O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou wcement 2008 1 71ir. M.W. Kamerling, ir. T. Rijcken en ir. M.M. vanWinkelen, TU Delft, faculteit BouwkundeDrijvende gebouwen worden vaak vereenzelvigd metwoonboten. Dat is niet altijd terecht. Drijvende gebou-wen kunnen op diverse manieren worden toegepast. Indit artikel worden de mogelijkheden en de belangrijkstetechnische aspecten van grote drijvende bouwwerkenonderzocht. De stabiliteit en de massaverdeling zijnbelangrijke aandachtspunten, die bepalend zijn voor hetontwerp en uitdagen tot innovatieve oplossingen.De belangstelling voor drijvende gebouwen is de laat-ste jaren sterk toegenomen. De voorspelde veranderin-gen van het klimaat, de daarmee gepaard gaande stij-ging van de zeespiegel, de toegenomen kans op zwareregenbuien en de verziltingsproblematiek hebbenhieraan bijgedragen. Om overstromingen te voorko-men, droogtes te bestrijden en bodeminklinking tegente gaan, is het noodzakelijk overtollig water tijdelijk opte slaan in daarvoor ingerichte bekkens of polders.Grond is in Nederland schaars en kostbaar, het bestem-men van grond voor tijdelijke opslag van water ver-groot de schaarste en drijft de grondprijs op. Daardoorneemt de belangstelling voor gebouwen op het watertoe.Het meeste oppervlaktewater in Nederland heeft eengeringe diepte en is daarom geschikt voor drijvendegebouwen met twee ? drie bouwlagen. In bijvoorbeeldoude havens en plassen ontstaan door zandwinning,kan de diepte voldoende zijn om ook hogere gebou-wen te laten drijven. Hoge gebouwen vergen diepwater vanwege de diepgang. Daarbij moet onder hetdrijflichaam genoeg ruimte overblijven voor eengezonde biotoop.D y n a m i e k v a n h e t d r i j v e n d b o u w e nEen drijvende fundering biedt naast het inspelen oppeilfluctuaties ook voordelen ten aanzien van fabrica-ge en gebruik. Het gebouw kan op een werf in eengeconditioneerde ruimte worden gemaakt en vervol-gens naar de locatie worden versleept (foto 1). Dankzijhet water kan de gebruiker zich de rompslomp vanverhuizingen besparen en het hele gebouw met inven-taris naar andere locaties vervoeren.Het verplaatsen van grote objecten is niet nieuw.Cruiseschepen brengen hun passagiers van dag totdag naar een andere haven. Kermisexploitanten encircussen reizen van stad tot stad. Een reizende ten-toonstelling zal veel meer bezoekers trekken dan eenvaste. Zo liet IBM de bekende architect Renzo Pianoeen reizend tentoonstellingsgebouw ontwerpen, dateenvoudig kan worden gedemonteerd en opgebouwd.Met drijvende gebouwen kan flexibel worden inge-speeld op veranderingen. Voor een reizende tentoon-stelling biedt een drijvend gebouw het voordeel datzowel het gebouw als de tentoonstelling niet per loca-tie afgebroken en opgebouwd hoeft te worden. Bijhotels kan de bezettingsgraad sterk fluctueren, eenverplaatsbaar hotel kan per seizoen naar een drukbezochte vakantieplaats worden gebracht. In stadswij-ken verandert de leeftijdsopbouw in de loop van deDrijvende verdiepingbouw1 |Transport geprefabri-ceerde kantoorgebouwDe Bolder vanZwijndrecht naarSchiedam(copyright Bouwen metwater, wonen, werken enrecre?ren)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou w72 cement 2008 1zBM vdb1hb2hb1vdtijd, de wijkvoorzieningen moeten hierop zijn afge-stemd. Verplaatsbare scholen, wijkgebouwen, jeugd-en bejaardensoci?teiten kunnen specifiek inspelen opde veranderingen in de tijd. Een drijvende bibliotheekkan meer regio's bedienen. Een bijzondere toepassingvormen de detentieplatforms zoals gerealiseerd inZaandam, Rotterdam en Dordrecht (foto 2). Om snelaan de vraag te voldoen, kan met de uitvoering van eendrijvend gebouw al in de productieloods wordengestart voordat de procedures voor de vergunningenzijn afgerond. Op deze wijze kan het traject van ont-werp en uitvoering aanmerkelijk worden verkort.B r e e d t e e n d i e p t e v a n p o n t o n sDrijvende gebouwen worden vaak met woonbotengeassocieerd, maar ook hoge gebouwen kunnen opeen drijvende fundering rusten. Zo zijn er plannenvoor een hoogbouw in Dubai, die dankzij het drijf-lichaam om de verticale as kan roteren.Een hoog gebouw vergt een ponton met een grootvolume, zowel qua oppervlak als diepte. Het verbandtussen het volume en de belasting volgt uit de wet vanArchimedes: de verticale belasting van gebouw enponton, G, is gelijk aan het gewicht van het volumevan het verdreven water, W.G = Wb1? l1? h ? 