Keldervloer met staal vezelbeton 8 2 0 11 10 Keldervloer met staal vezelbeton De gemeente Eindhoven is in samenwerking met Fontys Hogescholen een ontwikkeling gestart voor een nieuwe sporthogeschool in de Genneper Parken in Eindhoven. Dit gebied is momenteel al rijkelijk voorzien van sportinstellingen. In deze nieuw te bouwen sporthoge - school worden de huidige Fontys sporthogescholen in Tilburg en Weert samengevoegd. Het gebouw wordt uitgevoerd zonder overdrachtscon- structies en wordt gefundeerd op een vlakke staalvezelbetonnen vloer op staal. 1 Efficiënte constructie voor Fontys Sporthogeschool op staal gefundeerd Opzet gebouw In het gebouw zijn verschillende functies gecombineerd die vrijwel in elkaar over lopen. In de kelder bevinden zich de parkeergarage, de techniekzone en de collegezaal die doorloopt in de begane grond. De begane grond biedt ruimte aan de kleed- lokalen voor alle sportzalen, onderwijsfuncties en in het midden van het gebouw een sportzaal voor vechtsporten en gymnastiek. Op de eerste verdieping bevinden zich de grote sportzalen 1 t.m. 4 die aan de achterzijde 3,5 m uitkragen over de begane grond. De sportzalen 1 t.m. 3 kunnen van elkaar worden gescheiden door een harde panelenwand. Sportzaal 4 is bestemd voor professioneel basketbal en andere balsporten, maar heeft ook een tokkelbaan (kabelbaan). Op de 1e verdie- Keldervloer met staal vezelbeton 8 2 0 11 11 1 Artist impression sporthogeschool 2 Rendering hoofddraagconstructie sporthogeschool 3 Vervormingen van de -1 vloer en de ondergrond (sterk overdreven) ping wordt een klimhal gerealiseerd, die kenmerkend boven het gebouw uitsteekt. Verder bevinden zich op de 1e verdieping onderwijsfuncties en het sportcafé. De tweede verdieping is bestemd voor onderwijsfuncties, tussen de sportzalen bevindt zich een techniekruimte. Er is in de constructie rekening gehouden met een lokale uitbreiding van één bouwlaag ter vergroting van de onderwijsfuncties. Opzet constructie In het constructief ontwerp van de sporthogeschool is veel aandacht besteed aan het voorkomen van overdrachtscon- structies vanwege de verschillende functies in het gebouw boven elkaar. In een vroeg stadium is in nauw overleg tussen architecten en constructeur een kolommenstructuur in de parkeerkelder vastgelegd, rekening houdend met de struc- tuur van de bovenbouw. Het bleek goed mogelijk om hierin een doorgaande draagstructuur te vinden, waarmee over - drachtsconstructies konden worden voorkomen. De onderbouw (kelder tot en met 1e verdieping) is ontwor - pen in een betonnen hoofddraagconstructie. Vanaf de 1e verdieping wordt de hoofddraagconstructie in staal uitge- voerd in combinatie met kanaalplaatvloeren. Aan de achter - zijde van het gebouw kraagt de 1e verdieping ongeveer 3,5 m uit. Deze uitkraging is gerealiseerd door een vakwerk in de achtergevel op te nemen en deze op vier plaatsen te onder - steunen met vakwerken haaks op deze achtergevel. De stabi- liteit van het gebouw wordt verzorgd door de betonwanden rondom trappenhuizen, rondom de collegezaal en de tech- niekruimte. De staalconstructie is afzonderlijk gestabili- seerd. Van boorpalen naar een fundering op staal In overleg met de geotechnisch adviseur is het gebouw ontwor - pen met een fundering op boorpalen. Door de beperkte bema- lingsduur waren deze palen oorspronkelijk zowel op trek als druk belast. De bemaling moest immers, zonder aanvullende ballast op de keldervloer, kunnen worden uitgezet zodra de begane grond gereed was. Na aanbesteding van het project heeft de aannemer advies ingewonnen voor een alternatieve fundering en keldervloer. In beginsel was er alleen naar een alternatieve keldervloer gekeken. Op basis van de sonderingen is er ook gekeken naar een fundering op staal in plaats van palen. Natuurlijk kan een op palen gefundeerd gebouw niet zomaar