Zwaar en toch lichtvoetig

Transcriptie

1 thema De bouw van de hoogste woontoren van Nederland nadert zijn voltooiing. Deze 158 m hoge toren verrijst samen met het ernaast gelegen Arthouse aan de kade van de Rijnhaven op de Wilhelminapier in Rotterdam. Dit zware gebouw is gewoon met prefab palen op de eerste zandlaag gefundeerd. Door de zettingen van de eronder gelegen laag van Kedichem waren bijzondere ontwerpoplossingen nodig om deze eenvoudige fundering mogelijk te maken. Zettingsverschillen New Orleans vragen om bijzondere ontwerpoplossingen Zwaar en toch lichtvoetig Zwaar en toch lichtvoetig

2 1 ir. Jeroen van den Bovenkamp 1 ) en ir. Hilbert-Jan Kuijer DHV BV ing. Theo de Wit Geomet 1 New Orleans wordt de hoogste woontoren van Nederland foto: Tom Wolbrink Het project bestaat uit een woontoren van 158 m hoog met 238 appartementen en het Arthouse met daarin vijf bioscoopzalen en een theaterzaal. Zowel onder de toren als het Arthouse bevindt zich een tweelaagse ondergrondse parkeergarage. De toren staat op een 7 m hoge glazen voet die doorloopt in de gevel van het Arthouse. Deze glazen voet, de zandkleurige natuursteen en de kroon met de luxe penthouses geven New Orleans een mediterrane en lichtvoetige uitstraling. Twee stabiliteitssystemen Een ontwerp voor de eeuwigheid was het uitgangspunt voor de woontoren. Gevolg is een zeer lange technische levensduur van de draagconstructie. Omdat niet is te voorspellen of in de toekomst vraag is naar grotere of juist kleinere appartementen, is een grote mate aan flexibiliteit in de mogelijke woningplat- 1 ) Jeroen van den Bovenkamp is tegenwoordig werkzaam bij Sophia Engineering. Zwaar en toch lichtvoetig

3 thema tegronden gewenst. Om dit te realiseren is ervoor gekozen om slechts in één richting betonwanden toe te passen. Hierdoor zijn plattegronden in de andere richting variabel. Nu zijn er twee woningen per beuk ontworpen, maar dat kunnen er ook vier, drie of één worden, zonder constructieve ingrepen. De constructieve plattegronden zijn hiermee bovendien over nagenoeg de gehele hoogte van de toren gelijk geworden. Als gevolg van deze ontwerpkeuze heeft de toren twee verschillende stabiliteitssystemen. In de ene richting wordt de stabiliteit verzorgd door twee wanden die samen met de wanden rond de functionele kern met daarin de trappenhuizen en de liften een zeer stijve H vormen (fig. 3). In de richting haaks daarop wordt de stabiliteit verzorgd door dezelfde H, echter nu om zijn zwakke as, in combinatie met de raamwerking van de ermee verbonden vloeren en kopwanden. Dit ontwerp maakt niet alleen flexibele plattegrondindelingen mogelijk, maar het is ook zeer geschikt om te tunnelen. De aannemer heeft echter gekozen voor een uitvoering met een klimbekisting (foto 4). Glazen voet Zowel vanuit de architectuur als vanuit het functionele aspect, is het noodzakelijk dat de toren op beganegrondniveau een zeer open karakter heeft. Vanaf niveau -2 tot 3 loopt alleen de kern door en staat de toren op 14 stalen kolommen (fig. 5). Hierdoor kon de glazen voet worden gemaakt, ontstaat er een ruime entree op beganegrondniveau en kon in de parkeerkelder het standaard parkeerstramien, bestaande uit drie parkeervakken van 2,4 m met een maximale kolomafmeting van 0,6 m (3 x 2,4 + 0,6 = 7,8m), worden doorgezet waardoor geen parkeerplaatsen verloren gingen Zwaar en toch lichtvoetig

