UTILITEITSBOUWHOOG BOUWEN INNEDERLANDSTUDIE NAAR DE CONSTRUCTIE EN HAALBAARHEID VANHOOGBOUW IN NEDERLAND*ir.RJ3.Joosten, HBM, UtrechtIn Nederland verrijzen de laatste jaren voor het eerst enkele hoge kantoortorens ende hoogbouwprojecten ontwikkelen zich in sneltreinvaart. De verklaring is bekend:steden raken vol, bedrijven willen huisvesting in representatieve kantoren en detechniek staat het toe. Men spreekt over hoogbouw als de hoogte van het gebouwveel invloed heeft op de planning, het ontwerp en het gebruik. Het is thans nogmoeilijk op voorhand te voorspellen wat precies de gevolgen zijn van het in dehoogte bouwen op aspecten als draagconstructie, fundering, installatie en dehiermee samenhangende kosten. In dit onderzoek is getracht juist deze invloeden inbeeld te brengenoor dit onderzoek zijn veel ge-bouwvarianten doorgerekenden met elkaar vergeleken. Allevarianten zijn opgebouwd uit verdie-pingen met een zelfde plattegrond (fig.l). In de centrale kern bevinden zich deliften, de trappen en de sanitaire voor-zieningen. De kantoren zij gelegen aande gevel in verband met de daglichttoe-treding, zoals wordt ge?ist in Neder-land. Hierin verschillen deze ontwerpenprincipieel met kantoorgebouwen inJapan of de USA. Daar wordt de dag-lichteis niet gesteld, waardoor hoge ge-bouwren een meer vierkante plattegrondkrijgen, wat zowel functioneel als con-structief veel voordelen biedt. De lang-werpige hoogbouw in Nederland is ta-melij ongunstig voor het opnemen vande windbelasting loodrecht op de leng-terichting van het gebouw. De grootteen de indeling van een verdieping zijnovergenomen uit een voorgaande studiedie hierin juist een optimum heeft ge-zocht **. Een verdieping is 60 30 m2,wat een werkplek biedt voor 75 mensen.* Ir.RJS.Joosten is op 29 juni 1990 op dit onder-zoek afgestudeerd aan de TU Delft, faculteitder Civiele Techniek, vakgroep Utiliteitsbouw.Het afstudeerproject is verricht bij het Utili-teitsbouw Ontwikkelings Bureau van de HBM.In de afstudeercommissie hadden zittingir.JA.A.M.Vollebregt (UOB), ir.T.W.C.Hekker,profirAF. van Weele en profJDipl. - Ing.J.N.J.A.Vambersky.** Netto/bruto vloeroppervlakte-verhoudingin de hoogbouw, afstudeerverslag van ir.FXa-kerveld, TU Delft 1989.10 Cement 1991 nr. 3VDe variantenPer twintig lagen kan bij na een volledigeverdieping worden gevuld met instal-laties. Daarom is met stappen van 20verdiepingen in de hoogte gevarieerd:20,40 en 60 verdiepingen, bij een hoog-te van respectievelijk 75, 145 en 215 m.Binnen het kader van dit onderzoek zij slechts twee varianten in het construc-tieve systeem doorgerekend, te weteneen kernconstructie (Le.) en een over-drachtsconstructie (o.e.). De k.c. ont-leent de horizontale stijfheid alleen aaneen stijve kern van langs- en dwarswan-den. De o.e. daarentegen betrekt de ko-lommen bij de opname van de horizon-tale windbelasting en zorgt voor een stij-ve verbinding tussen de kern en de ge-velkolommen. Door de horizontalewindbelasting wil de kern uitbuigen enroteren. Juist deze rotatie zal worden te-gengegaan door de stijve kolommen viade o.e. De kolommen veroorzaken in dekern een aan het windmoment tegenge-steld moment (fig. 2).Juist de opname van de horizontale be-lastingen en de beperking van de hier-mee samenhangende horizontale uit-buiging wordt bij hoge gebouwen be-langrijk. Daarnaast is het van belang hetconstructie-oppervlak te minimalise-ren, omdat dit extra verhuurbare vier-kante meters oplevert voor alle verdie-pingen en een grote vermindering vande rustende belasting inhoudt. De con-structie is daarom met verschillendesterkteklassen