O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBerekeningcement 2000 4721) Afstudeercomissie: prof. ir. C. Kleinman, ir. W. Huisman, dr.ir.M.Bakker,ir.R.Schuurman.VoorditontwerpisaandeheerWentingde ENCI-studieprijs 1999 toegekend.Voetbaltempel voorde Superboerenir. R. Wenting, ABT Adviesbureau voor Bouwtechniekprof. ir. C.S. Kleinman, TU Eindhoven, faculteit BouwkundeAlsgevolgvandestormachtigeontwikkelingenindevoet-balsport, voldeed de voormalige thuisbasis van betaaldvoetbalverenigingdeGraafschap,stadiondeVijverberg,aljaren niet meer aan de eisen van een modern voetbalsta-dion (veiligheid, comfort en businessfaciliteiten). VandaardathetbestuurvandeDoetinchemseeredivisieclubbeslo-ten heeft om het stadion te revitaliseren en zo de toe-schouwers, de sponsors en de gebruikers van het stadionhet comfort en de veiligheid te bieden van een modernvoetbalstadion, zodat in de toekomst op het gebied vande accommodatie aan de randvoorwaarden voor hetspelen van betaald voetbal op het hoogste niveau kanworden voldaan. Inmiddels speelt de club haar thuiswed-strijden in een gloednieuw stadion, dat op de locatie vande oude Vijverberg is verrezen.Als gedachtenexperiment is in het kader van het afstude-ren aan de TU Eindhoven, faculteit bouwkunde, capaci-teitsgroep constructief ontwerpen 1) een eigentijdsevariant ontwikkeld voor een nieuw stadioncomplex voorde sport en commercie in het hart van Doetinchem.1 | Stadion `de Vijverberg2000', winnaar ENCI-studieprijs 19992 | Ervaring golvende over-kapping van binnen inhet stadionO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBerekeningcement 2000 4 73HetProgrammavaneisenvanhetcomplex (fig. 1 en 2) gaat nietalleen uit van 20 000 zitplaatsen,maarookvandeintegratievanste-delijke functies in het voetbalsta-dionzoals:kantoren,winkels,eensquashcentrum, een business-center en 1200 ondergrondse par-keerplaatsen voor de dagelijkseparkeerbehoefte van het gebied.Deze integratie is in de optiek vanfinanciering en intensivering vanruimtegebruikzeeraantrekkelijk.Bovendien wordt door functie-menging beoogd van het complexop niet-wedstrijddagen een stede-bouwkundig levend element temaken, ??k wanneer de Graaf-schap niet thuis speelt. Gezocht isnaar een strategie om het sta-dioncomplex in de stad Doetin-chem in te passen.Na een locatieonderzoek is ge-kozen voor het gebied ten zuidenvan het station (fig. 3 en 4). Degoede bereikbaarheid (nabij NS-station en afslag A18), de liggingnabij het stadscentrum, de positietenopzichtevanhetnieuwetrade-and businesspark, de reeds aan-wezige parkeerplaatsen rond deindustri?le gebouwen op het aan-grenzende industrieterrein en deverouderde industrie op de lo-catie,dragenbijaandekeuzevooren de vele mogelijkheden vandeze locatie. De situering van hetstadioninhetstationsgebiedisdanook aangegrepen om een vernieu-wingsoperatie van dit gedeeltevan Doetinchem door te voeren.In het ontworpen stedebouwkun-dig plan van de stationsdriehoekis het stadioncomplex centraalgesitueerdenfunctioneertinsterkerelatie tot het overige stedebouw-kundige programma: kantoren,sport en recreatie, winkels enentertainment. De functies lopenvanuit het stadion in het gebiedover en omgekeerd. Rondom hetstadion is een rondgang ge-cre?erd, die overdekt wordt doorde doorstekende stadionoverkap-ping. Zo is het stadion niet uit-sluitendmeergerichtophetspeel-veld, maar ook op haar omgevingenkanerdroogwordengewinkeld.K i j k c o m f o r tIn het ontwerpproces is veel aan-dacht besteed aan het cre?ren vankijkcomfortvoordetoeschouwers.Door de compacte plattegronds-opzet liggen alle zitplaatsen