A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 712ing. R.A.A.M. Lormans, Hogeschool ZuydOnder de naam Aqua Struenda hebben drie studentenCiviele Techniek aan de Hogeschool Zuyd in nauwesamenwerking met drie studenten Bouwkunde een tech-nisch concept ontwikkeld voor drijvende woonwijken ener de Vitae Civiel Award 2004 en de KIvI NIRIA hbo-afstu-deerprijs 2005 voor gekregen. In dit artikel wordt hetontwikkelde concept toegelicht en zal met name wordeningegaan op het drijfsysteem dat de basis vormt van dedrijvende woonwijk (fig.1). In de studie is uitgegaan vaneen polder in West-Nederland die dienstdoet als water-bergingsgebied en noodoverloop-polder.Drijvende constructies ontlenen hun opdrijvendvermogen aan de Wet van Archimedes. Deze luidt:"Een lichaam in een vloeistof ondergedompeld,ondervindt een opwaartse kracht, die in groottegelijk is aan het gewicht van de door dit lichaamverplaatste vloeistof en gaat door het volumezwaarte-punt Zvvan de verplaatste vloeistof". Het gedrag vaneen drijvende constructie is vergelijkbaar met datvan een kelder gefundeerd op zeer slappe grond. Dezakking van een dergelijke constructie kan dan ookworden uitgedrukt in de volgende formule:Fd;totu = ______ (m)10 blHieruit blijkt dat de diepgang evenredig is met debelasting en omgekeerd evenredig met het opper-vlak (b?l) van het drijflichaam. Het verband tussende belasting op het drijflichaam en de vervormingis lineair, zodat evenals voor een fundering op staalhet verband tussen de zakking en de belasting kanworden beschreven met een beddingsconstante.Voor water bedraagt deze constante 10 kN/m3gelijkaan de volumieke massa van water. Deze beddings-constante is in vergelijking tot grond/zand zeerlaag en water kan dan ook als een zeer slappe fun-dering worden aangeduid. Het drijfvermogen vaneen constructie kan dus worden bereikt door hetgenereren van volume middels het vari?ren inhoogte en oppervlak van het drijflichaam.Op dit moment zijn er meerdere principes en tech-nieken bekend waarmee een drijvend lichaam kanworden gerealiseerd. Staal, zoals in de scheeps-bouw wordt toegepast, werd vanwege de duurzaam-heid en het onderhoud niet wenselijk geacht methet oog op een lange levensduur. De principes diein beton voorkomen zijn te typeren in drie groepen:de gesloten ponton, de open ponton en het EPS-platform. Na een multicriteria-analyse werd gecon-cludeerd dat geen van deze principes voldeed aande gestelde randvoorwaarden. Zowel de open alsgesloten ponton kunnen zinken, de EPS-construc-tie daarentegen is onzinkbaar maar biedt geenruimte aan functies in het drijflichaam zelf. Daaropis besloten om een nieuw type drijflichaam te ont-werpen dat de voordelen van de principes combi-neert en toepasbaar is voor zowel woningen alsinfrastructuur.T e c h n i e kHet ontwikkelde drijflichaam gaat uit van een kernvan EPS met daarop een tussenvloer van 150 mmen daarboven een raster van compartimenterings-wanden van 600 mm hoogte die als het ware een`kruipruimte' vormen (fig. 2).De buitenwanden bestaan uit 200 mm dik beton envormen de waterkerende schil voor de in het drijfli-chaam gelegen kruipruimte. De dekvloer die alleenbij de infrastructuur-drijflichamen is voorzien,DRIJFSYSTEEMVOORDRIJVENDEWOONWIJKWinnaar KIvI NIRIA hbo-prijs en Vitae Civiel Award1 |Het straatbeeld van eendrijvende woonwijkA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 7 13heeft een dikte van 250 mm en is gedimensioneerdop belastingen van verkeersklasse 60. De totalehoogte van het drijflichaam kan vari?ren afhanke-lijk van de op te nemen bovenbelastingen. Voor dedrijflichamen die de infrastructuur dragen kandeze hoogte oplopen tot 3,0 m daar waar voor dewoningen al met 1,5 m kan worden volstaan. Doorhet toepassen van de compartimenteringswandenontstaat een ruimte in het drijflichaam die kan wor-den benut voor het huisvesten van voorzieningenals kabels en leidingen, ballastmateriaal en het aan-brengen van de koppelingen tussen de drijflicha-men. Deze ruimte kan in geval van calamiteit volwater komen