C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t il i teit sb o u wcement 2001 2 35O n t w e r p a s p e c t e nBij het ontwerpen van een funde-ring voor hoogbouw moet extraaandacht worden besteed aan deoptredende zakking en de uit-voerbaarheid van de fundering.Bij een enkele paal is, als gevolgvan spanningsspreiding, de span-ningsverhoging in de lagen be-neden het paalpuntniveau relatiefgering. Bij grote paalgroependraagt elke paal bij aan die span-ningsverhoging, zodat een signi-ficante zakking kan optreden.Grote zakkingen kunnen tot rela-tief grote zakkingsverschillen enmogelijk ook tot grote scheef-stand leiden.Behalve door grote zakkingenkunnen zakkingsverschillen ookontstaan door verschillen infunderingsdruk, in geometrie vande fundering, in stijfheid van deondergrond en in stijfheid vande funderingselementen.FunderingsdrukVerschillen in funderingsdrukzijn een direct gevolg van hetontwerp van een gebouw. Eenvoorbeeld van een licht belast deelvan een hoogbouw is een atrium;zwaar belaste delen zijn dekernen. Dergelijke verschillen infunderingsdruk leiden tot span-ningenindeconstructieenmoge-lijk tot het nemen van extra con-structieve maatregelen zoals hetaanbrengen van dilatatievoegen.De mate waarin de belasting uitde hoogbouw naar lager belastedelen van de constructie kanworden overgebracht, hangt afvan de stijfheid van de construc-tie ten opzichte van die van deondergrond. Stuvo-cel 126 heefteen studie verricht naar de wijzewaarop deze interactie in reke-ning kan worden gebracht [1].Geometrie van de funderingGrote funderingsplaten hebbeneen grotere dieptewerking dankleine en zakken, bij een gelijkefunderingsdruk, dus meer. Dat ispraktisch niet te voorkomen.Als gevolg van spanningssprei-ding zal de rand van een uniformbelaste funderingsplaat minderzakken dan het midden van dieplaat. Om dat effect te voorko-men, kan de draagkracht van derandpalen worden beperkt doordeze op een wat hoger niveau tefunderen en ze relatief zwaar tebelasten.Inhomogeniteit ondergrond.Zakkingsverschillen ten gevolgevan variaties in de samendruk-baarheid of variaties in de diktevan relatief slappe grondlagenbeneden het paalpuntniveauspelen in Nederland in de praktijkzelden een rol. Daarvoor zijn de tebebouwen oppervlakken te kleinen de lagen te homogeen.Verschillen in stijfheid funderingBij hoogbouw zijn de op de fun-dering werkende belastingensterk geconcentreerd, zodat dezesteeds moeten worden opgeno-men door een aantal funderings-elementen. Dat is het geval bijgrondverdringende palen, waar-bij de rekenwaarde van de draag-kracht per paal circa 4000 kNbedraagt, maar ook bij boorpalenmet grote diameter, waarbij derekenwaarde van de draagkracht10 000 tot 20 000 kN kan bedra-gen.De palen worden met elkaar ver-bonden door een circa 2 m dikkefunderingsplaat, die in staat iseventuele verschillen in stijfheidtussen de funderingselementente nivelleren. Uit [1] blijkt dat destijfheid van een gebouw metin het werk gestorte betonnengevels, wordt bepaald door diegevels en wanden. Daarmee is destijfheid van een hoogbouw vaakzogroottenopzichtevandegrondofdepalen,datvariatiesindestijf-heid van de palen niet leiden totsignificante zakkingsverschillen.U i t v o e r b a a r h e i df u n d e r i n g e nHoogbouw leidt uiteraard tot eenhoge funderingsdruk; tot nu toezijn (effectieve) drukken van 300tot 500 kPa gebruikelijk. Waar datvanwege de ondergrond en belen-dingen mogelijk was, zijn bijhoogbouw meestal voorgespan-nen, geprefabriceerde betonpalentoegepast met een schachtbreedtevan 450 tot 500 mm. De belang-rijkstemotievenvoordekeuzevandit paalsysteem hebben te makenmet de uitvoerbaarheid, waarvaneen aantal aspecten wordt ge-noemd.? De heibaarheid. Gebleken