uitstraling en werking

De Prins Clausbrug in Dordrecht heeft tijdens de jaarlijkse Staalbouwdag de Nationale Staalbouwprijs in de categorie Infrastructuur gewonnen. Een jaar na opening heeft deze koninklijke fiets- en voetgangersbrug een award op zijn naam.

Het architectonisch ontwerp is van René van Zuuk Architects. Zij hebben van de brug tussen de Dordtse wijk Stadswerven en de historische binnenstad een architectonische eyecatcher gemaakt. Bouwcombinatie Dura Vermeer en Hillebrand verzorgden de uitvoering in opdracht van de gemeente Dordrecht. Ingenieursbureau Iv-Infra werkte het architectonisch ontwerp uit tot een integraal definitief ontwerp en uitvoeringsontwerp.

Een uniek systeem

De brug werd in het najaar van 2021 feestelijk geopend door Prinses Beatrix. Hij is 141 meter lang, bestaat uit twee aanbruggen en een beweegbaar deel van bijna 50 meter. Bijzonder aan deze brug is dat hij de vaarweg schuin kruist: een uitdaging voor de voegovergangen binnen de constructieve ontwerpfase, waarbij de marges nog nauwer zijn dan bij reguliere bruggen. De brug wordt verder hydraulisch aange- dreven. Het val - het beweegbare gedeelte - wordt om de draai-as in evenwicht gehouden met een uniek systeem, bestaande uit een rechtopstaande scharnierende ballastmast die met een pendelstaaf overeind wordt gehouden. Kortom: spelen met de wetten van de natuur.

Bij de uitwerking naar een realiseerbaar, onderhoudbaar en betrouwbaar functionerend technisch ontwerp, moesten alle onderdelen nauwkeurig op elkaar worden afgestemd om aan de hoge vormgevingseisen te kunnen voldoen. Het architectonisch concept was bindend. Een prachtige brug, maar met zeer krappe marges.

Mooie oplossingen voor moeilijke vraagstukken

Iv-Infra moest werken met een nauwkeurigheid (tolerantie) van 5 millimeter. Het referentieontwerp vanuit architect René van Zuuk mag met recht ambitieus genoemd worden. Niet alleen vanwege de uitstraling. Alle draaipunten en bewegende onderdelen van de brug zijn volledig weggewerkt onder kappen die samenvloeien met de aansluitende constructiedelen. Maar ook op mechanisch vlak is die ambitie terug te zien. De brug opent en sluit in vloeiende vormen, waarbij de ballastmast bij opening naar het val toe beweegt en samen tot stilstand komt in een hoek van 85 graden. Wanneer de Prins Clausbrug sluit, blijven de ballastmast en het val de eerste 45 graden van de sluiting bij elkaar, waarna de ballastmast zich opricht. Bijna als een choreografie.

Het mechanisme

Het val, de ballastmast en de pendelstaaf bewegen als een mechanisme. De ballastmast is met draaipunten gekoppeld aan de hoofdliggers van het val. Als het val in beweging komt, beweegt het draaipunt van de ballastmast in een cirkelvorm om de hoofddraaipunten. De pendelstaaf houdt de ballastmast overeind en is daarbij via het bovendraaipunt aan de ballastmast gekoppeld en onderaan verbonden aan de aanbrug door middel van een draaipunt. Hiermee oefent de pendelstaaf zowel horizontale als verticale belasting uit op het onderste draaipunt.

Draaipunten

Alles rondom de Prins Clausbrug draait om de afwerking en de vloeiende bewegingen. De bewegende delen van de Dordtse oeververbinding over het Wantij zijn scharnierend verbonden met de vaste delen van de brug. De bewegende delen draaien bij het openen en sluiten om zes draaipunten: twee draaipunten waar het val om draait, twee waarmee de onderzijde van de ballastmast is verbonden met de staart van het val. Dan is er nog het draaipunt waarmee de pendelstaaf aan de bovenkant is verbonden met de ballastmast en tot slot het draaipunt waarmee de pendel is verbonden met de oostelijke aanbrug.

Het ontwerp van deze draaipunten was niet universeel: ieder draaipunt heeft een eigen, specifieke toepassing met bijbehorende inpassingsproblematiek, waardoor de punten verschillend zijn ingevoerd. De twee draaipunten waarmee het val met de betonnen kelder is verbonden, zijn voorzien van zelfinstellende tonlagers: een robuust en zwaar belastbaar type wentellager. Dit vanwege de hoge belasting op deze draaipunten.

Dat geldt ook voor de draaipunten die de ballastmast met de staart van het val verbinden. Deze punten dragen bijna volledig de 300 ton wegende massa van de ballastmast. Ook deze zijn voorzien van zelfinstellende tonlagers.

