themaSchots en scheef2201422themaSchots en scheefNiets is recht aan denieuwe politietorenin Charleroi1Schots en scheef 22014 23Het nieuwe gebouw voor het politiecommissariaat van Charle-roi komt op de plek van een oude rijkswachtkazerne, aan deBoulevard P. Mayence. Twee vleugels van de oude kazerne zijnafgebroken en twee andere vleugels, die voordien de paarden-stallen huisvestten, zijn gerenoveerd. Tegenover deze gereno-veerde gebouwen is een plein aangelegd waarop de nieuwe 22verdiepingen hoge toren wordt gebouwd (fig. 2). De totalebouwhoogte bedraagt 75 m. Onder het plein bevindt zich eenparkeergarage met drie niveaus (fig. 3).De nieuwe politietoren in Charleroi is eenopvallende verschijning. De vorm laat zich nog hetmeest vergelijken met een afgeknotte kegel. Ondermeer vanwege de benodigde sterkte en de gewenstemaatvastheid zijn de gevelkolommen geprefa-briceerd. Dat was geen eenvoudige opgave: devloerafmetingen zijn elke verdieping anders en ookde helling van de kolommen is niet constant.ir. Bernard nef,ir. s?bastien Metillon,dr.ir. nadia MolenstraVK Engineering1 De nieuwe politietoren van Charleroi in aanbouw; de draagconstructie bestaatuit vlakke vloeren, schuine gevelkolommen en een ronde kern2 Impressie van de nieuwe politietoren in Charleroibron: Ateliers Jean Nouvel / MDW Architecture2Het totale bruto-oppervlak is 41 800 m2, waarvan 39 500 m2voor de politie en 2300 m2voor Charleroi Danses.Ontwerp torenDe toren heeft de vorm van een afgeknotte kegel. De platte-grond is een naar boven toe steeds kleiner wordende halvecirkel, verbonden aan een halve ellips. Deze ellips wordt naarboven toe eveneens steeds kleiner en verandert op de bovensteverdieping in een cirkelvorm (fig. 4).Doordat de vloeren steeds kleiner worden, loopt de gevelschuin. De helling van deze gevel blijft in het cirkelvormigegedeelte constant. In het ellipsdeel neemt de helling geleidelijktoe vanaf het onderste niveau tot aan de tiende verdieping.Boven deze verdieping blijft de helling ook in dit deel constant(fig. 3).In het midden van de plattegrond bevindt zich een rondebetonnen kern. Hierin zijn vluchttrappen, liften, sanitaireeenheden en technische installaties opgenomen.De bijzondere vorm van de schuine gevels was verantwoorde-lijk voor de keuze om tijdens de uitvoering zo veel mogelijk teprefabriceren. Dit vanwege de tolerantie en de vereiste nauw-themaSchots en scheef2201424T10T1118?18?18?18? 18?18?18?18?T12T13T14T15T16T17T18T19T20T01T02T03T04T05T06T073702,5122711502692T08T09T10346,8 kN611 kN79,3 kN88,4 kN45,6 kN21,9 kN14,7 kN14,0 kN14,2 kN14,2 kN14,2 kN14,2 kNT11T12T13T14T15T16T17T18T19T20T01T02T03T04T07T08T09T06T0514,2 kN14,2 kN14,2 kN14,0 kN14,7 kN21,9 kN45,6 kN86,7 kN73,9 kN3 Doorsnede toren4 Plattegrond niveau 35 Axiale krachten niveau 66 Horizontale (a) en verticale(b) doorsnede gevel7 Ronde kern met vlakke plaatvloer engevelkolommenwanden tussen trappenhuizen en liftkernen. De afmeting vandeze kern blijft over de hoogte constant. De hellende betonnenkolommen, twintig per verdieping, zijn geplaatst op een radiaalassensysteem met een constante tussenafstand van 18?. Devloeren zijn vlak en 280 tot 300 mm dik. Ze dragen van de kernnaar de randkolommen zonder tussenliggende balken. In deonderste verdiepingen, waar de afstand tussen gevel en kernaan de elliptische zijde groot is, zijn twee kolommen en tweewanden toegevoegd. De doorsnede van deze kolommen enwanden vermindert naar boven toe. Samen met de gevelkolom-men dragen ze bij aan de stabiliteit van het gebouw.keurigheid, ondanks het feit dat de afmetingen van de kolom-men op iedere verdieping