themaBuis in buis verzorgt stabiliteit7201114themaBuis in buisverzorgt stabiliteit1Constructief ontwerp JuBiBuis in buis verzorgt stabiliteit 72011 15De nieuwbouw aan de Turfmarkt in Den Haag bestaat uit tweetorens met een hoogte van ruim 146 m en een laagbouw tot eenhoogte van 41 m. Deze laagbouw verbindt beide torens functi-oneel met elkaar. In een eerder Cement-artikel is ingegaan opde ontwerpoverwegingen die hebben geleid tot de keuze voorhet constructief ontwerp [1]. In dit artikel wordt nader inge-gaan op het ontwerp van het gekozen constructiesysteem endan vooral de kernen en de gevelbuis.Stabiliteit en vloerenBeide torens zijn gedilateerd van de laagbouw en ontlenen hunstabiliteit aan een zogenoemde buis-in-buis-constructie. Debinnenbuis wordt gevormd door de kernen en de buitenbuis doorde gevel. De samenwerking tussen deze stabiliteitssystemen wordtverzorgd door vloeren met overspanningen tot 11 m. Een afwe-ging van de eisen vanuit het klimaatconcept, de grote overspan-ningen en de schuine hoeken in de plattegronden hebben geleidtot de keuze voor een vloersysteem met een prefab onderschil, diein het werk wordt afgestort. Door gewichtsbesparende elemententoe te passen neemt het betonvolume van de vloeren af met 20 tot30% en wordt bespaard op de hoofddraagconstructie en de paal-fundering. In het bestek zijn zowel de breedplaatvloer met poly-styreen stroken als de bollenplaatvloer als mogelijk vloersysteemuitgewerkt. Uiteindelijk heeft de bouwcombinatie gekozen voorde laatste oplossing. Het voordeel van een in twee richtingendragend systeem is hierbij afgewogen tegen de ge?ntegreerdestalen balken die nodig waren voor de breedplaatvloer die in ??nrichting zijn belasting afdraagt.De discontinu?teiten in de kernen en de gevels hebben grotekrachtsconcentraties in de stabiliteitsconstructie tot gevolg. In degevels zijn dit de setbacks die de beide torens vanaf de 23e verdie-ping verjongen en lager, onder de 10e verdieping, de overgangnaar de plintbebouwing. Hier wordt de gevel ondersteund dooreen raamwerk van kolommen en balken (fig. 2). De grootsteafwijking in de kernen is de verjonging vanaf de 27e verdieping(fig. 11). Het verjongen van de kernen is een logisch gevolg vanhet eindpunt van de low-rise liften en een aantal leidingschach-ten. Verder is met de terugspringende gevels vanaf de 23e verdie-ping een verkleining van de kern noodzakelijk om een goedeverhouding tussen netto en bruto vloeroppervlakte te realiseren.ModelleringOm goed inzicht te krijgen in de interactie tussen kernen engevels is gebruikgemaakt van driedimensionale rekenmodellen.Gezien de omvang van de modellen zijn deze alleen werkbaarwanneer ze lineair elastisch worden doorgerekend. Er zijnstudies uitgevoerd van belangrijke onderdelen van de construc-tie met fysisch niet-lineaire berekeningen. De hieruit gevondenrelaties tussen belastingen en vervormingen zijn vertaald naarelasticiteitsmoduli voor het lineaire model.Uit analyses die vervolgens met de rekenmodellen zijn uitge-voerd volgde dat in de gevelbuis lokaal zeer hoge krachtenoptreden. Om de resultaten te kunnen valideren is een gevoe-ligheidsanalyse uitgevoerd. Er is onderzocht in hoeverre afwij-kingen van de eerder bepaalde stijfheden de krachtswerkingbe?nvloeden. De elasticiteitsmoduli van kern, gevel en de veer-Voor het ontwerp van de constructie van de nieuwbouw voor JuBi stond inte-gratie met andere disciplines centraal. Zo zijn installaties opgenomen in devloer en wordt voor het binnenklimaat gebruikgemaakt van de vloermassa.Voor het ontwerp van de gevel ? waaraan het gebouw haar stabiliteit vooreen groot deel ontleent ? is intensief samengewerkt met de architect.ir. Arnold Robbemont ROZonneveld Ingenieurs1 Constructie in aanbouw met de kernen ende gevelbuis van beide torens. Rechtsvoorde laagbouw. In de kopgevel van de torenrechts is de overgang van kolommenstruc-tuur in de laagbouw naar de gevelbuisgoed te zien. Ook de verzwaarde hoekko-lommen zijn