ONTWERP VOOR EEN SLUISDEUR IN VEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF

3Z3zc9 2

ONTWERP VOOR EEN SLUISDEUR IN VEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF

F.J. Klein Februari 2002

Afstudeercommissie: Prof. Dr. ir. J. Wardenier (voorzitter) TU Delft (dagelijks begeleider) TU Delft ir. R. Abspoel Ir. Van der Weijde (externe begeleider) Bouwdienst Rijkswaterstaat ing. H. Kolstein (VVK consultant) TU Delft Ir. J.M.J. Spijkers (secretaris) TU Delft

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

P'i 2ft)O h:ut

hoofdrapport

TU Delft

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, 900 , + 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

hoofdrapport

TU Delft

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

hoofdrapport

TIJ Delft

INHOUDSOPGAVE 1 INLEIDD4G ......................................................................................................................................................... 5 2 DOEL VAN HET AFSTUDEERWERK ........................................................................................................... 6 2.1 2.2 2.3

INLEIDING IN DE PROBLEMATIEK........................................................................................................................ 6 DOELSTELLING................................................................................................................................................... 6 AANPAK............................................................................................................................................................. 6

3 DE STORM VLOEDDEUREN IN DE KONINGINT'4ESLUIS ........................................................................ 7 3.1 3.2 3.3 3.4

3.5 3.6

INLEIDING .......................................................................................................................................................... 7 SITUATIESCHETS ................................................................................................................................................ 7 DE BESTAANDE DEUREN IN DE KONTNGJNNESLUIS ........................................................................................... 10 MAATGEVENDE BELASTINGCOMBINATIES........................................................................................................ 10 RANDVOORWAARDEN...................................................................................................................................... 12 UITGANGSPUNTEN ........................................................................................................................................... 12

4 ONTWERPASPECTEN VVK.......................................................................................................................... 13 4.1 4.2 4.3 4.4

4.5 4.6 4.7 4.8

INLEIDING ........................................................................................................................................................ 13 BESCHRIJVING VAN DE MATERIAALEIGENSCHAPPEN........................................................................................ 13 FABRICAGETECHNIEKEN .................................................................................................................................. 16 PULTRUSIE ....................................................................................................................................................... 17 BEWERKEN VAN HET MATERIAAL .................................................................................................................... 17 VERBINDINGSTECHNIEKEN............................................................................................................................... 18 REPARATIE ....................................................................................................................................................... 20 CONCLUSIES ..................................................................................................................................................... 21

5 BESTAANDE ONTWERPEN VAN WATERKERINGEN IN VVK ...........................................................22 5.1 INLEIDING ........................................................................................................................................................22 5.2 ONTWERP GLASVEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF SLUISDEUR- MUDDE............................................................22 5.3 ONTWERP EN REALISATIE VAN EEN PAAR DEUREN IN DE SPIERINGSSLUIS TE DORDRECHT - BOUWDIENST RIJKSWATERSTAAT EN DE SMOZ.............................................................................................................................25 5.4 EEN SLUISDEUR IN VVK - LUKASSEN .............................................................................................................29 5.5 GLASVEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF SCHUIVEN IN DE OOSTERSCHELDE KERING - VERAART.........................30 5.6 ONTWERP VAN DE OOSTERSCFIELDEKERING IN VEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF - VAN DER LAKEN................34 5.7 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN .................................................................................................................... 37

6 GENEREREN VAN ALTERNATIEVEN....................................................................................................... 38 6 .1 6.2 6 .3 6.4

6.5

INLEIDING ........................................................................................................................................................ 38 HOOFD-DRAAGSYSTEMEN................................................................................................................................ 38 VORMALTERNATIEVEN .................................................................................................................................... 40 OPBOUWALTERNAT[EVEN ................................................................................................................................ 43 CONCLUSIES GENEREN ALTERNATIEVEN.......................................................................................................... 47

7 TECHNISCHE HAALBAARHEID ALTERNATIEVEN ............................................................................. 48 7.1 7.2 7.3 7.4

7.5 7.6 7.7 7.8

INLEIDING........................................................................................................................................................ 48 UITGANGSPUNTEN MATERIAALEIGENSCHAPPEN .............................................................................................. 48 HAALBAARHEID ALTERNATIEF 1A: REGELDEUR.............................................................................................. 51 DJMENSIONEREN VAN DE REGELS ............................................................................................................... ...... 55 HAALBAARHEID ALTERNATIEF 1B: RECHTE SANDWICH .................................................................................. 59 HAALBAARHEID ALTERNATIEF 2A: GEBOGEN PLAAT OP TREK ........................................................................62 HAALBAARHEID ALTERNATIEF 3B: GEBOGEN SANDWICH............................................................................... 67 CONCLUSIES..................................................................................................................................................... 70

1. Inleiding - 3

hoofdrapport

TU Delft

8 ALTERNATIEF KEUZE ..................................................................................................................................72

8 .1 8 .2 8.3 8.4 8 .5

INLEIDING ........................................................................................................................................................ 72 HOOFDCPJTERIA ............................................................................................................................................... 72 HOOFDCRITERIUM STICI-ITINGSKOSTEN ............................................................................................................ 72 HOOFDCRITERIUM ONDERHOUDSKOSTEN......................................................................................................... 75 CONCLUSIE ...................................................................................................................................................... 76

9 DEFINITIEF ONTWERP ................................................................................................................................ 77 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

9.6 9.7 9.8 9.9

INLEIDING ........................................................................................................................................................ 77 NEGATIEF VERVAL........................................................................................................................................... 77 OBSTAKEL BELASTING ..................................................................................................................................... 78 BEREKENING VAN DE SANDWICH IN STAAD................................................................................................... 80 SCFIEMATISERING VAN DE SLIJISDEUR IN STAAD ........................................................................................... 83 DIMENSIONEREN BOVENREGEL BIJ NEGATIEF VERVAL..................................................................................... 87 POSITIEFVERVAL ............................................................................................................................................. 89 HETOPDRIJVENVANDEDEUR .......................................................................................................................... 89 CONCLUSIES..................................................................................................................................................... 91

10 DETAILLERING .............................................................................................................................................. 92 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

INLEIDING....................................................................................................................................................92 DIMENSIONEREN VERBINDINGEN................................................................................................................. 92 DETAILLERING ONDERREGEL....................................................................................................................... 96 DETAILLERING BOVENREGEL....................................................................................................................... 96 DETAILLERING ACHTERHAR ........................................................................................................................ 97 SPUIGATEN .................................................................................................................................................. 97 AANVARING ................................................................................................................................................. 97 CONCLUSIES ................................................................................................................................................ 97

11 TOTALE KOSTEN ........................................................................................................................................... 98 11.1 11.2 11.3 11.4

INLEIDING .................................................................................................................................................... 98 TOTALE KOSTEN STALEN SLUISDEUR........................................................................................................... 98 TOTALE KOSTEN KuNSTSTOF DEUR.............................................................................................................. 99 VERGELIJKING KOSTEN STALEN EN KUNSTSTOFFEN SLUISDEUR ................................................................100

12 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN ....................................................................................................... 101 12.1 12.2

CONCLUSIES .............................................................................................................................................. 101 AANBEVELINGEN....................................................................................................................................... 102

LITERATUURLIJST .............................................................................................................................................. 103 BIJLAGEN ................................................................................................................................................................ 104

1. Inleiding -4

hoofdrapport

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

hoofdrapport

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 TU Delft. 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

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 3.6. 3.2 Situatieschets 3.2.1 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 2

Figuur 3.1 Opbouw Koninginnensluis

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 - 2.49 m. en de bovenkant van de bestaande drempel op NAP - 2.24 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

hoofdrapport

TU Delft

3.2.2 Waterstandgegevens Aan de Lekzijde van de sluis zijn de volgende waterstandgegevens bekend: NAP + 5.79 m. (HBW) Hoogst Bekende Waterstand NAP + 1.57 m. (GHW) Gemiddeld Hoog Water NAP + 0.72 m. (GLW) Gemiddeld Laag Water NAP 1.50 m. (LBW) Laagst Bekende Waterstand NAP + 6.25 m. (MHW) Maatgevend Hoog Water 0.20 m. Significante goifhoogte bij MHW (H) 0.30 m. Ontwerp goifhoogte bij MHW 0.00 M. Opwaaiing bij MHW NAP+7.12m. Kerende hoogte :

:

:

-

:

:

:

:

:

:

Aan de zijde van het Merwedekanaal zijn de volgende waterstandgegevens bekend: NAP + 0.70 m. (GHW) Gemiddeld Hoog Water NAP + 0.30 m. (GLW) Gemiddeld Laag Water :

:

3.2.3 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

Figuur 3.2

..

Lek

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

hoofdrapport

Ar

TU Delft

Lek

Merwede
11111ÏH:d-1-T. Lek

Merwede kanaal

1 1 1

2

3 4

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 2. 3.2.4 Huidige gebruik als hoogwaterkering Extreem hoge waterstanden op de Lek worden op dit moment middels een getrapte kering opgevangen. Bij waterstanden tot NAP + 4.80 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 + 5.50 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 + 4.40 m. Er wordt niet meer geschut NAP+ 2.40m. < Hw:Lek < NAP + 4.40 m. Er wordt getrapt geschut met twee kolken Hw;Merwedekanaal < Hw;Lek HwLek maar de ebdeuren

3. Stormvloecideuren in de Koninginnesluis - 9

hoofdrapport

TU Delft

3.3 De bestaande deuren in de Koninginnesluis 3.3.1 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 3.4.1 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

hoofdrapport

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

Figuur 3.4 Maximum positief verval.

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). 4.40k max. schutpeil AH = 0.2 m. t.g.v. staande golf door passerende schepen. 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

hoofdrapport

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

TIJ Delft

hoofdrapport

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 4.2.1 Opbouw van het materiaal

Figuur 4.1 Relatie stjfheid tot hoek spanningen met vezeloriëntatie

4. Ontwerpaspecten WK - 13

hoofdrapport

TU Delft

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 [103 kg/m3 270 1,40 1,76 1,76 1,83 ]

Glasvezel Aramide KoolstofHT KoolstoflM KoolstofHM

!

max. Temp. [C°] 500 260 600 600 600

E-modulus [Mpa} 3.500 70.000-130.000 250.000 300.000j 380.000

Breukrek [%] 4,5 2,5-4 1,8 1,5 0,9

Pnjs/kg [fi] 3-4 35 50-65 100-200 100-200

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. 4.2.3 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.

-

4. Ontwerpaspecten VVK - 14

hoofdrapport

TIJ Delft

4.2.4 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. 4.2.5 Mechanische prestaties In paragraaf 4.2.2 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 Stijfheids eigenschappen UD-laminaat vergeleken met staal

'

L druk 0 °/NImm2j

druk 9OJN/rnm2J

trek 0 °[N/mm2J

trek 90"ff//mrn2J

RVS

680

680

680

constructie staal

510

510

510

510

Hout K70

42.0

0.9

45

13.5

Aluminium

260

260

260

260

HM k oolstof(UD)*

1100

50

700

45 -

210

60

Glas / oolvester (UD 210 60 *Veze lvolume fractie van 45% en maximale rek glasvezels van 0,6%

680

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 RVS - -

- 200

200 -

Constructie staal

210

210 --

Hout K70

16,7

1,3

AlumLnium HM k oo lstof(UD)*

- - 70 --

Glas / polyester (UD)*

141 - 35

G GpaJ

E-modulus 90 ° GpaJ

70 11,2 10

80 81 1,25 -

27 13,5 3,5

* Vezel volume fractie van 45%

4.Ontwerpaspecten WK 15

hoofdrapport

TU Delft

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. 4.3.1 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.


hoofdrapport

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.


hoofdrapport

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 4.6.1 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 Piekspannin gen

2<) MP

N. 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

hoofdrapport

A

l

TtJ Delft

4.6.2 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

De sterkte van de verbinding wordt bepaald door een aantal boutverbinding in WK 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). 4.6.3 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.


hoofdrapport

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.


hoofdrapport

TU Delft

4.8 Conclusies 4.8.1 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. 4.8.2 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: Figuur 4.7 (4.1) N=q 0 •R Waarin: q0 = belasting; R = straal. De straal van de cirkelboog kan met vergelijking 4.2 bepaald worden:

/

\\ t qwater

N = q•R Mebraanspannin gen

11,

(4.2) R 2 = L 2 +(R -h) 2 =>R =+ 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. 4.8.3 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.


hoofdrapport

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 5.2.1 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

Â Figuur 5. la

Varianten concept damwandprofielen

5. Bestaande ontwerpen voor waterkeringenin WK- 22

hoofdrapport

TLJ Delft

Concept 2: Frame opgebouwd uit profielen met een beplating. De constructie bestaat uit een beplating opgelegd op een frame van kokerprofielen. De beplating draagt de belasting af naar het frame van kokerprofielen, die de belasting verder afdragen naar de opleggingen. De profielen van het frame worden met elkaar verbonden door gelijmde verbindingen. De spatkrachten ter plaatse van de voor- en achterhar worden opgenomen door horizontale regels. Bij het assembleren van de deur moeten de profielen goed inelkaar passen. Dit stelt hoge eisen aan de maatvoering van de profielen. WK producten hebben over het algemeen iets grotere maatafwijkingen dan andere bouwmaterialen. De profielen zijn wel goed op maat te schuren, maar dit vraagt om een extra investering in arbeid. In figuur 5.2 staan schetsen van de constructie.

Figuur 5.2b Voorbeeld verbindingsdetail

Concept 3: Plaat verstijft met profielen: De waterkerende constructie is opgebouwd uit een plaat met verstijvingen op de achterzijde. De belasting van de waterdrukken wordt door een samengestelde constructie van de beplating met de verstijvingen in horizontale richting afgedragen naar de voor- en achterhar. De voor- en achterhar zijn uitgevoerd in U-profielen. Deze profielen verzorgen de verticale randverstijving. In eerste instantie werden de verstijvers op de beplating uitgevoerd in t-profielen. De profielen gaven de constructie echter niet genoeg torsiestijfheid bij een obstakelbelasting en er werd besloten de profielen te vervangen door kokerprofielen. In figuur 5.3 staat een schets van het concept.

Fiquur 5.3

Plaat verstijft met horizontale profielen

5. Bestaande ontwerpen voor waterkeringen in WK- 23

hoofdrapport

TU Delft

Op basis van onderstaande argumenten heeft Mudde gekozen voor concept 3: - Hoge mate van modulariteit van concept 3 ten opzichte van concept 1 en 2. - Het opdrijven van concept 2. - Het bevestigen van de scharnieren in concept 2 is lastig. - Het maken van nivelleeropeningen in de gegolfde platen van concept 1 is lastig. - Concept 1 is gevoelig voor bevriezing, de lijmvlakjes tussen de gegolfde panelen worden daardoor ongunstig belast. De stichtingskosten van de deur wordt in het rapport begroot op f1. 77.000. Dit is de helft van de kostprijs van een deur uitgevoerd in hout. Wanneer dit wordt vergeleken met andere bouwprojecten in WK blijkt dit aan de lage kant. De prijs van de sluisdeur is 20 gulden per kilogram. Bij de bouw van de Aberferldy footbridge (Schotland 1992) kwam men uit op hetzelfde bedrag, maar hierbij moet worden aangetekend dat de brug door studenten in elkaar is gezet en er dus niet gerekend is met kosten voor arbeidsuren. Een andere brug (Bondsmill liftbridge, Engeland 1994) is begroot op 55 gulden per kilogram, dit is twee keer de prijs van Mudde. Mudde heeft zelf ook geconcludeerd dat de stichtingskosten voor de deur waarschijnlijk te laag zijn. 5.2.2 Conclusie De keuze voor concept 3 is gebaseerd op een beplating verstijfd met 1-profielen. Na het toepassen van kokerprofielen is geen heroverweging gemaakt. Het toepassen van kokerprofielen zorgt voor een grotere waterverplaatsing en kan ervoor zorgen dat de constructie gaat drijven. Wanneer het concept wordt toegepast moet worden bekeken in hoeverre de voorzieningen moeten worden getroffen om opdrijven tegen te gaan. Het integreren van de plaat in de draagconstructie zal het materiaalverbruik verminderen. In het ontwikkelen van het concept is met name gekeken naar de produceerbaarheid van het concept. De krachtsafdracht van een gebogen deur zou echter gunstiger uitvallen. De kokerprofielen worden op afschuiving belast, hetgeen niet gunstig voor een pultrusieprofiel met veel vezels in de lengterichting. Mudde gebruikt het begrip modulariteit. Uit de tekst valt op te maken dat hij hiermee bedoelt dat het concept is opgebouwd uit modulen welke eenvoudig zijn te assembleren. Om de deur te laten concurreren met een conservatieve deur in staal of hout moeten de eventueel hogere stichtingskosten terugverdiend worden op de lagere onderhoudskosten. Uit de kostprijs berekening blijkt dat een alternatief opgebouwd uit gepultrudeerde profielen wel eens een concurrerende deur op kan leveren.


hoofdrapport

TU Delft

5.3 Ontwerp en realisatie van een paar deuren in de Spieringssluis te Dordrecht Bouwdienst Rijkswaterstaat en de SMOZ 5.3.1 Samenvatting Het project voor het maken van een sluisdeur in VVK is in 1995 gestart als initiatief van de Bouwdienst Rijkswaterstaat en een aantal Nederlandse bedrijven [lit 3]. Door het realiseren een waterbouwconstructie in WK trachtte men het toepassen van WK als duurzaam constructiemateriaal in de waterbouw te bevorderen. Er is gekozen voor een sluisdeur, omdat een sluisdeur een waterkerende functie heeft, een bewegend deel bevat en omdat een gedeelte van de constructie zich boven en een gedeelte zich onder water bevindt. De VVK deuren vervangen een paar houten sluisdeuren die een verval van 0,30 m keerden. Het ontwerp in WK is ontworpen op een toekomstig verval van 1,30 m. Er zijn drie ontwerpen gemaakt door verschillend fabrikanten van kunststof producten: 1. Alternatief Polymarin: sandwichconstructie. Het ontwerp van Polymarin bestaat uit een vrijwel vlakke sandwichplaat met rondom U-vormige verstijvingen. De sandwich wordt gemaakt van een schuimachtig materiaal met aan beide zijden plaat van glasvezelversterkte polyesterhars. Bij de fabricage kon daardoor gebruik worden gemaakt van een bekende productietechnologie, namelijk de techniek die wordt gebruikt voor het maken van zwembadbodems. Het is mogelijk de constructie in delen op te bouwen. Dit maakt het opschalen naar een grotere deur mogelijk. De vorm en eigenschappen van de sandwichconstructie hebben een aantal gevolgen voor het ontwerp. Door het lage gewicht kan de deur opdrijven. Door de rechte bovenkant is een loopbordes is gemakkelijk aan te brengen. Het aanbrengen van nivelleeropeningen is lastig, omdat de sandwich rondom de opening moet worden verstijfd.

Figuur5.4b

Doorsnede concept Polymadn

Figuur 5.4a Concept Polymarin


hoofdrapport

2.

TU Delft

Alternatief De Schelde: Deur opgebouwd uit gepultrudeerde damwandprofielen.

Het alternatief van de Koninklijke Schelde heeft dezelfde constructie als het concept 1 van Mudde. De kern van de constructie is opgebouwd uit twee keer twee lagen damwand profielen, die op deze manier in hoogterichting een aantal honinggraten vormen (zie figuur 5.1b). Aan de buitenzijde van deze platen worden dezelfde damwandprofielen gelijmd onder een hoek van 900 Zo ontstaat een constructie die stijf en sterk is in beide hoofdrichtingen. Door het gebruik van één type profiel is de productie eenvoudig. Ook de aansluitingen met het sluishoofd kunnen eenvoudig worden gehouden. Een nadeel van dit concept is het grote materiaalgebruik. Omdat het een demonstratie project van het toepassen van VVK in de waterbouw betrof werd het feit dat het geheel niet echt als een ontwerp in WK oogt als een nadeel gezien. De deuren beschikken in eerste instantie niet over voldoende afschuifstijfheid. Om de deur stijf te maken in deze richting kan een diagonaal worden aangebracht. Een andere mogelijkheid is de platen schuifvast aan elkaar verbinden. Vanwege productie technische redenen ligt een grote hoeveelheid vezels in de lengte richting van het profiel. Bij het pultruderen van doorsneden met grote afmetingen is er een eis dat er ook in de richting van de profiel-as een grote hoeveelheid vezelbundels nodig is om tijdens productie voldoende sterkte te hebben. Dit vereist een enorme rek voor de vezelspoelen en bovendien is er een grote en dure matrijs nodig, in combinatie met een grote trekinstallatie. De verbindingen tussen de "damwandprofielen" en tussen de profielen en de bevestigingspunten vereisen extra aandacht. Doordat de constructie niet waterdicht is kan water in de constructie bevriezen en kunnen bepaalde lijmlagen op trek worden belast. Dit geeft een grote onzekerheid over de duurzaamheid van de deur.


hoofdrapport

TU Delft

3. Alternatief Grontmij: gekromde sandwichconstructie.

Het alternatief van Grontmij bestaat uit een tweetal gekromde platen in VVK verbonden door een schuimkern. Door de specifieke vorm wordt het materiaal vrijwel uitsluitend in zijn vlak belast en ontstaan er geen buigende momenten van betekenis. Bij een positief verval over de sluis worden de deuren enkel op druk belast. Er ontstaat een drukboog, waarbij de krachtenlijn steeds binnen de constructie ligt. Door de optredende spatkrachten worden de deuren dichtgedrukt op de aanslagpunten, net als bij een traditionele puntdeur. Eventuele problemen met instabiliteitverschijnselen zoals knik en plooi worden op deze wijze omzeild. Bij een negatief verval worden de vezels in het laminaat op trek belast. Door de efficiënte wijze van construeren is een ranke en lichte vorm mogelijk. Voor de productie van dit ontwerp moet gebruik worden gemaakt van een gekromde mal. Doordat het een kromming in één richting betreft is deze eenvoudig te produceren. De

fl.S

f.....................

Figuur 5.6b Doonede van het concept van Grontmij

1

°°: Figuur5.6a

Het concept van Grontmij

kromming brengt met zich mee dat er extra aandacht moet worden besteed aan de detaillering. Voor een waterdichte aansluiting met de drempel op de bodem van het sluishoofd moet de drempel worden aangepast. Scharnierpunten kunnen eenvoudig worden aangebracht door stalen buizen in de onder en bovenzijde van de deur te lijmen en deze van een draaimechanisme te voorzien. De franse firma DCN heeft een zelfde concept ook toegepast voor een aantal sluizen in Frankrijk. Doordat de deuren voor een aantal sluizen met dezelfde afmetingen konden worden geproduceerd, konden de kosten voor een mal over een groot aantal deuren kon worden afgeschreven. DCN heeft in het ontwerp wel een aantal verstijvingen achter de plaat gemonteerd. De sandwichconstructie van Polymarin is verder uitgewerkt. De andere concepten zijn afgevallen. Het alternatief van de Schelde vanwege de reeds genoemde nadelen van het uiterlijk van het ontwerp, de onzekerheid van de duurzaamheid van de lijmverbindingen en het niet zeker zijn van een goed beheersbaar pultrusieproces. Het alternatief van Grontmij werd niet gekozen vanwege de aanpassing van de drempel, het niet zeker zijn van de lijmverbinding tussen plaat en schuim en omdat de variant in Stichting Materiaal Onderzoek in de Zee (SMOZ) verband toch als te hightech is beoordeeld.

5. Bestaande ontwerpen voor waterkeringon in WK- 27

hoofdrapport

TU Delft

Het concept van Polymarin is in een later stadium aangepast voordat het werd geproduceerd. De meest fundamentele wijziging is opgetreden in de constructievorm. In verband met de gevoeligheid bij aanvaringen van de sandwichdeuren en de mogelijke beschadiging bij het vriezen en dooien is opnieuw nagedacht over de vorm van het laminaat. In het uiteindelijk ontwerp is één van de zijden van de wand in de vorm van een damwand profiel uitgevoerd, waarbij de horizontale stijfheid wordt gewaarborgd door de 'golven" in hoogterichting. Door lammeren in plaats van pultruderen kan de plaat ook in dwarsrichting versterkt worden door vezels in die richting te leggen. Dit voorkomt ook problemen bij een eventueel grotere deur. Rondom is de plaat voorzien van een open verstijving, waaruit water direct kan wegstromen. De nivelleerschuiven worden eveneens met behulp van open profielen op de deur bevestigd.

5.3.2 Conclusies

Technische tekening van het uiteindelijke ontwerp voor de Spieringsluis.

Figuur 5.7

In de keuze voor een concept heeft de kostprijs niet de hoofdrol gespeeld. Met name het aantonen van de toepasbaarheid van WK in de praktijk en de zekerheid over het functioneren en de maakbaarheid van het ontwerp hebben bij het kiezen een grote rol gespeeld. Het toevoegen van de damwandprofielen laat zien dat er niet genoeg zekerheid was over het toepassen van een sandwichconstructie. In Frankrijk is een sandwich constructie reeds met succes toegepast (zie rapport Mudde [Lit 6 blz 24 ]). Het is dan ook zeker de moeite waard het alternatief van Grontmij opnieuw mee te nemen als mogelijke oplossing. Het feit dat de deur in Frankrijk is gerealiseerd, laat zien dat het concept wel degelijk maakbaar is.

-

5. Bestaande ontwerpen voor waterkeringen in VVK- 28

hoofdrapport

TIJ Delft

5.4 Een sluisdeur in WK - Lukassen 5.4.1 Samenvatting Het ontwerp van Lukassen heeft ongeveer dezelfde afmetingen als de deuren in de Koninginnesluis. Het verval verschilt echter nog wel aanzienlijk. Het ontwerp van de deur van Lukassen is ontworpen op een verval van 3 meter, terwijl over de stormvloeddeuren van de Koninginnesluis met een verval van 5,9 meter gerekend moet worden. Lukassen heeft gekozen voor glasvezel, omdat een de constructie niet "licht" geconstrueerd hoeft te worden, aangezien de deur eerder problemen heeft met opdrijven. Om tot een oplossing te komen is op drie niveaus ontworpen: - Globale vorm, gekromde vorm op trek, gekromde vorm op druk en een rechte deur op buiging. - De opbouw van de doorsnede. - De eenvoud van de details. In het rapport wordt met name ingegaan op de vorm van de deur en de gevolgen ervan op de doorsnede krachten. Een belangrijk uitgangspunt in het ontwerp van de constructie was de integratie van de waterkerende plaat en het frame. Voor het produceren van de beplating komen 3 methoden in aanmerking: - Hand-lay-up methode - R.T.M.-methode (lagedruk techniek) - Continue lammeren De meest gunstige krachtsafdracht wordt verkregen bij een op trek belaste gekromde vorm. De middenaansluiting van deuren met een dergelijke vorm wordt echter ook op trek belast waardoor een waterdichte aansluiting moeilijk kan worden gerealiseerd. De keuze voor de vorm blijft nu beperkt tot de op druk en buiging belaste alternatieven. Hierbij is een gekromde vorm op druk het meest gunstig voor de krachtsafdracht. Door een eenvoudige opbouw van de constructie te kiezen kunnen ook de details eenvoudiger worden ontworpen. De meest eenvoudige opbouw is de draagconstructie welke is opgebouwd uit een sandwich van twee WK-platen verbonden door een schuimkern. De platen worden met een hand-lay-up techniek vervaardigd. In figuur 5.8 staat een schets van de constructie. Bij de berekening van de constructie is uitgegaan van een model met vaste en één met vrije draaipunten. Bij het model met vaste draaipunten treden veel vervormingen op bij de harren. Door een stijve har in de constructie aan te brengen kan dit worden FiguurS8 Ontwerp Lukassen voorkomen. Het rekenmodel geeft een optimale krachtsverdeling bij een vrijdraaipunt met een boogvorm met een straal van 11,9 meter geeft en bij een vastdraaipunt met een boogvorm met een straal van 10,0 meter. Om opdrjven te voorkomen is het goedkoper ballast aan te brengen dan een zwaardere constructie toe te passen. De ballastkisten kunnen in de constructie worden gelijmd, wat natuurlijk wel extra kosten met zich meebrengt. De deur is niet berekend op torsiestijfheid, er wordt alleen aangegeven dat verticale stijlen deze torsiestijfheid kunnen vergroten. Reparatie kan plaatsvinden door het oplijmen van nieuwe beplating op de bestaande platen. 5.4.2 Conclusies De deur biedt een goed alternatief voor een deur in de situatie in de Koninginnesluis. De nadruk van het werk van Lukassen ligt met name op het kiezen van een concept en het bekijken van de 5. Bestaande ontwerpen voor waterkeringen in WK-29

hoofdrapport

TtJ Delft

haalbaarheid van dit concept. Er moet nog worden uitgezocht wat het effect van een nivelleeropening is op de spanningsverdeling in de plaat en hoe de constructie zich gedraagt bij een obstakelbelasting.

