76 cement 2008 1O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater b ou wNederland kent een lange historieop het gebied van drijvendbouwen. De eerste drijvendewoningen in de negentiende eeuwbestonden uit omgebouwdevrachtschepen die werdenbewoond door de allerarmsten inde samenleving. Tegenwoordigworden drijvende woningengebouwd op een betonnencaisson, waarbij de holte van decaisson vaak wordt gebruikt als,half onder water verscholen woon-laag. Deze moderne arken (foto 2)doen wat betreft comfort enruimte niet onder voor op landgelegen woningen.Drijvend bouwen staat sinds hetverschijnen van het advies van deCommissie `Waterbeheer 21steEeuw' in de belangstelling als eenvorm van meervoudig ruimtege-bruik, waarbij waterberging kanworden gecombineerd met andereruimtelijke functies. Daarmeeslaat het drijvend bouwen eennieuwe richting in. De overhedenhebben tot voor kort nog een res-trictief beleid gevoerd ten aanzienvan ligplaatsen, maar dat is delaatste jaren aan het veranderen.Het inzicht dat drijvend woneneen kansrijke vorm van meervou-dig ruimtegebruik is, lijkt hieraanbij te dragen [1].De huidige projecten zijn veelalnog kleinschalig. Dit onderzoekgaat in op mogelijkheden voorgrootschalige drijvende woning-bouw dankzij een breed toepas-bare drijvende fundering voorinfrastructuur, woningen en tui-nen. Dankzij deze fundering ishet ontwerp van volwaardige drij-vende woonwijken mogelijk. Eenbelangrijk aspect daarbij is dediepgang. Veel oppervlaktewaterin Nederland is relatief ondiep.Bovendien maakt een beperktediepgang grotere peilfluctuatiesmogelijk, waardoor het bergendevermogen in een waterbergingsge-bied hoger is.Nieuwe betonsoorten voor hetfunderen van drijvende steden1 |Impressie drijvendewoonstraatir. M. Kuijper, Deltasync*)ir J.A. den Uijl, TU Delft, fac. CiTGDe ontwikkeling van nieuwe, hoogwaardige betonsoorten is de afgelopenjaren in een stroomversnelling geraakt. Tal van toepassingen voor deze nieu-we materialen zijn denkbaar. In dit artikel wordt de mogelijkheid verkend omdoelgericht ontwikkelde cementgebonden composieten (EngineeredCementitious Composites: ECC) toe te passen in de draagconstructie van drijf-lichamen (fig. 1).*) ir. Kuijper is op onder-zoek naar drijvendbouwen in oktober 2006cum laude afgestudeerdaan de TU Delft, faculteitCiTG. Dit artikel gaat inop een deel van hetonderzoek. De afstudeer-commissie bestond uitprof.dr.ir. J.C. Walravenen ir. J.A. den Uijl (bei-den TU Delft, fac. CiTG),ir. T. Rijcken (TU Delft,fac. Bouwkunde eninmiddels fac. CiTG) enir. D. Tirimanna (FDNengineering). Ir. Kuijperwerkt nu binnen deTechnostarter DeltaSync(www.deltasync.nl) aande ontwikkeling vantechnologie voor drij-vende steden.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater b ou wcement 2008 1 77M e t a c e n t r u mHet metacentrum, ook wel zwaaipunt genoemd, bepaalt de stabiliteit vandrijvende voorwerpen als schepen, caissons en woningen. Het metacentrumis afhankelijk van het gewicht van de hoeveelheid verplaatste vloeistof(opwaartse kracht F). In de figuur is die hoeveelheid weergegeven als hetgearceerde gedeelte. De opwaartse kracht grijpt aan in het zwaartepunt Z1van de gearceerde oppervlakte van het voorwerp. Het gewicht G van hetvoorwerp grijpt aan in het zwaartepunt Z van het gehele voorwerp. Hetmetacentrum M ligt op het snijpunt van het middenvlak en de opwaartsekracht. Zolang het metacentrisch punt boven het zwaartepunt ligt, zal hetbij een kleine verdraaiing willen terugdraaien naar de evenwichtsstand. Inde figuur zal de opwaartse kracht F het voorwerp weer in rechte standwillen draaien met een moment van F ? a. Zodoende geldt: hoe groter deafstand tussen M en Z (de metacentrische hoogte), hoe groter de stabiliteit.S t a b i l i t e i tEen beperkte diepgang is mogelijkdoor het gewicht van de construc-tie laag te houden. Dit kan wordenbereikt door een constructiemate-riaal toe te passen waarmee je metweinig materiaal een sterke con-structie kunt ontwerpen. Hoog-waardige betonsoorten, waaronderECC, lenen zich hier goed voor.Het beperken van het gewichtheeft wel als nadeel dat de stabili-teit van de constructie afneemt.De stabiliteit van een drijvendeconstructie kunnen we onderver-delen in een statische en dynami-sche