thema Staal in beton 6 2 0 10 8 thema Staal in beton Door staalprofielen in beton in te storten kunnen de dimensies van kolommen en balken worden beperkt. De kosten hiervan zijn echter zo hoog dat dit maar beperkt wordt toegepast. Toch zien we in bijzondere situaties steeds vaker grote hoeveelhe - den staal in de bekisting verdwijnen alsof het niets kost. Van verkwisting is deson- danks geen sprake: deze massieve staalconstructies zijn het resultaat van een zorg- vuldige afweging. 1 Grenzen van het constructief en economisch haalbare kunnen verder worden opgerekt Staal in beton6 2 0 10 9 50 75 50 75 88 25 2525 25 as as 300 100 100 3026 265 188 2630 300 lassen a=8 lijf 320x16 enzen 150x40 samengesteld proel S355 1x schot 320x67x16 kolom 200x200x8 S355 voetplaat 300x200x10 vulplaat 300x200x304x opgelaste draadeinden M16 3x schot 188x90x10 aan weerszijde HE 220M 1x schot 164x67x16 258 strip 150x15 L=550 aan weerszijde HE 220M 10 855585 10 las a=15 64780+ 64480+ 64215+ 1 Bij het project de'2e Katendrechtse Haven' (DKV architecten) is de grote uitkraging mogelijk gemaakt dankzij ingestorte stalen profielen foto: Rob 't Hart 2 Stalen liggers in de vloer maken de sprong in de gevel van 'De Boulevard' mogelijk Het is nog niet zo lang geleden dat in de bouw B35 als een afwijkend hoge betonsterkteklasse werd gezien. Nu krijg je deze betonsterkte al wanneer je C20/25 bestelt en vinden we in het werk storten met C50/60 heel normaal. Staalconstructies zijn ook vaker in een hogere staalkwaliteit en de zeer zware HD-profielen zijn geen uitzondering meer. Bij het constructief ontwerpen in beton en staal is er dus steeds meer mogelijk. Wanneer beide materialen worden gecombi- neerd kunnen de grenzen van het constructief en economisch haalbare nog verder worden opgerekt. Beperking dimensies In de eerste helft van de 20e eeuw stond de architectuur vooral in het teken van functionaliteit, ook wel het Nieuwe Bouwen genoemd. Tegenwoordig komen we die functionali- teit nog steeds tegen, maar architecten nemen steeds vaker de vrijheid om de wetten der natuur te tarten. In toenemende mate wordt er bij het ontwerp gebruikgemaakt van grote uitkragingen, vides en verspringende gevels. Er ontstaan hierdoor niet alleen interessante bouwwerken, maar tevens de nodige uitdagingen voor constructeurs. Deze uitdagingen liggen vooral in het feit dat er diverse randvoorwaarden zijn opgelegd om de vraagstukken op te lossen. Uiteindelijk is alles terug te leiden tot een kostentechnische overweging, maar in eerste instantie kan de randvoorwaarde zijn om het probleem binnen de standaard afmetingen en bouwmetho- diek op te lossen. Een project waarbij er door een beperking in de dimensies uiteindelijk voor is gekozen forse staalprofielen in te storten, is 'De Boulevard' in Enschede (foto 3). Het ontwerp kenmerkt zich onder meer door een subtiel verspringende gevel, wat vraagt om een overdrachtsconstructie. Wanneer dit alleen maar in beton zou worden opgelost, zou dit voor de woningen een ernstige belemmering in de vrije hoogte opleveren. Het aanpassen van de verdiepingshoogte op slechts enkele niveaus, was niet alleen qua beeldvorming ongewenst, ook zouden indirect kosten ontstaan die niet opwegen tegen het gebruik van staal. De plaatselijk grotere verdiepingshoogte zou maatgevend zijn voor de afmetin- gen van het vluchttrappenhuis. Uiteindelijk zijn in de vloeren in verband met de dwarskracht versterkte