image

ir. C.Q. Klap

Toen de aanbiedingen voor de boortunnel ingediend waren en bleek dat er geen aanbieding was gedaan op het referentie ontwerp van de afgezonken tunnel / hangbrug was dit voor de CWS reden om nog een laatste poging voor deze variant te ondernemen. De geboorde variant moest immers aanzienlijk duurder zijn dan het referentieontwerp omdat het 1,5 a 2 km lange goedkope damvak op de Middelplaat nu ondertunneld moest worden en de boortunnel de Zeeuws-Vlaamse oever 25 meter dieper zou passeren. Hierdoor werd de tunnel aan de zuidzijde ca 1 km langer voordat deze weer boven zou komen. Dit gold in mindere mate voor de kruising met de Zuid - Bevelandse oever. Naar de mening van de CWS was het referentieontwerp zoals door het Rijk voorgesteld toen minimaal 300 miljoen gulden goedkoper dan de zeer scherpe aanbieding voor de boortunnel. De latere extra veiligheidsmaatregelen hebben dit verschil alleen maar vermeerderd. Uit gesprekken met o.a. leden van de Tweede Kamer werd al snel duidelijk dat men - nu er toestemming was van het Ministerie van Financiën - geen nieuwe oplossingen ter discussie wilde stellen. De inschatting was dat Financiën het project graag naar achteren zou willen schuiven en vervolgens moest men dan nog maar zien wanneer er weer toestemming gegeven zou worden voor een oeververbinding. Als het eenvoudiger zou zijn geweest over dit soort zaken sluitende afspraken te maken en de Belgen ook akkoord hadden kunnen gaan of daartoe te bewegen waren geweest dan had Financiën aardig wat geld kunnen besparen en had zeer waarschijnlijk de oeververbinding er nu anders uitgezien.

mrt 16 01

Nabeschouwing

Zeeland heeft eindelijk zijn lang verwachte oeverver-binding over de Westerschelde. Een laatste stukje romantiek voor zover dit de grote veren betreft behoort in het Zeeuwse tot het verleden. Een voet/fiets veer tussen Breskens en Vlissingen kan dit niet meer goed maken. Zeeland is nu in alle richtingen ontsloten; het vanwege de wachttijden bij de veren vroeger vertrekken uit de Randstad is niet meer nodig. Zeeuws Vlaanderen kan weer een beetje meer Zeeuws worden en de Zeeuwen weer een beetje meer Vlaams; dat zijn goede vooruitzichten. De kwaliteit van de Zeeuwse restaurants wordt bijvoorbeeld al sinds vele jaren door de Belgen geroemd.
Jammer is wel dat na zo vele jaren van voorbereiding het uiteindelijk ook de Belgen zijn geweest die al deze fraaie en gezichtsbepalende oplossingen geblokkeerd hebben door alleen met een boortunnel akkoord te gaan en dat de twee overgebleven buitenlandse bouwcombinaties op basis van de ervaringen van een hunner met de boortunnel onder de Schelde in Antwerpen uiteinde-lijk alleen maar een boortunnel hebben aangeboden. Een krachtiger Zeeuws (Nederlands) geluid was hier op zijn plaats geweest. De kans op een Zeeuws en zelfs Nederlands landmark is blijven liggen evenals vele weidse belevingen bij de passage van de Westerschelde. Tevens geldt dit voor de enige kans ooit in Nederland een hangbrug te bouwen. Als vooraf de boortunnel als reële variant onderkend was bij de MER studie dan had de boortunnel vermoedelijk niet gelegen in het tracé van de afgezonken tunnel / hangbrug maar vermoedelijk op een andere locatie daar men bij een boortunnel niet gebonden zou zijn geweest aan het patroon en de beweeglijkheid van de Schelde bodem. Een verbinding bij Borssele – Hoofdplaat was dan misschien wel de uitkomst geworden zodat deze bij Brugge had kunnen aansluiten op de snelweg naar de Kanaaltunnel. Het tracé waar Rotterdam destijds voor ging waardoor Rot-terdam dichter bij Londen zou liggen dan Parijs.
Na de realisering van deze fraaie verbinding, de delta-dammen en de brugprojecten is Zeeland nu precies 50 jaar na de Watersnoodramp voor de komende jaren af. Een evenwichtige verdere ontwikkeling is de nieuwe uitdaging.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

 

 

Ir. J. van den Hoonaard

Na een pre-selectieprocedure bleven uiteindelijk twee aannemerscombinaties over, die in 1992 in staat werden gesteld een aanbieding te doen.
Deze beide combinaties waren:
• Bietergemeinschaft Konsortium Westerschelde Oeververbinding (KWOV)
• Kombinatie Middelplaat Westerschelde (KMW)
Zowel KWOV als KMW kwamen met een aanbieding die bestond uit een geheel geboorde tunnel onder de Westerschelde. In het hiernavolgende zullen beide offertes in het kort worden beschreven.

Aanbieding KWOVmrt 15 01

Het ontwerp bestaat uit toeleidende wegen in zowel Zeeuws Vlaanderen als op Zuid-Beveland en een oeververbinding, uitgevoerd als een geheel geboorde tunnel.

Toeleidende weg in Zeeuws Vlaanderen

De toeleidende weg naar de oeververbinding sluit aan op de Hoekseweg (S21) en kruist achtereenvolgens de binnendijk Willemskerkeweg en de Herbert H. Dowweg.

Tunneltoeritten in Zeeuws Vlaanderen en Zuid-Beveland

De toeritten in Zeeuws Vlaanderen en op Zuid-Beveland zijn nagenoeg identiek aan elkaar en bestaan uit een open gedeelte, een gesloten gedeelte en een overgangs-constructie van toerit naar tunnel. Het open gedeelte van de toeritten is uitgevoerd als een trogvormige gewichtsconstructie van gewapend beton met een daglichtrooster ter plaatse van het overgangsgebied tussen het open en het gesloten gedeelte. Het gesloten gedeelte van de toeritten, dat eveneens uitgevoerd is als een gewichtsconstructie, bestaat uit een driecellige koker van gewapend beton waarvan de middelste koker (middentunnelkanaal) als vluchtweg kan dienst doen. In de twee buitenste kokers zijn de rijbanen opgenomen.
De overgangsconstructie van toerit naar boortunnel wordt gevormd door de start- of ontvangstschacht. Aan de ene zijde sluit het gesloten gedeelte van de toerit hierop aan; vanaf de andere zijde wordt met het boren van de tunnel gestart respectievelijk wordt het boren beëindigd. In de overgangsconstructie zijn een bedieningsgebouw, bedrijfsruimten en een waterreservoir opgenomen. Om het achterland te beschermen en om inundatie van de tunnelbuis te voorkomen, is een waterkering ontworpen in de vorm van hefdeuren welke in voorkomende gevallen de tunneltoegangen kunnen afsluiten. Voor het maken van beide toeritten is een retourbemaling voorzien. Voor de toerit Zeeuws Vlaanderen wordt tevens (tijdelijk) gebruik gemaakt van een waterafdichting tot in de Boomse klei.

mrt 15 02Tunnel onder de Westerschelde.

De tunnelverbinding onder de Westerschelde bestaat uit twee circa 6700 m lange tunnelbuizen met een binnendiameter van 11,20 m, die met een schildboormachine (mix-schild in dit geval een slurry-EPB-schild) geboord zullen worden vanuit het aanlandingspunt Zuid-Beveland. De afstand tussen de tunnelbuizen bedraagt minimaal 15,00 m; bij de toeritten wordt deze afstand gereduceerd tot circa 9,00 m. De gronddekking op de tunnel bedraagt minimaal 15 m. De diepteligging van de tunnel is in belangrijke mate bepaald door de wens van de combinatie om het boren over een zo groot mogelijke lengte in de Boomse klei te kunnen laten plaatsvinden. De twee tunnelbuizen worden elke 1.000 m door dwarsverbindingen met elkaar verbonden die met behulp van een conventionele bergtunneltechniek worden gebouwd. Iedere tunnelbuis bevat twee rijstroken, een afgescheiden vluchtroute en een kabelkanaal. De wegconstructie in gefundeerd op een zandaanvulling. Onder het wegdek is een koker voor de DELTAN 150 kV kabelbundels opgenomen die tevens gebruikt wordt als ventilatiekanaal. Op de twee diepste punten van de tunnel zijn de pompstations opgenomen. Een gedeelte van de tunneltechnische installaties is ondergebracht in een zestal dwarsverbindingen tussen de tunnelbuizen.

Toeleidende weg in Zuid Beveland

De toeleidende weg naar de oeververbinding sluit aan op de S10 (Bernardweg), de Frankrijkweg, de S11 (Sloeweg) en de Borsselsedijk. Het tolplein, het busstation en een parkeerplaats zijn gelegen in het poldertje dat ontstaat door het omleggen van de bestaande zeedijk bij de Staartsche Nol. De toeleidende weg kruist via een viaduct de spoorlijn, met een overkluizing de leidingen-strook nabij de Vaathoekweg en met een brug de Paardegatsche Watergang. De toeleidende weg wordt door middel van viaducten gekruist door de Korte Noordweg, de Monsterweg en de Korte Zuidweg en door een tunnel door de Verlengde Staartsche Dijk. De Paardegatsche Watergang kruist via een duiker de Monsterweg. Een loopbrug kruist de tolinninginrichting.

Installaties

De tunnel is voorzien van een elektro-mechanische tunnelinstallatie. Aanwezig zijn een zelfstandige energie-voorziening, een No-Break stroomvoorziening, tunnel-verlichting, een lichtrooster bij de inritzijde van de toeritten, pompinstallaties ten behoeve van drainage, een ventilatiesysteem, een PLC-besturingsinstallatie, communicatiemiddelen zoals intercom, een luidspreker-omroepsysteem, een HF-radiocommunicatiesysteem en CCTV. Voorts is de tunnel voorzien van een brandblusinstallatie, hulpposten, vluchtroute-voorzieningen en een verkeersgeleidingsysteem.

Aanbieding KMW

mrt 15 03

Het ontwerp bestaat uit toeleidende wegen in zowel Zeeuws Vlaanderen als op Zuid-Beveland en een oeververbinding, uitgevoerd als een volledig geboorde tunnel. De toeleidende weg naar de oeververbinding sluit aan op de Hoekseweg (S21) en kruist met een viaduct de Herbert H. Dowweg.

Tunneltoerit Zeeuws Vlaanderen.

De tunneltoerit bestaat uit een gesloten overgangsgedeelte inclusief hoofdpompenkelder, een open bakcon-structie met daglichtrooster, een ingraving met taluds, een kanteldijk en een definitieve zandaanvulling tot een hoogte van NAP +6,50 m ter plaatse van het tunneltracé. De tunneltoerit wordt gerealiseerd in een open bouwput en wel door toepassing van een definitief waterkerend bentoniet-cementscherm dat reikt tot in de Boomse klei, zodat de toestroming van grondwater wordt verhinderd. In de bouwfase doet het overgangsgedeelte van de toerit dienst als “start-schacht” voor het boorproces. In de gebruiksfase wordt het door het bentoniet-cement-scherm omsloten gebied als polder bemalen waardoor volstaan kan worden met een relatief kort gesloten overgangsgedeelte tussen de tunnel en de open bak.

Tunnel onder de Westerschelde

De tunnelverbinding bestaat uit twee circa 6300 m lange tunnelbuizen met een binnendiameter van 11,40 m, die met een schildboormachine (mix-schild, in dit geval een slurry-“open mode”) geboord zullen worden vanuit het aanlandingspunt Terneuzen. De afstand tussen de tunnelbuizen bedraagt 13,00 m (ongeveer 1 x diameter); bij de toeritten wordt deze afstand gereduceerd tot tenminste 6,00 m. De gronddekking op de tunnel bedraagt minimaal 12,00 m. De twee tunnelbuizen worden elke 500 m door dwarsverbindingen met elkaar ver-bonden, die met behulp van een bevriezingstechniek worden gebouwd. Iedere tunnelbuis bevat twee rijstroken, een brandveilige vluchtgang en een begaanbaar kabelkanaal. De tunnel wordt tot onderkant wegdek aangevuld met zand, waarin een drainagevoorziening is opgenomen. Op de zandaanvulling is de wegconstructie gefundeerd. Onder het wegdek zijn op het diepste punt van de tunnel middenpompkelders ingericht die vanuit de vluchtgang bereikbaar zijn. Een gedeelte van de tunneltechnische installaties is ondergebracht in ruimten die zich onder het wegdek bevinden.

Tunneltoerit Zuid-Beveland

De tunneltoerit bestaat uit een pneumatische caisson-constructie (“ontvangstschacht”) inclusief hoofdpompen-kelder en ruimten voor tunneltechnische installaties, een gesloten tunnelgedeelte, een open bakconstructie met daglichtrooster, kanteldijken en een definitieve zandaanvulling tot een hoogte van NAP + 6,50 m het gebied dat omsloten wordt door de kanteldijk en de “ontvangstschacht”.
Voor wat betreft de “Toeleidende weg Zuid-Beveland”en de “Installaties” kan verwezen worden naar hetgeen hierover staat beschreven bij de aanbieding van KWOV.

De uiteindelijk gekozen aanbieding

Zonder op alle overwegingen, die daarbij een rol hebben gespeeld, in te gaan is uiteindelijk gekozen voor de aan-bieding van de Kombinatie Middelplaat Westerschelde (KMW). Met deze combinatie is de provincie Zeeland verder de pre-contractuele fase ingegaan
In september 1995 heeft de Ministerraad besloten tot aanleg van de tunnel over te gaan. Onderdeel van dit besluit was de oprichting van een N.V., die tot taak kreeg te zorgen voor de financiering, de realisatie van de oeververbinding en de exploitatie daarvan. De exploitatie omvat het beheer, het onderhoud, de bediening en de tolheffing.
In 1996 is het contract met de KMW gesloten en op 15 juli 1996 is met de uitvoering ervan begonnen. De eerste fase bestond uit het maken van een definitief ontwerp en de werkvoorbereiding. Tegelijkertijd werd er vanuit de N.V. voor gezorgd dat de nodige terreinen werden verworven en de vergunningen op tijd werden verkregen. De eigenlijke bouw is gestart in december 1997 en zal in maart 2003 worden afgerond met de openstelling van de tunnel voor het verkeer.

Het ontwerp van de tunnel

De boortunnel is circa 6600 meter lang en bestaat uit twee evenwijdig lopende buizen, die elk twee rijstroken van 3,50 m bevatten. De buizen hebben een (boor) diameter van 11,33 m, een uitwendige diameter van 11 m en een inwendige diameter van 10,10 m. De tunnelbuizen liggen gemiddeld op een afstand van circa 12 m uit elkaar, ongeveer één boordiameter, waardoor tijdens het boorproces geen onderlinge beïnvloeding optreedt. Deze afstand is bij de uiteinden verminderd tot circa 7 m om de breedte van de tunneltoeritten te beperken.
De tunnel is onder het wegdek voorzien van een kabelkanaal, dat met minivoertuigen toegankelijk is. Om de 250 m zijn de buizen gekoppeld door dwarsverbindingen van 2,10 m hoog en 1,5 m breed. Deze vluchtwegen zijn normaal vergrendeld; bij een eventuele calamiteit worden ze automatisch ontgrendeld en kan de tunnel-gebruiker naar de andere buis lopen. Omgekeerd kunnen hulpverleners langs deze weg de plaats van een calamiteit bereiken. Voor de aanleg van de twee tunnelbuizen zijn door Herrenknecht AG te Schwanau (Duitsland) twee tunnelboormachines ontworpen en gebouwd. Deze hebben zich in bijna drie jaar een weg onder de Westerschelde geboord.

