28 thema Bijzondere oplossingen zettingen Bij het project De Rotterdam ontstaan grote zettingen en zettingsverschillen. Dit is onder meer het gevolg van de relatief slappe ondergrond, maar ook van de verspringin- gen en de overstekken in het gebouw. Zo dragen sommige kolommen alleen de laag- bouw en andere ook de hoogbouw. De kolom die het overstek van de hoogbouw draagt, zal veel meer verkorten dan de 8,1 m verder gelegen kern. Zonder maatregelen zouden de zettingsverschillen op diverse punten in het gebouw veel te groot worden. Bovendien kunnen vervormingen in de ondergrond leiden tot een aanzienlijke verschuiving van de belastingafdracht en daarmee van de kolombelastingen. In De Rotterdam moet zowel omhoog als omlaag worden gevijzeld 1 thema Bijzondere oplossingen zettingen 1 2013 29 Bodemopbouw De bodemopbouw in Rotterdam kenmerkt zich in grote lijnen door de aanwezigheid van een dikke kleilaag, de zogenaamde Laag van Kedichem, tussen twee draagkrachtige zandlagen in. Vrijwel alle gebouwen in de stad staan met de palen op de bovenste zandlaag, op circa 25 m diepte. Ieder gebouw dat zo is gefundeerd, ondergaat zettingen door indrukking van de klei­ laag, die op circa 35 m diepte begint. Bij hoogbouw is dat vanzelfsprekend veel meer dan bij normale gebouwhoogten. In theorie kan dit worden voorkomen door te funderen op de tweede zandlaag onder de Laag van Kedichem. Echter, op de locatie van De Rotterdam ontbreekt deze tweede zandlaag vrijwel geheel en is er geen andere keuze dan het gebouw te funderen op de bovenste draagkrachtige zandlaag. Het gevolg hiervan is dat er door de gebouwbelasting in de Laag van Kedichem relatief grote zettingen en zettingsverschillen ontstaan. Om te bepalen welke maatregelen in de hoofddraag­ constructie moeten worden genomen, was een kwalitatieve en kwantitatieve beschouwing van de zettingen noodzakelijk. Studie zettingen Om de invloeden die zettingen hebben op de constructie goed in kaart te brengen, was het noodzakelijk de constructieve en geotechnische invloeden mee te nemen in de analyse, evenals de tijdsafhankelijke fasering van de bouw. Deze analyse is globaal opgebouwd uit vier delen. Berekening ondergrond Eerst is door Fugro een berekening in PLAXIS uitgevoerd. De input voor deze berekening werd gevormd door de resultaten uit de sonderingen, diepe boringen, grondonderzoek op de aldus verkregen monsters en een inschatting van de krachtsverdeling van de constructie, gebaseerd op handmatige berekeningen. De belastingen zijn in de PLAXIS­berekening meegenomen door deze op een betonplaat te plaatsen, in het model op een diepte van NAP ­20 m. Deze betonplaat is een stijfheid meegegeven die gelijk is aan de equivalente stijfheid van de gecombineerde vloeren in het gebouw. Invloeden van kolommen, diagonalen en wanden zijn hierin dus buiten beschouwing gelaten. Op basis van deze bereke­ ning bedroeg de grootste vervorming 50 jaar na oplevering op paalpuntniveau circa 280 mm in het midden van het gebouw en circa 60 mm aan de rand (fig. 2). Zeer grote verschillen dus. 3D-model gebouw Als tweede is nagegaan wat de zettingen voor invloed hebben op de krachtsverdeling binnen het gebouw en wat deze krachts­ verdeling voor invloed heeft op de zettingsverschillen. Hiertoe is met een 3D LFEM­berekening (Linear Finite Element Method) in SCIA Engineer het gehele gebouw gemodelleerd, waarbij de resultaten uit de PLAXIS­berekening zijn gebruikt om een fundering te schematiseren. In het 3D­model is de hoofddraagconstructie gemodelleerd, inclusief de afzonderlijke