thema Eerste toepassing Hi-Con-balkons in Nederland 20 Ultradunne 6 2012 Ultradunne balkons
1 ir. rogier van nalta Pieters Bouwtechniek tommy Bæk Hansen Msc phd Hi Con A/S, Denemarken 1 Hi Con balkons in het project Amber in Delft In een samenwerkingsverband tussen Pieters Bouwtechniek en het Deense Hi-Con is een Nederlands systeem van ultradunne balkons ontwikkeld. Om een al bestaand Deens systeem ook in Nederland toe te kunnen passen, moesten rekenmethoden en constructieprincipes echter ingrijpend worden aangepast naar de Nederlandse voorschriften en bouwpraktijk. De balkons zijn voor het eerst toe gepast in het woningbouwproject Amber in Delft. Op het dunste punt zijn ze slechts 65 mm dik. Het vervaardigen van dunne balkons was één van de eerste projecten van de in 2008 opgerichte innovatieafdeling van Pieters Bouwtechniek. Aanleiding voor het project waren de nadelen die werden ondervonden bij de huidige betonnen balkons. Een traditioneel betonnen balkon is 250 à 300 mm dik met schrobranden, gootjes en hemelwaterafvoer (hwa). Het balkon wordt ofwel vastgestort aan de vloer, eventueel met een koudebrugonderbreking, ofwel opgelegd op consoles. De nadelen van deze balkons zijn groot. Voor de bewoners resulteren alle noodzakelijke gootjes en schrobranden, waar geen stoelpoot kan staan, in een kleiner bruikbaar oppervlak. Vanwege de enorme afmetingen zijn veel grondstoffen nodig. Ook het transport is niet optimaal omdat er maar weinig balkons op een vrachtwagen kunnen. Vaak is het zelfs zo dat de balkons de zwaarste onderdelen op de bouwplaats zijn en daarmee bepalend voor de kosten van de kraan. Daarnaast is het gewicht ook van invloed op de constructie van het gebouw: de vloeren, de wanden en ook de fundering worden zwaarder door het balkongewicht. Grootste impact heeft het gewicht van een balkon echter op de verbinding met de vloer. Deze moet zo klein mogelijk zijn om een koudebrug te voorkomen, maar voor de zware balkons zijn juist grote en sterke verbindingen nodig met dure koudebrugonderbrekingen. balkons Ook op de architectuur van een gebouw hebben de balkons vaak een grote invloed. Er wordt veel tijd en aandacht besteed aan de steenkeuze en detaillering van het metselwerk, maar vervolgens komt op iedere verdieping een dikke grijze balkonof galerijplaat te hangen. Streepvorming en vervuiling van het oppervlak versterken door de jaren heen de impact op het gevelbeeld. Ultradunne balkons 6 2 0 12 21
thema 2 Het meest toegepaste balkon is 7,2 m breed met vier nokken van 600 mm breed 3 Traditioneel balkon versus ultra dun balkon 4 Detailtekening van de aansluiting van de balkons met de achterliggende vloer ter plaatse van de aanstortnokken 2 Ultradun balkon Het nieuw te ontwikkelen balkon moest een grote sprong voorwaarts zijn in vergelijking met de huidige balkons. Als doel werd gesteld het ontwerpen van een 80 mm dun balkon dat binnen de lagenmaat van de gevel zou passen. Na een onderzoek naar het meest geschikte materiaal werd al snel duidelijk dat ultra high performance concrete (UHPC, in het Nederlands meestal UHSB, ultra-hogesterktebeton, genoemd) het meest kansrijke materiaal was. UHPC geldt al jaren als één van de beloften voor de bouw door een superieure combinatie van sterkte, stijfheid en duurzaamheid; aspecten die van groot belang zijn om een dun balkon te kunnen ontwerpen. Nadat een eerste balkonontwerp was gemaakt, is contact gezocht met professor Walraven van de TU Delft. Hij gaf aan dat de Deense producent Hi-Con reeds ervaring had met dunne balkons in Denemarken. Dit