themaBeton of staal?220134themaDe materiaalkeuze wordt meestal ge?nitieerd door de construc-teur. Als de architectonische en de constructieve vorm samen-vallen of de constructie zichtbaar is, zal de architect een belang-rijke, soms doorslaggevende stem hebben bij de keuze. Afhan-kelijk van de contractvorm heeft ook de uitvoerende aannemerenige invloed op deze ontwerpkeuze.Tegenwoordig is er voor de constructie een breed aanbod vanmaterialen voorhanden: beton, staal, hout, aluminium, glas,steen en composieten en mengvormen. Toch wordt er voorna-Beton of staal?De materiaalkeuze voor een draagconstructie is eenbelangrijke beslissing bij het ontwerpen van bouw-werken. Wie, wanneer en hoe die keuze wordtgemaakt, hangt af van de situatie. Bepalend daarbijzijn functionaliteit, kosten, duurzaamheid, veilig-heid en cultuur.Keuze constructief materiaal in de bouwBeton of staal? 22013 5team kiest gezamenlijk de draagconstructie die in het ontwerpwordt opgenomen. Het voorstellen van alternatieven voor deconstructie is traditioneel het voorrecht van de constructeur.Als de draagstructuur een belangrijk onderdeel is van hetarchitectonische of klimaatconcept, hebben de architect enklimaatadviseur hier een grote invloed op (foto 2). In het gevalvan ge?ntegreerde contracten heeft ook de uitvoerende aan-nemer een belangrijke stem in het kapittel.De uiteindelijke keuze hangt niet alleen af van degenen die dekeuze maken en degenen die de voorstellen voorbereiden. Veelhangt af van de manier waarop de keuze tot stand komt enwelke facetten een rol spelen. Hoewel traditioneel vooral speci-fieke functionele prestaties en kosten een rol spelen, wordt er inde laatste vijf tot tien jaar meer ge?ntegreerd gekozen. Er wordtverder gekeken dan naar de bouwkosten alleen. Denk aan life-cycle-kosten en `total cost of ownership' of `present value'. Deinvloed van de keuze op andere facetten in de samenlevingwordt steeds belangrijker. We vatten dit samen als duurzaam-heid en verstaan hieronder de invloed van de keuze op hetklimaat, het milieu en langdurige sociale en economische stabi-liteit. Terwijl veiligheid van de draagconstructie een van demeest belangrijke prestaties is, is ook de veiligheid van deproductie van onderdelen en veiligheid tijdens de assemblageop de bouwplaats van zeer groot belang.1prof.dr.ir. Joop Paul MBAArup / TU Delftmelijk gekeken naar in het werk gestort beton, prefab beton enstaal. Dat zijn op dit moment nog steeds de meest gebruikteconstructiematerialen.KeuzeVoorstellen van alternatieven voor de draagconstructie enconstructieonderdelen worden gemaakt in het voorlopig en/ofdefinitief ontwerp. De keuze is echter pas definitief in de bouw-voorbereidingsfase. De typologie van de draagconstructie enhaar onderdelen en de gebruikte materialen maken tegenwoor-dig deel uit van een ge?ntegreerd systeem van draagconstructie,installaties, gevel en bouwkundige afwerking. Hoe dit omvat-tende systeem eruitziet, hangt af van de prestaties die hetgebouw moet leveren. Deze hangen op hun beurt af van defunctie van het gebouw of zijn onderdelen en de architectoni-sche en technische respons op de outputspecificatie of hetprogramma van eisen.In het ge?ntegreerde systeem wordt een integratie verlangd vande draagconstructie met architectuur, klimaat en installaties,gevel, brandveiligheid, akoestiek en bouwfysica. Het ontwerp- 21 Stedelijk Museum in AmsterdamArchitect: Benthem Crouwelfoto: John Lewis Marshall2 Nederlandse Ambassade in Addis Abeba:in het werk gestort zichtbetonArchitect: Dick van Gameren en Bjarne Mastenbroekfoto: Christian RichterthemaBeton of staal?220136beton en staal voortreffelijk samen. De keuze is dus niet staal ofbeton, maar voornamelijk `meer beton' of `meer staal'. Het gaaterom in welke verhouding de materialen het beste samenwer-ken voor de gewenste prestatie.De meest primaire materiaaleigenschappen voor alle construc-tieve ontwerpen zijn de sterkte en stijfheid en de toepassingvan de functie van draagconstructie waarin primair sterkte,stijfheid en stabiliteit zijn gewaarborgd.Secundaire materiaaleigenschappenNaast de primaire kunnen ook de secundaire materiaaleigen-schappen een belangrijke invloed hebben op de keuze. Het gaathierbij om de navolgende eigenschappen.