in hetstadion binnen de optimale kijk-afstand (fig. 5).De toeschouwers kunnen vanafelke plek het gehele speelveldzonder zichtbelemmering doorconstructiedelen, reclameborden,borstwering en toeschouwers voorhun, overzien. Dit laatste aspectwordt uitgedrukt in de zoge-noemde C-waarde.In een zichtlijnenstudie zijn deverschillendeparametersopdeC-waarde van het stadionontwerponderzocht (fig. 6 en 7). Hieruitblijkt, dat door de compacte plat-tegrond in de hoeken van hetstadion moeilijk aan de minimaleC-waarde-eis (120 mm) kan wor-den voldaan. Daarentegen wordtin de stadionmiddens ruim aandeze eis voldaan. Vandaar dat hetaantal tribunerijen in het middengroter is gemaakt dan in dehoeken van het stadion, zodat ereen ovaal ontstaat met over de ver-schillendetribunedoorsnedeneenongelijk aantal rijen.De ovale plattegrond sluit voor-treffelijk aan bij de geprefereerdekijkposities van supporters voorvoetbal: deze zitten het liefst aanhet midden van de lange zijden ofachter de goals. Het verlopendeaantal rijen resulteert in vari?-rende lengten voor de tribunelig-gers met als consequentie eengolvend dakvlak (fig. 8). Zo ko-men in de vormgeving van hetstadion de dynamische en ener-gieke karakteristieken van devoetbalsport terug.C o n s t r u c t i e f o n t w e r pNa een analyse van de mogelijkeconstructieconcepten voor de tri-buneoverkapping, is vanwege deontwerpeis van vrije-zichtlijnen,gekozen voor een getuide hoofd-draagconstructie. De traditionelevariantvooreenuitkragendeover-kappingsconstructie vanuit debovenzijde van de tribuneliggerszou ter plekke veel materiaal ver-gen voor een ingeklemde uitkra-gingvancirca40m.Omhetaantalpylonen te beperken, is als basisvoor de opzet van de stadionplat-tegrond in eerste instantie uitge-gaan van een gemiddelde spant-afstand van 14,4 m. Deze maatbleekechtertegrootvoorhetover-spannen van de statisch bepaalde3/4 | Situering stadion instationsgebied: de stede-bouwkundige functieslopen vanuit het stadionin het gebied over enomgekeerd5 | Alle zitplaatsen bevindenzich binnen de optimalekijkafstandO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBerekeningcement 2000 474tribune-elementen, waarop de ge-middelde spantafstand is geredu-ceerd tot circa 8,5 m. Deze ont-werpmaat is afgeleid van de maatvoor drie parkeervakken, tweebusinesslogesen??nsquashbaan.Indien op al deze stramienenpylonen zouden komen te staan,zou er een woud van pylonen ont-staan. Daarom zijn de pylonenom de drie stramienen geplaatst.Om aansluitingen met de pylo-nen te vermijden, zijn de lensvor-mige dakliggers een halve stra-mien opgeschoven.Het golvende dak is vanwege hetlage eigen-gewicht en de verschij-ningsvorm ontworpen in staal, detribunes vanwege de grote druk-krachten en buigende momentenin prefab beton.Om een eerste indicatie te krijgenvan het krachtenspel in de con-structie en van de beheersbaar-heid van krachten en vervormin-gen, is de hoofddraagconstructiein PC-Frame, een 2D-raamwerk-programma,doorgerekend(fig.9).Deverticaleverplaatsingenvandeuiteinden van de dakliggers aande stadionzijde (knoop 13) blekenveel te groot zijn. De oorzaakhiervan ligt in de slappe gekniktevorm van de dakconstructie. Ver-der bleek uit het rekenmodel dathet inklemmingsmoment in destabiliteitswand (staaf 2) aan devoet van de tribuneliggers onbe-heersbaar groot was.Dit is in het constructief ontwerpopgelost door de richting van destabiliteitswand aan te passen aande richting van de reactiekrachtenten gevolge van de verticale tribu-nebelasting (fig. 10). Aangeziende tussenkolommen (staaf 1) inverband met de routing in de par-keergarage