? utiliteitsbouw ? algemeen ontwerp?ir.M.F.A.Derkink en ir.J.G.Kraus, adviesbureau D3BN civiel ingenieurs, Den Haag/Utrechting.Th. de Wit, Joustra Geomet, SassenheimHetNationaal CentrumvoorWetenschap en Technologie in Amsterdam krijgt medio1997een nieuwe behuizing. Hetgebouw staat op een bijzondere plaats, namelijkboven de :zui-delijke inritvan de lJ?tunnel. Tegelijk met deze verhuizing krijgt het vroegereTechnologie-museum NINT een nieuwe naam: 'newMetropolis, science and technology center'. Hetgebouw is ontworpen door de Italiaanse architect Renzo Piano. De fundering daarente-gen istypisch Nederlands: een paalfundering, in combinatie met de bestaande funderingonderdetunnelinrit. De open tunnelbak neemt circa 70%van de belastingen op, de reste-rende 30% wordt opgenomen door nieuwe palen aan weerszijden van de tunnelbak. Bou-wen in een dergelijkeomgevingsteltheel wateisen, zowel aan ontwerp als aan uitvoering.IJ-TUNNELSTEUNPUNTVOORNIEUWBOUWCD@ Langs- en dwarsdoorsnedenewMetropolisnewMetropolis, Science & Technology Cen-tre wordt ??n van de modernste centra op ditgebied. Bezoekers van dit centrum, meteenoppervlakte van circa 11 600 m2, zullenstraks actief worden betrokken b? ontwikke-lingen in de wetenschap, industrie en tech"nologie. Hiervoor zullen wisselende ten-toonstellingen worden ingericht en z?n on-der meer een wetenschapstheater en eeninteractief filmtheater beschikbaar.Door gebruik te maken van de bestaandefunderingonder de tunnelbak,werd het planfinancieel haalbaar. Vanzelfsprekend be-paalde ditmede de opzetvan de constructievan het gebouw, dat in hoogte oploopt vantwee tot v?f bouwlagen en aan de noordz?detot 18 m uitkraagt over de ondersteuningen(fig. 1 en 2). Aan de kop van hetgebouw is debelasting uit de uitkragende gebouwmassate hoog voor bovengenoemde funderings-methode. Hier is gekozen voor een samen-gestelde stalen liggerconstructie, die de be-lasting afdraagt naar de middenwand vande tunnel en naar een nieuwe fundering aanweersz?den van de tunnel. De constructiebestaat uit v?f stalen spanten van b?na 4 mhoog, die in de werkplaats aan elkaar z?n ge-last. Hetgeheel is overhetwateraangevoerden met een dr?vendebok geplaatst.De bovenbouw is grotendeels opgebouwduit een in het werk gestort betonskelet, be-staande uit kolommen en breedplaatvloe-ren met verzwaarde stroken in langsrichtingvan het gebouw. De constructie aan de zuid-z?de kraagt over een aantal verdiepingen uittot circa 7 m. Door uitte gaan van uitkragen-~ I I I I I I I~.11150'. ~ . ~~ \ ~'==-----IV==-------.==-------.16.9SO+ . ' \ \ \ ? 1 1~ ::::::::=- '-=-=-----........ , 11 -:::::::: '::::.::::::\ ~13.200+ lJ I........"'.\ ~ I~ ~B.~O'~ ........4200+? .--- ~~t------~ ~' - ~..::""._-_.n- ~~') I~ 0.000+t::it=I b .mi JI JL JI JL 11 11 111111 Jj lUL JL JL Jl Jl JL Jl Jl JLK - --- ~- -cI I I I I I I6 CEMENT1997/31 00 19301930 1930 1930 1930 1930 1930 1930 1930 1930 19301930 1930, 1930 1930 1930 100150 328 0? Principe bestaande situatie moot m t.m. 114"!AP.200..Q...Q. +1200 30010600940032880220050 1200 50025500370080 2100 0014 8014 0106009400300 1200oo~00.~ .~2000+N.M?1 00 13502~+1 1850@) Principe bestaande situatie moot 115gebruiksfase worden de palen doorde groteopwaartse waterdruk nagenoeg niet belast,C.q. zijn onderhevig aan een geringe trekbe-lasting.de raamwerken kon het principe van breed"plaatvloeren met verzwaarde stroken ookhier worden doorgezet. Om in de dakvloerrnet zijn grote overspanningen gewichtte be"sparen, zijn holle kokers ingestort.OnderbouwBestaande situatieDe bestaande situatie, ontleend aan gege"vens uit het archief van de gemeente Am"sterdam,is als constructie te beschrijven alseen open tunnelbak, uitgevoerd in gewa"pend beton en gefundeerd op palen (fig. 3en 4).De bestaande inrit is in moten in een bouw"kuip gemaakt. Het aantal palen onder elkemoot is gebaseerd op deze bouwfase. Allepalen zijn in de bouwfase tot hun maximaaltoelaatbare waarde uitgenut. In de huidigeOm het gewicht van de uitkraging aan denoordzijde te minimaliseren is de gehelekop, in