Een hoog gebouw heeft te maken met gebouwbewegingen. Ook kan het nauwkeurig uitzetten en plaatsen bemoeilijkt worden op hoogte. Welke factoren zijn relevant voor de maatnauwkeurigheid van hoogbouw? En, welke strategie moet worden toegepast tijdens de uitvoering om de beoogde maatnauwkeurigheid te realiseren? Bart Lemmens deed onderzoek naar maatbeheersing van superhoogbouw en paste het toebij een vooronderzoek voor de bouw van The Shard. Dit wordt het hoogste gebouw van de Europese Unie. In dit artikel licht hij de bevindingen toe.
Maatbeheersing bij superhoogbouw 18 Artikel
Maatbeheersing van superhoogbouw Bart Lemmens
Een hoog gebouw heeft te maken met gebouw
bewegingen. Ook kan het nauwkeurig uitzetten en
plaatsen bemoeilijkt worden op hoogte. Welke factoren
zijn relevant voor de maatnauwkeurigheid van hoog
bouw? En, welke strategie moet worden toegepast
tijdens de uitvoering om de beoogde maatnauwkeurig
heid te realiseren? Bart Lemmens deed onderzoek naar
maatbeheersing van superhoogbouw en paste het toe
bij een vooronderzoek voor de bouw van The Shard.
Dit wordt het hoogste gebouw van de Europese Unie.
In dit artikel licht hij de bevindingen toe.
Bart Lemmens behaalde zijn MSc in Construction Technology aan de
TU/e terwijl hij zijn afstuderen verrichte bij het bouwproject The Shard
in Londen. Met een hoogte van 310 m wordt dit het hoogste ge-
bouw van de Europese Unie. Het project wordt ontwikkeld door
Sellar Group en gebouwd door hoofdaannemer Mace. Lemmens
deed onderzoek naar maatbeheersing van superhoogbouw en be-
haalde een cum laude resultaat. Momenteel werkt hij als package
manager bij The Place Project, dat net als The Shard deel uitmaakt
van London Bridge Quarter.
Maatbeheersing bij superhoogbouw 19 Artikel
gespannen vloeren tot verdieping 69. De constructie van de spits bestaat
geheel uit staal. Dit vormt de bovenste 70 m van het gebouw en zal de
uitzichtgalerij bevatten. In het geheel bevat The Shard circa 48.000 m3
beton en 12.000 ton staal.
Gebouwbewegingen
Voor hoogbouwprojecten kan het uitzetten en het beheersen van referen-
tiepunten bemoeilijkt worden, omdat er niet meer naar naastgelegen ge-
bouwen gerefereerd kan worden. Dit kan worden opgelost door het be-
heerst oploden van punten. Ingewikkelder is het fenomeen gebouwbewe-
gingen. Een hoogbouwproject zal namelijk aan zowel verticale als horizon-
tale bewegingen onderhevig zijn en deze kunnen plaatsafwijkingen tot
gevolg hebben. Welke gebouwbewegingen worden er dan verwacht?
Constructief ontwerper WSP Group heeft de constructie ontworpen om
windbelasting te kunnen opnemen. Een zogenaamde hat truss beneden
de spits vermindert het uitzwenken van het gebouw. Terwijl windbelasting
en thermische uitzetting weersafhankelijk zijn en deze voornamelijk invloed
hebben op de horizontale posities, vinden de maatgevende permanente
gebouwbewegingen vooral verticaal plaats. Relevante verticale gebouw-
bewegingen zijn zettingen en axiale verkorting.
Axiale verkorting
De kolommen en de betonkern zijn onderhevig aan axiale verkorting, wat
bestaat uit initi?le verkorting van het materiaal, elastische verkorting en
kruip. Axiale verkorting is afhankelijk van materiaaleigenschappen, belas-
ting en bouwvolgorde2. The Shard kent zowel stalen als betonnen kolom-
men en de kolomlengtes verschillen aangezien The Shard steeds in door-
snede afneemt. Het aantal kolommen per verdieping neemt af naarmate
het gebouw hoger wordt. Bij The Shard ontstaat een verschil in axiale
verkorting tussen de kolommen en de kern. Ook de kolommen zelf kunnen
ten opzichte van een naastgelegen kolom, over de lengte van het gebouw
verschillend zijn in de mate waarin deze verkorten. Dit verschil in axiale
verkorting wordt ook wel differenti?le verkorting genoemd.