op staal worden gezet, hieraan kleven veel nadelen. In samenwerking met de geotechnisch adviseur zijn deze nadelen en risico's in kaart gebracht. Met name het trekken van de damwanden en samendrukbare lagen in de onder - grond zorgden voor mogelijke risico's. Door deze risico's goed te onderzoeken kon vooraf nauwkeurig worden inge- schat of deze aspecten volgens de normen een onacceptabele situatie zouden opleveren. De vervormingen van deze constructie bleven binnen de marges, omdat de ondergrond- bewerking op de juiste wijze werd uitgevoerd (fig. 3). De vervormingen bleven in dezelfde orde van grootte als een constructie gefundeerd op palen. Uiteindelijk is gekozen voor een fundering op staal. Ontwerp van de keldervloer Omdat afgezien werd van een fundering op palen, moest het ontwerp van de keldervloer op de schop. De gunstige en gecon- centreerde krachtsafdracht moest worden veranderd in een meer gelijkmatige verspreiding van de beddingdruk. Er zijn twee opties voorgedragen: 1 een dunne vloerplaat met poeren 2 een vlakke hybride gewapende vloer ing. Michaël Menting ABT ing. Marco Moerman RC JVZ Ingenieurs 2 3 Keldervloer met staal vezelbeton 8 2 0 11 12 voorwaarden door en door. Deze kennis is samengevoegd door middel van een nauwe en intensieve samenwerking. Vloer ter plaatse van de kolommen De kolommen zijn ingedeeld in 4 kolomklassen. Het merendeel van de kolommen behoort tot klasse 1 waarbij geen ponswape- ning nodig was. Bij klassen 2 en 3 was ponswapening noodzake- lijk (fig. 6). Bij de zwaarste klasse 4 was de bijlegwapening constructief noodzakelijk om de momenten op te vangen. Bij alle klassen is additionele onderwapening toegepast. Deze is gebruikt om eventuele scheurvorming aan de onderzijde te beperken. Door de toepassing van pons-, moment- en stekwapening was nabij de kolommen uit klasse 4 forse wapening aanwezig. Door de bijlegwapening ten behoeve van het moment aan de kant te schuiven was er meer plaats voor de pons- en stekwapening. De resterende wapeningconfiguratie in dit gebied zorgde voor weinig problemen in de uitvoering. Vloeistofdicht ontwerp De constructieve keldervloer is ontworpen met een betonsterk- teklasse C35/45. Vanwege het vloeistofdichte karakter van de vloer is een krimparm beton (lage wcf ) noodzakelijk. Dit beton is, afhankelijk van het weer, langzaam of sneller in zijn sterkte- ontwikkeling. Er is rekening gehouden met de sterke verhinderde vervor - ming door de grote wrijving met de ondergrond in combina- tie met de beddingdruk vanuit het gewicht van het gebouw. De vloer kan door verandering in temperatuur en de krimp vervormen. Hierdoor was er relatief veel krimpwapening noodzakelijk om de gewenste scheurwijdte tot vloeistofdicht niveau te verkleinen. De vuistregel is dat bij een dergelijke keldervloer circa 1% van de betondoorsnede aan wapeningstaal noodzakelijk is om te voorkomen dat de scheurwijdte een te hoge waarde bereikt. Een andere ontwerpoptie is (veel) dilataties te plaat- sen in de vloer en dus ook in de andere onderdelen van het gebouw. Een derde optie is de vloer niet te wapenen op krimp en watervoerende scheuren te injecteren nadat het grootste gedeelte van de krimp is opgetreden. Het voordeel van een dunne vloerplaat met poeren (1) is de materiaalreductie die kan plaatsvinden tussen de poeren. De vloer kan hier dun worden uitgevoerd. De dikte van de tussen- gelegen vloer is grotendeels afhankelijk van de waterdruk. Een van de grootste nadelen van deze optie is het verschil in stijf- heidverhouding waardoor spanningspieken optreden. Deze spanningspiek leidt veelal tot het ontstaan van watervoerende scheurvorming. Verder is er bij een dergelijke constructie veel bijlegwapening langs de poeren noodzakelijk. Een vlakke plaatvloer (2) kost iets meer materiaal. Deze variant is daarentegen praktisch en