Jellema 09 Utiliteitsbouw

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina I

JELLEMA 9 UTILITEITSBOUW

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina II

omslagontwerp Marjan Gerritse, Amsterdam vormgeving binnenwerk Peter van Dongen, Amsterdam opmaak Assist Communications studio, Utrecht tekenwerk Advies en Tekenbureau voor Bouwtechniek ing F. Oomen, Almere-Stad Veltman Bouwkundig Ontwerp- en Tekenburo, Delft De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

ThiemeMeulenhoff ontwikkelt leermiddelen voor: Primair Onderwijs, Algemeen Voortgezet Onderwijs, Beroepsonderwijs en Volwasseneneducatie en Hoger Beroepsonderwijs. Voor meer informatie over ThiemeMeulenhoff en een overzicht van onze leermiddelen: www.thiememeulenhoff.nl

ISBN 90 06 95052 1 Tweede druk, tweede oplage

© ThiemeMeulenhoff, Utrecht/Zutphen, 2004 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 jo het Besluit van 20 juni 1974, Stb. 351, zoals gewijzigd bij het Besluit van 23 augustus 1985, Stb. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Reprorecht (Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich tot de uitgever te wenden.

06950521_H00

22-11-2005

9

08:38

Pagina III

Bouwmethoden Utiliteitsbouw

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina IV

De serie Jellema Hogere Bouwkunde bestaat naast het inleidende deel uit drie reeksen boeken: bouwtechniek, bouwmethoden en bouwproces. Tezamen vormt de inhoud de onontbeerlijke basiskennis voor het hoger beroepsonderwijs en wetenschappelijk onderwijs. Ook deze vernieuwde uitgave is ontstaan vanuit de noodzakelijke interactie tussen het onderwijs enerzijds en het bedrijfsleven anderzijds. Beide sectoren leveren auteurs, maar zijn ook bereid tot het leveren van commentaar en kritiek in een voortdurende discussie tussen redactie, auteurs en het onderwijs. De redactie: ir. K. Hofkes Docent Bouwkunde, Hogeschool INHOLLAND, Haarlem en Alkmaar ir. A. van Tol Architect, Zwolle ir. M. Bonebakker Adviseur Bouwmanagement, Geesteren H.A.J. Flapper Bouwinnovator, Amsterdam ir. H. Brinksma Docent Bouwkunde, Hogeschool van Utrecht, Utrecht ing. N. Zimmermann Architect, Amsterdam

Auteur deel 9: ir. M.W. Kamerling, universitair docent Technische Universiteit Delft, faculteit Bouwkunde prof. ir. J.W. Kamerling, emeritus-hoogleraar Technische Universiteit Eindhoven

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina V

1

Inleiding Bouwnijverheid

2

3

Bouwtechniek Onderbouw

Bouwtechniek Draagstructuur

7

8

Bouwmethoden Bouwmethodiek

Bouwmethoden Woningbouw

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

JELLEMA HOGERE BOUWKUNDE

Serieoverzicht

10

11

Bouwproces Ontwerpen

Bouwproces Contracteren

www.jellema-online.nl

4

Bouwtechniek Omhulling

9

Bouwmethoden Utiliteitsbouw

12

A prestatie-eisen / daken

Bouwproces Uitvoeren A techniek

www.jellema-online.nl

4

Bouwtechniek Omhulling

12

B gevels

4

Bouwtechniek Omhulling C gevelopeningen

5

6

Bouwtechniek Afbouw

Bouwtechniek Installaties A elektrotechnisch en sanitair

6

Bouwtechniek Installaties B werktuigbouwkundig en gas

6

Bouwtechniek Installaties C liften en roltrappen

Bouwproces Uitvoeren B organisatie

13

Bouwproces Beheren

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina VI

VI

Woord vooraf De utiliteitsbouw is een zeer diverse groep, waartoe alle gebouwen behoren waarin niet uitsluitend wordt gewoond. Ondanks deze diversiteit kunnen we ook overeenkomsten herkennen. Zo wordt de utiliteitsbouw gekenmerkt door een skelet waarmee de belastingen op het gebouw naar de fundering worden afgedragen. In deze gebouwen vervullen de gevels en binnenwanden geen dragende functie, zodat deze naar believen – niet gehinderd door de krachtsafdracht – in het skelet kunnen worden geplaatst. In een vroeg stadium van het ontwerpproces wordt het ontwerp opgedeeld in een aantal componenten, die ontworpen worden door specialisten die alleen verantwoordelijk zijn voor de kwaliteit van hun product. Deze componenten moeten vervolgens worden samengevoegd tot een geheel en vereist een ordening, waarin de elementen een plaats krijgen: de infrastructuur. Omdat de draagstructuur een belangrijk onderdeel is van de infrastructuur van een gebouw, wordt het afstemmen en het samenvoegen beschreven vanuit de optiek van het ontwerp van de draagconstructie. Het skelet van een gebouw wordt niet alleen beschouwd als een constructieve drager, maar ook als een structureel element waarmee de ruimten zijn geordend. Het ontwerpen van het skelet wordt daarmee de rode draad in het ontwerpproces. Dat bij de beschrijving van de ontwerpmethoden onderwerpen ter sprake komen die ook in andere delen voorkomen, is niet te vermijden. Deze onderwerpen worden nu in onderling verband en in relatie met het skelet gebracht. In de tekst vindt men verwijzingen naar andere delen, waarin het besprokene uitvoeriger wordt behandeld. Tot de utiliteitsbouw behoren zoveel soorten gebouwen met zoveel verschillende bestemmingen, dat het binnen de opzet van deze serie niet mogelijk is alle soorten utiliteitsgebouwen uitvoerig te beschrijven. Door de utiliteitsbouw in te delen naar de bouwvorm, kunnen we het aantal te behandelen groepen beperken. Zo onderscheiden we laagbouw, verdiepingbouw en hoogbouw. Deze drie groepen worden gekenmerkt door zeer specifieke problemen, die bepalend zijn voor het ontwerp.

De onderwerpen zijn ingedeeld van algemeen naar specifiek. In de eerste drie hoofdstukken worden de algemene aspecten van het ontwerpen behandeld. Zo vinden we in hoofdstuk 1 de algemene aspecten zoals werkwijze, bouwproces, economisch ontwerpen en brandveiligheid. De structuur komt in hoofdstuk 2 aan de orde. In hoofdstuk 3 vinden we de voor het ontwerpen van het skelet belangrijke aspecten terug, als belastingen, vervormingen en materiaaleigenschappen, zoals sterkte en stijfheid. In de laatste drie hoofdstukken worden de kenmerkende problemen van respectievelijk laagbouw, verdiepingbouw en hoogbouw behandeld. Dankwoord Een leerboek is zelden geheel oorspronkelijk, de beschreven gedachten en theorieën bouwen voort op ideeën en geschriften van anderen. In de literatuuropgaven wordt per hoofdstuk de geraadpleegde literatuur vermeld. Niet vermeld zijn de denkbeelden en inzichten die verkregen werden in discussies en gesprekken met collega’s, vakgenoten en studenten van de Technische Universiteit Eindhoven, de Technische Universiteit Delft en de Hogeschool van Utrecht; bij deze dank voor hun opbouwende bijdragen. De auteur mei 2004

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina VII

VII

Inhoud 1 Algemene uitgangspunten 1 Inleiding 2 1.1 Bouwmethodiek 2 1.1.1 Programmafase 3 1.1.2 Ontwerpfase 3 1.1.3 Uitwerkingsfase 3 1.1.4 Bouwfase 3 1.1.5 Gebruiksfase 3 1.1.6 Doelstelling 3 1.2 Skeletbouw 3 1.3 Kwaliteit 5 1.4 De economie van het bouwen 6 1.5 Economisch ontwerpen 7 1.5.1 Functionele economie 7 1.5.2 Gebruikseconomie 7 1.5.3 Vormeconomie 8 1.5.4 Uitvoeringseconomie 8 1.5.5 Materiaaleconomie 9 1.5.5.a Overspanning 11 1.6 Veiligheid 11 1.6.1 Brandveiligheid 12 1.6.2 Bouwkundige brandveiligheidsmaatregelen 14 1.7 Brandwerendheid constructies en materialen 18 1.7.1 Materiaalkeuze en brandveiligheid 18 1.7.2 Scheidende constructies 19 1.7.3 Draagconstructies 20 1.7.4 Houtconstructies 21 1.7.5 Betonconstructies 22 1.7.6 Staalconstructies 23 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 30 2 Structuur 31 Inleiding 32 2.1 Structuur van het gebouw 33 2.1.1 Structuren op gebouwniveau 33 2.1.2 Structuur en levensduur 34 2.2 Maatsystemen 34 2.2.1 Roosters 34 2.2.2 Modulaire coördinatie 36 2.3 Zonering 40 2.3.1 Zones en marges 40 2.3.2 De zonering 40 2.3.3 Lineaire zonering 40 2.3.4 Kruisende gebouwdelen met lineaire zones 41 2.3.5 Neutrale zonering 42

2.3.6 Centrale zonering 42 2.4 Typologie van draagconstructies 43 2.4.1 Elementen 43 2.4.2 Skeletvormen 44 2.4.3 Vloeren 45 2.5 Ontwerp van de draagconstructie 46 2.5.1 Kolommen- of wandenskelet 46 2.5.2 Plaats van de steunpunten 47 2.5.3 Overspanningsconstructies voor gebouwen met een lineaire zonering 47 2.5.4 Draagconstructies voor gebouwen met een neutrale zonering 48 2.5.5 Centrale structuur 49 2.5.6 Steunpuntafstanden 49 2.5.7 Grote en kleine overspanningen 51 2.6 De constructie en de leiding- en verkeersruimten 55 2.6.1 Horizontale leidingruimten 55 2.6.2 Verticale verkeers- en leidingvoorzieningen 57 2.6.3 Trappenhuizen 57 2.6.4 Liftschachten 58 2.6.5 Leidingschachten 60 2.6.6 Schorende constructies 63 2.6.7 Opgelegde vervormingen 65 2.6.8 Verticale belasting op de schorende constructie 69 2.7 De constructie en de bouwkundige structuur 70 2.7.1 Gevel 70 2.7.2 Plaats van het dak 76 2.7.3 Scheidingswanden 76 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 78 3 Belastingen, vervormingen en constructiematerialen 79 Inleiding 80 3.1 Belastingen 80 3.2 Grootte van de belastingen 81 3.3 Betrouwbaarheid 84 3.3.1 Karakteristieke waarden 84 3.3.2 Variatie en standaardafwijking 86 3.3.3 Rekenwaarden en representatieve waarden 86 3.3.4 Belastingsfactoren voor de uiterste grenstoestand 87 3.4 Belastingscombinaties 87 3.4.1 Combinaties voor de gewichtsberekening 88 3.4.2 Combinaties voor onderdelen van

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina VIII

VIII

constructies 89 3.5 Vervorming 90 3.5.1 Vervormingseisen 91 3.5.2 Vormverandering door de temperatuurvariatie en krimp 93 3.5.3 Opgelegde vervorming 94 3.5.4 Dilatatievoegen 96 3.6 Materiaaleigenschappen 98 3.6.1 Hout 100 3.6.2 Steen 102 3.6.3 Beton 103 3.6.4 Staal 107 3.6.5 Aluminium 109 3.7 Vergelijking materialen 110 3.7.1 Sterkte en gewicht 111 3.7.2 Spanning en vervorming 111 3.7.3 De relatie spanning en vervorming 112 3.7.4 Kengetallen 114 3.7.5 Het profiel 114 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 116 4 Laagbouw 117 Inleiding 118 4.1 Typologie 120 4.1.1 Laagbouw met lineaire zonering 120 4.1.2 Meervoudige langshal 120 4.1.3 Laagbouw met een neutrale zonering 122 4.1.4 Laagbouw met een centrale zonering 122 4.2 Het ontwerp 122 4.2.1 Transport 124 4.2.2 Brandveiligheid 125 4.2.3 Kolomstramien 126 4.3 Het dak 127 4.3.1 Dakbelasting 127 4.3.2 Vorm van het dak 131 4.3.3 Daklichten 132 4.3.4 Dakhuid 133 4.3.5 Opbouw van het dakpakket 134 4.4 Gevels 135 4.4.1 Houten gevels 136 4.4.2 Niet-dragende gasbetonplaten 136 4.4.3 Gemetselde gevels 136 4.4.4 Gevels met geprofileerde staalplaten 136 4.4.5 Prefab-betonplaten 138 4.5 Overspanningsmethoden 138 4.5.1 Liggers 138 4.5.2 Vakwerken en Vierendeelliggers 139 4.5.3 Portalen 140 4.5.4 Driescharnierspanten 144 4.5.5 Bogen 145

4.5.6 Hangdak 146 4.5.7 Tentconstructies 147 4.5.8 Getuide constructies 147 4.5.9 Balkenroosters en ruimtevakwerken 148 4.5.10 Vouwdaken 149 4.5.11 Schalen 149 4.5.12 Pneus 151 4.6 Standzekerheid 151 4.6.1 Geschoorde constructies 152 4.6.2 Ongeschoorde constructies 155 4.7 Vloer van de begane grond en de fundering 157 4.7.1 Begane-grondvloer met kruipruimte 157 4.7.2 Vloer van de begane grond zonder kruipruimte op grondslag 159 4.7.3 Vloer op schuimbeton 159 4.7.4 Vloer van de begane grond rechtstreeks afdragend op een paalfundering 160 4.7.5 Ontwerp van de vloer van de begane grond 160 4.8 Staalconstructies 161 4.8.1 Geschoorde constructies 161 4.8.2 Ongeschoorde portalen 162 4.8.3 Schoorconstructies 163 4.8.4 Boogconstructies 165 4.8.5 Ruimtevakwerken 165 4.8.6 Hangdaken 167 4.8.7 Tuiconstructies 167 4.8.8 Koepels 167 4.9 Houtconstructies 168 4.9.1 Verbindingsmiddelen 168 4.9.2 Gelamineerd hout 170 4.9.3 Houtconstructies 170 4.10 Beton 177 4.10.1 Portalen 177 4.10.2 Vouwdak en tongewelfdaken 179 4.10.3 Hypparschalen 179 4.10.4 Koepelschalen 180 4.11 Metselwerk 181 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 182 5 Verdiepingbouw 183 Inleiding 184 5.1 Typologie 184 5.1.1 Begane grond 184 5.1.2 Dak en dakopbouw 185 5.2 Ontwerp van de draagconstructie 185 5.3 Overspannen 186 5.3.1 Welke overspanning? 187 5.3.2 Afdracht van de vloerbelastingen 187

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina IX

IX

5.3.3 Voorbeeld 187 5.3.4 Hotel met parkeergarage 189 5.3.5 Constructie van de dakopbouw 191 5.4 Vloeren 192 5.4.1 In het werk gestorte vloeren 192 5.4.2 Gedeeltelijk geprefabriceerde vloeren 192 5.4.3 Geprefabriceerde vloeren 193 5.4.4 Staalplaatbetonvloeren 193 5.5 Gevels 193 5.5.1 Dragende gevels 194 5.5.2 Niet-dragende zware gevels 198 5.5.3 Niet-dragende lichte gevels 200 5.6 Standzekerheid 201 5.6.1 Aantal verdiepingen 202 5.6.2 Inpassing van schoorconstructies in het ontwerp 203 5.6.3 Constructiemateriaal 203 5.6.4 Aardbevingen 204 5.6.5 Gevels 204 5.6.6 Vloeren 204 5.7 De fundering 205 5.7.1 Fundering op staal 205 5.7.2 Fundering op palen 206 5.7.3 Dilateren ten behoeve van funderingszettingen 207 5.7.4 Funderen naast bestaande gebouwen 207 5.8 In het werk gestorte betonconstructies 208 5.8.1 Kosten 209 5.8.2 Vloertypen 210 5.8.3 Vergelijking van de vloerconstructies 212 5.9 Geprefabriceerde betonconstructies 214 5.9.1 Wanneer prefabriceren? 215 5.9.2 Ontwerpstrategie 216 5.9.3 Vergelijking van geprefabriceerde constructies 216 5.10 Verdiepingbouw in staal 224 5.10.1 Voor- en nadelen van staalconstructies 224 5.10.2 Vloeren 225 5.10.3 Geschoorde en ongeschoorde constructies 228 5.10.4 Constructieve opzet 232 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 240 6 Hoogbouw 241 Inleiding 242 6.1 Het ontwerp 243 6.1.1 De constructie 243 6.1.2 Liften 243 6.1.3 Trappen 244

6.1.4 Leidingen 244 6.1.5 De werkplek 244 6.1.6 Veiligheid 245 6.1.7 Brandveiligheid 246 6.1.8 Brandoverslag 247 6.2 Gevels 247 6.3 Vloeren 247 6.4 De constructie 248 6.4.1 Typologie 251 6.4.2 Raamwerken 251 6.4.3 Kernen 251 6.4.4 Hanggebouwen 252 6.4.5 Kernen en raamwerken 253 6.4.6 Kern met overdrachtsconstructie 255 6.4.7 Gevelbuizen en gebundelde gevelbuizen 256 6.4.8 Megaconstructies 257 6.4.9 Constructieve betrouwbaarheid 259 6.5 Vervorming van de constructie 259 6.5.1 Horizontale vervorming 259 6.5.2 Verticale vervorming 262 6.6 Fundering 262 6.6.1 Belasting op de fundering 266 6.6.2 Fundering op staal 266 6.6.3 Fundering op kelder 267 6.6.4 Fundering op palen 268 6.7 Uitvoering hoogbouw 271 6.7.1 Verticaal transport 271 6.7.2 Bouwterrein 271 6.7.3 Bouwtijd 271 6.7.4 De Delftse Poort 273 6.8 Uitvoering van kelders 276 6.8.1 Bemaling 276 6.8.2 Pneumatisch caisson 278 Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 279 Register 241

06950521_H00

22-11-2005

08:38

Pagina X

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 1

1

Algemene uitgangspunten ir. M.W. Kamerling

Tot de utiliteitsbouw behoren veel verschillende soorten gebouwen met de meest uiteenlopende bestemmingen. Hoewel ontwerpers vaak gespecialiseerd zijn in bepaalde gebouwsoorten, verschilt de ontwerpmethode niet per gebouwsoort. Hierdoor kan deze onafhankelijk van de functie van het gebouw worden behandeld. Het ontwerpproces begint met het Programma van Eisen. Dit programma wordt grotendeels bepaald door de bestemming van het gebouw. Het budget voor het gebouw is vrijwel altijd beperkt, zodat het gebouw in overeenstemming met het gebruik economisch moet worden ontworpen. Daarnaast moet een gebouw ook veilig zijn. Dit betekent onder andere dat de constructie niet door overbelasting mag bezwijken en dat bij een calamiteit als brand de aanwezigen het gebouw veilig moeten kunnen verlaten. Daar de specifieke eisen ten aanzien van de constructie later uitgebreid aan bod komen, wordt in dit hoofdstuk de nadruk gelegd op de brandveiligheid.

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 2

2

Inleiding

1.1 Bouwmethodiek

De utiliteitsbouw neemt binnen de Nederlandse bouwnijverheid een belangrijke plaats in. Van de jaarlijks geproduceerde gebouwen behoort ongeveer de helft tot de woningbouw en ongeveer éénderde tot de utiliteitsbouw. De resterende bouwproductie bestaat uit werkzaamheden voor de verbouw, renovatie en restauratie van gebouwen. Wat is utiliteitsbouw en welke gebouwen horen daartoe? Utilitair betekent: met het oog op het nut. Utiliteitsgebouwen zijn gebouwen, waarin nuttige activiteiten plaatsvinden. Deze definitie is zo ruim, dat vrijwel alle gebouwen, behalve de zogenoemde follies, ertoe behoren. Een follie is een bouwwerk, dat geen gebruiksfunctie heeft, zoals een nagemaakte ruïne ter verfraaiing van de tuin. In de praktijk beschouwt men woningbouw, hoewel nuttig, niet als utiliteitsbouw. Tot de utiliteitsbouw rekenen we alle nuttige gebouwen waarin niet wordt gewoond. Een utiliteitsgebouw behoort tot de private of tot de publieke utiliteitsbouw. Tot de private utiliteitsbouw behoren de gebouwen voor de handel en de nijverheid. Tot de publieke utiliteitsbouw behoren de gebouwen voor maatschappelijke instellingen, die een sociale, religieuze, culturele, recreatieve of bestuurlijke functie in de maatschappij vervullen. Op grond van de functie kunnen we utiliteitsgebouwen indelen, figuur 1.1.

Een bouwmethode is de te volgen werkwijze om tot een gebouw te komen. Onder methodiek verstaan we de beschrijving van de methoden. De bouwmethodiek is de beschrijving van de werkzaamheden die moeten worden verricht om een gebouw te kunnen realiseren. De volgorde van deze werkzaamheden ligt vast in het bouwproces, zie deel 10 Ontwerpen

Het bouwproces wordt in de volgende fasen ingedeeld: • programma: 1 initiatief; 2 haalbaarheidsonderzoek; 3 projectdefinitie; • ontwerp: 4 structuurplan; 5 voorlopig ontwerp; 6 definitief ontwerp; • uitwerking: 7 bestek; 8 prijsvorming (contracten); • bouw: 9 werkvoorbereiding; 10 uitvoering; 11 oplevering; • gebruik: 12 beheer; 13 sloop.

Functie

Voorbeelden

Productiegebouwen Verkeersgebouwen Opslaggebouwen Administratiegebouwen Tentoonstellingsgebouwen Bijeenkomstgebouwen Sportgebouwen Logiesgebouwen Gezondheidszorggebouwen Onderwijsgebouwen Winkelgebouwen

gebouwen voor zware en lichte industrie, industriële installaties bus- en treinstations, aankomst- en vertrekhal van luchthavens magazijnen, pakhuizen, archiefruimten bibliotheken, parkeergarages kantoren, gemeentehuizen musea, jaarbeurshallen kerken, moskeeën, schouwburgen, concertgebouwen, bioscopen sporthallen, stadions en tribunes hotels, gevangenissen ziekenhuizen scholen, universiteiten supermarkten, winkelcentra, warenhuizen

Figuur 1.1 Indeling en voorbeelden van utiliteitsgebouwen

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 3

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 3

In deel 10 worden in hoofdstuk 3 Programmeren en hoofdstuk 4 Ontwerpen de te nemen stappen uitgebreid besproken. Om de plaats in het bouwproces van de in dit deel behandelde onderwerpen te kunnen bepalen, worden hier de belangrijkste stappen uit het bouwproces beschreven

1.1.1 Programmafase In de programmafase worden de wensen van de opdrachtgever geformuleerd. De te verrichten werkzaamheden zijn: • haalbaarheidsonderzoek; • vervaardigen van een Programma van Eisen; • locatiekeuze. 1.1.2 Ontwerpfase In de ontwerpfase worden het structuurontwerp, het voorlopig ontwerp en het definitief ontwerp vervaardigd. Het ontwerpen van een structuurplan kan worden gezien als een vertaling van het Programma van Eisen in een nog materieloze vorm.

Het structuurplan is een organisatieschema, waarvoor de constructies, de installaties en de materialen nog niet zijn bepaald. Aan de specialisten op het gebied van de constructie, de installaties en de bouwkosten wordt advies gevraagd over het gekozen structuurplan. Hierna wordt het plan uitgewerkt tot het voorlopig ontwerp. De hoofdafmetingen, de stramienmaten en de hoofdopzet van de constructie, de installaties en de ruimtelijke indeling liggen nu vast. Voor het definitief ontwerp wordt de indeling, de draagconstructie, de omhulling, de scheidingswanden en de installaties verder uitgewerkt en op elkaar afgestemd. 1.1.3 Uitwerkingsfase In de uitwerkingsfase wordt het bestek en de bestektekeningen vervaardigd en vindt de prijsvorming plaats. Het ontwerp wordt in deze fase zo uitgewerkt dat een contract, gebaseerd op het bestek, de bestektekeningen en het Veiligheidsen Gezondheidsplan, met de aannemer kan worden gesloten. 1.1.4 Bouwfase In de bouwfase is de methodiek gericht op het vervaardigen van de bouwelementen en het

samenvoegen van de elementen tot een geheel. De elementen verschillen vaak ten aanzien van samenstelling en verwerkbaarheid. De aannemer zal de productie, assemblage en montage van de verschillende elementen zo moeten plannen en afstemmen dat de werkzaamheden elkaar niet hinderen en het geheel zo snel mogelijk opgeleverd kan worden. In deze fase onderscheiden we de werkvoorbereiding, de uitvoering en de oplevering. 1.1.5 Gebruiksfase De gebruiksfase wordt niet altijd beschouwd als een fase van het bouwproces. Daar het beheer en de sloop een niet te verwaarlozen deel van de totale huisvestingskosten vormen, mogen we deze fase niet uit het oog verliezen. 1.1.6 Doelstelling De in dit deel behandelde bouwmethodiek betreft de werkzaamheden die worden verricht in de ontwerpfase van het bouwproces, nadat het structuurontwerp tot stand is gekomen. De beschreven methoden zijn gericht op het materialiseren van het structuurontwerp. De nadruk ligt op het ontwerpen van de draagconstructie, het dak, de gevels, de scheidingswanden en de installaties en het afstemmen van deze ontwerpen op elkaar. Deze afstemming houdt in dat de randvoorwaarden voor het ontwerp van een component worden bepaald door de ontwerpen van de andere componenten. Een ontwerp voor bijvoorbeeld een draagconstructie moet niet alleen beoordeeld worden op de krachtafdracht, de economie en dergelijke maar ook op de interactie met de andere bouwcomponenten (de installaties, de gevel enzovoort). Door de deelontwerpen op elkaar af te stemmen ontstaat een geheel waarin het programma optimaal functioneel, economisch, bouwtechnisch en esthetisch wordt vormgegeven.

1.2 Skeletbouw Kenmerkend voor de huidige utiliteitsbouw is dat de belastingen worden afgedragen aan de fundering door een skelet. Het skelet is een samenhangend geheel van constructieve elementen, zoals kolommen, balken en vloeren, figuur 1.2-2. In het skelet worden gevels en de scheidingswan-

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 4

4

den geplaatst die alleen de functie hebben om de ruimten af te scheiden. Deze scheidende elementen maken geen deel uit van het skelet en worden niet door constructieve elementen belast.

worden uitgevoerd. Bovendien kunnen de openingen in gevels en wanden groter zijn. De gevels van een gebouw met een kolommenskelet kunnen bijvoorbeeld geheel van glas zijn.

Naast de skeletbouw kennen we ook de traditionele bouwwijze, figuur 1.2-1. Bij deze bouwwijze zijn de dragende en scheidende elementen geïntegreerd. De gevels en de scheidingswanden dienen zowel om de ruimten af te scheiden als om de belasting af te dragen. Bij de traditionele bouwwijze zijn de constructieve en de scheidende elementen niet te scheiden. Omdat de elementen meerdere functies vervullen, is de traditionele bouwwijze zeer economisch. De in de skeletbouw toegepaste functiesplitsing heeft daarentegen een aantal voordelen die hierna worden toegelicht.

Uitvoering De uitvoering van de skeletbouw is eenvoudiger dan de uitvoering van de traditionele bouw, omdat het skelet onafhankelijk van de afbouw kan worden gemaakt. Bij de traditionele bouwwijze kunnen de vloeren pas worden gemaakt nadat de ondersteunende scheidingswanden gereed zijn. Hierdoor ontstaan vaak afstemmingsverliezen. De metselploeg moet wachten totdat de vloer gereed is, voordat met de vervaardiging van de wanden van de volgende verdieping kan worden begonnen.

Indelingsvrijheid De scheidingswanden kunnen worden geplaatst daar waar deze functioneel gewenst zijn. Met de belasting door de omringende constructies op deze wanden hoeft geen rekening gehouden te worden. De indelingsvrijheid is bij skeletbouw groter dan bij traditionele gebouwen met dragende binnenwanden. Een gebouw met een skelet kan relatief eenvoudig worden aangepast aan een nieuwe functie. Bij een verbouwing kunnen niet-dragende scheidingswanden eenvoudig worden verplaatst. Gebouwen met een skelet hebben een hogere restwaarde dan traditionele gebouwen. Het skelet kan over een langere periode afgeschreven worden dan de gevels en scheidingswanden.

Vervanging Beschadigde niet-dragende elementen kunnen eenvoudiger worden vervangen dan dragende elementen. Materiaalkeuze De materialen worden in de skeletbouw zo gebruikt dat de materiaaleigenschappen optimaal kunnen worden benut. De meeste materialen functioneren slechts op enkele gebieden goed. Door de functies dragen en scheiden te splitsen neemt de keuzevrijheid toe, omdat met minder eigenschappen rekening gehouden kan worden. Voor de constructie nemen we materialen die sterk en stijf zijn, maar die misschien niet goed thermisch isoleren. Voor een gevelbekleding zullen we juist wel op de thermische isolatie letten.

Openingen en doorbrekingen De binnenwanden en de gevels kunnen lichter

Arbo-technisch Door te kiezen voor prefab-skeletbouw kunnen

1

2

traditionele bouw

Figuur 1.2 Traditionele bouwwijze en skeletbouw

skeletbouw

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 5

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 5

diverse afzonderlijke deelbewerkingen fabrieksmatig worden uitgevoerd. Hierdoor worden te hoge fysische belastingen van werknemers in de uitvoeringsfase beperkt. Gezien deze voordelen wordt de utiliteitsbouw zelden traditioneel maar vrijwel altijd als skeletbouw uitgevoerd, figuur 1.2.

1.3 Kwaliteit Een opdrachtgever zal tevreden zijn over een gebouw als: • het gebouw niet te duur is; • het gebouw op tijd wordt opgeleverd; • het gebouw vooral kwaliteit heeft. Over de prijs en de oplevering worden, eventueel na enige onderhandeling, afspraken gemaakt met de aannemer. Maar zijn er ook afspraken over de kwaliteit gemaakt en hoe kunnen deze worden gemeten? Een omschrijving van kwaliteit is bruikbaarheid. Voor een product als beton wordt de kwaliteit uitgedrukt in de druksterkte. Dit is slechts één van de eigenschappen. Voor bijvoorbeeld een betonnen gevelelement zal men ook eisen aan de dichtheid van het beton stellen. Aan de kwaliteit worden niet alleen door de opdrachtgever maar ook door de overheid eisen gesteld. In het Bouwbesluit worden vier afdelingen genoemd waarin eisen worden gesteld betreffende de veiligheid, de bruikbaarheid, de gezondheid en de energiezuinigheid. Deze eisen zijn minimumeisen. De opdrachtgever kan hogere eisen stellen. Voor de utiliteitsbouw zijn deze afdelingen van het Bouwbesluit als volgt te specificeren: ◆ veiligheid; ◆ gezondheid; ◆ bruikbaarheid; ◆ energiezuinigheid. ◆ Veiligheid In het Bouwbesluit worden eisen gesteld aan de constructieve veiligheid, de brandveiligheid en de gebruiksveiligheid. Ten aanzien van de gebruiksveiligheid worden bijvoorbeeld eisen gesteld aan de hoogte van borstweringen en leuningen en de afmetingen van trappen.

◆ Gezondheid Ten aanzien van de gezondheid worden eisen gesteld aangaande: • bescherming tegen straling, geluidsoverlast en vocht; • afvoer van afvalwater, fecaliën, verbrandingslucht en rook; • luchtverversing; • bescherming tegen ratten en muizen; • watervoorziening; • daglichttoetreding. Veiligheids- en Gezondheidsplan Ontwerpfase De opdrachtgever draagt volgens het Bouwprocesbesluit Arbowet verantwoordelijkheid voor de kwaliteit van de arbeid, zoals deze in de ontwerpfase gesignaleerd of beïnvloed kan worden. Hiervoor moet hij een Veiligheids- en Gezondheidsplan Ontwerpfase laten opstellen.

◆ Bruikbaarheid Ten aanzien van de bruikbaarheid worden eisen gesteld betreffende: • toegankelijkheid; • zakking en rotatie van de fundering; • vervorming van vloeren. Ook worden specifieke eisen gesteld aan sanitaire ruimten, liften, meterkasten en dergelijke. ◆ Energiezuinigheid Ten aanzien van de energiezuinigheid worden eisen gesteld omtrent de thermische isolatie en de luchtdoorlatendheid van de omhulling. Naast deze door de overheid voorgeschreven eisen zal de opdrachtgever wensen hebben ten aanzien van de functionele bruikbaarheid, het binnenklimaat, de esthetica en de duurzaamheid. Deze zullen worden omschreven in het Programma van Eisen. Bij het opstellen van het Programma van Eisen zal men moeten beseffen dat de prijs stijgt met de wensen. Het verband tussen de kwaliteit en de kosten is niet lineair: de kostprijs neemt exponentieel toe als de eisen hoger worden. Bovendien neemt de toename van de waardering af, als de kwaliteit toeneemt. Voor een twee keer zo goed

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 6

investering

6

kosten

waardering

kwaliteit

Figuur 1.3 Waardering van kwaliteit

element is de waardering niet tweemaal zo hoog. Maar er moet misschien wel vier maal zo veel worden betaald, figuur 1.3. De kwaliteit is optimaal als voor zo gering mogelijke kosten een zo hoog mogelijke kwaliteit wordt bereikt.

1.4 De economie van het bouwen Daar de opdrachtgevers nooit een onbeperkt budget ter beschikking stellen, kan de ontwerper de economie van het bouwen niet ter zijde schuiven. Een economisch gebouw is niet het gebouw dat het minste kost per m2 of per m3, maar dat het minste kost voor het doel waarvoor het werd ontworpen. Zeker bij bedrijfsgebouwen spelen de kosten een grote rol. Bij een bedrijf staat de productie voorop. Het gebouw is één van de middelen om te kunnen produceren. De huisvestingskosten van industriële ondernemingen variëren tussen de 5 en 15% van de omzet. Deze kosten worden aan de klant doorberekend. Hoe duurder het gebouw, hoe hoger de prijs en hoe minder concurrerend het product zal zijn. Investeren in het gebouw is alleen verantwoord als daardoor de exploitatie- en productiekosten lager worden of de verkoop wordt bevorderd. Bij de publieke utiliteitsbouw speelt de economie ook een belangrijke rol. De huisvestingskosten worden vaak niet direct aan de klanten doorberekend, maar uit de algemene middelen betaald. Deze kosten zijn daardoor vaak minder duidelijk zichtbaar als bij de bedrijfsgebouwen. Zonder de subsidiëring door overheid, stichtingen en parti-

culieren zouden veel sociale en culturele activiteiten niet kunnen worden gehandhaafd. Als we het hebben over de kosten voor een gebouw, denken we in eerste instantie aan de aannemerskosten. Dit zijn echter maar een deel van de initiële kosten. De initiële kosten zijn de kosten voor: • het terrein; • de voorbereiding en de uitvoering van het ontwerp; • de bouw; • de installaties; • de inrichting van het terrein; • de inventaris; • de arbo- en milieuzorg: Daarnaast kennen we de exploitatiekosten. Onder deze kosten vallen de kosten voor: • vaste kosten (rente en afschrijving, belastingen en verzekeringen); • energiekosten; • onderhoudskosten (technisch onderhoud, reiniging); • administratiekosten; • specifieke kosten (afval, beveiliging). Een opdrachtgever zal graag willen weten hoeveel de totale huisvestingskosten op lange duur bedragen, zodat deze kosten bijvoorbeeld in de prijs van de producten of diensten doorberekend kunnen worden. Voor de totale huisvestingskosten gebruiken we een uit het Engels vertaalde term: levenscycluskosten (= life-cycle costs). De levenscycluskosten vinden we door de volgende berekening uit te voeren: Levenscycluskosten = initiële kosten + exploitatiekosten + sloopkosten – restwaarde. In figuur 1.4 zijn globaal de verdeling van de jaarlijkse exploitatie kosten gegeven. De vaste kosten bestaan uit de afschrijvingskosten, de belastingen en de verzekeringen en de te betalen rente over de initiële kosten. Ook als het gebouw niet met vreemd vermogen maar met eigen vermogen wordt gefinancierd, moeten we rentekosten rekenen. Als we het gebouw met eigen vermogen financieren, missen we de opbrengsten, die we anders met dit vermogen hadden kunnen verdie-

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 7

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 7

Soorten kosten

Percentage

Vaste kosten Afschrijving en rente Belastingen en verzekeringen

65 1

66

Variabele kosten Energiekosten Onderhoud Beheer Specifieke kosten

10 20 1 3

34

Figuur 1.4 Globale verdeling van de jaarlijkse exploitatie-

invloed van de ontwerper op de kosten neemt af, naarmate meer kennis van het project voorhanden is, oftewel naarmate het project in een verder uitgewerkt stadium is beland. Economisch ontwerpen begint bij het Programma van Eisen: hoe meer wensen, hoe duurder het gebouw wordt. Met behulp van ramingen kan in een vroeg stadium inzicht worden gekregen in de kosten. Om inzicht te krijgen in de financiële consequenties van ontwerpbeslissingen worden alternatieven gemaakt en vergeleken. Het maken en uitwerken van alternatieven is arbeidsintensief, zodat we alleen een paar zinnige alternatieven kunnen uitwerken.

kosten voor een kantoorgebouw

nen. Voor de rentekosten rekenen we dan met de gederfde inkomsten. Dit zijn de te ontvangen inkomsten als het geld geïnvesteerd of op een bankrekening gezet zou zijn. De vaste kosten moeten ieder jaar opnieuw gemaakt worden, ook al wordt het gebouw niet gebruikt. De kosten voor de energie, het beheer, het onderhoud en het aanpassen van het gebouw vormen het niet-vaste deel van de exploitatiekosten. Deze kosten zijn direct met het gebruik van het gebouw verbonden. Het kan lonend zijn om meer te investeren in het gebouw om te besparen op energie en onderhoud. Een betere isolatie kan terugverdiend worden met de verlaging van de energiekosten. Een investering in onderhoudsvrije materialen kan terugverdiend worden met een besparing op het onderhoud. Per investering zal moeten worden berekend in welke tijd deze terugverdiend kan worden. Om verantwoord te investeren zal de tijdsperiode waarin de investering kan worden terugverdiend niet langer dan een fractie van de te verwachten levensduur mogen zijn.

Voor het economisch ontwerpen zijn enkele algemene richtlijnen te geven. Deze worden behandeld voor verschillende deelaspecten van het ontwerp. Uiteraard moet men niet alleen een deelaspect, maar ook het geheel optimaliseren. We onderscheiden de volgende economische aspecten: 1 functionele economie; 2 gebruikseconomie; 3 vormeconomie; 4 uitvoeringseconomie; 5 materiaaleconomie. 1.5.1 Functionele economie De functionele economie betreft de wijze waarop het Programma van Eisen wordt gerealiseerd. Vaak wordt dit uitgedrukt in een voor het ontwerp karakteristieke eenheid. Bijvoorbeeld voor een ziekenhuis berekenen we het benodigde aantal m2 vloeroppervlakte per bed en voor een kantoorgebouw berekenen we het aantal m2 per persoon. Door deze waarden te vergelijken met gerealiseerde werken krijgen we een indicatie van de kosten van het voorlopig ontwerp.

In deel 13 wordt het beheren van gebouwen besproken. Daarbij komen de exploitatiekosten uitgebreid aan de orde

1.5 Economisch ontwerpen In het ontwerpstadium worden de belangrijkste beslissingen voor de uiteindelijke kosten genomen. Mochten de kosten te hoog worden, dan moet men in een zo vroeg mogelijk stadium van het ontwerpproces maatregelen nemen. De

1.5.2 Gebruikseconomie De gebruikseconomie komt tot uiting in de verhouding tussen de bruto- en netto-vloeroppervlakte. De netto-vloeroppervlakte is het gebruiksoppervlakte, zoals in het Programma van Eisen wordt beschreven. Bij een kantoorgebouw behoort de oppervlakte van de kantoorruimten wel tot de netto-oppervlakte en het oppervlakte van de gangen, leidingschachten, liften en dergelijke niet tot de netto-oppervlakte. Hoe hoger de verhouding netto-bruto-vloerop-

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 8

8

Bol

Cilinders

Kubus

Prisma’s r

r 2r

r

2r

r

r 4r

4r

2r

r

2r

r

8r

r

Inhoud Oppervlakte r voor inhoud van 1 m3 Verhouding opp. : inhoud Idem per 1 m3 Idem in % t.a.v. de kubus

1, 33πr3 4 πr2 0,62 3/r 4,8 81

2 πr3 6 πr2 0,54 3/r 5,5 91

πr3 4 πr2 0,685 4/r 5,8 97

r3 6 r2 1 6/r 6 100

4 r3 16 r2 0,63 4/r 6,4 107

8 r3 28 r2 0,5 3,5/r 7 116

32 r3 88 r2 0,314 2,75/r 8,8 146

Figuur 1.5 Verhouding buitenoppervlakte : inhoud

pervlakte, hoe efficiënter het gebouw. Vooral bij hoogbouw vinden we lage netto-brutowaarden. Het verticaal transport en de constructie nemen zoveel oppervlakte in, dat een netto-brutoverhouding van 60% voor een hoogbouw reeds als zeer goed beschouwd wordt. 1.5.3 Vormeconomie Voor de vormeconomie onderzoeken we: • de verhouding bruto-oppervlakte - inhoud; • de verhouding van het oppervlakte aan binnenwanden tot het vloeroppervlakte; • de gemiddelde hoogte, oftewel de verhouding van de inhoud tot het vloeroppervlakte.

Bij het vergelijken van alternatieve bouwvormen in de schetsfase geven deze waarden snel inzicht in de kostenverhoudingen. De vorm van een gebouw beïnvloedt de kostprijs. Hoe groter de buitenoppervlakte, hoe meer gevel- en dakoppervlakte moet worden gebouwd. Gevels en daken zijn relatief dure bouwdelen. De buitenoppervlakte heeft echter niet alleen invloed op de bouwkosten maar ook op de exploitatiekosten: hoe groter de oppervlakte, hoe hoger de energiekosten en hoe hoger de schoonmaak- en de onderhoudskosten. Economisch gezien moet de verhouding van de buitenoppervlakte en de inhoud zo klein mogelijk worden gemaakt. De bolvorm en de cilinder hebben een lage verhouding buitenoppervlakte - inhoud. Toch wor-

den er veel minder ronde gebouwen gemaakt dan we, gezien de verhouding buitenoppervlakte - inhoud, zouden verwachten. De ronde vorm blijkt door de complexere uitvoering in de praktijk ongunstiger dan een prisma te zijn. Vergeleken met de verhouding buitenoppervlakte - inhoud voor prisma’s, dan blijkt de kubus de meest gunstige vorm te zijn, figuren 1.5 en 1.6. In de praktijk zal men ook de prijsverschillen tussen de fundering, de gevels en het dak in de vergelijking moeten betrekken. 1.5.4 Uitvoeringseconomie Naast de verhoudingen die betrekking hebben op de hoeveelheden, wordt de kostprijs sterk beïnvloed door de ordelijkheid van het ontwerp. Indien het ontwerp wordt opgebouwd uit elementen die in grote aantallen voorkomen, zal de productie van de elementen goedkoper zijn. Hoe meer elementen met een mal worden gemaakt, hoe lager de malkosten per element zijn. Bovendien kan door de herhaling op de uitvoeringskosten bespaard worden door het zogenoemde leereffect. Door steeds dezelfde werkzaamheden te verrichten, raakt de uitvoeringsploeg op elkaar ingespeeld. Hierdoor kan deze efficiënter werken. De ordelijkheid van het ontwerp is te herkennen aan de opzet voor de draagconstructie. Een gebouw met een niet-ordelijke draagconstructie wordt gekenmerkt door veel verschillende constructieve elementen en afbouwelementen. De uitvoering

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 9

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 9

1

2

3

4

r 8r

2r

8r

r

8r

8r

8r

4r

4r

4r

4r

Oppervlakte fundering Gevel Dak Totaal Inhoud Verhouding opp. : inhoud Idem in %

64 r2 32 r2 64 r2 160 r2 64 r3 2,5/r 167

8 r2 144 r2 8 r2 160 r2 64 r3 2,5/r 167

16 r2 80 r2 16 r2 132 r2 64 r3 2,05/r 137

16 r2 64 r2 16 r2 96 r2 64 r3 1,5/r 100

Figuur 1.6 Vergelijking buitenoppervlakte voor vier prisma’s met constant volume

wordt hierdoor inefficiënter. De zorg voor een veilige en gezonde uitvoering kan ook worden gezien als een deel van de uitvoeringseconomie.

◆ de vorm van de elementen wordt aangepast aan de op het element werkende krachten en momenten.

1.5.5 Materiaaleconomie Bij het ontwerpen van een draagconstructie streven we naar materiaal- en arbeidseconomie. Hoewel een materiaaleconomische constructie niet automatisch tot de meest economische oplossing leidt, is het zinvol te zoeken naar een materiaaleconomische oplossing. De constructie moet dan wel zo worden aangepast dat deze eenvoudig uitvoerbaar is. De omgekeerde strategie is ook mogelijk: uitgaande van een bepaalde uitvoeringsmethode kan een efficiënte constructie worden ontworpen. Deze ontwerpstrategie vraagt vaak veel concessies van de architect ten aanzien van de functionele opzet en de esthetica van het ontwerp. Om doelmatig te construeren zal men de volgende doelen nastreven: ◆ de krachten ten gevolge van de belastingen moeten via de kortste weg naar de fundering worden overgebracht; ◆ de momenten in de constructie moeten worden geminimaliseerd;

◆ Afdracht krachten langs de kortste weg De belastingen moeten zo snel mogelijk naar de fundering worden gevoerd. Een grote overspanning is qua materiaalgebruik minder efficiënt dan een kleine overspanning. ◆ Minimalisering van de momenten Een buigend moment vergt meer materiaal dan normaalkrachten. We zullen een minimum aan materiaalverbruik krijgen, als we de vorm van de constructie aanpassen aan de bij de belastingen behorende druklijn, figuur 1.7. In de constructie ontstaan hierdoor druk- en/of trekkrachten en geen momenten. Een puntlast, aangrijpend in het midden van de overspanning, kan goed met een driehoekig spant worden afgedragen. Door de puntlast ontstaan geen momenten, de kracht kan worden ontbonden in normaalkrachten, werkend langs de assen van de beide diagonaal staven. Bij de opleggingen zijn deze normaalkrachten te ont-

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 10

10

Voorbeeld

1

Op de begane grond van een verdiepinggebouw wil de ontwerper een tweemaal zo grote kolomafstand dan op de verdiepingen. Bij de eerste variant worden de kolombelastingen via paddestoelkoppen naar de kolommen op de begane grond gebracht. In de paddestoelkoppen ontstaan grote buigende momenten, figuur 1.8-1. Bij de tweede variant worden de kolombelastingen via op druk belaste V-vormige kolommen naar de fundering afgevoerd, figuur 1.8-2. De belastingen worden dan via druk- en trekkrachten afgevoerd. Deze constructie is qua materiaalgebruik efficiënter dan de eerste constructie.

ligger

verhouding krachten

2

spant q

3

ligger q

1

met kolomkoppen

2

met V-vormige kolommen

Figuur 1.8 Paddestoelkoppen of V-vormige kolommen

4

boog

Figuur 1.7 Minimalisering van het moment door de vorm te veranderen

binden in verticale en horizontale krachten. De horizontale krachten moeten door de opleggingen of door een trekstang worden opgenomen. Een gelijkmatig verdeelde belasting kan met een hangconstructie of met een boog worden afgedragen. Evenals bij het driehoekig spant ontstaat bij een drukboog een spatkracht bij de opleggingen van de boog, die door de opleggingen of door een trekstaaf moet worden opgenomen.