- Massa (laag): Om dezelfde sterke en stijfheid te genereren, isstaal lichter dan beton. Voor constructies waar het eigen gewichtvan de constructie een groot deel van de totale belasting vormt,zoals bij grote overspanningen (foto 3), grote uitkragingen ensuperhoogbouw, wordt daarom vooral staal gebruikt. Dit is ookhet geval voor bewegende constructiedelen.- Plastisch gedrag: In geval van wisselende en onvoorspelbarebelastingen ? zoals aardbevingen of ontploffingen ? willenwe de constructie niet een bros maar plastisch karakter gevendie energie moet kunnen opnemen. In deze situatie wordtvaak staal toegepast.- Brandwerendheid: Als een constructieve functie gecombi-neerd kan worden met een omhulling van een vluchtweg,zullen de gunstigere materiaaleigenschappen van beton metbetrekking tot brandwerendheid veelal resulteren in eenuitvoering in beton.- Massa (hoog) + brandwerendheid: Als de constructievefunctie gecombineerd wordt met een akoestische scheidingen/of een brandscheiding ? zoals bij woningbouw ? zal hetgecombineerde element vaak worden uitgevoerd in beton.- Massa (hoog) en demping: Voor wisselende belastingen doorwind, verkeer, machines en mensen zijn zware constructiesWelke van deze prestaties ? functionaliteit, kosten, duurzaam-heid en veiligheid ? in een keuze worden meegenomen en hoede onderlinge prioriteit en rangorde wordt bepaald, is in toene-mende mate van invloed op de uiteindelijke keuze van hetge?ntegreerde systeem. Een andere, belangrijke factor op deuitkomst is de manier waarop wordt gemeten. Tegenwoordig ishet van groot belang wat we met duurzaamheid bedoelen enhoe we de verschillende duurzaamheidsprestaties meten enwelke we meenemen. De genoemde prestaties komen lang nietaltijd in dezelfde weging voor en ook het zoeken naar eenconstante verbetering van deze prestaties heeft een belangrijkeinvloed op de keuze. Deze keuze hangt af van de prioriteitendie door het ontwerpteam bewust worden toegekend.Primaire materiaaleigenschappenDe meest fundamentele verschillen tussen beton en staal zijn:? beton is goed in het opnemen van druk en staal in hetopnemen van trek;? beton is bros en staal is plastisch;? het behoud van eigenschappen onder vuurbelasting is voorbeton gunstiger dan voor staal;? staal corrodeert in aanraking met water, terwijl beton dit nietdoet.In het werk gestort beton en prefab beton gaan uit van decombinatie van de gunstige eigenschappen van beide materia-len staal en beton. Beton zonder staal wordt voor draagcon-structies niet of nauwelijks toegepast. Staal zonder beton wordttoegepast in draagconstructies in de vorm van kolommen enbalken, terwijl stalen vloeren altijd samenwerken met eenbetonnen deklaag. In de meeste gevallen werken de materialen3Vergelijking verschillende landenVerschillende landen kunnen door specifieke omstandighedengrote verschillen laten zien in de toegepaste materialen voordraagconstructies. Engeland en Nederland verschillen weinig inopgelegde belastingen. Toch zijn er grote verschillen in verdie-pingsbouw bij kantoren. Door aanslagen van de IRA in de jarenzeventig en tachtig van de vorige eeuw zijn er in Engelandstrenge eisen voor gedrag van constructies als gevolg van explo-siebelasting. Dit in relatie met specifieke gebeurtenissen ? hierhet instorten van een prefabbetonnen verdiepingsgebouw inRonan Point in 1968 ? hebben ervoor gezorgd dat draagcon-structies van kantoorgebouwen in Engeland voornamelijk vanstaal zijn, terwijl deze in Nederland voor een veel groter deel vanprefab beton zijn. We noemen dit dan vaak bouwcultuur, maardie is meestal altijd terug te voeren naar specifieke oorzaken.Beton of staal? 