48 Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 1 Diepwanden parkeergarage Lammermarkt Onderwaterbeton Over de onderwaterbeton- vloer van de parkeer- garage Lammermarkt is het artikel 'Ronde owb- vloer met staalvezels' verschenen, elders in deze Cement. Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 2 2017 49 2850 2850 2850 1200 De Lammermarkt bevindt zich aan de rand van de binnenstad van Leiden en is bekend als locatie van de jaarlijkse kermis tijdens het Leidens ontzet (foto 1). Een karakteristiek kenmerk van de Lammermarkt is de aanwezigheid van molen De Valk uit 1743. Op het voormalige parkeerterrein wordt op dit moment een ondergrondse parkeergarage gerealiseerd die ruimte zal bieden aan 525 auto's. De garage bestaat uit zeven parkeerlagen met het diepste niveau op NAP -22,1 m en heeft een diameter van circa 60 m (fig. 3). De wanden van de parkeergarage worden gevormd door diepwanden die zowel in de bouw- als eindfase een grond- en waterkerende functie hebben. De bodem van de bouwput wordt gerealiseerd met vezelversterkt onderwaterbeton. Het ontwerp hiervan wordt beschreven in artikel [1]. Ronde constructie Naast een optimale verhouding tussen ruimtebeslag en inhoud is een groot voordeel van een ronde constructie dat de grond- en waterkerende wanden door ringwerking stabiel zijn en geen stempeling noodzakelijk is. Symmetrische grond- en waterdruk zorgt bij een perfect ronde bouwkuip voor een in ringrichting constante normaalkracht in de wanden, die toeneemt met de diepte. Echter, de bouwkuip is niet exact rond maar vertoont knikken vanwege de uitvoering met diepwanden. Door deze knikken ontstaan momenten en dwarskrachten in ringrichting. De aanwezige normaalkracht werkt gunstig voor het opnemen van moment en dwarskracht. Ook de belastingen zijn niet perfect symmetrisch. Hierdoor ontstaan ovalisering en aanvullende buigende momenten en dwarskrachten in het horizontale vlak. De terp waarop molen De Valk is gefundeerd, zorgt voor een dergelijke asymmetri- sche belasting en speelt ? in combinatie met de inrit daar direct naast ? een belangrijke rol in het ontwerp. De inrit zorgt door het deels ontbreken van zowel belasting uit grond- en waterdruk, als steun vanuit de grond. De openingen die in de diepwanden worden gemaakt voor de toegangen tot de parkeergarage zorgen daarnaast voor een lokale onderbreking van de ringwerking. Ook de lokaal aanwezige veranderlijke belasting door verkeer zorgt voor ovalisering van de bouwkuip en extra snedekrachten. Diepwanden De bouwput bestaat in totaal uit 24 diepwandpanelen tot NAP -31 m, met een breedte van circa 8 m en een dikte van 1,2 m. Elk paneel bestaat uit drie graafgangen van circa 2,85 m die elkaar deels overlappen. Elke graafgang maakte een hoek met de vorige van circa 7,5° (fig. 2). Ter plaatse van de aansluiting bij de voeg liggen de twee aansluitende panelen in elkaars ir. Sjaak van 't Verlaat Royal HaskoningDHV 1 Bovenaanzicht Lammermarkt in uitvoeringfoto: Hollandluchtfoto2 Diepwandpaneel 3 Dwarsdoorsnede Lammermarkt bron: JHK architecten In de binnenstad van Leiden, in de slappe West-Nederlandse bodem, wordt de diepste ondergrondse parkeergarage van Nederland gerealiseerd. Op korte afstand van de bouwkuip bevindt zich historische bebouwing. Door de cilindrische vorm van de bouwkuip kan de ontgraving ongestempeld worden uitgevoerd. De ronde vorm in combinatie met de slappe bodem en asymmetrische effecten door belasting en geometrie waren een uitdaging bij het ontwerp. Dit artikel gaat in op het ontwerp van de diepwanden. Algemene uitgangspunten en randvoorwaarden: ? veiligheidsklasse: CC2 ? referentieperiode: 50 jaar ? ontwerplevensduur: 100 jaar ? maaiveldniveau: NAP +0,40 m ? diameter bouwput: 60 m ? teen diepwand: NAP -31,0 m ? maximale ontgraving: NAP -24,30 m 3 2 Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 2 2017 50 0 500 1000 1500 2000 2500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 MRd [kNm/m] NE [kN/m] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 0,0014 M [kNm] alpha [rad] De capaciteit van de doorsnede in horizontale richting wordt voor een belangrijk deel bepaald door de verhouding moment- normaalkracht en dwarskracht-normaalkracht. Een hoge normaalkracht heeft hierbij een gunstig effect. Toepassen van partiële veiligheidsfactoren op de belastingen levert daarom niet de gewenste veiligheid, omdat zowel moment als normaalkracht daardoor toenemen. Daarom wordt gerekend met een algehele veiligheidsfactor van ? = 1,5 op de verhouding moment- normaalkracht, ofwel de excentriciteit. Deze veiligheidsfilosofie is vooraf uitgebreid besproken met bevoegd gezag en opdracht- gever om het goedkeuringsproces te bespoedigen. Dit was nodig omdat de huidige regelgeving hiervoor geen handvatten biedt. Diepwandvoeg De buigendmomentweerstand van een voeg die is belast door een normaaldrukkracht, is afhankelijk van de grootte van die normaalkracht. Indien de excentriciteit van de normaalkracht M E/NE < 1/6h (is 0,2 m bij h = 1,2 m) is, treedt geen trekspan- ning op in de doorsnede en zal de voeg gesloten blijven. Wanneer de verhouding M E/NE > 0,2 m is, ontstaan in een massieve verbinding trekspanningen. Omdat een voeg geen trekspanningen kan opnemen, gaat hij openstaan. Daarmee neemt de hoogte van de drukzone af en de excentriciteit toe. Zolang de maximale betonspanning in de doorsnede nog niet is bereikt, neemt ook de buigendmomentweerstand toe. Om de buigendmomentweerstand vast te stellen, wordt over de hoogte van de drukzone conservatief een driehoekig spannings- verloop aangehouden (geen plastische vervorming). Belangrijke constatering hierbij is dat de capaciteit in ringrichting vanuit de constructie alleen kan worden gestuurd door de dikte van de diepwand en de betonsterkteklasse. Bruikbaarheidsgrenstoestand In de voeg van een diepwand zorgt het voegprofiel voor de waterdichtheid. Voor een garantie op de goede werking van het voegprofiel wordt voor de bruikbaarheidsgrenstoestand als eis uitgegaan van een minimale drukzonehoogte van 600 mm, zodat het profiel niet onder trek komt te staan (M /N < 0,4 m). Deze toets is daarmee niet maatgevend ten opzichte van de UGT-toets. verlengde. Per paneel worden drie wapeningskorven geplaatst met een dekking van 100 mm. Ter plaatse van de knikken is de diepwand ongewapend. In het ontwerp is rekening gehouden met een uitvoeringstolerantie van de panelen (scheefstand) van maximaal 0,50% per zijde. Ringbalk Over de volledige omtrek van de put wordt een ringbalk toege- past aan de bovenzijde van de diepwanden. De ringbalk heeft als primaire functie de sterkte en stabiliteit in het bovenste deel van de diepwanden te verzorgen, waar de normaalkracht en daarmee de ringwerking nog gering is. Daarnaast dient de ringbalk als oplegging voor het dek van de garage en inrit in de eindfase. Grondopbouw en waterstanden De bodem wordt, afgezien van een beperkte zandige toplaag, gekarakteriseerd door slappe klei- en veenlagen tot het basisveen op NAP -12 m (tabel 1). Daaronder bevindt zich het pleistocene zand. De gemiddelde grondwaterstand is NAP -0,60 m en de stijghoogte in het watervoerend pakket NAP -1,40 m. Capaciteit diepwand in ringrichting Dit artikel gaat in op de krachtswerking in ringrichting en de toets van de diepwandvoeg en ongewapende zones in de diep- wandpanelen. Een niet-alledaagse bezigheid