1 Forum Groningen in aanbouw, foto: De Beeldredaktie / BAM 1 10? CEMENT 2 2020 IR. JORIS HESSELINK PMSE Adviseur Constructie en BouwmethodiekenBAM Advies & Engineering auteur Veilige uitvoering dankzij bouwfaseanalyse Constructieve veiligheid is hot. De meeste aandacht gaat over het algemeen uit naar de veiligheid in de gebruiksfase. In veel gevallen is de constructieve veiligheid tijdens de uitvoering onderbelicht. De projecten Forum Groningen en Depot Boijmans van Beuningen laten het belang zien van een uitvoerige analyse van de bouwfase. Belang constructieve veiligheid in de bouwfase toegelicht aan de hand van Forum Groningen en Depot Boijmans van Beuningen Dat constructieve veiligheid momenteel een veel besproken thema is, komt uiteraard door een aantal recente instortingen. Voorbeelden hiervan zijn de parkeergarage van Eindhoven Airport, het stadiondak van FC Twente en het stadiondak van AZ. De laatste twee hebben als gemeenschappelijke deler dat het een voetbalstadion betreft. Haaks daarop staat juist een groot verschil tussen beide: de ene stortte zo'n 13 jaar na oplevering in tijdens een stormachtige wind, en de andere tijdens de bouw. Juist de risico's tijdens de bouw wor- den vaak onvoldoende beschouwd. De coör- dinerend constructeur berekent het gebouw immers voor de gebruiksfase: de periode van oplevering tot sloop. Daarbij wordt in veel gevallen gebruikgemaakt van 3D-rekensoft- ware. Hierin wordt een compleet gebouw ge- modelleerd waarna 'de zwaartekracht wordt aangezet'; het project wordt in zijn eindtoe- stand doorgerekend. Echter, in de bouwfase worden elementen stap voor stap aange- bracht, gestort of gemonteerd. Het totale ge- bouw met al zijn constructieve onderdelen is dus niet in één keer gereed waarna vervol - gens de belastingen optreden. Het kan zijn dat in de bouwfase cruciale constructieve on - derdelen zoals windverbanden, stabiliseren - de betonvloeren of verbindingen nog niet zijn aangebracht, waardoor de constructieve vei - ligheid op dat moment niet is gewaarborgd. Juist deze bouwfase is voor bouwers het meest kritisch. In dit artikel wordt hier nader op ingegaan aan de hand van twee projecten van BAM Bouw en Techniek: Forum Gronin - gen en Depot Boijmans van Beuningen. CEMENT 2 2020 ?11 Forum Groningen Vlak naast de Martinitoren staat het in no- vember 2019 opgeleverde Forum Groningen. Een 35.000 m² groot openbaar bijeenkomst- gebouw dat als ontmoetingsplaats voor de Groningers moet dienen. Er zijn onder an- dere een bibliotheek, auditorium, museum, filmzalen en een aantal culturele instellingen in ondergebracht. Het gebouw kenmerkt zich door de afgeschuinde gevels die afwis- selend voorover- en achterover hellen (foto 1 en foto 4). Constructieve opzet De constructie van het Forum bestaat uit twee grote betonnen stabiliteitskernen aan de oost- en westzijde van het gebouw (fig. 3). Aan de bovenzijde, tussen de negende en elfde verdieping, zijn de kernen gekoppeld met een stalen 'brug'. Tussen de kernen bevinden zich stalen volumes die onderling worden gescheiden door een atrium. De stalen volumes bestaan uit verdiepingshoge vakwerkspanten, loodrecht op de kern, die zijn opgelegd op twee stalen kolommen. Ze zijn verbonden met de betonkern om de ho- rizontaalkrachten af te dragen. De volumes zijn verder voorzien van staalplaatbeton - vloeren. De strook tussen de stalen volumes en de betonkern bestaat aan boven- en onderzijde uit een massieve betonvloer die de stabiliteitskrachten uit de volumes naar de kern moeten afdragen (fig. 2). Hier heeft de constructeur voor gekozen, zodat de sta - biliteitskracht via een lange vloerrand kan worden ingeleid en niet in één zware knoop samenkomt. Principe montageplan De vakwerken zijn een statisch onbepaald systeem: een ligger op twee steunpunten met een inklemming aan één zijde (fig. 2). Omdat de steunpunten zich als verende on - dersteuningen gedragen door de elastische verkorting van de kolommen en de zetting van de funderingspalen, krijgt het stijve vakwerk een opgelegde verplaatsing. Indien het vakwerk in de bouwfase zou worden gekoppeld aan de betonkern komen er door 2 Tijdelijke windverbanden en stortstrook 3 3D-doorsnede Forum Groningen MEER OVER FORUM GRONINGEN Meer over het Forum Groningen lezen? Zie de artikelenserie in Cement 2014/2, 2014/3 en 2014/4 en twee artikelen over seismische versterkingen in Cement 2016/8 en 2017/2. 