12 Revolutionair ontwerp ultraslanke trap (1) 1 Trap van 5 cm dik uitgevoerd met hybride gewapend ultra-hogesterktebeton Revolutionair ontwerp ultraslanke trap (1) 3 2018 13 Steeds vaker bewijst ultra-hogesterktebeton (UHSB) zich als interessant en concurrerend constructie- materiaal. Recent voorbeeld is een ultraslanke trap in het hoofdkantoor van ABT. De trap kon dankzij UHSB zonder ondersteuningen of verstijvingsribben worden uitgevoerd. Ontwikkeling UHSB Er wereldwijd, en ook in Nederland, veel onderzoek gedaan naar ultra-hogesterktebeton (UHSB). Belangrijke eigenschap - pen van het materiaal zijn hoge druk- en treksterkte en hoge toelaatbare drukrek. Ook kent het materiaal een hoge duur - zaamheid (levensduur) vanwege beperkte indringing van chemische stoffen. Om de eigenschappen van UHSB mogelijk te maken is toepas - sing van staalvezels of andere hoogwaardige vezels noodzake - lijk. Deze zorgen niet direct voor een toelaatbare spanningsverhoging, maar wel dat een hogere drukrek toelaat - baar is. Ze zorgen bovendien voor een reststerkte van het beton na het scheuren.   ing. Michaël Menting ABT Tweeluik Dit is het eerste deel van een tweeluik over de UHSB-trap bij ABT. Dit eerste deel gaat over de uitgangspunten, het ontwerp, de constructieve opzet en de realisatie. In het tweede deel wordt nader ingegaan op de berekening van de trap. Het kantoor van ABT in Velp, dat is gebouwd in de jaren 80, was in 2015 aan een omvangrijke renovatie toe. Hierbij is gezocht naar een mogelijkheid een constructie toe te passen waarmee de laatste stand der bouwtechniek kon worden gede - monstreerd. Uit vele ideeën werd uiteindelijk een trap van UHSB gekozen, als eyecatcher in de entreehal.   De trap is uitgevoerd als een antracietkleurige muizentrap met glazen panelen als leuningen (foto 2). De wens van de architect was een zeer slanke uitvoering, zonder verstijvingen in het beton - deel. Het idee was een soort zwevend element te creëren. De constructie moest volledig monoliet worden uitgevoerd en er mochten geen naden in de trap zitten. Hetzelfde gold voor de glas - platen, die bovendien de contouren van de trap moesten volgen. 1 Ultraslanke trap in het hoofdkantoor van ABTfoto: Hans Roggen2 Trap werkt samen met glazen leuningfoto: Hans Roggen 2 Revolutionair ontwerp ultraslanke trap (1) 3 2018 14 De betonsterkteklasse die in dit project was voorzien was C110/130. Het betonmengsel moest echter worden aangepast ten behoeve van een hogere consistentie, die nodig was voor het storten in de mal. Verder had de architect als wens een antracietkleurig beton en moesten dus pigmenten worden toegepast. Om deze redenen is rekening gehouden met een sterkte die ongeveer 10% lager ligt. Overigens is de druksterkte uiteindelijk niet getest omdat deze niet relevant is.   Om de trap te kunnen realiseren waren er enkele grote uitda - gingen: - Toepassing van beton met hogere opneembare trekspannin - gen; - Speciaal ontwerp voor traditionele wapening (bovenop de staalvezelwapening) voor het doorleiden van trekkrachten door de hoeken van de trap; - Toepassing van betonmengsel dat goed in de mal kon worden gestort, ondanks de aanwezigheid van traditionele wapening; - Realiseren goede verbinding tussen het glas en beton; - Beperken van kruip bij een erg hoge spanning.     Constructieve opzet Er zijn verschillende varianten afgewogen voor de construc - tieve opzet van de trap. 1. lastafdracht door glazen leuningen 2. lastafdracht door betontrap zelf 3. lastafdracht door constructieve integratie betontrap en glazen leuningen   De glazen leuningen hebben weliswaar een relatief grote inwendige hefboom, maar door de grote inhammen aan de onderzijde, kon slechts een lage spanning worden toegelaten op het glas. Hier komt bij dat een groot deel van de spanning voor een lange duur aanwezig zou zijn. De toelaatbare spanningen in een glazen constructie zijn erg afhankelijk van die tijdsduur. De eerste optie, volledige lastafdracht door de leuningen, kwam hierdoor te vervallen.   