zijde. Deze platen worden aan elkaar verbonden en gesteund door stalen vakwerkconstructies, dekken uit verstijfde plaatvelden. Aan of nabij de onderzijde van de deuren is een gecompartimenteerde drijfkist aanwezig, bestaande uit verstijfde plaatvelden. De bovenrolwagen bestaat uit een verstijfd plaatveld met hieronder een frame, waarop de deur middels een aan de deur geboute console is opgelegd. De onderrolwagen is voorzien van een kolom waarop de sluisdeur aan bovenzijde is opgelegd. Beide rolwagens bewegen over de sluis gemonteerde railconstructies. De rails voor de onderwagen is gemonteerd op een samengestelde balkconstructie, waardoor dit geheel, bijvoorbeeld bij schade of voor onderhoud kan worden uitgehesen / vervangen. A-vormige stalen ophangframes in de sluishoofden kunnen worden uitgeklapt om de deur op te hangen voor onderhoud.
De aandrijving bestaat uit een lierconstructie, welke de deur met staalkabels open en dicht kan trekken.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
Het ontwerp van de sluisdeuren is afgestemd op de eisen van twee aardbevingsniveaus, te weten aardbevingen van niveau I (overwegend elastische vervorming, terugkeerperiode: 475 jaar) en van niveau II (plastische vervorming toelaatbaar, maar geen bezwijken, terugkeerperiode: 1000 jaar). De betreffende niveaus corresponderen met verschillende prestatiecriteria. De belangrijkste hiervan zijn
Niveau I-aardbeving:
¬– de sluisdeuren ondervinden geen blijvende schade;
– schade kan worden gerepareerd zonder dat de sluis uit bedrijf hoeft te worden genomen;
– de sluisdeuren functioneren na de aardbeving zonder onderbreking;
– verplaatsingen van de sluisdeuren en het sluishoofd blijven beperkt, zodat er geen lekkage optreedt.
Niveau II-aardbeving:
– de sluisdeuren mogen hun constructieve functie niet verliezen (niet instorten);
– er mag geen schade aan de funderingen van de constructie optreden;
– de sluisdeuren moeten volledig kunnen worden teruggetrokken in de deurkas voor reparatie.
Eén van de belangrijkste aspecten van een aardbevingsbestendig ontwerp is de hydrodynamische belasting. Dit is een gevolg van het feit dat de deuren zich onder water bevinden, waardoor de versnellingen die het gevolg zijn van aardbevingen niet alleen door de massa van de constructie zelf vermenigvuldigd worden, maar ook door het water in en bij de sluisdeur. De in aanmerking te nemen toegevoegde watermassa was zelfs zo'n tien keer meer dan de massa van een deur zelf. De aanwezigheid van water zorgt tijdens een aardbeving niet alleen voor hydrodynamische druk, maar heeft ook invloed op de dynamische eigenschappen van de constructie en verlengt de trillingstijd ervan. De interactie met water is daarom gemodelleerd met geconcentreerde toegevoegde massa die aan de huidplaten van de deur werd bevestigd. Er bleek nauwelijks informatie te bestaan over het hydrodynamische gedrag van stalen constructies die zich gedeeltelijk onder water bevinden. De bestaande theorieën, zoals de formules van Westergaard en Housner, zijn ontwikkeld voor hydrodynamische belastingen op betonnen stuwdammen bij halfoneindige waterbekkens. Om na te gaan of deze theorieën ook konden worden toegepast op stalen constructies, die relatief flexibel zijn, was uitgebreid onderzoek nodig. Hiertoe werden onder meer de volgende zaken ondernomen:
– om de verschillende methoden in kaart te brengen en met elkaar te vergelijken, werd advies ingewonnen van een wereldwijd panel van deskundigen;
– er werden diverse testen uitgevoerd op bestaande hydraulische constructies, zowel in het lab als op ware grootte;
-– de resultaten van dynamische analyses met de toegevoegde massa volgens Westergaard werden vergeleken met de uitkomsten van de Computational Fluid Dynamics-analyse met willekeurige Euler Lagrange-elementen om het vloeistofcontinuüm effectief in kaart te brengen.