◆ Vorm van de elementen In een balk moet de belasting door buiging worden overgebracht. Dit is ongunstig. Bij buiging ontstaan spanningen in de balk, die rechtevenredig zijn met de afstand tot de neutrale lijn. De spanningen bij de neutrale zijn minimaal en de spanningen bij de uiterste vezels zijn maximaal. Het materiaal bij de neutrale lijn draagt weinig bij tot het draagvermogen van de balk. De balk wordt efficiënter als het materiaal naar buiten wordt geplaatst. Een I-balk is efficiënter dan een rechthoekige balk. Een vakwerk is qua materiaalgebruik economischer dan een balk. Al het materiaal is naar buiten gebracht. Hierdoor ontstaan in de staven alleen druk- en trekkrachten als het vakwerk alleen op de knopen wordt belast.

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 11

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 11

Voorbeeld

Voorbeeld

Bij een hanggebouw wordt de belasting van de eerste verdieping eerst naar het vakwerk in de dakopbouw en dan naar de fundering afgevoerd, figuur 1.9-1. Door onder de eerste verdieping een kolom te plaatsen ontstaat een veel kortere draagweg en een veel efficiëntere constructie, figuur 1.9-2.

Vergelijking van een hanggebouw, figuur 1.10-1, met een gebouw met uitkragende vloeren, figuur 1.10-2. De momenten in de vloeren in het hanggebouw zijn hoogstens:

M

2

q· l 8

Het inklemmingsmoment in de uitkragende vloer is:

M

q· l 2

2

waarin: M = moment q = veranderlijke belasting l = lengte van de overspanning

1

hanggebouw

2

De uitkragende vloeren vergen veel meer materiaal dan de vloeren in het hanggebouw. De uitkraging in het dak vraagt echter ook veel materiaal. Deze kan als vakwerk worden uitgevoerd. Het hanggebouw zal dan qua materiaalgebruik efficiënter zijn dan het gebouw met uitkragende vloeren.

met gevelkolommen

Figuur 1.9 Gebouw ‘hangen’ of op ‘poten’ zetten?

1.5.5.a Overspanning De economie van een constructie hangt niet alleen van het materiaalgebruik maar ook van de verwerkingskosten af. Het maken van de verbindingen in een vakwerk is arbeidsintensief, zodat de materiaalbesparing bij kleine overspanningen niet opweegt tegen de arbeidskosten. In de praktijk past men balken bij kleine overspanningen, vakwerken bij grotere overspanningen, en bogen en hangconstructies bij zeer grote overspanningen. De economische maat voor deze overspanningen verschilt voor de verschillende constructiematerialen aanzienlijk. In hoofdstuk 3 worden enkele richtwaarden gegeven.

1.6 Veiligheid

1

vakwerk

2

uitkragende vloeren

Figuur 1.10 Hanggebouw versus gebouw met uitkragende

De veiligheid is één van de vier speerpunten van het Bouwbesluit. In het Bouwbesluit worden eisen gesteld aan het gebouw en de constructie. Bijvoorbeeld de constructie moet de daarop werkende belastingen kunnen afvoeren en het gebouw moet worden ingedeeld in brand- en

vloeren

rookcompartimenten. In het Bouwbesluit worden normen aangewezen waarin de belastingen op constructies en de constructieve materiaaleigenschappen worden voorgeschreven. Bouwkundige

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 12

12

elementen moeten zo worden vormgegeven dat deze veilig kunnen worden gebruikt. Een balkonhek moet bijvoorbeeld zo worden ontworpen dat men niet tussen de stijlen en regels door kan vallen. Het hek moet een stootbelasting kunnen weerstaan. Via de materiaalgebonden normen worden eisen gesteld aan de sterkte, de stijfheid en stabiliteit van het hek. In de voorschriften wordt ook de veiligheid bij calamiteiten beschreven. Een constructie moet bij brand een bepaalde tijdsperiode de belastingen kunnen afvoeren zodat de aanwezigen het gebouw kunnen ontvluchten. Ontwerpers kunnen veel bijdragen aan de veiligheid door het gebouw zo te ontwerpen dat: • het snel kan worden ontruimd; • hulpverleners snel en efficiënt kunnen ingrijpen; • de materialen niet of nauwelijks brandbaar zijn; • de constructie incasseringsvermogen heeft.

een bijdrage kunnen en moeten leveren. Door de brandveiligheid in een vroeg stadium van het ontwerpproces te onderkennen, kan worden voorkomen dat in het gebruiksstadium nog ingrijpende aanvullende maatregelen nodig zijn. Een later geplaatste vluchttrap aan de buitenzijde van een gebouw is meestal geen verfraaiing waarmee de architect veel eer kan behalen. Om een brandveilige situatie te creëren, moeten de volgende doelen nagestreefd worden: • preventie, zorg dat er geen brand ontstaat, voorkomen is beter dan genezen; • zorg dat er geen slachtoffers vallen; • bestrijd de brand zo snel mogelijk. Om deze doelstellingen te bereiken zullen zowel beheersmaatregelen als bouwkundige maatregelen moeten worden getroffen.

In principe wordt iedere constructie zo ontworpen dat de elementen en het samengesteld geheel sterk genoeg zijn om de voorgeschreven belastingen te weerstaan. Het incasseringsvermogen van een constructie neemt sterk toe als de constructie de belasting kan herverdelen, zodat als een element onverwacht uitvalt de belasting op het element via een andere route, de tweede draagweg, kan worden afgedragen. In hoofdstuk 3 komt de constructieve veiligheid en de belastbaarheid aan de orde. In de hierna volgende paragrafen worden de vluchtwegen en de brandveiligheid beschreven.

1.6.1.a Brandpreventie Waardoor ontstaat een brand? Soms ontstaat een brand door een natuurlijke oorzaak zoals een blikseminslag of een vulkaanuitbarsting. De meeste branden ontstaan echter door menselijk falen. Onvoorzichtigheid, onwetendheid en opzettelijkheid zijn de drie belangrijkste oorzaken van brand. Worden in een gebouw brandgevaarlijke stoffen gebruikt, dan kan het risico worden beperkt, door met zo klein mogelijke hoeveelheden te werken en datgene wat niet onmiddellijk nodig is in een brandveilige ruimte op te slaan. De materiaalkeuze kan ook aan de preventie bijdragen. De kans dat er brand ontstaat, wordt kleiner als in het gebouw en de inventaris geen brandbare materialen zijn verwerkt.

1.6.1 Brandveiligheid Brand in een gebouw is rampzalig: de in het gebouw aanwezige personen lopen een groot gevaar en de materiële schade aan het gebouw en de inventaris kan zeer groot zijn. Naast de directe schade kan ook vervolgschade ontstaan. Door een brand in een fabriek zal de productie stagneren. Als de voorraden klein zijn, zal de stagnatie leveringsproblemen geven, waardoor de afnemers misschien naar een andere leverancier overstappen. Brandveiligheid is een complex probleem, waaraan alle betrokkenen (de brandweer, de eigenaar, de beheerder, de gebruiker en de bouwkundige)

1.6.1.b Beperking van slachtoffers Mocht er ondanks de brandpreventie toch brand ontstaan, dan moeten we ervoor zorgen dat de in het gebouw aanwezige personen vanuit iedere ruimte kunnen vluchten. De aanwezigen moeten zo snel mogelijk worden gewaarschuwd. Met een automatisch signaleringssysteem kan de brand snel na het ontstaan ontdekt en gemeld worden, zodat men meer tijd heeft om te vluchten. Door het houden van ontruimingsoefeningen kunnen de gebruikers bekend worden gemaakt met de vluchtwegen en kan worden gecontroleerd of de signalering, de bewegwijzering, het openen

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 13

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 13

van afgesloten deuren en de andere voorzieningen goed functioneren. Het personeel van een warenhuis of dancing zal moeten worden getraind in het begeleiden van het vluchtende publiek en het voorkomen van paniek.

temperaturen laag. De temperatuur neemt toe als genoeg brandbaar materiaal en zuurstof in het vertrek aanwezig is. Bij een temperatuur van circa 300 °C ontstaat een kritieke situatie waarbij vlamoverslag kan optreden. De brand kan zich dan tot een volledige brand ontwikkelen, waarbij tempe-

De meeste slachtoffers komen bij brand om door de hitte en door verstikking door rook. Soms is de rook giftig. De productie van rook kan worden tegengegaan door materialen te gebruiken, die bij brand weinig rook produceren en geen giftige rook afgeven. De rookverspreiding kunnen we tegengaan door ventilatie en compartimentering. Bij een groot atrium kunnen bijvoorbeeld bij brand automatisch openende rookluiken in het dak worden gemaakt, zodat de rook naar buiten trekt. Door het gebouw op te delen in rookcompartimenten wordt de afstand verkort waarover men in een met rookgevulde ruimte moet vluchten naar de dichtstbijzijnde uitgang van het compartiment.

Scenario brandbestrijding • binnen 15 minuten na het ontstaat van de brand, worden de brandweer en de bedreigde gebruikers gealarmeerd; • binnen 15 minuten na alarmering moeten de in het gebouw aanwezige personen het gebouw verlaten hebben en is de brandweer ter plaatse. • binnen 60 minuten na het ontstaan van de brand is de brandweer de brand meester en zijn eventuele bedwelmde personen door de brandweer gered. De periode van 15 minuten waarbinnen de brandweer ter plaatse moet zijn, figuur 1.11, kan nauwelijks nog verminderd worden. De tijdsperiode tussen het ontstaan van de brand en de bestrijding kan dus alleen worden verkort door een beginnende brand eerder te ontdekken en te melden.

1.6.1.c Brandbestrijding Na het ontstaan van de brand, moet deze zo snel mogelijk ontdekt, gemeld en bestreden worden, zodat de brand zich niet kan ontwikkelen en uitbreiden. Een beginnende brand heeft enige tijd nodig voordat deze zich tot een volledige brand ontwikkelt. In de beginfase van de brand zijn de 0

15

45

tijd

risico voor instorting van het gebouw bij een volledig ontwikkelde brand

temperatuur

beperking van schade door actieve brandveiligheidsvoorzieningen

30

inzet van brandweer laatste tijdstip voor een succesvolle blusactie

automatische blusactie laatste tijdstip voor een succesvolle blusactie alarm ontvangen door brandweer

vlamoverslag

detectie van brand

begin van brand

Figuur 1.11 Ontwikkeling van een brand

tijd

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 14

14 overslag

A

A

doorslag

1

doorslag

plattegrond brandcompartiment

1

plattegrond

doorslag

overslag

2

doorsnede A-A

Figuur 1.12 Brandcompartimenten (een brandcompartiment kan meer dan één vloer bevatten)

2

doorsnede

Figuur 1.13 Branddoorslag en brandoverslag

raturen van 1.000 à 1.200 °C kunnen ontstaan. Bij deze temperaturen kan de draagkracht van de constructie zo afnemen, dat deze bezwijkt. De schade wordt aanmerkelijk beperkt als de brand kort na het ontstaan wordt bestreden voordat vlamoverslag optreedt. In Nederland kennen we een vastgesteld streefscenario voor de brandbestrijding. Men kan op strategische plaatsen rookmelders plaatsen. Deze kunnen voorzien worden van een automatische brandmelding naar de brandweer. De verzekeringsmaatschappijen onderkennen het belang van een tijdige signalering om schade en slachtoffers te voorkomen en geven een korting op de premie als een automatische brandmeldinstallatie aanwezig is. De ontwikkeling en de uitbreiding van een brand wordt verhinderd door de brandhaard en de onmiddellijke omgeving automatisch te besproeien met sprinklers, zie deel 6a, Installaties, hoofdstuk 7. Niet zelden is het besproeien al voldoende om een beginnend brandje te blussen

1.6.2 Bouwkundige brandveiligheidsmaatregelen Zowel de gebruiker, de brandweer als de bouwkundige kunnen bijdragen aan de brandveiligheid. De bouwkundige maatregelen die we in het ontwerpstadium kunnen nemen, bestaan uit: • de compartimentering van het gebouw; • het inrichten van vluchtwegen.

Natuurlijk is de keuze voor brandwerend materiaal daarbij tevens een belangrijk aspect (zie paragraaf 1.7). De minimale eisen waaraan gebouwen moeten voldoen zijn vastgelegd in het Bouwbesluit. De gestelde eisen zijn afhankelijk van het gebruik van het gebouw. Er vallen meer slachtoffers in woongebouwen dan in utiliteitsgebouwen en er vallen meer slachtoffers in logies- en bijeenkomstgebouwen dan in kantoor- en bedrijfsgebouwen. In een bedrijfs- of kantoorgebouw werken voornamelijk gezonde mensen, die het gebouw goed kennen en letterlijk blindelings de uitgang kunnen vinden. Voor iemand die in een hotel overnacht is

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 15

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 15

het veel moeilijker om, door rook gehinderd, de uitgang te vinden. De eisen voor kantoren en bedrijfsgebouwen kunnen daarom lager zijn dan voor hotels, dancings en andere bijeenkomstgebouwen, waarin veel bezoekers kunnen zijn. Gevolg of aanvaard risico: • geen instorting van de constructie; • verlies van de inboedel; • onderbreking van het bedrijfsproces; • geen garantie mogelijk voor herstel van de gebouwschade en hervatting van het bedrijfsproces.

1.6.2.a Compartimentering In het Bouwbesluit worden de hierna volgende eisen voor de compartimentering van kantoorgebouwen beschreven.

Brandcompartimenten Een doeltreffend middel om de schade door brand te beperken is het gebouw te verdelen in brandcompartimenten, figuur 1.12. Deze compartimenten zijn van elkaar gescheiden door wanden en vloeren met een brandwerendheid tegen branddoorslag en brandoverslag van 60 minuten. Voor een laagbouw met geen verblijfsruimten met vloeren op meer dan 5 m boven het maaiveld geldt voor de scheidingsconstructie een brandwerendheidseis van slechts 30 minuten. De scheidingsconstructies moeten weerstand bieden aan brandoverslag en branddoorslag, figuur 1.13. Bij branddoorslag vindt de brandvoortplanting plaats via de scheidingsconstructies tussen de twee compartimenten. Bij brandoverslag vindt de voortplanting plaats via de buitenlucht. De brand kan bijvoorbeeld overslaan van een compartiment op een verdieping naar het compartiment op de daarboven gelegen verdieping. Ook kan de brand buitenom, via de ramen en gevel, overslaan naar een compartiment dat op dezelfde verdieping is gelegen als het compartiment waarin de brand uitgebroken is. Bij het bepalen van de weerstand moeten alle mogelijke trajecten tussen de compartimenten bekeken worden. Het traject met de laagste waarde is maatgevend. Een kantoorgebouw kunnen we naar eigen inzicht compartimenteren, mits aan de volgende

eisen wordt voldaan: • de stookruimte, de opslagruimten voor brandgevaarlijke stoffen en de technische ruimte met een oppervlakte van meer 50 m2 moeten in afzonderlijke compartimenten ondergebracht worden; • de totale gebruiksoppervlakte in een compartiment mag niet meer zijn dan 1.000 m2. Rookcompartimenten Men kan slechts een beperkte afstand door een met rook gevulde ruimte vluchten. Daarom is het nodig het gebouw op te delen in rookcompartimenten zodat de rook zich niet verspreidt. Een rookcompartiment moet afgescheiden zijn met een constructie, die ten minste 30 minuten lang de rook tegenhoudt. De grootte van een rookcompartiment wordt beperkt door de mogelijke lengte van de vluchtweg. Als het verblijfsgebied niet verder wordt ingedeeld in verblijfsruimten, mag de afstand van een willekeurig punt tot de dichtstbijzijnde uitgang niet groter dan 20 m zijn, figuur 1.14-1. Verdelen we het compartiment in verblijfsruimten, dan mag de afstand van een punt in een verblijfsruimte tot de dichtstbijzijnde uitgang niet groter zijn dan 30 m, figuur 1.14-2. Rookcompartimenten in kantoren Als een rookcompartiment maar één uitgang heeft, mag de gebruiksoppervlakte niet meer dan 250 m2 zijn. Tevens mag de afstand van de uitgang van een verblijfsruimte tot de uitgang van het compartiment niet meer dan 15 m zijn, figuur 1.14-3.

1.6.2.b Vluchtmogelijkheden en vluchtwegen Het Bouwbesluit onderscheidt de vluchtmogelijkheid en de vluchtweg. Een vluchtmogelijkheid is een van rook gevrijwaarde route waarbij men niet gehinderd mag worden door alleen met een sleutel te openen deuren. Aan een vluchtweg worden hogere eisen gesteld dan aan een vluchtmogelijkheid. Een vluchtweg is een vluchtmogelijkheid, die alleen door verkeersruimten gaat. In deze ruimten mag tot minstens 30 minuten na het uitbreken van de brand, geen brand doordringen. Uit een gebouw met niet meer dan twee verdiepingen kan behalve via de vluchtweg over de

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 16

16

1

rookcompartiment met twee onafhankelijke, maar niet gescheiden vluchtwegen

2

rookcompartiment met twee onafhankelijke en gescheiden vluchtwegen

<

20

m

trap, meestal ook via de ramen worden gevlucht. Ligt de vloer van een verblijfsruimte op meer dan 13 m boven het maaiveld, dan moet tussen de uitgang van het rookcompartiment en het trappenhuis een verkeersruimte met een lengte van meer dan 2 m gelegen zijn. Deze bufferruimte voorkomt dat de toegang tot het trappenhuis wordt belemmerd en rook in het trappenhuis doordringt. Dit kan gebeuren als bijvoorbeeld iemand bedwelmd door rook inzakt op de drem-

1 niet ingedeeld rookcompartiment

< 30 m

3

2

plattegrond rookcompartiment > 250 m 2

ingedeeld rookcompartiment

< 15 m < 30 m rookcompartiment

4 rookcompartiment

3

rookcompartiment

> 250 m 2

Figuur 1.14 Rookcompartimenten

( schaal 1:200 )

doorsnede

Figuur 1.15 Vluchtwegen

( schaal 1:200 )

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 17

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 17

pel van de uitgang van het rookcompartiment. De rook in dat compartiment zou zonder bufferruimte ongehinderd in het trappenhuis kunnen stromen. In principe moet altijd in twee onafhankelijke richtingen kunnen worden gevlucht, figuur 1.15-1 en figuur 1.15-2. Daarom is het noodzakelijk voor een gebouw met meer dan twee verdiepingen in principe minstens twee trappenhuizen te maken. Uitzonderingen zijn mogelijk. Men moet dan wel voldoen aan strengere eisen voor de rookcompartimenten en het trappenhuis, figuur 1.16. Hoewel men in principe vanuit ieder punt in een rookcompartiment in twee richtingen moet kunnen vluchten, hoeft een rookcompartiment maar één uitgang te hebben. Voorwaarde daarbij is dat de afstand tussen de toegang van een verblijfsruimte en de uitgang van het rookcompartiment niet meer dan 15 m en het gebruikersoppervlakte van het rookcompartiment niet meer dan 250 m2 is, figuur 1.14-3.

A

5400

A

7200

rookcompartiment

3600

5400

5400

plattegrond

brandcompartiment

1

5400

brandcompartiment

2

doorsnede A-A

Figuur 1.16 Kantoorgebouw met maar één trappenhuis

Als een rookcompartiment geen twee onafhankelijke vluchtmogelijkheden heeft, moet het compartiment ontsloten worden via een ruimte met twee onafhankelijke vluchtmogelijkheden. Deze twee onafhankelijke vluchtmogelijkheden mogen op één veiligheidstrappenhuis uitkomen. Een veiligheidstrappenhuis is een trappenhuis dat via een niet-besloten ruimte toegankelijk is, zodat er geen rook via de voorruimte in het trappenhuis kan komen, figuur 1.15-3 en 1.15-4. Een rookcompartiment met maar één vluchtweg mag alleen worden ontsloten via een ruimte met maar één vluchtweg, als het compartiment direct naast een veiligheidstrappenhuis gelegen is, of als het compartiment via een portaal met een trappenhuis verbonden is. Op dit trappenhuis met portaal mag dan niet meer dan 1.000 m2 Voorbeeld Een kantoor met maar één trappenhuis Een kantoorgebouw heeft vijf verdiepingen met een gebruiksoppervlak van 230 m2, figuur 1.16. Mag dit kantoorgebouw met één trappenhuis worden uitgevoerd? Ja, door het gebouw op de volgende wijze te compartimenteren is het mogelijk om met één trappenhuis te volstaan. We verdelen het gebouw in twee brandcompartimenten: de vier verdiepingen vormen samen een brandcompartiment met een gebruiksoppervlakte die kleiner is dan 1.000 m2. De begane grond brengen we in een tweede brandcompartiment onder. Op iedere verdieping situeren we één rookcompartiment. Deze rookcompartimenten met een gezamenlijk gebruiksoppervlak kleiner dan 1000 m2 hoeven maar één uitgang te hebben als is de afstand van de toegang van een verblijfsruimte (kantoor) tot de enige toegang van het compartiment minder is dan 15 m. De rookcompartimenten ontsluiten we via het trappenhuis. De rookcompartimenten worden dus ontsloten via een ruimte met maar één vluchtmogelijkheid. Dit is alleen toegestaan als de som van de gebruiksoppervlakten van de rookcompartimenten, die afhankelijk zijn van deze vluchtweg, niet meer bedraagt dan 1.000 m2.

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 18

18

moeilijk ontvlambare materialen toe te passen. Bij een verwarmingsinstallatie, het fornuis in de keuken, de open haard in het restaurant, bij de rookafvoeren en aan de binnenzijde van grote kanalen moeten we onbrandbare materialen toepassen.

gebruiksoppervlakte aan rookcompartimenten worden aangesloten. Bovendien mag de lengte van de route van de toegang van het compartiment tot de uitgang van het gebouw niet meer dan 30 m zijn.

◆ Beperking van de verspreiding van brand De verspreiding van brand kunnen we tegengaan door de brandvoortplanting via wanden, plafonds en vloeren te beperken. In holle ruimten (bijvoorbeeld boven verlaagde plafonds) kunnen branden zich goed voortplanten als in deze ruimten brandbare materialen zijn verwerkt.

1.7 Brandwerendheid constructies en materialen Compartimentering en vluchtwegen zijn niet de enige middelen schade als gevolg van een brand te beperken. Ook de brandwerendheid van constructies en materialen is een preventieve maatregel tegen brand. 1.7.1 Materiaalkeuze en brandveiligheid Door de juiste materialen te kiezen kunnen we een bijdrage aan de brandveiligheid leveren. De brandveiligheid neemt toe als we voor de constructie, de afwerking en de inrichting materialen kiezen die: ◆ het ontstaan van brand beperken; ◆ de verspreiding van de brand beperken; ◆ de rookproductie bij brand beperken; ◆ de brandduur beperken; ◆ de brandwerendheid verhogen.

◆ Beperking van het ontstaan van brand Het ontstaan van brand is te beperken door op plaatsen waar hoge temperaturen en hoge warmtestraling zijn te verwachten, onbrandbare en

volledig ontwikkelde brand

temperatuur

niet-volledig ontwikkelde brand

◆ Beperking van de verspreiding van rook Voor de veiligheid van de aanwezigen moeten we, vooral in ruimten waardoor een vluchtweg voert, materialen kiezen die weinig rook afgeven bij brand. Bij sommige materialen als hout en zachtboard ontstaat meer rook bij een smeulende dan bij een felle brand. De rookontwikkeling moet dus zowel bij hoge als bij lage stralingsniveaus worden bepaald. Bij samengestelde constructies gaat het vooral om de materialen aan het oppervlak van de constructie. Voor buitenstaande constructies gelden geen eisen voor de rookontwikkeling, omdat rook alleen in een gesloten binnenruimte het vluchten en de bestrijding belemmert.

1000-1200 °C standaardbrandkromme voor brandwerendheidsproeven (ISO 834)

natuurlijke brandkromme (zoals deze in werkelijkheid kan optreden)

vlamoverslag

~300 °C

begin van brand

Figuur 1.17 De ontwikkeling van de temperatuur bij brand

tijd

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 19

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 19

Vuurbelasting De vuurbelasting V is de hoeveelheid warmte per vloeroppervlakte die vrijkomt bij volledige verbranding van de in de ruimte aanwezige materialen. Uit praktische overwegingen wordt deze uitgedrukt in de vergelijkbare hoeveelheid vurenhout. Een kilo vurenhout heeft de verbrandingswaarde van 19 × 106 J/kg, V

a·b kg/m3 19 · 10 6 · A

waarin: a = hoeveelheid brandbaar materiaal in kg b = de verbrandingswaarde van het brandbare materiaal in J/kg A = oppervlakte van de ruimte ◆ Brandwerendheid De brandwerendheid is van belang voor de draagconstructie en voor de scheidende constructies. De brandwerendheid van een dragende constructie is de tijdsduur in minuten, waarin deze weerstand kan bieden aan de hoge temperaturen die bij brand ontstaan, voordat deze bezwijkt door de bij de brand optredende belastingen.

1000 staaltemperatuur na 30 min. [°C]

◆ Beperking van de brandduur De hoge temperaturen bij brand ontstaan als de brand geheel tot ontwikkeling komt, figuur 1.17. Als er in een ruimte weinig brandbaar materiaal aanwezig is, zal als vlamoverslag heeft plaatsgevonden, de brand na een korte tijd uitdoven door een gebrek aan brandbaar materiaal. De temperatuurontwikkeling zal dan meevallen. De constructie zal dan minder weerstand hoeven bieden. Om de hoeveelheid brandbaar materiaal in een ruimte éénduidig te bepalen, heeft men het begrip vuurbelasting gedefinieerd. Hoe hoger de vuurbelasting, hoe meer weerstand een constructie moet bieden aan de hoge temperaturen die bij brand ontstaan. De vuurbelasting zegt iets over de hoeveelheid brandbaar materiaal, maar zegt niet alles over de ontwikkeling van een brand. Eén kg zaagsel heeft een even grote vuurbelasting als een houten balk van één kg. Maar de ontwikkeling van een brand in een ruimte gevuld met zaagsel verloopt veel sneller dan in een ruimte gevuld met houten balken.

800

600

400

200

0

0

20

40

60

80

100 120 140 160 180 200 profielfactor P [m-1]

Figuur 1.18 Standaardbrandkromme

De brandwerendheid van een scheidingsconstructie is de tijdsduur in minuten, waarin deze weerstand kan bieden aan brandoverslag en branddoorslag. De benodigde weerstand hangt af van de temperatuurontwikkeling bij de brand. De temperatuurontwikkeling hangt af van de vuurbelasting en het verloop van de brand. Hoewel iedere brand anders is, oftewel de ontwikkeling van elke brand is uniek, verloopt deze wel volgens een vast patroon. Om vergelijkbare berekeningen te kunnen maken, is een standaardverloop gedefinieerd voor het bepalen van de brandwerendheid van een constructie: de zogenoemde standaardbrandkromme, figuur 1.18. Met deze kromme wordt het temperatuurverloop bij een zogenoemde standaardbrand vastgelegd. 1.7.2 Scheidende constructies 1.7.2.a Brandwerendheid Aan de scheidende constructies van brandcompartimenten worden eisen gesteld ten aanzien van de brandwerendheid ten aanzien van de branddoorslag en de brandoverslag, figuur 1.19. Uitgaande van de standaardbrandkromme moet de scheidingsconstructie de brand gedurende een bepaalde tijd in minuten tegenhouden. De laagste waarde van de volgende vijf criteria is bij de bepaling maatgevend: 1 gemiddelde en de hoogste temperatuur, die aan de van de brand afgekeerde zijde ontstaan; 2 vlamdichtheid;

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 20

20

onbrandbaar materiaal ( minerale wol )

brandbaar materiaal dakbedekking

1m

1m

scheidingswand

1

scheidingswand doorgetrokken door het dak

2

scheidingswand tot het dak

Figuur 1.19 Goed ontworpen en gedetailleerde scheidingswanden voorkomen uitbreiding van een brand

3 gasdichtheid; 4 scheurvorming; 5 bezwijken. Voor gebouwen waarin niet wordt gewoond, moeten de vloeren en de trappen minstens 20 minuten brandwerend zijn. Voor de scheidingsconstructies van brandcompartimenten wordt 60 minuten brandwerend geëist. Als het compartiment behoort tot een laag kantoorgebouw, met vloeren van verblijfsruimten op minder dan 5 m boven het maaiveld, mag deze eis worden verlaagd tot 30 minuten. 1.7.2.b Rookwerendheid Aan de scheidende constructies van rookcompartimenten worden eisen gesteld om de rookverspreiding tegen te gaan. De scheidingsconstructie tussen rookcompartiment en een andere besloten ruimte moet bij brand 30 minuten rook tegenhouden. De rookwerendheid kan men eenvoudig berekenen door de weerstand tegen de vlamdichtheid met een factor 1,5 te vermenigvuldigen. De rookwerendheid is dus in ieder geval 1,5 maal zo groot als de brandwerendheid. Het omgekeerde geldt niet, want de rookwerendheid wordt bepaald voor maar één van de vijf aspecten die de brandwerendheid bepalen. 1.7.3 Draagconstructies In het Bouwbesluit worden eisen gesteld aan de

brandwerendheid van constructies in gebouwen. Utiliteitsgebouwen kunnen in de volgende categorieën worden ingedeeld: • gebouwen waarin gewoond wordt, zoals flats en woningen; • gebouwen waarin niet gewoond maar wel overnacht wordt, zoals ziekenhuizen en hotels; • gebouwen waarin noch gewoond noch overnacht wordt. Behalve aan de brandwerendheid van de scheidingsconstructies van brandcompartimenten worden ook eisen gesteld aan de brandwerendheid van de hoofddraagconstructie. De hoofddraagconstructie wordt gevormd door constructie-elementen die niet uit de constructie weg te halen zijn, zonder dat andere constructiedelen, die niet daarmee rechtstreeks verbonden zijn, ook bezwijken. Bezwijkt een gevelstijl, dan bezwijkt alleen het glas dat direct met de stijl verbonden is. Bezwijkt een gevelkolom, dan bezwijkt niet alleen het glas en de regels die met de kolom verbonden zijn, maar ook de daarop steunende balken en vloeren. De gevelkolom is een deel van de hoofddraagconstructie, de gevelstijl niet. Door de hoofddraagconstructie brandwerend uit te voeren, voorkomt men het voortijdig instorten van het gebouw. Na gearriveerd te zijn, heeft de brandweer tijd nodig om de nog in het gebouw zijnde slachtoffers op te sporen en de brand te bestrijden (zie paragraaf 1.6.1.c). De constructie mag gedurende deze periode niet bezwijken. De eisen, die aan de hoofddraagconstructie gesteld worden, zijn afhankelijk van de hoogte van de vloer van de hoogstgelegen verblijfsruimte. Daar meestal eenvoudig uit een laagbouw kan worden gevlucht, wordt in het Bouwbesluit geen bijzondere eis aan de brandwerendheid van de hoofddraagconstructie gesteld. Bezwijkt de constructie van het door brand getroffen deel van het gebouw, dan leidt dit niet tot slachtoffers. De temperaturen, die met het bezwijken gepaard gaan, zijn zo hoog, dat de eventuele slachtoffers al overleden zijn en de inventaris al verloren is. Het beschermen van de draagconstructie van een laagbouw tegen brand is financieel niet aantrekkelijk. De schade, ontstaan door het plaatselijk instorten van de constructie, is meestal maar een

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 21

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 21

klein deel van de totale schade. De constructie van het uitgebrande gebouw is namelijk waarschijnlijk niet meer bruikbaar en zal worden gesloopt. We moeten wel voorkomen dat de constructie van de niet door brand getroffen bouwdelen bezwijken. De schade zou dan wel onevenredig toenemen. Bij een verdiepinggebouw zal de constructie zo moeten worden beschermd dat de gewenste brandwerendheid bereikt wordt. Door het bezwijken van een kolom in een verdiepinggebouw, zouden anders ook de daarboven gelegen door de kolom ondersteunde verdiepingen bezwijken. Voor de hoofddraagconstructie voor utiliteitsgebouwen, waarin niet wordt gewoond, gelden de volgende eisen, figuur 1.20: • hallen en kantoren: – voor de hoofddraagconstructie van hallen en kantoorgebouwen met geen enkele vloer met een verblijfsruimte op meer dan 5,0 m boven het maaiveld wordt geen eis voor de brandwerendheid voorgeschreven ; – voor de hoofddraagconstructie van kantoorgebouwen met één of meerdere vloeren voor verblijfsruimten op meer dan 5,0 m boven het maaiveld wordt een brandwerendheid van 90 minuten voorgeschreven; • logiesgebouwen (hotels, ziekenhuizen en gevangenissen): – voor de hoofddraagconstructie van logiesgebouwen met geen enkele vloer voor een verblijfsruimte op meer dan 5,0 m boven het maai-

veld wordt een brandwerendheid van 60 minuten voorgeschreven; – voor de hoofddraagconstructie van logiesgebouwen met geen enkele vloer voor een verblijfsruimte op meer dan 13,0 m boven het maaiveld wordt een brandwerendheid van 90 minuten voorgeschreven; – voor de hoofddraagconstructie van logiesgebouwen met één of meerdere vloeren voor een verblijfsruimte op meer dan 13,0 m boven het maaiveld wordt een brandwerendheid van 120 minuten voorgeschreven. De eisen voor de brandwerendheid van de hoofddraagconstructie mogen met 30 minuten worden verlaagd als de vuurbelasting kleiner is dan 500 MJ/m2. Het kan zijn dat in verband met vluchten, brandcompartimentering of brandoverslag naar de belendingen hogere eisen aan de brandwerendheid van de hoofddraagconstructie worden gesteld. Voor hoogbouw, met een hoogte van meer dan 70 m, worden doorgaans ook hogere eisen gesteld. 1.7.4 Houtconstructies Zoals we uit eigen ervaring weten, kan hout beter branden dan staal of beton. Desondanks kan een houtconstructie brandwerend zijn. Bij het verhitten van hout treden de volgende verschijnselen op: • verhit men hout tot 250 à 300 ˚C, dan ontleden de buitenste lagen in houtskool en brandbare gassen; • bij de verhitting van hout tot 300 à 350 ˚C gaan de brandbare gassen tot zelfontbranding over.

geen eis

>5m

13 m

< 13 m

120 min.

1

beugels h.o.h. < 150 mm over 0,15 l van uiteinden

a

2

b = 300 ; a > 60 mm b = 400 ; a > 50 mm

0,15 l

balk

wand ; a > 45 mm b > 220 mm

kolom ; a > 45 mm b > 400 mm l < 4,5 m

Kolommen De brandwerendheid van een kolom mag met de detailleringseisen worden bepaald, als de kolom niet langer is dan 4,5 m en de kleinste dwarsafmeting groter is dan 1/25 × de lengte. Voor een brandwerendheid van 120 minuten moet de dwarsafmeting groter zijn dan 400 mm en moet de wapeningsafstand als de kolom vierzijdig wordt verhit meer dan 45 mm zijn, figuur 1.22.

De meeste staalconstructies zullen voor een brandwerendheid van 30 minuten of hoger moeten worden beschermd. Staalconstructies kunnen worden beschermd door: • de constructie te bekleden met platen van bijvoorbeeld gips, silicaat, steenwol of vermiculiet; • de constructie te bespuiten met bijvoorbeeld mineraalvezels of vermiculiet;

a b

Wanden Om de detailleringsregels te mogen toepassen moet de dikte van de wand minstens 25 × de hoogte zijn. Voor een brandwerendheid van 120 minuten moet de afstand van de wapening tot de verhitte zijde groter dan 45 mm en de dikte van de wand minstens 220 mm zijn.

1.7.6 Staalconstructies De vloeigrens van staal neemt af als de temperatuur hoger wordt dan 400 °C. Bij 800 °C is de vloeigrens nog maar 10% van de oorspronkelijke waarde bij kamertemperatuur, figuur 1.23.

a > 40 mm

vloer

a

Balken Bij een driezijdig verhitte balk hangt de mate van brandwerendheid af van: • de balkbreedte; • de opleggingen; • twee steunpunten of doorgaand over meer steunpunten; • de wapening: voorspanstaal of betonstaal.

a

a

0,15 l

b

beugels h.o.h. < 150 mm over 0,15 l van uiteinden

b > l / 25

3

kolom, wand

Figuur 1.22 Wapeningsafstand en afmetingen voor betonconstructies met 120 minuten brandwerendheid

•

de staalconstructie in te storten in beton.

Bespuiten van een staalconstructie is goedkoper dan bekleden. Omdat een bespoten constructie meestal niet fraai is, worden de in het zicht komende delen van de constructie meestal niet bespoten maar bekleed. Bij een ingestorte constructie neemt de draagkracht toe door de bijdrage van het beton.

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 24

24

reductie vloeigrens [–]

1,00

1 Bereken de belasting bij brand. ↓ 2 Bepaal de belastingsgraad n. ↓ 3 Bepaal de correctiefactor κ. ↓ 4 Bepaal de kritische temperatuur θ kr. ↓ 5 Bepaal de profielfactor P. ↓ 6 Bepaal de warmteweerstand R. ↓ 7 Bepaal de dikte van de bekleding.

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

0

200

400

600 800 1000 staaltemperatuur [°C]

Figuur 1.24 Stroomdiagram voor het bepalen van de warmteweerstand van de bekleding

Figuur 1.23 De afname van de vloeigrens van staal bij hoge temperaturen

Hierdoor kan een ingestorte constructie slanker worden gedimensioneerd dan een beklede constructie. 1.7.6.a Berekening van de bekleding van staalconstructies Voor het bepalen van de eventueel benodigde warmteweerstand van de bekleding volgen we de rekenmethoden en tabellen beschreven door ir. A.F. Hamerlinck, ir. L. Twilt en ir. W.H. Verburg (Bouwen met Staal, nr. 110, 112 en 116). De bekleding moet zo dik zijn dat de temperatuur in het staal slechts toeneemt tot de zogenaamde kritische waarde. Bij deze kritische temperatuur is de gereduceerde vloeigrens nog zo groot dat de bij brand optredende belasting nog net kan worden gedragen. Door de brand nemen de temperaturen in de ruimte sterk toe. De temperatuur in de staalconstructie volgt vertraagd de warmteontwikkeling in de ruimte. De temperatuur in de constructie na een bepaalde brandtijd hangt af van: • de warmteweerstand van de eventueel aanwezige bekleding; • de verhouding van het oppervlakte en de inhoud van de constructie; • het aantal verhitte zijden van het profiel.

De warmteweerstand van de bekleding kan met een stroomschema worden bepaald, figuur 1.24.

1 De belasting bij brand De berekening vangt aan met de bepaling van de belasting, die bij brand optreedt. Bij brand rekenen we alleen met de permanente belastingen en de momentane veranderlijke belastingen. Bovendien zijn de belastingsfactoren bij brand gelijk aan 1. De belasting bij brand is dus altijd lager dan de uiterste opneembare belasting, die de constructie bij kamertemperatuur moet kunnen weerstaan. 2 De belastingsgraad n We berekenen vervolgens de belastingsfactor n. Dit is de verhouding tussen de belasting bij brand en de uiterst opneembare belasting. De belastingsgraad n volgt uit: n

1,0 · G + 1,0 · ϕ · Qe γ · G + γ q · Qe

waarin: G = permanente belasting Qe = veranderlijke belasting ϕm ·Qe = momentane deel van de veranderlijke belasting (zie ook paragraaf 3.2) γg = belastingsfactor voor de permanente belasting: deze is (als de permanente belasting ongunstig werkt) gelijk aan 1,2 γq = belastingsfactor voor de veranderlijke belasting: deze is voor de belastingklasse 3 gelijk aan 1,5.

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 25

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 25

Met γg = 1,2 en γq = 1,5 vinden we: n

1,0 · G + 1,0 · ϕ · Qe 1,2 · G + 1,5q · Qe

3 De correctiefactor Om de berekeningsresultaten overeen te laten stemmen met de proefresultaten wordt de belastingsgraad gecorrigeerd met een correctiefactor κ. In deze correctiefactor wordt het aantal verhitte zijden verdisconteerd, figuur 1.25.

0,05

600

0,075 0,1 0,15 0,2 0,3

400

kritieke temperatuur [°C]

kritieke temperatuur [°C]

R= 0,01

30 min.

0,03

R= 0,01 0,03 0,075

0,2 0,3

400

100

150

1

200 250 300 profielfactor P [m-1]

R= 0,03 0,075

1000 0,01 0,05

800

0,15 0,1

0,2 0,3

600

0

60 min.

0

50

100

150

2 0,01

1000 kritieke temperatuur [°C]

50

0,1 0,15

600

200

0

0,05

800

200

kritieke temperatuur [°C]

1,2 0,7 0,6 1

1000

800

400

200 250 300 profielfactor P [m-1]

0,03

0,05

800

R= 0,075 0,1 0,15 0,2 0,3

600

400

90 min.

200

3

Vierzijdig verhitte kolom Driezijdig verhitte statisch bepaalde balk Driezijdig verhitte statisch onbepaalde balk Overige constructies

is de waarde van de resterende vloeispanning nog net groter dan de optredende spanning door de belasting bij brand. Met de grafiek waarin de reductie van de vloeigrens door de temperatuurstijging uitgezet is, figuur 1.23, bepalen we de kritische temperatuur waarbij de constructie bezwijkt.

1000

0

k

Figuur 1.25 Correctiefactor κ

4 De kritische temperatuur Door de brand mag de temperatuur in de staalconstructie niet meer toenemen dan de kritische temperatuur. Net vóór de kritische temperatuur

0

Constructie

0

50

100

150

200 250 300 profielfactor P [m-1]

120 min.

200

0

4

0

50

100

150

200 250 300 profielfactor P [m-1]

Figuur 1.26 Verband tussen de profielfactor P en de kritieke staaltemperatuur θ afhankelijk van de warmteweerstand R van de isolerende bekleding en van de geëiste brandwerendheid

Bron: Bouwen met Staal nr.110

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 26

26

5 De profielfactor Doordat de staalconstructie moet worden opgewarmd, zal de ontwikkeling van de temperatuur in een staalconstructie achterblijven bij de temperatuurontwikkeling volgens de standaardbrandkromme, figuur 1.18. De opwarming van een onbekleed staalprofiel hangt af van de profielfactor P. De profielfactor is gelijk aan de aan verhitting blootgestelde oppervlakte gedeeld door het volume in meters. 6 De warmteweerstand Met behulp van de grafieken in figuur 1.26 en 1.27 kunnen we vervolgens voor het gekozen

Voorbeeld Berekening profielfactor Voor een vierzijdig verhit kokerprofiel met zijden a en dikte t (in mm) vinden we voor de profielfactor in m:

4 · a · 10-3 4 · a · t · 10-3

P

10-3 -1 m t

7 De dikte van de bekleding De benodigde dikte van de bekleding volgt uit:

1000 staaltemperatuur na 30 min. [°C]

profiel, de berekende kritische temperatuur waarbij de constructie zou bezwijken en de gewenste brandwerendheid, de benodigde weerstand R van de bekleding bepalen.

800

t

R λ

400

waarin: t = dikte van de bekleding R = weerstand λ = warmtegeleidingscoëfficiënt

200

De warmtegeleidingscoëfficiënt λ van de bekleding vinden we in figuur 1.28.

600

0

0

20

40

60

80

100 120 140 160 180 200 profielfactor P [m-1]

Figuur 1.27 Verband tussen de profielfactor P en staaltemperatuur θa van een onbeschermd profiel na 30 minuten brand

Materiaal

1.7.6.b Kolommen Omdat de brand zich maar in één compartiment voordoet, kan men voor geschoorde kolommen vaak rekenen met een gereduceerde kniklengte, figuur 1.30.