5.5 Glasvezelversterkte kunststof schuiven in de Oosterschelde kering - Veraart Naast ontwerpen voor sluisdeuren zijn er ook ontwerpen in WK gemaakt voor de schuifdeuren in de Oosterscheldekering. De afmetingen van de deuren verschillen wel duidelijk van de afmetingen van de stormvloeddeur in de Koninginnesluis. De breedte van de kering bedraagt ± 41 meter en de hoogte varieert tussen de 5,9 en 11,9 meter. Daarnaast verschilt het mechanicaschema van de kering met die van een puntdeur. Bij een puntdeur moeten de deuren

Mechanica-schema puntdeur

Figuur5.9

Mechanica-schema Schuiven

Mechanicaschema van puntdeur en schuiven

op elkaar afsteunen, terwijl de schuiven van de kering aan beide zijden worden ondersteund door een pijler (figuur 5.9). 5.5.1 Samenvatting De afstudeerder heeft in zijn rapport 4 draagconstructies gepresenteerd en één ervan verder uitgewerkt. Omdat VVK goed is in het opnemen van normaalspanningen heeft Veraart een schaalconstructie als uitgangspunt genomen voor z'n ontwerpen. In de eerste drie alternatieven heeft hij dan ook een schaalvorm op druk belast. Daarnaast heeft hij nog een alternatief waarbij het materiaal op buiging wordt belast, om inzicht te krijgen in de rol van het traagheidsmoment. Alternatief 1: De schuif is opgebouwd uit een tweetal platen. Een beplating voor het sluitgat welke met horizontale wanden vast zit aan een enkelgekromde schaal aan de voorkant. Door de horizontale wanden van gaten te voorzien, kan de constructie worden gevuld met water, waardoor het met minder kracht kan worden gesloten (de constructie drijft niet op). De vervalbelasting tegen de beplating voor het sluitgat wordt via horizontale wanden naar de schaal afgevoerd. De schaal is gebogen in horizontale richting (figuur 5.10). De membraanspanningen worden direct afgedragen naar de opleggingen, welke gevormd worden

-

Figuur 5. lOa Alternatief 1

hoofdrapport

TtJ Delft

door de pijlers. Deze membraanspanningen veroorzaken spatkrachten, die worden opgenomen door een inwendige' trekwand, die wordt gecombineerd met de beplating van het sluitgat. Alternatief 2: De constructie is opgebouwd uit twee platen, waarbij de plaat aan de voorzijde nu van een kromming om de horizontale as is voorzien. De wanden die de platen verbinden zijn nu dan ook verticaal. De boven- en onderrand van de schuiven moeten de krachten naar de opleggingen, de pijlers, afvoeren. Dit betekent dat de onder- en bovenrand van een stijve ligger moet worden voorzien. Aan de zijkanten wordt beplating aangebracht waaraan de bewegingswerken bevestigd worden. In figuur 5.11 staat een schets van de constructie.

Alternatief 3: De constructie is een combinatie van alternatief 1 en alternatief 2. De schaal heeft nu een kromming om zowel de horizontale als de verticale as. Hierdoor worden de membraanspanningen in zowel verticale als horizontale richting afgedragen. Dit betekent dat een deel van de belastingen direct wordt afgedragen naar de opleggingen en een ander deel wordt afgedragen naar de ligger in de boven en onderrand welke de belasting afdraagt naar de pijlers. In figuur 5.12 staat een schets van de constructie.

Figuur 5.12a Alternatief 1 (verticale en horizontale kromming)


hoofdrapport

TU Delft

Alternatief 4: Dit alternatief is opgebouwd uit 12 ronde buizen boven elkaar. De buizen hebben een straal van 0,5 meter. Aan de uiteinden van de buizen zit een zijplaat, zodat hier geen water kan passeren. Doordat de buizen recht zijn worden ze belast op buiging en kunnen ze worden beschouwd als een ligger op twee steunpunten. In figuur 5.13 staat een schets van de constructie.

Figuur £13a Alternatief 4

Figuur 5. 13a Alternatief 4 (gestapelde ronde buizen

De alternatieven zijn met elkaar vergeleken op 3 aspecten en op basis daarvan is ervoor gekozen alternatief 1 verder uit te werken. Belastingsafdracht: Alternatief 2 en 3 moeten voor de krachtsafdracht alsnog voorzien worden van de een ligger op 2 steunpunten. Hierdoor gaat de winst van een schaalvormig constructie element weer grotendeels verloren. Knik en antisymmetrische belasting: Bij alternatieven 1, 2 en 3 zijn de knikbelasting en de antisymmetrische belastingen maatgevend. Een groter traagheidsmoment geeft een grotere knikkracht en grotere weerstand tegen antisymmetrische belastingen. Productie: Bij alternatief 4 hebben de wanden van de buis een erg grote dikte nodig, wat bij de gekozen productiemethode met lagedruk techniek niet goed mogelijk is. De doorsnede van alternatief 2 en 3 verloopt in hoogterichting waardoor er gezien de twaalf verschillende hoogtematen minder standaardisatie mogelijk is. Door knik was de op druk belaste plaat was niet in staat om de drukkrachten op te nemen. De op druk belaste plaat werd vervangen door een buizenconstructie, waarbij 12 ronde buizen boven elkaar dezelfde functie als de gekromde plaat uitoefenen. De buizen hebben net als de plaat in alternatief 1 een kromming om de verticale as. Ze overspannen van pijler naar pijler. Door buizen met een straal van 1 meter toe te passen kan door het variëren van het aantal buizen boven elkaar gemakkelijk een passende hoogte voor elke schuif worden gemaakt. In figuur 5.14 staat een schets van de constructie.


hoofdrapport

Figuur 5.14a Uiteindelijk ontwerp

TtJ Delft

Figuur 5. 14b Uiteindelijk ontwerp doorsnede

In het rapport is duidelijk aandacht geschonken aan de materiaalkeuze. Voor de vezels is gekozen voor de E-glasvezel, omdat deze vezel de beste prijs/prestatie verhouding heeft. Uit een vergelijking van de eigenschappen van de verschillende harsen bleken UP (onverzadigde polyesterhars) en EP (epoxy) het beste aan de eisen te voldoen. Er is in dit rapport gekozen voor UP, omdat dit goedkoper is dan EP en omdat EP door de hoge viscositeit moeilijker te verwerken is. Door te kiezen voor harsinjectie kunnen de vezels in verschillende richtingen worden gelegd. Dat hiermee rekening is gehouden komt duidelijk in de ontwerpen naar voren. Dit is te zien aan het feit dat drie van de vier voorgestelde alternatieven voor een groot gedeelte op trek en druk worden belast. 5.5.2 Conclusie De verbindingen van de gebogen buizen op de op trek belaste plaat zijn niet verder ontworpen, maar het zal lastig zijn een dergelijke aansluiting in kunststof te realiseren. Het maken van een ontwerp met buizen had beter ontworpen kunnen worden met vierkante buizen. Vierkante buizen geven een groter traagheidsmoment op buiging, de meest grote en waarschijnlijk ook maatgevende belasting. Een op druk belaste boogvorm gemaakt van gestapelde buizen is wel een produceerbaar alternatief voor een puntdeur. Het zal wat betreft het materiaal gebruik en water verplaatsing niet kunnen concurreren met de andere ontwerpen en geeft het problemen met het maken van openingen.

-


hoofdrapport

TU Delft

5.6 Ontwerp van de Oosterscheldekering in vezelversterkte kunststof - van der Laken 5.6.1 Samenvatting Uit een studie naar mogelijke constructievormen zijn een viertal concepten voortgekomen: Grote gewikkelde buizen. De basis voor de constructievorm bestaat uit vierkante gewikkelde kokers. Er is uitgegaan van rechthoekige buizen met afmetingen van een van 3 meter bij 3 meter en afrondingen van 0,25 meter. Met dit ontwerp is het mogelijk de afmetingen van zowel de hoogste als de laagste schuif te bouwen. Rond de zijwanden van de buizen wordt een schaalvormig element geplaatst om de benodigde wanddikte voor de kokervorm zelf te beperken. De ruimte tussen de zijwand van de buis en de schaalvorm kan worden opgevuld. Zo kan voor de schuif een eventueel grotere massa verkregen worden om opdrijven tegen te gaan en minder last te hebben van dynamische belastingen. Aan de boven- en onderzijde van de buizen worden gaten aangebracht, zodat de buis vol kan lopen met water. In figuur 5.15 staat een schets van de dit concept.

Figuur 5.15b

Figuur 5.16b

Doorsnede concept 1

Doorsnede concept 2

Figuur 5.15a Bovenaanzicht concept 1


2. Boogvorm van buiselementen. Dit alternatief is opgebouwd uit een boogvorm van meerdere gewikkelde buizen boven elkaar. Uitgegaan is van gewikkelde buizen met diameters van een meter. Dit omdat de hoogte van de schuiven afgerond is op meters. De hoeken van de buizen zijn afgerond met een straal van 0,25 meter. De rechte zijde kan als verbindingsvlak van de gestapelde buizen dienen. De buizen aan de zeezijde zijn recht en aan de uiteinden scheef uitgesneden. In de kern van de boogvorm zijn verticale 'trekplaten" geplaatst. Deze zorgen voor een samenhang tussen de verschillende buiselementen. De plaatelementen zullen in een malvorm met de hand-lay-up methode worden geproduceerd. De buizen aan de zijde van de Oosterschelde (trekbuizen') zijn uit één stuk gemaakt voor de gehele overspanning. In figuur 5.16 staat een schets van dit concept.

5. Bestaande ontwerpen voor waterkeringenin WK- 34

hoofdrapport

TU Delft

3. Vakwerk met U-vormige wanden. De constructie is opgebouwd uit U-vormige plaatelementen aan de wanden van de schuif. In de kern van de wanden zijn gewikkelde buizen diagonaal geplaatst, zodat deze de dwarskracht af kunnen dragen. De flenzen van de U-vormen worden tevens benut als verbindingsvlak tussen de diagonaalbuizen en de wanden. Voor het noodzakelijk verband wordt in het buitenste U-vormige profiel een tegengestelde U-vormig profiel geplaatst, zodat een soort koker gevormd wordt. De ruimte tussen de twee U-vormige kan weer worden opgevuld om de verticale wanden te verstevigen. Figuur 5.17 geeft een schets van dit concept.

Figuur 5. 17b Doorsnede concept 3 Figuur 5.17a Bovenaanzicht concept 3

Figuur 5.18b Doorsnede concept 4


4. Sandwich opgebouwd uit plaatelementen. Deze variant bestaat uit een opbouw van plaatelementen, zowel bij de kern als bij de wanden. Zo zal de schuif uit drie basisvormen worden opgebouwd, namelijk twee randen en een kern. Gezien de grootte zullen de "Zvormen" in de kern los van elkaar geproduceerd worden. Eventueel is het mogelijk om de geprofileerde buitenwanden uit één stuk te vervaardigen. De ruimte tussen de profielen in de wanden kan volledig volstromen met water, wat dan kan dienen als buffer tegen golfklappen. Het nadeel is dat de plaatelementen waarschijnlijk een erg grote dikte moeten krijgen om de belasting op te kunnen vangen. In figuur 5.18 staat een schets van dit concept. In verband met de eenvoud, met als gevolg een laag aantal op te bouwen elementen en de hoogste bedrijfszekerheid, is er gekozen voor Concept 1. In het ontwerp zijn plaatselijk koolstofvezels toegepast om de benodigde stijfheid te verkrijgen. De afstudeerder 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.


hoofdrapport

Al

TiJ Delft

5.6.2 Conclusies De concepten zijn niet goed toepasbaar op de deur van de Koninginnesluis. De afmeting voor de productietechniek van wikkelen kan met de afmetingen van een sluisdeur niet worden gebruikt. Concepten met een vakwerk of een boogconstructie zijn door de hoeveelheid details kostbaar. Van der Laken heeft met name gekeken naar de haalbaarheid van het maken van een waterkerende constructie met een dergelijke afmetingen, met name de dikte van wanden van de constructie elementen. Dit speelt bij de Koninginnesluis echter een minder grote rol.


hoofdrapport

A.

TtJ Delft

5.7 Conclusies en aanbevelingen Materiaal In alle ontwerpen zijn glasvezels toegepast vanwege de prijs/prestatie verhouding van het vezeltype. De kosten van elk ander vezelmateriaal zijn onevenredig hoger dan die van glasvezel. Alleen wanneer eisen aan de stijfheid van het materiaal voor problemen zorgt wordt aangegeven dat het mogelijk is de constructie lokaal te versterken met een ander vezeltype (rapport van der Laken). Uit een literatuur onderzoek van Veraart blijkt dat UP-hars en EP-hars het beste aan de eisen voldoen den voor het toepassen in een waterkerende constructie in zout water. Deze beide type harsen blijken volgens de gegevens van zijn rapport ook het beste toepasbaar in de situatie van de deur van de Koninginnesluis. 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. De geschiktheid van de bestudeerde vormeniconcepten voor de Koninginnesluis. De beide ontwerpen voor de schuiven in de Oosterscheldekering hebben staan het verst af van de te ontwerpen sluisdeur. De afmetingen zijn dermate groot dat een vergelijking op dit gebied niet te maken valt. De waterkerende constructies hebben een andere ondersteuning en hebben daardoor ook ander eigenschappen. De ontwerpen zijn meer geschikt voor een hefdeur. Daarnaast is bij het ontwerpen van de schuiven rekening gehouden met het feit dat de deur in meerdere hoogte maten te gefabriceerd moet kunnen worden. Het ontwerp van de sluisdeur betreft echter een eenmalige productie. Het uitgewerkte ontwerp van Mudde geeft een goed alternatief voor de situatie in de Koninginnesluis. De belastingen en afmetingen in de situatie Koninginnesluis zijn weliswaar een factor 2 groter en er moet bekeken worden in hoeverre met standaard leverbare profielen een stijve constructie kan worden gerealiseerd. De constructie opgebouwd uit een frame van kokerprofielen kan wel eens een goede uitkomst bieden in het geval van een constructie met vaste draaipunten. De belasting kan dan direct naar de opleggingen worden afgedragen. Zoals reeds gezegd ligt het ontwerp van Lukassen, wat betreft de uitgangspunten het dichtst in de buurt van de te ontwerpen deur. De vormgeving is het meest afgestemd op een minimaal materiaalgebruik en de voordelen van WK worden hier het beste benut. De concepten voor de deuren in de Spieringsluis in Werkendam geven een aantal goede alternatieven. Als uitgangspunt diende echter sluisdeuren met beduidend kleinere afmetingen en een aanzienlijk kleiner verval. Met name het gerealiseerde ontwerp van Rijkswaterstaat is niet geoptimaliseerd op productiekosten. In dit rapport moet met name de financiële haalbaarheid van een kunststof deur worden onderzocht ten opzichte van een deur in een ander materiaal. Het concept Grontmij is in het geval van de Koninginnesluis wel geval goed in te passen, aangezien de reeds gemaakte ontwerpen in staal, hout en aluminium ook een boogvorm hebben.

- -


hoofdrapport

TU Delft

6 GENEREREN VAN ALTERNATIEVEN 6.1 Inleiding In de Koninginsluis wordt gebruik gemaakt van puntdeuren. Hierdoor zijn de posities van de scharnierpunten bekend. Het punt waar de deuren op elkaar aansluiten bevindt zich in het midden van het sluishoofd. De positie van de aansluiting in de lengte richting van de sluishoofd is nog niet bekend. Aan de hand van 2 hoofd-draagsystemen worden meerdere vormalternatieven gegenereerd. De vormalternatieven worden opgebouwd uit verschillende constructieelementen. Met een bepaalde combinatie van die constructieelementen kan een opbouwalternatief voor een bepaald vormalternatief worden gemaakt. De grootste krachten in de doorsneden ontstaan door het positief verval. Alle alternatieven worden in eerste instantie gedimensioneerd op het opnemen van deze belasting. 6.2 Hoofd-draagsystemen De plaats van het middenpunt heeft gevolgen voor de krachtsafdracht van de deur. Door de aansluiting van de deuren ten opzichte van de scharnieren meer richting de Merwede of richting de Lek worden te positioneren kunnen twee draagsystemen worden onderscheiden (figuur 6.1). Lek

Figuur 6.1 Hoof-draagsystemen voor puntdeuren

6.2.1 Hoofd-draagsysteem 1 De aansluiting van de deuren is gepositioneerd richting Merwedekanaal (figuur 6.1 links). De deuren worden ten gevolge van het positief verval opengeduwd. (figuur 6.2). Er zijn twee manieren om de deuren gesloten te houden: - Door een vergrendeling tussen de deuren. - Door de deuren op te drukken door een bewegingsmechanisme.

Figuur 6.2

Deuren worden opengeduwd door de waterdruk

6. Generen van alternatieven - 38

hoofdrapport

TU Delft

Een vergrendelingsconstructie met één grendel heeft tot gevolgd dat er grote lokale spanningen in de constructie optreden. In de praktijk wordt een grendel toegepast voor het opnemen van het negatief verval, waarbij de belastingen aanzienlijk lager zijn dan bij het positief verval. Het is niet waarschijnlijk dat het positief verval kan worden opgenomen door één grendel. Door meerdere vergrendelingen over de hoogte van de deur toe te passen kan de lokale krachtsinleiding worden verminderd. Dit vereist strengere eisen aan de maatafwijking voor de productie van de onderdelen van de deur. Dit zorgt voor hogere prod u ctiekosten. Bij het sluiten van de deuren moeten de deuren precies aansluiten om de pen door de gaten te laten gaan. Dit stelt hoge eisen aan de stijfheid van de deuren en de besturing tijdens het sluiten. Een vrijdraaipunt is niet mogelijk, omdat de scharnieren op trek worden belast. Er zijn spelingsvrije, vaste draaipunten nodig om de deur op zn plaats te houden. Door de toepassing van vaste draaipunten ontstaan grote buigspanningen in de achterhar welke worden veroorzaakt door de normaaikrachten in en dwarskrachten op de deur. Deze buigspanningen vragen om een zware achterhar. Het opdrukken van de deur door het bewegingsmechanisme is een andere mogelijkheid om de deur gesloten te houden. Om de deur gesloten te houden moet de kracht in het bewegingsmechanisme groter zijn dan de resulterende kracht van het water. Deze kracht is aanzienlijk groter dan de kracht benodigd voor het openen en sluiten van de deur. Het vereist zwaardere bewegingsmechanismen. Om de grote kracht in te kunnen leiden moeten de details zwaarder worden uitgevoerd. Doordat het bewegingsmechanisme aangrijpt op de bovenzijde van de deur en de resultante van de waterdruk zich in het onderste deel van de deur bevindt, ontstaan torsiekrachten in de deur. De deuren hebben daardoor de neiging aan de onderzijde open te buigen en te lekken (figuur 6.3). Om dat te beperken moeten de deuren stijf worden uitgevoerd. Om de lek binnen de perken te houden moeten de voor- en achterhar voldoende stijf zijn. Door de lage Figuur 6.3 Vervorming bij het aandrukken van de deuren elasticiteitsmodulus van VVK is dat moeilijk te realiseren. Vanwege de genoemde problemen is deze hoofdvorm minder geschikt voor een ontwerp in WK. Deze hoofdvorm zal daarom niet verder worden uitgewerkt in het rapport. 6.2.2 Hoofd-draagsysteem 2 De belasting drukt de deuren tegen hun aanslagen en belast de aansluiting en scharnieren van de deuren op druk. Dit systeem is de meest toegepaste vorm van puntdeuren in de praktijk. De belastingen veroorzaken naast een drukkracht, ook een moment en dwarskracht in de deurconstructie. Door de krachtswerking is het mogelijk is om vrijdraaipunten toe te passen. Vrijdraaipunten zijn in het algemeen eenvoudiger en daardoor goedkoper. De krachten bij het middenpunt worden gelijkmatiger verdeeld over de hoogte van de constructie. De voorhar heeft daardoor een minder grote stijfheid nodig.


hoofdrapport

TtJ Delft

6.3 Vormalternatieven Naast de veel voorkomende rechte vorm is het ook mogelijk om de waterkerende plaat een kromming in het horizontale vlak te geven. De plaat wordt bij een rechte deur op buiging belast. Dit betekend dat de beplating zwaarder moet worden uitgevoerd of moet worden ondersteund. Door de plaat horizontale kromming te geven kunnen de krachten worden afgedragen via normaalspanningen. Het voordeel van vrijdraaipunten wordt gehandhaafd. 6.3.1 Vormalternatief 1 Voor de volledigheid wordt als eerste vormalternatief de rechte deur genomen. De in de praktijk succesvol toegepaste vorm kan als referentie dienen voor de andere plaatvormen. De krachtsafdracht van de rechte deur is reeds beschreven in paragraaf 3.3.2. 6.3.2 Vormalternatief 2 beplating op trek De constructie bestaat uit een gekromde beplating en een uit profielen opgebouwd frame. De platen krijgen een cirkelvorm met aan de binnenkant van de cirkel de resulterende belasting. Hierdoor worden de platen op trek belast. Door de cirkelvormen van de twee deuren elkaar te laten snijden bij de middenaansluiting (figuur 6.4), worden de deuren niet opengeduwd door het grootste positieve verval, maar juist dichtgedrukt. De waterkerende plaat draagt door normaalkrachten de belastingen direct af naar de voor- en achterhar (figuur 6.5). De trekkrachten in plaat oefenen een verdeelde belasting uit op de harren, waardoor deze op buiging worden belast (figuur 6.6). Tijdens het uitwerken in roestvast staal, door M.S. Krüse [LIT 1] werd duidelijk dat de stijfheid van het frame uitgevoerd in staal niet toereikend is om aan de vervormingseisen te voldoen. De achterhar krijgt dermate grote afmetingen dat deze niet in de deurkas past. Door drukstaven tussen de voor en achterhar te plaatsen (figuur 6.5) wordt de har in het vlak van het frame ondersteund. De harren kunnen in deze richting als een ligger op meerdere steunpunten worden geschematiseerd.

Lek

Merwedekanaal

Figuur 6.4 Vormaltematief 2

/ Figuur 6.5 Krachtswerking basisvorm 4 Figuur 6.6

Vervorming van harren door de normaaikracht in de plaat.


hoofdrapport

TtJ Delft

De aansluiting van de waterkerende plaat en de drukstaven op de harren vereist nog aandacht. De uitvoering van de verbinding zoals uitgevoerd in staal is niet mogelijk in kunststof. In een later stadium van het ontwerpproces zal bekeken worden wat de mogelijkheden voor een aansluiting in kunststof zijn. 6.3.3 Vormalternatief 3 Boog op druk De waterkerende beplating heeft bij dit alternatief de vorm van een drukboog (figuur 6.7). De vereiste doorsnede wordt nu hoofdzakelijk bepaald door de normaalkracht in de doorsnede. De doorsnede moet niet alleen in staat zijn de drukspanningen op te nemen, maar ook voldoende stijfheid hebben tegen het knikken van de doorsnede. Het negatief verval veroorzaakt trekspanningen in de beplating. Omdat het negatief verval veel kleiner is dan het positief verval zijn de spanningen veel lager dan bij het positief verval en kunnen deze gemakkelijk worden opgenomen.

Figuur 6.7 Vormaltemafief 3

6.3.4 Vormalternatief 4 Kromming in verticale richting Naast kromming in horizontale richting is ook een Lek kromming in verticale richting mogelijk (figuur 6.8). Voor het verkrijgen van uitsluitend membraanspanningen in een gebogen plaat, moeten de waterdrukspanningen 1 '-" over de gehele plaat gelijkmatig verdeeld zijn. Door de ' hydrostatische belastingen is de belasting over de ' hoogte van de deur niet constant. Hierdoor zullen er naast normaaikrachten ook momenten in de plaat Merwedekariaal optreden. Dit vereist een dikkere beplating. Om een waterdichte constructie te verkrijgen moet een waterdichte plaat voor een afdichting zorgen tussen de Fiquur6.8 Basisvorm V: in verticale richtinq qeboQen vomi gebogen plaat en het frame. Het maken van een gebogen vorm en het laten aansluiten van de plaat op de voor- en achterhar Lek brengen extra kosten met zich mee. Daarnaast moet veel aandacht worden besteedt aan de middenaansluiting. De gebogen platen mogen elkaar daar niet overlappen. Dit geeft complexe en kostbare details. Het is mogelijk meerdere subelementen met een Merwedekanaal verticale kromming over de hoogte van de constructie toe te passen (figuur 6.9). De belastingen variëren dan minder over de hoogte van een subelement. De platen Figuur 6.9 Basisvorm Vmet meerdere plaa Weiden dragen de belastingen af naar de regels, die de belasting weer afdragen op de harren. Voor een dergelijke vorm zijn echter veel verbindingen nodig. Verbindingen verhogen de assemblagekosten van de deur en geven een grotere onzekerheid over de duurzaamheid van de deur.

6. Generen van alternatieven -41

hoofdrapport

TU Delft

Vanwege de benodigde aansluitingen voor de plaat op de harren en het benodigd zijn van meerdere overspanningen om van het voordeel van membraanspanningen gebruik te kunnen maken wordt afgezien van het maken van een alternatief in deze vorm. 6.3.5 Conclusie vormalternatieven Tabel 6.1 Samenvatting hoofdvormen en vormaltematieven

hoofdvorm

aspecten

Basisvorm / Rechte plaat op trek

- deuren gesloten houden met grendel geeft grote lokale trekkracht - grote vervormingen bij dichthouden deuren door bewegingsmechanisme

Deze vorm wordt niet verder uitgewerkt. Basisvorm 1/Rechte plaat op dn.jk

-dwarskrachten en momenten zijn minder gunstig - rechte vorm is gemakkelijk te produceren - reeds in praktijk uitgevoerd

Deze vorm wordt wel verder uitgewerkt. vorma!ternatieven

aspecten - momenten en dwarskrachten - reeds uitgevoerd in WK - vrije draaipunten

Deze vorm wordt wel verder uitgewerkt. afdracht belastingen op trek (membraamspanningen) - frame met drukstaven - vrije draaipunten

Deze vorm wordt wel verder uitgewerkt. - afdracht belastingen op druk - doorslag -> voldoende stijfheid - vrije draaipunten

Deze vorm wordt wel verder uitgewerkt. - afdracht belastingen op trek en buiging

N V

-

boven- en onderregel belast op buiging

- waterdichte aansluiting harren op plaat vereis extra details - complex detail middenpunt

Dezevormwordtnietverderugewerkt

- - -

-

6. Generen van alternatieven :42

hoofdrapport

TIJ Delft

6.4 Opbouwalternatieven Aan de hand van de vormen gegeven in paragraaf 6.1 worden verschillende alternatieven ontworpen. Per vormalternatief wordt een aantal mogelijkheden voor de opbouw van de constructie bekeken en getoetst op hun geschiktheid voor een toepassing in WK.

