Nieuwe zakelijkheid brengt sluisnoviteit

Geplaatst op 23 april 2020 om 13:33 uur
Nieuwe zakelijkheid brengt sluisnoviteit
Laten we ze maar meteen noemen: een segmentdeur en een elektrohydraulische aandrijving – de twee belangrijkste innovaties in de nieuwe schutsluis bij Eefde die deze week werd geopend. Want hoe belangrijk de sluisnoviteiten ook zijn, visueel vallen ze in het niet bij de witgepleisterde hefportalen van de oude sluis die sinds 1933 fungeert als Poort van Twente. Letterlijk zelfs. Want de nieuwe sluiskolk ligt onder het maaiveld.

Sluis Eefde ligt aan de IJssel bij het begin van het Twentekanaal en staat bekend als de Poort naar Twente. De sluis is gebouwd in de stijl van de Nieuwe Zakelijkheid en uitgevoerd met hefdeuren. Vandaar dat het rijksmonument die twee witgepleisterdehefportalen heeft. Het Twentekanaal werd destijds aangelegd voor de aanvoer van kolen en grondstoffen voor de Twentse textielindustrie. Als tweede functie had het kanaal het afvoeren van overtollig water uit lokale riviertjes.

 

sluisSinds de jaren dertig staan de hefportalen van Sluis Eefde als wachters aan de toegang tot het Twentekanaal. Foto: Rijkswaterstaat


Maar tijden veranderen. De schutsluis werd te klein - ondanks de status van de textielindustrie, het gebruik van kolen en het afvoeren van overtollig water dat nu eerder het binnenlaten van IJsselwater is. Het capaciteitstekort zorgde voor wachttijden voor de scheepvaart van meer dan een half uur. En ondertussen had de sluis dringend groot onderhoud nodig. aarom is een tweede sluis(kolk) aangelegd die geschikt is voor schepen van 110 bij 11,4 meter en een vaardiepte van maximaal 3,5 meter. Dit werk is uitgevoerd door de vof Lock-to-Twente (L2T) die bestaat uit Croonwolter&dros en Mobilis TBI. De vof Hollandia Infra kreeg de opdracht voor het ontwerp en realisatie van de sluisdeuren en bewegingswerken. Hollandia Services draagt zorg voor 27 jaar onderhoud van deze onderdelen.

 

Innovaties

Zo kenmerkend als de witgepleisterde hefportalen zijn, zo onzichtbaar zijn de innovaties in de Noordersluis: een segmentdeur aan de zijde van het Twentekanaal die in geopende stand verborgen ligt in de bodem van de sluiskolk en een elektrohydraulische aandrijving. Die gebrekkige zichtbaarheid is overigens geen toeval. Gezien de monumentale status van het huidige complexmoet het uiterlijk ongewijzigd blijven. Daarom ‘verdwijnt' de uitbreiding onder het maaiveld en blijft het karakteristieke aanzicht van de heftorens onveranderd.

 

beeld In kerende toestand voorkomt de segmentdeur dat water uit het Twentekanaal de sluiskolk instroomt. Staat de deur op een kier dan kan het water gecontroleerd de sluiskolk inlopen. Zijn de waterniveaus in kanaal en kolk gelijk, dan kan de segmentdeur doordraaien en in de bodem van de sluis verdwijnen. Beeld: Hollandia Infra
 

Segmentdeur

Nu is een segmentdeur op zich geen noviteit. Ook niet voor Hollandia Infra dat de keermidddelen voor het nieuwe sluiscomplex heeft ontworpen en bouwt. Inclusief bewegingswerken want binnen het Hollandia-concern zijn zij verantwoordelijk voor de nieuwbouw van ‘bewegend staal'. In de jaren negentig van de vorige eeuw heeft Hollandia bijvoorbeeld de segmentdeuren voor de Maeslantkering in de Nieuwe Waterweg gebouwd. Van recenter datum is de segmentdeur in de Ipswich Tidal Barrier, die in februari vorig jaar werd opgeleverd. En de segmentdeur voor de Boston Barrier. Om verwarring te voorkomen: het gaat om Boston in het graafschap Lincolnshire dat in het oosten grenst aan de Noordzee.


Overigens bleek uit onderzoek dat destijds in 1925 voor Sluis Eefde al naar een segmentdeur is gekeken. Welke afwegingen zijn gemaakt om toch voor die nu markante oplossing met hefdeuren en hefportalen te kiezen bleek helaas niet meer te achterhalen.

