D12.331222 Notitie D12.331222 Bezoekadres : Galvanistraat 15 Postadres : Postbus 6633
Ingenieursbureau
3002 AP Rotterdam Website : www.rotterdam.nl Van : ir. A.A. Roubos Telefoon : (010) 4896681 Fax : (010) 4896159
Aan
: L. van Hengstum
Kopie aan
: M. Said
Datum
: 31 juli 2012
Betreft
: Belasting door aanvaring
Projectcode
: HT1694
E-mail :
[email protected]
Inleiding De voorliggende notitie gaat in op de vraag in hoeverre gedimensioneerd moet worden op belasting door aanvaring bij het ontwerpen van de inpakking van de pijlers van de uiterwaardbruggen van de Spoorbrug over de Waal te Nijmegen. Belasting door aanvaring Een aanvaring van een brugpijler in de Nevengeul kan gezien worden als een calamiteit. Bij een aanvaring van één van de brugpijlers mag de functionaliteit van de spoorbrug niet in gevaar komen. Daarom zijn te grote horizontale verplaatsingen of permanente/onherstelbare schade aan de pijler niet toelaatbaar. De kans op deze ongewenste gebeurtenis is sterk afhankelijk van de kansverdeling op een zekere aanvaring en de kans op het tijdelijk buitenbedrijf zijn van het spoor door een aanvaring. In algemene zin wordt opgemerkt dat bij de beschouwing van aanvaarbelastingen wordt uitgegaan van de op te nemen bewegingsenergie van het schip. Deze wordt in belangrijke mate bepaald door de massa en vaarsnelheid van de maatgevende scheepsklasse, en de mogelijke hoek waaronder de constructie door schepen kan worden aangevaren. Daaruit volgt dat de lay-out van de constructie een belangrijke bepalende factor is voor de overschrijdingskans van aanvaarbelastingen. Voorts kan worden gedacht aan mogelijke preventieve maatregelen in de vorm van bijvoorbeeld een aanvaarbescherming. Het effect van een aanvaring van zekere zwaarte op de horizontale verplaatsingen of de spanningen in de pijler kan door middel van (constructieve) berekeningen worden vastgesteld. Kans op aanvaring De kans op een aanvaring is sterk afhankelijk van de situatie en de lay-out van de constructie. Daar de nevengeul tussen de zomerdijk en de winterdijk gerealiseerd wordt en er normaliter geen vaarweg is, zijn een viertal bijzondere (belasting)situaties te onderscheidden: 1) Schip loopt uit het roer, vaart over de zomerdijk en raakt de pijler. 2) Schip vaart over de oostelijke drempel, passeert 2 bruggen en raakt de pijler. 3) Schip vaart door de westelijke uitlaat, passeert 2 bruggen en raakt de pijler. 4) Binnenvaart cruiseschepen in de nevengeul
Blad : 2/8 Datum: 31 juli 2012
1) Schip loopt uit het roer, vaart over de zomerdijk en raakt de pijler Het niveau van de zomerdijk is NAP+11,5m. Feitelijk verandert er qua belasting niets ten opzichte van de bestaande situatie. Als een schip, vanuit de Waal, over de zomerdijk vaart kan dit alleen bij een relatief hoge rivierafvoer en alleen wanneer de waterstand hoger is dan de zomerdijk. De waterstand is gedurende 5 à 6 dagen hoger dan NAP+11,5m en 1 dag per 4 jaar hoger dan NAP+12m. Het is dus niet mogelijk dat er een Groot Rijnschip of duwstel over de zomerdijk zal varen. De maximale diepgang van een schip over de zomerdijk is derhalve minder dan 0,5m. De kans dat EN een schip uit het roer loopt EN over de zomerdijk vaart EN de pijler raakt is dermate klein dat hier niet op ontworpen behoeft te worden. Daarnaast is er geen scheepvaart toelaatbaar bij een zeer hoge rivierafvoer vanwege aanvaring van en het effect van o.a. scheepsgolven op de primaire waterkeringen. 2) Schip vaart over de drempel, passeert 2 bruggen en raakt de pijler Het niveau van de drempel is NAP+10,5m. Dit betekent circa 1m lager ten opzichte van de het niveau van de zomerdijk van NAP+11,5m. Als een schip, vanuit de Waal, over de drempel vaart kan dit wederom alleen bij een relatief hoge rivierafvoer en dient de waterstand hoger te zijn dan de drempel. De waterstand is gedurende 17 dagen hoger dan NAP+10,5m en gedurende 5 à 6 dagen hoger dan NAP+11,5m. Het is dus mogelijk dat er een schip met een diepgang van maximaal 1,5m over de drempel vaart tijdens hoogwater. Het schip zal vervolgens 2 bruggen moeten passeren. Dit is een conservatieve benadering, omdat de diepgang van 1,5m mogelijk nog kleiner is. Bij hoge waterstanden is geen scheepvaart op de Waal toelaatbaar. De doorvaarhoogte in het midden van de Promenadebrug is circa NAP+15,50m. Daar de maximale waterverplaatsing zorgt voor de maatgevende aanvaarbelasting is een diepgang van 1,5m maatgevend. De totale hoogte boven de waterspiegel van het schip bedraagt daarom maximaal 3,5m in het midden van de Promenade brug. De minimale vrije hoogte boven de waterspiegel bedraagt ongeveer 4m van een volbeladen Groot Rijnschip. Dit betekent dat een Groot Rijnschip de Promenadebrug niet kan passeren bij een hoge rivierafvoer. Een duwstel heeft veelal een hogere stuurhut in vergelijking met een Groot Rijnschip en zal dus eveneens de Pomenadebrug niet kunnen passeren. Fysiek is het mogelijk dat pleziervaart de over de drempel kan varen. De kans dat er pleziervaart is in geval van hoge rivierafvoeren is gering.
