O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 664Niettemin zijn er wel degelijktrends vast te stellen die op meerberusten dan fantasie. Figuur 1toont een diagram waarin de ver-wachte migratie van de wereld-bevolking naar de steden wordtweergegeven. In de ontwikkeldegebieden stabiliseert zich debevolking op het land en in destad. In de minder ontwikkeldegebieden is een sterke trek naarde stad waar te nemen. Het is demoeite waard even bij deze getal-len stil te staan. Het diagram sug-gereert dat in de komende dertigjaar 1800 miljoen mensen naar degrote steden in landelijke gebie-den zullen trekken. Dat is vijf mil-joen per maand, ofwel elke maandeen stad ter grootte van Barcelona.Een dergelijk diagram moet metde nodige voorzichtigheid wordenge?nterpreteerd, omdat bij hetextrapoleren niet te verifi?ren aan-namen worden gedaan.Wie een wandeling maakt in eenvan de westerse grote steden zietal heel snel in welk tempo de glo-balisering zich voltrekt. De begrip-pen regionaal, nationaal en inter-nationaal beginnen in een duize-lingwekkend tempo door elkaarheen te lopen. Zou men dit in hetdiagram hebben meegenomen?Misschien is het wel beter, voor-zichtigheidshalve, de curven voorde trek naar de grote steden in deminder en meer ontwikkeldegebieden te middelen. Hoe danook, een sterke toename van debevolking van de grote steden lijkteen goed uitgangspunt om overde toekomst na te denken.O n d e r d e g r o n d : w e l a t e nk a n s e n l i g g e nDe eerste conclusie ligt dus voor dehand. Het begrip ondergronds zalsteeds belangrijker worden. Deaanleg van de Noord-Zuidlijnonder Amsterdam is een voorbodevan wat zal komen. Overigens isdit een niet te onderschatten stukingenieursinventiviteit en -creativi-teit waarmee wij weer eens veel teweinig reclame maken voor Neder-land. Met het monitoren van deverplaatsing van de gebouwen ineen groot deel van een wereldstaden het checken van de zetting, diemet geavanceerde rekenmodellenis voorspeld, wordt hier een stukjetechnische geschiedenis geschre-ven. `Onder de grond' staat voormultidisciplinair denken. Beton,staal, grondmechanica, constructie-mechanica, kansberekening, eco-nomie, management, recht, werk-tuigbouw, ruimtelijke ordening,architectuur, arbeidsomstandighe-den, bestuurskunde, bouwproces-sen, logistiek en psychologie strij-den om voorrang. Niet voor nietswordt aan de Nederlandse univer-siteiten `integraal denken` gepropa-geerd als een onmisbare eigen-schap van de ingenieur van de toe-komst.Werken, winkelen en reizen onderde grond zou in de toekomst weleens heel gewoon kunnen wordenen in stedelijke gebieden eenBeton in de ondergrond: wat brengt de toekomst?Kijken in de toekomstprof.dr.ir. J.C. Walraven, TU-Delft, fac. CiTGKijken in de toekomst is een geliefde bezigheid. Regelmatig wordt `experts' - ofzij die daarvoor doorgaan - gevraagd met welke ontwikkelingen we ons in dekomende decennia zullen bezighouden. De experts geven meestal met alleplezier hun mening. In tegenstelling tot vrijwel alle andere adviezen die zijmoeten geven, kunnen uitspraken over de toekomst voorlopig niet op waar-heid worden getoetst, dus dat is prettig adviseren. In dit verband is het heelinteressant eens terug te kijken naar vorige gelegenheden waarbij voorspel-lingen werden gedaan. Zo werd bijvoorbeeld aan het eind van de jaren tachtigook al gebrainstormd over de toekomst van het bouwen en de noodzaak vanonderzoek. Een