Het draaipunt tussen de ballastmast en de pendelstaaf krijgt minder belasting te verduren. Daarom is er in het ontwerp gekozen voor een lager, die minder onderhoudsgevoelig is: een bolscharnierlager met een vezelversterkte kunststof-voering. De vierde variant betreft het draaipunt tussen de pendelstaaf en de aanbrug. Ook hier gaat het om een bolscharnierlager, vanwege de relatief geringe lagerkrachten. Net als bij het bovenste draaipunt, zijn de kopse kanten van de as weggewerkt achter wegneembare stalen deksels.

Bestand tegen hoog water

Beide aandrijfcilinders van de brug mogen gezien worden en staan daarom buiten de kelder opgesteld. Vanaf de oostelijke zijde van de brug is de werking van de cilinders duidelijk zichtbaar bij openen en sluiten van de brug. Wanneer het Wantij incidenteel hoog staat, kunnen zowel de keldervloer als de cilindervoeten die daarop afsteunen, onder water komen te staan. De cilinder van de brug is voorzien van een speciale coating die uitermate geschikt is voor onder water. Het draaipunt aan de bodemzijde is voorzien van een dubbele afdichting en is volledig met vet gevuld. Als de brug gedeeltelijk langdurig onder water staat, heeft dat dus geen negatieve invloed.

Het architectonisch ontwerp, gecombineerd met de technische uitwerking en de uitvoering, waren reden genoeg om de fiets- en voetgangersbrug te nomineren en uiteindelijk tot winnaar van de Nationale Staalprijs te kronen. Een imposante brug die beeldbepalend is geworden voor Dordrecht met een nog nooit eerder toegepast type bewegingssysteem. De Prins Clausbrug vormt een belangrijke schakel in de toekomstige snelfietsroute tussen het historisch centrum en de Merwelanden en Papendrecht en Sliedrecht.

Britte van Kortenhof, Michel Koop en Arjen Zorgdrager, Iv-Infra

Nieuw soort stormvloedkering voor de San Luis Pass (Texas)

De Shade Curtain Barrier

Veel kusten in de wereld hebben een verhoogd risico op overstromingen door onder andere zware stormen en bodemdaling. In de toekomst zal het overstromingsrisico aan de kust waarschijnlijk verder toenemen als gevolg van stedelijke ontwikkeling en zeespiegelstijging. Voor het risicogebied Galveston Bay Area (Texas, Verenigde Staten) heeft de USACE (United States Corps of Engineers) een plan ontwikkeld om het risico op overstromingen te verminderen. Over de wereld zijn er verschillende stormvloedkeringen gebouwd en deze hebben bewezen effectief te zijn tegen kustoverstromingen.

Galveston Bay is een semi-ingesloten bassin, dat zowel zoet als zout water bevat. De uitwisseling van water tussen de Golf van Mexico en Galveston Bay vindt voornamelijk plaats via de Bolivar Roads (80 procent) en voor 20 procent via de San Luis Pass1 (zie figuur 1). Het huidige plan van de overheid voorziet alleen in het afsluiten van Bolivar Roads met een stormvloedke- ring. De San Luis Pass wordt opengehouden vanwege het ecosysteem. Echter, tijdens een orkaan kan het openlaten van de San Luis Pass nog steeds resulteren in een aanzienlijke stijging van het waterpeil in Galveston Bay2. Daarom is in een afstudeeronderzoek3 aan de TU Delft een mogelijk ontwerp voor een stormvloedkering in de San Luis Pass uitgewerkt. Het onderzoek omvatte ten eerste een functieanalyse van de San Luis Pass, gevolgd door een analyse van de geschiktheid van de bestaande stormvloedkeringen. Dit liet zien dat er voor deze locatie een nieuw type stormvloedkering nodig is; en dit heeft geleid tot de Shade Curtain Barrier.

De functieanalyse van de San Luis Pass

De San Luis Pass is een unieke inlaat omdat het een van de weinige inlaten is in de regio met duinen en zandbodems, in plaats van harde constructies als bodem- en oeverbescherming. Mensen houden ervan om hier te komen om te vissen en te genieten van het strand. Daarnaast heeft het een unieke sediment dynamiek met erosie en sedimentatie, hierdoor varieert het bodem niveau door de tijd heen en per locatie. Verder is er een brug over de San Luis Pass die vervangen moet worden in de nabije toekomst. Figuur 2 laat de huidige brug over de San Luis Pass zien.

De eisen voor de specifieke locatie zijn bepalend voor het ontwerp van een stormvloedkering. Als eerste is het belangrijk dat de kering een minimale impact heeft op het lokale ecosysteem, wat inhoudt dat er minimale invloed is op het getij en de sedimentatie. Dit betekent dat een vaste en/of harde drempel niet wenselijk is. Ten tweede is minimale visuele impact op het landschap gewenst door het recreatieve gebruikt van de locatie. Een bevestiging aan de brug zou dus gunstig zijn. Ten derde moet de kering te opereren zijn bij verschillende omstandigheden: orkaanwinden kunnen snel draaien en hierdoor plots leiden tot een negatieve stijghoogte. Dit is belangrijk om rekening mee te houden

Analyse voor een mogelijk ontwerp binnen de bestaande stormvloedkeringen

Uit een analyse van de verschillende bestaande typen stormvloedkeringen bleek dat geen ontwerp voldeed aan alle eisen voor de San Luis Pass. Het was niet mogelijk om een type kering te vinden die een minimale impact had op het ecosysteem, de sedimentatie en het landschap. De dynamische bodem zorgt ervoor dat, voor minimale impact op het ecosysteem, er geen vaste drempelhoogte kan worden vastgesteld.