bedrijf vervaardigt de balkons met Compact Reinforced Composite (CRC), een vezelversterkt UHPC. In eerste instantie leidde dit tot een lichte teleurstelling; iemand anders bleek immers al dunne balkons te hebben gerealiseerd. De Deense balkons konden echter niet zomaar in Nederland worden toegepast. In Denemarken gelden immers andere regels en wordt op een ander manier gebouwd. Zo legden de Denen bijvoorbeeld tot voor kort balkons met handjes bovenop de betonconstructie, iets wat in Nederland niet kan vanwege koudebruggen en minder dikke vloerafwerking. Daarop besloten Pieters Bouwtechniek en Hi-Con een samenwerkingsverband aan te gaan om een nieuw balkon te ontwerpen voor de Nederlandse markt. De Deense principes werden hierbij aangepast voor de Nederlandse regelgeving en bouwpraktijk. Bevestiging Voor de Hi-Con-balkons zijn diverse bevestigingssystemen ontworpen. Eén van de problemen die moesten worden opgelost, was het hoogteverschil tussen balkon en constructieve vloer. De bovenkant van een balkon moet gelijk liggen met de bovenkant van de afgewerkte vloer, die meestal 50 tot 90 mm hoger ligt dan de constructieve vloer. Door de grote dikte van traditionele balkons is er altijd wel een overlap tussen constructie en balkon. Bij een Hi-Con-balkon is er vanwege de geringe dikte geen overlap meer met de constructieve vloer. Hierdoor ontstaat een complexe aansluiting. Het hoogteverschil en de aansluiting met de vloer moeten worden opgelost binnen de geringe ruimte van de spouw. Om dit mogelijk te maken en om de krachten uit het balkon over de vloerrand te spreiden, worden de balkons met verscheidende nokken vastgemaakt. De balkons kunnen na de ruwbouw worden bevestigd, maar het meest toegepast is het systeem waarbij de nokken direct aan de vloer worden vastgestort (fig. 4). Hemelwaterafvoer Een belangrijk aspect van het ontwerp is het verloop van de balkondoorsnede. De meeste traditionele Nederlandse balkons hebben hwa en een afschot naar de gevel. In dit geval was het doel om de balkons zo dun mogelijk te maken. Niet alleen om esthetische redenen, maar ook om zo veel mogelijk van het relatief dure materiaal te besparen. Vanuit dat oogpunt was het logisch om het afschot van de gevel af te laten lopen en geen hwa s toe te passen, maar het water direct over de rand te laten lopen. In eerste instantie was iedereen sceptisch over deze uitvoering, maar na bestudering van de normen bleek dit gewoon toegestaan. Daarnaast bleek er nog een aantal andere voordelen aan deze oplossing te zitten. Zo worden problemen 22 6 2 0 12 Ultradunne balkons
3a 3b als verstopte afvoeren en afnemend afschot door kruip van de balkons voorkomen. Maar het belangrijkste voordeel is het grotere nuttige oppervlak van de balkons en de galerijen, doordat er geen goten en opstaande randen aanwezig zijn. Door de omkering van het afschot konden de balkons uiteindelijk een dikte krijgen van 90 mm bij de gevel, verlopend naar 65 mm aan de uiteinden. Project Amber Het project Amber in de wijk Poptahof in Delft is het eerste project in Nederland waarbij Hi-Con-balkons zijn toegepast. Dat kon dankzij een enthousiaste opdrachtgever, de goede samenwerking in het ontwerpteam en een innovatieve aan nemer. Het ontwerp van Amber leende zich goed voor dunne balkons en de opdrachtgever was zeer te spreken over het niet nodig zijn van hwa s. Samen met de aannemer is vervolgens een methode bedacht om de balkons al in de ruwbouwfase aan te brengen. Door de snelle bouwtijd en eenvoudige verbinding scheelde dit aanmerkelijk in de kosten. normaal