funderingspalen, afdragend op een grondbedding (fig. 3). Hieruit kwam als resultaat naar voren dat de optredende zettingsverschillen van de ondergrond significant kleiner zijn dan wat uit de eerste PLAXIS­berekening volgde (zetting in het midden van het gebouw circa 170 mm en aan de rand circa 100 mm). Dit is onder meer te verklaren door de aanwezigheid van diagonalen en wanden in het 3D­model, wat leidt tot meer spreiding van de belasting naar de buitenzijde van het gebouw. De prijs die daarvoor moet worden betaald, is de krachts­ toename in deze elementen. Beoordeling bouwfasering Het gecreëerde 3D­model maakte duidelijk dat er constructieve maatregelen moesten worden genomen om de zakkingsver­ schillen nog verder te nivelleren. Het ging hierbij immers niet alleen om zakkingen veroorzaakt door zettingen van de onder ­ grond, maar ook om zakkingen ten gevolge van vervormingen van de gebouwelementen zelf, die in sommige gevallen te hoog opliepen. Het ging vooral om verkortingen van de kolommen door de aanwezige belasting en vervormingen door de uitkra­ gende constructie van de drie torens op circa 90 m hoogte. De hierdoor ontstane zakkingsverschillen zorgden voor grote rota ­ ties in de vloeren, waardoor significante scheurvorming zou kunnen ontstaan in de constructie­elementen, maar ook met diepgaande consequenties voor de bouwkundige afwerking en de gevels. Om de benodigde maatregelen te bepalen, evenals de tijdstippen waarop deze maatregelen moesten worden genomen, is ervoor gekozen om met vijf modellen de bouw­ Bijzondere oplossingen zettingen ir. Jalal Fitoury, ir. Jan Font Freide Corsmit Raadgevend Ingenieurs / Royal HaskoningDHV 1 In De Rotterdam wordt in drie gebieden gevijzeld: in de kelder (omlaag vijzelen) en onder het overstek van de midden- en oosttoren (omhoog vijzelen) 2 Grondvervormingen op basis van de PLAXIS-berekening 2 Bijzondere oplossingen zettingen 1 2013 afstand [m] Cruise terminal De rotterdam Belved?re westtoren middentoren oosttoren zetting [mm] 0 50 100 150 \ 200 250 300 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 eindzetting De rotterdam en Belved?re zetting Belved?re extra zetting Belved?re tgv De rotterdam 30 overhoogte & bouwcorrecties theoretisch ontwerpniveau zettingen & zakkingen vijzelentheoretische vervorming stortniveau op de bouw fundering fase 1 fase 3, 4 en 5 fase 2 3 SCIA Engineer-model van de fundering en de bouwfasen 4 Correctie berekende vervormingen kolom zijn voor elke fase de vervormingen uit het model gecor ­ rigeerd volgens figuur 4. Hierdoor is inzicht verkregen in de verwachte zettingen en vooral in wat de zettingsverschillen zullen zijn tijdens de verschillende uitvoeringsfasen en ook na realisatie van het gebouw. Bepalen constructieve maatregelen De resultaten van deze berekeningen zijn gebruikt om de constructieve maatregelen te bepalen. Dit waren het creëren van overhoogte (zeeg aanbrengen), het door middel van vijze­ len laten zakken van licht belaste kolommen en het door middel van vijzelen verhogen van zwaar belaste kolommen. Deze maatregelen worden verderop nader toegelicht. Het nivelleren van de te verwachten zettingsverschillen, door hier tijdens het storten rekening mee te houden (aanbrengen overhoogten e.d.), is in theorie mogelijk. Daarbij speelt echter wel dat dit soort zettingen de eigenschap hebben om toch van de theoretisch bepaalde waarden af te wijken. Ofwel, het kan meevallen, het kan ook tegenvallen. De resultaten van de zettingsanalyse zijn door alle partijen (zoals de architect, hoofdaannemer, gevelbouwer