doorgerekendDe fundering bestaat uit een dikke be-tonplaat die de belastingen uit de bo-venbouw verdeelt over de ingeheideprefab betonpalen. Om de invloed vande grondslag te bestuderen is de hoog-bouw geprojecteerd gedacht in Rotter-dam, Den Haag en Amsterdam.Ontwerp-criteriaBij de dimensionering van hoge gebou-wen spelen andere criteria een rol danbij laagbouw. De windtrillingen kun-nen hinderlijk worden voor de gebrui-kers of zelfs schadelijk voor de construc-tie. Ook kunnen de vervormingen tegroot worden voor de afbouwconstruc-ties. Voor de berekeningen is uitgegaanvan de in Nederland geldende normen,met uitzondering van de dynamischeco?ffici?nten voor de windbelasting.Deze zijn overgenomen uit de concept-norm NEN 6702, omdat de momenteelgeldende normen veel te ongunstig zijn.De windbelasting is slechts voor 10% alspermanent aangehouden bij de bereke-ning van de kruip in het beton. De maxi-maal toegestane vervorming is gesteldop 1/700 van de gebouwhoogte, demaximaal toegestane rotatie op 1/500rad. Het maatgevende criterium voor dedraagconstructie verschuift van desterkte naar de stijfheid met het toene-men van de hoogte van het gebouw:constructief gezien vormt het gebouwnog geen gevaar, maar het gebruikwordt oncomfortabel vanwege dewindtrillingen en de rotatie wordt tegroot voor de afbouwconstructies.FunderingsconstructieBij toenemende hoogte van het gebouwwordt de windbelasting veel hoger. Hetwindmoment aan de voet van het ge-bouw neemt zelfs meer dan evenredigtoe met de hoogte. Desondanks neemtde maximale windbelasting in de palenaf vanwege de spreiding ervan over veelmeer palen en de grotere afstand van depalen tot de rotatie-as van het gebouw.De funderingsplaat moet de enorme be-lastingen uit de bovenbouw afdragenaan en zo gelijkmatig mogelijk spreidenover de palen. Dit gaat natuurlijk ge-paard met enorme spanningen en daar-door vervormingen, sterk afhankelijkvan de dikte van de plaat en de stijfheidvan de funderingspalen. De bereke-ningen werden te onnauwkeurig indiende plaat als oneindig stijf werd aange-nomen. Daarom is de plaat met een stij f-heid EI ingevoerd in het computer-model (fig. 2). Uit de berekeningen bleekdat de bovenbouw veel invloed heeft opCement 1991 nr. 3 11UTILITEITSBOUWde krachtswerking in de fundering.Bij de varianten met een overdrachts-constructie wordt een gedeelte van dewindbelasting in de vorm van normaal-krachten in de kolommen aan de plaatafgedragen in plaats van als een momentbij de kern. Hierdoor is de belasting albeter gespreid over de fundering, waar-door de vervormingen en spanningenafnemen.De funderingsconstructie van hoge ge-bouwen is relatief stijf vergeleken metlage gebouwen: het aandeel van de fun-deringsconstructie in de vervormingaan de top van het gebouw neemt af (fig.). Dit wordt mede veroorzaakt doordestijve bovenbouw, maar vooral vanwegede meer dan evenredige toename vanhet aantal palen, nodig voor de opnamevan de verticale belasting. Volgens degehanteerde berekeningsmethode kun-nen gebouwen tot een hoogte van 240 mgefundeerd worden op prefab betonpa-len. De zettingen vormen een probleemvoor de belendende panden. Vooral inAmsterdam en omstreken zullen de zet-tingen onacceptabel worden, waardoorop diepere lagen (55 m - NAP) gefun-deerd moet worden. Voor deze dieptenzijn prefab heipalen nog niet met succestoegepast. In werkelijkheid zal gefun-deerd moeten worden op in de grondgevormde palen. In het onderzoek zijnde varianten slechts met prefab palendoorgerekend.Een goed model voor de berekening vanhet draagvermogen van palen en depaalveerstijmeden is bij de