1+ b2? l2? (d + v) ? 2= b2? l2? d ? w(1)b1, l1, h en 1zijn respectievelijk breedte, lengte, hoogteen verticale belasting (permanent + veranderlijk) perm3van het gebouw, b2, l2, d, v en 2zijn respectievelijkbreedte, lengte, diepgang, vrijboord en belasting perm3van het ponton; de hoogte van het drijflichaam is d+ v (fig. 3).Zoals bekend is het volumiek gewicht van water wongeveer gelijk aan 10 kN/m3. Voor een gebouw metverdiepingen varieert de verticale belasting doorgaanstussen 1= 1,5 kN/m3en 1= 3 kN/m3. Een kelder ismeestal wat zwaarder, de belasting per m3van de pon-ton is bij benadering 2= 4 ? 6 kN/m3.In figuur 4 is de diepte van de ponton uitgezet tegende hoogte van het gebouw. Hieruit volgt dat de beno-digde diepte vrijwel lineair afneemt als de verhoudingpontonbreedte/gebouwbreedte (b2/b1) toeneemt.Bedenk echter dat een toename van de breedte tevensleidt tot een toename van het buigend moment en wel-licht ook tot een zwaardere constructie. De optimalise-ring van de breedte en diepte van een ponton is veelaleen cyclisch en arbeidsintensief proces.S t a b i l i t e i tDe benodigde breedte en diepte worden behalve doorde belasting ook door de weerstand tegen kapseizenbepaald. Om instabiliteit te voorkomen, moet deafstand van het metacentrum tot het drukkingspunt,BM, groter zijn dan de afstand z van het aangrijpings-punt van de belasting tot het drukkingspunt. Hetdrukkingspunt is gedefinieerd als het aangrijpings-punt van de verplaatste watermassa. Voor een recht-hoekige doorsnede bevindt het drukkingspunt zich opeen afstand ? d boven de kiel. De afstand van hetzwaartepunt van de belasting tot het drukkingspunt isvoor een gebouw op een rechthoekig ponton gelijkaan:2 |Drijvende penitentiaireinrichting in Zaandam;door de verplaatsbaar-heid kon met de bouwworden gestart voordatde locatie definitief wasvastgesteld.(foto Ties Rijcken)3 |Doorsnede van gebouwen pontonBM: afstand metacen-trum M tot druk-kingspunt B; hetmetacentrum is hetsnijpunt van deresulterende krachtbij scheefstand vande ponton, met desymmetrieasz: afstand aangrij-pingspunt verticalebelasting tot druk-kingspuntO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou wcement 2008 1 7360504030201000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100hoogte gebouwdieptepontonb2/b1= 1b2/b1= 2b2/b1= 31601401201008060402000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100hoogte gebouwdieptepontonb2/b1= 1b2/b1= 2b2/b1= 3300250200150100500h = 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95hoogtebreedte1/1001/3001/500z = b1l1h 1(? h + v + ? d) + b2l2v 2(? v + ? d) +b2l2d 2? 0b1l1h 1+ b2l2(d + v) 2De formule kan worden vereenvoudigd door in denoemer de som van de verticale belasting te vervangendoor de opwaartse waterdrukkracht volgens (1)z = b1l1h 1(? h + v + ? d) + b2l2v 2(? v + ? d)_________________________________________b2l2d w(2)De afstand BM van het metacentrum M tot het druk-kingspunt B (van Buyoyance) volgt uit de wet vanScribanti:BM = I/V (1+ ? tan2) (3)waarin:I is het kwadratisch oppervlaktemoment van dedoorsnede op de waterlijn;V is de waterverplaatsing; is de rotatiehoek.Voor een rechthoekig ponton geldt:I = l2b23/ 12V = b2l2dAls de rotatie gering is, kan voor een ponton metrechthoekige doorsnede de formule worden vereen-voudigd tot:BM____d=b2_______12d2(4)De constructie is stabiel als geldt BM > z. Uit dezeformule blijkt dat het verhogen van de breedte gunstigis voor de stabiliteit en het beperken van de rotatie. Infiguur 