22013 73 Aquatic Center in Londen: stalen ruimtelijke vakwerkconstructieArchitect: Zaha Hadid Architectsfoto: Hufton+Crow4 Stedelijk Museum in Amsterdam: kelder in beton en bovenbouw in staalArchitect: Benthem Crouwelfoto: Philip NijmanBeton:? Hoogbouw in woningbouw ? combinatie krachtswerking enakoestiek.? Kern van gebouwen ? combinatie krachtswerking en brand-werendheid.? Kelder en funderingsconstructies (m.u.v. palen) ? combinatiekrachtswerking, maakbaarheid op locatie en corrosiegevoe-ligheid.? Tribunes bij sportstadia ? krachtswerking en werking onderdynamische belasting.Staal:? Gestapelde gebouwen in zware aardbevingszones ? combina-tie van krachtswerking, plasticiteit en lage massa.? Daken van sportstadia ? combinatie van krachtswerking enlage massa.? Bewegende delen ? combinatie van krachtswerking en lagemassa.? Elementen onder alleen trekkrachten.Marktstructuur en kennisinfrastructuurMarktstructuurDe marktstructuur op een bepaalde locatie bepaalt de kostenvan materialen en arbeid om de materialen tot een constructiete verwerken. De kosten verschillen van land tot land. Dezeverschillen zijn significant en kunnen snel veranderen ? vooralmoeilijker in beweging te krijgen. In combinatie met eenhogere demping is beton in deze situatie meer geschikt danstaal. Ook is dit gunstig voor functies waar de trillingen vaneen zeer laag niveau moeten zijn zoals laboratoria.- Corrosiegevoeligheid + waterdichtheid: Omdat staal gemakke-lijk corrodeert als het in aanraking met water en lucht komt,zal bij een wisselend contact met water een constructie veelalworden uitgevoerd in beton, ook omdat het een goede water-dichting vormt (foto 4).Specifieke gebouwen en/of bouwdelen die (onafhankelijk vanandere factoren) bijna altijd in een specifiek materiaal zijnuitgevoerd, zijn:4themaBeton of staal?2201385 NIOO, Wageningen: betonnen draagconstructieArchitect: Claus en Kaan Architectenfoto: Sebastian van Damme6 Atlantic Yards in New York: modulair stalen woning verdiepingsbouwArchitect: SHoP Architectsbron: SHoP Architects7 AAMI Park Melbourne: dak als stalen ruimtelijke vakwerkconstructieArchitect: Cox Architects and Plannerfoto: John Gollingsde prijzen van staal en cement zijn instabiel, omdat deze doorde wereldmarkt worden bepaald.Ook bepaalt de marktstructuur de productiecapaciteit van dematerialen of van de verwerking van deze materialen tot half-fabricaten ? zoals staalconstructies, prefab betondelen of wape-ningskorven ? en eindfabricaten. Capaciteit in combinatie metconcurrentie zijn van groot belang voor de prijs en de levertij-den voor materialen en specifieke halffabricaten. Toegang vanuitvoerende bouwbedrijven tot specifieke capaciteit, die garantstaat voor een zekere levering, tegen bepaalde kosten en op eenbepaald tijdstip, zijn van belang bij de uiteindelijke keuze.Vooral als deze keuze voor een belangrijk deel bij de uitvoe-rende aannemer ligt. Sommige aannemersbedrijven hebbenintern een bepaalde productiecapaciteit, die bij andere bedrij-ven extern geregeld wordt. Welke soort productiecapaciteitaanwezig is, speelt soms een grote rol in de afweging.Afstand van transport en mogelijkheden van transport ? toteen betoncentrale, prefab leverancier of staalbedrijf ? kunnenvan significante invloed zijn op de keuze van het materiaal.KennisinfrastructuurBuiten de marktstructuur is de kennisinfrastructuur vanbelang. De scholen en universiteiten die onderwijzen overmaterialen, toepassingen en het ontwerpen van draagconstruc-ties zijn van invloed op de gekozen materialen. Afhankelijk vanhet land, de lokale tradities en de universiteit ligt er soms denadruk op de toepassing van een bepaald soort constructiema-teriaal, hetgeen wordt doorgegeven