Innovatieve kadeconstructies

Vandaag de dag bestaat het overgrote deel van de traditionele kadeconstructies in binnenhavens uit beton en staal. Het wordt immers ‘al jaren zo gedaan’. Je kunt je echter afvragen of dit wel een steekhoudende argumentatie is. Een met geogrids gewapend grondlichaam biedt namelijk op verschillende aspecten grote voordelen ten opzichte van de traditionele kadeconstructies.

Naast het feit dat Nederland momenteel 231 binnenhavens telt, is er in onze delta nog steeds vraag naar nieuwe binnenhavens die moeten fungeren als verbindende schakel in het binnenhavennetwerk. Bovendien is op korte termijn een groot deel van de naoorlogse infrastructuur aan vervanging toe. De materialen in conventionele kadeconstructies voor binnenhavens (de betonnen L-wand en verankerde stalen damwand of combiwand) dragen bij aan een hoge uitstoot van broeikasgassen zoals CO2 en veroorzaken een groot deel van de kosten. Door de coronapandemie en oorlog in Oekraïne is er namelijk sprake van sterk toegenomen materiaalkosten. In het kader van hun afstuderen aan Hogeschool Windesheim en in opdracht van Ingenieursbureau Boorsma hebben Berend Schmidt en Lars van Rouwendaal een onderzoek uitgevoerd naar innovatieve kadeconstructies in binnenhavens. Naar aanleiding van een variantenstudie bleek een gewapende grondconstructie de meeste potentie te hebben om ingezet te worden als alternatieve kadeconstructie in binnenhavens.

Het overgrote deel van de kadeconstructies bestaat uit beton en staal

Een met geogrids gewapend grondlichaam biedt echter grote voordelen

In samenwerking met Tensar International is zo’n constructie als kade ontworpen

De gewapende grondconstructie is ongeveer 25 procent goedkoper

In samenwerking met Tensar International is dan ook een gewapende grondconstructie als kade ontworpen.

Geogrids

Voor de opbouw van de gewapende grondconstructie worden lagen van kunststof wapening (uniaxiale geogrids) aangebracht, deze wapening wordt aangevuld met zand. Een geotextiel vormt een barrière die voorkomt dat het zand kan uitspoelen. Vervolgens wordt de wapening omgeslagen. Door dit proces herhaaldelijk in lagen van 60 centimeter uit te voeren wordt een grondmassief gerealiseerd. De gewapende grond wordt aangebracht tegen een verloren bekisting van bouwstaalmatten. Naast deze verloren bekisting is gekozen om onder de waterlijn een tweede laag geotextiel aan te brengen, deze dient als extra bescherming van de zanddichtheid van de constructie.

Boven de waterlijn is de gewapende grondconstructie aan de voorzijde voorzien van verwijderbare betonpanelen. Deze bekleding bevordert het aanzien van de kade en zorgt voor extra robuustheid van de constructie. De puntlast die door een eventueel optredende scheepsaanvaring ontstaat, wordt door het paneel verspreid en voorkomt schade aan het geotextiel. Behalve tegen aanvaring is de constructie hiermee ook beschermd tegen wrijving met aangemeerde schepen, ook is de polymere wapening niet langer blootgesteld aan Uv-straling en kunnen wrijfgordingen en uitklimvoorzieningen bevestigd worden. Ongebruikelijk bij gewapende grondconstructies is de permanente aanwezigheid van (grond)water, gevoelsmatig zou dit ervoor zorgen dat de constructie minder sterk wordt. Het tegendeel is waar, de verzadigde conditie resulteert in een lager effectief gewicht dat op de wapening drukt. Situaties met (extreem) laag water zijn dan ook maatgevend geweest voor het ontwerp.

Bolders en troskrachten

Naar aanleiding van de Nederlandse

CUR-voorschriften is in het ontwerp rekening gehouden met een maximale troskrachten van 250 kN als gevolg van aangemeerde schepen. Deze last treedt op in zowel horizontale als verticale richting en wordt opgenomen door een bolder. De bolder draagt de kracht af naar de kade via een, met staal gewapende, betonnen, L-vormige, deksloof. De deksloof spreidt de puntlast in een gelijkmatig verdeelde belasting. Het moment en de verticale opwaartse kracht worden opgenomen door het eigen gewicht van de deksloof en door de grondmoot die zich boven de voet bevindt. Optredende horizontale krachten kunnen worden opgenomen door een horizontale verankering van geogrids.