6.4.1

Opbouwalternatieven voor vormalternatief 1

Bij de rechte deur worden de belastingen afgedragen door buiging en normaalkracht. Een aantal constructies zijn geschikt voor het opnemen van de belasting: - Traditionele deuren met een opbouw van beplating, stijlen en regels. - Sandwichcontructies Opbouwalternatief IA: Traditionele deuren Gebruikelijk voor dit type deuren is een ontwerp met beplating en een frame met stijlen en regels. De beplating wordt loodrecht op zijn vlak belast door de waterdruk. De dikte van de beplating wordt bepaald door de maximale waterdruk en de overspanning van de beplating. Voor deuren met een groot verval kan de dikte van de beplating naar boven toe afnemen. Het is noodzakelijk de randen van de beplating te ondersteunen. Deze ondersteuning bestaat tenminste uit een frame, een boven- en onderregel en een voor- en achterhar. De belasting door de waterdruk wordt door de beplating overgedragen aan het frame. Binnen dit frame kunnen ter ondersteuning van de beplating stijlen en/of regels geplaatst worden. Men onderscheidt: - Regeldeuren. - Stijldeuren. - Stijl- en regeldeuren. bovenregel Regeldeur Regeldeuren bestaan uit een frame met daarin horizontale regels, waarop de beplating wordt aangebracht (zie figuur 6.10). De regels worden verbonden met de eindstijlen, de voor- en achterhar. De waterdruk wordt h via de beplating overgebracht op de horizontale regels, die de belastingen afdragen op de voor en achterhar. De harren worden ter plaatse van de regels belast door puntlasten. De regeldeur wordt meestal toegepast bij hoge smalle deuren. Stij Ideuren Stijldeuren bestaan uit een frame met verticale stijlen tussen door de boven- en onderregel (zie figuur 6.11). Bij dit type deur krijgen de boven- en onderregel een grote belasting en dus zware afmetingen. De belasting vanuit de onder- en bovenregel wordt direct afgedragen op de scharnieren. Een gelijkmatige krachtsafdracht op de sluishoofden door middel van aanslagen is bij dit type deur niet mogelijk. Een stijideur wordt meestal toegepast voor lage brede deuren.

achterhar

voorhar

onderregel

b Figuur 6.10 Regeldeur bovenregel achte har

voorhar

h

0fl

erreg 1

y b Figuur 6.11 Styldeur


Al

hoofdrapport

TIJ Delft

Stijl- en regeldeuren Een stijlen regeldeur (figuur 6.12) is een combinatie van de bovengenoemde doorsnede vormen. De deur wordt vaak opgebouwd uit regels die afdragen naar de voor- en achterhar, waartussen korte verticale stijlen lopen. Hierdoor kan de hart-op-hart afstand van de regels worden vergroot. Door de grotere regelafstand, worden de harren minder gelijkmatig belast. Hierdoor moeten de harren zwaarder worden uitgevoerd.

bovenregel

achte har

0

voorhar

erre 1

Keuze voor een traditioneel type deur Figuur 6.12 Stijl- en regeldeur Een stijldeur is minder geschikt voor het ontwerp. De deur vereist Voorhar vaste draaipunten, welke niet aanwezig zijn in de Koninginnesluis. De deur is relatief hoog en de stijlen hebben daardoor een grote lengte. Hierdoor moeten de stijlen stijf worden uitgevoerd. Daarnaast vereist de stijldeur een stijve onder- en bovenregel. Juist de stijfheid van een enkel element is in VVK minder goed te realiseren. Dit type wordt daarom niet verder uitgewerkt. Een stijl en regeldeur heeft als voordeel dat de waterkerende plaat in twee richtingen kan dragen. In VVK kan de stijfheid in een bepaalde richting worden vergroot door de opbouw van het laminaat. Het is in WK daarom efficiënter om het materiaal in één bepaalde richting te laten dragen. Een stijlen regeldeur heeft als nadeel dat de afstand tussen de stijlen groter wordt en de stijfheid van voor- en achterhar ook groter moet zijn. Door de lagere stijfheid van VVK is dit moeilijker te realiseren. Figuur6.13 Krachtsafdrachtregeldeur Een regeldeur is de meest geschikte oplossing voor de deur in WK. De krachtsafdracht van een regeldeur staat in figuur 6.13. Door middel van lijmverbindingen is een samenwerking te verkrijgen tussen de waterkerende plaat en de liggers. Bij het doorbuigen van de regels moet de plaat de vervorming van de regel volgen. Er kan gerekend worden dat een deel van de beplating meewerkt bij het afdragen van de belastingen in de breedte richting van de deur. Opbouwalternatief 1 B: Sandwichconstructie Het alternatief wordt opgebouwd uit een sandwich en een frame. De sandwich fungeerd als stijve waterkerende plaat en draagt de belastingen opbouw sandwich via buiging af naar de voor- en achterhar. In VVK worden vaak sandwich co nstructies toegepast. Bij sandwichs wordt de constructie opgebouwd uit twee WKplaten verbonden door een schuim. De WKplaten nemen de normaaikrachten en momenten op en -- ::°:: het schuim de dwarskrachten. Wanneer de schuimvulling niet in staat is de afschuifkracht op te nemen kunnen profielen in de sandwich worden bulgspannlngen L--Tl opgenomen om de deur te versterken. Figuur 6.14 Buigspanningen in een sandwich


hoofdrapport

TtJ Delft

6.4.2 Opbouwalternatieven voor vormalternatief 2 Dit alternatief is opgebouwd uit een gekromde beplating verbonden met een frame met daarbinnen profielen in horizontale richting . Zoals beschreven in paragraaf 6.3.2 nemen het frame en de staven de drukkrachten op. Opbouwalternatief 2A: Enkel gekromde plaat De plaat wordt met name belast op trek. De dikte wordt dan ook met name bepaald door de grootte van de normaalspanningen. Een massieve doorsnede met veel vezels in de richting van de spanningen is het meest optimaal. Bij het keren van een negatief verval wordt de plaat op druk belast. De plaat kan bezwijken door instabiliteit. De constructie moet over voldoende stijfheid bezitten om doorslag te voorkomen. Door de relatief lage E-modulus van kunststof ten opzichte van die van staal is voor het opnemen van de trekkracht een grotere dikte nodig. De stijfheid van de plaat neemt meer dan evenredige toe met de plaatdikte. Het verschil in benodigde plaatdikte bij het positief en negatief verval is bij VVK minder groot dan bij staal. De plaat kan ook worden opgebouwd uit een sandwich. Dit geeft echter hogere productiekosten dan een massieve plaat. Wanneer een grote dikte nodig is voor het opnemen van de drukkrachten veroorzaakt door het negatief verval kan een sandwich overwogen worden. In eerste instantie zal worden uitgegaan van een massieve beplating. Opbouwalternatief 2113: Dubbel gekromde plaat De plaat kan ook in verticale richting worden gebogen. De waterdrukken worden afgedragen door trekbelastingen in zowel horizontale als in verticale richting. Om de krachten op te nemen moeten vezels in horizontale en verticale richting worden aangebracht en eventueel ook vezels onder een hoek. Van de optimalisatie van VVK voor een bepaalde richting kan minder goed gebruik worden gemaakt. De krachtsafdracht is hierdoor minder voordelig dan een ontwerp in isotrope materialen, zoals staal en aluminium. De trekkrachten in de plaat belasten de onder- en bovenregel op buiging. Dit vraagt grotere doorsneden vanwege de lage elasticiteitsmodulus van VVK. Om de boven- en onderregel te steunen moeten stijlen worden aangebracht over de hoogte van de deur. De breedte/hoogte verhouding van de deur laat zien dat deze stijlen een grote hebben en daardoor gevoelig zijn voor instabiliteit. De dubbele kromming geeft hogere productiekosten voor de mal van de plaat. Vanwege de bovenstaande nadelen ten opzichte van een enkel gekromde plaat zal dit vormalternatief niet verder worden uitgewerkt. Het frame De horizontale staven in het frame worden voornamelijk belast op druk. Bij een excentriciteit in de aansluiting tussen plaat en profielen moet een buigend moment door de profielen worden opgenomen. Bij pultrusieprofielen ligt een groot deel van de vezels in de lengterichting van de profielen. De profielen zijn daardoor erg geschikt voor het opnemen van de druk- en buigspanningen. Bij handgelamineerde profielen kan ook een groot deel van de vezels in de lengterichting van het profiel worden gelegd, maar omdat met de productietechniek een lager vezel/volume verhouding kan worden behaald hebben de profielen een grotere doorsnede nodig. Door de arbeidsintensieve productiemethode zijn handgelamineerde profielen duurder. Daarom wordt in eerste instantie uitgegaan van pultrusieprofielen.

-

6. Generen van alternatieven -45

hoofdrapport

TU Delft

6.4.3 Opbouwalternatieven voor vormalternatief 3 Beplating De waterkerende beplating heeft een gekromde vorm. Om doorslag tegen te gaan moet de doorsnede over voldoende stijfheid beschikken. Een enkele plaat zal daarom niet volstaan. Er zijn twee opties om de plaat te verstijven: - De plaat ondersteunen met horizontale verstijvingen. - De stijfheid van de doorsnede vergroten door een sandwichconstructie. Opbouwalternatief 3A: Verstijfde en kelgekromde plaat Het alternatief is opgebouwd uit een gekromde beplating, een frame en verstijvingen. De plaat wordt gesteund door verstijvingen in horizontale richting. Over de hoogte worden een aantal van deze verstijvingen toegepast. De verstijvingen volgen de vorm van de beplating en moeten daarom worden geproduceerd met de techniek van handlamineren. Dit maakt de productie van dit alternatief erg arbeidsintensief. De plaat zal de belastingen afdragen via druk, maar ook een deel op buiging in verticale richting. Dit komt omdat de plaat voor een deel zal afdragen naar de stijvere verstijvingen. Er zal een aanzienlijk deel van de vezels aangebracht moeten worden in verticale richting. Dit verhoogd het materiaalgebruik van de plaat. De plaat is vanwege zijn lage dikte gevoelig zijn voor plooi. Hierdoor kan niet op de medewerking van de volledige plaatdoorsnede worden gerekend moet gerekend worden een meewerkende breedte van de plaat voor het afdragen in horizontale richting. Dit maakt het materiaalgebruik minder efficiënt. Opbouwalternatief 313: Sandwich De sandwich zal op dezelfde wijze worden opgebouwd als bij het opbouwalternatief 1 C van de rechte deur. Buigspanningen zullen nu echter niet optreden, de waterdrukken zullen door membraanspanningen worden afgedragen naar de steunpunten. De sandwich moet wel over voldoende stijfheid beschikken tegen doorslag. Dit kan worden verkregen door een voldoende dikke en stijve schuimlaag. Doordat de VVK-platen over hun hele vlak worden ondersteund door het schuim treden hoofdzakelijk drukspanningen op in de platen. Er kan een groot aandeel van de vezels in horizontale richting worden gelegd. Hierdoor ontstaat een zeer gunstig materiaalgebruik. De kosten voor de schuimvulling zijn relatief laag. Rekening moet worden gehouden met het lokaal knikken van de platen wanneer ze niet voldoende worden gesteund door het schuim. De vorm vraagt om een aanpassing van de drempel. De kosten van deze aanpassing zullen echter niet worden meegenomen in de afweging tussen de alternatieven. Keuze doorsnede alternatief: Het alternatief van de gesteunde plaat wordt niet uitgewerkt omdat: - Het alternatief met de sandwich heeft een gunstiger krachtsafdracht dan de gesteunde plaat. - Het alternatief met de sandwich is een minder arbeidsintensief en daardoor goedkoper te produceren.


hoofdrapport

TIJ Delft

6.5 Conclusies generen alternatieven Tabel 6.2

Samenvatting hoofdvormen en vormaltematieven

Vormalternatief

Opbouw

Aspecten

IA: Regeldeur

-

Plaat op buiging in verticale richting.

-

Plaat werkt mee bij afdragen in horizontale richting

Wordt wel verder uitgewerkt. 1A: Stijldeur

-

Plaat op buiging in horizontale richting

-

Boven- en onderregel belast op buiging

-

Stijlen relatief lang -> vereist relatief grote stijfheid stijlen

-

Alleen geschikt voor vaste draaipunten

Wordt niet verder uitgewerkt. Stijl- en regeldeur

-

-

Plaat draagt in 2 richtingen (minder optirnalisatie laminaat mogelijk) Voordeel grotere afstand regels -> minder regels -> nadeel minder spreiding belasting harren

Meer elementen -> meer verbindingen Wordt niet verder uitgewerkt. -

Sandwich

-

Belastingen worden voornamelijk in horizontale richting afgedragen

-

VVK-platen nemen voornamelijk normaalspanningen op

-

Schuim steunt de platen, waardoor deze niet op buiging worden belast

-

Schuim neemt dwarskrachten op

Wordt wel verder uitgewerkt.

1

.

T

... 1

Enkelgekromde plaat

\H

-

-

-

Enkel gekromde plaat draagt belastingen af in horizontale richting Harren op buiging belast door trekkracht in de plaat. Om buiging te beperken worden drukstaven aangebracht De drukstaven kunnen bij excentrische aansluiting plaat en frame eventueel op buiging worden belast

Wordt wel verder uitgewerkt. Dubbelgekromde plaat

-

Plaat draagt in 2 richtingen (minder optimalisatie laminaat mogelijk)

-

Boven- en onderregel belast op buiging

-

Complexere vorm -> duurdere mal

Wordt niet verder uitgewerkt. Verstijfde enkelgekromde plaat

-

Plaat belast op buiging in verticale en druk in horizontale richting

-

Slechts een deel van de plaat draagt mee in breedte richting

-

Handlamineren van de regels -> duurder

Wordt niet verder uitgewerkt. Sandwich

-

-

-

WK-platen nemen de druk op Schuim geeft een toename van de buigstijfheid van de doorsnede zonder grote toename kosten van de kosten Sandwichplaat kan lokaal bij onvoldoende steun schuim

Wordt wel verder_uitgewerkt.


hoofdrapport

TU Delft

7 TECHNISCHE HAALBAARHEID ALTERNATIEVEN 7.1 Inleiding Om de overgebleven alternatieven uit hoofdstuk 6 met elkaar te vergelijken is inzicht in de afmetingen van de constructieonderdelen nodig. De afmetingen geven een indicatie voor het materiaalgebruik en de daarmee samenhangende kosten. Daarnaast bepalen de afmetingen de randvoorwaarden voor het aanbrengen van details. De alternatieven moeten in staat zijn de krachten die ontstaan door de 3 belastinggevallen op te kunnen nemen. De afmetingen van de constructieonderdelen zijn afhankelijk van de maximale kracht die in de doorsnede optreedt. Bepaald moet worden welk belastinggeval de afmeting van een constructieonderdeel bepaald. 7.2 Uitgangspunten materiaaleigenschappen In hoofdstuk 4 is aangegeven dat de hars bestaat uit een polyesterhars en de vezelversterking uit glasvezels. Voor de productie van de constructie elementen is besloten te werken met twee technieken, te weten: - handlamineren - pultrusie De productie heeft een grote invloed op de materiaaleigenschappen. De materiaaleigenschappen van de producten van beide technieken worden daarom afzonderlijk beschreven. 7.2.1 Uitgangspunten materiaaleigenschappen bij handlamineren De materiaalgegevens en veiligheidsfactoren voor de laminaten zijn ontleent aan de CUR aanbeveling GVK [Lit 9]. In de aanbeveling worden de gemiddelde stijfheidseigenschappen gegeven van gangbare laminaten. De doorsnede wordt opgebouwd uit unidirectionele-lamellen (UD-lamellen). Dit zijn lamellen waarbij de vezels in één richting liggen. De doorsnede wordt opgebouwd door een stapeling van UD-lamellen met verschillende vezeloriëntaties. Door de lamellen een bepaalde dikte en stapeling te geven kunnen de eigenschappen van het laminaat in de te belasten richtingen worden geoptimaliseerd. De stijfheid van de laminaten is afhankelijk van het vezelgehalte van de kunststof. Omdat geen verder gegevens over de productie beschikbaar zijn wordt uitgegaan van een vezelvolume percentage voor UD-lamellen van 40%. Dit is het laagste percentage waarvan in de CUR de materiaaleigenschappen zijn gegeven en een gemiddeld percentage voor handlamineren. Om veel voorkomende afwijkingen, zoals luchtbelinsluitingen, vezelmisoriëntaties, vezelbeschadigingen, vezelgolvingen en korte vezels te verrekenen moeten de stijfheidseigenschappen met een reductie factor van 0,97 worden vermenigvuldigd. De materiaalg eg evens van de UD-lamellen staan in tabel 7.1. Tabel 7.1 Sfijfheidseigenschappen UD lamel bij vezelvolume percentage van 40% Vf E1 (GPa) E2 (GPa) G12 (GPa) 1)12 40% 30,8 8,9 2,8 0,30

7. Technische haalbaarheid alternatieven- 48

1*1

hoofdrapport

TIJ Delft

De constructie wordt getoetst volgens het first ply failure rek criterium. Dit rek criterium gaat ervan uit dat bij het bereiken van het faalcriterium van een enkele lamel in een laminaat, het totale laminaat zijn maximale grenswaarde heeft bereikt. Elke lamel dient in de uiterste grenstoestand te voldoen aan de eis in vgl. 7.1. In de uiterste grenstoestand wordt gerekend met een maximale rek (Ei,j,r ) van 1 ,2%. 1

——~ jR

(71)

YfYm Yc

Waarin: = optredende rek in lamel j door de belasting = de maximale rek die mag optreden in lamel j (1,2%) = belasting factor (1,25 in UGT) = materiaal factor = conversie factoren De CUR aanbeveling geeft aan dat bij constructies met een verhoogd risico op vochtindringing de rek in het laminaat in de bruikbaarheidsgrenstoestand nergens de nominale rek van 0,276% mag overschrijden. De eis is echter opgesteld voor constructies zoals opslagtanks, die niet mogen lekken omdat ze bijvoorbeeld een gevaarlijke stof bevatten. Bij de sluisdeur kan de rekgrens als een conservatief uitgangspunt worden gezien. In eerste instantie zal ervan worden uitegegaan dat de rek in de alternatieven aan deze rekeis moet voldoen. Bij de CUR is een onderscheid gemaakt tussen materiaalfactoren en conversiefactoren. De materiaalfactoren brengen de onzekerheid voor het verkrijgen van de materiaaleigenschappen in rekening. De conversiefactoren brengen de voorziene effecten van temperatuur, tijd en omgevingsinvloeden in rekening. In tabel 7.2 staan de aan de CUR ontleende materiaal- en conversiefactoren. Tabel 7.2 Materiaal en conversiefact oren uit de CUR Aanbeveling GVK voor handlamineren Materiaalfact oren

Con versie factoren

Onzekerhedenym; i 1,35 Temperatuur 1,10 Productieym.2 1,40 Vochteffecten 1,25 Kruip 1,10 Totaal materiaal 1,89 Totaal conversie 1,67

Bij vermoeiing speelt met name de spanningswisseling een grote rol. Bij de sluisdeur wordt de belasting relatief langzaam aangebracht op de deur. De problematiek van vermoeiing speelt daardoor waarschijnlijk geen rol van betekenis. Door de grote variatie in belastingen is het moeilijk om de bepalen in hoeverre kruip optreedt. De deur wordt slechts een gedeelte van de levensduur belast door een positief verval. Het positief verval bereikt slechts enkele keren tijdens levensduur een hoogte in de buurt van de maximale waarde waarop deze wordt gedimensioneerd. Omdat inzicht in de belastingen ontbreekt wordt daarom aangenomen de deur gedurende een periode van één jaar bloot wordt gesteld aan het maximale verval. Dit geeft een kruipfactor van: ÎUD;kruip

=t =(8.761O) °'° '=1,1

Conclusie: de totale factor waardoor de stijfheidseigenschappen gedeeld moet worden is: 3,2.

7. Technische haalbaarheid alternatieven -49

hoofdrapport

TU Delft

Wanneer de belastingenfactoren en rekeisen in de uiterste en bruikbaarheidsgrenstoestand met elkaar worden vergeleken blijkt dat de eis in de bruikbaarheidsgrenstoestand maatgevend is. 0,00276 0,0 12 = 6,910 ~ ES;UGT 3,75 ES;BGT = 3,2 1,25 = 3,2 7.2.2 Uitgangspunten materiaaleigenschappen bij pultrusie Voor de eigenschappen van de profielen zijn de waarden aangehouden van de Fiberline Design manual [lit7] (Tabel 7.3). Tabel 7.3 Materiaalgegevens profielen volgens FiberIine

Buigsterkte evenwijdig aan vezeL Buigsterkte haaks op vezel : Treksterkte evenwijdig aan vezel Treksterkte haaks op vezel Druksterkte evenwijig aan vezel : Druksterkte haaks op vezel : Afschuifsterkte : E-modulus evenwijdig aan vezel : E-modulus haaks op vezel : Afschuifmodulus : -

- -

_240 100 240_ 100 240 70 25 23000 8500 300 -

-

N/rnrd Nlmrr?

-

Nlrnrr? N/rnrr?

-

-

Nlmrr? Nlmrr? NImm N/rnm2 NImrr Nlmni2

-

-

Tabel 7.4 Materiaal en conversiefactoren uit de CUR Aanbeveling GVK voor pultrusie

Materiaalfactoren Con versie factoren Onzekerhedenym ; i 1,35 1 Temperatuur 1 1 10 Productie 1,1 Vochteffecten 1,25 Kruip 1,10 Totaal materiaal 1,5 Totaal conversie 1,67 -

De conversiefactoren zijn gelijk aan de conversiefacoren van handlamineren. De materiaalfactor verschilt doordat een lagere factor voor de prod uctietech n iek in rekening wordt gebracht. De CUR geeft een totale factor van 1,5 x 1,67 = 2,5 op de materiaaleigenschappen van pultrusie elementen. 7.2.3 Conclusie De mechanische eigenschappen van een laminaat kunnen worden geoptimaliseerd in verschillende richtingen. Gepultrudeerde profielvormen hebben optimale eigenschappen in de lengte richting van het profiel. Door het hogere vezel/volume percentage en de gunstigere materiaalfactor zijn de eigenschappen in de lengterichting van een gepultrudeerd profiel beter dan de geoptimaliseerde eigenschappen van een handgelamineerd profiel. De rechte constructieelementen die op druk en buiging wordt belast kunnen het beste worden uitgevoerd in pultrusie. Bij een uitvoering van de beplating in pultrusie moet de beplating worden opgebouwd uit een aantal strippen naast elkaar. Hierdoor is het minder goed mogelijk de samenhang van de deur uit de beplating te halen. Daarnaast is het moeilijker de deur waterdicht te houden. Een gekromde vorm in pultrusie is niet mogelijk. Bij een laminaat kunnen de eigenschappen in verschillende richtingen worden geoptimaliseerd. Hierdoor kan de beplating door schijfwerking het eigen gewicht van de deur afdragen naar de scharnieren. De beplating kan in een gekromde vorm worden uitgevoerd in één stuk. De beplating kan het beste worden uitgevoerd in een laminaat.

-

7. Technische haalbaarheid alternatieven

-

50

hoofdrapport

TU Delft

7.3 Haalbaarheid alternatief IA: regeldeur 7.3.1 Krachtswerking en schematisering De constructie is opgebouwd uit een voor- en achterhar en een beplating met horizontale regels. De waterbelasting tijdens het positief verval wordt door de beplating afgedragen naar de regels. De belastingen worden door een samengestelde constructie van regels en beplating afgedragen naar het frame. De beplating zal door schijfwerking het grootste deel van het eigengewicht afdragen naar de scharnieren. Door de kleine belastingen van het negatief verval zijn de krachten zo laag dat ze geen effect zullen hebben op de afmetingen van de beplating. Het negatief verval wordt daarom in eerste instantie buiten beschouwing gelaten. De benodigde stijfheid van voor- en achterhar worden waarschijnlijk bepaald door het opnemen van de obstakelbelasting. De krachten in het frame zijn afhankelijk van de stijfheid van de beplating en de regels. Om ingewikkelde en tijdrovende berekeningen te voorkomen zal in eerste instantie worden geprobeerd worden in te schatten wat de benodigde aanpassing voor het opnemen van de obstakelbelasting is. De deuren zullen op basis van deze schatting met elkaar worden vergeleken. 7.3.2 Dimensionering beplating Schematisering en belasting De waterdrukken worden door buiging in de beplating afgedragen naar de regels. De beplating wordt geschematiseerd als een ligger over meerdere steunpunten (figuur 7.1). De regels van de deur zijn de steunpunten voor de plaat. Aangenomen wordt dat de vervorming van de regels zo klein is dat de plaat nog steeds als een ligger op meerder steunpunten kan worden geschematiseerd. Voor de dimensionering wordt uitgegaan van het zwaarst belaste veld. In dit geval het onderste veld. Het maximale moment van een ligger op meerdere steunpunten ligt ergens tussen de 1/8 en 1/12 Q1 2 . Voor het maximale moment in de plaat wordt aangenomen: = qwater M max

.12

(7.2)

10

waarin water

= belasting

= overspanning van de plaat (afstand van de regels)

Doordat het water tegen beide zijden van de plaat drukt wordt de plaat door de resulterende belasting op buiging belast. Bijlage 1 van het rapport van ir. M.G. Krüse [lit 1] beschrijft het bepalen van de belastingen en geeft onderstaande waarden voor de uiterste grenstoestand (UGT) en voor de bruikbaarheids grenstoestand (BGT). UGT : 74,4 kNIrn 2 BGT : 49,6 kN/m 2

Figuur 7.1

Mechanica schema

7. Technische haalbaarheid alternatieven - 51

hoofdrapport

Delft

Opbouw van de beplating De plaat wordt opgebouwd uit een laminaat. Het lam maat wordt opgebouwd uit UD-lamellen met verschillende vezeloriëntaties. De stijfheid van de plaat in de hoofdrichting wordt berekend door de bijdragen van de verschillende lagen bij elkaar op te tellen: bt z Eliam =E; 2

Hierin is: ti dikte van lamel i b : breedte van de lamel E' 1 : E-modulus van lamel i in hoofdrichting Zi afstand tot middelpunt lamel i

(7.3)

1 t

Figuur 7.2 Bepaling bijdrage lamel aan st(jfheid van de doorsnede

Uit formule 7.2 kan worden opgemaakt dat de lamellen aan de buitenzijde van het laminaat bij dezelfde stijfheid en dikte een grotere bijdrage leveren aan de stijfheid van de doorsnede. Het effect van het verhogen van de stijfheid van deze lagen geeft een grotere toename van dat van meer naar binnen gelegen laglen. Door de verschillende stijfheden ontstaat een nieuwe spanningsverdeling (figuur 7.3). vanërende laag opbouw

Fiquur 7.3

lineair rek verloop variërende spanning

Soannina & rek veHoop in laminaat

De stijfheid van een lamel is afhankelijk van de vezelrichting in de lamel. Door de vezeloriëntatie in de lamel in de richting van de spanningen te leggen krijgt de doorsnede een grotere stijfheid in deze richting. De oriëntatie van de vezels wordt beschreven door de hoek die ze maken met de hoofdrichtingen. Hoofdrichting 1 is de verticale Â Hoofdrichting 1 richting, de richting van de belastingafdracht in de plaat. Hoofdrichting 2 is de horizontale richting in het vlak van de plaat ofwel de breedterichting van de deur. De hoofdrichtingen van het laminaat staan in figuur 7.3. 11 deur In de CUR wordt de eis gegeven dat in elke doorsnede tenminste 15% van het totaal aanwezige glasvezel in elke hoofdrichting (0, Hoofdnchting 2 +45W , + 90, -45) moet liggen. De eis is gegeven om te voorkomen dat een belasting veroorzaakt door vermoeiing, kruip of een impact alleen door de hars wordt opgenomen. Er blijft 40% over om het laminaat in een bepaalde richting te verstijven. Bij het stapelen van lamellen met verschillende richtingen is het verstandig om de lamellen met verschillende oriëntaties in dunne lagen op elkaar te leggen. Hierdoor worden de interlaminaire spanningen tussen de lagen geminimaliseerd. Om de berekeningen Figuur 7.3 Orienfatie van de hoofdrichtin gen ten opzichte van de deur eenvoudig te houden wordt hier voorlopig geen rekening mee gehouden. Het laminaat kan nu worden geschematiseerd tot een doorsnede die is opgebouwd uit een aantal lagen. Elke laag is heeft een vezelversterking met een bepaalde oriëntatie. Door de doorsnede symmetrische op te bouwen wordt moment door een excentrïciteit van de normaalkracht voorkomen. De beplating wordt geoptimaliseerd voor het opnemen van het buigend moment. Het laminaat wordt opgebouwd uit 7 UD-lagen. De buitenste lagen hebben een vezeloriëntatie in de richting


hoofdrapport

TtJ Delft

van de spanning, hoofrichting 1. In tabel 7.5 staat de opbouw van de plaat. De lagen zijn genummerd van 1 tot 7, waarbij nummer 1 de bovenste laag is en nummer 7 de onderste. Van elke laag wordt de dikte gegeven als deel van de totale hoogte, omdat de totale dikte nog moet worden bepaald. De hoek x van de laag is de hoek die de laag maakt met hoofdrichting 1. Per laag zijn ook de representatieve elasticiteitsmodulussen gegeven in de hoofdrichtingen 1 en 2. In elke hoofdrichting ligt 15% deel van de totale dikte. De overgebleven 40% deel is verdeeld over de buitenste lagen. Tabel 7.5 Opbouw van het laminaat

Laag nr. 1 2 3 4 5 6 7 -

Dikte laag / dikte plaat 0,275 0,075 0,075 0,150 0075 0,075 0,275

Hoek a van de laag 00

450 450

-

90° -- 450 450________ -

00

El' in Nlmm' 11491 3093 3093 3320 3093 3093 11491

E2' in N/mm 3321 3093 3093 11491 3093 3093 3320

Toetsen van de doorsnede

De doorsnede moet voldoen aan de eis aan de maximale de rek: (7.4) E.JR YfYm

Yc

De rek in de uiterste vezel bedraagt: (7.5)

Emax=KZmax

waarin: Zmax = afstand neutrale lijn tot uiterste vezel (halve plaatdikte door de symmetrie) = max

(7.6)

Eliam

El iam = stijfheid van het laminaat (vgl 7.2) Mmax = maximum moment De berekening is gebaseerd op een plaatbreedte van een meter. De plaat kan dan worden berekend als een ligger. Om een indicatie te krijgen van de dikte van de plaat is deze berekend voor overspanningen van 300 tot 900mm. In tabel 7.6 staan de benodigde plaatdikten. Tabel 7.6 Dikte plaat bij buiging h.o.h. profielen (mm)

Dikte plaat (mm)

M (kNm)

300

837

11.5

400

1488

15.3

500

2325

19.2

3348 --

23.0

700

4557

26.8

800

5952

30.6

7533

34.5

600

900

-

-

7.

