8 2016 vakblad over betonconstructies vakblad over betonconstructies 8 2016 Dyckerhoff ?maakt er meer van. Foto: Bart van Hoek Dyckerhoff, Verkoopkantoor Nederland/Belgie nl@dyckerhoff.com www.dyckerhoff.nl SAAone brug Amsterdam ? Rijnkanaal Premiumcement Dyckerhoff VARIODUR ® Project SAAone Project SAAone met Dyckerhoff VARIODUR ® DybAnz_SAAone_225x297.indd 1 26.11.15 11:49 vakblad over betonconstructies Munterij 8, 4762 AH Zevenbergen ? Postbus 17, 4760 AA Zevenbergen ? T 0168 - 33 12 400 ? E info@bbtec.nl ? www.bbtectools.com/nl "Structural Anchoring Systems" voor Constructieve Veiligheid Voor Constructeurs, Architecten, Staalbouwers, Aannemers, etc. MET GRATIS DESIGNFIX ONDERSTEUNING NIEUW NIEUW Nieuwe Anker Design Software DesignFiX® gratis anker calculatie soft- ware voor B+BTec SAS en BIS anker syste- men. ? Complete invoer vrijheid en 3D interface ? Resultaten in één oogopslag ? Automatische berekening ef ectieve zetdiepte ? Geïntegreerde FEM berekening voor bepalen dikte voetplaat Nieuwe BIS Injectie Systemen Pure-Epoxy 3:1 voor ultra hoge lasten. ETA goedkeuring voor gescheurd en ongescheurd beton, diamant geboorde en watergevulde gaten. Seismische Goedkeuring C1 en C2. Voor de installatie van stek- en draadeinden. Vinylester voor hoge lasten. ETA goedkeuring voor ge- scheurd en ongescheurd beton en watergevulde gaten. Seismische Goedkeuring C1. Styreen vrij. Voor de installatie van stek- en draadeinden. Polyester voor gemiddelde lasten. ETA goedkeuring voor ongescheurd beton en holle steen. Styreen vrij. Voor de installatie van draadeinden. CEMENT_15_09.indd 1 14-09-15 13:29 TEKTONIEK.NL PROTOTYPES DESIGN CHALLENGE 3D CONCRETE PRINTING TIJDENS BOUWBEURS Het zal de bouwwereld niet zijn ontgaan: ook beton kun je 3D-printen. De ontwikkelingen met deze inno- vatieve techniek gaan razendsnel. Binnen het 3DCP- project (3D Concrete Printing) van TU Eindhoven is het afgelopen jaar veel kennis en ervaring opgedaan. Maar wat is de architectonische potentie van 3D- betonprinten? Om die vraag te kunnen beantwoorden, heeft het Cement&BetonCentrum de Tektoniek Design Challenge 3DCP in het leven geroepen. Drie geselec- teerde architectenbureaus hebben samen met TU Eind- hoven drie prototypes ontwikkeld die op de Bouwbeurs worden getoond en toegelicht. TEKTONIEK kennisnetwerk architectuur in beton Foto: TU Eindhoven advertentie Tektoniek Cement 82016.indd 1 19-12-16 13:53 Partners1 Meer informatie over deze bedrijven en over het partnerschap staat op www.cementonline.nl/partners. partners 8 2016 Stufb Studievereniging b -N ederland Centraal overleg Bouwconstruc ties Partners van Cement, kennisplatform betonconstructies Cement is een platform van én voor constructeurs. Het platform legt kennis vast over construeren met beton, en verspreidt deze onder vakgenoten. Om het belang hiervan te onderstrepen kan een constructiebureau kennispartner van Cement worden. Een partner geniet een aantal voordelen, zoals een flinke korting op het abonnement en een profielpagina op Cementonline. Het partnerschap is voorbehouden aan bedrijven voor wie de kennis daadwerkelijk is bedoeld. Hebt u ook interesse om partner te worden, neem dan contact op met Sanne Verdonk, s.verdonk@aeneas.nl. 2 14 Groninger Forum aardbevingsveilig (1) Een toelichting op de constructieve opzet van het Groninger Forum en de impact van de aardbevingsbelasting. 20 Dynamica van fietsbrug belicht De fietsbrug aan de Sydneystraat in Rotterdam kent een slank ontwerp met nagerekte voorspan- ning en achteraf geïnjecteerde voorspankanalen. 26 Overlaging met glasvezelwapening verankerd Door een overlaging van staalvezelbeton, verankerd met glasvezelwapening, kan de Lingebrug bij Geldermalsen nog wel 25 jaar mee. 29 Integraalbruggen met prefab liggers De schematisering van integraalbruggen is complex en schrikt menig ontwerper af. Er is een Stufib- rapport opgesteld om ontwerpers op weg te helpen. 32 Site respons analyse voor aardbevingsbestendig ontwerp Evaluatie van de invloed van de ondiepe bodem en de ontwikkeling van dynamische funderings- eigenschappen voor het seismisch ontwerp van constructies in Groningen. 38 Tribunes inside (out) Een toelichting op de krachtswerking, schade en het herstel van prefabbetonnen tribuneliggers. 44 Dilatatieafstanden nader beschouwd Er is een nieuwe methode ontwikkeld voor het bepalen van dilatatieafstanden in metselwerk, waarbij beperkte scheurvorming wordt toegelaten. 51 Gevangen tussen voorwaarden De combinatie van woon- en commerciële functies in één gebouw leidt vaak tot complexe krachts- inleiding in kolommen. Een praktijkvoorbeeld. 4 - 80 Cement 2016/8 In dit nummer van Cement een verzameling van artikelen over diverse actuele projecten en ontwikkelingen. 4 - 14 Extreme engineering met UHSB Met een lengte van 36 m en een slankheid van 1:81 is de Catharinabrug in Leiden de slankste en langste UHSB-brug van Nederland. 66 - 72 Van bureau naar bedrijf Dirk-Jan Kluft heeft een hoop mee- gemaakt sinds hij dertig jaar gelden bij Van Rossum in dienst trad. Een interview met de directeur en mede-eigenaar. 1 Partners 65 Column 80 Service/online 80 Colofon december 2016 / jaargang 68 inhoud 8 2016 Inhoud 3 58 Systematische aanpak ministerie van Financiën Een toelichting op de systematische aanpak bij de renovatie van het ministerie van Financiën, het eerste DBFMO-project van het Rijksvastgoedbedrijf. 74 Een sprekende gevel Een geprefabriceerde betonnen gevel met poëtische, geïntegreerde, keramische tegels geeft woontoren De Verkenner in Utrecht identiteit. 78 De jonge constructeur Paul Berendsen geeft zijn visie op het constructeurs- vak en deelt zijn ervaringen in zijn werk aan het Noordgebouw in Utrecht. Voor elk wat wils: "Alweer een jaar voorbij. Wat gaat het toch snel." Echt zo'n cliché aan het einde van het jaar. Maar het klopt wel. Ik weet niet hoe het bij u is, maar het lijkt wel dat het steeds sneller gaat als je ouder wordt. Het einde van het jaar is ook zo'n moment om even terug te kijken. En wat Cement betreft, doe ik dat met zeer veel genoegen. Met uw inbreng, en niet te vergeten de geweldige inzet van de redactie, de vakredacteur en het Cement-team, hebben we online veel interessants kunnen bieden en weer acht prachtige edities kunnen afleveren. Ik hoop dat u dat met me eens bent. Overigens, als u dat anders ziet, verneem ik dat graag (zie onderstaand e-mailadres). We doen onze uiterste best om met diverse thema's en vele artikelen Cement voor iedereen interessant te maken. De één ziet liever een beschrij - ving van de constructieve aanpak bij mooie projecten, de ander is meer geïnteresseerd in regelgeving en nog weer een ander smult van weten - schap. Ook de balans tussen utiliteitsbouw en infrastructuur houden we in de gaten en we kijken of er voldoende aandacht is voor materiaalkundige en uitvoeringstechnische aspecten en gedachten achter bepaalde keuzes. Kortom, we streven naar een Cement met 'voor elk wat wils'. Het voorliggende themaloze nummer is op zich ook een 'voor elk wat wils'. Zeg ik te veel met aandacht voor o.a. aardbevingsbestendig bou- wen, scheuren in prefab tribuneliggers, dynamisch gedrag, slanke UHSB-constructies, glasvezelwapening, system engineering en zelfs scheuren in metselwerk? Wederom een mooie editie om onder de kerstboom die onderdelen te lezen die u interesseren. Als laatste wil ik vooral ook uw aandacht vragen voor de vernieuwde website van Cement (www.cementonline.nl). U heeft hem natuurlijk al gezien en anders moet u hem maar snel bekijken. Wat mij betreft een fris ogende site, waar je snel je weg vindt. Cement beoogt een platform te zijn voor eenieder die ook maar iets met betonconstructies heeft en met het vakblad en de website wordt daar naar mijn mening zeer goed invulling aan gegeven. Naast nieuwe en oude artikelen (alle cementartikelen zijn digitaal beschikbaar en doorzoekbaar), treft u daar o.a. via blogs de mening aan van ouwe rotten in het vak en jonge constructeurs (zie bijv. de laatste blog van