themaStalen spanten en betonnen kernen6201020themaStalen spanten enbetonnen kernenNieuwbouw faculteit B?tawetenschappen Universiteit UtrechtStalen spanten en betonnen kernen 2111 Vloeren achter de gevel aan deUniversiteitsweg zijn met vier uitkragende stalen spanten teruggekoppeld naar de negen meter terugliggende wanden van de kernenDe voorzijde van het nieuwe gebouw ligt aan de drukke Universiteitsweg, deachterkant biedt zicht op weilanden, de hortus botanicus en Fort Hoofddijk.Projectarchitecten Herman Hertzberger en Laurens Jan ten Kate kozen vooreen stevige, beschermende schil aan de `harde', stedelijke voorkant en eenopen, glazen gevel aan de `zachtere', landelijke achterkant. Door de voorkantop te tillen heeft de automobilist die van de snelweg komt vrij zicht naar decampus.Het gebouw bevat onderwijsruimtes, laboratoria en flexibele werkruimtes enheeft de vorm van een hoefijzer dat een centrale hal omsluit. De centrale halis overkapt waardoor een vijf verdiepingen hoog atrium ontstaat. De over-kapping wordt aan de achterkant van het gebouw naar buiten doorgezet.Hierdoor ontstaat hier een openlucht-collegezaal.In de centrale hal is als los element het zogeheten ontmoetingsgebouwontworpen, met de algemene voorzieningen. De verdiepingsvloeren rond decentrale hal worden deels doorgezet het atrium in; dit zijn de zogenoemde`werkeilanden'. Hierdoor ontstaan in het atrium veel zichtlijnen tussen deverdiepingen onderling en het ontmoetingsgebouw.Het entreegebiedHet eerste dat opvalt aan het ontwerp is de schuin oplopende overhang aande voorkant van het gebouw (foto 2). Onder deze overhang bevinden zich deentree en de fietsenstallingen en er loopt een rijbaan. Het is daarom nietgewenst om in dit gebied kolommen tot de fundering door te zetten.Jaap DijksPieters BouwtechniekAan de rand van het Utrechtse universiteitsterrein De Uithofwordt gewerkt aan het nieuwe gebouw voor de faculteit B?ta-wetenschappen. De nieuwbouw komt op een markante plaatsop het universiteitsterrein, op de hoek van de Leuvenlaan en deUniversiteitsweg. Opvallend aan het ontwerp is de schuin oplo-pende overhang aan de voorkant. Om deze kolomvrijeconstructie mogelijk te maken, werd gekozen voor een combi-natie van staal en beton.2 Het eerste dat opvaltaan het ontwerp is deschuin oplopende overhang aan de voorkantvan het gebouw2Stalen spanten en betonnen kernen6201022grens bebouwingthemaHet bouwvolume erboven, 30 x 60 m, vijf verdiepingen hoog,rust slechts op twee betonkernen (fig. 3). Deze kernen staannaar binnen ten opzichte van de bovenliggende gebouwcon-tour. De verdiepingsvloeren kragen zo naar twee kanten uit.Over de breedte van het kolomvrije entreegebied loopt hetplafond langzaam omhoog. Het laagste punt ligt op 3,60 mboven peil. Het hoogste punt ligt op 8,20 m. Daardoor varieertde beschikbare constructiehoogte. In de entreezone is tussen deeerste en de tweede verdieping een hybride balkenroostergemaakt van stalen vakwerken gecombineerd met betonnenwandliggers en betonbalken (fig. 3c). Afhankelijk van debeschikbare hoogte en bouwkundige eisen van transparantie enmassiviteit is per geval bekeken of beton dan wel staal hetmeest effectief is.Aan de `gebouwzijde' van de kern is een hoogte van circa 4 mbeschikbaar. Deze is gebruikt om een verdiepingshoge, 1,3 mdikke betonwand te maken die als balk werkt. De wand kraagtten opzichte van de kernen 17 m uit en heeft een middenover-spanning van 30 m. De uitkraging is gunstig