ontwerptechnisch veel gemakkelij- ker vloeistofdicht te maken. Vanwege bovengenoemde redenen is gekozen voor deze oplossing met hybride wapening. Hybride wapening Hybride wapening is een combinatie tussen vezels en traditio- nele wapening. Hierbij wordt optimaal gebruikgemaakt van de gunstige eigenschappen van beide materialen. Vezels zijn gebruikt voor het opvangen van momenten en dwarskrachten in de vloer. Verder zijn zij verantwoordelijk voor een signifi- cante beperking van de scheurvorming, die door belemmerin- gen vrijwel niet is te voorkomen. De traditionele wapening is toegepast voor het opvangen van grote geconcentreerde krach- ten en bevorderen van de taaiheid van de vezelwapening. Door toepassing van hybride wapening kan de vloer dunner worden uitgevoerd: er werd een slanke vlakke vloer gereali- seerd van slechts 350 mm. Bovendien konden de poerconstruc- ties achterwege blijven. Het ontwerpcriterium voor de vloer - dikte betrof de toelaatbare ? 2. Er waren circa 10 kolommen die te zwaar werden belast, waardoor lokaal een vloerdikte van 600 mm noodzakelijk was. De toepassing van een keldervloer met hybride wapening als fundering voor een hogeschool is nieuw; een dergelijke constructie met deze randvoorwaarden is in Nederland niet eerder gebouwd. De constructeur van de vloer had echter veel kennis over staalvezelbetonvloeren. En de hoofdconstructeur kent de hoofddraagconstructie van het gebouw en diens rand- 4 5 Keldervloer met staal vezelbeton 13 onderwapeningbestaande ondergrond?3150 / ?3850 BSA menggranulaat 0 ? 40 ponswapening bovenwapening 4 Controle drukvastheid van de ondergrond; hand sondeer - apparaat en een valgewicht deflectiemeter 5 Zeilen op de wapening met heaters om de ondergrond boven het vriespunt te brengen 6 Kolom met wapening 7 Detail in de praktijk met het vezelbeton dat om de wape - ning heen vloeit Uitvoering Ondergrond Het bleek in de uitvoering lastig om met de wisselende grond- slag voldoende constante drukvastheid te krijgen. Hiervoor zijn plaatselijk leemlagen tot 1 m onder het toekomstige niveau verwijderd. Deze zijn daarna weer aangevuld en verdicht met zand. Tussentijds is de verdichting gecontroleerd met een handsondeerapparaat (foto 4). Direct onder de vloer is als werkvloer menggranulaat gebruikt. Dit is een gebruikelijke werkvloer voor laadkuilen en bedrijfsvloeren en heeft zeer gunstige effecten voor het uiteindelijke vloerresultaat. Wat belangrijk is, is een goed thermisch contact. Verder verhoogt de werkvloer de ondergrondwrijving en kan deze water opnemen. Het opnemen van het water is gunstig bij het storten waardoor de mate van 'bleeding' wordt beperkt. Voor dit project is de eerst genoemde optie gekozen: er werd een vloeistofdicht ontwerp uitgewerkt. Door gebruik te maken van hybride beton kon er aanzienlijk worden bespaard in de benodigde hoeveelheid krimpwapening. De vloer is berekend met een theoretische scheurwijdte kleiner dan 0,07 mm. Wanneer de vezels worden omgerekend naar equivalente wapeningshoeveelheden, komt de totale hoeveel- heid wapening aan de uitdrogende zijde op circa 0,77% van de bruto betondoorsnede (met betrekking tot de toetsing van de scheurwijdte). Aan de onderzijde zit nog eens circa 0,4% (betrokken op scheurwijdte). Een groot deel van de wapening is vervangen door staalvezels. Het totaal aantal kg wapenings- staal is hierdoor gereduceerd en er waren geen palen meer noodzakelijk. Warmteontwikkeling Doordat gekozen is voor een relatief dunne vloer, was het risico op het ontstaan van watervoerende scheuren door hydratatie- warmte-afkoelingscontractie gering. Dit risico is immers het grootst bij dikke constructies. De scheuren kunnen ontstaan doordat in de jonge fase van het beton de temperatuur in het beton teveel opwarmt in de kern van de doorsnede. De buiten- zijde kan goed afkoelen door de