goed zichtbaar2 3D-modellering Zuidtoren (links) met desetback in de gevel op 23e verdieping enovergang naar kolommenstructuur onderde 10e verdieping. Rechts is de plint wegge-laten2themaBuis in buis verzorgt stabiliteit72011163 Reacties onder de gevel vande Noordtoren onder wind-belasting. De dwarskracht-vervorming in de gevelbuisresulteert in verhoogde pie-ken op de hoeken4 Dwarskrachten in lateienin de zuidwest gevel vande Zuidtoren. De verticalebelasting wordt naar dehoeken afgedragen doorde gevelbuis5 Overdracht van vertikalebelasting uit de gevel terplekke van de setback. Dehorizontale componentenworden naar het stabiliteit-systeem afgedragen doorvloerschijven.meer palen onder het gebouw komen. De verhoogde stijfheidop de hoeken leidt er tegelijkertijd ook toe dat hier meer verti-cale belasting naar toe wordt getrokken.In figuur 4 zijn schematisch de dwarskrachten in de lateien vande zuidwestgevel van de Zuidtoren weergegeven. Hierin is hethierboven beschreven fenomeen terug te zien in de toene-mende dwarskracht vanuit het midden naar de hoekpunten.Dit effect wordt nog versterkt doordat ten gevolge van disconti-nu?teiten in het systeem lokaal de krachtsconcentraties nogverder oplopen. Voor de gevel in figuur 4 zijn dit de overgangnaar de kolommenstructuur onder de 10e verdieping en desetback op de 23e verdieping.In het laatste geval springt de dragende gevel ruim 2,5 m terug.De belasting uit de hogere gevel wordt door middel vanschuine inpandige kolommen over drie lagen overgedragenconstante van de palen zijn gevarieerd, waarbij steeds deinvloed op de snedekrachten in de cruciale onderdelen isbepaald. Zelfs wanneer extreme foutmarges in de stijfhedenworden doorgerekend blijkt de invloed op de totale krachts-werking beperkt. Wanneer bijvoorbeeld de elasticiteitsmodulusvan de kernen 25% lager wordt gekozen en de stijfheid van degevel 25% hoger, nemen de snedekrachten in de zwaarst belastegevellatei slechts met 16% toe. De reden hiervoor is dat dekrachtswerking in de gevelbuis niet wordt gedomineerd doorde afdracht van windbelasting, maar door de afdracht vanverticale belasting.Krachten gevelbuisIn figuur 3 zijn de reacties onder de gevel weergegeven vooreen maatgevende windsituatie op de Noordtoren. Het verloopvan de krachten uit de gevel is kenmerkend voor een gevelbuis.Door de dwarskrachtvervorming van de lateien en penantennemen de reacties in het midden van de gevel af en lopen dezeop naar de hoeken. Dit fenomeen staat wel bekend als het`shear lag' effect. Een logisch gevolg is dat er op de hoekpunten310e23elateikrachten rekenwaarde (ugt)dwarskracht (kN) 0 300046 Prefab elementen zijn inverband geplaatst engekoppeld met lasplatenBuis in buis verzorgt stabiliteit 72011 17980350225575110345290345as70350element d=350dragend prefab gevel-715208054652012302012709520735+vl.535-vl.bk. ruwe vloer70-vl.70350715208054652012302012709520735+vl.535-vl.bk. ruwe vloer70-vl.asvloerafwerking 70mmbreedplaatborstwering350element d=350dragend prefab gevel-wapeningL120x120x..kolom hoh 270057535403540bk. ruwe vloerbk. ruwe vloerbk. ruwe vloer145386 5386203520203520785204651720980 85314853vloerdikte standaard 350mm110prefab elementen d=350asas 2700 2700 2700 2700verdiepingshoogte3540670wanddikte 350mmgevel: natuursteen of baksteen op buitenblad1102402x ingestorte UNP320met opgelaste staven ?25(3 per UNP)lasplaat 100x350x15detail lasplaatwand d=350binnen en buiten670voorbuitenbladzietek.b-65,b-66verdiepingshoogte3540Principe prefab binnenblad d=350 Verdiepingshoogte 3540mm.kelijk maken. De beoogde bouwsnelheid van de gevels doortoepassing van prefab beton zou hierdoor teniet wordengedaan.Aansluiting vloer-gevelIn de relatief dunne betongevels blijven de penanten onderdruk waardoor deze een hoge stijfheid hebben. Een gevolghiervan is dat de vloeren, wanneer zij momentvast wordenaangesloten op de gevel, grote momenten in de zwakke richtingvan de gevelpenanten introduceren. Besteksmatig was voorzienin