Bron: Bouwen met Staal nr.110

Warmtegeleidingscoëfficiënt ␭ [W/mK]

Soortgelijke warmte C [ J/kgK]

0,2 0,15 0,15 0,25 0,1 1,9 0,14 0,17 52 0,8

1.700 1.100 1.100 1.100 1.100 840 1.880 1.880 530 840

Gipsplaat Silicaat Vermiculiet Steenwolplaat Gespoten mineraalvezels Gewapend beton Naaldhout Hardhout Staal Metselwerk Figuur 1.28 Warmtegeleidingscoëfficiënt λ

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 27

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 27

Berekeningsblad

υιοπασδφγηϕγ

Gegeven: Een kantoorgebouw heeft drie verdiepingen. De verdiepingshoogte is 3,5 m. De balken bestaan uit HEA 160 profielen Fe 360. De balken dragen vloeren met een overspanning van 3,6 m. De representatieve vloerbelastingen zijn: – permanente belasting: p g = 5,0 kN/m2 – veranderlijke belasting:p q= 2,5 kN/m2 – momentane veranderlijke belasting (waarbij ϕ m = 1/2): p m = 1/2 ⭈ 2,5 kN/m2 – eigen gewicht balk: q g = 0,304 kN/m2 Het gebouw valt in de veiligheidsklasse 3. Hiermee zijn de belastingsfactoren γg en γa voor de permanente en veranderlijke belasting respectievelijk 1,2 en 1,5. De met de balken uiterste opneembare belasting is: qu = 1,2 ·qg + 1,5 ·qe qu = 1,2 ⫻ (3,6 ⫻ 5,0 + 0,304) + 1,5 ⫻ 2,5 ⫻ 3,6 = 35,5 kN/m1 De hoogste verdiepingsvloer is op 7 m boven het maaiveld gelegen. Deze vloer ligt op meer dan 5 m en minder dan 13 m boven het maaiveld, zodat de constructie 90 minuten brandwerend is, figuur 1.20. Gevraagd: bereken de benodigde bekleding. 1 De belastingsgraad De belasting bij brand bestaat uit de rustende en de momentane belasting, berekend met belastingsfactoren gelijk aan 1,0: qd brand = qg + ϕ m ·qe qd brand = 3,6 ⫻ 5,0 + 0,304 + 3,6 ⫻ 1/2 ⫻ 2,5 = 22,8 kN/m1 De met de balken opneembare belasting is gegeven: qu = 35,5 kN/m1

Figuur 1.29 Berekening bekleding balk

2 De belastin Voor deze ba en niet de ve De belasting n=

qd brand = qu

3 De correctie Deze factor m de correctief statisch onbe 1.25: κ = 0,6 4 De kritische Voor n · κ = 0 figuur 1.23 d constructie b θ kr = 620 °C 5 De profielfa We berekene ding. De bek vormt een ko het beklede p hoogte en br 0,152 en 0,1 P = verhitte A = 119 m-1

6 Benodigde Vervolgens k minuten bra stand R aflez R = 0,11. Uitgaande va 0,2 de benod 0,022 m = 22

06950521_H01

22-11-2005

11:05

Pagina 28

28

aan brand blootgestelde kolom

uitbuigvormen

l

stijve kern

lk = l

1

langsdoorsnede

2

kolom bij kamertemperatuur

lk< l

3

kolom bij verhoogde temperatuur

Figuur 1.30 Reductie kniklengte doorgaande geschoorde kolommen

Berekeningsblad

Gegeven: Een kantoorgebouw heeft drie verdiepingen. De verdiepingshoogte is 3,5 m. De middenkolommen bestaan uit doorgaande HEA 160 profielen Fe 360. Per kolom wordt per verdieping een vloeroppervlakte van 3,6 ⫻ 4,8 m2 gedragen. De representatieve belastingen per verdiepingsvloer zijn: – permanente belasting: Pg = 5,0 kN/m2 – extreme veranderlijke belasting: pq= 2,5 kN/m2 – momentane veranderlijke belasting (waarbij ψ m = 1/2): Pm = 1/2 ⫻ 2,5 kNm2 De representatieve belastingen op het dak zijn: – permanente belasting: pq = 5,0 kN/m2 – extreme veranderlijke belasting: pq = 1,0 kN/m2 – momentane veranderlijke belasting (waarbij ψ m = 0): Pm = 0 ⫻ 1,0 kN/m2 Eigen gewicht kolom per verdieping: 3,5 ⫻ 0,304 = 1,1 kN De hoogste verdiepingsvloer ligt op 7 m boven het maaiveld. Omdat deze vloer meer dan 5 m en minder dan 13 m boven het maaiveld ligt, moet de constructie 90 minuten brandwerend zijn, figuur 1.20.

Gevraagd: bereken de benodigde bekleding. 1 De belastingsgraad De belasting bij brand bestaat uit de permanente belasting en de momentane veranderlijke belasting: ΣG + ΣQ m We maken een gewichtsberekening voor de belasting op de kolom bij brand met een belastingsfactor γ =1,0: – dak permanente belasting: 1,0 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 5,0 = 86,4 kN – dak momentane belasting: 1,0 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 0 = 0 kN – eigen gewicht kolom: 1,0 ⫻ 1,1 = 1,1 kN – vloer permanente belasting: 1,0 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 5,0 = 86,4 kN – vloer momentane belasting: 1,0 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 1,25 = 21,6 kN – eigen gewicht kolom: 1,0 ⫻ 1,1 = 1,1 kN – vloer permanente belasting: 1,0 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 5,0 = 86,4 kN – vloer extreme belasting: 1,0 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 2,5 = 21,6 kN – eigen gewicht kolom: 1,0 ⫻ 1,1 = 1,1 kN Totaal Nd1

Figuur 1.31 Berekening kolom

=

305,7 kN

06950521_H01

22-11-2005

11:06

Pagina 29

1 ALGEMENE UITGANGSPUNTEN 29

Berekeningsblad (vervolg)

Eenvoudigheidshalve nemen we aan dat de belasting die de kolom kan weerstaan, even groot is als de rekenwaarde van de belasting op de kolom, als deze belast wordt door de permanente en extreme vloerbelastingen. Dit is een veilige aanname want meestal is de opneembare belasting groter dan de belasting. Rekenwaarde van de belasting op de kolom ten gevolge van de permanente en extreme vloerbelastingen: – dak permanente belasting: 1,2 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 5,0= 103,7 kN – dak momentane belasting: 1,5 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 0 = 0 kN – eigen gewicht kolom: 1,2 ⫻ 1,1 = 1,3 kN – permanente belasting vloer: 1,2 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 5,0 = 103,7 kN – momentane belasting vloer: 1,5 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 1,25 = 32,4 kN – eigen gewicht kolom: 1,2 ⫻ 1,1 = 1,3 kN – vloer permanente belasting: 1,2 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 5,0 = 103,7 kN – vloer extreme belasting: 1,5 ⫻ 3,6 ⫻ 4,8 ⫻ 1,25 = 64,8 kN – eigen gewicht kolom: 1,2 ⫻ 1,1 = 1,3 kN Totaal Nd1

=

412,2 kN

Stel dat de opneembare centrische belasting gelijk is aan deze belasting op de kolom: Ncu1 = 412,2 kN. Meestal is de opneembare belasting groter dan deze waarde, temeer omdat we de reductie van de kniklengte eenvoudigheidshalve verwaarlozen.

2 De belastingsfactor De belastingsfactor n berekenen we met: n=

Nd 1 305,7 = = 0,74 Nd 1 412,2

3 De correctiefactor Deze factor moet worden vermenigvuldigd met de correctiefactor κ volgens figuur 1.28. Voor een vierzijdig verhitte kolom vinden we: κ = 1,2. 4 De kritische temperatuur Voor n ·κ = 0,74 ⫻ 1,2 = 0,89 vinden we in figuur 1.23 de kritische temperatuur, waarbij de constructie bezwijkt (θ kr = 460 °C). 5 De profielfactor We berekenen de profielfactor P voor de bekleding met zijden gelijk aan de hoogte en breedte van het profiel, 0,152 en 0,16 m. P=

omtrek (0,160+0,152)⫻2 = 161 m -1 = 0,003880 A

6 Benodigde warmteweerstand Vervolgens kunnen we in figuur 1.26 voor 90 minuten brandwerendheid de benodigde weerstand R aflezen: R = 0,3. We kiezen voor een bekleding van gipsplaten. Deze platen hebben een geleidingscoëfficiënt λ = 0,2. De benodigde dikte berekenen we met t = R · λ . We vinden t = 0,3 ⫻ 0,2 = 0,06 m.

06950521_H01

22-11-2005

11:06

Pagina 30

30

Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 1 Boessenkool, ing. Th., e.a., Handboek modulair bouwen. Waltman/VGBouw 2 Bouwbesluit: www.bouwbesluit.nl 3 Breunesse ir. A. ir. Fellinger en dr. ir. A.F. Hamerlinck, Geïntegreerde ligger 60 minuten brandwerend zonder bekleding. In: Bouwen met staal 169, december 2002 4 Hamerlinck, dr. ir. A.F. en ir. L. Twilt, Brandwerendheid van staalconstructies. In: Bouwen met Staal nr. 110, januari/februari 1993 5 Hamerlinck, dr. ir. A.F. en ir. L. Twilt, Brandveilig ontwerpen. In: Bouwen met Staal nr. 112, mei/juni 1993 6 Hamerlinck, dr. ir. A.F. en ir. W.H. Verburg, Betongevulde buiskolommen. In: Bouwen met Staal nr. 116, januari/februari 1994 7 Hamerlinck dr. ir. A.F., Hallen 30 minuten brandwerendheid met onbeschermd staal. In: Bouwen met staal 146, januari/februari 1999 8 Meulenkamp W. Follies, Bizarre bouwwerken in Nederland en België, Uitgeverij de Arbeiderspers, ISBN 902953109 6 CIP 1995 9 Nes, J. van e.a., Utiliteitsbouw. ThiemeMeulenhoff 10 Scherpbier, ir. G., Konstruktief ontwerpen. BKO Technische Universiteit Eindhoven 11 Scherpbier, ir. G. en ir. A. van de Ploeg, Algemeen en integratie. BKO Technische Universiteit Eindhoven

06950521_H02

22-11-2005

Structuur

12:45

Pagina 31

2

ir. M.W. Kamerling

Het ontwerpen van een gebouw is zeer complex daar een gebouw uit heel veel verschillende elementen bestaat. We kunnen in het gebouw verschillende structuren herkennen, namelijk de infrastructuur, de bouwkundige structuur en de installatiestructuur. Deze structuren worden in het algemeen door specialisten ontworpen. Een gebouw is echter geen optelsom van deelonderwerpen. Het gebouw moet als een geheel functioneren zodat de deelonderwerpen op elkaar moeten worden afgestemd. Om de verschillende structuren goed op elkaar af te stemmen, gaan we in dit hoofdstuk na wat de ontwerpuitgangspunten voor de verschillende structuren zijn en hoe deze structuren elkaar beïnvloeden.

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 32

32

SE K ADE

RA K

TOF . HO P.C AT A STR

VIJZE

OM

TO

ER

OV

LSTR

AAT

S NA

AD UK SA

E

ROK

IN

GEL

DER

KE

PR IN SE NG IZE RA RS CH GR T HE AC RE HT NG RA CH SI T NG EL

De structuur van een gebouw is de wijze waarop het gebouw is samengesteld uit de verschillende componenten als de draagconstructie, het dak, de gevels, de binnenwanden enzovoort. Deze componenten zijn weer samengesteld uit verschillende materialen en onderdelen, die een substructuur vormen. De draagconstructie bestaat bijvoorbeeld uit kolommen, balken, vloeren en schijven. De structuur van de draagconstructie is de wijze waarop de constructiedelen zijn samengesteld tot een geheel. Zo kunnen we in een gebouw

Het gebouw maakt ook deel uit van een stad of een wijk en is dus ook een element van de stedenbouwkundige structuur. Zo kunnen we op verschillende niveaus structuren onderscheiden. Deze structuren beïnvloeden elkaar voornamelijk van groot naar klein (hiërarchisch): een structuur heeft invloed op de substructuren waaruit deze is samengesteld. De substructuren hebben echter vrijwel geen invloed op de hoofdstructuur. Eerst wordt een wijk ontworpen en dan pas de gebouwen. Door een nieuw gebouw verandert een wijk wel visueel maar niet structureel. De structuur van een wijk of stad heeft een lange levensduur. Vele steden hebben in het centrum een stratenpatroon, waarin de middeleeuwse oorsprong nog herkenbaar is, figuur 2.2. De middeleeuwse straten zijn niet berekend op het huidige verkeer, zodat het niet verwonderlijk is dat het verkeer vaak vastloopt. De levensduur van een structuur is gerelateerd aan het niveau. Hoe hoger het niveau hoe langer de levensduur. Het stratenpatroon van een stad gaat eeuwen mee. De gebouwen die aan de staten staan, worden soms na 100 jaar, maar de raamkozijnen in deze gebouwen worden soms al naar 20 jaar vervangen.

M

Het ontwerpen van een gebouw is complex omdat we met zeer veel verschillende factoren rekening moeten houden. Het oplossen van de bouwkundige problemen wordt eenvoudiger als we de structuur van het gebouw herkennen. Wat is nu de structuur van een gebouw? Vaak wordt de draagconstructie beschouwd als de structuur van het gebouw. Dat is echter een misverstand. De draagconstructie is slechts een deel van de structuur. Onder de structuur verstaan we de wijze waarop een samengesteld geheel is opgebouwd. De opbouw van bomen, van stam naar tak, twijg en blad, van groot naar klein, is kenmerkend voor de structuur van bomen, figuur 2.1.

verschillende substructuren onderscheiden: • de structuur van de gevels; • de draagconstructie; • de binnenwanden; • de installaties enzovoort.

DA

Inleiding

Figuur 2.1 Structuur van een boom

Figuur 2.2 Structuur van een stad

AN

RBA

TUU

CEN

PR

.H

EN

D KA RIK DE -

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 33

2 STRUCTUUR 33

2.1 Structuur van het gebouw

2.1.1 Structuren op gebouwniveau Op gebouwniveau kunnen we verschillende structuren onderscheiden: ◆ infrastructuur; ◆ bouwkundige structuur; ◆ structuur van de installaties.

Atriumgebouw Een voorbeeld van een renovatie waarbij alleen de draagconstructie behouden bleef is het kantoorpand ‘het Atriumgebouw’ in Amsterdam Z.O. Bij dit gebouw zijn behalve de gevels, binnenwanden en installaties ook delen van de vloeren verwijderd, zodat een gebouwhoog binnenplein ontstond. Hieraan ontleent het gebouw zijn naam.

◆ Infrastructuur Dit is het geheel van blijvende onroerende voorzieningen, zoals: • draagconstructie; • verkeersvoorzieningen als trappenhuizen en liftschachten; • specifieke ruimten als natte cellen en vluchtwegen; • installatieruimten en leidingschachten. ◆ Bouwkundige structuur Hiertoe behoren de omhullende en de scheidende elementen, oftewel: • gevels; • dakhuid; • plafonds; • verhoogde vloeren; • de scheidingswanden. ◆ Structuur van de installaties De installaties worden door verschillende specialisten ontworpen. We kunnen de volgende indeling maken: • verwarming en koeling; • transport (liften);

2

1

plattegrond

Figuur 2.3 Het Atriumgebouw in Amsterdam Z.O.

vide tijdens de uitvoering

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 34

34

• •

verlichting; communicatie (telefoon) en automatisering (computers); • aan- en afvoer van vloeistoffen (riolering, warm en koud water) en gassen (aardgas, ontluchting). 2.1.2 Structuur en levensduur Onder levensduur van een element verstaan we de periode dat een element aan de gestelde eisen voldoet. De levensduur van een element is gerelateerd aan de structuur waarvan het element deel uit maakt. De levensduur van de elementen van de infrastructuur is gelijk aan de levensduur van het gebouw. Het verwijderen van een deel van de draagconstructie is bijna niet mogelijk zonder ook het er op rustende gebouwdeel te slopen. De levensduur van de bouwkundige elementen kan kleiner zijn dan die van het gebouw mits deze elementen zo gedetailleerd zijn dat deze eenvoudig te verwijderen en te vervangen zijn.

Bij de renovatie van een gebouw wordt vaak ook de indeling gewijzigd. De niet-verplaatsbare scheidingswanden moeten bij een herindeling worden gesloopt. De levensduur van deze elementen is dus veel korter dan de levensduur van het gebouw. Deze elementen moeten daarom over een kortere periode worden afgeschreven. Een voorbeeld van een dergelijke renovatie wordt gegeven in figuur 2.3. Ook voor de installaties kunnen we weer op grond van de levensduur een onderscheid maken. Een deel van de installaties gaat even lang mee als de bouwkundige elementen. Andere delen worden sneller vervangen. De verlichting heeft een kortere levensduur dan de elektrische bedrading. De centrale-verwarmingsketel wordt sneller vervangen dan de cv-leidingen. Een gebouw wordt meestal afgeschreven over 50 jaar. Na enkele jaren zal het gebouw niet meer voldoen aan de gestelde eisen. Omdat het moeilijk is een gebouw zo te ontwerpen dat het over 50 jaar nog steeds voldoet, zullen veel gebouwen voortijdig worden gesloopt. Het verlies wordt beperkt door de afschrijving te faseren. De elementen van de installatie en bouwkundige structuur worden sneller afgeschreven dan de elementen van de infrastructuur.

2.2 Maatsystemen Gebouwen worden gemaatvoerd op een stelsel van maatlijnen, de systeemlijnen. Gebouwen worden meestal gebaseerd op een vierkant rooster (grid). De systeemlijnen staan dan loodrecht op elkaar en de afstanden tussen de systeemlijnen zijn in beide richtingen gelijk. De afstanden tussen de systeemlijnen kunnen ook per richting verschillen. Er ontstaat dan een rooster met een rechthoekig grid, figuur 2.4-1. De systeemlijnen kunnen elkaar ook met een kleinere hoek dan 90° snijden. Bij een rooster gebaseerd op de gelijkzijdige driehoek snijden de systeemlijnen elkaar onder een hoek van 60°, figuur 2.4-2. Bij een rond gebouw zullen vanuit het middelpunt radiale systeemlijnen worden getrokken. 2.2.1 Roosters Het stelsel van systeemlijnen wordt een rooster genoemd. We kunnen twee soorten roosters onderscheiden: • lijnroosters; • bandroosters.

In het beginstadium van het ontwerpproces worden de hoofdmaten van het gebouw vastgelegd op een lijnrooster. Bij het uitwerken zal meestal worden overgegaan op een bandrooster. Bij een lijnrooster worden de constructie-elementen met het hart op de snijpunten van de systeemlijnen geplaatst. De hart-op-hartafstanden van de constructie-elementen, zoals kolommen en wan-

1

orthogonaal bandrooster

Figuur 2.4 Systeemlijnen

2

bandrooster met o een hoek van 60

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 35

2 STRUCTUUR 35

1

2 5400 5050

350

290

190

5050 350

5400

350

A

B travee

( schaal 1:100 )

Figuur 2.5 Lijnrooster 5400

400

400

400

5400

400

hoekelement

200

200

Figuur 2.6 Bandrooster

den, worden traveematen genoemd, figuur 2.5. Bij een bandrooster worden met een dubbele lijn banden aangegeven waarbinnen de constructieve elementen worden geplaatst, figuur 2.6. De achterliggende gedachte van het bandrooster is

( schaal 1:100 )

dat de ruimten tussen de banden vrij blijven van constructieve elementen en door de gebruikers zonder belemmeringen kunnen worden ingedeeld en ingericht.

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 36

36

NEN 6000 onderscheidt drie planniveaus: • ruimteplan, figuur 2.7-1; • materiaalboxenplan, figuur 2.7-2; • streefmatenplan. Het ruimteplan is het functionele ontwerp. De maatvoering wordt bepaald met het ontwerprooster (3M) waarin de scheidingswanden met enkele lijnen en de constructieve elementen, zoals kolommen en stabiliteitswanden, met zones van 3M worden aangegeven, figuur 2.7-1. Het materiaalboxenplan wordt tijdens de definitieve ontwerpfase vervaardigd. Het bouwwerk wordt meer gedetailleerd en getekend op het 1M-basisrooster. De zones en lijnen uit het ruimteplan worden in materiaalbanden uitgewerkt, figuur 2.7-2. De plaats van de materiaalbanden worden in het basisrooster vastgelegd, figuur 2.8. Hiermee wordt tevens aangegeven binnen welke grenzen (materiaalbanden) de diktematen van de nog te kiezen constructies en materialen zich moeten bevinden.

18M

66M

69M

2.2.2 Modulaire coördinatie Bij het hiervoor geschetste gebruik van zowel een lijnrooster als van een bandrooster zullen de werkelijke afmetingen van de draagstructuur, gevelelementen en dergelijke pas bekend zijn als de betreffende elementen zijn berekend, de juiste afmetingen zijn bepaald en de knooppunten zijn gedetailleerd. Met andere woorden: de draagstructuur en gevelelementen moeten speciaal voor het desbetreffende gebouw worden ontworpen. Toepassing van uitwisselbare gestandaardiseerde industrieel vervaardigde producten (zogenoemde beslissingsontkoppelde producten) is niet mogelijk. In de NEN 6000 is het volgende vastgelegd: Het basismoduul M is 100 mm, een basisrooster is een raster waarvan de onderlinge afstand gelijk is aan het basismoduul. De multimoduul is 3M. Het ontwerprooster is een raster waarvan de onderlinge afstand gelijk is aan de multimoduul en dat ten opzichte van het basisrooster een halve moduul is versprongen, figuur 2.7.

27M

ruimteplan

27M

( schaal 1:200 )

14M

1

39M

35M

2

materiaalboxenplan

Figuur 2.7 Ruimteplan en materiaalboxenplan volgens NEN 6000

23M

( schaal 1:100 ) Bron: Handboek Modulair Bouwen

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 37

2 STRUCTUUR 37

Een streefmatenplan geeft aan wat bij de detaillering de streefmaten zijn van de bouwdelen en de aansluitingen. De plaats van het materiaal binnen de materiaalbanden wordt vastgelegd met een restmaat. Het Handboek Modulair Bouwen geeft voor de utiliteitsbouw de volgende bandbreedten, figuur 2.9: • 1M-banden voor lichte scheidingswanden; • 2M-banden voor lichte staalconstructies met HEA en kokerprofielen. Wordt rondom een restmaat van r = 10 mm aangehouden, dan is de maximale kolomafmeting 180 × 180 mm, figuur 2.9-1; • bij de 3M-band is de maximale kolomafmeting 280 × 280 mm. Deze bandbreedte kan ook voor stabiliteitswanden worden toegepast, figuur 2.9-2; • als stalen IPE-kolommen zullen worden toegepast, kan in de ene richting een bandbreedte van 2M en in de andere richting van 4M worden gekozen, figuur 2.9-3; 2M

hart band is hart 3M - rooster

1 M

2 M

3 M

4 M

6 M Figuur 2.8 Plaats materiaalbanden in het basisrooster Bron: Handboek Modulair Bouwen

3M 4M

r > 10 mm

2M

r > 10 mm

3M

2M

r > 10 mm

binnenwanden in het hart van de materiaalband

1

2M-band voor HEA en kokerprofielen

2

3M-band voor zwaardere kolommen

3

materiaalbox voor IPE-profielen

6M

4M

4M

r > 10 mm

6M

Figuur 2.9 Materiaalboxen voor

4

4M-band voor betonkolommen in verdiepingbouw

5

6M-band voor betonkolommen in hoogbouw

draagstructuren (skeletten) Bron: Handboek Modulair Bouwen

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 38

38

•

betonkolommen bij verdiepingbouw zullen in het algemeen afmetingen van 300 mm à 400 mm hebben. Bij een bandbreedte van 4M zijn de maximale kolomafmetingen 380 × 380 mm, figuur 2.9-4; • bij hoogbouw zullen de kolommen, zeker op de onderste verdiepingen, zwaarder worden. Een bandbreedte van 6M is hier aan te raden, figuur 2.9-5.

menband’, figuur 2.10-2. Bij een ter plaatse vervaardigde gevel kan het binnenblad tussen de kolommen worden geplaatst, terwijl de isolatie en de ‘regenjas’ voor de kolommen en vloeren langslopen. Van geprefabriceerde gevelelementen kan het binnenblad op de vloer worden geplaatst. Vloerconstructies zijn in de utiliteitsbouw meestal tussen de 200 en 300 mm dik. Met de zandcement

Voor lichte gevels kunnen we een gevelband van 2M toepassen die voor de draagconstructie langsloopt, figuur 2.10-1. Voor zwaardere gevels kiezen we de 4M-gevelband waarvan het hart samenvalt met de buitenste begrenzingslijn van de ‘kolom4M

r =35 of 55

1 r > 10 mm

materiaalbox voor betonvloer

4M

4M

2M - gevelband 1M

1

hart gevelband is buitenkant skeletband

2

materiaalbox voor paddestoelvloeren

1M

4M

2M

hart kolom is in twee richtingen hart 3M - ontwerprooster

3

2

Figuur 2.11 Materiaalboxen voor vloerconstructies

4M - gevelband

Figuur 2.10 Plaats gevelbanden in het basisrooster

materiaalbox voor betonvloeren op stalen balken Bron: Handboek Modulair Bouwen

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 39

2 STRUCTUUR 39

4M materiaalband 4M gevelband 18M

18M

54M = 5400

18M

kantoorruimte 5400x5400

54M = 5400 betonkolom 400x400 gevelelementen 18M

( schaal 1:100 )

Figuur 2.12 Maatvoering van een kantoorgebouw volgens de regels van de modulaire coördinatie (NEN 6000)

dekvloer blijft het vloerpakket binnen een 4Mgevelband, figuur 2.11-1. Bij grote overspanningen kan aan deze 4M-band aan de onderzijde een 1M-band worden toegevoegd. Dan is het mogelijk dubbel-T-liggers toe te passen of kolomplaten bij zogenaamde paddestoelvloeren, figuur 2.11-2. Een betonvloer op stalen balken is eveneens in deze 5M-band op te nemen, figuur 2.11-3. Volgens deze methodiek is in figuur 2.12 een gedeelte van een kantoorpand uitgewerkt. Voor kantoren wordt momenteel veelal een vertrekdiepte van 5,40 m (54M) en een gangzone van 1,80 m breed toegepast. Voor de werkplekken wordt een breedtemaat van 1,80 m (18M) aangehouden. Bij een indeling met lichte scheidingswanden gaat daar 0,10 m af zodat een effectieve maat van 1,70 m overblijft. We moeten opmerken dat dit volgens de Arbo-regels aan de krappe kant is vanwege een goede afstand tot het beeldscherm en zeer zeker voor de noodzakelijke bewegingsruimte voor gehandicapte werknemers. Te overwegen valt de werkplekken 2,10 m (21M) breed te maken. In een vroeg stadium moet met de opdrachtgever worden overlegd hoe de genoemde stramienverdeling

van de werkplekken (18M) wordt geplaatst ten opzichte van de kolombanden. Hiervoor staan ons twee manieren ter beschikking: • de stramienverdeling valt samen met het hart van de kolombanden. Eigenlijk wordt dan een lijnrooster toegepast, figuur 2.12. Het voordeel hiervan is dat de gevel ook modulair kan worden ingedeeld met standaard gevelelementen zonder onderbrekingen. De draagstructuur komt echter in de door de gebruiker gevraagde verblijfsruimten te staan. Dit kan een bezwaar zijn ten aanzien van de inrichting; • de stramienverdeling wordt geplaatst tussen de kolombanden. De vertrekken kunnen nu volledig modulair worden ingedeeld omdat de draagstructuur buiten de verblijfsruimten blijft. In een vroeg stadium kunnen de plafondindelingen met verlichtingsarmaturen, scheidingswanden, inrichtingen en dergelijke al worden bepaald onafhankelijk van de dimensionering van de elementen van de draagstructuur. Vooral voor laboratoria en dergelijke kan dit van belang zijn. Een nadeel is dat in de gevel voor de kolommen speciale gevelelementen moeten worden aangebracht, die terdege de architectuur van het gebouw beïnvloeden.

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 40

40

2.3 Zonering 2.3.1 Zones en marges Om de ruimten in een gebouw te ordenen kunnen we voor ruimten met een bepaalde functie zones reserveren. Een zone is een maatgebied, waarvoor specifieke afspraken worden gemaakt. In het gebouw worden zones gereserveerd voor de verblijfsgebieden en de verkeersgebieden. De verkeerszones zijn bestemd voor de gangen, trappen, hellingbanen en liften. De verblijfsgebieden worden bij voorkeur gesitueerd aan de gevels. Inpandige zones reserveren we voor ruimten waarin niet de gehele dag personen aanwezig zijn. Voorbeelden hiervan zijn de verkeerszones en de verblijfsruimten voor sanitair en archieven. Om de maat van een zone niet bij voorbaat definitief te begrenzen, introduceren we het begrip marge. Een marge is het verschil tussen de maximum- en de minimummaat van een zone. Zowel een zone als een marge wordt door maatlijnen begrensd. Een zone met de bijbehorende marge wordt een sector genoemd. In de marges worden vaak elementen geplaatst die de ruimte ‘bedienen’ zoals leidingen en constructie-elementen, figuur 2.13.

verblijfsgebied

zone marge

minimum

maximum

marge

2.3.2 De zonering Om gebouwen te kunnen analyseren, moeten we de gebouwen opdelen in één of meer gebouwdelen. Deze gebouwdelen kunnen ieder een eigen vorm en een eigen zonering hebben. De struc-

verkeersgebied

Figuur 2.13 Zones en marges

tuur van de zonering in een gebouwdeel is de wijze waarop in het gebouwdeel verkeerszones en verblijfszones zijn gereserveerd. De zonering is bepalend voor de infrastructuur en in het bijzonder voor de structuur van de draagconstructie van een gebouw of gebouwdeel. We kunnen voor gebouwen en gebouwdelen drie soorten zoneringen onderscheiden: de lineaire, de neutrale en de centrale zonering. 2.3.3 Lineaire zonering Een lineaire zonering is de meest eenvoudige zonering. Deze zonering wordt gekenmerkt doordat één richting (de hoofdinrichting) overheerst, figuur 2.14. De lengte van de zones in deze richting zijn in principe onbeperkt, zodat de lengte van het gebouw naar believen kan worden aangepast. De lineaire zonering kan zowel op een vierkant als op een rechthoekig rooster worden gebaseerd.

In het gebouwdeel worden zones onderscheiden voor de verblijfs- en de verkeersruimten. De verblijfsruimten kunnen ontsloten worden door: 1 een verkeerszone met aan één zijde een verblijfszone; 2 een verkeerszone met aan beide zijden verblijfzones; 3 een dubbele verkeerszone (dubbelcorridoorsysteem). 2.3.3.a Verkeerszone met aan één zijde een verblijfzone De meest eenvoudige structuur bestaat uit een zone voor de verblijfsruimten geflankeerd door een verkeerszone. Deze zonering wordt gekozen voor gebouwen als het beschikbare terrein smal is of als de verblijfsgebieden een bijzondere oriëntatie vergen. Ateliers zijn vaak op het noorden gericht zodat de dagverlichting gelijkmatiger is. Omdat kantoorvertrekken in verband met de dagverlichting en het uitzicht zelden dieper dan 5,40 m zijn, zijn kantoorgebouwen met een éénzijdige gang erg smal, figuur 2.14-1. 2.3.3.b Verkeerszone met aan twee zijden verblijfszones De zonering bestaat uit een inpandige verkeerszone geflankeerd door twee verblijfszones die aan de gevels liggen. Gebouwen met een dergelijke

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 41

2 STRUCTUUR 41

eerd hoeven te zijn. Gebouwen met een dergelijke zonering zijn vrij diep. Afhankelijk van de breedte van de middenzone is een gebouwdiepte van 20 tot 25 m mogelijk, figuur 2.14-3.

verblijfsgebied gang

1

eenzijdige gang

Vergeleken met de voorgaande typen zijn deze gebouwen efficiënt, omdat door de grote diepte de verhouding buitenoppervlakte-inhoud gering zal zijn.

verblijfsgebied gang verblijfsgebied

2

middengang verblijfsgebied gang

doorsnede

archief e.d. gang verblijfsgebied

2.3.4 Kruisende gebouwdelen met lineaire zones Twee kruisende gebouwdelen met lineaire zones kunnen op verschillende wijze op elkaar worden aangesloten. We onderscheiden: ◆ overlapping; ◆ afsnijding; ◆ verbinding.

plattegronden

3

dubbele gang

Figuur 2.14 Gebouwdelen met lineaire zonering

zonering zijn gezien de verhouding buitenoppervlakte-inhoud doorgaans efficiënter dan gebouwen met aan één zijde een verblijfszone. De diepte van een kantoorgebouw met middengang varieert tussen de 12 en 14 m, figuur 2.14-2. 2.3.3.c Dubbele verkeerszone De zonering bestaat uit twee verblijfszones aan de gevels en een inpandige verblijfszone. De drie verblijfszones worden verbonden met twee verkeerszones. Deze zonering wordt toegepast voor gebouwen met veel vertrekken die geen dagverlichting vergen en dus niet aan de gevel gesitu-

◆ Overlapping Op de plaats waar beide gebouwdelen elkaar overlappen ontstaat een tussengebied met een neutrale zonering. Dit gebied bevat de zonering van de beide gebouwdelen, figuur 2.15-1. ◆ Afsnijding Ter plaatse van de kruising wordt één van beide gebouwdelen (het nevengebouw) beëindigd en het andere gebouwdeel (het hoofdgebouw) doorgezet. Door het minder belangrijke gebouwdeel te beëindigen kan de architect het belang van het hoofdbouwdeel benadrukken, figuur 2.15-2.

t.p.v. kruising ontstaat een neutrale structuur

t.p.v. kruising wordt een van beide structuren beeindigd

t.p.v. kruising worden beide structuren beeindigd

1

2

3

overlapping

afsnijding

Figuur 2.15 Kruisende gebouwdelen met lineaire zonering

verbinding

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 42

42

◆ Verbinding Ter plaatse van de kruising worden beide gebouwdelen beëindigd en met een apart verbindingselement verbonden. Met het verbindingselement kunnen we ook willekeurige richtingveranderingen realiseren, figuur 2.15-3. 2.3.5 Neutrale zonering De neutrale zonering heeft twee of meer gelijkwaardige hoofdrichtingen. Is de zonering gebaseerd op een vierkant rooster, dan zijn er twee gelijkwaardige hoofdrichtingen. Is deze gebaseerd op een rooster met gelijkzijdige driehoeken, zeshoeken of achthoeken, dan zijn er meer dan twee gelijkwaardige hoofdrichtingen. Gebouwen met een neutrale structuur kunnen in verschillende richtingen ontwikkeld worden, zodat deze zonering zich goed leent voor gebouwen met complexe plattegronden. Evenals bij de lineaire zonering kunnen de verblijfsgebieden op verschillende wijzen ontsloten worden. Bij de neutrale zonering kunnen we opnieuw de éénzijdige verkeerszone, de midden verkeerszone tussen verblijfszones en de dubbele verkeerszone onderscheiden.

verblijfszone gangzone

patio

1

plattegrond verblijfsgebied gang

verblijfsgebied gang

patio

2

doorsnede

Figuur 2.16 Neutrale zonering met éénzijdige verkeerszone

Voorbeelden Gebouw met éénzijdige verkeerszone Als voorbeeld van een gebouw met een lineaire structuur met een enkele verblijfs- en verkeerszonering nemen we een gebouw met een patio. Het gebouw bestaat in eerste instantie uit vier gebouwdelen met een lineaire structuur met één verkeerszone en één verblijfszone. Op de vier hoeken overlappen de gebouwdelen elkaar zodat op deze kruisingen een neutrale zonering ontstaat. Het heeft voordelen om in het hele gebouw één type zonering toe te passen. We passen nu de neutrale structuur ook toe in de tussenliggende gebouwdelen. Hierdoor ontstaat een gebouw met een volledige neutrale structuur met aan de buitenzijde verblijfsgebieden en aan de patiozijde de verkeerszone, figuur 2.16. Gebouw met middenverkeerszone De neutrale structuur komt ook in aanmerking voor gebouwen met een patio en bouwdelen bestaande uit een verkeerszone met aan weerszijden verblijfszones, figuur 2.17. Gebouw met dubbele verkeerszone De neutrale structuur met een dubbele verkeerszone vinden we terug bij de gebouwen rond een middenkern. Deze gebouwen bestaan uit een inpandige middenkern die omringd wordt door een verkeerszone. Deze verkeerszone ontsluit de aan de gevel gelegen verblijfszone. Door de rondlopende gang zijn de loopafstanden tussen de werkplekken op een verdieping kort. Bovendien is de vloeroppervlakte dat aan de ramen grenst maximaal, figuur 2.18.

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 43

2 STRUCTUUR 43

verblijfszone gangzone verblijfszone

gangzone

verblijfszone

patio

doorsnede

1

enkele verkeerszone gangzone

1

kern

plattegrond

patio verblijfsgebied gang verblijfsgebied

2

verblijfsgebied gang verblijfsgebied

verblijfsgebied kern

doorsnede

Figuur 2.17 Neutrale zonering met middenverkeerszone

2.3.6 Centrale zonering De centrale zonering bestaat uit kringen die steeds verder van het middelpunt zijn verwijderd. Het rooster is gebaseerd op een stelsel van radiale en cirkelvormige lijnen. Gebouwen met een centrale zonering worden vaak toegepast voor bijeenkomstgebouwen. Op dezelfde wijze als bij de neutrale structuur onderscheiden we verkeerszones en verblijfszones in het gebouw, figuur 2.19.

doorsnede

2

dubbele verkeerszone in gebouw met kern

Figuur 2.18 Neutrale zonering met enkele en dubbele verkeerszone

2.4 Typologie van draagconstructies

kunnen we indelen naar de verschijningsvorm. Zo onderscheiden we, figuur 2.20: ◆ lineaire elementen; ◆ vlakke elementen; ◆ blokvormige elementen; ◆ ruimtelijke elementen.

2.4.1 Elementen Constructies zijn samengesteld uit verschillende elementen. Zo is bijvoorbeeld een raamwerk samengesteld uit balken en kolommen en een rooster is samengesteld uit balken. De elementen

◆ Lineaire elementen Lineaire elementen zijn elementen waarvan de breedte en hoogte veel kleiner zijn dan de lengte, zoals kolommen en balken. Een kolom wordt voornamelijk in de lengterichting belast. Een lig-

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 44

44

kolom

balk

ligger lineaire

kolom

1

blokv

ormig

plattegrond

ruim

kern

poer

vlakke

verblijfsgebied kern

e

telijk

e

platen

gang

2

schijf

lijnvormig ondersteund puntvormig ondersteund

doorsnede

Figuur 2.19 De centrale structuur

schijven

wand

Figuur 2.20 Typologie elementen

ger is een lineair constructie-element dat voornamelijk loodrecht op de lengteas wordt belast, zoals een balk. ◆ Vlakke elementen Bij een vlak element is de dikte veel kleiner dan de lengte en de breedte, zoals een plaat of een schijf. Een plaat is een vlak element dat voornamelijk loodrecht op het vlak wordt belast. Platen kunnen lijnvormig en/of puntvormig ondersteund worden. Een plaat, lijnvormig ondersteund langs twee tegenoverliggende zijden, spant slechts in één richting. Deze plaat kan als ligger worden geschematiseerd. Een plaat, ondersteund langs alle randen, spant in beide (hoofd)richtingen. Een schijf is een vlak element dat voornamelijk evenwijdig in het vlak belast wordt. Een schijf kan zowel horizontaal als verticaal worden geplaatst. Een wand is een schijf die voornamelijk verticaal belast en over de gehele lengte ondersteund wordt. Wordt de wand slechts plaatselijk door kolommen of funderingspalen ondersteund, dan spreken we van een wandligger. De wand zal als een ligger de belasting naar de steunpunten afdragen.

◆ Blokvormige elementen Bij blokvormige elementen zijn de lengte, breedte en hoogte van dezelfde orde van grootte. De elementen zijn meestal als gedrongen liggers te schematiseren. Voorbeelden van blokvormige elementen zijn consoles en poeren ondersteund door palen. Een ligger kan als een gedrongen ligger worden beschouwd als de overspanning kleiner is dan twee maal de hoogte van de ligger. ◆ Ruimtelijke elementen Ruimtelijke elementen zijn meestal samengesteld uit vlakke en lineaire elementen. Een kern bijvoorbeeld is een uit schijven en platen samengesteld element. 2.4.2 Skeletvormen Een skelet voor een gebouw wordt samengesteld uit verticale elementen als kolommen, schijven, wanden en kernen en elementen als platen en balken. Balken worden bij vloeren horizontaal en bij daken ook hellend toegepast. De vloer- en dakconstructies zijn in twee hoofdgroepen in te delen, namelijk de draagconstructies die de belasting in één richting en die de belasting in twee of meer richtingen afdragen.

06950521_H02

22-11-2005

12:45

Pagina 45

2 STRUCTUUR 45

richtingen vrijwel gelijk zijn. Bij een rechthoekige plaat ondersteund door randbalken wordt, als de grootste overspanning tweemaal zo groot is als de kortste overspanning, 75% van de belasting via de kortste overspanning afgedragen. Hierdoor kan deze plaat min of meer als een alleen via de kortste overspanning afdragende plaat worden beschouwd.

2.4.2.a In één richting spannende draagconstructies De in één richting spannende draagconstructies bestaan uit vloer- of dakelementen die in één richting spannen en in één richting de belasting afdragen. Loodrecht op de overspanning worden de vloer of dakelementen lijnvormig ondersteund door wanden of door balken en kolommen. De platen kunnen worden ondersteund met wanden of met kolommen en wanden. Voor een rechthoekig gebouw met in één richting spannende platen kunnen we de volgende skeletvormen onderscheiden: • kolommenskelet met dwarsbalken, figuur 2.21-1; • kolommenskelet met langsbalken, figuur 2.21-2; • skelet met dwarswanden, figuur 2.21-3; • skelet met langswanden, figuur 2.21-4.

Voor een rechthoekig gebouw met in één twee richtingen spannende platen kunnen we de volgende skeletvormen onderscheiden: • kolommenskelet met puntvormig ondersteunde platen, figuur 2.22-1; • kolommenskelet met platen die zowel in de langs- als in de dwarsrichting door balken ondersteund worden, figuur 2.22-2; • skelet met platen die zowel in de langsrichting als in de dwarsrichting ondersteund worden met wanden, figuur 2.22-3.

2.4.2.b In twee richtingen spannende draagconstructies De in twee richtingen spannende draagconstructies bestaan uit vloer- of dakelementen die puntvormig of langs alle zijden lijnvormig worden ondersteund. Een lijnvormige ondersteuning bestaat uit wanden of uit kolommen en balken. Bij een puntvormige ondersteuning worden de vloer- of dakelementen alleen door kolommen ondersteund. Om de belasting in beide richtingen evenredig af te dragen, moeten de overspanningen in beide

1

2

2.4.3 Vloeren Een vloer is altijd een constructief element. Daarnaast zal de vloer ook de scheiding zijn tussen twee boven elkaar gelegen verdiepingen, zodat aan de vloer geluidwerendheids- en brandwerendheidseisen kunnen worden gesteld. In principe kunnen we drie soorten vloeren onderscheiden:

3

kolommenskelet met dwarsbalken

kolommenskelet met langsbalken

Figuur 2.21 In één richting afdragende constructies

4

skelet met langswanden

skelet met dwarswanden

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 46

46

2

1

kolommenskelet met langsen dwarsbalken

kolommenskelet met puntvormig ondersteunde platen

3

skelet met dwarsen langswanden

Figuur 2.22 In twee richtingen afdragende draagconstructies

• •

vlakke vloeren, figuur 2.22-1; vloeren met balken in één richting, figuur 2.21-1 en 2.21-2; • vloeren met balken in twee richtingen, figuur 2.22-2. De materiaalkeuze bepaalt vaak ook het type vloer. Een staal-betonvloer en een geprefabriceerde vloer moeten door balken worden ondersteund. Alleen bij een gestorte betonvloer hebben we de keuze de vloer als vlakke vloer of met balken uit te voeren. In hoofdstuk 5 Verdiepingbouw wordt dit verder uitgewerkt. De beschikbare uitvoeringstijd kan invloed hebben op de materiaalkeuze. Bijvoorbeeld met staalbetonvloeren en met een geprefabriceerde constructie is het mogelijk een kortere bouwtijd te realiseren dan met een gestorte vloer. Bouwfysische eisen kunnen ook een rol spelen. Stellen we hoge eisen aan de geluidswering van de vloer, dan zal een zware monoliete betonvloer eerder in aanmerking komen dan een lichte staalbetonvloer. Ook de plaats van de leidingen kan invloed hebben op de keuzen dan het vloertype. Worden er kanalen met een grote diameter boven een verlaagd plafond aangebracht, dan is een vlakke

plaatvloer het overwegen waard. Als bij een balkenvloer de leidingen en kanalen de balken kruisen, kunnen deze, als de doorsnede van de leidingen en kanalen niet te groot is, via sparingen door de balken worden gevoerd. Is de doorsnede te groot voor een sparing, dan moeten de kanalen onder de balken worden gemonteerd. De hoogte tussen verlaagd plafond en onderkant vloer wordt dan bepaald door de balkhoogte en de hoogte van de kanalen. Hierdoor kan de totale verdiepinghoogte toenemen, hetgeen meer geveloppervlakte vergt en de bouwkosten doet toenemen. Een balkenvloer heeft ook voordelen: de balken verstijven de vloer zodat steenachtige scheidingswanden op de balken kunnen worden geplaatst. Bovendien kunnen scheidingswanden aansluiten op de onderzijde van de balken. Dit maakt de constructieve bevestiging, de brand- en de geluidswering eenvoudig.

2.5 Ontwerp van de draagconstructie Bij het ontwerpen van de draagconstructie zal in eerste instantie moeten worden bepaald waar de steunpunten kunnen worden geplaatst, welk type skelet en welke soort overspanningsconstructie het meest in aanmerking komt.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 47

2 STRUCTUUR 47

2.5.1 Kolommen- of wandenskelet De keuze tussen wanden of kolommen hangt van het gebouwtype af. Scheidingswanden die gedurende de geplande levensduur nooit verwijderd zullen worden, kunnen goed constructief benut worden. Bij de utiliteitsbouw hechten we meestal grote waarde aan een flexibele indeling. De scheidingswanden kunnen dan geen deel uitmaken van de draagconstructie. De voorkeur wordt gegeven aan een kolommenskelet of een skelet met dragende gevels, zodat de indeling van de ruimten later gewijzigd kan worden. Voor woningen prefereren we doorgaans het wandenskelet. Zware constructieve woningscheidende wanden zijn bovendien voor de luchtgeluidswering minder gevoelig voor uitvoeringsfouten dan lichte wanden. Aardbevingsgebieden In aardbevingsgebieden kiezen we soms ook voor woningbouw voor een kolommenskelet met tussen de kolommen geplaatste zware niet-dragende scheidingswanden. Deze zware scheidingswanden worden zo geconstrueerd dat als bij een aardbeving de kolommen zouden bezwijken deze wanden de belastingen af kunnen voeren naar de fundering. Deze scheidingswanden functioneren als een tweede draagweg. Hierdoor neemt de veiligheid toe.

2.5.2 Plaats van de steunpunten De plaats van de steunpunten zal zo moeten worden gekozen dat het gebruik van de ruimten niet wordt belemmerd. In het gebouw zullen voor alle ruimten de minimale steunpuntafstanden moeten worden bepaald. In het gebouw kunnen dan zones worden aangegeven waarin geen steunpunten mogen worden geplaatst. In veel gevallen zullen in de verblijfszones geen steunpunten worden geaccepteerd. De steunpunten mogen dan alleen in banden tussen de verblijfszones en de gevel- en de verkeerszones geplaatst worden. De plaats van de steunpunten bepaalt de overspanning van de vloer- of de dakconstructie. Er zal worden gestreefd naar een beperking van het aantal verschillende overspanningen. Oftewel er wordt gezocht naar steunpuntafstanden die voor zo veel mogelijk ruimten acceptabel zijn. Voor de kleinste ruimten zullen grotere overspanningen worden toegepast dan

uit de minimale afmetingen zouden volgen. De eenvoudigste oplossing vinden we door de grootste gewenste steunpuntafstand in het gehele bouwdeel toe te passen. Hoe groter de overspanning, hoe zwaarder de constructie moet worden gedimensioneerd. Als de gewenste steunpuntafstanden sterk verschillen kan men beter twee of meer verschillende steunpuntafstanden kiezen. De steunpunten en de overspanningen worden bepaald door de zonering. Voor de lineaire, de neutrale en de centrale zonering zal worden bekeken waar de steunpunten geplaatst en in welke richting de platen en de eventuele balken kunnen worden gelegd. 2.5.3 Overspanningsconstructies voor gebouwen met een lineaire zonering De lineaire zonering wordt gekenmerkt door de zonering in de hoofdrichting. De steunpunten worden in de dwarsrichting bij voorkeur geplaatst in de marges bij de gevels en tussen de verblijfszones en de circulatiezones. In de langsrichting worden de afstanden tussen de steunpunten bepaald door de overspanningen van de vloer- en gevelconstructie en de breedten van de vertrekken. Zijn de steunpuntafstanden in beide richtingen vrijwel gelijk, dan kunnen zowel draagconstructies met in twee richtingen spannende platen als met in één richting spannende platen worden toegepast. Voor gebouwen met een ongelijke steunpuntafstand gaat de voorkeur uit naar draagconstructies met in één richting spannende platen, balken en wanden.

