themaInnovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree5 201636themaInnovatiefdempingsysteemvoorTokyo SkytreeUnieke samenwerking tussen de staalconstructie enbetonnen kern, onder andere met oliedempersStudiebezoekIn mei 2015 bracht een groep studenten vanhet studiedispuut U-BASE samen met tweedocenten van de TU Delft een studiebezoekaan Tokyo. Een van de gebouwen die zijbezochten was Tokyo Skytree.Innovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree 5 2016 371 Tokyo Skytree is een van de ijkpunten in de uitgestrekte metropoolAls je de eerste keer door Tokyo loopt, verbaas je jeover de uitgestrektheid van deze metropool. Er zijntwee ijkpunten om je te ori?nteren. Van oudsher wasdit altijd Mount Fuji, de iconische berg die je aan dehorizon kunt zien vanuit Tokyo. Sinds 22 mei 2012 isdaar een tweede punt bij gekomen: de Tokyo Skytree(foto 1). Deze televisietoren is met 634 m niet alleenveruit het hoogste gebouw in Tokyo, maar ook vanheel Japan. De zeer strenge eisen aan de constructievroegen om een innovatief constructief systeem.Tokyo Skytree is gebouwd om te dienen als zendmast voordigitale televisie en radio via de ether. Daarnaast heeft de torennog een tweede essenti?le functie als noodzender in het gevalvan een grootschalige ramp in het stedelijk gebied van de stad.Omdat de toren in een zeer aardbevingsgevoelig gebiedgesitueerd is en in het geval van een aardbeving moet blijvenfunctioneren, zijn er zeer strenge eisen gesteld aan de constructie.1Axel Koper BSc.,dr.ir. Karel TerwelTU Delft, fac. CiTGBronnenHet artikel is naast een mondelinge toelichting door AtsuoKonishi van Nikken Sekkei, gebaseerd op:- Atsuo et al."Structural design and construction of the Founda-tion of Tokyo Sky Tree"- International Journal of High-Rise Buil-dings Volume 4, Number 4- Atsuo et al."Structural Design of Tokyo Sky Tree"? CTBUH 2011Seoul Conference- Tokyo Sky Tree special issue ? Steel construction Today &tomorrow No. 31 November 2010- Sakai et al. "Construction of a central pillar by slipformconstruction in the Tokyo Sky Tree"? Concrete Journal, Vol. 50,No. 8, Aug. 2012De auteurs bedanken Atsuo Konishi voor toestemming voor hetgebruiken van de figuren in dit artikel.Innovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree5 201638themauitzicht ook de mogelijkheid geeft signalen te zenden naareen groot gebied.Het projectterrein, een voormalig rangeerterrein, leverde weluitdagingen op voor het ontwerp van de toren (fig. 3). Hetlanggerekte oppervlak is op het breedste punt maar 80 m breeden is ingesloten tussen metro- en spoorlijnen. Verder ligt hetgebied dicht bij twee rivieren, wat betekent dat de grond waarde Skytree op is gebouwd, hoofdzakelijk bestaat uit silt en klei.Vanwege de rechthoekige vorm van het terrein was een drie-hoekige basis van de toren gunstiger dan een cirkelvormige.De basis van de toren kon hierdoor zo breed mogelijk wordengemaakt binnen het terrein. Maar voor het uitzichtdek en decommunicatieapparatuur boven in de toren was een rondedoorsnede een betere oplossing. Dit had te maken met demontage en dekking van de zendapparatuur alsmede hetuitzicht rondom bij het uitzichtdek.Deze belangen hebben uiteindelijk tot een uniek ontwerp voorde Skytree geleid. Op grondniveau is de toren een gelijkzijdigedriehoek met zijdes van 68 m. Over de loop van de hoogteverandert deze doorsnede geleidelijk in een cirkel (fig. 4).23westzijde torenOshaga stationKitajikken rivierNarihirabashi station (Tobu lijn)oostzijdeAlgemene opzetHet project Tokyo Skytree werd ge?nitieerd omdat de oudeTokyo Tower (333 m) niet meer voldeed als zendmast; dehoogbouw in de naaste omgeving van de Tokyo Towerverstoorden het signaal. Daarom werd besloten een veelhogere toren te construeren met een voor het publiek toegan-kelijk uitzichtdek en commerci?le ruimtes. De toren staat inhet Sumida district van Tokio, een plek die naast een prachtigInnovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree 5 2016 392 Het uitzichtdek op 450 m hoogte3 Situatie van het projectterrein4 Doorsnede van de toren met verschillende elementen in kleur weergegeven5 Inwoners van Toyko genieten van uit het uitzicht op het uitzichtdekHet eerste uitzichtdek bevindt zich op 350 m en het tweede op450 m. Het dak van de hoofdconstructie bevindt zich op 497m. Daarboven