voor de doorbui-gingen en het momentenverloop. Het veldmoment wordt doorde uitkraging belangrijk gereduceerd. De totaal benodigdewapening kan verdeeld worden over de boven- en onderkantvan de ligger.Het maximale moment ligt ter plaatse van de kernen. Omdatde kernen in gebruik zijn als trappenhuis moest er in de balkeen deursparing worden gemaakt. Door de deursparing in hethart van de balk te maken, is er boven de sparing nogvoldoende beton om de benodigde trekwapening te maken.Onder de sparing is voldoende beton aanwezig voor de druk-zone. De wandwapening is uiteindelijk uitgevoerd met 4 lagenvan 10 wapeningsstaven ?40. De kopwand van de kernen isbreder dan de deursparing zodat dwarskrachten direct door dekernwand kunnen worden overgebracht naar de fundering.3a 3b456,5 m1 9,0 m1GGGStalen spanten en betonnen kernen 62010 23betonbalkbetonbalkstalen vakwerkstalen vakwerkstalenuitkraging2xstalenuitkraging2xbetonwandbetonwandwandligger4x1,3mwandligger2x0,6mstalengevelvakwerkstalenvakwerkeerstekolommenrijopas5balkenroostertussen 1e en 2e3 Het bouwvolume boven hetentreegebied rust slechts op tweebetonkernen.a: begane grond, b: 3e verdieping,c: 2e verdieping met balkenrooster4 De belastingen op de kernen werken als een weegschaal5 Vier van de vijf vloeren zijn opgehangen aan een verdiepingshoogvakwerk op de bovenste verdieping. De gevel aan de Universiteitsweg is uitgevoerd als een twee verdiepingen hoog stalen vakwerk6 De trekkracht uit de spanten wordtingeleid in de zijwanden van dekernen met zes Dywidagwapeningsstaven ?47. Deze stavenzijn te zien als draadstangen, voorzien van moeren en sluitplaten. Meteen 60 mm dikke staalplaat zijn destaven tegen de betonwand aangeslotenwandligger en de vloeren aan de achterzijde wordt dit effecttegengegaan. De zijwanden van de kern verbinden de krachtendie evenwicht met elkaar maken.Om de belastingen op de uitkraging te beperken zijn de vloerentussen kern en gevel uitgevoerd als kanaalplaten. Desondanksontstaat aan de bovenzijde van alle spanten een grote trek-kracht van 9000 kN. Deze kracht moet in de zijwanden van dekernen worden ingeleid. Om de benodigde wanddikte te beper-ken zijn de spanten met zes Dywidag-wapeningsstaven ?47verankerd aan de wanden. De staven hebben een extra hogestaalsterkte FeP1050 wat de benodigde hoeveelheid mm'sbeperkt. In de wanden zijn van voor tot achter buizen meege-stort waarin later de staven zijn aangebracht. In de uitvoeringzijn deze buizen zorgvuldig op hoogte gefixeerd door ze teverankeren aan de wandwapening.De wapeningsstaven zijn te zien als draadstangen. Ze zijn voor-zien van moeren en sluitplaten. Met een 60 mm dikke staal-plaat zijn de staven tegen de betonwand aangesloten (foto 6).Het uitvoeren van de wapening was gebonden aan een aantalrandvoorwaarden zoals het vrijhouden van stortsleuven, hetbepalen van zones voor het lassen van de hoofdwapening, hetkruisen van staven met de kernwapening en het aanbrengenvan meerdere, kruisende wapeningslagen. Ter ondersteuningvoor de uitvoering is ervoor gekozen de wapening staaf voorstaaf uit te tekenen. Hierdoor zijn discussies op de bouwplaatsen verrassingen in de uitvoering voorkomen.Aan de andere kant van de kern (voorzijde) is een hoogte vanslechts 2 m beschikbaar. Eerste ontwerpberekeningen gavenaan dat dit te weinig is om ook hier een betonbalk te maken.Daarom is ervoor gekozen vier van de vijf vloeren op te hangenaan een verdiepingshoog vakwerk op de bovenste