anders zijn. Aanvankelijk was door dearchitect een geperforeerde betonnen wand voorgesteld, verglijk-baar met de Torre Agbar in Barcelona. Maar de uiteindelijkgekozen oplossing bleek eenvoudiger, sneller en goedkoper.DraagconstructieHet skelet bestaat uit vlakke vloeren, opgelegd op vierkantekolommen aan de buitenzijde en in het midden op een halveronde en halve ellipsvormige betonnen kern (foto 7). Deze kernheeft 400 mm dikke buitenwanden en 200 mm dikke binnen-34 5Schots en scheef 22014 25rooster van gelijmde houten balkengetrapt gevel metselwerkopvang hoekijzerrooster van parallelegelijmde houten balkenhouten verdeelbalkisolatieplaatrandHorizontale belastingenDe verticale belasting uit de vloeren wordt afgedragen op decentrale kern en op de hellende gevelkolommen. De verticalebelasting resulteert op verschillende manieren in een horizon-tale lastcomponent in de vloeren:? De hoekverandering van de gevelkolommen xlevert eenlast Hadie ter hoogte van het knooppunt van de kolom en devloer wordt overgedragen aan de vloer.? De horizontale lastcomponent uit de verticale vloerbelastinglevert een last Hbin de vloer.In formulevorm (fig. 9):Nx= Nxa+ NxbH = Ha+ HbDe waarde en verhouding van deze waarden is sterk afhankelijkvan de verdieping en de helling van de kolommen. De maxi-male waarden op niveau 6 zijn (foto 7):Ha,max= 233 kN (ULS)Hb,max= 335 kN (ULS)Hmax= 346 kN (ULS)In de dwarsdoorsnede op as T05-T15 (dus loodrecht op desymmetrieas T10-T20) zijn de gevelkolommen symmetrischten opzichte van elkaar geplaatst, waardoor de horizontalekrachten in de vloer elkaar opheffen (fig. 3). In de langsdoor-snede op as T10-T20 staan de gevelkolommen aan de ellipsvor-GevelDe gevel wordt opgebouwd uit een houten frame aan de binnen-zijde en getrapt metselwerk in het buitenspouwblad (fig. 6a en6b). Houten schuine balken zijn boven en onder verbonden aaneen houten verdeelbalk die weer is vastgebout aan de betonnenvloer. De verticale belasting van het metselwerk wordt afgedragenop stalen hoekprofielen die verankerd zijn in de dikte van devloer. Dit gebeurt ofwel op iedere verdieping ofwel, als de hellingvan het paneel het toelaat, om de verdieping. De horizontalebelasting op het metselwerk wordt via spouwankers afgedragenaan de houten gelijmde balken (foto 8).6a6b7themaSchots en scheef2201426Nx+1Nx+1HaHbRNxaNxbNxNx=Nxa+ NxbH=Ha+ HbPHx+1x8 Getrapt metselwerk in degevel9 Schematiseringhorizontale belasting? doorsnede: 350 ? 450 mm2van begane grond t.m. 9e verdie-ping; 350 ? 350 mm2daarboven;? maximale helling = 67,6? met de horizontale as;? maximale hellingsverandering tussen twee boven elkaargelegen verdiepingen = 3,93?;? maximale lengte 6,68 m;? maximale spanning in een kolom 43,3 MPa (ULS).KernDe kern neemt alle horizontaalkrachten op die op het gebouwaangrijpen: de windbelasting (maximaal 140 kN in ULS op ??nverdiepingsvloer), de horizontale krachten ten gevolge vanaardbevingen en de resulterende horizontale krachten wegensde asymmetrische scheefstand van de gevelkolommen (maxi-male waarde varieert tussen 37 kN en 611 kN op ??n verdie-pingsvloer, niveau 6, fig. 5). De kern is ingeklemd in een 1,5 mdikke funderingsplaat. Deze plaat is gestort op een leisteenmas-sief dat ook voor de zijdelingse verankering zorgde.VervormingEen dynamische analyse werd uitgevoerd met het rekenpro-gramma SAP2000 (fig. 10). De laterale vervorming boven aande toren onder windbelasting en permanente horizontale belas-mige rand van de vloer schuiner dan aan de tegenoverliggendehalve cirkelvormige rand. Hier heffen de horizontale krachtenelkaar dus niet op en moeten