Hoe hoger het gebouw, des te groter de vervormingen en dus de gevolgen voor de maatnauwkeurigheid. In een afstudeerstudie aan de TU Eindhoven is de maatbeheersing van superhoogbouw onderzocht. Het onderzoek is gedurende een jaar verricht bij de bouw van The Shard in Londen, het hoogste gebouw in de Europese Unie. Auteur:ir. Bart Lemmens (Mace)
Maatbeheersing superhoogbouw5201266MaatbeheersingsuperhoogbouwAfstudeeronderzoek aan de hand van hoogste gebouw in de EU: The ShardMaatbeheersing superhoogbouw 52012 67Hoe hoger het gebouw, des te groter devervormingen en dus de gevolgen voor demaatnauwkeurigheid. In een afstudeerstudie aande TU Eindhoven is de maatbeheersing vansuperhoogbouw onderzocht. Het onderzoek isgedurende een jaar verricht bij de bouw vanThe Shard in Londen, het hoogste gebouw in deEuropese Unie.ir. Bart Lemmens 1)Mace11 The Shard is het hoogste gebouw inde Europese uniefoto's, tenzij anders vermeld: Bart Lemmens1) Bart Lemmens studeerde cum laude af op hetonderzoek maatbeheersing van superhoog-bouw aan de TU Eindhoven. Zijn afstudeer-hoogleraar was prof.dr.ir Jos Lichtenberg. Inde begeleidingscommissie zaten verderdr.ir. Peter van Hoof en dr.ir. Eric Vastert.68 Maatbeheersing bij super-hoogbouw520122 De gevel is opgebouwd uit 11 000 glazen panelenMaatbeheersing wordt in [1] omschreven als `kwaliteitsbeheersing met betrekking tot het aspect maat'. Het doel vanmaatbeheersing is om plaatsafwijkingen te voorkomen die deprojectspecificaties te buiten gaan, zodat kwaliteitsverlies wordtvoorkomen. Kwaliteitsverlies kan hierbij betrekking hebben opde gebieden constructie, bouwfysica, architectuur engebruikersgemak.Ten behoeve van een afstudeeronderzoek is bij het bouwprojectThe Shard gedurende twee maanden een `work study' uitgevoerd, waarna tijdens de bouw verdere metingen zijn verricht.Hoogste gebouwThe Shard, naar een ontwerp van Renzo Piano, is een hoogbouwproject in Southwark in Londen. Met 310 m is het hethoogste gebouw in de Europese Unie. De inauguratie vondplaats op 5 juli 2012. Daarmee heeft Londen er deze zomer,naast de Olympische Spelen, een prestigieus bouwwerk bij.Het gebouw met 72 bruikbare verdiepingen biedt plaats aanluxueuze appartementen, kantoren, een restaurant, een vijfsterrenhotel en helemaal bovenop een uitzichtgalerij.The Shard (letterlijk `de scherf') is typisch door zijn scherfvormige gevel. Dit wordt benadrukt door de 11 000 panelentellende glazen gevel (foto 2), die aan de randen van hetgebouw uitkraagt ten opzichte van het vloeroppervlak. Hetgebouw heeft een hybride constructie: een stalen frame meteen betonnen kern tot verdieping 40, gevolgd door eenvolledige betonnen constructie inclusief nagespannen vloerentot verdieping 69. De bovenste 70 m van het gebouw, het deelmet de uitzichtgalerij, bestaat geheel uit staal. In het geheelbevat The Shard circa 48 000 m3beton en 12 000 ton staal.De eerste plannen dateren uit 2000 maar de bouw werd pas in2009 gestart. In de omgeving ligt tevens het nieuwe gebouwThe Place en een nieuw trein en busstation. De nabijheid vandeze projecten, gecombineerd met een naastgelegen ziekenhuisen metrostation, maakte de uitvoering van The Shard eengecompliceerde logistieke operatie die speciale aandacht vroegvoor bouwveiligheid tijdens de uitvoering.GebouwbewegingenVoor hoogbouwprojecten kan het uitzetten en het beheersenvan referentiepunten worden bemoeilijkt omdat er niet meernaar naastgelegen gebouwen