verdieping(fig. 5). Dit is de technische laag waar de diagonalen van hetvakwerk in het gebruik minder storend zijn. De bovenste laagis 6 m hoog waardoor het vakwerk effici?nt is uit te voeren.Door de grote hoogte van het vakwerk en voldoende afstandtussen de verticalen in het vakwerk, is een doorgang van mini-maal 3,6 x 3,0 m beschikbaar om grote installatieonderdelen tekunnen vervangen.De gevel aan de Universiteitsweg is uitgevoerd als een tweeverdiepingen hoog stalen vakwerk. Het stalen vakwerk is veellichter dan wanneer deze uitgevoerd zou zijn in beton.Gewichtsbeperking was van belang omdat de gevel en devloeren die op de gevel dragen, niet direct naar de funderingworden geleid maar met vier uitkragende stalen spanten terug-gekoppeld worden naar de negen meter terugliggende wandenvan de kernen (foto 1).Krachtswerking in de kernenDe belastingen op de kernen werken als een weegschaal of netals bij een ander beroemd voorbeeld, de brug over de Firth ofForth (fig. 4). De voorste rij palen onder de kernen is hierbijhet draaipunt van de weegschaal. Door de uitkraging heeft dekern de neiging naar voren te draaien, door het gewicht van de3c6themaStalen spanten en betonnen kernen62010247 T.b.v. de verticale trekkracht in de kernwand zijn wapeningsstaven ?40 aangebracht die in een`kam'gelast zijn aan eenstalen kopplaat8 Door het vloerniveau van de werkplekkente laten verspringen ontstaat een soortamfitheater. Aan de achterzijde van de kernbevindt zich de wandligger9 De vloeren van de werkeilanden wordengedragen door stalen vakwerken10 In de kernen zijn inkassingen gemaakt,waarin het vakwerk is aangebrachtgebracht, de rek in de staven wordt vooraf aangebracht enomgezet in een drukkracht in het beton. De betondoorsnedeheeft een groot volume en vervormt onder de voorspanningmaar enkele mm's. Naarmate de bouw vordert wordt de voor-spanning op het beton overgenomen door de externe belastin-gen uit de staalconstructie en de verdiepingen. De vervormin-gen beperken zich tot de enkele mm's die het beton ontspan-nen. Aan de onderzijde van de spanten ontstaan horizontale enverticale drukkrachten. De horizontale component wordt dooreen betondiagonaal in de kernwand in evenwicht gebracht metde trekkracht van de bovenrand. De verticale component moetDe voorspanstaven zitten los in de aangebrachte buizen zonderaanhechting en brengen dus de volledige trekkracht van voornaar achter.De geometrie van het constructieve systeem heeft het gevolgdat elke horizontale verlenging van de staven een 1,5 keer zogrote verticale zakking van de gevel tot gevolg heeft. Naarmatede bouw vordert, worden de belasting op de staven en hun reksteeds groter. De totale rek in de staven zou maximaal zo'n 150mm worden. Dit geeft onacceptabele vervormingen in de gevelen de vloeren. De staven zijn daarom op voorspanning79Stalen spanten en betonnen kernen 62010 25LABLABLABLABLABLABLABLABTECHNIEKSTUDIELANDSCHAPSTUDIELANDSCHAP29.750+dak23.750+6e verd.19.950+5e verd.16.150+4e verd.12.350+3e verd.8.550+2e verd.2.850+1e verd.Peil=0 950-Pbegane grond10.450+laag 2.56.120+laag 1.514.250+laag 3.518.050+laag 4.512 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0b.k. vloer4.750+6.650+b.k. vloer10tot ongewenste torsie in de betonwanden. Er is dan ook voorgekozen een inkassing te maken, waarin het vakwerk later isaan te brengen (foto 10). Dit gaf de aannemer tijd om het staallater aan te leveren en gaf hem bovendien de mogelijkheid hetstaal eenvoudig