Log in
inloggen bij Cement
Hulp bij wachtwoord
Geen account?
shop word lid
Home / Alle kennis / Artikelen

Veilige uitvoering dankzij bouwfaseanalyse

Belang constructieve veiligheid in de bouwfase toegelicht aan de hand van Forum Groningen en Depot Boijmans van Beuningen Joris Hesselink - 18 maart 2020

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.

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.

Het kan zijn dat in de bouwfase cruciale constructieve onderdelen nog niet zijn aangebracht, waardoor de constructieve veiligheid op dat moment niet is gewaarborgd

Juist de risico’s tijdens de bouw worden vaak onvoldoende beschouwd. De coördinerend constructeur berekent het gebouw immers voor de gebruiksfase: de periode van oplevering tot sloop. Daarbij wordt in veel gevallen gebruikgemaakt van 3D-rekensoftware. Hierin wordt een compleet gebouw gemodelleerd waarna ‘de zwaartekracht wordt aangezet’; het project wordt in zijn eindtoestand doorgerekend. Echter, in de bouwfase worden elementen stap voor stap aangebracht, gestort of gemonteerd. Het totale gebouw met al zijn constructieve onderdelen is dus niet in één keer gereed waarna vervolgens de belastingen optreden. Het kan zijn dat in de bouwfase cruciale constructieve onderdelen zoals windverbanden, stabiliserende betonvloeren of verbindingen nog niet zijn aangebracht, waardoor de constructieve veiligheid 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 Groningen en Depot Boijmans van Beuningen.

Forum Groningen

Vlak naast de Martinitoren staat het in november 2019 opgeleverde Forum Groningen. Een 35.000 m2 groot openbaar bijeenkomstgebouw dat als ontmoetingsplaats voor de Groningers moet dienen. Er zijn onder andere een bibliotheek, auditorium, museum, filmzalen en een aantal culturele instellingen in ondergebracht. Het gebouw kenmerkt zich door de afgeschuinde gevels die afwisselend voorover- en achterover hellen (foto 1 en 2).

Constructieve opzet

De constructie van het Forum bestaat uit twee grote betonnen stabiliteitskernen aan de oost- en westzijde van het gebouw (fig. 2). 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 horizontaalkrachten af te dragen. De volumes zijn verder voorzien van staalplaatbetonvloeren. 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. 3). Hier heeft de constructeur voor gekozen, zodat de stabiliteitskracht 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. 3). Omdat de steunpunten zich als verende ondersteuningen 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 de inklemmende werking grote en onvoorspelbare krachten in de vakwerkconstructies. Om dit effect te voorkomen, was door coördinerend constructeur ABT een montageplan voorgeschreven: door de stalen vakwerken 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 betonvloer 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 inklemming 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 betonvloer nog niet met de betonkern gekoppeld kon worden. Er moest daarom een stortstrook van ongeveer 1,0 m tussen volume en betonkern worden vrijgelaten (fig. 4). Hierdoor konden er geen loodrecht op de vakwerkspanten werkende stabiliteitskrachten worden overgedragen naar de kern. Daarom zijn er in ieder volume tijdelijke stalen windverbanden geplaatst om de volumes in de bouwfase te stabiliseren. De stabiliteitskracht van het bovenste vloerdeel ging via de tijdelijke windverbanden naar het onderste vloerdeel en van daar via de massieve betonvloer naar de stabiliserende kern.

Om de volumes in de bouwfase te stabiliseren zijn er in ieder volume tijdelijke stalen windverbanden geplaatst

Bouwfaseanalyse

Om de stabiliteitskrachten in de tijdelijke windverbanden goed te kunnen bepalen en de vervormingen in de bouwfase te analyseren, is gebruikgemaakt van de bouwfasemodule in SCIA Engineer. Hiermee kan een gebouw 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 lezen wat de krachten in de elementen zijn of wat de vervorming van een bepaald punt is in een bepaalde bouwfase. Ook kunnen tijdelijke 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 3 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 opgenomen 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 plotselinge grote gebouwvervorming voorkomen, die zou zijn opgetreden als het tijdelijke windverband later zou worden verwijderd.
In de volumes zijn ‘lange duur’ windverbanden aangebracht. Deze zijn in rood weergegeven in figuur 4 en hebben ook een rode markering gekregen in het BIM-model en op de bouwplaats. De rode schoren zijn verwijderd nadat de knippen waren gefixeerd en de stortstroken waren uitgehard. Zoals eerder vermeld, kon dit, in verband met de elastische verkorting van de kolommen en de inklemming van het vakwerkspant, 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 gekozen omdat de rode windverbanden beduidend langer moesten blijven zitten dan de groene windverbanden.
Het rekenmodel is in 56 stappen doorgerekend (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 windverbanden 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 rekenmodellen doorgerekend: een sterktemodel en een vervormingsmodel. Bij het sterktemodel zijn belastingen conservatief ingeschat, de staven scharnierend verbonden en belastingfactoren toegepast. Verder is de staalplaatbetonvloer slechts als belasting op de volumes ingevoerd, dus zonder stijfheid. In het vervormingsmodel zijn de daadwerkelijk optredende belastingen aangehouden, is knoopstijfheid van de verbindingen meegenomen en werkt de staalplaatbetonvloer als schijf mee in het systeem. Door het maken van twee verschillende modellen kan enerzijds de constructieve veiligheid in de bouwfase geborgd worden (sterktemodel) en kan anderzijds de vervorming op een niet te conservatieve manier worden ingeschat (vervormingsmodel).