en installateur) gebruikt voor verdere analyse van de consequenties van de vervormingen op de diverse afbouwcomponenten. fasering (fase 1 t.m. 4) en de levensduur van het gebouw (fase 5) te modelleren (tabel 1). Daarin is de stand van zaken omtrent de ruwbouw, afbouw en veranderlijke belasting meegenomen, evenals het tijdsafhankelijke effect van de grond­ eigenschappen en de betonconstructie (kruip). Zo zijn in fase 1 de kolommen stijver gemodelleerd dan bijvoorbeeld in fase 5. Om de vervormingen van het gebouw per fase te kunnen beoordelen, moesten de berekende vervormingen uit de 3D­modellen worden gecorrigeerd met de bouwcorrecties. Zo houdt de 3D­modellering geen rekening met het feit dat op de bouwplaats vloerniveau x horizontaal wordt gestort, ongeacht de vervormingen van vloerniveau x­1. Tijdens het 'normale' bouwen worden dus bij iedere stort de dan al opgetreden vervormingen automatisch genivelleerd. Per niveau en per Tabel 1 Gecreëerde modellen in SCIA Engineer fase 1 fase 2fase 3fase 4fase 5 bouw ruwbouw t.m. plint t.m. low riset.m. high riset.m. high riset.m. high rise bouw afbouw nee neet.m. low riset.m. high riset.m. high rise variabele belasting nee neeneeneet.m. high rise belasting ondergrond ja jajajaja E-moduli elementen t.m. dak plint: E = E b, 1 jaar t.m. dak plint: E = E b, 2 jaar low rise: E = E b, 1 jaar t.m. dak plint: E = E b, 3 jaar low rise: E = E b, 2 jaar high rise: E = E b, 1 jaar t.m. dak plint: E = E b, 4 jaar low rise: E = E b, 3 jaar high rise: E = E b, 2 jaar t.m. dak plint: E = E b, 50 jaar low rise: E = E b, 50 jaar high rise: E = E b, 50 jaar funderingk fase 1 = 100/18 x k eindfase kfase 2 = 100/35 x k eindfase kfase 3 = 100/53 x k eindfase kfase 4 = 100/70 x k eindfase kfase 5 = k eindfase vijzelennee boven vloer -2boven vloer -2 onder high riseboven vloer -2 onder high risenee 3 4 thema Bijzondere oplossingen zettingen 1 2013 31 hoogteverschillen tijdens stortenhoogteverschillen na zakking kernhoogteverschillen na vijzelen keldervloer -2 vloer -2 vloer -1 vloer -1 vloer -2 vloer -2 vloer -1 vloer -1 vloer -2 vloer -2 vloer -1vloer -1 beganegrond- vloer beganegrond- vloer beganegrond- vloer beganegrond- vloer beganegrond-vloer beganegrond-vloer kern kern kern 100 2 x staalplaat 300 x 120 / 260 x 150 d = 5 mm met daartussen glijfolie h.o.h. 900 mm doken Ø25 in tweede laag, L = 540, 295 mm verzinkt in geribbelde buis Ø50 h.o.h. 450 mm wordt kleiner door vijzelen na laatste vijzelmoment ondersabelen met mortel K50, buis aangieten 5 Aansluiting keldervloer aan kelderwand 6 Principe van het vijzelen in de kelderlaag Genomen maatregelen Zoals gezegd, heeft het in beschouwing nemen van de optre­ dende zettingen en zettingsverschillen in de hoofddraag­ constructie geleid tot constructieve maatregelen zoals het compenseren van vervormingsverschillen door te vijzelen en door het creëren van overhoogte. Kelder Gebleken is dat de kern significant meer zal zakken dan de buitenranden van het gebouw. Om te voorkomen dat tijdens de levensduur van het gebouw ontoelaatbare hoogteverschillen in de vloeren zouden optreden, is de onderste keldervloer een zeeg gegeven, variërend van 200 mm in de kerngebieden tot 140 mm aan de buitenranden van het gebouw. Deze waarden zijn zo bepaald om de zettingsverschillen in de eindsituatie te minimali­ seren, waarbij een kleine overmaat is meegenomen om eventuele hogere zettingen dan berekend op te kunnen vangen. Het peil in de kerngebieden komt in het begin dus 200 mm hoger dan het uiteindelijk gewenste