Gökhan Dilsiz). Kortom, nogmaals een 'voor elk wat wils'! Naast veel leesplezier wens ik u allen een gezond en gelukkig 2017 toe! Dick Hordijk Voor reacties: d.hordijk@cementonline.nl Voorpagina: Catharinabrug, Leidenfoto: Gerda van Ekris i.o.v. Hi-Con Redactioneel 8 2016 Inhoud 4 Extreme engineering met UHSB ir. Rogier van Nalta, ir. Mirte de Graaff Pieters Bouwtechniek Delft BV MArch Jimmy van der Aa DP6 architectuurstudio BV Catharinabrug in Leiden (1): ontwerp Extreme engineering met UHSB 8 2016 5 Op een prominente plek in hartje Leiden is een zeer slanke brug van ultra-hogesterktebeton (UHSB) gerea- liseerd. Met een lengte van 36 m en een slankheid van 1:81 is het de slankste en langste UHSB-brug van Nederland. De brug is van boven gezien S-vormig en het dek is dubbelgekromd om goed aan te sluiten op de kades. Ondersteuning en dek zijn geprefabriceerd en ter plaatse met een speciaal type UHSB aan elkaar gestort. Dit artikel gaat in op het ontwerp van de brug. In twee volgende artikelen worden de fabricage en uitvoering toegelicht. Bovendien was er behoefte aan meer grote A1-winkelunits. In een stedenbouwkundig plan zijn de straten met elkaar verbonden door een nieuwe winkelstraat: de Catharinasteeg. Hierdoor ontstaat een nieuw winkelrondje (fig. 2). De panden langs deze steeg zijn door de gemeente aangekocht en worden herontwikkeld tot grote winkelunits. Om het winkelrondje mogelijk te maken, was een nieuwe brug voor voetgangers en fietsers nodig tussen de nieuwe Catharinasteeg en de Stille Mare. Dit is een historische locatie in hartje centrum, namelijk het punt waar de Oude en Nieuwe Rijn samenkomen en van waaruit Leiden is ontstaan. Een zorgvuldige inpassing in de historische context was dan ook een belangrijk onderdeel van de opdracht. Voor het ontwerp van de brug is in 2012 een meervoudige onderhandse aanbesteding op basis van EMVI-criteria uitge- schreven voor de selectie van een architect, met de construc- teur als onderaannemer van de architect. De belangrijkste beoordelingscriteria vanuit de gemeente waren: - ervaring met vergelijkbare projecten; - visie op het integreren van een functioneel ontwerp in de historische omgeving; 1 1 De Catharinabrug, een vernieuwende brug die ingetogen opgaat in de historische omgeving foto: Gerda van Ekris i.o.v. Hi-Con NL2 Planvisie met nieuw winkelrondje Nieuw winkelrondje De binnenstad van Leiden heeft twee belangrijke winkelstraten: de Haarlemmerstraat en de Breestraat, met het Aalmarktgebied als verbindend element. Een betere verbinding tussen beide straten werd gezien als een kans het winkelgebied te versterken. 2 Haarlemmerstraat Catharinasteeg Catharinabrug Breestraat Extreme engineering met UHSB 8 2016 6 het water kan worden uitgekeken (foto 3). De horizontale krommingen van het dek maken de brug iets langer waarmee de doorvaarteisen en hellingpercentages waren te halen. Hierbij is gekeken naar de repetitie en transporteer- baarheid van de elementen (de brug is opgedeeld in acht elementen). Doorslaggevend voor de gemeente om voor dit ontwerp te kiezen, waren de vernieuwende techniek die het mogelijk maakte aan het PvE te voldoen en het respect waarmee het ontwerp aansloot op de historische omgeving. Zo slank mogelijk Uitgangspunt voor het ontwerp was een zo slank mogelijk dek. De opdracht was dan ook om alles uit de kast te halen voor wat er met UHSB mogelijk was. Uitgangspunt hierbij was toepas- sing van het UHSB Compact Reinforced Composite (CRC) van Hi-Con met een cilinderdruksterkte die varieert tussen 120 en 170 N/mm 2. De eerste stap bestond uit een zo optimaal mogelijk construc- tief systeem. Door de steunpunten naar binnen te plaatsen en te koppelen met een trekband, kon gebruik worden gemaakt van boogwerking. De trekband is gerealiseerd door de poeren onder water te koppelen met twee stalen buizen. De ideale boog kon niet worden bereikt (verre van). Door de steunpunten echter schuin te plaatsen, kon deze wel worden benaderd. Het gekozen systeem zorgde ervoor dat de krachten werden gecon - centreerd boven de steunpunten. Hierdoor kon het dek in het midden van de overspanning worden verjongd. Door het dek van EPS te voorzien, is gewicht bespaard om het nog slanker te - visie op het evenwicht tussen begaanbaarheid en doorvaar - baarheid; - visie op het verkrijgen van draagvlak bij bevoegde instanties en belanghebbenden; - visie op binnen budget ontwerpen; - visie op duurzaam ontwerpen; - kwaliteitsbeheersing en borging; - hoogte van de offerte. Verder gaf het programma van eisen (PvE) aan dat de brug een breedte moest hebben van 6 m, een hellingspercentage van maximaal 1:12 (maar liever 1:25) en een doorvaarthoogte van 1,5 m (maar liever 1,75 m). Ontwerp DP6 architectuurstudio kwam met het idee van een brug van ultra-hogesterktebeton en benaderde Pieters Bouwtechniek vanwege hun ervaring met het materiaal [1, 2, 3, 4 en 5]. De architect stelde een zeer slank brugdek voor om te kunnen voldoen aan het hellingspercentage en de doorvaarthoogte. Door het dek niet op te leggen op de kades en ook door de gekozen kleur van dek en ondersteuning, is de brug visueel los gehouden van de omgeving. De horizontale lijn is benadrukt met de slanke rand van het dek en het hekwerk, dat alleen met vele heel dunne spijlen zonder zichtbare verbinding op het dek is vastgezet (foto 1). De leuning benadrukt door haar detaille- ring en kleurgebruik de horizontaliteit van de brug. De led- sfeerverlichting versterkt dit in de avond nog eens extra. Het dek is in verschillende afwerkingen grijstinten uitgevoerd. Hierdoor ontstaan rustpunten in de route van waaruit over 3 Extreme engineering met UHSB 8 2016 7 286195 80 11 224800 4004 802224 6053 + 23 1001 4004 100123 0 0 286 + 0 -10 246 80 11337 224 802 4004 800 224 24 1001 4004 100123 336 + 6000 var. var . + Opruwen Opruwen 2 75 3 25 Overige technische gegevens volgens voorblad Ordernr: Werk: Onderdeel: formaat:schaal: Blad:Regelnr: Postnr: TC TC2 DE UV A BStatus Datum Getek. Postbus 10159 6000GD Weert Tel. 088-8118300 VORM 1 : 20 BD05Va Catharinabrug te Leiden 27-11-2015 Aanzichten en doorsneden 03-12-2015 1 5-12-2015 23-12-2015 CVZ CVZ CVZ CVZ A3L 01 010 15043 V010V Vooraanzicht ( 1 : 20) Achteraanzicht ( 1 : 20) Doorsnede A ( 1 : 20) Doorsnede B ( 1 : 20) w ij z i g in g A 3 Het dek is in verschillende grijstinten uitgevoerd, waardoor rustpunten op de brug ontstaan foto: Gerda van Ekris i.o.v. Hi-Con NL 4 Langsdoorsnede brug 5 Dwarsdoorsnede brugdek Stijfheid maatgevende factor Bij het ontwerp van een zo slank mogelijk brugdek, loop je onvermijdelijk tegen de grenzen van doorbuiging en eigen- frequentie op. Het is dus van groot belang dat de stijfheid van de constructie goed kan worden ingeschat. Dit is bij beton vrij lastig, omdat de krachtsverdeling invloed heeft op de stijfheid en vice versa. Hoe hoger de belasting, des te meer het beton scheurt en dus hoe slapper de constructie reageert. Door de brug volledig met de hoogste (karakteristieke) belasting en volledige scheurontwikkeling door te rekenen, ontstaat echter een veel te conservatief ontwerp. De doorbuiging is daarom bepaald door de krachtsverdeling, de mate van scheurontwik- keling en doorbuiging per belastingscombinatie volgens de Eurocode te bepalen en te combineren. De stijfheid van de doorsnede wordt door een aantal factoren beïnvloed: - trek- en drukwapening; - statische E-modulus van beton op t = 0 en op t ? ?; - dynamische E-modulus van beton op t = 0 en op t ? ?; - belasting; - snelheid van belasting; - belastingsgeschiedenis (geheugen van beton); - mate van scheurontwikkeling, die zelf ook weer afhankelijk is van bovenstaande factoren. Vooral de mate van scheurontwikkeling is een belangrijke factor, want na een eerste scheur reageert een doorsnede aanzienlijk minder stijf. Het inschatten van de plaatsen waar en in welke mate doorsneden zijn gescheurd, is een van de lastigste aspecten van construeren met UHSB. Een traditionele benade- ring is het scheurmoment te berekenen met