te stellen.De inkassingen liggen wel in de drukzone van de balk enverkleinen het betonoppervlakte met dertig procent. De balk-breedte wordt gereduceerd van 1300 mm naar 900 mm. Dedrukkracht moet om de nis heen geleid worden en veroorzaaktdaarbij trekkrachten haaks op de balk. Om deze op te nemenzijn als trekwapening staven ?32 aangebracht. De verankeringvan deze staven is gerealiseerd door een kopplaat met een `kam'.StandaardverdiepingenHet hoofddeel van het gebouw bestaat uit twee kantoor / labo-ratoriumvleugels, achter het entreegebied. De indeling van devleugels is gebaseerd op een stramienmaat van 7,20 x 7,20 m.Voor de vloeren is een aantal varianten onderzocht. Degekozen variant is een in het werkgestorte plaatvloer van 270 mm dik.Het voordeel van deze vloer is devlakke onderzijde. Dit geeft eengrote vrijheid en flexibiliteit voorhet aanleggen van kanalen en leidin-gen. In de vloeren zijn sparingsge-bieden ontworpen. In deze gebiedenkunnen, als de bouwkundige inde-ling of het gebruik van de vloerenverandert, zonder verdere maatrege-len sparingen worden geboord.De dragende kolommen van devloeren staan niet op de randen vande vloeren, maar naar binnen. Deafstand tot de vloerrand vari?ert vancirca 0,8 m tot 2,70 m. De uitkra-gende vloer heeft een gunstig effectop de benodigde vloerdikte en debenodigde wapening. In de breedtevan de kantoorzone is hiermeeeffectief ??n rij kolommen uitge-spaard zonder extra vloerdikte.naar de fundering worden gebracht. Het eenvoudigst zou zijngeweest de kracht direct met een kolom naar beneden tebrengen. Dit zou echter een hinderlijke uitstulping aan dekernen hebben betekend. Daarom zijn uitsparingen gemaakt inde kernwand en betonbalk. De kernwand functioneert hier alskolom. De balkwapening is hierbij om de sparing heen gelegd.Dezelfde horizontale en verticale krachten ontstaan ook aan debovenzijde van de betondiagonaal. In de kernwand ontstaat eenverticale trekkracht op het niveau van de voorspanstaven. Opfunderingsniveau wordt deze gecompenseerd door het gewichtvan de hoge betonbalk en de daarop liggende vloeren enkolommen. De kracht moet nog wel naar de onderkant van debalk worden gebracht. Hiervoor zijn wapeningsstaven ?40aangebracht die in een `kam' gelast zijn aan een stalen kopplaat(fig. 7). Hiermee is de trekkracht goed te verankeren in eenbeperkte betondoorsnede.Werkeilanden boven het entreegebiedTussen de kern en de eerste rij kolommen 15 m verder hetgebouw in bevindt zich een zone van 30 x 15 m met het zoge-noemde studielandschap. Door het vloerniveau hier elke 5 m telaten verspringen volgt de vloer de schuine onderzijde van hetgebouw en ontstaat een soort amfitheater. De achterwandenvan de verschillende niveaus zijn in het bouwkundig ontwerpzo transparant mogelijk gemaakt. Enerzijds om interactietussen binnen en buiten te krijgen, anderzijds om zo veelmogelijk natuurlijk licht in het entreegebied te krijgen.De vloeren in dit gebied worden gedragen door stalen vakwer-ken. Een 30 m lang vakwerk dat de vloervelden draagt methaaks daarop twee kortere vakwerken van 15 m (foto 9). Dezelaatste worden aan ??n kant opgelegd op een extra brede beton-kolom. Lokaal is een van de standaard ?500 kolom afwijkende,rechthoekige kolom gemaakt van 500x1000mm.Aan de andere kant moet het vakwerk worden aangesloten opde kernwanden. Het vakwerk staat hier haaks op de grotewandligger en sluit aan op de onderkant hiervan. De opleg-krachten zijn hoog en de randafstanden