beton te maken, hebben de nokken een overgangsrand die in de vloer is gestort. Door de nokhoogte in de spouw te minimaliseren en de nokken te verspreiden over de vloerrand is de koudebrug geminimaliseerd tot een aanvaardbare afmeting. Er zijn twee hoofdtypen balkons toegepast in het project: standaard balkons en galerijen met een uitkraging van 1,975 m en grote balkons met een uitkraging van 2,6 m. Beide typen maken gebruik van het principe van de 600 mm brede aanstortnokken. Voor het project Amber zijn CRC-mengsels gebruikt met een sterkte van 110 tot 150 N/mm 2 en vezelpercentages tussen 2 en 4% (oftewel 157 en 314 kg/m 3 ) in combinatie met traditionele wapening in de nokken en een wapeningsnet in de plaat. Bij traditionele balkons worden meer dan twee aanstortnokken, die ook nog eens nabij het midden van de overspanning zijn geplaatst, meestal vermeden. Er ontstaat namelijk een statisch onbepaald systeem en doordat de stijfheid van traditionele In Denemarken worden balkons meestal aan een prefab constructie bevestigd, maar in dit geval werd de constructie getunneld. De bekisting van de vloeren wordt hierbij de dag na het storten ontkist. Het beton heeft dan een minimale sterkte van 14 N/mm 2. Deze sterkte kan, net als de stijfheid, in de praktijk echter flink variëren, afhankelijk van het weer en het tijdstip van ontkisten. De exacte doorbuiging van de vloer en de hieraan hangende balkons is dus lastig te voorspellen. Meestal wordt het meenemen van balkons in het tunnelproces daarom zoveel mogelijk voorkomen. In eerste instantie is dan ook een ontwerp gemaakt van een verbinding waarbij de balkons later konden worden aangebracht. Om de bouwkosten te verlagen, werd echter besloten om deze verbinding te vereenvoudigen door de balkons gelijk mee te nemen in het tunnelproces. 65 metselwerk Hi Con balkonplaat afschot 15 mm/m 1 1600 10 90 25 136 127 135 85 60 220 isolatie kalkzandsteen dekvloer 300 50 20 Het resultaat is een balkon dat met 600 mm brede nokken, h.o.h. 1,8 m, vastzit aan de vloer. De grootste balkons van 7,2 m breed zitten met vier nokken vast aan een 300 mm dikke vloer van C28/35 (foto 2 en fig. 4). Om de overgang van UHPC naar 4 100 40 100 100 ihwg betonvloer Ultradunne balkons 6 2 0 12 23
thema 5 Het testbalkon belast met twaalf zandzakken van 1,5 ton (in totaal 18 ton), wat neerkomt op vijf keer de ontwerpbelasting van 300 kg/m 2 5 prefab balkons al snel hoger is dan van de aansluitende vloer, leidt dit ertoe dat de vloer aan het balkon gaat hangen in plaats van andersom. Bij tunnelbouw wordt dit nog eens versterkt door de lage ontkistingssterkte van de vloer. In dit geval zijn de balkons ontworpen met een grote stijfheid in de uitkragende richting en een veel geringere stijfheid in de dwarsrichting. Hierdoor kunnen de balkons de vervorming van de vloer volgen tijdens het tunnelproces zonder dat dit tot krachten in het balkon leidt. De balkons zijn uiteindelijk op een verlengde tunnelkist gelegd. Uit metingen bleek dat de balkons de zeeg van de tunnel volgden en na ontkisten meevervormden met de vloer. Proefbelasting Om het tunnelbouwproces met de balkons en het ontwerp te testen, is vooraf een volledig casco met twee balkons gemaakt en vervolgens beproefd. Hiermee konden de sterkte en stijfheid worden aangetoond en kon de nauwkeurigheid van de berekeningen worden geverifieerd. In deze proef zijn twee full-size balkons van 7,2 m lang en met een uitkraging van 1,975 m meegestort in het tunnelproces. Na uitharding van het beton zijn de balkons belast met zandzakken