de trek sterkte van maken. Dit resulteerde uiteindelijk in een ontwerp met een variabele dekdikte van 425 mm boven de steunpunten tot slechts 275 mm in het midden van de overspanning (fig. 4). Hiermee lukte het de gewenste doorvaarthoogte van 1,75 m te behalen over een breedte van 3,6 m en een doorvaartbreedte van wel 11,1 m te creëren met een hoogte van 1,5 m. Deson- danks heeft de brug een helling van slechts 1:20. Hoewel de brug een S-vorm heeft en het dek dubbelgekromd is, zijn de berekeningen in eerste instantie met een 2D-raamwerk - pakket uitgevoerd (fig. 5). Voordeel hiervan was dat er gemak - kelijk en snel met het ontwerp kon worden gevarieerd. De belangrijkste krachtswerking kon inzichtelijk worden gemaakt, de 3D-effecten werden handmatig bij de uitkomsten opgeteld. In een later stadium zijn 3D-EEM-berekeningen gemaakt. Hierbij is het raamwerkmodel gebruikt als controlemiddel. Iteratieve berekening Zowel het 2D-raamwerkpakket als het 3D-pakket kunnen niet met UHSB rekenen. Er is daarom een iteratieve methode toege - past. In beide programma's zijn het dek en de steunpunten in kleinere elementen opgedeeld. Vervolgens zijn op basis van de krachtsverdeling uit het programma de eigenschappen van de doorsnede bepaald. Hiervoor zijn specifiek voor het UHSB geschreven rekensheets gebruikt. Deze sheets zijn gebaseerd op de Eurocode en op rekenregels die met proeven zijn onderbouwd. Deze doorsnede-eigenschappen zijn vervolgens als custom- materiaal ingevoerd in de programma's. Hierna is de krachts- verdeling herberekend. Dit is net zo lang gedaan totdat krachten en doorsnede-eigenschappen met elkaar in evenwicht waren. variabel h ? 300 mm h = 425 mm variabel h ? 300 mm h = 425 mm h = 425 mm h = 425 mm h = 325 mm h = 325 mm h = 275 mm 5 4 22 300 m 6 000 var. Extreme engineering met UHSB 8 2016 8 6 Mechanicaschematisering van brug inclusief fundering 7 Rekenmodel met het brugdek en de wanden opgedeeld in mootjes met custom eigen- schappen het beton uit de voorschriften. Hiermee wordt in de praktijk bij slanke constructies de plank echter flink mis geslagen. Daarom is samen met Hi-Con een andere aanpak ontwikkeld, die bij nameting in diverse projecten tot een betrouwbare benadering van de doorbuiging en eigenfrequentie leidt. De afgelopen jaren is die benadering steeds verder verfijnd. Hierdoor is de lat qua slankheid steeds hoger gelegd, met de Catharinabrug als huidig hoogtepunt. Op deze aanpak wordt verder niet ingegaan in dit artikel. Direct na het verwijderen van de ondersteuning is de doorbuiging van het brugdek nagemeten. Het dek bleek in het midden van de overspanning circa 13 mm te zijn gezakt ten opzichte van de steunpunten. De voorspelling was maximaal 22 mm. De stijfheid van het dek bleek dus inderdaad veilig genoeg te zijn ingeschat. Rekenen aan eigenfrequentie en comfort Het comfort van de brug was het meest kritische aspect van het ontwerp, maar ook het lastigste te bepalen. Uit de ontwerpberekeningen bleek de eigenfrequentie van zowel het midden als de beide uiteinden ruim onder de 5 Hz te liggen (bekende grenswaarde in de bruggenwereld). Voor het midden werd verwacht dat een nauwkeuriger benadering kon aantonen dat de brug zou voldoen. Voor de uiteinden werd het risico te groot geacht dat fietsers bij het op de brug rijden een palen, verend opgelegd inklemming doken kade, enkel druk bedding tegen poer hinderlijke trilling zouden veroorzaken. Dit kwam onder meer doordat die uiteinden aanvankelijk waren voorzien als uitkraging. Er is daarom voor gekozen het dek met horizontale doken aan de kade te bevestigen (foto 8). Die doken zijn pas na realisatie van de complete brug aangebracht. Hierdoor wordt enkel varia- bele belasting op de kade overgedragen. Constructief staat de brug geheel op zichzelf en is de verbinding met de kade niet noodzakelijk. Bij een test in het werk, vlak voor het aanbrengen van de doken, bleek alleen bij belasting van het uiterste puntje van de grootste uitkraging een lichte trilling voelbaar in de buurt van het kritische gebied. De inschatting dat de uiteinden kritisch waren, bleek dus correct. In de praktijk zou het comfort dus mogelijk ook met minder (of zelfs zonder) doken kunnen zijn verzekerd. Voor het midden van het dek is een nauwkeuriger berekening gemaakt van de eigenfrequentie en het comfort. Hierbij is onderscheid gemaakt tussen voetgangers en hardlopers. Voor het bepalen van de eigenfrequentie is de belastingscombinatie gebaseerd op het JRC-document 'Design of Lightweight Foot- bridges for Human Induced Vibrations' (JRC is Europese Joint Research Centre). Volgens dit document is de kritische eigen- frequentie voor voetgangers 1,25 Hz ? f i ? 2,3 Hz en lopen (groepen) hardlopers in een eigenfrequentie van circa 3 Hz. NEN-EN 1991-2 artikel 5.7 geeft aan dat beide groepen in het frequentiegebied tot 3 Hz lopen. Voor de toetsing van het comfort van de brug zijn de volgende uitgangspunten gehanteerd: - eigenfrequentie f ? 3 Hz ? toetsing o.b.v. de comfortcriteria van voetgangers; - eigenfrequentie 3 Hz ? f ? 5 Hz ? toetsing o.b.v. de comfortcriteria van hardlopers. In het JRC-document wordt ook aangegeven dat een voetgan- gersbrug theoretisch in trilling kan worden gebracht door de tweede boventoon van de loopbelasting. Het kritische gebied zou dan moeten worden uitgebreid met 2,5 Hz ? f i ? 4,6 Hz voor voetgangers. Tegelijk stelt de JRC echter dat er geen aanwijzingen zijn dat dit ooit is voorgekomen. Comfortcriteria ? voetgangers Aangehouden zijn de comfortcriteria conform Eurocode 0 (NEN-EN 1990/NB:2011 art. A2.4.3.2). De maximaal toelaat- bare versnelling van een willekeurig deel van het dek veroor - zaakt door wind of voetgangers/verkeersbelasting bedraagt daarin: 1. 0,7 m/s 2 voor verticale trillingen door normaal gebruik en windbelasting; 2. 0,2 m/s 2 voor horizontale trillingen door normaal gebruik en windbelasting. 6 7 Extreme engineering met UHSB 8 2016 9 X Y Z wordt hierna alleen op de verticale trillingen ingegaan. Daarbij is uitgegaan van de belasting volgens de door NEN-EN 1990 voorgeschreven verkeersklasse TC 3 (0,5 persoon/m 2) uit het JRC-document. Met een gemiddelde persoon van 74,4 kg (conform het JRC-document) geeft dit een verdeelde belasting van: q Qdyn = d × G persoon × 10 2 = 0,5 × 74,4 × 10 2 = 0,372 kN/m 2 In geval van een hardloper die de brug mogelijk in trilling brengt, is rekening gehouden met een hogere belasting. Dit in verband met de verhoogde snelheid van neerkomen: F persoon = 1250 N (conform de Eurocode). De eigenfrequentie is berekend met SCIA (fig. 9). Hierbij is de stijfheid bepaald op basis van de quasi-permanente belastings- combinatie en is gebruikgemaakt van de dynamische E-modulus (bepaald aan de hand van proeven). De verticale eigenfrequentie van het midden van het dek bleek 3,73 Hz. In de berekening is een gevoeligheidsanalyse gemaakt door de stijfheid van de ondersteuningen te variëren. Comfort voetgangers De eigenfrequentie van 3,73 Hz ligt boven het kritische frequentiegebied 1,25 Hz ? f i ? 2,3 Hz voor voetgangers. De brug voldoet daarmee aan de belangrijkste eis voor het verticale Deze versnellingen komen overeen met de middenwaarde van de medium comfortklasse CL2 in combinatie met verkeersklasse TC 3 volgens het JRC-document. Tabel 1 Versnellingen volgens het JRC-document comfortklasse comfortgraadverticale ? limit laterale ? limit CL2 middel0,50 - 1,00 m/s²0,10 - 0,30 m/s² CL3 minimaal1,00 - 2,50 m/s²0,30 - 0,80 m/s² Tabel 2 Toelichting op verkeersklasse TC 3, conform JRC-document verkeersklasse dichtheid d beschrijving kenmerken TC 3 d = 0,5 persoon/m² zwaar verkeer vrij lopen nog onbelemmerd; inhalen kan af en toe moeilijk zijn Comfortcriteria ? hardlopers Er zijn in de Eurocode geen comfortcriteria opgegeven speci- fiek voor hardlopers. Uit onderzoek van de TU Delft en Gemeentewerken Rotterdam [6] blijkt dat de voetgangerscrite- ria voor deze groep te conservatief zijn. Hardlopers hebben veel minder last van trillingen, omdat de contacttijd van de voet kort is en de loopsnelheid hoog. Er mag dus een hogere versnelling worden toegelaten. Voor de comfortcriteria voor hardlopers is daarom uitgegaan van één comfortklasse lager dan die van voetgangers. Als maximaal toelaatbare versnelling is weer uitgegaan van de middenwaarde van de klasse (CL3). 