isdat palen met een lengte van25 m en een schachtbreedtevan 450 mm met een diesel-blok D62 goed zijn weg teheien, mits de palen zijngemaakt van minimaal betonB65 en een relatief grote voor-spanning is aangebracht(circa 7 N/mm2). Het percen-Funderen van hoogbouw inNederlanding. H.J. Everts, GeoDelft en Technische Universiteit DelftIn Cement 1988, nr. 4 is reeds een artikel verschenen over het funderen vanhoogbouw in Nederland. Sindsdien zijn verschillende gebouwen met eenhoogte tussen 100 m en 150 m gerealiseerd. De praktijk heeft geleerd datfunderingssystemen met grondverdringende palen favoriet zijn. In dit artikelwordt ingegaan op de in deze periode opgedane ervaringen, in het bijzonderop die tijdens het maken van de fundering voor de Millennium Tower inRotterdam.C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t il i teit sb o u wcement 2001 236tage paalbreuk hoeft dan nietmeer dan circa 0,5% te bedra-gen.? De palen zijn tot circa 8 m ineen zeer vast zandpakket wegte heien, ook al bedraagt depaaldichtheid circa 7% en deconusweerstand voorafgaandeaan het heien circa 20 MPa.? De palen zijn na te heien. Bijenkele projecten is geblekendat tijdens de uitvoering vanhet heiwerk reeds geheidepalen werden opgeheid. Bijhet heiwerk voor het hoofd-kantoor van Interpolis teTilburg is opheien gemetenvan maximaal 0,07 m. Tijdenshet terugheien van de palentot het oorspronkelijk bereikteniveau bleek dat de kalendercirca 50% geringer was dangemeten tijdens het eersteheiwerk. Na het bereiken vanhet oude niveau werden weerdezelfde kalenders gemeten.? De palen zijn goed bestandtegen horizontale gronddruk-ken en trekspanningen diekunnen ontstaan tijdens hetheien, door zijdelings enopwaarts wegpersen van deomringende grond, en tijdenshet ontgraven van de bouwput.? De palen hebben geen nega-tieve invloed op de draag-kracht van nabij gesitueerdebestaande palen.? De palen beschikken over eenzeer stijf last-vervormingsge-drag, hetgeen vooral vanbelang is voor het opnemenvan windbelastingen.? De palen zijn met een oplan-ger (verlengde heimuts) meteen lengte tot 10 m te heien,zoals is gebleken tijdens hetheiwerk voor de MillenniumTower. Hierdoor is het moge-lijk de palen, voorafgaande aanhet ontgraven van de bouwput,tot het ontwerpniveau in teheien. Bovendien wordt ver-meden dat in een later stadiumvele meters paal moeten wordenafgehakt. Het alternatief, eerstde put ontgraven en daarnavanaf een traverse de palenheien, leidt tot een veel grotereverplaatsing van de grondkerin-gen (fig. 1) en tot extra kosten.Waar de funderingslaag te diepligt (Rembrandt-toren in Amster-dam, hoofdkantoor Gasunie inGroningen) of waar trillingenmoesten worden vermeden (uit-breiding Interpolis in Tilburg,kantoor Avero in Zwolle) zijnboorpalen,diepwandpanelen,ver-buisde in de grond gemaaktepalen of Tubex-groutinjectiepalentoegepast. Deze paaltypenworden in dit artikel verder nietbeschouwd.M a x i m a l e d r a a g k r a c h tg e h e i d ep a a l f u n d e r i n g e nGeheel conform NEN 6743bedraagt de rekenwaarde van dedraagkracht van een fundering opprefab palen 450 x 450 mm2, die8 m diep zijn geheid in een fun-deringslaag waarin de conus-weerstand 15 MPa of hoger is,circa 3800 kN. Daarbij is uitge-gaan van een maximale punt-spanning van 15 MPa, een maxi-male schachtwrijving van 150 kPaen ten minste 10 sonderingen en10 palen. Op de Maasvlakte zijnproefbelastingenuitgevoerd,waar-uit bleek dat bij zeer hoge conus-1 | Deformatie grondkerin-gen door aanbrengenpalen na ontgravenbouwput; PotsdamerPlatz, Berlin [2]2 | Voorspellen toenameconusweerstand doorinbrengen grondverdrin-gende palenhor. verplaatsing (mm)anker voorgespannenontgravingintrillen stalen profielenleegpompenteen