In het kader van een meesterproef voor opleiding Betonconstructeur PMSE is een alternatief constructief ontwerp gemaakt voor de dienst Sociale Zaken en Werk (SOZAWE) in Groningen. In de gekozen constructievorm is vooral gekeken naar een optimalisatie van de momenten en een snelle belastbaarheid van de constructie. Auteur: ing. Arne Middeldorp (ABT) ENCI Studieprijs 2013Dit is het tweede artikel in een serie met bijdragen van prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2013. De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontving de eerste prijs in de categorie Professional Masteropleidingen. Voor abonnees van Cement is dit afstudeerrapport ook beschikbaar gesteld.
Alternatief ontwerp SOZAWE20142Alternatiefontwerp SOZAWEIn het kader van een meesterproef voor opleiding Betonconstructeur PMSEis een alternatief constructief ontwerp gemaakt voor de dienst SocialeZaken en Werk (SOZAWE) in Groningen. In de gekozen constructievorm isvooral gekeken naar een optimalisatie van de momenten en een snellebelastbaarheid van de constructie.1Afstudeeronderzoek optimale boogconstructie en effici?nte verbindingAlternatief ontwerp SOZAWE 2014 3dakverdieping5e verdieping4e verdieping3e verdieping2e verdieping1e verdiepingbegane grondDe basis voor het constructieve ontwerp van SOZAWE is hetniet-prijswinnende architectonische ontwerp van Frits vanDongen. Dit ontwerp kent een gebogen (parabolische) vormmet een transparant karakter (fig. 1). Het gebouw heeft eentweelaagse ondergrondse parkeergarage en zes bovengrondsebouwlagen. In het gebouw is een grote vide aanwezig. Eenuitdaging vormt de opvang van de verdiepingsvloeren in demiddenzone.Op basis van diverse ontwerpberekeningen is gekozen voor eenvariant met twee bogen: een binnen- en een buitenboog (fig. 2).De boogvorm heeft een natuurlijke aantrekkingskracht opconstructeurs. De afstudeeropdracht heeft zich toegespitst ophet ontwerpen en optimaliseren van de boogconstructie. Devraag bij een dergelijk ontwerp is hoe er maximaal kan wordengebruikgemaakt van deze constructief zo gunstige vorm.Zodanig dat dit leidt tot een minimum aan materiaalgebruik entot ontwerpoptimalisatie.Cirkel of paraboolAl in een vroeg stadium is ervoor gekozen de boogelementenop te bouwen met prefab-betonelementen. Voor het mechani-caschema is gekozen voor een tweescharnierboog met een trek-band in de beganegrondvloer. Ten opzichte van een drieschar-nierboog heeft dit schema het voordeel van kleinere buigendemomenten.In de gekozen variant is veel vrije ruimte op de verdiepings-vloeren omdat er weinig kolommen aanwezig zijn. Bovendiengrijpen de lasten uit de verdiepingsvloeren op een gunstigeplaats aan op de boog en biedt de variant de mogelijkheid beidebogen constructief te laten samenwerken door koppeling metde verdiepingsvloeren.Voor een boog geldt dat de krachtsverdeling afhankelijk is vande precieze vorm ofwel de wiskundige vergelijking van deboog. Anders gezegd: bij hetzelfde belastingsgeval volgt voorelke wiskundige vergelijking een afwijkende krachtsverdeling.Daarom is onderzocht welke wiskundige vorm de kleinstebuigende momenten oplevert: een cirkelvorm of parabool.Met behulp van een stangenveelhoek is direct te zien dat debuigende momenten als gevolg van de lasten uit de verdie-pingsvloeren in een parabolische boog groter zijn dan die ineen cirkelboog (fig. 3). Als gevolg van het eigen gewicht (q-lastlangs de boog) treden in een parabolische boog (theoretisch)ing. Arne Middeldorp1)ABT1 Het niet-prijswinnende architectonische ontwerp vormde de basis voor de studie2 De constructie bestaat uit twee bogen3 Een stangenveelhoek laat zien dat de buigende momenten als gevolg van delasten uit de verdiepingsvloeren in een parabolische boog groter zijn dan die ineen cirkelboog1) Arne Middeldorp heeft met zijn afstudeeronderzoek `Een constructief ontwerp voorhet ministerie van Sociale Zaken en Werkgelegenheid in Groningen' de opleidingBetonconstructeur PMSE van de Betonvereniging afgerond. Hij heeft zijn onderzoekverricht bij zijn werkgever ABT.ENCI Studieprijs 2013Dit is het tweede artikel in een serie met bijdra-gen van prijswinnaars van de ENCI Studieprijs2013. De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontvingde eerste prijs Professional Masteropleidingen. Zie ookwww.cementonline.nl/encistudieprijs. Daar is ook het afstudeer-rapport te raadplegen.23Alternatief ontwerp SOZAWE201444, 5 Momentenlijn zonder (4) en met (5) koppeling van de bogen6 Rekenmodel in Scia Engineerde constructie (stabiliteitsverband en doorsnede boog) iszodanig aangepast dat de kniklasten van de ruimtelijke boog-constructie in beide richtingen even groot zijn.Aan de constructie zijn twee trekstangen toegevoegd die devervormingen en daarmee de optredende tweede-orde-effectenreduceren.Verbinding prefab elementenDe onderlinge verbinding van de prefab-betonelementen is eenessentieel onderdeel van het ontwerp. Deze verbinding moetmomentvast worden uitgevoerd.Er is gezocht naar een oplossing waarbij de verbinding bij hetopbouwen van de boogconstructie direct is te belasten. Om diereden is