te staan door bijvoorbeeld bluswaterbij een brand. Dit leidt echter niet tot instabiliteit ofhet zinken van het drijflichaam. Daarmee is in feitede onzinkbaarheid van het drijflichaam, zelfs ingeval van een calamiteit, aangetoond. De h.o.h-afstanden van de compartimenteringswanden (3,6x 6,0 m2) zijn afgestemd op de stramienmaten vande bovenbouw waardoor deze als dragende wandenkunnen functioneren voor de bebouwing. Hierdooris het mogelijk te vari?ren in afmetingen en confi-guratie van de bovenbouw en kunnen meerderewoonvormen worden toegepast op het drijflichaam.In de berekeningen is uitgegaan van een drijfli-chaam met een maximale afmeting van 15,6 x108 m2. Deze maat is gekozen vanuit uitvoerings-technische randvoorwaarden die te maken hebbenmet de grootte van een productiedroogdok en deruimte die de infrastructuur inneemt. Voor de infra-structuur is voorzien in een rijbaan, parkeervoorzie-ningen en fiets- en voetpaden. Geprefabriceerdedrijflichamen die per (water)weg worden aangevoerdzijn onderzocht maar bieden op grote schaal geenoplossing vanwege de beperkte afmetingen en massadie kan worden vervoerd. Naast deze transportbeper-kingen is het aantal koppelingen dat noodzakelijk isbij relatief kleine elementen nadelig voor de totalekosten van een dergelijk project.B e l a s t i n g e nDoordat het water zich als een zeer slappe funde-ring gedraagt en er onvoldoende inzicht is in dekrachtsafdracht en stijfheid van het drijflichaam,is besloten om de constructieve berekeningen uitte voeren middels het eindige-elementenpakketAnsys. Het drijflichaam is daartoe in drie dimen-sies gemodelleerd en voorzien van de juiste rand-voorwaarden en elementtypen. Het gedrag van hetwater is gemodelleerd door de elementen te voor-zien van een beddingsconstante ter grootte van devolumieke massa van water. Vervolgens zijn ver-schillende belastingsgevallen in rekening gebrachtvari?rend van permanente belastingen tot varia-bele aslasten die voortkomen uit de belastingsge-vallen uit NEN 6723, VBB 1995 [1]. Daarnaast zijnuitvoeringsbelastingen in rekening gebracht dievolgen uit stempelkrachten van een mobiele hijs-kraan ten behoeve van het uitvoeren van bouw-werkzaamheden aan de woningen. Als gevolg vande relatief kleine overspanningen van de vloerendoor de beperkte h.o.h.-afstanden van de compar-timenteringswanden blijven de momenten in devloeren beperkt. Hierdoor kan worden volstaanmet het toepassen van lichte standaard wape-ningsnetten.D r i j f s y s t e e mDe plaatsvastheid van de drijflichamen die - zoalsgesteld - essentieel is voor de status van de drijven-de woning, wordt normaal gesproken ontleend aande verankering aan de ondergrond middels zoge-noemde meerpalen. Deze meerpalen, vaak hollestalen buizen, worden in de bodem geheid en aanhet drijflichaam van de woning verankerd. Omdatdeze palen vaak een verstoring in het beeld veroor-zaken, is gezocht naar mogelijkheden om dit nega-tieve aspect te verminderen. In het concept zijntwee meerpalen om de 50 m aan weerszijden vande drijvende weg voorzien die de plaatsvastheid vande infrastructuur verzorgen. De woningen wordenvervolgens hieraan gekoppeld waardoor deze hunplaatsvastheid aan de infrastructuur ontlenen. Demeerpalen zijn gedimensioneerd op de maatge-vende windbelasting die op een drielaagse bebou-wing over 50 m kan werken. De infrastructuurvormt daardoor de ruggengraat van de drijvendewijk en heeft als voordeel dat er minder meerpalenin het straatbeeld voorkomen. Daarnaast ontstaatop deze manier een flexibel drijfsysteem waarwoningen al naar behoefte aan de infrastructuurkunnen worden gekoppeld zonder dat dit conse-quenties heeft omdat de meerpalen op een maxi-male belasting zijn gedimensioneerd. De meerpa-len zijn berekend voor gebieden met slechte grond-condities (veenlagen) en peilfluctuaties tot maxi-maal 2 m. De maximale lengte van de meerpalenbedraagt 20 m waarbij rekening is gehouden meteen maximale waterhoogte, gedurende een periodeextreem hoge waterstand, van 6 m.Koppeling drijflichamenAangezien ??n drijflichaam nog geen drijvendewoonwijk maakt, is gezocht naar mogelijkheden om2 |Het ontwikkeldedrijflichaamA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 714deze drijflichamen aan elkaar te koppelen. Er isonderzoek gedaan naar reeds bestaande techniekendie ook in de uitvoering makkelijk zijn te realiserenomdat het koppelen van de drijflichamen op hetwater moet geschieden. Voor het koppelen van dezedrijflichamen kan gebruik worden gemaakt van tweeprincipes: het star koppelen of het scharnierend kop-pelen (fig. 3). Het scharnierend koppelen kent alsbelangrijkste voordeel dat de krachten die overgedra-gen worden minimaal zijn. Het belangrijkste nadeelzijn de grote vervormingen die ter plaatse van deovergang optreden. Deze vervormingen zijn onwen-selijk voor het comfort van de weggebruiker door hetoptreden van het zaagtandprofiel in de lengteas vande rijweg. Daarnaast zijn vervormingen ontoelaat-baar indien er bouwwerken over meerdere drijflicha-men heen moeten worden gebouwd. Een scharnie-rende koppeling werd daarom niet wenselijk geachten er is gezocht naar mogelijkheden van star kop-pelen. Ook voor het berekenen van de koppeling isgebruikgemaakt van de eindige-elementenmetho-den. Om de starre koppeling mogelijk te maken, isgezocht naar technieken voor het overdragen van dedwarskrachten en de trekkrachten als gevolg van hette genereren moment. Er is uitgegaan van gangbaretechnieken uit de betonbouw: er is gekozen voor hettoepassen van dwarskrachtdeuvels en voorspansta-ven (fig. 4 en 5).De dwarskrachtdeuvels zijn voorzien in de buiten-wanden en compartimenteringswanden ter hoogtevan de kruipruimte, zij kunnen 270 kN opnemen.De voorspanstaven zijn in de hoogte zover mogelijkuit elkaar geplaatst (arm bedraagt 0,8 m) om een zogroot mogelijk moment op te kunnen nemen. Devoorspanstaven zijn aangebracht ter hoogte van deboven- en tussenvloer zodat deze boven de waterlijnblijven en vanuit de kruipruimte kunnen wordenaangebracht. De voorspanstaven kunnen een maxi-male trekkracht opnemen van 1100 kN, hetgeenvoldoende is om de vervormingen dusdanig beperktte houden dat over een starre koppeling gesprokenkan worden. Optimalisatie van de koppeling is ech-W o n i n g w e tHet gelijkwaardige karakter van de drijvende woonwijkkomt tot uitdrukking in het feit dat de wijk bereikbaaris voor gemotoriseerd verkeer. Daarnaast voldoen dewoningen aan het Bouwbesluit en vallen onder deWoningwet. De status van de woningen en de conse-quenties die hieruit volgen, zijn een belangrijke rand-voorwaarde geweest voor het ontwikkelde drijfsysteem.Waterwoningen kunnen namelijk op twee manierenworden beschouwd; als schip (roerende status) of alswoning (onroerende status). Een woning die juridischook als woning kan worden aangeduid en een onroe-rende status heeft, heeft voordelen ten opzichte van deroerende status van woonboten. Gelijke behandeling entoetscriteria voor verzekeringen en financiering zijnhierbij de belangrijkste voordelen.De belangrijkste voorwaarde om de waterwoning als`woning' aan te kunnen merken, is de plaatsvastheid. Uitjurisprudentie blijkt dat een constructie als bouwwerk kanworden aangemerkt indien deze direct dan wel indirectmet de ondergrond verbonden is of daaraan steun ver-leent. De plaatsvastheid van de waterwoning komtmeestal tot uitdrukking door de koppeling aan zoge-naamde meerpalen die voorkomen dat de woningen weg-drijven door stroming of windbelasting. Een anderebelangrijke voorwaarde voor het ontwerp van de drijfli-chamen is de mogelijke zinkbaarheid van drijvende licha-men geweest. Een constructie die kan zinken, kan alsschip worden aangemerkt hetgeen niet voldoet aan derandvoorwaarden voor een volwaardige woning. Daaromis het aantonen van de `onzinkbaarheid' een belangrijkefactor geweest in de ontwikkeling van het drijflichaam.3 |De koppelprincipes;scharnierend of starA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 7 15ter nog mogelijk door de arm te vergroten en deankers verder uit elkaar te plaatsen; dit stuit voorals-nog