afwijking van de rest van hetgebouw,uitgevoerd in een staalconstructie metstaalplaatbetonvloeren.De hoofddraagconstructie bestaat uithaaks op elkaar staande vakwerkspantenvan 8,5 m hoog in de wanden van de zalen.Zij worden verbonden door een staalcon"structie in de gevel, die er als een vlies om"heen gespannen is. Samen met de vloerenontstaat hierdoor een stijve doos op kolom"men, die verbonden is aan de achterliggen"de betonconstructie.Ook deze staalconstructie is in grote gepre"fabriceerde delen over het IJ aangevoerd engemonteerd met een drijvende bok.CEMENT1997j3 7? utiliteitsbouw ? algemeen ontwerp?rl tunnelwanden gedeeltelijk slopen,1.-:::, ', Irailbalkenwaterdichte aansluitingdek waterdicht makenrailbalken,I\\I? Nieuwe situatie moot 11.1 t.m. 114, inclusief brede gedeelte moot 115r---, tunnelwanden gedeeltelijk slopen~ (::IIi railbalken:~=========================8oplegging en waterdichte? Nieuwe situatie moot 115 naast stalenspant([) Nieuwe situatie moot 115 ter plaatse van stalen spant in zij- en bovenaanzichtbetonkolommen Lb_ v _bovenbouwbetonkolommen t.b_ vbovenbouw -111 I-- -8lj . ? -------------------------------]-CEMENT1997/3+--?Wri' in-- Conusweerstand-1321+1 _1Nieuwe situatieUit eerdere studies door andere ingenieurs-bureaus was al gebleken dat het gebouwniet kon worden gedragen door de bestaan-de fundering en dat een vr?e overspanningvan circa 40 m over de gehele inrit met eennieuwe eigen fundering veel te duurzou wor-den. Bovendien zou het verkeer te veel wor-den gehinderd door volledige afsluiting vande inrit t?dens de montage.In de nieuwe situatie is gezocht naar eencombinatie met als uitgangspunt maximaal(her)gebruik van de bestaande fundering.Op grond van ontwerpberekeningen permoot bleek de bestaande fundering circa70% van de totale belasting te kunnen dra-gen. De overige 30% kon door een aanvul-lende fundering worden opgenomen.Door twee railbalken met een overspanningvan circa 20 m achter elkaar te leggen, kon-den de palen onder de middenwanden wor-den gemobiliseerd en konden de momentenin de vloeren worden gereduceerd (fig. 5).Tevens bleken de railbalken te vallen binneneen courante groep die verschillendefabrie-ken zouden kunnen maken. In vergel?kingmet railbalken die normaal worden toege-past in bruggen en viaducten, hebben dezeeen hogere verticale belasting en een korte"re lengte.Ter plaatse van het smalle gedeelte vanmoot 115 z?n de railbalken direct op de bui-tenwandengeplaatst (fig. 6). Ondersteunendoor de tussenwanden was hier niet nodig,omdat deze railbalken niet de belasting vande bovenbouw dragen. Hetgrootste gedeel- ? Sondering 05Het bovenste gedeelte van detunnelwand isgesloopt, waarb? de bestaande wandwape-ning metvoldoendelaslengteis omgebogenin een nieuwe betonsloof. In een volgendefase z?n de railbalken geplaatst die con"structief werken als een ligger op tweesteunpunten. De railbalken Z?n als een voor-gespannen betonbalk in de fabriek ge-maakt, waarna ze met behulp van een kraanin het werk zijn gemonteerd en gekoppeld.Ze z?n voorzien van een drukflens Op de rail-balken staan de kolommen en w.Jnden vande bovenbouw.In verband met een mogel?ke calamiteitwaarb? de sluizen b? IJmuiden zouden be-zw?ken, is er een situatie mogel?k daterwa-ter op de railbalken kan staan. Om deze re-den moeten de verbindingen tussen de rail-balken en de sloof en de railbalken onder-ling waterdicht worden uitgevoerd.CEMENT1997/3 9? utiliteitsbouw ? constructief ontwerp ? funderingenDe belastingstoename op de ondergrondneemt met de diepte verder af. De zettings-parameters zijn bepaald uit samendruk-kingsproeven, voorafgegaan door consoli-datie op de terreinspanning, uitgevoerd inhetlaboratorium van Gemeentewerken Rot-terdam. Uit de proeven volgde dat de Eem-kleilaag een grensspanning heeft tot glo-baal het niveau van de oude terreinspan-ning. De samendrukkingsconstante CiD4voor de belastingen onder de grensspan-ning varieerde tussen 49 en 130, met eengemiddelde van 81. Voor belastingen tot demaximale waarde van 13 kN/m2 boven