warmte af te geven. Doordat na het opwarmen het beton afkoelt naar een lagere tempera- tuur wil de kern sterk gaan krimpen. Deze krimp wordt verhin- derd door de buitenzijde. Hierdoor kan de doorsnede scheu- ren. Verder was vooraf bekend dat de keldervloer zou worden gestort in de relatief gunstige winterperiode. Bij een betontem- peratuur onder de 5 °C ontstaat echter ook het gevaar dat de afwerking zou worden bemoeilijkt. Trekpalen Op enkele plaatsen in het gebouw is er weinig bovenbelasting aanwezig. In de variant met de paalfundering waren hier extra trekpalen voorzien. Bij de fundering op staal is op deze plaat- sen gebruikgemaakt van GEWI-ankers als trekelementen. Om te voorkomen dat alsnog een bemalingsvergunning nodig zou zijn, is ervoor gekozen de vloer te ballasten in de uitvoe- ring om zodoende voldoende tegendruk te creëren. 6 7 Keldervloer met staal vezelbeton 8 2 0 11 14 0 0 ,0 5 0 ,1 0 ,1 5 0 ,2 0 ,2 5 0 ,3 0 ,3 5 0 ,4 0 ,4 5 0 ,5 1 50001 100001 150001 200001 250001 300001 350001 400001 450001 500001 sta nd aard d ev iatie / g em idd eld e w aard e [- ] oppe rv lak onde r t rek [ mm² ] 9 Spreiding in trekspanning 10 Beton met staalvezels 11 Staalspanning in de wapening in de UGT (links) en de scheurrekken in het beton (rechts) foto's en figuren: L. Huismans, ir. H.B. Monster, ir M. Kimenai, ir S. Ma, Mecanoo architecten, JVZ ontwikkeld om afkoeling of vorstschade te voorkomen. Tijdens het storten ontwikkelde de temperatuur in het beton zich goed. Deze bleef boven de 5 °C waardoor het beton kon verhar - den. Ook kon op tijd met het afwerken worden begonnen. Na het afwerken van de vloer is er de eerste uren geen zeil over de vloer gelegd om aanvriezing te voorkomen. Pas de volgende dag is de vloer afgedekt met een zeil met een temperatuur > 0 °C. Berekening hybride beton In het ontwerp is gebruikgemaakt van de rekenprincipes uit de CUR-Aanbeveling 111. Hierbij wordt een relatie gelegd tussen vezelbetonbeproeving en aan te houden materiaalparameters. De rekenmodellen die zijn gebruikt zijn rek-gestuurd. Dit is noodzakelijk omdat hybride gewapende doorsneden moeilijk kracht-gestuurd zijn te berekenen. In de periode van uitvoering van de keldervloer heeft de aannemer veel hinder ondervonden van het weer. Het was een erg nat en koud najaar. Dit maakte het erg moeilijk de onder - grond goed te verdichten. In dit weer is het bovendien onmo- gelijk de controle van de drukvastheid uit te voeren. Echter, midden tot eind december, na de koude periode, bleek de drukvastheid toch op het gewenste niveau te zijn gebracht. Stort van de vloer De vloer van circa 7000 m 2 is in drie fasen gestort. Hierdoor zijn er relatief grote vloerstorts ontstaan. Tijdens één fase is een productie behaald van 1300 m 3 beton. De betonsamenstelling is afgestemd tussen de leverancier en de constructeur van de vloer. In beginsel bleek de combinatie tussen fijnmazige wape- ning, een relatief grote productie en vezelversterkt beton een uitdagende keuze. Voor de eerste stort is extra inspanning verricht, onder andere een erg lange stortdag voor het vloeren- bedrijf. Door het betonmengsel aan te passen en door de lengte van een deel van de vezels te veranderen, zijn de andere twee storts direct succesvol verlopen. De eerste en de laatste stort zijn uitgevoerd bij een temperatuur onder het vriespunt. Door zeilen over de wapening te leggen en warme lucht onder de zeilen te blazen, werden de grond en de wapening op temperatuur gehouden (foto 5). Het betonmeng- sel is verwarmd aangeleverd. Er is een grotere hoeveelheid cement gebruikt bestaande uit 50% CEM I (portland) en 50% CEM IIIB. Verder is er een deel vliegas gedoseerd. Door de grotere dosering portlandcement werd er voldoende warmte 9 10 Keldervloer met staal vezelbeton 8 2 0 11 15 De testbalken en -platen zijn gemaakt op de