Hoogtepunt in schalenbouw20122

Hoogtepunt in schalenbouw

1

Kantoorgebouw voor firma Mettler in Schijndel gebouwd met BetonBallon-Concept

Hoogtepunt in schalenbouw 2012 3

1 De toepassing van het BetonBallon-Concept voor een kantoor in Schijndel is

het hoogtepunt in de schalenbouw

2 Centrale troonzaal in Ctesiphon (Irak)

3 Hangmodel Antoni Gaudì

Geschiedenis schalenOp druk belaste constructies als bogen, gewelven en schalen behoren tot de meest stabiele in de geschiedenis van het construeren. Bij ruïnes uit de klassieke oudheid zien we dat de bogen en gewelven vaak nog overeind staan, terwijl de rest van de constructie is bezweken door natuur- of oorlogsgeweld. Het mooiste voorbeeld is ongetwijfeld de bolkoepel van het Pantheon in Rome (diameter 43,4 m), daterend uit 125 na Chr., die nog steeds in haar oorspronkelijke vorm is te bewonderen. Ook het gewelf van de centrale troonzaal van het Sassanidische paleis in Ctesiphon (Irak), daterend uit de derde eeuw na Chr., staat nog steeds overeind (foto 2). Het bijzondere van dit gewelf (overspanning 24 m) is dat de vorm van de doorsnede de kettinglijn benadert. Een ander opvallend aspect van dit gewelf is dat de dikte van het gewelf sterk afneemt van de geboorte (voet) naar de top. Dit heeft te maken met de wijze van bouwen, waarbij zoveel mogelijk gebruik is gemaakt van de vrije uitbouwwijze. Dat wil zeggen: zonder gebruik van hulp-constructies zoals houten formelen (boogvormige schoorcon-structies), net als overigens bij de bouw van het Pantheon [1].

DruklijnBij gekromde, op druk belaste steenconstructies is het zaak de druklijn (dit is de lijn die de naar beneden lopende druk-krachten ten gevolge van de permanente belasting volgt) zoveel mogelijk te laten samenvallen met de hartlijn (dit is de verbin-dingslijn van de zwaartepunten van de doorsneden van de constructie). Hierdoor wordt buiging (combinatie van trek en druk) vermeden en treden er alleen drukkrachten op ten gevolge van de permanente belasting. Dit is gunstig voor steenachtige materialen, die een beperkte treksterkte hebben (ca. 10% van hun druksterkte).

De constructieve voordelen van schaalconstructies

worden al eeuwenlang onderkend. Maar in de

uitvoering kennen dergelijke constructies de nodige

uitdagingen. Het is zaak een optimum te vinden in de

drie-eenheid architectuur – constructie – uitvoering.

Dit optimum komt goed tot zijn recht in het

kantoorgebouw van Mettler in Schijndel, een

voorlopig hoogtepunt in de geschiedenis van de

schalenbouw. Het project is uitgevoerd volgens

het BetonBallon-Concept (BB-Con), waarbij de

schaalconstructie is gerealiseerd door het spuiten

van beton op een voorgevormde ballon.

prof.ir. Frans van Herwijnen, ing. Ab van den BosABT bv

2

3

Hoogtepunt in schalenbouw20124

trekkrachten in drukkrachten. Galileo Galileï was van mening dat de kettinglijn een parabool was. Pas honderd jaar later (medio zeventiende eeuw) werd door wiskundigen de werkelijke formule van de kettinglijn afgeleid: een zoge-noemde cosinus hyperbolicus.

KettinglijnBij een constante belasting over de lengte van de boog hoort een bijzondere vorm van de druklijn: de kettinglijn. Deze naam is ontleend aan de vorm die een ketting aanneemt wanneer deze aan de uiteinden wordt opgehangen. Door de zwaartekracht ontstaan in een ketting trekkrachten tussen de schakels. Wordt de hangende ketting in gedachte omgekeerd tot een staande boog met dezelfde vorm, dan wijzigen de

4

5 6

Hoogtepunt in schalenbouw 2012 5

ontvangst en balie

K1

K2

KA KB

winkel

winkel

11 0

0012

000

9500

750

500

750

500

750 3515 3515

4835

247012 00011 000

500 750500

K1 K2

11 000

13 900+

9900+

6800+

3700+

3794

2700

2700

3300

peil

4 Crematorium Kakamigahara

5 Houten bekisting voor de Zementhalle te

Zürich, ontworpen door Robert Maillart, uit

1940

6 Houten bekisting voor de ingang van de

fietsenkelder op het 18 septemberplein te

Eindhoven, ontworpen door Massimiliano

Fuksas, uit 2009

7 De schalen rusten op een vierkant

grondvlak (11 x 11 m2)

8 Door de steile kettinglijn is veel

oppervlak bruikbaar

ontstond. Door omkering na opstijven van het gips verkreeg hij een op druk belast schaalmodel.Bij al deze voorbeelden zien we een sterke relatie tussen vorm en krachtswerking. Echter, de uitvoering blijft traditioneel.