De oeververbinding in cijfers

De tunnel is 6600 m. lang en het diepste punt ligt op 60 m beneden N.A.P.
Het hellingspercentage is maximaal 4,5. Elke tunnelbuis bestaat uit 3300 tunnelringen van 2m lengte en een doorsnede van 11 m. Elke tunnelring bestaat uit 7 segmenten en een sluitsteen. Totaal zijn 53.000 segmenten gebruikt. De totale realisatietijd (ontwerp, voorbereiding en bouw) bedroeg 80 maanden. De bouwkosten bedroegen € 635 miljoen; de totale projectkosten circa € 750 miljoen.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

Ir. C.Q. Klap

In 1990 werd duidelijk dat dit project op Europees niveau moest worden aanbesteed. Bij deze procedure is het mogelijk de aanbesteding te laten plaats vinden via een voorselectie. Hierbij worden alleen die aannemers uitgenodigd die via een prekwalificatie zijn geselecteerd. Het referentieontwerp is een ontwerp voor het tracé Borssele – Terneuzen west en bestaat uit een afgezonken tunnel onder de Pas van Terneuzen en een tui- of hangbrug over de Everinge. Op de prekwalificatie hebben een Italiaanse, drie Duitse en twee Nederlandse bouwcombinaties gereageerd.
Van de zes aangemelde bouwcombinaties worden er op 21 november 1991 vier geselecteerd. Twee Neder-landse en twee Duitse. Op 20 december 1991 bericht de Provinciale Zeeuwse Courant dat de Provinciale Waterstaat ook de mogelijkheden voor een geboorde tunnel zal bestuderen. In maart 1992 zijn de twee Neder-landse bouwcombinaties op basis van de voorliggende contractdocumenten genoodzaakt zich terug te trekken omdat ze de risico’s te groot vinden. De provincie is niet bereid een aantal zaken evenwichtiger in het contact op te nemen. Twee buitenlandse aannemers blijven over en tekenen op 27 maart 1992 een contract voor een “design and construct” aanbieding voor een WOV. Vergoeding voor de inspanning bedraagt NLG 700.000,-. De aanbiedingen moesten op 5 december 1992 worden ingediend. Bij een van de Duitse bouwcombinaties heb-ben een paar Nederlandse bouwbedrijven een minder-heidsbelang in de combinatie gekregen. Jammer is dat destijds niet wat meer energie is gestoken in een con-tract waar ook de Nederlandse bouwcombinaties zich hadden kunnen vinden. Te meer daar een aantal van deze partijen, Combinatie Westerschelde en de Tolbrug Exploitatie Maatschappij, al vele jaren substantieel ener-gie hadden gestoken in dit project en ook belangrijke bijdragen hadden geleverd om zo ver te komen met dit project.
Inmiddels werd door de overheid op aandringen van België druk gestudeerd op een boortunnelvariant. De Belgen hadden in Antwerpen met een boortunnel onder de Schelde inmiddels goede ervaringen opgebouwd. Op 9 april 1992 bericht de Provinciale Zeeuwse Courant dat uit een studie van randvoorwaarden van RWS blijkt dat een geboorde tunnel een aantrekkelijk alternatief is. De overgebleven combinaties wordt gevraagd ook een aanbieding te doen voor een geboorde variant.
Een aantal nadelen van deze variant ten opzichte van het referentieontwerp zoals gepresenteerd bij de selectie van de aannemerscombinaties, waren de volgende. Het 1,5 km lange en goedkope damvak in het referentieontwerp zou nu vervangen moeten worden door een duur tunneldeel. Bij de passage van de Pas van Terneuzen, die tegen de kust zeer diep is en ook veel dieper dan voor de scheepvaart noodzakelijk, kon worden volstaan met een afgezonken tunnel op de bodem. Een boortunnel dient altijd minimaal één maal de diameter onder het diepste punt te blijven. Door de keuze van deze variant kwam de boortunnel dus circa 25 m dieper te liggen dan een eventuele afgezonken tunnel. Extra complicatie bij deze diepere ligging was dat de vaargeul praktisch tegen de Zeeuws Vlaamse oever ligt. Dit betekende dat deze diepere boortunnel aan de zuidkant ongeveer een kilometer langer zou worden dan een afgezonken tunnel. Zaken die niet echt hielpen de stichtingskosten zo laag mogelijk te houden.
In oktober bericht de minister dat de uitgebrachte offer-tes voor de boortunnel te hoog liggen. In verband met de door de Belgen gestelde eisen vindt de minister wel dat het project als boortunnel moet worden uitgevoerd. Een andere keuze was er op dat moment ook niet daar de twee overgebleven combinaties alleen een boortun-nel variant hadden aangeboden. Het referentieontwerp van de afgezonken tunnel en de hangbrug waarop het contract was uitgeschreven was niet meer uitgewerkt en aangeboden. In hoeverre nog meegespeeld heeft dat een boortunnel verreweg het eenvoudigste ontwerp was zal wel nooit meer duidelijk worden. Aan de andere kant was natuurlijk ook niet te verwachten dat twee bui-tenlandse aannemers een ontwerp gingen aanbieden met een overgangseiland midden in de Westerschelde wat toch typisch Nederlandse waterbouw was en wat een beroep zou doen op de vrijwel alleen in Nederland aanwezige deskundigheid. Doordat geen aanbieding werd gedaan op de afgezonken tunnel en de hangbrug was daarmee de kans op een hangbrug definitief van de baan. Jammer daar deze variant - zoals in die periode ook is aangetoond - minimaal 300 miljoen gulden, prijspeil van toen, goedkoper zou zijn geweest dan de zeer lage prijs voor de boortunnel.
In januari 1994 wordt duidelijk dat de op dat moment voorliggende variant 800 miljoen gulden, ex BTW, moet gaan kosten en dat deze variant met 200 miljoen is versoberd.
In februari verhoogt de minister welliswaar de Rijksbij-drage van 41 miljoen naar 54 miljoen per jaar op basis van en bijgestelde kostenanalyse van de veerverbindingen, maar in april van dat jaar spreekt men al van een kostprijs van 1,2 miljard.
In mei 1994 gaat men ervan uit dat de stichtingskosten 1,1 miljard gulden bedragen inclusief 200 miljoen on-voorzien. Voor de BTW is nog geen oplossing.
Op 2 oktober 1995 informeert de minister van Verkeer en Waterstaat de Tweede Kamer als volgt: “De Provincie heeft niet kunnen voldoen aan de in het hoofdlijnenconvenant gestelde voorwaarden voor de realisering van de WOV. Het hoofdlijnenconvenant is beëindigd. Het voorstel aan de Ministerraad voorziet in een onder auspiciën van het Rijk, en met deelname van de provin-cie Zeeland, op te richten tunnelmaatschappij die tot taak heeft een vaste oeververbinding over de Wester-schelde tot stand te brengen die een schakel vormt in het regionale wegennet en de totstandkoming te bekos-tigen”. Gezien de grootte van de Rijksbijdragen zullen de aandelen van de tunnelmaatschappij overwegend bij het Rijk berusten en moet de tunnelmaatschappij als Rijk worden gezien.
Hier mee was de weg vrij de oeververbinding als tunnel te realiseren.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

Ir. J. van den Hoonaard

Aan het eind van de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig heeft er een zeer uitvoerige discussie plaatsgevonden over de keuze van het meest wenselijke tracé tussen het Rijk, de Provincie Zeeland, de betrokken gemeenten en andere instanties.
Dit heeft uiteindelijk geleid tot een tracévoorstel, dat op 1 maart 1991 door de Provinciale Staten van Zeeland is vastgesteld. De Minister van Verkeer en Waterstaat stemde op 7 maart 1991 hiermee in. Het tracé komt groten-deels overeen met het op dit moment gerealiseerde ontwerp, d.w.z. een verbinding ter plaatse van Terneuzen-Ellewoutsdijk. Direct daarna is door de Provincie Zeeland en de overige betrokken overheidsinstanties, waaronder de Bouwdienst Rijkswaterstaat en directie Zeeland, een toetsplan opgesteld. Onderdeel van het toetsplan vormde een referentieontwerp, dat bestond uit de volgende onderdelen:
a. een tunnel onder het hoofdvaarwater “De Pas van Terneuzen”, inclusief toeritten;
b. een damvak op de Middelplaat in het midden van de Westerschelde en een damvak bij de aanlanding van de brug op Zuid-Beveland (zgn. “natte werken”);
c. een brug over het nevenvaarwater Everingen;
d. toeleidende wegen op zowel Zuid-Beveland als in Zeeuws Vlaanderen;
e. een bouwdok en afbouwsteiger in het industriegebied Vlissingen- Oost.
In het hierna volgende zal kort worden ingegaan op de onderdelen a. (tunnel), c. (brug) en e. (bouwdok).

Tunnel

Zowel voor het ontwerp van de tunnel als de bijbehoren-de toeritten zijn diverse varianten in beschouwing geno-men.
Voor het gesloten tunnelgedeelte is een beproefde me-thode gekozen waar veel ervaring mee is opgedaan. Afzonderlijk in een bouwdok gemaakte betonelementen worden drijvend naar de locatie vervoerd en daar in een gebaggerde sleuf afgezonken.
De tunnel wordt opgebouwd uit tien elementen: 8 van 162 m. en 2 van 139 m., in totaal dus 1574 m.
Voor de toeritten is de keuze gevallen op bentonietcementwanden, voorzien van foliepanelen in combinatie met damwandschermen. Het is niet alleen prijstechnisch een aantrekkelijke oplossing. Andere voordelen zijn de relatief korte bouwtijd en het feit dat geen intensieve bemaling nodig is.

Brugvarianten

Het ontwerp gaf vier varianten, met maximaal 5 en minimaal 2 brugpijlers. Vanwege de technische gelijkwaardigheid is geen keuze gemaakt. Het kostenaspect moest de doorslag geven.
In alle varianten was de doorvaarthoogte NAP +43 m., waren de aanbruggen gefundeerd op voorgespannen betonpalen en was de bovenbouw van voorgespannen beton, de onderbouw van gewapend beton. De cilinder-vormige caissons, waarop de pylonen staan waren van gewapend beton, gefundeerd op staal en aanvaarbe-stendig geconstrueerd.

Variant A: Gekoppelde betonnen tuibruggen

De totale lengte van dit ontwerp met 5 brugpijlers was 2128 m. De 5 betonnen tuibruggen hadden lengten van 3 x 360 m. en 2 x 340 m., totaal 1760 m. De aanbruggen hebben elk een lengte van 184 m., opgebouwd uit 4 overspanningen.

Variant B: Gekoppelde stalen tuibruggen

De variant met 4 brugpijlers had een totale lengte van 1961 m. De drie betonnen overspanningen aan de zijde van Zeeuws Vlaanderen hadden een gezamenlijke lengte van 155 m. De 4 stalen tuibruggen hadden lengten van 2 x 500 m. en 2 x 350 m., totaal 1700 m. De betonnen aanbrug aan de Zuid Bevelandse kant was 106 m. lang.

Variant C: Gekoppelde stalen hangbruggen

Deze variant met 3 brugpijlers bestond uit 2 gekoppelde stalen hangbruggen met betonnen ankerblokken en een totale lengte van 2198 m. De symmetrische deling in twee hoofdoverspanningen van 720 m. en twee zijover-spanningen van 255 m. was gekozen ter wille van een zo gunstig mogelijk krachtsverloop in de hoofdkabels. De beide gewapend betonnen ankerblokken waren elk 80 m. lang, de betonnen aanbruggen elk 44 m. De bovenbouw en de pylonen bestonden geheel uit staalconstructies. De ankerblokken waren gefundeerd op staal en zodanig geballast dat de ankerkrachten uit de hoofdkabels van de hangbrug konden worden opgenomen.

Variant D: Enkele stalen hangbrug

De variant met 2 brugpijlers had een totale lengte van 2048 m., opgebouwd uit één hoofdoverspanning van 1050 m. en twee zijoverspanningen van 375 m. De beide gewapend betonnen ankerblokken waren elk 80 m. lang, de aanbruggen elk 44 m. De bovenbouw en de 2 pylonen bestonden geheel uit staalconstructies. Ook hier waren de ankerblokken gefundeerd op staal en zodanig geballast dat de uit de hoofdkabels van de hangbrug optredende ankerkrachten konden worden opgenomen.

Bouwdok

Voor dit voorontwerp was voorzien in een bouwdok voor 10 tunnelelementen en een bouwdok voor 2 tot 5 caissons voor de brug(varianten). Een mogelijke plaats was de Sloehaven te Vlissingen. Bij de bouwdokken was een gecombineerd (brug / tunnel) werkterrein voorzien van 2 tot 4 ha., afhankelijk van de grootte van het bouwdok voor de caissons van het te kiezen brugtype. Het terrein grensde direct aan de doorgaande verkeersweg vanaf de Sloehaven richting Vlissingen en was derhalve voor alle (bouw)verkeer goed bereikbaar. Zo dicht mogelijk nabij de bouwdokken was een tijdelijke betoncentrale gesitueerd. De afmeersteiger diende zowel voor aanvoer en lossen van grondstoffen voor het beton als ten behoeve van de afbouw van tunnelelementen en caissons.
Op 7 augustus 1991 volgde vanuit de Provincie Zeeland een aankondiging, waarbij gegadigden werden opge-roepen voor het maken van een ontwerp en het doen van een prijsaanbieding voor de bouw van een vaste oeververbinding over / onder de Westerschelde ter plaatse van het tracé Terneuzen-Ellewoutsdijk.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

