16 thema Constructief ontwerp De Rotterdam 1 Uit diverse alternatieven bleek een in het werk gestorte betonconstructie de beste thema Constructief ontwerp De Rotterdam 1 2013 17 wonenkantoren kantoren low rise high rise wonen kantoren hotel aanzicht Het ontwerp van De Rotterdam aan de Wilhelmina- pier kenmerkt zich door enorme afmetingen, versprongen torens en overstekken. Deze aspecten waren bepalend voor het constructief ontwerp. Het resultaat is een bijna volledig ter plaatse gestorte betonconstructie. De stabiliteit wordt gewaarborgd door een combinatie van diverse oplossingen. Het gebouw is op te delen in een tweelaagse ondergrondse parkeergarage, een zes verdiepingen hoge plint en een low rise en high rise deel (fig. 2). Daarbij verspringt de high rise ten opzichte van de low rise. Totaal kent het gebouw over de torens 45 bouwlagen. In hoofdlijnen waren de belangrijkste aspecten die een rol speelden bij het constructief ontwerp: ? hoogte van circa 150 m; ? open gevels; de architect heeft een zeer sterke voorkeur voor vliesgevels met doorzicht van boven naar beneden; ? versprongen torens, overstekken van 8 m in het midden van de torens; ? een plintbebouwing die buiten de torens uitkraagt; ? een combinatie van verschillende functies in één gebouw. Veel overleg, discussies en studie hebben geleid tot een relatief eenvoudig constructief ontwerp met kolommen, vlakke vloeren en kernen (fig. 3). De kolommen staan 8,1 m h.o.h. Deze maat is gekozen in verband met het parkeren in de onderbouw (drie parkeerplaat­ sen tussen de kolommen). Voor deze kolommen is vooral in de lagere verdiepingen gebruikgemaakt van beton met sterkte­ klasse C80/95 vanwege de zware belasting. In de zone in de vloeren rond de kolommen is eveneens hogesterktebeton toegepast. Dit om ervoor te zorgen dat de aansluiting tussen kolommen ook voldoende sterk was. Bijkomend voordeel was dat hiermee de ponsweerstand werd vergroot. Waar de kolomafmetingen naar het oordeel van de opdracht­ gever toch nog te groot werden, zijn staal­betonkolommen toegepast. Daarbij is gebruikgemaakt van hoogwaardig staal S430 in combinatie met beton C80/95 (zie ook het artikel 'Staal­betonkolommen in HSB', elders in deze uitgave). De grootste kolombelasting is circa 77 000 kN. Dit geeft met de staal­betonkolom een afmeting van 950 x 950 mm 2. Met 'gewoon' beton C28/35 zou dit circa 1700 x 1700 mm 2 zijn. ir. Jan Font Freide, ir. Jalal Fitoury Corsmit Raadgevend Ingenieurs / Royal HaskoningDHV 1 Grote afmetingen, versprongen torens en overstekken waren bepalend voor het constructief ontwerp van De Rotterdam foto: Tom Wolbrink / Foto Topaas2 Overzicht van het gebouw 3 Plattegrond van de high rise (a) en low rise (b) 4 high rise 8100 8100810081008100 A B C D E F 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 15 14 13 12 04 050607 080910 11 03 02 low rise 8100 8100810081008100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 8100 A B C D E F 15 14 13 12 04 050607 080910 11 03 02 2 3a 3b Constructief ontwerp De rotterdam 1 2013 184 De uitkragingen worden gemaakt met betonnen diagonalen 5 In het VO werd het constructieprincipe schetsmatig vastgelegd De vloerconstructies zijn in het werk gestorte, vlakke plaat­ vloeren met een dikte van 280 mm, met alleen in uitzondering verzwaarde stroken. De vloeren worden gestort op een systeembekisting, een voor de aannemer zeer vertrouwd bouw ­ systeem. Er wordt een productiesnelheid op het werk gehaald die vergelijkbaar is met prefab bouw en tunnelbouw. De gevels hebben geen enkele dragende functie voor wat betreft de hoofdstructuur van het gebouw. De randen van de vloeren kragen uit in diverse maten. Hiermee wordt een deel van de speelsheid van de verspringingen gerealiseerd. Zo is de plintbebouwing breder dan de torens, wat