De trap zelf was wel sterk genoeg om de lastafdracht te verzor - gen. Om aan de doorbuiging te voldoen zou echter een te grote dikte nodig zijn. Daarom is ervoor gekozen de bijdrage van de leuning in de SLS mee te nemen. Voor de ULS is alleen reke - ning gehouden met de trap zelf.   Bij deze optie met betonmengsels met hogere sterkte, zoals die in 2014 werden toegepast, zou een dikte van ongeveer 90 mm noodzakelijk zijn. Aanvankelijk was het idee als ontwerpuitgangspunt een dikte van 75 mm te nemen. Hiermee is een voorschot genomen op de verdere materiaalontwikkelin - gen die speciaal voor dit project moeten worden gerealiseerd. 2 3 Revolutionair ontwerp ultraslanke trap (1) 3 2018 15 3 Principedetail aansluiting glas op trap4 Verbinding trap en glas5 Houten bekisting voor de trap trap. Om steun aan de leuning zelf te geven, is het nodig de leuning in te klemmen aan de onderzijde.   De verbinding moest onzichtbaar worden uitgevoerd en het glas moest de vorm van de trap volgen. Bovendien geldt dat glas minder geschikt is om voor een langere duur met hoge trekspanningen te worden belast. Vanwege deze uitdagingen was het noodzakelijk een speciale verbinding te ontwikkelen (fig 3, foto 4). Om tot een goed resultaat te komen, zijn hiermee diverse proeven uitgevoerd.   De verbinding zorgt ervoor dat in rustende toestand de belas - ting wordt gedragen door het betonaandeel van de trap. Pas als iemand over de trap loopt, gaan de twee onderdelen samenwer - ken. Een groot deel van de trekspanning loopt dan door de betontrap. De leuning wordt hoofdzakelijk op druk belast. Door de grote inwendige hefboom tussen de twee onderdelen wordt een grote stijfheid gecreëerd, waardoor het lopen over de trap als comfortabel kan worden ervaren.      Realisatie en uitvoering De trap is gemaakt in een betonfabriek in een normale houten bekisting (foto 5). In deze bekisting is rekening gehouden met een zeeg voor de trap. De trap is op zijn kant gestort zodat zowel de bovenkant als de onderkant een bekist oppervlak is. Er is gebruikgemaakt van een zelfverdichtend betonmensgel, voorzien van een antraciete kleurstof.    Voordat de trap is gestort, is de wapening tegen de kist aan geplaatst. De wapening bestaat uit losse staven. Deze zijn aan elkaar bevestigd met behulp van binddraad. De wapening vari - eert over de locatie van de trap.   Storten Door de vorm en de wens de trap in één geheel uit te voeren, was het stortproces verre van eenvoudig. Daarbij kwam ook Deze dikte werd gezien als het minimum dat nodig was voor het storten van het beton en voor het aanbrengen van nauwe - lijks zichtbare constructieve verbindingen met het glas. Maar uiteindelijk werd ook met deze dikte geen genoegen genomen en is gekozen de dikte verder te reduceren tot 50 mm. Hiermee werd de lat zeer hoog gelegd. De techniek om dit mogelijk te maken was op het moment dat dit werd bedacht immers nog niet beschikbaar.     Berekening De trap heeft een breedte van 2 m, een hoogte van circa 3,4 m en een horizontale overspanning van circa 5,9 m. De diagonale overspanning bedraagt daarmee 6,8 m. De ontwikkelde systeemlengte (totale lengte beton) is circa 9,3 m. De trap is geschematiseerd met aan beide zijden een inklemming. De trap is uitgerekend met een nuttige belasting van 3 kN/m 2. Voor de berekening is eerst een globale spanningsberekening gemaakt, zonder rekening te houden met de wapening.   