HE220M-profielen toegepast (fig. 2). Ter plaatse van de raamsparingen van de gevel worden deze vervolgens weer opgevangen door samengestelde ir. Erik Middelkoop en ir. Jeroen Luttmer Corsmit Raadgevend Ingenieurs BV 3 Het ontwerp van 'De Boulevard' in Enschede kenmerkt zich onder meer door een subtiel verspringende gevel, wat vraagt om een overdrachtsconstructie bron: KOW 2 3 thema Staal in beton 6 2 0 10 10 KA 4Ø25 1 hspØ20 5 hspØ20 4 hspØ25 4Ø25 1 hspØ20 plaat 600x2000x40 2x2Ø20 2x4Ø25 2x2Ø16/20 2x4Ø20/25 bglØ10-150 2x2Ø20 2x4Ø25 2x2Ø16/20 2x4Ø20/25 bglØ10-150 bglØ12-1504Ø20/25 4Ø20/25 5x2Ø16/20 4Ø25 4Ø25 5x2Ø20 600 knoop 1A kolomwap. 12Ø20/25 bglØ10-100 bglØ12-100 bglØ10-100 v1 kolomstekken 12Ø20/25 L v1 L v2 L v2 L v1 L v1 L 4 Door in New Babylon twee 40 mm dikke stalen platen toe te passen met aan weerszij- den aangelaste stekken, kon het aantal elkaar kruisende staven worden gereduceerd 5 Het detail in New Babylon kreeg de naam stekelvarken 6 Stabiliteitswanden in kantoorgebouw AB van 'New Babylon' zijn grotendeels open- gehouden en voorzien van driehoekige raamsparingen. Ter hoogte van de verdie - pingen ontstond een kruispunt van een kolom met vier diagonalen en twee balken net op een andere manier wordt aangebracht dan we graag zouden willen? Conflicten door een grote hoeveelheid wapening, sparingen en instortvoorzieningen, zijn vaak de oorzaak hiervan. Om dergelijke uitvoeringsproblemen te kunnen oplossen wordt steeds vaker gekozen voor het instorten van stalen (samenge- stelde) profielen. Deze profielen worden in de fabriek vaak al voorzien van aangelaste stekken. Een groot voordeel hiervan is dat de complexiteit van de knoop wordt verlegd van de bouw naar de werkplaats. De lassen kunnen hierbij onder geconditio- neerde omstandigheden worden aangebracht. Een ander, en wellicht nog belangrijker voordeel, is dat de bouwtijd kan worden verkort, waardoor bijvoorbeeld een bepaalde cyclustijd van het tunnelproces kan worden gehaald. Op deze manier kunnen de kosten van de ingestorte staalconstructies snel worden terugverdiend. Een mooi voorbeeld van een dergelijke oplossing zijn twee op elkaar aansluitende stabiliteitswanden van één van de twee kantoorgebouwen bij het project New Babylon te Den Haag Centraal. Deze stabiliteitswanden zijn grotendeels opengehou- den en voorzien van driehoekige raamsparingen. Deze twee als vakwerken opgebouwde wanden vormen een 'L' om stabiliteit in twee richtingen te voorzien. Het 'probleem' zat hierin dat ter hoogte van de verdiepingen een kruispunt ontstond van een kolom met vier diagonalen en twee balken (foto 6). Het traditi- oneel uitwapenen van een dergelijke knoop zou een ware nachtmerrie zijn: niet alleen het bepalen van de ligging van de staven, maar ook het aanbrengen ervan zou voor de vlechter een ware puzzel betekenen. Door in dit geval te kiezen voor twee 40 mm dikke stalen platen met aan weerszijden aangelaste stekken, kon het aantal elkaar kruisende staven worden gereduceerd (fig. 4). Tevens kon worden voorkomen dat in het knooppunt diagonale wape- ning zou moeten worden aangebracht, door deze ter plaatse van de ingestorte staalplaat af te buigen naar een horizontaal vlak. De hierdoor ontstane verticale componenten van de trek-/ drukkrachten worden via de staalplaat verdeeld over de aange- laste stekken. Dit geprefabriceerde brok wapening kreeg al snel de bijnaam 'stekelvarken' en met een gewicht van ruim 