kan worden gerefereerd. Dit kanworden opgelost door het beheerst oploden van punten.Ingewikkelder is het fenomeen gebouwbewegingen. Een hoogbouwproject zal namelijk tijdens de bouw aan zowel verticaleals horizontale bewegingen onderhevig zijn en deze kunnenplaatsafwijkingen tot gevolg hebben.2Maatbeheersing superhoogbouw 52012 693 Positie van de vloer na axiale verkortingen (niet op schaal)De glazen gevel is ontworpen binnen de parameters van voorspelde gebouwbewegingen. Hier zijn voornamelijk de relatievewaarden van verdieping tot verdieping van belang, zoals hetdoorbuigen van bovengelegen vloeren en de relatieve verkorting tussen kolommen. Thermische uitzetting en windinvloeden spelen ook een rol. De uitdaging was het gebouw zodaniguit te voeren dat de beoogde geometrie op de juiste positieswerd gerealiseerd. Van belang hierbij waren de nauwkeurigheidvan gebouwonderdelen, het uitzetten en de nauwkeurigheidvan de bouwmethode (het plaatsen). Tevens van belang was destrategie hoe om te gaan met maatgevende gebouwbewegingen,zoals hiervoor is toegelicht.VooronderzoekVanuit het vooronderzoek werd geconcludeerd dat het vanbelang was een verbeterd monitoringsregime op te zetten. Ditwil zeggen dat de constructie werd gemonitord op relevantelocaties en dat verticale plaatsafwijkingen werden geregistreerd.De constructeurs hebben verticale posities voorgeschrevenvoor elke verdieping waar de kolommen moesten wordenuitgezet tijdens de bouw. Deze posities waren afhankelijk vande bouwvolgorde en de mate waarin gebouwbewegingen zichhebben voltrokken tot op het moment van het plaatsen vandeze bepaalde kolom. Immers, zowel kolommen als de kernwaren aan verkorting onderhevig tijdens de bouw. Het was dusvan belang te verifi?ren of de voorspellingen daadwerkelijkoptraden.Een zogenoemde `hat truss' beneden de spits vermindert hetuitzwenken van het gebouw. Terwijl windbelasting en thermische uitzetting weersafhankelijk zijn en deze voornamelijkinvloed hebben op de horizontale posities, vinden de maatgevende permanente gebouwbewegingen vooral verticaalplaats. Relevante verticale gebouwbewegingen zijn axialeverkorting, doorbuiging en zettingen.Axiale verkortingDe kolommen en de betonkern zijn onderhevig aan axialeverkorting, wat voor het materiaal beton bestaat uit initi?leverkorting (krimp) van het materiaal, elastische verkorting enkruip. Axiale verkorting is afhankelijk van materiaaleigenschappen, belasting en bouwvolgorde [2]. Het effect vanaxiale verkorting is over het algemeen niet significant voorgebouwen met minder dan tien ? vijftien verdiepingen [3].De kolomlengten verschillen aangezien de toren steeds indoorsnede afneemt. Het aantal kolommen per verdiepingneemt af naarmate het gebouw hoger wordt. Daarnaast zijn erzowel stalen als betonnen kolommen. Bij The Shard ontstaateen verschil in axiale verkorting tussen de kolommen en dekern. Ook de kolommen zelf kunnen, ten opzichte van eennaastgelegen kolom, over de lengte van het gebouw verschillend zijn in de mate waarin deze verkorten. Dit verschil inaxiale verkorting wordt ook wel differenti?le verkortinggenoemd [3].Stel dat kolommen volgens tekening worden gemaakt, danontstaat op het moment van bouwen een vloer die waterpas is.Gezien de voorspelde verticale gebouwbewegingen kan dezevloer na het plaatsen gaan deformeren, met als gevolg dat dezeten tijde van de oplevering niet meer horizontaal is. Om hetverstorende effect van