2 3 12? CEMENT 2 2020 de inklemmende werking grote en onvoor- spelbare krachten in de vakwerkconstruc- ties. Om dit effect te voorkomen, was door coördinerend constructeur ABT een monta- geplan voorgeschreven: door de stalen vak - werken in de bouwfase aan de bovenzijde vrij te houden van de betonkern, ontstaat een statisch bepaalde ligger die horizontaal wordt gesteund tegen de kern via de beton - vloer in de onderregel van het vakwerk. Nadat het gebouw op hoogte was en het grootste deel van de permanente belasting was aangebracht, kon de bovenregel van het vakwerkspant worden gekoppeld met de betonkern. Het grootste deel van de elastische kolomverkorting en de funderingszetting is dan immers opgetreden, dus kon geen in - klemming ten gevolge van de permanente belasting ontstaan. Het loshouden van de bovenregel van het vakwerkspant met de betonkern (knippen) heeft tot gevolg dat ook de massieve beton - vloer nog niet met de betonkern gekoppeld kon worden. Er moest daarom een stort- strook van ongeveer 1,0 m tussen volume Het kan zijn dat in de bouwfase cruciale constructieve onderdelen nog niet zijn aangebracht, waardoor de constructieve veiligheid op dat moment niet is gewaarborgd De bouw van Forum Groningen is niet zonder slag of stoot verlopen. In juni 2005 vond er onder de Groningers een referen- dum plaats met als inzet een conceptplan van de gemeente voor een ingrijpende ver- bouwing van de oostwand van de Grote Markt. Met een opkomst van 38,6% was de uitslag van dit referendum niet geldig en dus werden de plannen van de gemeente niet herzien. Een aantal grote architecten- bureaus ging aan de slag met de uitge- schreven prijsvraag en in 2007 mochten de stadsjers (bewoners van de stad Groningen) hun stem uitbrengen op één van de zeven ontwerpen voor het nieuwe Forum Gronin- gen. Het publiek en de vakjury kozen voor het ontwerp van NL Architects en de gemeenteraad schaarde zich later ook achter dit ontwerp. Uit de aanbesteding in 2012 kwam bouwer BAM als winnaar uit de bus waarna de bouw in september van dat jaar startte. Nadat de vijflaagse parkeer- kelder gereed was en BAM net was begon- nen met de twee betonkernen, werd er in februari 2015 een bouwstop afgekondigd door de gemeente Groningen. De 'groene versie' van NPR 9998 (praktijkrichtlijn voor veilige constructies bij aardbevingen) was net verschenen en de gemeente Groningen vroeg BAM en ABT om onderzoek te doen naar de aardbevingsbestendigheid van het gebouw. Na een aantal maanden rekenen en voorbereiden werd uit vier opties voor de versterkingsoptie gekozen, waarna in januari 2016 werd gestart met het slopen van de gerealiseerde delen van de beton- kernen en grote delen van de begane grondvloer. Vervolgens kon worden gestart met de bouw van het aardbevingsbesten- dige 'Forum 2.0'. In juni 2018 was de ruw- bouw gereed en in november 2019 werd het gebouw opgeleverd. Binnen de eerste week meldde de 100.000e bezoeker zich, waarmee Forum Groningen 'onwaarschijn- lijk goed' van start is gegaan, aldus de Forum-directeur. TIJDSPAD 4  Forum Groningen in vogelvlucht 4 CEMENT 2 2020 ?13 5 5 Een bouwfasestap in SCIA Engineer en betonkern worden vrijgelaten (fig. 2). Hierdoor konden er geen loodrecht op de vakwerkspanten werkende stabiliteitskrach- ten worden overgedragen naar de kern. Daarom zijn er in ieder volume tijdelijke sta - len windverbanden geplaatst om de volumes in de bouwfase te stabiliseren. De stabiliteits- kracht van het bovenste vloerdeel ging via de tijdelijke windverbanden naar het onderste vloerdeel en van daar via de massieve beton - vloer naar de stabiliserende kern. Bouwfaseanalyse Om de stabiliteitskrachten in de tijdelijke windverbanden goed te kunnen bepalen en de vervormingen in de bouwfase te analyse- ren, is gebruikgemaakt van de bouwfasemo- dule in SCIA Engineer. Hiermee kan een ge- bouw in stappen worden doorgerekend. In iedere stap komt er een