van 1500 kg per stuk. Eerst is een volledig balkon belast tot vijf keer de ontwerpbelasting van 300 kg/m 2 (foto 5). Daarna is een deel van het tweede balkon met één nok losgezaagd en belast met acht keer de ontwerpbelasting. Bij de maximale belasting werden haarscheuren in de consoles en doorbuiging van het balkon zichtbaar. Zelfs deze extreme belasting leidde echter niet tot bezwijken van het balkon of de verbinding met de vloer. De doorbuiging van de vloer en het balkon is gemeten vanaf de start van de bouw tot en met de belasting van de balkons. De metingen lieten ook zien hoe de constructie vervormde gedurende het tunnelproces. Opmerkelijk was dat de vloer door het verwarmen van de tunnel eerst omhoog boog door de uitzet- ting van de stalen bekisting. De metingen zijn vergeleken met de Deense en de Nederlandse berekeningen volgens de Eurocode (fig. 6). De metingen lieten een goede correlatie zien met de berekeningen, zowel qua gedrag voor de constructie als voor de balkons. Beide methoden overschatten de doorbuiging, waarbij de Nederlandse methode iets conservatiever is dan de Deense. Balustrades De balustrades aan de balkons zijn bevestigd met RVS instortankers in de 65 mm dikke rand van de balkons (foto s 7 en 8). Omdat uit eerdere trekproeven bleek dat bij berekeningen volgens de voorschriften de sterkte van de ankers zwaar werd onderschat, is een aantal trekproeven uitgevoerd om de werkelijke sterkte aan te tonen. Hieruit bleek inderdaad dat de ankers niet bij de berekende 30 kn ontwerpbelasting bezweken, maar pas bij 90 kn. Hiermee werd aangetoond dat, ondanks de minimale dikte van de balkons en zelfs bij zeer kleine randafstanden, balustrades veilig kunnen worden bevestigd met instortankers. De vezels maken het mogelijk om grote ankerkrachten op te nemen en zeer ranke balustrades te ontwerpen. Uitlijning van de balkons Bij traditionele balkons van 300 mm dik is een hoogteverschil tussen balkons nauwelijks zichtbaar. De Hi-Con-balkons zijn echter slechts 65 mm dik, waardoor ieder verschil in uitlijning direct zichtbaar is. Om dit te voorkomen zijn de balkons direct na ontkisten van de tunnel aan de uiteinden met elkaar gekoppeld met een stalen plaat. Door het kruipgedrag van CRC nemen de krachten op de koppelplaten snel af. Na twee tot drie maanden kon de tijdelijke koppelplaat al worden verwijderd. Verder is er bij het ontwerp van de balustrades rekening mee gehouden dat de voetplaat van de balusters kon worden gebruikt om kleine verschillen tussen balkons recht te trekken. Door de uitermate zorgvuldige uitvoering is dit laatste echter nauwelijks nodig gebleken. Ondanks de geringe toleranties waren de balkons in de ruwbouw al zeer goed uitgelijnd. 24 6 2 0 12 Ultradunne balkons
0-2 P bag 6 Vergelijking van de berekende en de gemeten doorbuiging 7 Subtiel vormgegeven balustrades 8 Extra aandacht is besteed aan de uitlijning van de 65 mm dunne randen -4-6 -8 3 zakken (gemiddeld gemeten waarden) EC2 DK, 3 zakken EC2 NL, 3 zakken 6-10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Compact Reinforced Composite Compact Reinforced Concrete (CRC) is een ultra high performance concrete (UHPC) dat is ontwikkeld door Aalborg Portland A/S in 1986 [1]. CRC heeft een zeer hoge druksterkte (tussen 100 en 400 MPa) en een extreem hoge duurzaamheid. De toevoeging van een grote hoeveelheid staalvezels aan het mengsel (tussen 2 en 6 vol.