degrensspanningvolgde uit deproeven dat hetstijve vervormingsgedrag mocht worden ge-hanteerd.Opgelegde vervorming Eem?kleiTen gevolge van de momentane gebouwbe-lasting heeft samendrukking plaats in devoor Amsterdam bekende Eem-kleilaag, dieop de bouwlocatieeen dikte heeftvan 30 m.Ondanks de asymetrische gebouwbelastingis de netto belastingstoenamein de Eem-kleilaag vrijwel constant. Het maximum vande gebouwbelasting valt namelijk samenmet de diepste tunnelligging en daarmeeook met de grootste ontlasting door de vroe-gere ontgraving. Ter plaatse van de driezwaarst belaste tunnelelementen zijn on-derstaande verticalekorrelspanningen be-rekend aan de bovenzijde van de Eem-klei-laag:? oude terreinspanning 241 kN/m2? gebruiksfase tunnel 204 kN/m2(-37)? gebruiksfase museum 254 kN/m2(+13)Tussen haakjes is het verschil aangegeventen opzichte van de oude terreinspanning.117te van de belasting uit de kop van het ge-bouw wordt gedragen door een stalen vak-werkspant, dat constructief werkt als eenligger met verende opleggingen. De buiten-ste verende ondersteuningen zijn de nieuwte maken 5-paalspoeren. De middelste ve-rende ondersteuningen zijn de middenwan-den met de bestaande paalfundering (fig.7).PaalfunderingTer plaatse van newMetropolis wordt eennormaal Amsterdams bodemprofiel aange-troffen. Figuur 8 toont een kleefmantelson-dering, gemaakt naast de tunnelinrit. Detunnelinrit is gefundeerd op prefab betonpa"len 320 x 320 mm2 . Uit de oude kalender-staten blijkt dat alle palen op 'goede stuit'zijn geheid, namelijk minimaal 1,0 m in dezeer vaste tweede zandlaag vanaf circa NAP-18,5 m.J IJ113 /114newMetropolis0 20 40 60 80 100 120 140 156 180 204 2281010? 20.5 30Olc 40:;:::..... 50OlN6070? Zettingsverloop tunnelZoals hiervoor reeds is vermeld wordt bij debouw van newMetropolis de huidige reservein paaldraagkracht,goed voor circa 70% vande gebouwbelasting, opnieuw benut.Voor het resterende deel van de belastingwordt direct naast de tunnelinriteen nieuwepaalfundering gemaakt. Deze nieuwe palenhebben een afmetingvan 500 x500 mm2eneen puntniveau van NAP - 20,5 m. Om tij-dens het heien extra horizontale druk op dewanden te voorkomen en eventuele kabelsen leidingen op te sporen, werden de paleneerst voorgeboord tot ten minste de onder-kant van de bestaande vloer van de inrit.Voorts zijn de palen verspringend geplaatstten opzichte van de bestaande palen onderde tunnel en de voegen tussen de tunnelde-len.De zetting van de Eem-kleilaag is berekendmet het elementenprogramma PLAXIS. Despreiding van de gebouwbelasting werktdriedimensionaal, terwijl hetgewichtasyme-trisch aangrijpt. Het berekende verloop vande zetting in langsrichting is in figuur 9 ge-presenteerd. De maximale eindzetting be-draagt 65 mm ter plaatse van de voeg tus-sen moot 113 en 114. Van deze zettingtreedt 6 mm opin het zandpakket en 59 mmin de Eem-kleilaag. De eindzetting treedt opna een periode van circa 60 jaar. In dwars-richting zijn de vervormingen aan de randenmaximaal 10 mm lager dan in het middenvan de tunnel.Het effect van de zettingen op een diep ni-veau is een min of meer opgelegde vervor-ming voor tunnelinrit en museumgebouw.10 CEMENT1997/3De vervormingen zijn slechts in geringe mateafhankelijk van de stijfheid van het gebouwof het aantal palen. De tunnelelementenvan 20 m lengte zijn elk afzonderlijk wel zeerstijf. Ter plaatse van de voegen in de wandenontstaat rotatie als gevolgvan de opgelegdevervorming. Verticale vervormingsverschil-len op de voegen worden tegengegaan doorde stijfheid van de tweede zandlaag. Voorhet gebouw is aan de bovenzijde van de tun-nel een constructieve dwarskrachtkoppe-ling noodzakelijk ter plaatse van de voegen.De mogelijkheid van rotatie ter pJaatse vande voegen mag door deze koppeling nietworden belemmerd.Berekening onderbouwPer mootzijn zes belastingscombinaties be-rekend op basis van negen belastingsgeval-len.Elke mootis geschematiseerd met verendeondersteuningen, met de nieuw te makensloof ende nieuw te maken paalfundering.Er is in detail rekening gehouden met:? de