optredendepaalverdringing van 8-9% helaas nietvoorhanden. De nu gebruikelijke bere-keningen zijn te ongunstig omdat:- te weinig rekening wordt gehoudenmet de gunstige invloed van de paal-verdringing;- er veel te hoge veiligheden vereistworden;- de veerstij meden te onnauwkeurigzijn.De invloed van de locatie op het aantalpalen neemt ook toe met de hoogte: 3%bij 20,8% bij 40 en 19% bij 60 verdiepin-gen. Omdat bij een slappe grondslag zo-als in Amsterdam de rotatiestijfheid vande fundering lager wordt zal dit bij hogegebouwen gecompenseerd moetenworden door een verstijving van de bo-venbouw om aan de vervormingscri-teria te voldoen.BovenbouwDe constructie-elementen van de bo-venbouw zijn de kernwanden, de gevel-kolommen en -balken, de breedplaat-vloeren en bij enkele varianten eenoverdrachtsconstructie. Deze onderde-len zijn gedimensioneerd met een twee-dimensionaal raamwerkpakket. Het ge-bouw is 'platgeslagen' gedacht. Omdater een niet te verwaarlozen interactiebestaat tussen de bovenbouw en de fun-deringsconstructie, worden de funde-ringsplaat en de palen te zamen met deandere constructie-elementen in eenstaafwerkmodel opgenomen en door-gerekend (flg. 2). Onder de kerncon-structie is de plaat oneinig stijf aangeno-men. De vloeren zijn momentslap endaardoor te schematiseren als pendel-staven tussen de kern en de gevelkolom-men. Het staafwerkdiagram bestaat nuuit veel staven en knopen waardoor derekentijden lang worden. Gekeken isnaar de invloed van het weglaten van devloeren in het staafwerkdiagram. Dezeinvloed bleek verwaarloosbaar, waar-door in verdere berekeningen de con-structie met een vereenvoudigd staaf-werkmodel kon worden doorgerekend.Deze berekening behelst een uitgebreiditeratieproces om de afmetingen van deconstructie te optimaliseren. In detail isgekeken naar de overdrachtsconstructie(o.e.). Deze bleek zowel in staal als in be-ton te realiseren. De o.e. is voldoendestijf te krijgen om het beoogde doel, eenstijve verbinding tussen de kern en degevelkolommen te bewerkstelligen. Hetuitvoeren van de o.e. als een hoed op hetgebouw bleek niet het beoogde effect tehebben op de vervormingen. De oor-zaak hiervan is de grotere lengte van dedaardoor slappe kolommen, waardoordeze weinig windbelasting naar zichtoetrekken. Uit berekeningen bleek dateen o.e. halverwege het gebouw hetmeeste effect heeft. Ruimtelijk-func-tioneel gezien kan een o.e. het beste ge-combineerd worden met een instal-latielaag op de 20e en 40e verdieping bijresp. de varianten van 40 en 60 verdie-pingen.De o.e. in beton bestaat uit verdiepings-hoge liggers van de kern naar de gevel, inhet verlengde van de dwarswanden in dekern. De dikte van de zes wanden vari-eert bij de varianten van 0,5 m tot 0,75m. De vloer van de installatielaag zelf ende bovenliggende verdieping leverenook een bijdrage. Om alle gevel-kolommen te betrekken bij de windop-name zijn er zware balken in de gevelopgenomen. Aangezien de o.e. gecom-bineerd wordt met de installatieverdie-pingen dienen er sparingen in de wan-den te komen, die de stijfheid van de o.e.verminderen. Dat is een voordeel van destaalvariant: de zware staalprofielen lo-pen diagonaal van de kern naar de gevel,zonder een absolute barri?re te vormenvoor personen en/of leidingen.Het toepassen van een hogere sterkte-klasse blijkt een aanzienlijke besparingop te leveren in het constructieop-pervlak. Uit figuur 4 blij kt dat bij het ge-bouw van 40 verdiepingen er zelfs eenverschil is tussen 25 en 45 van40%12 Cement 1991 nr. 3van het constructieoppervlak. Bij een la-ge sterkteklasse komt de o.e. mindergunstig