Klotsen in een balgstuw

Abstract

In Ramspol, tussen het Ketelmeer en het Zwarte Meer, wordt een balgstuw gerealiseerd. Dit is een constructie die bestaat uit een rubberen balgdoek ingeklemd in een betonnen drempel, die gevuld wordt met lucht en/of water. De balgstuw bij Ramspol wordt een van de grootste ter wereld en een ander bijzonder punt is dat de vulling bestaat uit een combinatie van lucht en water. Tijdens extreem hoge waterstanden wordt de balgstuw gesloten en voorkomt zo dat aan benedenstroomse zijde (Zwarte Meer) de waterstanden te hoog worden. De statische belasting van de kering bestaat uit het verval over de kering, de dynamische belasting bestaat uit een golfbelasting van bovenstroomse zijde (Ketelmeer). Door de golven beweegt de balgstuw heen en weer, door deze beweging kan het water in de balg in opslingering komen. Dit verschijnsel wordt klotsen genoemd (Engels: sloshing). De hoofdvraag in deze afstudeerstudie is: Hoe groot is de opslingering van het water in de balgstuw (klotsen) door een golfbelasting? En hoe kan de opslingering van het water in de balgstuw beperkt worden? Om deze vraag te kunnen beantwoorden is er een mathematisch model ontwikkeld, die het klotsen in de balg bij een bepaalde golfbelasting bepaald. Met behulp van dit klotsmodel wordt bepaald hoe het klotsen verandert bij andere randvoorwaarden. Balgstuw Ramspol bestaat uit een balgdoek van rubber en aramide ingeklemd in een betonnen drempel. De vulling bestaat uit lucht en water. In het Waterloopkundig Laboratorium zijn fysische modelproeven uitgevoerd om de werking van de balgstuw te testen. De golfproeven worden gebruikt om een analyse te maken van de beweging van de balgstuw en om het uiteindelijke klotsmodel te toetsen. HBW heeft een mathematisch model ontwikkeld voor de vorm van de balgstuw in de statische toestand, het model is later uitgebreid met de vormverandering t.g.v. een golfbelasting. Dit model wordt gebruikt voor de analyse van de beweging van de balgstuw en bij de bepaling van modelparameters. Uit de analyse voor de beweging van de balgstuw volgt dat het balgdoek aan beide zijden (boven- en benedenstrooms) roteert om de inklemming. Het bovenstroomse doek is een rechte onder een hoek van 67 graden, het benedenstroomse doek is bol, maar verplaatst als een rechte onder 90 graden. De vervorming van het balgdoek neemt toe met de afstand vanaf de inklemming. Tot aan de waterstand in de balg is de vervorming te verwaarlozen. De stijfheid van de balgstuw is lineair, dit betekent dat bij een evenredige toename van de belasting een evenredige toename van de uitwijkingen optreedt. De schematisatie van de balgstuw wordt gemaakt naar analogie van modellen voor het beschrijven van het klotsen in opslagtanks tijdens aardbevingen. De balgstuw wordt geschematiseerd als een starre staaf met vrijheidsgraden hoekverdraaiing en klotsuitwijking (Uklots). Een rotatieveer in de inklemming (Krot) representeert de stijfheid van de balgstuw. De vloeistof wordt geschematiseerd in twee delen: een star deel (Mstar) dat meebeweegt met de balgstuw en een klotsend deel (Mklots) dat in opslingering komt. Beide hebben een bepaald aangrijpingspunt t.o.v. de inklemming (Hstar en Hklots). De opslingering van de klotsmassa is afhankelijk van de frequentie van belasten, dit wordt in de schematisatie gepresenteerd door een veer met stijfheid (Kklots). De golfbelasting wordt geschematiseerd als een moment dat op de balgstuw uitgeoefend wordt. De verschillende modelparameters worden bepaald met behulp van het mathematische model van de vorm en literatuur. De demping van de beweging van de balgstuw en de demping van het klotsen kan niet apart bepaald worden, deze worden uiteindelijk bepaald door het afstemmen van de resultaten van het mathematisch klotsmodel op de resultaten van fysische modelproeven.