ir. C.Q. Klap

Na enige jaren van relatieve stilte rond de WOV werd het project opnieuw opgepakt. Dit moment is achteraf van doorslaggevend belang geweest om te komen waar we nu zijn.
De beschikbare financiën bleken de grote bottleneck te zijn om in 1982 verder te kunnen. Toen er redelijk inzicht was hoe een oeververbinding eruit zou moeten gaan zien kon ook vastgesteld worden welke investeringen met een dergelijke oplossing gemoeid zouden zijn. Het was met name de financiering die niet rond kwam. Men wist ook niet welke verkeershoeveelheden verwacht konden worden, men wist nog niet of de Liefkenshoek-tunnel aangelegd zou worden en wat de zuigende werking ervan zou zijn. Met het gekozen tracé over de Schaar van Ossenisse kon alleen de veerverbinding Kruiningen – Perkpolder uit de vaart worden genomen waardoor ook het veer Vlissingen - Breskens een zekere concurrent bleef voor de verbinding.
Als men de toenmalige bezwaren goed op zich in liet werken kon er maar één oplossing uitkomen omdat deze voor de hand lag namelijk een nieuw tracé gesitueerd tussen de twee veerdiensten in waardoor deze beide uit de vaart konden worden genomen. Bovendien was men dan verder verwijderd van de Liefkenshoektunnel zodat deze een minder zuigende werking op de nieuw aan te leggen verbinding zou hebben.
Het enige wat met die keuze niet opgelost werd was de kostprijs die aan een oeververbinding was verbonden. Erger nog een meer westelijk tracé kende ook een hoger prijskaartje. Het zou mooi zijn als ook hier een goedkoper tracé mogelijk was. Dan zouden de problemen van twee kanten dichter bij elkaar worden gebracht namelijk hogere opbrengsten en minder kosten.
De algemene mening was dat een tunnel gemiddeld circa 50 % duurder was dan een brug. Met de huidige veiligheidseisen die aan tunnels worden gesteld is dit beduidend meer geworden. Toen werd uitgegaan van 50 %. Een goedkoper ontwerp zou dus een ontwerp moeten zijn waar geen tunnels in voor zouden komen.mrt 12 01
Een oplossing met twee hangbruggen was geboren. Directie Bruggen heeft deze oplossing gepresenteerd in haar nota: “Feasibility Alternatieve Tracés” van 18 april 1986. Er werden in deze nota voorstellen gedaan voor een dubbele hangbrug in het tracé even ten oosten van Terneuzen over het Straatje van Willem en één even ten Oosten van Borssele – Hoofdplaat wat een goede aansluiting zou geven op de snelweg Brugge - Kanaaltunnel.
Voor het tracé ten Oosten van Terneuzen werd gedacht aan een hangbrug met een hoofdoverspanning van 1400 meter over de Pas van Terneuzen en een hangbrug van 500 meter over het Straatje van Willem. Fig tracé. Het tracé Borssele – Hoofdplaat zou gerealiseerd kunnen worden met een hangbrug met een hoofdoverspanning van 1400 meter over de Pas van Terneuzen en een hoofdoverspanning van 1600 meter over de Everinge.
Ook werd in deze nota de unieke vondst “groeibrug” voorgesteld. De pyloon en hoofdkabels zouden op een brugbreedte van 2 x 2 rijstroken worden uitgelegd. Het dek zou in eerste instantie gebouwd worden voor slechts twee rijstroken. Pas als er voldoende verkeer zou zijn zou de brug verbreed worden van 2 naar 4 rijstroken.
Met deze voorstellen was aangetoond ook voor deze twee tracés de bezwaren die op dat moment bestonden konden worden weggenomen. Een dergelijke verbinding van twee hangbruggen met een voorlopig versmald dek zou voor onder de 450 miljoen gerealiseerd moeten kunnen worden.
Deze voorstellen zijn in het najaar van dat jaar door de TBM overgenomen en verder uitgewerkt. Zij hebben alleen de hangbrug over het Straatje van Willem vervangen door een tuibrug. TBM heeft toen een volledige financiering voor het project aangeboden waardoor de overheid niet langer vol kon houden dat het geen haal-baar project zou zijn. Het enige minder sterke element van het voorstel was de limitering van de doorvaart-hoogte. De Belgen maakten hier ten onrechte een punt van. Dit had waarschijnlijk ook te maken met het gegeven dat dit een interessant onderhandelingspunt was in de niet vlottende onderhandelingen over de waterverdragen die tussen Nederland en België maar niet tot stand wilden komen.
Oplossingen zijn toen bedacht in de vorm van een hangbrug met een beweegbaar of een uitneembaar deel, zoals door de TBM was voorgesteld. Dit was meer een psychologische oplossing daar er vrijwel nooit gebruik van zou worden gemaakt maar de Belgen zouden dan in ieder geval hun fel begeerde onbeperkte doorvaarthoogte hebben.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

ir. C.Q. Klap

Bij de huidige civiele projecten is een van de eerste opgaven het in beeld brengen van de aan een project verbonden risico’s. Dit geldt met name voor de grotere projecten. Dit risico denken is vooral naar voren gekomen bij die projecten waarbij aan een of andere financieringsconstructie wordt gedacht. Met name het financieringsmodel dat daarbij gehanteerd wordt - genaamd pfi (privat finance initiative) - vraagt heel nadrukkelijk om het in kaart brengen van de aan het project verbonden risico’s.mrt 11 01
Het is uiteraard, net zoals dit in het verleden het geval was, van het grootste belang dat risico’s tijdens het ontwerpproces al onderkend worden. Zeker bij de Oosterschelde Stormvloedkering is er op alle mogelijke manieren tijdens het ontwerpproces gekeken hoe de enorme risico’s van dit project konden worden beheerst. Daar werd nadat het ontwerp voltooid was een risico analyse uitgevoerd. Als resultaat van deze analyse werd bepaald of het ontwerp aangepast moest worden of dat een aantal extra voorzorgmaatregelen moesten worden afgesproken. Daar waren geen financiers, zoals tegenwoordig gebruikelijk, voor nodig om de risico’s in beeld te brengen om ze vervolgens bij een partij onder te brengen. Beter is het om een onderkend risico op te lossen of te verminderen en als laatste ze aan een partij toe te bedelen. Ook bij de Westerschelde oeververbinding is destijds geprobeerd de risico’s zo veel mogelijk vooraf aan te pakken. Vandaar dat er een risicoanalyse werd gemaakt naar de kans van aanvaren van de bovenbouw.
Ook wordt tegenwoordig terecht meer aandacht ge-vraagd voor architectuur, inpassing in de omgeving en milieuvraagstukken, hetgeen geresulteerd heeft in de MER en Tracéwet procedures. Net als de financie-ringsproblematiek zijn dit zaken die in het verleden wat stiefmoederlijk werden bedeeld. Dit betekent echter niet dat deze ogenschijnlijk nieuwe zaken zoveel aandacht moeten krijgen dat de primaire processen opzij gescho-ven kunnen worden. De brede maatschappelijke discus-sies gaan tegenwoordig bijna alleen nog maar over de Tracé- of MER-procedures waardoor de primaire proces-sen op de achtergrond dreigen te geraken. Hierdoor ontstaan in het verdere traject ernstige nieuwe problemen. Als reactie hierop worden dan weer nieuwe procedures gestart terwijl men alleen maar meer aandacht zou moeten geven aan de primaire ontwerp processen. Ontwerp, Tracé, MER en risicoanalyses dienen evenwichtig en parallel aan elkaar te lopen. Momenteel wordt te vaak gedacht dat als de Tracé- en MER-procedure doorlopen is dat dan automatisch het ontwerp gereed is. Dit is niet het geval. Net zomin kan men een bouwvergunning aanvragen als het ontwerp nog niet gereed is. Een bouwvergunning toetst zelfs of dit het geval is. Een Tracé- en een MER-procedure kan rustig afgerond worden voordat het ontwerp gereed is. Schetsen zijn hiervoor voldoende. Deze gang van zaken is des te ernstiger omdat de discussie over het ontwerp zelf niet in brede kring gevoerd wordt en men dus de neiging heeft om dit proces dan als onbelangrijk te bestempelen. Een goed ontwerpproces kan vele van de huidige als onbeheersbaar ervaren zaken zonder meer oplossen. Hier zijn geen extra procedures voor nodig. In geval van de WOV werden alle zaken die bij de huidige projecten expliciet aan de orde worden gesteld, zoals Tracé- en MER- en risicoanalyse, nog impliciet opgepakt. Dit bleef zo tot het moment dat over het tracé Terneuzen- Ellewoutsdijk werd nagedacht. Op dat moment deed ook voor de Westerschelde de MER procedure zijn intrede.
mrt 11 02Daar een goede risico beheersing in de tijd van de eerste ontwerpen van de oeververbinding uiteraard deel van het ontwerpproces zelf waren werden deze niet breed behandeld. Een paar risico’s sprongen er echter wel uit. Het betrof het aanvaren van de brug in deze zeer druk bevaren rivierarm. Onderscheid werd gemaakt tussen het aanvaren van de pijlers en het aanvaren van de bovenbouw. Met betrekking tot het aanvaren van pijlers was al aardig wat kennis en informatie beschikbaar daar dit fenomeen zich bij meerdere bruggen voordeed. Het aanvaren van de bovenbouw was meer uniek daar schepen die niet onder een brug door kunnen varen daar meestal ook niet in de buurt komen. Omdat bij de WOV de brug over het nevenvaarwater van de Schaar van Ossenisse zou komen te liggen was hier wel een risico dat er schepen in de buurt van de brug voeren die de bovenbouw van de brug zouden kunnen aanvaren. Daar dit gebeuren sterk plaatsgebonden was en hiermee weinig ervaring was opgedaan, was nader onderzoek gewenst in de vorm van een risicoanalyse. Geen breed algemeen onderzoek naar risico’s maar een nader onderzoek naar deze al eerder onderkende specifieke gebeurtenis. De overige risico’s konden in het ontwerp-proces worden opgelost.
Het onderzoek was tweeledig. In eerste instantie werd gekeken naar de waarschijnlijkheid van een dergelijke aanvaring en de daarbij behorende intensiteit door te bepalen welke energie vrij zou komen bij een dergelijke aanvaring. In tweede instantie is gekeken of de bovenbouw van de brug tegen aanvaren was te beschermen.
Een aanvaring kan meerdere oorzaken hebben. In bijna alle gevallen is de oorzaak een menselijke fout, zoals de keuze van een verkeerde vaargeul, of de onjuiste beoordeling van de ligging van de brug. Eb en vloed maken deel uit van het gedrag van de zeearm ter plaat-se. Technische mankementen zijn van ondergeschikt belang gebleken. Om inzicht te krijgen in het menselijk handelen, alsmede de kans op fout handelen, zijn met vele betrokkenen gesprekken gevoerd. Hiertoe behoorden het loodswezen, de radarpost Hansweert, kapiteins en oud kapiteins. Ook is de situatie beoordeeld door de direct bij het project betrokkenen door mee te varen met de “British Tay”. Verrassing bij deze boottocht was dat niet alleen een loods aan boord ging maar ook een stuurman. Dit gegeven was in de eerdere gesprekken niet naar voren gekomen.
Naast de gevoerde gesprekken is er ook informatie ingewonnen over aanvaringen en strandingen. Met name strandingen gaven interessante informatie. Aan de hand van deze gegevens kon men bepalen hoeveel strandingen op een strekkende kilometer voorkwamen. Aan de hand van deze informatie kon worden berekend hoeveel strandingen zouden plaats vinden over een lengte die overeenkomt met de breedte van de Schaar. Deze schepen stranden dan echter niet maar zouden dan de Schaar inschieten.
Verder is veel statistische informatie verzameld om te bepalen wat de kans is dat een schip in ballast, ’s nachts bij slecht zicht met de stroom mee varend de Schaar inschiet. Hoe de energie afgifte bij aanvaren wordt berekend gaat te ver voor dit artikel en is niet specifiek voor de WOV. Hierover is in de literatuur de nodige informatie te vinden. Zaken die hierbij spelen zijn: scheeps-grootte, vaarsnelheid, hoek van aanvaren in verband met rotatie energie, meebewegend water, starheid van de objecten, breedte van botsingsgebied, etc.
Voor het berekenen van de effecten werd van twee type karakteristieke schepen uitgegaan. Type I kon de brug met zijn masten raken, type II met zijn opbouw. Aan een eventuele aanvaarconstructie werden de volgende eisen gesteld: 1) deze diende de brug zelf zoveel mogelijk te beschermen zodat het verkeer er overheen zoveel mogelijk doorgang kan vinden en men zeker kan zijn van inkomsten, 2) de vormgeving van de kreukelzone diende te voldoen aan de eisen gesteld vanuit de aërodynamica, 3) de rand van de brug dient goed te reflecteren voor de radar, 4) na aanvaren dient deze eenvoudig hersteld te kunnen worden, 5) de extra stichtingskosten en onderhoudskosten dienen op te wegen tegen de voordelen van de bescherming.
Er zijn een aantal verschillende constructievormen on-derzocht waarbij ook vooral gekeken is naar oplos-singen die zo veel mogelijk energie zouden absorberen
In eerste instantie werd gedacht aan oplossingen met enkele spanten aan de zijkant van de brug met een lengte van 9m en een hoogte van 4m. Later werd gekeken naar spanten die aan elkaar verbonden waren zodat meer energie zou worden geabsorbeerd. mrt 11 03
Er is ook gekeken naar de grootte van de schade indien de brug geen beschermingsconstructie zou krijgen. Er is bij deze beschouwing van uitgegaan dat het dek over maximaal de halve breedte zou mogen beschadigen als de hoofdfunctie van de brug intact zou blijven. Uit deze beschouwingen is naar voren gekomen dat de mast van het standaardschip I nooit verder in het dek zou dringen dan tot de helft. Voor het standaardschip II gold dat deze met zijn bovenbouw het dek over een grotere breedte zou beschadigen maar daardoor ook meer energie zou opnemen. Dit schip zou niet verder dan 10 meter in het dek dringen bij de aangenomen uitgangspunten.
Uit de studie zijn destijds de volgende conclusies getrokken:
1. In de levensduur (100 jaar) van de brug is de kans op aanvaren aan de westzijde 0,08. De gemiddelde schade is toen berekend op 2,5 miljoen gulden als de brug niet zou worden beschermd. Als er wel een beschermingsconstructie aanwezig zou zijn zou de hoofdligger onbeschadigd blijven. De schade aan de beschermingsconstructie zou dan 200.000,- gulden bedragen.
2. In de levensduur van de brug bestaat er een kans van 0,35 op een aanvaring aan de oostzijde met de opbouw van een schip. De gemiddelde schade bedraagt ca 2,4 miljoen gulden als de brug niet wordt beschermd. Indien er wel een beschermingsconstructie aanwezig is blijft de brugligger zelf onbescha-digd en volledig toegankelijk voor het verkeer. De schade aan de beschermingsconstructie zou in dat geval 200.000 gulden bedragen.
3. In de levensduur van de brug bestaat er een kans van 0.0005 op een aanvaring aan de oostzijde met de opbouw van een schip, die zo krachtig is dat de brugligger plaatselijk over de gehele breedte vernield wordt. In geval van een beschermingsconstructie is dit de helft van de brugligger.
Opmerkelijk was overigens wel dat in gesprekken met verzekeringsmaatschappijen zij geen korting op de verzekeringspremie konden aangeven. Zodat van deze zijde vooraf geen dekking kon worden gevonden voor de investering van een beschermingsconstructie. Aan de andere kant viel wel te verwachten dat op de verzekeringsbeurs een goedkopere verzekering zou kunnen worden afgedwongen voor een beschermde brugconstructie. Conclusie was destijds dat een kreukelzone zichzelf terug verdient.

