BETONELEMENTENBOUW (II)Zoutloods II van de Maatschappij tot Exploitatie vanKooksovengassen Mekog te IJmuiden2. Vormgeving en berekeningdoor J. de Haan, betoneonstructeurIn de maand Maart 1947 is aan de Bouwafdeling vande Koninklijke Nederlandsche Hoogovens en Staal-fabrieken N.V. te IJmuiden opdracht gegeven eenontwerp te maken voor de bouw van een tweede zout-loods voor rekening van de N.V. Mekog te IJmuiden.Deze loods is een deel van de reeks gebouwen, diemoesten worden gebouwd voor de uitbreiding van hetstikstofbindingsbedrijf van de genoemde N.V.De materiaalpositie was zo, dat voor staal met eenzeer lange leveringstijd moest worden gerekend endat hout, zoals bekend, tot de moeilijk te verkrijgenen dure bouwstoffen behoorde. Het lag in de bedoelingde bouw van de loods bij de andere fabrieksgedeeltenvoor te laten gaan om een ruimte te verkrijgen vooropslag van verschillende onderdelen, welke na aan-voer op het werk niet in de open lucht kunnen wordenbewaard.Naar het oordeel van de chemische deskundigen kanbeton, met een bitumenlaag beschermd, tot het mate-riaal worden gerekend, dat voor de bouw van eendergelijke loods het geschiktste is*). Daar tevens vooreen betonbouw het materiaal het vlugst beschikbaarkon zijn, werd besloten een ontwerp te maken vooruitvoering in gewapend beton.GEGEVENS VOOR HET ONTWERPDe loods moet dienen voor opslag van ca 35 000 tonkalkammonsalpeter (in het vervolg ,,zout" genoemd).Deze hoeveelheid moet door middel van transport-banden en een ronddraaiende uitstrooimachine --alles te monteren in het bovendeel van de loods --worden aangevoerd. De afvoer moet plaats vindendoor middel van een transportband, op te stellen ineen tunnel onder de vloer in de lengte-as van de loods.Het tunneldek moet gedeeltelijk wegneembaar zijnom de zoutvulling in de loods door middel van eenkrabber op de transportband te kunnen brengen. Debeschikbare oppervlakte voor deze loods bedroeg100,-- x 33,-- m.Met inachtneming van bovenstaande gegevens, destrooibreedte der uitstrooimachine en de natuurlijkehelling van het zout kon de hoogte van het laadpro-fiel worden vastgesteld om de nodige loodsinhoud teverkrijgen De hoogte van de loods is nu te bepalenuit: de bouwhoogte van het vulmechanisme + dehoogte van de zoutlaag. Voor beperking van de hoog-teligging van de laadorganen is de loodsbodem 1,50 monder het peil van het omringende terrein gekozen.Hierdoor blijft de tunnelconstructie nog boven degrondwaterstand.HET ONTWERPDe te omsluiten ruimte leent zich bijzonder goedvoor een overkapping door boogspanten, daar dezespantvorm voor grote overspanningen het kleinstemateriaalverbruik vergt en tevens een constructiegeeft, waarbij de buigende momenten het laagst blij-ven. Ook zullen door de optredende normaalkrachtende betontrekspanningen verminderen, hetwelk voorconstructies in een agressieve omgeving zeer gewenstis.De bouwgrond bestaat uit duingrond met veenlagen,waarin het grondwater door het graven van kanalensterk is gedaald. Hierdoor is een verhoogde korrel-spanning ontstaan, waardoor de kans op bodemzetting,en vooral ongelijke zetting, sterk is toegenomen.Om de hoge kosten van een paalfundering te ontgaan*) Zie Betonelementenbouw (III) door arch. J. F. deWildt in ,,Cement" 5-6, 1949.foto 1. montage van spanten, gordingen, dakplaten en bovenlichten(zuidel. kopgevel)De steunranden aan de spanten voor de gordingen zijn goed zichtbaar.en de hinder van een bodemzetting zo veel mogelijk tebeperken, is besloten de spantconstructie als drie-scharnierboog te ontwerpen. Hierbij geeft zetting vande steunpunten geen extra spanningen in de boog.Eerst is overwogen het talud van de zoutberg totterreinhoogte te laten doorlopen en de spantvoet evendaarboven aan te leggen. Dit