Happy Street: van staal naar beton1 2011 | onlineonlineHappy Street:van staal naarAlternatief constructief ontwerp voor Nederlands paviljoen Expo 2010Happy Street: van staal naar beton 22011 | online1 Happy Street, het Nederlands paviljoen voor deExpo 2010 in ShanghaiHappy Street, ontworpen door architect John K?rmeling, was deNederlandse inzending voor Wereldtentoonstelling 2010 inShanghai. De constructie is geheel in staal ontworpen en uitge-voerd. In het kader van een afstudeerproject aan de TU Eindho-ven is een alternatief in beton uitgewerkt. Allereerst is het staal-ontwerp geanalyseerd. Hieruit zijn knelpunten voortgekomen.Met een alternatief ontwerp in beton is geprobeerd deze puntente verbeteren. Onder meer is de leidingruimte in de brugliggeraangepakt en is het aantal zichtbare kolommen onder de brugverminderd.beton1ir. Tim PouwelsStabiel Adviseringprof.ir. Cees KleinmanTU Eindhoven, fac. BouwkundeOntwerp Happy Street en afstudeerprojectHet ontwerp voor Happy Street bestaat uit een circa 350 m langestraat die als een achtbaan door de lucht beweegt in de vormvan het Chinese geluksgetal acht. Aan beide zijden van de wegzijn uitkragende platforms gehangen waarop expositiehuisjesgeplaatst zijn. Deze zijn voornamelijk gebaseerd op Nederlandsearchitectuur uit de twintigste eeuw. De bezoekers lopen over destraat en bezichtigen van buitenaf de tentoonstellingen in dehuisjes. Centraal in het ontwerp staat een kroon. Hierin wordengenodigden ontvangen (foto 1). Constructeur Rijk Blok heeft insamenwerking met ABT de volledige technische uitwerkingverzorgd. In Shanghai is dit door het ontwerpinstituut van deTongji Universiteit nagerekend en, waar nodig, aangepast aan deChinese regelgeving.In het kader van een stage was auteur Tim Pouwels vijf maandenlang werkzaam bij DHV Shanghai, dat gedurende de uitvoeringvan de staalconstructie onderdeel was van het projectmanage-mentteam. In samenspraak met professor Cees Kleinman, hoog-leraar betonconstructies aan de Technische Universiteit Eindho-ven, is het idee ontstaan om deze stageperiode als aanleiding tegebruiken voor een afstudeerproject. Dit heeft geleid tot devolgende doelstelling:Het ontwikkelen van een alternatief constructief ontwerp voorHappy Street in het materiaal beton, waarin de bevindingen van vijfmaanden stage zijn verwerkt en waarbij rekening wordt gehoudenmet de maakbaarheid in een vooraf vastgestelde bouwtijd.Happy Street: van staal naar beton3 2011 | onlineonlineexpositiehuisjeplatformbrugligger mettorsiestijfheidkolomF F F2 Artist impressie van Happy Street3 Principedoorsnede brugligger en platform4 Platformliggers worden afgespannen aanuiteinde ligger5 Brugligger met voorspankanalen6 Model van gescheurd beton als driedimensionaal vakwerk7 Driedimensionaal rekenmodel in Scia ESA PTTen gevolge van torsie worden schuifspanningen ge?ntrodu-ceerd in het beton. Hierdoor ontstaan spiraalvormige scheurenrondom de liggers. De spanningen kunnen worden opgenomenmet driedimensionale wapening. Echter, dit houdt de scheur-vorming niet tegen. Hierdoor zal de torsieweerstand significantafnemen. Met een deelstudie is dit gedrag onderzocht.TorsieIngeklemde kokerliggers met dezelfde afmetingen en lengtezijn zowel in de vorm van ongescheurd als van gescheurd betongemodelleerd. Op de uiteinden is een torderend moment Tgeplaatst. Het ongescheurde beton is gemodelleerd als een stan-daard staafelement; het gescheurde beton als een driedimensio-naal vakwerk waarbij de langsstaven en beugels van staal zijnen de diagonalen van beton. De diagonalen lopen spiraalsge-wijs rondom het element, zodat de spiraalvormige torsiescheu-ren worden gesimuleerd (fig. 6).De torsieweerstand GItis omgekeerd evenredig aan de hoek-verdraaiing ten gevolge van torsie (vergelijking 1):GIt =T . l____(1)Lengte en het torderend moment T zijn constant. Door dehoekverdraaiing voor zowel gescheurd als ongescheurd betonte bepalen, wordt ook de afname van de torsieweerstand GItbekend. De verdraaiing van de gescheurde ligger was tien keergroter dan van de ongescheurde ligger. Met andere