4 2 De glazen voet, de zandkleurige natuursteen en de kroon met de luxe penthouses geven New Orleans een mediterrane en lichtvoetige uitstraling bron: Vesteda / DPI Animation House 3 In de ene richting wordt de stabiliteit verzorgd door een zeer stijve H, in de richting haaks daarop door dezelfde H, in combinatie met de raamwerking van vloeren en kopwanden Voor de stalen kolommen zijn walsprofielen gekozen in een hoge staalkwaliteit. Dit leidde tot toepassing van het grootste walsprofiel dat in de handel te verkrijgen is (HD400x1086) in staalkwaliteit Histar 460. Een zeer slanke oplossing die tevens goedkoper is dan stalen kolommen opgebouwd uit een samengesteld profiel of veel dikkere staal-betonkolommen. 3 Hogesterktebeton De hoge belasting uit de betonwanden moet worden ingeleid in de stalen kolommen. Hiervoor zijn op niveau 2 en 3 stalen overgangsconstructies ontworpen van circa 3 m lang en 2,3 m hoog (fig. 5). Deze constructies zijn slechts 300 mm dik zodat ze in de 300 mm dikke betonwanden vallen en 2 geen storend effect hebben in de woningen. De overgangsconstructies zijn opgebouwd uit hogesterktestaal en vormen een soort gedrongen I-ligger. Ze concentreren de spanningen in de betonwanden zodat ze in de kolommen kunnen worden geleid. Desondanks kan niet worden voorkomen dat de betonspanningen boven de overgangsconstructies kunnen oplopen tot 56 N/mm 2. De wanden rondom de overgangsconstructies zijn daarom uitgevoerd in hogesterktebeton C90/105. Aan de onderzijde zijn de staalkolommen met een dikke aangelaste voetplaat en vier ankers op de funderingspoer geplaatst. Tijdens de bouw van de funderingspoer zijn ter plaatse van de kolommen uitsparingen (1250 x 1500 mm, 750 mm) in de poer gehouden. Deze uitsparingen zijn met hogesterktebeton (C90/105) gevuld waarmee de grote kolombelasting zodanig wordt gespreid dat de spanningen weer kunnen worden opgenomen door het C35/45 beton van de funderingspoer. Zettingen en opgelegde vervormingen De ondergrond bij New Orleans heeft een karakteristieke Rotterdamse opbouw die hier niet in detail wordt besproken. Belangrijk is wel dat onder de eerste draagkrachtige zandlaag zich de laag van Kedichem bevindt. Deze laag is een overwegend uit klei opgebouwd pakket, afgewisseld met enkele silt- en zandlagen en tevens een dunne veenlaag. De totale dikte bedraagt circa 16 m. Bij New Orleans is gekozen te funderen op de zandlaag boven de laag van Kedichem (fig. 7). De relatief zware woontoren met zijn 300 mm dikke wanden en vloeren heeft een gemiddelde funderingsdruk van circa 600 kn/m 2. Er zijn 310 funderingspalen nodig om deze belasting naar de draagkrachtige ondergrond af te dragen. De keuze te funderen op de zandlaag boven de laag van Kedichem maakte het mogelijk gebruik te maken van prefab funderingspalen 450 x 450 mm. Dit maakte de paalfundering een stuk goedkoper dan een paalfundering met lange, in de grond gevormde boorpalen, die door de laag van Kedichem heen zouden steken. Zwaar en toch lichtvoetig

5 thema 4 Kenmerkend voor de laag van Kedichem is het feit dat deze laag, onder invloed van zware belasting van bovenaf, beduidend zal zetten. De zettingen van de hoogbouw zijn bepaald met behulp van Msettle. De zetting in de Kedichemlaag is berekend op maximaal 165 mm in het midden van de toren, uitgaande van een gemiddelde representatieve gebouwbelasting van 613 kn/m 2 (fig. 6). De belasting is in verband met de stijfheid van de constructie ingevoerd als licht parabolisch verdeeld met een waarde α= 0,75. Dit geeft een gelijkmatiger en realistischer zettingsgedrag van de toren. Desondanks werd een zettingsverschil van circa 45 mm berekend tussen het midden en de rand van de hoogbouwtoren. Doordat de laag van Kedichem een zeer lage doorlatendheid heeft, duurt het vele jaren voordat de korrelspanningstoenames hun definitieve waarde hebben bereikt en het seculaire zettingsproces werkelijk kan plaatsvinden. Voor die tijd nemen wateroverspanningen een belangrijk deel van de belasting op met als gevolg dat het zettingsproces wordt uitgesteld. Daardoor treedt tijdens de ruwbouwfase niet meer dan 30 tot 60% van de eindzetting op. De dikte van de funderingspoer onder de toren is in grote mate bepaald door de beperkingen die vanuit geotechnisch oogpunt werden gesteld aan de maximale ontgravingsdiepte van de bouwput. De twee ondergrondse parkeerlagen en een funderingspoer van 2,5 m dik geven een ontgravingsdiepte tot circa 8 m onder maaiveld. Bij deze ontgravingsdiepte is er nog net verticaal evenwicht van de bouwputbodem, waardoor een kostbare en risicovolle spanningbemaling kon worden voorkomen. Voor het bouwputevenwicht was het daarbij wel nodig dat tijdens het ontgraven grondbermen aan de binnenzijde van de damwand bleven staan. Als gevolg daarvan moest de funderingpoer in twee fasen worden uitgegraven en gemaakt. In verhouding tot de hoogte en de belastingen uit de toren is een 2,5 m dikke betonplaat relatief slap. Hetzelfde geldt voor de 14 HD-kolommen. Hierdoor ontstaan de genoemde zettingsverschillen van circa 45 mm tussen de kern en de randkolommen van de toren. Deze zettingsverschillen geven een opgelegde vervorming aan de constructie van de toren. Door deze vervorming wordt er belasting vanuit de kern van de toren via de H-wanden overgedragen op de HD-kolommen en ontstaan in de funderingspoer zeer grote momenten. Deze momenten zijn dermate groot dat dit niet meer te wapenen is. Dit was naast de eerder genoemde uitvoeringstechnische reden een extra argument de poer uit te voeren in twee delen: een rechthoekig poerdeel en een ringvormig poerdeel eromheen. Het rechthoekige deel ondersteunt de betonnen stabiliteitskern en het ringvormige deel de veertien kolommen. Tussen de twee poerdelen is een stortstrook opengehouden van 2,5 m breed Zwaar en toch lichtvoetig