een scharnierende oplegging van de vloeren op een hoeklijn.Na de aanbesteding is samen met de aannemer gezocht naareen alternatief. Een aangestorte aansluiting over de volle hoogtevan de vloer zou zelfs bij het scheurmoment van de vloer (350mm dik C35/45) al tot te grote buigende momenten in de gevelleiden. Uiteindelijk is gekozen voor het verjongen van de vloerter plekke van de oplegging. Praktisch is dit uitgevoerd doorhet plakken van een folie op de gevelelementen over de boven-ste 10 cm van de vloer (fig. 9). In de resterende 250 mm is dewapening zo ontworpen dat voldoende vervormingscapaciteitaanwezig is en de dwarskracht uit de vloer kan worden overge-dragen. Deze verbinding heeft incasseringsvermogen envoldoet zonder verdere voorzieningen aan de gestelde brand-werendheidseis van 120 minuten.Nadat alle krachten op de gevels waren bepaald bleek op ??nhoekaansluiting boven ??n van de setbacks alsnog dat de optre-dende snedekrachten niet opneembaar waren. Aanpassing vande gevel door het verbreden van de penanten of verhogen vande lateien was vanuit architectonisch oogpunt niet acceptabel.Het lokaal verdikken van de gevel zou alleen naar binnenkunnen. Een sprong in het binnenblad is voor de gewensteflexibele indeelbaarheid van de verdiepingen ongewenst.naar buiten (fig. 5). De hieruit volgende horizontale krachtenworden door de vloerschijven overgedragen naar de gevelbuisen de kernen. Op de verdiepingen waar de horizontaalkrachtenop de vloeren werken zijn deze uitgevoerd in massief beton meteen dikte van 350 mm met zware trekbanden en schijfwape-ning.Het systeem van schuine kolommen en vloerschijven zou resul-teren in een verticale vervorming die de bovengelegen gevelmaar ten dele ondergaat. De gevelbuis gaat als wandliggerwerken en draagt een deel van de verticale belasting af naar destijve hoeken van het gebouw.Uiteindelijk is gekozen voor een dikte van de gevelelementenvoor de low-rise van 350 mm en voor de high-rise (boven desetback) van 250 mm. Boven de kolommen op de 10e verdie-ping treedt een zelfde effect op als boven de setback. De gevel-buis wordt ter hoogte van de plint ondersteund door kolom-men met een relatief geringe axiale stijfheid. Ook hier wordtverticale belasting door de bovenliggende gevel naar de hoekenafgedragen. De krachten in de gevel zijn hier dusdanig hoogdat de eerste twee lagen zijn uitgevoerd in ter plaatse gestortbeton C53/65. Hierboven bestaat de gevel uit prefab betonnenelementen met dezelfde betonsterkteklasse.In het algemeen zijn de gevels tot en met de 4e verdieping inhet werk gestort en daarboven uitgevoerd in prefab beton.Uitzondering hierop zijn de overgangen van de laagbouw naarde torens, waarboven steeds twee verdiepingen van het binnen-blad in het werk zijn gestort. De gevelelementen zijn in verbandverplaatst (fig. 6). De knip van de elementen is in het middenvan het raam gekozen waar alleen dwarskracht wordt overge-dragen door de lasplaten. Bouwkundig is dit door plaatsingsto-leranties geen optimale elementverdeling. Elke andere verde-ling zou het toepassen van omvangrijke natte knopen noodza-overdracht trek naarde vloerschijfoverdracht druk naarde vloerschijf65Buis in buis verzorgt stabiliteit7201118themastortzijdekistzijdeonderspuitenmetTixotropemortelbollenplaatvloervloerafwerkingtempexomwikkeling metdensobandRipinox RVS wapeningmet schroefdraad7 Aansluiting vloer-gevel met folie8, 9 Horizontale knip in de gevel. Devloer is plaatselijk alleen horizon-taal gekoppeld aan de gevel.10 Het inklemmingsmoment van devloer op de gevel wordt geredu-ceerd door het aansluitvlak te ver-kleinen11 De high-rise geprojecteert op delow-rise. Naast de gevels verjon-gen ook de kernen12 Verdeling dwarskracht en momen-ten uit de windbelasting over dekern en de gevels. In de onderstelagen trekt de kern meer dwars-kracht naar zich toe. Op 109mtreedt een herverdeling op doorde setback van de gevel789Uiteindelijk is ervoor gekozen hier een verticale knip in degevel