A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pH oogbou wcement 2006 1ing. J.P. van der Windt, Ingenieursbureau ZonneveldIn het vorige artikel is al aangegeven dat hoogbouw zichop veel aspecten onderscheidt van andere projecten.Naast de economie, gaat het daarbij vooral om de staticaen dynamica. Dit zijn bij uitstek de kennisdomeinen vande constructeur. Zijn inbreng in het ontwerpteam is danook zeer belangrijk.EconomieUit economisch oogpunt bepalen de bouwmethodeen bouwtijd voor een belangrijk deel de haalbaar-heid van het project. Het komt voor dat huur- ofkoopcontracten niet worden gesloten, omdat elderseerder ruimte beschikbaar komt. Ook de flexibiliteitvan hoogbouw is van belang. Daarmee wordt vooralhet eventueel toekomstige gebruik bedoeld. Hoog-bouw kan alleen rendabel zijn bij een lange econo-mische levensduur. Verder is het materiaalverbruik,vanwege de met de hoogte toenemende invloed vande windbelasting, in principe hoger dan bij laag-bouw.StaticaDoor de hoge verticale belasting verkorten de ver-schillende verticale elementen. Dit kan leiden totvervormingsverschillen en steunpuntszettingen.Door het hoge gewicht ontstaan ook zettingen in deondergrond. Dit heeft een uitstralingseffect naar deomgeving/belendingen. Verder treden door dewind grote horizontale belastingen op, die op fun-deringsniveau door de omringende ondergrondmoeten worden opgenomen.DynamicaDynamische belastingen door wind hebben invloedop de grootte van de vervormingen en de spannin-gen in de constructie. Daarnaast kunnen er voel-bare bewegingen in het gebouw ontstaan. Vervor-mingen van de hoofddraagconstructie door windhebben vervolgens invloed op de gevel en allerleibouwkundige elementen. De windbelasting zelf isafhankelijk van de omgeving en de ori?ntatie vanhet gebouw. Omgekeerd kan de hoogbouw de wind-druk of -zuiging op de omringende bebouwingsterk be?nvloeden.Een hoogbouwproject begint met het vaststellen vaneen flink aantal uitgangspunten, die al direct heelbepalend zijn voor de uitwerking ervan. Het is daar-om noodzaak in deze fase in goed overleg vast testellen wat de invloed en de reikwijdte van de ge-kozen uitgangspunten zijn. Het proces dat zichhierbij afspeelt, wordt geschetst aan de hand vanenkele aspecten uit het Coolsingelproject te Rotter-dam.C o o l s i n g e l p r o j e c tHet project omvatte oorspronkelijk een kantoorvo-lume van 50 000 m2en een parkeergarage voorminimaal 200 auto's. De hoogte bedroeg 185 m.De architect opteerde voor een transparant gebouw.Voor de opdrachtgever waren de netto-/brutover-houding, de flexibiliteit ten aanzien van het gebruiken de indeelbaarheid van de plattegrond (per 1,8 m)de belangrijkste aspecten. De plaats van de hoog-bouw was door de stedenbouwkundige enveloppeen de benodigde ruimte voor het theater aan deCoolsingel exact vastgesteld.Bovengenoemde punten zijn als vaste uitgangspun-ten ingebracht. De nieuwe hoogbouw was geprojec-teerd op een afstand van 4,0 m tot de belendingHotel Central en 8,0 m tot de bebouwing langs hetStadhuisplein (fig. 1).De constructeur in het hoogbouwontwerpproces:EEN FACTORVAN BETEKENIS1 |Coolsingeltoren op korteafstand van belendingenA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pH oogb ou wcement 2006 1 Door eerdere ervaring met hoogbouw wist de con-structeur dat de korte afstand naar de belendingenproblematisch zou zijn. Het hoge gewicht van het ge-bouw zou zettingen in de ondergrond veroorzaken.Na een quick scan bracht de constructeur het vol-gende advies uit:? het gebouw licht uitvoeren (staalplaatbetonvloe-ren);? twee extra parkeerlagen toepassen (vijf in plaatsvan drie). Omdat hierbij grond wordt verwijderd,neemt het gewicht op de samendrukbare lagenaf;? de afstand van de hoogbouw tot Hotel Centralvergroten naar 8,0 