Betonnen vakwerk draagt schoolgebouw8201212Betonnenvakwerk draagtschoolgebouwDe Noordelijke Hogeschool in Leeuwarden was aaneen uitbreiding en renovatie toe. Rondom hetbestaande gebouw is daartoe een twee verdiepin-gen hoge `glazen ring' gebouwd. De hoofddraag-constructie van deze nieuwbouw bestaat uit eenprefab-betonnen vakwerk. Veel aandacht was ervoor de meest effici?nte onderverdeling van hetvakwerk in een beperkt aantal standaardelementen.Uitbreiding Noordelijke Hogeschool Leeuwarden met intelligente knopenBetonnen vakwerk draagt schoolgebouw 82012 131 Twee verdiepingen hogegevelvakwerken en groteuitkragingen bepalen hetbeeld van de NoordelijkeHogeschool inLeeuwardenfoto's 1, 2, 3 en 10:John Lewis Marshall2 Grote uitkragingen aan hetuiteinde en in de hoekenonderstrepen het idee dathet gebouw boven hetmaaiveld is uitgetildDe Noordelijke Hogeschool in Leeuwarden (NHL), naar eenontwerp van Herman Hertzberger, is een eyecatcher in deFriese hoofdstad. De school is uitgebreid en gerenoveerd. Debestaande school uit de jaren zeventig bestond uit een grootaantal rechthoekige bouwdelen met kleine klaslokalen en wasniet meer geschikt voor het hedendaagse onderwijs. Hertzber-ger plaatste de uitbreiding, drie lagen met een totale vloer-oppervlakte van ruim 14 000 m2bvo, in een rechthoekige vormrondom het bestaande gebouw. Over een groot deel is debegane grond opengewerkt, waardoor de eerste en tweedeverdieping zweven en de oudbouw goed bereikbaar en zicht-baar is. De totale lengte van het gebouw, over alle zijden, isongeveer 550 m. Op strategische posities zijn verbindingengeplaatst tussen het oude en het nieuwe gedeelte. Een grotefietsenkelder bevindt zich in de zuidwesthoek onder hetgebouw. In de hoeken en aan de uiteinden van het gebouwbevinden zich grote uitkragingen om het idee te onderstrependat het gebouw boven het maaiveld is uitgetild.Constructief ontwerpDe hoofddraagconstructie van de nieuwbouw bestaat uit gevel-vakwerken, direct achter het glas, met als constructiehoogte degehele gevelhoogte van twee verdiepingen, ofwel 7,2 m. Metdeze constructiehoogte kunnen de uitkragingen van maximaal14,8 m eenvoudig worden gerealiseerd. Op de beganegrond-verdieping bestaat het vakwerk uit schuin geplaatste kolommendie zich in de buitenlucht bevinden. De kolomafstand op maai-veldniveau is 14,4 m, gebaseerd op een stramienmaat van 7,2 m.Van belang voor deze keuze van het draagsysteem waren vooralde gewenste overkragingen in de hoeken en uiteinden van hetgebouw. Uit verscheidene opties is uiteindelijk een gevel-vakwerk als meest optimale oplossing naar voren gekomen.Door de ontwerpeisen als flexibiliteit en transparantie waren ergeen kolommen toegestaan in het inwendige van het gebouw,waardoor de constructie in de gevel geplaatst moest worden.Andere mogelijke varianten als wandliggers vielen gezien degewenste geveltransparantie snel af.Het vakwerk is uitgevoerd in geprefabriceerd beton. Ter plaatsegestort zou qua bekisting veel te ingewikkeld zijn. Een uitvoe-ring in staal zou weliswaar eenvoudig te bouwen zijn, maar isop gebied van brandwerendheid, benodigde bouwkundigeafwerking en kosten afgevallen. Gezien de grote repetitiegraadkon een effici?nt ontwerp in prefab beton worden gemaaktwaarmee de vereiste zeer korte bouwtijd haalbaar was. Wel zater een aantal ontwerpuitdagingen in, met name op het gebiedvan het knoopontwerp en de detaillering van de trekelementen.Deze uitdagingen worden verderop besproken.12ir. Andr? de Roo MBAArcadisBetonnen vakwerk draagt schoolgebouw8201214lastig om een goede dilatatie in een vakwerk te maken omdat jedan ook een aantal diagonalen doorsnijdt. Bij dit ontwerp zouhet nog lastiger zijn, omdat de kolomposities in voor- enachtergevel verspringen over een afstand van 7,2 m. Daarom isbesloten geen dilatatievoegen toe te passen, maar ??n integraleconstructie