A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 78ir. T. Rijcken, TU Delft, faculteit bouwkundeir. J.A. den Uijl, TU Delft, faculteit CiTGTwee-onder-een kap woningen op een drijvend eiland,winkels rondom een drijvend plein of een hele woonwijkop een groot drijvend platform. Dit bestaat nog niet inNederland. Maar in gebieden waar waterberging moetworden gecombineerd met wonen en werken, is het eenoplossing. Een drijvende fundering van ultra-hogesterk-tebeton gegoten in een uitgekiende piepschuimvormkan een gebouw van drie verdiepingen dragen en steektmaar veertig centimeter diep. Een drijvende bouwsteen,dus.Hoe maak je een universeel toepasbaar drijfsys-teem voor bebouwing, bestrating en begroeiing?Als een dergelijk systeem tegen aanvaardbare kos-ten kan worden aangelegd is dat goed nieuws. Devragen zijn, wat de fundering gaat kosten ?nopbrengen, hoe het ecosysteem onder de drijvendeconstructie gedijt en hoe het systeem kan voldoenaan wensen van bewoners, zoals een tuintje achterhet huis (fig. 1).De hoeveelheid oppervlaktewater zal in Nederlandmoeten toenemen. Ook de druk van wonen enwerken op de ruimte blijft stijgen. Wonen aan hetwater, liefst met een tuintje, is van oudsher geliefd.Wonen op water ligt voor de hand. Ziehier de ver-antwoording van een ontwikkelingstraject voordrijvende fundering aan de vraagzijde.Aan de aanbodzijde vinden we momenteel geendrijvend funderingssysteem dat onzinkbaar, uit-breidbaar en licht van gewicht is. Bestaande drijf-systemen zijn bovendien nauwelijks over de wegte vervoeren. Opbouwen ter plaatse gebeurt zel-den, en ze zijn niet ontworpen voor bebouwing,bestrating ?n begroeiing.Een systeem dat dit alles wel biedt, zal uit afzon-derlijke elementen bestaan die te koppelen zijn.We noemen die losse elementen drijvende bouw-stenen.T e c h n i s c h e u i t d a g i n g e nDe drijvende bouwsteen moet onzinkbaar, onbrand-baar en onderhoudsvrij zijn. Een aannemer ofklusser moet er leidingwerk in kunnen wegwerkenen een voorwerp of systeem aan kunnen bevesti-gen. Ook moet de stabiliteit voldoende zijn.Een laag massazwaartepunt, zoals bij houtskelet-bouw op een betonnen casco, draagt bij aan eenstabiel systeem. Het gaat bij velen tegen het gevoelin, maar minder diepgang maakt een drijvendobject stabieler. De breedte van het drijflichaamheeft kwadratisch invloed op de stabiliteit. Vuistre-gel voor woonarken is dat de stabiliteit voldoende isals de breedte groter is dan de hoogte.Stabiliteit en leidingwerk zijn echter niet de groot-ste knelpunten. De conceptvorming kan strandenals er op de volgende cruciale uitdagingen geenintegraal antwoord gevonden wordt:1) het bereiken van de gunstigste sterkte/gewichts-verhouding;2) het ontwerpen van de minst arbeidsintensieveen meest flexibele verbindingstechniek;3) het opvangen van maatafwijkingen tussen demodulaire delen;4) het realiseren van de minst arbeidsintensieveen meest flexibele productie- en transporttech-nieken.De optimale sterkte/gewichtsverhouding (uitda-ging 1) betekent bij een drijvende fundering een zolicht mogelijke constructie. Het gewicht werktnamelijk op twee manieren door in de materiaal-kosten (Ktot/Gopb), volgens:Modulair drijvend funderingsconcept voor bebouwing, begroeiing en bestratingDRIJVENDEBOUWSTEEN1 |Een artist impression vanwonen op het waterA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 7 9KtotGopbbet bet 1 bet?( )EPS+wa t bet bet 1 bet?( )EPS+{ }?