hier niet met name genoemde deskundige deed toen de uit-spraak: "Nederland is volgebouwd. De infrastructuur is compleet. Vanaf nuhoeven we alleen alles nog maar te onderhouden" en over onderzoek:"Experimenteel onderzoek is niet meer nodig. Met de ontwikkelde geavan-ceerde niet-lineaire rekenprogramma's kan binnenkort alles worden bere-kend." Commentaar is hier overbodig.5432101950 1970 1990 2010 20301960 1980 2000 2020landelijk minderontwikkeldstedelijk minderontwikkeldstedelijk meerontwikkeldlandelijk meerontwikkeldjarenbevolking(miljard)1 |Migratie van de wereld-bevolking van het landnaar de stad (Bron: VN)20052040O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 6 65goede oplossing kunnen biedenvoor veel problemen. Dat ditinzicht relatief laat is gaan rijpen,betekent dat er een belangrijkenieuwe tak van wetenschap entechnologie zal gaan ontstaan: hetbouwen onder bestaande bebou-wing. Met betrekking tot reizenzijn we het verst, zoals in Amster-dam wordt aangetoond. Echter,ook op het gebied van het winke-len kan al een aantal goede voor-beelden worden genoemd. Eendaarvan is de Underground Cityin Montreal, Canada (foto 2).Onder de grote verkoopscentra inhet centrum van de stad zijn desouterrains volop in gebruik. Viade verbindingen tussen deze sou-terrains is een ondergrondse win-kelstad ontstaan met een loop-lengte van bijna 30 km. Men vindter pleinen, roltrappen en zelfsfonteinen onder de grond. Degebruiker voelt zich comfortabel,omdat niet alleen gedacht is aande bezwijkveiligheid van de con-structie maar ook aan daglichttoe-treding, lange zichtlijnen, contactmet de natuurlijke omgeving enillusionerende effecten van mate-riaalgebruik met betrekking totgroen, water en licht (vaak op sub-tiele wijze gesimuleerd doorkunstlicht). Delen van deze onder-grondse winkelstad zijn gebouwdonder historische gebouwen, zoalseen kerk uit de 18de eeuw, waarbijde paalfunderingen integraal in deondergrondse stad zijn opgeno-men. De palen zijn subtiel inge-pakt in omhullingsbuizen, waar-door de suggestie van massievekolommen tot een gevoel van vei-ligheid in de ondergrondse win-kelruimten leidt.Een ander geslaagd project, hoe-wel iets kleinschaliger, is het his-torische station in de Duitse stadLeipzig. Men kan hier vele etagesnaar beneden zonder het gevoel tekrijgen onder de grond te zijn: destrakke grens tussen licht en don-ker is verdwenen.Bouwen onder bestaande bebou-wing zal zich ontwikkelen tot eennieuwe wetenschap. Met betrek-king tot de interactie tussengebouwen en ondergrond is al eengoede start gemaakt, maar ermoet nog heel wat worden uitge-zocht en verder ontwikkeld.W e n n e n a a n h e t i d e eHet afbreken van de psychologi-sche vooroordelen tegen `levenondergronds' zal nog een behoor-lijke tijd vergen. Verstandig zijndaarom de initiatieven om reedsde jongere generaties met het ideevertrouwd te maken. Figuur 3toont een tekening gemaakt dooreen vijfjarig meisje. Het was eenvan de interessante resultaten vaneen wedstrijd voor jonge kinderendie door wijlen prof. Charles Voswas georganiseerd om uit te vin-den welke associaties het begrip`ondergronds bouwen' bij de jong-ste jeugd teweegbrengt. Opvallendzijn hierbij de intu?tief gekozenbolvorm en het element van dag-lichttoetreding.Figuur 4 toont een tekening uithet afstudeerwerk van studentePetra van de Ven van de TUEindhoven, die hiermee deSchreudersprijs 2004 in de wachtsleepte. Het gaat hierbij