Aanvaarterpen rond de pijlers

Het beschermen van pijlers en rekening houden met de risico’s verbonden aan de scheepvaart gebeurt de laatste decennia steeds meer. De behoefte aandacht te hebben voor deze problematiek vindt vermoedelijk zijn oorzaak in het grotere aantal bruggen, de toegenomen scheepvaart met grotere en snellere schepen en de lichtere brugconstructies.
Ook een aantal ongelukken met aanvaringen hebben de ontwerpers meer bewust gemaakt van dit risico. In 1983 is in Kopenhagen een IABSE congres gehouden dat volledig gewijd was aan deze materie. Op dit congres werd ook de risico analyse van de Westerschelde Oeververbinding gepresenteerd.
Een sprekend voorbeeld dat met aanvaringen rekening moet worden gehouden was de Almö brug (bij Gothen-burg) waar de gehele hoofdoverspanning eruit gevaren werd. Dit vond zijn oorzaak in een fout ontwerp. De brug bestond uit een boogbrug waarbij de boog op de oevers rustte. Alleen midden onder de brug had men voldoende doorvaarthoogte, bij de oevers was de doorvaarthoogte praktisch nul. Week men maar iets af van de middenkoers dan liep de doorvaarthoogte dus snel terug. Aanvaren kon dan ook niet uitblijven hetgeen in 1980 gebeurde. Deze brug met een overspanning van 278 meter was duidelijk ontworpen zonder rekening te houden met de risico’s verbonden aan de scheepvaart. Er zijn nog meer voorbeelden te geven.

mrt 11 04
Voorkomen is ook hier beter dan genezen. In eerste instantie werden pijlervoeten wat zwaarder uitgevoerd dit had ook het voordeel dat eventuele zaken zoals b.v. boomstronken die door de rivier werden meegevoerd de brug niet konden beschadigen. Enigszins stroomlijnen van de pijlers hielp ook bij de geleiding van de schepen alhoewel de primaire oorzaak gevonden moet worden in het voorkomen van neren die weer aanleiding tot ont-gronding kunnen geven waardoor in het verleden ook menige brug is ingestort. Een volgende fase was het aanbrengen van remmingwerken. Deze treft men vooral aan bij beweegbare bruggen en sluisingangen omdat daar een intensieve scheepvaart gecombineerd wordt met zo smal mogelijke doorvaartopeningen. Sluizen hebben wel het voordeel dat daar relatief langzaam gevaren wordt omdat men in een sluis tot stilstand moet komen.
De remmingwerken werden steeds zwaarder. Op een gegeven moment was niet meer op te werken tegen de steeds grotere en zwaardere schepen die ook anders dan bij sluizen met behoorlijke snelheden de bruggen passeerden. Naar andere oplossingen werd gezocht. Toen men bezig was met het ontwerp van de bruggen over de Schaar van Ossenisse dacht men dat kunstmatige pijlereilanden een goede oplossing zouden zijn om de pijlers tegen aanvaren te beschermen. Ten eerste was er dan een barrière tussen schip en pijler, ten tweede leverde het deformeren van het eiland een behoorlijke energieopname en ten derde werd het schip uit het water getild waardoor ook energievernietiging zou plaatsvinden. Ook was het een relatief goedkope oplossing. Pijlers verzwaren lukt nog wel in kanalen waar overigens geen ruimte is voor een eiland maar wordt toch ingewikkelder bij de bescherming tegen grote zeeschepen. Voor de brug over de Schaar van Ossenisse zouden zwaardere pijlers tot aanzienlijk hogere kosten hebben geleid, hetgeen bij de uitwerking van de alternatieven is gebleken. Om die reden is voor de aanvaarbescherming van de pijlers van de brug in de Schaar gekozen voor kunstmatige pijlereilanden.
Nog beter is het de pijlers op de oever buiten het vaar-water te situeren. Tegenwoordig wordt, daar waar dit enigszins mogelijk is, voor deze oplossing gekozen. Als dit niet mogelijk is, is het goed deze situatie zoveel mogelijk te benaderen. Vandaar dat voor de Schaar ook gekeken werd naar een oplossing met een zeer grote overspanning: een hangbrug. Naast een goedkopere oplossing gaf dit voordelen voor de hydrodynamische stabiliteit van de rivier en een geheel onbelemmerde passage van de scheepvaart.
Indien eilanden geen oplossing bieden of als het vaarwater relatief diep is dan moet men kijken naar oplossingen zoals gekozen bij de Akashi Kaikya brug. Bij deze brug zijn de pijlereilanden opgebouwd uit een caisson constructie met een diameter van 80 meter, een hoogte van 70 meter en een fundatiediepte van 60 meter bij een waterdiepte van 50 meter. Deze caissons zijn opgebouwd uit dubbelwandig staal met een gewicht van 19.000 ton. Het zal duidelijk zijn dat dit soort constructies met de bijbehorende bestortingen om ontgronding te voorkomen een forse kostenpost met zich mee brengen.
Voor de brug over de Schaar van Ossenisse is voor een pijlereiland gekozen. Dit is voor de drie brug varian-ten uitgewerkt. Het betrof de varianten met een hoofd-overspanning van 160, 210 en 720 meter. Naar de eilanden is een uitvoerig onderzoek gedaan waarover gerapporteerd in de nota: “Bruggedeelte – WOV, rand-voorwaarden voor een brug op meerdere steunpunten over de Schaar van Ossenisse in de Westerschelde Oeververbinding, Directie Bruggen maart 1982”.
Ontwerpcriteria voor de pijlereilanden waren:
1. Pijlers dienen voldoende beschermd te zijn tegen aanvaren. De aanvaarbescherming in de vorm van een eiland dient in staat te zijn een duwconvooi of een schip met vergelijkbare massa te kunnen opvangen.
2. Eilanden en bestorting mogen het doorstroomprofiel niet verkleinen.
3. De rivierbodem moet, voordat met de opbouw van de eilanden begonnen wordt, verdiept worden tot een zodanig niveau dat de vermindering van het doorstroomprofiel ten gevolge van de eilanden en de bestorting volledig wordt gecompenseerd.
4. De fictieve indringdiepte bij aanvaren op het niveau NAP + 2 meter bedraagt in verband met reserve en overhangen van het schip 30 meter.
5. Schuin achter het pijlereiland kunnen ontgrondings-kuilen ontstaan op afstanden van circa 3 á 3,5 x de eilandbreedte. Deze kuilen kunnen een diepte krijgen die overeenkomt met de oorspronkelijke waterdiepte. De afmetingen van de bestortingen rond de pijlerei-landen dienen dusdanig te zijn dat het talud van een dergelijke kuil het eiland ongemoeid laat.
Deze ontwerpcriteria hebben geleid tot eilanden zoals hieronder beschreven.
1. De hellingen van de eilanden in het vlak van de lengteas van de brug bedragen 1:3. Er dient een tussenberm in het talud te worden aangebracht met een breedte van 3 meter. De bovenkant van het eiland op NAP + 4 m dient een plateau te krijgen van 60 x 80 meter. Dit vertaalde zich in het gemiddeld grondoppervlak van 250 x 180 meter.
2. Het geblokkeerde doorstroomprofiel ten gevolge van de pijlers kan niet alleen door bodemverdieping worden gecompenseerd maar zal er toe leiden dat ook een grotere pijlerafstand in acht moet worden genomen.
3. De bodem zal rond de eilanden bestort moeten wor-den. De bodem zal vooraf verdiept moeten worden met de verwachte verdieping ter compensatie van het verminderen van het doorstroomprofiel.
4. Er dient nog nader onderzocht te worden of een zandkern van het eiland voldoende stabiel is.
5. Door de sterk uiteenlopende stroomrichtingen is elke gekozen pijleroriëntatie een onjuiste, waardoor grotere wervels en extra hinder voor de scheepvaart wordt veroorzaakt. Een brug op meerdere steunpun-ten heeft het nadeel dat alle eilanden evenwijdig aan elkaar moeten staan.
6. De keuze voor een brug op meerdere steunpunten is pas mogelijk na een uitvoerig hydraulisch onderzoek.
7. Voor de aanleg van de eilanden dient vooraf een bodemverdiepng te worden gebaggerd van 7 meter.
8. De vermindering van het doorstroomprofiel ten gevolge van de aanleg van pijlers dient volledig gecompenseerd te worden.
9. De bodemaanpassing zal in de richting van de stroom een lengte van 600 meter krijgen.
10. De bestortingen dienen in de richting van de stroom een lengte van 380 meter te krijgen en dwars daarop een breedte van 470 meter.
Met deze kennis werd duidelijk dat de keuze voor een hangbrug over de Schaar van Ossenisse op basis van de bovengenoemde randvoorwaarden voor kunstmatige eilanden om de pijlers van de brug tegen aanvaren te beschermen de enige juiste was. Op basis van de boven-vermelde resultaten bleek dat een minimale pijlerafstand van 340 meter in een brug over de Schaar van Ossenisse een vereiste was. Bij grotere waterdiepten zal de minimale pijlerafstand toenemen. Nu overtuigd gekozen kon worden voor de hangbrug werd dit ontwerp besteks-gereed gemaakt en kon het eind november 1982 op de markt worden gebracht. Andermaal zou blijken dat de politiek nog niet zover was. Het werd weer een aantal jaren relatief stil rond de WOV, de minister gaf zelfs aan dat er geen geld was en dat het project geen doorgang zou vinden.

mrt 11 05

Brughoogte analyse

Een oeververbinding bestaande uit een brug was verreweg de goedkoopste oplossing. Ook extra capaciteit in de vorm van rijstroken is relatief goedkoop. Een nieuw punt van afweging wat vooral de laatste jaren naar voren is gekomen zijn de extra veiligheidseisen die aan tunnels gesteld moeten worden. Het oorspronkelijke ontwerp van de Westerscheldetunnel is op dit aspect ook fors aangepast. Deze ontwikkeling werkt in het voordeel van brugvarianten. De huidige inzichten gaan zover dat voordat een eventueel nieuw ontwerp wordt vastgesteld een degelijke veiligheidsanalyse onderdeel van de voorstellen moet zijn.
Genoeg redenen om zolang mogelijk de brugoplossing over de Westerschelde te verdedigen. Temeer omdat geen onrealistische voorstellen werden gedaan. De ge-presenteerde oplossingen hadden een doorvaarthoogte van 50 – 55 meter welke hoogte goed te verdedigen was omdat deze hoogte vrijwel wereldwijd aangehouden werd. Japan hield in die dagen een doorvaarthoogte van ca 45 meter bij haar project van 10 nieuwe bruggen dat in de buurt van grote zeehavens werd gerealiseerd. Ook had Antwerpen geen bijzondere activiteiten die meer dan gemiddelde hoogten noodzakelijk maakten. Bovendien was niet duidelijk wat de ontwikkeling van de zeehaven Zeebrugge zou worden. Zeebrugge was immers gebouwd voor schepen van dezelfde grootte als Antwerpen n.l. 125.000 ton.
Grotere schepen bouwen dan gebruikelijk leek niet zinvol omdat dan meteen het grootste deel van de wereldhavens door degelijke schepen niet meer kon worden aangedaan.
Een ontwikkeling die in die dagen wel te bespeuren viel was die van de “dedicated” lijnen. Dat betekent dat een schip voor bepaalde verbindingslijnen werd gebouwd. Dit was ook het geval bij de Panamax schepen. Dit waren schepen die breder waren dan het Panama kanaal. Ook voor de breedte golden net als bij de doorvaarthoogte beperkingen. In die dagen waren er ineens ook een paar zeer hoge zeilschepen die het moeilijk maakten de nood-zakelijke hoogte naar de toekomst te kunnen vaststellen. Aan de andere kant viel ook te constateren dat sommige ontwikkelingen op het gebied van scheepsgrootte wel eens doorgeschoten bleken te zijn. Zoals bijvoorbeeld de ontwikkeling van mammoettankers. Toen de Franse nog droomden van tankers van 700.000 ton, waarvoor zij de haven Port d’Antifer hadden gebouwd, bleken de tot dat moment grootste olietankers van 350.000 ton al niet meer te voldoen.
De off-shore was ook een belangrijke ontwikkeling, waarbij de gewenste doorvaarthoogte niet goed te voorspel-len was. Maar ook daarvoor gold als er schepen worden gebouwd hoger dan een bepaalde hoogte kunnen de meeste wereldhavens niet meer worden aangedaan. De grap die de Belgen uitgehaald hebben met de Yatzi is elders in dit blad toegelicht. Daarbij is nog te vermelden dat als men de boortoren op dit platform neergelegd had, wat niet ongebruikelijk was, of dat deze later opgebouwd was daar dit schip vanwege de diepgang van de thrusters toch nooit meer terug kon naar deze haven deze eenvoudig de brug had kunnen passeren. Het dek van dit platform zonder deze toren was namelijk niet hoger dan 30 a 40 meter. Ook poten van hefeilanden waren eenvoudig in hoogte aan te passen zoals dit ook regelmatig gebeurde.
Uiteindelijk was het zonder veel extra inspanning mogelijk een brug met een doorvaarthoogte van 70 m te bouwen in plaats van 50 à 55 m. Als dit niet nodig was, was het beter om dit ondanks de geringe kosten toch niet te doen omdat dan het verkeer dagelijks dit hoogteverschil moest overwinnen. Dit pleitte ook altijd in het voordeel van de tunnel alhoewel door de keuze van het boortunnelconcept nu een vergelijkbaar hoogteverschil moet worden overwonnen. Een ander argument dat tegenstanders van de brug gebruikten was dat het op die hoogte wel hard zou waaien. Dit was echter geen steekhoudend argument omdat tot 30 meter hoogte de windsnelheid toeneemt door verminderde oppervlakteweerstand maar vanaf 30 meter hoogte redelijk constant is.
Al deze beschouwingen hebben niet kunnen verhinde-ren, ook na een aantal gesprekken tussen ambtenaren van beide landen, dat minister Mevr. Smit – Kroes bij terugkomst uit België, juli 1989, verklaarde dat de hoge brugvariant van de baan was. Ondanks dat de Minister altijd had volgehouden dat er in het Splitsingsverdrag geen grond was om een realistische brughoogte te verwerpen. Zoals eerder opgemerkt moet deze beslissing onderdeel zijn geweest van een breder pakket afspraken tussen Nederland en België. Details hierover zijn in Zeeland nooit bekend geworden.
Met deze beslissing was het voorstel van Directie Bruggen van RWS in 1986 voor de hoge brugvariant van de baan. Gelukkig was er inmiddels zoveel geloof in het project ontstaan dat vanaf dat moment naar oplossingen gezocht werd waarbij in ieder geval onder de hoofdvaargeul een tunnel zou worden aangelegd.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

 