Technische haalbaarheid alternatieven - 53

hoofdrapport

TU Delft

Opnemen dwarskracht De richting van de afschuifspanning bevind zich niet in het vlak van de plaat. Hierdoor moet worden gerekend met de interlaminaire afschuifspanning. De afschuifspanning kan worden berekend met: rd =

15V15Q0,51 =1505 A bd b d)

(7.7)

waarin; Vd = dwarskracht in de doorsnede 'td

= optredende schuifspanning

Uit de vergelijking blijkt dat de schuifspanning afhankelijk is van de verhouding van de overspanning 1 en de dikte d. Uit de berekening van de benodigde plaatdikten voor het opnemen van het moment blijkt dat er een lineair verband bestaat tussen de overspanning (1) en de dikte (d) van de beplating. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de verhouding l/d constant is. De afschuifspanningen bij de verschillende overspanningen van tabel 7.6 zijn voor alle overspanningen gelijk. De afschuifspanning behoeft maar voor één overspanning te worden gecontroleerd. De schuifspanningen in de beplating bij een overspanning van 500mm bedraagt: Td

=0,75

74,4N / mm 500mm 2 =l.5NImm 1 000mm 1 9,2mm

(7.8)

De waarde moet worden getoetst aan de maximaal toegestane afschuifspanning:

mm ILSSCUR 2 Td ~ ingevuld 1 5N/mm ~ Voldoet! ,

2,6 Ym 20Mpa voor GVK met polyesterhars (CUR par. 4.2.3) TILLS = interlaminaire afschuifsterkte = = materiaalfactor (2,6 in het geval uiterste grenstoestand) Druk loodrecht op de plaat De resulterende waterdruk belast de plaat op buiging. De waterdrukken aan beide kanten van de deur belasten de plaat op een normaalspanning (figuur 7.5). De spanning door de waterdruk in de bedraagt: 2,79m x 1OkN/m2 = 27,9 kN/m 2 0,03 N/mm2 Met een E-moduls van 8900 N/mm 2 haaks op de vezelrichting en een rek van 0,276% kan een drukspanning worden opgenomen van:

E2 0,0027

24,ON/mm2 Y. 2,6

= =9,2N/mm

2

2

>0,O3NImm (7.9)

De spanningen uit de waterdrukken kunnen gemakkelijk worden opgenomen. Figuur 7.5 waterdrukken op beplating

- -


-

54

hoofdrapport

TtJ Delft

7.4 Dimensioneren van de regels Schematisering en belastingen De belastingen zijn afkomstig van de waterkerende beplating. De belasting is een Iijnbelasting op de regels. De belasting is afhankelijk van de hart-op-hart afstand van de regels. De constructie wordt uitgerekend volgens het mechanicaschema van figuur 7.6. De deuren staan onder een hoek 1:3 (18,4°). In figuur 7.7 staat een schema van de krachtsafdracht. c S

3 m: Fiauur 7.6 Schematisatie enkele deur

W

,

- - - - - - RB.V W/2 Rb (=S)

RA (=S) Figuur 7.7 Krachtswerking van de puntdeuren

De spatkrachten bedragen: (7.10)

RA=RB= 2 sin cr

Waarin: W = resultante van de waterdruk; c = hoek van de deur in gesloten toestand t.o.v. de lijn 1 op de symmetrie as van de sluis. De spatkracht kan worden opgesplitst in twee haaks op elkaar staande componenten. De component haaks op de deur is gelijk aan de dwarskracht in de deur ter plaatse van de achterhar: RA

w

. v

.

w

a = - 2sa m 2

= sin

( 7.11)

Aan de dwarskrachten kan gezien worden dat deze gelijk zijn aan de dwarskrachten bij een ligger op twee steunpunten. Het maximale moment in de constructie bedraagt hierdoor 1/8ql 2 . De normaaikracht in de doorsnede is constant in de hele deuren heeft een waarde van: RA;N = cosa

2 sin a

(7.12)

Van de deur is de onderste meter berekend. De deur wordt belast door een verdeelde belasting van 59.5 kNIm2 . De maatgevende snedekrachten volgen uit resulterende belastingen: Vd;max 188.2 kN (ter plaatse van de harren) Nd;max 564.6 kN (over gehele breedte van de deur) Md;max 297.5 kNm (in het midden van de deur)


TIJ Delft

hoofdrapport

Opbouw van de doorsnede Spanrungsverdeling De belastingen vanuit de beplating op de regels worden afgedragen door een samengestelde constructie van de _____ profielen en de beplating (figuur 7.8). De beplating en de neoIijn profielen hebben een verschillende stijfheid in de richting i t van de optredende spanningen. De opbouw van de beplating is reeds bekend. Met de opbouw uit paragraaf Figuur 7.8 Soanninasverdelina doorsnede 7.3.2 bedraagt de gemiddelde E-modulus van de plaat in de hoofdrichtingen: EHoofdrichting : 9010 N/mm 2 EHoofdrichting 2: 4510 N/mm 2 De drukspanning in de plaat ten gevolge van de buiging is in hoofdrichting 2, de breedte richting van de deur. Voor de bijdrage van de plaat wordt gerekend met de dikte van de plaat x de stijfheid in hoofdrichting 2 (figuur 7.4).

7

Niet de gehele plaat zal meewerken bij het opnemen van de b0 b, drukbelastingen. Om een indicatie te krijgen van de meewerkende t breedte (figuur 7.9) is gebruik gemaakt van de formules voor h h plooistijfheid uit artikel 13.3 van de NEN 6771 [lit 15]. Er is uit gegaan - van een vierzijdig scharnierend opgelegd plaatveld. In de formule Figuur 7.9 Meewerkende breedte b0 kunnen de eigenschappen van het laminaat worden ingevuld.

LJ

be =133•d•

1 •d=25,6d =1,33. /_ \I/1;d \I 0,0027

(7.13)

In de rekenregels wordt echter uitgegaan van het materiaal staal. De beplating heeft ongelijke eigenschappen in verschillende richtingen. De maximale meewerkende breedte wordt gesteld op de breedte van het profiel en een kwart van de overspanning van de beplating aan beide zijden van het profiel. De meewerkende breedte moet voldoen aan: (7.14) be<25,6d en be<0,25 x afstand tussen profielen + breedte profiel Voor de regels wordt uitgegaan van pultrusieprofielen vanwege de gunstigere materiaaleigenschappen. De rekenwaarden voor de stijfheid in lengterichting bedraagt: Epuitrusie = 23000/2,1 = 10952 N/mm 2 Voor de traagheid van de gehele doorsnede is de verplaatsingsregel van Steiner toegepast. Bij het berekenen van de traagheid van de doorsnede het eigen traagheidsmoment van het profiel meegenomen. Het traagheidsmoment van de plaat is erg gering, en wordt verwaarloosd. Bij de berekening zijn een aantal aannamen gedaan om realistische afmetingen te verkrijgen: - De dikte van de wanden van de profielen zal liggen tussen de 8 en 15 mm om aan praktische maten te komen. - Voor de profielen wordt uitgegaan van pultrusieprofielen. - De minimale breedte van een profiel is lOOmm. - Er is een maximale constructie hoogte van 750mm aangehouden. - De dikte van de beplating is berekend in paragraaf 7.3.2 - De wanddikte van de profielen bedraagt minimaal 1/25,6 x de ongesteunde lengte.


hoofdrapport

TU Delft

Toetsen van de doorsnede Er is een alternatief doorgerekend waarbij de plaat is verstijfd met H-profielen en één waarbij de plaat is verstijfd met kokerprofielen. - -

Figuur 7.10

Overspanning

Ondersteuning plaat door de 4/ven van het kokerprofiel

De lijven van de koker ondersteunen de beplating. De afstand tussen de lijven is kleiner dan de hart-op-hart afstand van de profielen. Hierdoor kan met een kleinere overspanning van de plaat worden gerekend (figuur 710) dan bij de H-profielen. Daarnaast gaat van de verbinding op de profielen nog een inklemmende werking uit, wat een reductie van het moment geeft. Doordat met het momenten verloop van een ligger op meerdere steunpunten wordt gerekend is al een reductie toegepast. De reductie door de inklemm Ing wordt verwaarloosd. De rekken in de doorsnede worden getoetst aan de rekeisen. De maximale rek is een optelling van de rek door de drukkracht en de rek door het moment. De dwarskracht wordt opgenomen door de lijven van de profielen. De profielen zijn getoetst aan het kunnen opnemen van de maximaal optredende afschuifspanning. Omdat een precies inzicht in de kosten nog ontbreekt zijn de alternatieven geoptimaliseerd op materiaalverbruik. Uit de berekening is gebleken dat de rekken in hoofdrichting 1 in de beplating veroorzaakt door de doorbuiging veel kleiner zijn dan de rekeis. De deur is verder geoptimaliseerd door de opbouw van de plaat te wijzigen. De extra hoeveelheid vezels (totaal 40%) wordt afgenomen va de buitenste lagen en toegevoegd aan de binnenste laag in hoofdrichting 2. Hierdoor krijgt de plaat een grotere stijfheid in hoofdrichting 2 en neemt de stijfheid van de doorsnede toe. De resultaten van de berekening na de optimalisatie staan in tabel 7.7. Tabel 7.7 Resultaten optimalisatie doorsneden

H-profiel

Wanddikte [mm] 15.0 Hoogte [mm] 710.7 Breedte [mm] 582.6 h.o.h. afstand [mm] 1165.3 Plaatdikte [mm] 39.3 factorbe 0.8 Be plaat [mm] 1 874.0 Akoker/m 23762 Aplaat/m 39295 Atotaal/m [mm2 63057 ]

Kokerpmfiel

15.0 722.4 433.8 867.7 27.6 0.8 650.8 38941 27561 66501

De profielwanden zijn erg dun. In verband met plooien kunnen grotere wanddikten nodig zijn. Dit geeft dan een toename van het materiaalgebruik. De doorsnede wordt op buiging en normaalkracht belast. Het op druk belaste gedeelte is bevestigd aan de beplating en wordt hierdoor ondersteund. De andere zijde van het profiel wordt op trek belast en zal hierdoor geen problemen hebben met plooien. Door de conservatieve rekeis blijven de spanningen laag, instabiliteit zal daardoor minder snel optreden.


hoofdrapport

7.4.1

TU Delft

Conclusies

Het alternatief met H-profielen heeft een iets lager materiaalverbruik dan het alternatief met kokerprofielen. De kleinere plaatdikte bij het alternatief met kokerprofielen draagt bij aan een minder arbeidsintensieve productie. De afmetingen van de profielen zijn veel groter dan de afmetingen van de standaardprofielen in de catalogus van Fiberline. Fiberline geeft weliswaar aan dat de afmetingen wel produceerbaar zijn. Er zal hoogstwaarschijnlijk moeten worden geïnvesteerd in het maken een nieuwe matrijs. Er kan ook gebruik worden gemaakt van een aantal aan elkaar gelijmde profielen. Het aan elkaar lijmen geeft echter ook hogere productiekosten. De H-profielen hebben zijn minder breed dan de kokerprofielen, maar hebben een kleinere hartop-hart afstand dan de kokerprofielen. Het lijmoppervlak van de verbinding tussen profielen en plaat is bij de alternatieven bijna gelijk. Door de kleinere hart-op-hart afstand is het aantal lijmverbindingen groter. Kokerprofielen kunnen beter torsie opnemen dan H-profielen, wat wellicht gunstiger is bij opnemen van de obstakelbelasting. In het ontwerp van de regeldeur voor de Spieringsluis van Mudde (hoofstuk 5) bleek dat de obstakelbelasting niet goed kon worden opgenomen door een alternatief met H-profielen. De H-profielen zijn toen vervangen door kokerprofielen. Het alternatief met H-profielen kan door een strippen in verticale richting aan de flenzen van de profielen te lijmen stijver worden gemaakt in verticale richting. Dit geeft een extra bewerking en daardoor extra kosten. De afmetingen van de constructies passen wel binnen de grenzen van de deurkas. Geconcludeerd kan worden dat zowel het alternatief uitgevoerd met kokerprofielen als Hprofielen goed in staat is de belastingen uit het positief verval op te nemen. De voorkeur gaat uit naar een uitvoering in kokerprofielen. Deze uitvoering heeft door de dunnere beplating een minder arbeidsintensieve productie en daardoor grotere productie.


hoofdrapport

TU Delft

7.5 Haalbaarheid alternatief IB: Rechte sandwich 7.5.1 Krachtswerking en schematisering Het alternatief is opgebouwd uit twee platen verbonden door een schuim. De belastingen van het positief verval worden via buiging en normaalkracht afgedragen naar de voor- en achterhar. De platen nemen de normaal- en buigspanningen op en het schuim het grootste deel van de dwarskrachtspanningen (figuur 7.11). rekken buigepenrengen edreifepenningen

z i D Figuur 7.11

Spanningsverdeling

Doordat de krachten bij het negatief verval veel kleiner zijn dan bij het positief verval zal dat geen effect hebben op de afmetingen van de sandwich. Het negatief verval wordt daarom buiten beschouwing gelaten. 7.5.2 Belastingen en schematisatie Door de rechte vorm van de deur kan de deur op dezelfde wijze worden geschematiseerd als alternatief 1A (figuur 7.6). In de doorsnede treden dezelfde momenten, dwarskrachten en normaalkrachten op als in alternatief 1A. Er wordt een berekening gemaakt van de onderste meter constructie van de deur. 7.5.3 Toetsen van de doorsneden op normaalspanningen De maximale normaalspanningen treden op in het midden van de deur. De normaalkracht is constant over de gehele deur breedte, maar het moment is maximaal in de middendoorsnede. Doordat de sandwich zowel een moment als een normaalkracht moet opnemen is het economischer om voor de twee platen een verschillende dikte te nemen. De neutrale lijn verschuift dan in de richting van de zwaarst belaste plaat. In dit geval is dat de plaat belast op drukspanning. 0.1.

1

H-' nH IF + Platen met ongelijke dikten

Platen met een gelijke dikte

Figuur 7.12 Effect verandering plaatdikte op de spanningsverdeling

Het traagheidsmoment van de constructie wordt berekend met: D =

E1 t1 3

E2 t2 3 E1t1E2t2d2

(7.15)

12 12 E1 t1 +E2 t2 = dikte van respectievelijk flens 1 en 2 E 12 = stijfheid van respectievelijk flens 1 en 2 in de richting van de spanningen d = hart-op-hart afstand tussen de flenzen

-

-- 7. Technische haalbaarheid alternatieven - 59

hoofdrapport

TU Delft

De stijfheid van de plaat E 12 is afhankelijk van de opbouw van de plaat. De opbouw van de plaat is als volgt: Laag nr. Dikte UD-laag / dikte plaat Hoek van de UD-laag ten opzichte van de - anningsrichting 1 0,275 0° 0,150 +1-45° 0,150 90, 0,150 +1-451 Oo 0,275 -

Laag 1 en 5 zijn de UD-lagen aan de buitenzijde van de platen. De laagdikten zijn gegeven als deel van de totale dikte van de plaat. De stijfheid E 1 ,2 van de platen in de richting van de spanningen bedraagt: 8333 N/mm 20 Eigenschappen van de kern

Voor het kernmateriaal wordt uitgegaan van polyvinyl chloride schuim. Het materiaal is verkrijgbaar in verschillende dichtheden. In eerste instantie zal worden uitgegaan een gemiddelde waarde van 100 kg/m 3 worden. De Eurocomp [lit 12] geeft voor het schuim de volgende mechanische prestaties: Ec = 105 N/mm2 ; G= 40 Nfmm 2 ; 't = 1,4 N/mm 2 Toetsen doorsnede op buiging

De optimale oplossing is afhankelijk van de verhouding van de kosten van het schuim en de platen. De kosten van het schuim zijn beduidend lager dan de kosten van de platen. Omdat nog niet precies bekend is wat de kosten hiervan zijn wordt de plaatdikte geoptimaliseerd voor verschillende dikten van de kern. De WK-platen moeten de normaalspanningen opnemen en worden getoetst aan de rekeisen (vgl. 7.1). In tabel 7.8 staan de plaatdikten voor een kerndikte van 400, 500 en 600mm. Tabel 7.8 Afmetingen van de sandwich

Schuimdikte [mm] Plaatdikte ti [mm] Plaat dikte f2 [mm] Aplaten Im [mm51m] 400

52.6

118.2 - - 7000

500

45.7

600

41.0

15.0 113.5

60700 54500

Lokale knikstabiliteit

In plaats van de gehele sandwich kan ook alleen de plaat bezwijken (figuur 7.13). Een conservatieve benadering kan worden gemaakt met formule: cr

= 0,5 3VE fEC GC (7.16)

Waarin Gcr =

kritische knik spanning in de plaat Ef = stijf heid van de plaat Ec = stijfheid van de vulling G = afschuifstijfheid van de vulling

Figuur 7.13 Lokaal bezwijken van de platen


hoofdrapport

Dit geeft een uiteindelijke

TtJ Delft

acr

van:

° =0,5J900010540 =168N/mm 2 De maximale spanning in de plaat in de uiterste grenstoestand bedraagt:

Md z+ Nd - 394106 Nmm 2 1 8 0 mm 754.4N + =24.5NImm 2 (7.17) 'platen Ap iaten 2,9 10 mm 4 6.5 10 mm 2 Er kan worden geconcludeerd dat de plaat zal niet bezwijken door lokale instabiliteit. Uit de berekening van de gekromde sandwich in paragraaf 7.6.5 kan worden opgemaakt dat de stabiliteit van de sandwich als geheel ook geen problemen zal opleveren. Dit omdat de stijfheid van dit alternatief hoger is, de normaalkracht in deze constructie lager en de kniklengte korter ten opzichte van de sandwich in alternatief 3B. 7.5.4 Toetsen van de doorsnede op afschuifspanningen De grootte van de afschuifspanning is afhankelijk van de stijfheid van de schuimvulling. Bij een grotere stijfheid van het kernmateriaal nemen de schuifspanningen in de kern toe. De maximale afschuifspanning mag niet groter zijn dat maximaal toegestane afschuifspanning in het schuim: r_z 2

DI 2 2

1

< 1,4 MPa

(7.18)

TC =

afschuifspanning op afstand z van de neutrale lijn D = totale stijfheid van de plaat, uit vgl 7.15 E = stijfheid van het kernmateriaal in de richting van de spanningen e = afstand van de neutrale lijn tot midden van de dikste flens z = afstand tot de neutrale lijn De grootste afschuifspanning treedt op ter hoogte van de neutrale lijn van de doorsnede (z0). Bij de getoetste doorsnede geeft de kleinste doorsnede 400mm de grootste waarde voor de schuifspanning: 0,48 NImm 2 . Deze voldoet aan de eis in vergelijking 7.18. 7.5.5 Conclusies Een dikkere schuimkern leidt tot een gunstiger materiaal gebruik van het duurdere plaatmateriaal. Door de lage kosten van het schuim is dit economischer. Wel moet dan worden geïnvesteerd in een frame met grotere afmetingen. Het frame is in de berekening buiten beschouwing gelaten. De krachten worden alleen in horizontale richting afgedragen. Wellicht kan een modellering als plaat tot een slankere constructie leiden. Door voor het frame kokerprofielen te nemen kunnen de buigspanningen dan ook worden beperkt. Een schematisatie als plaat leidt tot spanningen in verticale richting. Daardoor wordt er minder gebruik gemaakt van de optimalisatie van de stijfheidseigenschappen door het leggen van een groter percentage vezels in een bepaalde richting. In de berekeningen is ervan uitgegaan dat het geen probleem met kern van 600mm dikte te produceren.

- - - - -

7. Techrüsche haalbaarheid alternatieven -61

hoofdrapport

TU Delft

7.6 Haalbaarheid alternatief 2A: Gebogen plaat op trek

7.6.1

Inleiding

De constructie is opgebouwd uit een gebogen beplating en een frame met daarbinnen drukstaven in horizontale richting. Bij het keren van het positief verval draagt de beplating de belastingen in horizontale richting af naar de harren die hierdoor op buiging worden belast. Om de buiging te beperken zijn drukstaven aangebracht tussen de harren. De harren worden nu dus gesteund in het vlak van het frame. De krachtscomponent van de plaat in het vlak van de plaat wordt opgenomen door de drukstaven. De drukstaven nemen ook de oplegreacties van de sluiswanden op de constructie op. Verwacht wordt dat de dikte van de beplating mede afhankelijk is van de belasting door het negatief verval. De plaat moet over voldoende stijfheid beschikken om doorslag tegen te gaan, waardoor een bepaalde constructiedikte is vereist. Het negatief verval oefent een lage belasting uit op de plaat. De drukkracht vanuit de beplating is veel kleiner dan de trekkracht bij het positief verval. De obstakelbelasting wordt volledig opgenomen door het frame. Dit stelt hoge eisen aan de stijfheid van de profielen waaruit het frame is opgebouwd. Het frame zal daardoor grotere afmetingen krijgen dan bij een alternatief waar de beplating de belastingen voor een deel zal opnemen. De beplating is in staat een groot deel van de belastingen door eigengewicht te dragen. Doordat de beplating het eigengewicht via normaalkracht afdraagt is het stijver dan het frame. Door de 15% regel zullen genoeg vezels in deze richting liggen om de belasting op te kunnen nemen. 7.6.2 Krachtswerking en schematisering Het alternatief zal eerst worden doorgerekend met een positief verval. Het totale materiaalverbruik benodigd voor het opnemen van het positief verval wordt vooral bepaald door de afmetingen van de drukstaven. De optredende normaalkrachten in de drukstaven worden veroorzaakt door de normaalspanning in de plaat en de spatkracht (figuur 7.14). Legenda figuur: S = spatkrachten (oplegreacties trekkracht in de plaat kracht in de drukstaven

N

s

D N

S

Figuur 7.14 Krachtenevenwicht in het knoopunt van plaat en frame


hoofdrapport

04,

TU Delft

De bijdrage van de oplegreactie op de drukkracht in de staven kunnen als volgt worden berekend: W=qOl

Figuur 7.15

Verband waterdruk en oplegreacties

Uit het krachtenevenwicht van de gehele deur (figuur 7.15) volgen de oplegreacties:

=Ssin2cc 2sincxJSH =Scos2a

(7.19)

=

De spatkrachten maken een hoek a met de drukstaven. De kracht in de drukstaven veroorzaakt door de spatkrachten bedraagt: (7.20) Dspa(acht = S cosa

Figuur 7.16 Component trekkracht beplating in vlak drukstaven

De beplating sluit aan op het vlak van de drukstaven onder een hoek component in het vlak van de drukstaven bedraagt: Dbep lating = N cos18

P

(figuur 7.16). De (7.21)

Uit formule 7.21 blijkt dat een grotere hoek f3 een kleinere component in de richting van de drukstaaf geeft. Dit is gunstig voor de afmetingen van de drukstaaf. De harren moeten wel over voldoende stijfheid beschikken om de andere component op te kunnen vangen. Bij een grotere hoek f3 is deze component van de trekkracht uit de beplating groter. De totale kracht in de drukstaven bedraagt: (7.22) D = Dspatk,.ach + Dbep lating 7.6.3 Belastingen De trekkracht in de plaat tijdens het keren van het positief verval bedraagt: (7.23) N = qwater>< R waarin: = de resulterende waterdruk veroorzaakt door het positief verval water R = straal van de deur Figuur 7.17 Kromming beplating


Th

hoofdrapport

TU Delft

De minimale straal is afhankelijk van de maximale krommingshoogte (figuur 7.17). Het verband tussen de straal en de krommingshoogte is:

R h L2 =—+-2 2h

h = krommingshoogte L = halve overspanning (6,3m12) De maximale krommingshoogte, die past in de deurkas is de diepte van deurkas (800mm) minus de benodigde vrije ruimte (50mm) minus de dikte van de profielen. De dikte van de profielen wordt geschat op 200mm. De maximale krommingshoogte wordt dan: 800mm - 50mm - 200mm = 550mm. Dit geeft een minmale straal van:

R = 550mm + (3 l5Omm)2 = 275mm + 9020mm = 9295mm 2 2550mm

Met behulp van onderstaande gegevens kunnen zowel de normaalspanning als de spatkracht bepaald worden. R =9295m L =6.3m hkromming = 550 m qwater = 74,4 kN/m (UGT) tana = 1 sinl3

=

/2L//

1

De onderste drukstaven worden het zwaarst belast. De maatgevende drukstaaf is dan of de onderste of de op één na onderste drukstaaf. Vanuit economisch oogpunt kunnen de drukstaven in het bovenste gedeelte kunnen op een grotere afstand van elkaar worden geplaatst of kleinere afmetingen krijgen. De belastingen per drukstaaf zijn berekend door aan te nemen dat de resulterende waterdrukken naar de dichtstbijzijnde drukstaaf worden afgedragen. In figuur 7.18 staat een voorbeeld van de waterdruk op de op één na onderste drukstaaf. In tabel 7.9 staan de drukkrachten veroorzaakt door resulterende krachten in de uiterste grenstoestand. Tabel 7.9 Maximum normaalkracht in maatgevende drukstaaf

Afstand drukstaven (mm) 2500 2000 1500 1000 500 maatgevend drukstaaf - 2 2 - - 2 2 2 Normaaikracht N - (kN) - 1573 - 1296 - 974 649 325 Spatkracht S (kN) 1794 1479 1116 741 370 Ontbondene Nco3 (kN) - 1478 1219 - 916 611 306 Ontbondene Scox (kN) 1702 + 1403 + 1059 + 703 + 351 +

Ørulçkraçht 0 JcN) 318Q 2622 1975 114 57 * De onderre ge! van het frame is drukstaaf nummer 1 Figuur 7.18 Verdeling belasting over staven. 7.6.4 Toetsing drukstaven De drukstaven kunnen worden geschematiseerd als staven die aan beide zijden vrij zijn opgelegd. De opleggingen kunnen wel een inklemmende werking krijgen, maar dat is afhankelijk van het detail. Het detail is echter nog niet bekend en het doorrekenen met Vrije opleggingen geeft een veilige aanname. De drukstaaf kan bezwijken door het overschrijden van de rekeis en door instabiliteit veroorzaakt door knik van de drukstaaf.