component.S t a t i s c h e s t a b i l i t e i tStabiliteit kan, in dit kader, wor-den omschreven als de mate waar-in een object wil terugkeren naarde evenwichtstoestand. De stabili-teit van een drijvend object komttot uiting in de afstand tussen hetzwaartepunt en het metacentrum(zie kader), de zogenoemde meta-centrumhoogte. Deze hoogte isvoornamelijk afhankelijk van debreedte van het drijflichaam(rechthoekige doorsnede) [2]. Hetblijkt dat de stabiliteit wordtbepaald door de locatie van hetzwaartepunt (gewichtsstabiliteit)en door de breedte van het drijfli-chaam (vormstabiliteit). Daarbijgeldt: hoe lager het zwaartepunten hoe breder het drijflichaam,hoe stabieler (fig. 3) [3].Uit een parameterstudie naar destabiliteit van drijflichamen, voor-zien van een drielaagse opbouw,blijkt dat bij een breedte tot circa6 m het zwaartepunt de bepalendefactor voor de stabiliteit is. Bij eenbreedte vanaf circa 9 m heeft depositie van het zwaartepunt nognauwelijks invloed op de stabili-teit.D y n a m i s c h e s t a b i l i t e i tEen drijvend lichaam kan doorgolven, met een frequentie in hetgebied van de eigenfrequentiesvan het drijvende lichaam, in tril-ling worden gebracht (opslinge-ren) [4]. Omdat deze bewegingheftig kan zijn, moet dit wordenvoorkomen. Dat kan door deeigenfrequentie van het voorwerpte be?nvloeden. In het hiergewenste flexibele bouwsysteem(variabele afmetingen, geheelwaterdoorsnijdend) is dat nietgoed mogelijk. Zelfs met het vari-eren van de massa van het drijfli-chaam kunnen de eigenfrequen-ties slecht worden be?nvloed. Datis geen probleem, zo lang hetbouwwerk zich niet in gebiedenbevindt waar hoge golven te ver-wachten zijn. Voor rustig binnen-water blijkt dit probleem vanondergeschikt belang. Indiennoodzakelijk kunnen wel aanvul-lende maatregelen worden geno-men om de golfbewegingen teverminderen, bijvoorbeeld dooreen (drijvende) golfbreker te plaat-sen.L i c h t g e w i c h t c o n s t r u e r e nDoor het resultaat van de stabili-teitsanalyse kan bij de ontwikke-ling van een breed toepasbaardrijflichaam, waarbij wordt uitge-gaan van een minimale breedtevan 9 m, de massa ongestraft wor-den geminimaliseerd. De gewens-te lichtgewicht constructie, diezorgt voor een geringe diepgang,wordt bereikt door een combinatievan EPS (ge?xpandeerd polysty-reen) en ECC toe te passen. Het 2 |Moderne woonarkenMZ1ZGXFmiddenvlakO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater b ou w78 cement 2008 1MbFGMaFGBBFFdrijfvermogen van de funderingkan worden geleverd door gebruikte maken van een holle ruimte ofvan een lichtgewicht waterverdrin-gend materiaal, zoals EPS. Alsgebruik wordt gemaakt van eenholle ruimte, zal een bakachtigeconstructie ontstaan in een ECC.Op die manier wordt echter nietoptimaal van het materiaalgebruik gemaakt. Er is een zekeredikte nodig om de constructiewaterdicht te maken en de vorm-vrijheid is beperkt.Bij gebruik van EPS kan een drijf-lichaam worden samengestelddoor het met vezelversterkt betonvolstorten van holtes die ontstaandoor (EPS) blokken met een uitge-kiende vorm naast elkaar te plaat-sen. Hierdoor ontstaat een methet EPS verweven raamwerk vanbeton dat het drijflichaam sterkteen stijfheid geeft. De eigenschap-pen van ECC zorgen ervoor datweinig materiaal gebruikt behoeftte worden, maar er kan alleen metweinig materiaal worden volstaandoordat het EPS het drijfvermo-gen levert. Het EPS biedt daar-naast de mogelijkheid om hetECC in een geoptimaliseerdevorm te gieten. Het maken vaneen vergelijkbare complexe, geop-timaliseerde vorm met traditio-nele bekistingtechnologie is onbe-taalbaar. De EPS-elementen kun-nen daarentegen in grote hoeveel-heden in een fabriek geprodu-ceerd worden, waardoor ze op eenkosteneffectieve manier als verlo-ren bekisting kunnen dienen.E n g i n e e r e d C e m e n t i t i o u sC o m p o s i t e s ( E C C )Veel onderzoek naar het verbete-ren van de eigenschappen vanbeton is gericht op het gedragonder trekbelasting. Door het toe-voegen van vezels kan dit gedragworden verbeterd, met name tenaanzien van de eigenschappen nahet ontstaan van scheuren. Doorde scheuroverbruggende werkingvan de vezels kan ook na het ont-staan van scheuren trekkrachtworden overgedragen. Wel ismeestal sprake van softening, datwil