te realiseren. De aanwezige spanningen ten gevol-gen van krimp en kruip zijn gemodelleerd met behulp van eentemperatuurbelasting en bleken een orde lager dan de spannin-gen door eigen gewicht en veranderlijke belastingen. De conse-quenties voor de wapening waren derhalve beperkt. De krimpvan prefab beton is sowieso gelimiteerd, omdat een deel al isopgetreden alvorens ze in hun eindpositie op het werk wordengeplaatst.Het feit dat de vloeren van het gehele gebouw nu gezamenlijk??n stijve schijf zijn, heeft grote voordelen voor de totale stabi-liteit. Er zijn nu minder kernen en/of wanden nodig omdat ermaar ??n bouwdeel is. De stabiliteit loodrecht op het gebouwwordt verzorgd door in totaal zeven kernen, waarin de trappenen liften zijn gehuisvest. De stabiliteit in langsrichting wordtverzorgd door een combinatie van dezelfde kernen en de gevel-vakwerken. De betonnen kernen zijn vrij zwaar gewapendomdat de verhouding tussen direct aangrijpende belasting enwindbelasting/aanpendelende belasting ongunstig is.De kernen zijn van ter plaatse gestort beton en staan op zwarepoeren met 60 palen.KnooppositieZoals eerder gemeld, was ??n van de grootste ontwerpuit-dagingen het bepalen van de meest effici?nte positie van deknopen en de wijze waarop het vakwerk in zo weinig mogelijkstandaardelementen kon worden onderverdeeld.De voornaamste doelen die moesten worden bereikt met deknooppositie waren:? het minimaliseren van het aantal elementen dat in ??n knoopaansluit;? het minimaliseren van de buigende momenten in de balken;? het minimaliseren van het aantal standaardelementen;? het faciliteren van een eenvoudige assemblage, zonderuitgebreide hulpconstructies.Het eindresultaat is weergegeven in figuur 5. De knopen van debeganegrondkolommen zijn geplaatst aan de uiteinden, ter plaatsevan de balken. De kolommen zijn verzonken uitgevoerd in diebalken. De horizontale componenten van de kolomkrachtenworden op deze wijze door contactdruk overgebracht.De knopen in de balken zijn geplaatst op een afstand van 1,0 muit de systeemknopen van het vakwerk. Op deze manier werdhet knoopontwerp versimpeld omdat er minder elementen op??n plaats samenkomen. Tevens reduceert het de maximaalDe toegepaste sterkteklasse van het beton is C54/65. De (diago-nale) kolommen en balken hebben de volgende afmetingen:? kolommen begane grond: vierkant 500 mm? kolommen verdieping: vierkant 350 mm? balken niveau 1: 800 x 550 mm? balken niveau 2: 600 x 550 mm? dakbalken: 600 x 550 mmDe vloeren zijn uitgevoerd als kanaalplaatvloeren en overspan-nen van gevel naar gevel. Dit was gezien de overspanning van12,0 m en de veranderlijke belasting van 4,0 kN/m2een voor dehand liggende keuze. De kanaalplaten zijn voorzien van eendruklaag van 60 mm die naast het verhogen van de moment-capaciteit ook bijdraagt aan de schijfwerking.Het gebouw is gefundeerd op mortelschroefpalen ?450 mm.De lengte is 19 m en de maximale draagkracht 1250 kN. In eenbeperkt aantal situaties komt een trekbelasting voor. Daar is destandaardwapening verzwaard naar zes staven ?20 mm. Dekolommen staan op zware betonnen poeren, met eenmaximum van 10 palen per poer.StabiliteitssysteemDe constructie is uitgevoerd zonder dilatatievoegen, ondanksde totale lengte aan de noordzijde van bijna 200 m. Door devakwerkconstructie zal krimp of uitzetting altijd tot krachten inde diagonalen leiden, onafhankelijk van de vrije lengte. Devloeren kunnen in het vlak namelijk niet vrij vervormen,omdat dat door de diagonalen wordt verhinderd. Verder is het3Betonnen vakwerk draagt schoolgebouw 82012 153 Dragende gevelvakwerken maken een flexibel en transparant interieurmogelijk zonder kolommen4 Plaatsing van de V-kolommen tussen de eerste en tweede verdiepinglange balk direct voor stabiliteit aan de beganegrondkolommendoordat er een stijve driehoek ontstaat. Deze driehoekenworden