76 cement 2008 1O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou wNederland kent een lange historieop het gebied van drijvend bou-wen. De eerste drijvende wonin-gen in de negentiende eeuwbestonden uit omgebouwdevrachtschepen die werdenbewoond door de allerarmsten inde samenleving. Tegenwoordigworden drijvende woningengebouwd op een betonnen cais-son, waarbij de holte van de cais-son vaak wordt gebruikt als, halfonder het water verscholen, woon-laag. Deze moderne arken (foto 2)doen wat betreft comfort en ruim-te niet onder voor op het 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. Wel hebben deoverheden tot voor kort een res-trictief beleid gevoerd ten aanzienvan ligplaatsen. Dat is de laatstejaren aan het veranderen. Hetinzicht dat drijvend wonen eenkansrijke vorm van meervoudigruimtegebruik is, lijkt hieraan bijte dragen [1].De huidige projecten zijn veelalnog kleinschalig. Dit onderzoekgaat in op mogelijkheden voorgrootschalige drijvende woning-bouw dankzij een breed toepas-bare drijvende fundering voorwoningen, infrastructuur en tui-nen. Dankzij deze fundering ishet ontwerp van volwaardige drij-vende woningen/wijken mogelijk.Een belangrijk aspect daarbij is dediepgang. Veel oppervlaktewaterin Nederland is relatief ondiep endaarnaast is een beperkte diep-gang gunstig voor de peilfluctuatiein een waterbergingsgebied. Daar-door is het waterbergende vermo-gen in het gebied hoger.S t a b i l i t e i tEen beperkte diepgang is mogelijkdoor het volumieke gewicht vande constructie laag te houden. Ditkan worden bereikt door een con-structiemateriaal toe te passenwaarmee je met weinig materiaaleen sterke constructie kunt ont-werpen. Een zeer-hogesterktebe-ton leent zich hier goed voor enheeft als extra voordeel dat hetduurzamer dan conventionelebetonsoorten is.Het beperken van de massa heeftwel als nadeel dat de stabiliteit vande constructie afneemt. De stabili-teit van een drijvende constructiekunnen we onderverdelen in eenNieuwe 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 ombetoncomposieten toe te passen als draagconstructie voor drijflichamen(fig. 1).*) ir. Kuijper is op dit onder-zoek in oktober 2006cum laude afgestudeerdaan de TU Delft, faculteitCiTG. De afstudeercom-missie bestond uit prof.dr.ir. J.C. Walraven enir. J.A. den Uijl (beidenTU Delft, fac. CiTG),ir. T. Rijcken (TU Delft,fac. Bouwkunde) en ir. D.Tirimanna (FDN enginee-ring). Kuijper werkt nubinnen de TechnostarterDeltaSync (www.delta-sync.nl) aan de ontwik-keling van technologievoor drijvende steden.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou wcement 2008 1 77MbFGMaFGBBFFM e t a c e n t r u mHet metacentrum, ook wel zwaaipunt genoemd, bepaalt de stabiliteit van drijvende voorwerpen alsschepen, caissons en woningen. Het metacentrum is afhankelijk van het gewicht van de hoeveelheidverplaatste vloeistof (opwaartse kracht F). In de figuur is die hoeveelheid weergegeven als het gearceerdegedeelte. De opwaartse kracht grijpt aan in het zwaartepunt Z1van de gearceerde oppervlakte van hetvoorwerp. Het gewicht G van het voorwerp grijpt aan in het zwaartepunt Z van het gehele voorwerp.Het metacentrum M ligt op het snijpunt van het middenvlak en de opwaartse kracht. Zolang het meta-centrisch punt boven het zwaartepunt ligt, zal het bij een kleine verdraaiing willen terugdraaien naarde evenwichtsstand. In de figuur zal de opwaartse kracht F het voorwerp weer in rechte stand willendraaien met een moment van F . x. Zodoende geldt: hoe groter de afstand tussen M en Z (de metacen-trische