1. 1,75 m/s 2 voor verticale trillingen door normaal gebruik en windbelasting; 2. 0,55 m/s 2 voor horizontale trillingen door normaal gebruik en windbelasting. De horizontale trillingen zijn voor deze brug niet kritisch omdat de brug horizontaal goed is gestabiliseerd. Daarom 8 Het dek is met horizontale doken aan de kade bevestigd 9 De eerste trillingsvorm uit de EEM-berekening met SCIA 8 9 Extreme engineering met UHSB 8 2016 10 10 Uitwijking hart brugdek bij verschillende springfrequenties 11 Resultaat van meting van eigenfrequentie bron: AV Consulting BV van acht hardlopers. Tot slot is de groep van acht nog marche- rend over de brug gelopen. Dit laatste bleek zoals verwacht de ergste trillingen op te leveren. De uitkomsten van de meting waren gunstiger dan berekend. De dominante eigenfrequentie bleek de tweedeorde-eigenfre - quentie van 5,4 Hz te zijn met een versnelling van maximaal 1,5 m/s 2. De eerste-orde-eigenfrequentie was 2,7 Hz, maar resulteerde in aanzienlijk kleinere amplitudes. Ook de horizontale eigenfrequentie van de brug in dwarsrich- ting is gemeten. Die bleek boven de 5 Hz uit te komen met zeer kleine amplitudes. Op basis van deze uitkomsten kan worden geconcludeerd dat het comfort van de brug voldoet. De berekende waarden waren dus aan de veilige kant, maar ook weer niet zo veilig dat ze een te conservatieve constructie hebben opgeleverd. trillingsgedrag. De eigenfrequentie ligt wel in het gebied van 2,5 Hz ? f i ? 4,6 Hz, waarin theoretisch een trilling kan ontstaan door de tweede boventoon. Er is daarom gecontroleerd of het brugdek gevoelig is voor resonantie door de tweede boventoon, wat niet het geval bleek te zijn. Comfort hardlopers De eigenfrequentie van 3,73 Hz ligt in het kritische frequentie- gebied 3,0 Hz ? f i ? 5,0 Hz voor hardlopers. Daarom is getoetst of de versnelling van het brugdek voldoet aan de comfortcriteria voor hardlopers. De verticale versnelling is bepaald met de Responsie Spectrum Methode uit het JRC-document. Deze methode is ontwikkeld voor bruggen die zich als een buigligger gedragen, wat bij de Catharinabrug het geval is. De brug is hier - voor omgerekend naar een equivalente ligger op twee steun- punten. De uitkomst was een maximale verticale versnelling van a = 1,60 m/s 2. Dit is dus lager dan de genoemde eis a ? 1,75 m/s 2 voor verticale trillingen door normaal gebruik en windbelasting. Hierbij moet worden gezegd dat de berekening met de Responsie Spectrum Methode een vereenvoudigde, conservatieve methode is om de maximale versnelling te bepalen. Een gedetailleerde modale analyse volgens de SDOF-methode (Single Degree Of Freedom) zou lagere versnellingen als uitkomst hebben maar was in dit geval niet noodzakelijk. Verschillende springfrequenties De maximale berekende optredende versnelling van 1,60 m/s 2 geldt enkel in het midden van de brug en precies in de eigen- frequentie van 3,73 Hz. Als niet in deze frequentie wordt gelopen, is de respons van de brug vele malen kleiner (fig. 10). Om dit aan te tonen, is een analyse gemaakt van de respons van het brugdek onder een dynamische belasting van tien personen die in het midden van de overspanning staan te springen bij verschillende frequenties. Er is een scherpe piek te zien bij de eigenfrequentie van 3,73 Hz en een grote afname zodra daar iets van wordt afgeweken. Wanneer de springfrequentie onder de 3 Hz komt, is de respons al circa tien keer zo klein. De versnelling die bij deze groep gebruikers optreedt, zal dus ruim onder de berekende maximale 1,6 m/s 2 liggen. Daarnaast ontstaat er geen zichtbare piek bij de halve of dubbele eigenfrequentie. De brug is dus niet gevoelig voor een dergelijke belasting. Nameting eigenfrequentie Na oplevering van de brug is de eigenfrequentie in het werk gemeten met behulp van een trillingsmeter (fig. 11). De brug is hierbij op verschillende manieren aangeslagen. Eerst door met een groep van acht mensen in het midden van de overspanning te springen. Daarna is de brug eerst door één hardloper belast en daarna door twee, vier, zes en uiteindelijk door een groep 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0,75 1,12 1,49 1,87 2,24 2,61 2,98 2,36 3,73 4,10 4,48 4,85 5,22 5,60 5,97 6,34 6,71 7,09 7,46 7,83 8,21 8,58 8,95 9,33 9,70 10,07 10,44 10,82 11,19 frequentie [Hz] U7[mm] 15 10 5 0 2 4 6 \ 8 10 12 z velocity y velocity x velocity eigenfrequentie [Hz] snelheid [mm/s] 11 10 Extreme engineering met UHSB 8 2016 11 12 Complexe krachtsverdeling in doorsneden 13 Detail van de balustrade en de uitvoering in het werk Doorsneden worden belast door combinaties van trek, buiging, dwarskracht en wringing in alle richtingen. Door de rekenme- thodiek van SCIA en de complexe vormgeving ontstaan grillige spanningsverdelingen in de doorsneden die niet gemakkelijk kunnen worden omgezet naar een benodigde wapeningshoeveel- heid (fig. 12). Om de wapening te kunnen toetsen en de beper - kingen van SCIA te ondervangen, is een praktische methodiek ontwikkeld. Een belangrijk onderdeel van de methodiek is de wijze waarop de vezels worden meegerekend. In het kader van dit artikel zou het echter te ver gaan dit helemaal toe te lichten. Door professor Walraven is een second opinion uitgevoerd en hij heeft geoordeeld dat de gehanteerde rekenwijze innovatief, maar tegelijkertijd voldoende conservatief is. Balustrade De balustrade bestaat uit spijlen die onzichtbaar met het dek zijn verbonden. Dit is gedaan door de voetplaten in een gootje te bevestigen en vervolgens aan te gieten met gietmortel K70 (fig. 13). Dit betekende wel dat de constructieve rand, die al slank was gehouden, nog eens is verjongd. Met behulp van beproevingen is aangetoond dat de ankers ? ondanks de geringe betondoorsnede ? de belastingen konden opnemen. De vezels zorgden ervoor dat een zeer grote uittrekkegel ontstond Wapening dek en ondersteuning De basiswapening van het brugdek en de V-vormige onder - steuning is bepaald aan de hand van de benodigde stijfheid van de doorsneden. De sterkte van de doorsneden is hierdoor in de meeste gevallen veel hoger dan noodzakelijk. Daarom is de sterkte van de doorsneden getoetst op basis van de aanwezige wapening. Getoetst is of de krachten uit zowel de 3D-EEM- berekening als de 2D-raamwerkberekening lager zijn dan de aanwezige capaciteit. De krachten zijn in beide berekeningen bepaald met een semi-lineair-elastische berekening. De programma's rekenen lineair-elastisch. Op basis van de krachts- werking is echter handmatig per element de bijbehorende stijf- heid bepaald en vervolgens ingevoerd in het programma. Hierna is de krachtsverdeling herberekend. De raamwerkbere- kening geeft hierbij een goed beeld van de totale krachtswerking in de hoofdrichting en de totale krachten die in de doorsneden optreden. De 3D-EEM-berekening geeft een goed beeld van het effect van de S-vorm van de brug en de krachtswerking in dwarsrichting. Daarnaast laat deze berekening zien waar span- ningsconcentraties optreden. Berekenen van de krachtswerking en doorsnedecontrole van de wapening met SCIA lijkt wellicht erg voor de hand liggend. Dit is hier echter geenszins het geval. SCIA baseert de berekeningen namelijk op het 'normale moment-vloeicriterium'. Deze methode heeft een aantal beperkingen die onder andere door professor Blaauwendraad uitgebreid zijn omschreven [7]. De belangrijkste beperking is de overschatting van de sterkte bij hoge wapeningspercentages en het optreden van aanzienlijke wringing. Precies datgene wat bij de Catharinabrug speelt. Ook wordt in de berekening gebruikgemaakt van de theorie van Mindlin. Dat betekent dat de wringing in een doorsnede niet eenvoudig kan worden bepaald, maar dat deze uit