ir. C.Q. Klapmrt 10 01

Een van de meest bekende hangbruggen in de wereld is de Golden Gate brug in San Francisco. Deze brug is in 1933 opgeleverd en is tot eind jaren zeventig de brug met de grootste hoofdoverspanning in de wereld geweest. De hoofdoverspanning bedraagt 1290 meter. Over een periode van 50 jaar hebben zich nauwelijks spraakmakende ontwikkelingen voorgedaan op het gebied van hangbrugbouw. Het is de Humberbrug geweest, geopend in1979 die dit record heeft doen sneuvelen met een hoofdoverspanning van 1410 meter. De nu grootste hangbrug is de Akashi Kaikyo brug met een hoofdoverspanning van 1991 meter. De brug in Denemarken over de Storebaelt had nog even de grootste kunnen zijn als deze eerder geopend had kunnen worden dan de Akashi Kaikyo brug. Deze Storebaelt Oost brug heeft een hoofdoverspanning van 1600 meter.
Er zouden meer hangbruggen gebouwd zijn als de toepassing van tuibruggen niet zo sterk naar voren zou zijn gekomen. Zoals al eerder is opgemerkt, zijn deze bruggen meer dan 100 jaar uit de gratie geweest vanwege een aantal slechte ervaringen. Tuibruggen onderscheiden zich van hangbruggen doordat de kabels rechtstreeks tussen pyloon en dek bevestigd zijn en ze min of meer in rechte lijnen het beeld bepalen. Een hangbrug kent een gebogen hoofdkabel waaraan hangkabels zijn bevestigd waaraan het dek hangt. In de zestiger jaren zijn tuibruggen vooral in Duitsland sterk in opkomst gekomen en werden deze met hoofdover-spanningen met een lengte van ca 300 meter toegepast. Een enkele uitzondering bevestigde ook hier de regel zoals de hangbrug in Emmerich net over de Nederlands – Duitse grens, gebouwd in 1965 met een hoofdover-spanning van 500 meter. In het voorstel van de Tolbrug Exploitatie Maatschappij (TBM) voor de Westerschelde oeververbinding werd destijds ook een tuibrug over het Straatje van Willem voorgesteld. Dat was op deze locatie mogelijk doordat het Straatje relatief smal is. Later zijn tuibruggen met overspanningen tot 450 meter gereali-seerd totdat in 1995 ineens een nieuw record werd gerealiseerd met de Pont Normandie bij Le Havre met een hoofdoverspanning van 850 meter. Of bij die overspanningen een tuibrug nog economisch is valt misschien nog te bezien maar technisch is aangetoond dat een tuibrug met deze lengte mogelijk is. Tuibruggen hebben pylonen die gemiddeld 3 à 3,5 maal zo hoog moeten zijn dan die van een hangbrug bij een gelijke hoofdoverspanning. Dus ook om die reden is de toepas-sing van een tuibrug bij zeer grote overspanningen een weinig reële oplossing. Een tuibrug over de straat van Messina zou dan een pyloon hoogte van 1 km moeten krijgen.
Daar waar grote overspanningen aan de orde zijn, zeker boven de 850 meter, zijn hangbruggen de aangewezen oplossing.
mrt 10 02De hangbrugontwerpen over de Westerschelde zijn sterk gebaseerd op de laatste ontwikkelingen in Engeland. Een groep ontwerpers had daar aansluitend de ontwerpen van de Tamar (test brug), Firth of Forth en de Severnbrug gerealiseerd. Deze ontwerpers zijn later doorgegaan met de Bosporusbrug in Istanbul en de Tjing Ma brug in Hong Kong. De kennis van de uitvoering zat in die tijd bij de staalconstuctiebedrijven Cleveland Bridge en Redpath Dorman Long. In de periode waarin het ontwerp van de hangbrug over het straatje van Ossenisse werd gemaakt, was in Engeland de Humber brug in aanbouw. Aan deze brug zijn een aantal bezoeken gebracht, zijn er minstens 1000 foto’s gemaakt en het gehele spinproces werd in al haar facetten bekeken. Dit heeft er toe geleid dat het ontwerp van de brug over het Straatje van Ossenisse gecombineerd met de berekeningen in Manchester en het aerodynamisch onderzoek volledig afgerond kon worden. Deze brug is zelfs zover voorbereid geweest dat hij volledig besteks-klaar was en gereed was om als aanvraag op de markt uit te zetten. Als de financiering geen probleem was gebleven was het ook wel zo uitgevoerd en had er nu een andere oeververbinding gelegen dan degene die op 14 maart 2003 zal worden geopend.
Omstreeks 1970, toen de eerste hangbrug ontwerpen aan de orde waren, is er ook een bezoek gebracht aan de Lillebaelt brug in Denemarken, hoofdoverspanning 1600 meter en in 1971 geopend. Bij deze brug zijn ge-slagen strengen gebruikt voor de opbouw van de hoofdkabel. Uniek was de toepassing van gedroogde lucht bij de ingang van de stalen koker waardoor alleen een lichte conservering kon worden aangebracht. Deze methode ziet men steeds meer maar zij werd eind zestiger jaren al uitgevonden.
Ook zijn er bezoeken gebracht aan de beheerder van de Severnbrug om te horen wat in zijn beleving de belangrijke onderhoudsaspecten zijn.
Gelijktijdig met de ontwikkelingen in Engeland was in Japan het Hoshu Shikoku project in uitvoering. Een waar paradijs voor bruggenbouwers. Hier was een project in uitvoering dat drie verbindingen van ca 15 km lengte zou gaan opleveren tussen drie eilanden. Een enigszins bijzonder plan daar tot op dat moment de verbindingen plaats vonden met veerponten. Dit project omvatte 6 hangbruggen, 8 tuibruggen, één boog- en één vlakke brug. Dit project zou door het overheidsontwerpteam worden bezocht. Dit soort werkbezoeken liggen echter altijd wat gevoelig bij bestuurders die het belang ervan niet kunnen inschatten. Ondanks dat drie man zouden reizen met een charter wat overeenkwam met een normaal ticket was dit te veel gevraagd van de toen-malige secretaris generaal. De delegatie werd van samenstelling veranderd en werd een gecombineerde delegatie van overheid en bedrijfsleven afgevaardigd. Tijdens dit bezoek is onder meer de Ohnaruto en de Innoshima hangbrug bezocht. Een groot probleem bij de beoordeling van de Japanse oplossingen was dat men in Japan omslachtig te werk gaat, veel uren besteedt en met veel extra zekerheden werkt. Het was daarom moeilijk te bepalen welke ervaringen overgenomen konden worden voor zaken die hier nog niet uitgezocht waren.mrt 10 03
Waar we bij de voorbereidingen van de Westerschelde hangbruggen veel profijt van hebben gehad is de documentatie van de Japanse Kanmon hangbrug geweest. De extra inspanningen die ze hier verrichten werpen zeker hun vrucht af in het kader van gedetailleerde vastlegging van hoe gewerkt is, kennis overdracht en evaluatie. In Japan wordt een werk afgerond met een volledig ingebonden tekeningenboek en een beschrijving van het hele werk, inclusief onderzoek, uitvoering, testen tijdens de uitvoering etc. Deze beschrijvingen zijn vastgelegd in een boek dat zo’n 1400 pagina’s beslaat. Waar de ontwerpploeg Van de Directie Bruggen van de RWS met name veel profijt van heeft gehad is van het hoofdstuk aangaande de bouw van de hoofdkabel. Dit hoofdstuk is geheel vertaald waardoor een goed beeld werd verkregen hoe de prefabricated strengen voor de Kanmon brug waren gemaakt en gemonteerd. In Japan is men verplicht om ca 3 % van de totale bouwkosten te investeren in onderzoek aan het betreffende project. Hierdoor wordt er zeer veel gemeten wat in het kader van het aërodynamisch gedrag veel extra informatie oplevert. Ook worden op de brug proefbelastingen aangebracht van wel honderd vrachtwagens waardoor men het vervormingsgedrag van de brug weer kan toet-sen aan de berekeningen. Kortom er is destijds een aardige kennisdrain gedaan ter voorbereiding van een te bouwen hangbrug over de Westerschelde.
mrt 10 04Het was opvallend om op een gegeven moment te ervaren dat niet alleen Nederlandse ontwerpers naar de het buitenland gingen om kennis te vergaren maar dat ook buitenlandse bruggenbouwers informatie kwamen halen in Nederland. Dat was een goed teken voor het niveau waarop de ontwerpgroep terecht was gekomen bij de voorbereidingen van deze voor Nederland geplande grootste te bouwen brug.

mrt 10 05Nieuwe ontwikkelingen bij het ontwerpen van de Westerscheldeoeververbinding

De hangbrug over de Schaar van Ossenisse was tot besteksniveau uitgewerkt, dit betekent dat het definitief ontwerp van deze brug was afgerond en dat het bijbe-horende bestek ook gereed was.
Om een project tot dat niveau te kunnen uitwerken dienen alle zaken uitgezocht te zijn. Het project is dan eenduidig gedefinieerd en ver genoeg uitgewerkt zodat bouwbedrijven een aanbieding konden doen. Om de hangbrug ten opzichte van de andere ontwerpen interes-sant te houden - er waren over de Schaar van Ossenisse immers ook alternatieve vlakke brugontwerpen - diende grote inventiviteit aan de dag te worden gelegd. Dit heeft geleid tot een aantal nieuwe ontwikkelingen die verder in dit hoofdstuk worden behandeld. De toen ontwikkelde kennis is zeer goed bruikbaar gebleken bij het zoeken naar andere oplossingen voor de tracés die zijn opgepakt nadat het tracé Kruinigen – Perkpolder (o.a. over de Schaar van Ossenisse) was verlaten.
Als nieuwe ontwikkelingen zijn te noemen:
1. de geavanceerde berekeningsmethode met daartoe geëigende computerprogramma’s,
2. systematisch doorrekenen van een aantal belasting gevallen,
3. berekenen van de brug op eventuele aanvaarbelastingen,
4. na de geschoorde hangers opnieuw kiezen voor verticale hangers,
5. risico analyse kans van aanvaren van de bovenbouw,
6. dek bestaande uit dubbele kokers,
7. “groeidek”, eerst halve breedte aanleggen, later verbreden.
8. beweegbaar deel in hangbrug.
mrt 10 06Ad 1 - De berekeningen zijn beschreven in hoofdstuk 6. Nieuw element was hier dat het voor de bouw van de Forth Road Bridge ontwikkelde programma voor de Westerschelde als ontwerp programma is gebruikt. Dit betekende dat er aanvullende software geschreven moest worden om o.a. tot de ideale afmetingen van de brug te komen en het rekenen met laststelsel. Zoals gezegd werd op deze wijze een beter inzicht verkregen dan met de berekeningsmethoden die tot op dat moment door de consultants gebruikt werden. Zoals eerder opgemerkt hadden we toen geen goed zicht op hoe ontwerpen in Japan tot stand kwamen.
Ad 2 - Belastinggevallen op systematische wijze door-rekenen en het doen van een parameter onderzoek met een computer waren tot op het moment dat het hangbrugontwerp voor de Westerschelde speelde nog niet aan de orde geweest. De Forth Road Bridge en Severn-bridge waren immers berekend met de handmatige berekening “the Corrected Theory of Crosthwaite”.
Door het relatieve gemak van het rekenen met een computer op het moment dat een hangbrug is gemodelleerd en de zeer grote capaciteit van de computer - zeer belangrijk in die dagen - was het berekenen van extra belastinggevallen relatief eenvoudig. Aan de hand van de beschikbare resultaten waren nog meer conclusies te trekken geweest. Er bestonden in die tijd helaas nog geen pre- en postprocessors zodat het aan één kant makkelijk was een extra berekening uit te voeren maar aan de andere kant ging men bijna ten onder aan de enorme brei van resultaten.
Ad 3 - De berekeningen die eveneens zinvol waren en die nu eenvoudig uitgevoerd konden worden waren de berekeningen van aanvaarbelastingen. Daar een hangbrug vrij flexibel reageert met een groot aantal secundaire effecten kwam het zeer goed van pas deze resultaten beschikbaar te krijgen.
Ad 4 - Hangerconfiguraties konden met de beschikbaarheid van het programma ook op eenvoudige wijze worden onderzocht. Zoals eerder aangegeven is bij de Severnhangbrug en de Bosporusbrug gekozen voor geschoorde hangers. De effecten van deze keuze waren niet geheel bekend. Ook waren er in de praktijk problemen met deze hangers. Door de kwaliteit van de berekening was het mogelijk de effecten van de beide varianten boven water te krijgen en was het mogelijk om op eenvoudige wijze de oorzaak van de problemen met de geschoorde hangers inzichtelijk te maken. Later is ook bij andere projecten over dit fenomeen gerapporteerd.
Ad 5 - Een risicoanalyse van de kans op aanvaren van de bovenbouw van de hangbrug over de Schaar van Ossenisse was een logische stap na de ervaringen met probabilistische berekeningen die bij de Oosterschelde-kering zijn gemaakt. Een aantal ervaringen opgedaan bij deze analyse zijn weer toegepast bij de Oosterschel-dekering. Het bijzondere van het onderzoek naar de aanvaarkans van de brug over de Schaar was dat de brug in feite hoog genoeg lag voor de scheepvaart in de Schaar. Daar zij echter een kortsluitverbinding was tussen de overloop van Hansweert en het Zuidergat voeren er in de buurt van de brug ook hogere schepen en zou een van deze schepen bij vergissing gebruik kunnen maken van de Schaar. Aan de andere kant was er ook een zekere limitering van schepen die per vergis-sing in de buurt zouden komen daar de grootste schepen door de geringere diepte van de Schaar al aan de grond zouden lopen voordat ze de brug konden bereiken. Een ander risico was dat een schip dat gebruik maakte van de hoofdvaargeul stuurloos zou raken. Een schip die dit overkomt zou als gevolg hiervan de Schaar in kunnen schieten en zo de brug kunnen raken. Het risico dat dit zou gebeuren was aan de oostkant van de brug groter dan aan de westkant. Enerzijds omdat het Straatje van Ossenisse aan de oostkant meer in het verlengde van de hoofdvaargeul ligt, het Zuiderdiep, en anderzijds om-dat de Schaar een ebgeul is en deze aan de oostzijde van de brug dieper is. Genoeg reden voor een nader onderzoek. Dit onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met de TU – Delft, professor van Douwen en TNO.
mrt 10 07Ad 6 - Een dek met een dubbele koker is ontstaan als gevolg van de moeilijker handelbaarheid van een brede enkele koker boven de slikken onder de zijoverspan-ningen van de brug en een voortdurend streven om tot de meest economische oplossingen te komen.
Bij hangbruggen wordt het dek in zijn algemeenheid gemonteerd met behulp van hijsliggers die op houten wielen over de hoofdkabel kunnen worden verplaatst. De hijsliggers zijn voorzien van kabels die de deksecties omhoog kunnen hijsen. Deze kabels lopen via de catwalk naar de voet van de pyloon waar voor dit doel lieren staan opgesteld. Een lier op de hijsligger zou deze te zwaar maken. Om de secties met de hijskabels op te pakken worden de secties met pontons onder de brug gevaren, aangekoppeld en opgehesen. Bij de zijover-spanningen is het soms niet mogelijk met de secties onder de brug te varen. Er zijn dan wel oplossingen beschikbaar door de secties op te hijsen en daarna met de naastliggende hangers over te pakken en stap voor stap door te zwaaien. Dit is een complexe operatie. Om die reden is er gezocht naar een methode om het dek op te bouwen met lichtere elementen die over het gerede deel van de brug konden worden aangevoerd.
Daar dit een geheel nieuwe doorsnede zou worden die ook elders nog niet was toegepast was een nader aërodynamisch onderzoek nodig. Over het onderzoek zelf is gerapporteerd in artikel 8. Interessant is om te constateren dat bij recente ontwerpen van de wat grotere bruggen meer en meer ontworpen wordt met dekcon-structies die zijn opgebouwd uit meerdere kokers. Bij deze bruggen is de belangrijkste reden om breedte te geven aan het dek zodat extra stijfheid ontstaat in de dwarsrichting van de brug.
Ad 7 - Een “groeidek” kwam er op neer dat in eerste in-stantie een smaller dek aangelegd zou worden en dat dit later met de verkeerstoename mee zou groeien. Deze oplossing is voorgesteld in de nota van Directie Bruggen: “Feasibility alternatieve tracés” van 18 april 1986. In deze nota werd voorgesteld dat met een alternatief tracé de inkomsten meer dan verdubbeld konden worden en dat met twee hangbruggen ook de stichtingskosten substantieel naar beneden konden worden bijgesteld. De lagere investeringskosten werden onder meer veroorzaakt door de toepassing van een groeidek. De hoofdkabels en de pylonen zouden op de uiteindelijke definitieve breedte worden aangelegd en het wegdek voorshands voor twee rijstroken. Zo voorzichtig werd in die dagen over het verkeersaanbod gedacht. Dwarsdragers zouden om de vier liggers op circa 18 meter hart op hart verbreed kunnen worden tot de uiteindelijke breedte zodat deze recht onder de hangers konden worden bevestigd. Op deze wijze was het later verbreden ook weer een een-voudige zaak.
Ad 8 - Een beweegbaar deel in een hangbrug is voor zover bekend ook nog niet eerder vertoond en is de laatste innovatie die hier wordt vermeld. De hoogte van een eventuele hangbrug is voor Antwerpen een voortdurende punt van zorg geweest. Hoewel van Nederlandse zijde er alles aan werd gedaan om met zo realistisch mogelijke ontwerpen te komen was er aan de Belgische zijde een voortdurend wantrouwen tegen deze oplossingen. Belangrijk in deze discussie was ook het Scheidingsverdrag tussen Nederland en België uit 19 april 1839, verder uitgewerkt in 1842 en ten uitvoer gelegd in het verdrag van 20 mei 1843. In dit verdrag was met België overeengekomen een vrije vaart over de Westerschelde. Grondslag hiervoor was de slotakte van het Congres van Wenen uit 1815. Vraag is dan of een brug op 50 – 70 meter hoogte wel of niet tot vrije vaart moet worden gerekend.
Eerder is opgemerkt dat aan schepen een praktische hoogte verbonden is. Met hogere schepen is het merendeel van de grote wereldhavens niet meer te bereiken. Bovendien hoorden bij de hoogten die België verordonneerde een diepgang die op de Schelde ook niet mogelijk was.
België heeft in januari 1989 pogen aan te tonen met het transport van de Yatzi dat grote doorvaarthoogten noodzakelijk waren. De Yatzi was een booreiland waarop men de boortoren zelf al gemonteerd had. Een dergelijke toren bestaat uit een lichte stalen vakwerkconstructie die vaak wordt neergelegd. In het Panama kanaal is zelfs een bedrijf gespecialiseerd in het neerleggen of aftoppen van dergelijke torens als zij ter plaatse een hoogspanningsleiding moeten passeren. De diepgang was ook een probleem. Ten behoeve van het transport moesten daarom extra pontons worden toegevoegd. De trusters, schroeven die van richting veranderd kunnen worden, onder de drijvers van het eiland moesten zelfs in de Europoort gemonteerd worden omdat hiervoor al helemaal geen diepgang aanwezig was. Dat de Yatzi ooit nog over de Westerschelde zou worden gesleept is dus praktisch uitgesloten. Toch is het een demonstratie geweest waar veel mensen zich door hebben laten beïnvloeden op een cruciaal moment waarin over de doorvaarthoogte beslissingen moesten worden genomen.
Probleem bij het ontwerp was hoe hoog moet de brug komen te liggen voor dat enkele incident en moet dan iedere auto die de brug passeert worden geconfronteerd met deze keuze. Om die reden is gezocht naar oplos-singen die incidenteel waren te gebruiken en die toch een beperkte invloed zouden hebben op het dagelijkse gebruik van de brug. TBM kwam met zijn uitneembaar deel in de tuibrug over het Straatje van Willem. Directie Bruggen stelde een beweegbaar deel in de hangbrug zelf voor. Nadeel was wel dat deze oplossing hogere investeringskosten tot gevolg zou hebben en dat zware remmingswerken nodig zouden zijn. Echt funest voor de besluitvorming over de hoogte van de brug is de aanbesteding voor de stormvloedkering over de Nieuwe Waterweg geweest. Bij deze aanbesteding waren ook Belgische aannemers betrokken. Langs die weg zagen ze dat in de aanbestedingsdocumenten was aangegeven dat de consortia voorstellen moesten uitwerken maar dat geen van deze voorstellen een beperking mochten inhouden voor de doorvaarthoogte. Ondanks dat Antwerpen zelf een stormvloedkering overwoog met een doorvaarthoogte van 70 meter was dit toch een gegeven dat de deur voor een beperking van de doorvaarthoogte door een hoge brug definitief dicht deed.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