later gekoppeld door de kortere tussenbalken.Tussen de eerste en tweede verdieping zijn de kolommen enbalken gecombineerd tot V-elementen. Er zijn geen lossekolommen op dit niveau aanwezig, wat het aantal elementen enverbindingen drastisch reduceert. Deze driehoekige elementenzijn van zichzelf stabiel en dat maakt een eenvoudige plaatsingmogelijk. De uitwendige afmetingen van de elementen zijn5,4 x 3,6 m, zodat ze nog goed over de weg kunnen wordenvervoerd. Ze zijn na plaatsing gekoppeld door een serie kleinebalkelementen (BB-balken).Tussen de tweede verdieping en de dakverdieping wordenalleen de kolommen gecombineerd tot zogenaamdeA-elementen. Ook dit zijn in zichzelf stabiele elementen die opeenvoudige wijze kunnen worden geplaatst. Ze zijn verzonkenin de onderliggende en bovenliggende balken. De dakbalken(BC-elementen) zijn, analoog aan de eerste verdieping, onder-optredende momenten in de balken en vergemakkelijkt het deuitvoering. Alle knopen zijn uitgevoerd als zuivere scharnieren.ElementenDe kolommen van begane grond tot de eerste verdieping (op5,75 m + p) zijn losse elementen met een afmeting van vierkant500 mm. Deze worden voornamelijk op druk belast. Eenbeperkt aantal kolommen is onderhavig aan aanrijdbelastingen.Ter plaatse van de horizontale krachtsinleiding ontstaan lokalebuigende momenten bovenin de kolom. Hiervoor is extrakopwapening aangebracht.Met uitzondering van kleine detailafwijkingen bij de voetaan-sluitingen hebben alle kolommen dezelfde vorm.Doordat de (BA-)balken op niveau 5,75 m + p de element-knopen op een afstand van 1,0 m buiten de systeemknoophebben, resulteert dit in lange balken van 10,2 m en kortetussenbalken van 4,2 m. De knooppositie komt goed overeenmet het momentennulpunt. Tijdens de uitvoering zorgt de4Betonnen vakwerk draagt schoolgebouw820121672003600 36003600360072001267517257200 7200 7200350350500175175250250330220550175175330550220plaat 115 X 300 X 20HE-profiel5 Uiteindelijke knoopposities en onderverde-ling van hoofdconstructie in sub-elementen6 Verbinding tussen de BG-kolommen enBA-balken7 Verbinding tussen de BA-balken enBB-balken8 Verbinding KA-kolom aan KV-kolom9 Verbinding in BC-balkenVerbindingsontwerpHet ontwerpen van de verbindingen was ??n van de hoofd-aspecten van deze constructie. De primaire functie van deverbinding is uiteraard het overdragen van de krachten. Maarsecundaire functies als eenvoud van fabricage en montagewaren in dit geval ook zeer van belang. Omdat het totalesysteem van de constructie een vakwerk is, zijn er geenbuigende momenten aanwezig in de verbindingen. De meesteverbindingen hoeven alleen drukkrachten over te dragen.Slechts een aantal verbindingen in de nabijheid van deuitkragingen wordt op trek belast.verdeeld in lange balken en korte balken, vanuit oogpunt vanbouwbaarheid. De knooppositie komt wederom goed overeenmet de locatie van de momentennulpunten zodat er eeneffici?nte constructie ontstaat.Het totaal aantal elementen in de constructie is als volgt:? beganegrondkolommen: 148? lange BA-balken: 74? korte BA-balken: 74? KV-kolommen: 144? BB-balken: 72? KA-kolommen: 144? lange BC-balken: 72? korte BC-balken: 72De totale constructie is hiermee teruggebracht tot een systeemvan acht standaardelementen. Uiteraard zijn er subtypenaanwezig door verschillen in wapening, instortvoorzieningenen ankerbouten, maar de hoofdvorm is per standaardelementgelijk. Op deze wijze is een zeer effici?nt bouwsysteemontwikkeld dat een snelle en eenvoudige productie en montagemogelijk heeft gemaakt.57896Betonnen vakwerk draagt schoolgebouw 82012 1710 De gevelvakwerken maken een flexibelgebruik van de ruimte mogelijkeMontagevolgordeDe montagevolgorde bestond uit de volgende stappen:? plaatsen van de kolommen op maaiveldniveau;? plaatsen van de lange BA-balken om de kolommen tekoppelen tot een stijve driehoek;? plaatsen