bevindt zich een zendmast, waarmee de totalehoogte op 634 m komt. Dit levert uiteindelijk een indrukwek-kende slankheid van de totale constructie op van 1:9.De toren bestaat aan de buitenzijde uit een hoofddraagconstructiedie de krachtsafdracht voor bijvoorbeeld aardbevingen enwindbelasting voor zijn rekening neemt, deze is groenweergegeven in figuur 4. Daarbinnen ligt een stalen kernwaarin de liften zijn geplaatst. Dit is de beige kleur in de figuur.Ten slotte in het hart van de constructie staat de betonnen kerndie is weergegeven in blauw. Verder zien we nog de uitzichtdek-ken in geel en de antennetoren in roze.Om mensen van en naar de uitzichtdekken te vervoeren, zijn erin de toren vier liften aanwezig. Deze liften hebben eencapaciteit van veertig personen en een maximumsnelheid van600 m per minuut. Naast de toren zelf is er op de locatie nogeen groot laagbouwgedeelte aangelegd dat ruimte biedt voorcommerci?le faciliteiten aan de westzijde en kantoorruimteaan de oostzijde.Onderzoek van belastingsgevallenEen constructie van 634 m is op zichzelf al onderhevig aan zeerzware belastingen, maar de locatie van de Skytree zorgt voor45doorsnede op 400 mdoorsnede op 585 mdoorsnede op 300 mdoorsnede op 200 mdoorsnede op 50 mdoorsnede op 0 mfunderingschachthoofddraagconstructieantenne torenmassa trillingsdemperShimbashira(met trappenhuis)500 m400 m300 m200 m100 mthemaInnovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree5 2016406 Overzicht van de verbinding tussen betonnen kern en staalconstructies7 Verbetering van de aardbevingsrespons door Shimbashira-conceptnog strengere eisen. Japan en de regio van Tokyo bevindt zichnamelijk in een seismisch zeer actief gebied. Daarnaast wordtJapan geregeld getroffen door tyfoons. Omdat de toren verderdienst moet doen als noodzendmast in het geval van een ramp,is hij onderhevig aan de hoogste constructieve eisen.Dit houdt concreet in dat de toren praktisch geen schade magoplopen bij normaal geachte rampen. Dit betekent dat deconstructie moet worden geconstrueerd op windsnelheden meteen herhalingstijd van 2000 jaar. Voor de aardbevingsbelastingis in het ontwerp rekening gehouden met data van eerdereaardbevingen in Japan met een sterkte van meer dan 8 op deschaal van Richter. Ter vergelijking: de aardbevingen die inGroningen plaatsvinden, haalden tot nu toe maximaal 3,6 opde schaal van Richter.Omdat een dergelijke hoge toren uniek is in Japan, was de eerstestap om uitgebreid onderzoek te doen naar de belastingen diede toren op moest kunnen nemen. Hiervoor is op de locatie metbehulp van weerballonnen de windsnelheid op verschillendehoogtes gemeten. Daarnaast zijn er windtunneltesten uitge-voerd, wat bij gebouwen van deze hoogte gebruikelijk is. Ditonderzoek resulteerde in een maximale ontwerpwindsnelheidvan 396 km/u, met een herhalingstijd van 2000 jaar.Naast dit windonderzoek is er ook een bodemonderzoekuitgevoerd waarbij de diepe bodemomstandigheden (tot 3 kmdiep) zijn onderzocht. Dit wordt gedaan door MicrotremorSurveying. Hierbij wordt gebruikgemaakt van de minusculetrillingen die van nature in de bodem optreden. Uit dit signaal67beweegbaaroliedemperverbinding tussenstaal en betonstar verbondencentrale kerndoorsnede centrale stalen- en betonnen kernbeweegbaar verbonden met oliedempersH = 375 mH = 125 mgedemptongedemptgedemptongedemptlange periode aardbevingstrillingen epicentrische aardbevingstrillingen600550500450400350300250200150100500600550500450400350300250200150100500h[m]h[m]0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20respons ratiorespons ratioInnovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree 5 2016 418 Principefundering onder megakolommen9 Knokkelwandkan de snelheid van de s-golf (transversale seismische ruimte-golven) door de ondergrond worden bepaald. Deze s-golf is debelangrijkste parameter voor de kracht die op de toren wordtuitgeoefend bij een aardbeving. Daarnaast zijn er sonderingenuitgevoerd om de draagkracht van de grondlagen te bepalen toteen diepte van 120 m. De data van dit bodemonderzoekvormden de invoer voor een uitgebreide simulatie van de torenonder aardbevingsomstandigheden.Constructie opzet: een huwelijk tussenbeton en staalOm deze uitzonderlijke belastingen het hoofd te kunnenbieden, is een aantal innovatieve oplossingen toegepast. Debuitenzijde