Resultaten sterktemodel

Uit het sterktemodel zijn de krachten op de tijdelijke stabiliteitsverbanden bepaald en aan de hand hiervan getoetst. Verder is een uitgebreide vergelijking van staafkrachten van de definitieve 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 voldoende weerstand tegen bezwijken gedurende de bouwfase gerealiseerd. Hiervoor was een detailleerde bouwfaseberekening, een uitgebreid werkplan en circa 50 ton hulpstaal nodig.

Resultaten vervormingsmodel

Uit het vervormingsmodel zijn de gebouwvervormingen geanalyseerd. Door de ongelijke vervormingen 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 passing- en tolerantieplan opgesteld. Een aantal elementen hebben een grotere montagetolerantie 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 afwijkingen 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 Forum Groningen zijn constructieve veiligheid en de bouwmethode onlosmakelijk met elkaar verbonden. Een goede samenwerking tussen uitvoerend bouwbedrijf en coördinerend constructeur is een must. Bij Forum Groningen is door de aannemer bijvoorbeeld gebruikgemaakt van de SCIA Engineer rekenmodellen van de coördinerend constructeur. Daarnaast zijn de door de aannemer vervaardigde bouwfaseberekeningen gecontroleerd door de coördinerend constructeur. De uitgebreide analyse en de goede samenwerking hebben geleid tot een veilige uitvoering van het gebouw.

Meer over Forum Groningen

Meer over 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.

Tijdspad

De bouw van Forum Groningen is niet zonder slag of stoot verlopen. In juni 2005 vond er onder de Groningers een referendum plaats met als inzet een conceptplan van de gemeente voor een ingrijpende verbouwing 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 architectenbureaus ging aan de slag met de uitgeschreven 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 Groningen. 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 parkeerkelder gereed was en BAM net was begonnen 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 betonkernen en grote delen van de begane grondvloer. Vervolgens kon worden gestart met de bouw van het aardbevingsbestendige ‘Forum 2.0’. In juni 2018 was de ruwbouw gereed en in november 2019 werd het gebouw opgeleverd. Binnen de eerste week meldde de 100.000e bezoeker zich, waarmee het Forum Groningen ‘onwaarschijnlijk goed’ van start is gegaan, aldus de Forum-directeur.

Aardbevingsveilig bouwen

Naast de omschreven bouwfaseanalyse is bij Forum Groningen aandacht besteed aan het ‘aardbevingsbestendig 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 aardbeving 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 gehouden met aardbevingsbelasting. Er zijn extra steigerverankeringen en diagonalen aangebracht om te zorgen dat de steiger aardbevingsbestendig was. Tot slot is van de bouwfaseanalyse naast het sterktemodel en het vervormingsmodel een aardbevingsmodel doorgerekend. Hierbij zijn extra horizontale 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 bouwfase, een aardbeving doorstaan.

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 (foto 8).

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 prefab-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 verdiepingen volledig in het werk te storten, komt doordat hier de krommingen en de gevelopeningen, en daarmee de krachten in de gekromde wand, het grootst zijn. De spatkracht 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 onderstempeld moesten blijven, totdat deze verdiepingsvloer 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 uitkragende karakter van de wanden moesten een 500 mm dikke betonwand en twee 390 mm dikke betonvloeren tijdelijk worden ondersteund buiten het gebouw. Dit vroeg enerzijds 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 verdiepingsvloer was uitgehard. Door de constructie tussentijds te laten schrikken, werd de belasting uit de bekisting en ondersteuningsconstructie 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 bovenbouw toegevoegd, en zijn de optredende krachten en vervormingen geanalyseerd (fig. 10). Het verschil in de buigende momenten in de schaal tussen het in één keer laten schrikken of tussentijds laten schrikken bedroeg gemiddeld minder dan 2% en ook de vervormingsverschillen waren verwaarloosbaar klein. Door deze optimalisatie kon de bekisting op prefab-betonplaten (Stelconplaten) worden gefundeerd in plaats van een ringbalk op extra funderingspalen.

Door de constructie tussentijds te laten schrikken kon een vele malen lichtere hulpconstructie worden gemaakt

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 ondersteuningsconstructie halveerden. Dit leverde een lichtere ondersteuningsconstructie op, die kon worden gefundeerd op prefab-betonplaten. Dit vertaalde zich uiteindelijk in een flinke kostenbesparing met toch een veilige uitvoering. Deze besparing heeft bijgedragen tot het winnen van de aanbesteding.

Meer over het Depot

Meer over de constructie en de uitvoering van het Depot lezen? Zie de artikelenserie 'Kunstwerk in beton' in Cement 2019/4 en Betoniek Vakblad 2018/3 en 2019/2.

Een goede constructeur is een constructeur die ook over de constructieve veiligheid in de bouwfase en de bouwmethodiek nadenkt

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 Groningen was er een duidelijke filosofie voorhanden 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 bouwmethodiek scherp gesteld door de coördinerend constructeur. Door de gedetailleerde bouwfaseanalyse kon deze methodiek worden geoptimaliseerd en kon aanzienlijk op de bouwkosten worden bespaard.

Reacties

Freek Hesterman - BAM bouw en techniek. 11 mei 2021 19:48

?????? Zijn duimpje omhoog.

Freek Hesterman - BAM Bouw en Techniek 11 mei 2021 19:45

Goed verhaal, alles aan gedaan om de veiligheid tijdens het ontwerp en uitvoering te borgen en te bewaken. Thx ????????

Date Jan - BAM Bouw en techniek 11 april 2020 16:34

Top Artikel Joris.

x Met het invullen van dit formulier geef je Cement en relaties toestemming om je informatie toe te sturen over zijn producten, dienstverlening en gerelateerde zaken. Akkoord
Renda ©2021. All rights reserved.

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie AccepterenWeigeren