om hetontwerp van een uitgaansgelegen-heid op een bijzondere plaats:tussen het Amsterdamse metro-station Vijzelgracht en de straat,bovenop de Noord-Zuidlijn.U i t d a g i n g v a n n i e u w em a t e r i a l e n e n t e c h n i e k e nEen ontwikkeling die ten aanzienvan het gebruik van beton in degrond belangrijke impulsen kangeven, is die van de nieuwe con-structiematerialen. Met betrekkingtot de haalbare sterkte van betonzijn gedurende het laatste decen-nium enorme sprongen vooruitgedaan. Na de invoering van hethogesterktebeton tot B 105 sprongde maximaal haalbare betonsterk-te in korte tijd naar B 200 (foto 5).Voor het maken van een B 200worden nieuwe uitgangspuntenvoor de betonsamenstellinggehanteerd:? de maximale korrel wordt sterkgereduceerd, om de homogeni-teit van het beton te vergrotenen het ontstaan van groteinwendige spanningsconcentra-ties te vermijden;? door het geraffineerd combine-ren van verschillende korrelfrac-ties wordt een hoge pakkings-dichtheid van het dragendemateriaal nagestreefd;? het gehalte aan water wordtgeminimaliseerd: het watermoet bij de hydratatie volledig2 |`Underground City' inMontreal3 |Tekening `Wonen onderde grond' van de vijfjari-ge SandraO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 666worden verbruikt, zodat in hetverharde beton geen vrij watermeer overblijft dat door uitdro-ging tot inwendige spanningenen microscheurvorming kanleiden;? fijne staalvezels worden toege-voegd om het materiaal een taaigedrag mee te geven.Door de bijzondere samenstellingheeft het beton B 200 een enormedruksterkte, in samenhang meteen grote taaiheid, wat voor con-structief gebruik buitengewoonaantrekkelijk is. De centrischetreksterkte van een B 200 is onge-veer 15 N/mm2, waarbij een buig-treksterkte van 30-40 N/mm2hoort. Doordat het materiaal zo'ngrote druksterkte heeft, kan hetook zeer hoog worden voorge-spannen. De bij het voorspannenoptredende trekspanningen wor-den daarbij moeiteloos door destaalvezels opgenomen.In de nabije toekomst zal echterniet meer alleen worden gedimen-sioneerd op draagvermogen(bezwijkveiligheid) en bruikbaar-heid (scheurwijdte en vervor-ming), maar zal een derde belang-rijk criterium moeten wordengecontroleerd: de duurzaamheid.Wat de duurzaamheid betreft lij-ken de ultra-hogesterkte beton-soorten zeer hoog te scoren.Figuur 6 toont een diagram waar-in de verdeling van de grootte vande in het beton aanwezige pori?n(pori?nradius) wordt weergegevenen wel voor beton met middel-hoge sterkte B 55, een met hogesterkte B 105 en een met ultra-hoge sterkte B 200. Het betonB 55 vertoont een piekwaarde bijde pori?n tussen 0,05 en 0,1 ?m.Het hogesterktebeton vertoont eenlagere piekwaarde bij 0,01-0,02 ?m. Deze pori?n zijn lager inaantal en hun doorsnede is veelkleiner, waardoor bijvoorbeeld hettransport van vocht, chloriden,CO2en zuurstof sterk wordtbemoeilijkt. Dit bevestigt debekende hoge duurzaamheid vanhogesterktebeton. Bij het ultra-hogesterktebeton treedt echter inhet geheel geen piek meer op: ditduidt op een zeer grote duurzaam-heid ten aanzien van op zijnminst de belangrijkste corrosie-mechanismen.De combinatie van een zeer hogesterkte, taaiheid en duurzaamheidis bijzonder gunstig, zeker als wepraten over toepassingen onder-gronds of in de grond. Een goedvoorbeeld is de betonnen dam-wand, waarover reeds eerder werdgepubliceerd [1]. Het voor de dam-planken gebruikte mengsel is eenzelfverdichtend