Veelvlakkige portalen

Transcriptie

1 1 De Noord/Zuidlijn en de Nieuwe Leeuwarderweg worden bij Station Buikslotermeerplein bovengronds gedragen door 28 betonnen portalen. De engineering was uiterst complex. Juist om schijnzekerheid te voorkomen, is gekozen voor een onder- en bovengrensbenadering. Complexe berekening Station Buikslotermeerplein Veelvlakkige portalen 42

2 ing. Ally Altman, Jerry Roos en ing. Erwin Horsten Ingenieursbureau Amsterdam 1 Schuine kolommen met oplegnokken foto: Luuk Kramer 2 De constructie bestaat uit twee naast elkaar gelegen viaducten 3 Zowel de doorsnede van de kolommen als die van de liggers verloopt in breedte en hoogte Buikslotermeerplein, het noordelijke eindstation van de Noord/ Zuidlijn, is straks het grootste station in Amsterdam-Noord. De constructie is 230 m lang en bestaat uit twee naast elkaar gelegen viaducten (fig. 2). Daarop komt niet alleen de Noord/ Zuidlijn maar ook de Nieuwe Leeuwarderweg. Tussen de viaducten komt het perron, overkapt met een eenvoudige staalconstructie. Eronder komt de stationshal. Er zijn drie niveaus: niveau 0 (maaiveld, NAP -3,50 m), niveau 1 (NAP) en niveau 2 (NAP +6,15 m, niveau Noord/Zuidlijn en Nieuwe Leeuwarderweg). Niveau 1 is bestemd voor de toekomstige kruising met de IJdoornlaan en de inpassing van het busstation. Complicerende factor was dat nog niet alles van de omgeving bekend was toen de portalen ontworpen werden. Daarom is een aantal eenvoudige constructieve voorinvesteringen gedaan waardoor er ruimte is voor toekomstige ontwikkelingen. Dat zijn een eventuele grote overkapping over het perron, een aan te leggen geluidscherm op het westelijke viaduct en de kruising met de te verleggen IJdoornlaan, inclusief een busstation en stationshal. Voor die toekomstige taak zijn de veertien noordelijke portalen voorzien van verzwaarde kolommen, een sterkere fundering en extra wapeningsstaal. Complex De 28 portalen zijn circa 10 m hoog en 20 m breed. De architect ontwikkelde een veelvlakkige draagstructuur als onderdeel van zijn ontwerp voor station Buikslotermeerplein. Aan een zijde van de portalen lopen de kolommen schuin, aan de 2 andere zijde recht. Zowel de doorsnede van de kolommen als die van de liggers verloopt in breedte en hoogte (foto 3). Dit maakte de constructieve uitwerking tot een complexe opgave. De uiteindelijke krachtsverdeling wordt bepaald door een aantal factoren die in grootte variëren. Zo heeft de stijfheid van de ondergrond een bepaalde spreiding. Dat geldt ook voor de stijfheid van de constructie: die varieert tussen de delen die wel of niet gescheurd zijn berekend. 3 43