6 4 De toren is uitgevoerd met een klimbekisting foto: Tom Wolbrink 5 Vanaf niveau -2 tot 3 staat de toren op 14 stalen kolommen. Op niveau 2 en 3 zijn stalen overgangsconstructies ontworpen 6 Grafische voorstelling van de berekende zettingen, met daarin de meest recent gemeten zettingen (meting 31 maart 2010) met een dikte van 350 mm. De stortstrook is pas aangestort nadat de ruwbouw van de toren op hoogte was, zodat een deel van de opgelegde vervorming al was opgetreden. De relatief slappe 350 mm stortstrook hoeft vervolgens slechts te worden gewapend op de opgelegde vervorming die nog ontstaat tijdens de gebruiksfase. 5 Overbelaste kolommen Door de extra belasting op de HD-kolommen als gevolg van de opgelegde vervorming naast de permanente en veranderlijke belasting uit de toren en een aanzienlijke belasting ten gevolge van de wind is de totale belasting op deze kolommen dermate groot dat de draagkracht ervan met circa 8000 kn (15%) zou worden overschreden. Dit is voorkomen door de kolommen met een slimme uitvoeringstechniek pas later te activeren. Tussen bovenzijde kolom en de overgangsconstructie is tijdens het bouwen een ruimte van 60 mm opengelaten. De toren kon zodoende zetten zonder daarbij belasting over te dragen op de HD-kolommen. Op het moment dat de ruwbouw was gevorderd tot de negentiende verdieping en inmiddels 20 mm gezakt was, is de overgebleven ruimte opgevuld. Hierdoor is per kolom eerst 8000 kn via de betonkern afgevoerd naar de fundering zodat hun maximale draagvermogen van kn niet wordt overschreden. De kolombelasting in de zwaarst belaste kolom bestaat door deze uitvoeringsmethode in de uiterste grenstoestand, bij een conservatieve benadering van de Kedichemzettingen, uit 44% permanente belasting en veranderlijke vloerbelasting, 38% windbelasting en 18% permanente belasting door het zettingsverschil. Ongedilateerd Arthouse Onder het eigen gewicht van het Arthouse zou de zetting van de laag van Kedichem verwaarloosbaar klein zijn. De invloed van de zetting onder de toren strekt zich echter uit tot ongeveer halverwege het Arthouse. Voor ontwerpers en bouwers is het lastig om met zettingen om te gaan, nog lastiger is het om met ongelijke zettingen om te gaan binnen één en hetzelfde gebouw. Vaak wordt er een dilatatie aangebracht. Wanneer de zetting het gevolg is van elastische verkorting van de palen en de verplaatsing van de paalpunt om het draagvermogen te ontwikkelen, kan dat een oplossing zijn. Bij de zetting van de laag van Kedichem vindt de zetting in de dieper gelegen grondlagen plaats en levert daarmee een opgelegde vervorming voor de zandlaag waarin de palen van het Arthouse zijn gefundeerd. Dilateren heeft daarom geen enkele zin. De gehele kelderbak en de bovenbouw van het Arthouse zijn dan ook ongedilateerd uitgevoerd. Zoals gezegd vindt een deel van de zetting tijdens de bouwfase plaats en een deel tijdens de gebruiksfase. Eerst de toren bouwen en pas daarna het Arthouse zou om die reden sterk de voorkeur hebben. Dit scheelt wat betreft het zettingsprobleem toch al gauw de helft. Deze bouwfasering zou voor het gehele Arthouse, dus inclusief de parkeerkelder, moeten gelden. In verband met de opleverdatum van het Arthouse, die zelfs voor de opleverdatum van de toren ligt, was dit absoluut onmogelijk. Als gevolg daarvan moest rekening worden gehouden met grote hoekverdraaiingen tussen de toren en het Arthouse. Uit overwegingen van waterdichtheid is een in het werk gestorte vloer met een dikte van 400 mm gekozen. De wapening van deze vloer wordt mede bepaald door de opgelegde vervormingen. Hoe slapper de keldervloer is, des te beter. Door toepassen van een betonsterkteklasse C20/25 is de stijfheid van de vloer zo laag mogelijk gehouden. Ter plaatse van de overgang tussen toren en Arthouse is de hoekverdraaiing dermate groot dat dit niet meer met wapening 6 Zwaar en toch lichtvoetig