 

Noodfunctie

Nu zijn zowel de segmentdeuren in de Maeslantkering als de segmentdeuren in Ipswich en Boston gebouwd om bij extreme waterstanden overstromingen van het achterland te voorkomen. Ze gaan dus ook maar een enkele maal dicht. De kans dat een sluiting met een functionele test te maken heeft, is groter dan een calamiteit. Waarom wordt nu specifiek bij dergelijke ‘noodkeringen' vaak gekozen voor een segmentdeur? Dat heeft te maken met hun vorm. Segmentdeuren hebben door hun bolle vorm de belangrijke eigenschap dat de krachten van het opstuwende water radiaal worden geconcentreerd op het draaipunt van de deur. De deur ‘balanceert' dus op de draaipunten. Het resultaat is dat de deur met een relatief kleine zijwaartse kracht an worden gesloten. Dat is in geval van een calamiteit een welkome zekerheid die traditionele puntdeuren en hefdeuren niet bieden.

 

56De bolle vorm concentreert de krachten radiaal op de draaipunten van de segmentdeur. Met een relatief kleine zijwaartse kracht is de deur ook op sterk opstuwend water ltijd te sluiten. Beeld: Hollandia Infra

 

Net even anders

Nu heeft ook de segmentdeur in de Noordersluis een noodfunctie. Maar wel net even anders. Het niveauverschil tussen IJssel en Twentekanaal is namelijk flink. Het niveau in het Twentekanaal wordt door gemalen boven de 10 m gehouden. Maar de waterstand n de IJssel wisselt tussen de 2 en 4 m NAP. Dan heb je te maken met een gemiddeld niveauverschil van 7 m. Stel nu dat de segmentdeur aan de kant van Het Twentekanaal is geopend en een vrachtschip de sluiskolk binnen vaart. Door een calamiteit aan oord ramt het schip de reguliere puntdeuren die zich aan de IJsselzijde bevinden. Met
als resultaat dat de puntdeuren compleet zijn vernield en de sluiskolk niet meer is af sluiten. Dit zou betekenen dat onmiddellijk het Twentekanaal begint leeg te lopen in de IJssel. En met dat hoogteverschil gaat dat hard, binnen 1,5-2 dagen is het hele Twentekanaal leeg. De krachten die dan optreden zouden het vrijwel onmogelijk maken om reguliere puntdeuren en hefdeuren nog gesloten te krijgen. Overigens is als extra maatregel om een aanvaring met de puntdeuren te voorkomen - mocht een schip de sluiskolk binnenvaren en niet tijdig stilliggen - een slagboom voor de puntdeuren geplaatst.

 

Drijflichaam

Maar dat geldt dus niet voor een segmentdeur die ondanks de stroming en het grote verval dan toch altijd kan worden gesloten. Daar komt nog bij dat de constructie van de segmentdeur in Eefde zelf ook een bijdrage aan het sluiten levert. De 50 ton zware deur s namelijk een holle hermetisch gesloten constructie. Dankzij de opwaartse kracht heeft het ondergedompelde drijflichaam van zichzelf al de neiging om omhoog te komen. De ruimte is onderverdeeld in zes compartimenten en de helft daarvan moet al lek zijn om het drijfvermogen van de deur teniet te doen. Dit extra zetje bij het sluiten is natuurlijk sowieso welkom. Want de segmentdeur in de Noordersluis heeft dan wel een noodfunctie, maar ook een reguliere functie. Dit betekent dat voor het schutten van schepen de segmentdeuren per dag zeker een keer of twintig moeten worden geopend en gesloten. Hoe eenvoudiger dat gaat en hoe minder energie dat kost des te beter uiteraard. Want het is namelijk ook de bedoeling een energieneutrale nieuwe sluiskolk op te leveren, die zijn energie van zonnepanelen op het sluisplateau krijgt.

 

vulmosselDe ‘vulmossel' in de segmentdeur maakt het mogelijk de sluiskolk gecontroleerd vol te laten lopen door de segmentdeur maar een paar graden te kantelen. Foto: Constructeur 

 

‘Vulmossel'

Nu is het in Nederland de eerste keer dat een dergelijke segmentdeur in een reguliere sluis wordt toegepast en dus niet alleen als noodkering. In Duitsland is dat gebruikelijker maar wordt er eigenlijk geen gebruik gemaakt van een hermetisch afgesloten onstructie zoals in Eefde. Een sluiskolk is bedoeld om twee stromen met een afwijkende waterstand met elkaar te verbinden en dus moet je dat niveau nivelleren.