m.Dit laatste bleek overigens stedenbouwkundig nietmogelijk.Het advies is na toetsing en bestudering van anderevarianten door de opdrachtgever overgenomen. Delocatie Hotel Central is vervolgens aangekocht,zodat het kon worden gesloopt waardoor meerruimte beschikbaar is gekomen. Op de plaats vanHotel Central is vervolgens de inrit van de parkeer-garage gesitueerd.2 |Vergelijking slankheid/zwaar en licht bouwenDe invloed van de dynamische belasting op de constructie wordtvoor een groot deel bepaald door de volgende eigenschappen vande constructie c.q. van het gebouw.Deze waarden zijn in de tabel ingevoerd.massa = meigenfrequentie = fedemping = Dbreedte = bzwaar gebouw licht gebouw100 m/ slankheid 4 185 m/ slankheid 7 100 m/ slankheid 4 185 m/ slankheid 7fe= 0,45 fe= 0,25 fe= 0,45 fe= 0,25m = 4 000 000 kg/m m = 400 000 kg/m m = 200 000 kg/m m = 200 000 kg/mD = 0,01 D = 0,01 D = 0,01 D = 0,01b = 50 m b = 50 m b = 50 m b = 50 m1= 1,10 1= 1,22 1= 1,10 1= 1,222= 0,408 2= 0,61 2= 0,408 2= 0,61a = 0,06 a = 0,10 a = 0,12 a = 0,20a = versnelling in m/sec21= vergrotingsfactor voor de windbelastingCoopvaert teRotterdamGevelCoolsingeltorente RotterdamA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pH oogbou wcement 2006 110De constructieve opgave was vervolgens een licht enslank (1:7) gebouw te ontwerpen. In overleg met dearchitect is gekozen voor een gevelbuisconstructiemet diagonalen in elke gevel. Constructief was ditnoodzakelijk, omdat de kern van het gebouw onvol-doende capaciteit leverde voor de stabiliteit.Dit voorbeeld maakt duidelijk dat een aantal rand-voorwaarden zeer bepalend kan zijn en dat de keu-zes die in de beginfase moeten worden gemaakt,invloed hebben op vrijwel alle disciplines.P r o g r a m m a v a n E i s e nDoor de keuze voor een lichte en slanke constructiespelen de dynamische aspecten een grote rol bij deuitwerking van het ontwerp. Om dit te illustreren isin figuur 2 een vergelijking voor gebouwtypen aan-gegeven met slankheid 4 respectievelijk 8 en meteen groot eigen gewicht (zwaar) respectievelijk eengering eigen gewicht (licht).De conclusie van de voorbeelden in figuur 2 is datvoor lichte gebouwen met een grote slankheid dedynamische aspecten maatgevend kunnen zijn. Deconstructeur moet de opdrachtgever hiervan op dehoogte brengen en de consequenties hiervan aan-geven.Dynamische aspectenDe meeste Nederlandse opdrachtgevers hebben eenprofessionele organisatie die met regelmaat nieuweprojecten opstart. Veelal wordt gewerkt met eenstandaard Programma van Eisen dat alleen in bij-zondere gevallen voor een project wordt aangepast.Het Programma van Eisen verwijst in veel gevallennaar de normbladen. Op het gebied van dynami-sche aspecten moet de constructeur echter nagaanof de aanwijzingen in het normblad overeenkomenmet de eisen van de gebruiker.Het normblad geeft aan dat voor projecten met eenfe= 0,4 Hz (? 100 m hoog) ten aanzien van de voel-bare bewegingen voor wonen een eis geldt van0,2 m/sec2en voor kantoren van 0,3 m/sec2(fig. 3).Aangetekend moet worden dat bewegingen vanaf0,15 m/sec2goed voelbaar zijn en door veel perso-nen als hinderlijk worden ervaren. P.A. Vroon heeftaangegeven dat voelbare bewegingen van hogegebouwen invloed hebben op het veiligheidsgevoelvan de personen in het gebouw [1]. Dit heeft ondermeer gevolgen voor de productiviteit van de mens.Een reden derhalve het probleem van de voelbarebewegingen serieus te nemen. De in het normbladaangegeven waarden zijn private eisen die niet doorhet Bouwbesluit zijn aangewezen. De constructeurzal met de opdrachtgever in overleg moeten bepa-len wat in het Programma van Eisen moet wordenopgenomen.Door ontwikkelingen naar hoogwaardige materia-len zullen wij in de (nabije) toekomst hoger, slankeren lichter kunnen gaan bouwen. Al