800 kg was het een aardige uitdaging om dit geheel op de juiste positie in de bekisting te 'hangen' (foto 5). Uiteindelijk bleek met deze oplossing de constructie dermate snel te kunnen worden opge- trokken, dat er zelfs moest worden gekeken of de stabiliteits- wand een verdieping extra zelfstandig vrij kon staan. profielen met maar liefst 40 mm dikke flenzen. De kosten voor dergelijke profielen zijn uiteraard fors, maar wanneer naar de totale bouwkosten, de winst in bouwtijd en exploitatieopbreng- sten wordt gekeken, dan is dit een aanzienlijk gunstigere oplos- sing dan een volledig betonnen constructie. Uitvoeringsproblemen wapening In megaconstructies zien we tegenwoordig steeds vaker complexe betonconstructies waarbij verschillende constructieve betonelementen in één punt samenkomen. Deze elementen kunnen bijvoorbeeld diagonalen, balken en kolommen zijn die elkaar snijden. De elementen zelf hoeven wapeningstechnisch gezien geen probleem te zijn, maar wanneer de wapening van deze elementen samenkomt, ontstaat er een uitdaging. Niet alleen moet er worden voldaan aan de eisen voor detaillering - er moet nog voldoende beton tussen de wapening kunnen worden aangebracht -, maar het moet tevens nog mogelijk zijn de wape- ning op een praktische wijze te vlechten. Zijn we als construc- teurs allemaal niet situaties tegengekomen waarbij de wapening 4 Staal in beton6 2 0 10 11 Krachtsinleiding Voor de Nederlandse bouwmarkt geldt nog steeds dat het construeren met dragende betonnen wanden vaak de goedkoop- ste manier van bouwen is. De draagfunctie wordt gecombineerd met de stabiliteitsfunctie. Woongebouwen worden vanwege de benodigde woningscheidende wanden vrijwel uitsluitend met betonnen wanden gerealiseerd. Grote multifunctionele complexen bestaan dikwijls voor een groot deel uit woningen. In de onderste bouwlagen bevinden zich echter vaak andere functies, waar wanden niet gewenst zijn. Op de eerste schetsen worden de massieve bouwvolumes zwevend afgebeeld, wat later door de constructeur wordt vertaald in stalen kolommen en grote uitkragingen. De betonnen wanden krijgen hierdoor nog een extra functie: als een ligger moeten de belastingen naar de kolommen worden gebracht. Het kritische onderdeel in zo'n constructie is de aansluiting van het beton op de staalconstructie. Zonder nadere voorzieningen zouden hier extreem hoge betonspanningen optreden. Zoals dat bij stalen kolommen gebruikelijk is kan dit worden opgelost door het toepassen van grote kopplaten. Afhankelijk van de grootte van de kracht kan dit echter betekenen dat er enorme 5 6 thema Staal in beton 6 2 0 10 12 5x 2Ø40 I=900mm 5x 2Ø40 I=900mm2x 1Ø40 I=900mm 2x 3Ø40 I=1200mm 2x 3Ø40 I=1200mm 3x HE300M+ 2x Ø12-150 l=400mm 4x HE24M+ 2x4 staalplaat t=25mm 2719 1394 1325 830 415 63.000 50.678 53.180 415 275 275 70 70 100 200 70 70 765 100 20 220 785 70 60 125 400 275 200 200 60 30 120 120 80 80 30 100 220 200 785 765 70 100 20 70 70 564 495 B 830 1059 1059 11550+11550+ 1600 800 800 440 440 360 6Ø12-150 l=310mm lasplaat 190x100 t=25 2x lasplaat 190x100 t=25 aangieten met gietmortel k70 aangieten met gietmortel k70 3xHE300M 360 3Ø40 I=1200mm 2x Ø12-150 I=400mm 3Ø40 I=1200mm 2 x HE240M 2x2 staalplaat t=25mm 3000 140 140 HD 400x818 lijf t=80 100 75 75 250 1010 1010 2x schot t=100 verankeringslengte aan te lassen stekken = 1500 2x 4Ø32 l=1300 2x 3Ø25 c=90 l=600 2x t=100 ensen 2x 3Ø32 l=1300 2x 4Ø32 c=90 l=800 2x 5Ø32 