en de vari?rende leng-ten van de tribuneliggers ondereen verschillende hoek staan, ont-staat een verschillend krachten-spel in de tribunespanten. Degecre?erde uitwaaierende kolom-structuur maakt het mogelijk hetveld- en het steunpuntsmomentin de tribuneliggers op elkaar af testemmen.Om meer stijfheid in het dakvlakintebouweniseenstijvedriehoekgecre?erd door de rondgaande D-ligger die de oplegging (zowel ver-ticaal als horizontaal) vormt voorde dakliggers, te koppelen met depyloon (fig. 11). Door deze maat-regel is de stijfheid van de dak-constructie met circa 25% toege-nomen. De verticale verplaatsingvan de uiteinden van de daklig-gerswordtechternogsteedsonac-ceptabel groot geacht (bij perma-nentebelasting+sneeuw561mm).De oplossing voor het stijfheids-probleem is samen met het wind-zuigingsprobleem gevonden ineen ruimtelijke krachtsafdracht.C o n c e p t v a r i a n t e nw i n d z u i g i n gUit de eerste globale verkennin-gen van het krachtenspel in dedakconstructie blijkt dat in hetgeval van windzuiging, de op-waartse windbelasting domineertten opzichte van het eigen ge-wicht van het dakvlak. De krach-ten in de hoofddraagconstructieveranderen bij het opwaaien vanteken: de trekkrachten in de tuienworden drukkrachten, met hetuitknikken van de tuien en hetopwaaien van het dakvlak alsresultaat. Dit bij tuiconstructiesklassieke probleem kan wordenondervangen door een viertalprincipieel verschillende oploss-ingen (fig. 12-1 t.m. 4).1. Aanbrengen van extra verticalebelastingEen simpele maar weinig effi-6 | Grafische weergave C-waarde 1)D is afstand tot focuspunt = zijlijnR is hoogte tot focuspunt = zijlijnN is optrede tribune-elementT is aantrede tribune-elementC is afstand ogen tot kruin1) Ontleend aan: G.John and R.Sheard, Stadia, a design and development guide.Oxford, 1994.7 | C-waarde per tribunerij8 | Vari?rende lengte tribuneliggers leidt tot golvend dakvlak9 | Eerste verkenning krachten envervormingen in PC-FrameCNTDR(D)(R)CO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBerekeningcement 2000 4 75ci?nte oplossing is het opvoerenvan de permanente belasting, zo-dat de tuien te allen tijde op trekworden belast (1). Uit een een-voudige beschouwing blijkt, dathet dak in dat geval tweemaal zozwaar zou moeten worden uitge-voerd. Om deze extra belastingnaar de fundering over te bren-gen, spreekt het voor zich dat dedimensies van de hoofddraagcon-structies fors zullen toenemen.2.Opwaartse belasting opnemendoor tuienDoor de tuien op deze knikbelas-ting te dimensioneren, wordt dekrachtsafdracht bij windzuigingomgedraaid en beheersbaar (2a).Deze oplossing leidt tot sterk ver-zwaarde profielen voor de tuien,hetgeen ten koste van de elegan-tievanhetontwerpgaat.Eenmeerelegante oplossing is alleen devoortuien op de knikbelasting tedimensioneren(2b).Hierbijwordtechter het moment in de pyloononbeheersbaar groot.3. RingwerkingBij een opwaartse windbelastingzullen de lensvormige dakliggersom de oplegging ter plaatse vanhet doorgaande ruimtelijke vak-werk willen roteren. Om dit tegente gaan, kunnen alle lensliggersruimtelijk gekoppeld wordendoor een rondgaande ligger (3).Bij windzuiging zal de ring gaanwerken als een trekring en deoverkapping op zijn plaats hou-den. Echter uit onderzoek bleekdat door de golven in de overkap-ping de stijfheid van de ringliggerklein is en daardoor een te grotehoogte van de staalconstructiezou vergen om voldoende weer-stand te bieden tegen opwaaien.4. Afspannen van het dakvlakBijdelaatstevariantwordthetdakafgespannen naar de onderlig-gende betonnen tribune. Hierbijkan per stramien worden