5 is de minimale breedte, waarbij het pontonnog net niet omslaat, uitgezet tegen de hoogte voordezelfde pontons als in figuur 4.Uit figuur 5 blijkt dat pontons voor hoge gebouwentamelijk breed moeten zijn. In een breed ponton zul-len grote buigende momenten ontstaan, hetgeen con-sequenties heeft voor het gewicht van de constructieen hiermee ook voor de waterverplaatsing. Bovendienzullen omvangrijke constructieve elementen nietbevorderlijk zijn voor de onder te brengen functies inhet drijflichaam.Behalve stabiliteit is ook de scheefstand een aan-dachtspunt. Deze volgt uit:sin = Muitw/ G ? BM (5)In figuur 6 is de benodigde breedte bepaald voor eenmaximale scheefstand van 1/100, 1/300 en 1/500 vande hoogte, berekend voor de windbelasting voorge-schreven in gebied II, onbebouwd volgens NEN 6702.Vergelijking van de figuren 5 en 6 toont aan dat debegrenzing van de scheefstand tot de voor gebouwengebruikelijke eisen kan leiden tot een grotere breedtedan volgt uit de begrenzing tegen kapseizen.L o c a t i e e n a a n v o e r r o u t eHoe breder de ponton, hoe groter de momenten doorde opwaartse waterdruk. Om het moment in de pon-ton te reduceren, is het aan te bevelen de diepte van deponton naar de randen te verminderen. Verschillendedoorsneden zijn mogelijk (fig. 7). In principe streeft deontwerper naar afstemming van de vorm van de pon-ton op de verdeling van de belasting.4 |Diepte ponton als functievan gebouwhoogte, uit-gaande van gebouwbe-lasting 1= 2,5 kN/m3enpontonbelasting 2= 5kN/m3. Lengtes vangebouw en ponton zijngelijk: l1= l2. Verhoudingpontonbreedte/gebouw-breedte varieert vanb2/b1= 1 tot b2/b1= 35 |Benodigde pontonbreed-te volgens wet vanScribanti, uitgaande van1= 2,5 kN/m3, 2= 5 kN/m3en l1= l2. De breedte-verhouding varieert vanb2/b1= 1 tot b2/b1= 36 |Benodigde pontonbreed-te uitgaande van eenmaximale scheefstandvan respectievelijk1/100, 1/300 en 1/500van de hoogte.Windbelasting berekendvolgens NEN 6702,gebied II, onbebouwdO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou w74 cement 2008 1In de praktijk wordt de breedte van een ponton ookbeperkt door de locatie en de doorvaartbreedte van dewaterwegen en sluizen in de aanvaarroute. Schepenworden doorgaans zo ontworpen dat deze het Pana-makanaal kunnen passeren, de maximale breedte isdan 30 m. De doorvaartbreedte van sluizen en brug-gen in binnenwater kan kleiner zijn dan 30 m. VeelNederlandse sluizen in secundaire waterwegen heb-ben een standaardbreedte van 7 m.De benodigde breedte van het drijflichaam neemt afals de diepte wordt vergroot. Diep water is behalve opzee, ook in veel havens aanwezig. Nederland is metveel oude zeehavens rijk aan locaties voor drijvendegebouwen. Zo meren grote zeeschepen tegenwoordigniet meer in Rotterdam maar in de Europoort af. In deoude havens komt daarmee ruimte vrij voor bijvoor-beeld drijvende gebouwen.De beperking van de breedte ten behoeve van hettransport kan worden omzeild met afneembare pon-tons die later op de locatie worden toegevoegd (fig. 8).Doordat de diepte van deze zijvleugels minder is danvan de centrale ponton, is het buigend moment gerin-ger en zijn de krachten in de verbindingen beperkt.Door het verbreden van het drijflichaam wordt de sta-biliteit van het geheel vele malen vergroot en is demaximale scheefstand kleiner. Uiteraard moet hetobject ook tijdens het transport stabiel zijn. Met ballastin de kiel en vermindering van het gewicht van deopbouw wordt dit gewaarborgd.De stabiliteit in de gebruiksfase verschilt van de trans-portfase. In de gebruiksfase wordt naar vormstabiliteiten tijdens het vervoer wordt naar gewichtsstabiliteitgestreefd. In de gebruiksfase zijn pontons min ofmeer plaatsvast met de kade of steigers verbonden. Deverankeringen reduceren de optredende windmomen-ten en bevorderen de standzekerheid.D y n a m i c aDoor wind en golven tezamen kan een drijvendlichaam gaan slingeren. De dynamische stabiliteit is inhet geding als de eigenperiode