geeft echter een te groteloodsbreedte en te veel schadelijke ruimte in het ge-bouw.Daar het wenselijk is, de voetscharnieren van de span-ten boven de zoutlading te houden en de grote, hori-zontale krachten van de zoutdruk niet op de spantente laten aangrijpen, werd de beste oplossing verkregenmet een naar binnen hellende voetmuur, waarvan dehellende as als raaklijn aan de druklijn van het spantaansluit. Deze hoge voetmuur kan tevens werken alsbalk om voorkomende verschillen in de bodemstruc-tuur te overbruggen, waardoor plaatselijke zettingenworden voorkomen.Nu moet de vraag worden opgelost, op welke wijze,met een zo klein mogelijk houtverbruik, tunnel, wan-den, spanten, gordingen, dakhuid en ramen (voorverlichting van het bovengedeelte van de loods) moe-ten worden uitgevoerd.De spanten voor de dakconstructie van de reeds eerderuitgevoerde zoutloods I voor de Mekog zijn in hetwerk op een verrolbare bekisting gestort; de dakpla-ten en gordingen hiervoor zijn op de grond gereedgemaakt en later op de spanten gesteld. De bekisting-constructie voor deze spanten heeft veel ,,hout" ge-kost en het bitumeren van de gehele constructie inhet werk, op zeer grote hoogte, is zeer moeilijk, kost-baar en erg slecht te controleren.Gelet op deze ervaring, is besloten deze kapconstructiete ontwerpen in ,,elementenbouw" en alle onderdelenvoor de montage op de grond te bitumeren.De tunnel moet als zeer dichte constructie worden uit-gevoerd. De kop- en zijwanden van de loods moeten53foto 2. stekeinden in fundatieplaat voor bevestiging van degelaste spantjes als hoofdwapening van de wandenfig. 3. gemonteerde spantjes als hoofdwapening der wandenin twee richtingen krachten kunnen opnemen en wel:verticaal voor de spant- en zoutdruk en horizontaalals spantdrukverdelende ligger. Elementenbouw is indit geval alleen maar mogelijk, indien de elementenvolgens de methode, gebruikelijk bij voorgespannenbeton, tot ??n ligger worden samengespannen.Daar deze uitvoering kans geeft op een lange bouw-tijd, o.a. door het lastig te verkrijgen hoogwaardigestaal en andere moeilijkheden, is besloten de tunnelen de wanden in het werk te storten op een wijze,waarbij het houtverbruik zo laag mogelijk blijft.Om de zijdelingse afstempeling van de wandbekistinguit te sparen, is de verticale hoofdbewapening vandeze wanden gedeeltelijk als gelaste spantjes ontwor-pen. Door deze vast te lassen aan de stekeinden in defundatieplaat, is het mogelijk de gehele wandwapeningals een stijve kooi te monteren (zie foto 2 en 3).Hieraan kan de bekisting van normaalschotten wor-den vastgeklemd en de wanden in lagen worden ge-stort, waarvan de hoogte gelijk is aan de breedte derschotten.Aanvankelijk is een spantconstructie ontworpen, be-staande uit vooraf gereed te maken betonblokken metafmetingen van 100 x 100 x 50 cm. Deze blokken, voor-zien van doorlopende gaten in de richting der lengte-as van het spant, kunnen, nadat ze op een gemakkelijkverplaatsbaar formeel met behulp van een torenkraanzijn gesteld, met trekankers en wartels tot een spantworden samengesteld. In de blokken zijn inkassingengehouden, voor het dragen van de gordingen om despanten tegen zijdelings uitknikken te steunen. Debedoeling is geweest, na het aantrekken van de ankersen montage van horizontale spantkoppelingen aan devooraf op te trekken kopgevels, het formeel te lossenen naar een volgend spant te rijden.Bezwaren tegen deze constructie zijn o.a. het na-krimpen van de blokken na de montage, waardoorongewenste vormveranderingen en naden kunnen ont-staan. Ook is het bezwaarlijk de spantbreedte aan tepassen aan het buigend moment, daar hiervoor eente groot aantal stalen mallen nodig zal zijn om deblokken te maken.De ontwerptekening ten behoeve van de