3) Schip vaart door de westelijke uitlaat, passeert 2 bruggen en raakt de pijler Het niveau van de westelijke uitlaat bedraagt NAP+2,30m. Dit betekent veel lager ten opzichte van de bestaande zomerdijk. De kans dat een schip uit het roer loopt en precies door de uitlaat vaart is relatief klein. Een schip zal alleen met een bewuste manoeuvre door deze uitlaatopening kunnen manoeuvreren. Het is zeer onwaarschijnlijk, maar het is fysiek mogelijk dat een Groot Rijnschip of een duwstel door de uitlaat opening kan manoeuvreren. Dit kan zelfs bij een relatief lage rivierafvoer. Het schip zal vervolgens wel 2 bruggen moeten passeren, te weten de 2e Stadsbrug en de Citadelbrug. Hierbij vaart het schip tegen de stroom in, waardoor de relatieve snelheid ten opzichte van de bodem van de nevengeul afneemt. De doorvaarhoogte van de Citadelbrug is circa NAP+14,50m. Alleen bij een relatief
Blad : 3/8 Datum: 31 juli 2012
hoge waterstand is er beperkte doorvaarhoogte onder de citadelbrug. De waterstand is nagenoeg altijd hoger dan NAP+5,00m Hierdoor varieert de vrije doorvaarhoogte van de Citadelbrug tussen 9m en 2,5m. Het bovenstaande geeft aan dat het mogelijk is dat een Groot Rijnschip via de uitlaat opening de nevengeul in kan varen. Hierbij wordt opgemerkt dat de kapitein bewust deze manoeuvre in moet zetten. Het is aannemelijk dat de binnenvaartschippers de situatie bij de bocht te Nijmegen goed kennen en dat de kans op beroepsvaart in de nevengeul nagenoeg nul is. Ter zijde wordt opgemerkt dat langs de rivieroevers BPR bebording en betonnering toegepast wordt, hetgeen eveneens de kans op een invaart doet afnemen. Ten gevolge van het boven staande is de aanvaarbelasting in het Plaxis 3D model gemodelleerd. Zie de volgende paragraaf. 4) Binnenvaart cruisschepen in nevengeul Na overleg met ProRail is uitgesloten dat binnenvaart cruiseschepen gepland zijn. Daarom wordt bij het vast stellen van de aanvaarbelasting geen rekening gehouden met binnenvaart cruiseschepen. Dit dient geverifieerd te worden met RWS of Gemeente Nijmegen. Plaxis berekening aanvaarbelasting westelijke uitlaat Met behulp van Plaxis is een oriënterende berekening gedaan naar de effecten van een aanvaring. De inpakking van de fundatie van de pijler is middels diepwanden gemodelleerd. Om zicht te krijgen in de effecten van een aanvaring is gekozen om een conservatieve berekening te maken. Als deze berekeningsresultaten geen onherstelbare schade laat zien aan de brugconstructie behoeft geen remmingwerk voor aanvaring gemaakt te worden. Het maatgevende schip is aangenomen op een 6 baks duwstel. Dit is een van de grootste binnenvaartschepen op de Waal. De aanvaarbelasting van een dergelijk duwstel is hoger dan de belasting van een Groot Rijnschip. Het meest ongunstige aangrijpingsniveau van de aanvaarbelasting is vastgesteld op NAP+11,00m. Voor de aanvaarbelasting is conform NENEN 1991-7 17.000kN aangehouden. Voor een frontale aanvaring is uitgegaan van een dynamische vergrotingsfactor van 1,3. Het gunstige effect van het tegen de stroomrichting invaren bij hoge afvoeren is niet in rekening gebracht, omdat het niet altijd stroomt in de nevengeul (komberging). In het ontwerp van de Verlengde 2e Stadsbrug is uiteindelijk een controle berekening gemaakt voor aanvaarbelasting. Het lijkt erop dat de brug in eerste instantie niet ontworpen was op een aanvaring door beroepsvaart. Voor de controle berekening is rekening gehouden met een aanvaarbelasting conform de ROK van 26.000kN. De Eurocode geeft een maximale belasting in geval van een Groot Rijnschip van 8.000kN en een belasting voor duwvaart van 17.000kN. Het bovenstaande wijkt behoorlijk af van de 6.000kN die Movares noemt in de voorstudie. De berekende energie uit de ROK wijkt een factor 2 af van de energie die aangehouden is voor het ontwerp van de Erasmusbrug in Rotterdam. Derhalve wordt voor de oriënterende berekening uitgegaan van de belasting van 17.000kN uit NEN-EN 1991-7.