%) zorgt voor een zeer taai materiaal en maakt het mogelijk wapening dicht op elkaar te plaatsen met een kleine dekking. Het beton is hierdoor niet alleen zeer sterk (en is dus niet alleen een ultra-hogesterktebeton), maar is ook zeer taai en duurzaam. Constructies van CRC kunnen hierdoor worden ontworpen met zeer kleine doorsneden en tegelijkertijd een hogere veiligheid en langere levensduur hebben dan die van conventioneel beton. De samenstelling van CRC kan worden gevarieerd door verschillende typen toeslagmaterialen en verschillende typen en hoeveelheden vezels toe te passen. Het vezelaandeel wordt per project bepaald, afhankelijk van de benodigde taaiheid van het materiaal. Voor het project Amber is gekozen voor beton met een lichte kleur in combinatie met hoge kwaliteit RVS vezels. Dit laatste om roestvorming van de vezels op het oppervlak van de witte balkons te voorkomen. De vezels zitten namelijk overal verspreid en hoewel roestvorming beperkt blijft tot het oppervlak en geen consequenties heeft voor de duurzaamheid, leiden roestende vezels wel tot ontsiering van het uiterlijk. Hi-Con heeft meer dan tien jaar ervaring in het ontwerp en de fabricage van dunne balkons, trappen en kolommen in Dene- 7 8 Ultradunne balkons 6 2 0 12 25
thema De tweede reden is het gebrek aan goede documentatie over de materiaaleigenschappen van UHPC. Waar bij traditionele betonsoorten de materiaaleigenschappen tot in detail bekend zijn en onafhankelijk zijn van de leverancier, is dit bij UHPC niet het geval. Ieder UHPC is in feite een uniek materiaal, waarvan alle eigenschappen moeten worden bepaald. Zo zijn de eigenschappen van het CRC van Hi-Con niet vergelijkbaar met andere typen UHPC, ook niet als ze dezelfde kubusdruksterkte hebben. Voor een goede toepassing van UHPC is het van belang dat alle materiaaleigenschappen van het toegepaste UHPC-mengsel van te voren bekend zijn. Niet alleen de korteduurdruksterkte, maar vooral ook de sterkte, stijfheid en duurzaamheid op de lange termijn. Alleen dan is het mogelijk om ranke constructies in agressieve omgevingen te realiseren. marken. CRC is onderzocht en getest in een groot aantal internationale onderzoeksprojecten op het gedrag bij buiging, afschuiving, corrosie, vermoeiing, brandwerendheid, krimp en kruip. Het materiaal is tot nu toe slechts beperkt buiten Denemarken toegepast. 9 Een belangrijk onderdeel van de samenwerking tussen Hi-Con en Pieters Bouwtechniek bestond uit het vertalen van de Deense ervaring in documentatie die kon worden geaccepteerd door de Nederlandse toetsingsinstaties. Goedkeuring van de Hi-Con-balkons is mogelijk gemaakt door de combinatie van reguliere voorschriften met uitgebreid materiaalonderzoek. Voor het ontwerp van de Hi-Con-balkons is zoveel mogelijk uitgegaan van de Eurocodes. Slechts op een aantal punten is hiervan afgeweken om goede toepassing van het materiaal mogelijk te maken. Was dit niet gedaan, dan zouden de balkons UHPC en regelgeving Met UHPC kunnen zeer ranke constructies in de meest agressieve omgevingen worden gerealiseerd. In de praktijk blijkt het echter niet eenvoudig om dit soort constructies door toetsende gemeenten goedgekeurd te krijgen. Dit heeft twee redenen. De eerste reden is het gebrek aan goede regelgeving. Dit maakt het moeilijk voor een constructeur om de veiligheid en de duurzaamheid van een ontwerp aan te tonen. Internationaal wordt er al jaren gewerkt aan een UHPC-norm door de fib Task Group TG 8.6 Ultra High Strength Concrete (zie ook artikel UHSB op weg naar regelgeving, elders in dit nummer). Daarnaast zijn er de Franse Ultra high performance fibrereinforced concretes Interim recommendations van AFGC/SETRA uit 2002 en de Duitse