naar voren: door de lagere elasti-citeit vermindert de stijfheid van de o.e.en de kolommen. De andere variantenzijn alleen doorgerekend met 45.De resultaten zijn weergegeven in fi-guur 5.Hieruit valt het volgende te conclude-ren:- het constructief oppervlak neemtmeer dan evenredig toe met de hoogtevan het gebouw;- het aantal funderingspalen neemtdaardoor meer dan evenredig toe metde hoogte van een gebouw, omdat hetconstructieoppervlak en daarmee derustende belasting op de funderingsterk toenemen;- het toepassen van een o.e. heeft tweevoordelen: het levert een besparing inbeton op van bijna 100% en het aantalfunderingspalen kan worden geredu-ceerd met 15% en 25% bij resp. 40 en 60verdiepingen.De verhouding netto/bruto vloer-oppervlakteHet getal dat de verhouding weergeefttussen netto en bruto vloeroppervlakteis een zeer belangrijk gegeven voor deeconomische haalbaarheid van een ge-bouw. Voor de duidelijkheid wordenenkele begrippen gegeven:- de bruto vloeroppervlakte, BVO, is desom van het buitenwerks gemetenvloeroppervlak van alle verdiepingen;- de netto vloeroppervlakte, NVO, ishet BVO minus het gevel- en con-structieoppervlak;- de nuttige oppervlakte is het verhuur-baar oppervlak of het NVO minus hetinstallatie- en verkeersoppervlak;- het hoogwaardig verhuurbare opper-vlak is het nuttig vloeroppervlak tot7,2 m van de gevel.De verhouding netto/bruto vloerop-pervlakte blijkt lager te zijn en daarmeeongunstiger voor hogere gebouwen. Infiguur 6 is voor de drie onderzochte ge-bouwhoogten de verdeling naar opper-vlakte ineen staafdiagram weergegeven.Opvallend is het meer dan evenredigtoenemen van het constructie-opper-vlak met het hoger worden van een kan-toorgebouw. De duidelijke stijging inhet verkeersoppervlak is te wijten aaneen vergroting van het aantal liften. Ditgaat in beide gevallen ten koste van denuttige vloeroppervlakte waardoor erdus minder vierkante meters kantoor-ruimte verhuurd kunnen worden.De economie van de kantoortorenVeranderingen in de plattegrond en deconstructie hebben natuurlijk conse-quenties voor de exploitatie van hogegebouwen. Om hier inzicht in te krij genzijn voor elke variant een begroting eneen bouwplanning gemaakt. Aan dehand hiervan is een huurprijs berekend,waarbij het ontwikkelen van deze hoog-bouw rendabel zou kunnen zijn.De bouwsomVoor alle varianten is een elementenbe-groting gemaakt. De bouwsom komtvoor alle varianten uit op iets meer dan2000,- per m2BVO, toenemend met dehoogte van het gebouw. Dit laatste vindtzijn oorzaak in het grotere constructie-oppervlak, de overdrachtsconstructie ende toename van het aantal liften.BouwtijdVanwege de enorme investeringen dienodig zijn voor deze hoge kantoorto-rens, is het belangrijk de bouwtijd tothet uiterste te beperken. Een verkortingvan de doorlooptijd van bijvoorbeeld1V2 week tot 1 week scheelt bij 40 verdie-pingen al 20 weken, bijna een half ka-lenderjaar. Bij een investering van min-stens 250 miljoen levert dit bijna eenrentewinst op van 20 miljoen. Voor datbedrag zou een aannemer een grote in-vestering kunnen doen in materieel enpersoneel om de doorlooptijd en daar-mee de bouwtijd, te verkorten.Het gebouw 'wordt ontworpen met eenin het werk gestorte draagconstructie.Om de bouwtij d te verkorten is gekozenvoor een zelfklimmende bekisting. Dedoorlooptijd van een verdieping is te-ruggebracht tot 1 week. Deze bouw-snelheid werd ook gehaald bij de hoog-bouwprojecten in Rotterdam (Robecoen Nationale Nederlanden). In landenals de USA en Japan worden zelfs al snel-heden gehaald van 2 tot 3 verdiepingenper week. De montage van de liften