aan de ontwerpende enuitvoerende professies.De neerslag van onderzoek in ontwerpcodes en ontwerp- enuitvoeringsaanbevelingen zijn van groot belang voor de toepas-sing van specifieke materialen. Doordat onderzoek wordt gefi-nancierd door specifieke partijen uit de markt, die zich focus-sen op een specifiek materiaal, kan een verschil ontstaan in hetkennisniveau tussen de toepassing van verschillende materia-len. Dit vindt direct zijn weerslag in het onderwijs omdat deonderzoekers vaak de docenten zijn die studenten de laatstestand der techniek bijbrengen.De marktstructuur en kennisinfrastructuur kunnen gezamen-lijk worden gezien als de bouwcultuur binnen een bepaaldestreek of een land.56Beton of staal? 22013 9De bouwsnelheid van in het werk gestort beton is in vergelij-king met staal en prefab beton laag.Invloed huidige ontwikkelingenEr zijn vier nieuwe ontwikkelingen die de keuze van beton enstaal kunnen be?nvloeden:? duurzaamheid;? ontwikkeling van nieuwe materialen en productietechnieken;? nieuwe contractvormen;? procesveranderingen.DuurzaamheidDuurzaamheid van materialen kan op zeer verschillendemanieren worden gedefinieerd. In de bouw worden devolgende drie zaken bijna altijd meegenomen. 1: De hoeveel-heid energie die nodig is om het materiaal te fabriceren (embo-died energie) in relatie tot een bepaalde prestatie (trekkracht,drukkracht of stijfheid). 2: Put het gebruik een schaarse reservevan het materiaal uit. 3: Bestaat de mogelijkheid tot hergebruikvan het materiaal.Als er alleen gekeken wordt naar energie is hout het meestgunstig, gevolgd door beton en staal. Voordeel van staal isechter dat het (gemakkelijk) kan worden hergebruikt, terwijlhout ? in principe ? geen eindige reserve kent. De trend die wewaarnemen, is dat hout als constructiemateriaal een nieuweappreciatie ondervindt en er veel onderzoek is naar de toepas-sing van hout als draagconstructie in de verdiepingsbouw.Productie- en uitvoeringsprocesPrefabricageHet productie- en uitvoeringsproces voor de respectievelijkematerialen is verschillend. Staalconstructies en prefab betonworden in de werkplaats of fabriek geprefabriceerd en afmetingenkunnen op de bouwplaats in principe niet worden veranderd.Afmetingen, vorm en materiaalsterkte moeten in een vroegstadium vastliggen om de prefabricage mogelijk te maken. Prefa-bricage heeft verschillende voordelen. De geconditioneerde fabri-cage in de fabriek of werkplaats leidt tot een snelle productie methoge kwaliteit en kleine toleranties. Het fabriceren van zeercomplexe onderdelen is mogelijk, ook omdat de vorm vanproductie de kennisontwikkeling en productie bij elkaar houdt enmogelijkheden ontstaan voor product- of procesverbetering.Prefabricage zorgt voor een snelle assemblage en daardoor hogebouwsnelheid op de bouwplaats.In het werk gestort betonDe vorm, de afmetingen en de hoeveelheid wapening van inhet werk gestort beton kunnen een korte tijd voor de fabricagein het werk worden bepaald en kunnen als nodig tijdens defabricage in het werk nog worden veranderd. Dit kan een grootvoordeel zijn als veranderingen tijdens de uitvoering wenselijkzijn of er (grote) onzekerheden zijn over de randvoorwaardendie worden aangetroffen op de bouwplaats, zoals niet-verwij-derbare funderingsdelen in de ondergrond of het bouwen op oftegen bestaande constructies. Ook bij veranderingen tijdens hetgebruik is in het werk gestort beton in het voordeel. In het werkgestort beton is een robuuster materiaal en in het werk gestortebetonconstructies hebben vaak impliciet meerdere draagwe-gen, maar zijn ook gemakkelijker aanpasbaar. Wijzigingenachteraf ? zoals het aanbrengen van sparingen in vloeren ofwanden ? zijn vaak eenvoudiger bij in het werk gestort betondan bij andere materialen.Sportstadions ? voornamelijk functioneelbepaaldDe keuze van materialen in sportstadions wordt voornamelijkbepaald