ir. C.Q. Klapmrt 09 01

Een hangbrug is opgebouwd uit twee pylonen, twee ankerblokken waarin de hoofdkabel is verankerd, een hoofdkabel, hangkabels en een brugdek.

Pylonen

De bouw van pylonen kan als een min of meer als traditioneel bouwproces worden gezien als er van uitgegaan wordt dat de bouw ervan vergelijkbaar is met de bouw van een televisietoren of een industriële schoorsteen of een betonnen kern zoals deze bij hoogbouw wordt gebruikt. De hoogte van een hangbrug pyloon bedraagt ca 1/9 à 1/10 van de hoofdoverspanning vermeerderd met de doorvaarthoogte. Dit kan wel leiden tot forse hoogten, in het geval van de tot nu toe langste hangbrug de Akashi Kaikyo brug, in Japan bij Kobe, bedraagt de hoogte van de pyloon 287 meter. De pyloon is meestal opgebouwd uit twee staanders die ieder een van de twee hoofdkabels ondersteunen. In dwars-richting zijn deze staanders verbonden door een aantal dwarsregels en in aardbe-vingsgebieden door kruisverbanden. In langs-richting ontleent de pyloon zijn stabiliteit aan de hoofdkabel. Dit is onlangs op heel illustratieve wijze aangetoond bij de aardbeving in Kobe in 1995, intensiteit van de beving 7,2 op de schaal van Richter. Tijdens deze zware aardbeving was de brug in aanbouw en op het moment van de beving waren de pylonen en de hoofdkabels gereed. Bij deze beving is geen andere schade opgetreden dan dat de pylonen en de ankerblokken ten opzichte van elkaar wat verschoven maar de pyloon en de hangkabel hebben geen schade opgelopen. Zou de kabel nog niet aangebracht zijn geweest dan zou naar alle waarschijnlijkheid de pyloon ingestort zijn, omdat deze bij het ontbreken van de hoofdkabel geen steun in de langsrichting van de brug had. In het algemeen zijn voltooide hangbruggen goed bestand tegen aardbevingen. Bij een verbinding over de Westerschelde is dat echter geen doorslaggevende eigenschap.mrt 09 02

Verankering hoofdkabel

De verankering bij de oude hangbruggen was er meestal één waarbij de hoofdkabel in een gat in een of andere rotsige oever werd geleid en daarin dan verankerd werd. Men sprak dan van een tunnelverankering. Bij de meeste moderne hangbruggen wordt dat niet meer op deze wijze gedaan omdat er vaak geen rotsen zijn en ook omdat de hangbruggen groter zijn geworden en de daarmee tevens de te verankeren kabelkrachten. Ten onrechte is men lang blijven denken dat altijd rotsen nodig waren om een hangbrug te kunnen verankeren. Bij de Forth Road bridge was hiervan nog enigszins sprake. Bij de Severnbrug heeft men gekozen voor een totaal ander type verankering het zo genaamde gravity anchor block. Dit is een betonnen bak, voor Nederlandse begrippen een soort caisson, waarin de hoofdkabels werden verankerd. Als vuistregel kan men aanhouden dat het eigen gewicht van deze betonnen bak overeen moet komen met ongeveer 3 x de horizontale kracht uit de hoofdkabel. De hoofdkabel is opgebouwd uit een aantal strengen die ieder voor zich een eigen verankering in het ankerblok krijgen. Deze strengen waaieren uit over de gehele achterwand om de immense gebundelde kracht van de hoofdkabel te spreiden en niet te geconcentreerd op de betonconstructie over te brengen. De bovenkant van dit betonnen blok maakt soms deel uit van de rijweg. Dit is wel afhankelijk van hoe hoog de brug ligt hetgeen weer afhankelijk is van de doorvaarthoogte.

Het dek

mrt 09 03

Het dek van een hangbrug kan weer min of meer op dezelfde wijze worden uitgevoerd als bij dekken van de wat grotere bruggen. Alleen de aërodynamische eigenschappen zijn specifiek voor tui- en hangbruggen, met name de vormgeving van de dwarsdoorsnede en het feit dat de buig- en de torsiefrequentie minimaal een factor 2 uit elkaar moeten liggen. Zoals al eerder besproken, werden de dekconstructies bij de wat oudere hangbruggen uitgevoerd met een vakwerkconstructie en bij de meer recente bruggen met een koker in de vorm van een vliegtuigvleugel.
De eerste hangbruggen hadden een dek dat was opgebouwd uit losse dekelementen die dan met hangers aan de hoofdkabel werden opgehangen. Ze hadden dan nog wel een zekere koppeling om te voorkomen dat het ene element hoger zou liggen dan het andere. Later toen men zwaardere lasten over de brug ging verplaatsen waren deze losse elementen toch wat bezwaarlijk. Het begon al met de Postkoets die zich door deze eigenschap constant in een kuil voort-bewoog bij de passage van de brug. Zeker bij de wat kleinere bruggen waar de nuttige belasting hoog was ten opzichte van het eigen gewicht van de brug waren deze verplaatsingen groot. De hoofdkabel had het gedrag van een wat doorgehangen waslijn waaraan men trekt. De vorm van de kabel die dan ontstaat wordt één op één op het dek overgebracht en een dergelijk dek gaat dan in dezelfde vorm hangen als de kabel. Dit soort ervaringen heeft ertoe geleid dat men het dek stijver is gaan maken. In geval van een stijf dek wordt de belasting over een zekere lengte door het dek gespreid hetgeen weer een meer gelijkmatige belasting van de hoofdkabel geeft. Hierdoor gedraagt deze zich dan wat minder als een waslijn. Waar het optimum aangaande de stijfheid van het dek ligt is nog steeds niet helemaal opgelost; de meeste dekken zijn waarschijnlijk zwaarder dan nodig.
Wel is het aërodynamische gedrag een belangrijk punt waarmee men rekening moet houden. Zo is bijvoorbeeld het dek van de George Washington bridge over de Hudson in New York voorzien van een tweede dek omdat men de beweeglijkheid van deze brug niet meer helemaal vertrouwde zeker na de instorting van de Tacoma Narrows brug. Ook de gewichtsverhoudingen spelen een belangrijke rol. Toen met Amerikaanse ontwerpers werd gesproken over een aluminium dek maakten zij in niet mis te verstane bewoordingen het grote belang van massa duidelijk omdat ook deze eigenschap belangrijk was voor de aërodynamische stabiliteit. mrt 09 04
De dwarsstijfheid was bij de meeste bruggen geen probleem. Bij relatief smalle bruggen zoals deze b.v. in Noorwegen voorkomen door een gering verkeersaanbod moet men ook bij geringere overspanningen aandacht hebben voor de dwarsstabiliteit. Dit geldt ook voor bredere brugdekken met grote overspanningen zoals tegenwoordig worden ontworpen. In directe zin draagt een hoofdkabel niet bij aan de horizontale stijfheid van het dek in tweede instantie doet hij dat wel. Deze eigenschap treedt op als het dek zich door een harde wind in dwarsrichting verplaatst. Het dek zal dan in dwarsrichting aan de hoofdkabels gaan trekken. Bij de wat langere bruggen is de hoofdkabel echter zo zwaar dat deze niet zal meegeven en door de zwaartekracht in zijn vlak wil blijven. Hierdoor draagt de hoofdkabel in tweede instantie, als de tweede orde effecten worden meegenomen, in belangrijke mate bij aan de dwarsstijfheid van de brug. Het effect hiervan was in het midden van de brug het grootst omdat daar de hangers kort zijn.
Men kan de hoofdkabel ook wat actiever laten meewer-ken aan de dwarsstabiliteit als men deze in een wat hellend vlak opbouwt. Dit geeft wel praktische bezwaren daar het al redelijk complex is om een hoofdkabel in een verticaal vlak op te bouwen laat staan in een hellend vlak. Voor extra dwarsstabiliteit kan ook gedacht worden aan hulpkabels maar dit maakt de zaak nog complexer dan een hoofdkabel in een iets hellend vlak. Voor toekomstige ontwerpen voor de grotere bruggen denkt men aan het vergroten van de dwarsstabiliteit door het verbreden van het brugdek door bijvoorbeeld de twee rijbanen wat uit elkaar te leggen. Men krijgt hierdoor wel langere dwarsdragers.
Een ander fenomeen dat men ook tegenkomt bij hang-bruggen zijn de zogenaamde windgaten (windslots) in het dek. Deze zijn bedoeld om ten behoeve van de aëro-dynamische stabiliteit te voorkomen dat zich onder het dek grote winddrukken opbouwen die het dek dan wat optillen. Bij de brug over de Taag in Lissabon heeft men om die reden zelfs de inhaalrijstrook in de verkeersweg uitgevoerd in roosters.

mrt 09 05Hoofdkabel

De hoofdkabel is misschien nog wel het meest belang-rijke en complexe element van een hangbrug. De aller-eerste hoofdkabels bestonden uit lianen van plantaardig materiaal en later uit kettingen. De eerste wat grotere bruggen hadden hoofdkabels die bestonden uit “eye bars”, stalen platen die met pennen aan elkaar verbon-den waren. Voorbeelden zijn in Engeland de Conwy en de Menai suspension bridge van Telford in Noord Wales en de Clifton suspension bridge van Isambard Kingdom Brunel in Bristol. Er is ook wel geëxperimenteerd met kabels die in de industrie werden gebruikt. Dit zijn meestal geslagen kabels met een relatief grote rek onder belasting.
Deze kabeltypes hadden hun beperkingen als men naar steeds weer grotere overspanningen ging kijken. Het waren vader en zoon Roebling die voor een doorbraak zorgden op het gebied van de bouw van de hoofdkabels bij hangbruggen. Zij ontwikkelden midden negentiende eeuw het nog steeds veel toegepaste spinproces. Dit proces werd toegepast bij een van de meest beroemde bruggen die in 1883 geopend werd. Een nog steeds fenomenale prestatie bij de nog steeds mooiste brug die er bestaat. Een brug die velen tot de verbeelding spreekt en die vaak een decor is voor vele films. De naam van deze brug is de Brooklyn brug over de East River in New York. Deze brug kent een fantastische bouwgeschiedenis. Het voert te ver hier nu dieper op in te gaan.mrt 09 06

Het spinproces

De hoofdkabel van een hangbrug bestaat uit een groot aantal parallelle draden. Bij het ontwerp van de brug over het Straatje van Ossenisse werd gesproken over een hoofdkabel opgebouwd uit 19 strengen van 420 draden met een breuksterkte van 1600 N/mm2.
Deze draden moesten stuk voor stuk worden overgetrok-ken met een zogenaamd spinwiel. Om dit mogelijk te maken moet men beschikken over wat hulpmaterieel.
Ter voorbereiding van het spinproces worden eerst “catwalks” aangebracht. Dit is een soort werkvloer die circa 50 tot 70 cm onder de hoofdkabel ligt. Iedere hoofd-kabel heeft zijn eigen werkvloer (catwalk). De werkvloer kan pas aangebracht worden als de pylonen gereed zijn en de zadels zijn aangebracht. Iedere vloer bestaat uit 2 x 3 kabels, waarop een stevig grofmazig “gaaswerk” wordt aange-bracht. Boven op dit gaaswerk wor-den in de steilere delen houten latten aangebracht die met binddraad wor-den vastgezet. De treden zijn ervoor om te voorkomen dat men niet, als het gaas nat is, naar beneden glijdt. Deze werkvloeren zijn ongeveer 2,5 à 3 meter breed. Verder krijgen de werkvloeren aan beide zijde een leuningkabel. De ruimte tussen deze leuning en de vloer wordt eveneens met gaas dichtgezet. Om slingeren van de catwalks tegen te gaan worden deze naar beneden met kabels afgespannen en worden een aantal dwarsverbindingen in de vorm van loopbruggen tussen de twee catwalks aangebracht. De werkvloer is daarmee gereed en kan veilig belopen worden van de ene zijde van de brug naar de andere.
mrt 09 07