We onderscheiden de constructies met: ◆ balken of wanden dwars op de hoofdrichting; ◆ balken of wanden evenwijdig aan de hoofdrichting; ◆ balken of wanden zowel in de dwars- als in de langsrichting; ◆ puntvormig ondersteunde platen. ◆ Dwarsbalken of dwarswanden De balken spannen in de dwarsrichting en de dak- en vloerplaten spannen in de langsrichting, figuur 2.23-1. De kolommen worden in de gevel geplaatst. Zonodig worden, om de overspanningen te verkleinen, in de marges tussen de verkeerszones en verblijfsgebieden tussensteunpunten geplaatst.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 48

48

◆ Langsbalken of langswanden De balken spannen in de langsrichting en de daken vloerplaten spannen in de dwarsrichting, figuur 2.23-2. De constructie met langsbalken of langswanden heeft als voordeel dat de leidingen evenwijdig aan de langsrichting geen balken of wanden passeren. ◆ Dwars- en langsbalken De platen worden in beide richtingen ondersteund door dwars- en langsbalken, figuur 2.23-3. Het ondersteunen van de platen met dwars- en langsbalken levert alleen een reductie van de plaathoogte op als de overspanningen in beide richtingen vrijwel gelijk zijn. Omdat deze constructie ter plaatse van de balken stijf is, leent deze construc-

1

dwarsbalken

2

langsbalken of -wanden

tie zich goed voor een invulling met zware nietdragende scheidingswanden, mits deze op de balken worden geplaatst. ◆ Puntvormig ondersteunde platen De platen worden alleen op de hoekpunten ondersteund, figuur 2.23-4. De constructie is vrij slap, zodat in deze constructie bij voorkeur alleen lichte niet-dragende scheidingswanden worden geplaatst. De vlakke platen verhogen de indelingsvrijheid. Bovendien wordt het leidingenverloop nergens gehinderd door balken. 2.5.4 Draagconstructies voor gebouwen met een neutrale zonering Voor een gebouw met een neutrale zonering

3

vierzijdig ondersteunde platen

Figuur 2.23 Draagconstructies voor gebouwen met een lineaire zonering

4

puntvormig ondersteunde platen

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 49

2 STRUCTUUR 49

de afstand van het centrum toeneemt. Omdat de platen worden gedimensioneerd op de grootste overspanning is deze constructie niet efficiënt, figuur 2.25-1. De overspanning van de platen kan worden gereduceerd door op een zekere afstand van het centrum extra balken toe te voegen. Hiermee wordt de overspanning van de platen gereduceerd. Een efficiëntere oplossing wordt gevonden met platen die radiaal spannen. Deze platen kunnen worden ondersteund door tangentiële balken, figuur 2.25-2. Een neutrale constructie ontstaat als de vloerplaten alleen puntvormig worden ondersteund. De kolommen zullen bij voorkeur op één of meer constante afstanden van het middelpunt geplaatst worden.

geven we de voorkeur aan in twee richtingen spannende draagconstructies. Beide hoofdrichtingen zijn bij een in twee richtingen spannende constructie even belangrijk, zodat deze constructies de expressie van de neutrale zonering versterken. Bovendien kan met een in twee richtingen spannende constructie het overlappend gebied van kruisende gebouwdelen met dezelfde draagconstructie uitgevoerd worden als de aansluitende gebouwdelen. We onderscheiden de constructies met: • balken in twee richtingen, figuur 2.24-1; • puntvormig ondersteunde vloeren, figuur 2.24-2; • in één richting spannende platen, figuur 2.24-3 en 2.24-4. 2.5.5 Centrale structuur De draagconstructie van een centrale structuur zou kunnen bestaan uit platen ondersteund door radiale balken. Een nadeel van deze draagconstructie is dat de overspanning van de platen met

2.5.6 Steunpuntafstanden Nadat onderzocht is waar de steunpunten functioneel kunnen worden geplaatst, volgt de vraag welke mogelijke steunpunten zullen worden

1

vierzijdig ondersteunde platen

2

puntvormig ondersteunde platen

3

een richting spannende platen

4

een richting spannende platen overlappingszone = vierzijdig ondersteund

Figuur 2.24 Constructies voor gebouwen met een neutrale zonering

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 50

50

1

constructie met radiale balken

2

constructie met tangentiële balken

Figuur 2.25 Constructies voor gebouwen met een centrale zonering

benut. Plaatsen we overal een kolom of wand waar dat functioneel mogelijk is, dan zal het gebouw moeilijk herindeelbaar zijn. Worden alleen kolommen in de gevel geplaatst, dan is het gebouw zeer flexibel indeelbaar. Het nadeel is echter dat de grote overspanningen veel materiaal en een grote constructiehoogte vergen. Nadat de plaats van de steunpunten met de opdrachtgever en architect definitief is vastgesteld, zal moeten worden bepaald hoe de overspanningen moeten worden gerealiseerd: met dwarsbalken, met langsbalken of zonder balken. We kunnen dan zeer veel varianten ontwikkelen waaruit een keuze moet worden gemaakt. Selectiecriteria zijn onder andere: • de flexibiliteit; • de kosten; • de mogelijkheid om grote sparingen voor bijvoorbeeld trappen te kunnen maken; • het leidingenverloop; • de standzekerheid; • de verschijningsvorm. Deze selectiecriteria worden zo vroeg mogelijk in het ontwerpproces ingebracht, opdat het aantal varianten kan worden beperkt. Voorbeeld Voor een kantoorgebouw met drie verdiepingen moet de plaats van de steunpunten worden bepaald. Het gebouw heeft een lineaire zonering, bestaande uit twee kantoorzones

met een breedte van 4,8 m waartussen een verkeerszone van 2,4 m is gelegen, figuur 2.26. In verband met de flexibiliteit wenst de opdrachtgever geen wanden maar een kolommenskelet. De kolommen mogen alleen in de gevel en tussen de kantoor- en verkeerszone worden geplaatst. Er zijn in de dwarsrichting drie varianten mogelijk: • kolommen in de gevels en aan beide zijden van de gang, de overspanningen zijn: 4,8 - 2,4 - 4,8 m; • kolommen in de gevels en aan één zijde van de gang, de overspanningen zijn: 4,8 - 7,2 m; • alleen kolommen in de gevels, de overspanning is 12 m. Voor deze drie varianten zijn drie soorten constructies te bedenken, namelijk met dwarsbalken, langsbalken of als vlakke plaatvloer. In de langsrichting zijn ook verschillende kolomafstanden mogelijk, bijvoorbeeld op een afstand van 2,4 m, of 4,8 m. We kunnen dan 3 × 3 × 2 varianten ontwikkelen. Deze varianten kunnen vervolgens voor de constructiematerialen beton en staal verder worden uitgewerkt. In principe zijn alle getekende varianten te realiseren. Op grond van criteria als materiaalkeuze, vloersparing voor de trap, indelingsvrijheid, kosten, vormgeving, situatie, standzekerheid wordt een variant geselecteerd.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 51

A

dwarsbalken

B

langsbalken

C

balkloos puntvormig

2 STRUCTUUR 51

1

plattegronden

4,8

2

2,4

4,8

7,2

4,8

12,0

doorsnedes dwarsbalken

Figuur 2.26 Ontwerp van draagconstructies voor een gebouw met een lineaire structuur

2.5.7 Grote en kleine overspanningen In een gebouw met veel verschillende functies is het mogelijk dat voor sommige functies grote kolomvrije ruimten en voor andere functies veel kleinere kolomvrije ruimte nodig zijn. Er zijn nu twee mogelijkheden: 1 plaats ook de kleinere ruimten in gedeelten met een grote overspanning. De overspanningen in het gehele gebouw worden gebaseerd op de

grootste kolomvrije ruimte. De kleinere ruimten worden in de grote ruimte geplaatst; 2 we maken twee of meer verschillende gebouwdelen met een aparte overspanningsconstructie. Deze gebouwdelen kunnen naast elkaar of op elkaar gelegen zijn.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 52

52

1

kantoor in hal

2

kantoor naast hal

Figuur 2.27 Fabrieksruimte met nevenruimten

2.5.7.a Klein in groot We baseren de overspanningen op de grootste kolomvrije ruimten. De ruimten met kleinere overspanningen worden in de ruimten met de grote overspanning geplaatst. Deze oplossing komt in aanmerking als de belangrijkste ruimten een grote overspanning vergen en slechts enkele ruimten een kleine overspanning vragen. In een fabriek zullen naast de productieruimten met grote overspanningen ook ruimten voor bijvoorbeeld de administratie, de kantine en derge-

1

lijke nodig zijn. Deze kleinere vertrekken kunnen als units in de fabriekshal geplaatst worden, figuur 2.27. De constructie is eenvoudig en het gebouw is flexibel, want de units kunnen gemakkelijk verplaatst worden. Deze oplossing heeft als nadeel dat de draagconstructie voor de hal niet tot zijn recht komt boven de units. Verder heeft deze oplossing als nadeel dat de units meestal een andere dagverlichting vergen dan de productiehal zodat de gevel moet worden aangepast.

gemeenschappelijke kolommen

Figuur 2.28 Aansluiting tussen twee naast elkaar gelegen bouwdelen

2

naast elkaar staande bouwdelen

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 53

2 STRUCTUUR 53

2.5.7.b Opdeling in verschillende gebouwdelen Worden ruimten met een gelijksoortige bestemming onder in verschillende gebouwdelen gebracht, dan hebben we de keuze deze gebouwdelen naast elkaar of op elkaar te plaatsen.

Naast elkaar gelegen constructies Bij de ontmoeting van naast elkaar gelegen constructies zijn de volgende oplossingen mogelijk: • de constructies sluiten op elkaar aan, figuur 2.28-1. In het overgangsgebied dragen de constructies af op gemeenschappelijke steunpunten. Deze oplossing is alleen mogelijk als de kolomafstanden van de aansluitende constructies op elkaar afgestemd zijn; • de constructies staan naast elkaar, tussen beide constructies ligt een overgangszone, figuur 2.28-2. Deze oplossing zal worden toegepast als de kolomafstanden van de aansluitende constructies verschillen. De overgangszone kan klein zijn, bijvoorbeeld ter grootte van een dilatatievoeg, of zo groot zijn dat deze zelfs een eigen constructie vergt. Op elkaar gelegen constructies Bij verdiepingbouw kunnen verschillende structuren boven elkaar gelegen zijn. De ontwerper van de draagconstructie moet er dan voor zorgen dat de krachten uit de draagconstructie van de bovenste structuur via de onderste constructie worden afgeleid naar de fundering.

1

tafelconstructie

Figuur 2.30 Overgangsconstructies

2

hangconstructie

Figuur 2.29 Dakopbouw met kolomvrije ruimten

Gebouwdeel met grote overspanning op gebouwdeel met kleinere overspanningen De eenvoudigste oplossing ontstaat als de ruimten met de grote overspanning boven de ruimte met kleinere overspanningen worden geplaatst en de steunpunten van de bovenste constructie op de steunpunten van de onderste verdiepingen rusten. De steunpuntafstand van de bovenverdieping moet wel een veelvoud zijn van de steunpuntafstand van de onderliggende verdiepingen. De belasting uit de bovenverdieping kan dan namelijk rechtstreeks naar de steunpunten van de onderliggende verdiepingen afgevoerd worden. Voor de kantine van een kantoorgebouw, waarin personeelsfeesten en presentaties moeten kunnen worden gehouden, wenst men bijvoorbeeld een kolomvrije ruimte ter breedte van het gebouw. De kantine kunnen we nu in de dakopbouw onderbrengen. Met de dakconstructie kunnen we betrekkelijk eenvoudig de gehele gebouwbreedte overspannen. Het dak wordt dan alleen ter plaatse van de gevelkolommen ondersteund, figuur 2.29.

3

bovenbouw door onderbouw

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 54

54

1

2

3

4

Figuur 2.31 Gebouw met onderdoorgang

Gebouwdeel met kleine kolomafstanden op gebouwdeel met grote kolomafstanden Bij verdiepinggebouwen wenst men soms op de begane grond ruimten met grote overspanningen. Als de kolomafstanden van de verdiepingen kleiner zijn dan de kolomafstanden op de begane grond, moeten de krachten uit bovenliggende verdiepingen met een speciale overgangsconstructie naar de steunpunten op de begane grond worden afgevoerd. Bij een groot aantal verdiepingen zijn de belastingen op de overgangsconstructie soms zo groot dat de benodigde constructiehoogte voor de overgangsconstructie gelijk is aan een verdiepinghoogte. De ruimte tussen de constructie-elementen kan dan bijvoorbeeld gebruikt worden als installatie- en leidingruimte, figuur 2.30-1. De overgangsconstructie kan in plaats van in de verdieping boven de begane grond ook ter plaatse van het dak worden opgenomen. De vloeren van de verdiepingen worden opgehangen aan de constructie op de bovenste verdieping, zodat de begane grond kolomvrij kan worden uitgevoerd. De resterende constructie-elementen op de begane grond zijn de kernen en schijven, waarmee de totale verticale en horizontale belasting op het gebouw worden afgevoerd, figuur 2.30-2. De kolommen van de bovenste constructie kunnen ook door de onderliggende constructie heen prikken, figuur 2.30-3. Bij het beursgebouw in Rotter-

dam werd boven op het bestaande beursgebouw een verdiepinggebouw gepland. De kolommen en kern van de bovenbouw prikken door het dak en de onderliggende ruimten naar de fundering. Het bestaande beursgebouw had al een eigen draagconstructie en draagt dus geen belasting af op de kolommen en kern van de nieuwe bovenbouw. Voorbeeld Voor een gebouw met onderdoorgang komen de volgende oplossingen in aanmerking: 1 de boven de kolomvrije ruimte gelegen verdiepingen worden met dezelfde grote overspanning uitgevoerd als de kolomvrije ruimte op de begane grond, figuur 2.31-1. Deze oplossing heeft als voordeel dat er geen zware overgangsconstructie nodig is om de belastingen uit de verdiepingen af te dragen. Het nadeel van deze oplossing is dat de constructie op iedere verdieping tamelijk zwaar is. Deze oplossing komt in aanmerking als de benodigde constructiehoogte zo klein is dat de verdiepinghoogte niet vergroot hoeft te worden; 2 de kolommen van de boven de kolomvrije ruimte gelegen verdiepingen staan op een zware balk, die boven de kolomvrije ruimte is gelegen, figuur 2.31-3;

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 55

2 STRUCTUUR 55

3 we kunnen de kolommen van de boven de kolomvrije ruimte gelegen verdiepingen ook ophangen aan een zware dakbalk, figuur 2.31-2; 4 in de gevels van de verdiepingen boven de kolomvrije ruimte kunnen we ook vakwerken aanbrengen, die de belastingen uit deze verdiepingen naar de naast de kolomvrije ruimte gelegen kolommen afdragen, figuur 2.31-4.

2.6 De constructie en de leiding- en verkeersruimten Naast de draagconstructie behoren de verkeersvoorzieningen als trappenhuizen, liftschachten en vluchtwegen en de specifieke ruimten als natte cellen, installatieruimten, leidingruimten en leidingschachten tot de infrastructuur. De plaats waar deze elementen in of naast het gebouw worden geplaatst, is kenmerkend voor het ontwerp van het gebouw en heeft consequenties voor de draagconstructie. Als de schachten geschikt zijn om de horizontale belastingen af te voeren, kan de constructie ook lichter worden gedimensioneerd. Bij het ontwerpen van de schachten zijn zowel de functionele als constructieve aspecten belangrijk.

1

leidingkokers langs de gevel

2

kruipruimte onder de gehele begane grondvloer

Figuur 2.32 Leidingkokers in kruipruimten

De leidingen en de verkeersvoorzieningen vergen horizontale en verticale doorgaande ruimten in het gebouw. Verticale leidingruimten zijn de trappenhuizen, de lift- en de leidingschachten. Voor de horizontale leidingen worden ruimten onder verhoogde vloeren, boven plafonds en in de gevels gemaakt. In niet-onderkelderde gebouwen worden leidingen vaak ondergebracht in een kruipruimte onder de begane grond, figuur 2.32. 2.6.1 Horizontale leidingruimten De horizontale leidingen en de daarvoor gereserveerde ruimten kunnen van invloed zijn op het ontwerp van de draagconstructie. De ruimtebehoefte voor horizontale leidingen hangt af van het aantal schachten. Hoe meer verticale leidingschachten in een gebouw aanwezig zijn, hoe minder horizontale leidingen nodig zijn. Traditioneel wordt door middel van een verlaagd plafond in de gang een doorlopende leidingruimte gemaakt voor de hoofdverdeelleidingen, figuur 2.33-1. De kabels en leidingen kunnen onder een verhoogde vloer, boven een verlaagd plafond en in de gevels worden geplaatst. Een leidingruimte boven een verlaagd plafond is zeer geschikt voor de kabels van de basisverlichting, de sprinklers en de luchtkanalen, figuur 2.33-2.

( schaal 1:100 )

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 56

56

Een leidingruimte onder een verhoogde vloer is zeer geschikt voor de kabels voor de telecommunicatie, de werkplekverlichting en het computernetwerk, figuur 2.33-3. Een leidingruimte in de gevel is zeer geschikt voor de luchtkanalen, de telecommunicatie, de werkplekverlichting en de kabels voor het computernetwerk, mits het kantoor niet diep is en de meeste werkplekken aan de gevel gesitueerd zijn, figuur 2.33-4. Daar de scheidingswanden meestal verplaatsbaar moeten zijn, worden in deze wanden voornamelijk kabels voor elektra, telecommunicatie en het computernetwerk opgenomen.

Plaatsing leidingen Zouden we in een kantoorgebouw alle leidingen kabels en kanalen boven een verlaagd plafond plaatsen, dan moeten voor de werkplekverlichting, de telecommunicatie en het computernetwerk sparingen in de vloer worden aangebracht om de werkplek vanuit de vloer te kunnen bedienen. Worden alle kabels, kanalen en leidingen onder een verhoogde vloer gesitueerd, dan zullen voor de luchtkanalen, de sprinkler en de basisverlichting sparingen in de onderliggende vloer moeten worden gemaakt. Al deze genoemde vloersparingen zijn niet bevorderlijk voor de brandwerendheid van deze vloeren.

Bij kantoren die per verdieping worden verhuurd, zullen de leidingen vanuit de gehuurde verdieping bereikbaar moeten zijn. Zo kan een gehuurde verdieping worden ingericht, zonder de

1

leidingruimte in de gangzones

3

leidingruimte onder verhoogde vloer

2

leidingruimte boven verlaagd plafonds

4

leidingruimte aan gevel

Figuur 2.33 Leidingruimten

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 57

2 STRUCTUUR 57

boven- of onderburen lastig te vallen voor het installeren van kabels en leidingen. Daar sommige voorzieningen beter onder een verhoogde vloer of boven een verlaagd plafond kunnen worden ondergebracht, worden deze kantoren bij voorkeur zowel met een verlaagd plafond als een verhoogde vloer uitgevoerd. Deze oplossing vergt een grotere verdiepinghoogte en daardoor een grotere investering. In een ondiep kantoor zou in plaats van onder een verhoogde vloer ook leidingen in de gevel kunnen worden geplaatst. Boven het verlaagd plafond zouden de sprinkler, de basisverlichting en de afzuigkanalen kunnen worden geplaatst. In de gevel zouden de luchtinblaaskanalen, de telecommunicatie en de werkplekverlichting kunnen worden geplaatst. 2.6.2 Verticale verkeers- en leidingvoorzieningen Voor de trappenhuizen, lift- en leidingschachten moeten in de vloeren sparingen worden gemaakt. Kleine sparingen kunnen in de vloer eventueel met extra wapening of een raveelconstructie worden gerealiseerd. Voor grote sparingen zijn extra steunpunten nodig. Dit kunnen kolommen of wanden zijn. Deze elementen behoren dan tot de draagconstructie. De plaats van een schacht in het gebouw wordt uiteraard bepaald door functionele aspecten, maar ook door de schorende constructieve functie ervan. De wanden van de schachten zullen dragend worden uitgevoerd als: • de sparingen in de vloeren zo groot zijn dat de vloer met extra steunpunten ondersteund moet worden; • de schachtwanden in de draagconstructie nodig zijn als kern of schijf om de horizontale belastingen af te dragen; • de schacht als een zelfstandig element naast de constructie geplaatst wordt.

Een schacht kan alleen dragend uitgevoerd worden als deze op alle verdiepingen aanwezig is. Hierdoor kunnen de belastingen naar de fundering worden afgevoerd. Als voor de schachtwanden zware steenachtige materialen worden gekozen om aan geluidsweringseisen of aan de brandwerendheidseisen te voldoen, dan kan dit een reden zijn de wanden dragend uit te voeren. De door sparingen verzwakte vloer hoeft dan niet de belasting van de wanden te dragen. Wil de architect bijvoorbeeld

voor liften doorzichtige schachtwanden, dan worden deze niet-constructief uitgevoerd. Eerst gaan we na waar de trappenhuizen, de liften en de leidingschachten functioneel in het gebouw kunnen worden geplaatst. Vervolgens wordt nagegaan hoe deze elementen in de constructie kunnen worden opgenomen en of deze dragend of niet-dragend uitgevoerd moeten worden. Ten slotte wordt bekeken of een dragende schacht ook als schorend element de standzekerheid van de constructie kan verzorgen. 2.6.3 Trappenhuizen Om de meest economische loopafstanden te verkrijgen, zullen de trappenhuizen zo centraal mogelijk in de plattegrond worden opgenomen. In een gebouw met veel verdiepingen heeft de trap slechts een secundaire functie. In eerste instantie wordt de lift genomen, alleen voor kleine hoogteverschillen neemt men de trap. Echter hoe meer mensen de trap nemen, hoe meer de liften ontlast worden. Door de trappen zo in het gebouw te plaatsen, dat de loopafstanden kort zijn, neemt men vaker de trap. De liften worden ontlast en de gemiddelde reistijd neemt af.

Om de trappenhuizen te kunnen gebruiken als vluchtweg, zal deze zoveel mogelijk aan de uiteinden van het gebouw worden geplaatst. Men kan dan overal in het gebouw in twee afzonderlijke richtingen vluchten. Alleen in een klein gebouw kan men met één trappenhuis volstaan, mits men aan de in hoofdstuk 1 genoemde voorwaarden betreffende de brandveiligheid voldoet. De brandwerendheid van de scheidingswanden van een trappenhuis waarover een vluchtweg voert, moet minstens 60 minuten zijn. Is de trap een deel van een vluchtweg, dan mag er bij brand geen rook in het trappenhuis doordringen. Rook in een trap-

voorportaal

Figuur 2.34 Trappenhuis met voorportaal( schaal 1:200 )

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 58

1

put 1500

kooi

sparing

0

trappenhuis opgenomen in constructie

kooi

doorsnede A - A

A

4000

put 1700

1

schachtuitloop 3800

2

hefhoogte 8000

tegengewicht

schachtuitloop 3900

liftmachine

hefhoogte

58

A

horizontale schachtdoorsnede

(schaal 1 : 200)

1

machinekamerloze tractielift

2

hydraulische lift

Figuur 2.36 Liftschachten

materiaal worden uitgevoerd. Tegen een betonnen gebouw kunnen bijvoorbeeld stalen trappenhuizen worden geplaatst, figuur 2.35.

2

trappenhuis toegevoegd aan constructie

Figuur 2.35 Trappenhuis geïntegreerd in de constructie of toegevoegd aan de constructie

penhuis is te voorkomen door in het trappenhuis een overdruk aan te brengen, en/of de toegang af te schermen met een voorportaal, figuur 2.34. Als we alleen via een open buitenruimte in het voorportaal kunnen komen, is het vrijwel onmogelijk dat de rook, afkomstig van een brand in het trappenhuis doordringt. Constructief gezien kan het trappenhuis worden beschouwd als een onregelmatigheid in de constructie of als een toevoeging aan de constructie. In het eerste geval is het trappenhuis een sparing waarvoor de constructeur een zo goed mogelijke oplossing moet vinden opdat de constructie niet ontoelaatbaar verzwakt wordt. In het tweede geval is het trappenhuis een uitbreiding van de constructie. De constructie van het toegevoegde trappenhuis kan ook heel goed in een ander

2.6.4 Liftschachten Om de circulatietijden te beperken zullen de liftschachten evenals de trappenhuizen zo centraal mogelijk in het gebouw moeten worden gesitueerd. Hoe hoger een gebouw, hoe belangrijker de liften voor het ontwerp worden. Bij hoogbouw nemen de liften samen met de constructie en de leidingschachten meer dan 30% van de vloeroppervlakte in. De capaciteit van de liften is essentieel voor de bruikbaarheid van het gebouw, zie deel 6c Liften en roltrappen

Een lift bestaat uit drie delen: een werktuigbouwkundig deel, een elektrotechnisch deel en een bouwkundig deel. Het bouwkundig deel bestaat uit een schacht en een machinekamer, figuur 2.36-1. De schacht wordt zo gedimensioneerd dat tussen de kooi en de wanden voldoende ruimte is voor de contragewichten, de leiders, de schakelinstallaties

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 59

2 STRUCTUUR 59 dak 6e verd. 5e verd. 4e verd. 3e verd. 2e verd. 1e verd. leidingverdieping b.g.

kelder doorgang

1

leidingen

2

langsdoorsnede

dwarsdoorsnede

Figuur 2.37 Verticale leidingschachten verbonden met een horizontale leidingruimte onder de eerste verdieping

en de elektrische leidingen, figuur 2.36-2. De leiders moeten bij een storing het gehele gewicht van de kooi, via zogenoemde vangen, kunnen dragen. Om deze belasting, inclusief een stoottoeslag (omdat een vallend gewicht moet worden opgevangen) op te kunnen nemen, moeten de leiders aan een stevige constructie van beton, staal of metselwerk worden bevestigd. Daar een liftschacht alleen door deskundigen mag worden betreden, mogen geen andere leidingen dan voor de liftinstallatie worden opgenomen in de schacht. Wel kan een leidingschacht naast de lift worden geplaatst, mits deze maar volkomen gescheiden is van de liftschacht. Onder de schacht wordt een put met een diepte van minstens 1,5 m aangebracht. In deze put zijn buffers geplaatst, zodat als bij reparatie de kooi ondanks alle veiligheidsvoorzieningen naar beneden komt, een aanwezige monteur in deze put kan wegduiken. Ook boven in de schacht moet een vlucht- en uitloopruimte aanwezig zijn. De machinekamer kan zowel naast de schacht als bovenop de schacht worden geplaatst. De machinekamer op de schacht heeft als voordeel dat de kabels korter zijn en de motor minder geluidsoverlast van veroorzaakt. Dankzij de ontwikkelingen in de lifttechniek worden momenteel ook liften zonder machinekamer gemaakt. Voor deze liften is de machine zo geminimaliseerd dat deze in de uitloop van de lift-

schacht kan worden geplaatst. Hefvermogen en snelheid van deze liften is beperkt, ter indicatie, maximum hefvermogen 1600 kg voor een maximale snelheid van 1,6 m/sec. Voor hoogbouw zal een liftmachinekamer nog steeds nodig zijn, figuur 2.36. Voor gebouwen met een beperkte hoogte kan de hydraulische lift een alternatief zijn. Deze liften hebben het voordeel dat de bedrijfszekerheid groot is, omdat zonder hijsdraden wordt gewerkt. Voorbeeld In hotels worden de natte cellen van de hotelkamers bij voorkeur direct naast een verticale schacht geplaatst, zodat het afvalwater niet horizontaal getransporteerd hoeft te worden. Voor iedere twee hotelkamers is dan één verticale schacht nodig. Op de begane grond zijn vaak de entree en zalen gelegen. De indeling van deze ruimten staat meestal niet toe dat alle verticale schachten van de verdiepingen door de zalen naar de kelder of kruipruimte worden gevoerd. Een oplossing voor dit probleem is een horizontale leidingruimte onder de eerste verdieping. Hierin komen alle verticale schachten uit. Vanuit de horizontale leidingruimte leidt een enkele schacht naar de kruipruimte of kelder, figuur 2.37.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 60

60

Met deze leidingruimte kan ook een constructief probleem worden opgelost. De hotelkamers worden ter wille van de geluidwering vaak gescheiden door zware dragende wanden. Deze staan dan op een hart-op-hartafstand van 3 tot 4,5 m. In de zalen zijn dicht op elkaar staande steunpunten ongewenst. Voor het overbrengen van de krachten uit de wanden naar de kolommen op de begane grond is dan een overdrachtsconstructie nodig. De overdrachtsconstructie en de leidingruimte kunnen we combineren door de leidingruimte tussen de wandliggers van de overdrachtconstructie te plaatsen.

Tevens zijn deze liften erg comfortabel door de soepele en geruisloze loop. De opvoerhoogte is echter beperkt tot circa 20 m. Hydraulische liften steunen op een plunjer die enkel of telescopisch is uitgevoerd. De plunjer hangt in een buis die op zijn beurt weer in een mantelbuis is geplaatst. De mantelbuis wordt tijdens de ruwbouw in de grond onder de liftschacht aangebracht. Nadat de plunjerbuis nauwkeurig te lood is gesteld, wordt de ruimte tussen de plunjerbuis en de mantelbuis meestal opgevuld met beton. 2.6.5 Leidingschachten In een kantoor zijn kabels en leidingen nodig voor koud en warm water, riolering, gas, elektriciteit, airconditioning, verwarming, buizenpost, beveiliging, telecommunicatie, computerwerk en de stofzuiginstallatie. Deze installaties worden in een installatieruimte ondergebracht die vaak op het dak gelegen is, maar ook in de kelder of op een tussenverdieping kan worden ondergebracht. Vanuit de installatieruimte worden met horizontale en verticale leidingen de voorzieningen naar de werkplekken en dergelijke gebracht. Voor het verticaal transport zullen de leidingen in schachten worden geplaatst. In kantoorgebouwen worden de leidingschachten meestal geconcentreerd in enkele verticale leidingschachten. Op deze verticale schachten worden op iedere verdieping horizontale leidingen aangesloten, waarop kleinere leidingen aftakken. Per verdieping kan de hoofdleiding in de gangzone worden geplaatst boven een verlaagd plafond. De hoofdleidingen kunnen ook achter de gevel worden geplaatst.

De verticale leidingschachten kunnen ook gedecentraliseerd worden. In een laboratorium met op iedere werkplek een eigen luchtafzuiging, worden zoveel verticale schachten gemaakt, dat iedere werkplek rechtstreeks op een schacht aangesloten kan worden. Deze verticale schachten kunnen zowel in de gevelzone als in de gangzone gelegen zijn, figuur 2.38. De begane grond wordt meestal anders ingedeeld dan de overige verdiepingen. Functioneel kan de leidingschacht op de begane grond niet altijd op dezelfde plaats als op de verdiepingen worden gesitueerd. De leidingen moeten dan via een horizontale leidingruimte van de schachten op de verdiepingen naar de schacht op de begane grond worden gevoerd. 2.6.5.a Niet-constructieve schachten In een leidingschacht kunnen ter plaatse van de kanalen en leidingen kleine sparingen in de vloer worden gemaakt. Om later nieuwe leidingen toe te kunnen voegen, maken we vaak één of meer grote sparingen. Hierdoorheen gaan gezamenlijk alle leidingen en kanalen. Deze sparingen zullen de constructie verzwakken, zodat deze zal moeten worden versterkt met extra wapening verzwaarde stroken of met raveelbalken, figuur 2.39-2. Bij de niet-constructieve schachten worden de schachtwanden vaak samengesteld uit brandwerende systeemwanden. De maximale afmetingen van vloersparingen worden bepaald door: • de plaats van de sparingen; • de dikte van de vloer ten opzichte van de overspanning; • de constructie; • het materiaal; • de krachtswerking in de vloer.

In een balkenvloer kunnen we raveelbalken om de sparing plaatsen. Bij een betonvloer kan met extra wapening rond de sparing de belastingen worden opgevangen. Raveelbalken zijn dan alleen nodig als de sparing ongunstig is gesitueerd of gevormd. In een puntvormig ondersteunde vloerplaat kunnen in de kolomstroken slechts kleine sparingen worden gemaakt. Een grote sparing wordt bijvoor-

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 61

2 STRUCTUUR 61

1

2

3 Figuur 2.38 Verticale en horizontale luchtkanalen

hoofdleiding in gangzone

hoofdleiding in gevelzone

hoofdleiding verticaal in gevelzone

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 62

62 kolomstrook

av

veldstrook

versterkte strook

l

ak

vide

ter indicatie: a v < l ; a k < l 6 10

= kolomstrook met extra wapening

3 plaatsing niet-constructieve schacht in een balkenconstructie

1 sparingen in een puntvormig ondersteunde vloer

kolomstrook strook met extra wapening

2

sparing in betonvloer met stroken met extra wapening versterkte strook

4 Figuur 2.39 Sparingen in vloeren

keur in het veld geplaatst, figuur 2.39-1 en 2. De sparingen verzwakken de constructie en de constructie wordt extra belast door de schachtwanden. Daarom moet de niet-dragende schacht zo worden geplaatst dat de constructie zo min mogelijk wordt verzwakt, figuur 2.39-3 en 2.39-4.

plaatsing niet-constructieve schacht in een puntvormig ondersteunde constructie

2.6.5.b De constructieve schacht Als de sparingen groot zijn of als de schacht ongelukkig in de constructie geplaatst is, zal de vloer ter plaatse van de schacht met extra steunpunten moeten worden ondersteund. De schacht is dan een deel van de constructie. De schacht

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 63

2 STRUCTUUR 63

kan zowel worden uitgevoerd met kolommen, waartussen niet-dragende wanden, geplaatst zijn als met dragende wanden. Dragende wanden van beton bieden het voordeel dat deze zowel geluid als brand goed weren en de wanden tevens de constructie kunnen schoren. De constructie van een dragende schacht moet op alle verdiepingen aanwezig zijn. Als de installatieruimte in de dakopbouw gelegen is, neemt het leidingoppervlakte voor de luchtkanalen van boven naar beneden af. De schacht zou dan ook van boven naar beneden kunnen verjongen, maar omdat het moment door de horizontale windbelasting toeneemt van boven naar beneden, zouden de afmetingen van een schorende schacht juist naar beneden moeten toenemen. De constructieve eisen staan dan lijnrecht tegenover het functionele belang.

Een constructie met een stijf dakvlak is stabiel als er ten minste drie verticale vlakken verstijfd worden met windverbanden, schijven of met raamwerken met stijve kolom-balkverbindingen, figuur 2.41. Ontleent een constructie de stabiliteit aan raamwerken met momentvaste knopen dan noemen we deze constructie ongeschoord. Een geschoorde constructie ontleent de stabiliteit aan schorende constructies als kernen, schijven of windverbanden. Een ongeschoorde constructie zal naast de verticale belastingen ook de horizontale belastingen naar de fundering afdragen, figuur 2.42-1. Een geschoorde constructie draagt de verticale belastingen af naar de fundering en draagt de horizontale belastingen af naar schoorconstructies. De schoorconstructies voeren de horizontale belastingen af naar de fundering, figuur 2.42-2.

In een leidingschacht en in een liftschacht moeten sparingen in de wanden worden gemaakt voor respectievelijk leidingen en deuren. In het beginstadium van het ontwerpproces zijn de installaties en de afmetingen van de leidingen nog niet bekend. Toch moet dan al zijn bepaald of aan de kern de standzekerheid ontleend kan worden. In het beginstadium van het ontwerpproces zal een zone in de wanden moeten worden gereserveerd voor sparingen. Worden de horizontale leidingen in een leidingruimte boven een verlaagd plafond geplaatst, dan zouden bijvoorbeeld in de wand aansluitend op de gangzone een brede sparing kunnen worden gereserveerd vanaf het verlaagd plafond tot de onderzijde van de vloer, figuur 2.40.

Plaats van de schoorconstructies Om als schorend element in een constructie te kunnen functioneren moet een schacht zo in de constructie worden geplaatst dat de belastingen door de vloeren naar de schacht en door de schachtwanden naar de fundering kunnen worden afgedragen. Bovendien moeten de schachten zo in het gebouw worden geplaatst dat deze de vormveranderingen in de vloeren door temperatuurveranderingen en krimp niet belemmeren. Om de horizontale belasting af te dragen zijn minimaal drie schijven nodig waarvan de assen niet door één punt mogen gaan. Een rechthoekig gebouw kan dus niet de stabiliteit ontlenen aan drie evenwijdige schijven. De assen van deze drie evenwijdige schijven snijden elkaar namelijk in het oneindige. De constructie is dus loodrecht op de drie schijven niet stabiel, figuur 2.43-2. De constructie wordt stabiel als we één van de drie schijven zo draaien dat deze loodrecht op de twee andere schijven staat, figuur 2.43-1.

2.6.6 Schorende constructies Een constructie is instabiel als deze door een kleine kracht onevenredig vervormt. Een skelet samengesteld uit scharnierend verbonden balken en kolommen bezwijkt door een kleine horizontaalkracht. Hoe stijf de balken en kolommen ook zijn: de constructie is instabiel, figuur 2.41. De constructie kan stabiel worden gemaakt door: • de kolommen momentvast met de fundering te verbinden; • diagonalen in de vlakken aan te brengen; • de balken en kolommen onderling momentvast te verbinden; • de vlakken te verstijven met schijven.

Een rechthoekig gebouw met een U-vormige kern samengesteld uit drie loodrecht op elkaar staande schijven zou dus stabiel zijn. Door een asymmetrische belasting ontstaat echter een wringend moment in de kern. Hierdoor roteert deze, want een kern met een U-vormige doorsnede is niet erg wringingsstijf, figuur 2.43-3. De rotatie kan zo groot zijn dat de constructie bezwijkt. Zelfs een kokervormige kern die door de kokerdoorsnede

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 64

64

kern / schijf

windbelasting z

ng

ga

e on

1 ne

2

vervorming geschoorde constructie

Figuur 2.42 Ongeschoorde en geschoorde constructie

zo

ng

ga

vervorming ongeschoorde constructie

Figuur 2.40 Sparingen in constructieve schachtwanden

3

2

1

4

een skelet samengesteld uit scharnierend aan elkaar verbonden balken en kolommen kan op drie manieren vervormen

5

stabiel door in de fundering ingeklemde kolommen

9

stabiel door stijve koker en stijve vloeren

6

10

Figuur 2.41 Stabiliteitsvormen

stabiliteitsverbanden

stabiel door stijve koker en stijve vloeren met extra eindschotten

7

stabiel door stijve hoekverbindingen tussen kolommen en vloerbalken

11 minder goede plaatsing van de stijve schotten

8

12

minimaal aantal verstijvingsschotten op de gunstigste plaatsen

minder goede plaatsing van de stijve schotten

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 65

2 STRUCTUUR 65

R

e

Fh

kunnen we bijvoorbeeld verstijven met een extra schijf in de kopgevel, figuur 2.43-4. Een goede oplossing voor een rechthoekig gebouw met drie schijven vinden we door twee schijven in de kopgevels te plaatsen en één schijf in de langsrichting in het midden van het gebouw te plaatsen, figuur 2.43-1. De afstand tussen de twee evenwijdige schijven is dan zo groot mogelijk, zodat de momentarm maximaal is en het gebouw door een asymmetrische belasting vrijwel niet zal roteren.

l e _ R =F h l

1

stabiliteit door drie schijven

snijpunt in het oneindige

geringe weerstand grote vervorming

Fh

2

niet stabiele constructie met drie evenwijdige schijven

e

Fh R

wringend moment = F h

3

e

stabiliteit met een centrale kern

e

Fh R

l e _ R =Fh l

4

e _ R =Fh l

stabiliteit met kern en schijf

Figuur 2.43 Met kernen en schijven geschoorde constructies

veel stijver is dan een U-vormige doorsnede, zal door de wandsparingen voor deuren en leidingen vaak aanzienlijk torderen. Door de constructie te verstijven met extra schijven kunnen we de rotatie verminderen. Deze schijven zijn het meest effectief als deze zo ver mogelijk van de kern worden geplaatst, zodat de momentarm zo groot mogelijk is. Het gebouw met de U-vormige kern

2.6.7 Opgelegde vervormingen Uiteraard kan het gebouw de stabiliteit ook ontlenen aan meer dan drie schijven. Hoe meer schijven of kernen, hoe stijver het gebouw. Om krimp- en temperatuursspanningen te voorkomen moeten echter de kernen en schijven niet in serie achter elkaar worden gezet. In de constructie kunnen dan door temperatuurwisselingen en krimp hoge spanningen ontstaan. Door krimp en temperatuurverlagingen zullen de vloeren in een gebouw korter worden en door temperatuurverhoging zullen de vloeren langer worden. De begane-grondvloer zal veel minder vervormen dan de verdiepingvloeren. De vervormingen door de funderingen en de kelderwanden worden namelijk verhinderd, figuur 2.44-1. De verdiepingvloeren zullen gelijkmatig in alle richtingen verkorten of uitzetten. Een vloer vervormt ten opzichte van het zwaartepunt. Is de stijfheid van de ondersteuningen van de vloer in alle richtingen hetzelfde, dan vindt de vervorming van de vloer ook ten opzichte van het zwaartepunt plaats. Als enkele ondersteuningen stijver zijn, verplaatst het vervormingszwaartepunt in de richting van de stijvere steunpunten, figuur 2.44-2. Uitvoeringsverschijnselen Het beschreven verschijnsel treedt voornamelijk tijdens de uitvoering op als het skelet nog niet omhuld is door de gevels en de klimatisering nog niet werkt. De vloeren en kolommen van de verdiepingen ondergaan de wisselende temperaturen van dag (zon) en nacht terwijl de kelder in het grondwater van nagenoeg constante temperatuur (13 - 14 °C) staat.

Stel dat in een gebouw een temperatuurdaling optreedt zodat de verdiepingvloeren verkorten.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 66

66

u

1

2/3 u

1/3 u

1/3 u

2/3 u

u

verkorting door temperatuurverlaging en / of krimp in het kolommenskelet

u

2

4/5 u

3/5 u

2/5 u

1/5 u

verkorting door temperatuurverlaging en / of krimp in het skelet met kern

Figuur 2.44 Scheefstand door opgelegde vervormingen

Doordat de temperatuurverandering van de begane grond geringer is, verkort deze vloer minder dan de verdiepingsvloeren. Indien het gebouw alleen door de kolommen wordt ondersteund, worden de vervormingen van de vloeren nauwelijks verhinderd. Hierdoor komen de kolommen op de begane grond scheef te staan. Als de kolommen momentvast met de vloer verbonden zijn, ontstaat er door de hoekverdraaiing momenten in de vloer en de kolommen. De vloeren vervormen ieder ten opzichte van het zwaartepunt van de vloer. Hoe groter de afstand van een kolom tot het zwaartepunt van de vloer hoe groter de vervorming en hoe groter de momenten in de kolommen, figuur 2.44. Deze momenten nemen toe als de kolommen stijf zijn. Hoe meer de vervormingen worden belemmerd, hoe groter de krachten en momenten worden. Het vervormingsverschil tussen eerste verdiepingvloer en begane grond leidt tot scheefstaande gevels en scheidingswanden. Als maximale scheefstand houden we 1/300 van de verdiepinghoogte aan. Voor de afbouw kan het nodig zijn om de scheefstand stringenter te beperken. De vervormingen zijn te beperken door: • krimp te beperken; • temperatuursvariaties te beperken; • lengte van de vloeren te beperken. De krimp van een betonconstructie is te beperken door de samenstelling aan te passen en door tij-

dens de bouw krimpstroken aan te brengen. Temperatuurvariaties zijn te beperken door het gebouw te isoleren en de bouwperiode zo te kiezen dat de temperatuurwisselingen gedurende de bouw gering zijn. Door de vloeren te dilateren worden de lengten van de vloerdelen verkort, zodat ook de vervormingen verminderen. De spanningen door de krimp en temperatuurwisselingen zijn te verminderen door de vervormingen niet te belemmeren. Hoe slapper de constructie hoe geringer de spanningen door de opgelegde vervormingen. Een vuistregel voor de lengten van ongedilateerde vloerconstructies is dat de afstand van een kolom tot het zwaartepunt van de vloer niet groter dan 40 m mag zijn. Constructies met achter elkaar geplaatste stijve kolommen, schijven of kernen moeten veelvuldiger worden gedilateerd. Schijven en kernen zijn vaste punten in het gebouw die de vormverandering van de vloeren door krimp of temperatuurverlaging verhinderen. In een gebouw met één kern zullen de vloeren ten opzichte van deze kern verkorten of verlengen. Het verplaatsingsverschil tussen de verdiepingvloeren en de vloer van de begane grond zal geringer zijn als de kern in het midden van het gebouw staat. Plaatsen we de kern aan één van de kopzijden, dan is het vervormingsverschil twee maal zo groot.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 67

2 STRUCTUUR 67

Berekeningsblad

We nemen aan dat de verdiepingsvloer een temperatuurdaling ondergaat van 10 °C. In de berekening is een krimpverkorting gelijk aan een temperatuurdaling. Voor dit voorbeeld nemen we aan dat de krimpverkorting van de verdiepingsvloer gelijk is aan de verkorting door een temperatuurverlaging van 20 °C. De vloer ondergaat een verkorting door een equivalente temperatuurverlaging van 10 + 20 °C.