- 7. Technische haalbaarheid alternatieven -64

hoofdrapport

TIJ Delft

Normaalspanning De rek veroorzaakt door de drukspanning moet voldoen aan de eisen die gelden in de bruikbaarheidsgrenstoestand (vgl 7.1.) Voor de drukstaven wordt in eerste instantie gerekend met pultrusieprofielen. De profielen hebben een stijfheid van: Ep uitrusie = 23000/2,5 = 9200 N/mm2 Een ronde buis geeft de meest economische doorsnede voor het opnemen van de drukbelastingen. Het geeft in alle richtingen de meeste stijfheid bij het laagste mate riaalgebru i k. Voor het berekenen van de maximale rekken is uitgegaan van: E

Nd

=

Epuit,_ sie

(7.24)

Astaaf

Aan de hand van het benodigde oppervlakte van de doorsnede zijn de afmetingen bepaald. De maximale dikte van de wand is gesteld op 20mm. Uit de berekening volgt de benodigde straal van de buis om de normaalspanningen op te kunnen nemen. De eis aan de rek in de bruikbaarheidsgrenstoestand is strenger dan de eis in de uiterste grenstoestand. Uit de berekeningen blijkt dat de bruikbaarheidsgrenstoestand maatgevend is. In tabel 7.10 staan de benodigde afmetingen voor de drukstaven om de drukkrachten op te kunnen nemen. Tabel 7.10

Doorsnede afmeting ronde buisprofielen

Hart-op-hart [mm]

2500

2000

1500

1000

500.0

Drukkracht D [kN]

2120 70132

1748

1317

876

438

57826

43557

28979

14490

568.1

470

356.6

240.6

125.3

T [mm]

20.0

20.0

20.0

20.0

20

Aprofiel [rnm2]

70132

57826

43557

28979

14490

&benodigd [mm2] D [mm]

*

* benodigde diameter past niet altijd jn de beschikbare ruimte

Uit tabel 7.10 blijkt dat de drukstaven alleen in staat zijn de belasting op te nemen bij een hartop-hart afstand van 500mm. Bij een grotere afstand word de benodigde straal groter dan 200mm. Wanneer de staven op groter afstand van elkaar worden geplaatst passen ze niet meer in de daarvoor gereserveerde ruimte Voor instabiliteit hoeft alleen gekeken te worden naar staven op een hart-op-hart van 500 mm

Instabiliteit Voor het berekenen van de knik is uitgegaan van de Eulerse knik-formule. Volgens de CUR moet bij een controle voor instabiliteit minimaal een factor van 2,5 voor de materiaaleigenschappen in rekening worden gebracht. Wanneer de factor waardoor de materiaaleigenschappen worden gedeeld Weiner is dan 2,5 moet deze op 2,5 worden gesteld. De factor bedraagt reeds 2,5 en vergt geen verdere aanpassing. Er wordt gerekend op met een elasticiteitsmodulus van 9200N/mm 2 Aan de hand van de benodigde traagheid van de doorsnede zijn de afmetingen bepaald: . 12 d (7.25) 'benodigd .

'

Epultr

De maximale wanddikte is gesteld op 20mm. Uit de berekening volgt de benodigde straal van de buis om voldoende weerstand te kunnen bieden tegen knik. Dit geeft de onderstaande waarden voor het ronde buisprofiel bij een hart-op-hart afstand van 500mm:


hoofdrapport

TU Delft

Fd [kN] 657

] 1 benodigd [mm4 2 . 9.10 8 Wandikte [mm] 20 Diameter [mm] 352 De diameter van de drukstaven voldoet niet. Bekeken kan worden of rechthoekige profielen wel voldoende stijfheid bieden. De profielen kunnen een grotere afmeting krijgen in de hoogterichting van de deur, terwijl de breedte van het profiel maximaal 200 mm mag bedragen. Voor de berekening wordt uitgegaan van een rechthoekige doorsnede met een dikte van 200mm en een wanddikte van 20mm. Doordat de breedte en wanddikte van de profielen vastliggen kan de hoogte van de profielen die nodig is voor het opnemen van de drukkracht worden bepaald. De profielen hebben dezelfde stijfheid als de ronde buisprofielen. De stabiliteit van de drukstaven is maatgevend. Bij een hart-op-hart afstand van 500 mm, heeft het rechthoekig profiel een hoogte nodig van 1300mm. De drukkracht kan dus niet worden opgenomen. Om de drukkracht wel op te kunnen nemen moet de wanddikte worden vergroot of het profiel een grotere breedte krijgen. Bij een grotere breedte van het profiel neemt de ruimte voor de kromming van de beplating af en wordt de straal groter. Bij een grotere straal wordt de trekkracht in de beplating ook groter en neemt de kracht in de drukstaaf toe. 7.6.5 Conclusies De drukstaven moeten een grote drukbelasting opnemen. Ze krijgen dermate grote afmetingen dat ze niet goed in de beschikbare ruimte passen. De krachtswerking van de deur wordt minder optimaal door de kleinere ruimte voor de plaatkromming. De drukstaven kunnen worden uitgevoerd in een ander materiaal bijvoorbeeld staal of worden verstijfd met een ander vezeltype. Andere vezeltypen geven een aanzienlijke kostenverhoging. Het verstijven met bijvoorbeeld stalen buizen kan goede mogelijkheden bieden. Men moet zich dan wel afvragen of het niet beter is een stalen constructie in te pakken. Vanwege de omvang van dit afstudeerwerk wordt in eerste instantie afgezien van een combinatie van VVK met een ander materiaal. Het is wel aan te bevelen om te onderzoeken wat hier de mogelijkheden in zijn.


A TU Delft l

hoofdrapport

7.7 Haalbaarheid Alternatief 3113: Gebogen sandwich 7.7.1 Inleiding

Bij dit alternatief worden de belastingen veroorzaakt door het positief verval direct via drukkrachten afgedragen naar de sluiswanden. Het frame levert geen bijdrage aan het afdragen van deze belastingen. Het negatief verval veroorzaakt trekkrachten in de constructie. Door de lage waarden van de belastingen heeft dit belastinggeval geen effect op de afmetingen van de sandwich. De afmetingen van de sandwich worden met name bepaald door het positief verval. De sandwich bezit enige stijfheid voor het opnemen van wringmomenten. Wanneer de stijfheid van de sandwich niet toereikend is kan een frame worden gebruikt om de belastingen op te nemen. Aan de hand van de benodigde afmetingen van de sandwich voor het positief verval kan worden ingeschat hoe de stijfheid van de sandwich zich verhoud tot de andere alternatieven. 7.7.2 Krachtswerking en schematisering

De deur wordt opgebouwd uit een sandwich. De sandwich wordt rondom verstijfd door een frame. De sandwich heeft de vorm van een boog en draagt de belastingen via membraanspanningen (druk) af naar de steunpunten. De constructie kan worden geschematiseerd als een symmetrische boogconstructie met drie scharnieren (figuur 7.19). De positie van het middenpunt heeft invloed op de krachtswerking. De positie kan worden uitgedrukt in de verhouding tussen het peil van de boog (f) en de overspanning van de boog (1). Bij de huidige deur is de verhouding f/1116. De deuren staan onder een hoek a van 18,4 0 ten opzichte van de breedterichting de sluis. Om de deuren samen een deel van een cirkel te laten vormen, moeten de deuren vloeiend op elkaar aansluiten in het midden van de deur. Uit figuur 7.20 kan worden opgemaakt dat de hoek f3 gelijk moet zijn aan de hoek (x om deze aansluiting te realiseren. De hoek f3 (=a) is afhankelijk van de straal van de deur: sinfl= 1 Bij een hoek

e S

Figuur 7.19 Boogconstructie

(7.26)

f3 van 18,4 0 wordt de straal van de deur:

L 3150mm R= = =9979mm sinfl sinl8,4°

Figuur 7.20 Relatie straal en hoek van aansluiting

In eerste instantie wordt geprobeerd de deur in de huidige deurkas te passen. De deurkas heeft een diepte van 800mm. Met een straal van 9979 mm heeft de boog een krommingshoogte van 510 mm. De maximale krommingshoogte, die past in de deurkas is de diepte van deurkas (800mm) minus de benodigde vrije ruimte (50mm) minus de halve dikte van de sandwich. De sandwich mag een maximale dikte hebben van: 2 x (800-50-510)mm = 480mm.

-

- 7. Technische haaUaarheid alternatieven - 67

hoofdrapport

TIJ Delft

7.7.3 Belastingen

Om de berekening eenvoudig te houden zal een strook van een meter deurhoogte worden uitgerekend. De zwaarst belaste strook is de onderste meter deur. De meewerking van het frame wordt verwaarloosd en de sandwich moet de gehele belasting opnemen. De belasting veroorzaakt een membraankracht in de sandwich. De kracht bedraagt:

(7.27)

N =p.xR = 74,4KN/m 2 x9,96m =741kN/m 7.7.4 Toetsen van de doorsnede

De sandwich moet op drie dingen worden getoetst. De sandwich kan bezwijken door instabiliteit. De drukkracht in de sandwich kan de constructie laten plooien De drukspanningen in de sandwich kunnen te hoog worden. De maximale rekken die optreden in de platen mogen de grenzen niet overschrijden De plaat kan bezwijken door het lokaal plooien van de platen. 7.7.5 Toetsen op instabiliteit Uitgangspunt van de berekening is dat de membraanspanningen alle belasting afdragen. De sandwich wordt daardoor belast op druk en kan door instabiliteit bezwijken (figuur 7.21). In de DIN 4114 [lit] wordt een kniklengte gegeven voor een symmetrische boog met drie scharnieren. De kniklengte is afhankelijk van de verhouding van de krommingshoogte (f) van de gehele deur en de totale breedte van de sluiskolk (1). De kniklengte wordt berekend door de omtrek S (figuur 7.19) van de deur, met een factor 6 te vermenigvuldigen. De lengte van de deur bedraagt: S = 29xR=2•0.329979mm=6409mm De sandwich kan nu worden berekend als een rechte staaf belast op druk. Voor een verhouding fl1 =1/6 geeft de norm een factor van 1,18. De kniklengte wordt hierdoor:

Lk =8•S=1,18S=1,186409mm=7563mm waarin = hoek in radialen (figuur 7.20) De doorsnede kan bezwijken door knik. De doorsnede moet over voldoende stijfheid om knik tegen te gaan. In het boek: "An introduction to sandwich construction" [lit 11] staat een berekening van de kritische knikbelasting: Pcr =

n 2 jr 2 D / Lk 2 1 + (n 2lr 2 D)/(Lk 2 S)

721 Bezwijken (7.28) Figuu van sandwich op instabiliteit

nWaarin: Lk =

kniklengte (81) n = aantal golven in de doorsnede D = buigstijfheid van de doorsnede (paragraaf 7.5.3) Gcd S = afschuifstijfheid van de doorsnede: tc

Opbouw van de doorsnede

De doorsnede is opgebouwd uit een sandwich. De kern wordt opgebouwd uit een polyvinyl chloride schuim met een dichtheid van 100kg/m 3 (paragraaf 7.5.2). De flenzen worden opgebouwd uit laminaten. Voor de opbouw van het laminaat wordt uitgegaan van de opbouw


hoofdrapport

TU Delft

van het laminaat in alternatief 1B. Wanneer we aannemen dat hoofdrichting 1' de breedte richting van de deur is en hoofdrichting 2' de hoogterichting van de deur worden de onderstaande rekenwaarden voor de stijfheid verkregen:

E;23400NImm2 =9000N/mm2 Y. 2,6

E; 11700N/mm2 = 4500N/ Y. 2,6

2

G12 3200N/mm 2 =1230N/mm 2 2,6 Y.

De extra kosten voor het maken van een dikkere kern zijn erg laag. Het is daardoor goedkoper een dikke kern te maken met dunne flenzen. De dikte van de flenzen zijn gelijk. Toetsen van de rek veroorzaakt door de normaalspanningen De rek in de bruikbaarheidsgrenstoestand de rek moet voldoen aan de eis voor de maximale rek van 0,27%. In eerste instantie wordt aangenomen dat de membraanspanningen alleen worden opgenomen door de platen. De membraankracht in de bruikbaarheidsgrenstoestand bedraagt: (7.29) N = qwater x R = 59,5kN/m 2 x 9,98m = 593 kN/m De rekeis geeft een minimale dikte voor de flenzen. Waneer als uitgangspunt wordt genomen dat de normaalspanningen alleen worden opgenomen door de flenzen kan de minimale dikte van de flenzen worden bepaald:

N 59410 3 N = 23,9 mm 2t = = bEE 10000,002769000N/mm 2

(7.30)

De rekeis geeft een minimale dikte van de flenzen van 23.9mm / 2 = 12,0 mm. 7.7.6 Dimensioneren van de sandwich op instabiliteit De benodigde stijfheid voor het kunnen opnemen van de membraanspanningen kan worden berekend met vergelijking 7.28. De benodigde stijfheid hangt af van de buigstijfheid D en de afschuifstijfheid S. De stijfheid hangt af van de dikte van de kern en flenzen. De minimale dikte van de flenzen is berekend. Door de dikten van de kern aan te passen kan een minimale dikte van de kern worden gevonden. Een kern van 280 mm blijkt te volstaan. 7.7.7 Lokale knikstabiliteit Voor een conservatieve benadering voor het plooien van de platen kan worden gemaakt van de formule [10]: ___________

o

_-0,5.3.jEfECGC =O,5I900010540 =168N/mm 2

(7.31)

De maximaal optredende spanning in de uiterste grenstoestand moet worden getoetst: g=

-

________ = = 23N/mm 2 ~ 168N/mm 2 Voldoet.

A 32.000mm 2

N = qwater x R = 74,4kNIm 2 x 9,98m = 593 kN/m Het plooien van de lijven levert verder geen problemen op.


-

69

hoofdrapport

7.7.8

TU Delft

Conclusies

Uit de berekening blijkt dat de weerstand tegen instabiliteit maatgevend is. Een dikkere kern geeft een grotere stabiliteit bij dunnere platen. De benodigde dikte van de sandwich past nog goed in de beschikbare ruimte van de huidige deurkassen. De kerndikte van 280mm, laat zien dat er een aanzienlijke stijfheid is in verticale richting. Verwacht wordt dat de sandwich een duidelijke bijdrage in het opnemen van de obstakelbelasting. 7.8 Conclusies Uit de berekeningen is gebleken dat alternatief 2A niet in staat is de belastingen op te nemen. De aanpassingen die nodig zijn om de belastingen wel op worden in dit afstudeerwerk niet verder bekeken. Het is echter niet waarschijnlijk dat het alternatief met de benodigde aanpassingen goedkoper is dan de andere alternatieven. Het alternatief zal daarom niet verder worden uitgewerkt. Bij de deuren is het materiaalverbruik geoptimaliseerd voor het opnemen van het positief verval. De doorsneden van de beplating, regels en sandwich worden hierdoor bepaald. Aangezien het frame ook een deel van het materiaalverbruik voor z'n rekening neemt moet in kaart worden gebracht wat hiervan het effect is op het totale materiaalverbruik. Elk van de constructies beschikt over een frame. De afmetingen van het frame zijn afhankelijk van: - de dikte van de deur - de krachten die worden uitgeoefend op dat frame Hoe dikker de deur hoe groter de afmetingen van het frame moeten zijn. De dikkere deuren geven hierdoor een hoger materiaalverbruik. Bij de sandwichconstructie een voorziening worden getroffen om de kern van de sandwich tegen water te beschermen. Alternatief 3B heeft een slankere constructie waardoor kan worden volstaan met een frame met kleinere afmetingen. Bij de regeldeur kunnen onder- en bovenregel deel uit maken van het frame en meewerken met het afdragen van de belastingen van het positief verval. Hierdoor is het materiaalgebruik van de regeldeur gunstiger. De obstakelbelasting moet voor een deel worden opgenomen door het frame. Het deel dat moet worden opgenomen door het frame is afhankelijk van de stijfheid van het frame zelf en de stijfheid van de beplating. Een stijvere beplating vergt een minder grote stijfheid van het frame, waardoor deze kleinere afmetingen kan krijgen. De stijfheid van de regeldeur is kleiner in verticale richting. De gedeelten waar de beplating niet wordt gesteund door de regels zijn relatief slap. Door strippen aan in verticale richting aan te brengen op de achterzijde van de profielen kan de stijfheid verticale richting worden vergroot. Dit geeft echter een extra bewerking en verhoging van de kosten. Alternatief 1B heeft door de grote dikte ook een aanzienlijke stijfheid in verticale richting door de dikke van de kern en relatief dikke flenzen. De stijfheid in verticale richting is de helft van die in de horizontale richting, waardoor verwacht kan worden dat de deur de obstakelbelasting probleemloos kan opnemen. De gebogen sandwich heeft een kleinere kern, maar dezelfde stijfheid in de flenzen. De stijfheid in verticale richting kan voldoende zijn om de obstakelbelasting op te nemen. Door de kleinere dikte kunnen de afmetingen van de profielen in het frame binnen de perken worden gehouden en kan dus ook het materiaal gebruik worden beperkt. De gebogen sandwichconstructie kan het laagste materiaalverbruik hebben, wanneer er geen grote afmetingen nodig zijn voor de profielen van het frame. Vanuit het oogpunt van materiaalgebruik scoort de gebogen sandwich het beste van alle alternatieven. Het materiaalverbruik is echter niet de enige doorslaggevende factor voor de kosten van de deur. Nu de afmetingen van de grootste constructie elementen bekend zijn kan worden bekeken welke beperking ze opleggen voor het maken van de benodigde details. In hoofdstuk 8 zullen de


hoofdrapport

TU Delft

resultaten van de berekeningen worden gebruikt om de deuren tegen elkaar af te wegen. In tabel 7.11 staan de resultaten van de berekeningen. Tabel 7.11 Samenvatting hoofdvormen en vormaltematieven

Vormalternatief 1

f_

- 1

1 1

Opbouwalternatief Alternatief 1A Regeldeur

:

Conclusies dimensionering Materiaalgebruik:

+ 60.000mn? (per m 2 deur)

Groot aandeel doorsnede pultrusie Nieuwe matrijs nodig voor productie profielen (extra investering)

Alternatief 1B: Sandwich op buiging

Materiaalgebruik +1- 55.000 mm2 (per m2 deur)

Alternatief 2A: Enkeigekromde plaat

De afmetingen van de drukstaven past niet in de daarvoor beschikbare ruimte. Het alternatief zal niet verder in beschouwing worden genomen.

Alternatief 3B: Gekromde Sandwich opdruk

Materiaalverbruik: 24.400mrr? (per m2 deur)

Dikke kern geeft onzekerheid over productieen gedrag

Het gunstige mate ri aalverbru ik dat kan worden bereikt binnen de afmetingen van de deurkas. De hoek van de oplegkracht verschilt 18,4 graden ten opzichte van de richting van de oplegkracht van de huidige deuren. De kern is slanker dan bij alternatief 1 B.


hoofdrapport

8

TtJ Delft

ALTERNATIEF KEUZE

8.1 Inleiding In dit hoofdstuk worden de overgebleven alternatieven tegen elkaar afgewogen. De alternatieven worden getoetst aan het voldoen aan de doelstelling van het ontwerp: Het minimaliseren van de stichtings- en onderhoudskosten van de sluisdeuren. Het alternatief dat het beste voldoet aan de doelstelling wordt verder uitgewerkt. 8.2 Hoofdcriteria Uit de doelstelling kunnen twee criteria worden onderscheiden: - stichtingskosten - onderhoudskosten Het alternatief waarbij de som van de beide kostenposten het laagst is voldoet het meest. Om inzicht te krijgen in de mate waarin een alternatief voldoet worden de criteria opgesplitst in subcriteria waaraan de ontwerpen worden getoetst. Omdat de kosten niet kwantitatief bepaald kunnen worden in dit ontwerpstadium, worden de alternatieven met elkaar vergeleken in de mate waarin ze voldoen aan deze criteria. 8.3 Hoofdcriterium stichtingskosten De alternatieven moeten worden vergeleken op de stichtingskosten en kosten die worden verwacht voor het onderhoud van de deur. De stichtingskosten worden bepaald door verschillende factoren: de fabricagekosten, de assemblagekosten, het transport, de kosten voor het monteren van de deur, de kosten voor eventuele aanpassingen van het sluishoofd en de kosten voor details. 8.3.1 Fabricagekosten De fabricagekosten zijn afhankelijk van het materiaalgebruik, maar ook van de wijze van produceren (figuur 8.1). Standaard leverbare elementen in pultrusie zijn - Handlamineren het goedkoopst. Wanneer een nieuwe matrijs Pultrusie nodig is zal een investering in een nieuwe -- Pultrusie (standaard profiel) kosten matrijs moeten worden gemaakt. Bij elementen geproduceerd met handlamineren zal moeten hoeveelheid worden geïnvesteerd in een mal. Figuur 8.1 Indicatie grafisch verband productiemethode De elementen van alternatief 1 A worden geproduceerd met de techniek van pultruderen — kosten - hoeveelheid en handlamineren. Door de afmetingen van de pultrusieëlementen moet worden geïnvesteerd in een nieuwe matrijs. Voor de beplating moet worden geïnvesteerd in een mal. De productiekosten vallen hierdoor iets hoger uit. Het frame van alternatief 1A kan worden gemaakt van pultrusieprofielen. Door de grote dikte van de sandwich zijn de afmetingen van de profielen dermate groot dat niet meer kan worden uitgegaan van standaard leverbare pultrusieprofielen. De voor- en achterhar kunnen geproduceerd worden door een U-profiel, die om de beplating en regels heen wordt geschoven. De afmetingen van deze profielen vragen om een nieuwe matrijs of een handgelamineerd profiel.

8. Alternatief keuze - 72

hoofdrapport

TtJ Delft

Alternatief IB is opgebouwd uit een sandwich, die kan worden geproduceerd met een enkele mal. De grote dikte van de handgelamineerde beplating geeft een arbeidsintensieve en daardoor kostbare productie. Het alternatief heeft vier profielen nodig voor het frame met afmetingen die buiten de standaard leverbare pultrusieprofielen vallen. Hierdoor zijn extra investeringen nodig voor een nieuwe matrijs, voor het verlijmen van een aantal bestaande profielen. De profielen kunnen ook worden geproduceerd met handlamineren. Voor alternatief 3B is een in één richting gekromde mal nodig. Het is niet waarschijnlijk dat de kosten hiervan veel hoger zijn dan van een rechte mal met gelijke afmetingen. De kosten van het schuim zijn een orde grootte lager dan de kosten voor de beplating in VVK en hebben geen grote invloed op de totale kosten. Door de dunnere afmetingen van de plaat zijn minder lagen lamellen nodig om de plaat te produceren. Het alternatief heeft een aanzienlijk kleinere constructiedikte dan de andere alternatieven. Door de kleinere dikte kan voor de voor- en achterhar een standaard pultrusieprofiel worden gebruikt. De onder- en bovenregel van het frame moeten door de gekromde vorm worden geproduceerd met de techniek van handlamineren, wat extra kosten voor een mal en een arbeidsintensieve productie met zich meebrengt. Geconcludeerd kan worden dat de gebogen sandwich naast een laag materiaal verbruik geen duidelijk hogere investering nodig heeft dan de andere alternatieven. De kosten van de profielen van het frame worden bepaald door de dikten hiervan. Een grotere dikte vraagt om meerdere lamellen en daardoor meer arbeid. De dikte is afhankelijk de benodigde stijfheid van het frame. Aangezien dit nog niet precies bekend is kan hier nog niet volledig rekening mee worden gehouden. Wanneer dit buiten beschouwing wordt gelaten zijn de fabricagekosten van alternatief 3 het laagst. 8.3.2 Assemblagekosten De assemblagekosten zijn de kosten van het verlijmen van de verschillende onderdelen van de deur: de beplating, het frame, de regels of een eventuele schuimlaag. De bevestiging van de details wordt in paragraaf 8.3.6 besproken. De assemblage van alternatief 1A bestaat uit het lijmen van de profielen op de beplating, waarna de harren om de beplating en profielen kan worden gelijmd. De boven- en onderregel van de deur werken actief mee met de afdracht van de waterdrukken. Hierdoor hoeft er een frame geen aparte onder- en bovenregel te worden gemaakt. De alternatieven met een sandwich kunnen laag voor laag worden opgebouwd. Eerst wordt één van de platen gerealiseerd, een lijmlaag aangebracht. waarna de kern wordt opgeschuimd. Na het realiseren van de kern kan deze worden afgewerkt en kan de andere plaat erop worden gelijmd. De harren kunnen zowel binnenin als buiten de beplating als buiten om de platen worden aangebracht. De verwachting is dat de assembiagekosten van de sandwich niet veel zal verschillen van de regeldeur. 8.3.3 Transportkosten De transportkosten hangen af van het gewicht van de deur. Gezien het relatief lage eigengewicht van VVK, zullen de onderlinge verschillen in het gewicht gering zijn. Daarnaast moeten bij te lichte deuren voorzieningen worden getroffen tegen het opdrijven van de deur. De verschillen in transportkosten van de deuren worden daarom verwaarloosd.


