thema Hoger, lichter, verder 8 2 0 08 4 thema 1 Hoger, lichter, verder Langzaam wordt duidelijk dat elegantie van constructies niet weg te denken is als het gaat om de duurzaamheid, of wellicht beter nog de 'houdbaarheid' van constructies. Niet voor niets zijn gebouwen als de Van Nelle fabriek in Schiedam, het Glaspaleis in Heerlen en het sanatorium De Zonnestraal in Hilversum nooit afgebroken maar aangepast aan nieuwe functies. Vaak ook is het investeren in een duurder materiaal om daarmee een lichtere construc- tie te krijgen een middel om de totale kosten van het project te drukken. In dit artikel wordt inge- gaan op het construeren van een aantal slanke en lichte constructies met hoogwaardig beton en wordt gepleit voor het oppakken van de draad in Nederland. Hoger, lichter, verder8 2 0 08 5 water-cementfactor [-] druksterkte [MPa] 0,1 0 50 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 100 150 200 250 300 350 UHSB, 2008 HSB, 1990 NSB, 1970 NSB, 1950 2 In het midden van de jaren '80 van de vorige eeuw werd aan een aantal leidende persoonlijkheden in de wereld van het construeren in beton gevraagd aan te geven wat naar hun idee de belangrijkste ontwikkelingen in de komende decennia zouden zijn. Prof. John Breen, een vooraanstaand Amerikaanse hoogleraar en ingenieur, gaf aan dat hij verwachtte dat de betonsterkte in het jaar 2000 de grens van 200 N/mm 2 zou overschrijden. Dat deze futuristische gedachte ooit werkelijk- heid zou worden, werd niet waarschijnlijk geacht. Inmiddels is veel veranderd. Figuur 2 toont de ontwikkeling van de beton- druksterkte in de laatste decennia. Momenteel is een beton met een kubusdruksterkte van 200 N/mm 2 geen uitzondering meer. De ontwikkeling van NSB (normalesterktebeton) via HSB (hogesterktebeton) naar UHSB (ultra-hogesterktebeton) is te danken aan een aantal factoren: door de opkomst van moderne superplastificeerders is het mogelijk goed verwerkbare meng- sels te maken met veel lagere water-cementfactoren dan in de voorliggende jaren. Verder is duidelijk geworden dat met een geoptimaliseerde korrelopbouw, met verstandig gebruik van vulstoffen, grote winst in sterkte kan worden bereikt. Door het weglaten van de grove korrels, die tot hoge spanningsconcen- traties leiden, en het toevoegen van korte staalvezels, ontstaat een beton met zeer hoge sterkte en daarnaast taai gedrag. Een op deze basis samengesteld beton wordt bovendien gekenmerkt door grote duurzaamheid. Hoogwaardig beton in de draagconstructie van gebouwen In het begin van de ontwikkeling van hogesterktebeton, waarbij een karakteristieke druksterkte van 90 N/mm 2 het hoogst bereikbare leek, was de vraag wat met dit materiaal zou kunnen worden gedaan. Uitgaande van de hoge druksterkte is de direct hieruit volgende conclusie dat slankere kolommen tot de meest logische toepassingen behoren. Slanke kolommen zijn niet alleen eleganter voor het interieur, ze vergroten ook het aantal netto verhuurbare of verkoopbare vierkante meters. Hierdoor wordt de méér-investering in het duurdere materiaal hoge- sterktebeton gecompenseerd door een groter rendement. De vraag naar slanke kolommen is vooral actueel in de hoogbouw, waarbij de kolommen op de begane grond forse afmetingen tonen. Ultra-hogesterktebeton was tot voor kort een materiaal dat bij voorkeur in de prefab-industrie werd gebruikt. De gevoeligheid van de mengsels voor kleine veranderingen in de samenstelling was er debet aan dat storten op de bouwplaats als een risicovolle onderneming werd gezien. Inmiddels is men erin geslaagd veel robuustere mengsels te ontwikkelen die ter plaatse storten zonder noemenswaardige problemen mogelijk maken. Voor een kantoorgebouw in Tokyo, het Park City Musashi Kosugi