op uitvoeringstechnische problemen.S t a b i l i t e i tMisschien wel het belangrijkste aspect bij het ont-werpen van drijvende constructies is de stabiliteit.Er zal niet op de specifieke stabiliteitsberekeningenworden ingegaan maar op een aantal algemeneaspecten en bevindingen. Water is een uitermateslappe fundering en heeft grote invloed op hetgedrag van drijvende constructies. De stabiliteit vaneen drijflichaam komt tot uitdrukking in de weer-stand die kan worden geleverd tegen het kantelenof omslaan van dat lichaam. Er zijn twee soortenstabiliteit te onderscheiden: vormstabiliteit engewichtsstabiliteit. Vormstabiliteit ontleent de weer-stand tegen kantelen aan de breedte van het lichaamen neemt toe naarmate de breedte groter wordt.Gewichtsstabiliteit maakt gebruik van het feit datde stabiliteit toeneemt naarmate de belasting aan-grijpt op een lager punt. Om een veilig en comfor-tabel drijflichaam te cre?ren, is een combinatie vanvorm- en gewichtsstabiliteit nodig. Een lichaam datzijn stabiliteit enkel ontleent aan de vorm kan eenhoge mate van aanvangsstabiliteit hebben, maarkan toch opeens kantelen, terwijl bij een lichaammet een laag zwaartepunt de stabiliteit toeneemtnaarmate de rotatie toeneemt. Dit effect is te verge-lijken met een luchtbed (vormstabiliteit) en eendobber (gewichtsstabiliteit).De mate van stabiliteit van het drijflichaam is vangrote invloed op het comfort van de weggebruikermaar meer nog voor de bewoners van de drijvendewoning. Scheefstanden - die ertoe leiden dat serviesvan de tafel glijdt - zijn natuurlijk ontoelaatbaar. Opdit gebied zijn echter geen eisen of richtlijnenbekend. Daarom is een scheefstands-eis gehanteerdvan maximaal 2? en een minimale vrijboord van0,5 m. Deze vrijboord geeft de afstand aan van debovenzijde van het drijflichaam tot de waterlijn. Degehanteerde eisen zijn vrij conservatief maar zijngehanteerd om de kwaliteit van de woningen tewaarborgen. Een scheefstand kan optreden doorwindbelasting op de gevel of excentrische belastin-gen in de bovenbouw. Om de stabiliteit te toetsen iseen berekeningsprogramma opgezet waarin debelastingen, afmetingen van het drijflichaam enbovenbouw kunnen worden ingevoerd. Het pro-gramma toetst vervolgens de constructie aan deweerstand tegen kantelen, scheefstand en vrijboords-eis. In de berekening is tevens het zogenoemdetweede-orde-effect meegenomen. Middels het bere-keningsprogramma kunnen de verschillende confi-guraties in bovenbouw en drijflichaam snel en een-voudig worden getoetst aan de stabiliteitseisen. Uitdeze berekeningen is gebleken dat het ontwikkeldedrijflichaam zich zeer stabiel gedraagt door het rela-tief grote oppervlak dat ontstaat wanneer de drijfli-chamen aan elkaar worden gekoppeld. De woningenzijn zelfstandig (zonder koppeling aan de infrastruc-tuur) stabiel tot drie bouwlagen bij windkracht 12 opeen standaard drijflichaam van 15,6 m breed.T e n s l o t t eIn dit artikel is geprobeerd inzicht te geven in deaspecten die spelen bij het ontwerpen van drijvendewoonwijken zoals die uit het afstudeeronderzoeknaar voren zijn gekomen. Feit is echter dat er nogeen lang traject te gaan is voordat een dergelijkedrijvende wijk er daadwerkelijk zal komen. Verderonderzoek en optimalisatie van concepten als dezezijn nodig. Daarnaast dient ook de invloed vanbebouwing op de waterkwaliteit verder te wordenonderzocht. Middels dit onderzoek is getracht de(technische) haalbaarheid van het wonen op waterdoor een integrale benadering zowel civieltechnischals bouwkundig boven water te krijgen. De stijgen-de belangstelling in de media en het starten van deeerste concrete projecten laten zien dat Nederlandzich opmaakt voor nieuwe ontwikkelingen in hetleven met water. L i t e r a t u u r1. NEN 6723, Voorschrift Beton. Bruggen (VBB).NEN, Delft 1995.4, 5 | Details koppelingmiddels voorspan-staven en dwars-krachtdeuvels100kruipruimteneopreen blokkoppelstaaf "Smooth Bar 1080"deuvelverbinding in tussenwandneopreen blok ?250dekvloertussenvloertussenwand250600150200200?36100