Spotten met de zwaartekracht8 201526Spottenmet dezwaarte-krachtHet Bella Sky Hotel is een iconisch gebouw in Kopenhagen,dat bestaat uit twee in verschillende richtingen gekanteldegebouwen. Door de schuine constructie ontstaan grotehorizontale krachten en moesten slimme oplossingenworden bedacht voor de belastingafdracht. Ook de detail-lering van de prefab-betonconstructie vroeg veel aandacht.Bijzondere kanteling van twee torensBella Sky Hotel leidt tot enorme krachtenSpotten met de zwaartekracht 8 2015 271Kaare K.B. Dahl MSc PhD1)Ramboll1) Het artikel is eerder in het Engelsverschenen in het offici?le fib-journalStructural Concrete, nummer 2014/4 [1].Het is vertaald naar het Nederlandsdoor ir. Paul Lagendijk.1 Het Bella Sky Hotel vormt een iconisch V-vormig gebouwSpotten met de zwaartekracht8 201528horizontaleverdraaiinghoek = 19,2?2Het Bella Centre is een van de toonaangevende conferentie-centra in Europa. Het is gelegen aan de rand van Kopenhagenin Denemarken. Om klanten beter te kunnen huisvesten, wildehet Bella Centre een hotel bouwen bij het conferentiecentrum(foto 1).Het ontwerp ging uit van twee torens met minimaal 800 hotel-kamers. De reden om te kiezen voor twee torens is gelegen ineen aantal randvoorwaarden:? Aan de hoogte van de bebouwing is een restrictie verbondenin verband met de nabijgelegen luchthaven.? Het bouwterrein is beperkt van omvang, waardoor in dehoogte bouwen noodzakelijk was om het vereiste volume tekunnen realiseren.? Het gebiedsinrichtingsplan voorzag in een hoofdweg die hetbouwterrein ongeveer in twee gelijke delen splitste.Als gevolg van de beperkte afmetingen van het bouwterrein,staan beide torens relatief dicht bij elkaar, slechts 17 m vanelkaar. Dit is gelijk aan de breedte van de weg die er tussendoorloopt. De positie van de torens resulteerde erin dat veel kamersmaar beperkt daglicht en uitzicht zouden hebben. Als oplossingis gekozen de twee torens te laten `kantelen' in lengterichtingwaardoor een V-vormig geheel ontstond (foto 2). Dit heeft alseffect dat de kamers aan de binnenzijde niet meer op elkaaruitkijken. Daarnaast zorgt het ervoor dat er meer daglicht dehotelkamers binnenkomt en hebben de meeste kamers uitzichtop de zee of over het centrum van Kopenhagen. Dit verhoogdede waarde van de hotelkamers aanzienlijk.Beschrijving gebouwHet Bella Sky Hotel bestaat uit twee 23 verdiepingen hogetorens (76,5 m hoog) die beide schuin lopen over een hoek van15? (fig. 4) en samen de eerdergenoemde V-vorm vormen. Devoet van de beide torens is ge?ntegreerd in een laagbouwcomplexwaarin alle faciliteiten die bij een hotel horen zijn opgenomen,zoals restaurant, receptie, vergaderzalen, installatieruimten endergelijke. Het complex beslaat een vloeroppervlak van 44 000 m2en heeft 812 viersterrenhotelkamers. De twee torens hebbenniet alleen in de lengterichting een kanteling maar zijn beidenog voorzien van een verdraaiing in de andere richting. In dezuidelijke toren is een deel van de bovenste negen verdiepingenover een hoek van 19,2? verdraaid ten opzichte van de`normale' plattegrond (fig. 3). In de noordelijke toren is eendeel van de onderste veertien verdiepingen over eenzelfde hoekverdraaid (fig. 5). Het resultaat hiervan is dat de schuinte indeze gebieden iets toeneemt, tot 20,4?. Het overstek tenopzichte van de fundering bedraagt daardoor meer dan 22 m.Hierdoor heeft het Bella Sky Hotel de grootste schuinte van eenbetonnen gebouw waar ook ter wereld.3Spotten met de zwaartekracht 8 2015 2977,71075,78073,10012,2006,8603,9201,5206,1606,8601,440horizontaleverdraaiinghoek = 19,2?2 Om te zorgen dat de hotel-kamers in beide torens vol-doende daglicht en uitzichtzouden hebben, is gekozen detwee torens te laten`kantelen'in lengterichting waardooreen V-vormig geheel ontstond3 Hoekverdraaiing van debovenste 9 verdiepingen vande zuidelijke toren4 Aanzicht zuidgevel van denoordelijke toren5 Hoekverdraaiing van deonderste 14 verdiepingen vande noordelijke toren? Stijfheid: het verkrijgen van de benodigde stijfheid in eenstalen raamwerk zou