=Hierin is de verhouding tussen de afstand van dewaterlijn tot de onderzijde van het drijflichaam ende hoogte van het drijflichaam. Het bovenste deelvan de vergelijking laat zien dat een kleiner percen-tage beton (bet) een goedkoper drijflichaam ople-vert zolang de volumeprijs van het beton (bet) gro-ter is dan die van het EPS (EPS). Uit het onderstedeel blijkt dat het totale gewicht van het drijfli-chaam afneemt bij een kleinere betonfractie (bet),waardoor er minder volume nodig is om zichz?lf tedragen, en het geheel nog goedkoper wordt.Deze kosten betreffen slechts de materialen, en nietde vervaardiging, het transport en het monteren opde bouwplaats (uitdagingen 2 en 4). Voor traditio-nele betonnen casco's (foto 2) geldt ongeveer dathet uiteindelijke offertebedrag een factor zes hogeris dan de materiaalprijs. Voor de drijvende bouw-steen moeten industri?le technieken deze factoromlaag kunnen brengen. Fabrieksmatige precisieis ook essentieel voor uitdaging 3, het opvangen vanmaatafwijkingen tussen de modulaire delen.De kunst is nu om het traditionele beton te vervan-gen door ultra-hogesterktebeton, zodanig dat hetsysteem als geheel effectiever en goedkoper wordt,ondanks dat het hogesterktebeton en het EPS duur-der zijn.L i g h t w e i g h t e n g i n e e r i n gHet ultra-hogesterktebeton krijgt een bondgenoot:malgevormd piepschuim (ge?xpandeerd polystyreenof EPS). In de bouw wordt EPS meestal toegepast alsblokken of platen. Ook zijn er profielen, met eengloeidraad uit blokken gesneden. De geometrie kannog complexer worden als er met 3D-mallen gewerktwordt. Blokken EPS zijn het goedkoopst, malge-vormde stukken zijn duurder. Waarom dan gebruik-maken van mallen?Standaard rechthoekige EPS-blokken zijn goed tecombineren met traditioneel beton. Immers, traditi-oneel beton vraagt traditionele wapening en diewordt gemonteerd in netten en korven die in lood-rechte hoeken ten opzichte van elkaar staan. Ultra-hogesterktebeton, zoals de zogenoemde EngineeredCementitious Composites (ECC, zie kader), wordtgewapend met vezels. Dit beton behoudt zijn sterkteover een groter vervormingstraject. Populair gezegd:het beton gaat zich taai gedragen. We kunnen dezeeigenschap uitbuiten door de vorm te optimaliseren.In het malgevormde EPS kan het ECC-beton in eencomplexe vorm uitharden, zolang de doorstroomdia-meter enkele centimeters bedraagt.De combinatie van het speciale beton en de com-plexe mallen levert een andere benadering vanbeton op. We komen op het terrein van het kunst-stof- en metaalgieten. Een bierkrat bijvoorbeeldwordt in een spuitgietproces vervaardigd. Fabrikan-ten proberen doorlopend een paar procent gewichts-besparing te realiseren op een dergelijk product:lightweight engineering. Afrondingen, verstevi-gingsribben, het weglaten van materiaal in gebie-den met geringe spanning, en dat alles geholpendoor slimme eindige-elementenmethode program-ma's. We kunnen het ECC-beton bekijken door eenkunststofbril.I n n o v a t i e t r a j e c tEen innovatieproject verloopt in fases van grof naarfijn. Het begint met een idee voor een product, datuitgewerkt wordt tot concept. Dit concept moet (oppapier) doorgerekend worden om een proefstuk ofprototype te kunnen bouwen. Het prototype wordtgetest en verbeterd. Hierna krijgt het product deverdere detaillering om de markt op te kunnengaan.Dit geschetste verloop heeft vier kanten. Een tech-nische, een juridische, een commerci?le en eenfinanci?le kant. Deze hangen sterk met elkaarsamen. In elke fase is het van belang om de vierkanten van het oorspronkelijke idee ver genoeg(maar ook niet t? ver) uit te werken om door te kun-nen naar de volgende fase. De ontwikkeling van detechnologie bijvoorbeeld is belangrijk voor het com-3 |Een zeshoekige stapelingvan verschillende lagenpiepschuim4 |Elke laag heeft een ande-re vorm2 |Cascobouw inbetonfabriekfoto: ABC Arkenbouw, UrkA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 710merci?le traject. Immers, potenti?le klanten willengraag weten wat een bepaald product gaat kosten.Commerci?le vooruitgang is weer van belang voorde financiering, die nodig is voor de ontwikkelingvan de technologie, enzovoorts.De drijvende bouwsteen bevindt zich aan het eindvan de conceptfase. Er is inmiddels patent op ver-leend. Producenten hebben aangeboden mechani-sche analyses te bekostigen. Projecten