 

In Duitsland worden in hoofdzaak segmentdeuren gebruikt met afsluitbare nivelleeropeningen. Hier stroomt het water door om te zorgen dat het peil aan beide zijden van de deur gelijk komt te staan. De bolle vorm die van de zijkant van de segmentdeur in Eefde een vloeiende curve beschrijft, verbergt eigenlijk een even vloeiend vormgegeven holte die van de voorzijde wel zichtbaar is: de vulmossel. De vulmossel bevindt zich in de gesloten situatie aan de onderzijde van deur. Is een schip van de IJssel de kolk ingevaren en moet het water op kanaal niveau worden gebracht, dan volstaat het om de segmentdeur letterlijk op een kier te zetten. Het water kan dan gecontroleerd de sluiskolk binnenstromen via een zogeheten woelkelder. Vanuit de woelkelder stroomt het via een weerstandsrooster de kolk in. Beide voorzieningen zijn bedoeld om te voorkomen dat het water te veel deining en stroming in de kolk veroorzaakt. De schepen moeten wel blijven liggen. Zijn de waterniveaus gelijk zijn dan kan de segmentdeur verder naar beneden worden doorgedraaid. Het schip kan als de deur veilig verzonken is in de vloer van de sluiskolk over de deur het Twentekanaal opvaren.

 

Onderhoudsstand

De segmentdeur beweegt en sluit af langs stalen ingestorte sponningen. De deur is aan de bolle zijden voorzien van een kunststof afdichting. Het gaat om een actieve afdichting die tijdens de beweging nauwelijks tot geen contact maakt met de stalen profielen om slijtage te voorkomen. De waterdruk zorgt er voor dat de afdichting wordt aangedrukt. Ook aan de bodemzijde is een kunststof afdichting aangebracht die tegen een drempelprofiel aandrukt. De afdichtingen hebben een levensduur van minimaal 10 jaar. Maar zo'n afdichting kan ook tussentijds beschadigd raken. Bijvoorbeeld door een boomtak of een fietswiel dat moedwillig in de kolk wordt gegooid. Dergelijk onderhoud wordt lastig als de deur zich geheel of gedeeltelijk onder water bevindt en dat is nu net het enige nadeel deze segmentdeur: het voortdurende contact met water. Hoe doe je dat dan met onderhoud, bijvoorbeeld om de afdichting te vervangen? Daar is uiteraard aan gedacht. De segmentdeur wordt aan één zijde aangedreven met behulp van een elektrohydraulische aandrijving. De cilinder is via een stangenmechanisme met de deur verbonden. Door het mechanisme te wijzigen, kan de slag van de cilinder twee keer gebruikt worden waarmee de segmentdeur niet de reguliere 90° maar 180° wordt doorgedraaid. Het resultaat is dan dat de hele deur uit het water is.

 

infraAanpassing aan het stangenmechanisme maakt het mogelijk de segmentdeur geheel boven water te krijgen voor bijvoorbeeld nderhoudsdoeleinden of inspectie. Beeld: Hollandia nfra 

 

Deuraandrijvingen

Net zoals deze segmentdeur in een schutsluis een primeur is voor Nederland geldt dat dus ook voor de elektrohydraulische actuator die de segmentdeur en de puntdeuren openen en sluiten. In eerste instantie informeerde Hollandia Infra bij Bosch Rexroth naar elektromechanische oplossingen voor de aandrijvingen. De vraag rees echter of dat de juiste oplossing was. Voor de aandrijfkrachten die bij Eefde nodig waren liep dit type actuator met een schroefspindel tegen zijn maximale kunnen aan. Wrijvingskrachten bij een schroefspindel lopen op bij grote krachten en de lengte van de spindel wordt beperkt door de knikfactor. Daarnaast is een schroefspindel niet bestand tegen een stootbelasting. Zelfs bij een minimale aanvaring tegen de deur is de kans op schade aan de spindel groot en herstel en uitwisselen van een vastzittende spindel is niet snel gedaan.

 

Voor Eefde bleek dat in elk geval voor de segmentdeur de elektromechanische oplossing geen soelaas zou bieden. Nadeel bij een conventionele hydraulische installatie is dat de cilinders aangedreven worden door een hydraulisch aggregaat. Een forse installatie die middels leidingwerk gekoppeld is aan de cilinder.En als iets beperkt is op bouwplaats Eefde, dan is het wel ruimte. De Electro Mechanische cilinders zomaar vervangen voor reguliere hydrauliek was niet mogelijk, maar de nieuwe SHA actuators van Bosch Rexroth boden uitkomst. Deze techniek zat al in het standaard programma van Bosch, maar nog niet als grote actuators en nog niet voor de Infra wereld.