3 glijoplegging glijoplegging elementen in kolom met scheurvorming 4a 4b Betrokkenheid IBA bij Noord/Zuidlijn Het maken van een aantal zeer gedetailleerde berekeningen legt de gevoeligheid van de constructie onvoldoende vast en zou een schijnzekerheid in de resultaten tot gevolg hebben. Daarom is voor de krachtsverdeling in de portalen gekozen voor een onder- en bovengrensbenadering. Daarvoor zijn twee modellen toegepast: inklemming en scharnier. Modellen In model inklemming is de schuine kolom van het portaal ingeklemd in de fundering en is de ligger glijdend opgelegd op de rechte kolom (fig. 4a). De constructie is statisch onbepaald: de krachtsverdeling is dus afhankelijk van de onderlinge stijfheidverhoudingen van de bovenbouw en de mate van inklemming in de fundering. Het model geeft de maximale waarde voor het moment bij de voet van de schuine kolom en genereert een krachtsverdeling in de bovenbouw afhankelijk van de mate van inklemming in de fundering. In model scharnier is de inklemming van de schuine kolom in de fundering vervangen door een scharnierende verbinding (fig. 4b). Deze situatie is statisch bepaald, waardoor de onderlinge stijfheidverhoudingen van de bovenbouw geen invloed meer hebben op de krachtsverdeling in de portalen. Dit model geeft een maximaal veldmoment in de ligger. Al sinds de start van het project in 1994 is Ingenieursbureau Amsterdam (IBA) betrokken bij de Noord/Zuidlijn. IBA is actief op drie deelprojecten; het noordelijke en zuidelijke deel van het traject en alle tijdelijke maatregelen langs het gehele tracé van de Noord/Zuidlijn. IBA is voor het noordelijke deel verantwoordelijk voor de bouw van twee stations, een stuk tunnel en de aanleg van een aantal viaducten. Een clusteropdracht die IBA volgens planning gaat opleveren in Ook de realisatie van het zuidelijk deel van de Noord/Zuidlijn loopt op schema. Eind 2010 moet 90 tot 95% van de ruwbouw van het zuidelijke deel zijn voltooid. Berekeningswijze Door de statische onbepaaldheid van de inklemmingsvariant is de krachtsverdeling afhankelijk van de stijfheidverhoudingen. Deze bestaan uit de stijfheid van de betonconstructie en die van de fundering. De stijfheid van de constructie wordt bepaald door de vorm van de doorsnede en het al dan niet gescheurd zijn van het beton. De stijfheid van de fundering wordt beïnvloed door die van de palen, de koppeling tussen paal en funderingspoer (scharnier of inklemming, beide gevallen zijn doorgerekend) en de grondparameters. De berekeningen zijn uitgevoerd met een hoge en een lage waarde voor de horizontale beddingconstanten van de grond. Hoewel deze punten leiden tot een niet-lineair constructiegedrag met name scheurvorming en plastisch gedrag van de grond is ervoor gekozen de hoofdconstructie lineair uit te rekenen. Het portaal is als raamwerk berekend, de fundering is daarbij ingevoerd als een aantal veren. Onder- en bovengrens De oplegreacties uit de raamwerkberekening zijn als belasting in een paalfunderingprogramma ingevoerd. Hierin zijn eveneens het palenplan en de hoge en lage waarden voor de beddingconstanten van de grond ingevoerd. Aan de hand van verplaatsingen en rotaties is vervolgens de resulterende veerstijfheid van de fundering bepaald. De bepaalde veren zijn weer in de raamwerkberekening ingevoerd, net zolang totdat de uit het paalfunderingprogramma berekende veerstijfheid voldoende overeenkwam met de in de raamwerkberekening gebruikte waarden. Op deze manier is er een onder- en bovengrens bepaald voor de veerstijfheden van de fundering. De funderingsberekeningen zijn gemaakt met het programma paalf, dat het plastisch gedrag van de grond verwerkt. Die grond wordt in de raamwerkberekening geschematiseerd tot een lineaire veer, waarvan de veerstijfheid overeenkomt met de tangentwaarde van de niet-lineaire veer in het werkpunt. Op overeenkomstige wijze is de scheurvorming in de constructie benaderd: bereken het portaal ongescheurd; bepaal waar het scheurmoment overschreden wordt; reduceer voor de gescheurde elementen de stijfheid; bereken de constructie opnieuw. 44