afge-spannen (4a/b), waarbij het na-deel bestaat dat de talrijke af-spanningen als een spinnewebworden ervaren. De uiteindelijkeoplossing is gevonden door ge-bruik te maken van de golven inhet dakvlak (4c). De boogvorm inde ringligger is namelijk uiterstgeschikt voor het overbrengenvan gelijkmatig verdeelde belas-tingen. Door de ringligger in dehoeken van het stadion af tespannen aan de tribuneliggers,ontstaat een constructie waarvanhetgedragvergelijkbaarismetdatvaneenkabelspant(fig.12-5en6).Inhetontwerpisvoordezevariantgekozen om de boogvorm in hetdakvlak naast de architectonischeen functionele (zichtlijnen, mon-tage installaties) redenen, ??kconstructief uit te nutten.3 D - r e k e n m o d e l l e nOm het gedrag van het construc-tieve systeem van de tribuneover-kapping te kunnen beoordelen enom de grootte van de vervormin-gen en voorspanning daarin tebepalen, is een rekenmodel vande gehele overkappingsconstruc-tie ontwikkeld in het 3D-reken-pakket ANSYS 5.4. Door het geo-metrisch niet-lineaire gedrag vantuiconstructies is overgegaan totmodellering in dit eindige-ele-mentenpakket. De vervormingenvan de constructie zijn van in-vloed op zowel de stijfheid van alsde krachtswerking in de con-structie.Omhetaantalelementenen daarmee de invoer te beper-ken, is bij de modellering de dak-constructievereenvoudigd(fig.13).De lensvormige ruimtelijke vak-werkliggers, de pylonen en deruimtelijke ringligger zijn ge-schematiseerd als taps toelo-pendebalkelementen(BEAM44),waarvan de equivalente doorsne-degrootheden zijn bepaald door11 | Stijve driehoek in dakvlak10 | Verschillende evenwichtsprincipes bijtoegepaste tribunespanten; staven 1en 2 respectievelijk evenwijdig aanelkaar, naar elkaar toe en van elkaaraf, afhankelijk van de lengte van detribuneliggers12 | Conceptvarianten opname windzuiging1 aanbrengen extra verticalebelasting2 opwaartse belasting opnemen doortuien3 ringwerking4 afspannen van het dakvlak5 afspannen ringligger in stadion-hoeken6 vormgeving afspanning(trekstangen ? 80 mm)5 6spankabeldraagkabelO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBerekeningcement 2000 476submodellering in ANSYS. Deoverige constructiedelen zijn inhet model geschematiseerd alsstaafelementen (LINK 8), diezowel trek- als drukkrachten kun-nen opnemen. Om niet te `ver-drinken' in de berekeningsresul-taten, is het van groot belang deknopen en de elementen syste-matisch te nummeren (fig. 14).Na de schematisering is de voor-spanning in de afspanning in destadionhoeken iteratief bepaald.Om tot het optimale resultaat tekomen is naar een goede balansgezocht tussen vervormingen enkrachten. De voorspangraad is zovastgesteld, dat zowel in de tuienals in de afspanning, zowel bijwindzuiging als bij sneeuw, altijdtrek aanwezig is en dat het dakstijf genoeg is. Zo kon de voor-spangraad relatief laag wordengehouden, 1250 kN.Naast het bepalen van de voor-spankracht is de invloed van destijfheid van de ringligger op hetkrachtenspel en de vervormingenvandedakconstructieonderzocht.Hierbij zijn zowel een buig-/tor-siestijve (I) als een scharnierendgeschakelde (II) variant van deringligger onderzocht (fig. 15).Naast de analyse van de construc-tie in ANSYS, is het constructiefgedrag van een fragment van hetcomplete stadion in ESA-Prima-Win geanalyseerd (fig. 16). Derandvoorwaarden en de krachtenaan de randen van het fragmentzijn overgehaald uit het ANSYS-rekenmodel om de invloed van deruimtelijke werking van de tribu-neoverkapping ook in dit modelmee te nemen. De berekenings-resultaten van beide modellenzijn met elkaar vergeleken enkomenzeergoedovereen.Deaan-names