deze factorenzullen ervoor zorgen dat de versnellingen wordenvergroot en eerder de grenswaarde zullen bereiken.Het is daarom noodzakelijk om de factoren die devoelbare bewegingen be?nvloeden, goed te analyse-ren. We hebben in het voorbeeld al gezien dat demassa van het gebouw een grote invloed heeft. Hetextra gewicht dat bij de volledige oplossing van hetprobleem moet worden toegepast, leidt echter toteen zwaardere hoofddraagconstructie en een zwaar-dere fundering. De technische en economischehaalbaarheid worden hierdoor nadelig be?nvloed.De bewegingen zijn ook in grote mate afhankelijkvan de demping van de constructie c.q. het gebouw.DempingVolgens NEN 6702 kan voor de demping voor zowelbeton- als staalconstructies een waarde D = 0,01worden aangehouden als de eigenfrequentie lageris dan 1 Hz (alle projecten hoger dan 100 m hebbenoverigens een eigenfrequentie lager dan 1 Hz). Dedempingswaarde is echter van veel factoren afhan-kelijk; het is een eigenschap van het gebouw en kanniet worden berekend.De demping is onder meer afhankelijk van:? het constructief systeem (ongescheurd beton,gescheurd beton, voorgespannen beton, staalcon-structie met laswerk, staalconstructie met bou-ten);? de afbouwcomponenten, zoals gevels en schei-dingswanden;? op gebouwen tot circa 120 m heeft ook de geo-technische demping invloed.gebouw 1 gebouw 2100 m hoog 185 m hoogfe= 0,4 fe= 0,28kantoorfunctie a < 0,3 kantoorfunctie a < 0,33woonfunctie a < 0,16 woonfunctie a < 0,1910,40,30,20,10,1 1 1012versnelling(m/s2)frequentie (Hz)3 |Grenswaarden metbetrekking tot versnel-ling van bewegingen vol-gens NEN 6702A r c h i t e c t u u r & o n t w e r pH oogb ou wcement 2006 1 11De in NEN 6702 aangegeven demping is een totaal-waarde voor alle factoren. Het is goed mogelijk datde demping de waarde D = 0,01 niet haalt, omdat inhet gebouw weinig `flexibele massa' in de vorm vanscheidingswanden aanwezig is. Dit leidt tot eenonderschatting van de versnelling c.q. voelbarebewegingen.De demping van de hoofddraagconstructie kan zichin veel gevallen pas ontwikkelen als de windbelas-ting leidt tot relatief grote vervormings- en span-ningsverschillen. Het gebouw zal derhalve bij lagewindsnelheden minder profiteren van de potenti?ledemping in de constructie. Ook dit kan leiden toteen onderschatting van de voelbare bewegingen.De constructeur moet zijn opdrachtgever goed infor-meren over de eventuele afwijkingen in de dem-pingsmaat en zal moeten inschatten wanneer dezeafwijkingen een nadelig effect kunnen opleveren.Torsiegevoeligheid/vortex sheddingNaast de bovengenoemde afwijkingen in de dem-ping moet ook rekening worden gehouden met deversnellingen die volgen uit de torsie-(wind-)belas-tingen op het gebouw. In NEN 6702 worden hier-voor geen regels gegeven. In de praktijk kan hetvoorkomen dat een hoogbouwtoren met ??n cen-traal stabiliteitselement torsiegevoelig is (de eigen-frequentie ten gevolge van torsietrillingen heeft indat geval een lage waarde). De versnelling doortorsie moet worden opgeteld bij de eerder genoem-de versnelling ten gevolge van translatie en kan invoorkomende gevallen een flink aandeel hebben inhet totaal.Naast de eerder genoemde dynamische aspectenmoet vervolgens nog rekening worden gehoudenmet een fluctuerende belasting door wind loodrechtop de windrichting, de zogenoemde `vortex shed-ding'. Bij slanke gebouwen kan deze belasting zekermaatgevend zijn.O n t w e r p i n N e d e r l a n d s e c o n t e x tHoogbouw wordt over de gehele wereld toegepast.In vergelijking met de rest van de wereld wordt ophet Europese continent en zeker in Nederland van-wege de vereiste daglichttoetreding gewerkt meteen relatief smalle plattegrond. De maximalegebouwbreedte volgt globaal uit de optelling van dematen van werkkamer (7,2 m), gang (1,8 m), kern(9,0 m), gang (7,8 m) en werkkamer (7,2 m). Detotale breedte is dan 27,0 m. Aangetekend moetworden dat de diepte van de werkkamer van 7,2 mbij veel huurders in verband met indeelbaarheidmaar beperkt mag voorkomen.Gebouwen met een slankheid van 8 (hoogte/breed-te) zijn nog economisch te construeren. Een hoogtevan 27 x 8 = 216 m is derhalve haalbaar. Ter verge-lijking geldt dat de 240 m hoge gebouwen in deDocklands van Londen circa 40 ? 