twee compo- nenten moet worden samengesteld. De wringschuifspanning is daarin goed te achterhalen. De grootte van de dwarskracht- component uit wringing is echter lastig te bepalen doordat deze in de uitvoer is gecombineerd met de normale dwarskracht. R3 21 21 50 95 40 1,5 10 1,5 25 3 12 30 50 90 60 16 16 91 6216 16 R3 R3 R3 R3 R3 R3 13 Lokale piek N x, trek (N xD,max ) Lokale piek M x, trek bovenzijde (M xD+,max ) 12 start EPS start EPS start EPS start EPS voeg voeg natte knoop massief strook- element 550 mm550 mm Extreme engineering met UHSB 8 2016 12 14 Opdeling brug in acht elementen 15 Inkassing (bakjes) in de elementen t.b.v. verbinding 16 Doorsnede natte knoop tussen twee elementen 17 Stekken ter plaatse van natte knoop tussen brugdekelementen 18 De stekken uit de elementen grijpen als een kam in elkaar Om een onzichtbare verbinding te realiseren, zijn inkassingen in de elementen gemaakt (bakjes, fig. 15). Aan de onder- en zijkanten loopt een dunne schil door (fig. 16) en van bovenaf worden de bakjes volgestort en vervolgens weggewerkt onder de slijtlaag. De wapening van twee aansluitende dekplaten grijpt als een kam in elkaar (fig. 17, foto 18). Door de uitste- kende aanhechting van het JointCast is maar een heel kleine overlap nodig. Modelleren met Revit en Grasshopper De brug is in 3D gemodelleerd met Revit en ook de productie- tekeningen zijn hiermee gemaakt. De dubbelgekromde elementen zijn hierbij met Grasshopper gegenereerd en vervolgens in Revit ingevoerd. Vooral het goed afstemmen van de elementen op elkaar zodat de koppelbakjes en de randen vloeiend in elkaar overliepen, bleek een heidens karwei. Uiteindelijk zijn er ook 2D-tekeningen gemaakt zodat alle partijen de vorm konden beoordelen en controleren. Daarbij bleek dat de vorm soms iets te complex was voor Revit om goed te maatvoeren. Er moest regelmatig worden 'gesmokkeld' met hulplijntjes omdat het programma z'n eigen vlakken en randen niet herkende en wilde maatvoeren. Andere softwarepakketten zijn ook getest, maar hadden elk zo hun eigen nadelen. Uiteindelijk bleek het vertrouwde Revit, aangevuld met Grasshopper en Rhino, het programma dat het snelst het gewenste resultaat opleverde. Er is echter nog flink wat verbetering mogelijk. om de krachten op te nemen. Op de balusters is een speciaal geëxtrudeerde en in vorm gewalste reling met led-sfeerverlich- ting aangebracht (foto 3). Opdeling prefab beton (JointCast) Het brugdek is in de lengte opgedeeld in acht elementen die ter plaatse aan elkaar zijn gestort (fig. 14). Dit was nodig vanwege de beperkte ruimte op locatie, maar ook omdat het toegepaste UHSB eigenlijk alleen in een fabriek goed is te verwerken. De elementen zijn met het speciaal voor natte knopen ontwikkelde UHSB JointCast aan elkaar gestort. De sterkte van dit materiaal bedraagt circa 170 N/mm 2 en het vezelpercentage is met 6% hoger dan dat van CRC. 14 15 17 540 270 540 15 30 30 25 ø25?80 lg = 810 mm uitstekende wapening 549 16 40 80 255 255 552 40 40 40 60 61 60 80 40 50 40 3030 20 20 50 50 2 20 21 90,0° 88,6° bakjes t.b.v. de natte knopen Extreme engineering met UHSB 8 2016 13 ? PROJECTGEGEVENS project Catharinabrug, Leiden opdrachtgever Gemeente Leiden architect DP6 architectuurstudio BV constructieadviseur Pieters Bouwtechniek Delft BV uitvoering Gebr. Schouls BV leverancier UHSB Hi-Con Nederland BV UHSB op basis van jarenlang onderzoek Uitgangspunt vanaf dag een van het ontwerp was het maximale halen uit de mogelijkheden van UHSB. Dit kwam er in feite op neer dat het maximale moest worden gehaald uit de beschikbare kennis over dit materiaal. Voorschriften zijn er echter niet en buitenlandse normen als de Franse AFGC zijn alleen goed toepasbaar op zeer specifieke meng - sels. Ook steunt de AFGC heel erg op ondersteuning van het ontwerp door beproevingen. Dit is iets wat in veel gevallen, ook hier, financieel en planningstechnisch niet haalbaar is. Er is dus geen UHSB van de plank dat een constructeur met wat formules uit de Eurocode kan toepassen [8]. De brug is daarom ontworpen met het UHSB Compact Reinforced Composite (CRC) van Hi-Con. Dit materiaal wordt geken - merkt door een optimale korrelpakking en het achterwege laten van de grove toeslagmaterialen. Het is ontwikkeld in Denemarken in de jaren tachtig door Hans Bache [9], [10] en sinds die tijd zeer uitgebreid beproefd en gedocumenteerd. Bij de producent in Denemarken zijn vele duizenden pagina's beschikbaar aan testrapporten over bijna elke eigenschap. Dit bleek nodig ook, want de gemeente Leiden wilde een innovatieve brug, maar met zo weinig mogelijk risico. Werkelijk alles moest dus worden onderbouwd. Een dynamische E-modulus op t ? ? of 100 jaar duurzaamheid van een zwaarbelaste doorsnede met slechts 15 mm dekking en dooizouten worden niet vaak beproefd. Dankzij al het onderzoek dat in het verleden is uitgevoerd, kon de brug worden ontworpen. Voor de Catharinabrug is een recent ontwikkelde variant gebruikt van het originele CRC i2. Deze CRC i3-mix is oorspronkelijk ontwikkeld voor windmolens met zware dynamische omstandigheden. Waar het standaard CRC is geoptimaliseerd voor zeer geringe doorsneden, zoals balkons van 60 mm, is deze mix juist optimaal voor iets grotere doorsneden als die van de Catharinabrug. De verwerkbaarheid van de mix is zeer lastig ? vandaar onder andere de grotere doorsneden ?, maar de dynamische stijfheid is aanzienlijk beter. Dit maakt de CRC i3 zeer geschikt voor slanke infraprojecten als de Catharinabrug. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar nieuwe mengsels. Dit biedt kansen voor de toekomst voor nog uitdagender constructies. Conclusie Voor de Catharinabrug is een zeer ambitieus ontwerp gemaakt, dat alleen in UHSB mogelijk was. De eisen lagen hoog en er werd veel verwacht qua onderbouwing van de constructie. Door een optimale UHSB-mix toe te passen in combinatie met uitgebreide documentatie en ervaring, is het onhaalbare mogelijk gebleken. Het resultaat mag er wezen. Met een breedte van 6 m, een lengte van 36 m en een slankheid van 1:81 heeft Leiden er een zeer bijzondere brug bijgekregen. ? ? LITERATUUR 1 Nalta, R. van, Hansen, T. Ultradunne balkons. Cement 2012/6. 2 Nalta, R. van, Huize Het Oosten. BV-Nieuws 3, 2014. 3 Nalta, R. van, Potentie UHSB groeit. Cement 2016/2. 4 Nalta, R. van, Berg, C. van den, Büdgen, J., UHSB voor kleinschalige bruggen. Cement 2015/3. 5 Grünewald, S., Köhne, H., Nio, M., Serafini, M., Verdonk, A., Nalta, R. van, Huijben, R., Mechtcherine, V., Gielbert, L., Filigraine UHSB Parkbrug. Cement 2012/6. 6 Beers, F., Trillingen van betonnen voetgangersbruggen, TU Delft, 2014. 7 Blaauwendraad, J., Plates and FEM, Surprises and Pitfalls. Springer Science + Business Media B.V., 2010. 8 Van Nalta, R., Let op bij ontwerpen met UHSB. Cement 2015/5. 9 Bache, H.H., Compact Reinforced Composite, Basic Principles, CBL Report No. 41, Aalborg Portland, 1987. 10 Aarup, B., Jensen, B.C., Bond Properties of High-Strength Fibre Reinforced Concrete, ACI-publication SP-180, Bond and Development of Reinforcement, 1998. 