een enorme hoeveelheid schorenvragen, terwijl het nog steeds lastig zou blijven het vereisteresultaat te bereiken.? Geluidisolatie: er gelden stringente eisen voor geluidisolatietussen kamers onderling. Deze eisen worden eenvoudig gehaaldbij het toepassen van betonwanden. Een stalen raamwerk daar-entegen vereist veelomvattende en dure voorzieningen om aandezelfde eisen te voldoen.? Brandwerendheid: brandwerende voorzieningen voor staal-constructies zijn kostbaar. Bij het toepassen van beton is hethanteren van een iets grotere dekking voldoende om aan debrandwerendheidseisen te voldoen.Nadat was gekozen voor beton in plaats van staal, was devolgende vraag: prefab beton of in het werk gestort beton? Hetbouwen in prefab beton is in Denemarken de meest gangbarebouwmethode. Er is een goede infrastructuur beschikbaar ommet prefab beton te werken. Dit resulteert in lagere kosten eneen kortere bouwtijd in vergelijking met in het werk gestortbeton. Met name de snellere oplevering was een beslissendefactor in de keuze voor prefab beton, hoewel dat betekende dater nieuwe methoden en nieuwe normen voor bouwen in prefabbeton moesten worden ontwikkeld.Constructief conceptMateriaalHet eerste constructief ontwerp bestond uit een staalconstructie.Deze keuze is in een vroeg stadium ter discussie gesteld en devoor- en nadelen van een staalconstructie en een betoncon-structie zijn naast elkaar gezet. Uiteindelijk is om verschillenderedenen voor een betonconstructie gekozen:54Spotten met de zwaartekracht8 2015306 De draagconstructie bestaat uit verticaledragende wanden en kanaalplaatvloeren7 De hotelkamers aan weerszijden van eencentrale gang gepositioneerd8 Om er zeker van te zijn dat alle wapeningkon worden aangebracht, zijn extreemgedetailleerde 3D-tekeningen gemaakt9 Krachtsafdracht in de zuidelijke torenVerticale belastingafdrachtWaar mogelijk zijn de dragende betonwanden verticaal. Dithelpt om eenvoudige belastingafdracht door het gebouw tecre?ren. Aan de kopgevels van de torens nemen deze wandende schuinte van de toren over. Dit wordt deels veroorzaakt doorde trappenhuizen aan de uiteinden van het gebouw en isgedaan om de uiteinden van het gebouw ook praktisch bruik-baar te maken. Twee van de verticale dragende wanden (groenelijnen in figuur 9) kunnen niet over de volledige gebouwhoogtedoorlopen door de schuinte van het gebouw. Op de niveaus 6en 16 worden de verticale krachten (blauwe pijlen in figuur 9)uit deze wanden overgedragen op de hellende wanden (blauwelijnen in figuur 9). Deze verandering van richting van de belas-tingafdracht veroorzaakt extreem grote horizontale krachten(rode pijlen in figuur 9) die door de constructie moetenworden opgenomen. Deze horizontale krachten zijn de belang-rijkste complicatie van de schuinte van het gebouw. Zij wordenin het gebouw ingeleid via de constructieve voegen tussen devloerelementen. Dit stelt strenge eisen aan de sterkte van dezevoegen, omdat zij worden onderworpen aan trekkrachten oplo-pend tot 1500 kN. Aan de achterzijde van het gebouw wordendeze krachten ingeleid in de gangwanden en als dwarskrachtafgevoerd naar de fundering (fig. 9). Om er zeker van te zijndat alle wapening (hoofdwapening, dwarswapening, beugels enhaarspelden), verticale stekwapening en andere constructieveinstortvoorzieningen konden worden aangebracht in de verbin-dingen, zijn extreem gedetailleerde 3D-tekeningen gemaaktvan diverse aansluitingen. Deze details dienden ook als hulp-middel om de specificaties van deze complexe verbindingen tecommuniceren met de aannemer: zo was de constructievewerking beter te begrijpen en de constructie te optimaliseren.Een voorbeeld van zo'n detail is getoond in figuur 8.DraagconstructieDe basis van de draagconstructie wordt gevormd door verticaledragende wanden en kanaalplaatvloeren (fig. 6). In de torenszijn de kamers aan weerszijden van een centrale gang gepositi-oneerd (fig. 7). Prefab-betonwanden scheiden de kamers en degang; de wanden aan de beide zijden van de gang vormen deruggengraat in de lengterichting