55 m breed zijn.De slankheid is slechts 5 (fig. 4).Om aan de Nederlandse daglichteis en huurders-wensen tegemoet te komen, wordt vaak afgewekenvan de eenvoudige rechthoekige plattegrond.MaastorenVoor de nieuwe Maastoren (h = 160 m) te Rotter-dam (start bouw april 2006) spelen bij het construc-tief ontwerp evenwel andere factoren een rol. Het3829527525534192680013,5m13,5 m 16 m805004 |Vergelijking plattegron-den Nederlandse hoog-bouw met hoogbouw inDocklands/CanaryWharf, LondenCoolsingeltoren, RotterdamOval Tower, Amsterdam hoogbouw in Docklands/Canary Wharf, LondenA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pH oogbou wcement 2006 112gebouw wordt uitgevoerd in prefab-betonnen gevel-elementen en prefab-betonvloeren. Door het rela-tief grote gewicht zullen de voelbare bewegingenminder prominent zijn, maar de vorm van hetgebouw zal van grote invloed zijn op de grootte vande windbelasting.De diepte van het gebouw is 33 m. Vanwege dag-lichttoetreding bestaat het gebouw uit twee schijvendie ten opzichte van elkaar zijn verschoven (fig. 5).In figuur 5 is tevens aangegeven dat de gebouw-vorm mede wordt bepaald door de stedenbouwkun-dige eisen. In de V.O.-fase is gestart met evenwij-dige gevels. In de D.O.-fase is deze opzet gewijzigd.E?n van de schijven is geknikt waardoor de gebouw-vorm correspondeert met de stedenbouwkundigeassen van de Laan op Zuid en de Wilhelminakade.Deze wijziging had een grote invloed op de krachts-werking in de hoofddraagconstructie. Ten eerstenam de breedte van het gebouw, en daarmee dewindbelasting met circa 25% toe. Ook is hierdoorde kern van het gebouw meer excentrisch in deplattegrond aangebracht. Dit had tot gevolg dat dekopgevels van het gebouw een belangrijk aandeelmoesten gaan leveren in de torsiecapaciteit van dehoofddraagconstructie.Dit voorbeeld geeft aan dat belangrijke eisen enuitgangspunten van andere disciplines het con-structief ontwerp ingrijpend kunnen veranderen.Al met al levert de vorm van het gebouw in platte-grond en over de hoogte een complex, maar interes-sant ontwerp op (fig. 6). Het stabiliteitssysteemvoor de windbelasting loodrecht op de langsgevelswordt bij de Maastoren gevormd door de kern insamenwerking met de gevel. De gevels vormen deflenzen van het stabiliteitselement. Voor de wind-belasting loodrecht op de kopgevels fungeren beidelangsgevels als schijfvormig stabiliteitselement. Deraamsparingen hebben een grote invloed op dekrachtwerking in de gevel, de grootte en de vormvragen een intensieve en nauwkeurige afstemmingmet de architect en de opdrachtgever.WindtunnelonderzoekMet behulp van NEN 6702 kan de windbelastingworden bepaald tot een hoogte van 150 m en voorplattegronden met een regelmatige vorm. Voorh = 160 mplattegrond Low Rise V.O. plattegrond Low Rise D.O.54850 4424033250346405 |Maastoren; invloed vanstedenbouwkundigeaspecten op het ontwerp6 |Maastoren; artistimpressionbron: Dam & PartnersArchitectenplattegrond High Rise V.O. plattegrond High Rise D.O.h = 110 mA r c h i t e c t u u r & o n t w e r pH oogb ou wcement 2006 1 13situaties waarin de norm geen windvormfactorenspecificeert, moeten deze worden bepaald metbehulp van modelonderzoek of literatuurstudie.De meeste hoogbouw wordt geplaatst in een com-plexe omgeving, waardoor belastingverhogende ofafschermende effecten zullen