Building (foto 1) met een totale hoogte van 203 m en 59 verdiepingen, werd een hoogwaardig betonmeng- sel ontwikkeld, dat aan een aantal stringente eisen moest voldoen. Het beton moest een karakteristieke sterkte van 150 N/mm 2 kunnen halen, het moest een hoge brandweerstand hebben (geen spatten), er mochten geen stukken vanaf sprin- gen bij bewegingen (aardbevingen) en tegelijkertijd moest de vloeibaarheid hoog zijn voor een aanzienlijke periode, omdat nooit helemaal zeker was hoeveel tijd na het aanmaken van het mengsel gestort kon worden. Het ontwikkelde beton had een water-cementfactor van 0,15. Het was samengesteld uit een premix combinatie van silicafume en low-heat portlandcement, die zo was opgebouwd dat tegelijkertijd een hoge sterkte en een hoge vloeibaarheid werden bereikt. Twee superplastificeerders werden gebruikt, waarvan er één naast een verhoging van de vloeibaarheid een reducerende werking had op de autogene krimp. Aan het mengsels werd een hoeveelheid van 40 kg/m 3 staalvezels toegevoegd met een treksterkte van 2000 N/mm 2. Daarnaast bevatte het mengsel 2 kg/m 3 polypropyleenvezels ter verhoging van de brandwerendheid. Het ultra-hogesterkte- beton werd gebruikt voor het vervaardigen van een aantal ongeschoorde raamwerken, die de hoofddraagconstructie van het gebouw vormen. Om maximale weerstand tegen een aard- bevingsbelasting te creëren werd een van de frames als 'super- frame' uitgevoerd, waarbij van een grotere doorsnede werd uitgegaan in combinatie met schokdempers. In de onderste prof.dr.ir. Joost Walraven TU Delft, fac. CiTG 1 Park City Musashi Kosugi: hoogbouw van 203 m met ter plaatse gestort beton in sterkte­ klasse B150 2 Ontwikkeling van de beton­ druksterkte sinds 1950 thema Hoger, lichter, verder 8 2 0 08 6 3 3 Akiba Bridge in Tokyo in beton­ sterkteklasse B120 4 Vergelijking tussen de gereali­ seerde Akiba brug in beton B120 (links) en een alternatief ontwerp in beton B40 (rechts) Slanke bruggen door hoogwaardig beton Dat het niet persé noodzakelijk is om ultra-hogesterktebeton toe te passen om een slanke constructie te krijgen is te zien in foto 3. De foto toont de Akiba voetgangersbrug in het centrum van Tokyo, die gebouwd is uit een beton met karakteristieke druksterkte van 120 N/mm 2. De brug verbindt het lokale station met het aangrenzende winkelcentrum. Hij loopt door over een tussensteunpunt en heeft overspanningen van respec- tievelijk 26 en 33 meter. De dragende balken zijn geprefabri- ceerd en het bovendek is ter plaatse gestort. Het beton van het bovendek behoort tot sterkteklasse B120. Het mengsel werd ontwikkeld door dr. Kazunori Takada, in Nederland wel bekend door het introduceren van zelfverdichtend beton volgens de Japanse methode. Bijzonder aan dit beton, dat Powercrete wordt genoemd, is dat de samenstelling van het mengsel niet alleen is gericht op het behalen van voldoende sterkte, maar ook op het reduceren van de autogene krimp, die tot vroege scheurvorming zou kunnen leiden. Hiertoe werd 20% van het grind vervangen door een met water verzadigde lichte toeslag. Dit idee is oorspronkelijk afkomstig van prof. 10 verdiepingen werden, vanwege het aardbevingsgevaar, schuifvaste wanden aangebracht, gewapend met staal met lage vloeispanning, waarmee een goede energiedissipatie mogelijk is. Vóór de start van de bouw werd, naar goed Amerikaans gebruik, een proefstort (mock-up) uitgevoerd. Hiertoe werd een kolom met doorsnede van 1,30 m 2 en een forse wapening op de bouwplaats vervaardigd. Het beton was tot twee uur na de levering op de bouwplaats nog steeds uitstekend verwerk- baar. De kolomdoorsnede bleek zeer homogeen gevuld te zijn. Aan boorcylinders werd een sterkte gemeten van minimaal 175 N/mm 2 na 28 dagen. Het gebouw zal in 2009 worden opgele- verd en is dan het hoogste gebouw van Tokyo. Ook in Korea wordt inmiddels onderzoek verricht naar ultra- hogesterktebeton dat voor ter plaatse storten in hoogbouwpro- jecten geschikt is. Hierbij wordt gestreefd naar een sterkte van 200 N/mm 2 na 91 dagen. De sterkte van dit beton is na 28 dagen al 175 N/mm 2. Als proef werd 9 m 3 beton gestort in de onderste kolommen van het in aanbouw zijnde winkelcentrum Megapolis in Dong-an [2]. 