Uit de genoemde onderzoeken bleek dat toepassing van de Westergaard-formule voor ontwerpdoeleinden geschikt en voldoende behoudend is.
Voor de dynamische analyse van de sluisdeuren werd gebruikgemaakt van zowel Response Spectrum Analysis (RSA) als Non-linear Time History Analysis (THA). Ten behoeve van de RSA werden de beschikbare locatiespecifieke (de sluizen aan de kant van de Atlantische Oceaan en die bij de Stille Oceaan) responsspectra toegepast. De spectrale waarden zijn hoger dan die van normale ontwerpspectra (de maximale grondversnelling is bijv. 0,52 g bij de rotsbasis voor het sluizencomplex aan de Stille Oceaan en bij een niveau I-aardbeving). Hieruit blijkt hoe strenge de eisen waren waaraan moest worden voldaan. Ten aanzien van een niveau I-aardbeving werd de RSA uitgevoerd met hetzelfde FE-model dat ook voor het statische en vermoeiingsontwerp werd gebruikt. Het dynamische gedrag van de sluisdeur wordt echter tevens beïnvloed door de interactie met de betonnen sluismuren, het niet-elastische gedrag van de oplegblokken, de bodemgesteldheid en de interactie tussen grond en constructie. Daarom werd tevens een THA uitgevoerd met een model waarin het sluishoofd en de fundering gecombineerd waren. De Panama Canal Authority (ACP) stelde voor de THA zeven time-histories van over de hele wereld beschikbaar, waarbij de schaal was afgestemd op de locatiespecifieke spectra. Ten aanzien van niveau II-aardbevingen werd een Push-Over-analysis uitgevoerd.
Om aan de ongekend strenge eisen te voldoen moest het ontwerpteam verschillende malen gebruikmaken van mechanische toepassingen uit andere vakgebieden, die niet eerder zijn toegepast bij het ontwerp van sluisdeuren.
¬– (Verticale) seismische belasting, lekkage van tanks en de aanwezigheid van zware voertuigen op de deuren, in combinatie met de grote variatie in waterniveaus, zorgden aanvankelijk voor een zware belasting van de onderwagens die worden gebruikt om de deuren te openen en te sluiten. Om de vereiste afmetingen van deze wagens te beperken is een belastingsbegrenzer ontwikkeld, het zogeheten Load Limiting Device (LLD). Bij overbelasting zorgt de LLD ervoor dat de maximale belasting van de wagens beperkt blijft, waardoor de robuustere staalconstructie van de sluisdeur de belasting direct naar de betonnen vloer van de sluis kan overbrengen.
– Om de zoetwatervoorraad van Panama te beschermen, mocht de lekkage niet meer bedragen dan gemiddeld 5 liter/meter afdichting/minuut. Hiertoe werd een speciaal afdichtings-/geleidingssysteem ontworpen, dat zorgt voor een soepele horizontale geleiding en een eenvoudige correcte installatie, terwijl wordt voldaan aan de strenge afdichtingseisen.
– Door het grote verschil in verval tussen naast elkaar gelegen sluiskamers moesten de kamers die vereist zijn om het bedrijfsgewicht te reduceren, aan de onderzijde van de deuren worden geplaatst. Om te zorgen voor een efficiënte en veilige verplaatsing van de deuren werd een speciaal drijfmechanisme ontworpen. Dit mechanisme, dat bestaat uit verwijderbare schotten en tijdelijke vaste ballast, zorgt ervoor dat de deuren zelfstandig en stabiel en rechtopstaand drijven.
– Op grond van het door ACP vereiste hoge beschikbaarheidsniveau moet onderhoud snel en efficiënt kunnen plaatsvinden. Dankzij speciale voorzieningen in de rolwagens aan de onderzijde van de deuren kunnen de wagens binnen de voorgeschreven vier uur, zonder stremming van het kanaal worden vervangen.