hoofdrapport

TtJ Delft

8.3.4 Montagekosten De montagekosten zijn de kosten voor het plaatsen van de deur. De manier waarop de deuren worden opgelegd verschilt niet fundamenteel van elkaar. De deuren moeten allemaal op dezelfde wijze bevestigd worden. De verschillen in montagekosten worden daarom verwaarloosd. 8.3.5 Kosten voor het aanpassen van het sluishoofd De kosten voor aanpassingen van het sluishoofd worden niet in rekening gebracht. Kosten voor het aanpassen van de drempel worden ook iet in rekening gebracht. Het uiteindelijk ontwerp in dit rapport zal worden vergeleken met een aantal eerdere ontwerp voor dezelfde deuren in andere materialen. Bij het ontwerpen van deze deuren is ook geen rekening gehouden met de kosten voor het aanpassen van de drempel. De deuren passen allemaal in de deurkas, waardoor deze ook geen aanpassing nodig heeft. De oplegkracht van de sandwich maakt wel een andere hoek met de sluiswand. Het is echter niet bekend of de sluiswand problemen heeft de grotere krachtscomponent in de lengterichting van de sluis op te vangen. Het valt buiten de opdracht van dit afstudeerwerk om hier antwoord op te geven. Er wordt aangenomen dat de kracht probleemloos kan worden opgenomen. 8.3.6 Kosten voor de details De details van de sluisdeur worden beperkt tot de aansluitingen op de scharnieren, de aansluiting van de trek- en drukstang en de afdichtingen van de deur ter plaatse van de voor- en achterhar. Daarnaast moet worden bekeken of er maatregelen moeten worden getroffen in verband met het opdrijven van de deur. Het detail voor de aansluiting van de scharnieren kan bij de sandwichconstructies in de constructie worden geïntegreerd. Op de plaats van het schuim kunnen constructieonderdelen worden geplaatst voor het inleiden van de krachten uit de scharnieren. Bij de regeldeur moet het detail aan de buitenzijde van de constructie worden bevestigd. Dit kan worden gerealiseerd door een stalen schoen over de constructie heen te schuiven (figuur 8.2). De schoen kan met bouten aan de constructie worden bevestigd. De sandwich deuren bieden dus meer mogelijkheden voor het bevestigen van de details Figuur 8.2 Stalen schoen voor aansluiting scharnier ter plaatse van de scharnieren. De trek en drukstang kan worden bevestigd aan de bovenregel van de deuren. De bovenregel van de rechte deuren heeft grotere afmetingen dan de bovenregel van de sandwich. De bovenregel van de sandwich wordt geproduceerd met de techniek van handlamineren en de dikte kan daarom worden aangepast aan de belasting. De lokale kracht kan daardoor goed door de bovenregel worden ingeleid in de constructie. Bij de sandwichs moet extra gewicht in de deur worden aangebracht om opdrijven tegen te gaan. De ballast kan in kisten of tussen beplating en twee profielen worden ingebouwd. De verzwaring kan bestaan uit zand of beton of staal. Het voordeel van staal is dat het constructief gebruikt kan worden. Doordat het extra gewicht gemakkelijk is in te bouwen wordt verwacht dat dit geen doorslaggevend effect zal hebben op de kosten van de verschillende deuren. De deur van Alternatief IA kan eenvoudig worden verzwaard door extra gewicht in de kokers aan te brengen. De kokers worden afgesloten door de voor- en achterhar. Het gewicht

-- 8. Alternatief keuze - 74

A

l

hoofdrapport

TU Delft

waarmee de kokers worden verzwaard belast de verbinding tussen plaat en koker op trek. Het extra gewicht geeft een moment op de verbinding. Door de verzwaring te spreiden over meerdere kokers kunnen dit soort problemen worden voorkomen. 8.4 Hoofdcriterium onderhoudskosten Bij Rijkswaterstaat heeft men aangenomen dat de deuren in de Spieringssluis geen onderhoud behoeven. Daarnaast gaat men ervan uit dat de deuren goed functioneren over een periode van 50 jaar. Het kan wel nodig zijn de deuren een aantal keren schoon te maken, een gladde vorm voldoet dan beter. De sandwich deuren hebben een gunstiger vorm en zijn beter te reinigen. De gevoeligheid voor aanvaringen is groter dan bij traditionele deuren. In geval van schade aan de deur moet het WK gerepareerd worden in een ruimte waar de temperatuur en vochtigheid kunnen worden gestuurd. Dit betekend dat het verschil in reparatiekosten tussen de deuren niet significant zal verschillen. De kans op een beschadiging door een aanvaring is niet afhankelijk van de deuren. De deuren kunnen op dit punt niet onderling met elkaar worden vergeleken. Bepaalde onderdelen geven een grotere onzekerheid voor wat betreft de levensduur. De elementen zijn bij alle alternatieven verbonden door lijmverbindingen. De verbinding tussen beplating en schuim bij de sandwichconstructie moet een groot stijfheidverschil van platen en kern overbruggen. De verbinding tussen de beplating en profielen bij de regeldeur is blootgesteld aan het water en kan bij de kokerprofielen op trek worden belast door de vervorming van de plaat tussen de lijven van de koker. De mate van de onzekerheid van de verschijnselen kan niet kwantitatief worden uitgedrukt en kunnen niet goed met elkaar worden vergeleken.

-

-


hoofdrapport

TU Delft

8.5 Conclusie Alternatief 3B heeft de laagste fabricagekosten, door z'n lage materiaalverbruik. Voor het opnemen van de obstakelbelasting kan een frame nodig zijn. De assemblagekosten verschillen niet significant van de andere alternatieven. De details nodig voor de aansluitingen op de sluiswand en tussen de deuren verschilt niet sterk van de andere alternatieven. In het alternatief moeten voorzieningen worden getroffen tegen het opdrijven van de deur. Omdat dit makkelijk kan worden ingebouwd in de sandwich wordt ingeschat dat dit een relatief geringe verhoging van de stichtingskosten zal geven. Op basis van de nu bekende gegevens zal alternatief 3B de laagste stichtings- en onderhoudskosten geven. Om een waterdichte uitspraak is inzicht in de uitvoering en kosten van de details per alternatief nodig. Vanwege de omvang van dit afstudeerwerk zal alleen alternatief 3B verder worden uitgewerkt. Aan de hand van de kosten van de detaillering kan een terugkoppeling worden gemaakt om te bekijken of de keuze voor alternatief 3 terecht is geweest. In tabel 8.1 staat een overzicht van de aspecten per criterium voor de verschillende deuren. Tabel 8.1 Samenvatting hoofdvormen en vormaltematieven

Criterium Fabricage

Alternatief IA - -

Assemblage

-

:

Regeldeur

dikte beplating 27.4 mm investeren in nieuwe matnjs voo pultrusieprofielen_nodig meer elementen te verlijmen

Alternatief IB: Sandwich - -

-

dikte beplating: 54.5mm 1 mal benodigd

Geen grote verschillen in monteren van de deuren

Transportkosten

Verschillen zijn te verwaarlozen

Aanpassingen sluishoofd Detaillering

Kosten worden niet in rekening gebracht

-

-

Onderhoudskosten

-

boven en onderegel a geïntegreerd in het ontwerp aansluitingen scharnieren moe aan buitenzijde wordei bevestigd extra gewicht verzwaren kan ii kokers _worden_aangebracht Vorm moeilijker schoonmaken

-

-

- -

kan laag voor laag wordei opgebouwd

Montage

-

Alternatief 3A: Sandwich

boven en onderrege handlamineren (afmetingen) verzwaren deur

-

-

-

-

Gladde vorm eenvoudig b reinigen

-

dikte beplating 24.4 mm gekromde mal nodig kan laag voor laag worden opgebouwd

Boven en onderregel handlamineren, vanwege gebogen vorm verzwaren deur

Gladde vorm eenvoudig te reinigen


hoofdrapport

9

TU Delft

DEFINITIEF ONTWERP

9.1 Inleiding In hoofdstuk 7 is de beplating van het gekozen alternatief gedimensioneerd op het positief verval. Naast het positief verval moet de deur in staat zijn de andere belastinggevallen, het negatief verval en de obstakelbelasting, op te nemen. In dit hoofdstuk wordt beschreven hoe het alternatief zich gedraagt bij het opnemen het negatief verval en de obstakelbelasting en welke voorzieningen moeten worden getroffen om de krachten die hierdoor ontstaan op te nemen.

9.2 Negatief verval 9.2.1 Belastingen In paragraaf 3.2.2. staat beschreven dat de stormvloeddeuren niet worden ingezet bij het keren van een negatief verval. Voor het keren van het negatief verval worden andere deuren ingezet. De stormvloeddeu ren worden echter wel belast door een staande golf van passerende schepen. Om de kracht van deze golven in rekening te brengen wordt gerekend met een negatief verval van 0,20 m (figuur 9.2). Inclusief belasting factor bedraagt de belasting: = y(h - h M )1.25 = 2.5 kN!m2 (bijlage 1 van het rapport van M.S. Krüse [LIT 1]). De deuren worden door de belasting open gedrukt. Het trek- /drukmechanisme kan worden gebruikt om de deuren tijdens het optreden van deze belasting gesloten te houden. In figuur 9.1 is een modellering gegeven van de situatie. Punt A is hierin de positie van de scharnieren en punt B de middenaansluiting. De resultante van de waterdruk grijpt aan in het midden van de deur. De grootte van de resulterende kracht van het water kan worden berekend door de waterdruk te vermenigvuldigen met de oppervlakte waarop deze werkzaam is: A Rwaterdruk = 2.5 kN/m 2 x 6.69m x 6.4m + 0.5 x 2.5 kN!m 2 x 0.2m x 6.4m = 108.7 kN. In de eerder gemaakt ontwerpen voor de stormvloeddeuren in roestvast staal, aluminium en hout is ervan uitgegaan dat de kracht uit het trek/drukmechanisme aangrijpt op een afstand van 2,5 meter van het de bovenscharnierpunt. In deze ontwerpen staat de kracht staat haaks op de deuren. In werkelijkheid zal de trek- drukstang onder een aangrijpen, waardoor er een trekkracht in de deur zal ontstaan. Omdat het ontwerp met deze ontwerpen moet worden vergeleken zal van dezelfde uitgangspunten worden uitgegaan. Om de deuren tijdens het optreden van de belasting gesloten te houden moet er momentenevenwicht zijn om de scharnieren, punt A in figuur 9.1. Het trek-/ drukmechanisme moet een kracht leveren

Figuur 9.1 Schematisatie negatief veival

Figuur 9.2 Negatief vetval

3.15m 108.7kN van:Fjg = = 137.OkN 2.5m

9. Definitief ontwerp - 77

hoofdrapport

TU Delft

Volgens Rijkswaterstaat is het huidige trek- en drukmechanisme daartoe in staat en kan het een kracht leveren van 141 kN [LIT 161. De in verhouding tot het positief verval kleine belastingen op de beplating kunnen gemakkelijk door de sandwich worden opgenomen. De bovenrand van de deur wordt echter lokaal zwaar belast en er zal een voorziening moeten worden getroffen om de kracht vanuit het bewegingsmechanisme op te nemen. De verwachting is dat de obstakelbelasting een grote aanpassingen vereist aan de deur. Om rekenwerk te besparen zal de deur eerst worden ontworpen voor het opnemen van de obstakelbelasting. Daarna zal worden bekeken de kracht vanuit het mechanisme op kan worden genomen en zullen eventuele aanpassingen worden doorgevoerd. 9.3 Obstakel belasting 9.3.1 Inleiding

Fd,ffi,,g

Bij de obstakelbelasting wordt ervan uitgegaan dat de maximum kracht uit het bewegingsmechanisme op de deur werkt en een obstakel op de drempel het sluiten van de deur verhindert (figuur 9.3). Het obstakel bevindt zich op een afstand van 1,0 meter van het onderdraaipunt. Door de gebogen vorm zal de kracht nu op een ander punt aangrijpen. In eerste instantie wordt aangenomen dat de kracht haaks aangrijpt op de bovenregel. De kracht grijpt aan op een op een absolute afstand van 2,5 meter van het bovenscharnier. Het mechanicamodel heeft drie opleggingen. De taats is geschematiseerd als een bolscharnier. Ter plaatse van het bovenscharnier is de verplaatsing in horizontale vlak verhinderd. 9.3.2 Benadering van de obstakelbelasting via een wringpaneel Een groot deel van de spanningen in de deur worden afgedragen via wringing. Om inzicht te krijgen in het gedrag van de sandwich bij het opnemen van wringmomenten kan het zogenaamde plaatje van Nadaï worden gebruikt (figuur 9.3). De plaat wordt geschematiseerd als een plaat opgelegd op drie hoekpunten. Op het overgebleven hoekpunt wordt een kracht loodrecht op het vlak aangebracht. De kracht is gelijk aan de capaciteit van het bewegingsmechanisme. Volgens de vlakke plaattheorie treden er in de plaat geen dwarskrachten en momenten in de hoofdrichtingen op en wordt de belasting geheel opgenomen via wringing. De plaat heeft afmetingen van 2,5 meter bij 10 meter. De vervorming van de plaat kan worden berekend door:

1.0

Figuur 9.3 Obstakelbelasfing

Figuur 9.4

Plaatje van Nadaï

2w w=—.xy xy

met x en y als afstanden in de x- en inrichting ten opzichte van het midden van de plaat

w M, 1 xy - Dxy F137kN M =685kNm/m 2

1V

,

2 2


hoofdrapport

TIJ Delft

Het boek An introduction to sandwich construction [Lit 11] geeft een formule voor de wringstijfheid van een sandwich. Met de gegevens van de paragraaf 7.9.3 ontworpen sandwich wordt een wringstijfheid verkregen van:

D = 2•t1 G1 t2 G2 d 2 212,4mm1752,8NImm 2 •12,4mm1752,8NImm 2 292,4mm2 =1 85•10 9 Nmm XY t1 G1 +t2 G2 12,4mm1752,8N/mm 2 +12,4mm1752,8N/mm 2 De vervorming en verplaatsing van de sandwich bedragen dan: PJ 2 w 68,5103Nmm1mm =370•10-

3x3y 1,8510 9 Nmm w = 3,70 10(---) 1250mm 5000mm = 231,3mm

mm

De verplaatsing ten opzichte van de oplegpunten bedraagt dan: 2x231,3 = 462,5mm. De rek y, , moet voldoen aan de rekeis van 0,276%:

2 M XY z - 268,5 io Nmm/mm 140mm = 1.0410-2 => 1,04% >0,276% (Voldoet niet) 1,85 10 Nmm DXY 9.3.3 Conclusie handberekening De schematisering wijkt op drie punten af van de schematisering van de sluisdeur met een obstakelbelasting. De sluisdeur is gebogen en kan daardoor een groter deel van de belastingen via normaalkracht afdragen. Hierdoor treedt een reductie op in de wringmomenten in de doorsnede en worden de rekken lager. In de modellering van de obstakelbelasting vormt het obstakel een steunpunt op de onderrand van de sluisdeur. Het obstakel bevindt zich op 1,0 meter van het onderdraaipunt. In de modellering met het plaatje van Nadaï is de afstand tussen de ondersteunpunten 2,5 meter. Hierdoor is het krachtsverloop in de modellering met het plaatje van Nadaï gunstiger dan in de sluisdeur. De sluisdeur heeft een breedte van 6,3 meter. Het gedeelte van de constructie wat buiten de 2,5 meter van het plaatje van Nadaï bevind zal in werkelijkheid ook een deel van de belastingen afdragen. Hierdoor treed een verlaging van de spanningen op in het door ons beschouwde gedeelte. De berekening geeft slechts een benadering van de obstakelbelasting. Uit de berekening volgen dermate grote rekken dat kan wel worden geconcludeerd dat het zeer onwaarschijnlijk is dat de sandwich in staat is de obstakelbelasting zelfstandig op te nemen. Om de obstakelbelasting op te nemen zal een frame in de sandwich worden geplaatst.


hoofdrapport

TU Delft

9.4 Berekening van de sandwich in STAAD BiJ het gebruik van een frame en een sandwich beplating zullen deze samenwerken bij het opnemen van de belasting. De complexiteit van de berekening maakt het gebruik van een computerberekening noodzakelijk. Voor de berekening wordt gebruik gemaakt van het programma STAAD-Pro. Om de berekening in STAAD eenvoudig te houden worden de sandwich elementen geschematiseerd als plaatelementen.

9.4.1 Modelering van de sandwich in STAAD STAAD-Pro kent geen sandwichelementen. De sandwich wordt geschematiseerd als een plaatelement. Om het gedrag van de sandwich goed te beschrijven moeten de buig-, rek-, en afschuifstijfheid van de sandwich goed worden beschreven. In het programma wordt uitgegaan van een rechthoekige plaatdoorsnede. Hierdoor kan alleen de dikte van het plaatelement worden gevarieerd. Het programma biedt de gebruiker wel de mogelijkheid het materiaal van het plaatelement verschillende stijfheden te geven in de hoofdrichtingen (El 1 , E1 2 G 12 , Gtransversaai.) Om het gedrag van de sandwich te beschrijven moeten de buigen rekstijfheid (El en EA) van de plaatelementen gelijk zijn aan de in paragraaf 7.7 ontworpen sandwich. Om de eigenschappen van de sandwich juist te beschrijven moet een gelijke verhouding tussen buigen rekstijfheid in het plaatelement aanwezig zijn. De buigen rekstijfheid van de sandwich bedragen:

bd 2 EISandWf ch = E 2

EA = E 2 b tf

De buigen rekstijfheid van het plaatelement bedragen:

EIpiaateiemt =Eb•h ; EA=E•bh 12 Door de dikte van het plaatelement aan te passen kan de verhouding tussen buigen rekstijfheid van het plaatelement gelijk worden aan die van de sandwich (tabel 9.1). Tabel 9.1 Benodigde afmetingen plaat om equivalente stfjfheidswaarden te verknjgen

Plaatelement STAAD

Sandwich

tf tc A I/A

12.4 mm 280 mm 530086 mm4 24.8 mm 21374.4

h 506.0 mm 1 10825121 mm4 A 506.0 mm I/A 21374.4

De absolute waarden van de stijfheden zijn nu veel groter geworden. Om aan gelijke waarden voor de stijfheden te komen moet een lagere waarde voor de elasticiteitsmodulus worden ingevoerd (Tabel 9.2). De verhouding tussen de E O fldWCh en Epiaat, geldt ook voor de glijdingsmodulus G 12. STAAD biedt de mogelijkheid een glijdingsmodulus in het vlak van de plaat en haaks op het vlak van de plaat op te geven. De afschuifstijfheid in het vlak van de plaat wordt met name bepaald door de platen op de sandwich. De afschuifstijfheid van de sandwichplaat bedraagt: S, = 2 2t = 2 1 752,8N / mm 2 2 12,4mm = 86,94 1 0 N / mm


hoofdrapport

TU Delft

Om voor de plaat een gelijke afschuifstijfheid te verkrijgen moet een glijdingsmodulus worden ingevoerd van: G p 1aar =

,

506,4 =171,7N/mm

2

De glijdingsmodulus bepaalt ook de wringstijfheid. Om de wringstijfheid van de sandwich goed te beschrijven moet het plaatelement een glijdingsmodulus hebben van: l2SsandwiCh 121,85109Nmm - l7l7N/ ' mm 2 plaatelement - (hpiaateiement)3 - (506.lmm) 3

G-

De resultaten van de berekening voor de de nieuwe stijffieidswaarden staan in tabel 9.2. In de tabel is te zien dat de EI, EA, wring- en afschuifstijfheid (GI en GA) van het plaatelement gelijk zijn aan die van de sandwich. Tabel 9.2 Benodigde afmetingen plaat om equivalente stijfheidswaarden te verkrijgen

Eigenschappen sandwich

Eigenschappen plaatelement

El 8333.8 N/mm 2 E2 5016.1 N/nim 2 G 12 1752,8 N/mm 2 EA1 1.24E+05 N El 1 2.66E+09 Nmm 2 EA2 2.07E+05 N 4.42E+09 Nmm 2 E1 2 G1 12 1.86E+09 Nmni2 GA12 8.69E+04 N

E1 E2 G 12 EA1 El 1 EA2 E1 2 G1 12 GA12

408.1 N/mm2 245.6 N/mm2 171,7 N/mm 2 1.24E+05 N 2.66E+09 Nrnm 2 2.07E+05 N 4.42E+09 Nmm 2 1.86E+09 Nmm2 8.69E-4-04 N

= wringstijtheicl GA=afschuifstijheid in het vlak van de plaat

Naast de eigenschappen in het vlak van de plaat moet ook het gedrag van de afschuiving loodrecht op de plaat door het model worden beschreven. De afschuifstijfheid loodrecht op het vlak van de plaat bedraagt:

Gcd 2 40N/mm 2 (292,4mm) 2 3 S z;sandwich = = = 12,2 10 N / mm tc

280mm

Om het plaatelement in STAAD een gelijke afschuifstijfheid te geven moet de afschuifmodulus worden verlaagd tot:

Sz ;sandwich 12,2 io 1'T/mm 2 = 24,12V/mm G z;piteiem=t = = plaatelement 506,1mm De stijfheidseigenschappen van het plaat element zijn nu gelijk aan die van de sandwich. In tabel 9.3 staan de gegevens van het plaatelement die zijn ingevoerd in STAADPro. Tabel 9.3 lnqevoerde stiifheidswaarden olaatelement STAAD

Ehoo fd ri c hti ng 2

245,6 N/mm Poi ssonfactor* v 0.3

*De poisson factor volgde uit waarde van de factor in de platen van de sandwich


hoofdrapport

TU Delft

9.4.2 Controle van de modellering Om te controleren of het plaatmodel het gedrag van de sandwich goed beschrijft worden twee controleberekeningen uitgevoerd. De uitkomsten van de berekeningen van de computermodellen worden getoetst door ze te vergelijken met de uitkomsten van handberekeningen. Er wordt een berekening gemaakt van een ingeklemde ligger en het plaatje van Nadaï. Controle 1: Ingeklemde ligger Aan de hand van deze berekening kan de buigstijfheid in een hoofdrichting worden gecontroleerd. De ligger heeft een lengte van 1,0 meter en is ingeklemd aan het ene uiteinde en vrij aan het andere uiteinde. De ligger wordt belast met een verdeelde belasting van 1 kNIm. De ligger heeft de afmeting van de sandwich en een breedte van 0,02 meter. De zakking volgens de theorie bedraagt:

Figuur 9.5

Mode/lering ligger

q1 4 0.002N/mm (l000mm) 4 =0.28mm w=—= 8E1 88,84109 Nmm 2 Naast vervorming door buiging treed afschuifvervorming op. De afschuifvervorming kan worden berekend door: w = -

= 0,5 . 0.2N . l000mm 0,41mm

S d 24,4•10 4 N

waarin: T = Dwarskracht (N) S = Afschuifstijfheid (N) Yo = beginrotatie (=0)

Uit de handberekening volgt dan een totale vervorming: w + w = 0,41 mm + 0,28mm = 0,69mm. STAAD biedt de mogelijkheid de constructie met en zonder afschuifvervorming door te rekenen. Zonder afschuifvervorming bedraagt de zakking van de ligger 0,28mm. Wanneer de afschuifvervorming wordt meegenomen geeft STAAD een vervorming van 0.69mm. Er kan worden geconcludeerd dat zowel de afschuifvervorming als het buigingsgedrag van de sandwich goed worden beschreven door het plaatelement in STAAD. In bijlage 1 staat de in- en uitvoer van het programma. Controle 2: Wringpaneel

Het plaatje van Nadaï uit pargraaf 9.3.2 is ingevoerd in de computer. De plaat is opgebouwd uit tien elementen in lengte- en breedterichting. De plaat is berekend volgens de slanke plaat theorie. De uitkomst van de vervorming is gelijk aan die van het theoretische model (231 mm). Er kan worden geconcludeerd dat het plaatmodel de afschuifeigenschappen van de sandwich goed beschrijft. In bijlage 2 staat de in- en uitvoer van het programma.


hoofdrapport

TU Delft

9.5 Schematisering van de sluisdeur in STAAD Het rekenmodel is opgebouwd uit plaatelementen met een maximale afmeting van 0,5m. De deur heeft 20 elementen in breedte- en 20 in hoogterichting. Doordat STAAD geen gekromde elementen kent wordt de gekromde vorm door 20 stapjes 11 benaderd. Aangenomen wordt dat de afwijking in uitkomsten door :deze benadering kan worden verwaarloosd. j De opleggingen en krachten worden op de knooppunten van de - :4 elementen aangebracht. Het aangrijpingspunt van de kracht uit het bewegingsmechanisme en de positie van het obstakel worden op het dichtstbijzijnde knooppunt aangebracht. De absolute afstand van het obstakel wordt gesteld op 965mm van de taats en de trek- en drukstaaf grijpt aan op een afstand van 2567 mm van het bovenscharnier. De uitkomsten van de berekening zijn hierdoor iets ongunstiger dan in werkelijkheid. Uit de uitkomsten van de berekening van het plaatje van Nadaï blijkt een frameconstructie noodzakelijk. Een verbinding tussen de platen van de sandwich en de profielen kan worden gerealiseerd Figuur9.6 Rekenmodelobsfakelbelasting door de beplating van de sandwich te verbinden aan de flenzen van de profielen. Er wordt uitgegaan van een volledige samenwerking tussen de profielen in het frame en de sandwich. -•

t

1

9.5.1 Ontwerp met handgelamineerde U-profielen In eerste instantie zal worden uitgegaan van U-profielen, omdat deze goed te verbinden zijn met de sandwich en een eenvoudige aansluiting van details, zoals de waterafdichtingen, mogelijk maken. Vanwege de gebogen vorm moeten de onder- en bovenregel worden geproduceerd met de techniek van handlamineren. Uit oogpunt van eenvoud wordt voor alle profielen uitgegaan van handgelamineerde profielen. De materiaaleigenschappen van de profielen zijn gelijk aan de eigenschappen van de handgelamineerde beplating van de sandwich. Hierbij ligt het grootste aandeel vezels in de lengterichting van het profiel. Om aan gegevens te komen voor de dwarsdoorsneden van de profielen in het frame wordt gebruik gemaakt van de gegevens van dwarsdoorsneden van bekende staalprofielen. De constructie wordt als eerste doorgerekend met de doorsnede afmetingen van een UNP-280 profiel. Resultaten berekening De spanningen die optreden in de sandwich worden getoetst aan de hand van de snedekrachten in de plaatelementen. Hierbij worden de rekken in de drie hoofdrichtingen gecontroleerd:

M 1 - z + N1 0,27% E1 11 E1 A1 M2 z + N2 Hoofdrichting 2: 0,27% E2 12 E2 A2 M12 - Z + N12 <— Hoofdrichting 12: 0,27% EA2 EI12 Hoofdrichting 1:

Waarin: M 12 = Moment in hoofdrichting 1,2 M 12 = Wringmoment


hoofdrapport

TtJ Delft

11,2,12 =

Traagheidsmoment in hoofdrichting 1,2 of 12 = Oppervlakte doorsnede (2xtflOflS xbreedte)

Conclusies Uit de berekening blijkt dat het ontwerp niet in staat is de belasting op te nemen. Om momentenevenwicht te verkrijgen rondom de scharnieren ontstaat er ter plaatse van het obstakel een oplegreactie van 425 kN. Hierdoor treed er een moment van 216 kNm op in de plaat ter plaatse van het obstakel. Dit moment geeft een rek van: M1 z .