5 Uitbreiding van het vliegveld Haneda bij Tokyo met een extra landingsbaan waarbij het dek uit 200 000 m 2 ultra­hogesterkte­ beton bestaat 6 Gärtnerplatzbrücke in Kassel, Duitsland, in aanbouw (2007) Hoger, lichter, verder8 2 0 08 7 5 4 6 Een zeer grootschalige hybride constructie, waarbij een combi- natie van hoogwaardige materialen is gebruikt, is de nieuwe landingsbaan van het vliegveld Haneda bij Tokyo (fig. 5). De landingsbaan is gedeeltelijk aangebracht op een kunstmatig aangebracht grondlichaam in het water. Om de stroming van het water niet te beïnvloeden moet een gedeelte van de baan van ongeveer één km lang op een platformconstructie worden aangebracht. Het dek van dit gedeelte van de baan bestaat uit een rooster van stalen liggers met daarop betonnen platen uit ultra-hogesterktebeton. In totaal 200 000 m 2 van het dek wordt uitgevoerd in dit materiaal. Hiervoor zijn ongeveer 7000 gepre- fabriceerde elementen nodig, met een afmeting van 7,8 x 3,6 m. De platen worden aan elkaar verbonden via ter plaatse gestorte voegen in ultra-hogesterktebeton. De gemiddelde betondruk- sterkte van het gebruikte beton is 200 N/mm 2. Het dek rust op stalen funderingspalen, die 70 m diep de grond in gaan. Het bovenste gedeelte van de funderingspalen bestaat uit roestvast stalen jackets waarin de stalen palen, enige meters onder water, opgaan. De onderzijde van het stalen rooster is beschermd door een laag titanium. De constructie is ontworpen voor een schadevrije levensduur van 100 jaar. Het dek uit ultra-hoges- terktebeton wordt aangebracht door een combinatie van drie Reinhardt en werd door dr. Takada ingevoerd in Japan. Auto- gene krimp ontstaat doordat bij hogesterktebeton, waarbij de water-cementfactor zeer laag is, tijdens het hydrateren een tekort aan water ontstaat dat tot krimp leidt. De met water verzadigde lichtbetonkorrels zorgen voor een inwendige 'nabe- handeling'. Daarnaast werd een hulpstof toegepast (10 kg/m 3) die tot een zekere mate van expansie van het beton leidde, alsmede een krimpreducerende hulpstof. Deze combinatie van maatregelen leidde tot een reductie van de autogene krimp tot ongeveer 30% van de normaal optredende waarde. De gemid- delde sterkte van het beton was 130 N/mm 2 na 28 dagen en 150 N/mm 2 na 91 dagen. Door de toepassing van dit type beton kan aanzienlijk slanker worden geconstrueerd. Figuur 4 toont een vergelijking tussen de brug in Powercrete en een alternatief ontwerp voor de brug in beton B40. Uit de vergelijking blijkt dat de hoogte van de doorsnede door het gebruik van beton B120 in plaats van B40, tot 65% kan worden teruggebracht. Om architectonische redenen was dit een doorslaggevend argument. Hybride constructies Combinaties van materialen kunnen zeer interessante constructies opleveren. Foto 6 toont een voetgangers-/fietsers- brug in Kassel, Duitsland, die onlangs werd geopend. De brug is een hybride constructie: de dragende constructie is een stalen vakwerk, waarop een geprefabriceerd dek uit ultra- hogesterktebeton is aangebracht. De sterkteklasse van de deke- lementen is B165. Het beton is voorzien van 0,9 Vol.