vezelbeton meteen gemiddelde 28-daagse druk-sterkte van 120 N/mm2. De meng-sels zijn voorzien van 125 kg fijnestaalvezels (lg = 13 mm,?0,16mm). De damplanken zijnvoorgespannen met strengen 1/2"en bevatten geen betonstaal. Dedekking op de strengen is slechts10 mm, waardoor een plankdiktevan slechts 45 mm nodig is (foto4 |`Concrete Poetry': win-nend ontwerp voor deSchreudersprijs 2004door studente Petra vander Ven van de TUEindhoven5 |Materiaalstructuur vaneen beton B 25 (links) eneen beton B 200O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2005 6 677). Dit is aanzienlijk dunner dande tot nu toe geproduceerdebetonnen planken uit B 55, dieeen dikte van 120 mm hebben. Deprijs van het hoogwaardige vezel-beton is ongeveer 450/m3. Dit isongeveer viermaal zo hoog als deprijs van een beton B 55. Eenechte vergelijking van de kosten isechter slechts mogelijk op inte-grale basis. Hierbij spelen meerargumenten dan alleen de prijsper m3een rol. Zo is het volumevan het hoogwaardige vezelbeton,nodig voor de fabricage van eenplank, slechts 35% van dat vaneen klassieke plank: hierdoorwordt al veel teruggewonnen. Ver-der zijn de planken uit hoogwaar-dig vezelbeton stapelbaar, zodat erveel meer tegelijk kunnen wordenopgeslagen en getransporteerd.Door de kleine doorsnede is detijd, nodig voor het in de grondbrengen van een plank, korter dannodig voor een klassieke plank.Hierbij moet nog worden bedachtdat het bij grondkerende wandenvaak gaat over lengten van velehonderden meters. De tijdwinstkan dus enorm zijn. Andere voor-delen zijn nog dat de apparatuurvoor het inbrengen van de wan-den veel lichter kan zijn en datbeschadiging van de koppen vande planken, door de werking vande vezels, veel minder voorkomt.Uiteindelijk gaat het dus om eenproduct dat wel degelijk concur-rerend is. Verdere optimalisatiezal zelfs naar verwachting tot eennog beter en goedkoper productleiden.Overal waar grote drukkrachtenmoeten worden opgenomen isultra-hogesterktebeton een kans-rijk product. Dit geldt bijvoor-beeld voor de diverse soorten hei-, schroef- en combipalen. Lichtepalen met een groot draagvermo-gen of zwaardere palen met eenzeer groot draagvermogen kun-nen worden ontwikkeld. Eenandere kansrijke ontwikkeling isdie van buizen in de grond uitultra-hogesterktebeton. Bij bui-zen die de grond in wordengeperst treden grote normaal-drukkrachten op. Daarnaast wor-den hoge eisen gesteld aan deduurzaamheid en de dichtheid.Naarmate de diameter van debuizen kleiner wordt, treden bijhet inpersen grotere wrijvings-krachten op. Door het verhogenvan de sterkte kan de maximalelengte waarover de buizen in degrond worden geperst verderworden vergroot.Verder worden buizen uithogesterktebeton momenteel alingezet als stempels voor grond-kerende wanden. De gestegenprijs van stalen buizen maakt ditalternatief bijzonder interessant.Verder moet worden onderzochtwat de rol van zeer hoogwaardigbeton in de tunnelbouw kan zijn.Zeker wanneer op grote grond-respectievelijk waterdrukkenmoet worden ontworpen en wan-neer de duurzaamheid eenbelangrijk criterium is, kan eenmateriaal met een zeer hogesterkte, ductiliteit en duurzaam-heid, dat in feite ligt tussen klas-siek beton en constructiestaal,een goed alternatief zijn.0,070,060,050,040,030,020,010,000,001 0,01 0,1 1 10 100straal porie (?m)log.differenti?leindringing(ml/g)gelpori?n capillaire pori?nbeton B105 beton B55beton B2006 |Pori?ngrootteverdelingvoor