constructie bij, gaat er een constructie weg of wordt er belasting toegevoegd. Zo valt voor iedere fase af te le- zen wat de krachten in de elementen zijn of wat de vervorming van een bepaald punt is in een bepaalde bouwfase. Ook kunnen tijde- lijke windverbanden worden toegevoegd of juist verwijderd uit het rekenmodel en wordt belasting die vanaf die fase optreedt wel of juist niet meer aan dat element toegekend. Onder de volumes zijn 'korte duur' verticale windverbanden aangebracht. Deze zijn in groen weergegeven in figuur 2 en hebben ook een groene markering gekregen in het BIM-model en op de bouwplaats. Deze groene schoren zijn verwijderd nadat de onderste vloer van een volume was gestort. Door scheefstand van de kolommen uit het vlak werden de stabiliteitskrachten opgeno- men door de onderste massieve betonvloer tussen volume en kern, en niet meer door het tijdelijke windverband. Hierdoor namen de gebouwvervormingen stapsgewijs toe tijdens het bouwen. Hiermee wordt een plot- selinge grote gebouwvervorming voorkomen, die zou zijn opgetreden als het tijdelijke windverband later zou worden verwijderd. In de volumes zijn 'lange duur' wind - verbanden aangebracht. Deze zijn in rood weergegeven in figuur 2 en hebben ook een rode markering gekregen in het BIM-model en op de bouwplaats. De rode schoren zijn verwijderd nadat de knippen waren ge- fixeerd en de stortstroken waren uitgehard. Zoals eerder vermeld, kon dit, in verband met de elastische verkorting van de kolom - men en de inklemming van het vakwerk- spant, pas worden gedaan nadat de dakvloer was gestort. Dit windverband verzorgde de stabiliteit van de bovenzijde van het volume in de bouwfase. Dit zogenoemde verkeerslichtmodel met groene en rode windverbanden, is AARDBEVINGSVEILIG BOUWEN Naast de omschreven bouwfaseana- lyse is bij Forum Groningen aandacht besteed aan het 'aardbevingsbesten- dig uitvoeren' van het gebouw. Als werkgever heeft BAM de plicht om een veilige werkomgeving voor zijn medewerkers te creëren. Aangezien er in Groningen een kans op een aard- beving is, moet hier dus ook rekening mee zijn gehouden op de bouwplaats. Zo is bijvoorbeeld de impact van een aardbeving op de torenkranen en de kraanfundering berekend. De kraan en de fundatie bleken over voldoende capaciteit te beschikken om een aardbeving te kunnen weerstaan. Als tweede voorbeeld is in de berekening van de gevelsteiger rekening gehou- den met aardbevingsbelasting. Er zijn extra steigerverankeringen en diago- nalen aangebracht om te zorgen dat de steiger aardbevingsbestendig was. Tot slot is van de bouwfaseanalyse naast het sterktemodel en het vervor- mingsmodel een aardbevingsmodel doorgerekend. Hierbij zijn extra hori- zontale belastingen op de constructie gezet. In een aantal gevallen bleken de verbindingskrachten maatgevend en zijn deze verbindingen door de leverancier getoetst. Op deze manier kon het gebouw, ook tijdens de bouw- fase, een aardbeving doorstaan. 14? CEMENT 2 2020 gekozen omdat de rode windverbanden beduidend langer moesten blijven zitten dan de groene windverbanden.Het rekenmodel is in 56 stappen door- gerekend (fig. 5). In figuur 6 is het tijdelijke hulpstaal in het rekenmodel weergegeven. De stappen bij het doorrekenen van één staalvolume zijn als volgt: 1?Montage van een staalvolume inclusief tijdelijke windverbanden onder het volume (groen, korte duur) en tijdelijke windverban - den in het volume (rood, lange duur). 2?Storten van de massieve betonvloer van de onderste vloer van het volume ten behoeve van de stabiliteit. 3?Na uitharding van de massieve betonvloer storten van de staalplaatbetonvloer van de onderste vloer van het volume. 4?Verwijderen van de korte duur tijdelijke windverbanden (groen) onder het volume. 