woorden, detorsieweerstand is met een factor tien afgenomen. Diverse lite-ratuur bevestigt dit gedrag. Hieruit is geconcludeerd datscheurvorming te allen tijde moet worden uitgesloten om toteen veilig en bruikbaar ontwerp voor Happy Street te komen.Door de gebogen liggers en de uitkragende platformen wordteen torderend moment in de brugligger veroorzaakt. Dit heefteen belangrijke invloed op het constructieve ontwerp. De prin-cipedoorsnede in figuur 3 illustreert dat de torsiestijfheid vande brugligger noodzakelijk is voor evenwicht van de construc-tie. Een methode zal moeten worden ontwikkeld om dit tegaranderen.Kokers zijn uiterst effectief in het opnemen van torderendemomenten. Ten gevolge van torsie ontstaan schuifspanningenin de wanden. De theorie van Bredt stelt dat in gesloten,dunwandige doorsneden een constante schuifstroom aanwezigis. De schuifspanning moet worden opgeteld bij de schuifspan-ning ten gevolge van dwarskracht. Dit gaf aanleiding een meer-cellige kokerligger te ontwerpen (fig. 5). Hierbij worden deinterne lijven voornamelijk aangewend om extra dwarskrachtop te nemen.Aan beide zijden van de kokerligger zijn vleugels ontworpenwaar de leidingen in geplaatst worden. Zodoende kunnen dezeeenvoudig van bovenaf worden ge?nstalleerd. Bovendienontstaat hierdoor de mogelijkheid de onderzijde van de brug inschoon beton uit te voeren. Het beton heeft dan afgezien vande constructieve functie ook een aandeel in de verschijnings-vorm van Happy Street. De leidingruimte zal worden afgedektmet een zwaluwstaartvloer, waardoor een 5 m breed brugdekontstaat.De platformen voor de expositiehuisjes worden gevormd dooruitkragende liggers. Deze worden doorgestort in de koker ennagespannen (fig. 44).23Happy Street: van staal naar beton 42011 | online11501100600115027005000FpwMet Scia ESA PT is vanuit eenvoudige tweedimensionalemodellen naar een driedimensionaal rekenmodel gewerkt (fig.7). De kolommen, brugligger en platformliggers zijn gemodel-leerd. Hierbij zijn de gebogen liggers gesegmenteerd in rechtedelen van 2,0 m. De expositiehuisjes zijn als puntlasten op deplatformen geplaatst. Er is onderscheid gemaakt in belastingenin de binnen- en buitenbocht. Hiermee zijn belastingcombina-ties opgesteld waarmee de invloed van torsie maximaal is.VoorspanningDoor met kolommen te schuiven is de invloed op de krachts-werking geanalyseerd en is een optimale locatie bepaald. Hierbijzijn vooral de torderende momenten zo klein mogelijk gehou-den. Vervolgens is op dit model de voorspanbelasting aange-bracht. Hiermee is de invloed van de voorspanning op deDoor een grens te stellen aan de maximale buigtrekspanningen(kleiner dan 0,25 maal de gemiddelde buigtreksterkte,NEN6720, art. 8.2.3.3) kan een hogere schuifspanning wordenopgenomen zonder dat het beton scheurt. Dit heeft directinvloed op de torsiecapaciteit. De opneembare schuifspanning1is berekend met de volgende vergelijking, analoog aan decirkel van Mohr (vergelijking 2).1 =Iy____d . S. (f2b + fb . 'bmd)waarin:Iyis het traagheidsmoment;S is het statisch moment;d is de nuttige hoogte van de doorsnede;fbis de rekenwaarde van de treksterkte van beton;'bmdis de normaalspanning ten gevolge van voorspanning.456 7diagonalen van betoninklemmingtorderend moment T op uiteindeHappy Street: van staal naar beton5 2011 | onlineonlinekolomkop doorkoppelingkokerligger1100waartse lijnlast boven het steunpunt (fig. 11).De resultaten zijn bepaald en de invloed van de krommings-druk is geanalyseerd en aangepast. Met een iteratief proces isgetracht een situatie te cre?ren waarbij de combinatie vandwarskracht, buigende momenten en torderende momentenoptimaal is. Hierbij was de eis dat de buigtrekspanningenoveral konden worden weggespannen.Vanuit de resultaten zijn de spanningen handmatig berekend.Per segment zijn de schuifspanningen en buigtrekspanningenbepaald. Waar niet werd voldaan aan de vastgestelde unitycheck is de voorspanning in het rekenmodel aangepast, waarnade resultaten opnieuw zijn geanalyseerd. Een situatie is ontstaanwaarin alle liggerdelen ongescheurd blijven. Hiermee wordt