waarvoor geldende normen en richtlijnen niet altijd toereikend zijn. Uiteraard vindt ook gedeeltelijke krachtsafdracht in verticale richting plaats. De snedekrachten in verticale richting zijn bepalend voor het ontwerp van de wapening van de diepwand- korven. Hier wordt verder niet op ingegaan, aangezien dit vrij standaard is bij het ontwerp van een diepwand. Tabel 1 Grondopbouw grondlaag bovenkant laag [NAP m] ? / ?' [kN/m 3] ?' [ ° ] C [kPa] zand, toplaag +0,4017,0 / 19,0 30,00 klei, zandig -116,8 / 16,8 22,52,5 veen -310,8 / 10,8 15,02,0 klei, humeus -514,5 / 14,5 17,51,0 basisveen -1211,9 / 11,9 15,02,5 zand, los/matig -1318,0 / 20,0 32,50 Tabel 2 Relatie buigendmomentweerstand ? normaalkracht NE[kN] M Rd/NE [m]M Rd[kNm] x min[mm] 1000 0,56558125 2000 0,521033 250 3000 0,481425 375 4000 0,431733 500 5000 0,391958 625 6000 0,352100 750 7000 0,312158 875 4 Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 2 2017 51 0 500 1000 1500 2000 2500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 MRd [kNm/m] NE [kN/m] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 0,0014 M [kNm] alpha [rad] 4 Moment versus normaalkracht 5 Moment versus rotatie volgens [2] Bruikbaarheidsgrenstoestand Uitgangspunt voor de toetsing in de bruikbaarheidsgrenstoe- stand van de ongewapende zones is dat de betondoorsnede hier niet mag scheuren. Hierbij is nog met een veiligheidsfactor van ? = 1,2 gerekend op het moment. Tabel 3 geeft de toelaatbare momenten in de bruikbaarheidsgrenstoestand. Uiterste grenstoestand Nadat de ongewapende zone is gescheurd, wordt gesteld dat geen trekspanningen meer opneembaar zijn in de doorsnede. In principe is de situatie dan vergelijkbaar met de toets van de diepwandvoeg en wordt in de uiterste grenstoestand dezelfde (algehele) veiligheidsfactor van ? = 1,5 aangehouden. Door de relatief strenge eis in de bruikbaarheidsgrenstoestand is deze toets meestal maatgevend boven de toets voor de uiterste grenstoestand. Modellering De krachtswerking is bepaald met een 3D-model in Scia Engi- neer. Voor het bepalen van de vervormingen van de constructie en de beïnvloeding hiervan op de omgeving is daarnaast een model in PLAXIS 3D opgesteld. De uitkomsten van beide modellen zijn met elkaar vergeleken. De resultaten komen redelijk tot goed met elkaar overeen. In dit artikel wordt alleen het Scia-model besproken. Voeggedrag Zoals beschreven speelt de excentriciteit een belangrijke rol. Indien de excentriciteit van de normaalkracht kleiner dan 1/6h blijft, treden geen trekspanningen op in de doorsnede en blijft de voeg gesloten. De voeg gedraagt zich dan alsof het een monoliete constructie is. Wanneer de excentriciteit groter wordt, gaat de voeg openstaan en neemt de rotatiestijfheid af. De relatie tussen moment, normaalkracht en rotatie(stijfheid) voor een dergelijke voeg is bepaald in [2] door Janßen en wordt ook bij de modellering van boortunnels gebruikt. De rotatie wordt begrensd als het uiterst opneembare moment is bereikt. Als voorbeeld wordt in figuur 5 de grafiek gepresenteerd voor een normaalkracht N = 4000 kN. Uiterste grenstoestand Het opneembaar moment in de uiterste grenstoestand is afhanke- lijk van de optredende normaalkracht. In onderstaand rekenvoor - beeld wordt uitgegaan van een normaalkracht van 1000 kN/m: ? betonsterkteklasse C30/37; ? voor ongewapend beton (bij voegen en knikken) geldt vanwege de verminderde ductiliteitseigenschappen volgens NEN-EN 1992 1-1 deze rekenwaarde voor de betondruk- sterkte: f cd,pl = ? cc,pl · fck / ? C = 0,8 · 30 / 1,5 = 16 N/mm 2; ? representatieve waarde normaalkracht: N E = 1000 kN/m; ? hoogte diepwand: h = 1200 mm; ? drukzonehoogte: x min = 2 · N E / fcd,pl = 2 · 1000 / 16 = 125 mm; ? maximaal opneembare excentriciteit: e max = h/2 ? 