klein. Het maken vaneen boutverbinding is dan ook niet mogelijk. Het instorten vandelen van het vakwerk heeft als nadeel dat de doorbuigingenvan het vakwerk bij de stijve, vaste aansluiting op de balk leiden8Stalen spanten en betonnen kernen6201026thema11 De stabiliteit van het ontmoetingsgebouw is gehaald uit detrappen die het gebouw koppelen met het hoofdgebouw12 Om het temperatuursverschilin de doorsnede te beperkenzijn in de grote wandliggerskoelbuizen ingestortren door de hydratatiewarmte van het beton. In het middenvan het beton loopt de temperatuur hoger op dan aan de bekis-tingszijde. Bij het afkoelen krimpt dit deel van het beton meer,hetgeen wordt verhinderd door de al verharde buitenschil ende aanwezige onderconstructie. Hierdoor ontstaan trekspan-ningen en daarmee scheuren in de betondoorsnede. Voorschoon beton zijn deze scheuren niet acceptabel en ook niet terepareren zonder het esthetische beeld teveel aan te tasten.Voor de grote elementen zijn daarom verhardingsberekeningengemaakt, die de effecten beter inzichtelijk maken. Om te voor-komen dat er scheurvorming optreedt, mag de temperatuur-gradi?nt in de betondoorsnede niet te groot worden. Dit is inde meeste praktische gevallen te bereiken door een mengsel toete passen met een relatief lage hydratatiewarmte en een lagewater-cementfactor. In dit geval is een mengsel met vooralhoogovencement CEMIII/A 52,5 toegepast. Uit berekeningenvan de betontechnoloog bleek echter dat er aanvullende maat-regelen nodig waren.Bij temperatuurontwikkeling in het beton speelt de bekistingeen rol; hoe makkelijker de warmte aan de oppervlakte wegkan, des te hoger het temperatuursverschil tussen midden enbuitenschil. Voor de kernwanden is daarom gekozen de bekis-ting snel weg te halen en het beton gedurende een week af tedekken met isolatiedekens. Het voordeel hiervan was dat debekisting direct weer kon worden gebruikt voor de tweedekern. In de grote wandliggers zijn midden in de doorsnedekoelbuizen ingestort (foto 12). Hierdoor kon de warmte snelworden afgevoerd en werd het temperatuursverschil binnen dedoorsnede beperkt.Uiteraard zijn de temperaturen tijdens het proces gemonitord.De optredende temperaturen lagen vrijwel op de voorspeldewaarden. Bij het ontkisten van de wanden waren, en ook nuzijn er eigenlijk geen scheuren te zien. OntmoetingsgebouwHet ontmoetingsgebouw midden in het atrium is ontworpenals een apart, losstaand gebouw. In het gebouw zitten algemeneruimtes. Verkeersstromen lopen in de lengterichting door hetgebouw. In de plattegrond is in dwarsrichting dan ook geenmogelijkheid om een windverband of dwarswand te maken. Destabiliteit is daarom gehaald uit de trappen die het ontmoe-tingsgebouw met het hoofdgebouw koppelen (foto 11). Degeknikte trapbomen zijn hierbij trek- en drukstaven die dehorizontale krachten overdragen naar de vloeren van hethoofdgebouw.UitvoeringsaspectenAlle betonconstructies in het project zijn uitgevoerd als schoonbeton. Dit vraagt om een vakkundige uitvoering en een goedeco?rdinatie tussen constructeur en aannemer over uitvoerings-aspecten als stortvolgorde, betonsamenstelling enz.Door de afmetingen van de betondoorsnedes en de benodigdebetonsterkteklasse van C53/65, ontstaat er een risico op scheu- proJectgegevensproject Nieuwbouw faculteit B?tawetenschappen, Universiteit Utrechtarchitect Architectuurstudio HH, Amsterdamadviseur constructies Pieters Bouwtechniek Utrechtaannemer Hurks van der Linden1211