dienen zichaan en geven nieuwe technische eisen en wensen.H e x a g o n a a l o f o r t h o g o n a a l ?Inmiddels zijn er twee concepten uitgewerkt. Hetbegon met de `H2Oningraat drijvende fundering'.Een modulair systeem, gebaseerd op een zeshoekigestapeling van verschillende lagen piepschuim (fig. 3en 4). Elke laag heeft een andere vorm. De toplaag isgeschikt voor het onderbrengen van leidingen. In delagen daaronder zijn ruimtes opengelaten voor hetstorten van kolommen of voor kolommen metdwarsverbindingen. Speciale stukken maken hetmogelijk een uitsparing onder het `maaiveld' te rea-liseren, bijvoorbeeld voor het plaatsen van een pompof het planten van een boompje.Het tweede concept is orthogonaal geori?nteerd enbestaat slechts uit ??n EPS-element. De startkostenzijn lager zodat het systeem beter geschikt is vooreen proefproject dan het wat ingewikkeldereH2Oningraat-systeem. Het is zo ontworpen dat ernog veel variatie mogelijk is met een enkel ele-ment.Een belangrijk verschil tussen de twee systemen isde wijze van verbinden van de afzonderlijke drij-vende bouwstenen. Hoe kunnen we van een basis-blok EPS toewerken naar een drijvend eilandje?Beton kan door meerdere gestapelde basisblokkenvloeien en ??n grote drijvende bouwsteen vormen(fig. 5). Vervolgens zijn twee bouwstenen te verbin-den met ingestorte ankers op de hoeken of d??r teV e z e l v e r s t e r k t b e t o nHet toevoegen van vezels aan bouwmaterialen om denadelige effecten van een lage treksterkte te compense-ren heeft een eeuwenoude historie. Zo bestaat een vande meest gebruikte bouwmaterialen ter wereld uit zon-gedroogde elementen van klei vermengd met natuur-lijke vezels. Maar ook in cementgebonden productenworden al lang vezels toegepast.Het voordeel van de scheuroverbruggende werking vanvezels komt vooral tot uiting in het gebruiksstadiumdoor de gunstige werking van de vezels op de scheurvor-ming: fijner verdeelde scheuren met geringere scheur-wijdte. Het antwoord op de vraag of het toevoegen vanvezels ook in het bezwijkstadium voordelen biedt hangtaf van het vervormingsgedrag. Van belang is daarbijdat het gebruik van de vezels de matrix wel taaiermaakt, maar dat in veel gevallen nog steeds sprake isvan `softening': na het bereiken van de scheursterkteneemt de kracht in de scheur af. Zonder verdere maat-regelen zal daardoor bij verder belasten de vervorminglokaliseren in ??n scheur met als gevolg dat de vervor-mingscapaciteit sterk wordt beperkt.Bij toepassing van vezelversterkt gewapend beton wordthet gewenste vervormingsgedrag wel verkregen als nahet bereiken van de scheursterkte de toename van dekracht in de wapening groter is dan de afname van dekracht in de vezels. In dat geval is er sprake van `har-dening', waardoor de vervorming over meer scheurenkan worden uitgesmeerd.Grote vooruitgangOm het gewenste taaie gedrag te realiseren moet er duseen goede afstemming zijn tussen de treksterkte van de5 en 6 | Bouwstenen kunnenworden verbondenmet ingestorteankers op de hoekenof door d??r te kop-pelen met treksta-venECCvezelversterktbetonbetontrekspanningrekSpanning-rekrelatie van ongewapend beton, vezelversterkt beton en ECCA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pB ou wtechniekcement 2005 7 11koppelen met trekstaven (fig. 6). Deze koppelingbiedt tegelijkertijd de mogelijkheid om voor tespannen.De verbindingsmethode is in principe onafhanke-lijk van de ori?ntatie, zij het niet dat trekstavenbeter in een orthogonale dan in een hexagonalestructuur passen. Een hexagonale vorm benadertde grillige vorm van kusten en natuurlijke kades.Rechthoekige vormen hebben voordelen voor deproductie, bij het transport en voor de opbouw.D r i j v e n d e i l a n dWelke ori?ntatie en verbindingsmethode er ookgekozen worden, uitgangspunten voor de drijvendebouwsteen zijn onzinkbaarheid, geringe diepgangen flexibiliteit door lightweight