hoogte), hoe groter de stabiliteit.statische en dynamische compo-nent.Statische stabiliteitStabiliteit kan worden omschre-ven als de mate waarin een objectwil terugkeren naar de even-wichtstoestand. De stabiliteit vaneen object komt tot uiting in deafstand tussen het zwaartepunt enhet metacentrum (zie kader), dezogenoemde metacentrumhoogte.Deze hoogte is voornamelijkafhankelijk van de breedte van hetdrijflichaam (rechthoekige door-snede) [2]. Het blijkt dat de stabili-teit wordt bepaald door de locatievan het zwaartepunt (gewichtssta-biliteit) en door de breedte van hetdrijflichaam (vormstabiliteit).Daarbij geldt: hoe lager het zwaar-tepunt en hoe breder het drijfli-chaam, hoe stabieler (fig. 3) [3].Uit een parameterstudie naar destabiliteit van drijflichamen, metgangbare waarden voor de breedteen de positie van het zwaartepunt,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.Dynamische stabiliteitEen drijvend lichaam kan doorgolven, met een frequentie in hetgebied van de eigenfrequenties vanhet drijvende lichaam, in trillingworden gebracht (opslingeren) [4].Omdat deze beweging heftig kanzijn, moet dit worden voorkomen.Dat kan door de eigenfrequentievan het voorwerp te be?nvloeden.In het hier gewenste flexibelebouwsysteem (variabele afmetin-gen, geheel waterdoorsnijdend) isdat niet goed mogelijk. Zelfs methet vari?ren van de massa van hetdrijflichaam kunnen de eigenfre-quenties slecht worden be?nvloed.Dat is 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 te ver-minderen, bijvoorbeeld door een(drijvende) golfbreker te plaatsen.Lichtgewicht construerenVanwege de breedte van het sys-teem vormt het lage gewicht, ten-gevolge van de keuze voor zeer ?hogesterktebeton geen probleem.Bij een drielaagse opbouw inhoutsketelbouw (HSB) is deinvloed van de massa van hetdrijflichaam op de stabiliteit alverwaarloosbaar bij een breedtevan circa 10 m. Hierdoor kan bijde ontwikkeling van een breedtoepasbaar drijflichaam de massaongestraft worden geminimali-seerd.In de afgelopen decennia zijn erveel ontwikkelingen op betonge-bied geweest die lichtgewichtbetonconstructies mogelijkmaken. Een belangrijke verbete-ring ter beperking van het gewichtvan de constructie, is het toevoe-gen van vezels aan de cementma-trix om zo de trekeigenschappenvan het beton te verbeteren. Hier-door is wapenen in sommigegevallen niet meer nodig, wat kos-ten en massa spaart [5].2 |Moderne woonark3 |Stabiel en instabielO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou w78 cement 2008 1Dankzij de vezels is de scheurvor-ming ook fijner verdeeld en is descheurwijdte geringer. In hetbezwijkstadium van het beton isechter de vervormingscapaciteitvan belang. Daarvoor moet `harde-ning' optreden, en dat gebeurtniet per definitie in standaardvezelversterkt beton. Met de ont-wikkelingen op het gebied vancementgebondencomposietbeton(CCB) [6] is de afgelopen tien jaarveel vooruitgang geboekt. De ont-wikkeling van deze CCB-mengselsgebeurt aan de hand van micro-mechanisch onderzoek. Daarbijwordt per toepassing bepaald watde gewenste eigenschappen zijnvan de matrix, de vezel en desamenwerking van de vezel en dematrix en vervolgens worden deeigenschappen van het composietdaarop aangepast [7].Vooral CCB-mengsels met combi-naties van verschillende soortenvezels - lang, kort en in verschil-lende vormen (ribbels, haakjese.d.) ? laten in een fijne hogesterk-temortel veelbelovende resultatenzien. Bij deze hybride vezelbeton-soorten neemt zowel de treksterk-te als de taaiheid aanzienlijk toe.De hoeveelheid toegepaste