 

rexrothOp advies van Bosch Rexroth zijn voor de aandrijving van zowel de segmentdeuren als de puntdeuren in de nieuwe Noordersluis elektrohydraulische actuatoren gebruikt. Beeld: Bosch Rexroth 

 

Energiezuinige oplossing

Vanuit de Bosch Rexroth-vestiging in Boxtel is daarom gestart met een elektro-hydraulische oplossing voor Eefde. ‘Boxtel' heeft ervaring met standaard hydraulische cilinders met slaglengten tot 27 meter maar bij deze nieuwe SHA cilinders wordt een heel andere techniek gebruikt. De cilinder zelf heeft een nagenoeg eigen gesloten systeem waarbij de olie enkel van de ene kant van de zuiger naar de andere kant van de zuiger gepompt wordt. Hierdoor is tien tot twintig keer minder olie nodig en wordt de toepassing van een groot hydraulisch reservoir en extern leidingwerk en aggregaat overbodig. Een compacte ‘plug&play powerbox' met servomotor en hydraulische pomp boven op de cilinder pompt de olie op en neer waardoor de zuiger beweegt. beweging. Dankzij dit ruimtebesparende concept hoeft de sluis niet voorzien te worden van een ruimte verslindende kelder met aggregaat. Bovendien is de nieuwe techniek 25 procent efficiënter ten opzichte van traditionele systemen, en draagt de aandrijving zodoende bij aan het minimale energieverbruik van de sluis. De hydraulische opzet is bovendien zo dat sprake is van vierkwadrantenbedrijf en de aandrijving ook zelf energie kan opwekken. De cilinder drijft daarbij de pomp aan en omdat het een frequentiegeregeld systeem is kan dan energie worden teruggewonnen en aan het net worden geleverd. Bij Eefde beweegt de segmentdeur, door zijn opwaartse energie, vanzelf omhoog en moet de cilinder de eur tegen houden. Deze beweging kost geen energie maar levert energie op.

 

Voordelen

Eigenlijk is de snelheid de enige beperking die het elektrohydraulische concept kent. Wil je een hoge snelheid dan moeten de pompen daarin voorzien. Maar je wilt natuurlijk het compacte ontwerp niet vol moeten bouwen met pompen. De voordelen prevaleren. et leidingwerk van centraal aggregaat naar de cilinder komt te vervallen. Dat geldt eveneens voor de slangen en slangverbindingen van dit leidingwerk met de bewegende cilinder. Ook het werk op locatie wordt minder. De complete actuatoroplossing kan bijna eheel worden afgenomen in de fabriek. Geen centraal aggregaat, een gesloten systeem en minimaal leidingwerk betekent ook minder olie. Het gaat ruim geschat om 100 liter per cilinder in Eefde. Des te minder olie in geval van een calamiteit ook weg zou kunnen lekken.

 

De elektrohydraulische oplossing leent zich ook in sterke mate voor standaardisatie. Met een in vermogen beperkt aantal powerboxen kan bijvoorbeeld een hele reeks cilinders van energie worden voorzien. Geen complete ‘engineer-to-order'. Minder componenten betekent tevens minder mogelijkheden tot falen. Maar ook is het door de eenvoud van het systeem eenvoudiger installaties ook in de toekomst aan de dan geldende stand van de techniek aan te passen.

 

Puntdeuraandrijving

Ook de puntdeuren zijn voorzien van de SHA cilinders. Hydrauliek heeft ook hier de voorkeur omdat bij lichte aanvaringen de klappen kunnen worden opgevangen. Beter dan een spindel in een elektromechanische oplossing. Behalve de dempende eigenschappen van hydrauliek bij een aanvaring, kunnen ook veiligheidsventielen worden geopend bij overdruk. Hier kan de olie via een overstort worden afgevoerd en kan de cilinder worden ingedrukt. Hierbij wordt de sluisdeur dan wel geopend maar wordt schade voorkomen. En toch zitten er ook kleine compacte elektromechanische actuatoren in de puntdeuren. Die hebben nog steeds een belangrijke functie. Ze bedienen de nivelleerschuiven in de puntdeuren. Essentieel bij het nivelleren van het waterniveau en zo om het schepen via de Poort van Twente de toegang te verlenen tot de IJsse.

 

downArtist impression van de puntdeuren in de nieuwe Noordersluis met de elektrohydraulische actuatoren die de deuren openen en sluiten. Het wegmeetsysteem voor de cilinders is zichtbaar aan de buitenzijde. Nog net te zien zijn de verticale elektromechanische actuatoren voor de nivelleerschuiven. De slagboom is een extra barrière om aanvaringen met de deur te oorkomen. Beeld: Bosch Rexroth 

 
© Engineersonline.nl