engineering, modu-lair ontwerpen en industrialisatie.Laten we een traditioneel casco eens met de drij-vende bouwsteen vergelijken, beide voor een tondrijfvermogen. Stel: het nieuwe beton is tweemaalzo duur, er is vier maal minder beton nodig en deproductiefactor (de verhouding tussen de offerte-prijs en de materiaalprijs) gaat van 6 naar 2,4(tabel 1). Dan blijft de vierkante-meterprijs gelijk enneemt de diepgang af met maar liefst de helft.Als we een houtskeletbouwwoning van twee of drieverdiepingen op een eilandje plaatsen, verspreidenwe het gewicht over de drijvende fundering. Datkan de diepgang terugbrengen naar veertig centi-meter. Het water eronder kan goed doorstromen, erblijft ruimte voor aquatische leefvormen en de kansop dichtslibben is klein. Een eiland ligt zeer stabielin het water. Om het huis heen is ruimte voorbestrating, begroeiing en bijvoorbeeld een schuur-tje. De woning heeft een afsluitbare loopbrug, waar-mee een soort slotgracht ontstaat die het inbrekersmoeilijk maakt. Het eilandje gaat op en neer bijveranderend waterpeil en de bewoners dragen bijaan het bestrijden van watertekort en -overlast. L i t e r a t u u r1. T. Rijcken, Neerlands H2Oop, producten voorwaterwijken. TU Delft, september 2003.Tabel 1 | Vergelijking verschillende drijfsystementraditioneel bestaande drijvendecasco EPS-beton bouw-combinaties steengewicht opbouw (ton/m?) 0,5 0,5 0,5variabele belasting (ton/m?) 0,2 0,2 0,2uitwatering (m) 0,3 0,3 0,3volumefractie EPS (%) - 80 95volumefractie beton (%) 20 20 5prijs EPS (/m?) - 60 75prijs gewapend beton (/m?) 100 100 200vochtindringing (%) - 10 5diepgang (inclusief opbouw, 1,50 1,75 0,75exclusief variabele belasting) (m)materiaalprijs drijflichaam () 40 150 100productiefactor (-) 6 6 2,4prijs drijflichaam (drijfvermogen 1 ton) () 240 750 240matrix en kracht-vervormingsrelatie van de scheurover-bruggende vezels al dan niet in combinatie met wape-ning. Op dit terrein is in het laatste decennium grotevooruitgang geboekt met de ontwikkeling van de zoge-noemde Engineered Cementitious Composites (ECC).Een voortrekkersrol wordt daarin vervuld door professorLi aan de Universiteit van Michigan, USA (zie voor lite-ratuurverwijzingen http://ace-mrl.engin.umich.edu).Uitgangspunt bij de ontwikkeling van ECC is dat aande hand van micromechanisch onderzoek wordtbepaald wat de gewenste eigenschappen zijn van dematrix, de vezel en de samenwerking van de vezel ende matrix en dat zonodig de eigenschappen wordenaangepast.VoorbeeldenDit kan worden ge?llustreerd aan het volgende voor-beeld. Voor een goede samenwerking van de vezel en dematrix is een minimale hoeveelheid bindmiddel nodigen een laag watergehalte. Om het vezelgehalte te beper-ken is het echter nodig de treksterkte van de matrix tebegrenzen. Dit wordt bereikt door aan het mengsel ver-miculietkorrels toe te voegen, waardoor de matrix opeen gecontroleerde manier wordt verzwakt.Een ander voorbeeld betreft de vezels. Veelgebruiktworden vezels van polyvinylalcohol (PVA) met eenvolumeaandeel tot 2% (veel informatie bij een van defabrikanten: http://www.kuraray-am.com/pvaf/index.php). De hechting van deze 6 mm lange vezels(?38 ?m, treksterkte 1650 MPa, elasticiteitsmodulus44 GPa) is geoptimaliseerd door ze van een coating tevoorzien. Dit verlaagt de chemische hechting en voor-komt het afstropen van de vezels bij het uittrekken.Bij dit ECC is een breukvervorming tot 5% realiseer-baar. In zijn gedrag lijkt het materiaal meer op staaldan op beton. De scheurafstand bedraagt enkele milli-meters, de scheurwijdte is kleiner dan 0,1 mm. Ertreedt geen vervormingslokalisatie op zoals in anderecementgebonden materialen.Onderzoek heeft laten zien dat het materiaal met degangbare middelen te mengen en te verwerken is,waarbij verschillende toepassingen zijn gerealiseerd. Deverwerkbaarheid varieerde daarbij van zelfverdichtendbeton tot extrusiebeton.