5?Storten van de massieve betonvloer en de staalplaatbetonvloer van de bovenste vloer van het volume (de stortstrook langs de kern uitgezonderd). Rekenmodellen De bouwfaseberekening is in twee rekenmo- dellen doorgerekend: een sterktemodel en een vervormingsmodel. Bij het sterktemodel zijn belastingen conservatief ingeschat, de staven scharnierend verbonden en belas- tingfactoren toegepast. Verder is de staal - plaatbetonvloer slechts als belasting op de volumes ingevoerd, dus zonder stijfheid. In het vervormingsmodel zijn de daadwerkelijk optredende belastingen aangehouden, is knoopstijfheid van de verbindingen meege- nomen en werkt de staalplaatbetonvloer als schijf mee in het systeem. Door het maken van twee verschillende modellen kan ener- zijds de constructieve veiligheid in de bouw - fase geborgd worden (sterktemodel) en kan anderzijds de vervorming op een niet te conservatieve manier worden ingeschat (vervormingsmodel). Resultaten sterktemodel? Uit het sterkte- model zijn de krachten op de tijdelijke stabi - liteitsverbanden bepaald en aan de hand hiervan getoetst. Verder is een uitgebreide vergelijking van staafkrachten van de defini -tieve staven gemaakt tussen het rekenmodel van de coördinerend constructeur en de bouwfaseanalyse. De normaalkracht in een aantal staven bleek van teken te wisselen (trek/druk) en een aantal staven werd in de bouwfase zwaarder belast (fig. 7). Deze staven zijn getoetst op deze gewijzigde krachtswerking en bleken allen te voldoen. Ook zijn de verbindingen van deze staven beoordeeld door de deelconstructeur van de staalbouwer. Een aantal verbindingen moest zwaarder worden uitgevoerd. Uiteindelijk is het gebouw met voldoen - de weerstand tegen bezwijken gedurende 6 7 Om de volumes in de bouwfase te stabiliseren zijn er in ieder volume tijdelijke stalen windver­ banden geplaatst 6 Tijdelijk hulpstaal in het rekenmodel 7 Staven die in de bouwfase zwaarder werden belast dan in de uiterste grenstoestand in de gebruiksfase CEMENT 2 2020 ?15 de bouwfase gerealiseerd. Hiervoor was een detailleerde bouwfaseberekening, een uitge- breid werkplan en circa 50 ton hulpstaal nodig. Resultaten vervormingsmodel? Uit het ver- vormingsmodel zijn de gebouwvervormin - gen geanalyseerd. Door de ongelijke vervor- mingen tussen de volumes, kon de glazen elementengevel pas in een later stadium worden gerealiseerd. Dit in verband met de toelaatbare toleranties van de gevel. Aan de hand van het vervormingsmodel is een pas- sing- en tolerantieplan opgesteld. Een aantal elementen hebben een grotere montagetole- rantie gekregen en er is geanticipeerd op bepaalde berekende maatafwijkingen. Ook is een monitoringsplan opgesteld, waarin is omschreven welke controlepunten in welke fase moesten worden gemeten. Hiervan waren van tevoren de te verwachten afwij- kingen bepaald. Het eindresultaat is een gevel met een uiterst strak lijnenspel. De correcties in de bouw waren minimaal. Dit is het bewijs dat de diverse plannen en maatregelen hebben geleid tot een gecontroleerde uitvoering met minimale afwijkingen en maximale passing. Conclusie Forum Groningen Bij complexe projecten zoals het Forum Groningen zijn constructieve veiligheid en de bouwmethode onlosmakelijk met elkaar verbonden. Een goede samenwerking tus- sen uitvoerend bouwbedrijf en coördine- rend constructeur is een must. Bij Forum Groningen is door de aannemer bijvoor- beeld gebruikgemaakt van de SCIA Engineer rekenmodellen van de coördinerend con - structeur. Daarnaast zijn de door de aanne- mer vervaardigde bouwfaseberekeningen gecontroleerd door de coördinerend con - structeur. De uitgebreide analyse en de goede samenwerking hebben geleid tot een veilige uitvoering van het gebouw. Depot Boijmans van Beuningen Het Depot Boijmans van Beuningen is het eerste depot ter wereld dat toegang biedt tot een complete kunstcollectie. Het komvormige gebouw is 15.000 m² groot, telt 6 verdiepingen, is 40 m hoog en heeft een footprint met een diameter van 40 m die naar boven uitkraagt tot een diameter van 60 m. Constructieve opzet De eerste twee verdiepingen van het Depot bestaan volledig uit in het werk gestort beton: een dubbelgekromde betonschaal in de gevel, staalbetonkolommen in het gebouw en twee monoliet gestorte betonvloeren. De gevelwanden van de bovenbouw zijn pre- fab-betonelementen en de vloeren in dat deel zijn uitgevoerd als breedplaatvloeren. De staalconstructie op het dak voor het paviljoen maakt de constructie af. Figuur 9 toont een doorsnede uit het constructieve BIM-model. Dat gekozen is