peil. De hoogte van de bovenliggende vloeren wordt bepaald op basis van een referen­ tiepunt in het onderste kelderniveau van de middelste toren. De bovenliggende vloeren worden vervolgens horizontaal gestort, waardoor de gehele vloer een overhoogte krijgt van 200 mm minus de tot dat moment opgetreden zettingen. Voor de bovenliggende vloeren wordt op deze wijze de gemiddeld te verwachten zakking opgevangen, maar niet de zettingsverschil­ len over het vloeroppervlak. De zettingsverschillen worden verkleind door de licht belaste kolommen aan de buitenranden van het gebouw (die alleen het plintgebouw dragen) naar beneden te brengen door middel van vijzelen (fig. 6). Zoals uit figuur 6 is op te maken, worden de buitenste randen van vloer ­1 en 0 (begane grond) naar beneden gevijzeld. Omdat deze vloeren in de kelder op de kelderwand moeten afdragen en doordat de kelderwand niet kan worden gevijzeld, moest hier in de detaillering een speciale aansluiting worden bedacht. Deze aansluiting maakt vijzelen tijdens de bouwfase en tegelijkertijd horizontale krachtsafdracht tussen vloeren en kelderwand mogelijk. Na het laatste vijzelmoment maakt deze aansluiting tevens verticale krachtsafdracht mogelijk tussen vloeren en kelderwand (fig. 5). Impact zettingen op hoofddraagconstructie Door het in beschouwing nemen van de optredende vervor ­ mingen in het 3D­model wijkt de krachtsverdeling in de constructie af van de gemaakte handberekeningen. Om met voldoende veiligheid de reële krachtsverdeling in het gebouw na te bootsen en om de worstcasescenario's per element van de hoofddraagconstructie te bepalen, zijn de eerder gemaakte 3D ­modellen onderverdeeld in drie hoofdmodellen: ? het stabiliteitsmodel (t.b.v. de windbelasting); ? een model bij tijdstip oplevering (fase 4), uitgaande van een hoge inschatting van de stijfheid van de grond (scenario weinig zettingen); ? een model 50 jaar na oplevering (fase 5), uitgaande van het voorspelde zettingsgedrag (scenario veel zettingen). Op basis van deze modellen zijn de worstcasescenario's gevon­ den voor de krachtsverdeling per element. Deze gevonden krachtsverdeling heeft in een aantal gevallen geleid tot wijzigin­ gen in afmetingen van kolommen en de hoeveelheid funde­ ringspalen. Dit heeft vervolgens weer invloed op de stijfheid van de constructie en leidt derhalve tot een aanpassing in de krachtsverdeling. Per saldo zijn deze stappen in een iteratie­ proces verscheidene malen doorlopen, totdat een evenwichts ­ situatie werd gevonden waarbij de krachtsverdeling en de stijf­ heid van de hoofddraagconstructie in harmonie zijn. 5 6 Bijzondere oplossingen zettingen 1 2013 32 vijzel 150 1400 1400 stalen plaat 600 x 600 x 200 (S355) aassen afhankelijk van zettings- verschil plint/toren kolommen type E afmeting: 600 x 600 mm 2 betonkwaliteit: C53/65kolommen type E afmeting: 600 x 600 mm 2 betonkwaliteit: C53/65 totaal 16+4 Ø40 in tweede laag aan te lassen brandwerend materiaal rondom 300 300 stalen vulplaten 300 x 300 x 10 verspringend aanbrengen 300 600 600 600 beginsituatie eindsituatie sparing Ø32 deuvel Ø30, L = 425 stalen plaat 1400 x 1400 x 200 (S355) stalen vulplaten 300 x 300 (S235) stalen platen 600 x 600 (S335) stalen plaat d = 200 mm (S355) afgebrand op 600 x 600 7 8 De te vijzelen kolommen zijn in de onderste kelderlaag voor ­ zien van uitstekende, 200 mm dikke, stalen voeten. Het omlaag vijzelen wordt gerealiseerd door vijzels onder deze kolomvoe­ ten te plaatsen. De kolom rust op een stapel stalen platen van elk 10 mm dik. Door de vijzels