van het gebouw en verzorgende stabiliteit in die richting.In de dwarsrichting staan de dragende betonwanden 7,80 m hart-op-hart. Deze wanden vormen de verticale draagstructuur enverzorgen tevens de stabiliteit in dwarsrichting. De krachten in deelementen zijn groot in zowel verticale als horizontale richting.Om deze reden is de afdracht van de belasting zo eenvoudigmogelijk gehouden. Er is ook voor gekozen de rekenwaarde vande druksterkte met 10% te reduceren ten opzichte van de in denorm voorgeschreven waarde. Dit om capaciteit over te houdenvoor lokale herverdeling van krachten waar dit nodig is, en tege-lijkertijd om onnauwkeurigheden in de modellering te kunnenopvangen. De marge voor herverdeling bleek vooral nuttig bij dedetaillering in de gebieden waar de krachten lokaal hoger zijn enmeer moesten worden gespreid over de constructie.De complexiteit van de constructie wordt versterkt door hetaantal openingen in zowel de langs- als dwarswanden voordeuren en installaties, in combinatie met de enorme horizon-tale krachten die het gevolg zijn van de hellende gebouwvorm.Met name de gangwanden worden zwaar belast. Omdat debenuttingsgraad van de constructie zo hoog is, is het effect vanhet onderbreken van wapening bij sparingen voor installatieskritisch. Om die reden is besloten alle sparingen in het3D-model van de constructie te verwerken en geen sparingenin het werk te boren.deuropeningen badkamer-aansluitingenstramienmaat 3,90 mprefab-betonwanden (300 mm dik) vormenruggengraat in lengterichting gebouwkanaalplaatvloeren (220 mm dik) ominbouw badkamer mogelijk te makenkanaalplaatvloeren (270 mm dik)niet dragende prefab-betonwanden(150 mm dik)U-profiel als randverstijving en blijvendebekisting voor in het werk gestorte rand-strook6Spotten met de zwaartekracht 8 2015 31In principe kan het gebouw worden gezien als een stijve doosop zijn fundering. Er zijn geen trekverbindingen tussen de doosen de fundering nodig. Als de integriteit van de doos is gewaar-borgd, is het ontwerpcriterium als volgt: in de uiterste grens-toestand komt de achterzijde van het gebouw los van zijnondersteuningen en in de bruikbaarheidsgrenstoestand wordende oplegreacties aan de achterzijde van het gebouw nul.Zijdelingse stabiliteitDe afmetingen van de constructie als uitkraging zijn nietextreem: 76 m hoog, 49 m lang en 15 m breed. Dit leidt tot eenslankheidsratio van respectievelijk 1 : 1,6 en 1 : 5. Echter, doorde hoogtebeperking aan de gebouwen en het grote aantal deur-openingen (fig. 10), gedragen de wanden zich niet als ??n langewand, maar als meerdere korte wanden gekoppeld door lateien.Als wordt aangenomen dat de lateien alleen normaalkrachtenoverbrengen, wordt de slankheidsratio 12 in de korte richtingen circa 20 tot 25 in de lange richting, verdeeld over een aantalindividuele uitkragende stabiliteitselementen. Deze ratio's zijnveel te groot voor een constructie om de permanente horizon-tale belastingen uit de hellende gebouwvorm te weerstaan. Omdeze reden was het een vereiste de lateien tussen de wandele-menten ook dwarskrachten en momenten te laten overbrengen,Overall-evenwichtHet zwaartepunt van elk gebouw ligt binnen de footprint vande torens. In een vroeg stadium van het ontwerp werd voorge-steld trekankers te gebruiken om de stabiliteit te waarborgen.Echter, gedetailleerd modelleren liet zien dat zelfs in het meestnegatieve belastingsscenario geen sprake is van kantelen. Dit ishet gevolg van de grote permanente belasting van de toren inrelatie tot de schuinte van het gebouw en de optredende wind-belastingen. Trekankers bleken dan ook niet nodig. Omdat deconstructie zijn standzekerheid in belangrijke mate ontleentaan het balanceren van de destabiliserende krachten uit hetoverhangen en de permanente belasting in het resterendegedeelte van de toren, was het essentieel ervoor te zorgen datde verbindingen tussen de wandelementen via de tussengelegenvloeren goed konden functioneren. Dit is bereikt door hettoepassen van een combinatie van stekken en gaines tussen dewandelementen. Aan