Tand- en kraagconstructies

Teneinde de moot-, zink- en sluitvoegen van afgezonken tunnels te verdeuvelen kunnen tand- of kraagconstructies worden toegepast. Klassiek is de kraagconstructie, echter de laatste jaren wordt in Nederland (en al eerder in het buitenland) veelal een tandconstructie toegepast. Tanddeuvels hebben vooral het grote voordeel, dat de waterdichtheid en de dwarskrachtoverdracht via een aparte constructie geregeld zijn, dit in tegenstelling tot de kraagconstructie. De kraagconstructie heeft als nadeel, dat eigenlijk alleen de kraag ter plaatse van de wanden aan de dwarskrachtoverdracht meewerkt wanneer er een drukpunt ontstaat. De wanden zijn namelijk zeer stijf en zullen hierdoor vrijwel alle dwarskrachtoverdracht op die snede naar zich toe trekken. Hierdoor bestaat het gevaar dat de kraag (indien onvoldoende gewapend) scheurt en dat er dan een lekweg ontstaat doordat de rubbermetalen voegstrook dan achterloops wordt.

Een nadeel van tandconstructies is, dat de oplegblokken t.b.v. het inleiden van de deuvelkracht inspectie en onderhoud behoeven en dat deze tegen brand moeten worden beschermd (zie detaillering 2^e Coentunnel).

Aan de basis aan het ontwerp van de verdeuveling ligt de bepaling van de op te nemen dwarskracht. De grootte van deze dwarskracht is afhankelijk van het verschil in belasting op naastliggende tunnelmoten in combinatie met variaties in de beddingstijfheden van de fundatie van de afgezonken tunnel. Het belastinggeval ‘gezonken schip’ kan hier maatgevend bij zijn.

In de ROK [27] staat aangegeven welke stijfheidsverschillen, bij het ontbreken van werkelijke waarden voor de stijfheid van de grondslag, aan gehouden dienen te worden:

Voor de factor moet worden aangehouden:

= 0,9 grindbed

= 0,75 zandbed bij een niet-afgezonken tunnel

= 0,5 door onderstroming verkregen zandbed (afgezonken tunnel)

Voor de bepaling van de effecten in langs- en dwarsrichting van de variatie in beddingsstijfheden, moet een berekening worden uitgevoerd waarbij de tunnelconstructie samen met de verende werking van de ondergrond wordt geschematiseerd (b.v. verenmodel en/of EEM). Indien een kraagconstructie rondom wordt toegepast, moet rekening worden gehouden met het feit dat de krachten in de kraag nabij stijve hoeken en tussenwanden het grootst zijn.

Bij een meer geconcentreerde tandconstructie speelt dit effect niet; bij een tandconstructie is dus de verdeling van de krachten in de tunneldoorsnede eenvoudiger te bepalen dan bij een kraagconstructie rondom.

Omdat de tunnelmoten relatief gedrongen zijn, liggen bij verschilzakkingen de drukpunten afwisselend onder en boven in de doorsnede. Een additionele normaalkracht ten gevolge van temperatuuruitzetting tilt de slapper ondersteunde moot op, met hogere dwarskrachten tot gevolg; zie ook pag. 58 van  Cement 5 [125].

In sommige gevallen dienen de tanden in de mootvoegen vastgezet worden tijdens het transport, om ervoor te zorgen dat er geen ongecontroleerde vervormingen in het tunnelelement optreden. Middels een rekenkundige analyse moet worden bepaald wat de spanningen in de voegvlakken van de moot- en elementvoegen zijn tijdens de transportfase. In SATO hoofdstuk 8 (SAATU) staan richtlijnen aangegeven voor de benodigde minimale spanning. Wanneer het risico bestaat op het ontstaan van een gaping (de drukspanning in de mootvoeg wordt kleiner dan de grenswaarde of 0), dan moeten de tandconstructies worden vastgezet. Bij transport over zee zal dit veelal het geval zijn.

Na het afzinken worden de tandconstructies in de zinkvoegen in het algemeen pas vastgezet als alle aanvulbelastingen aangebracht zijn en de daarmee gepaard gaande verplaatsingen grotendeels zijn opgetreden. Dit voorkomt dat de krachten in de tandconstructies zeer groot worden als gevolg van een éénmalig optredende zware belasting in de bouwfase. Bij het vrij onderling laten verplaatsingen van de tunnelmoten dient hiermee dan wel rekening te worden gehouden qua toleranties in de inwendige hoogte van het tunnelprofiel. Dit alles is vooral van belang als de aanvulbelasting op het dak nogal varieert. Deze problematiek heeft gespeeld bij de 2 afgezonken tunnels in de HSL (tunnels onder de Oude Maas en de Dordtsche Kil). Als gevolg van het definitief vastzetten van de tandconstructies in het bouwdok zijn zeer zwaar gewapende tanden vervaardigd, waardoor de tandconstructies relatief kostbaar waren.

Een belangrijk punt van aandacht is de afdracht van de geconcentreerde tandkracht naar de tunneldoorsnede toe; zowel in lengte- als dwarsrichting. Hiertoe kan een 3D-modellering behulpzaam zijn. Voor de lokale berekening van de wapening kan gebruik worden gemaakt van een vakwerkanalogie (een druk- en trekstavensysteem); zie ook art. 6.5. in NEN-EN 1992-1-1 [31].

Als de splijtkrachten in het contactvlak zeer groot zijn kan het noodzakelijk zijn een wapeningsnet dicht bij het oppervlak toe te passen. Dit moet dan wegens de duurzaamheid wel van roestvast staal zijn.

Wegens de zeer zware trekband kan er opsluitwapening en zelfs spekhaken om splijten van de drukdiagonaal te voorkomen noodzakelijk zijn. Rekening dient er mee gehouden te worden dat de tanden in de buitenwanden lokaal excentrisch liggen, waardoor een extra moment in de wand ontstaat.

Naast het opnemen van verschilkrachten in verticale richting over de voegen d.m.v. een tandconstructie dienen de verschilkrachten in horizontale zin ook te worden opgenomen. Dit kan m.b.v. een horizontale betonnen tand of, omdat de op te nemen krachten in horizontale richting in het algemeen veel lager zijn dan in verticale richting, met behulp van een stalen verdeuveling in de vloer.

Ook hier kan het belastinggeval van een zinkend schip naast de tunnel maatgevend zijn.