E1 I

216 lO 3 Nmm 152.4mm = 0,74% 530086mm 4 8333N/mm 2

Dit voldoet niet aan de eis aan de rekken van 0.27%. 9.5.2 Aangepast ontwerp in VVK Er zijn twee mogelijkheden om de deur te versterken:

Figuur 9.7

Momenten in breedtenchting

Een stijvere sandwich. Een stijver frame. 1. Een stijvere sandwich De sandwich kan stijver worden gemaakt door het vergroten van de doorsnede of het toepassen van een stijver kernmateriaal. Doordat al gebruik is gemaakt van een relatief stijf constructieschuim kan een toename van de stijfheid beter worden gerealiseerd door het vergroten van de doorsnede. De dikte van de doorsnede wordt beperkt door de inpassing in de deurkas. De maximale dikte die mogelijk is bij een straal van 10.0 meter bedraagt 481mm. De afmetingen van de flenzen van de sandwich worden in eerste instantie beperkt tot 20mm. De gebogen sandwichvorm heeft dan nog steeds een aanzienlijk lager materiaalverbruik dan de andere alternatieven. Voor de kerndikte wordt een dikte van 400mm aangehouden. 2. Een st(/ver frame De belasting afdracht in het frame en de beplating is afhankelijk van de stijfheidsverhouding van het frame en de beplating. Een frame dat in verhouding tot de beplating stijver is draagt een groter deel van de belastingen af. De krachten in de sandwich worden hierdoor gereduceerd. De stijfheid van het frame is met name afhankelijk van de torsiestijfheid van de profielen waaruit hij is opgebouwd. Door het toepassen van kokerprofielen wordt het frame torsiestijf. Het alternatief is doorgerekend met kokerprofielen 400x200x10 mm 3 De kokerprofielen bevinden zich in dit geval tussen de platen van de sandwich. Conclusie berekening met stijvere doorsnede De momenten ter plaatse van het ondersteunpunt veroorzaken

226'10 3 Nmm220mm

een rek van: = 0.34% E1 I 1764000mm 4 8333N/mm 2 De rekeis van 0,276% wordt hierdoor overschreden. Door de dikte

Figuur 9.8

Moment in breedterichting

- 9. Definitief ontwerp - 84

TU Delft

hoofdrapport

van de platen aan te passen is dit op te nemen. Dit geeft wel een toename van de dikte van: o 34°/° —1)xl00%=23%. 0.276% (

De onderregel wordt belast door een combinatie van dwarskracht en torsie. De dwarskracht ter plaatse van het obstakel van 300 kN geeft afschuifspanning geeft van ongeveer: Vd 346kN

Td — = = Aljfen 2•t ljjf •h 1f

34610 3 N 2Omm 400mm

=21,6N/mm 2

Dit veel groter dan de toegestane spanning van:

0,276%x1752,8NImm 2

= 4,84N/mm 2

VVK profielen zijn niet in staat zijn dergelijke spanningen op te nemen. Naast de grote krachten treedt een grote vervorming op, waarbij de verplaatsing meer dan twee meter bedraagt. Dit geeft een grotere onzekerheid over de constructie. Om de dwarskrachten op te nemen zal een stijver frame in de deur moeten worden geplaatst. Om dit te kunnen realiseren wordt een ontwerp gemaakt waarbij het frame is opgebouwd uit staalprofielen. 9.5.3 Ontwerp met stalen frame Om de torsie op te nemen zal het frame het beste kunnen worden opgebouwd uit buisprofielen. Hierbij kan worden gekozen uit ronde en rechthoekige buisprofielen. Rechthoekige buisprofielen kunnen eenvoudiger aan elkaar worden verbonden dan ronde buisprofielen en zijn gemakkelijker te verbinden aan de sandwich. Op grond van deze voordelen worden rechthoekige bu isprofielen toegepast. De boven- en onderregel moeten worden aangepast aan de gebogen vorm van de deur. Er wordt uitgegaan van standaard leverbare profielen. De standaardafmetingen voorzien niet in een buitenafmeting van 280mm. Omdat het goedkoper is de dikte van de kern te vergroten dan de dikte van de flenzen aan te passen wordt de dikte van de kern vergroot tot 300mm. Door de kokerprofielen in de sandwich in te pakken, worden de profielen beschermd tegen contact met water. Er wordt in eerste instantie uitgegaan van een vervormingsvrije verbinding tussen het staal en de WK platen. De sandwich zal de vervorming van de staalprofielen moeten volgen. De maximale rek bij de

235N/mm 2

vloeispanning van staal bedraagt:Emax = 2 100%=0.11%. Dit is lager dan de eis 210000N/mm aan de rek van de VVK platen. De profielen kunnen zonder problemen tot de vloeispanning worden benut. De spanningen moeten worden getoetst aan de eisen gesteld in de NEN 6770. De normaalspanningen moeten voldoen aan: Eis: Eis:

MyU ;d _ Z

NXSd

'y;el;d

A

M.. z,u,d •z

N.. x,s,d

+

'z;el;d

waarin: 'eI;d

A

N U ;d M u; d

z

A

<235N/mm2 ~235N/mm2

momenttraagheid 2 keer de flensdikte keer de breedte = Normaalkracht in de doorsnede = Buigend moment in de doorsnede = Afstand neutrale lijn tot randdoorsnede =

=

9. Definitief ontwerp 85 -

hoofdrapport

TU Delft

De afschuifspanningen moeten voldoen aan: VYU d + MXSd

Eis:

Ay;el;d

Wx;wr;ei

h Vzu, .. d M.x, s,. d

Eis:

+

+

A;l.d

'1

+

<.235N/mm2 1

~ — 235N1mm

2

Wx;wr;ei

h

Waarin: = Dwarskracht VU .d M x,u; d = Wringend moment = 2Xbm Xh m Xt We ;d

A h b

eI;d

= oppervlakte dwarsdoorsnede = hoogte profiel = breedte profiel

De in- en uitvoer van de berekening staat in Bijlage 3. De spanningen zijn een functie van moment, normaal- en dwarskracht. Wanneer gebruik wordt gemaakt van rechthoekige buisprofielen treden de maximale spanningen op in de onderregel ter plaatse van het obstakel (figuur 9.9). De combinatie van normaalkracht en buigendmoment is hier maatgevend.

Figuur 9.9a Normaaikracht- en momentverloop Figuur 9.9b Dwarskracht- en torsieverloop onderregel onderre ge!

Bij het gebruikmaken van kokerprofielen 300x200xl2mm (hxbxt) voldoen de spanningen ter plaatse van het obstakel aan de eisen:

f My ; u ; Eis:

1

z

X;S ;d +N 'y;el;d A

3.7kNm l5Omm 237.3kN .

11.310 3 mm 2 +

7.3 10

1 M Z ; U ;d

[Voldoet = 28.6N/mm 2 ~ 235N/mm 2

•z NX ;S ;d

Eis: 'z;el;d

A

168.9kNm150mm 237.3KN + 1.4108 mm 4 11.310 3 mm 2

1

Voldoet = 204.6 :~

235N/mm 2

9. Definitief ontwerp

-

86

hoofdrapport

VYUd A y; eI;d

(j

Ai

TU Delft

Mx;s;d

+

+

Wx;wr;ei

h 323.5kN 11.3,103I2 '(001500)

Eis:

-

H

Voldoet

1 00.8kNm =51.2N/mm 2 135,7N/i2J 2.07 10 6 mm 3

VZU d 'xsd +

(/ + h 1 —11.lkN A y ; el;d

Eis:

z,d

Wx;;ei

11.310 3 mm 2 (300/500)

Voldoet

100.8kNm =48.7N/mm2 ~135,7N/mm2J 2.07 106mm3

De profielen zijn ook getoetst op de drie-assige spanningstoestand. =

+

= j28,6 2 + 204,62

-

+

32

~ 1,2

fy

28,6204,6 + 3.106,02 = 265,6N/mm 2 —< 282N/mm 2 (= 1,2 235N/mm 2 ) In bijlage 4 staat een compleet overzicht van de snedekrachten en spanningen in de staalprofielen. (73

-

Conclusie

De krachten kunnen worden opgenomen door een buisprofiel 300x200xl2mm. Door de relatief hoge stijfheid van het frame neemt deze een groot deel van de krachtsafdracht voor z'n rekening. Er moeten daarom relatief zware profielen worden gebruikt. Door de hoge stijfheid van het frame zijn de spanningen in de sandwich niet meer maatgevend. Het levert geen problemen op het buisprofiel met deze afmetingen te buigen tot een straal van 10.000mm. 9.6 Dimensioneren bovenregel bij negatief verval

F..

De belasting vanuit de trek- en drukstang wordt geschematiseerd als puntlast op de bovenregel. Door de kracht vanuit bewegingsmechanisme wordt de deur tijdens het negatief verval dicht gedrukt. Hierdoor steunt de deur op de middenaansluiting. De middenaansluiting wordt gemodelleerd door rolopleggingen in de knooppunten, waarbij alleen de verplaatsing in het vlak van de deur wordt verhindert (figuur 9.10). De afmetingen van het frame zijn overgenomen uit de dimensionering van het opnemen van de obstakelbelasting. Uit de berekening volgt dat de spanningen goed kunnen worden opgenomen. Uit de dimensionering van het frame voor het opnemen van de obstakelbelasting volgde een kokerprofiel van 300x200x12 voor de bovenregel. De spanningen in het profiel zijn het grootst bij het aangrijpingspunt van de kracht uit het bewegingsmechanisme (figuur 9.11a en b).

Figuur 9.10 Schema bovenregel

9. Definitief ontwerp -87

hoofdrapport

riguur

.

TU Delft

lid Moment- en

Normaaikrachten- verloop in bovenre ge!

Figuur 9.1 Ib Dwarskrachf- en torsieverloop in bovenrege!

De spanningen worden op dezelfde wijze getoetst als de spanningen in het frame tijdens de obstakelbelasting:

1 M y ; u ;d z

+

Eis: 'y;el;d

f

A

LVoldoet

O.3kNml5Omm 174.4kN + =16.lNImm 2 ~235N/mm 2 7.310 11.310 3 mm 2

IM Z ; U ;d

Eis:

1

1

NX ; S ;d

z

+

NX;S;d

1

<

'z;el;d A

93.61d'Jm 150mm

+

___________

= 115.7~ 235N/mm 2

1.410 8 mm 4 11.3iO3mm2 Vy;u; d M X;S ;d

y,e Eis: J

(/

+

h

+

Voldoet

Eis:

1

+

103 mm 2 (300/500) 2.0710 6 mm 3 VZ; U ;d

+

Voldoet

Ç;wr;el

66.OkN 1.1k1m 1 11.3

f

1O.3N/mm2 ~135,7N/mm2

tVI xsd

A z,e

Voldoet

-11.lkN 100.8kWm =J 48.7N/mm 2 <135,7N/mm 2 + 11.310mm 2 (300/500) 2.0710 6 mm 3 De profielen toets op de drie-assige spanningstoestand levert geen problemen op: C3 =j16, 0 2 + 117 , 2 2 _117 , 16 , 01312 , 2 2

=112N/mm 2 <-282N/mm 2 (=1,2235N/mm 2 )

Conclusie De spanningen kunnen gemakkelijk door het profiel worden opgenomen. Er hoeven geen aanpassingen aan de bovenregel te worden doorgevoerd.

9. Definitief ontwerp

-

88

hoofdrapport

TU Delft

9.7 Positief verval In hoofdstuk 7 zijn aan de hand van het positief verval de afmetingen bepaald van de sandwich. De invloed van het frame is hierbij buiten beschouwing gelaten. Het frame zal de stabiliteit van de sandwich vergroten. De afmetingen van de beplating van de sandwich is echter gedimensioneerd op het opnemen van de drukspanningen. De stabiliteit van de sandwich is verkregen door een dikke en stijve kern. Er wordt verwacht dat de prijs van het kernmateriaal laag is ten opzichte van het materiaal van de beplating. Het effect van een iets dunnere kern door een stijver frame heeft daardoor een relatief kleine invloed op de totale prijs van de deur. Een berekening van het positief verval waarin het frame is meegenomen zal daarom niet worden uitgevoerd. 9.8 Het opdrijven van de deur Door de waterdruk aan de onderzijde van de deur onstaat een opdrijvende kracht vanuit het water. Door het lage soortelijk gewicht van de materialen van de deur zal de deur waarschijnlijk opdrijven. Er moet worden berekend of de deur zal opdrijven en hoeveel de deur dan moet worden verzwaard. Door de positie van de waterafdichtende strip aan de onderzijde van de deur kan de worden bepaald of de opwaartse druk wordt bepaald door het waterpeil aan Merwede- of Lekzijde (figuur 9.12). De hoogste waterstand aan de kant van de Merwede is lager dan aan de kant van de Lek en geeft een minder grote opwaartse kracht. De deur wordt daarom berekend met afdichting aan de zijde van de Lek. De totale opdrijvende kracht:

Merwede

2,79 ro

Figuur 9.12 Effect plaatsing waterafdichting

De opwaartse kracht onder de deur wordt bepaald door het oppervlak aan de onderzijde van de deur keer de drukspanning uitgeoefend door het water. Dit geeft een totale opwaartse waterdruk van: Yw X Hwa ter X Sdeur x ddeur = 1,25 x 1OkN/m 3 x 2,79m x (6.44 m xO.33 m) = 74,1 kN. waarin: yw = veiligheidsfactor

Sdeur = 6.44 m (breedte van de deur = 2 Rkem) Ddeur = 0.30 m Hwater = 2.79 m e.g. wa ter = 10 kN/m 3


hoofdrapport

TtJ Delft

Het eigen gewicht van de deur: Het eigengewicht van de deur is opgebouwd uit: - gewicht flenzen - gewicht schuimvulling - gewicht profielen van het frame Gewicht flenzen:

= 1.6 m 3 . Vfienzen = S x 2tflQX hd eur = 6.4m x 2x0.0125m x 10.Om 1740 kglm 3 0,6 1200 kglm3 = k9lm 3 + Pvvk = 0,4 Pvezeis 0,6 Phars= 0,4 2550 Gfienzen = 1.6m 3 1740 kg/m 3 = 27.8kN

.

Gewicht schuimvulling:

Vsc hu i m = S dkem 10.Om = 6.4m 0,30m 10.Om = 19,2m 3 Gienzen = 19.2 m 3 100 kg/m 3 = 19.2 kN Gewicht frame:

Gdoorsnede = 88.5 kg/m Totale lengte = 2 x (6,4m + 10.0m) = 32.8m Gframe = 88.5 kg/m x 32.8m = 29.0 kN Totaal gewicht: 27.8 kN + 19.2 kN + 29.0 kN = 76.0 kN. Verschil: 74.1 kN - 76.0 kN = -1.9 kN. Conclusie De deur drijft net niet op. Het is nog niet duidelijk wat het gewicht van de taats en het bovendraaipunt bedraagt. Deze zullen de deur nog verder verzwaren. Er kan worden geconcludeerd dat de deur niet opdrijft mits de waterafdichting aan de juiste zijde is bevestigd. Richtlijn Bouwdienst Rijkswaterstaat

Bij Rijkswaterstaat wordt als uitgangspunt genomen dat er tijdens het gebruik van de deur minimaal 1/3 van het eigengewicht op de taats moet rusten. Het eigen gewicht van de deur bedraagt: 76.0 kN. Er moet een gewicht van 76.0 kNI3 = 23,3 kN rusten op de taats. De belasting van de waterdrukken worden berekend zonder de veiligheidsfactor mee te nemen: Hwater X Sdeu r'< d cjeur = 1OkN/m 3 x 2,79m x (6.44 m xO.33 m) = 59.3 kN. De deur moet een totaal gewicht krijgen van: 23,3 kN + 59,3 kN = 82,6 kN. Dat betekend dat de deur moet worden verzwaard met 82,6 kN - 76,0 kN = 6,6 kN. Het gewicht van de deur kan eenvoudig worden door een relatief goedkoop bouwmateriaal in de stalen kokers te storten. Er kan hierbij worden gedacht aan puin uit de bouw, grind en zand. Aangenomen wordt dat de deur wordt verzwaard met beton. Er wordt bekeken of het beton kan worden geplaatst in de onderregel. De inhoud van de ruimte binnen het profiel bedraagt: Vko ker =AbinnenXI = 0.054 x 5,7 meter = 0.3 m 3 . Met: Abinnen = (bt)x(ht)(4r)xt 2 In de onderregel kan een gewicht worden gestort van: Gonderregel = Vk oker >< Pbeton = 0.3m 3 x 24 kN/m 3 = 7.2 kN.


hoofdrapport

TU Delft

Conclusie De onderregel biedt voldoende ruimte om de deur te verzwaren. Bij het ontwerp van de deur is het gewicht van details benodigd voor het functioneren van de deur nog niet meegenomen. Er kan worden geconcludeerd dat het verzwaren van de deur zonder grote kostenverhogende oplossingen kan worden uitgevoerd. 9.9 Conclusies - De gekromde sandwich is niet in staat alle belastinggevallen op te nemen. Een frame is noodzakelijk. - Gezien de geringe stijfheid voldoet een glasvezel versterkt frame niet aan de eisen en moet toevlucht worden genomen tot een ander materiaal. - De deur is uitgewerkt met een frame in staal. In samenwerking met het stalen frame is de sandwichconstructie in staat alle belastingen op te nemen. De afmetingen van de deur zijn dusdanig dat de deur past in de huidige kas. - Het grote volume van een sandwich leidt tot een grote opdrijvende kracht. Door het relatief zware stalen frame hoeft maar weinig extra gewicht te worden toegevoegd om aan de eisen te voldoen. De ballast kan eenvoudig worden verwerkt in het frame. - Het stalen frame wordt ingepakt in de sandwich en is daardoor beschermd tegen het water. Er mag worden verwacht dat het staal niet gaat corroderen en de levensduur van de deur niet wordt verlaagd.

-

9. Definitief ontwerp -91

hoofdrapport

TU Delft

10 DETAILLERING 10.1 Inleiding In hoofdstuk 9 zijn de afmetingen van de hoofddraagconstructie bepaald. In dit hoofdstuk worden de aansluitingen van de constructiedelen onderling en de details nodig voor het functioneren van de deur ontworpen. Er wordt een ontwerp gemaakt voor de aansluiting van de sandwichplaten op het frame, de oplegging en waterafdichting ter plaatse van de voor- en achterhar en de waterafdichting ter plaatse van de onderregel. 10.2 Dimensioneren verbindingen Voor de verbinding tussen sandwich en frame is uitgegaan van een volledige samenwerking tussen frame en koker. De verbinding moet in staat zijn de krachtsoverdracht te verzorgen tijdens het optreden van de verschillende belastinggevallen. Omdat het positief verval de grootste spanningen veroorzaakt in de sandwichplaten wordt de verbinding gedimensioneerd op deze belasting. De obstakelbelasting veroorzaakt ter plaatse van het frame afschuifkrachten haaks op het vlak van de sandwich. Omdat er niet vanuit kan worden gegaan dat het staal en het constructieschuim met elkaar zijn verbonden moet er worden gecontroleerd of de verbinding in staat is deze krachten op te nemen. 10.2.1 Dimensioneren verbinding op het positief verval De drukkracht uit de sandwichplaten moet worden overgebracht op de kokerprofielen. De kokerprofielen dragen de krachten af naar de oplegging (figuur 10.1). De spanningen die optreden in de overgang van sandwichplaten naar kokerprofiel kunnen niet worden opgenomen door een lijmverbinding. De krachten moeten worden overgedragen door een boutverbinding. Figuur 10.1 Spanningen in veifinding In de Fiberline Design Manual [Lit 7] worden rekenregels sandwich met koker gegeven voor een boutverbinding in een pultrusieprofiel. Omdat de materiaalopbouw en samenstelling van de beplating van de sandwich niet veel verschilt van doorsnede van een pultrusieprofiel wordt aangenomen dat de verbinding op gelijke wijze kan worden berekend. De richting van de normaalkracht is gelijk aan de richting waarin het grootste deel van de vezels ligt. Bij een pultrusieprofiel ligt het grootste aandeel van de vezels in de richting van het pultruderen. De verbinding wordt berekend als een boutverbinding in een pultrusieprofiel, waarbij de normaalkracht in de lengterichting van het profiel werkt. In figuur 10.2 staat een illustratie van het spanningsverloop in Figuur 10.2 Schematisering boutverbinding een bout belast op afschuiving. De boutverbinding wordt getoetst op 5 voorwaarden (figuur 10.2):

P3
2.

bt

'

(trek in lengte richting naast de bout) (laminaat druk voor de bout)

10. Detaillering -92

hoofdrapport

TtJ Delft

3 bout < f (scheuren van laminaat voor de bout) 2(a—d/2)t

f (drukspanning voor de bout onder een hoek) 5.

Pbout<

Waarin: a = b = c = d = v = t =

(

drukspanning voor de bout)

afstand centrumlijn tot bout gebied waarin interlaminaire spanningen optreden afstand centrumlijn bout tot de rand (helft afstand bouten) diameter van de bout hoek van afbuigen spanningen dikte van het lam maat

De krachten P 1 , 2 , 3 bedragen:

tan(v) 2cos(v)

P=

t

2 Er wordt gekozen voor een dubbele boutrij vanwege het spreiden van de belasting en het beperken van de dikte van de sandwichplaten ter plaatse van het detail. De spanningsverdeling rondom de bout wordt bepaald door de omgeving. Er wordt uitgegaan voor de volgende gegevens: a =lOOmm b = dikte bout in mm (=d) c = h.o.h. afstand bouten/2 = 4d12 d = diameter van de bout (mm)

v = tan(v) =

c/2+d/2 a—b/2

*De hart-op-hart afstand van de bouten is minimaal. Een grotere afstand van de bouten geeft een grotere kracht per bout en vereis daardoor een dikker laminaat. De hart-op-hart afstand wordt gesteld op minimale afstand 4d Alle gegevens zijn nu gerelateerd aan de afmetingen van de bouten en de sterkte van het laminaat. Uit een oriënterende berekening volgt dat voorwaarde 5 maatgevend is. Door de spanningsconcentraties is de benodigde dikte van het laminaat groter ter plaatse van het detail. Er zijn twee factoren die de economie van de verbinding bepalen: De dikte van het laminaat Het aantal boutverbindingen.

1. Het optimaliseren van de dikte van het laminaat Er ontstaat een gewijzigde spanningsverdeling rondom de bouten, waardoor kan worden afgeweken van de 15% regel. Om de dikte te beperken kan door meer vezels toe te passen in de spanningsrichting een kleinere dikte worden toegepast. Er wordt een doorsnede gemaakt


hoofdrapport

TU Delft

waarbij 70% van de vezels ligt in de richting van de spanningen en de overige 30% wordt gelijkmatig verdeeld in de richtingen onder een hoek van + 45° en - 45 0 en 90°. Bij deze opbouw van de doorsnede worden de stijfheden in de hoofdrichtingen van het laminaat: E 1 : 9457,9N/mm 2 E2 : 4296,5NImm 2 E 1 : 1444,ON/mm 2 Dit geeft voor de maximale spanningen in de bruikbaarheidsgrenstoestand:

ff = 0,276% 9457N/mm 2 = 26,1N/mm 2 ; 1

fc;i = 0,276% 9457N/mm 2 = 26,1NImm 2 ft;2 = 0,276% 4296,5N/mm 2 = 1 1,9N/mm 2 fr

= 2 0,276% 1444N/mm 2 = 8,ON/ mm 2

fc;v = min(f. 2 + cos(v); fc;i + tan(v) fc;v = min(1 1,9 + 8,0 cos(17,2);26,1 + 8,0 tan(17,2)) = 19,5NImm 2 De benodigde dikte kan worden bepaald volgens voorwaarde 5:

= ____ N4d 2N 2595N/mm =22.8mm d•fc;i 2 •f1•d f 226.lNImm2 2. Optimaliseren aantal bouten Wanneer de hart-op-hart afstand van de bouten op de minimale een afstand 4d wordt gesteld heeft de boutdiameter geen invloed op de dikte van de doorsnede. Bij een grotere diameter (d) van de bouten kunnen de bouten op grotere afstand van elkaar worden geplaatst (4d). Dit bespaart de hoeveelheid arbeid die een grote invloed heeft op de prijs van de verbinding. De maximale afmeting Figuur 10.3 Inpassingbouten van de bouten heeft te maken met de inpassing in de constructie. De wordt gerekend met een onderlinge afstand van 4d tussen de boutrijen en een eindafstand van 2d (gebaseerd op een voorbeeldberekening uit de Fiberline Design Manual [lit 7]). Om voldoende ruimte te Vrij te laten voor het boren van de gaten moet de bout niet direct naast de overgang van flens naar lijf in het profiel worden geplaatst. Er wordt hiervoor een afstand van lOmm in acht genomen. In figuur 10.3 staat een tekening van het profiel en het laminaat. Bprofiel = tprofiel - rprOfiel + 1 Omm + dbout/ 2 +6dbOUt

200mm - 12mm - 12nmi - lOmm =25.Smm dbOut = 6'/2

De grootste boutdiameter die kan worden toegepast is M24. De boutverbinding is nu geoptimaliseerd voor voorwaarde 5. De boutverbinding moet echter voldoen aan alle 5 de voorwaarden: De krachten P 123 bedragen:

* hO•h bOuten = 595N / mm * 4 * 24mm = 14.3kN p '1membraan bout 2sneden * 2boutrjen 4 = 14.3kN 7.15kN = 1 4.3kN ___ 14.3 _ = 7.48kN ; tan(17.2) = 2.2kN ; 2 . cos(17.2) = 2

10. Detaillering - 94

hoofdrapport

Awl

Til Delft

De boutverbinding wordt getoetst op de 5 voorwaarden:

7.15k7\T

(48mm —24mm)/2 22.8mm 2.N 2k 24mm 22.8mm 14.3

= 26.1 !~ 26.1N/mm2 Voldoet

4.0!~11.9N/mm2 Voldoet

=3.68.0N/mm2 Voldoet 2(100-24/2)22.8 7.5kN 19.5N/mm2 Voldoet 2422.8 =13.7 14.3kN 5.24mm 22.8mm = 26.1 ~ 26.1N/mm2 Voldoet De M24 bouten worden belast op afschuiving. De maximale afschuifkracht van de bouten in sterkteklasse 4.6 bedraagt: FV;U ;d = 0,48x400N/mm2x353mm 2=67.7kN Er wordt geen controle gedaan van de sterkte van de doorsnede van het profiel. Er wordt aangenomen dat randen eindafstanden gesteld aan de VVK voldoende veiligheid bieden voor de doorsnede in staal. Er kan worden geconcludeerd dat de boutverbinding voldoet bij het toepassen van 2 rijen M22 bouten en een laminaatdikte van 22,8mm. 10.2.2 Dimensioneren verbinding op afschuifkrachten in sandwichbeplating

Er kan niet worden uitgegaan van een verbinding tussen schuimkern en staalprofiel. Hierdoor wordt de maximale dwarskracht in de sandwich ter plaatse van de aansluiting op de kokers opgenomen door de sandwichbeplating (figuur 10.4). De dikte van de beplating ter plaatse van de kokers bedraagt 22,8mm. De afschuifspanning staat haaks op het vlak waarin de vezels liggen. De CUR geeft een maximale waarde voor de interlaminaire schuifspanning van 10 NImm2 . In STAAD is de sandwich met een kerndikte van 300mm gemodelleerd als een massieve plaat met een dikte van 541,Omm. De maximale afschuifspanning die optreed is: 83.2kNIm 2 . Dit betekent dat de beplating een afschuifkracht moet Figuur 10.4 Spanningen in verbinding sandwich met koker kunnen op nemen van: o N / mm 2 541 Omm =

3

3

=45N/mm

Dit geeft een afschuifspanning in de sandwich van:

/V 2 /45N/mm = 2 =1.5N/mm2 2tfleç 222,8mm


TtJ Delft

hoofdrapport

10.3 Detaillering onderregel Bij de detaillering van de onderregel zijn de volgende punten van belang; - aansluiting op beplating - waterafdichting Aansluiting op de beplating. De aansluiting op de beplating kan worden gerealiseerd door een boutverbinding. Om de boutkrachten niet te veel laten drukken op het VVK worden staaiplaten met een dikte van 6 mm op de VVK platen gelijmd. De platen worden vastgezet met bouten. De hoeveelheid bouten wordt mede bepaald door de voorziening van de waterafdichting. De waterafdichting De waterafdichting bevindt zich aan de zijde van de Lek. Om een waterafdichting aan deze zijde te kunnen verkrijgen moet de drempel worden doorgetrokken onder de sluisdeur (figuur 10.5). De waterafdichting ter plaatse van de drempel wordt verzorgd door een verend plaatstaal, waarop een rubberen profiel is bevestigd. Het plaatstaal is dermate dun dat het zal gaan buigen wanneer het de drempel raakt. Om het plaatstaal op z'n plaats te houden en bij kleine vervallen tegen de drempel te laten drukken wordt het plaatstaal met twee boutrijen aan de Figuur 10.5 Detail waterafdichting onderregel bevestigd. Het plaatstaal buigt gemakkelijk en werkt daardoor niet mee aan de krachtsafdracht.