diepwandmaaiveld34,87 m +ankerop 31 m +17,3 m +ontgravingsniveau16,1 m+bouwputdiepte(m)-60 -40 -20 0 20 40 60010203040EXTRAPOLATIE36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 1 2 3 4 5 6 70% van opp.bezet door palen222 qcsv+806.75%33%DF%100=(35%)n%5038%40%42%44%46%qc in MN/m2sv in kN/m2onderwaterbetonC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t il i teit sb o u wcement 2001 2 37weerstanden de draagkracht vanpalen groter is dan volgt uit NEN6743. Volgens [3] kan bij die hogeconusweerstanden (hoger dancirca 30 MPa) en op die locatieworden uitgegaan van een maxi-male puntweerstand van 20 MPaen een maximale kleef van230 kPa. De rekenwaarde van dedraagkracht van een prefab paal450 x 450 mm2wordt dan circa5400 kN. Deze berekeningswijzeis tot op heden door GeoDelftalleen toegepast op locaties dievergelijkbaar zijn met die volgens[3]. Bij een paaldichtheid van 7%,die nog net haalbaar is, bedraagtde rekenwaarde van de draag-kracht van de fundering dan circa1850 kPa. Daarmee kunnen deontwerpers nog wel even vooruit!P r a k t i j k s i t u a t i eUit de sonderingen blijkt dat deconusweerstand in de Pleistocenezandlaag, voorafgaande aan hetheien, meestal lager is dan 15 of30 MPa. Bekend is dat door hetinbrengen van grondverdringendepalen in een stramien van minderdan circa zesmaal de paaldiameter,een significante toename van deconusweerstand optreedt. Die toe-name kan worden gebruikt. Demoeilijkheid bestaat daaruit dat alin het ontwerpstadium een voor-spellingmoetwordengemaaktvande te bereiken conusweerstand,terwijl de palen nog moeten wor-den geheid. In [4] is een grafiekgepubliceerd, waarmee de toe-name van de conusweerstand alsgevolgvanverdichtingkanwordenvoorspeld (fig. 2).P r e d i c t i e t o e n a m ec o n u s w e e r s t a n dHet gebruik van figuur 2 wordtge?llustreerd aan de hand van eenvoorbeeld: het heien van de palenvoor de Millennium Tower. Desondering met de lage conus-weerstand (fig. 3) is gemaaktv??rdat in de directe omgevingpalen zijn geheid. Uit het palen-plan (fig. 4) wordt afgeleid dat bijeen paalafstand van 1,5 m x 2 mh.o.h. bij palen van 450 x 4503 | Heiverdichting.Sondering 126A voordatin de directe omgevingpalen zijn geheid en nahet heien4 | Palenplan kernMillennium Tower,Rotterdam0 10conusweerstand qc(MPa)NAP-500000000000011233445-10-15-20MV = NAP - 0.85 m-20.05: Laatste waarnemingHoogtet.o.v.NAP(m)Helling(?)wrijvingsgetal Rf(%)20 30 10 8 6 4 2 03045413454.4C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t il i teit sb o u wcement 2001 238mm2, het oppervlak dat door depalen wordt ingenomen 6,75%bedraagt. Op een niveau van NAP? 19 m bedraagt de korrelspan-ning circa 100 kPa; de conus-weerstand voorafgaande aan hetheien bedraagt circa 11 MPa. Deuitdrukking langs de x-as vanfiguur 2 leidt dan tot een waarde222 x 11/(100 + 80) = 13,6. Doorhet pad van de streeplijn in figuur2 te volgen, kan op de verticale asworden afgelezen dat het pori?n-volume van het massief circa39,5% bedraagt. Verminderen wedat met 6,75% als gevolg van hetheien van palen, dan komen weopeenpori?nvolumenahetheienvan 33%. De oorspronkelijkefiguur 2 gaat ervan uit dat hetpori?nvolume niet verder kanafnemen dan tot 35%. Omdat hetheien met veel geweld gepaardgaat, lijkt het aannemelijk dat eenverdere verdichting toch mogelijkis. Figuur 2 wordt daarom ge?x-trapoleerd; de verticale as tot eenpori?nvolume van 33% en decurve aan de linkerzijde van degrafiek tot aan waarden op de x-asvan 36. We vinden dan voor eenpori?nvolume van 33% via debovenzijde van de figuur een snij-punt met de gearceerde krommebij een waarde op de x-as van circa34. Uit de uitdrukking langs de x-askandanwordenteruggerekenddat bij 100 kPa de nieuwe conus-weerstand 