vezelskan daardoor relatief laag blijven.Dit garandeert een goede verwerk-baarheid en lage kosten.E P S e n C C BHet drijfvermogen van de funde-ring kan worden geleverd doorgebruik te maken van een holleruimte of van een lichtgewichtwaterverdringend materiaal zoalsge?xpandeerd polystyreen (EPS).Als gebruik wordt gemaakt vaneen holle ruimte, zal een bakach-tige constructie ontstaan in eenCCB. Op die manier wordt echterniet optimaal 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) structuren met eenuitgekiende vorm tegen elkaar teplaatsen. Hierdoor ontstaat een inhet EPS verweven frame/raam-werk van beton dat het drijfli-chaam sterkte en stijfheid geeft.Het EPS geeft het drijflichaamdrijfvermogen en dient daarnaastals verloren bekisting.Door EPS te gebruiken kan debetonconstructie optimaal wordenvormgegeven. Het maken van eenvergelijkbare complexe, geoptima-liseerde vorm met traditionelebekistingstechnologie is onbetaal-baar. De EPS-elementen wordendaarentegen in grote hoeveelhe-den in een fabriek geproduceerd,waardoor ze op een kosteneffec-tieve manier als verloren bekistingkunnen dienen.C o n s t r u c t i eHet uitwerken van het raamwerk-systeem heeft geleid tot een drij-vend bouwsysteem met als basiseen drijvend element van 3 x 12m2, waarin om de 3 m liggers zijnvoorzien. Deze betonstructuurontstaat door zestien EPS-structu-ren van 1,5 x 1,5 m2te vervaardi-gen en daarbij twee zijden te voor-zien van de mal voor de CCB-lig-ger. De liggers lopen door het ele-ment. Hierdoor zijn geen afwij-kende EPS-structuren aan de randvan het element nodig.Het dek kan direct in de fabriekworden aangebracht of ter plaatseop de bouwplaats worden gestort.In de bovenste EPS-laag kunnenkanalen worden opgenomen,zodat vanzelf een cassettevloerontstaat. Hierdoor kan het dekzeer slank worden uitgevoerd.De elementen kunnen op verschil-lende manieren aan elkaar wor-den gekoppeld. De toepassing enafmetingen van het te bouwendrijflichaam bepalen welke kop-pelingsmethode het voordeligst is.Bij een drijflichaam met enige4 |Impressie DrijvendelementO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou wcement 2008 1 79woningengroenstraatstoepmaten in m1,21,21,21,2 7,2MZ1ZGXFmiddenvlakomvang 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 beperkte,openingen 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 45x 33 m2(fig. 5). Daarbij bleek hetmogelijk de woonstraat metmomentvaste verbinding tussende woningen en de weg te dimen-sioneren met relatief slanke lig-gers. Het is echter voordeliger alsde momentvaste verbinding wordtvervangen door een scharnierendeverbinding. Op die wijze is hetmogelijk zeer slanke liggers toe tepassen.T e n s l o t t eDe essentie van het drijvende fun-deringsysteem ligt in de samen-werking tussen EPS en CCB.Deze combinatie van materialenlevert een licht, sterk en uitvoe-ringsvriendelijk concept op enheeft de potentie te dienen alsinspiratiebron voor talrijke ver-volgonderzoeken. Het hier opge-zette onderzoek wordt dan ook insamenwerking met de TU-Delftvoortgezet binnen 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. Markovic, I., Hybride vezelbe-ton. Cement 2007 nr. 3.6. Walraven, J.C. Vezelbeton vanverleden naar toekomst.Cement 2007 nr. 3.7. Rijcken, T. en J. den Uijl, DeDrijvende Bouwsteen. Cement2005 nr. 7.8. Walraven, J.C., Ultra-hogesterktebeton: een materi-aal in ontwikkeling. Cement2006, nr. 5.9. LCPC workshop; Part B: firstpilot test of UHPFRC for reha-bilitation of a bridge. 2005.5 |Overzicht Case study:drijvende woonstraatmet wooneilanden.