Stel dat kolommen volgens de tekening worden gemaakt. Dan ontstaat
op het moment van bouwen een vloer die waterpas is. Gezien de voor-
Maatbeheersing wordt door Van Hoof1 omschreven als `kwaliteitbeheer-
sing met betrekking tot het aspect maat'. Het doel van maatbeheersing is
om plaatsafwijkingen te voorkomen die de projectspecificaties te buiten
gaan, zodat kwaliteitsverlies wordt voorkomen. Kwaliteitsverlies kan in
deze betrekking hebben op de gebieden constructie, bouwfysica, archi-
tectuur en gebruikersgemak.
Het doel van dit artikel is om uit de doeken te doen welke maatbeheer-
singsstrategie is gebruikt bij het bouwproject The Shard. Bij dit project is
gedurende twee maanden een work study uitgevoerd. De conclusie hier-
van was dat een monitoringssysteem benodigd was om de behaalde
maatnauwkeurigheid te meten van de gebouwde constructie, en om te
kunnen bijsturen waar nodig. Deze methode is gedurende het afstuderen
ontwikkeld. Om de context te begrijpen, volgt eerst een introductie van het
project.
Hoogste gebouw
The Shard is het hoogste gebouw in Groot-Brittanni? en zal bij oplevering
in 2012 circa 310 m hoog zijn. Het door de beroemde architect Renzo Pi-
ano ontworpen gebouw bevat luxueuze appartementen, een vijfsterrenho-
tel en helemaal bovenop een uitzichtgalerij. Behalve aan The Shard, wordt
er in het London Bridge Quarter gewerkt aan een trein- en busstation en
het project The Place, dat ook door de Sellar Group wordt ontwikkeld. De
nabijheid van deze projecten, gecombineerd met een naastgelegen zieken-
huis en metrostation, maken het een gecompliceerde logistieke operatie
die speciale aandacht vraagt voor bouwveiligheid tijdens de uitvoering.
The Shard is typisch door zijn scherfvormige gevel. Dit wordt benadrukt
door de 11.000 panelen tellende glazen gevel, die aan de randen van het
gebouw uitkraagt ten opzichte van het vloeroppervlak. Het gebouw heeft
een hybride constructie; een stalen frame met een betonnen kern tot ver-
dieping 40, gevolgd door een volledige betonnen constructie inclusief na-
1 Hoof, P.A.J. van, 2003. Maatregelen ? Naar een betere maatbeheersing
via een moderne aanpak van maatvoering en maatcontrole
2 Alexander, Stuart, 2001. Axial Shortening of Concrete Columns and Walls
MACELIMITED
het theoretische land-
schap van verdiepings-
vloer 28 op het moment
van plaatsen (niet op
schaal)
voorspelde positie van
de vloer na het optreden
van axiale verkorting van
kolommen en betonkern
accumulatie van axiale
verkorting tot en met
verdieping 28 (niet op
schaal)
Maatbeheersing bij superhoogbouw 20 Artikel
spelde verticale gebouwbewegingen kan na het plaatsen deze vloer
gaan deformeren, met als gevolg dat deze ten tijde van de oplevering
niet meer horizontaal is. Hoe kan het verstorende effect van verticale
axiale verkorting worden tegengegaan? Hiervoor hebben kolommen
overlengte gekregen. Dat wil zeggen dat, op basis van voorspelde axiale
verkorting, lengte aan kolommen wordt toegevoegd. Kolommen worden
dus langer gemaakt dan op de tekening, zodat na het optreden van dif-
ferenti?le verkorting een vloer horizontaal is. Ook de betonkern heeft
overlengte gekregen.
Zettingen
Naast axiale verkorting zijn ook zettingen van de betonkern voorspeld. Het
zetten van de constructie, oftewel het zakken van het gebouw, is afhanke-
lijk van de grondcondities en de belasting die hierop wordt ge?ntroduceerd.
Naarmate tijdens de bouw de glijbekisting werd gestart, ontstond er een
zettingspatroon.
De betonkern is gebouwd op zogenaamde plunge columns; stalen kolom-
men die in een vers gestorte betonpaal zijn ge?ntegreerd. Deze kolommen
zijn voorspeld te gaan verkorten, waardoor de betonkern beneden de ge-
wenste positie kan gaan zakken. Om dit tegen te gaan, is de kern op een
hogere verticale positie gestort, zodat deze zich na het verkorten van ko-
lommen op de juiste positie bevindt.