4 4 Model inklemming (a) en model scharnier (b) 5 De omhullenden van de momentenlijnen uit de verschillende modellen M rep = 4930kNm M rep = 4930kNm M rep = 14612kNm M rep = 18864kNm inklemming scharnier 5 Validering In de berekening is een aantal aannamen gedaan met betrekking tot de verschillende stijfheden. Dit zijn conservatieve aannamen zodat het zeker is dat de werkelijke krachtsverdeling inderdaad tussen onder- en bovengrens ligt. Tijdens de uitvoering zijn de horizontale verplaatsingen van de portaalliggers gemeten en vergeleken met de berekende waarden. Inderdaad lagen de werkelijke verplaatsingen binnen de berekende waarden. Het gebruikte rekenmodel is daarmee gevalideerd. Herhalingsmetingen zijn gedurende de bouw regelmatig uitgevoerd. Tabel 1 geeft een samenvatting van de gemeten waarden op relevante tijdstippen te weten bij ontkisting van de portaalligger (plaatsing portaal) en na het aanbrengen van de dekken inclusief de rustende belastingen. Gezamenlijk geeft dit een totaal van circa % van de totale belasting op de constructie. De tabel geldt voor de reguliere portalen (zonder oplegnokken). De gemeten waarden zijn een gemiddelde van de ingemeten portalen. lineaire effecten is goed te bepalen. Hierdoor ontstaat een beter inzicht in de gevoeligheden van de constructie. In figuur 5 zijn de omhullenden van de momentenlijnen uit de verschillende modellen weergegeven. Uitvoering De portalen zijn in twee soorten te verdelen: standaard en verzwaard. Die laatste groep is voorzien van oplegnokken. Deze zijn gemaakt door de onderste 3 m van de portalen verzwaard uit te voeren. Op deze nokken kunnen in de toekomst betonnen platen worden gelegd voor de aanleg van een busstation, de verlegde IJdoornlaan en verblijfsgebied. De fundering van de standaardportalen bestaat uit geprefabriceerde betonnen palen 450 x 450 mm 2 met een lengte van circa 16,5 m met daarop een 1,5 m hoge betonnen poer. De betonpalen hebben een kopwapening van 8 Ø25. Onder de voet van de verzwaarde portalen staan stalen funderingspalen met een diameter van 560 mm2 en een lengte van circa 17 m. De stalen buispalen hebben een gesloten voet en zijn gevuld met verdicht zand. De bovenste 3,5 m is gevuld met beton en heeft een kopwapening van 8 Ø32. Wapeningsdichtheid De slankheid van de schuine kolommen in combinatie met de grote belastingen leidt tot een grote wapeningsdichtheid. Die is dusdanig hoog dat een standaard uitvoering niet mogelijk was. Wapeningsstekken zouden uit de poer moeten steken en vervolgens zou de wapening van de kolom met overlappinglassen op de poer moeten worden aangebracht. In plaats daarvan rekenmodel Portalen De vormgeving van de portalen is nauwkeurig overgenomen uit het ontwerp van de architect. Deze specifieke, verlopende vormen beïnvloeden de stijfheidverhouding tussen kolom en ligger, en daarmee de krachtsverdeling in het portaal. Een groot deel van de belasting, zo n 85 %, bestaat uit eigengewicht, zodat de scheurvorming vrijwel vast lag en er weinig onderzoek nodig was naar de mate van scheurvorming bij verschillende belastingcombinaties. Door deze werkwijze was het verloop van het rekenproces zeer overzichtelijk. Weliswaar vereist het meer handwerk, maar de invloed van de afzonderlijke, nietberekend berekend gemeten gemeten plaatsing portaal plaatsing dekken incl. rustende belasting scharnier inklemming - hoge veerstijfheid inklemming - lage veerstijfheid plaatsing portaal plaatsing dekken incl. rustende belasting Tabel 1 Berekende en gemeten horizontale verplaatsingen in mm van de portaalliggers zonder oplegnokken 45

5 6 Voor de schuine kolommen is gekozen voor 10 m hoge, geprefabriceerde wapeningskooien 6 projectgegevens opdrachtgever Dienst Noord/Zuidlijn architect Benthem Crouwel Architecten engineering Ingenieursbureau Amsterdam aannemer BAM Civiel is voor de schuine kolommen gekozen voor 10 m hoge, geprefabriceerde wapeningskooien (foto 6). Na het aanbrengen van het onderwapeningsnet van de poeren is deze kooi op dit onderwapeningsnet gesteld. Vervolgens is de rest van de wapening van de poer gevlochten. Na voldoende verharding is vervolgens een stalen prefab bekisting rondom de wapeningskooi geplaatst en kon de schuine kolom worden gestort. Bij de verzwaarde kolommen werd deze prefab bekisting in tweeën gedeeld. Eerst werd met een omhullende stalen bekisting het onderste deel van de kolommen gemaakt. Daarbinnen werden met behulp van houten kisten de diverse verzwaringen uitgekist. Na het storten van het onderste deel van de kolom werd vervolgens het tweede deel van de stalen kist aangebracht, net als bij de standaard kolommen. Balk De portaalbalk is ter plaatse van de schuine kolom momentvast verbonden en bij de kruiskolom glijdend opgelegd. Ook deze verlopende balk is dermate slank dat het aanbrengen van de benodigde wapening uiterst lastig was. Om te onderzoeken of alle benodigde wapening wel paste, zijn tijdens de engineeringfase 3D-modellen gemaakt. Daarbij bleek dat de standaardwapeningsdiameters uit de balk liepen en niet passend te maken waren. Uiteindelijk is gekozen voor wapeningsstaal Ø63 bepaald niet standaard voor ter plaatse gestort beton. Dit bleek na veel passen en meten wél geschikt. Deze staven konden niet worden gebogen in een gewone buigcentrale. Daarom is uitgeweken naar een scheepswerf waar dergelijke diameters niet bijzonder zijn. 46