wordt bereikt door de vloeren te laten uitkragen (fig. 4). Tabel 1 Kosten-batenanalyse mogelijke vloertypen optie kosten [guldens/ m 2]plafond nodig hotel/ woningen extra geluids- isolatie in woningenkosten bij kantoren [guldens/ m 2]kosten bij hotel [guldens/ m 2]kosten bij woningen [guldens/ m 2] gewicht [kg/m 2] 2) factor verticaal trans- port construc - tiehoogte [mm] totale afweging (laagste waarde is beste) kantoren hotelwoningen IA massief d-280 225225225225 675110280 458109459122451121 IB Bubble Deck d-280 225ja225225250 450120280 419100421111431116 IC Bubble Deck d-330 255255255255 530120330 467111468124459124 ID Bubble Deck d-450 360360360360 720120450 604144606161594160 II breedplaatvloer met stroken 175ja 175225225 650120360 1)437 104475126468126 III kanaalplaatvloer met betonnen balken 200 ja ja200250275 520130400 1)444 106482128492132 IV kanaalplaatvloer met hoedliggers 245ja ja245295320 410125320 1)437 104476126484130 V staalplaat-betonvloer 360ja ja360410435 380115420 1)523 125562149567152 VI staalplaat-betonvloer alternatief 360ja ja360410435 400110350 1)512 122551146555149 vloeren volgens schets 9 t.m. 11 175n.v.t.175175 550100230 n.v.t. 377100372100 gemiddelde waarde = 100 267266278 474107319 wegingsfactor 3) 222 110,5 1) voor balken/stroken2) voor woningscheidende vloeren is, in verband met de geluidsisolatie, een minimaal gewicht van 600 kg/m 2 nodig, incl. afwerklaag 3) de wegingsfactor vindt plaats volgens (wegingsfactor x betreffende waarde x 100 / gemiddelde van de betreffende waarden) 4 De verspringingen in de torens worden gemaakt met betonnen vakwerken (fig. 4). De diagonalen vormen samen met de vloeren een vakwerk. Dit vakwerk wordt gemaakt met een uitkragende bekisting die in staat is twee vloeren te dragen. Nadat die twee vloeren, plus twee halve diagonalen, klaar zijn, worden met voorgespannen Dywidag­staven tijdelijke diagona­ len toegevoegd. Hierdoor ontstaat een tijdelijk vakwerk dat de volgende storten kan dragen. De tijdelijke staven worden verwijderd nadat het permanente betonnen vakwerk kan worden geactiveerd. De stabiliteit wordt verzorgd door betonnen kernen, maar wel met behulp van andere elementen. Hierover meer verderop in dit artikel. Het begin De hoofdconstructeur werd eind 1999 betrokken bij het ontwerp van het gebouw. Er lag een fantastisch idee van de architect en er werd een team samengesteld om de technische en economische haalbaarheid van dit ontwerp te onderzoeken en te verbeteren. De eerste schetsen daarvoor dateren al van januari 2000. Het ontwerp is daarna diverse keren aangepast aan nieuwe inzichten, zowel in architectuur, gebruiksfuncties, installatie­ techniek als in de constructie. Er zijn diverse alternatieven onderzocht. Dit resulteerde eind 2000 in een voorlopig ontwerp (VO). De door het team bedachte constructie werd schetsmatig vastgelegd in twintig schetsen. = permanent betonnen vakwerk = tijdelijke Dywidag-staven thema Constructief ontwerp De Rotterdam 1 2013 4 thema Constructief ontwerp De Rotterdam 1 2013 19 Tabel 1 is een voorbeeld van een kosten­batenanalyse voor een aantal mogelijke vloertypen. Voor de diverse aspecten, zoals kosten, verticaal transport en dergelijke, is in de verschillende kolommen van de matrix een onderlinge rangorde bepaald. Vervolgens is aan ieder aspect een wegingsfactor gekoppeld. De uiteindelijke rangorde wordt dan gevonden door van alle kolommen de rangorde x wegingsfactor bij elkaar op te tellen. Daaruit volgt dan wel dat een vloersysteem dat het meest gunstig is voor de kantoren, niet het meest gunstig hoeft te zijn voor woningen. Alles staat of valt natuurlijk met het vaststellen van de wegingsfactoren, hetgeen in overleg met de andere bouwteampartners plaats heeft gevonden. Uit deze vergelijkingen volgde de constructieopzet