verticale axiale verkorting tegen te gaan,hebben de kolommen overlengte gekregen. Kolommen wordendus langer gemaakt dan op tekening, zodat na het optreden vanvoorspelde differenti?le verkorting een vloer horizontaal is.Ook de betonkern heeft overlengte gekregen.ZettingenNaast axiale verkorting zijn ook zettingen van de betonkernvoorspeld. Deze zettingen zijn afhankelijk van de grondcondities en de belasting die hierop wordt ge?ntroduceerd.Naarmate tijdens de bouw het glijproces van de kern werdgestart, ontstond er een zettingspatroon.De betonkern is gebouwd op zogenaamde `plunge columns':stalen kolommen die in een vers gestorte betonpaal zijnge?ntegreerd. Deze kolommen zijn voorspeld te gaan verkorten,waardoor de betonkern beneden de gewenste positie kan gaanzakken. Om dit tegen te gaan, is de kern op een hogere verticale positie gestort, zodat deze zich na het verkorten vankolommen op de juiste positie bevindt.n het theoretische landschap vanverdiepingsvloer 28 op hetmoment van plaatsen(niet op schaal)n voorspelde positie van de vloer nahet optreden van axiale verkortingvan kolommen en betonkernn accumulatie van axiale verkortingtot en met verdieping 28(niet op schaal)3Maatbeheersing superhoogbouw52012704 De kern is vervaardigd met een glijbekistingfoto: Mace5 De inauguratie van The Shard werd gevierd met eenspectaculaire lasershowrekenmodel van de constructeurs. Meten op een later tijdstiphad weinig zin, omdat de posities mogelijk werden verstoorddoor het zakken van referentiepunten. Een dataanalysehulpmiddel vergeleek vervolgens de meetwaarden met de voorspelde verticale posities (fig. 3).ResultatenVerzamelde data van verdieping vijf tot en met veertig gavenaan dat in eerste instantie de staalconstructie plaatsafwijkingenvertoonde. Bij nadere beschouwing bleek dat voornamelijk tegaan om de nauwkeurigheid van het plaatsen in combinatiemet doorbuiging van liggers. Verbetering is opgetreden doormeer aandacht te schenken aan de nauwkeurigheid van debouwmethode. Daarnaast zijn typen liggers tijdelijk onderstempeld. Bewegingen van de betonkern leken relatief ietseerder op te treden ten opzichte van voorspellingen. Hierdooris tijdens het bouwproces een kleine verandering aangebrachtaan het uitzetten van de kolommen.FunderingBehalve het monitoren van de constructie boven het maaiveld, isook specifieke aandacht besteed aan de fundering vanwege debouwmethode. The Shard is gebouwd met een topdownbouwmethode met een zogenaamde `jumpstart' van de glijbekisting (foto 4). Dat wil zeggen dat als eerste de beganegrondvloer isgestort, en vervolgens gestart is met de glijbekisting. De kern isgefundeerd op palen met hierin de eerder genoemde stalen plungecolumns. Terwijl de betonkern werd gestort, is begonnen met hetgraven onder de beganegrondvloer, waarna uiteindelijk de5300 m3tellende keldervloer is gestort. Aangezien de kern enkelop plunge columns stond, werd het verstandig geacht tijdens debouw zowel de bouwkuip als de kern te monitoren voor zettingen.Vooral differenti?le zettingen onder de kern en tussen kern enrand van de bouwkuip moesten binnen marges blijven. Opgetreden zettingen zijn binnen de voorspelde marges gebleven.Modulaire bouwmethodeEen ander aspect van het gebouw, dat speciale aandacht vroeg inhet kader van maatbeheersing, is de spits, de bovenste 70 m vanThe Shard. De constructie is geheel van staal en de stalen kernwordt kleiner in doorsnede naarmate het gebouw hoger