aanbestedingis gemaakt voor een overal even brede spantvorm,bestaande uit vijf soorten blokken, volgens vijf stra-len gemaakt, samen een benaderde parabool vormend.Het eigen gewicht van een dergelijke spant bedraagtca 2 x 30 ton. Van een constructie, bestaande uit tweehalve spanten, zoals deze tenslotte is uitgevoerd, iswel vastgesteld dat deze ca 25% minder zal wegen,maar ze is om des tijds wille, voor de besteding, nietonderzocht. Het niet verder voortzetten van de studieop dit punt van het ontwerp vindt ook zijn oorzaakin het feit, dat bij een elementenbouw de afmetingender delen min of meer worden bepaald door het mon-tagegereedschap, waarover de uitvoerende firma debeschikking heeft. Ook vraagt het ontwerpen enmaken van een plan, voor uitvoering van montage-delen, zwaar ca 23 ton, een grondige bezinning.De spantafstanden zijn zo gekozen, dat de dakhuidin de vorm van 50 cm brede dakplaten, zonder in-schakeling van dragende gordingen, ineens van spanttot spant kan worden aangebracht. De boven reedsgenoemde gordingen zijn, naar onder toe met boog-vormige consoles, verbrede dakplaten, welke de span-ten tegen zijdelings uitknikken steunen.De gordingen dragen op steunranden, welke aan despantzijvlakken zijn uitgebouwd; deze steunrandenzijn op foto 1 te zien.Door de bovenwapening van de gordingen, aan dekopvlakken, te laten uitsteken over een lengte gelijkaan de spantdikte, en de aldus, van twee opeenvol-gende gordingen, langs elkaar heenvallende wapeningmet gietbeton aan te gieten, wordt een stijve, goedgekoppelde constructie verkregen.De langsnaden van de dakplaten zijn voorzien van halfzwaluwstaartvormige sponningen, welke, door eeningeplakte strook dakleer en een mortelvulling, lucht-dichte sluiting van de langsnaden mogelijk maken.Deze bewerking van de langsnaden is nodig, omdatvoor droge bewaring van het zout, gedroogde luchtin de loods moet worden geblazen. Door op dezemanier een kleine overdruk ten opzichte van de bui-tenlucht in de loods in stand te houden, kan geenvochtige lucht naar binnen stromen.De dakplaten zijn door middel van ingebetonneerdebouten aan de spanten verbonden en de stuiknadenzijn met mortel gedicht.De lichtkapspanten en ramen zijn zo ontworpen, datze met horizontale draagvlakken op de spanten aan-sluiten. De verbindingen zijn door ingebetonneerdeschroefbouten verkregen. De onderdorpel van delichtkapramen is zo breed gehouden, dat daarop plaatsis voor een railconstructie ten behoeve van een rol-lende montagesteiger, voor afwerking van de dak-plaatnaden en het aanbrengen van de dakbedekking.In een artikel over de montage in het volgende num-mer zal hierover meer worden gezegd.De kopgevels moeten een grote, naar buiten gerichtekracht van de zoutdruk plus de windzuigkracht kun-nen opnemen. De afmetingen, welke deze gevels daar-door hebben moeten, zijn zo, dat ze te voren geheelvrijstaand kunnen worden uitgevoerd en zijn te benut-ten als vaste punten voor het aanbrengen van koppel-staven bij de spantmontage. Het buitenvlak van de54fig. 4. vorm van de voetmuur en van deboog volgens de aangegeven rekenwijzekopgevels is ontworpen in ??nsteensmetselwerk, waar-tegen het beton kan worden gestort. Waar het buigendmoment druk geeft in het metselwerk, is dit in deconstructie van de wand opgenomen.In de westelijke langswand zijn twee deuropeningengemaakt, die via een luchtsluis tot de loods toeganggeven. De grote deuropening in de kopgevel is voorhet binnenvoeren van de zoutkrabber, waarmede hetzout op de afvoerband wordt gebracht. Deze openingis met schotbalken afsluitbaar en wordt later, als deloods in gebruik is, met een dunne wand dichtgemet-seld.Het plan is te verdelen in twee hoofdgroepen:a. in het werk maken van een tunnel en een onder-bouw