c=90 l=4000 350 350 350 200 450 2x 8Ø32 mech. doorgekoppeld c=90 l=3000 730 2x 3Ø32 c=90 l=2100 2x 4Ø32 c=90 l=800 HE 340A tijdelijke hulpconstructie2x HE 800B tijdelijke hulpconstructie 25925+ 7 Aansluitdetail in ' The Red Apple' tussen stalen HD-kolom en betonconstructie 8 Door bij het project '2e Katendrechtse Haven' drie stalen HE300M-profielen in te storten kon de wand voldoende worden verstijfd 9 Bij het in aanbouw zijnde project 'De Rotterdam' wordt de combinatie van staal en beton veelvuldig gebruikt bron: OMA 10 Bij het project ' The Red Apple' konden verdeelblokken worden voorkomen door de stalen spreidingsconstructie in het beton op te nemen verdeelblokken moeten worden toegepast, die ten koste gaan van de vrije ruimte. Dit kan echter worden voorkomen door deze stalen spreidingsconstructie in het beton op te nemen, zoals dat ook is gedaan bij het project 'Red Apple' te Rotterdam (fig. 7, foto 10). Ook bij het project 'De 2e Katendrechtse Haven' te Rotterdam zijn grote stalen profielen ingestort, maar dit werd ingegeven door een heel andere reden. Kenmerkend aan dit ontwerp is de grote uitkraging met zeventien bovengelegen verdiepingen (foto 1). In de 'oksel' van een dergelijke uitkraging treden grote drukspanningen op, die gepaard gaan met verkor - ting van het beton. De combinatie van een grote uitkraging met een relatief hoge dragende wand zou in dit geval in een te grote doorbuiging resulteren. Door drie stalen HE300M-profielen in te storten kon in dit geval de wand voldoende worden verstijfd (fig. 8). Bijkomend voordeel is dat het tijdsafhankelijke deel van de doorbuiging aanzienlijk wordt gereduceerd, waardoor de benodigde zeeg nauwkeuriger kon worden berekend. In beide gevallen worden stalen platen met aangelaste stekken toegepast, waardoor de krachten op een geleidelijke manier in het beton worden overgebracht. De vorm van de spreidingcon- structie heeft een relatie met de richting van de krachten in de wand. Bij het project 2e Katendrechtse Haven werd de vorm beïnvloed door een raamsparing en staat de bovenflens niet loodrecht op de drukkrachten in de wand. De schuifspanning die hierdoor in het aansluitvlak ontstaat, wordt opgenomen door stalen platen op de flens te lassen. 7 8 Staal in beton6 2 0 10 13 9 10 Berekening In de normen staan geen rekenregels die zijn bedoeld voor de beschreven situaties. Dat is niet vreemd: de normen volgen de praktijk. Voor de constructeur betekent dit wel een extra verantwoordelijkheid. Het betreffen namelijk cruciale onderde- len van de constructie. Deze combinatie maakt dat de construc- teur hier niet kan gaan experimenteren, maar moet kiezen voor een degelijke oplossing. De degelijkheid begint met het op een inzichtelijke wijze constru- eren, zodat het krachtenverloop ook duidelijk te volgen is. Het gebruik van computermodellen is vaak niet nodig en er moet worden getracht de benodigde afmetingen handmatig te bepalen. Hierdoor is het ook voor derden gemakkelijker dergelijke onder- delen te controleren (ontbreken van een 'black box'). Het is aan de constructeur de taak om tijdens het ontwerp zorg- vuldig de afweging te maken of het loont staal in beton toe te passen dan wel de constructieafmetingen te vergroten. De steeds uitdagendere ontwerpen vragen om een grotere synthese van staal en beton. Op deze manier kunnen we nog hogere en complexere constructies realiseren, die ook nog financieel haalbaar zijn. ?