18 Extreme engineering met UHSB 8 2016 14 Groninger Forum aardbevingsveilig (1) 1 Constructieve opzet gebouw en impact aardbevingsbelasting Onderbouw Groninger Forum Over de onderbouw van het Groninger Forum zijn in 2014 drie artikelen verschenen in Cement. Deze arti- kelen zijn te raadplegen op www.cementonline.nl/ Groninger_Forum. Groninger Forum aardbevingsveilig (1) 8 2016 15 Begin 2015 werd de bouw van het Groninger Forum stilgelegd. Dat had alles te maken met twijfel over de veiligheid vanwege de seismische activiteit in de omgeving. Ongeveer een jaar en vele uitvoerige analyses verder werd de bouw weer hervat. Het Groninger Forum is een indrukwekkend gebouw, in het hartje van de stad, dat ruimte moet bieden aan diverse culturele activiteiten. Na een periode van vijf jaar van ontwerpen en bouwvoorbereiding werd in september 2012 gestart met de bouw. In de loop van 2014 ? de bouw was na de vijflaagse parkeergarage inmiddels gevorderd tot het beganegrondniveau ? ontstond een nieuw veiligheidsvraagstuk als gevolg van de aardbevingsbelasting in de regio. In diezelfde periode verscheen het 'Interim Advies aardbevingsbestendig bouwen' van Economische Zaken [1], met voorlopige ontwerpuitgangs- punten voor nieuwbouw onder aardbevingsbelasting en vervol- gens, begin 2015, de 'groene versie' van NPR 9998 [2]. Gemeente Groningen vroeg daarop BAM (de bouwer) en ABT (de adviseur voor onder andere de constructie) onderzoek te doen naar de aardbevingsveiligheid van het gebouw. Dit heeft er uiteindelijk zelfs toe geleid dat de bouw tijdelijk moest worden stilgelegd. In twee artikelen wordt ingegaan op de impact van de aard- bevingsdreiging op het ontwerp. In dit eerste deel wordt de oorspronkelijke opzet van de constructie toegelicht en wordt de impact van de aardbevingsbelasting behandeld. In een vervolg- artikel worden de onderzochte varianten en gekozen specifieke oplossingen nader toegelicht. Constructieve opzet Het Groninger Forum is een bijzonder gebouw gekenmerkt door diverse gevelvlakken die schuin naar voren of naar achter hellen. Het gebouw bestaat uit twee betonnen kernen aan de linker- en rechterzijde, met een atrium ertussen (fig. 2). Aan de kernen hangen grote stalen volumes ('doosjes'), opgebouwd uit hoge stalen vakwerkspanten en staalplaatbetonvloeren. In de 'doosjes' zijn flexibel indeelbare vloervelden aanwezig, die kunnen worden aangepast aan toekomstige gebruiks- en inde- lingswijzigingen. Het dak wordt als een brug tussen de kernen gehangen. Om de overspanningen en uitkragingen te beperken, zijn extra verticale dragende lijnen toegepast in de vorm van stalen kolommen (fig. 3).Door de combinatie van beton en staal kent de constructie een hybride opzet. De krachtswerking van de betonnen kernen en de ? met een beperkt aantal kolommen ondersteunde ? stalen 'doosjes', grijpt in het atrium op complexe wijze in elkaar. De plattegronden verschillen per verdieping en kennen een knik. Ook de positie van de verticale dragende elementen is onregelmatig. Voor de spanten betekenen de knikken en het hellende gevelvlak dat er verbanden in de vloer nodig zijn om de spatkrachten uit de spanten op te vangen (fig. 4). De beganegrondvloer vormt de overgang van het onregelmatige ritme uit de bovenbouw naar het regelmatige stramien in de onderbouw. Deze vloer moet dus de krachten uit de bovenbouw naar de onderbouw overdragen. ir. Han Krijgsman RO ABT ir. Mark Spanenburg RC BAM Advies & Engineering 1 Stand van de bouw Groninger Forum, januari 2015 foto: Siebrand H. Wiegman2 Doorsnede constructie 3 Schematische opzet constructie 1) ir. Erwin ten Brincke RC (ABT) en ir. Mischa Falger (BAM Advies & Engineering) hebben bijgedragen aan de totstandkoming van het artikel. 2 3 kernen brug stalen kolommen die de overspanningen en uitkragingen beperken Groninger Forum aardbevingsveilig (1) 8 2016 16 Onderzoeksteam Het seismische onderzoek is aangestuurd door een kernteam met een afvaardiging van de gemeente Groningen, NL Architects, ABT, BAM Advies & Engineering, en professor Vambersky als onaf- hankelijk deskundige. Het onderzoek zelf is uitgevoerd door specialisten op het gebied van aardbevingsbestendig bouwen, vanuit ABT en BAM Advies & Engineering. ABT heeft samen met Ingenieursbureau Wassenaar (inmiddels onderdeel van ABT ) specialisten samengebracht onder de vlag van ABT|Wassenaar Seismisch Advies. Hiermee is de kennis gebundeld van meerdere ? door beide bureaus geadviseerde ? projecten in en om Groningen ten tijde van het uitkomen van het Interim Advies. BAM Advies & Engineering kan bogen op opgedane kennis met projecten in het buitenland. Bovendien zijn er twee Nieuw-Zeelandse ingenieursbureaus betrokken geweest. Aurecon als relatie van ABT|Wassenaar, en Holmes Consulting Group (HCG) als relatie van BAM Advies & Engineering. Op deze wijze is alle benodigde kennis van het bestaande ontwerp, de Groningse situatie ten aanzien van aard- bevingen, en de seismische expertise vanuit Nieuw-Zeeland samengevoegd. 4 Principeplattegrond constructie (in rood de spanten) 5 Overzicht stabiliteitskrachten 6 Aspecten beïnvloed door het aardbevingsonderzoek bron: Twynstra Gudde leidt dit tot een wringkracht op de kern (fig. 5, F 3 stippellijn). Ten vierde zijn er nog de eerdergenoemde horizontale spat - krachten als gevolg van de knikken in de plattegronden. Seismisch onderzoek Op basis van het Interim Advies [1] en enkele werkdocumenten van NPR 9998 [2], is in 2014 en begin 2015 na een korte, inten- sieve analyse, geconcludeerd dat het ontwerp van het Groninger Forum op meerdere aspecten niet voldeed aan de eisen voor een aardbevingsveilig gebouw. Toen begin 2015 de 'groene versie' van NPR 9998 verscheen was dit voor de gemeente aanleiding tot het afroepen van een bouwpauze van (aanvankelijk) vier maanden, met ingang van 10 februari 2015. Deze bouwpauze is ingezet om ontwerpoplossingen te formuleren. Er moest dus in vier maanden een oplossing worden bedacht. Een oplossing waarmee de bouw weer kon worden opgestart en met uiteraard een zo'n klein mogelijke impact op het ontwerp. Om dit vraagstuk op te lossen, is er een onderzoeksteam vanuit de betrokken partijen opgezet (zie kader 'Onderzoeksteam'). Kaders Het kernteam heeft de volgende kaders gehanteerd bij de aansturing van het proces: 1. Het Groninger Forum moest voldoen aan NPR 9998, 'groene versie' 9 februari 2015. 2. Eventuele functionele en architectonische aanpassingen moesten worden beperkt. Stabiliteit De stabiliteit van het gebouw wordt ontleend aan de betonkernen. Naast de wind zijn er nog specifieke krachten te benoemen die de kernen belasten. Ten eerste staat het gebouw scheef. Hierdoor ontstaan aandrij- vende krachten (fig. 5, F 1). Voor de linker- en rechterkern zijn deze krachten tegengesteld van richting, zodat de brug die de kernen koppelt (op niveau 9 en hoger) dit via dwarskracht in de vloeren moet overdragen. Door het zwaartepunt van de fundering en de bovenbouw overeen te laten komen, is deze aandrijvende kracht beheerst. De complexiteit is echter dat het zwaartepunt van de belasting gedurende de bouw verplaatst. Ten tweede zorgen de volumes aan beide kernen voor een kracht en koppel op de kernen (fig. 5, F 2 en M 2). Deze krachten aan beide zijden werken naar elkaar toe. Dit betekent dat in de brug een drukkracht ten gevolge van de veranderlijke vloerbe- lasting zal ontstaan. Het eigen gewicht levert hieraan geen bijdrage omdat de volumes eerder aanwezig zijn dan de brug. Ten derde staan de kernen aan de buitenzijde van het gebouw, terwijl de meeste wind juist tegen het midden van het gebouw zal waaien. Hierdoor zal de kracht uit wind als eerste naar de wanden aan de binnenzijde van het atrium worden afgedragen, via de vloeren van de doosjes (fig. 5, F 3). Afhankelijk van de stijfheid van de kernwanden en de stijfheid van het vloerveld, 4 5 knik knik F1 F1 F2 F2 M2 F3 F3 wind M2 Groninger Forum aardbevingsveilig (1) 8 2016 17 Bouwpauze Gecontroleerde stop Contractgesprekkenmet alle partijen Brief aan adviseurs opstellen Financiële afspraken adviseurs (Huidig cashow schema doorlaten gaan) Afspraken over werkprocessen Financiële afspraken BAM 'Contractgesprekken' gebruikers Inventarisatie 'schade' Kernteam/ontwerp Reguliere bijeenkomsten V erslaglegging/besluitvorming Samenstelling, rol verantwoordelijkheden Aanraking van EZ Contractuele zaken Balansteam BAM/GG Opnemen stand van het werk en vaststellen en waarderen van verplichtingen Aanhaking EZ Procesorganisatie Impact op huidige project organisatie Ontwerp Procesorganisatie Aanraking met EZ Aanraking met taakforce aardbeving Aanraking EZ Financiële aanhaking T echnisch inhoudelijke aanhaking Afwegingskader scenario's Kosten Investering Impact bouw Doorlooptijd Exploitatie Parkeerbedrijf/etsen Verdiencapaciteit Bedrijfsvoeringskosten Forum Verdiencapaciteit Bedrijfsvoering kosten Schadeposten Hergebruik van materiaal Hoe snel weer aan de slag