Maatgevende ontwerpsituatie

Een betonnen L-wand, stalen verankerde damwand en de gewapende grondconstructie zijn onder gelijke omstandigheden (zelfde afmetingen en belastingcondities) uitgewerkt. Hiervoor is als caselocatie de Flevokust haven genomen. Deze locatie wordt als representatief beschouwd voor binnenhavens in Nederland. De waterstandfluctuaties zijn namelijk beperkt, in de bodem bevinden zich niet-draagkrachtige grondsoorten en de locatie dient toegankelijk te zijn voor schepen van klasse CEMT-Va/Vb. Eén van de cruciale eisen bij het ontwerpen van de verschillende constructietypes is dat de kerende hoogte 9,25 meter bedraagt. De bepaling van de uitvoeringsmethoden en benodigde materialen gebaseerd op een kade van 400 x 20 meter.

Uitvoeringswijze

Voor iedere constructie is een uitvoeringswijze bepaald. In het geval van de gewapende grondconstructie dient een bouwkuip van tijdelijke damwanden inclusief stempelraam gebruikt te worden. De bouwkuip wordt droog gepompt en vanaf het water ontgraven tot de onderkant van het constructieniveau. Vervolgens kan gestart worden met het opbouwen van de gewapende grondconstructie. Wanneer de constructie zich boven de waterlijn bevindt, kunnen de tijdelijke damwanden verwijderd worden en de laatste grondlagen worden aangebracht. Tot slot dienen de L-vormige deksloof een betonpanelen aangebracht te worden.

Kosten en duurzaamheid

Na het ontwerpen van de drie constructies is een objectieve vergelijking uitgevoerd op de criteria kosten en duurzaamheid. Hieraan kunnen de volgende conclusies verbonden worden. Een gewapende grondconstructie blijkt 25 procent goedkoper en 35 procent duurzamer te zijn dan een betonnen L-wand of een stalen damwand.

De investeringskosten kunnen ontleed worden in uitvoeringskosten en materiaalkosten. De uitvoeringskosten komen voort uit de meest efficiënte uitvoeringsmethode per constructie. De materiaalkosten worden bepaald aan de hand van een materiaalstaat. De materiaalhoeveelheden worden vermenigvuldigd met een eenheidsprijs met het prijspeil van mei 2022 (post-corona, pre-Oekraïne situatie). Eventuele onderhoudskosten zijn buiten beschouwing gelaten gezien de grote onzekerheden bij het bepalen hiervan.

Uit het onderzoek is gebleken dat de materiaalkosten van het toegepaste staal een belangrijke rol spelen in de totale materiaalkosten van beide traditionele constructies.

Schaduwkosten

Voor het in kaart brengen van de duurzaamheid is gebruik gemaakt van de Milieukostenindicator (MKI). De schaduwkosten worden bepaald door de gekwantificeerde emissies van een materiaal of proces per functionele eenheid te monetariseren. De Nationale Milieu Database is hierbij van groot belang geweest.

Van de dertien impact categorieën die de milieu impact omvatten, zijn de drie grootste posten Global Warming (GWP), Menselijke toxiciteit (HT) en Verzuring (AP). Hierbij wordt global warming veroorzaakt door broei-kasgassen zoals CO2, methaan en lachgas. Opwarming wordt uitgedrukt in een equivalent met CO2 als referentie. Menselijke Toxiciteit omvat de emissies van giftige stoffen waaraan de mens wordt blootgesteld via bijvoorbeeld inademing of innamen van andere producten zoals vlees en vis. Verzuring ontstaat daarentegen door het vrijkomen van onder andere zwaveloxiden met als gevolg dat de bodem en het water verzuurt, dit kan een negatief effect hebben op ecosystemen.

Wanneer de milieu impact per fase beoordeeld wordt, heeft de productiefase van de materialen de hoogste bijdragen aan de MKI-waarde. Zandwinning en het transport hiervan is voor alle constructies oorzaak van een hoge MKI-waarde. Beide conventionele kadeconstructies verhogen de MKI-waarde binnen deze fase verder door de grote hoeveelheden staal.

Goedkoper en duurzamer

Naar aanleiding van dit onderzoek kan geconcludeerd worden dat het technisch haalbaar is om een gewapende grondconstructie in te zetten als kade. Naast de technische haalbaarheid kan gesteld worden dat de gewapende grondconstructie ongeveer 25 procent goedkoper en 35 procent duurzamer is dan de traditionele betonnen L-wand en stalen damwand. Voor verdere informatie wordt verwezen naar het onderzoeksrapport op www.hbo-kennisbank.nl.

Berend Schmidt en Lars van Rouwendaal zijn beiden afgestudeerd aan deWindesheim Hogeschool.