de eerste twee verdie- pingen volledig in het werk te storten, komt Door de constructie tussentijds te laten schrikken kon een vele malen lichtere hulpconstructie worden gemaakt 8 Depot Boijmans van Beuningen in aanbouw, mei 2019, foto: Hans Wilschut / BAM 8 16? CEMENT 2 2020 doordat hier de krommingen en de gevel- openingen, en daarmee de krachten in de gekromde wand, het grootst zijn. De spat- kracht vanuit de kromming wordt als trekkracht in de vloer geleid. Principe bouwmethodiek Door coördinerend constructeur IMd was voorgeschreven dat de schaalwand en de verdiepingsvloeren van de onderbouw tot en met de tweede verdiepingsvloer onder- stempeld moesten blijven, totdat deze ver- diepingsvloer was uitgehard. Dan werken ze pas samen zoals bedacht; de coördinerend constructeur had alleen de eindfase van deze twee bouwlagen berekend. Bouwfaseanalyse In tegenstelling tot de bouwfaseanalyse van Forum Groningen, is de bouwfaseanalyse bij het Depot ingezet voor de optimalisatie van de bouwmethodiek. Vanwege het uitkra- gende karakter van de wanden moesten een 500 mm dikke betonwand en twee 390 mm dikke betonvloeren tijdelijk worden onder- steund buiten het gebouw. Dit vroeg ener- zijds om zware ondersteuningsconstructies en anderzijds om een extra ringbalk met funderingspalen om de belasting uit de hulpconstructie op te kunnen nemen. Door BAM is een bouwfaseanalyse gemaakt waarbij de tijdelijke ondersteuning werd geschrokken nadat de eerste verdie- pingsvloer was uitgehard. Door de construc- tie tussentijds te laten schrikken, werd de belasting uit de bekisting en ondersteu - ningsconstructie gehaald en opgenomen door de constructie zelf. Hierdoor kon een vele malen lichtere hulpconstructie worden gemaakt. Voor de bouwfaseanalyse is een rekenmodel van de onderbouw opgesteld en zijn de diverse belastingen in verschillende combinaties ingevoerd. Vervolgens zijn onderdelen en belastingen uit de boven - MEER OVER HET DEPOT Meer over de constructie en de uit- voering van het Depot lezen? Zie de artikelenserie in Cement 2019/4 en Betoniek Vakblad 2018/3 en 2019/2. 9 Doorsnede constructiemodel Depot 9 CEMENT 2 2020 ?17 bouw toegevoegd, en zijn de optredende krachten en vervormingen geanalyseerd (fig. 11). Het verschil in de buigende momen- ten in de schaal tussen het in één keer laten schrikken of tussentijds laten schrikken bedroeg gemiddeld minder dan 2% en ook de vervormingsverschillen waren verwaar- loosbaar klein. Door deze optimalisatie kon de bekisting op prefab-betonplaten (Stelcon - platen) worden gefundeerd in plaats van een ringbalk op extra funderingspalen. Conclusie Depot Uit de bouwfaseanalyse kon de conclusie worden getrokken dat het tussentijds laten schrikken van de ondersteuning mogelijk was, waardoor de krachten op de ondersteu - ningsconstructie halveerden. Dit leverde een lichtere ondersteuningsconstructie op, die kon worden gefundeerd op prefab-betonpla - ten. Dit vertaalde zich uiteindelijk in een flinke kostenbesparing met toch een veilige uitvoering. Deze besparing heeft bijgedragen tot het winnen van de aanbesteding. Slotwoord Een goede constructeur is een constructeur die ook over de constructieve veiligheid in de bouwfase en de bouwmethodiek nadenkt. Pas dan kan voor de opdrachtgever een efficiënt gebouw worden ontworpen. Bij het voorbeeld van het Forum Gro- ningen was er een duidelijke filosofie voor- handen voor wat betreft het montageplan en de gestelde randvoorwaarden. Dit is door de aannemer verder opgepakt, geoptimaliseerd en uitgewerkt in een deugdelijk plan wat geresulteerd heeft in een veilige uitvoering. Bij het voorbeeld van het Depot waren de randvoorwaarden voor de gekozen bouw - methodiek scherp gesteld door de coördine- rend constructeur. Door de gedetailleerde bouwfaseanalyse kon deze methodiek wor- den geoptimaliseerd en kon aanzienlijk op de bouwkosten worden bespaard. Een goede construc teur is een construc teur die ook over de constructieve veiligheid in de bouwfase en de bouw methodiek nadenkt 10 Voortgang bouw Depot in januari 2020, foto: Rob Glastra Fotografie i.o.v. BAM 11 Doorgerekende stappen Depot 10 11 18? CEMENT 2 2020