Om de benodigde hoeveelheid traditionele wapening vast te stellen is een doorsnedeberekening gemaakt. Hiervoor zijn de resultaten uit de proeven vertaald naar rekenwaarden van materiaalparameters. Hierbij is gebruikgemaakt van de metho - diek uit CUR-Aanbeveling 111 [1]. Er is een geautomatiseerd rekenblad in Excel opgesteld. Uit deze berekening volgde dat een enorme hoeveelheid traditionele wapening noodzakelijk was voor een aantal kritische doorsneden, namelijk Ø6 om de 25 mm (1130 mm 2).   Indicatieve berekeningen zijn ook uitgevoerd met behulp van een membraan 3D-elementen programma (SCIA Engineer). Dit is een programma waarin volume-elementen worden plat - geslagen tot 2D-elementen. Dit gaf echter nog steeds onvol - doende inzicht in het gedrag van de trap. Daarom is uiteindelijk een berekening in het 3D-eindige-elementenpakket DIANA opgesteld. Hierbij is het materiaalmodel uit fib Model Code 2010 [2] toegepast. De handberekeningen en het membraan 3D-elementenprogramma dienden als validatie.   In een volgend artikel wordt nader op de handberekening en de elementenberekeningen ingegaan.     Samenwerking met het glas De stijfheid van de trap zonder leuning is veel te laag om comfortabel te kunnen gebruiken. Dit bleek ook tijdens de periode dat de leuning nog niet was aangebracht. Als erop werd gelopen gaf dit ervaringen vergelijkbaar met het lopen op een springplank of trampoline. Het was dus nodig de leuning constructief te verbinden met de 5 Revolutionair ontwerp ultraslanke trap (1) 3 2018 16   Transport en plaatsing De trap is per vrachtwagen verplaatst naar de definitieve locatie (foto 7). Hierna is de trap geplaatst. Om de trap op zijn plek te krijgen, is een speciaal frame ontworpen waardoor de plaatsing redelijk eenvoudig was (foto 8). Tijdens het plaatsen werd de trap constructief verankerd in het gebouw.   Stempels en zeeg Na het plaatsen van de trap is de bovenzijde vastgezet met bouten. In het midden van de trap en aan de onderzijde zijn stempels geplaatst. De volgende dag is ter plaatse van de onder - ste inklemming van de trap de wapening aangebracht. Hierna is de trap met beton vast gestort aan de vloer. Door het instor - ten van de trap ontstaat er aan de onderzijde een inklemming.   Na een week uitharden zijn de stempels verwijderd. Tijdens het ontlasten bleek de trap behoorlijk ver door te zakken. Omdat kruip zich nog niet volledig had gemanifesteerd, is ervoor gekozen een deel van de positieve zeeg te herintroduceren. Bij normaal beton zou dit niet mogelijk zijn. Omdat UHSB relatief veel cement bevat, kan gebruik worden gemaakt van zoge - noemde selfhealing eigenschappen. Verder zijn de grotere aanwezige scheurtjes geïnjecteerd met een activator en cement. De zeeg is vervolgens door de stempels in de trap geduwd. Hierna is de trap ingepakt en behandeld met water en warmte. Deze behandeling, die de opwaartse kruip moest activeren, heeft enkele weken geduurd.   Hierna zijn er zandzakken als ballast op de trap geplaatst, waar - door een groot deel van de neerwaartse kruip is gestimuleerd (foto 9). In totaal is er 1500 kg als ballast op de trap geplaatst. Deze zakken zijn gedurende enkele weken blijven liggen. Hierbij is de doorgaande kruip gemeten. Stabilisatie van de kruip bleek behoorlijk snel op te treden.   Na het verwijderen van de zakken, is de vorm van de trap inge - meten. Op basis daarvan zijn de glazen panelen besteld. Deze zijn na enkele maanden geleverd en op de betontrap geplaatst. nog eens de hoge wapeningsdichtheid en de aanwezigheid van de vezels. Om het 'onmogelijke' mogelijk te maken, zijn diverse proeven uitgevoerd met verschillende betonmengsels en stort - wijzes (foto 6).   