op spanning te brengen worden de stalen vulplaten in spanningsloze toestand gebracht, waarna per vijzelstap één vulplaat wordt verwijderd. De vijzels laten de kolom vervolgens zachtjes 10 mm zakken (fig. 7 en foto 8). Een speciaal effect van de zettingen is het volgende. De zetting van de ondergrond vormt als het ware een kuil met vloeiend verlopende randen. Kolompoeren die met de palen op een dergelijke glooiing staan, zullen dus scheef zakken. Immers, de paal die het dichtst bij het midden van de kuil staat, zal iets meer zakken dan de paal die het verst daarvandaan staat. Door de rotatie van de ondergrond ontstaan buigende momenten in de kolommen. Deze momenten zijn volgens de mechanica afhankelijk van de stijfheid en de lengte van de kolom. Bij de beperkte verdiepingshoogte van 2,7 m in de kelder zijn die momenten soms erg hoog. Deze momenten zijn voor een groot aantal kolommen gereduceerd door de ongesteunde lengte van de kolom te vergroten. Dit is gerealiseerd door sparingen in vloer ­1 te voorzien ter plaatse van de kolommen, zodat de kolommen geen horizontale steun aan deze vloer kunnen ontlenen. Hierdoor is wel de kniklengte van de kolommen verdubbeld (nu twee keer verdiepingshoogte). Het in horizon­ tale richting loshouden van de kolommen is mogelijk gemaakt door middel van kransen aan de kolommen, voorzien van een flexibel oplegmateriaal om zo min mogelijk horizontale weer ­ stand te ontwikkelen (fig. 9). Voor de meest zwaar belaste kolommen bleek uit de berekeningen dat deze maatregel niet toereikend was om de buigende momenten voldoende te reduceren. Deze kolommen thema Bijzondere oplossingen zettingen 1 2013 33 30 mm neopreen voeg vullen met steenwol bovenaanzicht kolom 950 x 950 C80/95 2 stalen platen 950 x 950 (S355) 950 225 225 70 225 225 1 deuvel Ø30 in gat Ø32 HD 400 x 1086 (S460) stalen plaat 480 x 480 (S355) brandwerend materiaal rondom 2 stalen platen 950 x 950 (S355) 9 10 7 Licht belaste vijzelkolommen kelder 8 Vijzelvoorziening in de licht belaste kelderkolommen 9 Aansluiting tussenvloer op de kelderkolommen 10 Plastisch scharnier in de kolommen (950 x 950 mm 2), met in een aantal gevallen ingestorte HD­profielen, hebben een dermate hoge stijfheid dat met het verdubbelen van de ongesteunde lengte niet het gewenste effect kon worden bereikt. Het nog meer vergroten van de onge­ steunde lengte, door deze kolommen ook op de beganegrond­ vloer los te koppelen, zou een kniklengte van circa 15 m opleveren. Dit zou in combinatie met de rotaties van de onder ­ grond tot ontoelaatbare geometrische excentriciteiten leiden. Voor de betreffende kolommen is een andere oplossing gevon ­ den. Er wordt een plastisch scharnier gerealiseerd in de aanslui­ ting tussen kolom en onderste keldervloer. Door ter plaatse van deze aansluiting de kolomdoorsnede te reduceren tot een stalen blok van 500 x 500 mm 2, zal de excentriciteit in de kolom als gevolg van de rotaties van de ondergrond worden afgetopt tot een bepaalde maximale waarde die onafhankelijk is van de rotatie van de kolomvoet. Doordat deze kolommen een zeer hoge normaalkracht hebben (ca. 78 000 kN), zijn aanvullend stalen platen van 450 mm dik nodig om de drukkracht van de doorsnede van 950 x 950 mm 2 over te brengen naar de stalen doorsnede van 500 x 500 mm 2, en vice versa (fig. 10). Plint In het ontwerp van de hoofddraagconstructie zijn in de plint ten aanzien van stabiliteit outriggers voorzien die extra stijfheid aan de kern moeten bieden. In het ontwerp zijn deze outriggers aanwezig in de vorm van diagonalen