detorsieweerstand gewaarborgd. Een beschouwing van de vervor-mingen wees uit dat de constructie ook voldoende stijf was.De gehele betonconstructie zal in het werk worden gestort.Sterkteklasse C53/65 is toegepast. Een bouwmethode is ontwik-keld waarbij eerst de kolommen worden gestort. Hieropworden zogenoemde kolomkoppen gemaakt. Deze bestaan uiteen volgestorte koker en zullen daardoor vanaf de buitenkantniet waarneembaar zijn. Hierdoor kan de kracht vloeiendvanuit de ligger naar de kolom gaan en bovendien is ruimteontstaan om de spiraalverankering voor de voorspanning inaan te brengen.krachtswerking en bovendien op op de vervormingen inzichte-lijk gemaakt. Dit is een voorwaarde om een voorgespannenconstructie te ontwerpen. Voorspannen is tenslotte vervormen.Doordat de liggers gekromd zijn, konden de voorspankrachtenniet zondermeer op de uiteinden van de liggerdelen wordengeplaatst. Er is geen evenwicht waardoor een ongewenstmoment om de z-as ontstaat (fig. 10). Dit kan worden opgelostmet een tegengestelde horizontale lijnlast. Echter, het is eenonbepaald systeem waardoor een gedeelte van de krachten naarde kolommen gaat. Daarnaast zijn de gekromde elementengesegmenteerd, waardoor het geen zuivere bogen meer zijn.Met als gevolg dat een omvangrijk iteratief proces benodigd isom tot een kloppend model te komen.Besloten is om de voorspankracht per segment van 2,0 m in tevoeren. In principe zijn dan alle afzonderlijke segmenten in even-wicht. Nog steeds ontstaat een ongewenst moment in het model.Omdat deze fout equivalent is aan een excentriciteit van maxi-maal 0,1 m op een liggerbreedte van 5 m, is deze verwaarloosd.In de lijven liggen de stengen verticaal gebogen. Door demomentenlijn te benaderen ontstaat een krommingsdruk diede krachtswerking positief be?nvloedt. De krommingsdruk isals een verticale lijnlast op de liggers geplaatst. Bij het aanbren-gen is nadrukkelijk rekening gehouden met het feit dat devoorspankrachten altijd evenwicht maken. De opwaartse lijn-last in het veld is daarom altijd gecompenseerd met een neer-89staalontwerpHappy Street: van staal naar beton 62011 | onlinegeen evenwichter ontstaat een moment om de z-aswel evenwichtmoment om de z-as wordt opgehevenxyzFpw Fpw Fpw FpwqpwL2 L2L1qpw,n=(L1-2 L2) qpw,o2L2qpw,neerwaartsqpw,opwaarts8 Doorkoppelen voorspanstrengen ter plaatsevan kolomkop9 Achterzijde staalontwerpversus betonontwerp10 Voorspankracht opgekromde ligger11 Verloop voorspanstrengen in ligger en invoer inrekenmodelverschil tussen het staal- en het betonontwerp ter plaatse vanhet brugdeel waar de meest expositiehuisjes zijn gevestigd.Door het verplaatsen van de kolommen lijken de platformennog verder uit te kragen. Hiermee is het dramatische beeld vande zwevende platformen versterkt en is het ontwerp voor debezoekers zowel op op als onder de brug spannender geworden.Afsluitend wordt opgemerkt dat dynamica en temperatuursbe-lastingen buiten het kader van het project vielen. Om deinvloed hiervan te bepalen is nadere uitwerking vereist. Daar-naast is optimalisatie van de voorspanning nauwelijks uitge-voerd. Dit ging voorbij aan de essentie van een afstudeerpro-ject. Door de strengen slim in de doorsnede te plaatsen zalzeker nog winst te behalen zijn. De brugliggers worden tussen twee kolomkoppen gemaakt.Twee punten liggen al vast waardoor het relatief eenvoudig is debekisting ertussen te stellen. De liggers kunnen ??n voor ??nworden bekist en gestort. Nadat ze voldoende zijn uitgehard,wordt de ligger op de kolomkop afgespannen. Door dezemethode kan de constructie tijdens het naspannen altijd vervor-men. De strengen voor de volgende ligger worden ter plaatsevan de kolomkoppen doorgekoppeld (fig. 8). Dit proces wordtvoor iedere brugligger herhaald. Met het alternatieve ontwerpin beton zijn minder kolommen zichtbaar op het maaiveld.Beton is toegepast voor de constructie, maar komt ook terug inhet uiterlijk. Hierbij is het concept van de architect behouden.Met een bouwmethode is aannemelijk gemaakt dat het alterna-tieve ontwerp uitvoerbaar is in China. Figuur 9 toont het1011betonontwerp