wordt.Hier is gekozen voor een modulaire bouwmethode, om het veiligheidsrisico te verkleinen van het bouwen van een constructieboven 240 m. Geen enkele vloer van dit deel is hetzelfde; demodules en vloerpanelen worden in de fabriek geassembleerd.Gevelbevestigingen werden reeds in de modules ge?ntegreerd omextra handelingen bij de bouw te voorkomen. Referentiepuntenten opzichte waarvan de modules worden geplaatst, werden aanReferentiepuntenOmdat The Shard met 310 m vrij hoog is, zijn er geen referentiepunten van nabijgelegen gebouwen voorhanden. De kolommen moesten dus worden uitgezet ten opzichte van eenreferentiepunt op de kern. Dit referentiepunt zelf zou ook gaanzakken, omdat de kern zowel zou zetten als verkorten. Ook hierwas het dus van belang dat de constructie zou bewegen binnende ontwerpvoorspellingen.Er is gekozen om een beperkt aantal punten als relevant tebeschouwen om deze te monitoren: de top van kolommen aande rand van het gebouw, de top van de vloer aan de rand vanhet gebouw, en de referentiepunten op de kern op geselecteerdeverdiepingen. Een monitoringsregime is opgezet, waarmeedeze punten zijn gemeten. De voorspellingen van de constructeurs konden alleen worden geverifieerd als dezelfde puntenwerden gemeten ten opzichte van de uitgangspunten van het4Maatbeheersing superhoogbouw 52012 71MaatnauwkeurigheidEr kan gesteld worden dat een succesvolle maatbeheersing vaneen superhoogbouwproject, net zoals elk project, afhankelijk isvan de maatnauwkeurigheid van componenten, het uitzettenen het plaatsen. Echter, bij superhoogbouw wordt het uitzettenbemoeilijkt door de hoogte van het gebouw en worden erplaatsafwijkingen ge?ntroduceerd door gebouwbewegingen. Inhet ontwerp moeten permanente gebouwbewegingen wordengeschat en als deze maatgevend zijn, is het verstanding omhierop in te spelen. Het is raadzaam om tijdens de bouw temeten in hoeverre de bedoelde verticale posities wordenbehaald. Ook is het verstanding referentiepunten te monitorenom na te gaan of de gebouwbewegingen inderdaad optredenzoals is voorspeld. Hierdoor wordt er met een proactievehouding zorggedragen voor maatbeheersing. de stalen kolommen van de kern aangebracht door met behulpvan lasers punten op te loden naar een speciaal ontworpenbevestiging. Dit proces verliep trapsgewijs, omdat de doorsnedevan de kern steeds kleiner werd.Een modulaire bouwmethode zorgt voor een hogere bouwsnelheid en verkleint tevens het risico van bouwen op hoogte. Hetwas echter wel van belang dat de modules zonder problemenpasten. Bovendien moeten bouwvakkers bekend zijn met debouwmethode. Om deze redenen is buiten de staalfabriek eentijdelijk frame gebouwd waarop de modules zijn proefgebouwd.Een gedetailleerde kwaliteitsbeheersing is in de fabriekenopgezet om te zorgen dat elk stuk staal is geproduceerd met dejuiste maatnauwkeurigheid en is ge?nspecteerd. Voordat despits dus op de bouwplaats in Londen werd gebouwd, is succesvol zeker gesteld dat alles paste. Literatuur1 Hoof, P.A.J. van, Maatregelen ? Naar een betere maatbeheersing via eenmoderne aanpak van maatvoering en maatcontrole. Bouwlokalen, 2003.2 Alexander, S., Axial Shortening of Concrete Columns and Walls, 2001.3 Concrete Society, Movement, Restraint and Cracking in ConcreteStructures, Technical Report 67, 2008. ProjeCtgegevenSproject The Shard, Londenopdrachtgever Sellar Property Grouparchitect Renzo Pianoconstructeur WSP Groupaannemer Mace5
Reacties