27 MPa moet bedra-gen; meer dan een verdubbelingvan de oorspronkelijke 11 MPa.Gemeten is evenwel een conus-weerstand van ruim 40 MPa; eenverviervoudiging!In de gedachte die ten grondslagligt aan figuur 2 zijn aspecten alshet opheien van grond, het ver-gruizen van korrels en het ver-groten van de horizontale korrel-spanning buiten beschouwinggelaten. Gezien de onderschat-tingvandepredictievandeconus-weerstand na het heien, is heteffect van het vergroten van dehorizontale korrelspanning op deconusweerstand waarschijnlijkdominant. Het gebruik van figuur2 leidt, althans in Rotterdam, toteen veilige predictie. Desondankslijkt het raadzaam tijdens of na deuitvoering van het heiwerk doormiddel van sonderen te toetsen ofde voorspelde toename van deconusweerstand ook daadwerke-lijk is opgetreden. De controle-sondering moet worden uitge-voerd op een afstand tot geheidepalen gelijk aan de hart-op-hart-afstand van de palen in de groep.Duidelijk is dat door het gebruik-maken van heiverdichting eenflinke besparing kan wordengerealiseerd op het aantal palen.O m g e v i n g s h i n d e rHet grootste bezwaar van het toe-passen van prefab palen is degeluids- en trillingshinder. Hetgeluidsprobleem is te verminde-ren door het toepassen van eengeluidsmantel en eventueel aan-passingen aan de muts, waarmeeeen reductie van het geluidsni-veau kan worden gerealiseerd vancirca 5 dB in geval van dieselblok-ken en circa 10 dB in geval vanhydraulischeblokken[5].Ingeval-len waarin dit niet voldoende is,kan er soms voor worden gekozenhet heiwerk, grenzend aan debelendingen, uit te voeren opgunstige tijdstippen zoals tijdensde spits of buiten kantooruren.Indepraktijkblijktdatdoorhetuit-voeren van heiwerk aan op palengefundeerde belendingen meestalgeen constructieve schade wordttoegebracht als de nieuwe palenniet dieper reiken dan de aanwe-zige palen. Trillingshinder is bijgeheide systemen vaak niet tevoorkomen. De mate van hinderneemt met toenemende afstandtot belendingen snel af. Daaromis het toepassen van een anderpaaltype in een strook met eenbreedte van circa 10 m langs diebelendingen een effectieve maat-regel.Naast de te bouwen MillenniumTower bevindt zich het PLAZA-gebouw, waarin onder meer eenCasino is gevestigd. Om te beoor-delen of het heiwerk tot niet-acceptabele trillingshinder zouleiden, zijn tijdens het heien tril-lingsmetingen uitgevoerd. Daar-bij zijn tijdens het heien op eenafstand van circa 3 m tot de gevel(en trillingsopnemers), bij eenfrequentie van de trillingen van 15tot 20 Hz aan de gevel, versnellin-gen gemeten van maximaal 0,18 gverticaal en 0,3 g horizontaal.Dit komt overeen met gebied Dvolgens CUR-rapport 57 en bete-kent `goed voelbaar en mogelijklichte scheurvorming'; die is nietopgetreden. Tijdens het heien vanpalen op een afstand van circa 15m tot de gevel is een versnellinggemeten van circa 0,02 g, over-eenkomend met gebied G; `geeninvloed'. In het Plaza-gebouw, opeen afstand van circa 20 m tot degevel (ter plaatse van de roulette-tafels!), bleken de versnellingen tezijn afgenomen tot 0,01 g ? 0,06 g,overeenkomend met gebied F;`nauwelijks voelbaar en geeninvloed'.Z a k k i n g v a n h o o g b o u wi n N e d e r l a n dUit door GeoDelft en Gemeente-werken Rotterdam uitgevoerdemetingenisgeblekendatdehoog-bouw van de Medische Faculteitin Rotterdam in 1985 circa 0,13 mwasgezakt.Aandegebruikersvandat gebouw was die zakking nietbekend. Dat is ook niet verwon-derlijk, want de zakking heeft nietgeleid tot constructieve schade ofbeperkingen ten aanzien van debruikbaarheid. En omdat deonmiddellijke omgeving van hetgebouw is meegezakt, is er ookaan de buitenzijde van het ge-bouw ogenschijnlijk niets datwijst op een zakking. Uit metin-gen aan