Het zal duidelijk zijn dat het aanbrengen van de catwalks wat ingewikkelder is dan het gebruik ervan.
Als de catwalk gereed is kan men nog niet spinnen. Hiervoor worden circa 4 tot 5 meter boven de catwalk 2 kabels gespannen die iedere 60 meter een stalen dwarsverbinding krijgen waaronder de voorzieningen van het spinwiel komen te hangen. Aan deze verbindingen wordt ook de verlichting aangebracht zodat men ook als het donker is kan werken.
Het spinnen zelf komt er op neer dat men 4 draden gelijktijdig overtrekt met een snelheid van 3,5 à 5 m/sec. Twee draden zitten al vast in het ankerblok en twee einden worden vanaf de draadvoorraad aangevoerd. Één spinwiel gaat vol heen en het andere spinwiel komt leeg terug in een heen en weer gaande beweging. Als het wiel aan de overkant aangekomen is wordt de draad van het wiel afgenomen en over een halfcirkelvormig blok gelegd, de kabelschoen, wat de individuele verankering is van de streng.
mrt 09 08De draad wordt opgerold, zonder haspel, als tros aangevoerd in hoeveelheden van ca 0,5 ton. De bundel wordt in de spininstallatie op een klos (swift) gelegd met een middendeel waar de tros overheen past. Op deze wijze kan de draad afgespoeld worden. De draad wordt via een stabilisatietoren over omloopschijven de brug opgevoerd. Deze stabilisatietoren brengt spanning in de kabel en zorgt ervoor dat schokken die zich bij het overtrekken voordoen opgevangen worden. Als de klos leeg is wordt het eind met een koppelmof gekoppeld aan de draad op een volgende tros die daar al klaar ligt. Een koppelmof is een metalen buisje met hardstalen losse plaatjes. Het geheel wordt samen geperst en een volwaardige verbinding is een feit. Bij de opbouw van de kabel probeert men de locaties van de koppelmoffen wat te spreiden. Anders zou de kabel op een plaats veel te dik worden. Men zorgt er in ieder geval voor dat er zich geen koppelmoffen bevinden ter plaatse van de later aan te brengen klampen voor de hangkabels. Meestal komt dit goed uit. Als dit niet het geval is dan kan men er altijd nog een stuk tussenuit knippen en de draad opnieuw doorkoppelen. De koppelmoffen zijn relatief eenvoudig aan te brengen met een simpele pers.
Zoals uit het voorgaande blijkt worden de hoofdkabels opgebouwd uit een aantal strengen. Het spinproces gebeurt streng voor streng. De streng wordt zo gesponnen dat hij tijdens het spinnen ca 30 cm (1 foot) hoger hangt dan het gerede deel van de hoofdkabel. Dit wordt gedaan om er zeker van te zijn dat iedere draad vrij hangt. Zou men namelijk de draad neerleggen op het deel dat gereed is dan zou hij het ene moment strakker liggen dan het andere moment. Daardoor zou later bij belasten van de brug geen gelijkmatige spanningsverdeling over de draden worden verkregen. Als de streng gereed is - dit is het geval als 350 à 400 draden zijn overgebracht - wordt de streng in zijn geheel op de juiste positie gebracht. Men noemt dit cable adjustment.
Dit cable adjustment gebeurt in de nacht omdat men dan zeker is van een gelijkmatige temperatuursverdeling. Iedere streng heeft een eigen verankering in het ankerblok met behulp van een kabelschoen. Deze kabelschoen zit met 4 draadein-den vast waardoor deze nagesteld kan worden. In geval van cable adjustment wordt de verankering zover gelost dat de streng precies de vooraf berekende zakking krijgt (van de hiervoor vermelde 1 foot) en krijgt zo zijn definitieve positie.mrt 09 09
Als op die wijze alle strengen zijn vervaardigd heeft men een bundel strengen die vaak met touwen bij elkaar worden gehouden maar nog niet de mooie gladde hoofdkabel vormen zoals we die van de foto’s kennen. Om zover te komen wordt de kabel “gecompact”. Met een aantal persen wordt de kabel in een ronde vorm gedrukt en met houten hamers worden de draden in deze vorm geslagen. Het zal duidelijk zijn dat de draden van de buitenste strengen zich het meeste verplaatsen en gespreid worden over de omtrek. Na de compacting worden roestvaststalen banden rond de hoofdkabel gespannen, kunnen de klampen worden aangebracht en is brug gereed voor de verdere opbouw. De klampen zijn de bevestigingspunten voor de hangkabels.
Nadat het dek is aangebracht en alle zettingen en vervor-mingen in de kabel zijn opgetreden werd vroeger de buitenkant van de kabel ingesmeerd met rode menie-pasta en werd de kabel tussen de klampen omwikkeld met een 3,7 mm dikke gegalvaniseerde draad. Over deze draad werd weer tape aangebracht om zodoende een duurzaam goed geconserveerd geheel te krijgen. Filosofie was: we maken hem waterdicht en als er toch nog vocht in de kabel mocht komen dan maken we voorzieningen dat dit vocht zo snel mogelijk kan worden afgevoerd.
De enige nieuwe variant die na het spinproces nog is bedacht en uitgevoerd is die van de Prefabricated Parallel Wire Strands (PPWS). De hoofdkabel wordt daarbij uit geprefabriceerde strengen opgebouwd. Een hoofdkabel bestaat n.l. uit strengen die op hun beurt weer bestaan uit 69 tot 129 individuele draadjes. Met name in Japan is deze methode ontwikkeld en toegepast bij een aantal bruggen in hun enorme Honshu Shikoku brugproject, bestaande uit drie weg/spoor verbindingen tussen de genoemde eilanden. Deze methode kwam er op neer dat men de strengen waaruit de hoofdkabel is opgebouwd van tevoren fabriceerde, op een haspel spoelde, vervolgens naar het werk transporteerde en over de catwalk weer uitrolde om deze vervolgens in de hoofdkabel aan te brengen. De haspels met deze strengen zijn relatief zware elementen. Vandaar dat bij deze bouwmethode minder individuele draadjes zijn opgenomen in de streng dan bij een gesponnen streng. Respectievelijk 69 – 129 draadjes in een prefab streng versus 350 – 400 draadjes in een gesponnen streng. Het belang van het gewicht werkte ook door op het hulpmaterieel. Om die reden zijn prefabkabels voor de langere hangbruggen dan ook minder geschikt.
In deze prefabstrands liggen de draadjes net als bij de gesponnen streng parallel aan elkaar dit geeft de grootste stijfheid en maakt de hoofdkabel daardoor het meest effectief.
Het toenmalige bedrijf British Ropes heeft in de zestiger jaren nog geëxperimenteerd met geslagen kabels. Deze zijn zelfs nog toegepast bij de Lille Belt brug in Denemarken. Geslagen kabels hebben een minder stijf gedrag. Men probeerde de stijfheid nog op te voeren door de kabels een langslag te geven en in de fabriek vooraf voor te rekken. Dit was natuurlijk met kabels met een zo’n grote lengte een enorme operatie. Voor zover bekend heeft deze toepassing weinig herhaling gekend of het moet bij kleinere bruggen zijn geweest.
mrt 09 10Nog een karakteristiek punt dat hier moet worden vermeld is het gegeven dat men bij het ontwerp van een hoofdkabel wereldwijd voor hoofdkabels, algemeen gesteld, een constructieve veiligheid van 2,5 aanhoudt. Normaal voor civiele constructies bedraagt dit 1,5. De hoofdkabels zijn dus relatief zwaar. Een deel van die extra veiligheid heeft men nodig omdat bij de oplegging van de hoofdkabel in de zadels boven op de pyloon een drieassige kabelspanning ontstaat. Met deze span-ningen werd in ontwerpberekeningen in die tijd geen rekening gehouden. Dit fenomeen deed zich ook, maar dan in mindere mate, voor bij de zadels in het ankerblok. Een tweede reden waarom die extra veiligheid ook gewenst was, was het feit dat de kabel na verdichten (compacten) zich min of meer als een stijf element ging gedragen. Het waren dan geen individuele draadjes meer die gelijkelijk de trekkracht opnamen maar de kabel gedroeg zich min of meer als een stijf geheel met de daarbij behorende buigspanningen, als deze doorboog bij belasting van de brug. Dit fenomeen deed zich het sterkste voor in de nabijheid van de pyloon.

Keuze Hoofdkabel Westerschelde

Voor de ontwerpen van de Westerscheldebruggen zijn we hoofd-zakelijk van het spinproces uitgegaan. Wel zijn de gedachten en uitwerkingen met betrekking tot het spin-nen getoetst aan de ontwikkelingen in Japan met de Prefabri-cated Parallel Wire Strands daar deze methode ongevoeliger was voor onwerkbaar weer. Er zijn destijds een aantal contacten geweest met de Ja-panners en zij hebben zelfs nog een offerte uitgebracht voor de hoofdkabel. Toen deze marginaal onder de ramingen van Directie Bruggen bleek te lig-gen is toen gekozen voor het spinproces alhoewel we de deur open lieten staan voor de PPWS. In onze beleving moest dit proces goedkoper zijn dan spinnen daar de Japanners een fabriek hadden voor de productie ervan en daardoor onder meer onafhankelijk waren van onwerkbaar weer.mrt 09 11
Een andere discussie die breed gevoerd is in die dagen was de discussie over de dikte van de individuele draad. Standaard voor dit proces waren verzinkte draden met een dikte van 5 mm. Aangezien draden met maximaal vier tegelijk werden overgetrokken werd overwogen of niet beter kon worden uitgegaan van draden van 7 mm die al gebruikt werden bij voorgespannen beton. De doorsnede van een 7 mm draad is ongeveer twee maal groter dan een draad van 5 mm. Dit betekende de helft minder spinbewegingen. In al zijn simpelheid was dit een moeilijk op te lossen probleem. Degene die daar wel duidelijkheid in kon verschaffen was mr. Knox van Cleveland Bridge. Betrokken bij de Engelse hangbrug-gen en later ook bij de Tsing Ma brug in Hong Kong. Mr. Knox was op uitnodiging van ons in Nederland. Hij gaf aan dat het beter was een draad met 5 mm doorsnede te nemen dan een draad van 7 mm doorsnede. De reden hiervoor was simpel en praktisch: Een draad van 5 mm laat zich redelijk handelen met de hand en bij een draad van 7 mm lukt dat niet vanwege een veel grotere stijfheid. Dit advies is toen overgenomen gezien de enorme ervaring van hem.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

A.J. Persoonmrt 08 01

Inleiding

In het begin van de jaren 80 is, als alternatief voor een tunnel onder de Westerschelde, in opdracht van de stichting Westerschelde Oever Verbinding (W.O.V), het ontwerp van een hangbrug onderzocht in de lagesnelheidwindtunnels van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium. De beoogde brug, onderdeel van de oeververbinding, zou met een vrije overspanning van 918 m en pylonen van 92 m hoogte, één van de grotere hangbruggen in Europa zijn geworden.
Sedert 1970 wordt op het NLR met regelmaat onderzoek verricht naar het trillingsgedrag van nieuw te bouwen verkeersbruggen. Doordat een brugdek als een slanke vliegtuigvleugel kan worden beschouwd, kan de bij het NLR aanwezige (aëro-elastische) rekenprogrammatuur worden toegepast. Zo kunnen de stabiliteit van een brugdek tegen ongewenst trillingsgedrag (flutter) en de responsie op wervelexcitatie door de wind worden voorspeld. Daarnaast wordt met schaalmodellen in de windtunnel gewerkt. De procedures waarop het windtunnelonderzoek is gebaseerd, komen overeen met die welke zijn ontwikkeld in de Verenigde Staten na het instorten van de Tacoma Narrows brug op 7 november 1940.
Bij het construeren van moderne verkeersbruggen speelt de wind een belangrijke rol.
Reden daarvan is dat, door nieuwe berekening- en constructietechnieken, verkeersbruggen kunnen worden voorzien van een lange vrije overspanning met een relatief laag eigen gewicht, die echter gevoeliger zijn voor trillingen.
Wordt de brug in staal uitgevoerd, dan zal ook de con-structiedemping laag zijn. Is daarnaast de geometrie van het brugdek verre van gestroomlijnd (zoals bij de voorgestelde hangbrug), dan zijn dit dé factoren die een windtunnelonderzoek rechtvaardigen. Om deze redenen is destijds dan ook aan het trillingsgedrag van de hangbrug over de Westerschelde, onder invloed van wind, de nodige aandacht besteed.
In deze bijdrage wordt nader ingegaan op het aërodynamisch onderzoek in 1981 verricht op het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium.mrt 08 02

Oorzaken van door wind opgewekte trillingen

Globaal genomen zijn er twee oorzaken aan te wijzen waardoor een verkeersbrug met een lange vrije overspanning in trilling kan geraken: wervelexcitatie en flutter [Lit.1].
a) “wervel - excitatie”
Hierbij is het brugdek door zijn vormgeving (zoals scherpe randen) in staat een (Von-Kármánse) wervelstraat te genereren. Trillingen ontstaan als de frequentie waarmee de wervels loslaten, samenvalt met een eigenfrequentie van de brug. Kenmerkend voor dit verschijnsel is dat het optreedt bij één specifieke windsnelheid omdat de wervelfrequentie (f) evenredig is met de windsnelheid (V). Voor het karakteristieke getal van Strouhal (S) geldt: S = f . D / V, waarin D de hoogte (m) van het brugdek voorstelt. De waarde van S bedraagt voor de meeste brugdekvormen S = 0,1 á 0,15.
mrt 08 03

Wervel-excitatie doet zich meestal voor in een trillingsvorm met de laagste eigenfrequentie. Is deze frequentie bekend uit berekeningen, dan is ook de windsnelheid te schatten waarbij dit verschijnsel zich in de praktijk zal voordoen. Vaak blijkt deze lager te zijn dan V = 15 m/s (windkracht 6 à 7). Wervel-excitatie komt dan ook regelmatig voor. De responsie van een brugdek op wer-velexcitatie kan in een windtunnel op relatief eenvoudige wijze worden vastgesteld en worden getoetst aan de normen geldend voor passanten.
b) “Flutter”
Het brugdek wordt instabiel onder invloed van wind als twee trillingsvormen onder invloed van de luchtkrachten (aërodynamica) met elkaar gaan koppelen. Hierbij wordt door de wind arbeid geleverd in één van beide trillingsvormen, meestal de laagste torsietrillingsvorm. De demping zal door een onderlinge faserelatie afnemen, waardoor de trillingsamplitude in die trillingsvorm toeneemt. Boven een zekere windsnelheid zal de demping negatief worden. Het brugdek is dus niet meer gedempt en de amplitude wordt dermate groot dat breuk volgt. Dit verschijnsel is bekend uit de vliegtuigbouw, waar het “flutter “ wordt genoemd. In de civiele sector spreekt men van “brugdek flutter” en dat moet worden voorkomen.

mrt 08 04

Onderzoek in de windtunnel (1981)

Onderzocht zijn de windinvloeden op het brugdek en de pyloon.
a) Brugdek
Gezien de specifieke vormgeving van het brugdek (de beide kokerprofielen) is met name aandacht besteed aan het fluttergedrag [Lit.2]. Uit de literatuur is bekend dat de luchtkrachten van weinig gestroomlijnde brugdekvormen de theoretisch berekende fluttersnelheid van de constructie aanzienlijk zullen verlagen. Voor het flutteronderzoek is een model van een sectie van de brug gebruikt.
Het houten, maar starre, brugdekmodel (1100 mm leng-te) was in de windtunnel opgesteld tussen twee eindschotten waardoor de vereiste twee-dimensionale stroming rondom het model was gewaarborgd. Het model was bevestigd op drie elektrodynamische excitatoren, elk voorzien van een één-component rekstrookbalans waarmee de liftkracht werd gemeten. De excitatoren konden zowel in fase als in amplitude worden geregeld, zodat een zuivere slagtrilling (translatie) of een zuivere rotatie om de lengte-as (halfkoordepunt) van het model mogelijk was. Beide bewegingen zijn noodzakelijk om de luchtkrachten voor een flutterberekening te genereren. Het model was uitgerust met versnellingsmeters om de amplitude van de model trilling, zonder en met wind, op een zelfde wijze in te stellen. Na meting van de luchtkrachten bij een aantal windsnelheden en aandrijffrequenties van het model in de windtunnel, zijn flutterberekeningen uitgevoerd.