1/3 · x min = 1200/2 ? 1/3 · 125 = 558 mm; ? rekenwaarde opneembaar moment: M Rd = N E · emax = 1000 · 0,558 = 558 kNm/m; ? e max ? ? overall · M E/NE. Tabel 2 en figuur 4 geven de rekenwaarde voor het opneembaar moment weer voor verschillende waarden van de normaalkracht. De representatieve drukkracht in de diepwand in horizontale richting varieert over de diepte tussen circa 1000 kN/m en 7000 kN/m. Ongewapende zones (knikken) Voor de ongewapende zones in de diepwand bij de knikken in het paneel geldt dat, in tegenstelling tot de voeg, wél trekspan- ningen kunnen worden opgenomen. Wanneer de verhouding tussen het moment en de normaalkracht M E/NE > 0,2 m, gaan trekspanningen ontstaan. Deze spanningen kunnen oplopen tot de treksterkte in de uiterste vezel is bereikt. Tabel 3 Buigendmomentweerstand in ongewapende zones NE [kN/m] M scheur /NE [m] x [mm] M scheur [kNm/m] M rep,toel [kNm/m] 1000 0,46 864 455 379 2000 0,33 966 655 546 3000 0,291021 855 713 4000 0,261055 1055 879 5000 0,251078 12551046 6000 0,241095 14551213 7000 0,241108 16551379 5 Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 2 2017 52 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 N x [kN/m 1] M x [kN/m 1] My [kN/m 1] -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 200 400 600 800 1000 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -0,60 -0,50 -0,40 -0,30 -0,20 -0,10 0,00 M/N [m] -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 In het gebruikte rekenpakket is het niet mogelijk een niet-line- aire rotatieveer te modelleren ter plaatse van de voegen tussen de diepwandpanelen. De complete diepwand wordt daarom in eerste instantie gemodelleerd als monoliete constructie. Dit model geeft een bovengrens voor de snedekrachten in de voegen. Vervolgens wordt op basis van de verhouding M/N in de voegen gecontroleerd of deze open gaan staan en, zo ja, wat de rotatiestijfheid is bij de aanwezige normaalkracht. Vervolgens wordt het model opnieuw doorgerekend met gewijzigde rotatie- stijfheden bij de voegen. Dit is een iteratief proces. Omdat het model niet geschikt is om bouwfaseringen in aan te brengen, wordt steeds een maatgevende fase doorgerekend alsof deze in één keer aanwezig is. Bij de interpretatie van de resultaten wordt hier rekening mee gehouden. Het aantal modellen dat moet worden gedraaid, is daardoor relatief hoog en hierbij zijn de nodige iteratieslagen noodzakelijk. Grond- en waterdruk De horizontale korreldruk wordt als belasting ingevoerd, gecombineerd met veren gekoppeld aan de diepwand die alleen druk kunnen opnemen. Bij een verplaatsing naar binnen werkt alleen de neutrale/actieve korreldruk op de wand. Bij een verplaatsing naar buiten worden de veren geactiveerd, waarmee de toenemende korreldruk (naar passief ) wordt gemodelleerd en de totale belasting op de wand toeneemt. Onder het niveau van de onderwaterbetonvloer is een gecombineerde druk-trek- bedding gemodelleerd. Een lage bedding is conservatief voor de krachtswerking in de diepwanden. Verkeersbelasting Een uniform verdeelde verkeersbelasting is maatgevend ten opzichte van een lokaal laststelsel. De meest ongunstige situatie treedt echter op wanneer de uniforme belasting niet overal aanwezig is, maar slechts over een kwart van de omtrek. Deze situatie leidt tot de grootste ovalisering. 