bouwplaats, om zodoende het effect van de ruwe uitvoeringcondities mee te nemen. Deze balken hebben twee weken lang in de buitenlucht (lees: vrieskou) gestaan. Ondanks deze ruwe en ongunstige omstandigheden presteerden de proefstukken zoals verwacht. Echter bleef de betondruksterkte wat achter door wellicht de lagere temperaturen en de mindere verdichting van het beton. Verder is uit herberekening van eerder verrichte beproevingen een goed veiligheidsniveau in te calculeren. De grafiek uit figuur 9 laat zien dat de spreiding in trekspanning in het mate- riaal sterk afneemt met een toename in de doorsnede. Verder blijkt dat de spreiding die wordt gevonden bij kleine oppervlak- ten niet wordt teruggevonden bij constructies van enig formaat. Bij puntvormig belaste of ondersteunde platen wordt door de plastische herverdeling een erg groot gebied gemobiliseerd. De constructie gedraagt zich conform het gemiddelde materiaalge- drag. Door voor de standaarddeviatie een waarde te nemen van 0,1 N/mm 2 kan met de factor 1,64 de karakteristieke, voor het constructietype toegepaste materiaalgedrag, worden toegepast. Wel duidelijk is dat voor andere constructietypen, zoals een balk of kolom een andere karakteristieke waarde moet worden gebruikt. Een veiligheidsfactor van 1,25 voor staalvezels is wellicht wat aan de hoge kant wanneer er van karakteristieke waarden wordt uitgegaan. Zeker als er 3D EEM berekeningen worden toegepast. Verder valt te zien dat om de gemiddelde waarde vast te stellen ten behoeve van de vezelparameters erg veel statistisch materiaal nodig is. Ten slotte is goed zichtbaar dat het gedrag van staalvezelbeton vergelijkbaar is met dat van constructiestaal en dat het berekenen van volledige plasticiteit geen enkel probleem is. ? De CUR-Aanbeveling 111 is met enige voorzichtigheid alleen toepasbaar verklaard voor gebouwen in veiligheidsklasse 2. Bouw- en woningtoezicht had moeite met deze verklaring. En vanwege de beperkte tijd die nog voorafgaand aan de stort beschikbaar was, is ervoor gekozen de kritische punten zonder de gunstig werkende vezels door te rekenen. Hierdoor had de gemeente geen extra tijd nodig voor een beoordeling op basis van gelijkwaardigheid. Beproeving Om voor toekomstige projecten de werking van de vezels te bevestigen is er parallel aan de vloerstort een beproeving opge- start. Dit onderzoek is momenteel nog in uitvoering. Globaal kan al wel worden gesteld dat CUR- Aanbeveling 111 op de meeste punten voldoende veiligheid geeft voor een gebouw in veiligheidsklasse 3. Echter er moet een aantal parameters worden verlaagd, met betrekking tot het omrekenen van resi- duële buigtreksterkte naar centrische treksterkten. Uit de beproeving blijkt verder dat de ponsveiligheid vanuit de Aanbeveling conservatief is benaderd. Uit de beproevingen blijkt dat dit bezwijkmechanisme een veiligheid heeft van een factor >3. Er wordt wel een ponskegel uitgedrukt. Tevens blijkt de berekeningswijze vanuit de VBC of Eurocode niet helemaal overeen te komen met het gedrag van pons bij staalvezelbeton. Een andere wijze van berekenen wordt nu onderzocht. ? PRojeC tgegevens opdrachtgever Gemeente Eindhoven en Fontys Hogescholen architect Mecanoo architecten hoofdconstructeur JVZ Ingenieurs aannemer Mertens bouwbedrijf constructeur keldervloer ABT geotechnisch adviseur Inpijn-Blokpoelleverancier betonmortel Raijmakers leverancier staalvezels Bekaert leverancier kanaalplaatvloeren Dycore uitvoering keldervloer Vloerenbedrijf Someren en Raijmakers uitvoering 2010 -2012 ? BRonnen 1 Flyer menggranulaat, www.vloerenadvies.eu 2 CUR-Aanbeveling 111 - Staalvezelbeton bedrijfsvloe - ren op palen ? Dimensionering en uitvoering 3 NEN 6720 Voorschriften Beton - Constructieve eisen en rekenmethoden ( VBC 1995) 4 NEN-EN 1992 Eurocode 2 - Ontwerp en berekening van betonconstructies 11