Dit soort betonmengsels hebben een water-cementfactor wcf < 0,3. Het watergehalte komt overeen met dat van normaal beton. Er wordt wel een enorm hoge dosering superplastificeerder toegepast. Verder wordt er gebruikgemaakt van een filler. De samenstelling van de filler is afhankelijk van de centrale en de toegepaste grondstoffen. Door de lage wcf en hoge dosering plastificeerder komt het mengen heel nauw. Verder is er een lange mengtijd noodzakelijk waarbij er relatief veel mengener - gie moet worden toegevoegd. Ten behoeve van ontluchting zijn speciale gaten in de kist gemaakt. Verder stroomt de betonspecie eerst op een plek langs de kist naar beneden en wordt de kist als het ware van onderuit opgevuld. De lucht wordt hiermee naar boven weggedreven. Zo werd voorkomen dat de bekisting als het ware afgesloten werd door de specie. Er is bijgehouden hoeveel liter beton er in de bekisting ging. Zo kon aan de hand van de vullingsgraad worden bijgehouden of er luchtopsluitingen ontstonden. 7 6 8 Revolutionair ontwerp ultraslanke trap (1) 3 2018 17 6 Er is veel geëxperimenteerd met verschillende betonmensgels en de wijze waarop de trap kan worden geproduceerd 7 Transport trap 8 Plaatsing trap in speciaal ontwikkeld frame 9 De trap is tijdelijk geballast met zandzakken om de kruit te activeren 10 Zichtbaar is dat de trap een beetje doorbuigt in het midden Tijdens de wachttijd op de glazen panelen is de trap behandeld met de diverse betonveredelingsproducten en is de stortzijde volledig bijgewerkt. Hierbij zijn de zichtbare draadbussen (nodig voor het transport) aan de gestorte zijde verwijderd.   Tijdens de kruipmetingen zijn meetklokjes toegepast. Deze zijn uiterst gevoelig voor vervormingen. Hieruit bleek de vervor - ming van de eerste verdieping behoorlijk te zijn. De meetklok - ken sloegen uit zonder dat er mensen over de trap liepen. Hierbij bleken zich mensen op de eerste verdiepingsvloer in het afdrachtgebied van de trap te bevinden. Hieruit blijkt dat de stijfheid van de tweede verdieping aangenomen in de bereke - ning te gunstig te zijn.     Over the edge Het doel om bij de verbouwing van het ABT-kantoor de laatste stand der UHSB techniek toe te passen, is behaald. De sierlijke trap gaat zowel productietechnisch als rekentechnisch voorbij de grens van het gangbare. Het revolutionaire ontwerp is een demonstratie van de mogelijkheden van UHSB en glas. UHSB toont zich hierbij als materiaal dat veelzijdig toepasbaar is, zelfs in dunne platen, en nagenoeg onderhoudsvrij. Het glas inspireert als constructief draagkrachtig materiaal dat nu zelfs op de kopse zijde verbonden kan worden aan allerlei materialen, zoals UHSB.   Dat de trap bijna 'over the edge' was, bleek onder andere uit het uiteindelijke resultaat waarbij de trap iets is 'doorgezakt' en een behandeling noodzakelijk bleek (foto 9). Beide zaken dragen echter bij aan een eerlijke beleving van de innovatie.   Het project leert dat het mogelijk is soortgelijke trappen of andersoortige constructies succesvol toe te passen in de toekomst. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van de opge - dane kennis bij dit project. ?     ? PROJECTGEGEVENS project Trap hoofdkantoor ABT opdrachtgever ABT architect JHK engineering ABT productie Romein beton Aannemer Cornelissen   ? LITERATUUR 1 CUR-Aanbeveling 111 Staalvezelbeton bedrijfsvloeren op palen - Dimensionering en uitvoering 2 fib Model Code for Concrete Structures 2010 Betonprijs De trap heeft in 2017 de Betonprijs gewonnen in de categorie Betontechnologie. De jury kende het project de prijs toe vanwege de schoonheid en de bijzondere constructieve samen - werking tussen glas en beton. "In verwarrende tijden groeit de behoefte aan schoonheid; schoonheid geeft troost. Als beton - technologie daarvoor ingezet kan worden, dan dient het een onverwacht maatschappelijk belang. Deze ultradunne trap is prachtig. De constructieve samenwerking met de glazen trapba - lustrade is werkelijk een vondst." 10 9 Revolutionair ontwerp ultraslanke trap (1) 3 2018