6 7 10a 10b 10c Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 2 2017 53 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 0 uhor [mm] -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 N x [kN/m 1] M x [kN/m 1] My [kN/m 1] -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 200 400 600 800 1000 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -0,60 -0,50 -0,40 -0,30 -0,20 -0,10 0,00 M/N [m] -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 6 Momenten M x in ringrichting op NAP -6,0 m 7 Momenten M x in ringrichting op NAP -18,35 m 8 Vervorming op NAP -6,0 m 9 Vervorming op NAP -18,35 m 10 Verloop horizontale snedekrachten in voeg in ringrichting over de diepte t.p.v. de molen 11 Verloop verticaal moment in voeg over de diepte t.p.v. de molen 12 Verloop vervorming diepwand over de diepte t.p.v. de molen 13 Verloop verticaal moment van de sectie t.p.v. de molen Resultaten Uit de resultaten blijkt dat de invloed van de belasting uit de terp, in combinatie met het ontbreken van belasting en steun bij de inrit zeer ongunstig werkt voor de snedekrachten in ring- richting. Te zien is dat de diepwand 'indeukt' bij de terp en 'uitbuikt' bij de inrit. Om dit effect te beperken, is het noodza- kelijk in de bouwfase geen of zeer beperkte verkeersbelasting toe te laten ter plaatse van de terp. In de eindfase zorgt het dek van de garage voor voldoende steun om dit effect tegen te gaan. Daarnaast blijkt dat de fase met de diepste ontgraving vóór leegpompen kritisch is, omdat de normaalkracht in ringrich- ting dan beperkt is en daardoor tevens de momentcapaciteit. In figuur 6 t.m.13 zijn ? voor de variant waarbij de onderwater - betonvloer geen steun levert ? de resultaten gepresenteerd van de situatie bij de diepste ontgraving na droogzetten.de 8 9 11 12 13 Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 2 2017 54 Uitvoeringsaspecten Het risicoprofiel van een ronde bouwkuip met een diep- wand is enigszins afwijkend ten opzichte van een reguliere rechthoekige bouwkuip. Naast de gebruikelijke aandacht voor waterdichtheid bij diepwanden speelt bij de ronde bouwkuip de krachtswerking in ringrichting een cruciale rol. De normaalkracht in ringrichting dient te allen tijde gewaarborgd te zijn. Dit betekent voornamelijk dat de voegen van voldoende kwaliteit moeten zijn en dat bento- nietinsluitingen en slecht beton rondom de voegen zeer onwenselijk zijn. Daarnaast bestaat het risico dat bij te grote scheefstand het contactvlak, en daarmee de constructieve hoogte tussen twee panelen onvoldoende is. Tijdens het nat ontgraven is de diepwand geïnspecteerd op onregelmatigheden. De diepwanden bleken van goede kwaliteit te zijn (foto 14). Op één locatie is een afwijking geconstateerd waarbij het beton niet goed rond de wape- ning was gelopen ter plaatse van een voeg. Dit is onder water gerepareerd vóór de kuip werd leeggepompt. Voldoende stijve constructie De bouwput is inmiddels drooggezet, de fundatievloer gestort en het prefab-betonskelet als een 3D-puzzel in elkaar gezet. Het dak van de garage is afgedekt met een dikke laag grond. Uit de monitoring is gebleken dat de constructie zich voldoende stijf heeft gedragen, zoals voor- speld in de rekenmodellen. De belendingen, inclusief de monumentale molen De Valk hebben nauwelijks iets gemerkt van de bouw van de diepste garage van Neder - land. Eind april gaat de parkeergarage open voor publiek en zullen de eerste auto's erin kunnen parkeren. ? ? LITERATUUR 1 Meijdam, J., Greveling de Vos, M., Ramkema, A., Ronde owb-vloer met staalvezels. Cement 2017/2. 2 Janßen, P., Tragverhalten von Tunnelaus- bauten mit Gelenktübbings, dissertatie, Braunschweig 1983. ? PROJECTGEGEVENS opdrachtgever Gemeente Leiden hoofdaannemer Combinatie Parkergarages Leiden bestaande uit Dura Vermeer en Besix hoofdconstructeur Royal HaskoningDHV architect JHK Architecten diepwanden Franki Grondtechnieken 14 Diepwanden na ontgraving 14 Uitdagingen bij ontwerp ronde bouwkuip 2 2017