de resulterende horizontalekrachten per verdieping eveneens door de centrale kernworden opgenomen.KolommenDe horizontale krachten worden niet door de gevelkolommenopgenomen. De momentcapaciteit is immers gering omdat destekken 4?25 vrij dicht bij het zwaartepunt van de kern staan,waardoor de hefboomsarm klein is. Daardoor worden ze enkelop axiale druk belast. De belasting op de gevel wordt direct viahet houten frame in de vloeren geleid. Ook daarmee wordengevelkolommen dus niet op buiging belast.Om hun omvang te beperken, zijn de kolommen uitgevoerd inhogesterktebeton C80/95. Naast de eerdergenoemde nauwkeu-righeid was dit een extra reden om de kolommen te prefabrice-ren. Evenredig met de belasting neemt ook de sterkteklasse vande kolommen naar boven toe af (van C80/95 naar C50/60).De doorsnede van de kolommen kon dusdanig worden beperktdat zij geometrisch binnen de zone van de houten draagstruc-tuur van de gevel konden worden ge?ntegreerd.De hoofdgegevens voor de kolommen zijn:89Schots en scheef 22014 27657657411 prefab-betonkolom2 ter plaatse gestorte betonplaat3 krimparme gietmortel4 geprofileerd horizontale voeg metrechtopstaande kanten in het verse mortelbed5 prefab-betonkolom6 wachtstaven met groutex (2e fase)7 centrale draadstang ingestort in onderstekolom met regelmoer voor bovenste kolom8 strekmetaal8303524 8 23 31353010 Model vervorming11 Knooppunt kolom ? vloerpositie van de stekken te verzekeren in alle kolommen, zijnverbrede hulzen in de kolomvoeten voorzien die deze rotatiemogelijk maken.De schuine prefab gevelkolommen moesten tijdens montageover de schuine stekken van de onderstaande kolom wordengeschoven. Hiertoe werd door VK een speciaal frame ontwor-pen en door de staalfabrikant gefabriceerd om deze kolommenmet dubbele orthogonale draaiassen in alle richtingen tekunnen draaien (fig. 12). De frame-as werd juist boven hetzwaartepunt van de kolom geplaatst, zodat ??n bouwplaatsme-dewerker met een kleine inspanning in staat was de kolom, diein de kraan hing te draaien, onder de juiste helling over dewachtstaven uit de onderste kolom te schuiven.Om deze randkolom nadien op de juiste hoogte te stellen, werdeen verstelmoer gemonteerd op het einde van een draadstangdie centraal uit de onderstaande kolom stak. De gevelkolom-men werden voor en na het gieten van de gietmortel in positiegehouden met schuine schoren die op de onderste vloerplaatafsteunden.VloerenDe vloeren zijn uitgevoerd als ter plaatse gestorte vlakke plaat-vloeren. De keuze hiervoor was ingegeven doordat elke vloerandere afmetingen heeft. De vlakheid van de vloer liet het toelichte bekistingspanelen te gebruiken (type Topec) die handma-tig konden worden gemonteerd. Ook kon de vloer wordenontkist en konden de panelen worden gedemonteerd metbehoud van de verticale schoren. Dit had grote voordelen bijhet doorstempelen.ting blijft beperkt tot 1/1500 van de hoogte.De horizontale vervorming boven aan de toren is voor 60%afkomstig uit de scheefstand en voor 40% uit wind.UitvoeringKolommenOmdat de gevelkolommen enkel axiale lasten moeten opvan-gen, is het belangrijk dat het eindvlak van elke kolom loodrechtstaat op de as van deze kolommen.In het cirkelvormige gedeelte van de gevel is de hellingshoek ende lengte van de randkolommen gelijk. In het elliptischegedeelte echter heeft elke kolom een verschillende helling,lengte en ori?ntatie. Dat geldt zowel tussen de kolommen opverschillende verdiepingen als tussen kolommen op eenzelfdeverdieping.In een rekenblad werd de lengte van elke gevelkolom, het radiaalvlak en de helling aangeleverd aan de producent van de