7 thema menten in langsrichting niet gewenst. Deze zouden immers onder invloed van zettingen worden gekraakt. Zoals gezegd strekt het gebied waarop de zetting van de toren invloed heeft zich uit tot ongeveer halverwege het Arthouse. In dit gebied is daarom consequent in alle details rekening gehouden met de hoekverdraaiingen die door deze zetting ontstaan. Vooral ter plaatse van de aansluiting aan de toren vinden dermate grote hoekverdraaiingen plaats dat daar in zekere mate scharnierende verbindingen nodig zijn. In verband met de stabiliteit die aan de toren wordt ontleend moet elke vloer wel in langs- en dwarsrichting constructief gekoppeld zijn. Daarentegen maakten zware akoestische eisen het noodzakelijk dat de eerste- en tweedeverdiepingsvloeren akoestisch ontkoppeld moesten zijn van de toren is op te nemen. Om die reden is ook daar een stortstrook gemaakt die pas na gereedkomen van de ruwbouw van de toren is aangestort (fig. 8). De wapening van het betreffende vloerdeel wordt dan alleen beïnvloed door de hoekverdraaiing die het gevolg is van de zetting gedurende de gebruiksfase. De verloren damwand, die tevens een dragende functie heeft, vormt samen met de in het werk gestorte keldervloer en de betonvloer op beganegrondniveau een grote stijve ligger waarbij het lijf uit het damwandprofiel bestaat. Ook deze damwand is niet gedilateerd. De wandligger is berekend op de opgelegde vervorming. De trek- en drukkrachten in de flenzen van de liggers, alsmede de schuifkrachten in het aanhechtvlak tussen damwand en beton gaven geen aanleiding tot extra wapening anders dan de wapening die al nodig was voor de draagkracht van de vloeren en de waterdichtheid ervan. De eerste- en tweedeverdiepingsvloeren zijn uitgevoerd in kanaalplaten op geïntegreerde liggers (fig. 9). Door de liggers scharnierend te verbinden met de toren en op te leggen in schoenen met akoestische oplegrubbers kon aan alle eisen worden voldaan. De derde- en vierdeverdiepingsvloer zijn uitgevoerd in een breedplaatvloer 300 mm dik. Ter plaatse van de aansluiting met de toren zijn de vloeren op een hoeklijn opgelegd met dookwapening alleen in het midden van de vloer (fig. 10). Op deze manier kon zowel de voor stabiliteit noodzakelijke koppeling als het voor de zettingen nodige scharnier worden gerealiseerd. De beganegrondvloer en de vloer op niveau -1 zijn uitgevoerd in kanaalplaten op prefab T-balken. Door in de tand-consoleoplegging voldoende ruimte in de detaillering aan te houden en extra aandacht aan het oplegmateriaal te besteden, kon zonder extra maatregelen met een standaarddetail worden voldaan aan de rotatiecapaciteit die nodig was voor de zettingen. Detaillering Arthouse De constructie van het Arthouse bestaat uit prefab-beton kolommen van begane grond tot derde verdiepingsvloer om zo een flexibele indeling mogelijk te maken. De stabiliteit in langsrichting wordt daarbij volledig door de toren verzorgd. In dwarsrichting wordt de stabiliteit verzorgd door de toren samen met twee wanden. In verband met de laag van Kedichem waren wandele dit gedeelte aanstorten na voltooien hoogbouw ps-schuim oplegvilt poer Arthouse Schrumpf dilatatievoegenband type D320 (o.s.g.) poer hoogbouw Zwaar en toch lichtvoetig