Een rechthoekig gebouw wordt ondersteund door kolommen met een hart-op-hartafstand a. De totale lengte van de vloer is 6a. De kolommen zijn momentvast verbonden met de verdiepingsvloer en de begane-grondvloer. De begane-grondvloer is enkele weken eerder dan de verdiepingsvloer gestort, zodat deze al een krimpverkorting heeft ondergaan. Na de stort zal de verdiepingsvloer door de krimp verkorten ten opzichte van de begane-grondvloer. Deze vloer heeft niet alleen al een groot deel van de krimp ondergaan, maar is ook nog stijf met de kelderwanden verbonden, zodat we eenvoudigheidshalve aannemen dat deze vloer niet meer verkort. 3u

2u

3F h

2F h

a

1

u

a

u

Fh

Fh

a

a

De vervorming van de vloer met een lengte a door een temperatuurverandering berekenen we met: u = α · ΔT · a 2u

2F h

a

3u

3F h

a

doorsnede

3u 3F h

h 2

h

M = 3F h

M = 3F h

2

detail

h 2

3

schema

Figuur 2.45 Voorbeeldberekening verkorting door krimp en temperatuurdaling

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 68

68

Berekeningsblad (vervolg)

De eerste kolom uit het midden wordt met een kracht H belast. De volgende kolom wordt met een kracht 2H en de eindkolom wordt met 3H belast. De vervorming van een kolom berekenen we met: 1

3

3

2 · H ( 2 h) H·h uk = = 3·E 12 · E

De eerste kolom uit het midden ondergaat de vervorming u. Gelijkstellen µ = µ k geeft: 3

H·h u = α · ΔT · a = 12 · E

Hieruit volgt de kracht H: 12 · E H = α · ΔT · a · 3 h Voor dit voorbeeld gaan we uit van de volgende waarden: de hart-op-hartafstand van de kolommen is: a = 7,2 m de equivalente temperatuurverlaging is: ΔT = 30 °C de uitzettingscoëfficiënt is: α = 10 · 10-6 [1/ °K] de verdiepinghoogte is: h=3m de kolommenafmetingen zijn: 300 ⫻ 300 mm2 het kwadratisch oppervlaktemoment is: 4 300 = 12 de elasticiteitsmodulus van de ongescheurde kolommen en vloer is: E = 30.000 N/mm2 We vinden voor de vervorming van de vloerdelen met lengte a tussen de kolommen: u = α · ΔT · a = 10 · 10-6 ⫻ 30 ⫻ 7.200 = 2,2 mm

De vervorming van de laatste kolom is ten opzichte van het hart van de vloer drie keer zo groot. De scheefstand bij de kopgevel is dan gelijk aan:

φ=

3 ⫻ 2,2 = 0,0022 3.000

Daar de hoekverdraaiing kleiner is dan 1/300 is deze acceptabel. De vloer hoeft niet gedilateerd te worden. De kracht H berekenen we met: H = α · ΔT · a ·

H=

12 · E 3 h

10 · 10-6 ⫻ 30 ⫻ 7.200 ⫻ 12 ⫻ 30.000 ⫻ 3004 / 12 3.0003

= 19,44 · 103 N Het moment in de laatste kolom is nu: M=3·H·

1 2

h = 3 ⫻ 19,44 ⫻ 1,5 = 87,5 kNm

In de kolom ontstaat door het moment een spanning van:

σ=

87,5 · 106 M = = 19,4 N/mm2 W 3003 / 6

Deze spanning is veel groter dan de ontwerpspanning van 15 N/mm2. Door de opgelegde vervorming zal de kolom scheuren, zodat de stijfheid van de kolom veel kleiner is dan aangenomen. De werkelijke stijfheid van de kolom zal door de scheurvorming en de kruip een factor 3 tot 6 kleiner zijn. Als de stijfheid van de kolom een factor 6 afneemt, zal de spanning in de kolom ook een factor 6 lager zijn: σ = 3,2 N/mm2. Deze spanning is acceptabel.

Figuur 2.45 Voorbeeldberekening verkorting door krimp en temperatuurdaling (vervolg)

De vloeren kunnen niet meer vrij uitzetten als het gebouw met twee achter elkaar geplaatste kernen wordt geschoord, figuur 2.46-1. In de vloeren en in de kernen ontstaan trekkrachten en momenten, waardoor scheurvorming kan optreden.

Deze momenten en krachten door temperatuurschommelingen en krimp ontstaan niet als de vervormingen van de vloeren niet worden belemmerd en de vloeren maar met één kern verbonden zijn. In een gebouw met twee achter elkaar

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 69

2 STRUCTUUR 69

kern

1

kern

scheurvorming door verhinderde vervormingen

u

kern

2

u

kern

dilatatie

schijf

kern

u

3

vervanging kern door 2 buigslappe schijven

Figuur 2.46 Opgelegde vervormingen en dilataties in gebouwen

staande kernen of schijven kunnen de spanningen door de krimp en temperatuurwisseling worden verminderd door de vloeren tussen de kernen of schijven te dilateren, figuur 2.46-2, of de stijfheid van één van de kernen te reduceren, figuur 2.46-3. 2.6.8 Verticale belasting op de schorende constructie Een betonnen schijf of kern is effectiever als de verticale belasting centrisch aangrijpt en niet te klein is. Zoals bekend neemt de stijfheid van een steenachtige constructie af als deze scheurt. Een gemetselde of betonnen element is stijver als geen trekspanningen in het element optreden. Trekspanningen in een schijf of kern zijn te voor-

komen door het element zo te belasten dat de spanningen door de verticale belastingen groter zijn dan de trekspanningen door de momenten ten gevolge van de horizontale belastingen: N M > A W De verticale belastingen worden als het ware benut als voorspanning om scheurvorming te voorkomen. Het opneembare moment neemt dan toe als de verticale belasting toeneemt. De schijf of kern moet zo in de plattegrond worden geplaatst dat deze een zo groot mogelijk vloeroppervlakte draagt. De omringende kolommen en wanden moeten op een zo groot mogelijk afstand van de kern staan, figuur 2.47. Ook door een excentrisch aangrijpende verticale belastingen ontstaan trekspanningen in de kern. De verticale belasting zal centrisch op de kern aangrijpen als het zwaartepunt van de belasting samenvalt met het zwaartepunt van de kern. Is het niet mogelijk om de kern of schijf zo te belasten dat er geen trekspanningen optreden, dan kan deze kunstmatig worden belast door deze voor te spannen. Samenvattend kan worden gesteld dat om een efficiënte schorende constructie te verkrijgen, de kern of wanden zo moet worden ontworpen dat: • de kern of wanden alleen naar boven toe verjongen, zodat de afmetingen op de lager gelegen verdiepingen niet kleiner zijn dan op de hoger gelegen verdiepingen; • de sparingen in de wanden zodanig geplaatst en gevormd zijn, dat de kern voldoende stijf is; • de kern zo wordt geplaatst, dat de verticale belasting maximaal is en het aangrijpingspunt van deze belasting samenvalt met het zwaartepunt van de kern.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 70

70

1

variant met kolommen om de kern: geringe verticale belasting

2

variant zonder middenkolommen; hoge verticale belasting

Figuur 2.47 De plaats van de constructieve schacht ten opzichte van de kolommen, zodat deze maximaal verticaal wordt belast

2.7 De constructie en de bouwkundige structuur Onder de bouwkundige structuur verstaan we de wijze waarop het gebouw is ‘ingevuld’ met de bouwkundige elementen. Onder de bouwkundige elementen verstaan we de elementen die het gebouw omhullen en de ruimten in het gebouw afscheiden. Deze elementen moeten wel zo stijf en sterk zijn dat op de elementen uitgeoefende krachten naar de hoofddraagconstructie kunnen worden afgevoerd. Hoewel bouwkundige elementen vrijwel altijd belastingen afdragen, worden deze niet als elementen van de draagconstructie beschouwd, tenzij deze elementen een niet wegneembaar deel van de draagconstructie vormen. We noemen ze niet-dragend. Dragende gevelelementen Een element is een deel van de hoofddraagconstructie als door het wegnemen van het element andere delen van de hoofddraagconstructie bezwijken. Een gevelelement bijvoorbeeld is dragend als de daarboven gelegen vloer rust op het element. Rust de bovenliggende vloer niet op het gevelelement dan noemen we het element niet-dragend ondanks dat het gevelelement wel de windbelasting en het eigen gewicht naar de achterliggende constructie afdraagt.

Bij de skeletbouw splitsen we het dragen en het scheiden. Dit heeft onder andere als voordeel dat de vrijheid van materiaalkeuze toeneemt. Voor de scheidende elementen kunnen we ons in eerste instantie richten op de fysische eisen, zoals bijvoorbeeld de warmte- en geluidsisolatie en de brandwerendheid. De functiesplitsing heeft ook als voordeel dat de scheidingswanden daar kunnen worden geplaatst waar deze functioneel gewenst zijn. Bovendien kunnen deze niet-dragende wanden eenvoudiger verwijderd en verplaatst worden dan dragende scheidingswanden, hetgeen de indelingsvrijheid en de flexibiliteit ten goede komt. De levensduur van de bouwkundige elementen kan worden afgestemd op de functionele levensduur. We moeten daarom ervoor zorgen dat deze bouwkundige elementen eenvoudig uitwisselbaar zijn en geschikt zijn voor hergebruik of recycling. In het hiernavolgende komen de aspecten van de bouwkundige elementen als de gevel, het dak, de scheidingswanden en de vloeren aan de orde, die voor de draagstructuur van belang zijn. 2.7.1 Gevel De gevel dient in de eerste plaats ter bescherming van het inwendige tegen regen, wind, warmte, koude, lawaai, brand en ongewenste bezoekers. In de gevel worden ook voorzieningen opgenomen voor de toegankelijkheid, de dagverlichting, de natuurlijke ventilatie en soms ook voor de

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 71

2 STRUCTUUR 71

afvoer van gassen en de aan- en afvoer van respectievelijk verse en afgewerkte lucht voor de airconditioning. Een gevel moet zowel voldoen aan economische, architectonische, fysische, constructieve als technische eisen. Architectonisch worden er eisen gesteld aan het aanzicht van de binnen- en de buitenzijde. Fysisch moet een gevel voldoen aan eisen betreffende de water-, wind en tochtdichtheid, de warmte- en geluidsisolatie, de warmteaccumulatie, de brandwerendheid, de daglichttoetreding en de beheersing van de zoninstraling. Technisch worden er eisen gesteld aan het gebruiksgemak van bijvoorbeeld de zonwering, de deuren, de te openen ramen, de inbraakpreventie, het onderhoud, de vervangbaarheid en de aansluiting van de gevel met de binnenwanden en het plafond. Aan de gevelelementen en de bevestigingen stellen we ook constructieve eisen betreffende de sterkte, de stijfheid en de uitzettingsmogelijkheden. De temperatuur aan de buitenzijde van een geïsoleerde gevel kan veel hoger of lager zijn dan aan de binnenzijde. Hierdoor kunnen er in de gevel grote temperatuurspanningen ontstaan als de vormverandering wordt belemmerd.

1

gesloten gevelelementen

2

strokengevel met horizontale stroken

In deel 4a Omhulling worden de aan de omhulling van een gebouw te stellen bouwfysische en bouwtechnische eisen behandeld

In dit hoofdstuk bespreken we de voor de draagstructuur (het skelet) belangrijke aspecten van de gevel, namelijk: ◆ de belastingafdracht en het gewicht; ◆ de plaats van de gevel ten opzichte van het skelet; ◆ de indeling van de gevel. ◆ Belastingafdracht en gewicht Voor de belastingafdracht is bepalend of de gevel dragend of niet-dragend is. Een dragende gevel zal naast het eigen gewicht en de windbelasting ook de belasting van de daarboven gelegen vloeren afdragen. Hierdoor zijn er in de gevelzone geen kolommen nodig. De niet-dragende gevels dragen alleen het eigen gewicht en de windbelasting af naar de constructie.

3

strokengevel met verticale en horizontale stroken

Figuur 2.48 Gesloten gevels en strokengevels

◆ Plaats van de gevel ten opzichte van het skelet De niet-dragende gevels kunnen voor, tussen en achter de gevelkolommen geplaatst worden. Staat de gevel achter de gevelkolommen dan kunnen er grote temperatuurvariaties in de gevelkolommen optreden. ◆ Indeling van de gevel De verschijningsvorm van de gevel wordt sterk bepaald door de transparante en de dichte delen. Zo kunnen we de strokengevel, de gesloten gevel en de geheel glazen gevel onderscheiden, figuur 2.48. In een strokengevel worden raamstroken afgewisseld met dichte stroken.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 72

72

2.7.1.a Dragende gevels De dragende gevel heeft als voordeel dat de gevelkolommen overbodig zijn, zodat de gevel aan de binnenzijde vlak kan worden uitgevoerd. Een vlakke gevel is eenvoudig te onderhouden, bovendien kunnen de binnenwanden uniform op de gevel worden aangesloten. Bij een gebouw met gevelkolommen verschilt meestal de aansluiting van een binnenwand op een kolom met de aansluiting op een stijl. In het verleden werden dragende gevels gemetseld. Momenteel prefereren we in de utiliteitsbouw ter wille van het bouwproces de geprefabriceerde betonnen gevels. Dit geldt met name voor de verdiepingbouw. Dragende verdiepinghoge geprefabriceerde elementen van beton worden zowel voor laagbouw als voor verdiepingbouw en hoogbouw toegepast. Bij een laagbouw zijn de gevelelementen vaak even hoog als het gebouw. De elementen kunnen worden afgewisseld met verticale doorzichtstroken, zodat een verticale strokengevel ontstaat. De raamopeningen kunnen ook in de elementen worden uitgespaard zodat een gesloten gevel ontstaat. Verdiepingbouw en hoogbouw kunnen zowel

met een gesloten als met een een strokengevel worden uitgevoerd. De gesloten gevels en de verticale strokengevels bestaan uit wandelementen die één of twee verdiepingen hoog zijn. Gezien de geringe warmteweerstand van beton, is het noodzakelijk om de betonnen gevel van een geconditioneerd gebouw te isoleren. De isolatie wordt bij voorkeur aan de buitenzijde van het dragend element geplaatst. De isolatie kan worden afgewerkt met lichte gevelpanelen of met een zware steenachtige bekleding. De lichte bekleding wordt op het werk aangebracht, nadat de gevelpanelen geplaatst zijn. Een steenachtige bekleding kan zowel op het werk als in de fabriek aangebracht worden. In het laatste geval is de kans op beschadiging groter, omdat in de ruwbouwfase al een afgewerkt product wordt geplaatst. Bovendien is de fabrieksmatig bevestigde bekleding meestal moeilijker te vervangen. Verdiepinghoge elementen kunnen behalve als dragend constructie-element ook als schorend element worden benut. De horizontale belasting op het gebouw wordt dan via de vloeren naar de gevels gebracht en vervolgens via de gevelvlakken door de verdiepinghoge elementen naar de fundering afgevoerd.

prefab vloerplaten aanstorten vloerdragend borstweringselement prefab kolom

Figuur 2.49 Gesloten gevels en strokengevels

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 73

2 STRUCTUUR 73

Voor gebouwen met doorgaande raamstroken komen ook dragende borstweringselementen in aanmerking. Deze elementen dragen als gevelbalk de vloerbelasting af naar de gevelkolommen, figuur 2.49. 2.7.1.b Niet-dragende gevels De niet-dragende gevels kunnen zowel voor, tussen als achter de kolommen van het skelet worden geplaatst, figuur 2.50. Plaatsen we de gevel tussen de kolommen, figuur 2.50-2, dan vormen de kolommen aanzienlijke koudebruggen die alleen bij een nietgeconditioneerd bouwwerk (bijvoorbeeld een wachtruimte onder een perronoverkapping) acceptabel zullen zijn. Uit architectonische overwegingen wordt de gevel soms achter de kolommen geplaatst, figuur 2.50-4. De kolommen zijn dan aan de buitenzijde goed zichtbaar en kunnen bijdragen aan de esthetische waarde van het gebouw. Tevens kan de gevel aan de binnenzijde vlak worden uitgevoerd, hetgeen voor het schoonhouden en het aansluiten van de binnenwanden voordelen heeft en bovendien een grotere indelingsvrijheid geeft. Het nadeel van de gevel achter de kolommen is dat bij een staal- of betonconstructie altijd koudebruggen ontstaan die hoogstens kunnen worden geminimaliseerd door ter plaatse van de doorbreking met de gevel de constructie-elementen zo klein mogelijk te maken. Bij een constructie met dwarsbalken zouden we op de plaats waar de balk door de gevel gaat, een scharnier in de balk kunnen maken. Hierdoor hebben de balken op die plaats een zo klein mogelijke doorsnede. Plaatsen we de gevel op een zekere afstand voor de kolom, dan heeft dit als nadeel dat: • de gevelkolommen achter de gevel in de vertrekken staan en de indeling van de ruimte beperken; • bij de aansluiting van de scheidingswanden op de kolommen een passtuk nodig is om de ruimte tussen de kolommen en de gevel te dichten; • de windbelasting op de gevel niet via de kolommen maar alleen door de gevelstijlen naar de vloeren kunnen worden afgevoerd.

Voor niet-dragende gevels hebben we de keuze tussen enerzijds de zware steenachtige gevels van beton of metselwerk en anderzijds de lichte gevels.

1

kolommen voor de gevel

2

kolommen in de gevel

3

gevel gedeeltelijk voor de kolommen

4

kolommen achter de gevel

Figuur 2.50 De plaats van de gevel ten opzichte van de draagconstructie, voor, tussen of achter de gevelkolommen

De zware gevels kunnen warmte goed accumuleren maar belasten de constructie ook meer. Niet-dragende steenachtige gevels De niet-dragende zware gevels kunnen zowel met gesloten gevelelementen als met verticale en horizontale stroken worden uitgevoerd. Als materiaal komt zowel baksteen als geprefabriceerd beton in aanmerking. Daar de toelaatbare trekspanning in metselwerk gering is, zal boven raamopeningen en deuren het metselwerk moeten worden ondersteund met betonnen of stalen lateien. Als de vervormingen worden belemmerd, ontstaan spanningen in de gevel die tot scheurvorming kunnen leiden. Deze scheurvorming is te vermijden door het buitenblad uitsluitend met de flexibele verbindingen met het binnenblad te verbinden of te dilateren. Als vuistregel kan voor gebakken stenen een dilatatieafstand van circa 10 à 12 m worden aangehouden. Voor betonsteen gaan we uit van een dilatatieafstand van 6 m tot 8 m. Deze dilatatie-

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 74

dilatatie

dilatatie

74

ca. 8

mete

r r

ete

4m

4 me

mete

r

extra wapening

l=m

ax. 5

h

.5

dil.

ca. 8

dil.

dilatatie

dilatatie

ter

xh

l=

xh

x ma

Figuur 2.51 Dilataties in gemetselde gevels van betonsteen

Bron: Gevelmetselwerk met betonsteen, Cement 1992 nr.4

afstanden gelden zowel horizontaal als verticaal. Bij het dilateren moet worden rekening gehouden met sparingen voor deuren of ramen en met de bevestigingen van het buitenblad aan de achterliggende constructie. Bij lage gebouwen kan het buitenblad op de funderingsbalken rusten. Bij gebouwen met meer dan twee verdiepingen zal het buitenblad ook horizontaal moeten worden gedilateerd, figuur 2.51. De buitenspouwbladen van de bovenste verdiepingen kunnen dan niet meer op de funderingsbalk rusten. De verticale belasting door het eigen gewicht van het buitenblad moet naar de achterliggende constructie worden afgedragen.

laag gebouw kunnen de elementen op de funderingsbalken rusten. Bij een gebouw met meer dan twee verdiepingen zullen we gevelbalken moeten toepassen om de gevelbelasting af te voeren. Deze gevelbalken zijn niet nodig als de prefab gevelelementen uit borstweringselementen of verdiepinghoge elementen bestaan die de gehele afstand tussen de gevelkolommen overspannen. De elementen dragen dan zelf de belasting af naar de kolommen.

Geprefabriceerde niet-dragende betongevels Geprefabriceerde betongevels moeten, om aan de huidige bouwfysische eisen voor verwarmde of gekoelde gebouwen te voldoen, worden geïsoleerd. Evenals de gemetselde gevel kan de betonnen gevel bestaan uit een enkel blad met isolatie en worden afgewerkt met een steenachtige of een lichte bekleding. Een nadeel van de zware gevels is de belasting op de constructie. Bij een

Figuur 2.52 Zelfdragende gevels

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 75

2 STRUCTUUR 75

montagevolgorde

Daarnaast onderscheiden we ook de zelfdragende gevels die bestaan uit op elkaar gestapelde prefab elementen die voor de constructie worden geplaatst. In tegenstelling tot de dragende gevelpanelen dragen deze panelen niet de belasting uit de vloeren maar alleen het gewicht van de daarop rustende panelen en de windbelasting af naar de constructie, figuur 2.52. Lichte gevels De bekendste lichte gevels zijn de vliesgevels. Een vliesgevel is een lichte niet-dragende gevel, die over meerdere verdiepingen voor de constructie is geplaatst. Deze gevel bestaat uit doorzicht- en borstweringselementen, die in een stijl- en regelwerk gevat zijn, figuur 2.53. Een vliesgevel heeft als voordeel dat deze snel te monteren is. Tevens is de belasting op de constructie gering. Bovendien zijn er vele systemen in de handel verkrijgbaar die al gedurende lange tijd beproefd zijn. Voor een staalconstructie is de vliesgevel gezien de geringe verticale belasting een goede oplossing. Nadelen van de vliesgevel zijn het geringe warmteaccumulerend vermogen en de extra voorzieningen die nodig zijn voor de brandwerendheid. Het warmteaccumulerend vermogen is te verbeteren door de vliesgevel te combineren met een betonnen binnenspouwblad. Deze gevels worden ter onderscheiding ook wel onechte vliesgevels genoemd. De onechte vliesgevel komt als koudwarme en als warm-warme gevel voor: • een koud-warme gevel bestaat uit een betonnen binnenblad, isolatie, een koude met buitenlucht geventileerde spouw en vliespanelen die als regenkering fungeren; • een warm-warme gevel bestaat uit een betonnen binnenblad, een warme met binnenlucht geventileerde spouw en een geïsoleerde en luchtdichte vliesgevel. De borstweringelementen van een vliesgevel kunnen evenals de doorzichtopeningen uit spiegelend glas bestaan, zodat de verdiepingen aan de buitenzijde niet meer herkenbaar zijn en architectonisch een geheel vlakke, uniforme gevel ontstaat. Dit effect kan nog worden versterkt door de stijlen en regels ook achter het glas te plaatsen. Aan de binnenzijde van het geharde glas worden aluminiumprofielen gelijmd waarmee het glas aan de achterliggende stijlen en regels wordt verbonden.

stap 1

montage stijlen stap 2

montage regels stap 3

1

montage panelen

stijl en regelwerk montage

stap 1

montage ladderframe stap 2

montage tussenregels stap 3

2

ladderframe montage

3

elementenbouw

Figuur 2.53 Lichte gevels

montage panelen

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 76

76

Naast de geheel glazen gevels verbonden met een stijl- en regelwerk, kunnen we ook een zeer transparante gevel verkrijgen door de glasplaten alleen op de hoeken met elkaar te verbinden. Het verbindingselement, de quatroknoop, bestaat uit een roestvast stalen element dat via rubberringen met de ruiten verbonden is. Om de windbelasting loodrecht op de gevel op te nemen is een constructie met druk- en trekstaven nodig. Deze gevels staan bekend als structural glazing. 2.7.2 Plaats van het dak Een dak heeft evenals de gevel, in eerste instantie de taak om het gebouw te beschermen tegen weer en wind. Het dak bestaat uit: • windkering; • geluidkering; • warmtekering.

In een dak bevinden zich meestal dragende elementen, zoals balken, die deel uitmaken van de draagconstructie. Naast de belasting door het eigen gewicht wordt door de dakconstructie ook veranderlijke belasting door regen, sneeuw en wind afgedragen naar de ondersteuningen. Het dak kan ook één van de elementen zijn waaraan de draagconstructie haar stabiliteit ontleent. Het dakvlak is dan schorend. Door de dakconstructie te verstijven, bijvoorbeeld met windverbanden, kan het dak horizontale belastingen in het dakvlak afdragen naar de schorende constructies. Bij een gebouw met meer dan één verdieping kan de dakconstructie worden uitgevoerd als één van de vloeren. De dakhuid kan zowel onder, boven, als tussen de elementen van de draagconstructie worden geplaatst. Het meest gangbaar is de dakhuid op de constructie, zodat de dakhuid de constructie omhult, figuur 2.54-1. Architectonisch is het soms gewenst, dat de dakhuid tussen de constructieelementen wordt geplaatst, figuur 2.54-3. Bij een staal- of betonconstructie ontstaan er koudebruggen. Hierdoor kan condensvorming optreden. De afname van de warmteweerstand door de koudebruggen is te verminderen door de constructie geheel boven de dakhuid te plaatsen en het dak aan een klein aantal trekstaven, met een minimale doorsnede, op te hangen, figuur 2.54-2.

1

draagconstructie onder de dakhuid

2

draagconstructie boven de dakhuid

3

draagconstructie tussen de dakhuid

Figuur 2.54 De plaats van de dakhuid ten opzichte van de draagconstructie

2.7.3 Scheidingswanden Met scheidingswanden kunnen we vertrekken afscheiden. De wanden dienen als een visuele scheiding. Daarnaast kunnen de wanden dienen als geluidwering, als brandwering en soms als constructie-element. Dragende scheidingswanden komen voornamelijk in de woningbouw voor. Bij de utiliteitsbouw willen we over het algemeen de ruimten flexibel kunnen indelen, zodat de scheidingswanden meestal niet-dragend zijn. Achtereenvolgens komen de lichte en de zware scheidingswanden aan de orde. 2.7.3.a Lichte scheidingswanden Niet-dragende wanden met een gewicht van niet meer dan 3 kN/m1 worden als lichte scheidingswanden beschouwd. De vloeren worden voor deze lichte scheidingswanden op een gelijkmatig verdeelde belasting per m2 berekend. De lichte wanden zijn dan niet-plaatsgebonden en kunnen naar wens ergens in te ruimte worden geplaatst. Bij de lichte scheidingswanden kunnen we twee typen onderscheiden:

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 77

2 STRUCTUUR 77

gen tussen plafond en vloer moeten worden getroffen. Aan de bovenzijde zullen de wanden moeten worden gesteund. Een wand die onder een verlaagd plafond wordt geplaatst, zal aan de bovenzijde door een steunconstructie of door het plafond gesteund moeten worden. Bij het verplaatsen van de wand zal de steunconstructie ook verplaatst of opnieuw gemaakt moeten worden.

drukschot schoren

geluidwering ? brandwering ?

1a 1

1b

lichte scheidingswanden

2

zware scheidingswand op balk

2.7.3.b Zware scheidingswanden Voor een zware scheidingswand zijn meestal wel constructieve voorzieningen in de vloer nodig om de belasting af te dragen. Voor deze wanden wordt de vloer op een plaatsgebonden lijnlast berekend. Deze wanden kunnen later niet verplaatst worden, tenzij constructieve maatregelen genomen zijn door de vloer op regelmatige plaatsen te verstijven, figuur 2.55-2.

Figuur 2.55 Scheidingswanden

•

wanden die tot een verlaagd plafond reiken, figuur 2.55-1b; • de wanden die van vloer tot vloer spannen, figuur 2.55-1a. Willen we een vloer-tot-vloer spannende wand verplaatsen, dan moet tevens het verlaagd plafond tussen de wanden worden aangepast. Een van vloer tot verlaagd plafond spannende wand is eenvoudiger te verplaatsen. In het verlaagd plafond kunnen voorzieningen voor de aansluiting met de wanden worden opgenomen. Wanden tot een verlaagd plafond hebben echter wel nadelen ten aanzien van de geluidwerendheid, brandwerendheid en de stabiliteit. Bij het beoordelen van de geluidswering van de wanden moet niet alleen naar de wand maar ook naar de aansluitingen van de wand aan de gevel, de vloer en vooral het plafond worden gekeken. Bij een scheidingswand die onder een verlaagd plafond wordt geplaatst, kan het geluid in het plenum boven de wand naar de andere ruimte doordringen. De geluidweerstand neemt door dit omloopgeluid sterk af. De geluidweerstand is te verbeteren door de wand van vloer tot vloer te laten spannen, figuur 2.55-1b. Men kan ook boven de wand tussen plafond en vloer een geluidskering (drukschot) aanbrengen, figuur 2.55-1b. Ook voor een brandwering zal boven een wand die van vloer tot verlaagd plafond spant voorzienin-

Plaatsen we een zware steenachtige scheidingswand op een vloer, dan is het mogelijk dat de wand zal gaan scheuren, doordat de vloer te veel vervormt. Wordt de vloer na het plaatsen van de wand belast, bijvoorbeeld in de gebruiksfase door een veranderlijke belasting, dan zal de vloer vervormen, figuur 2.56. Omdat de wand een grotere stijfheid heeft dan de vloer, zal de wand het eigen gewicht van de wand en soms de belasting van de daarboven liggende vloer gaan dragen. In de wand ontstaan door deze belastingen buigende momenten en dus trekspanningen, waardoor deze kan gaan scheuren. Deze scheuren zijn te vermijden door de wand te dilateren en de vloer te verstijven. De vloer kan worden verstijfd met een balk op of onder de vloer of door de vloerhoogte te vergroten. Om te vermijden dat de niet-dragende wand onbedoeld wordt belast door de bovenliggende vloeren brengen we tussen de wand en de bovenliggende vloer een verend materiaal aan.

06950521_H02

22-11-2005

12:46

Pagina 78

h

h

H

78

l

1a

l

schema

L

constructie

2

u vervormingen ten gevolge van doorbuiging ligger

u

u

1

δ

h_ l

δ

kier

3

δ

δ

δ

scheidingswand

δ vervormingen ten gevolge van zettingsverschil of verkorting kolom Δ

Δ

Δ

Δ

scheidingswand

4

Δ vervormingen ten gevolge van horizontale verplaatsing verdieping

Figuur 2.56 Belasting op niet-dragende muren in het skelet

Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 1 Architectures d’ingenieurs XIXe-XXe siècles, Centre de creation Industrielle 2 Boessenkool, ing. Th e.a., Handboek Modulair Bouwen. Waltman, V.G. Bouw 3 Eernbeemt, ir. S. van den, Gedaanteverwisseling voormalig NMB-gebouw met verrassend resultaat. In: Renovatie en onderhoud, nr. 12, december 1989 4 Gevels in prefab, Belton/SMD/Waltman

5 Hart, F., W. Henn en H. Sontag, Staalbouwatlas. Agon Elsevier 6 Klerk, ir. L.J. de, Structuur van gebouwen. Technische Hogeschool Delft 7 Oosterhoff, prof. ir. J., Geschiedenis van de Bouwtechniek. Technische Hogeschool Delft 8 Spits, P.L., Gevelmetselwerk met betonsteen, In: Cement 1992 nr. 4

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 79

Belastingen, vervormingen en constructiematerialen ir. M.W. Kamerling

De draagconstructie moet in staat zijn om de op het gebouw werkende belastingen af te voeren. Om de constructie te kunnen ontwerpen, moet bekend zijn welke belastingen op het gebouw aangrijpen en hoe groot deze zijn. Vervolgens kan dan een constructie worden ontworpen waarmee de belastingen naar de fundering kunnen worden afgevoerd. Een gebouw moet echter niet alleen veilig maar ook bruikbaar zijn. Dit houdt in dat de constructie niet alleen sterk genoeg, maar ook stijf genoeg moet zijn, zodat deze door de belastingen niet exceptioneel vervormt. Naast de belastingen en de vervormingseisen is ook de materiaalkeuze bepalend voor de vorm van de ontworpen constructie. Door in een vroeg stadium van het ontwerpproces de kenmerkende materiaaleigenschappen te vergelijken, kan gefundeerd een materiaalkeuze worden gemaakt die leidt tot een economisch ontwerp dat past in het gebouw.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 80

80

Inleiding Een constructie moet zodanig worden vormgeven en gematerialiseerd dat deze sterk en stijf genoeg is om de daarop werkende belastingen af te kunnen dragen. Voor het ontwerp van de constructie zijn de belastingen en de materiaalkeuze bepalend. Het constructiemateriaal moet sterk en stijf genoeg zijn om de belastingen af te dragen, daarnaast worden aan het constructiemateriaal ook eisen gesteld betreffende het uiterlijk, de duurzaamheid, het milieu, de brandwerendheid, de kostprijs en de uitvoering. De materiaalkeuze is ook van invloed op de belastingen. Vooral bij een grote overspanning zal men een lichte constructie prefereren zodat de belasting door het eigen gewicht van de constructie gering is. Het doel van de constructie is het afvoeren van de belastingen die op de constructie aangrijpen. Het doel wordt bereikt als gedurende een bepaalde tijd, de referentieperiode, de constructie betrouwbaar en bruikbaar is. Behalve voor woonwagens, industriële hallen en tijdelijke bouwwerken, houdt men voor de referentieperiode 50 jaar aan. Gedurende deze periode mag in de constructie de uiterste grenstoestand en de bruikbaarheidsgrenstoestand nergens overschreden worden.

1

bruikbaarheid

2

betrouwbaarheid

Figuur 3.1 Bruikbaarheid en betrouwbaarheid

tie moet worden berekend, tevens worden de vervormingseisen genoemd waaraan moet worden voldaan. Deze norm wordt te zijner tijd vervangen door de Europese norm. De voorgeschreven belastingen en vervormingseisen zijn minimaal. In overleg met de opdrachtgever kan men besluiten om de constructies op hogere belastingen en strengere vervormingseisen te dimensioneren. Voor een gebouw met trillingsgevoelige apparaten zal men wellicht een stijvere constructie ontwerpen dan volgens de norm zou moeten.

3.1 Belastingen Een grenstoestand treedt op als aan een vooraf gestelde eis nog net wordt voldaan. De grenstoestand waarbij de constructie net niet bezwijkt, wordt de uiterste grenstoestand genoemd. Met berekeningen moet worden aangetoond dat deze grenstoestand niet wordt overschreden. Voor de gebruiker is niet alleen de sterkte maar ook de stijfheid belangrijk. Een slappe constructie kan onbruikbaar zijn omdat de constructie te veel vervormt, trilt of scheurt. Door te grote vervormingen kunnen scheidingswanden scheuren, ruiten breken en deuren klemmen. Omdat het mogelijk is dat een constructie niet bezwijkt maar wel te veel vervormt, zal men zowel voor de uiterste grenstoestand als de bruikbaarheidsgrenstoestand moeten aantonen dat deze nergens overschreden worden. In de NEN 6702 Belastingen en vervormingen worden de belastingen gegeven waarop de construc-

Op een constructie grijpen veel verschillende belastingen aan. Welke belasting maatgevend is, hangt van het soort gebouw af, figuur 3.2. Onder de maatgevende belasting verstaan we die belasting die bepalend is voor de vorm en afmetingen van de constructie. De overige belastingen mogen in de controleberekeningen niet verwaarloosd worden. De soort belasting is bepalend voor het ontwerp van de constructie. Voor iedere constructie moet Soort gebouw

Maatgevende belasting

Hoogbouw Laagbouw Verdiepinggebouw Kelder

windbelasting regen- en sneeuwbelasting vloerbelasting gronddruk en grondwaterdruk

Figuur 3.2 Maatgevende belastingen per gebouwsoort

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 81

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 81

van te voren worden bepaald welke belastingen op de constructie aangrijpen en welke maatgevend zijn. Eén belasting is altijd aanwezig: het eigen gewicht. Dit eigen gewicht kan de ontwerper ook meer beïnvloeden dan de veranderlijke belastingen. Sommige belastingen, bijvoorbeeld de wind- en sneeuwbelasting, komen slechts incidenteel voor. Een constructie hoeft niet berekend te worden op een uitzonderlijke combinatie van sporadisch voorkomende belastingen, maar moet wel berekend worden op combinaties van veranderlijke of bijzondere belastingen met het eigen gewicht. Om zinnige combinaties te kunnen samenstellen worden de volgende drie soorten belastingen onderscheiden: 1 permanente belasting; 2 veranderlijke belasting; 3 bijzondere belastingen. In formules worden deze belastingen aangeduid met respectievelijk G, Q en Fa. 1 De permanente belastingen zijn die belastingen, die gedurende de referentieperiode vrijwel altijd aanwezig zijn en nauwelijks variëren, zoals het eigen gewicht, voorspanning, gronddruk en de grondwaterdruk op een kelderwand of een keldervloer. 2 De veranderlijke belastingen zijn die belastingen waarvan de grootte gedurende de referentieperiode sterk wisselt, zoals de belastingen ten gevolge van personen, goederen, meubilair, voertuigen, regen, sneeuw en wind enzovoort. Voor de veranderlijke belasting maakt men onderscheid tussen de extreme en momentane belasting. De extreme veranderlijke belasting Qe is die belasting, die misschien maar één keer gedurende de referentieperiode aangrijpt op de constructie. De momentane veranderlijke belasting Qm is dat deel van de veranderlijke belasting, waarvan de kans groot is dat deze aanwezig is. 3 De bijzondere belastingen zijn die belastingen die ontstaan bij een calamiteit, bijvoorbeeld een aardbeving, aanrijding, brand of explosie.

Zie voor uitgebreidere bespreking hoofdstuk 3 Dragen van deel 7 Bouwmethodiek

3.2 Grootte van de belastingen Permanente belastingen De permanente belastingen zijn die belastingen, die gedurende de referentieperiode nauwelijks variëren, zoals bijvoorbeeld het eigen gewicht van een constructie en de afwerking op een vloer. In de NEN 6702 worden in tabel 12 volumieke gewichten van bouwmaterialen en in tabel 13 het gewicht per oppervlakte van constructies gegeven. In het deel Bouwmethodiek worden overzichten gegeven van het volumieke gewicht van de belangrijkste bouwmaterialen en het gewicht van diverse bouwproducten

Veranderlijke belastingen De veranderlijke belastingen zijn die belastingen waarvan de grootte gedurende de referentieperiode sterk wisselt, zoals de belastingen ten gevolge van personen, goederen, meubilair, voertuigen, regen, sneeuw en wind enzovoort. Zoals besproken, maken we voor de veranderlijke belasting onderscheid tussen de extreme en momentane belasting. De extreme veranderlijke belasting Qe is die belasting, die misschien maar één keer gedurende de referentieperiode aangrijpt op de constructie. De momentane veranderlijke belasting Qm is dat deel van de veranderlijke belasting, dat normaal wel aanwezig is. De momentane belasting vinden we door de extreme belasting met een reductiefactor ψ te reduceren: Qm = Qe · ψ m De veranderlijke belastingen bestaan uit een puntlast Frep , een lijnlast die optreedt over een lengte van één meter qrep en een gelijkmatig verdeelde belasting prep. Deze belastingen treden niet gelijktijdig op. We rekenen of met een puntlast of met een lijnlast of met een gelijkmatig verdeelde belasting. De puntlast en de lijnlast zijn kortstondige belastingen, de momentane waarde is 0. De veranderlijke belasting op een vloer wordt

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 82

82

bepaald door de functie van het gebouw. Bijvoorbeeld voor kantoren, scholen en ziekenhuizen wordt gerekend met een gelijkmatig verdeelde vloerbelasting van prep = 2,5 kN/m2. De momentane vloerbelasting is gelijk aan ψ · prep : pm = 0,5 × 2,5 kN/m2. Verder moeten we rekenen met een puntlast van Frep = 3 kN, aangrijpend op een oppervlakte van 0,5 × 0,5 m2. Bij bordessen en trapgaten rekenen we over een lengte van 1 m met een lijnlast qrep = 5 kN/m1 die op een afstand van 0,1 m van de rand aangrijpt.

waarde, de stuwdruk pw , figuur 3.4, te vermenigvuldigen met factoren waarin onder andere de dynamische invloed, de vorm van het gebouw wordt verwerkt. Voor gebouwen met een hoogte van niet meer dan 50 m en niet groter dan 5 × de breedte kan de windbelasting met de volgende vereenvoudigde formule worden berekend: prep = C index · pw [kN/m2] C index is de verzamelnaam voor de factoren behorende bij de winddruk, windzuiging, windwrijving, de onder- en overdruk, figuur 3.3. Voor de regenbelasting en de sneeuw-

Veranderlijke dakbelastingen Voor een dak, waarop geen dakterras is aangebracht zodat het normaal niet wordt betreden, rekenen we behalve op sneeuw-, wind- en regenbelasting, ook op de veranderlijke belastingen die kunnen ontstaan als het dak moet worden geïnspecteerd en gerepareerd. Voor een dak met een dakhelling kleiner dan 15° bestaat deze belasting uit een gelijkmatige verdeelde dakbelasting van prep= 1,0 kN/m2 aangrijpend op een oppervlakte van hoogstens 10 m2. Omdat deze belasting slechts een korte tijd aanwezig is, is de momentane dakbelasting pm gelijk aan 0 kN/m2. Behalve door de gelijkmatig verdeelde belasting kan het dak ook belast worden door een puntlast Frep = 1,5 kN, aangrijpend op een oppervlakte van 0,1 × 0,1 m2 en een lijnlast qrep = 2 kN/m1 die over een lengte van 1 m en een breedte van 0,1 m aangrijpt. Windbelasting Gevels en daken worden belast door wind, figuur 3.3. De windbelasting vinden we door een basis-

belasting verwijzen we naar de bespreking van deze belastingen in deel 7 Bouwmethodiek

In hoofdstuk 4 Laagbouw wordt de regenbelasting op grote platte daken besproken. De hoofddraagconstructie Voor constructies met een nagenoeg cirkelvormige doorsnede, zoals masten rekent men met één factor Ct. Voor gebouwen wordt tegelijkertijd gerekend met winddruk, windzuiging, wrijving, onderen overdruk. Hoewel de wind uit iedere hoek kan waaien, beperkt men zich tot de controle van enkele maatgevende belastingcombinaties. De wind die loodrecht op een gevel staat, is meestal maatgevend. Voor een rechthoekig gebouw worden dan vier maatgevende belastingcombinaties gevonden, waarbij de windrichting steeds loodrecht op één van de vier gevels staat. Voor de hoofddraagconstructie is de over- en onderdruk niet belangrijk, omdat de over- of onderdruk op de loefgevel (waar de wind opstaat) de over- en onderdruk op de lijgevel (gelegen in de luwte) compenseren.

zuiging 0,7

zuiging 0,7

0,4 0,3 0,4

0,8

0,3

druk

overdruk

lengte - hoogte

Figuur 3.3 Windvormfactoren C index voor gesloten gebouwen

0,4

0,8

0,3 zuiging

hoogte

0,4 0,3

0,3

druk

onderdruk

0,3 zuiging

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 83

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 83

3

2

1

150

1

hoogte ( m )

2

100 1 3

2 50

3

0

0,4 0,6

1,0

1,4

1,8

2,2

kN/m2

bebouwd onbebouwd

1

2

stuwdruk bebouwd en onbebouwd volgens NEN 6702

gebieden 1, 2 en 3

Figuur 3.4 Stuwdruk pw

Druk en zuiging De coëfficiënt voor winddruk en windzuiging op gevels van rechthoekige gebouwen is respectievelijk 0,8 en –0,4. Een positieve waarde is naar binnen gericht, een negatieve waarde is naar buiten gericht. Voor het platte dak van een rechthoekig gebouw wordt gerekend met een factor voor de zuiging van –0,7. Deze factor hoeft men alleen over het eerste gedeelte aan de loefzijde ter lengte van de gebouwhoogte in rekening te brengen. Voor de rest van het platte dak mag met –0,4 worden gerekend. Voor een zadeldak varieert afhankelijk van de dakhelling de factor voor de winddruk van 0,3 tot 0,8 en de windzuiging van –0,4 tot –0,7. Wrijving De windwrijving langs de evenwijdig aan de windrichting gelegen vlakken hangt af van de ruwheid van de oppervlakte, figuur 3.5.

Ruwheid

Wrijvingsfactor

Glad Uitsteeksels ≤ 40 mm Uitsteeksels ≥ 40 mm

0,01 0,02 0,04

Voor vlaggen zijn er aparte factoren. Figuur 3.5 De invloed van de ruwheid van een oppervlakte op de windwrijving

De constructie van gevels en daken Voor de berekening van gevels en daken moet worden rekening gehouden met over- en onderdruk. Voor een gesloten gebouw zijn de factoren voor over- en onderdruk respectievelijk 0,3 en –0,3. Voor de constructie van een gevel aan de loefzijde is de combinatie druk + onderdruk (0,8 + 0,3) maatgevend. Voor de constructie van de gevel aan de lijzijde is de combinatie overdruk + zuiging (–0,3 + (–0,4)) maatgevend. Voor het platte dak is de combinatie overdruk

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 84

84

met zuiging vaak maatgevend voor de bevestigingen van dakplaten en dergelijke. Voor een rechthoekig gebouw wordt gerekend met een factor voor de zuiging van –0,7 (over het eerste gedeelte aan de loefzijde ter lengte van de gebouwhoogte) gecombineerd met de overdruk

relatieve frequentie

Histogram Een histogram is een grafiek waarin horizontaal de gemeten waarden en verticaal het aantal keren dat deze waarden voorkomen, worden uitgezet, figuur 3.6. Worden de afwijkingen van het gemiddelde alleen door het toeval bepaalt, dan ontstaat er een zogenoemde normale verdeling. Het histogram is dan klokvormig. Hoe groter de variatie hoe breder de kromme. De variatie van de treksterkte van staal ten opzichte van de gemiddelde treksterkte is bij staal veel kleiner dan bij hout. Hierdoor ontstaat bij staal een veel smallere klokvormige grafiek dan bij hout.

σ

gemiddelde waarde

grote spreiding

relatieve frequentie

1

σ

gemiddelde waarde

2

kleine spreiding

gemiddelde waarde

3

histogram

Figuur 3.6 Histogram

–0,3 geeft dit een belasting prep = (–0,7 + (–0,3)) pw = –1,0 × pw opwaarts. Bij dakranden, luifels en gebouwhoeken kunnen grote belastingen optreden. In de NEN 6702 vindt men locale factoren waarop onderdelen van gebouwen berekend moeten worden.