bestaat uit een staalconstructie die veel weg heeftvan een offshore constructie. Zij bestaat uit stalen buisprofielen,die onderin een diameter hebben van 2300 mm met een wand-dikte van 100 mm. Gedurende reguliere omstandighedenneemt de staalconstructie de krachtsafdracht voor haar rekening.Tijdens de uitzonderlijke belastingsgevallen van aardbevingenen extreme wind is deze staalconstructie echter onvoldoende.Daarom is een unieke samenwerking gerealiseerd tussen debuitenste staalconstructie en een binnenste betonnen kern.Deze kern heeft een diameter van 8 m en een wanddikte van600 mm over de gehele hoogte en doet ook dienst als vlucht-route. Deze samenwerking is ge?nt op de Japanse bouwtraditie.Al honderden jaren worden er in Japan Pagodes gebouwdvolgens het Shimbashira seishin-concept. Hierbij wordt deverticale kern van het gebouw niet gebruikt voor de afdrachtvan de verticale belasting, maar doet dienst als contragewichtvoor de hoofdconstructie. Deze kern doet dienst als contrage-wicht voor de hoofdconstructie en draagt dus niet bij aan deverticale krachtsafdracht. Door de flexibele verbinding werktde centrale kern als een demper voor de gehele constructie enworden de trillingen sterk gedempt.De buitenste staalconstructie heeft elke 12,5 m een ringverstij-ving. Per 25 m is deze verbonden met de stalen kern. Die stalenkern is op zijn beurt weer elke 25 m verbonden met de centralebetonnen kern. Tot een hoogte van 125 m is deze verbindinguitgevoerd door middel van gelaste staalprofielen. Ze vormendaarmee een starre verbinding. Vanaf 125 m hoogte tot heteerste uitzichtdek op 350 m, waar de betonnen kern ophoudt, isde staalconstructie uitgevoerd met oliedempers. Hierdoor is debeweging van de betonnen kern losgekoppeld van de staalcon-structie (fig. 6). Door de verschillende eigenperiodes van destaalconstructie en de betonnen kern, en de verbinding metoliedempers wordt er zeer veel energie gedissipeerd.Dit innovatieve concept van een centrale kern zorgt ervoor datde versnellingen ten gevolge van aardbevingen met 50%konden worden gereduceerd (fig. 7). en ten gevolge van windmet 30% in vergelijking met een vaste verbinding tussen decentrale kern en de staalconstructie.Om het effect van trillingen door aardbevingen en windstotenop de zeer slanke antennemast boven op de toren te beperken,zijn nog eens twee tuned mass dampers van 25 en 40 tongeplaatst boven in de mast. Hierdoor eindigt de toren dan ookniet in een spitse punt zoals bij zendmasten gebruikelijk is.Na uitgebreid windtunnel- en computeronderzoek is gebleken datdeze toepassingen van trillingsdemping ervoor hebben gezorgddat de uitwijking van de top van de Skytree tot maximaal 6 m,ofwel 1:105 van de hoogte, beperkt zou moeten blijven.89fundering hoekkolombovenbouw staalfunderings-balk (staal-beton)staal-beton diepwandknokkelwand50 m11 m1,4 mthemaInnovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree5 20164210 Verbinding van de fundering ende voet van de staalconstructie11 Verbinding tussen de funderingen de funderingsbalk12 De imposante hoogte van 634 min de ondergrond. De witte elementen zijn de funderingspalenvan de funderingsplaat en de betonnen kern.Om de trekkrachten op te kunnen nemen, moet de paalschachtvoldoende wrijving opwekken in de draagkrachtige laag dievanaf 35 m is gesitueerd. Hiervoor is een speciale graafkopgebruikt voor de diepwanden die een zogeheten `knuckle wall'(in het Nederlands: "knokkelwand") cre?ert (fig.9).Dit is een uitstulping van de wand ter hoogte van de draag-krachtige laag. Hierdoor kon de benodigde diepte in dedraagkrachtige laag van 15 m naar 13 m worden teruggebracht.Omdat de Skytree een uitzonderlijke constructie betreft, is ernaast de analyse van de fundering op basis van kennis vaneerdere toepassingen van deze techniek, ook op de locatie zelfeen full scale test uitgevoerd. Hiermee werd de capaciteit van dediepwand op trek getest. Er werd een maximale belasting van40 000 kN gehaald. Ook is gekeken naar het lastverplaatsingsge-drag van de wand om de stijfheid en de opbouw van wrijving inde ondergrond te onderzoeken. Uit deze proef op echte schaalbleek dat de berekeningen vooraf zelfs conservatief waren.Verder moest er speciale aandacht worden besteed aan deverbinding tussen de bovenbouw en de funderingspalen onderFunderingAangezien