veerstijfheid van de fundering,aange-past aan kortdurende en langdurende be-lastingen;? de negatieve kleef bij de buitenste palen;? diverse extreme en normale waterstan"den;? calamiteitswaterstanden in het geval datde sluizen bij IJmuiden niet zouden func-tioneren;? een tijdelijke calamiteitssituatie met waterin de tunnelbak;? verschillende belastingsfactoren.Gecontroleerd zijn onder meer de maximalepaalbelastingen, de vervormingen, deschuifspanningen en de aanwezige wape-ning.Enkele belastingscombinaties zijn tevensgecontroleerd met de originele handmatigeberekeningen.In het algemeen bleek de paalbelastingmaatgevend te zijn en nietdesterktebereke-ning van de tunnelbak.VoegenDe voegen tussen de moten zijn destijdswa-terdicht gemaakt door in de vloer en de bui-tenwanden 400 mm brede voegstrippen toete passen van Vredestein. Aangezien demiddenwanden niet onder waterdruk ko-men te staan, zijn daar geen voegstrippenaangebracht.In de nieuwe situatie zal door zettingen in deEem-kleilaag, door verdraaiing van de mo-ten extra rek in de voegen optreden. Dezerek is berekend en getoetst aan door TNOCEMENT1997/3bepaalde waarden. TNO heeft de toelaatba-re waarden bepaald op basis van literatuuren van een proefstuk dat is verwijderd uiteen later nog te slopen stuk wand. Alle rele-vante omgevingscondities van hetproefstukzijn nauwkeurigvastgelegd en verwerktin derapportage van TNO.Het bleek dat de rekcapaciteit van de voeg-strippen voldoende was om, bij toename vande rek, als waterafdichting te kunnen blijvenfunctioneren. Door het toepassen van eendoorgaande funderingssloof treden ver-waarloosbare verplaatsingen op in lengte-en dwarsrichting van de voegstrippen. Deoptredende druk- en schuifspanningen in defunderingssloofzijngetoetst aan detoelaat"bare waarden conform de voorschriften.Staalconstructie, 5-paalspoerDe staalconstructie draagt een viertal ko-lommen van de bovenbouw. Gezien degrootte van de verticale belasting in de ko-lommen kan deze niet worden gedragendoor railbalken. Er moest gezocht wordennaar een speciale constructiemethode omde belasting te kunnen dragen.Als oplossing kwamen vier varianten naarvoren:1. een kokervormige, voorgespannen be-tonconstructie met een vrije overspan-ning van circa 25 m;2. een kokervormige, voorgespannen be-tonconstructie als ligger op drie steun-punten met een totale lengte van 25 m;3. een stalen spant met een vrije overspan-ning van circa 25 m;4. een stalen spant als ligger op drie steun-punten met een totale lengte van 25 m.Alle varianten zijn gedimensioneerd.Variant 1 bleek niet te voldoen aan de rand-voorwaarde dat de constructiehoogte klei-ner moest zijn dan de hoogte tussen het be"staande 'dak' van de tunnelinrit en de onder-zijde van de dekconstructie. Bovendien wasdeze variant te duur en was er geen plaatsvoor de benodigde palen naast de bestaan-de inrit. Variant 3 is om dezelfde redenen af-gewezen.De beperkte constructiehoogte en de be-perkte mogelijkheden om een aanvullendefunderingte maken, maakten hetnoodzake-lijk de twee middenwanden als derde steun-punt te gebruiken. Onder deze wanden wasechter een beperkte paalgroep als funde-ring aanwezig, waarin qua draagcapaciteiten vervormingsgedrag nogal wat onzekerhe-den zaten.Variant 2 en variant 4 bleken beiden binnende beperkte constructiehoogte te voldoen.Uiteindelijk is om de volgenderedenengeko-zen voor variant 4:? het eigen gewichtvan variant 4 bleek lagerte zijn dan dat van variant 2;? het stalen spant heeft een lagere stijfheiddan de kokervormige betonnen ligger vanvariant 2. Dit gaf de mogelijkheid om deeerder genoemde onzekerheden in depaalgroep als volgt op te vangen. Indien depaalgroep onder de twee wanden teveelgaat zetten, kan het stalen spant dekrachtsverdeling eenvoudig omzetten vaneen ligger op drie steunpunten in een lig-ger op twee steunpunten. Qua sterkte ishet stalen spant hierop gecontroleerd,maar met een gereduceerde belastings-factor.De 5-paals poer is erop gedimensioneerdom de totale belasting uit de betonkolom"men te kunnen dragen.?11