Detailontwerp en Definitief Ontwerp
De stap van ontwerp naar bouw vereist werkplaatstekeningen van elk detail. Doel van de Detailontwerpfase was om de lay-out van de verbindingsdetails af te ronden. De fabrikant van de deuren moest hierover immers beschikken om de werkplaatstekeningen te kunnen produceren. In de Definitief Ontwerp-fase werden alle verbindingen tussen vakwerken, verstijvers en kolommen onderverdeeld in een bepaalde vermoeiingsclassificering. In de Detailontwerpfase moesten alle knopen worden ontworpen en in detail worden geanalyseerd om te voldoen aan de vermoeiingseisen die tijdens het Definitief Ontwerp waren vastgesteld.
Hiertoe werden in eerste instantie de belastingen vastgesteld, waarbij gebruik werd gemaakt van gedetailleerde FEA-modellen die in FEMAP en/of ANSYS waren gemaakt. Om het aantal FEA-runs te beperken, waren de 400 knopen per deur onderverdeeld in 50 blokken met een vergelijkbare geometrie en belastingsomstandigheden. Elk van deze 50 unieke knopen werd vervolgens in detail gemodelleerd en geïntegreerd in het bestaande – ruwere – globale model van de deur. Hiermee werd de juiste interactie van de knoop en de rest van de deur in stand gehouden. Vervolgens werden diverse exemplaren van het globale model gemaakt, elk met een beperkt aantal gedetailleerde knoopmodellen. Op deze wijze werd de beschikbare computercapaciteit optimaal benut. Hierna volgde het meest tijdrovende onderdeel van het proces. Alle lassen en andere vermoeiingsgevoelige elementen moesten in een bepaalde vermoeiingsklasse worden ingedeeld. Op basis van de berekende belastingen werden de specifieke belastingen van de lassen vastgesteld, waarna werd nagegaan of de toelaatbare belasting voor het betreffende vermoeiingsdetail aan de hand van de van toepassing zijnde code niet werd overschreden. Met gemiddeld 100 te controleren lassen per knoop, 50 unieke knopen per deur en zes verschillende deurtypen moesten er in totaal maar liefst 30.000 lassen worden gecontroleerd. Om dit repetitieve proces te versnellen en fouten te voorkomen, werden diverse processtappen geautomatiseerd. Er werd een programma geschreven om de verbindingen tussen de verschillende platen in het FEA-model automatisch te herkennen. Dit programma zette de resultaten vervolgens om in speciale spreadsheets, waarin ook de verschillende belastingscomponenten, gegevens over het soort verbinding (kruis, T of haaks) en een afbeelding van de verbinding waren opgenomen. Nadat daar nog de omvang van de las, het soort las en de vermoeiiingsklasse van elk van de lassen aan waren toegevoegd, kon met de spreadsheets de verwachte cumulatieve schade (vermoeiing) aan het eind van de ontwerplevensduur worden vastgesteld.
Bijzondere aspecten uitvoering
De staalconstructie van de deuren is op drie verschillende locaties tot stand gekomen. Allereerst zijn panelen met verstijvers, knopen en delen van de vakwerken gefabriceerd, deze zijn over land naar de assemblage locatie getransporteerd, waar eerst secties zijn geassembleerd, welke vervolgens gestapeld en samengelast werden.
De complete deuren zijn vervolgens een voor een per ponton van de assemblage locatie naar Trieste getransporteerd en per vier op een groot offshore schip geladen, waarmee de oversteek naar Panama is gemaakt. In Panama zal voor een deel van de deuren een procedure worden omgekeerd aan het bovenstaande doorlopen omdat deze door het bestaande kanaal naar de Pacific-site moeten worden gebracht.
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
De sluizen zijn 60% breder en 40% langer dan de bestaande sluizen, door deze verbreding is het mogelijk voor schepen tot 55 meter breed om de waterweg en de sluizen te kunnen passeren. Dit betekend dat ook de grote Post-Panamax schepen het vernieuwde kanaal kunnen passeren. De deuren zijn ontworpen op een 50 jaar levensduur en de betonconstructies op 100 jaar.