8 7 Karakteristieke sondering met de laag van Kedichem, waarin aangegeven de onderkant van de fundering van de toren en het puntniveau van de palen 8 Ter plaatse van de overgang tussen toren en Arthouse is een stortstrook gemaakt die pas na gereedkomen van de ruwbouw van de toren is aangestort 9 De eerste- en tweedeverdiepingsvloeren zijn uitgevoerd in kanaalplaten op geïntegreerde liggers 10 Ter plaatse van de aansluiting met de toren zijn de vloeren op een hoeklijn opgelegd met dookwapening alleen in het midden van de vloer ProJecTgegevens project Woontoren New Orleans opdrachtgever Vesteda projectmanagement Wilimas Bouwadviseurs BV architect Álvaro Siza Arquitecto, Lda co-architect ADP Architecten adviseur constructies DHV BV adviseur geotechniek Geomet BV heitoezicht Geomet BV aannemer Besix leverancier klimbekisting Peri start bouw zomer 2007 oplevering september 2010 Opzetten fundering Ook al heb je als ontwerper in alle berekeningen en detailleringen rekening gehouden met de opgelegde zettingen, je hebt dan nog geen antwoord op de lastige vraag hoe om te gaan met het hoogteverschil dat door de verschilzetting wordt veroorzaakt. En in dit geval betreft het niet enkele millimeters, maar centimeters! De fundering van de toren moet worden opgezet om te voorkomen dat bij oplevering en in de toekomst het vloerpeil te laag ligt. Echter hoeveel zet men een fundering op waarvan wordt verwacht dat deze in de toekomst in totaal 16 cm zakt, waarvan circa 6 cm gedurende de bouwfase zal plaatsvinden? Daarover is lang en zorgvuldig nagedacht. De eerlijkheid gebied te zeggen dat het constructeursgevoel daarbij een belangrijke invloed heeft gehad. Uiteindelijk is ervoor gekozen de fundering van de toren 90 mm op te zetten. men op de randpoeren zijn geplaatst. Het is daardoor goed denkbaar dat in de komende periode nog herverdeling van belasting naar de randen zal plaatsvinden, waarbij de maximale zetting nog toeneemt maar zettingsverschillen niet of veel minder dan in de afgelopen periode bouwkundige wand Metingen In de fundering van de hoogbouwtoren en aansluitende laagbouwdelen zijn circa dertig hoogtebouten opgenomen voor het volgen van de optredende zettingen en zettingsverschillen. Daarnaast zijn nog circa vijftien hoogtebouten geplaatst in de kademuur waarvan de achterzijde op 1 m van de hoogbouwtoren staat. De metingen zijn gestart in januari Vanaf maart 2009 is de uitvoering van de hoogbouw goed op gang gekomen. Bij de laatste meting in maart 2010 was de ruwbouw nagenoeg gereed en bedroeg de maximale zetting 68 mm (fig. 6). Dat is inclusief de elastische verkorting van de palen en deformatie van de paalpunt die nodig is voor het mobiliseren van zijn draagvermogen. Aangezien we niet kunnen afleiden of op dit moment 30 of 60% of een ander percentage van de Kedichemzetting is opgetreden, is het nog te vroeg om een voorspelling van de eindzetting te doen. Het lijkt er wel op dat de eindzetting iets lager zal worden dan 165 mm principe oplegschoen L 200x200x20 druklaag kanaalplaat akoestisch oplegrubber 1000 schotten 20 mm vrij houden van ligger Nog belangrijker dan de maximale zetting zijn de optredende zettingsverschillen. Ter plaatse van de laagbouw zijn enkele bouten op de millimeter exact op hun beginwaarde uit 2008 gebleven. Dit is mede een gevolg van de opwaartse waterdruk tegen de keldervloer. Tussen rand en midden van de hoogbouw worden nu al naar verhouding grote verschillen gemeten van circa 20 mm. Deze verschillen zijn nagenoeg volledig toe te schrijven aan een verschil in Kedichemzetting. Dit duidt erop dat de belastingspreiding iets minder parabolisch is dan in de Msettle-berekening werd aangenomen. Dat is weer verklaarbaar door de bouwfasering waarin in eerste instantie alle belasting op de kern is geplaatst en pas in een later stadium kolom- DEMU 2020-Ø20/M24 h.o.h 500 mm L 150x150x DEMU 2010-Ø20/M24 h.o.h 500 mm DEMU 3010-Ø16/M20 h.o.h 500 mm Zwaar en toch lichtvoetig