3.3 Betrouwbaarheid Een constructie zal bezwijken als: • in een constructie-element de materiaalsterkte overschreden wordt; • een constructie-element knikt, plooit of kipt; • de constructie niet meer standzeker is; • de constructie bezwijkt, omdat in de constructie op één of meerdere plaatsen het constructiemateriaal plastisch vervormt. Met controleberekeningen moet worden aangetoond dat de bovengenoemde bezwijkmechanismen niet zullen optreden. Het controleren of een constructie bezwijkt, zou eenvoudig zijn als de belastingen op de constructie en de materiaaleigenschappen van de elementen van de constructie altijd dezelfde waarden hebben. Zowel de materiaaleigenschappen als de belastingen blijken te schommelen rond een gemiddelde waarde. De mate waarin de materiaaleigenschappen of belastingen schommelen is afhankelijk van respectievelijk het constructiemateriaal en de belastingsoort. Bijvoorbeeld de treksterkte van staal varieert minder dan de treksterkte van beton en hout. Het eigen gewicht van een constructiemateriaal varieert minder dan de windbelasting. Met behulp van de waarschijnlijkheidsleer kunnen we de variatie, oftewel de mate waarin belastingen en materiaaleigenschappen schommelen, bepalen. 3.3.1 Karakteristieke waarden Als we voor een controleberekening de spanning door de gemiddelde belasting vergelijken met de gemiddelde sterkte, is in de berekening de variatie van de sterkte en de belastingen niet verwerkt. Hierdoor is het zeer goed mogelijk dat de constructie bezwijkt ook al zou de spanning door de gemiddelde belasting lager zijn dan de gemiddelde sterkte. De constructie bezwijkt als toevallig de

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 85

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 85

Trefzekerheid Een schutter is trefzekerder als alle pijlen dicht bij het doel belanden en de variatie klein is. Bij een minder trefzekere schutter zullen enkele pijlen dicht bij het doel en andere ver van het doel de schijf raken, de variatie is dan groot, figuur 3.7.

waarde die slecht met een kleine kans wordt overof onderschreden. Deze wordt vrijwel altijd gebaseerd op een overschrijdingskans van 5%. Voor materialen bepalen we de ondergrens voor de sterkte en stijfheid, die met een kleine kans wordt onderschreden. Uitgaande van een 5% onderschrijdingskans berekenen we de karakteristieke sterkte of stijfheid met: Rkar = Rgemiddeld – 1,64 × σR Een karakteristieke belasting is de belasting, die slechts met een kleine kans wordt overschreden. Uitgaande van een overschrijdingskans van 5% berekenen we de karakteristieke belasting met:

1

2

kleine spreiding

grote spreiding

Skar = Sgemiddeld + 1,64 × σs.

Figuur 3.7 Variatie

belasting groter is dan de gemiddelde belasting en tegelijkertijd de optredende sterkte kleiner is dan de gemiddelde sterkte. De belasting is hierdoor groter dan de belasting die de constructie kan weerstaan: S > R. Hoe groter de variatie hoe groter de kans dat een bepaalde belasting veel groter en een bepaalde materiaaleigenschap veel minder sterk is dan de gemiddelde waarde. Met behulp van de waarschijnlijkheidsleer wordt de variatie van de belastingen en de materiaalsterkte en stijfheid verwerkt.

frequentie

Rekenen we met gemiddelde waarden dan zegt dat nog niets over de variatie. We kunnen daarom beter rekenen met een karakteristieke waarde, figuur 3.8. Een karakteristieke waarde is een

De standaardafwijking σ geeft aan hoe groot de spreiding is. In het histogram is de standaardafwijking herkenbaar als de afstand van de gemiddelde waarde tot een buigpunt. Door met de karakteristieke waarden voor de belasting en voor de materiaaleigenschappen te rekenen kunnen we de variatie van de belastingen en materiaaleigenschappen in de berekening betrekken, figuur 3.9.

σS

S gem

1,64 σ

Sk

karakteristieke belasting

kans x < x1

σR karakteristieke sterkte

x1

Rk

1,64 σ

R gem

x gem.

frequentie

_R Sd < d

kans x >x 2

σS

S gem

x gem.

x2

Figuur 3.8 Karakteristieke waarde

σR 1,64 σ R R gem

1,64 σ S

Sk

Rk

Figuur 3.9 Rekenwaarde voor de belasting en sterkte

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 86

86

3.3.2 Variatie en standaardafwijking Worden de schommelingen in de materiaaleigenschappen alleen door toeval bepaald, dan zal, als men bij een groot aantal exemplaren een bepaalde eigenschap meet, een symmetrische verdeling ontstaan. In de waarschijnlijkheidsleer wordt een dergelijke verdeling een normale verdeling genoemd. Worden in een grafiek horizontaal de gemeten waarden uitgezet en verticaal de frequentie waarin deze waarden voorkomen, dan ontstaat er bij een normale verdeling een klokvormige grafiek. Deze klokvormige kromme is symmetrisch. De top van de grafiek treedt op bij het gemiddelde. De variatie is nu de mate waarin de gemeten waarden afwijken van het gemiddelde. De variatie kan worden uitgedrukt met de variatiecoëfficiënt v. Deze wordt berekend door de standaardafwijking σ te delen door het gemiddelde µ:

v

σ μ

In de grafiek is de standaardafwijking σ herkenbaar als de afstand van de buigpunten tot het gemiddelde. De standaardafwijking kan voor een steekproef van n exemplaren worden berekend met: ∑(x i – x gem ) 2 n–1 waarin: xi : de gemeten waarde van het i-de exemplaar xgem : de gemiddelde waarde Bij de normale verdeling is de kans dat de belasting kleiner is dan een waarde x1 gelijk aan het oppervlakte tussen de kromme en de x-as in het gebied voor x-waarden kleiner dan x1. De kans dat de sterkte groter is dan x2, is gelijk aan het oppervlakte tussen de kromme en de x-as in het gebied voor x-waarden groter dan x2, figuur 3.8. Uit veiligheidsoverwegingen is gewenst dat een bepaalde materiaaleigenschap, zoals bijvoorbeeld de druksterkte, alleen met een zeer kleine kans wordt onderschreden. Deze waarde noemen we de karakteristieke waarde. De karakteristieke sterkte ligt op een afstand 1,64 σ van de gemiddelde waarde (zie ook paragraaf 3.3.1): Rkar = Rgemiddeld – 1,64 σ

3.3.3 Rekenwaarden en representatieve waarden In principe bestaat de controle van de uiterste grenstoestand uit een controleberekening waarmee wordt aangetoond dat de belasting Sd op de constructie kleiner is dan de met de constructie opneembare belasting Rd: Sd ≤ Rd. Om ervoor te zorgen dat de constructie veilig genoeg is, wordt bij deze controle gerekend met rekenwaarden voor de optredende belasting Sd en opneembare belasting Rd. In deze rekenwaarden zijn veiligheidsfactoren verwerkt, figuur 3.9. Tussen de karakteristieke belasting en de karakteristieke sterkte moet een zekere afstand, een marge, zijn. Zou de karakteristieke belasting leiden tot een spanning die even groot is als de karakteristieke sterkte, dan zou de kans dat de constructie bezwijkt circa 1‰ zijn. Voor een gebouw eisen we een lagere bezwijkkans. De veiligheidsmarge wordt verdisconteerd door de constructie te berekenen op een rekenbelasting Sd. De rekenbelasting verkrijgt men door de karakteristieke belasting met een belastingsfactor te vermenigvuldigen: Sd = γ · Skar. De rekenwaarde voor de sterkte Rd verkrijgt men door de karakteristieke sterkte te reduceren met een materiaalfactor,

Rd

Rkar

γ

Voor de normale bouwpraktijk is het te omslachtig om voor de constructiematerialen en de belastingen steeds opnieuw de karakteristieke waarden te bepalen. In plaats daarvan worden de belastingen, materiaaleigenschappen, belasting- en materiaalfactoren met normen bepaald. De belastingen, de belastingsfactoren, de belastingscombinaties en de grootte van de belastingen worden in de norm NEN 6702 Belastingen en vervormingen voorgeschreven. Deze voorgeschreven belastingen worden de representatieve belastingen genoemd. Deze representatieve belastingen zijn meestal gelijk aan de karakteristieke belastingen in deze belastingen is de spreiding dan verwerkt. De materiaaleigenschappen en de materiaalfactoren zijn beschreven in de materiaalgebonden normen als bijvoorbeeld: • NEN 6720 Betonconstructies; • NEN 6770 Staalconstructies; • NEN 6760 Houtconstructies.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 87

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 87

3.3.4 Belastingsfactoren voor de uiterste grenstoestand De belastingsfactor voor de uiterste grenstoestand voor de permanente belasting is 1,2. De belastingsfactoren voor de veranderlijke belastingen zijn afhankelijk van de veiligheidsklasse. Er zijn drie veiligheidsklassen (zie NEN 6702), figuur 3.10. De indeling is gebaseerd op de mogelijke schade die zou kunnen ontstaan als de constructie bezwijkt.

Veiligheidsklasse 3 geldt voor gebouwen, waarvan wordt verondersteld dat het bezwijken van de constructie tot veel slachtoffers en veel schade zou kunnen leiden. Tot deze gebouwen behoren bijvoorbeeld bijeenkomst-, gezondheidszorg-, horeca-, kantoor-, logies- en woongebouwen en verder alle gebouwen met meer dan twee bouwlagen, of gebouwen zoals winkels, die voor publiek toegankelijk zijn. Veiligheidsklasse 2 geldt voor die gebouwen, waarvoor bij bezwijken de kans dat er slachtoffers vallen klein is en waarvoor bij bezwijken de economische schade betrekkelijk gering is. In deze klasse vallen gebouwen als eengezinswoningen en fabriekshallen. Veiligheidsklasse 1 geldt voor gebouwen, waarin slechts gedurende een korte tijd mensen aanwezig zijn en waarbij als de constructie bezwijkt slechts weinig schade ontstaat. Tot deze gebouwen behoren bijvoorbeeld schuren en opslagloodsen. Ook de voor de uitvoering benodigde hulpconstructies mogen in deze klasse worden ingedeeld. De belastingsfactoren voor de uiterste grenstoestand zijn voor de veranderlijke belasting 1,5 voor gebouwen die in veiligheidsklasse 3 zijn inge-

Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3

deeld. De belastingfactor voor de veranderlijke belasting mag voor gebouwen in klasse 2 en 1 worden verlaagd tot respectievelijk 1,3 en 1,2. Rekent men met een bijzondere belasting, dan mag de belastingsfactoren voor de veranderlijke, permanente en bijzondere belasting worden verlaagd tot 1,0. Zou de permanente belasting gunstig werken, zodat de spanningen en vervormingen lager worden, dan moet men de belastingfactor voor de permanente belasting verlagen van 1,2 naar 0,9. Omdat de veranderlijke belasting soms niet aanwezig is, zal de constructie ook moeten worden gecontroleerd op het belastingsgeval dat alleen permanente belasting op de constructie aangrijpt. De belastingfactor voor de permanente belasting is dan 1,35.

3.4 Belastingscombinaties Zoals in hoofdstuk 3 Dragen van deel 7 wordt besproken, kunnen belastingen gelijktijdig optreden

Voor de berekening zullen we belastingen moeten combineren. De kans dat twee onafhankelijke belastingen gelijkertijd extreem zijn is klein. Bijvoorbeeld: de extreme windbelasting treedt niet tegelijk met de extreme sneeuwbelasting op. Een extreme golfbelasting zal wel tegelijk met een extreme windbelasting optreden. Deze belastingen zijn niet onafhankelijk. Voor een belastingscombinatie hoeven we niet te rekenen dat twee onafhankelijke veranderlijke belastingen tegelijkertijd een extreme waarde bereiken. Voor belastingcombinaties rekenen we met één veranderlijke belasting extreem en de overige veranderlijke belastingen momentaan. Is in een

Permanente belasting gunstig

Permanente belasting ongunstig

Veranderlijke belasting

Alleen permanente belasting

0,9 0,9 0,9

1,2 1,2 1,2

1,2 1,3 1,5

1,35 1,35 1,35

Figuur 3.10 Belastingsfactoren voor de uiterste grenstoestand

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 88

88

1,5 Q m 1,2 G

belastingcombinatie een veranderlijke belasting niet aanwezig, dan wordt deze veranderlijke belasting in de formule vermenigvuldigd met een factor 0, bijvoorbeeld: 0 · Qe en 0 · Qm. Voor het bepalen van de belastingscombinaties maken we onderscheid tussen de berekening van een lokaal constructiedeel en de gewichtsberekeningen. Met een gewichtsberekening bepaalt men de verticale belasting op de fundering, de kolommen en de stabiliteitsvoorzieningen als de kernen en schijven. 3.4.1 Combinaties voor de gewichtsberekening Voor de gewichtsberekening, om bijvoorbeeld de belasting op een fundering te berekenen, gaan we uit van de volgende combinaties van de permanente en veranderlijke belasting: • voor stations-, horeca-, bijeenkomstgebouwen en tribunes, oftewel die gebouwen waarvoor de extreme veranderlijke vloerbelasting prep groter of gelijk is dan 4 kN/m2 rekenen we met de permanente belastingen en op alle vloeren de extreme veranderlijke belasting, figuur 3.11-1; • voor kantoor-, school- en winkelgebouwen, oftewel die gebouwen waarvoor de extreme representatieve vloerbelasting kleiner is dan 4 kN/m2 rekenen we met de permanente belastingen en één verdieping met de extreme veranderlijke belasting en de overige vloeren met de momentane veranderlijke belasting, figuur 3.11-2; • voor flats en logiesgebouwen rekenen we met de permanente belastingen, één vloer van één appartement met de extreme veranderlijke belasting en de overige vloeren met de momentane belasting, figuur 3.11-3; • voor de berekening van de stabiliteitselementen als kernen en schijven is de belastingscombinatie met de windbelasting van belang. We rekenen dan met de permanente belasting, de extreme windbelasting op de gevels en daken en momentane veranderlijke belastingen op de vloeren, figuur 3.11-4.

1,5 Q e 1,2 G 1,5 Q e 1,2 G

1

1,5 Q m 1,2 G 1,5 Q e 1,2 G 1,5 Q m 1,2 G

2

winkel-, kantoor-, schoolgebouw etc. beurtelings per verdieping extreem belast 1,5 Q m 1,2 G 1,5 Q e

1,5 Q m

beurtelings 1,2 G 1,5 Q m 1,2 G

3

woon-, logiesgebouw 1,5 Q w 1,2 G

1,5 Q w

1,5 Q m 1,2 G

1,5 Q w

1,5 Q m 1,2 G

4

belastingcombinatie: wind- + permanente +extreme + momentane vloerbelasting 1,35 G 1,35 G 1,35 G

5 Naast de bovengenoemde combinaties moet worden gerekend met alleen permanente belasting en geen veranderlijke belasting. De belastingfactor voor de permanente belasting is dan iets hoger, namelijk 1,35. We rekenen dan

tribune, bijeenkomst-, horecagebouw

alleen permanente belasting

Figuur 3.11 Belastingscombinaties voor gewichtsberekeningen voor de uiterste grenstoestand

Bron: GTB 1990

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 89

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 89 1,5 Q e

p e > 4 kN/m 2

1,2 G

1,5 Q m

pe

>

1,5 Q e

4 kN/m 2

1,2 G 1,5 Q e

1,5 Q m

1,2 G 1,2 G 1,5 Q e

1,2 G

1,5 Q e

1,5 Q m

1,5 Q m

1,2 G 1,5 Q e

1,2 G

1,2 G

1,5 Q m

1,2 G

1,5 Q m

1,5 Q e 1,5 Q m 1,2 G

1

veranderlijke belasting groter of gelijk 4 kN/m 2

1,2 G

1,5 Q e

1,5 Q m 1,2 G

0,9 G

2

veranderlijke belasting kleiner dan 4 kN/m

2

1,2 G

1,5 Q e

1,5 Q m

1,5 Q e

1,5 Q m

1,35 G

0,9 G 1,2 G

3

situatie bij overstek

4

alleen permanente belasting

Figuur 3.12 Belastingscombinaties voor onderdelen van constructies voor de uiterste grenstoestand

voor alle constructiedelen met een belasting 1,35 · G, figuur 3.11-5. Een voorbeeld van de gewichtsberekening voor een gebouw is opgenomen in deel 2 Onderbouw

3.4.2 Combinaties voor onderdelen van constructies Voor onderdelen van constructies, zoals balken en vloeren, rekenen we met de volgende combinaties van de permanente en de veranderlijke vloerbelastingen. Voor deze belastingcombinaties maken we onderscheid tussen gebouwen met een extreme vloerbelasting groter dan 4 kN/m2 en gebouwen met een extreme vloerbelasting lager dan 4 kN/m2: • voor gebouwen met een veranderlijke belasting groter of gelijk aan 4 kN/m2, zoals stations-, horeca-, bijeenkomstgebouwen en tribunes rekenen we met combinaties van de permanente belastingen op alle velden, één veld met een extreme veranderlijke belasting en geen veranderlijke

Bron: GTB 1990

belasting op de overige velden, figuur 3.12-1. Bovendien rekenen we met de combinaties van de permanente belasting op alle velden en twee aaneengesloten velden extreem belast en geen veranderlijke belasting op de overige velden; • voor onderdelen van gebouwen met een veranderlijke vloerbelasting kleiner dan 4 kN/m2 wordt gerekend met combinaties van permanente belasting op alle velden, één veld met een extreme veranderlijke belasting en de overige velden momentaan belast, figuur 3.12-2. Bovendien rekent men met combinaties van permanente belasting op alle velden, één veld zonder veranderlijke belasting en de overige velden met een momentane veranderlijke belasting; Naast de bovengenoemde combinaties moet worden gerekend met alleen permanente belasting en geen veranderlijke belasting. De belastingfactor voor de permanente belasting is dan iets hoger namelijk 1,35. We rekenen dan voor alle constructiedelen met een belasting 1,35 · G.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 90

90

•

bij uitkragende constructies werkt de permanente belasting meestal gunstig. Gerekend wordt dan met twee belastinggevallen, figuur 3.12-3: 1 extreme veranderlijke belasting en permanente belasting met de normale belastingfactoren op de uitkraging en alleen permanente belasting met de gereduceerde belastingfactor 0,9 op het achterliggende veld; 2 alleen de permanente belasting met de gereduceerde belastingfactor 0,9 op de uitkraging en de extreme veranderlijke belasting en de permanente belasting met de normale belastingfactoren op het achterliggende veld.

Voor gevels en daken zijn de combinaties met een extreme wind-, sneeuw-, regenbelasting van belang. De constructie wordt dan berekend op de extreme wind-, sneeuw- of regenbelasting gecombineerd met de permanente en momentane veranderlijke belastingen. Op een constructie grijpt alleen in uitzonderlijke omstandigheden een bijzondere belasting aan. Men rekent dan met de bijzondere belasting, de permanente belasting en de momentane veranderlijke belastingen. De belastingfactoren mogen voor deze combinaties worden verlaagd tot de waarde 1,0. De bovengenoemde combinaties zijn ook van toepassing voor de berekening van de vervormingen (de bruikbaarheidsgrenstoestand), alleen mogen dan de belastingfactoren worden verminderd tot de waarde 1,0.

3.5 Vervorming Een gebouw zal vervormen als het belast wordt of als de temperatuur of de luchtvochtigheid stijgt of daalt. We kunnen de volgende vervormingen onderscheiden: 1 onmiddellijk optredende vervormingen van de constructie door de horizontale en verticale belastingen; 2 toename van de vervorming door kruip; 3 zettingen van de fundering; 4 vervormingen door temperatuurvariaties; 5 vervormingen door de krimp.

Door de belastingen vervormt een constructie, de grootte van de vervorming wordt bepaald door: • materiaal; • afmetingen; • vorm van de constructie; • wijze waarop de constructieonderdelen met elkaar zijn verbonden. Een statisch bepaalde constructie waarvan alle elementen scharnierend zijn verbonden, vervormt meer dan een statisch onbepaalde constructie waarvan de elementen momentvast verbonden zijn. Naast de eigenschappen van de toegepaste materialen, zoals de elasticiteitsmodulus, zal bij een constructiemateriaal als gewapend beton ook de eventuele scheurvorming de grootte van de vervorming beïnvloeden. Ook het tijdstip van belasten en de tijdsduur van de belasting kan een rol spelen. Bij beton en hout nemen de vervormingen door langdurig aanwezige belastingen door kruip toe. Bij een betonconstructie zal de vervorming en kruip verminderen naarmate het beton, op het tijdstip van belasten, meer verhard is. Fundeert men op zandgrond, dan treden de zettingen onmiddellijk na het belasten op. Fundeert men op een grondslag waarin klei- en veenlagen voorkomen, dan nemen de zettingen van deze lagen na het aanbrengen van de belasting gedurende een lange tijd nog sterk toe. Deze tijdsgebonden zettingen worden de seculaire zettingen genoemd. Gedurende de gebruiksperiode kunnen door een toename van de belastingen op de fundering en de ondergrond zettingen optreden. Deze belastingen kunnen ook worden veroorzaakt door een grondwaterstandverlaging. Verlaagt men de grondwaterstand om bijvoorbeeld in de omgeving van het gebouw een bouwput te realiseren, dan nemen de korrelspanningen toe. Hierdoor kunnen zettingen en zettingsverschillen optreden. Door een temperatuursstijging nemen de afmetingen van een materiaal toe en door een temperatuursdaling nemen de afmetingen af. De vormverandering wordt bepaald door de uitzettingscoëfficiënt en de temperatuursverandering. In de constructie ontstaan spanningen als de vervorming van de constructie door de temperatuurverandering wordt belemmerd. Bij het aansluiten van verschillende constructies zal hiermee rekening moe-

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 91

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 91

Door de verandering van de luchtvochtigheid kan het vochtgehalte van een houtconstructie veranderen, waardoor deze zal zwellen of krimpen. Ook de krimp van beton wordt door de luchtvochtigheid van de omgeving bepaald. In een zeer vochtige omgeving is de krimp gering. In een droge omgeving kan de krimp, die ook door de betonkwaliteit wordt beïnvloed, 0,50 ‰ zijn.

Nadat een machine op een vloer is geplaatst en gesteld, zal een vloer nog kunnen vervormen door een toename van de veranderlijke belasting en door kruip. De machine kan een zodanige scheefstand krijgen, dat deze niet meer goed functioneert. De scheefstand van de machine wordt alleen veroorzaakt door de toename van de doorbuiging nadat de machine is geplaatst. Naast de doorbuiging in de eindtoestand zal ook de zogenoemde bijkomende doorbuiging moeten worden begrensd. In de norm wordt de bijkomende doorbuiging gedefinieerd als de toename van de doorbuiging die ontstaat nadat de permanente belasting op de constructie is aangebracht. Deze toename wordt veroorzaakt door de veranderlijke belasting en de kruip. De bijkomende doorbuiging wordt berekend door de totale doorbuiging utot te verminderen met de onmiddellijk optredende doorbuiging door de permanente belasting uon: ubij = utot – uon

1

2

doorbuiging

Figuur 3.13 Doorbuiging

u on

u el

u bij

u kr

u eind

u tot

ueind = utot – uzeeg De totale doorbuiging utot bestaat uit een tijdsonafhankelijk gedeelte uel en een kruipgedeelte ukr. De tijdsonafhankelijke doorbuiging uel wordt berekend voor de beschreven belastingscombinaties. Het vloer- of dakveld wordt dan belast door

einddoorbuiging u zeeg

3.5.1.a De totale en de bijkomende doorbuiging van een dak of vloer Voor een dak of vloer mag de doorbuiging in de eindtoestand ueind niet groter zijn dan 0,004 maal de overspanning, figuur 3.13. De doorbuiging in de eindtoestand uwind is de totale doorbuiging utot verminderd met de eventuele zeeg (uzeeg):

u eind

u tot

3.5.1 Vervormingseisen De controle van de vervorming vindt plaats voor de bruikbaarheidsgrenstoestand. Omdat de veiligheid niet in het geding is, zijn de belastings- en materiaalfactoren voor de bruikbaarheidsgrenstoestand gelijk aan 1,0. De rekenwaarde voor de belastingen en materiaaleigenschappen zijn bij deze grenstoestand dus gelijk aan de representatieve belastingen en de representatieve materiaaleigenschappen. De belastingscombinaties zijn gelijk aan de belastingscombinaties voor de uiterste grenstoestand, alleen zijn de belastingsfactoren nu gelijk aan 1,0. In de NEN 6720 worden eisen gesteld aan de doorbuiging van een dak of vloer en aan de horizontale doorbuiging van het gebouw.

permanente en extreme belasting. Bij hout en beton neemt de vervorming toe door kruip. De toename door kruip ukr wordt berekend voor de momentane belastingscombinatie. De constructie wordt dan op ieder veld belast door de permanente en 60% van de momentane veranderlijke belasting.

u zeeg

ten worden gehouden. De uitzettingscoëfficiënt van beton is 10 -5 K -1 en van metselwerk is 6 × 10 -6 K -1. Een betonnen latei in een gemetselde wand zal dus meer vervormen dan het omringende metselwerk. Kan het vervormingsverschil niet in de aansluiting van de latei met het metselwerk worden opgenomen, dan ontstaan er spanningen die tot scheurvorming kunnen leiden.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 92

u bij

92

Figuur 3.14 Vervorming van een niet-dragende muur in een skelet

De bijkomende doorbuiging van een vloer mag niet meer zijn dan 0,003 maal de overspanning. De bijkomende doorbuiging van een dak mag niet meer zijn dan 0,004 maal de overspanning. 3.5.1.b Steenachtige scheidingswanden Een niet-dragende verplaatsbare scheidingswand samengesteld uit panelen zal de vervorming van de vloer kunnen volgen. Een steenachtige scheidingswand zal stijver zijn dan de onderliggende vloer, zodat deze onbedoeld belasting af kan gaan dragen. Door tussen de scheidingswand en de daarboven gelegen vloer voldoende ruimte over te laten, kan men voorkomen dat de wand de bovenliggende vloer draagt. De ruimte tussen de wand en de vloer kan om geluidsoverlast te voorkomen gedicht worden met een elastisch materiaal. De wand zal dan alleen het eigen gewicht afgedragen. Door deze belasting kan de wand al gaan scheuren zodat in de NEN 6702 wordt aanbevolen om de bijkomende doorbuiging, figuur 3.14, te beperken tot 0,002 maal de overspanning met een bovengrens van 15 mm. Bij uitkragende constructies vult men in de bovengenoemde begrenzingen in plaats van de overspanning twee maal de uitkraging in. Staan er scheidingswanden op de uitkragende constructie dan wordt aanbevolen om de bijkomende doorbuiging te beperken tot een maximale waarde van 10 mm. De in de norm geformuleerde eisen zijn praktische eisen die niet altijd streng genoeg zijn. In bepaalde gevallen, bijvoorbeeld bij een vloer waarop zware machines worden geplaatst die nauwkeurig waterpas moeten staan, kan het noodzakelijk zijn dat de bijkomende doorbuiging sterker moet worden beperkt.

3.5.1.c Zettingen De zetting van een fundering mag volgens de NEN 6740 Geotechniek 0,15 m zijn, mits de zetting gelijkmatig is en er geen zettingsverschillen optreden. Als het gebouw 0,15 m zakt ten opzichte van het maaiveld zal er waarschijnlijk wel een probleem ontstaan bij de aansluiting op het riool, de gas- en de waterleiding. Deze problemen ontstaan evengoed als het gebouw vrijwel niet zet en het maaiveld rondom het gebouw een grote zetting heeft. Dit probleem doet zich voor als bij nieuwe bouwlocaties op een slappe ondergrond het terrein wordt opgehoogd. De op palen gefundeerde gebouwen zullen nauwelijks zetten, het opgehoogde terrein zal wel zetten. Het gevolg is dat niet-gefundeerde riolen en leidingen ter plaatse van de overgang binnen-buiten een grote vormverandering moeten kunnen ondergaan.

Door zettingsverschillen ontstaat een rotatie, deze mag niet meer zijn dan 1/300, figuur 3.15. Voor een gebouw met een steenachtige draagconstructie en een kleine vervormingscapaciteit verdient het aanbeveling om de rotatie te beperken tot 1/500. Voor een gebouw waarin gevoelige installaties worden geplaatst, kan het noodzakelijk zijn om de rotatie te beperken tot 1/750. 3.5.1.d Horizontale doorbuiging en scheefstand Voor een gebouw met meer dan één verdieping wordt de totale horizontale doorbuiging beperkt tot 1/500 van de totale hoogte van het gebouw. Tevens moet de vervorming per verdieping beperkt blijven tot 1/300 van de verdiepinghoogte. Voor een gebouw met één verdieping wordt de totale horizontale doorbuiging beperkt tot 1/300 maal de hoogte van het gebouw. Voor een industriehal met één verdieping mag de vervorming zelfs 1/150 van de hoogte zijn. Ondersteunt de constructie van de hal ook een kraanbaan, dan

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 93

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 93

1

2

1

l

2

3

W1

W2

W3

l

rotatie:

1

=

1

W2 - W1 2

l1

=

2

W3 - W2

Figuur 3.15 Beperking van de rotatie van de fundering

l2

kan het wenselijk zijn om de doorbuiging sterker te beperken. Net als bij de bijkomende doorbuiging is het voor de horizontale doorbuiging verstandig om de doorbuiging extra te beperken als in het skelet niet-dragende steenachtige scheidingswanden worden geplaatst. De scheidingswanden kunnen ook scheuren als de steunpunten van de vloer ongelijk zakken. De gevelkolommen zullen vaak minder worden belast dan de middenkolommen. Geeft men de gevelkolommen dezelfde doorsnede als de middenkolommen, dan is de spanning in de gevelkolommen veel lager dan in de middenkolommen. Hierdoor zullen de gevelkolommen ook minder vervormen. Hoe hoger het gebouw is, hoe groter het vervormingsverschil tussen de midden- en gevelkolommen zal zijn. Op de bovenste etages kan een zodanige scheefstand ontstaan dat de wanden gaan schranken. Naarmate de gebouwen hoger worden, is het belangrijk dat de spanningen in de kolommen en wanden ongeveer gelijk zijn. De scheefstand van

u1 <

h2 300

u tot <

h1+ h2 500

h1 300

h1

h1+ h2

h2

u2 <

Figuur 3.16 Eisen voor de horizontale doorbuiging

de vloeren blijft dan beperkt. De scheurvorming kan ook worden vermeden door de wanden elastisch aan te sluiten met de kolommen, zodat de vervorming in de voeg wordt opgenomen. 3.5.2 Vormverandering door de temperatuurvariatie en krimp Constructies ondergaan door temperatuurverschillen een lengteverandering. De lengteverandering is te berekenen met de thermische uitzettingscoëfficiënt α. De eenheid van α is K-1. Normaal wordt in Kelvin gerekend. Vanwege de eenvoud wordt hier alles in Celcius berekend. De conversie van Celsius naar Kelvin volgt uit: 0 °C = +273 K.

De lengteverandering Δ l in een element met de lengte l door een temperatuurverandering ΔT is te berekenen met: Δ l = α · l · ΔT. De lengteverandering treedt op ten opzichte van het vervormingszwaartepunt. Wordt de staaf aan het uiteinde vastgehouden, dan vervormt deze ten opzichte van dit uiteinde. Wordt de staaf in het midden vastgehouden, dan zijn de vervormingen van de uiteinden gelijk aan: Δ l = α · 1/2 l · ΔT. De temperatuurveranderingen ontstaan door de dag-en-nachtcyclus, de zomer-wintercyclus en door directe zonbestraling. De gemiddelde temperatuur is in de winter 4 °C en zomers 17 °C, in extreme omstandigheden kan de temperatuur in de winter dalen tot –25 °C en in de zomer stijgen tot +30 °C. De temperatuurverandering is dan 55 °C. Door directe zonbestraling loopt de temperatuur aanzienlijk op. De temperatuur van een donker gekleurd dak kan tot 75 °C oplopen. Bij een zuid- en westgevel kan de temperatuur oplopen tot 50 °C. Bij noord- en oostgevels wordt de temperatuur zelden hoger dan 25 °C.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 94

94

Behalve door temperatuurveranderingen kunnen er ook spanningen ontstaan door krimp. Bij een betonconstructie ontstaat bij de verharding hoge temperaturen in het beton. Door de afkoeling verkort het beton. Wordt deze verkorting verhinderd, dan kan er scheurvorming optreden. Dit verschijnsel wordt de thermische krimp genoemd. Door uitdroging van het beton neemt het volume af. Dit verschijnsel wordt de uitdrogingskrimp genoemd. De verkorting door krimp is vergelijkbaar met de verkorting door een temperatuurverlaging in de constructie. De krimp van een betonconstructie is, afhankelijk van de luchtvochtigheid en de betonkwaliteit, vergelijkbaar met een temperatuurverlaging van 20 K in de buitenlucht tot 50 K in droge lucht. 3.5.3 Opgelegde vervorming Als de verlenging of verkorting wordt verhinderd, ontstaan er krachten en spanningen in de constructie: de constructie wordt belast. Men spreekt dan van een belasting door opgelegde vervormingen. Deze belastingen behoren tot de permanente belastingen. De spanningen door de temperatuurverandering in een constructie-element waarvan de vervorming wordt verhinderd, kunnen we berekenen met de wet van Hooke: σ = E · ε (ε is de specifieke lengteverandering, deze berekenen we met

ε

Spanningen In een betonnen dakplaat opgelegd op gemetselde wanden ontstaan spanningen en soms ook scheuren als de plaat niet glijdend wordt opgelegd, figuur 3.17-1 en 3.17-2. Door de zonbestraling zal de dakplaat uitzetten hetgeen door de gemetselde wanden wordt verhinderd. In de wanden ontstaan trekspanningen en soms ook scheuren. Door een afkoeling van de plaat zal deze verkorten, hetgeen door de wanden wordt verhinderd. In de plaat ontstaan trekspanningen en soms ook scheuren. De trekspanningen en de scheurvorming is te voorkomen door de plaat te isoleren (hierdoor wordt de uitzetting minder) en de plaat glijdend op te leggen, zodat de vervormingen niet worden verhinderd. Stel dat het dak een temperatuurvariatie ΔT van 20 °C ondergaat, bereken de spanning als de volledige vervorming wordt verhinderd. Met α = 10 · 10 -6 K -1 en E = 3 · 104 vinden we voor de spanning: σ = E · α · ΔT = = 3 · 104 × 10 · 10 -6 × 20 = = 6 N/mm2.

Δl

l .

Door de temperatuurverandering ΔT ontstaat een specifieke lengteverandering van ε = α · ΔT, invullen in de wet van Hooke geeft: σ = E · α · ΔT. De spanning in de constructie door de verhinderde vervorming is dus onafhankelijk van de lengte van de constructie. In constructie-elementen die opgenomen zijn in scheidingsconstructies zoals gevels en daken, ontstaan temperatuurverschillen tussen binnen- en buitenzijde. Omdat de constructie verlengt als de temperatuur stijgt, zal het element aan de warme zijde langer zijn dan aan de koude zijde. Er ontstaat dan een kromming. Wordt de kromming verhinderd, omdat het constructie-element bij de opleggingen is ingeklemd, dan ontstaan er buigende momenten en buigspanningen in het constructie-element.

1

uitzetting dak

2

verkorting dak

Figuur 3.17 Spanningen doordat de vervorming wordt verhinderd

In een gestorte dakvloer over meerdere steunpunten ontstaan door zonbestraling aan de bovenzijde een hogere temperatuur dan aan de onderzijde van de dakvloer. De dakvloer wordt gekromd. In een statisch onbepaalde constructie wordt de kromming bij de steunpunten verhinderd. Er ontstaan buigende momenten en buigspanningen

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 95

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 95

waarop de constructie moet worden gewapend. Bij dit belastinggeval ontstaan bij de opleggingen trekspanningen aan de onderzijde. Dit in tegenstelling tot de trekspanningen die door de rustende en veranderlijke dakbelasting ontstaan en bij de opleggingen aan de bovenzijde van de constructie optreden. Het is dan ook gebruikelijk om statisch onbepaalde dakplaten over de gehele lengte met een onder- en een bovennet te wapenen. Door de dakconstructie goed te isoleren kan de temperatuurgradiënt en de temperatuurspanningen worden verkleind. De inklemmingsmomenten bij de opleggingen door de kromming ontstaan niet als de constructie statisch bepaald wordt uitgevoerd. Door de dakconstructie bij de opleggingen vrij op te leggen, oftewel door de constructie te dilateren, ontstaan er geen trekspanningen door de temperatuurgradiënt in de dakconstructie, figuur 3.18.

+

M

M

M-lijn verticale belasting

Figuur 3.18 Zonbestraling op een statisch onbepaalde dakconstructie

krimp en zettingen als volgt worden voorkomen of verminderd: 1 door de vervormingen te beperken. Bijvoorbeeld door maatregelen te treffen om de krimp van een betonconstructie te verminderen, het gebouw goed te isoleren, zodat de temperatuurvariaties afnemen; 2 door de stijfheid van de constructies te verminderen, wordt ook de spanning verminderd die door de opgelegde vervormingen worden veroorzaakt; 3 door de lengte van constructiedelen te beperken, worden de lengteveranderingen door temperatuurvariaties en krimp verkleind. Omdat de krimpvervorming van een betonvloer voornamelijk in de eerste maanden na de stort optreedt, kunnen de gevolgen van de krimpver-

In het algemeen kan de spanningen door de opgelegde vervormingen door temperatuurvariaties, u

gaping

1

+

M-lijn opgelegde vervorming

Ook de grondspanning loodrecht op een kelderwand kan door een belemmerde vervorming toenemen. In kelders, die in open verbinding met de buitenlucht staan, volgt de keldertemperatuur de temperatuurvariatie van de buitenlucht. In de winter zal de kelder afkoelen en krimpen. Tussen de kelderwanden en de grond ontstaat een kleine spleet. De spleet zal opgevuld worden, waarbij de grond naast de kelder enigszins zal zetten. In de zomer zet de kelder uit, de grond wordt daarbij verdrongen, zodat de druk op de kelderwand toeneemt. Bij het berekenen van de kelderwand zal met deze verhoogde gronddruk rekening moeten worden gehouden, figuur 3.19.

u

+

verkorting t.g.v. krimp en temperatuurverlaging

Figuur 3.19 Verhoogde gronddruk op een kelder

aanvulling

2

uitzetting wordt verhinderd door aanvulling

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 96

96

korting effectief worden verminderd door gedurende de uitvoering krimpstroken aan te brengen. De lengte van de bouwdelen wordt dan tijdelijk verkleind. Hoe langer men de krimpstroken openhoudt, hoe meer effect deze zullen hebben. De krimpstroken hebben het meest effect bij in de zomer gestorte betonvloeren. Zonder krimpstrook zou de gehele krimpvervorming moeten worden gesommeerd bij de verkorting van de vloer door het temperatuurverschil tussen zomer en winter. 3.5.4 Dilatatievoegen Om vervormingen en spanningen door opgelegde vervormingen te beperken is het soms nodig om een gebouw te dilateren. In hoofdstuk 2 werden de dilataties tussen achter elkaar staande ker-

nen en schijven behandeld. Gedeeltelijk binnen en buiten geplaatste constructie-elementen, zoals gevelelementen, balkons en borstweringen worden vaak gedilateerd opdat er geen temperatuurspanningen in deze constructies optreden. 3.5.4.a De balkonplaat Wordt een uitkragende balkonplaat monoliet verbonden aan de achterliggende betonvloer, dan zal de verkorting van de plaat door een temperatuurdaling buiten worden verhinderd door de achterliggende vloer. In de balkonplaat ontstaan trekspanningen waardoor deze waarschijnlijk zal scheuren, figuur 3.20-1. In het verleden werd de scheurvorming voorkomen door in de plaat evenwijdig aan de uitkraging om de 4 à 5 m zaagsne-

scheurvorming

1

glijdende oplegging en borging

glijdende oplegging en borging

koudebrug

2

aangestorte balkonplaat

3

prefab balkonplaat op uitkragende liggers

trekstaaf

opgebogen staaf

4 Figuur 3.20 De balkonplaat

drukstaaf

speciaal ontwikkeld koudebrug element

geisoleerde balkonplaat opgelegd op kolommen en consoles

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 97

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 97

den aan te brengen. Tussen de zaagsneden ontstaan nog steeds trekspanningen in de plaat, in de praktijk blijken deze meestal niet tot scheurvorming te leiden. Omdat de monoliete verbinding van de balkonplaat met de vloer een aanzienlijke koudebrug vormt, wordt tegenwoordig de voorkeur eraan gegeven om de balkonplaat van de achterliggende constructie te dilateren. Hierdoor kan deze vrij bewegen en kunnen er geen trekspanningen door de temperatuurveranderingen optreden. De krachten uit de balkonplaat worden als volgt afgevoerd: 1 de balkonplaat wordt vrij opgelegd op uitkragende consoles, de plaat kan dan vrij uitzetten en er ontstaan geen spanningen door temperatuurveranderingen, figuur 3.20-2. Een nadeel is dat de uitkragende consoles koudebruggen vormen. De koudebrug ter plaatse van de uitkraging kan worden verminderd door het contactvlak te minimaliseren. Hiervoor is een verbindingselement ontwikkeld bestaande uit een isolatiemateriaal waarin een stalen trekstaaf, een stalen drukstaaf en een opgebogen wapeningstaaf voor de dwarskracht opgenomen is, figuur 3.20-4; 2 de balkonplaat kan ook worden ondersteund met kolommen zodat deze geheel wordt losgehouden van de binnenconstructie, figuur 3.20-3. 3.5.4.b Kelderwanden Een vergelijkbaar probleem doet zich voor bij kelderwanden, die monoliet verbonden zijn met de aangrenzende vloeren. In deze wanden ontstaan door de krimp van de wand en temperatuurveranderingen trekspanningen. Deze trekspanningen leiden tot scheurvorming, figuur 3.21. De temperatuurvariatie van de wand kan men enigszins verminderen door de kelder te isoleren. De krimp van de wand is te verminderen door uitvoeringstechnische en betontechnologische maatregelen te nemen. Door de betonspecie te koelen en zodoende het oplopen van de hydratatietemperatuur te beperken, de cementsoort en het cementgehalte aan te passen kan de thermische en de uitdrogingskrimp worden beperkt. Desondanks zal de temperatuurspanningen niet geheel kunnen worden voorkomen.

Verticale dilataties in de wanden zijn niet zinvol om de trekspanningen door de krimp en de temperatuurveranderingen te vermijden. Tenzij de dilataties op zeer korte en dus oneconomische afstanden van elkaar worden aangebracht, zouden de wanden tussen de dilataties scheuren. Deze scheurvorming kan tot lekkage leiden. De kelderwanden kunnen waterdicht worden gemaakt door deze zo te wapenen, dat de scheurwijdte klein is. Dit vergt echter tamelijk veel langswapening. Wordt volstaan met een praktische wapening, dan zal men de te wijde scheuren moeten dichten, door deze bijvoorbeeld te injecteren met een kunsthars. De kelderwanden kunnen ook waterdicht worden gemaakt door deze aan de buitenzijde te bekleden met een waterdichte laag. 3.5.4.c Plaats en beëindiging van dilatatievoegen Dilatatievoegen aangebracht om de lengte van bouwdelen te verminderen, moeten bij voorkeur als een verticaal vlak het gehele gebouw doorsnijden. Zou de dilatatievoeg ergens in een vloer of wand worden beëindigd, dan scheurt de constructie daar. De constructie zou als het ware ‘zelf’ de dilatatievoeg doorzetten. De dilatatievoeg vormt vrijwel altijd een discontinuïteit in het gebouw, waarmee zowel voor de draag- als voor de afbouwconstructie rekening mee moet worden gehouden.

Figuur 3.21 Kelderwanden

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 98

98

In een vloer wordt voor de dilatatievoeg vaak een kolomverdubbeling toegepast, figuur 3.22-1. Als de kolommen overgedimensioneerd zijn, kan men ter plaatse van de kolomverdubbeling de kolommen halveren. Dit heeft als voordeel dat de gevelmaatvoering niet hoeft te worden doorbroken. Bij kolomverdubbeling kunnen in de fundering problemen ontstaan. Omdat de paalafstand minimaal 3 à 4 maal de paaldiameter is, is het meestal niet mogelijk het zwaartepunt van de paalgroep samen te laten vallen met de plaats van de kolom. De kolombelasting grijpt dan excentrisch aan, hetgeen tot meer palen of extra balken naar de aangrenzende kolommen leidt om deze excentriciteit op te nemen. Dilataties kunnen ook zonder kolomverdubbeling worden gerealiseerd. Bij een constructie met langsbalken evenwijdig aan het gebouw kan men ter plaatse van de dilatatie het langste balkdeel opleggen op een tandoplegging, figuur 3.22-2. Bij een constructie met dwarsbalken kan de gedilateerde vloer worden opgelegd op de dwarsbalken, figuur 3.22-3. Bij een balkloze vloer is een tandoplegging in de vloer meestal alleen mogelijk als de vloer plaatselijk wordt verdikt. Ter plaatse van de dilatatie kunnen de vloeren ook verbonden worden met deuvels, figuur 3.22-4. Deze deuvels worden aan één zijde ingestort en aan de andere zijde in een ingestorte stalen koker geplaatst. Hierdoor kan de deuvel in de dwarsrichting krachten opnemen en in de langsrichting vervormen. Bij een puntvormig ondersteunde vloer kan deze dilatatie bij voorkeur op 1/4 à 1/5 van de overspanning vanaf de kolom worden geplaatst, zodat de vervormingen en spanningen in het gedilateerde veld ongeveer even groot zijn als in de andere velden. Als de kolomafstand in de langsrichting van het gebouw klein is, kan men ook een vloerveld in het midden van de overspanning dilateren. Beide vloerdelen kragen dan uit, zodat de vervorming en de spanningen in het gedilateerde vloerveld groter zijn dan in de overige velden. De vloerdikte dient aan deze situatie te worden aangepast.