voor de vereenvoudigingvan de modellering van de over-kapping in ANSYS zijn met ditmodel geverifieerd en goed be-vonden. De berekeningsresulta-ten zijn verder gebruikt om de ge-deeltelijk voorgespannen betonnentribunespanten en de stalen over-kapping te dimensioneren.R u i m t e l i j k h y b r i d ec o n s t r u c t i eDe oplossing van het afspannenvan de overkapping in langsrich-ting zorgt voor een ruimtelijkekrachtsafdracht in de constructie.Deze afdracht heeft plaats dooreen combinatie van verschillendeconstructieve systemen.Op de eerste plaats kan het gedragvan de dakconstructie wordenvergeleken met dat van een kabel-spant. De tuien kunnen hierbijworden opgevat als de draagkabelc.q.debovenkabel,terwijldering-ligger met de afspanningen ge-zien kunnen worden als de span-kabel c.q. de onderkabel. Doordatbeide tegen elkaar worden afge-spannen, worden de vervormin-gen van de dakconstructie in dehand gehouden (fig. 17).Naast bovenstaand systeem ont-wikkelt zich boog- en ringwerkingin de dakconstructie. Voorwaardedaarvoor is wel, dat de ringliggerzowel buig- als torsiestijf wordtuitgevoerd. Naast de toename vande stijfheid, ontstaat er een her-13 | ANSYS-rekenmodel tribuneoverkapping14 | Systematiek in knoopnummering ANSYS15 | Varianten uitvoeringringligger: buig-/torsiestijf (I) en schar-nierend-geschakeld (II)16 | ESA-PrimaWin-rekenmodel stadion-fragment17 | Verticale vervormingenbuig-/torsiestijve ring-ligger voor de onder-zochte belastings-combinaties in ANSYSO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBerekeningcement 2000 4 77verdeling van belastingen in dedakconstructie, die vooral ge-wenst is in het geval van lokaalaangrijpende en asymmetrischebelastingen. In het laatste gevalworden de vervormingen bij eenbuig-/torsiestijve ringligger met60% gereduceerd ten opzichtevan de variant met een scharnie-rend-geschakelde ringligger. Debuig-/torsiestijve ringligger kanworden beschouwd als de rug-gengraat van de dakconstructie,die bovendien progressive col-lapse voorkomt. Het door elkaarheenlopen van deze systemengeeft de constructie een hybridekarakter, waarin elk systeem zijnbijdrage aan het totale construc-tieve systeem levert.D e t a i l l e r i n gAangezien de detaillering in nau-we relatie staat met het uitvoe-ringstechnisch ontwerp, is eerstde montagevolgorde van de con-structiedelen bepaald (fig. 18).Vanwege de complexe vormge-ving van de elementen en de hogebetonsterkteklasse(B65)iszoveelmogelijk ontworpen in prefabbeton. De vari?rende lengtes vande betonnen constructiedelenworden verkregen door het ver-plaatsen van de kopschotten in debekistingsmallen. Voor de aan-sluitingvandetribuneliggerendeachterbok met de pyloon is eenspecifiek betonnen koppelstukontworpen (fig. 19). De delenworden hiermee door nauwpas-sende stalen buizen met elkaarverbonden.Aandekantvandetri-buneligger dient deze koppelingte worden aangegoten met krimp-arme mortel om een inklemmingin de tribuneligger te cre?ren,zodat er geen aaneenschakelingvan scharnieren ontstaat. De py-loon is conform de modelsche-matisering doorgaand uitgevoerdom de montage van de spanten tevereenvoudigen. De trekstangengeven hun krachten via platenmet aangelaste stiftdeuvels overaan het beton.De figuren 20 en 21 tonen tenslotte een aanzicht van de beton-constructie en een verticale door-snede over het stadioncomplex. s1718 | Montagevolgorde constructie-elementen19 | Detaillering knopen rondom pyloon20 | Aanzicht met vorm-geving prefab-beton-constructie21 | Verticale doorsnedestadioncomplex terplaatse van business-center/winkelcentrum