Grondexploitatie Veiligheid NPR 'Reguliere' aardbevingen Functionaliteit V an bedrijfsvoering Van onderhoud Garanties Esthetiek Verschijningsvorm/uitstraling Architectonische concept Afwerking/beleving Juridisch Juridisch haalbaar Contractuele impact Gevalideerd Overeenstemmingmet EZ/NAM Overeenstemming GG/BAM/Bouwpartners T echnisch Mate van zekerheidvan het scenario Technische complexiteit De (op)volledigheid van het scenario Computermodel In nauwe betrokkenheid met ABT heeft het Nieuw-Zeelandse bureau Aurecon een computermodel opgezet, waarmee de seismische analyses zijn uitgevoerd. Hierbij is gebruikgemaakt van SAP2000, software die internationaal bekend is bij seis- misch ingenieurs. Voor deze analyses is de berekening met een Spectrale Modale Responsieberekening (MRSA, ofwel modal response spectrum analysis) uitgevoerd. Het SAP2000- model is samengesteld op basis van de invoer van het statische SCIA-model zoals ontwikkeld in de reguliere ontwerpfase. Voordat dit model kon worden geïmporteerd in SAP2000 moesten speciale bewerkingen worden uitgevoerd en scripts geprogrammeerd. De softwarepakketten zijn immers niet uitwisselbaar. Het SAP2000-model bevatte alleen de boven- bouw, zoals gemodelleerd in het SCIA-model, en niet de constructie van de onderbouw van de kelder. De randvoor - waarden voor de bovenbouw zijn zodanig gekozen dat deze de onderbouw representeerden. Het basismodel was zeer omvangrijk: circa 27 000 knopen, 3300 staafelementen en 26 000 2D-elementen. Het model en de uitkomsten ervan zijn gevalideerd door onder meer HCG en schaduwmodellen van BAM A&E in RFEM en met het oorspronkelijke SCIA-model van ABT. Respons Ter bepaling van de respons is het spectrum van de NPR inge- voerd met een piekgrondversnelling van 0,24 g, verschaald met een belangrijkheidsfactor van 1,6. Deze belangrijkheidsfactor is een factor waarmee de belasting wordt vermenigvuldigd bij 3. Aanpassingen moesten vallen binnen de aanwezige juridische kaders (bijvoorbeeld aanbestedingsrechtelijk). 4. De bouw moest zo spoedig mogelijk worden herstart. 5. De oplossingen moesten worden gevalideerd door Economi- sche Zaken / NAM. Het feit dat het ontwerp van het Groninger Forum reeds volledig was uitgewerkt en volop in uitvoering was, zorgde voor de nodige extra praktische randvoorwaarden. Figuur 6 brengt dat in beeld. Feitelijk is gestreefd naar minimale schade voor de opdrachtgever. Deze schade wordt gevormd door onder meer de aanpassingskosten, de stilstand en de veranderingen die de functionaliteit raken. Bij alle afwegingen gold echter: veiligheid heeft prioriteit. Uitgevoerde onderzoeken en toetsingen Om te bepalen wat de beste oplossingsrichting was voor het aardbevingsveilig maken van het gebouw, moest eerst goed in beeld worden gebracht waar het huidige ontwerp niet voldeed of zou kunnen voldoen zonder aanpassingen. Een belangrijk gegeven hierbij was dat de kelderconstructie inclusief de begane grond gereed was en de kernen tot eerste verdiepings- niveau waren gerealiseerd. Volledig (seismisch) herontwerpen was dus niet mogelijk. Daarom richtte het onderzoek zich eerst op een diepgaande analyse van het bestaande ontwerp, om van daaruit de stap te kunnen zetten naar een oplossing. 6 Groninger Forum aardbevingsveilig (1) 8 2016 18 East Cor e W all Stress P lot s q = 1 .5 C om plet e se ction cuts whe re t h e re a re m ult ip le pie rs need t o be tu rn ed off, not s e le cted. W all W_O A 7 Bijdrage trilvormen volumes in atrium 8 Typisch beeld van overschrijdingen; op grotere hoogte door de hogere trilmodi Schuifspanningen Uit de analyse volgen relatief kleine vervormingen, maximaal circa 60 mm uitbuiging. Deze zijn in lijn met de gedragsanalyse volgend uit het spectrum. Door de vorm van het spectrum uit de groene versie van de NPR zijn de opgelegde vervormingen en daardoor de respons relatief klein. Er is gekeken naar de schuifkrachten die door de kernen moeten worden afgedragen. De meest kritieke plek is de buitenwand van de westelijke kern in dwarsrichting. Hierin zijn grote openingen op beganegrondniveau aangebracht. Uit een initiële toets bleek dat de toelaatbare schuifspanning ruim wordt over - schreden. Dit is op meer plaatsen het geval (fig. 8). Vanwege de hogere trilmodi vanuit de ingehangen volumes, wordt ook vaak de spanning in penanten en lateien overschreden. Staalconstructies De staalconstructies zijn getoetst op basis van de bepaling van een doorsnedecontrole van elk individueel element (ca. 3300 stuks). Ze zijn gecontroleerd voor de seismische belastingscom- binaties, zoals verkregen met de SAP-analyse. Uit beschouwing van de resultaten kan worden afgeleid dat nagenoeg alle over - schrijdingen ontstaan bij een seismische combinatie waarin de verticale component van het spectrum substantieel aanwezig is. Gebleken is dat er elementaire staalelementen overbelast kunnen raken die in het primaire belastingspad aanwezig zijn. Bezwijken van die elementen kan zonder waarschuwing leiden tot instorting van grotere delen. Maar er zijn ook secundaire hogere of lagere belangrijkheid van de bouwconstructie ten opzichte van de standaard. In het model is gerekend met een gedragsfactor q = 1. Deze q-factor is een reductiefactor waarmee de impact van het spec- trum wordt verlaagd, om in rekening te brengen dat er energie door ductiel gedrag wordt opgenomen. Hoe hoger de q-factor, hoe meer energie er door het ductiele of plastische gedrag wordt opgenomen. Voor de toetsing van onderdelen is waar mogelijk met een hogere q-factor gerekend. Uit diverse analyses is gebleken dat er constructieonderdelen en belastingspaden aanwezig zijn die bros reageren. Maar vooral de gerede onderbouw, die gerealiseerd is op basis van statische ontwerpuitgangspunten, en de kleine verplaatsingen ten gevolge van de aardbeving (ca. 60 mm topverplaatsing kernen) waren leidend om voor een q-factor van 1 te kiezen. Door deze kleine verplaatsingen is er immers geen sprake van grote scheurvorming en vloei van de wapening, waarmee de energieopname beperkt is. Modale analyse Uit de modale analyse is gevonden dat er zeer veel eigenfre- quenties van het gebouw (trillingsperioden) zijn te bepalen, waarbij aan de NPR-eis (art. 4.3.3.3.1) wordt voldaan dat ten minste 90% van de massa van het gebouw in trilling is gebracht. Hierdoor kostte het veel tijd de berekening uit te voeren en de resultaten te verkrijgen. Een verklaring voor het hoge aantal eigenfrequenties is de grote stijfheid van de betonkernen en de hybride constructie. Hierbij is er geen overheersende trillingsmodus, maar leveren allerlei trillingen (hogere modi) van onderdelen een bijdrage. Dit kunnen zijn de volumes in het atrium, maar bijvoorbeeld ook de vloerliggers (fig. 7). - m ate ria lis erin g e n k le u re n k o m en n ie t overeen met de wer kelij k h eid .opmerki nge nsta tus u it g ift e /w jiz ig in g w erk co d e o nd erw erp w erk o p d ra ch tg ev er o m sch rij vin g wijz ig in g getek. geco ntr. beoor d. wij z ig . datum f o rm aat schaal Arnhe mse straat weg 358, Velp t e l. + 31 (0)26 368 31 11 w ww. ab t.e uVelp - o m sch rijv in g u it g if te getek. geco ntr. beoor d. wij z ig . datum P o stbu s 82, 6800 AB A rnhe m fa x +31 (0)26 368 31 10 i n fo @ ab t.e u V an Halls traat 294 1051 HM Am ste rda m T: 020 6207323 F: 020 6386192N L A r c h i t e c t sGron ing en 1 : 100 C :\r evit le s\ 09615_c 5_local_ wen_2012. rv t 5 -1 -2012 16:16 :1 7 B K5_3D_01 N ie uw bo uw Gro nin g er Fo rum0 96 15 h rm 09-01- 2012 Gemee n te G roningen b ou w ku n de Tec h n isch ontw erp d e nit ie f A 0+3 D impr ess ied oo rsn e d e C -C 7 8 Groninger Forum aardbevingsveilig (1) 8 2016 19 9 Artist's impression Groninger Forum bij de keuze voor de te nemen maatregelen. Hierop wordt in het volgende artikel ingegaan. ? ? LITERATUUR 1 Walraven, J., Lurvink, M., Voorlopig ontwerpuitgangspunten voor nieuwbouw en verbouw onder aardbevingsbelasting ten gevolge van de gaswinning in het Groningenveld, ten behoeve van minister Economische Zaken, 2014. 