3.6 Materiaaleigenschappen De materiaalkeuze is bepalend voor de vormgeving van de draagconstructie, zodat meestal al in een vroeg stadium van het ontwerpproces het constructiemateriaal wordt gekozen. Het is ook mogelijk dat twee alternatieven in een verschillend materiaal geheel worden uitgewerkt. Vervolgens onderzoekt men welk alternatief het beste aan de wensen van de opdrachtgever voldoet. Deze methode wordt concurrent engineering genoemd. Het voordeel van deze methode is, dat het ontwerp een hogere kwaliteit zal hebben. Bovendien wordt voorkomen dat in een vroeg stadium van het ontwerpproces het meest geschikte materiaal wordt verworpen. Het nadeel van deze methode is dat de ontwerpkosten voor het uitwerken van twee alternatieven hoger zijn dan de kosten voor één alternatief. Op welke gronden wordt een constructiemateriaal gekozen? De brandveiligheid is reeds aan de orde geweest. Andere eigenschappen die de materiaalkeuze mede bepalen zijn: • sterkte; • stijfheid; • gewicht; • kostprijs; • duurzaamheid; • mate waarin het materiaal hergebruikt kan worden; • mate waarin het materiaal milieubelastend is. De vormgeving van een constructie wordt tevens bepaald door de verbindingstechniek en de productiewijze. Deze aspecten zijn zo materiaalgebonden, dat de materiaalkeuze bepalend is voor de verschijningsvorm van de constructie: een staalconstructie is anders vormgegeven dan een hout- of een betonconstructie. In de praktijk wordt vaak op grond van ervaring voor een bepaald materiaal gekozen. Als uitsluitend op grond van ervaring wordt gekozen, zal men in minder mate geneigd zijn om nieuwe technieken en nieuwe materialen toe te passen. Bovendien kan men voor nieuwe problemen niet terugvallen op ervaring. Een rationele beslissingsmethode verdient dan de voorkeur.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 99

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 99

1a

1

dilatatie tussen dubbele kolom

1a

detail

2a

detail

3a

detail

4a

detail

2a

2

dilatatie met tandoplegging in de langsbalken

3a

3

dilatatie waarbij de vloer opgelegd wordt op een console van de dwarsbalk

4a

4

dilatatie in de vloer met deuvels

Figuur 3.22 Dilatatievoegen

( schaal 1:200 )

( schaal 1:50 )

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 100

100

Voor een opdrachtgever met een beperkt budget is de kostprijs het belangrijkst, voor een ‘groene’ organisatie speelt de milieubelasting een belangrijke rol. De materiaalkeuze zal op deze wijze ook zeer projectgebonden zijn; de opdrachtgever krijgt een product, dat geheel op het Programma van Eisen is toegesneden. Achtereenvolgens worden voor de gangbare constructiematerialen (zijnde hout, steen, beton, staal en aluminium) de kenmerkende eigenschappen beschreven. Vervolgens worden tabellen gegeven voor de vergelijking van kenmerkende eigenschappen en de dimensionering van de constructie. 3.6.1 Hout

vezelrichting

3.6.1.a Eigenschappen Hout heeft een natuurlijke oorsprong, de productie vergt weinig energie en het materiaal is meestal goed te hergebruiken, zodat de milieubelasting laag is. De natuurlijke oorsprong geeft echter ook beperkingen, waarmee bij het construeren rekening gehouden moet worden. Hout is opgebouwd uit vezels, de sterkte en stijfheid loodrecht op de vezels is minder dan de sterkte en stijfheid evenwijdig aan de vezels. Hout is dus anisotroop: de materiaaleigenschappen zijn richtingverschillend, figuur 3.23-1. Ook de krimp is afhankelijk van de vezelrichting, figuur 3.23-2. Vochtig vurenhout dat wordt gedroogd, zal in de vezelrichting ongeveer 0,1%, maar in de radiale richting circa 2% en tangentieel 4% à 5% krimpen.

l

iaa

rad

tang

entie

1

richtingen in hout

el

2

krimp

Figuur 3.23 Houtrichtingen: radiaal, tangentiaal en evenwijdig aan de vezel

Bij een langdurige belasting zal de vervorming van een houtconstructie toenemen. Door de kruip kan de uiteindelijke doorbuiging twee maal zo groot zijn als de onmiddellijk optredende doorbuigingen. Bij driescharnierbogen en driescharnierspanten zal door de kruip de nok zakken. Bij het ontwerp moet men hiermee rekening houden. De nok kan bij de uitvoering iets hoger worden gemaakt, zodat deze pas uiteindelijk na de kruipvervorming op de gewenste hoogte komt. Omgekeerd: als de vervorming niet kan toenemen, neemt de spanning in het hout af. Dit verschijnsel wordt relaxatie genoemd. Bij gelijmde gebogen spanten worden de afzonderlijke latten sterk gebogen. Door relaxatie verdwijnen deze spanningen in de loop van de tijd. Met proeven is aangetoond dat de bezwijkbelasting van een gelamineerde gebogen ligger niet lager is dan van een gelamineerde rechte ligger. Omdat een gelamineerde gebogen ligger nauwelijks duurder is dan de gelamineerde rechte ligger, is de gelamineerde ligger bij uitstek geschikt om gebogen constructies te maken. Hout heeft een goede warmteweerstand zodat het materiaal kan worden toegepast voor constructies die gedeeltelijk binnen en gedeeltelijk buiten staan, zoals gevelkolommen. 3.6.1.b Duurzaamheid Hout kan worden aangetast door schimmels en insecten. De duurzaamheid is afhankelijk van de houtsoort, de condities en de bescherming. De aantasting door schimmels doet zich voor als het vochtgehalte hoger is dan 20%, voldoende zuurstof aanwezig is en de temperatuur hoger is dan 5 °C. Een houten heipaal, zo diep in de grond geslagen, dat de kop voortdurend onder de laagste grondwaterstand gelegen is, zal niet worden aangetast, omdat er niet voldoende zuurstof aanwezig is. Het vochtgehalte van een houtconstructie binnen in een gebouw zal lager dan 20% zijn, zodat deze niet door schimmels zal worden aangetast. Houten gevels moeten zo gedetailleerd worden dat geen water op de horizontale vlakken blijft staan en in de naden doordringt. Door het hout te verven of te beitsen kunnen we het vochtgehalte reduceren. Als de houtconstructie wordt toegepast in een ongunstige situatie waarbij de

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 101

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 101

druk

1

traditionele hielverbinding

druk of trek

4

2

momentvaste verbinding met vingerlassen

genagelde verbinding druk of trek

4a

3

horizontaal gelamineerd hout met normale vingerlas

4b verticaal gelamineerd hout met volle doorsnede las

verbinding met bouten

Figuur 3.24 Veel toegepaste houtverbindingen

bovengenoemde condities optreden, kan het hout worden verduurzaamd door het met chemicaliën te impregneren. De voedingsbodem wordt dan voor de schimmels en insecten onaantrekkelijk gemaakt. 3.6.1.c Verbindingen De vormgeving van houtconstructies wordt sterk door de toegepaste verbindingstechniek bepaald. De eenvoudigste verbinding is de verbinding waarop uitsluitend drukkrachten werken, zoals bijvoorbeeld de traditionele hiel- en tandverbindingen, figuur 3.24-1. Voor een verbinding waarop trekkrachten werken zijn stalen verbindingsmiddelen nodig als deuvels en nagels, figuur 3.24-2, houtschroeven, kramplatten, stiften, ringdeuvels en bouten, figuur 3.24-3. Bij het belasten zullen de bouten 2,5 à 3 mm verschuiven. De overige verbindingsmiddelen zullen ongeveer 0,5 mm verschuiven. Deze verschuivingen verschillen per verbindingsmiddel, zodat verschillende verbindingsmiddelen niet in één verbinding mogen worden gecombineerd. Zouden in één verbinding stijve en

5

momentvaste verbinding met schoorstaaf

slappe verbindingsmiddelen worden gecombineerd, dan bezwijken eerst de stijve en vervolgens de slappe verbindingsmiddelen. De slappe verbindingsmiddelen dragen nauwelijks bij aan de uiteindelijke bezwijksterkte: de combinatie is dus niet sterker dan het sterkste verbindingsmiddel. Momentvaste verbindingen kunnen worden gerealiseerd door de elementen in de fabriek te lijmen. Met vingerlassen kan men in de fabriek oneindig lange balken en planken maken. Op de bouwplaats kan met stiften, figuur 3.24-5, bouten en ringdeuvels momentvaste verbindingen worden gemaakt. Een waarschuwing is hier op zijn

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 102

102

plaats. Omdat hout anisotroop is, kunnen in een verbinding met loodrecht op elkaar staande elementen scheuren ontstaan als de verbonden elementen door krimp of temperatuurverandering ongelijk vervormen. 3.6.1.d Toepassing Hout werd vroeger als draagconstructie in de vorm van kappen en balklagen algemeen toegepast. Hout is een materiaal dat zowel druk als trek op kan nemen en een laag eigen gewicht heeft, zodat het zeer geschikt is voor op buiging belaste constructies met grote overspanningen. Het is dan ook niet verbazingwekkend dat houtconstructies bij uitstek worden toegepast voor het overkappen van laagbouwhallen. Omdat hout gemakkelijk te bewerken en goed te vervoeren is, een korte bouwtijd en een hoge restwaarde heeft, is hout ook zeer geschikt voor tijdelijke en semipermanente constructies. Daar hout bestand is tegen de aantasting door bepaalde chemicaliën als zouten en zuren, is het geschikt voor de constructie van hallen, waarin deze producten worden geproduceerd of opgeslagen, zoals een zoutopslagplaats, een kunstmestfabriek of de dakconstructie van een ligboxenhal voor koeien. 3.6.2 Steen 3.6.2.a Eigenschappen Naast het hout was steen één van de eerste materialen die de mens leerde te bewerken. Zowel natuursteen als baksteen is duurzaam. De productie van natuursteen vergt alleen energie voor het transport, de montage, het delven en zagen. De productie van baksteen vergt behalve voor het transport en de montage ook energie voor het bakken. Bouwfysisch gezien wordt steen gekenmerkt door een warmteweerstand die iets beter is dan die van beton en staal, maar een gemetselde gevel zal toch moeten worden geïsoleerd om aan de hedendaagse eisen te voldoen. Het vermogen om warmte op te slaan is een voordeel als de binnentemperatuur op een warme dag door de accumulatie langzaam stijgt en het lang duurt voordat het op een warme dag binnen even warm is als buiten. Het vermogen om warmte op te slaan is echter een nadeel als een weinig gebruikte ruimte

snel moet worden opgewarmd. De contactgeluidsisolatie is gering, maar de luchtgeluidsisolatie is goed, mits de wand zwaar genoeg is. 3.6.2.b Steenconstructies Daar de voeg in gemetselde constructies het zwakste onderdeel is, worden de stenen overlappend in een verband gemetseld. Momenteel worden voornamelijk cementmortels gebruikt. Cementmortels zijn hydraulisch en sterker dan de kalkmortels. De voeg is dan in veel mindere mate een zwakke schakel in de constructie. Hoe sterker de voeg, hoe minder het verband belangrijk is. Maatvaste stenen kunnen ook gelijmd worden, deze lijmen zijn zo sterk dat een verband niet meer nodig is.

De maximale drukspanningen zijn in gemetselde constructies veel hoger dan de maximaal opneembare trekspanningen. Het materiaal is dus vooral geschikt voor op drukbelaste constructies, waarin vrijwel geen momenten aangrijpen, zoals dragende scheidingswanden in woningen, die hoofdzakelijk centrisch worden belast. Een op buiging belaste gemetselde constructie zal, zodra de maximale opneembare trekspanning overschreden wordt, scheuren. Omdat de opneembare treksterkte gering is, kan een moment alleen worden opgenomen als het metselwerk zo op druk belast wordt dat de trekspanning door de drukspanning wordt gecompenseerd. Een slanke gemetselde schoorsteen waait niet om, als de drukspanning door het eigen gewicht van het metselwerk groter is dan de trekspanning door het windmoment, figuur 3.25. Als deze schoorstenen worden bekeken, zien we vaak dat het metselwerk wordt versterkt met stalen banden. In de schoorstenen ontstaan spanningen door temperatuurverschillen ten gevolge van de rookgassen en de zonbestraling waardoor scheuren in de lengterichting ontstaan. Met als gevolg dat gemetselde schoorstenen vaak moeten worden versterkt met stalen ringen. Om trekspanningen op te nemen kan men de constructie wapenen. In de voeg kunnen 4 mm dikke verzinkte stalen staven worden ingemetseld om de trekspanningen door geconcentreerde belastingen of bij raamopeningen op te nemen. Evenals beton kan metselwerk ook worden voor-

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 103

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 103

h

qw

qv

D

1a

1

verticale doorsnede

2

horizontale doorsnede

+

3

M W

-

schema

3.6.2.c Toepassing Metselwerk wordt voornamelijk toegepast voor niet-dragende gevels en voor op drukbelaste constructies. De bouwwijze met gemetselde wanden wordt de stapelbouw genoemd. Hoewel hotels en bejaardenhuizen met 10 of meer verdiepingen in stapelbouw gerealiseerd zijn, past men de stapelbouw voornamelijk toe voor woningbouw met niet meer dan vier verdiepingen en voor kleine utiliteitsbouwprojecten. 3.6.3 Beton De ontwerper heeft een vormvrijheid die alleen beperkt wordt door enerzijds de constructieve eisen en anderzijds de uitvoeringskosten, die bestaan uit de transport-, de wapenings-, de stort- en vooral ook de bekistingskosten. De bekisting moet eenvoudig zijn. Een ingewikkelde bekisting is niet alleen moeilijk te maken maar is ook duur. Een dure bekisting is alleen economisch verantwoord, als deze meerdere keren kan worden gebruikt. Repetitie is belangrijk om kosten te besparen, niet alleen bij in het werk gestort beton, maar vooral ook bij geprefabriceerd beton. Voor de fabricage van beton is dat zelfs een voorwaarde om tot prefabricage over te gaan.

qv l opp.

M W

spanningen in de constructie

Figuur 3.25 Spanningen in een gemetselde schoorsteen

gespannen met draden van staal, aramide of koolstofvezels. Daar de uitzettingscoëfficiënt van metselwerk de helft is van beton en staal kan metselwerk in een beton- of staalconstructie problemen geven. Door een temperatuurvariatie zet de beton- of staalconstructie meer uit dan het metselwerk. Als het metselwerk met de beton- of staalconstructie verbonden is, ontstaan er spanningen en scheuren. Door het metselwerk los te houden van de beton- of staalconstructie kunnen deze spanningen worden vermeden.

3.6.3.a Eigenschappen Beton is duurzaam en vraagt, mits goed gedetaileerd, weinig onderhoud. Na de sloop is de restwaarde van beton gering, het puin kan als ophoogmateriaal, terreinverhardingen en funderingslagen in de wegenbouw worden gebruikt. Nadat het puin verkleind is tot fracties van 40 mm en kleiner kan het gedeeltelijk het grind vervangen bij de productie van nieuw beton. Het grind kan ook gedeeltelijk door metselwerkgranulaten worden vervangen. De kwaliteit van het beton vermindert als men meer dan 20% van het grind door metselwerkgranulaten vervangt. Voor tijdelijke constructies komt een in het werk gestorte betonconstructie niet in aanmerking.

Geprefabriceerde betonconstructies kunnen demontabel worden verbonden. De constructie-elementen kunnen dan in andere constructies opnieuw worden gebruikt. De restwaarde van deze constructies neemt dan toe.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 104

104

Bouwfysisch gezien wordt beton gekenmerkt door een hoge warmtegeleidingscoëfficiënt. Het warmteverlies door een ongeïsoleerde betonconstructie is hoog. De soortelijke warmte van beton is gelijk aan de soortelijke warmte van steen. Warmte kan goed worden opgeslagen in beton. De contactgeluidsisolatie is gering, maar de luchtgeluidsisolatie is goed, mits de scheidingsconstructie dik genoeg is.

Voorbeeld Een gewapende doorgaande betonvloer, ondersteund door een aantal dwarsbalken, wordt belast met een veranderlijke belasting van 3,0 kN/m2 en een vloerafwerking van 1,0 kN/m2. Voor een overspanning van 6,0 m is de benodigde dikte 200 mm, het eigen gewicht is dan 0,2 × 24 = 4,8 kN/m2.

De verhouding 3.6.3.b Ongewapend beton Evenals bij metselwerk is de treksterkte van ongewapend beton gering, zodat ongewapend beton alleen in aanmerking komt voor overwegend niet-belaste en op druk belaste constructies. In het verleden werden ongewapende gewelven en boogconstructies van ongewapend beton gemaakt. Momenteel komen de ongewapend betonconstructies voor als funderingssloven en woningscheidende wanden in de stapelbouw. 3.6.3.c Gewapend beton In de 19e eeuw werd ontdekt dat de geringe treksterkte van beton kon worden gecompenseerd door het beton te wapenen. Hierdoor kunnen trekkrachten en buigende momenten worden opgenomen. Als de trekspanningen in de betonconstructie gering zijn, kan deze worden gewapend met vezels. Op staal gefundeerde vloeren van fabriekshallen worden soms met staalvezels gewapend. Ontstaan in de constructie grote trekspanningen, dan is de wapening met vezels ontoereikend en wapent men met betonstaal. Daar beton en staal vrijwel dezelfde uitzettingscoëfficiënt hebben ontstaan door temperatuurvariatie geen inwendige spanningen door een uitzettingsverschil tussen beton en staal. Een tweede voordeel van het samenbrengen van juist deze twee materialen tot één geheel, is dat het staal door het beton wordt beschermd tegen corrosie en brand. Gewapend beton heeft ook nadelen: het hoge eigen gewicht en de scheurvorming. Het hoge eigen gewicht heeft als nadeel dat bij een grote overspanning een groot deel van de opneembare spanning wordt benut om het eigen gewicht te dragen. Bij een betonvloer is de veranderlijke belasting slechts 25% à 35% van de totale belasting. Zeker bij dakconstructies met geringe veranderlijke belasting en grote overspanningen

=

Veranderlijke belasting Totale belasting

3,0 4,8 + 1,0 + 3,0

=

= 0,34

Voor een overspanning van 9,0 m is de benodigde dikte 320 mm, het eigen gewicht is dan 0,32 × 24 = 7,7 kN/m2.

De verhouding

=

Veranderlijke belasting

3,0 7,7 + 1,0 + 3,0

Totale belasting

=

= 0,26

Hoe groter de overspanning hoe groter het aandeel van het eigen gewicht op de belasting.

is dit een nadeel. Door zo te construeren dat de constructie niet op buiging wordt belast, kan met een gering eigen gewicht grote overspanningen worden gerealiseerd. Met constructie als schalen en bogen kunnen lichte betonnen kappen worden gemaakt. Scheurvorming en stijfheid Een gewapend betonconstructie scheurt als de trekspanning in het beton groter is dan de opneembare betontrekspanning. De wapening moet dan de trekkracht overnemen. Een gewapend betonconstructie is niet alleen bij het bezwijken maar vaak ook in de gebruiksfase gescheurd. Deze scheurvorming wordt geaccepteerd, mits de scheuren zo klein zijn dat de wapening niet wordt aangetast door corrosie. In figuur 3.26 zijn de van het milieu afhankelijke toelaatbare scheurwijdte gegeven. De scheurvorming heeft verder als nadeel dat de stijfheid van de betonconstructie door de scheuren afneemt. De vervorming van een gewapend

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 105

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 105

Toelaatbare scheurwijdte

Kruipfactor

Droog milieu 0,4 mm Vochtig milieu 0,3 mm Agressief milieu 0,2 mm

Droog 3,6 Buiten 2,7 Zeer vochtig 2,0 In water 1,4

q kN/m 2 P

1

centrische voorspanning - σg

Bron: NEN 6720

betonconstructie neemt bovendien door een langdurig aanwezige belasting in de loop van de tijd toe. Deze toename van de vervorming door een langdurige belasting wordt kruip genoemd. De grootte van de kruip wordt onder andere beïnvloed door de luchtvochtigheid: hoe droger de omgeving hoe groter de kruip. De kruipfactor van een in het grondwater staande funderingspaal is 1,4. De kruipfactor van een constructie in een droog milieu is 3,6. De kruipvervorming is dan 3,6 maal zo groot als de direct optredende vervorming, figuur 3.26. 3.6.3.d Voorgespannen beton Door een betonconstructie voor te spannen kan worden verhinderd dat de betonconstructie scheurt. In principe is voorspannen niets anders dan het aanbrengen van een kunstmatige belasting. Hierdoor wordt het beton zodanig op druk belast dat er vrijwel geen trekspanningen optreden. Bij een voorgespannen betonconstructie wordt het staal al bij de vervaardiging van de constructie uitgerekt. Door het staal uit te rekken ontstaat een trekkracht in het voorspanstaal. Het uitgerekte staal wil verkorten maar deze verkorting wordt grotendeels verhinderd door het beton. Op het beton werkt een drukkracht die even groot is als de trekkracht in het voorspanstaal, figuur 3.27.

Constructies kunnen met voor- en nagerekt staal worden gespannen. Geprefabriceerd beton wordt voornamelijk met voorgerekt staal voorgespannen. In het werk gestort beton wordt voornamelijk met nagerekt staal voorgespannen. Bij het voorspannen van een geprefabriceerde betonconstructie met voorgerekt staal gaan we als volgt te werk, figuur 3.27. Eerst wordt het

- σq =

+

Figuur 3.26 Toelaatbare scheurwijdte en kruipfactor beton B25

-σp

+ σg

+

- σg - σp - σ q = σ d =

+σ q

- σp +σg +σ q = σ t

1a

eigen gewicht + voorspanning + belasting

2

excentrische voorspanning - σg

- σq +

+ σg

= -σp

+ -σ q

- σg - σq = σ d = - σ p + σ g + σq = σ t

2a

eigen gewicht + voorspanning + belasting

3

schema spanframe

Figuur 3.27 Het principe van het voorspannen

staal tussen twee bokken gespannen, vervolgens wordt het beton gestort. Na het verharden van het beton wordt het staal losgelaten. Het door het beton omhulde staal is uitgerekt en wil verkorten, hetgeen door het beton wordt verhinderd. In de constructie wordt het staal voortdurend op trek en het beton op druk belast. Bij een in het werk gestorte betonconstructie wordt met nagerekt staal voorgespannen. Eerst wordt het betonelement gestort. In het element zijn holle kanalen uitgespaard voor het staal. Nadat het beton voldoende is verhard, kan het staal aangespannen worden. In het staal ontstaat een trekkracht. Na het verankeren wordt op het beton een drukkracht uitgeoefend.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 106

106

Bij de voorgespannen constructies (VMA) worden de voorspankanalen na het spannen geïnjecteerd met een injectiespecie. Deze injectiespecie beschermt het staal tegen corrosie en zorgt voor een goede aanhechting tussen staal en beton. Hierdoor bieden bij breuk het staal en het beton samen weerstand tegen de belasting. Bij de voorgespannen constructie zonder aanhechting (VZA) wordt de ruimte tussen het staal en de omhulling gevuld met vet. Dit vet beschermt het staal tegen corrosie. Er is echter geen aanhechting tussen het staal en het beton. Door het vet is de wrijving tussen kabel en omhulling bij het aanspannen gering, zodat het wrijvingsverlies gering is. Daar er geen aanhechting is, zal bij het bezwijken de spanning in het staal slechts weinig toenemen. Hierdoor is de breukweerstand van een VZAconstructie geringer dan bij een VMA-constructie. Bij een breuk in een voorspankabel zal bij een VZA-constructie de voorspanning over de gehele lengte wegvallen. Bij een VMA-constructie wordt de voorspanning slechts over een kleine afstand gereduceerd. Als bij een brand de voorspanning in één vloerveld wordt aangetast, wordt de voorspanning in alle velden die met de door brand aangetaste VZA-kabels voorgespannen zijn, verminderd. Bij VMA-constructies zal bij een brand de voorspanning alleen plaatselijk reduceren. Daar voorgespannen constructies veel minder vervormen dan de gewapende constructies kunnen deze veel slanker worden gedimensioneerd. Het aandeel van het eigen gewicht op de totale belasting is dan ook veel geringer. Dit aspect heeft in belangrijke mate bijgedragen aan het succes van de voorgespannen geprefabriceerde vloerconstructies als kanaalplaten en TT-platen, waarmee met een geringe constructiehoogte en een voor een betonconstructie gering eigen gewicht grote overspanningen kunnen worden gerealiseerd. Met voorgespannen kanaalplaten zijn overspanningen tot circa 16 m en met voorVoorbeeld Een voorgespannen kanaalplaat overspant 16 m, de veranderlijke belasting is 3,0 kN/m2, de afwerking is 1,0 kN/m2. Voor een overspanning van 16,0 m is de benodigde hoogte 400 mm, het eigen gewicht is dan 5 kN/m2.

gespannen TT-platen zijn overspanningen tot circa 22 m te realiseren. 3.6.3.e Geprefabriceerd beton Geprefabriceerd beton onderscheidt zich van in het werk gestort beton, doordat het beton niet ter plaatse maar in de fabriek wordt vervaardigd. De arbeidsomstandigheden en de condities bij het verharden zijn in de fabriek beter dan op de bouwplaats hetgeen de kwaliteit ten goede komt. De elementen worden zoveel mogelijk met dezelfde bekisting gemaakt. Omdat de bekisting veelvuldig gebruikt wordt, mag deze ook duurder zijn. Een ingewikkelde bekisting is bij een geprefabriceerde constructie eerder mogelijk dan bij een in het werk gestorte constructie. Voorwaarde voor prefabricage is dat de constructie uit gelijke elementen kan worden samengesteld, zodat de betonelementen met een gering aantal bekistingen kunnen worden gemaakt. De productie van de elementen moet een zekere tijd, minimaal zes weken, voor de geplande montage worden begonnen, zodat de elementen met een klein aantal mallen na elkaar vervaardigd kunnen worden. De organisatie en de uitvoering van een geprefabriceerde constructie verloopt planmatiger dan bij een in het werk gestorte constructie, het aantal onwerkbare dagen is geringer. De elementen moeten in een vroeger stadium van het ontwerpproces dan bij een in het werk gestorte constructie zijn getekend, opdat met de productie op tijd begonnen kan worden. De bouwtijd van een geprefabriceerde constructie is ook korter dan een in het werk gestorte constructie, hetgeen de opdrachtgever een besparing oplevert, want hoe korter de bouwtijd hoe minder rente moet worden betaald.

Verbindingen van de geprefabriceerde elementen De geprefabriceerde elementen kunnen monoliet met elkaar worden verbonden, door tussen de elementen een opening uit te sparen en deze met ter plaatse gestort beton te vullen. Deze verbinding wordt de natte verbinding genoemd, figuur 3.28-2 (1 en 2). Een natte verbinding vraagt voor het bekisten, wapenen, storten en verharden, vrij veel tijd voordat deze verbinding krachten over kan brengen.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 107

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 107

4

1

aanstorten

a

2

aanstorten

1.5 a - 2 a

3

1

momentvaste verbindingen met stekken

2

aangestorte momentvaste

Figuur 3.28 Geprefabriceerde momentvaste

verbindingen

verbindingen

Bovendien belemmeren de tijdelijke ondersteuningen als stempels en schoren de uitvoering. Met de natte verbinding worden de elementen momentvast met elkaar verbonden, zodat een monoliete constructie ontstaat. Bij de zogenoemde droge verbindingen worden de elementen niet met betonspecie aangestort maar opgelegd en met bouten, stekken en gelaste stalen platen verbonden. Deze verbindingen vergen minder arbeid en tijd, bovendien zijn er minder tijdelijke ondersteuningen nodig, zodat de montagetijd korter is. Hoewel met de droge verbindingen zowel scharnieren als inklemmingen mogelijk zijn, wordt vaak de voorkeur gegeven aan de scharnierende verbindingen. Deze zijn namelijk eenvoudiger te maken en sneller uit te voeren, figuur 3.29 (1 t/m 3). 3.6.3.f Toepassing Beton heeft een geweldig breed toepassingsgebied. Bijna alle gebouwen bevatte betonconstruc-

ties en betonelementen. Met de grond in aanraking komende constructies zoals kelders en funderingen en begane grondvloeren worden vrijwel altijd in beton uitgevoerd. Ook weg- en waterbouwkundige werken als kademuren, sluizen en bruggen worden vaak in beton uitgevoerd. Gezien de goede luchtgeluidsisolatie en de brandwerendheid wordt beton veel toegepast in scheidingsconstructies als wanden, gevels en vloeren. Vooral in de hoogbouw en de verdiepingsbouw worden veel woon- en utiliteitsgebouwen met een betonskelet uitgevoerd. 3.6.4 Staal Naast het constructiestaal wordt ook gietstaal toegepast. Gietstaal is niet hetzelfde als het 19e eeuwse gietijzer. Het verschil tussen gietijzer en staal is dat gietijzer 2% – 4% koolstof bevat en constructiestaal minder dan 0,3% koolstof bevat. Gietijzer wordt gekenmerkt door een lage treksterkte in het ijzer. De treksterkte is laag omdat

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 108

108

3

2

1

Figuur 3.29 Geprefabriceerd scharnierende verbindingen

het vrije koolstof bladvormig aanwezig is zodat bij belasten kerfwerking optreedt. Naast het gewone gietijzer kennen we ook nodulair gietijzer. Bij het nodulair gietijzer is het vrije koolstof als bolletjes aanwezig, zodat er geen kerfwerking ontstaat en de treksterkte even hoog is als de treksterkte van constructiestaal. Zowel gietstaal als nodulair gietijzer wordt toegepast voor speciale elementen, zoals de gegoten knopen van ruimtevakwerken. 3.6.4.a Eigenschappen Constructiestaal wordt gekenmerkt door een hoog eigen gewicht. Dit wordt ruimschoots gecompenseerd door de hoge sterkte en de stijfheid. Omdat constructiestaal evengoed trek als druk op kan nemen, is het bij uitstek geschikt voor op buiging belaste constructies. Nadelen van staalconstructies zijn de al genoemde sterktevermindering bij brand en de corrosie. In een droog milieu zal het staal nauwelijks beschermd hoeven te worden. Het beschermen van staal kan tot veel onderhoud en tot hoge exploitatiekosten leiden als de staalconstructie in de buitenlucht verkeert en met vocht in aanra-

king komt. Het staal kan goed worden beschermd door het te verzinken en te verven. Ook kunnen we weervast staal, beter bekend onder de merknaam Cortenstaal, toepassen. Bij dit staal wordt een corrosielaagje gevormd dat bij gunstige klimatologische omstandigheden voldoende bescherming geeft. Aan zee wordt weervast staal echter wel aangetast. Bouwfysisch gezien is zowel de warmteweerstand als de geluidsisolatie gering. Door isolatiematerialen toe te voegen kan voor een stalen gevel of een stalen dak de vereiste fysische weerstand worden bereikt. 3.6.4.b Verbindingen Gezien de sterkte en stijfheid van staal hebben we zwaar materiaal nodig om het staal te verwerken. Staalconstructies worden vrijwel altijd in fabrieken geprefabriceerd en op het werk gemonteerd. Op het werk kunnen de elementen met lassen of met bouten verbonden worden. Omdat de kwaliteit van het laswerk kan worden beïnvloed door de niet altijd optimale omstandigheden op de bouw, geniet de boutverbinding op het werk de voorkeur, figuur 3.30. De geboute verbindingen kunnen zowel scharnierend als momentvast worden uitgevoerd. De scharnierende verbinding, figuur 3.30-1, is eenvoudiger uit te voeren dan de

1 scharnierende verbindingen 2 momentvaste verbindingen Figuur 3.30 Verbindingen met bouten

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 109

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 109

momentvaste verbinding, figuur 3.30-2, zodat deze, indien het constructief mogelijk is, de voorkeur heeft. 3.6.4.c Toepassing Het in de bouw gebruikte constructiestaal bestaat meestal uit gewalste platen, buizen en profielen en de koudvervormde trapeziumplaten en profielen. Ondanks het hoge volumegewicht kan door de hoge sterkte en stijfheid van staal lichte constructies worden gemaakt, die vooral bij grote overspanningen goed tot hun recht komen. Het is niet verwonderlijk dat de meeste laagbouwhallen in staal uitgevoerd worden.

Staalconstructies worden ook toegepast voor de constructies van hoog- en verdiepingbouw, de snelle montage is dan een voordeel. De geringe brandwerendheid, zodat de constructie met een brandwerende bekleding moet worden beschermd, is een nadeel. Hoewel de meeste verdiepinggebouwen met een betonconstructie worden uitgevoerd, is er een tendens waarneembaar dat meer verdiepinggebouwen met een staalconstructie uitgevoerd worden. Stalen platen vinden hun toepassing in gevels, daken en vloeren. De staalplaten voor vloerconstructies worden vaak als staalplaatbetonvloeren uitgevoerd. Op de staalplaten wordt dan beton gestort, zodat het beton en staal constructief samenwerken en de geluidswerendheid en brandwerendheid van de vloer verbetert. 3.6.5 Aluminium Omdat zuiver aluminium vrij zacht is, wordt in de bouw alleen aluminiumlegeringen toegepast. De sterkte, de bewerkbaarheid en de corrosiebestendigheid van aluminiumlegeringen zijn afhankelijk van de legeringsbestanddelen. Aluminium wordt bijvoorbeeld gelegeerd met magnesium, koper, chroom, silicium, nikkel en mangaan. Aluminium is gemakkelijk te bewerken, het materiaal kan gewalst, gegoten en geëxtrudeerd worden. Bij het extruderen wordt het materiaal door een matrijs geperst.

Een gunstige eigenschap van aluminium is het lage volumegewicht. Bovendien kunnen we door de juiste legering te gebruiken een hoge trek- en

druksterkte verkrijgen. Het zou dus zeer geschikt moeten zijn voor grote overspanningen. Aangezien de elasticiteitsmodulus laag is, circa 1/3 van staal, zal een op druk belaste constructie gemakkelijk uitknikken, zodat de hoge druksterkte niet altijd kan worden benut. Tevens zal door de lage elasticiteitsmodulus bij een op buiging belaste constructie de vervorming vaak maatgevend zijn. De spanningen moeten dan lager zijn dan de voor de sterkte maximaal toelaatbare spanningen. Ook in dat geval worden de hoge spanningen niet benut. Om de benodigde stijfheid te verkrijgen zullen hoge profielen met een groot kwadratisch oppervlakte moment of vakwerken moeten worden toegepast. Aluminium heeft een goede corrosiebestandigheid, mits de juiste legering wordt gebruikt. In een corroderende omgeving wordt een oxidehuid gevormd die een bescherming tegen verdere aantasting geeft. Daarentegen staat aluminium laag in de spanningsreeks, zodat het wordt aangetast door andere metalen. Ook kunnen aluminiumlegeringen worden aangetast door vochtige bouwmaterialen als hout, beton en metselwerk. Aluminium is gemakkelijk te bewerken en te verbinden, elementen kunnen verbonden worden met bouten en schroeven van roestvast staal. Bovendien kan aluminium worden gelast of verlijmd. Na de sloop is het materiaal goed opnieuw te verwerken en te gebruiken. Nog niet genoemde nadelen van aluminium zijn dat de bereiding van aluminium veel energie vergt en de hoge uitzettingscoëfficiënt. Deze uitzettingscoëfficiënt is ongeveer het dubbele van staal. Hoewel het geschikt is voor grote overspanningen met een lage veranderlijke belasting, wordt aluminium in de bouw voornamelijk voor gevelconstructies toegepast.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 110

110

3.7 Vergelijking materialen In figuur 3.31 worden kenmerkende eigenschappen van de beschreven constructiematerialen gegeven. Veel materiaaleigenschappen variëren, zodat geen éénduidige waarde te geven is; in de tabel worden gemiddelde waarden gegeven voor de materiaaleigenschappen van de gangbare kwaliteiten.

Materiaaleigenschappen

Stijfheid Voor de vervorming van een constructie is de stijfheid van belang deze kan berekend worden met: E I = E · I. waarin: E = elasticiteitsmodulus I = kwadratisch oppervlaktemoment Aangezien de vervorming van een hout- of betonconstructie door kruip aanzienlijk toeneemt

Metselwerk

Hout C18

Staal S235

Beton gew. B25

Beton voorgesp. B45

Aluminium

Rekenwaarde druksterkte σ in N/mm2

3

10

235

15

27

125

Rekenwaarde treksterkte σ in N/mm

20

7,7

235

15

27

125

Elasticiteitsmodulus E in N/mm2

5.000

9.000

210.000

28.500

33.500

70.000

Uitzettingscoëfficiënt α in 1/°K

0,6 · 10–5

0,5 · 10–5

10–5

10–5

10–5

2,4 · 10–5

1.800

550

7.800

2.400

2.500

2.600

Toelaatbare druksterkte σ in N/mm2

2,1

7

160

10

19

90

Toelaatbare druksterkte Gewicht in 1/m

117

1.260

2.050

416

760

3.461

Kostprijs in €/m3

400

400

9.000

500

600

18.000

Kostprijs toelaatbare spanning in €/kNm

0,17

0,06

0,06

0,05

0,03

0,2

De gereduceerde Emodulus voor doorbuigingsberekening in N/mm2

7.000

210.000

5.000

19.000

70.000

Optimale hoogte h overspanning l

1 20

1 26

1 10

1 20

1 16

Massa in kg/m3

Figuur 3.31 Vergelijkend overzicht materialen

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 111

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 111

als de belasting langdurig aanwezig is en de vervorming van een betonconstructie toeneemt als deze scheurt, zijn in de tabel de waarden voor de elasticiteitsmodulus voor hout en beton zodanig gereduceerd dat de kruip, en voor gewapend beton ook de scheurvorming, verwerkt is. Toelaatbare spanning In de tabel worden voor de verschillende materialen de toelaatbare spanning σ gegeven. Om de maximale spanning in de bezwijkfase te kunnen vergelijken met de spanning in de gebruiksfase wordt de toelaatbare spanning berekend door de rekenwaarde van de spanning met een factor 0,7 te vermenigvuldigen. In deze factor zijn de belastingfactoren verdisconteerd:

σtoelaatbaar = 0,7 σd Kosten De materiaalkeuze wordt vaak op economische gronden gemaakt. Om een globaal inzicht te verschaffen zijn in figuur 3.31 prijzen per m3 gegeven. Om de kostprijs van een constructie te bepalen, zullen de op dat moment geldende prijzen moeten worden gehanteerd. Deze zijn sterk afhankelijk van het soort werk, de grootte en de ingewikkeldheid van het project. Vergelijken we bijvoorbeeld in de tabel de prijs van metselwerk en beton dan lijkt het alsof het niet uitmaakt of een wand wordt gestort of gemetseld. In bepaalde gevallen is dit ook zo. In de praktijk zien we dat woningen zowel gemetseld als met gietbouw worden uitgevoerd. De gietbouw is echter alleen concurrerend als het project een bepaalde grootte en een bepaalde repetitie heeft. Moet bij een verbouwing een enkele wand worden gemaakt, dan is gietbouw duurder dan metselen. Vergelijken we voor metselwerk en beton de prijs per m3 per opneembare drukspanning kN/m2, dan blijkt metselwerk duurder te zijn. Dit geeft aan dat als de druksterkte van beton goed benut wordt, beton goedkoper is. Bij hoogbouw zal gietbouw ten opzichte van metselwerk concurrerend zijn, omdat dan de hoge sterkte van beton optimaal kan worden benut.

ding sterkte/gewicht, kostprijs/spanning en de optimale hoogte/overspanning. 3.7.1 Sterkte en gewicht Een ideaal constructiemateriaal is sterk en weegt weinig, zodat het aandeel van het eigen gewicht ten opzichte van de totale belasting klein is. Als de overspanning toeneemt, zal het eigen gewicht een groot aandeel van de totaal op te nemen belasting innemen. Het quotiënt van de sterkte en het gewicht, de spanning-gewichtratio (SGR) wordt berekend door de toelaatbare spanning in kN/m2 te delen door het volumegewicht in kN/m3. De eenheid van de SGR is de meter. Met de SGR bepaalt men als het ware de maximaal mogelijke lengte van een materiaal, als het element alleen door het eigen gewicht wordt belast. Met de SGR kan men bijvoorbeeld bepalen hoe lang een stalen kabel en hoe hoog een gemetselde schoorsteen theoretisch maximaal zouden kunnen zijn, als deze alleen door het eigen gewicht zouden worden belast. 3.7.2 Spanning en vervorming De constructeur moet ervoor zorgen dat de door hem ontworpen constructie niet bezwijkt en niet te veel vervormt. Vooral bij grote overspanningen zal de constructeur proberen met zo min mogelijk materiaal de constructie te realiseren, zodat het eigen gewicht van de constructie laag is en slechts een klein deel van de totale belasting vormt. De constructie wordt net zo lang geoptimaliseerd tot de vervorming of de sterkte maatgevend wordt. Voorbeelden Bepaling van de SGR van een stalen kabel Wat is de maximumlengte van een stalen trekstang? De SGR geeft aan hoe lang een stalen staaf maximaal kan zijn als deze alleen door het eigen gewicht wordt belast. Uitgaande van constructiestaal S235 met een toelaatbare spanning σ = 160 N/mm2 = 160 · 103 kN/m2 en een volumiek gewicht van 78 kN/m3, vinden we:

SGR = Ten behoeve van de materiaalkeuze zijn in figuur 3.31 ook waarden opgenomen voor de verhou-

s G

=

160 · 103 78

= 2,05 × 103 m = 2,05 km.

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 112

112

Bepaling van de SGR voor een gemetselde toren Hoe hoog kan een gemetselde toren maximaal zijn, als het metselwerk een toelaatbare drukspanning heeft van 2,1 N/mm2 en een volumiek gewicht van 18 kN/m3? Met σ = 2,1 N/mm2 = 2.100 kN/m2 vinden we voor de SGR:

SGR =

2.100 18

= 117 m.

De middeleeuwse ontwerpers gingen met de toentertijd beschikbare materialen tot de grens van wat mogelijk was. Vele kerktorens getuigen nu nog van hun kunnen, zeker als men bedenkt dat de uitvoering soms minder gedurfd was als het ontwerp. Volgens het ontwerp dat Jan van Henegouwen in 1321 maakte, zou de Utrechtse domtoren 120 m hoog geworden zijn.

Het zou toevallig zijn als bij het optimaliseren in de constructie tegelijkertijd de maximale spanning en de maximale vervorming optreedt. Als de constructie een geringe hoogte heeft ten opzichte van de overspanning, zodat de verhouding klein is, zal de vervormingseis maatgevend zijn. De optredende spanning in de constructie is dan laag. Uitgaande van de vervormingseis is de maximale spanning te berekenen voor een bepaalde verhouding tussen de hoogte en de lengte waarbij aan de vervormingseis nog net wordt voldaan. Voor een tweezijdig vrij opgelegde ligger kan worden berekend dat, om aan de doorbuigingseis te voldoen, de spanning in de ligger niet hoger mag zijn dan: In de grafiek van figuur 3.32 is voor een tweezijdig opgelegde ligger horizontaal de verhouding hoogte:overspanning en verticaal de maximale spanning uitgezet, waarbij de ligger nog net niet te veel vervormt. Hoe groter de hoogte van de constructie ten opzichte van de overspanning hoe hoger de spanning in de constructie kan zijn, waarbij de constructie nog net aan de vervormingseis voldoet. Omdat de spanning niet hoger mag zijn dan de maximale toelaatbare spanning, zijn de grafieken afgetopt als de berekende maxi-

male spanning groter is dan de maximaal toelaatbare spanning. E·h max

50 · l

In de grafiek van figuur 3.32 zijn de waarden voor h afleesbaar, waarbij de berekende spanning, l waarbij de constructie net niet te veel vervormt, gelijk is aan de maximaal toelaatbare spanning. De grenswaarde geeft de overgang weer wanneer de vervorming en wanneer de sterkte maatgevend is. Bij een kleinere hl zal de vervorming en bij een grotere hl zal de sterkte maatgevend zijn. Deze waarden zijn te berekenen met: h

≥

l

50 · σmax E

Vullen we in deze formule de toelaatbare spanning en de voor kruip en scheurvorming gereduceerde elasticiteitsmodulus in, dan vinden we de verhouding hoogte/lengte voor welke waarde in de constructie gelijktijdig de maximale vervorming en de maximale toelaatbare spanning optreedt. In figuur 3.33 zijn deze waarden voor de verschillende materialen berekend. 3.7.3 De relatie spanning en vervorming Voor een gelijkmatig belaste vrij opgelegde ligger volgt de doorbuiging u in het midden uit:

u=

5 · qrep· l

4

384 EI

Het maximale moment in het midden van de overspanning door een gelijkmatig verdeelde belasting qrep is gelijk aan: M = qrep ·

l

2

8

Vullen we het moment in de formule in, dan vinden we: u=

5·M·l2 48 EI

06950521_H03

22-11-2005

15:02

Pagina 113

3 BELASTINGEN, VERVORMINGEN EN CONSTRUCTIEMATERIALEN 113

u 100 · qrep · l

3

6.5.1.b Tweede-orde-effect De vervormingen en de spanningen in de schorende constructies nemen toe door het zogenoemde tweede-orde-effect. De vervorming neemt toe met de vergrotingsfactor:

n n–1 Deze vergrotingsfactor wordt zeer groot als het knikgetal n bijna gelijk is aan 1, voor n = 1 bezwijkt de constructie. Het knikgetal n is de verhouding tussen de knikkracht en de belasting: n·

Nknik Nd

Voor een ingeklemde staaf, die wordt belast met een gelijkmatig verdeelde belasting qv is n berekenen met: n=

7,8 · EI l 2 · qv · l

l is de lengte van de staaf en qv · l is de belasting op de staaf. Bij een stabiliteitskern nemen we voor qv · l de totale belasting op de kern en de aanpendelende constructie. De aanpendelende constructie is dat deel van de constructie dat de standzekerheid ontleent aan de kern. Bij een hoogbouw met een schorende kern is de standzekerheid vaak al gewaarborgd als de constructie aan de vervormingseisen voldoet. Het knikgetal zal bij de meeste constructies groter zijn dan 5, de vergrotingsfactor is dan niet groter dan 1,2. 6.5.2 Verticale vervorming Naast de horizontale vervorming moet men bij een hoogbouw ook de verticale vervormingen beperken. De kolommen zijn in een hoogbouw zo lang, dat door een kleine spanningsverandering al een aanzienlijke vervorming optreedt. Dit is vooral belangrijk als in twee naburige kolom-

men een spanningsverschil optreedt zodat de ene kolom meer vervormt dan de andere kolom. De constructie-elementen als balken en vloeren en de afbouwconstructie als scheidingswanden en gevelelementen, die tussen de beide kolommen gelegen zijn moeten zo worden uitgevoerd dat deze het vervormingsverschil kunnen volgen. Behalve met de directe vervormingen moeten we ook rekening houden met de tijdsafhankelijke vervormingen. Door kruip neemt de vervorming van een betonconstructie door een langdurige belasting met een factor 2 à 3 toe. Een vervormingsverschil kan dan in de loop van de tijd sterk veranderen. De vervormingsverschillen door de permanente belastingen zijn te voorkomen door de elementen zo te dimensioneren dat de spanningen in naburige elementen nagenoeg gelijk zijn. De vervormingsverschillen door de veranderlijke belasting zijn niet te voorkomen. De elementen van de draag- en afbouwconstructie moeten zo worden ontworpen dat de vervormingsverschijnselen door de veranderlijke belastingen kunnen worden opgenomen. De grootte van de vervormingen kan wel worden verminderd door de elementen zo te dimensioneren dat de wisselende spanningen in de elementen laag zijn.