in het VO, zoals die is gegeven in figuur 5 (en zoals die nu ook wordt gerealiseerd). In de tijd die lag tussen VO (2001) en de start van het uiteindelijke DO (2006) hebben diverse partijen de kans gekregen hun expertise in te brengen. Enkele worden hier toegelicht. Een volledig staalskelet Door een grote, ervaren 'staalbouwer' is in samenwerking met de hoofdconstructeur een alternatief gemaakt in een staal­ constructie. Het staalbouwontwerp ging uit van stalen kolom­ men, moerbalken en kinderbalken waarover een staalplaat­ betonvloer werd gelegd. Een bouwsysteem dat bij hoogbouw­ projecten in het buitenland vaak wordt toegepast. De gecalculeerde directe kosten voor dit constructieprincipe waren vergelijkbaar met die van de betonconstructie. De tijdwinst voor de ruwbouw in vergelijking met de betonconstructie was Vervolgens kwamen er jaren van voor ­ en tegenspoed. Soms vonden een jaar lang geen activiteiten plaats, soms kwamen diverse initiatieven gelijktijdig op gang. Dit is mede het gevolg van het feit dat veel partijen zich met het project bemoeiden vanwege de grote importantie van het gebouw. Aannemers zagen kansen en alternatieven. Leveranciers, ook staalbouwers, zagen mogelijkheden. De opdrachtgever heeft lang gezocht naar een bouwmethode waarbij niet alle torens gelijktijdig hoefden te worden gebouwd, zodat gestart kon worden met de bouw als één toren verkocht of verhuurd was. Dit zou het risico op leegstand verkleinen. Dit bleek commercieel en technisch (bij alle alternatieven) echter toch niet goed mogelijk. Tech­ nisch zou dit bijvoorbeeld inhouden dat gebouwd zou moeten worden boven bouwdelen die al in gebruik zouden zijn, hetgeen veel extra veiligheidsvoorzieningen zou vergen. Uiteindelijk is in 2006 opnieuw gestart met het ontwerp en is begonnen met het verder ontwikkelen van het definitief ontwerp (DO). Dit DO is in 2008 ? 2009 afgerond. De alternatieven In de VO­fase zijn door het ontwerpteam diverse alternatieven in beschouwing genomen. Voor de hoofdopzet van de constructie, de vloeren en stabiliteit zijn op diverse momenten vele mogelijkheden onderzocht, in het bouwteam bediscussi­ eerd en met kosten­batenanalyses geëvalueerd. Daarbij is vooral gekeken naar zaken als kosten, bouwsnelheid, construc­ tiehoogte, windverlet en of het constructief ontwerp aansluit op de ambities van de architectuur. 5 Constructief ontwerp De rotterdam 1 2013 20 kernen (a, b) outriggers (d) raamwerken (e) vakwerken (c) in potentie wel aanwezig, maar verwacht werd dat een deel van deze tijdwinst weer verloren zou gaan door het noodzakelijk aanbrengen van brandwerende bescherming en meer plafonds. Een tunnelbouwsysteem Door de kolommen op te nemen in de 'wand' van een tunnel­ bekisting was het ook mogelijk geweest het ontwerp in een tunnelbouwsysteem te maken. Daarvoor zouden slechts mini­ male aanpassingen in het ontwerp nodig zijn geweest. Ook bij een dergelijk systeem zijn zeer snelle doorlooptijden mogelijk. Een nadeel is dat het 'aannemerafhankelijk' is, ofwel de uitvoe­ rende aannemer moet hier echt mee uit de voeten kunnen en bovendien een hoge productiecapaciteit op het gewenste moment tot zijn beschikking hebben. Een keuze voor dit systeem zal dan ook niet snel gemaakt worden voordat een uitvoerende partij bekend is. Een prefab constructie met kanaalplaten en dragende gevels Nederlandse aannemers bouwen vaak met een systeem met dragende prefab gevels en kanaalplaten. Verschillende aannemers stelden dit systeem dan ook voor. Dat dit voor De Rotterdam niet het meest optimale bouwsysteem was, komt vooral doordat de dragende gevel niet tot op de fundering kan doorlopen. Hierdoor moesten zware overgangsconstructies worden toegepast om op een bepaald niveau over te gaan van de dragende gevel naar kolommen. De