prefab-betonkolommen. Aan de landmeter werden bovendien alle xyz-co?rdinaten voor begin- en eindpunt van elke kolom aangeleverdom de juiste positionering te verzekeren.Vanwege de strikte toleranties werd besloten de verbindingsknooptussen de vloeren en de prefab kolommen ter plaatse te storten.Om te vermijden dat de schuinste kolommen niet te diep in devloer zouden steken, diende het uiteinde van deze kolommen teworden uitgevoerd met twee verspringingen (fig. 11).Een andere moeilijkheid lag in het feit dat in het ellipsdeel dekolommen, parallel met het gevelvlak, naar boven toe langzaamrond hun as draaien. Deze draaiing bedraagt maximaal 2,7?tussen twee opeenvolgende verdiepingen. Om een identieke1011themaSchots en scheef2201428ringbalk180 x 100 x 8,8180 x 100 x 8,812a16004509,28?175012b12 Frame t.b.v. stellen kolommen; isomaterie van open raamwerk (a) en positiekolom onder maximale scheefstand (b)13 Doorsnede ringbalk niveau 0Dezelfde gietmortel vulde de hulzen aan de voet van de kolom-men waarin de stekken van de onderstaande kolommen zijngeschoven.KernDe centrale kern is met een klimbekisting gebouwd. Hierdoorwas de centrale torenkraan voor andere taken beschikbaar. Inhet midden van de kern werd een stalen toevoerbuis voor hetbeton ge?nstalleerd. Deze werd telkens verhoogd, waardoor ookvoor het storten geen kraancapaciteit nodig was.De geleidingsrails van de klimbekisting strekten zich uit overeen hoogte van twee verdiepingen onder de bekisting. Hier-door kon aan de bekisting van een lagergelegen vloer pasworden begonnen op het moment dat de kern minimaal drieverdiepingen hoger werd uitgevoerd.Begane grondDe kolommen in de ondergrondse verdiepingen staan onder degevelkolommen. Deze onderste kolommen staan, in tegenstel-ling tot de gevelkolommen, recht. Dit leidt tot aanzienlijkehorizontale spatkrachten die moeten worden opgevangen aande voet van de schuine kolommen. Deze spatkrachten vari?rentussen 300 kN (ULS) en 2600 kN (ULS). Daarom is in de vloer-plaat op niveau 0 een ringbalk ge?ntegreerd (fig. 13) en is devloer voor deze spatkracht gewapend.ConclusieDe vormoptimalisatie, gecombineerd met een vereenvoudigingvan de montage van de geprefabriceerde kolommen leverde eendoorlooptijd van een week per verdieping op. Dankzij dezesnelheid kon de ruwbouw in september 2013 worden afgerond.De toren wordt in november 2014 opgeleverd. Met dit bekistingssysteem, in combinatie met de prefabricagevan de kolommen, was een bouwcyclus van ??n verdieping perweek mogelijk.Knooppunten tussen de vloeren en de kolommenDe betonsterkteklasse voor de knooppunten tussen de kolom-men en vloeren moet ten minste gelijk zijn aan de sterkteklassevan de kolommen. Dit was hoger dan de sterkteklasse van deter plaatse gestorte vloeren. Een stortvoeg in strekmetaal werdrond de omtrek van de kolommen geplaatst over de dikte vande ter plaatste gestorte vloer. De verbindingsknoop werd intwee fasen gegoten door middel van een gietmortel (typeGroutex).Een vertande horizontale stortvoeg is aangebracht ter hoogtevan de bovenzijde vloer. De vertanding werd gerealiseerd doorin de verse gietmortel een paneel te drukken waarop plasticstrips werden bevestigd om het gewenste reli?f aan te brengen(fig. 11).Een tolerantievoeg van 2 cm werd gelaten om een afdichtingmet gietmortel tussen de vloer en de bovenste kolom te verze-keren. proJectgegevensproject Politietoren Charleroiopdrachtgever Stad van Charleroiopdrachtnemer/aannemer (DBFM) CFEarchitecten Ateliers Jean Nouvel enMDW Architectureconstructeur VK Engineeringruwbouw gereed september 2013oplevering november 201413