andere hoogbouw inNederland blijken deze in DenHaag minder dan 0,05 m tezakkeneninhetcentrumvanRot-terdam tussen 0,05 m en 0,10 m.In Amsterdam is die zakkingmoeilijker aan te geven, omdat deEemkleilaag, die zorgt voor hetgrootste aandeel in de zakking,niet overal aanwezig is. In hetstadsdeel van Amsterdam is geenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gU t il i teit sb o u wcement 2001 2 39voorbeeld van een hoogbouwtussen 100 en 150 m, gefundeerdin de eerste of tweede zandlaag;wel van minder hoge gebouwen.Zo is het Okurahotel ook meerdan 0,1 m gezakt.Andere hoogbouw in Amster-dam, zoals de Rembrandt-torenen de Postbank, is op boorpalengefundeerd in de derde zandlaag.Bij dergelijke funderingen be-draagt de orde van grootte van dezakking 0,05 m. In Nederland isde zakking van hoogbouw tot opheden dus beperkt tot maximaal0,15 m.Z a k k i n g n a a s t h o o g b o u wDoor de spreiding van de belas-ting in de ondergrond zullen ookbuiten het funderingsoppervlakspanningsverhogingen en duszettingen optreden. Voor in deeerste zandlaag in Rotterdamgefundeerde hoogbouw zijn doorGeoDelft berekeningen gemaaktvan het verloop van die zakkingals functie van de afstand totde rand van de funderingsplaat(fig. 5).Voor de Millennium Tower isberekend dat de kern op termijncirca 50 mm zal zakken; op eenafstand van 4 m naast de funde-ringsplaat is voor een onbelastefunderingslaag een zakking bere-kend van 30 mm en op 20 mafstand van 8 mm. Voor de bouw-fase is voor de kern een zakkingvan 22 tot 30 mm voorspeld; er is22 mm tot 26 mm gemeten.P a a l - p l a a t f u n d e r i n g e nIn Duitsland zijn in de omgevingvan Frankfurt voorbeelden vanhoogbouw met een effectieve fun-deringsdrukvancirca400kPa,diebij toepassing van een staalfun-dering 0,2 tot 0,4 m zoudenzakken. Volgens [6] werd dat als teveel beoordeeld; niet omdat nietwordt voldaan aan eisen tenaanzien van de uiterste grenstoe-stand, maar door zettingsver-schillen in de gebruikstoestand.Als oplossing is gekozen voor hetplaatsen van een beperkt aantalpalen, die tot aan hun maximaledraagkracht worden belast. Hettekort aan draagkracht van depalen moet in die ontwerpfiloso-fie worden geleverd door de fun-deringsplaat over de palen, die alsstaalfunderingfungeert:eenpaal-plaatfundering. Aldus zijn dezakkingen gereduceerd tot 0,1 ?0,2 m. Paal-plaatfunderingen kun-nen dus worden toegepast om dezakking van een staalfundering teverminderen, maar ook om tebesparen op het aantal palenonder de fundering.In [7] is een eerste aanzet gegevenvoor het beoordelen van de toe-pasbaarheid van paal-plaatfunde-ringen door een case (de Rem-brandt-toren) uit te werken. J.H.de Vries, student aan TU-Delft,studeertmomenteelbijArcadisafopeenveelbrederonderzoeknaarde toepasbaarheid van paal-plaat-funderingen in Nederland. L i t e r a t u u r1. STUVO-rapport 97, Inter-actie tussen hoogbouw enondergrond. 1992.2. Brem, G. en M. Wooge,Potzdamer Platz Berlin.Bauingenieur 72, 1997.3. Funderingstechnologie nr 2,december 1995.4. Everts, H.J. en J. Kruizinga,Hoogbouw op samendruk-bare ondergrond. Cement1988, nr. 4.5. Kolk, G.C.H., Beperkenomgevingshinder bij uitvoe-ring. Geotechniek 2000, nr. 4.6. Franke, E., B. Bluts, Y-El-Mossallamy, Pfahlgr?ndun-gen und die InteraktionBauwerk/Baugrund. Geotech-nik 1994, nr. 3.7. Jeltes, R, A.F. van Tol,H.J. Everts, Paal-plaat-funderingen in Nederland.Cement 1996, nr. 3.5 | Zakking eerste zandlaagals functie van deafstand tot de rand vande funderingsplaat vaneen hoogbouwafstand in m tot de rand van het belaste oppervlak0 5 10 15 20 25 3000,050,10zettinginmspanningsspreiding volgens Boussinesqe.e.m. lineair - elastisch spanning - rekgedrage.e.m. mohr - coulomb spanning -rekgedragmet kruipeffecten