Moderne schalenModerne schalen laten een steeds vrijere vorm zien. Met behulp van de computer wordt de schaalvorm bepaald, waarna de krachtswerking met de eindige-elementenmethode kan worden berekend. Het dak van het crematorium in Kakami-gahara (architect Toyo Ito) is daar een sprekend voorbeeld van (foto 4). De maakbaarheid van deze schalen wordt steeds gecompliceerder.Wat we aan deze voorbeelden zien is dat de drie-eenheid architectuur – constructie – uitvoering niet in onderlinge samenhang wordt beschouwd. Met name de uitvoering blijft achter op de ontwikkelingen op het gebied van vormgeving en berekening van schalen met de computer.Vergelijken we de uitvoeringswijze van de Zementhalle uit 1940 (foto 5) met de recente, qua vorm vergelijkbare betonnen schaal van de fietskelder in het centrum van Eindhoven door architect Maximiliano Fuksas (foto 6), dan zien we in de tussenliggende periode van 70 jaar geen enkele ontwikkeling in de bekistingstechniek.

GaudìTot het begin van de twintigste eeuw werden gewelven en schalen vooral van steen gemaakt. Eén van de pioniers van de gewelven-bouw, de Spaanse architect Antoni Gaudì, bepaalde de vorm en krachtswerking van zijn gewelven door te werken met hangmo-dellen van kettingen en gewichten. De gewichten representeerden het eigen gewicht van de gewelfdelen. Door de hangmodellen om te keren vond hij de optimale vorm: gemetselde gewelven waarin door permanente belasting alleen maar drukkrachten optreden (foto 3). In al zijn gewelven zijn de kettinglijnen duidelijk te herkennen. De architectonische vormen in de werken van Gaudì zijn dus experimenteel bepaald. De krachtswerking wordt gedo-mineerd door drukkrachten en de uitvoeringswijze was traditio-neel: metselen op bekistingen.

VoorbeeldenBij het ontwerpen van betonnen schalen gaat het steeds over de relatie tussen architectuur (vorm, schaaldikte), constructie (krachtswerking) en uitvoering (bekisting, wapening). Op verschillende wijzen is daar sinds 1940 mee omgegaan. Robert Maillart koos als doorsnedevorm van de schaal van de Zementhalle in Zürich een parabool, omdat hij daardoor op analytische wijze de krachtswerking in de schaal kon bereke-nen.Felix Candela koos voor diverse projecten voor hyperbolische paraboloïden als schaalvorm om dezelfde reden.Heinz Isler bepaalde de vorm van zijn betonschalen met hangmodellen. Hierbij maakte hij gebruik van in vloeibaar gips gedrenkte doeken. Deze hing hij vervolgens op de hoek-punten op, waarna door de zwaartekracht de schaalvorm

7 8

Hoogtepunt in schalenbouw20126

9 Kettinglijn

10 Bekisting van de dakschaal

11 Spuiten van het prototype van de BetonBallon

foto: Rob van Hove

BetonBallon-ConceptEen recent voorbeeld van een schaalconstructie is de nieuwbouw van het kantoor van het autodemontage- en bergingsbedrijf Mettler in Schijndel. Hier is gekozen de constructie uit te voeren met het zogenoemde BetonBallon-Concept (of BB-Con). Een BetonBallon wordt gebruikt als tijdelijke bekisting waarop groten-deels ongewapend spuitbeton is aangebracht. Met dit systeem wordt tegemoet gekomen aan de wensen van een vrije vorm, het terugdringen van het gebruik van primaire grondstoffen en het verlagen van de bouwkosten. Met het concept wordt de drie-eenheid architectuur – constructie – uitvoering eindelijk bereikt. Het project is om deze reden een hoogtepunt in de ontwikkeling van de schalenbouw.Meer dan vier jaar geleden werd een prototype neergezet op de campus van de TU Eindhoven. Voor een ongewapende betonnen schil houdt het prototype zich tot op heden zeer goed. Afgezien van enkele zettings- en krimpscheuren, die al tijdens de bouw en vlak daarna zijn opgetreden, is er daarna geen nieuwe scheurvor-ming bijgekomen. Ook worden de bestaande scheuren niet wijder.Na de geslaagde proef lag de weg open voor een eerste commerciële toepassing, in Schijndel.

Voor het project is gekozen voor een vierkant grondvlak (fig. 7), dat inwendig circa 11 x 11 m bedraagt. Het dakvlak vormt een schaal, gebaseerd op de kettinglijn. Op het begane-grondniveau is de ontvangstbalie en de winkelruimte gelegen.