van zware muren met behulp van een ver-eenvoudigd bekistingssysteem;b. het vooraf, naast dit werk, gereed maken van deonderdelen voor de bovenbouw, bestaande uit:spanten, lichtkapspanten en ramen, dakplaten,gordingen en gevelafsluitstukken.GEDACHTEGANG EN ENKELE GETALLENUIT DE STATISCHE BEREKENINGDe tunnelDe inwendige afmetingen van de tunnel bedragen2,40 x 2,40 m. Daar in het tunneldek een wegneembaargedeelte moet zijn, breed 0,80 m, moeten de tunnel-wanden als vrijstaand en ingeklemd in de bodemworden opgevat. De belasting op het tunneldek isgesteld op 15 t/m2overeenkomende met een zoutlaag-dikte van 15 m. Beschouwt men in de normaaldoor-snede de linkerwand (zie fig. 4) met een naar binnen(naar rechts) uitkragend gedeelte van het tunneldek,dan zal de gronddruk tegen de wand en de bovenlastop de uitkraging een naar rechts draaiend momentgeven in doorsnede ,,D", waar de wand aan de bodemaansluit. Om dit moment te verkleinen en de normaal-kracht in ,,D" te verhogen, is het tunneldek ook naarlinks uitkragend gemaakt (deze uitkraging maakt deeluit van de verharde loodsvloer, bestaande uit een inge-walste puinlaag, afgesloten met asfaltlaag). Met in-achtneming van het tegenwerkend moment door deuitkraging naar links, vindt men voor doorsnede ,,D"een normaalkracht, groot 45 t en een buigend momentvan 18,5 tm/m1tunnelwand. Hiermede kan de zwaarstbelaste doorsnede voor de tunnel worden bepaald.De boogspantenVoorop staat de gedachte dat de boogvorm zo moetworden gekozen, dat alle belastingen op de boog dooreigen gewicht, geen buigende momenten mogengeven.Momenten kunnen dus alleen optreden onder de in-vloed van: windkrachten, toevallige belasting van hetplatte dak van de lichtkap en de wisselende belastingvan de staalconstructie in de top van de spanten door:transportbanden, strooimachine en toevallige monta-gebelastingen.Om een indruk te krijgen van de hoofdafmetingenvan de spantdoorsnede, is daarom eerst het momentbepaald door invloed van de wind. Daartoe is, op hetdakvlak van een geschetste spantvorm, in vier pun-ten de winddruk per m2dakvlak bepaald als eenfunctie van de dakhelling.De winddruk op de lichtkap is op het spant aangrij-pend gedacht in het steunvlak van de lichtramen. Zokon de windkracht per spant worden uitgezet in 10krachten, 5 links en 5 rechts, en op grafische wijze derichting en grootte van de reacties in de voetschar-nieren worden bepaald, en daarmede het max. wind-moment worden berekend. Voor de overige mobielebelastingen is voorlopig een toeslag vastgesteld. Denormaalkrachten zijn nog niet bekend, dus kan alleenuit het buigmoment een spantdoorsnede worden ge-schat.Voor de eerste berekening is deze schatting 50 x 60 cmbij de scharnierpunten en 50 x 110 cm in het midden.Na enige herhaalde berekeningen is deze maat terug-gebracht tot 50 50 en 50 88 cm.De druklijn van de boog, en daarmede de vorm vanhet spant, is nu als volgt bepaald. Het spant is vanhet voetscharnier af verdeeld in ca 2 m lange stukken,waarvan het gewicht, incl. de erop rustende dakhuid,en de ligging van het zwaartepunt uit het voetschar-nier zijn bepaald. Aldus is het gewicht van de boogmet de dakhuid verdeeld in 12 verticale lasten, waar-van de werklijn uit het voetscharnier bekend is. Hierkomen nog bij 2 lasten voor eigen gewicht van delichtkap, n.l. ??n van de staalconstructie voor dragingvan de transportbanden c.a. en ??n voor de topgor-55ding, zodat per half spant 16 lasten voor eigen gewichtvoorkomen. Men beschouwt nu het spant als ligger optwee steunpunten, waarbij de overspanning l de af-stand tussen de voetscharnieren is en becijfert hetbuigend moment ,,M0" voor het midden van de over-spanning en voor de zwaartepunten van de twaalfboogstukken voor de genoemde 2 x 