zittijdens de afbouwfase op het kritiekepad, waardoor het gebouw pas 4 tot 5maanden na het bereiken van het hoog-ste punt kan worden opgeleverd.De bouwtijden van de varianten van 20,40 en 60 verdiepingen worden resp. 1,6,2,6 en 3,6 jaar. Het wel of niet toepassenvan een overdrachtsconstructie scheeltslechts ??n maand. Het is opvallend datde bouwtijd lang niet evenredig toe-neemt met de hoogte van de kantoor-toren. De verklaring moet gezocht wor-den in een aantal handelingen die vooralle varianten gelijk zij : de aanloop, hetdak en de overdrachtsconstructie. Daar-naast blijft het aantal intervallen in deafbouw gelijk.HuurprijsMet deze bouwtijden kan de financi?leopzet worden afgerond. Het totaal te in-vesteren bedrag, gelijk aan het totaal vande bouwsom, een aantal hieraan gerela-teerde posten, de grondverwervings-kosten en de rente, moet worden terug-Cement 1991 nr. 3 13UTILITEITSBOUWverdiend met de huuropbrengst. In fi-guur 7 is de verdeling van de stichtings-kosten over de verschillende posten ineen taartdiagram weergegeven. Hetaandeel van de constructie neemt dui-delij toe, al valt op hoe klein dit aandeelis.Het aandeel van de grondverwervings-kosten blijft redelijk gelijk omdat gere-kend is met een prijs per m2BVO. Hetverrekenen van de grond per vierkantemeter perceel geeft een duidelijk anderbeeld. Vandaar dat dit ook als een extravariant is meegenomen.De huurprijs per m2is gelijkgesteld aan7% van het totaal te investeren bedraggedeeld door het aantal verhuurbare m2,waarbij de inpandige ruimtes slechtsvoor 50% zijn meegerekend. De varian-ten met een overdrachtsconstructie le-veren een lagere huurprijs, een met dehoogte toenemend verschil. De belang-rijkste argumenten hiervoor zijn:- de enorme reductie in de construc-tieve oppervlakte, hetgeen tevens eenverlichting van de funderingscon-structie mogelijk maakt;- de hieruit voortkomende toenamevan het aantal verhuurbare vierkantemeters kantoorruimte.In figuur 8 zijn de huurprijzen uitgezettegen de gebouwhoogte. De huurprijsneemt toe met de hoogte van de kan-toortoren. Opvallend is echter dat de in-vloed van de grondprijs (per m2perceelof per m2BVO) nog groter wordt.De verschillen die voortkomen uit degrondslag blijken verwaarloosbaar: ui-teraard uitgaande van een gelijkegrondprijs verschillen de huurprijzenop de drie locaties nauwelijks. De kostenvan de fundering zijn namelijk slechts3% van de totale bouwsom; omgerekendnaar de invloed op de huurprijs nogminder dan 1%.ConclusiesIn dit onderzoek is vooral gekeken naarde aspecten die van invloed zijn op hetgebouwontwerp en hoe deze zich ont-wikkelen met de hoogte van het ge-bouw.Kort samengevat zijn de volgendeaspecten van belang:1. De invloed van de locatie op de fun-dering neemt bij hogere gebouwen toe.De invloed op de bovenbouw en daar-mee ook op de huurprijs, is te verwaar-lozen.2. Het constructief oppervlak neemtmeer dan evenredig toe met de hoogte.3. Het toepassen van een hogere sterk-teklasse van het beton levert een aan-zienlijke reductie op in de betondoor-snede, vooral bij de o.e.4. Een overdrachtsconstructie is bij ge-bouwen boven 145 m voordeliger daneen kernconstructie. De o.e. verminderthet constructieve oppervlak met circa100%, wat resulteert in een lagere huur-prijs van 1 % bij 40 verdiepingen en 8% bij60 verdiepingen. In het algemeen zouhieruit geconcludeerd kunnen wordendat het toepassen van een geavanceerdconstructiesysteem gunstiger is naar-mate de hoogte toeneemt.5. De grondprijs heeft nog meer invloedop de huurprijs dan de hoogte van eengebouw.introfoto:R.Kras,Rotterdam14 Cement 1991 nr. 3