uitkragende constructie was bij deze variant bedacht als een staalconstructie. Het prin­ cipe van de 'gatengevel' doet echter geen recht aan het uitgangs­ punt van de architect, die glas rondom wenste. Stabiliteit Voor de stabiliteit van De Rotterdam zijn verschillende alterna­ tieven onderzocht: a. Betonnen kernen in iedere toren met afmetingen 16 x 16 m 2 en een wanddikte van 300 mm, de wanden van deze kernen zijn voor circa 80% gesloten. b. Betonnen kernen in iedere toren met afmetingen 24 x 24 m 2 met een wanddikte van 300 mm, de wanden van deze kernen zijn voor 50% gesloten. Dit kan dus ook een gevelbuis zijn. c. Betonnen kernen in iedere toren met een diepte van 8 m in dwarsrichting en een breedte van 16 m in langsrichting, waarbij in de kopgevels van het gebouw ook nog in dwars­ richting vakwerkconstructies worden aangebracht. d. Betonnen kernen in iedere toren met een diepte van 8 m in dwarsrichting, waarbij de kernen worden verstijfd door outrig­ ger ­constructies. Deze outrigger ­constructies kunnen bijvoor­ beeld bestaan uit wanden die op éénderde en tweederde van de hoogte de kern verbinden met de gevelkolommen. e. Raamwerken bestaande uit momentvast verbonden kolommen en balken in twee richtingen. Met balken van 700 x 700 mm 2 in de low rise en 500 x 700 mm 2 in de high rise, h.o.h. 8,1 m, is dit een reële optie en zijn er geen kernen meer nodig. f. Raamwerken bestaande uit momentvast verbonden kolom­ men en vlakke vloeren. Met vloeren van 450 mm dikte in de low rise en 350 mm dikte in de high rise is dit een reële optie en zijn er geen kernen meer nodig. Dit zouden dus ook bijvoorbeeld Bubble Deck­vloeren kunnen zijn. Opdrachtgever en architect wilden niet een kern die groter is dan strikt nodig voor liften, trappen en leidingen. De kernen werden dus behoorlijk kleiner dan nodig om zonder hulp van andere elementen de stabiliteit te kunnen verzorgen. Ander ­ zijds, de constructie was en is bedacht met in het werk gestorte vloeren, die vanzelf momentvast verbonden zijn met de kolom­ men. Daar zit ook enige capaciteit die kan worden benut voor de stabiliteit. Het was daarnaast nodig om op diverse plaatsen 6 Stabiliteitssysteem van De Rotterdam: een combinatie van principes 7 Stabiliteit wordt deels gewaarborgd door betonnen vakwerken 8 Detail van het stabiliteitsverband 6a 6c 6b thema Constructief ontwerp De Rotterdam 1 2013 21 extra wanden toe te voegen. Daar waar ze geen bezwaar waren, zijn ze uitgevoerd als wand en doen ze dienst als outrigger. Op diverse plaatsen zijn de wanden vervangen door betonnen vakwerken. Dus per saldo wordt de stabiliteit verzorgd door een combinatie van alle principes zoals genoemd onder a t.m. f (fig. 6). Berekening De verschillende onderdelen die meewerken voor de stabiliteit hebben ieder hun eigen eigenschappen voor stijfheden en vervormingen. Berekening van een dergelijk complex systeem is dan ook alleen maar mogelijk in een 3D­elementen­ programma (SCIA ESA Prima Win). Zaak is dan wel om de 3D­berekeningen toch zoveel mogelijk met handberekeningen te controleren. Er zijn dan ook twee berekeningen gemaakt: één waarbij alle kolomkrachten zijn bepaald met een traditionele gewichts­ en stabiliteitsberekening, en een ander door middel van de 3D­berekening. Bij verschillen werd beoordeeld of daar een redelijke verklaring voor aan te wijzen was. Soms is de minst gunstige uitkomst aangehouden. Tot slot kan worden gemeld dat door de grote afmetingen en overstekken het gebouw te maken krijgt met enorme zettings­ verschillen. Hoe deze zijn gecompenseerd, wordt in een afzon­ derlijke artikel toegelicht, 'Bijzondere oplossingen zettingen', elders in deze uitgave. Ook aan de staal­betonkolommen is, zoals al gezegd, een apart artikel gewijd. ? 7 8 Constructief ontwerp De rotterdam 1 2013