16 lasten. De ver-ticale hoogte voor voet- tot topscharnier bedraagt indit geval y = 16,25 m (zie fig. 4).Is M0 het buigend moment, dan is de horizontalereactie in het voetscharnier: H = M0 : y. Noemtmen de buigende momenten in de zwaartepunten vande boogstukken achtereenvolgens 1, 2, enz., danzijn de ordinaten van de boog in die zwaartepunten:M : H, M : H, enz.1 2Op deze wijze worden dus 12 punten van de druklijnbepaald en, indien zij in een goed verlopende boogliggen, kan de vorm voor bepaald worden gehouden.Kleine afwijkingen kunnen als geringe buigende mo-menten in de boog worden aanvaard.Voor deze boog is voor de min. afmetingen aldus al-leen voor eigen gewicht gevonden: H = 17,15 t. Voorde mobiele belasting en de verschillende belastings-toestanden tijdens de montage worden de buigendemomenten op dezelfde wijze gevonden:foto 5. gesloten topscharnieren van het spantfoto 6. topscharnier even voor sluitingMmob. = Hmob. (yboog--y 0 b. )waarin: Mmob. = het buigmoment door mobielebelasting in het boogspantHmob. = de horizontale kracht in de voet-scharnieren door de mobielebelastingyboog = de ordinaat van de boogas vanhet spant enyM0mob. = de ordinaat van de momenten-lijn behorende bij M0 van demobiele belasting, bepaald inhet zelfde punt als yboogDe max. krachten, welke op de voetscharnieren wer-ken, bedragen H = 22,83 t en N = 55,4 t, incl. winden mobiele belastingen. Het max. buigend moment inhet spant bedraagt 23,5 tm.De scharnierplaten zijn geconstrueerd uit vlakkestalen platen, dik 5 cm, voorzien van aangetaste an-kers. Door de grote plaatdikte is een gelijkmatigedrukverdeling op het beton gewaarborgd. Op deonderplaat zijn twee stalen staven gelast, waartusseneen staaf van de bovenplaat aan het spant met enigeruimte past.Het staafstaal op de bovenplaat is afgeschuind naarde buitenzijde, zodat een goed gecentreerde belastingop de onderplaat plaats heeft. Voor het bovenscharnieris een deuvelconstructie ontworpen, bestaande uit eeninwendige en uitwendige, in elkander passende, af-geknotte pyramide (zie foto 5 en 6).Dit geeft bij de montage het gemak, dat bij het vierender kabels de draagvlakken elkaar vanzelf zoeken,doordat de zijvlakken van de pyramiden langs elkaarheen glijden.Tenslotte dient betreffende de boogspanten nog opge-merkt te worden, dat het gewenst is bij deze maatver-houdingen de knikspanning te berekenen.De steunmurenaan de lange zijde van de loodsDe overgang tussen de opgaande wand en de voet ligtin de doorsnede B (zie fig. 4). Aan de hand van enkelevoorberekeningen is de helling van de wand zo geko-zen, dat de buigende momenten in deze doorsnede zogering mogelijk blijven. De naar binnen verbrede voetonder doorsnede B dient voor vulling van de scherpehoek, waarin anders het zout blijft liggen. De hoekgeeft tevens een gunstige spanningverdeling in dedoorsnede C en verkort de uitkragende lengte van debinnenvoet, waardoor de buigende momenten daarinlager blijven.De wand moet in staat zijn de volgende belastingsge-vallen op te nemen:a. de druk van het tegen de muur liggende zout +de windzuiging op de wand en de reacties van hetspant door eigen gewicht, mobiele belasting enwindkrachten van rechts;b. dezelfde reacties van het spant, echter zonder zout-druk.In a. en b. zijn de grensgevallen genoemd, waarbijde wand voldoende weerstand moet bieden tegenschuiven en kantelen, en de randdruk van de voet opde bodem binnen bepaalde grenzen moet blijven.Voor de weerstand tegen schuiven is de voetbreedtemaatgevend. Door de voet naar binnen toe te verbre-den, wordt de verticale kracht groter door de groterezoutdruk, terwijl de horizontale kracht dezelfde blijft.Voor geval a. is per meter wand de max. horizontaleen verticale kracht achtereenvolgens 30,9 t