aan te brengen, waardoor de afdracht van verticale belas-ting door de gevel naar de hoekpunten wordt onderbroken. Infiguur 4 is dit zichtbaar: boven de setback zijn de lateien dieaansluiten op de hoekkolom laag belast. Om te voorkomen datde vloer hier als een dwarskrachtdeuvel gaat werken en alsnogde gevel verticaal koppelt aan de haaks aansluitende gevel is devloer hier over een aantal meters vrijgehouden van de gevel. Degevel is gekoppeld aan de vloer met ankers die geen verticalebelasting overdragen (fig. 8, 9).Interactie kern-gevelIn figuur 12 is een verdeling van de horizontale windbelastingover kern en gevel weergegeven. Door het verschil in vervor-minggedrag van de gevelbuis (afschuifligger) en de kern (buig-ligger) wordt dwarskracht van het ene naar het andere systeemovergedragen over de hoogte van het gebouw. Hoger in hetgebouw bevindt het grootste deel van de dwarskracht zich in degevelbuis. Over de onderste verdieping wordt een groot deelvan de dwarskracht overgedragen naar de kern oplopend totruim 40% van de totale dwarskracht. De sterke afname van dedwarskracht uit de kern over de onderste 8 m wordt veroor-zaakt doordat de gevelbuis in de kelder overgaat in massiefgesloten wanden.Een nadeel van het koppelen van de beide stabiliteitsystemen isdat er hoge schuifkrachten door de vloer tussen kern en gevelmoeten worden overgedragen. Omdat de gevelbuis uiteindelijkmeer dan 70% van het windmoment afdraagt is in hetontwerpstadium onderzocht in hoeverre deze gevelbuis alleenin de stabiliteit en stijfheid zou kunnen voorzien. Dit bleek niethaalbaar. Over de onderste lagen wordt de gevelbuis te veelverzwakt door de aansluiting op de plintgebouwen. Daarnaastis de kern noodzakelijk om de hoge dwarskrachten in het stabi-Buis in buis verzorgt stabiliteit 72011 19stortzijdekistzijdegevelelementdragend prefabfolieonderspuitenmetTixotropemortelbollenplaatvloervloerafwerkingstortzijdekistzijdeonderspuitenmetTixotropemortelbollenplaatvloervloerafwerkingtempexomwikkeling metdensobandRipinox RVS wapeningmet schroefdraadTot slotHet toepassen van twee gekoppelde stabiliteitsystemen in ??ngebouw is voor de engineering niet de meest eenvoudige keuze.De detaillering van beide systemen en de verbindende vloer,die door verschillende partijen is uitgewerkt, heeft de nodigeafstemmingsperikelen en hoofdbrekens met zich meegebracht.Hier staat tegenover dat met economisch materiaalgebruik inrelatief dunne kernwanden en dragende gevels een gebouwwordt gerealiseerd met een groot incasseringsvermogen. liteitsysteem ter plekke van de setbacks op te vangen. In demaatgevende situatie is dit een horizontaalkracht van 14000 kNuit 11 schuine kolommen. Over de hoogte van drie verdiepin-gen waarin deze dwarskracht optreedt, reageert de kern veelstijver dan het raamwerk in de gevel en neemt hier dan ookvrijwel de gehele dwarskracht voor zijn rekening.Zoals eerder beschreven verjongt de kern vanaf de 27e verdie-ping. Hierbij eindigt niet alleen een aantal wanden, maarverspringt ook een aantal trappenhuizen en schachten (fig. 11).Tussen de 25e en 27e verdieping lopen zowel de wanden van delow-risekern, met een dikte van 350 mm, als die van de high-rise kern, met een dikte van 250 mm, door. De wanden zijnhier verweven over twee verdiepingen om zo de verticale belas-ting over te dragen.Tweede draagwegVoor het verkrijgen van een tweede draagweg voor de inpandigverticaal dragende delen zijn in overeenstemming metNEN-EN 1991-1-7 verticale en horizontale trekbanden opge-nomen. Met het rekenmodel van de gevelbuis is een analyseuitgevoerd waarbij op verschillende plekken de meest crucialeelementen zijn weggelaten uit het model. Door de toepassingvan gereduceerde belasting- en materiaalfactoren bleek dat ergeen aanvullende voorzieningen nodig waren om de krachtenrondom de weggelaten elementen te leiden.10 1112moment wind x ESA dwarskracht wind x ESA LiteRAtuuR1 Linde, F. van der, Torens in binnen-stad verankerd. Cement 2011/1.