Blad : 4/8 Datum: 31 juli 2012
Door een frontale aanvaring van 22.100kN (17.000kN*1,3) van een 6 baks duweenheid wordt middels het 3D-Plaxis model een verplaatsing van circa 1à2cm ter plaatste van de diepwanden gevonden. De horizontale verplaatsing dwars op de lengte richting van de brug bedraagt 2à4cm. Zie de figuren uit bijlage 2. Door deze verplaatsingen ontstaat geen onherstelbare schade aan de brugconstructie. Of spanningen in het metselwerk van de pijler opneembaar zijn is nog niet gecontroleerd. Advies aanvaarbelasting De OVS00030-6-V004 vermeldt het volgende met betrekking tot “buitengewone belastingen veroorzaakt door scheepvaartverkeer”: ….In de Richtlijn Ontwerpen Kunstwerken (= ROK) van Rijkswaterstaat Technische Dienst zijn ook aanvullende specifieke belastingen gegeven, welke vanuit vaarwegen op kunstwerken werkzaam kunnen zijn. Deze belastingen zijn onafhankelijk van het kruisende kunstwerk. Deze aanvullingen moeten worden beschouwd voor door spoorwegverkeer belaste kunstwerken (of constructiedelen) welke een vaarweg kruisen….
De kans op een aanvaring van de uiterwaardbruggen door de beroepsvaart over de Waal is nagenoeg nul, omdat de nevengeul feitelijk geen vaarweg is. Gezien het bovenstaande is het normatief niet noodzakelijk te dimensioneren op aanvaarbelasting in de nevengeul. De kans op een aanvaring door beroepsvaart is zeer klein. Dit kan verklaard worden omdat de beroepsvaart in geval van een hoger rivierafvoer fysiek niet bij de uiterwaardbruggen van de Spoorbrug kan komen. Hierdoor kan de situatie dat een schip dat uit het roer loopt en de brugpijler aanvaart nooit opreden. Alleen door de westelijk uitlaat opening van de nevengeul is invaren mogelijk zelfs bij relatief lage rivierafvoeren. In dit geval moet de beroepsvaart bewust de uilaat opening invaren, hetgeen een relatief complexe manoeuvre is. De kans op het doel bewust invaren wordt daarom verwaarloosbaar klein geacht in geval van standaard BPR bebording en betonnering. Daarnaast kan er preventief bebording en verlichting op de brugconstructie(s) aangebracht worden. Gemeente Nijmegen heeft een risicoanalyse uit laten voren naar het effect van een aanvaring op de verlengde Stadsbrug. Hieruit kwam naar voren dat het risico relatief klein was. Bij deze analyse is geen rekening gehouden met het invaren van beroepsvaart de westelijke uitlaat van de Nevengeul. Deze situatie kan namelijk de maatgevende belasting (volbeladen duwstel) veroorzaken. Daarom is alsnog besloten om een controleberekening te maken met conservatieve uitgangspunten. Hieruit blijkt dat verplaatsingen van circa 3cm kunnen optreden en dat door een dergelijke aanvaring geen onherstelbare schade ten gevolge van deze verplaatsingen optreedt.
Blad : 5/8 Datum: 31 juli 2012
Het Ingenieursbureau Rotterdam adviseert bij het toepassen van een inpakking middels diepwanden geen losstaand remmingwerk toe te passen. Er kan wel voor gekozen worden houten gordingen aan te brengen op de betonschort om zodoende schade aan pleziervaart te voorkomen.
Blad : 6/8 Datum: 31 juli 2012
Bijlage 1 Waterstanden
Hoogteligging in het gebied
Gemiddelde overstromingsfrequentie
5 m NAP
360 dagen per jaar (= ligt 5 dagen droog)
6 m NAP
300 dagen per jaar (= ligt 60 dagen droog)
7 m NAP
50% van het jaar
8 m NAP
100 dagen per jaar, vooral november- maart
9 m NAP
50 dagen per jaar
10 m NAP
20 dagen per jaar
10,5 m NAP (huidige hoogte eiland/landtong)
17 dagen per jaar
11,0m NAP*
11,3 dagen per jaar
11,5m NAP*
5,6 dagen per jaar
12 m NAP (hoogte Waalkade + Waalveld))
Eens per 4 jaar
13,5 m NAP
Nog maar 2 keer in de historie
16 m NAP
Hoogste waterstand, inclusief storm, waarop het gebied nu wordt ingericht (1 x per 1250 jaar)
*) overstromingsfrequentie bepaald door lineaire interpolatie boven- en onderliggende waarde
Tabel 1: Waterstanden Waal Nijmegen
Blad : 7/8 Datum: 31 juli 2012
Bijlage 2 Plaxis
Blad : 8/8 Datum: 31 juli 2012