verschillendebetonsoorten7 |Damplank uit hoogwaar-dig vezelbeton met diktevan slechts 45mmO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia lencement 2005 668De spanningsconcentraties diebij de montage en in het gebruikvan momenteel gangbare tunnelsoptreden (fig. 8 [2]), die scheur-vorming, splijten en spatten totgevolg kunnen hebben, wordendoor UHSVB vanwege het groteplastische vervormingsvermogen,spelenderwijs opgenomen. Wan-neer de gronddrukken in hetgangbare gebied liggen, kunnenzeer lichte tunnelelementen wor-den gefabriceerd en ingezet die,ondanks hun geringe dikte, nau-welijks of geen schade zullen ver-tonen. Bij gelijkblijvend binnen-profiel van de tunnel wordttevens het grondverzet vermin-derd.O p w e g n a a r b e t o n o pm a a tNadat jarenlang het ontwerpenvan betonconstructies centraalheeft gestaan, treedt nu een inte-ressante verschuiving op naar eennieuwe uitdaging: het optimaalontwerpen van beton. `Beton opmaat' heeft de toekomst. De kunstis het beton eigenschappen mee tegeven die in het ontwerp wordengevraagd. Dit zal leiden tot eennieuwe fase in het ontwerpen vanconstructies: de periode van`defined performance design', ofwel het ontwerpen op gedefini-eerde gedragseigenschappen.Met het begrijpen van belangrijkeeigenschappen zoals de porositeitvan beton, zijn belangrijke stap-pen vooruit gezet. Voorbeeldenhiervan worden gevonden in hetinmiddels afgeronde PrioriteitenProgramma Materialen van STW,waarin het begrijpen en beheer-sen van de materiaalstructuur vanbeton centraal stond. Als voor-beeld toont figuur 9 de vormingvan de microstructuur van betonvia een rekenkundige voorspellingvan de porositeit [3].Het ontwikkelen van dit soortanalytische instrumenten zalhopelijk op termijn leiden totverregaande beheersing van deeigenschappen van het beton.Om de betekenis hiervan te kun-nen begrijpen hoeft alleen maargedacht te worden aan de stapvooruit die brandveilig beton zoubetekenen. Dit toont tevens hetbelang van voortgaand onderzoekop beton, waarbij het om heteven is of dit zich boven of onderde grond bevindt.C o n c l u s i e s1. Het is een goede gedachteervan uit te gaan dat op hetleven in de stad meer drukzal komen te liggen. De toe-stroom naar stedelijke gebie-den zal wereldwijd sterk zijnen wij zullen dit ook in Euro-pa ondervinden. Ondergrondsbouwen kan bijdragen aanhet handhaven van een goedleefklimaat.2. Voor ondergronds bouwen iseen multidisciplinaire aanpaknodig. Aan ondergronds levenen werken, zit zowel een tech-nische als een psychologischekant.3. Er is een revolutie gaande ophet gebied van de ontwikke-ling van nieuwe betonsoorten.De mogelijkheden deze onder-gronds toe te passen zijnlegio.4. Dat we met beton onder-gronds gaan betekent nog nietdat we het wegstoppen. Nietalleen het bouwen in beton,maar ook het bouwen in demeest algemene zin verdientveel meer erkenning dan hetnu krijgt. Ook hieraan moetworden gewerkt. L i t e r a t u u r1. Tol, R., W. Jansze, Nieuwespanwand. Cement 2002 nr. 4.2. Blom, C.B.M., Design philo-sophy of segmented liningsfor tunnels in soft soils. Dis-sertatie, TU Delft, december2002.3. Ye, G., The microstructure andpermeability of cementitiousmaterials. Dissertatie TUDelft, 2003.8 |Spanningsconcentratiesin de wand van eengangbare betonnenboortunnel uit beton B55. Verleden tijd door dekomst van UHSVB (UltraHoge Sterkte VezelBeton)?9 |Numerieke bepaling vande porositeit van beton[3]