en 89,6 t.De wrijvingsco?ffici?nt tussen beton en zand bedraagtdus 30,9 : 89,6 = 0,345.Voor geval b., waarbij de verticale kracht minimaal is,bedraagt voor de gekozen voetvorm de zekerheidtegen kantelen 2,6.De max. randdruk onder de muurvoet treedt op bijgeval a. en bedraagt ca 18 t/m2. Deze druk is in dezandlagen op 6,20+NAP, waarop de voet rust, toe-laatbaar.Indien plaatselijk zeer losse pakking van het zandmocht voorkomen, wordt deze door de liggerwerkingvan de wand overbrugd.In de doorsnede B werkt per meter wand een max.buigend moment groot 19,2 tm en een normaalkrachtvan 29,2 t. Deze doorsnede, welke met het oog op dewenselijkheid van een stijve constructie en een laagwapeningspercentage, niet te dun is genomen, bevatvoor de genoemde krachten 0,22% staal, incl. de sta-ven voor de gelaste spantjes, waarover reeds eerderis gesproken.De kopgevelsDeze moeten worden berekend:a. als geheel vrijstaande wand, waarop winddruk +windzuiging kunnen werken;b. als wand waarop, van de onderdorpel van het raamaf (zie foto 3), een horizontale zoutdruk werkt vanca 21 t/m1wand + windzuiging.De wand is opgevat als een plaat, welke aan het on-dereinde in de fundatie is ingeklemd en aan het andereeinde aan de platen van de dakhuid is bevestigd. Methet oog op de bevestigingsreactie (trek) zijn de platenvan de dakhuid boven elk spant, met uitzondering vande twee spanten onder de uitzetvoegen, met koppel-platen aan elkander verbonden. Deze doen tevensdienst als onderlegplaat voor de moeren van de anker-bouten.De schemalengte van de gevelplaat bedraagt 23,30 m;naast de deur en de raamopening is aan de binnenkanteen verzwaarde pilaster aangebracht voor het op-nemen van de windzuiging op het raam en de drukop de schotbalken, waarmede de deuropening moetworden gesloten. Zonder het ??nsteensmetselwerk be-dragen de betonnen wanddikten voor de plaat 48 cmen voor de pilasters 78 cm met een verzwaring bij deinklemming aan de voetplaat tot resp. 98 cm en 128 cm.Met de boven aangegeven belasting en afmetingenwordt gevonden voor de gevelpilasters, met inacht-neming van het grotere traagheidsmoment bij de in-klemming en enige draai?ng van de voetplaat door hetinklemmingsmoment voor Mb, en Mv en de max.doorbuiging f:voor geval a.: Mb = 21,5 tm per meter wandvoor geval b.: Mb, = 85,0 tm en Mv = 19,1 tm, = 11 mm.In verband met deze doorbuiging is in de horizontalestrook tussen raam en deuropening ook een hoofd-wapening aangebracht, zodat een gedeelte van demiddelste gevelbelasting naar de zijwanden wordtovergebracht.Om deze beschrijving niet te lang te maken, wordtthans inzake de kopgevels tot mededeling van enkelecijfers betreffende de gevelpilasters beperkt.Fig. 7 geeft een beeld van het desbetreffende momen-tenvlak. Ook voor de kopgevels is -- zoals voor despanten -- bij de bepaling van de nodige trekwapeningrekening gehouden met de gunstig werkende normaal-kracht.Het bovenstaande geeft U een indruk, hoe het ontwerpvoor de zoutloods II voor de Mekog te IJmuiden isontstaan. Het zal duidelijk zijn, dat ook in de industrie-bouw het gewapend betonnen driescharnier-boog-spant, een constructie-element vormt, dat bij plannen,welke zich daarvoor lenen, overwogen dient te worden.Bij een voortgezette studie zal kunnen blijken, of toe-passing ervan in de land-huishoudelijke bouwkundeen in gebouwen, waarin overspanning van een groteruimte voorkomt, in overweging moet worden ge-nomen. Enkele voordelen van het gewapend betonnenboogspant zijn, behalve de materiaalbesparing, ook debrandvrijheid, de aangenaam aandoende vorm en hetgemakkelijk inschakelen als element in een montage-bouw, waarbij geen los staande kolommen voorkomen.fig. 7. buigend momentenvlak in dehoofdpilasters van de kopgevels57
Reacties