mrt 08 05
Daarvoor moesten eerst de eigenfrequenties en trillings-ormen van de brug bekend zijn. Deze zijn bepaald met een eindige-elementenmethode (destijds het programma “Trilstaaf” van het NLR). Voorbeelden van rekenresultaten zijn weergegeven in onderstaande figuur.
Vervolgens zijn met deze gegevens flutterberekeningen gemaakt met theoretische luchtkrachten geldend voor een oneindig dunne vlakke plaat. De resultaten kunnen een indicatie geven of de windsnelheid waarboven flutter kan optreden niet te laag is. Een windsnelheid > 40 m/s (als 10 minuten gemiddelde) wordt volgens de normen in ons land als een mimimum beschouwd.
Een voorbeeld van een flutterberekening wordt getoond in onderstaande figuren. In het linker deel van de grafieken zijn de eigenfrequenties uitgezet tegen de windsnel-heid. In het rechter deel is de demping van het brugdek uitgezet als functie van de windsnelheid. Hieruit blijkt, theoretisch gezien, dat flutter optreedt boven 60 m/s (links) in de laagste torsietrillingsvorm; de demping is nu nihil (flutter onset). Maar met gemeten luchtkrachten (rechts) laat de eerste torsietrillingsvorm een negatieve demping zien, al bij regelmatig voorkomende windsnelheden. De vormgeving van dit brugdek, met name de beide kokerprofielen, veroorzaakt kennelijk bij lage windsnelheden al een aërodynamische instabiliteit. Geadviseerd werd dan ook de geometrie aan te passen en een vervolgonderzoek uit te voeren. Dit heeft echter nooit plaatsgevonden door het destijds genomen besluit, een tunnel te realiseren.
mrt 08 06b) Pyloon
Een ander aspect van het onderzoek betrof de pyloon van de brug. Alhoewel van beton wordt in de literatuur vermeld dat dit soort constructies, ondanks een aanzienlijke constructiedemping bij relatief lage en daardoor vaak voorkomende windsnelheden in trilling kunnen geraken. Aangezien de pylonen voorafgaande aan de bouw van de overspanning een zekere tijd vrij zouden zijn opgesteld, leek het gezien de eerder berekende lage eigen frequenties niet uitgesloten dat trillingen zich voor zouden kunnen doen door wervel-excitatie (flutter wordt voor dit soort constructies uitgesloten geacht).

mrt 08 07
Om deze reden is een windtunnelonderzoek uitgevoerd aan een elastisch geschaald model (1: 60) van staal, waarbij (geringe) responsies bij een aantal windrichtingen werden vastgesteld. Met de gemeten luchtkracht coëfficiënten is via een berekeningsprocedure het res-ponsiegedrag van de betonnen pyloon op ware grootte voorspeld.

mrt 08 08
Onderdeel van het onderzoek was verder het aantonen van wervels in het zog van de pyloon. Dit is gebeurd door middel van snelheidsmetingen. Van de meetsignalen is een vermogensspectrum bepaald. Een duidelijke wervel vertoont zich als een piek in het frequentiespectrum. De frequentie van de wervel neemt lineair toe met de windsnelheid waaruit het getal van Strouhal kon worden bepaald (S = 0.14) en daarmee dus ook de windsnelheid die voor wervel-excitatie kon zorgen bij de pyloon op ware grootte.
Met behulp van rook zijn de wervels zichtbaar gemaakt, waarbij gebleken is dat alleen een duidelijke wervel achter de stroomopwaartse kolom ontstaat. Er is geen sprake van een wervelstraat achter de pyloon zelf, wat voor de responsie van een dergelijke constructie gunstig genoemd kan worden. De pyloon, als bouwfase van de Westerschelde hangbrug, heeft dan ook voldaan aan de verwachtingen.

mrt 08 09

Ten slotte

Dit artikel is tot stand gekomen op verzoek van Ir. C.Q. Klap, destijds werkzaam bij Rijkswaterstaat Directie Bruggen. Ir. Klap heeft de diverse windtunnelonderzoekingen bij het NLR aangestuurd en met interesse gevolgd. De medewerkers van de toenmalige afdeling Aëro-Elasticiteit (thans van de afdeling Aerodynamic Engineering en Trillingsonderzoek) van het NLR denken met plezier terug aan deze, ook voor hen, leerzame en interessante periode.
Literatuur
[1] Simiu, E and Scanlan, R.H.: “Wind effects on Structures”: An Introduction to Wind Engineering, A Wiley-Intersience Publication, 1978.
[2] Persoon, A.J., Siebert, C.M.: “The aerodynamic stability of the proposed Western-Scheldt suspen-sion bridge; International Conference on Flow Induced Vibrations in Fluid Engineering Reading University, England, September 1982.
Voor meer informatie: www.nlr.nl

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf

ir. C.Q. Klap

Op het moment dat de eerste voorstellen voor een hangbrugtoepassing werden gedaan was de kennis en ervaring met dit soort bruggen beperkt. Op hoofdlijnen was wel bekend hoe het hoofdsysteem van een hangbrug werkte maar een gedetailleerd ontwerp was in Nederland nog niet gerealiseerd. Aan de TU Delft waren wel een beperkt aantal studenten afgestudeerd op hangbruggen. Daar dit in die tijd zeker geen kennis was die voor het oprapen lag en er praktisch nog geen computer- programma’s beschikbaar waren, was het niet mogelijk tot een ver uitgewerkt voorstel te komen binnen de studietijd die er toen voor stond. De kennis op hoofdlijnen en informatie van bruggen in buitenland was wel voldoende om tot voorstellen te komen zoals gedaan bij de tracéstudies uit 1967.
Eind zestiger jaren ontstond er de behoefte om de variant bij Waarde als hangbrug uit te werken. Binnen Nederland was op dat moment de kennis beperkt om bovengenoemde redenen en werd besloten een buitenlands bureau in te huren genaamd Freeman Fox & Partners. Zij waren destijds door Mott Hay & Anderson (tegenwoordig Mott McDonald) betrokken bij de Forth Road Bridge over de Firth of Forth in Schotland, hoofdoverspanning 975 meter. Deze brug werd in 1964 geopend. Later zouden ze samen de Severnbrug bij Bristol ontwerpen, lengte hoofdoverspanning 988 meter, wat om een aantal redenen een revolutionair ontwerp kan worden genoemd. Deze brug is omstreeks 1969 geopend. Later zou Freeman Fox & Partners op eigen kracht de brug over de Bosporus bouwen die grote overeenkomst met het Severnbrug ontwerp had.

Severnbrug, revolutionaire keuzes

De Severnbrug was revolutionair te noemen daar twee principes duidelijk afweken van de tot dan toe gebouwde hangbruggen. Dit betrof het dek dat als stalen kokerligger is ontworpen en gebouwd met aërodynamische dwarsdoorsnede die veel weg had van een vliegtuigvleugel. De tweede principiële afwijking betrof het vervangen van de vertikale hangers door geschoorde (inclined hangers). Dit tweede principe was min of meer een direct afgeleide van de keuze voor een kokerligger (boxgirder). De redenering was dat het traditionele vakwerk tot die tijd gebruikelijk was voor de hoofdligger. Dit type ligger had door zijn inwendige verplaatsingen een goede energieabsorptie wat gunstig is voor de aërodynamische dem-ping. Een kokerligger heeft die eigenschappen niet en om die reden werd er gezocht naar een ander dempingssyteem wat gevonden werd in de toepassing van geschoorde hangers. Bij belasting beschreef de hanger een hysteresislus wat een maat is voor de energie-absorptie.

Tacoma Narrows bridge

Bij de Tacoma Narrowsbridge heeft de wereld het belang van aërodynamische stabiliteit geleerd. Deze brug is vooral bekend geworden door zijn spectaculaire instorting en de film die van deze instorting is gemaakt. Deze film is bij velen bekend daar zij al zeker tientallen malen voor de televisie is vertoond. De film kon gemaakt worden daar de brug al een aantal dagen een afwijkend gedrag vertoonde bij niet eens erg hoge windsnelheden. Van de Tacoma Narrows bridge is geleerd dat de aërodynamische vorm van de dwarsdoorsnede erg belangrijk is. Is dit niet het geval dan ontstaan met een zekere frequentie luchtwervelingen, die de brug telkens een stoot geven. Als die stoot met een bepaalde frequentie, die overeenkomt met de eigenfrequentie van de brug, gebeurt zet die een trilling in gang. We kennen dit fenomeen, reden waarom een peloton soldaten uit de pas over bruggen loopt.
Het existeren van een stootbelasting is niet wenselijk maar als er dan eigenfrequentie in de brug voorkomt die dat overneemt ontstaat er is een aërodynamische instabiliteit. De Tacoma Narrows had zo’n frequentie. Maar wat nog hinderlijker was dat er naast deze frequentie een aantal eigen bewegingen deze zelfde frequenties hadden. Hierdoor namen een aantal onderdelen deze frequentie over en versterkten ze elkaar ook nog. De buig- en torsiefrequentie van het dek lagen dicht bij elkaar alsmede de eigenfrequentie van de pyloon. Naar huidige inzichten kon het niet anders dan dat er vroeg of laat iets met deze brug zou gebeuren.
Bij tuibruggen liggen deze zaken wat minder gevoelig. Ook daar is het mogelijk dat een bepaald onderdeel in zijn eigen frequentie wordt aangeslagen. Maar men redeneerde altijd de tuien van een tuibrug hebben ver-schillende lengten en daarom een verschillende eigen frequentie. Dat ze een trilling van elkaar overnemen is dus min of meer uitgesloten. Een trilling van een enkele tui kan voor de tui zelf storend en onwenselijk zijn vandaar dat ze vaak individueel een demper krijgen.

Erasmusbrug

Dat we ook bij tuibruggen alert moeten blijven is in 1996 geleerd bij de Erasmusbrug. Daar het een tuibrug betrof leek deze brug een stuk minder gevoelig voor aërodynamische instabliteit. Ook de vorm van het dek en een fors verschil tussen de buig- en torsiefrequentie van het dek waren gewaarborgd. Wat bij de Erasmusbrug wel mis ging is de trillingsinitiatie van de tuien als gevolg van afstromend regenwater, een fenomeen dat nog maar een aantal jaren geleden in Japan is ontdekt en bekend staat als flow induced fibration. Verder lagen de frequenties van de langere tuien in de buurt van de buigfrequentie van het dek waardoor een gevaarlijke situatie kon ontstaan.

Nederlandse hangbrug ontwikkelingen

Nadat de eerste hangbrugvoorstellen waren gedaan bij de eerste tracéstudies kwam ook in Nederland meer kennis beschikbaar. Een van de afstudeerwerken op de TU had betrekking een hangbrugontwerp over het Kanaal. Voor dit ontwerp had men, waarschijnlijk bij vergissing, via Professor Taylor van de Guilford Univer-sity de beschikking gekregen over de uitgewerkte berekeningen van de Forth Roadwaybridge volgens de “Corrected theorie of Crosthwaite“ en was men in staat gesteld berekeningen te maken aan de University of Manchester Institute for Science and Technology ( UMIST). Op dat moment voor zover bekend het enige beschikbare programma in de westerse wereld. Wat Japan toen aan kennis beschikbaar had, was hier niet bekend en communicatie met Japanners liep in die tijd ook nog een stuk moeilijker.

De berekening

Hangbruggen kennen drie belangrijke hoofdelementen voor de berekening. Dat zijn de pyloon, de hoofdkabel en het dek.
De pyloon laat zich redelijk traditioneel berekenen. De hoofdkabel heeft als prettige eigenschap dat deze over de gehele lengte van de brug dezelfde horizontale component kent die zich laat berekenen met de volgende formule:
H = ql2 / 8f. (H = horizontale kracht; q = belasting per strekkende meter brug; l = overspanning van de brug; f = pijl van de boog van de hangkabels)
Ingewikkelder wordt de berekening van het dek. De formule die het fenomeen beschrijft is een redelijk eenvoudige differentiaal vergelijking van de vierde orde.
Een rechtstreekse oplossing van deze formule is niet mogelijk. Voor de oplossing worden verschillende benaderingen gekozen waardoor er meer oplosmethoden zijn ontstaan die geen van alle het precieze beeld geven van de werkelijkheid. De laatste handmatige theorie was de eerder genoemde “Corrected theorie of Crothwaite”. Deze theorie was gebaseerd op oplosmethoden met Fourieranalyse. Het doorrekenen van een buigend moment kost handmatig bijna twee dagen.
Met het beschikbaar komen van computers is deze laatste theorie snel verlaten daar de computerberekeningen exactere resultaten gaven en veel minder bewerkelijk waren. Op deze manier konden ook veel eenvoudiger parameter studies worden uitgevoerd waardoor duidelijk wordt voor welke wijzigingen van de belastingen op de brug het systeem gevoelig is. Met de “Corrected theorie of Crosthwaite” was het b.v. niet mogelijk het effect van rechte of geschoorde hangers mee te nemen.
Lastig bij hangbruggen is ook dat het maximale moment niet in het midden van de hoofdoverspanning optreedt. Het is altijd een zoektocht om die doorsnede te vinden waar dit maximale moment optreedt. Het ligt meestal ongeveer op 1/8 van de lengte van de hoofdoverspanning. Heeft men de doorsnede van het maximale moment gevonden dan moet men daarna op zoek naar de maximale belasting voor die doorsnede. Laat men de lengte van de gelijkmatig verdeelde belasting op de brug groeien dat ziet men het moment ter plaatse van de doorsnede toenemen. Bij verdere groei ziet men het moment weer teruglopen. Men weet dan dat men het maximale moment heeft bereikt. Dit ligt voor iedere doorsnede weer anders. Men kan zich voorstellen dat deze berekeningen met de hand bijna onmogelijk zijn.
Voor de ontwerpen heeft men deze exercitie voor een aantal dwarsdoorsneden gedaan met drie verschillende lengten gelijkmatig verdeelde belastingen.
Verder waren schaakbordbelastingen van belang om de maximale belastingen op de pyloon te vinden. Ook is er voor het Westerscheldeontwerp een aanvaring gesimuleerd.

Geschoorde hangers

De meest interessante resultaten werden gevonden bij de verdere analyse van de hangerkrachten. Voor alle verschillende belastinggevallen kregen we automatisch een uitdraai van de hangerkrachten. Deze zijn in een grote tabel verwerkt en gaven aan dat de krachten in geval van geschoorde hangers wel drie maal zo groot konden zijn dan uit een eenvoudige statische deelbelasting zou volgen. Op basis van deze resultaten bleek de enorme belasting van de hangers als gevolg van het niet geometrisch lineaire gedrag zo nadelig te zijn dat afgestapt werd van geschoorde hangers en gekozen werd voor verticale hangers. Het gaf ook gelijk een antwoord op de vraag waarom bij de Severn na ca 15 jaar alle hangers al vervangen moesten worden. Dit was een uniek resultaat van het onderzoek voor de Westerschelde omdat tot op dat moment dit fenomeen nog niet bekend was. Veel later is deze conclusie bevestigd door Dr. Homberg, de ontwerper van de Dartfordbrug te Londen.

Download hier het artikel in pdf-formaat logo pdf