6.6 Fundering Tot voor kort dachten we vaak dat op de veenachtige en kleiachtige bodem in het westen van Nederland geen hoogbouw mogelijk was. Daarbij werd vergeten dat sinds de middeleeuwen al vele kerktorens in West-Nederland waren gebouwd met een aanzienlijke hoogte. Deze ondernemingen waren overigens niet altijd even succesvol. Het kwam wel eens voor dat de bouw voortijdig moest worden gestaakt, omdat de toren tijdens de bouw al zo scheef was gezakt dat de standzekerheid in gevaar kwam. Met behulp van de sonderingen en boringen kunnen we momenteel de draagkracht van de grond redelijk goed voorspellen. Bovendien kunnen we op zeer diep gelegen draagkrachtige lagen funderen. De geringe draagkracht van de grond vlak onder het maaiveld is geen beletsel meer voor hoogbouw. Voor de fundering van een hoogbouw is een volledig en betrouwbaar grondonderzoek nodig,

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 263

6 HOOGBOUW 263

Δu

Berekeningsblad l = 9m

φ=

Δu l

Het vervormingsverschil tussen de gevelkolommen en de kern is te berekenen met Δu =

scheefstand van de vloeren t.g.v. vervormingsverschil

l · Δσ Eb’

Het vervormingsverschil tussen de gevel en de kern is op de bovenste verdieping

99m

Δu =

l · Δσ 99 · 103 ⫻ 10 = = 33 mm Eb’ 3 · 104

Deze vervorming treedt tijdens de uitvoering op. Door de gevelkolommen over 99 m 33 mm langer te maken kunnen we de vervorming compenseren. Door kruip neemt het vervormingsverschil toe met een factor 2: Δukruip = 2 ⫻ 33 = 66 mm De scheefstand van de bovenste vloer door de kruip bedraagt

␾=

Gegeven is een gebouw met een hoogte van 99 m. Uit een berekening volgt dat door de permanente belasting de spanning in de slanke gevelkolommen 17,5 N/mm2 en in de kern 7,5 N/mm2 is. De elasticiteitsmodulus Eb’ is gelijk aan 3·104 N/mm2. Door kruip neemt de vervorming met een factor 2 toe. De vloer heeft tussen kern en gevel een overspanning van 9 m.

66 Δu = = 0,007 ’ 9.000 Eb

De scheefstand van deze vloer kunnen we reduceren door de kolommen 66 mm langer te maken. De vloeren liggen dan bij de oplevering scheef, in de loop van de tijd neemt de scheefstand af en na een zekere tijd zouden de vloeren vlak kunnen liggen, als de berekening correct is. Gezien de vele variabelen is het vrij lastig om een nauwkeurige vervormingsberekening te maken. We kunnen ook het vervormingsverschil verkleinen door de kolommen forser te dimensioneren. Het vervormingsverschil is minimaal als we de afmetingen van de kolommen zo groot maken dat de spanning in de kolommen gelijk is aan de spanning in de kern. De oppervlakte van de kolommen moet dan een factor 17,5 = 2,3 groter zijn. 7,5

Figuur 6.22 Voorbeeld van de berekening van de scheefstand van een vloer door een spanningsverschil in de gevelkolommen en de kern

waarbij niet alleen de draagkracht maar ook het zettingsgedrag onderzocht moeten worden Grondonderzoek wordt besproken in deel 2 Onderbouw

De ondergrond Daar de belasting van een hoogbouw op de fundering groot is, wordt de zetting van de fundering niet alleen door de lagen direct onder de fundering, maar ook door de veel dieper gelegen

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 264

264

Berekeningsblad

0,40

kern

12,00

1,20

30,00

0,40

30 x 3,30

Gegeven is een gebouw met 30 verdiepingen, met oppervlakte 30 ⫻ 30 m2, de verdiepingshoogte is 3,3 m. Het gebouw ontleent de stijfheid aan de stabiliteitskern, die oneindig stijf in de fundering is ingeklemd. De verticale belasting per verdieping is 10 kN/m2. Het totale gewicht van het gebouw is: 30 ⫻ 30 ⫻ 30 ⫻ 10 = 270.000 kN. De kern heeft als buitenwerkse afmetingen 12 ⫻ 12, de wanden zijn 0,40 m dik, in de kernwanden zijn twee deursparingen met een breedte van 1,2 m opgenomen. Het betonoppervlakte van de kern is 17,6m2.

12,00

0,40

30,00

1

12,00

2

plattegrond verdieping

plattegrond kern

Eenvoudigheidshalve wordt de invloed van sparingen verwaarloosd. Het kwadratisch oppervlaktemoment berekenen we met: =

10,8x123 - 10x11,23 12

= 384 m4

Het weerstandsmoment berekenen we met: W=

Z

=

384 6

0,40

= 64 m3

De elasticiteitsmodulus van de betonnen kern wordt bepaald door de belastingsduur en de scheurvorming. We nemen aan dat de kern in de gebruiksfase ongescheurd is, voor de kortdurende belasting is de elasticiteitsmodulus van de kern gelijk aan: E b’ = 2,85 · 104 N/mm2 = 2,85 · 107 kN/m2

3

doorsnede

Volgens De NEN 6702 is in gebied III (het binnenland) de stuwdruk 1,5 kN/m2; De coëfficiënten voor de winddruk en windzuiging en de wrijving zijn respectievelijk: cdruk = 0,8 czuiging = 0,4 cwrijving = 0,04 De belasting door de winddruk en zuiging op de gevels is gelijk aan: q = 30 ⫻ 1,5 (0,8 + 0,4) = 54,0 kN/m De windwrijving is: q = 2 ⫻ 30 ⫻ (1,5 ⫻ 0,04) = 3,6 kN/m Totale windbelasting:

q = 57,6 kN/m

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 265

6 HOOGBOUW 265

Berekeningsblad (vervolg)

De vervorming mag maximaal 1/500 van de hoogte zijn:

fe =

99 = 18 mm 500

umax <

7,8 · E l 2 · Nvd

=

7,8 x 2,85 · 107 x 384 992 x 270.000

= 32

De vergrotingsfactor is gelijk aan: n 32 = = 1,04 n -1 32 -1

De eigen frequentie van een kern is te berekenen met: 0,384 u

u is de fictieve uitbuiging van de constructie in m. Deze wordt berekend voor de verticale belasting die voor deze berekening geacht wordt horizontaal op de constructie aan te grijpen. De verticale belasting per m is: q=

u=

270.000 = 2.727 kN/m2 99 q·l 8· E

4

=

= 0,36 Hz

De vervorming wordt berekend met:

Bij deze berekening werd aangenomen dat de kern oneindig stijf werd ingeklemd. In de praktijk zal door de vervorming van de fundering de vergrotingsfactor groter zijn.

fe =

2,99

Met behulp van bijlage A.4 van de NEN 6702 kunnen we de vergrotingsfactor ϕ1 berekenen voor de invloed van de dynamische belasting. Voor een gebouw met een hoogte van 99 m en een breedte van 30 m is ϕ1 berekend voor verschillende frequenties, zie de grafiek onderaan de bladzijde. Voor fe = 0,36 vinden we: ϕ1 = 1,15. De windbelasting wordt dan 57,6 ⫻ 1,15 kN/m1.

Het knikgetal voor een kortdurende belasting berekenen we met: n=

0,385

2.727 x 994 8 x 2,85 · 107 x 384

umax

n

q·l

n -1 8 · E

4

=1,04 ·

1,15 x 57,6 x 99 4 8 x 2,85 · 107 x 384

= 0,08 m

De vervorming voldoet mits de aanname voor de elasticiteitsmodulus correct is en de kern ongescheurd is. Voor deze berekening zijn we ervan uitgegaan dat de kern oneindig stijf is ingeklemd, hetgeen in de praktijk zelden het geval zal zijn. Voor de kern gaan we na of deze ongescheurd is. De spanningen in de kern gaan we na of deze ongescheurd is. De spanningen in de kern berekenen we met de lineaire elasticiteitstheorie: σ= –

N n M ± · A (n-1) W

De oppervlakte van de verdieping dat door de kern wordt gedragen, is ongeveer 21 x 21 m2. De belasting op de kern is dan: 30 ⫻ 21 ⫻ 21 ⫻ 10 = 132.300 kN

= 2,99 m

Het moment op de kern is: vergrotingsfactor Φ voor windbelasting (evenwijdig)

1,24

M = 1/2q · l 2 = 1/2 1,15 ⫻ 57,6 ⫻ 992 = = 324.609 kNm

1,20 1,16 breedte 30 m

1,12

50 m hoogte 100 m hoogte 150 m hoogte

1,08 1,04 0,36

1,00 0,3

0,6

0,9

eigen frequentie gebouw:

f e = 0,36

1,2

1,5 frequentie

1,8

2

Vergrotingsfactor voor de windbelasting evenwijdig aan de windrichting

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 266

266

Berekeningsblad (vervolg)

In het gebruikstadium zijn de spanningen in de kern:

σ=–

132.300 n · 324.609 ± = 17,6 (n-1) · 64

= – 7517 ± 1,04 ⫻ 5072 kN/m2 De kleinste (druk)spanning is – 2,2 N/mm2 De grootste (druk)spanning is – 12,8 N/mm2

De constructie is ongescheurd. De aangenomen waarde voor de elasticiteitsmodulus is niet te hoog voor de berekening van de onmiddellijke vervorming. Deze vervormingsberekening is gebaseerd op de representatieve waarden voor de belastingen en materiaaleigenschappen. Voor de sterkteberekening zullen we moeten uitgaan van de rekenwaarden. De belastingen moeten dan met de belastingfactoren worden vermenigvuldigd. Het tweede-orde-effect is dan groter daar de kern in de bezwijkfase waarschijnlijk is gescheurd.

Figuur 6.23 Voorbeeld van de berekening van een kern

samendrukbare lagen bepaald. Wordt een hoogbouw gefundeerd op een zandlaag waaronder een dikke kleilaag ligt, dan zal de zakking van de fundering aanzienlijk toenemen door de vervorming van de kleilaag. 6.6.1 Belasting op de fundering Om in een vroeg stadium van het ontwerpproces te kunnen bepalen hoe het gebouw moet worden gefundeerd, is het nodig dat men een schatting van de belasting op de fundering kan maken. Voor een hoogbouw kan men een representatieve belasting (exclusief belastingfactoren) van 3 tot 4 kN/m3 aanhouden. De belasting van een gebouw met een hoogte van 100 m op de fundering is dan 300 kN/m2 à 400 kN/m2. 6.6.2 Fundering op staal Een hoogbouw kan op staal worden gefundeerd als de grondslag draagkrachtig en niet samendrukbaar is. In Nederland denken we dan aan zand- en grindlagen. De fundering bestaat uit een dikke plaat die zich onder het gehele gebouw uitstrekt. Doordat de belasting erg hoog is, zal de fundering, ook als deze op een vaste ondergrond rust, zetten. De maximale zetting mag volgens de NEN 6740 niet meer dan 150 mm zijn. Als vuistregel kunnen we aanhouden dat de zetting van de fundering wordt bepaald door de grond tussen het aanlegniveau en een diepte van circa 1,5 maal de kleinste funderingsbreedte. De zetting z kunnen we globaal berekenen met de bekende wet van Hooke:

σσ =

E·z d

Hieruit volgt: z=

σ ·d E

Waarin: d = dikte van de beschouwde laag In de NEN 6740 Geotechniek, basiseisen en belastingen vinden we voor vastgepakt zand een elasticiteitsmodulus van E = 125 MPa = 125 N/mm2. De in de NEN 6740 genoemde maximale zetting is tamelijk groot. Een zakking van 150 mm is alleen acceptabel als in de belendende gebouwen geen schade ontstaat. Daar de ondergrond zelden homogeen is, gaat een zakking vaak gepaard met zakkingsverschillen. Volgens de NEN 6740 kan het zakkingsverschil 50% van de gemiddelde zakking zijn. Volgens de NEN 6740 mag de scheefstand van de fundering niet meer zijn dan 1/300. Voor de constructie van een hoogbouw is een scheefstand van de fundering van 1/300 niet acceptabel als de schoorinstructie door een hoekverdraaiing van 1/ 300 scheef komt te staan. De scheefstand van de fundering moet dan tijdens de bouw worden gecorrigeerd. Dit kan alleen als de zettingen grotendeels tijdens de bouw ontstaan. Zand- en grindlagen zullen direct na het belasten zetten, zodat het grootste deel van de zetting tijdens de bouw optreedt en nog kan worden

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 267

6 HOOGBOUW 267

Berekeningsblad 100

De zetting z berekenen we met de wet van Hooke: z=

korrelspanningsverhoging

10 B

30 40

1,5 x B

20

nieuwe korrelspanning

50 60 70 grondwaterspanning oorspronkelijke korrelspanning

Een gebouw met 33 verdiepingen, dat 100 m hoog en 30 m breed is, wordt gefundeerd op staal. De grondslag bestaat uit een vastgepakt zandpakket. Het gebouw weegt 3 kN/m3. Bepaal de zetting van de fundering, als de elasticiteitsmodulus gelijk is aan E = 125 N/mm2. De belasting op de fundering is 3 ⫻ 100 = 300 kN/m2 = 0,3 N/mm2. De breedte van de fundering is 30 m. We bepalen de zetting van de grond tot een diepte van d = 1,5 ⫻ 30 = 45 m = 45.000 mm.

σ·d 0,3 ⫻ 45.000 = = 18 mm E 125

De maximale zetting mag volgens de NEN 6740 ten hoogste 150 mm zijn. De grondslag bestaat uit zand zodat de zetting door de permanente belasting tijdens de bouw zal optreden. Na het voltooien van de constructie zal de fundering alleen vervormen door de veranderlijke belastingen. De veranderlijke belastingen zijn vergeleken met de totale belasting betrekkelijk gering. Voor een kantoorgebouw is de veranderlijke belasting 2,5 kN/m2. Dit is een extreme belasting die slechts zelden optreedt. Voor de belasting op de fundering hoeven we slechts te rekenen met één verdieping extreem en de overige verdiepingen momentaan belast. De momentane belasting per verdieping is 0,5 x 2,5 kN/m2. Uitgaande van 33 verdiepingen vinden we voor de veranderlijke belasting op de fundering: q = 1 ⫻ 2,5 + 32 ⫻ 0,5 ⫻ 2,5 = 42,5 kN/m2 Deze belasting is slechts 14% van de totale belasting. De zetting door de veranderlijke belasting zal ongeveer 0,14 ⫻ 108 = 15 mm zijn.

Figuur 6.24 Voorbeeld van een globale zettingsberekening

gecorrigeerd. De zetting van een kleilaag bestaat uit een onmiddellijk en een vertraagd optredende zetting. De uiteindelijke zetting wordt pas na vele jaren bereikt, zodat een deel van de zetting pas optreedt na de voltooiing van de constructie. Hierdoor kan een scheefstand door een zettingsverschil slechts gedeeltelijk tijdens de bouw worden gecorrigeerd. Daar de vervorming bepalend is voor de constructie van een hoogbouw, is een toename van de vervorming door de vertraagd optredende zettingsverschillen ongewenst. Een fundering op een grondslag met kleilagen is

alleen mogelijk als de vertraagd optredende zettingsverschillen zeer klein zijn. Dit bereiken we door het gebouw op een kelder te funderen. 6.6.3 Fundering op kelder Met een kelderfundering kunnen we de zettingen van de fundering aanzienlijk verminderen. De representatieve belasting van een kelder op de fundering is 5 à 7 kN/m3. Het volumiek gewicht van klei- en zandgrond is 15 à 20 kN/m3. Een kelder is per kubieke meter veel lichter dan de te verwijderen grond. Door de aanleg van een kelder ver-

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 268

268

Voorbeeld Belastingvermindering ondergrond door kelder Een 100 m hoog gebouw met een plattegrond van 30 × 30 m2, wordt op kelder met een plattegrond van 42 × 42 m2 en een diepte van 10 m gefundeerd. Bereken de belastingverhoging op de ondergrond als het gebouw 3 kN/m3, de kelder 6 kN/m3 en de uitkomende grond 18 kN/m3 weegt. De belasting van het gebouw is: 30 × 30 × 100 × 3 = 270.000 kN De belasting van de kelder is: 42 × 42 × 10 × 6 = 105.840 kN Het gewicht van de grond is: – 42 × 42 × 10 × 18 = –317.520 kN

6.6.4 Fundering op palen Voor een hoogbouw komt een fundering op palen in aanmerking als de draagkrachtige lagen diep onder het maaiveld liggen of als bij een gelaagde grondslag de draagkrachtige lagen worden afgewisseld door samendrukbare lagen. We kunnen verschillende palen onderscheiden: de verdringingspalen zoals de geprefabriceerde palen en de niet-grondverdringende palen, zoals boorpalen en diepwandpalen. Een geprefabriceerde betonpaal is in verband met het transport en de hoogte van de heistelling niet langer dan 25 à 30 m. De lengte van boor- en diepwandpalen is onbeperkt.

6h

Voor een kelder met een gewicht van 6 kN/m3 en uitkomende grond met een gewicht van 15 kN/m3, vinden we een reductie van de belasting van 15 – 6 = 9 kN/m3 per meter kelder.

De compensatie is groter als de kelder een groter oppervlakte heeft dan het gebouw. Is de oppervlakte van de kelder twee maal zo groot als de oppervlakte van het gebouw, dan compenseert één kelder zes verdiepingen, figuur 6.25.

3h

mindert de belasting op de grond onder de kelder met het verschil tussen het gewicht van de verwijderde grond en het gewicht van de kelder. Voor iedere meter dat de kelder dieper wordt aangelegd, reduceren we de belasting met (15 à 20) – (5 à 7) kN/m3.

De spanningsverhoging in de grond onder de kelder is dan:

kelder

h

kelder

b

h

Resterende belasting: 58.320 kN

b

De zettingen worden bepaald door de spanningsverhoging in de grond. Het gebouw zal nauwelijks zetten als het gewicht van de kelder en het gebouw gecompenseerd wordt door de uitkomende grond. Is de belasting van het gebouw gelijk aan 3 kN/m3 en het verschil tussen de uitkomende grond en de kelder 9 kN/m3, dan kan een verhoging van het gebouw met 3 m worden gecompenseerd met een 1 m diepere kelder.

b

Deze belasting is vergelijkbaar met de belasting op de fundering van een niet onderkelderd gebouw met een hoogte van 33/3 = 11 m.

2b

58.320 = 33 kN/m2 42 × 42

2b

1

een kelder met een evengroot oppervlak als het gebouw, kan het gewicht van drie verdiepingen compenseren

2

een kelder met een tweemaal zo groot oppervlak als het gebouw, kan het gewicht van zes verdiepingen compenseren

Figuur 6.25 Fundering op kelder Bron: Dictaat Draagconstructies III, hoofdstuk 11

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 269

6 HOOGBOUW 269

Voor verdiepingbouw is in Nederland vrijwel altijd een voldoende draagkrachtige laag aanwezig op minder dan 20 m à 25 m diepte, zodat deze gebouwen zowel op geprefabriceerde als op in de grond vervaardigde palen worden gefundeerd. Voor een hoogbouw moet men om de zettingen te beperken soms veel dieper funderen. De palen worden dan in de grond gemaakt. Anders dan bij een boorpaal waarbij de grond wordt verwijderd, wordt bij een geheide paal de grond verdicht. De voor het heien maximaal haalbare verdichtingsgraad is 10%. Onder de verdichtingsgraad verstaan we de oppervlakte van de palen van een paalgroep gedeeld door de oppervlakte van de grondlaag waarop de paalgroep de belasting afdraagt, figuur 6.26. Voor een groep palen met en hart-op-hartafstand van 3D is de oppervlakte van de grond waarop de paalbelasting afgedragen wordt 3D × 3D. Voor een vierkante paal met een dwarsafmeting a is de equivalente diameter D gelijk aan 1,13 a. Een hart-op-hartafstand van 3 × D is dan gelijk aan 3 × 1,13 a = 3,4 a. De verdichtingsgraad is gelijk aan:

a2 = 0,09 (3,4a)2 oftewel 9%. Deze verdichtingsgraad is nog net realiseerbaar.

D = 1,13 D

a

verdichtingsgraad 9 %

a

Voorbeeld Berekening van de verdichting Zoals al eerder vermeld is weegt een gebouw 3 à 4 kN/m3. Dit is een reprensentatieve belasting exclusief belastingfactoren. Uitgaande van een gebouw dat 3 kN/m3 weegt en 200 m hoog is, vinden we voor belastingverhoging op de ondergrond: prep = 200 × 3 = 600 kN/m2 De toelaatbare spanning in de palen is 6 à 8 N/mm2. Voor een toelaatbare paalspanning van 6 N/mm2 = 6.000 kN/m2 vinden we een verdichting van

600 = 0,10 oftewel 10%. 6,000

De grens is dan bereikt.

Voor een gebouw met een hoogte van circa 200 m is de belasting op de fundering hoog en het aantal benodigde palen groot zodat de maximale verdichtingsgraad vermoedelijk wordt overschreden. Geprefabriceerde verdringingspalen zijn dan niet meer mogelijk, zodat het gebouw op nietgrondverdringende palen moet worden gefundeerd. De belasting op de ondergrond is bij een fundering op palen niet minder dan bij een fundering op staal. Het verschil met een fundering op staal is dat de palen de belasting uit het gebouw naar veel dieper gelegen draagkrachtige laag overbrengen die meestal ook stijver is dan een dicht onder het maaiveld gelegen laag. De zetting van een paalfundering kan vrij groot zijn als onder de draagkrachtige laag, waarop wordt gefundeerd, een samendrukbare laag ligt.

3D

3D

D

3D

Figuur 6.26 Verdichtingsgraad

3D

6.6.4.a Fundering van de uitbreiding van ‘De Nederlandsche Bank’ in Amsterdam Voor de uitbreiding van ‘De Nederlandsche Bank’ in Amsterdam werd in 1988 een 60 m hoge toren op de binnenplaats gebouwd, figuur 6.27.

De uitbreiding bestaat uit een bovenbouw en een terugliggende onderbouw. De dertien verdiepingen van de bovenbouw hebben een cirkelvormige plattegrond. De constructie bestaat uit een kern en 30 geprefabriceerde gevelkolommen. De vloeren bestaan uit geprefabriceerde TT-elementen die opgelegd zijn op de kernwand en de gevelkolommen.

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 270

270

bestaand gebouw

conusweerstand ( mN/m 2) 0

nieuwbouw

10

20

30

m.v. = 2.01 m + N.A.P. 0

-5

overgangsconstructie bestaand gebouw

-10

bestaande kelders

2e zandlaag

N.A.P. -25.0

eemklei

zand

N.A.P. -13.0 N.A.P. -15.0 N.A.P. -16.5

diepte t.o.v. N.A.P. in ( m )

-15

-20

-25

-30

-35

3e zandlaag

-45

doorsnede zetting bij fundering in derde zandlaag

kelder berekende zetting

-40

-50

0 -55 0,05 m zand

1

klei

N.A.P. -55.0

-60 0,10 m -65 0,15 m

3

minimaal verwachte zetting bij fundering in tweede zandlaag

2

te verwachten zetting

sondering + boring

randpaal o 1,50

kernpaal o 1,25 1,5 4,0

19,5 m 22,5 m

4

palenplan voor de boorpalen

Figuur 6.27 Uitbreiding van ‘De Nederlandsche Bank’ in Amsterdam

Bron: Cement 1988/4

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 271

6 HOOGBOUW 271

De constructie van de onderbouw bestaat slechts uit de binnenste ringvormige kernwand en twaalf kolommen. Daar de twaalf kolommen terugliggen ten opzichte van de gevel van de bovenbouw, is onder de eerste verdiepingsvloer een overgangsconstructie vervaardigd om de belasting van de bovenbouw naar de onderbouw over te dragen. Deze overgangsconstructie bestaat uit een ringvormige balk die wordt ondersteund door de twaalf kolommen van de onderbouw. Op deze balk liggen 30 radiale uitkragende balken die de belasting uit de gevelkolommen van de bovenbouw naar de kolommen van de onderbouw afdragen. Het bestaande gebouw is op de zogenoemde tweede zandlaag op circa 19 –NAP gefundeerd. Als de uitbreiding ook op de tweede zandlaag op 19 –NAP zou worden gefundeerd, zou door de belasting in deze laag een spanningsverhoging van circa 180 kN/m2 ontstaan. Door deze spanningsverhoging zou ook de kleilaag, die onder deze laag gelegen is, vervormen. Ter plaatse van de uitbreiding zijn dan zettingen van 0,1 à 0,15 m te verwachten. Voor de uitbreiding zijn deze zettingen, mits gelijkmatig, acceptabel. Ook naast de uitbreiding ontstaan zettingen. Deze zettingen nemen af naarmate de afstand tot de uitbreiding groter is. In het bestaande bebouwing ontstaan door de uitbreiding zettingsverschillen waarop het gebouw niet is berekend en gedetailleerd. Om schade te voorkomen is het gebouw op de zogenoemde derde zandlaag op 55 m –NAP gefundeerd. De zetting van de belending is dan slechts 20 à 25 mm. De kolommen van de onderbouw zijn gefundeerd op twaalf boorpalen met een diameter van 1,5 m en een toelaatbare belasting van 8.000 kN. De kern is gefundeerd op drie boorpalen met een diameter van 1,25 m en een toelaatbare belasting van 6.700 kN.

6.7 Uitvoering hoogbouw De uitvoering van een hoogbouw kent enkele specifieke problemen zoals het verticaal transport over een aanzienlijke hoogte, een klein bouwterrein en een lange bouwtijd.

6.7.1 Verticaal transport Bij de bouw is het verticaal transport een belangrijke factor. De windsnelheid neemt met de hoogte toe, zodat de kranen, die bij hoge windsnelheden niet kunnen functioneren, vaak niet operationeel zijn. Bij de ‘Delftse Poort’ (zie paragraaf 6.7.4) bleek het rendabel te zijn om te investeren in een zelfklimmende hijs- en montageloods, waarmee de stagnatie van het werk door wind- en regenverlet aanzienlijk kon worden gereduceerd. 6.7.2 Bouwterrein Een hoogbouw wordt altijd op een eerste klas locatie gebouwd. Het bouwterrein is dan meestal niet veel groter dan de plattegrond van de onderbouw. De materialen kunnen dan niet op het terrein opgeslagen worden, zodat deze na de aankomst op het werk meteen naar de plaats van bestemming moeten worden gebracht. De logistiek vereist dan een zeer gedetailleerde planning. 6.7.3 Bouwtijd De investeringskosten worden voor een belangrijk deel bepaald door de bouwkosten en de renteverliezen. De renteverliezen zijn hoger naarmate de bouw langer duurt. Een hoogbouw is een groot en omvangrijk project met een lange bouwtijd, zodat het zinvol is om te investeren in maatregelen ter verkorting van de bouwtijd.

Maatregelen om de bouwtijd te verkorten zijn: ◆ afstemming afbouw-ruwbouw; ◆ repetitie; ◆ prefabricage; ◆ klim- en glijbekisting. ◆ Afstemming afbouw-ruwbouw De bouwtijd kan worden verkort door de werkzaamheden zo snel mogelijk na elkaar te laten uitvoeren. De bouwtijd wordt onacceptabel lang als met de afbouw pas wordt begonnen na het gereedkomen van de ruwbouw. De ruw- en de afbouwwerkzaamheden moeten in de planning elkaar overlappen. Zodra de ruwbouw van een vloer gereed is, moet met de afbouw begonnen worden.

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 272

272

◆ Repetitie De uitvoering verloopt sneller als de verdiepingen gelijk zijn. Doordat de bouwvakkers beter met de situatie vertrouwd zijn en goed op elkaar ingespeeld raken, kunnen de verdiepingen steeds sneller worden gerealiseerd. Bovendien ontstaan er minder onverwachte problemen, die ter plaatse moeten worden opgelost. ◆ Prefabricage De bouwtijd van een betonconstructie wordt aanzienlijk korter als de constructie is geprefabriceerd. Een gestorte constructie moet verharden. Tijdens de verharding mag deze constructie niet worden belast. Gedurende de verharding moet een gestorte vloer worden onderstempeld. De stortbelasting wordt meestal door twee vloeren afgedragen. Op deze twee vloeren staan dan stempels, zodat op deze vloeren geen afbouwwerkzaamheden kunnen worden verricht. De elementen van een geprefabriceerde constructie hoeven op het werk alleen nog maar gemonteerd te worden. Bovendien zijn de elementen al verhard, zodat een geprefabriceerde vloer niet onderstempeld hoeft te worden en de afbouwwerkzaamheden eerder kunnen beginnen. ◆ Klim- en glijbekisting De bouwtijd van gestorte kernen en schijven kan gereduceerd worden met een glijbekisting of een klimkist. luik voor de maatvoering

Een glijbekisting, figuur 6.28, bestaat uit wandbekisting en steigers die continu omhoog worden gebracht met een snelheid van 0,2 à 0,25 m per uur. De steigers en bekisting hangen via jukken aan klimstangen. Deze klimstangen staan in mantelbuizen, zodat deze weer kunnen worden teruggewonnen. Het is een continu proces. Zowel overdag als ‘s nachts wordt in ploegen doorgewerkt. De werkzaamheden kunnen niet onderbroken worden. Met een glijbekisting kunnen alleen vlakke wanden worden gemaakt. Consoles en andere uitsteeksels verstoren het glijproces. In de wanden kunnen wel inkassingen worden gemaakt voor bijvoorbeeld de opleggingen van vloeren en wanden. In een met een glijkist gemaakte kern kunnen de vloeren en trappen pas worden aangebracht nadat de werkvloeren en steigers van de glijbekisting verwijderd zijn. Een klimkist, figuur 6.29 bestaat uit steigers en bekistingen die aan ankers aan de wand hangen. Na het verharden van de wand worden de bekistingen achteruit getrokken. Vervolgens worden de steigers en de bekistingen omhoog gehesen. De hoogte van de bekisting is meestal gelijk aan de verdiepingshoogte. Een kern kan sneller worden gemaakt met een glijbekisting dan met een klimkist. Een deel van de tijdwinst wordt verloren, omdat de in de kern uitgebouwde steiger

hek

windscherm

takel hijsbok

liggers stekeind centrale plunjerinstallatie

A

A

draagjuk

bekisting

hijsluik werksteiger

afwerkbordes

1

bovenaanzicht glijbekisting

Figuur 6.28 Glijbekisting

2

doorsnede A - A

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 273

6 HOOGBOUW 273

benodigde vloeren en wanden pas na het gereedkomen van de schacht kunnen worden ingehangen. Met een klimkist kunnen we gelijk na het gereedkomen van de ruwbouw van een verdieping met de afbouw beginnen. Een glijbekisting wordt vaak voor de kern van een hanggebouw toegepast. De bouwvolgorde bij hanggebouwen is afwijkend omdat de vloeren pas kunnen worden opgehangen als de hangconstructie gereed is. Eerst bouwt men de kern en de jukken. Vervolgens worden de verdiepingsvloeren gemaakt en aan de jukken opgehangen, waarbij de bovenste verdieping het eerst en de onderste verdieping het laatst wordt opgehangen. Daar de verdiepingen pas na het gereedkomen van de ruwbouw van de kern kunnen worden gemaakt, is het belangrijk dat de kern zo snel mogelijk op hoogte is. Met een glijbekisting kan de kern sneller worden gemaakt dan met een klimkist en wordt de bouwtijd verkort. Ook wanneer we in plaats van één juk twee of drie jukken maken, figuur 6.11-1, is het verstandig om de kern met een glijbekisting uit te voeren. Zodra een juk vervaardigd is, kan worden begonnen met de daaraan hangende vloeren. Zodra de andere jukken ook zijn vervaardigd, kunnen meerdere vloeren tegelijkertijd worden vervaardigd.

uitvoering van een hanggebouw. Nadat de kern met het juk boven de begane grond gereed is, kunnen we gelijk met de eerste verdieping beginnen. Het vervaardigen van de verdiepingen loopt gelijktijdig met de vervaardiging van de kern, zodat de bouwtijd van deze gebouwen korter is dan van een hanggebouw. De kern van deze gebouwen kan zowel met een klimkist als een glijbekisting worden gemaakt. Een glijbekisting heeft als voordeel dat voor een gebouw met meerdere jukken, nadat snel de kern en de jukken zijn gemaakt, tegelijkertijd op verschillende hoogten vloeren kunnen worden gemaakt. 6.7.4 De Delftse Poort Het hoofdkantoor voor de Nationale Nederlanden ‘De Delftse Poort’ bestaat uit twee rechthoekige torens van 150 m en 96 m hoogte die via een onderbouw met elkaar verbonden zijn. Het 1 Ontkisten. 2 Ondersteuningsconstructie over halve kisthoogte omhoog gebracht. 3 Bekisting over halve kisthoogte omhoog gebracht. 4 Ondersteuningsconstructie op hoogte gebracht. 5 Bekisting op hoogte gebracht.

De uitvoering van een gebouw met vloeren die rusten op jukken, figuur 6.11-1, verschilt van de

1

2

Figuur 6.29 Klimbekisting

3

4

5

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 274

274

complex is onderkelderd. In de kelderverdieping zijn parkeerruimten en technische installatieruimten ondergebracht, figuur 6.30-1.

metrotunnel

93 m 15 m

45 m

De constructie De torens bestaan beide uit twee verspringende vleugels verbonden door een centraal gelegen liftschacht, figuur 6.31-1. Aan de uiteinden van de kantoorvleugels liggen trappenhuizen en schachten die met de kernen de horizontale windbelasting in de dwarsrichting afdragen.

70 m

150 m 36 m

conusweerstand ( mN/m 2)

( schaal 1:2000 )

1

20

overzicht gebouwencomplex

60

40

m.v. = 0,25 m + N.A.P. 0

-10

klei / veen

150.0 m

overdrachtsconstructie

-30

zand

-20

klei

-40

- 6.30 m

2

doorsnede

( schaal 1:2000 )

50 mm

-60 zand

- 27.00 m

diepte t.o.v. N.A.P. in ( m )

-50

-70

100 mm

2a

de berekende zetting van de bebouwing

Figuur 6.30 De Delftse Poort, Rotterdam

3

sondering met boorprofiel Bron: Cement 1990/4, 1991/4

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 275

6 HOOGBOUW 275

De constructie van de kantoorvleugels bestaat uit geprefabriceerde dragende gevelelementen met een dikte van 300 mm en 400 mm en geprefabri7,20

6,40

7,20

ceerde cassettevloeren die van gevel tot gevel spannen. Op de eerste vier verdiepingen bestaat de constructie slechts uit de schachten en kolommen met een doorsnede van 1,4 m en een hartop-hartafstand van 10,8 m. Op de vijfde verdieping is een doosvormige overgangsconstructie gemaakt om de belastingen uit de dragende gevels over te brengen op de kolommen.

8 x 10,80

De fundering De ondergrond bestaat uit een klei- en veenlaag tot 17 m –NAP, en een draagkrachtige zandlaag tussen 17 m en 40 m –NAP. Onder deze zandlaag ligt een kleilaag tot 51 m –NAP, figuur 6.30-3. De belasting op de fundering is na aftrek van de opwaartse waterdruk en het gewicht van de uitgegraven grond 300 kN/m2 en plaatselijk onder de hoogbouw 675 kN/m2. De eerste zandlaag is

2

langsdoorsnede bouwloods

hijs- en montageloods met 2 onafhankelijke traversekranen

A

A

vijzel

1

7 e - 18 e verdieping

( schaal 1:500 )

Figuur 6.31 De Delftse Poort, Rotterdam

3

doorsnede bouwloods A - A

( schaal 1:500 ) Bron: Cement 1990/4, 1991/4

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 276

276

draagkrachtig genoeg voor een paalfundering. De vervorming van de fundering wordt grotendeels veroorzaakt door de zetting van de kleilaag onder de zandlaag. Het complex zal onder de torens circa 80 mm zetten, figuur 6.30-2a. Om schade door zettingsverschillen te voorkomen, zijn in de onderbouw twee dilataties aangebracht. De uitvoering De kernen en schijven zijn met een glijbekisting uitgevoerd. De snelheid bedroeg circa 0,15 m per uur. Na het vervaardigen van de wanden zijn de geprefabriceerde trappen en bordessen met de kraan van bovenaf in de schacht gebracht en van onder naar boven per verdieping gemonteerd. Voor de montage en het hijsen van de geprefabriceerde elementen werd voor iedere toren een loods ontwikkeld met een hydraulische kliminstallatie, figuur 6.31-3. Na het gereedkomen van een verdieping werden de loodsen opgevijzeld naar de volgende verdieping. Ter plaatse van de kopgevels werd in de loodsen een hijsinstallatie aangebracht waarmee de gevelelementen, met een maximumgewicht van 150 kN, omhoog werden gehesen.

6.8 Uitvoering van kelders Voor het vervaardigen van een kelder is een bouwput nodig. De open bouwput is de goedkoopste oplossing, als het bouwterrein groot genoeg is en maar een geringe hoeveelheid grondwater moet worden bemalen. Het bouwterrein van een hoogbouwproject is meestal te klein voor een open bouwput zodat een grondkerende constructie moet worden aangebracht. Als grondkerende constructies komen in aanmerking: • de Berlinerwand, figuur 6.32; • boorpalenwand, figuur 6.33; • damwand in hout, staal of beton, figuur 6.34; • diepwand, figuur 6.35. 6.8.1 Bemaling Als de grondwaterstand boven de bouwput bodem ligt, moet de grondwaterstand in de put worden verlaagd om in den droge te kunnen werken. Een bemaling kan tot de volgende bezwaren leiden:

•

als de grond goed waterdoorlatend is, zal door een grondwaterstandverlaging in een niet afgesloten bouwput, de grondwaterstand in de omgeving ook worden verlaagd; A

1

dwarsdoorsnede

2

aanzicht

3

doorsnede A

Bij het aanbrengen van de schotten schuift de achterliggende grond totdat deze aanligt. Dit heeft als gevolg dat het maaiveld achter de wand zakt. Door deze zakking kan schade ontstaan aan de achter de wand gelegen wegen, leidingen en funderingen. Figuur 6.32 Berlinerwand A

1

dwarsdoorsnede

2

detail schroefpaal gewapend met stalen profiel

Een boorpalenwand komt in aanmerking als de bouwput door een stijve constructie moet worden omsloten, bijvoorbeeld omdat de bouwput vlak langs een belendend gebouw gepland is en een vervorming van de wand tot schade aan het gebouw zou kunnen leiden. Figuur 6.33 Boorpalenwand

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 277

6 HOOGBOUW 277

•

is alleen mogelijk als de waterdoorlatendheid van de grond gering is en vlak naast de bouwput een grondwaterstandverlaging acceptabel is. Bij een gesloten bouwput wordt de put zowel verticaal als horizontaal afgesloten, figuur 6.36. De verticale afsluitingen worden gevormd door damwanden, diepwanden of dichtingswanden. Dichtingswanden zijn wanden of schermen die niet grondkerend maar alleen waterkerend zijn. Deze schermen worden op een zekere afstand van een open put geplaatst.

zoals bekend, wordt door het verlagen van de grondwaterstand de korrelspanningen in de grond verhoogd, waardoor zettingen kunnen optreden en schade kan ontstaan; • verontreinigd of silthoudend grondwater mag niet worden geloosd op het bovenwater zodat dit via het riool of pijpleidingen moet worden afgevoerd. Als de grondwaterstand niet kan worden verlaagd, zullen we of een retourbemaling of een gesloten bouwput of een caissonfundering moeten toepassen. Bij een retourbemaling, wordt het grondwater op enige afstand van de bouwput terug in de grond gepompt, zodat het grondwater slechts rondom de bouwput wordt verlaagd. Een retourbemaling

1

2

dwarsdoorsnede

Diepwand De dikte van de diepwanden varieert van 0,4 tot 1,2 m. Deze wanden zijn dan ook zeer stijf zodat de grond achter de diepwand nauwelijks zet. Diepwanden kunnen goed als fundering en als kelderwand worden gebruikt. Daar de wanden niet 100% waterdicht zijn, ontstaan op de wanden vaak vochtplekken. Deze zijn te maskeren met een voorzetwand. Diepwanden komen vooral in aanmerking als de grondkerende constructie niet mag worden verwijderd, omdat anders schade in de belendende constructies zou kunnen ontstaan. Door het trekken van een damwand zet de grond achter de damwand, waardoor schade aan de wegen en gebouwen kan ontstaan die vlak naast de bouwput zijn gelegen.

plattegrond

Tegenover elkaar gelegen damwanden kunnen op elkaar worden afgeschoord met stempels. Deze stempels zijn hinderlijk voor de uitvoering. Bij grote bouwputten is de overspanning van de stempels zo groot, dat deze met palen verticaal moeten worden ondersteund. Figuur 6.34 Damwand

JELLEMA

JELLEMA

JELLEMA

JELLEMA

BETONMIXER

1

ontgraven paneel

2

lossen voegplank

Figuur 6.35 Uitvoering van een diepwand

3

verplaatsen voegplank

4

storten beton

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 278

278

stempel

grondwaterpeil groutanker

grondwaterpeil diepwand

stalen damwand

onderwaterbeton geinjecteerde laag

1

bouwput verticaal gesloten met stalen damwand en horizontaal afgesloten met geinjecteerde laag

2

bouwput verticaal gesloten met diepwanden en horizontaal afgesloten met onderwaterbeton

Figuur 6.36 Gesloten bouwputten

De gesloten bouwput kan horizontaal worden afgesloten door een al in de bodem aanwezige waterremmende laag, of door een daartoe geschikte laag waterremmend te maken. Een zandlaag kan waterremmend worden gemaakt door deze te injecteren. Een gesloten bouwput verkrijgen we ook door de put in den natte te ontgraven en vervolgens de bodem af te sluiten met een dikke laag onderwaterbeton. De gesloten bouwput heeft als voordeel dat door de bemaling in de put geen grondwaterverlaging buiten de put ontstaat, zodat ook geen zettingen naast de put ontstaan.

1

grondmodel maken

verspringing

6.8.2 Pneumatisch caisson De voorzieningen om de gesloten bouwput horizontaal en verticaal af te sluiten verhogen de kosten voor een kelder aanzienlijk. Bovendien nemen de kosten meer dan evenredig met de diepte van de kelder toe, zodat een diepe kelder niet goedkoop is. Bij een diepte van meer dan 10 m is het economisch verantwoord om de kelder als pneumatisch caisson uit te voeren, figuur 6.37. Bij deze uitvoeringsmethode wordt de kelder niet

4

opstellen luchtapparatuur en ontgraven werkkamer

detail snijrand

2

snijrand en keldervloer storten

5

afzinken kelder en afvoeren van zand-watermengsel naar spoelveld

3

kelderwanden en dek storten

6

kelder gereed, werkkamer opvullen met beton of zand

Figuur 6.37 Caissons

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 279

6 HOOGBOUW 279

in een bouwput maar op het maaiveld vervaardigd. Vervolgens wordt de kelder naar de gewenste diepte afgezonken. Het caisson wordt op diepte gebracht door de grond onder het caisson te verwijderen. Bij een pneumatisch caisson wordt onder het caisson een werkkamer gemaakt waarin een overdruk kan worden aangebracht. Zodra het caisson onder de grondwaterspiegel is gezakt, wordt in de werkkamer een dusdanige overdruk aangebracht dat het grondwater niet in de werkkamer kan binnendringen. Nadat het caisson op diepte is gebracht, wordt de werkkamer gevuld met beton of zand. Eventuele holten tussen de vulling en het dak van de werkkamer worden met grout geïnjecteerd. Daar in de werkkamer, zodra het caisson onder de grondwaterspiegel gezakt is, een overdruk aangebracht wordt, kan de werkkamer alleen via een sluis worden betreden en verlaten. Bovendien moet men na het verlaten van de werkkamer een bepaalde decompressietijd in acht nemen om de caissonziekte te voorkomen. De decompressietijd neemt exponentieel toe met de overdruk. Bij een overdruk van drie atmosfeer, is de decompressietijd vier uur. De effectieve werktijd is dan gehalveerd zodat de arbeidskosten verdubbelen. Een overdruk van drie atmosfeer zal nodig zijn als het caisson gezakt is tot 30 m onder het grondwaterpeil. De druk op het dak en de wanden in de werkkamer is dan 300 kN/m2, zodat de constructie vrij stevig moet zijn. Tijdens de bouw moet de druk in de werkkamer worden gecompenseerd door het gewicht van het caisson en de ballast. Het gewicht van het caisson en de ballast moet bij een overdruk van drie atmosfeer dus meer zijn dan 300 kN/m2. Gezien deze belastingen worden caissons voornamelijk toegepast voor kelders met een diepte van 10 m tot 20 m onder het grondwaterpeil.

Geraadpleegde en aanbevolen literatuur 1 Abma, J. Satellietgebouw Nederlandsche Bank. In: Cement 1988/4 2 Berenbak, prof. ir. J. en Arthur de Bos, HighRise Buildings. Reader Module BM, Technische Universiteit Delft 3 Boer, ir. P. den en ir. D.G. Mans, Aspecten van

hoogbouw in relatie tot het constructief ontwerp. In: Cement 1988/4 4 Boo, ir. A.J. de en ir. D.G. Mans, Delftse poort, hoogste kantoorgebouw van Nederland. In: Cement 1990/4 5 Boogaard, ir. W.J. van den, Constructief interessant. In: Cement 1988/4 6 Evers, ing. H.J. en ir. J. Kruizinga, Hoogbouw op samendrukbare ondergrond. In: Cement 1988/4 7 Groot, ing. F. de, Staal krijgt eindelijk een kans. In: De bouwadviseur, november 1993 8 Halvorson, R.A., Constructief ontwerpen van hoge gebouwen. In: Bouwen met Staal nr. 104, januari/februari 1992 9 Hogeslag, ir. A.J. e.a., Draagconstructies III. BK 061a, Technische Universiteit Delft 10 Hoogbouw in Nederland. Syllabus symposium van 8 oktober 1991 11 Joosten, ir. R.B., Hoog bouwen in Nederland. In: Cement 1991/3 12 Kamerling ir. M.W., Ontwerpprocedure voor schoorconstructies. In: Cement 2001/2 13 Köhne, J.H., Hoogbouw dwingt tot nieuwe uitvoeringstechniek. In: Cement 1991/4 14 Koster E., Verticale megastructuur. In: Cement 2001/2 15 Mans, ir. D.G., Ontwerp voor een 100 m hoog kantoor. In: Cement 1988/4 16 Meersseman, ir. J. en ir. L. de Somere, Kantoorgebouw Pleiad, Brussel. In: Bouwen met Staal nr. 109, november/december 1992 17 Oosterhout, dr. ir. G.P.C. van, dr. ir. C.P.W. Geurts, Trillingen en hoogbouw: comfort en demping. In: Cement 2001/2 18 Rakke, ir. H.J. en ir. P.K. Post, Hoogbouw in Hong Kong. In: Cement 1993/5 19 Rembrandt Tower, Amsterdam. In: Bouwen met Staal nr. 125, juli/augustus 1995 20 Studiereis dispuut Utiliteitsbouw. In: Cement 1993/12 21 Vambersky, prof. ing. J.N.J.A., Hoogbouw een kwestie van beton en staal. In: Cement 2001/2. Normen NEN 6702 TGB 1990, Belastingen en vervormingen NEN 6740 Geotechniek, basiseisen en belastingen

06950521_H06

23-11-2005

10:58

Pagina 280