zeggen dat de trekkracht diena het optreden van een scheurkan worden overgebracht, kleineris dan de scheurkracht. De ont-wikkeling van ECC-mengsels isonder meer gericht op het verkrij-gen van `hardening'. In dat gevalis de kracht die door de vezels kanworden overgebracht groter dande scheurkracht. Dit leidt tot eenfijn verdeeld scheurpatroon en4 |Impressie drijvendelement3 |Stabiel en instabielO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater b ou wcement 2008 1 79woningengroenstraatstoepmaten in m1,21,21,21,2 7,2een zeer taai gedrag bij belastenop trek. Dit wordt bereikt doorafstemming van de treksterkte vande matrix, de stijfheid van devezels en de aanhechteigenschap-pen tussen de vezels en de matrix[5]. Het taaie gedrag van ECCmaakt het mogelijk dragende con-structie-elementen te vervaardigenmet minder wapeningselementendan bij gangbaar beton. Zo bleekbij gebruik van ECC in de raam-werkliggers geen afschuifwape-ning nodig te zijn.C o n s t r u c t i eHet uitwerken van het raamwerk-systeem heeft geleid tot een drij-vende fundering met liggers vanECC op een raster van 3 ? 3 m.Deze constructie wordt opge-bouwd uit basiselementen van 3 ?12 m, waarvan de begrenzingenmidden tussen de liggers lopen.Deze basiselementen zijn opge-bouwd uit zestien EPS-blokkenvan 1,5 ? 1,5 m met twee vlakkezijden en twee zijden voorzienvan het contraprofiel van de lig-gers (fig. 4).Het dek kan direct in de fabriekworden aangebracht of ter plaatseop de bouwplaats worden gestort.Door in de bovenste EPS-laag eenraster van kanalen op te nemenontstaat vanzelf een cassettevloer.Dit levert een zeer slank en duslicht dek.De basiselementen kunnen opverschillende manieren aan elkaarworden gekoppeld. De toepassingen afmetingen van het te bouwendrijflichaam bepalen welke kop-pelingsmethode het voordeligst is.Bij een drijflichaam met enigeomvang zal het koppelen doormiddel van voorspanning hetmeest voordelig zijn. Niet in delaatste plaats omdat daarmee ookhet draagvermogen van de liggersin het element aanzienlijk wordtvergroot.Ter bepaling van het meest voor-delige type ligger is een vergelij-kingsstudie naar het draagvermo-gen van een aantal typen liggersuitgevoerd. Hieruit bleek dat eenI-ligger met, in grootte beperkteopeningen in het lijf het meestvoordelig is (fig. 4).C a s e - s t u d yTot slot is de drijvende funderingvoor een specifieke situatie gedi-mensioneerd. Deze situatie betrofeen woonstraat, compleet metweg, woningen en tuinen, van 45? 33 m (fig. 5). Het bleek mogelijkhet geheel op een aaneengeslotendrijflichaam te situeren. Een voor-deligere situatie ontstond echterdoor de weg en de woningen opafzonderlijke drijflichamen te fun-deren en deze scharnierend metelkaar te verbinden. Op die wijzewas het mogelijk zeer slanke lig-gers toe te passen.T o t s l o tDe essentie van het drijvende fun-deringsysteem ligt in de samen-werking tussen EPS en ECC. Dezecombinatie van materialen leverteen licht, sterk en uitvoerings-vriendelijk concept op en heeft depotentie te dienen als inspiratie-bron voor talrijke vervolgonder-zoeken. Het hier opgezette onder-zoek wordt dan ook in samenwer-king met de TU Delft voortgezetbinnen DeltaSync.Ondanks dat de fundering is ont-wikkeld om te drijven op water, isdeze mogelijk ook op land inzet-baar. Het is interessant om teonderzoeken of het systeem ookkan worden ingezet als hulpmid-del bij het bouwen op zeer slechtegrondslag. Nu wordt EPS al regel-matig gebruikt als opvulmateriaalom de ondergrond te ontlasten.Het is daarom goed mogelijk datde drijvende fundering als ver-sterkte EPS-constructie kan wor-den ingezet om te `drijven' opveen. nL i t e r a t u u r1. Wilberink, B. en T. Munster,Wonen op water, Kansen enknelpunten in oude en nieuwewoonvormen. Purmerend2005.2. Waterwonen in de 21ste eeuw,Civieltechnische oplossingenvoor drijvende woonwijken.Scripties Aqua Struenda,Hogeschool Zuyd te Heerlen2004.3. Journee, J.M.J. en W.W. Mas-sie, Offshore Hydromechan-ics. TU Delft 2001.4. Barltrop, N., Floating struc-tures: a guide for design andanalysis. CMPT 1998, Edin-burgh.5. Li, V.C., Engineered Cementi-tious Composites. Proceedingsof ConMat'05, Vancouver, Can-ada, 22-24 augustus 2005.5 |Overzicht case study:drijvende woonstraatmet wooneilanden