10.4 Detaillering bovenregel Bij de detaillering van de onderregel zijn de volgende punten van belang; - aansluiting op beplating - aansluiting trek- en drukstang De aansluiting van de beplating De beplating wordt aan de bovenregel bevestigd met bout verbindingen. Er wordt geen grote krachtsoverdracht vereist tussen bovenregel en sandwich. Er wordt daarom uitgegaan van een enkele boutrij met een hart-op-hart afstand van 200mm. De aansluiting van de trek- en drukstang De trek- drukstang kan met eenvoudig met een boutverbinding aan de bovenregel worden bevestigd. Het detail is niet meegenomen in de stichtingskosten van de andere ontwerpen en wordt aangenomen dat de kostprijs gelijk is aan dat van een stalen deur.


hoofdrapport

TU Delft

10.5 Detaillering achterhar Bij de detaillering van de achterhar zijn de volgende punten van belang; - waterafdichting - aansluiting op de sluiswand

Waterafdichting De waterafdichting wordt geïntegreerd met de oplegging ter plaatse van de sluiswand. De oplegging wordt verzorgd door een kunststof oplegging. In de Spieringssluis zijn PE afdichtingen toegepast. De aanslagen kunnen met kunnen met behulp van tap schroeven aan de staalprofielen worden bevestigd. Bij Polymarin werd aangegeven dat de profielen voldoende dikte hebben om de bouten te bevestigen. De PE aanslagen kunnen ter plaatse door middel van schaven op maat worden gemaakt. De positie van de aanslagen staat in de technische tekening in bijlage 7.

10.6 Spuigaten Spui gaten zijn niet opgenomen in dit ontwerp. Het is eenvoudig om een sparing in de sandwich open te houden. Rondom de opening treden spanningsconcentraties op. Een ronde vorm zal voor kleinere problemen zorgen met de spanningstoename rondom de opening. De spanningstoename kan worden opgevangen door extra lamellen in de richtingen van de toegenomen spanningen te leggen. Er is verder niet naar de detaillering van een opening gekeken.

10.7 Aanvaring De sandwich is gevoeliger voor een aanvaring dan een traditionele sluisdeur. Voor het repareren van de sluisdeur moet de deur naar een ruimte worden getransporteerd waar de lucht condities gecontroleerd kunnen worden. Een eventuele oplossing voor dit probleem is het spannen van kabel over de kolk, die aanvaren verhindert.

10.8 Conclusies - Voor het laten verbinden van sandwichplaten en frame zijn boutverbindingen nodig. Door de gaten van de verbinding kan gemakkelijk water lekken dat de staal profielen aantast. - Onderhoud aan de stalen onderdelen van de sluisdeur is niet goed mogelijk. De levensduur van het ontwerp is hierdoor onzeker. - De detaillering is eenvoudig aan te brengen en zal geen grote kostenverhoging met zich meebrengen ten opzichte van een stalen deur. - De drempel moet worden aangepast. In de uitgangspunten staat dat deze niet zal worden meegenomen in de vergelijking met andere deuren. De waterafdichting aan de kant van de Lek kan eenvoudig worden aangebracht. - De gevoeligheid voor aanvaringen van de deur geeft meer onzekerheid voor de levensduur van het ontwerp. Reparatie is erg kostbaar omdat de deur op de wal moet worden gerepareerd. Er zullen voorzieningen moeten worden getroffen om dit te verhinderen.


hoofdrapport

11

TtJ Delft

TOTALE KOSTEN

11.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt een globale totale kostenvergelijking gemaakt tussen de totale kosten van een roestvast stalen sluisdeur en de totale kosten van een stalen sluisdeur gedurende de levensduur. De totale kosten worden gesplitst in de stichtingskosten en de onderhoudskosten. Aan de hand van de ontwerptekeningen (bijlage 7) van de vezelversterkte kunststof deur is een inschatting van de stichtingskosten gemaakt door Polymarin. De stichtingskosten van de stalen sluisdeuren zijn afkomstig van Rijkswaterstaat en gelden voor de stormvloeddeuren van de Koningin nesluis te Nieuwegein. Van de onderhoudskosten van de kunststof deur is een zeer grove schatting gemaakt. De ervaring op het gebied van kunststoffen in civiele constructies is erg beperkt. Het is daarom moeilijk om een uitspraak te doen over de levensduur en onderhoudswerkzaamheden De onderhoudskosten van de stalen deur zijn afkomstig van Rijkswaterstaat. Bij beide kostenberekeningen worden de "kale" kosten bepaald, waarbij renteverlies, disconto voet, BTW enz. buiten beschouwing worden gelaten. In paragraaf 11.1 wordt een overzicht gegeven van de totale kosten van een stalen sluisdeur. In paragraaf 11.2 wordt een overzicht gegeven van de totale kosten van een roestvast stalen sluisdeur. Na de afzonderlijke bespreking van de totale kosten in beide materialen wordt een vergelijking van de totale kosten gemaakt in paragraaf 11.3. 11.2 Totale kosten stalen sluisdeur 11.2.1 Stichtingskosten stalen sluisdeur In het rapport van M.S. Krüse is een overzicht van de kosten van de bestaande deuren in de Spieringsluis gegeven. De prijs van de bestaande deuren bedraagt: 268.500 gulden per deur. Hierbij zijn wel een aantal zaken meegenomen die niet in de kostprijs van de kunststof deur zijn meegenomen. Om de deuren te vergelijken moeten de kosten van de aanslagen uit de stichtingskosten van het stalen ontwerp geschrapt worden. Daarnaast moeten de kosten van de vervaardiging van het bordes en de leuningen en de kosten van kunststof ten behoeve van wrijfgordingen uit de stichtingskosten van de stalen deur gehaald worden. Bij de stichtingskosten van de kunststof deuren uit tabel 11.1 zijn geen transportkosten meegenomen en geen kosten voor montage. Voor de kosten voor montage en transport wordt een gelijk bedrag aan de kosten voor transport en montage bij stalen sluisdeuren (per deur fi. 30.000,-) aangenomen. De stichtingskosten van de stalen sluisdeur komen dan uit op. Tabel 11.1: Stichtingskosten stalen sluisdeur.

Onderdeel Materiaalkosten plaat en profielstaal Vervaardiging deur Conservering deur Transporten montagedeur

Totaal per stalen deur

Kosten

€ € - € €

13,613 51,050 13,613 13,613

€

91,890

11. Totale kosten - 98

hoofdrapport

TIJ Delft

11.2.2 Onderhoudskosten stalen sluisdeur Bij een stalen sluisdeur worden om de 12 tot 17 jaar conserveringswerkzaamheden uitgevoerd. Deze werkzaamheden worden uitgevoerd in combinatie met het overige onderhoud omdat de werkzaamheden op de wal worden uitgevoerd. De deuren worden blank gestraald en voorzien van een nieuw conserveringssysteem. De kosten voor deze werkzaamheden bedragen zo'n € 25.000 per deur (gebaseerd op rapport M.S. Krüse). 11.3 Totale kosten kunststof deur 11.3.1 Stichtingskosten kunststofsluisdeur Aan de hand van de ontwerp tekeningen (bijlage 7) is in samenwerking met Polymarin een inschatting gemaakt van de stichtingskosten van de sluisdeur. De verantwoording van de stichtingskosten staat in tabel 11.1. Tabel 11.2

Stichtingskosten kunststof sluisdeur

Onderdeel Materiaal l Arbeid € 9091 € 43636 (1200 manuren) VVK-beplating € 18182 1 € 7273(200 manuren) Schuimkern € 6818 - Staaiframe € 2273 € 2273 (boren) - - Bouten/moeren € 1364 Taatskom E 3636' Afdichting (beton in kokers) € 6821 Verzwaring € 3,613' Transport en montage € 53182 € 42045 Subtotaal € 4205 €5318, Marge 10%

Totaal

€ 46250

€ 58500

totaal € 52727 € 25455 - € 6818 € 4545 € 1364 336 - € 682 € 13613 - €108840 €10884 € 119724

De arbeidskosten vertegenwoordigen bij de kunststof deur 55% van de kosten. Hierbij moet nog worden vermeld dat de arbeidskosten van het stalen profiel bij de materiaalkosten staan. De kosten van de kern zijn veel groter dan in eerste instantie was aangenomen. Vanwege het arbeidsintensieve werk van het handlamineren is dit goed te verantwoorden. Bij het ontwerpen van de deur was uitgegaan van een prijs had van € 900,- per kubieke meter voor het kern materiaal gebaseerd op het rapport van Lukassen [LIT 4]. Polymarin geeft een prijs van een prijs had van € 225 gulden per kubieke meter. 11.3.2 Onderhoudskosten kunststof sluisdeur Aan de kunststof sluisdeur hoeft in principe weinig onderhoud plaats te vinden. Bij de kunststof sluisdeuren geplaatst in de Spieringssluis in Werkendam is geen onderhoud gepland. Doordat de stalen onderdelen niet bereikbaar zijn zal het enige onderhoud aan de deur bestaan uit het schoonmaken van de deur in verband met het hechten van vuil aan de deur. Dit hechten van het vuil heeft geen schadelijke consequenties voor de sluisdeur zelf, maar kan het functioneren van de deur verhinderen. Het interval tussen het schoonmaken van de stalen sluisdeur is maximaal 17 jaar. De beslissing om eerder onderhoud te plegen wordt gebaseerd op de staat van de deur en niet op een opeenhoping van vuil waardoor de deur niet goed meer functioneert. Voor de kunststof deur zal het onderhoudsinterval daarom een periode van minimaal 17 jaar bedragen. De periode van 17 jaar kan als veilige ondergrens worden beschouwd. Wanneer de vuilopeenhoping niet voor een - - - - 11. Totale kosten - 99

hoofdrapport

TU Delft

storing in het functioneren van de deur behoeft de deur gedurende de gehele levensduur niet schoongemaakt te worden. De kosten voor het schoonmaken kunnen worden begroot op € 4000,- per deur.

11.4 Vergelijking kosten stalen en kunststoffen sluisdeur Voor het vergelijken van de totale kosten is een grafiek gemaakt waarin de totale kosten zijn uitgezet in de tijd. Uit de grafiek blijkt dat het kunststof ontwerp goedkoper wordt bij de tweede onderhoudsbeurt van de stalen deuren. Dit is tussen de 24 en 34 jaar. Grafiek totale kosten kunststof en stalen deur 1000000

900000

800000

700000

600000

500000

400000

300000

200000

100000

0 C) Q (N ()

Figuur 11.1

(0 N-

cc

M(0 (N CO (0 (0 (0 0) (0 (N

Grafiek totale kosten kunststof en stalen deur

In de grafiek zijn de lijnen getrokken voor een levensduur van 200 jaar. Deze levensduren overschrijden de gemiddelde levensduur van stalen sluisdeuren. De gemiddelde levensduur van een stalen sluisdeur is vijftig jaar. Het vervangen van de deuren is in de figuur niet meegenomen omdat ervaring met een kunststof sluisdeur ontbreekt. Conclusies Uit de vergelijking blijkt dat totale kosten van de kunststof deur na een periode van 24 tot 36 jaar goedkoper is dan een stalen sluisdeur. De levensduur van de kunststof deuren moet vergelijkbaar zijn aan de stalen deur de om de goedkoper te blijven. Vanwege de stalen onderdelen die in contact komen met water is het niet zeker of de deur een voldoende grote levensduur heeft. De kosten voor het schoonmaken van de kunststof deuren zijn gebaseerd op een schatting. De kosten zijn afhankelijk de tijd van het schoonmaken, wat afhankelijk is van de moeite die het kost het vuil te verwijderen.

11. Totale kosten - 100

hoofdrapport

TU Delft

12 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 12.1 Conclusies De doelstelling van het afstudeerproject is het ontwerpen van een sluisdeur in vezelversterkte kunststoffen waarbij de stichtingskosten en onderhoudskosten worden geminimaliseerd. De hogere investering van de kunststof sluisdeur moet worden teruggewonnen via lagere onderhoudskosten. Onderhoudskosten Aan de kunststof deuren zelf hoeft geen onderhoud te worden gepleegd. Het enige onderhoud dat moet worden gepleegd is in verband met het goed kunnen functioneren van de sluisdeuren. Door vuil in het sluishoofd of vuil dat zich aan de deuren hecht kan het functioneren van de deuren worden verhinderd. Doordat het schoonmaken van de deuren onder water kan gebeuren zijn de onderhoudskosten van de deuren een orde grootte kleiner dan de kosten voor het onderhoud van de stalen deuren. Stichtingko sten De stichtingskosten van de kunststof deuren liggen hoger dan de kosten van een stalen deur. De stichtingskosten van de kunststof deur worden grotendeels bepaald door de arbeidskosten van het handlamineren. De kosten van de hiervoor benodigde arbeid moeten daarom worden gem mi maliseerd. De materiaalkosten zijn afhankelijk van het type vezels en de hars. Omdat de prijs-/prestatie verhouding van glasvezels beter is dan van andere vezeltypen zijn glasvezels toegepast. De glasvezels mogen niet in aanraking komen met water. Om de scheurgrootte in de hars te beperken wordt een eis gesteld aan de rek. De eis aan de rek is echter erg streng en geld bijvoorbeeld ook voor drukvaten die niet mogen lekken. De grote onbekendheid met het materiaal zorgt voor relatief grote veiligheidsfactoren. In de toekomst kan wellicht slanker worden geconstrueerd. Er moet echter wel worden opgemerkt dat slankere platen op de sandwich wel erg gevoelig worden voor een aanvaring. Voor de hars is uitgegaan van polyesterhars, vanwege de lage prijs. Conclusie voor de vorm van de deur De kosten van het handlamineren is sterk afhankelijk van de dikte van de beplating. De beplating wordt opgebouwd uit lamellen, die laag voor laag op elkaar worden aangebracht. Een dikkere beplating moet worden opgebouwd uit een groter aantal lamellen, waardoor de kostprijs van de beplating lineair afhankelijk is van de dikte van de beplating. Door de krachten via trek en druk af te dragen wordt de volledige doorsnede capaciteit benut. Dit is mogelijk door een gebogen beplating toe te passen, die de belastingen afdraagt via membraanspanningen. Een alternatief waarbij de krachten in de beplating via trek af worden gedragen bleek niet haalbaar omdat de grote krachten die uitgeoefend op het frame niet opgenomen konden worden. Het probleem van instabiliteit bij drukkrachten kan eenvoudig worden verholpen door een sandwich toe te passen. Doorsnede wordt opgebouwd uit twee platen in WK verbonden door een relatief goedkoop materiaal, een constructie schuim, dat de platen met elkaar verbindt. De stabiliteit van de doorsnede kan hierdoor worden vergroot zonder grote investeringen. Tijdens het sluiten van een sluisdeur kan een obstakel op de drempel het sluiten van de deur tegen werken. Dit veroorzaakt grote wringmomenten en lokale dwarskrachten in de deur. De sandwich blijkt niet in staat deze belastingen op te nemen. De krachten moeten worden

12. Conclusies en aanbevelingen - 101

hoofdrapport

TU Delft

afgedragen door een frame. De krachten in het frame worden dermate groot dat een VVK frame niet voldoet en een stalen frame de krachten moet worden toegepast. Het stalen frame moet via boutverbindingen aan de sandwich platen worden bevestigd omdat een Iijmverbinding niet in staat is de belastingen op te nemen. Het frame kan daardoor in aanraking komen met het water en gaan roesten. Het stalen frame is niet toegankelijk voor onderhoud. Hierdoor ontstaat een grote onzekerheid voor wat betreft de levensduur van de deuren. De kosten van de sluisdeur worden met name bepaald door de arbeidskosten van het lammeren en de materiaalkosten voor de schuimkern. De andere alternatieven hebben een materiaal verbruik dat een orde grootte hoger ligt dan dit ontwerp. De stichtingskosten van de andere alternatieven zullen ongeveer twee keer zo hoog liggen. Bij het vergelijken van de totale kosten met de stalen sluisdeur blijkt dat de kunststof deur goedkoper is na een periode van 24 tot 34 jaar. De frequentie van het schoonmaken van de WK deuren zal lager zijn dan de frequentie van de onderhoudsbeurten van de stalen deuren. Wanneer de levensduur van de kunststof sluisdeuren voldoende groot is kunnen kunststof deuren een goedkopere oplossing bieden dan stalen deuren. 12.2 Aanbevelingen Er zijn een aantal opties om de levensduur van de deur te vergroten: - In het onderzoek is uitgegaan van een stalen frame. Door gebruik te maken van een roestvast stalen frame kan het probleem van corrosie worden voorkomen. Voor het optreden van corrosie aan roestvast staal moet vuil zich aan het materiaal kunnen hechten. De ruimte in de boutgaten is te klein om dit proces plaats te laten vinden en het materiaal kan alleen plaatselijk worden aangetast. - Een andere mogelijkheid om de levensduur van de deur zeker te stellen is het compleet inpakken van de stalen onderdelen. Dit maakt de stalen delen echter onbereikbaar voor eventuele controle aan de verbindingen. - Er kan worden onderzocht in hoeverre de boutverbinding waterdicht kan worden gemaakt. De wijzigingen hoeven geen grote kostenverhoging met zich mee te brengen. In het ontwerp is de gebogen vorm op de voor de deur meest optimale wijze in de deurkas geplaatst. Gezien het feit dat in de praktijk weinig nieuwe sluizen worden gebouwd moet worden geïnvesteerd in aanpassingen van de taats en het bovendraaipunt. Tevens vereist een gekromde vorm een aanpassing aan het bewegingsmechanisme. Door de benodigde aanpassingen goed in kaart te brengen kan een goed overzicht worden verkregen in de investering die nodig is om sluizen geschikt te maken voor sluisdeuren met een gebogen vorm. Daarnaast kan worden onderzocht wat de wijzigingen aan de gebogen deur kunnen zijn om de aanpassingen aan sluishoofden te beperken en wat het effect hiervan is op de kostprijs. In het ontwerp van de sluisdeur zijn geen spuigaten toegepast. Bij nader onderzoek zal de invloed van sparingen in de deur moeten worden onderzocht. Met name het aansluiten van het schuifmechanisme op de sandwich is lastig. De stormvloeddeuren maakten deel uit van een sluishoofd met twee paar deuren die elk in een verval in een andere richting keren. Het andere paar deuren in het sluishoofd neemt hierdoor het negatief verval op. Bij veel sluisdeuren zal er in verhouding tot het positief verval een groter negatief verval door de deuren moeten worden gekeerd. Onderzocht moet worden wat voor consequenties dit heeft voor het ontwerp.

12. Conclusies en aanbevelingen - 102

literatuurlijst

TU Delft

LITERATU U RLIJST M/G. Krüse, Het ontwerpen van een sluisdeurin roestvast staal, Augustus 1998, TU Delft. J .J .W . M. Veraart, Glasvezelversterkte kunststof schuiven als alternatief voor de schuiven in de Oosterschelde kering, 1998, TU Delft. Stuurgroep SMOZ project 'Kunststof sluisdeur', Syllabus van de presentatie Vezelversterkte Kunststof Sluisdeuren, december 1999, Technologie Centrum Corrosie. R.L.J.Lukassen, Het ontwerpen van een sluisdeur in vezelversterkt kunststof, 1996, faculteit Civiele Techniek TU Delft. S. van der Laken, Ontwerp van schuiven van de Oosterschelde kering in vezelversterkte kunststoffen, 1999, Industrieel Ontwerpen TU Delft. Arman Mudde, Een glasvezel versterkte kunststof sluisdeur,1997, Industrieel Ontwerpen

TU Delft Fiberline® Design Manual, september 1999, , Fiberline Composites NS, Denmark NEN 6770, Staalconstructies TGB 1990, Nederlands Normalisatie-instituut, 1990 Achtergrond rapport CUR-aanbeveling GVK, april 2001. A.H.J. Nijhof, Ontwerpen in vezelversterkte kunststoffen, Delft, 1981 Dan Zenkert, An introduction to Sandwich Construction, Engineering Materials Advisory Services LTD, 1995, London [121 Eurocomp Design code and Handbook, Haicrow Ploymerics Ltd, 1996 Staalprofielen deel 5 (Over) spannedn staal, St. Kennisoverdracht SG, Rotterdam, 1998 W. Verkade, Het ontwerp van een sluisdeur in aluminium, 1999, TU Delft NEN 6771, Staalconstructies TGB 1990, Nederlands Normalisatie-instituut, 1991 W. Verkade, Het ontwerp van een sluisdeur in aluminium, maart '99, TU Delft

Literatuurlijst

1*1

Bijlagen

TU Delft

BIJ LAG EN BIJLAGE 1 IN- EN UITVOER STAAD CONTROLEBEREKENING1: INGEKLEMDE LIGGER BIJLAGE 2 IN- EN UITVOER STAAD CONTROLEBEREKENING 2: WRINGPANEEL BIJLAGE 3 INVOER STAAD BEREKENING OBSTAKELBELASTING MET STALEN FRAME BIJLAGE 4 ExCELSHEET: SPANNINGSCONTROLE STAALPROFI ELEN BIJ OBSTAKELBELASTING BIJLAGE 5 INVOER STAAD BEREKENING OBSTAKELBELASTING MET STALEN FRAME BIJLAGE 6 ExCELSHEET: SPANN I NGSCONTROLE STAALPROFIELEN BIJ NEGATIEF VERVAL BIJLAGE 7 TECHNISCHE CAD-TEKENING UITEINDELIJK ONTWERP

Bijlageri

Bijlagen

TU Delft

BIJLAGE 1 IN- EN UITVOER STAAD CONTROLEBEREKENINGI: INGEKLEMDE LIGGER

Bijlagen

A

l

Bijlagen

TIJ Delft

BIJLAGE 2 IN- EN UITVOER STAAD CONTROLEBEREKENING 2: WRINOPANEEL

Bijlagen

Bijlagen

TtJ Delft

BIJLAGE 3 INVOER STAAD BEREKENING OBSTAKELBELASTING MET STALEN FRAME

Bijlagen

Bijlagen

TU Delft

(INv0ERFILE STAAD)

JOINT COORDINATES (WEGGELATEN) MEMBER INCIDENCES (WEGGELATEN) ELEMENT INCIDENCES SHELL (WEGGELATEN) DEFINE MATERIAL START 2DORTHOTROPIC SANDWICH E 0.23168 0.3849 POISSON 0.3 ALPHA 0.1 0.1 G 0.16192 0.0289 DENSITY 1E-008 ISOTROPIC STEEL E 205 POISSON 0.25 DENSITY 7.7E-008 ALPHA 1.2E-005 DAMP 0.03 END DEFINE MATERIAL ELEMENT PROPERTY 1 TO 2063 TO 82 104 TO 123 145 TO 164 186 TO 205 227 TO 246 268 TO 287309 TO 328 350 TO 369 391 TO 410 432 TO 451 473 TO 492 514 TO 533 555 TO 574 596 TO 615 637 TO 656 678 TO 697 719 TO 738 760 TO 779 801 TO 820 THICKNESS 541 UNIT METER KN MEMBER PROPERTY DUTCH UNIT MMS NEWTON MEMBER PROPERTY DUTCH 821 TO 900 TABLE ST KW300X200X10 UNIT MMS KN CON STANTS BETA 53.56 MEMB 821 TO 840 BETA 270 MEMB 841 TO 860 BETA 180 MEMB 861 TO 880 MATERIAL SANDWICH MEMB 1 TO 20 63 TO 82 104 TO 123 145 TO 164 186 TO 205227 TO 246 268 TO 287 309 TO 328 350 TO 369 391 TO 410 432 TO 451 473 TO 492 514 TO 533 555 TO 574 596 TO 615 637 TO 656 678 TO 697 719 TO 738 760 TO 779 801 TO 820 MATERIAL STEEL MEMB 821 TO 900 SUPPORTS 1 FIXED BUT FZ MX MY MZ 421 PINNED 424 FIXED BUT FY FZ MX MY MZ LOAD 1 TREK-/DRUKSTANG JOINT LOAD 9 FX -132.4 FY -34.9 UNIT METER KN FINISH

Bijlagen

Bijlagen

TU Delft

BIJLAGE 4 EXCELSHEET: SPANNINGSCONTROLE STAALPROFIELEN BIJ OBSTAKELBELASTING

Bijlagen

Bijlagen

Awl

TU Delft

BIJLAGE 5 INVOER STAAD BIJ NEGATIEF VERVAL (MET STALEN FRAME)

Bijlagen

Bijlagen

TU Delft

(INv0ERFILE STAAD)

UNIT MMS KN JOINT COORDINATES (WEGGELATEN) MEMBER INCIDENCES (WEGGELATEN) ELEMENT INCIDENCES SHELL (WEGGELATEN) DEFINE MATERIAL START 2DORTHOTROPIC SANDWICH E 0.2317 0.3849 POISSON 0.3 ALPHA 0.1 0.1 G 0.1619 0.0289 DENSITY 1E-008 2DORTHOTROP?C PULTRUSIE E 8.333 5.016 POISSON 0.3 DENSITY 1.75E-007 ALPHA 0.0001 0.0001 DAMP 0.001 G 1.752 1.752 ISOTROPIC STEEL E 205 POISSON 0.25 DENSITY 7.7E-008 ALPHA 1.2E-005 DAMP 0.03 END DEFINE MATERIAL ELEMENT PROPERTY 1 TO 2063 TO 82 104 TO 123 145 TO 164 186 TO 205 227 TO 246 268 TO 287309 TO 328 350 TO 369 391 TO 410 432 TO 451 473 TO 492 514 TO 533 555 TO 574 596 TO 615 637 TO 656 678 TO 697 719 TO 738 760 TO 779 801 TO 820 THICKNESS 541 UNIT METER KN MEMBER PROPERTY DUTCH UNIT MMS NEWTON MEMBER PROPERTY DUTCH UNIT CM KN MEMBER PROPERTY 821TO900PRISA)(113AY74AZ381X151371Y72941Z13797 UNIT MMS KN CONSTANTS BETA 53.56 MEMB 821 TO 840 BETA 270 MEMB 841 TO 860 BETA 180 MEMB 861 TO 880 MATERIAL SANDWICH MEMB 1 TO 20 63 TO 82 104 TO 123 145 TO 164 186 TO 205227 TO 246 268 TO 287 309 TO 328 350 TO 369 391 TO 410 432 TO 451 473 TO 492 514 TO 533 555 TO 574 596 TO 615 637 TO 656 678 TO 697719 TO 738 760 TO 779 801 TO 820 MATERIAL PULTRUSIE MEMB 821 TO 900 MATERIAL STEEL MEMB 821 TO 900 SUPPORTS 1 FIXED BUT FZ MX MY MZ 421 PINNED 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210 231 252 273 294 315 336 357 378 399420 441 FIXED BUT FX FZ MX MY MZ LOAD 1 TREK-/DRUKSTANG JOINT LOAD 9 FX -132.4 FY -34.9 UNIT METER KN FINISH

Bijlagen

Bijlagen

TtJ Delft

BIJLAGE 6 EXCELSHEET: SPANNINGSCONTROLE STAALPROFIELEN BIJ NEGATIEF VERVAL

Bijlagen

Bijlagen

TIJ Delft

BIJLAGE 7 TECHNISCHE CAD-TEKENING UITEINDELIJK ONTWERP

Bijlagen

ONTWERP VOOR EEN SLUISDEUR IN VEZELVERSTERKTE KUNSTSTOF

Recommend Documents