optreden die niet metbehulp van het normblad kunnen worden vastge-steld. In de windtunnel kunnen de belastingennauwkeuriger worden bepaald en de bijzondereeffecten worden onderkend.Voor de Maastoren geldt dat de windbelastingen enbijzondere effecten vanwege de onregelmatigevorm, uitsluitend met een geavanceerd windtun-nelonderzoek kunnen worden bepaald. De verde-ling van de belasting over de kopgevels, de langsge-vels en de kern kunnen na het afronden van hetwindtunnelonderzoek definitief worden doorgere-kend.VervormingenVervormingen van constructies zijn niet aangewe-zen in het bouwbesluit, dat wil zeggen dat de nor-men kunnen worden gehanteerd om private eisen/afspraken vast te leggen. In de eerste plaats tredenbij hoogbouw vervormingen op ten gevolge vannormaalkrachtverkorting van de verticale elemen-ten. Vervormingsverschillen door ongelijke belas-ting op elementen, door veranderlijke belastingenen door wind moeten door de bouwkundige afwer-king worden gevolgd.De vervormingen worden ook be?nvloed door hetdynamische karakter van de windbelasting.Het gedrag van de constructie ten aanzien van ver-vormingen moet nauwgezet worden onderzocht.De resultaten vormen een belangrijke input voorandere disciplines die in hun detaillering rekeninghouden met de opgegeven waarden.In veel gevallen moeten aan de vervormingen van-wege de bouwkundige afwerking strengere eisenworden gesteld dan de normbladen aangeven. Deuitwisseling van gegevens over dit onderwerp moetbinnen het ontwerpteam zorgvuldig en volledigzijn.Invloed demping op ontwerpZoals eerder is genoemd, is de demping afhankelijkvan de eigenschappen en het gebruik van hetgebouw (wel of geen scheidingswanden). Vanwegehet flexibele gebruik is het raadzaam om voor deberekeningen in de UGT (uiterste grenstoestand)geen hogere waarden voor demping dan de normaan te houden. Voor de comforteis c.q. de bereke-ning van de versnelling kunnen in overleg met deopdrachtgever wel gunstig werkende effecten wor-den meegerekend. Hierbij wordt echter aangete-kend dat er een risico is dat het gebouw ten aanzienvan demping een tegenvallende prestatie levert.Voor situaties waar de berekende versnelling dichtbij de vastgestelde eis uitkomt, kan worden overwo-gen kunstmatige demping toe te passen of demogelijkheid te cre?ren deze later alsnog te kunnenaanbrengen. In het laatste geval wordt daarvoorbouwkundige ruimte gereserveerd. Als metingen uit-wijzen dat de geschatte demping van het gebouwniet wordt gehaald, kan het dempingsmechanismealsnog worden aangebracht.In het ontwerp voor de Coolsingeltoren te Rotter-dam is voor deze laatste optie gekozen (fig. 7).T e n s l o t t eIn dit artikel zijn enkele specifieke aspecten voorhoogbouw aan de orde gekomen. De constructeurzal in het ontwerpproces zijn kennis inbrengen enmoet goed aangeven hoe de gebouwstructuur zichgedraagt en welke gevolgen de dynamische aspec-ten met zich meebrengen. De berekeningen zijngebaseerd op aannamen die niet 100% nauwkeurigkunnen worden vastgesteld. De consequenties vandeze onzekerheid moeten aan de opdrachtgeverworden opgegeven.Bij het ontwerp van nog slankere en hogere gebou-wen zal de mate van demping een grotere invloedhebben. Onzekerheden in de mate van dempingzullen derhalve ook grotere afwijkingen met zichmee kunnen brengen. Het is noodzakelijk over ditfenomeen veel meer kennis te achterhalen. Metin-gen aan bestaande hoogbouw kunnen het tekortaan kennis op dit moment goed aanvullen. Als wehoger willen bouwen, moeten we investeren inonze kennisontwikkeling. nL i t e r a t u u r1.Vroon, P.A., Psychologische aspecten van ziek-makende gebouwen. ISOR, Utrecht, 1990.7 |Coolsingeltoren; principedempingsmechanismeschematische schets 'Tuned mass damper'ballast tablepinned-jointfriction damperhangers