de achterzijde van de torens zou trekkunnen optreden en de constructie is dan ook gewapend opdie mogelijke trekkrachten. Als aanvulling op de traditionelewapening is in dat gebied ook een beperkt aantal voorspanka-bels toegepast om scheurvorming in de bruikbaarheidsgrens-toestand te beperken. Een aanzienlijke hoeveelheid wapeningbleek nodig om scheurvorming in de bouwfase te voorkomen,voordat de voorspanning was aangebracht.78 9Spotten met de zwaartekracht8 20153210 Door het grote aantal deuropeningen gedra-gen de wanden zich niet als ??n lange wand11 Het was een vereiste de lateien tussen dewandelementen ook dwarskrachten enmomenten te laten overbrengen, zodatvierendeelliggers ontstonden12 Het Bella Sky Hotel gezien vanuit de lucht13 Aansluitingen wanden, vloeren en liggers101211Spotten met de zwaartekracht 8 2015 33Nieuwe grenzen voor prefab-betonconstructiesGedurende de ontwerpfasen was het noodzakelijk de huidigestandaardoplossingen door te ontwikkelen. De standaardoplos-singen en standaarddetails hebben maar een beperkte sterkteen het toepassingsgebied ervan is slechts in beperkte mate op terekken, voordat compleet nieuwe ontwerpen moeten wordengemaakt. Het ontwerpteam van Bella Sky is erin geslaagd eenuit prefab elementen opgebouwde constructie te ontwikkelendie veel voordelen van het bouwen in prefab beton heeft wetente behouden, terwijl de grenzen voor het bouwen in prefabbeton zijn verlegd. Ondanks de enorme krachten en hetenorme verbruik aan wapening en beton, is het eindresultaateen constructie die op een elegante manier lijkt te spotten metde zwaartekracht. zodat de constructie als vierendeelligger kan werken (fig. 11).Het overbrengen van deze krachten tussen de wandelementenwordt verzorgd door gewapende, in het werk gestorte natteknopen van beperkte afmetingen. De verticale verbindingentussen de wanden zijn alleen ontworpen op het overbrengenvan dwarskracht en normaaldrukkracht. Eventuele trekkrach-ten worden alleen aan de uiteinden van de wanden opgenomen.Omdat de horizontale krachten op de constructie extreemhoog zijn, leidt dit tot grote hoeveelheden wapening in deverbindingen. Op de plaatsen waar langs- en dwarswandenop elkaar aansluiten, leidt dit tot enorme concentraties aanwapening (fig. 13).Detaillering en standaardoplossingenBij het maken van prefab-betonconstructies wordt gewoonlijkeen aantal standaarddetails gebruikt om de elementen onder-ling te verbinden. Deze details zijn gedurende de laatste 25 jaarge?volueerd, zijn alom bekend en worden overal toegepast.Voor het project Bella Sky was een aanzienlijk aantal van dezestandaarddetails niet in staat de optredende krachten op tenemen. In deze gevallen zijn deze details aangepast of opnieuwontworpen om meer wapening te kunnen opnemen in het detail,zodat de optredende krachten w?l konden worden opgenomen.Door de geometrie van het gebouw waren veel verbindingenverschillend. Zelfs bij relatief kleine verschillen was de beperktbeschikbare ruimte voor wapening aanleiding om op detail-niveau te controleren of de vereiste wapening kon wordenaangebracht. In totaal zijn meer dan 800 details per torengeproduceerd.prefabbetonnen balkelementmassief prefab vloerelement (300 mm dik)in het werk gestorte strook om kruising vanwapening mogelijk te makenbalk belast op dubbele buiging vereist boven-en onderwapening: onderwapening in geprefa-briceerd gedeelte; bovenwapening op debouwplaats aangebrachtin het werk gestort beton boven de wandenzodat langswapening kan worden toegepast dieenerzijds trekkrachten op kan nemen en ander-zijds als bovenwapening ter plaatse van dedeuropeningen kan fungeren LITERATUUR1 Dahl, K.K.B. (2014), Bella Sky Hotel ? taking precast concrete to thelimit. Structural Concrete, 15: 441-447. doi: 10.1002/suco.201400017. PPROJECTGEGEVENSproject Bella Sky Hotelopdrachtgever Copenhagen Congress Center / Bella Center A/Sarchitect 3XNconstructief ontwerp Ramboll Denmarkgeotechnisch advies Ramboll Denmarkinstallatieontwerp Ramboll Denmarkaannemer NCC Construction Danmark A/S13