10

9

Hoogtepunt in schalenbouw 2012 7

UitvoeringDe steile vorm van de schaal heeft niet alleen voor de indeling van het gebouw voordelen, ook de uitvoering is hierdoor eenvoudiger. Zo kunnen de onderste verdiepingen in min of meer traditionele bekisting worden uitgevoerd. De onderste twee wanden zijn nagenoeg vlak. Alleen voor het bovenste deel (de dakschaal) is de BetonBallon als bekisting ingezet. Deze BetonBallon is een pneumatisch en mechanisch gespannen membraan. Hij kan opnieuw worden ingezet voor schalen met dezelfde vorm.

Op foto 10 is de bekisting van de dakschaal zichtbaar. De dikte van de betonschaal wordt aangegeven door een op dikte geschaafde koplat. De wapening die zichtbaar is, is bedoeld voor de koppeling met de verdiepingsvloer. Deze verbinding is vooraf in het laboratorium van de TU Eindhoven beproefd [2].

Doordat het beton door spuiten wordt aangebracht, wordt sterk bespaard op arbeid op de bouwplaats. Om een zo goed moge-lijke uitvoering van de dakschaal mogelijk te maken, is ervoor gekozen de onderste verdiepingen ook met spuitbeton uit te voeren. Op die manier kan na optimalisatie van het mengsel de uitvoering beginnen met deze relatief eenvoudige, rechte vlakken.

In de uitvoering is gekozen voor een droge mortelmix op de bouwplaats die ter plekke met de vezels en het aanmaakwater wordt gespoten. Het was zoeken naar de juiste samenstelling die voldoende colloïdaal beton oplevert en ook voldoende aan de bekisting blijft hangen. Uiteindelijk is de dikte van de schaal in meer lagen nat in nat opgezet tot de uiteindelijke dikte. Door op de bekistingsballon een zeer dunne laag voor te spuiten met polypropyleenvezels is voorkomen dat de staalvezels met hun impact de ballon zouden penetreren (foto 11). ☒

Via het trappenhuis worden de verdiepingen ontsloten en door een opengewerkte zijgevel wordt een aansluiting gecreëerd met de achterliggende bedrijfshal.In totaal zijn er vier verdiepingen gemaakt. Deze verdiepingen houden in de basis hetzelfde grondvlak. Door de gewelven op de hoeken wordt de effectieve ruimte per verdieping kleiner. Doordat een heel steile kettinglijn is gehanteerd, ontstaan echter zo weinig mogelijk onbruikbare ruimten (fig. 8 en 9).

ConstructieDoor de vorm van de schalen te baseren op een kettinglijn, ontstaan door eigen gewicht zuivere drukkrachten. Alleen door wind- en temperatuurbelastingen kunnen er lokaal buigende momenten en trekspanningen optreden in de schaal. Dit bete-kent dat kan worden volstaan met een relatief dunne construc-tie en beperkte wapening, namelijk alleen daar waar nood-zakelijk. Het werken met dubbelgekromde wapeningsnetten wordt voorkomen; een belangrijk voordeel bij de uitvoering.

De eerste twee betonnen verdiepingsvloeren hebben een overspanning van circa 10 m, respectievelijk 8 m, en zijn punt-vormig ondersteund op de hoeken door een verbinding met de gespoten schaal. Door middel van gewichtsbesparende elemen-ten kon de vloerdikte worden beperkt tot 290 mm met relatief lichte wapening. De derde verdiepingsvloer met een overspan-ning van 6 m kon in 200 mm dik beton worden uitgevoerd.

Vezelgewapend beton is ingezet. Hiermee kunnen kleine trek-spanningen ten gevolge van verhinderde krimp, temperatuur-vervormingen en eventuele asymmetrische belasting worden opgenomen.

De stabiliteitsvoorziening wordt volledig uit de boogconstruc-tie gehaald. Het trappenhuis levert geen stabiliteit en is aan pendelend geplaatst.

● projectgegevens

project kantoor Mettler bv, Schijndel

architect Rob van Hove i.s.m. Lex Kuin

concept BetonBallon-concept (of BB-Con)

constructeur ABT bv

aannemer BB-Con bv

● Literatuur

1 Herwijnen, F. van, Constructief ontwerpen: Van

Pantheon tot Millenniumdome. Intreerede,

Technische Universiteit Eindhoven, januari 1999.

2 Herwijnen, F. van, Bos, A. van den & Hove, R. van,

Gewelven met BetonBallon. Cement 2009/4.11

Copyright use only permitted with indication of the source – “Abvandenbos ABT” Datum

ABTAb van den Bos

www.vloerenadvies.euwww.abt.eu

http://nl.linkedin.com/in/abvandenbos