zoals eerder beschreven, de bovenste grondlagenonder de Skytree bestaan uit riviersedimenten zoals klei en silt,is de toren gefundeerd op een zand-gravellaag gelegen op 35 monder het maaiveld. Omdat de toren wordt blootgesteld aanhoge windsnelheden en aardbevingen is het noodzakelijk datde fundering niet alleen verticale krachten op kan nemen, maarook in horizontale richting genoeg stijfheid kan verzekeren.Op elk hoekpunt van de driehoek, waaruit het onderste deelvan de toren bestaat, komt een megakolom van de staalcon-structie. Omdat de toren is gerealiseerd in een licht stalenframe, kan er soms sprake zijn van een netto trekkracht in defundering onder de kolommen. Voor het opnemen van dezetrekkrachten moesten speciale voorzieningen wordengerealiseerd. Daarnaast waren voorzieningen nodig voor hetwaarborgen van de horizontale stijfheid.Hiervoor is gebruikgemaakt van een fundering bestaande uitcontinue betonnen diepwanden die zijn verstijfd met staalpro-fielen (fig. 8 en 9).Voor de krachtsoverdracht tussen het betonen staal zijn deuvels op de profielen geplaatst. Omdat detrekkrachten in de wand dusdanig hoog waren, zijn de staalpro-fielen uitgevoerd over de gehele lengte van de wand. In figuur 8zijn deze elementen blauw weergegeven. De gele elementenzorgen verder nog voor het vergroten van de horizontale stijfheid10 11Innovatief dempingsysteem voor Tokio Skytree 5 2016 43het eerste uitzichtdek waren geplaatst. Vervolgens werd de anten-nemast door middel van jacks in zijn eindpositie gepositioneerd.Op het moment dat de antenne niet meer op begane grondaanwezig was, werd hier begonnen met de bouw van de beton-nen kern. De kern is gerealiseerd binnen in de gerealiseerdestaalconstructie door middel van glijbekisting. Hierbij isgebruikgemaakt van een betonmengsel met een ontwerpsterktevan 54 MPa. De vloeibaarheid is hoog (zetmaat van 60 cm)vanwege de hoge dichtheid van de wapening in de kern.Tot slotDe Skytree is een uniek project dat gerealiseerd is in buitenge-woon extreme omstandigheden. Dit is alleen mogelijk gemaaktdoor een uitgebreide analyse van alle verschillende onderdelenvan deze constructie, waarbij het huwelijk tussen een staalcon-structie aan de ene kant en een betonnen kern aan de anderekant een unieke oplossing voor de extreme aardbevingslastenheeft opgeleverd. Dankzij deze inventiviteit konden wij met eengerust hart van een adembenemend uitzicht genieten. PROJECTGEGEVENSproject: Tokyo Skytreeopdrachtgever: Tobu Tower Sky Tree Co., Ltdarchitect: Nikken Sekkei onder leiding van Atsuo Konishiconstructieadvies: Nikken Sekkeiaannemer: Obayashi Corporationde drie megakolommen van de staalconstructie. De diepwan-den zijn in een radiaal patroon onder kolommen geplaatst. Nahet storten en uitharden van de diepwanden zijn deze gesneldzodat de staalprofielen die in de diepwand zijn ingestort, vrijkwamen te liggen. Om de kracht te verdelen, zijn deze staalpro-fielen met een staalbeton composiet ligger verbonden. Dit zorgtvoor een frame waarop de bovenbouw steunt en waarbij dekrachten worden gespreid over de fundering. In figuur 10 enfoto 11 is het staalprofiel weergegeven dat verbonden is aan deprofielen uit de diepwanden voordat deze in beton wordtgestort. Tevens is hier voor de overdracht van de krachtentussen het staal en het beton wederom verdeuveling toegepast.Dit is te zien op het lijf van de ligger in foto 11.UitvoeringDe bouw van de Skytree heeft in totaal 3 jaar en 8 maanden inbeslag genomen. De snelle bouwtijd was mogelijk door hetparallel uitvoeren van verschillende werkzaamheden. Demeeste tijd werd in beslag genomen door de veeleisende funde-ring en de assemblage van de staalconstructie voor de verticalekrachtsafdracht. De elementen van de hoofddraagconstructiewerden namelijk op locatie gelast. Daarnaast waren de elementenvanwege vervoer beperkt in gewicht tot 30 ton. De segmentenonderin bij de kolomvoet, waar de grootste krachten optreden,zijn met hun diameter van 2,3 m en wanddikte van 10 cmdaarom ongeveer 4 m lang.Om het bouwproces te verkorten, is gekozen voor een ingenieuzeoplossing waarbij tijdens de bouw van het buitenste staalframe inde centrale kern de antennemast werd geassembleerd. Zodra destaalconstructie de eindhoogte bereikte, kon de zendmast naarde top van de toren worden gehesen door de bouwkranen die op12