% staalve- zels ø 0,15 mm en lengte 17 mm. De dekelementen zijn voorge- spannen in dwarsrichting om voldoende draagvermogen op buiging te realiseren. Bijzonder aan deze constructie is verder dat de betonnen dekelementen (2 x 5 m) zijn gelijmd aan de bovenrand van het stalen vakwerk en ook via lijm met elkaar zijn verbonden. De lijmtechiek is verkozen boven een mechani- sche oplossing voor de verbinding (bouten) omdat de dekele- menten slechts 80 mm dik zijn. Op deze lijmverbinding is aan de universiteit Kassel uitvoerig onderzoek verricht [3]. Momenteel vindt aan de TU München verder onderzoek naar deze lijmtechniek plaats [4]. 8000 4000 4000 1200 1900 Akiba brug (B120) normaal beton (B40) thema Hoger, lichter, verder 8 2 0 08 8 8 7 Verder onderzoek Op veel plaatsen wordt onderzoek uitgevoerd om te komen tot richtlijnen voor hoogwaardig beton. Fib-commissie TG 8.6 is momenteel bezig deze richtlijnen op te stellen. Daarnaast loopt nog veel onderzoek naar de eigenschappen van deze bijzondere betonsoorten die licht en slank construeren mogelijk maken. Dit bleek duidelijk uit twee recente congressen over hoogwaar- dig beton, in Kassel (Duitsland) [5] en Tokyo [6]. Een aantal zaken is nog volop in onderzoek, onder meer aan de TU Delft. Figuur 8 toont de resultaten van een recent onderzoek naar het effect van staalvezels op het afschuifdraagvermogen van liggers met slanke lijven. Als de staalvezels als substituut voor beugels zouden kunnen functioneren, zou de lijfdikte sterk kunnen worden gereduceerd. In het kader van dit onderzoek werd onder meer een serie van drie liggers getest. De liggers hadden dezelfde T-vormige doorsnede met een lijfdikte van 50 mm en werden onderworpen aan een driepunts buigproef. grote aannemers, te weten Kajima, Obayashi en Taisei. De platen zijn gedeeltelijk gestort in Ductal en gedeeltelijk uit Sucqcem, een mengsel dat door Kajima werd ontwikkeld en twee soorten staalvezels combineert (l = 22 mm en 15 mm). De keuze voor het betonnen dek uit ultra-hogesterktebeton is niet alleen ingegeven door duurzaamheidsoverwegingen. Een belangrijke reden was ook de reductie van het gewicht. Door te kiezen voor het ultra-hogesterktebeton in plaats van bijvoor- beeld een B50 wordt een gewichtsreductie van 50% verkregen. Deze reductie werkt sterk door op de totale kosten, vooral vanwege de hoge kosten van het stalen draagrooster en de 70 m lange stalen funderingsbuizen met roestvrij stalen jackets. Het investeren in hoogwaardig beton leidt dus uiteindelijk tot een besparing op de integrale kosten. Balkons en trappen Balkons en trappen kunnen zeer slank worden uitgevoerd als gebruik wordt gemaakt van hoogwaardig vezelbeton in combi- natie met traditioneel wapeningsstaal. Een voorbeeld is de trap- constructie getoond in foto 7. Door de aanwezigheid van staal- vezels vertoont het beton een zeer taai gedrag. Daardoor kan traditioneel wapeningsstaal, ondanks een zeer kleine betondek- king, goed worden verankerd. De radiale scheuren die bij het uittrekken van de staven in de uiterste grenstoestand zouden kunnen ontstaan blijven zeer fijn door de werking van de staal- vezels. Daardoor kan bijzonder licht worden geconstrueerd en ontstaat een bijzonder elegante constructie. Een variant op het thema staalvezelbeton met traditionele wape- ning zijn de balkons getoond in foto 9. Deze balkons zijn aan de wand van het gebouw bevestigd via bouten. Dergelijke balkons kunnen derhalve ook bij restauraties worden aangebracht. 7 Slanke spiraaltrap in gewapend ultra­hoge­ sterktebeton in Denemarken (foto: Arup) 8 Tests op afschuifdraagvermogen van drie gewapende balken in beton B145. Het beton van de bovenste balk bevat geen staalvezels, de middelste balk bevat 0,8 Vol.% en de onderste 1,6 Vol.% staalvezels 9 Balkons uit gewapend hoogwaardig vezel­ beton in Denemarken (foto: Arup) 91 kN 340 kN 531 kN