van de korte BA-balken om de stijve driehoeken tekoppelen;? aanbrengen van de kanaalplaten van de eerste verdieping;? plaatsen van de KV-kolommen (deze zijn van zichzelfstabiel);? plaatsen van de BB-balken om deze elementen te koppelen;? aanbrengen van de kanaalplaten op de tweede verdieping;? aanbrengen van de KA-kolommen (deze zijn van zichzelfstabiel);? plaatsen van de lange BC-balken;? plaatsen van de korte BC-balken;? aanbrengen van de kanaalplaten op het dak.Tijdelijke ondersteuningen waren alleen nodig op maaiveld-niveau. Een standaardondersteuningstoren is ontwikkeld omde onderste kolommen in de juiste positie te stellen en teondersteunen totdat de definitieve koppeling met de balkengereed was. Bij de uitkragingen in de hoeken en de uiteindenvan het gebouw zijn tijdelijke stalen kolommen toegepast,omdat het gevelvakwerk pas functioneert als het tot aandakniveau is aangebracht.Tot slotHet ontwerp heeft aangetoond dat vakwerken ook op succes-volle en economische wijze in prefab beton kunnen wordenuitgevoerd, mits er voldoende repetitiegraad is en er voldoendeaandacht aan de verbindingen wordt besteed. De school issinds 2009 naar volle tevredenheid in gebruik, waarbij metname de flexibiliteit in het gebruik en het expressionistischebeeld worden genoemd en geroemd door de gebruikers. Verbinding tussen de BG-kolommen en BA-balkenDe verbinding tussen de kolommen op de begane grond en deBA-balken op de eerste verdieping bestaat uit een inkassing inde onderzijde van de balk waarin de kolom wordt geplaatst. Dediepte van de inkassing is 150 mm, de stelruimte is 25 mm(fig. 6). De verticale component wordt door contactdruk over-gebracht aan de bovenzijde van de kolom. De horizontalecomponent wordt overgedragen door contactdruk aan de voor-kant. De bijdrage van wrijving van de verticale kracht aan dehorizontale component wordt buiten beschouwing gelaten. Ditschema leidt tot een lokaal buigend moment in de kolom waar-voor additionele wapening nodig is.Verbinding tussen de BA-balken en BB-balkenDe verbindingen tussen de BA-balken en de BB-balken op deverdiepingen zijn uitgevoerd als simpele tandopleggingen(fig. 7). Er worden geen buigende momenten overgedragen.Twee ankerstaven worden gebruikt voor montagedoeleindenen voor het opnemen van de lokaal aanwezige trekkrachten.Verbinding KV-kolom aan BA-balkDe samengestelde KV-kolommen op de eerste verdieping zijnverzonken aangebracht in een inkassing aan de bovenzijde vande BA-balk, met een diepte van 125 mm. Deze verbindingenzijn uitgevoerd zonder toepassing van ankers/ankerbouten. Ditwas mogelijk omdat de elementen zo gecombineerd zijn dat dedrukdiagonaal en trekdiagonaal als resultante altijd eendrukkracht opleverde. Deze verbinding maakte een snelleassemblage mogelijk.Verbinding KA-kolom aan KV-kolomDe standaardverbinding tussen de KA-kolom op de tweedeverdieping en het balkdeel van de KV-kolom op de tweedeverdieping is gelijk aan de voorgaande verbinding. Op ditniveau is er echter wel een aantal trekverbindingen aanwezig(fig. 8). Deze trekkrachten worden overgebracht door vierzware wapeningsstaven die door de balk heen de losse diago-nale kolommen aan elkaar koppelen. De ruimte tussen dewapeningstaven en de gains is met hars ge?njecteerd.Verbinding in BC-balkenIn de delen van de constructie nabij de uitkragingen bevindenzich lokaal trekkrachten in de bovenste balk tot een grootte van2000 kN. Voor deze verbinding is een speciaal detailontwikkeld (fig. 9). Aan de uiteinden van de lange balkenbevinden zich stalen schoenen die direct aan de axiale trek-wapening zijn verankerd. Het kortere tussenelement wordt ineerste instantie door Lenton-elementen gevormd. Deze kunnenop de bouwplaats worden gespannen, zodat het statischsysteem functioneert. Naderhand wordt daar een prefab balk-bodem onder geplaatst en wordt de bovenlaag afgestort.10