en wanden die de belas­ ting vanuit de kerngebieden naar buiten toe afdragen. Door het zettingspatroon van de ondergrond, waarbij de kerngebieden meer zakken dan de randzones, zal de kern aan de outriggers willen gaan hangen. Hierdoor zou de belasting op de outriggers fors worden vergroot. Om dit in bepaalde mate te voorkomen, is in het ontwerp een dilatatie voorzien in deze outriggers (fig. 11). Pas nadat een deel van de te verwachten zetting is opgetreden, gaan de outriggers op de betreffende kolommen dragen. Low rise en high rise De uitkraging bij de overgangen tussen low rise (laagbouw) en high rise (hoogbouw) zullen dusdanig vervormen, dat ook hier maatregelen moesten worden genomen. Voor de midden ­ (kantoren) en oosttoren (hotel / kantoren), die beiden uit een stabiliteitskern met omringende kolommenstructuur bestaan, werden deze maatregelen gevonden in het vijzelen van de kolommen onder de diagonalen. Deze kolommen dragen een fors deel van de bovenliggende high rise, waardoor deze zullen zakken, met als gevolg dat het overstek nog eens twee keer zoveel zakt. Zonder maatregelen zouden de zakkingsverschillen hier veel te groot worden. Door het aanbrengen van de vijzel­ mogelijkheid kunnen de vervormingen van het overstek Bijzondere oplossingen zettingen 1 2013 34 11 12 worden gecontroleerd, zowel als ze meevallen als in het geval ze tegenvallen. Omdat de diagonalen op de kern aansluiten, is een dilatatie in de onderste twee vloeren opgenomen om ervoor te zorgen dat het vakwerk niet aan de kern zal trekken als gevolg van het vijzelen (fig. 12). In totaal is rekening gehouden met een te vijzelen afstand van 100 mm, hetgeen in stapjes van telkens 10 mm wordt gerealiseerd. Voor de westtoren (woningen), die opgebouwd is uit een wandenstructuur, is vijzelen niet wenselijk. Door de hogere stijfheid van de wandenstructuur zijn voor deze toren kleinere vervormingen van het overstek gevonden. Deze vervormingen zijn opgevangen door een zeeg toe te passen ter plaatse van het overstek. Vijzelen tijdens bouwfase In het voorgaande is toegelicht dat er globaal in drie gebieden wordt gevijzeld: in de kelder (omlaag vijzelen) en onder het overstek van de midden­ en oosttoren (omhoog vijzelen). Om te beoordelen of de gemaakte voorspellingen ten aanzien van de zettingen van de ondergrond en vervormingen van het gebouw overeenkomen met de werkelijkheid, worden tijdens de bouw de zakkingen in de kelder en bij het overstek van de drie torens met grote regelmaat gemeten. De meetresultaten worden vergeleken met de voorspellingen, waarna per theore­ tisch vijzelmoment wordt bepaald of er daadwerkelijk moet worden gevijzeld. Wanneer tot de conclusie wordt gekomen dat er daadwerkelijk moet worden gevijzeld, worden de vijzelwaar ­ den door de constructeur opgegeven in combinatie met de te verwachte vijzelkracht die benodigd is om de vijzelwaarde te realiseren. Op de bouwplaats worden deze vijzelkrachten gemeten en teruggekoppeld aan de constructeur, zodat kan worden gecontroleerd of het mechanisme en de voorspelde reactie van het gebouw ten gevolge van het vijzelen overeen­ komen met de uitgangspunten. Gedurende het schrijven van dit artikel is er vier keer in de kelder omlaag gevijzeld, drie keer in de middentoren omhoog en vijf keer in de oosttoren omhoog, in redelijke mate conform de voorspellingen van de zettingsanalyse. ? 11 Tijdelijke dilataties in de outriggers 12 Vijzelposities tussen high rise en low rise LR07: 49330+ P13 2920 2920 -> zie foto 1 thema Bijzondere oplossingen zettingen 1 2013