van de belasting, deeigenfrequentie van het gebouw benadert. Naast hetrollen door een horizontale dynamische belasting kaneen drijvend gebouw door golfslag ook verticaal bewe-gen, de zogenoemde heave. Voor de berekeningen zijngolfhoogte en golfperiode van belang, bepaald door destrijklengte, waterdiepte, windsnelheid en duur van dewindbelasting [1].R e g e l g e v i n gUiteraard moet een gebouw op een drijvende funde-ring even bruikbaar en betrouwbaar zijn als op hetland. Aandachtspunten voor de veiligheid van eendrijvend gebouw zijn bijvoorbeeld het bezwijkgedragbij een aanvaring, de ontsluiting bij calamiteiten, degevolgen van het lek raken van het drijflichaam of hette zwaar belasten van het object.Wat betreft het belasten van het object is het minimaalbenodigde vrijboord relevant. Het is echter de vraag ofdezelfde methodiek moet worden gevolgd als bij con-ventionele gebouwen. Worden de belastingsfactorenvolgens NEN 6702 gehanteerd, dan zou het vrijboordongeveer 35% van de diepte van de ponton moetenzijn. Voor een ponton met een diepte van 6,0 m is hetbenodigde vrijboord dan 2,1 m. Er kan echter ook meteen lager vrijboord een betrouwbare constructie wor-den gemaakt. De werkelijke verticale belastingen zijnbij een drijvend gebouw eenvoudig met maatstrepenop de romp te controleren. Bij het overschrijden vande ontwerpbelasting kan tijdig worden ingegrepen. Opgrond van het gelijkwaardigheidsprincipe zijn met eencontrolemechanisme en de daaruit volgende reductievan de bezwijkkans, andere belastingsfactoren moge-lijk.Voor de sterkte van de constructie kunnen uiteraardwel de belastingsfactoren volgens NEN 6702 wordengehanteerd. Het is ook de vraag of voor drijvendegebouwen dezelfde eisen voor de bruikbaarheidsgrens-toestand gelden als voor op het land gefundeerdegebouwen. De veiligheid is dan niet in het geding envoor cruiseschepen gelden ook andere bruikbaarheids-normen dan voor een hotel. Figuur 6 toont dat meteen lagere scheefstandsnorm de breedte aanmerkelijkkan worden gereduceerd.T e n s l o t t eDrijvende funderingen zijn er niet alleen voor woon-boten, ook utiliteitsbouw kan drijven. Technisch is ophet water veel mogelijk, zelfs een wolkenkrabberbehoort tot de mogelijkheden. Voor het ontwerp vanhet drijflichaam is het minimaliseren van de belastin-gen en het afstemmen van het drijflichaam op debelastingsverdeling essentieel. Dit aspect is wezenlijkanders dan het ontwerp voor een conventioneelgebouw, gefundeerd op het land. Ook kan met hetoptimaliseren van de vorm van het drijflichaam destabiliteit van het gebouw sterk worden verbeterd. Eendrijvend gebouw vergt innovatieve oplossingen, nietalleen technisch maar ook qua regelgeving. De ver-7 |Mogelijke pontondoor-snedenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWater bou wcement 2008 1 75plaatsbaarheid biedt nieuwe mogelijkheden. Geziende veranderingen van het klimaat en het daaruit voort-komende grondbeslag zouden drijvende gebouwenmeer ruimte moeten krijgen. nL i t e r a t u u r1. Van Baars, S., H.K.T. Kuijpers e.a., Handboek con-structieve waterbouw, belastingen, materiaal enconstructie. TU Delft, 2002.2. Van Winkelen, M.M., How high can you float; hetontwerp van een hoog drijvend gebouw. Afstudeer-scriptie TU Delft, faculteit Bouwkunde, 2007.3. Kamerling, M.W., J van de Voort, Drijvende gebou-wen, verkenning van de mogelijkheden om gebou-wen te funderen op betonnen pontons. Cement2001, nr. 8.4. Kamerling, M.W., Ontwerpen van pontons ondergebouwen, verkenning van de mogelijkheden omgebouwen te funderen op betonnen pontons (2).Cement 2002, nr. 1.5. Redactie Cement, Tussen woonark en regenton.Cement 2005, nr. 7.6. Snel, P.L.M., S. Eversdijk e.a., Ervaringen met deeerste drijvende kas ter wereld. Cement 2005, nr. 7.8 |Hotel op ponton met zij-vleugels die later op delocatie aan het centraledrijflichaam wordenbevestigd; stabiliteit bijvervoer maatgevendvoor ontwerp van hetcentrale drijflichaam [2]