door de functionele eisen (foto 7). De tribunes zijn bijnaaltijd van beton door het betere trillingsgedrag van beton onderwisselende publieksbelasting in combinatie met een minderecorrosiegevoeligheid. De daken ? met meestal grote overspan-ningen ? zijn bijna altijd uitgevoerd in staal.7themaBeton of staal?22013108 Canton TV Tower, Guangzhou in China:stalen vakwerkconstructie met betonnen kernArchitect: Information Based Architecturefoto: Zhou Ruogu Architecture PhotographyConstructeur project 1 t.m. 8: ArupOntwikkeling nieuwe materialen en productietechniekenHet ontwikkelen van nieuwe materialen tot volwaardigeconstructiematerialen begint meestal met een toepassing vooreen specifieke constructie of een specifiek onderdeel. Vaakwordt gekeken naar de toepassing van materialen in de auto- ofvliegtuigindustrie. Bredere verspreiding wordt vaak sterk gesti-muleerd bij het beschikbaar komen van normen en ontwer-prichtlijnen in combinatie met onderwijs over de mogelijketoepassingen. Dit is meestal het signaal dat kosten van de mate-rialen in ieder geval voor bepaalde toepassingen concurrerendworden voor de bestaande materialen. Een voorbeeld hiervanis dat de ontwikkeling van kunststoffen, die een licht gewichtcombineren met een lage corrosiegevoeligheid, voor sommigetoepassingen interessant kunnen zijn.Nieuwe contractvormenNieuwe, ge?ntegreerde contracten verschuiven onderlingeverhoudingen. Bij deze nieuwe contracten worden ontwerp,uitvoering, onderhoud en gebruik de verantwoordelijkheid van??n partij. Hierdoor kan er een betere afstemming plaatsvindenvan de functionele eisen waaraan het gebouw moet voldoenmet de specifieke vaardigheden en ontwerp-, productie- enonderhoudscapaciteit van deze partij. In de huidige markt zijnhet vooral bouwondernemingen die deze verantwoordelijkhe-den naar zich toetrekken en een grotere invloed krijgen op dekeuze van het constructiemateriaal.ProcesveranderingenDe wens om bouwtijd, risico's en faalkosten te beperken, zorgtvoor veranderingen in het bouwproces. De meest belangrijketrend die al sinds tientallen jaren is ingezet, is de toenemendemate van prefabricage van gebouwonderdelen. De trend gaatsteeds verder en er zijn voorbeelden, waar ge?ntegreerdegebouwonderdelen of delen van een gebouw kant-en-klaar opde bouwplaats worden afgeleverd. Uitvoering ? het in elkaarzetten op de bouwplaats ? is dan een belangrijk uitgangspunt,waarbij de kraancapaciteit een belangrijke rol speelt. Er is eentrend waarneembaar dat lichtere materialen voor deze speci-fieke toepassing in het voordeel zijn en leiden tot onconventio-nele oplossingen (foto 6).Tot slotDe keuze voor het materiaal van een draagconstructie is steedsmeer een keuze voor een specifiek ge?ntegreerd systeem.Slechts in een zeer beperkt aantal situaties wordt gekozen opbasis van de primaire materiaaleigenschappen alleen. Naast desecundaire eigenschappen van een materiaal is het van belanghoe de keuze wordt gemaakt ? welke aspecten worden meege-nomen in de afweging ? en wie de grootste invloed heeft op dekeuze. Superhoogbouw ? diverse factoren bepalen keuzeDe keuze tussen beton en staal wordt meestal gemaakt op basisvan functionele eigenschappen (foto 8). Er zijn diverse belang-rijke factoren: aanwezigheid van aardbevingen, aanwezigheidvan tyfoons, aanwezige ondergrond, de gebruiksfunctie, brand-gedrag en de lokale markt. Minder draagkrachtige ondergrond,aardbevingen, en floor ratio's hebben een gunstige invloed ophet gebruik van staal als materiaal. Aanwezigheid van tyfoons,gunstig gedrag onder brand, woonfunctie en goedkope, lokalearbeidskrachten en lokale, lage kosten voor beton hebben eengunstige invloed op het gebruik van beton als draagconstructie.Boeiend in deze context is het hoogste gebouw ter wereld BurjKhalifa in Dubai ? geheel van beton ? en het twee na hoogstegebouw Taipei 101 ? geheel van staal.8