De bestaande type keringen hebben dit echter wel nodig. Hierdoor ontstond de behoefte aan een nieuw type kering.

De Shade Curtain Barrier

De Shade Curtain Barrier functioneert als een (extreem sterk) rolgordijn; onder extreme omstandigheden rolt het naar beneden en houdt dit de stormvloed tegen, terwijl het onder normale omstandigheden opgerold onder de brug hangt. De belangrijkste voordelen zijn dat er een minimale visuele impact op de omgeving is en er is nauwelijks invloed op de natte doorstroomoppervlakte, dus er is minimale invloed op het achterliggende ecosysteem. Mogelijk is er geen (of beperkte) harde bodembescherming met vaste drempel nodig.

Figuur 3 laat het principe van de Shade Curtain Barrier zien. De Shade Curtain Barrier bestaat uit een flexibel membraantextiel, een zinklood, een kabel en een roterende as. Het flexibele membraantextiel heeft twee functies: het voorkomt dat het water de Galveston Bay instroomt en het beschermt tegen piping, omdat het functioneert als geotextiel dat de kwelweglengte vergroot en bodemerosie tegengaat. Het flexibele membraantextiel is al beschikbaar. Het is bestand tegen de krachten die optreden tijdens een 1/100 per jaar storm en kan onder negatieve stijghoogte worden geopend. Het zinklood houdt het flexibele membraantextiel op de bodem en de kabels voorkomen dat het beweegt. De roterende as bewaart het flexibel membraantextiel onder de brug onder normale omstandigheden en kan de vereiste lengte aanpassen onder orkaanomstandigheden.

Experimenten

In het waterlab op de TU Delft zijn experimenten uitgevoerd om te kijken of het principe van de Shade Curtain Barrier ook daadwerkelijk werkt. De experimenten zijn uitgevoerd op een harde en een zandige ondergrond. De harde ondergrond experimenten toonden aan dat het principe van de Shade Curtain Barrier werkt. Het water werd tegengehouden, waardoor een waterhoogteverschil ontstond. Dit verschil zorgde ervoor dat het horizontale flexibele membraantextiel waterdicht op de bodem wordt gedrukt, waardoor een harde constructie op de bodem niet nodig is. Het experiment op een harde ondergrond toonde ook aan dat horizontale kabels gunstiger zijn voor het noodzakelijke gewicht van het zinklood dan kabels onder een hoek, om zo opdrijving van het zinklood te voorkomen. Figuur 4 toont een doorsnede van het experiment op een harde ondergrond. In deze figuur is te zien dat aan er aan de linkerkant hoogwater is en aan de rechterkant laagwater en dat het flexibele membraantextiel dit water tegenhoudt.

De experimenten op een zandige ondergrond toonden aan dat er geen piping optrad als de horizontale lengte van het flexibele membraantextiel over de bodem twee keer het waterverschil was. De zandige ondergrond experimenten toonden ook aan dat de belangrijkste aandachtpunten piping en uitschuring aan de zijkanten van de flexibel membraantextiel zijn. Wanneer deze volledig waterdicht waren, werd er bij de experimenten geen uitschuring of piping geconstateerd aan de zijkanten. Er is nog wel meer onderzoek nodig, onder andere voor het maken van waterdichte zijkanten op werkelijke schaal en de daarbij horende krachten op deze zijkanten.

De Shade Curtain Barrier is een veelbelovend type stormvloedkering gebleken voor de San Luis Pass en vormt daarmee een interessante aanvulling op het USACE-plan voor bescherming van de Texaanse evenals voor andere kustgebieden. Wel is nader onderzoek nodig om de werking en veiligheid van dit type kering nader te onderbouwen.

Ir. M.M.J. (Malou) van Schaijk, Arcadis

Prof.dr.ir. S.N. (Bas) Jonkman, Technische Universiteit Delft

Dr.ir. E.C. (Erik) van Berchum, Arcadis

Dr. J. (Jens) Figlus, Texas A&M University

References

1 Lester, J., & Gonzalez, L. (2011). State of the bay: A characterization of the Galveston Bay ecosystem, Third Edition (tech. rep.).

2 Texas A&M University Galveston (2021). Chapter 4. Consequences of Leaving San Luis Pass Open (tech. rep.).

3 Van Schaijk, M.M.J. (2022). The Shade Curtain Barrier: A conceptual design for a storm surge barrier at the San Luis Pass in Galveston Bay, Texas, United States of America.

4TSHA Texas State Historical Association. (2017). Galveston Bay.