een oplossing met gaines en stekken afgevallen.Gekozen is voor een verbinding via een stalen plaat die in deprefab elementen is ingestort. Aan deze plaat worden wape-ningsstaven gelast die in het betonelement steken. Op de plaatworden tevens moeren gelast die, samen met later aangebrachtebouten, dienen om de verbinding te maken met het volgendejuist geen momenten op, in tegenstelling tot een cirkelvormigeboog. Maar door de twee cirkelbogen onderling te koppelen,worden juist die buigende momenten ten gevolge van het eigengewicht sterk gereduceerd. Daarom is uiteindelijk de keuzegevallen op de cirkelboog. Hierbij gold ook het feit dat eencirkelboog voordelen biedt bij de productie van de prefabelementen aangezien er minder bekistingsmallen nodig zijn.KnikVoor bogen is een knik een belangrijk ontwerpfacet. Metbehulp van ontwerpformules is een eerste inschatting gemaaktvan de benodigde afmetingen. Daarna is met behulp van deeindige-elementenmethode in Scia Engineer de knikbelastingbepaald. Eerst is de knikbelasting in het vlak van de niet-gekoppelde boog bekeken. Hierdoor is een goede vergelijkingmogelijk met de theoretische knikvorm met bijbehorendekniklast. Daarna is de knikbelasting van de gekoppelde bogenbepaald.In de dwarsrichting worden de bogen ten behoeve van de stabi-liteit gekoppeld door een stalen windverband. De stijfheid van456Alternatief ontwerp SOZAWE 2014 52x Macalloy voor spanstaven ?40(niet voorgespannen)HE340B4x DEMU M20-40107 Vergelijkbare oplossing voor koppelen vanligger in een ander project8 Detail koppeling prefab-betonelementen9 Detail oplegging boogmaatafwijkingen in de fabricage op te vangen. Tevens biedt hetgoede bevestigingsmogelijkheden voor verdiepingsvloeren. Inde praktijk moet het stalen tussenstuk worden beschermdtegen brand. Door dit element over te dimensioneren, kanlastige bekleding of brandwerende verf achterwege blijven.De verbinding kan momenten overdragen in beide richtingen.In het onderzoek is de verbinding ontworpen op een momentvan 2200 kNm.Met deze oplossing kan de boogconstructie effici?nt wordenopgebouwd zonder ingewikkelde ondersteuningsconstructies.Detaillering beganegrondvloerDe boog draagt de verticale belasting af op de kelderconstructiedie is opgebouwd uit prefab-betonkolommen, prefab-betonbal-element (foto 7, fig. 8). De moeren worden in de stortfase in defabriek afgedekt door een dop, zodat er geen cementwater kaninlopen. De afstand tussen de aangelaste wapeningsstaven ende moeren is gering zodat geen grote buigende momentenoptreden in de stalen plaat.Tussen twee prefab elementen wordt een stalen tussenstukaangebracht. Dit tussenstuk biedt de mogelijkheid eventuele879Alternatief ontwerp SOZAWE20146fase 1: opbouwen binnenboog fase 5: opbouw buitenboogfase 2: sluiten binnenboog fase 6: opbouw buitenboogfase 3: aanbrengen trekstang fase 7: opbouw buitenboogfase 4: opbouw buitenboog fase 8: eindfasetrekband:stalen ligger HE340Bstortstrook tpv trekband10 Detail trekband11 Opbouw boogken en kanaalplaatvloeren. Het onderste deel van de boogbestaat uit een stalen schoen. Deze rust op een stalen plaataangebracht in een inkassing in de prefab-betonbalken (fig. 9).Deze balken rusten op hun beurt op de kolommen.De horizontaalkracht uit de boogconstructie (maximaal1800 kN) wordt via het beton overgebracht naar de trekband.De trekband is opgebouwd uit een ge?ntegreerd staalprofiel(HE340B, fig. 10).UitvoeringBij de uitvoering is het belangrijk dat de gewenste krachtswer-king in de eindfase ook daadwerkelijk wordt gerealiseerd. Omdit te bereiken, wordt eerst de binnenste boog opgebouwd envervolgens de buitenste boog in fasen (fig. 11). De prefabelementen steunen tegen de binnenste boog aan. Doordat hetbovenste deel van de boog geen verticale ondersteuning heeft,ontstaat door momentwerking op natuurlijke wijze de gewenstekrachtswerking in de eindfase.Resultaten ontwerpDe buitenste boog heeft een overspanning van 52 m, debinnenste boog een van 28 m. De prefab elementen hebben eendoorsnede van 550 ? 1500 mm2(b ? h) en worden uitgevoerdin C53/65. De verdiepingsvloeren zijn opgebouwd uit stalenliggers met staalplaatbetonvloeren aan elkaar gekoppeld viadeuvels.ConclusiesDe wijze waarop prefab-betonelementen worden verbonden iseen methode die goed bruikbaar is in de praktijk en maakt hetmogelijk boogconstructies op een relatief eenvoudige wijze uitte voeren. De capaciteit van de verbinding kan naar wensworden aangepast. Het stalen tussenstuk kan vooraf op maatworden gemaakt, zodat er geen passingsproblemen ontstaan inde uitvoering.Het onderzoek toont aan dat een `droge' verbinding van prefab-betonelementen goed mogelijk is en voordelen biedt tenopzichte van een traditionele verbinding met gaines en giet-mortel. Dit vooral omdat de verbinding direct na montagewordt belast en momenten moet overgedragen. De verbindingkan ook in eenvoudigere vorm worden toegepast waardoor eenverruiming van de mogelijkheden voor prefab zich aandient.Daar waar momentcapaciteit niet noodzakelijk is, kan wordengekozen voor de (goedkopere) verbinding van stekken engaines. 1011
Reacties