2 Technische Grondslagen voor Bouwconstructies, praktijkrichtlijn NPR 9998, Beoordeling van de constructieve veiligheid van een gebouw bij nieuwbouw, verbouw en afkeuren - Grondslagen voor aardbevingsbelastingen: Geïnduceerde aardbevingen, februari 2015. ? PROJECTGEGEVENS project Groninger Forum opdrachtgever Gemeente Groningen architect NL Architects hoofdconstructeur ABT installaties Huisman & Van Muijen bouwfysica DGMR hoofdaannemer BAM Bouw & Techniek coördinerend constructeur uitvoering BAM Advies & Engineering elementen waar een bepaalde mate van overbelasting niet leidt tot instorting (bijvoorbeeld vloerliggers). Voor de verbindingen is een diepere analyse nodig om ervoor te zorgen dat de plasti- sche vervorming ook kan optreden en er geen bros bezwijken (van de verbinding en daarmee het profiel) optreedt. Conclusies Het Groninger Forum is ontworpen met twee robuuste en voor de constructieve werking overmaatse kernen. Voor het statische ontwerp heeft dat veel voordelen. Zo zijn de vervormingen door het overhellen beperkt. Hierdoor zijn de maatbeheersing in de bouw en de detaillering van de gevel relatief eenvoudig. Het geeft ook de flexibiliteit om grote sparingen te maken die nodig zijn voor de functionaliteit van het gebouw. Voor een aardbevingsbestendig ontwerp is echter de grote stijf- heid van de kernen eerder nadelig. Immers, hoe hoger de stijf- heid, hoe hoger de spectrale versnellingen en daarmee de opge- roepen belastingen. Daarnaast zijn de kernen vanwege hun afmetingen in feite gedrongen liggers (een grote breedte ten opzichte van de hoogte). Hierdoor is dwarskracht maatgevend ten opzichte van buiging. Bezwijken op dwarskracht is echter een ongewenst bros mechanisme bij een aardbevingsbelasting. Opvallend is verder de impact van de verticale component van de aardbevingsbelasting. Vanwege de grote overspanningen van de topverdiepingen en de uitkragingen van de volumes in het atrium, moet deze component ook worden meegenomen. De reeds gemaakte kelder geeft uiteraard beperkingen. Zo kan in de kelder niet worden gerekend op ductiel gedrag, aangezien de normen speciale detailleringen en wapeningsklassen voor - schrijven die uiteraard niet zijn aangebracht. Tegelijkertijd is de kelderconstructie door zijn grote omvang en robuuste uitwer - king in ter plaatse gestort beton ook een belangrijk intermediair gebleken. De kelder kan de krachten vanuit de bovenbouw over grote breedte spreiden, waardoor er geen problemen ontstaan in de fundering. Dit gegeven is een belangrijke rol gaan spelen 9 Video's online Op www.cementonline.nl zijn bij dit artikel enkele interessante video's beschikbaar. In een van de video's licht auteur Erwin ten Brincke de gekozen oplossingen toe (komt aan bod in het tweede artikel in deze serie). Een tweede video laat de presentatie zien van René Sterken, Erwin ten Brincke, Han Krijgsman en Jos Roona op de Betondag 2015. Verder staan er diverse extra foto's en links met meer informatie. Groninger Forum aardbevingsveilig (1) 8 2016 20 Dynamica van fietsbrug belicht 1 Fietsbrug Sydneystraat: een voorbeeld van nauwe samenwerking tussen overheden en markt Na een optimale samenwerking tussen opdracht- gever en opdrachtnemer is eind 2014 een fietsbrug opgeleverd aan de Sydneystraat in Rotterdam. De brug wordt gekenmerkt door een slank ontwerp van beton met nagerekte voorspanning en achteraf geïnjecteerde voorspankanalen. Bij het ontwerp speelden voetgangersdynamica en een onderzoek naar de slankheid van het brugdek een grote rol. Dynamica van etsbrug belicht 8 2016 21 De fietsverbinding tussen de Schiedamse Polderdwarsweg en de Rotterdamse Sydneystraat is een belangrijke schakel in het regionale fietsnetwerk. Het project is een gezamenlijk initiatief van de twee gemeenten Rotterdam en Schiedam en mede mogelijk gemaakt door een subsidie vanuit Beter Benutten 1). Technisch gezien was het een uitdaging het fietspad te realiseren op een tracé waarin over korte afstand forse hoogteverschillen moesten worden overbrugd. Onderdeel van het fietspad is een lange fietsbrug met een hellingspercentage van ongeveer 5% (fig. 2). Contract en samenwerking Tijdens de voorbereiding bleek dat de planning erg krap was, namelijk ongeveer een halfjaar (eis vanuit subsidieregeling) voor ontwerp en uitvoering. Uitwerking aan opdrachtgeverskant tot op een traditioneel bestekniveau zou te veel tijd vergen. Besloten werd daarom het dek tot op het niveau van voorlopig ontwerp (VO) door ingenieursbureau Rotterdam uit te laten werken en het vervolgontwerp over te laten aan de opdrachtne- mer. Tijdwinst kon worden geboekt doordat de aannemende partij in het verdere engineeringsproces ontwerp en uitvoering kon integreren. Zodoende is er een aanbesteding gedaan op basis van het design&construct-principe waarbij gebruik is gemaakt van de systems engineering systematiek. Zowel het definitief ontwerp (DO) als het uitvoeringsontwerp (UO) is door de opdrachtnemer verzorgd. Om de verschillende stake - holders (de gemeenten, waterschap en de beheerafdeling) zekerheid te geven over het eindresultaat, is ervoor gekozen in het contract een bindend VO op te nemen. In dit VO is bijvoorbeeld de materialisatie en het uiterlijk van de brug vast- gelegd. Andere onderdelen van de fietsbrug zoals de fundering zijn ter keuze van de aannemer gelaten, zodat er ruimte ontstond ontwerp en uitvoering op elkaar af te stemmen. Al bij het startoverleg met de aannemer werd afgesproken dat aspecten als het beperken van hinder, de bereikbaarheid en omgevingsbewust werken net zo belangrijk waren als de reali- satie van het project. Naar aanleiding hiervan is afgesproken transparant met elkaar te communiceren om tegenslagen en problemen direct te delen en deze gezamenlijk op te lossen. Dit heeft ertoe geleid dat enkele tegenslagen zonder vertraging of klachten zijn afgehandeld en bovendien was er eerder sprake van partnerschap dan van partijen. De beoordelingstermijnen van het ontwerpproces zijn zo kort mogelijk gehouden door intensief en adequaat ontwerp- en toetsingsoverleg tussen opdrachtgever, aannemer en onderaannemers/constructeurs. Na goedkeuring van het DO konden hierna vrij snel ook de palen worden geheid. Ontwerp De brug bestaat uit twee delen: een deel met vijf overspannin- gen van 15 m en een tweede deel over het water met een over - spanning van 20 m (fig. 2). De brug rust op landhoofden en portalen. Het brugdek heeft een constructieve hoogte van maximaal 450 mm. Het UO heeft slechts één voegconstructie en dat is ter plaatse van de overgang naar het hoogstgelegen veld (fig. 2). Dit is tevens het veld met de grootste overspanning van 20 m. Constructief gezien bestaat het brugdek dus feitelijk uit twee liggersystemen. De eerste en langste ligger is net als de tweede om praktische redenen vanaf één zijde voorgespannen. De tweede ligger is na het voorspannen als prefab dek ingehesen Tako Heukels MSEng, ing. Bart Bouw, ing. Mozafar Said Ingenieursbureau Rotterdam ing. Pieter Blom Gebr. De Koning 1 De fietsverbinding tussen de Schiedamse Polderdwarsweg en de Rotterdamse Sydneystraat is een belangrijke schakel in het regionale fietsnetwerk foto: Paul van der Blom2 Voorontwerp van het ingenieursbureau 1) Beter Benutten is een platform van het ministerie van Infrastructuur en Milieu. 2 Dynamica van etsbrug belicht 8 2016 22 3 Leuningwerk in Rotterdamse Stijl 4 Dwarsdoorsnede dek (UO) 5 Dwarsdoorsnede portaalconstructie (UO) (fig. 4). Dit onder andere om geen zware bekistingsconstructie boven water te hoeven aanbrengen. Door de dekken lopen zes omhullingsbuizen Ø65/70 mm (binnen-/buitenmaat). In de omhullingsbuizen zijn variërend zeven of negen strengen Ø15,7 mm Y1860 aanwezig. De verankering van het voorge- spannen beton wordt verzorgd door voorspankoppen. De betonsterkteklasse varieert van C35/45 voor de kortere over - spanningen en C55/67 voor de grotere overspanning. Als krimpnet is langswapening B500B Ø12-150 aangebracht. Portalen De tussensteunpun