Ultrahochfester Beton Sachtstandsbericht 2008 van het Deutscher Ausschuss für Stahlbeton. De Franse norm is op dit moment de meest geavanceerde, maar erg gericht op het uitvoeren van proeven om per project de exacte materiaaleigenschappen vast te stellen. In bijzondere gevallen kunnen de kosten die hiermee gepaard gaan worden geaccepteerd (zie bijvoorbeeld de projecten van de Franse architect Rudy Ricciotti, elders in dit nummer beschreven in het artikel UHSB, toekomstmuziek? ), maar voor veel constructies is dit niet haalbaar. Literatuur 1 Bache, H.H., Compact reinforced composite: Basic principles. CBL Report No. 41, Aalborg Portland, pp. 87, Aalborg 1987. 2 Nielsen, C.V., Presentation of cyclic load tests of rebars anchored in steel fiber reinforced high strength composite: Fatigue of concrete structures (ed. L.P. Hansen). Department of Building Technology and Structural Engineering, Aalborg University, pp. 65 71, Aalborg 1993. 3 Andrade, M.C., Frias, M. & Aarup, B., Durability of ultra high strength concrete: Compact reinforced composite. BHP96 Fourth International Symposium on Utilization of High Strength/High Performance Concrete, Paris 1996. 4 Nielsen, C.V., Olesen, J.F. & Aarup, B., Effect of fibers on the bond strength of high strength concrete. BHP96 Fourth International Symposium on Utilization of High Strength/High Performance Concrete, pp. 1209 1218, Paris 1996. 5 Klinghoffer, O., Aarup, B., Effect of microcracks on durability of ultra high strength concrete. Fourth International Symposium on Corrosion of Reinforcement in Concrete Construction, Cambridge 1996. 6 Aarup, B., Jensen, B.C., Bond properties of high strength fibre reinforced concrete: Bond and development of reinforcement. ACI publication SP 180, pp. 459 472, 1998. 7 Juvas, K., Jumppanen, U.M. & Aarup, B., High performance concrete at high temperatures, Proceedings of Nordic Concrete Research Meeting, Reykjavik 1999. 26 6 2 0 12 Ultradunne balkons
9 De grootste balkons hebben een uitkraging van 2,6 m 10 De dunne balkons zonder hwa s zorgen voor een slank en rustig gevelbeeld onnodig zwaar en daarmee onbetaalbaar zijn geworden. De afwijkingen van de Eurocodes konden worden onderbouwd doordat CRC het oudste gedocumenteerde UHPC ter wereld is. Als gevolg hiervan konden claims over het materiaalgedrag op langere termijn ook daadwerkelijk worden bewezen. Conclusies Door nauwe samenwerking tussen Pieters Bouwtechniek en Hi-Con is het mogelijk geworden de bewezen rekenmethoden en constructieprincipes uit Denemarken aan te passen naar de Nederlandse voorschriften en bouwpraktijk. Hieruit is een nieuw balkonsysteem ontstaan dat geschikt is voor grootschalige toepassing in Nederland. Door nauwkeurige berekeningen in combinatie met uitgebreide materiaaldocumentatie en een full-scale test zijn de sterkte, stijfheid en veiligheid van de balkons en het systeem in het algemeen overtuigend aangetoond. Vanwege het verschil in bouwmethode tussen Denemarken en Nederland moesten de verwachtingen van alle partijen op elkaar worden afgestemd. Door nauwe samenwerking en een oplossingsgerichte houding van alle partijen zijn praktische problemen opgelost en zijn de balkons verworden tot de parels van het gebouw. projectgegevens project Amber, Delft opdrachtgever Woonbron Ontwikkelbedrijf, Rotterdam ontwerp Mecanoo Architecten i.s.m. architectenbureau CHANGE.NL, Delft constructieadviseur Pieters Bouwtechniek, Delft uitvoering ERA Contour, Zoetermeer leverancier balkons Hi Con, Hjallerup (DK) oplevering eind 2012 10 Ultradunne balkons 6 2 0 12 27