De glazen gevel is ontworpen binnen de parameters van voorspelde ge-
bouwbewegingen. Hier zijn voornamelijk de relatieve waarden van verdie-
ping tot verdieping van belang, zoals het doorbuigen van bovengelegen
vloeren en de relatieve verkorting tussen kolommen. De uitdaging is om
het gebouw zodanig uit te voeren dat de beoogde geometrie op de juiste
posities wordt gerealiseerd. Van belang hierbij zijn de nauwkeurigheid van
gebouwonderdelen, het uitzetten en de nauwkeurigheid van de bouwme-
thode (het plaatsen). Tevens van belang is de strategie hoe om te gaan
met gebouwbewegingen zoals hiervoor toegelicht.
Vooronderzoek
Tijdens het uitvoeren van het participerend observeren was het onduidelijk
in welke mate de beoogde geometrie werd behaald. Met andere woorden:
hoe nauwkeurig wordt er gebouwd? En: treden de gebouwbewegingen
op conform voorspelling? Vanuit het vooronderzoek werd geconcludeerd
dat het van belang was een verbeterd monitoringsregime op te zetten. Dit
wil zeggen dat de constructie wordt gemonitord op relevante locaties en
dat verticale maatafwijkingen worden geregistreerd. De constructeurs
hebben verticale posities voorgeschreven voor elke verdieping waar de
kolommen moeten worden uitgezet tijdens de bouw. Deze posities zijn
afhankelijk van de bouwvolgorde en de mate waarin gebouwbewegingen
zich hebben voltrokken tot op het moment van het plaatsen van deze be-
paalde kolom. Immers, zowel kolommen als de kern zullen aan verkorting
onderhevig zijn tijdens de bouw. Het is dus van belang te verifi?ren of de
voorspellingen daadwerkelijk optreden.
Referentiepunten
Omdat The Shard met 310 m vrij hoog is, zijn er geen referentiepunten van
nabijgelegen gebouwen voorhanden. De kolommen moeten dus worden
uitgezet ten opzichte van een referentiepunt op de kern. Dit referentiepunt
zelf zal ook gaan zakken, omdat de kern zowel zal zetten als verkorten.
Ook hier is het dus van belang dat de constructie zal bewegen binnen de
ontwerpvoorspellingen.
Er is gekozen om een beperkt aantal punten als relevant te beschouwen
om deze te monitoren: de top van kolommen aan de rand van het ge-
bouw, de top van de vloer aan de rand van het gebouw, en de referentie-
punten op de kern op geselecteerde verdiepingen. Een monitoringsregime
is opgezet waarbij deze punten gemeten zijn. De voorspellingen van de
constructeurs kunnen alleen geverifieerd worden als dezelfde punten wor-
den gemeten ten opzichte van de uitgangspunten van het rekenmodel van
de constructeurs. Meten op een later tijdstip heeft weinig zin, omdat de
posities mogelijk worden verstoord door het zakken van referentiepunten.
Een data-analysehulpmiddel vergelijkt vervolgens de meetwaarden met de
voorspelde verticale posities.
Maatbeheersing bij superhoogbouw 21 Artikel
Resultaten
Verzamelde data van verdieping 5 tot en met 40 gaven aan dat in eerste
instantie de staalconstructie plaatsafwijkingen vertoonde. Bij nadere be-
schouwing bleek dat voornamelijk te gaan om de nauwkeurigheid van het
plaatsen, en het doorbuigen van liggers. Verbetering is opgetreden door
meer aandacht te schenken aan de nauwkeurigheid van de bouwmetho-
de. Daarnaast zijn typen liggers onderstempeld die bleken door te buigen.
Bewegingen van de betonkern leken relatief iets eerder op te treden ten
opzichte van voorspellingen, met name de axiale verkorting. Hierdoor is
tijdens het bouwproces een kleine verandering aangebracht aan het uit-
zetten van de kolommen.
Fundering
Behalve het monitoren van de constructie boven het maaiveld, is ook spe-
cifieke aandacht aan de fundering besteed gezien de bouwmethode. The
Shard is gebouwd met een topdown bouwmethode met een zogenaamde
jumpstart van de glijbekisting. Dat wil zeggen dat als eerste de begane-
grondvloer is gestort, en vervolgens gestart is met de glijbekisting. De kern
is gefundeerd op palen met hierin de eerder genoemde stalen plunge co-
lumns. Terwijl de betonkern werd gestort, is begonnen met het graven
onder de begane grondvloer, waarna uiteindelijk de 5.300 m3 tellende kel-
dervloer is gestort. Aangezien met name de keldervloer veel stijfheid aan
de constructie verschaft, werd het verstandig geacht tijdens de bouw zo-
wel de bouwkuip als de kern te monitoren voor zettingen. Met name dif-
ferenti?le zettingen tussen kern en rand van de bouwkuip moesten binnen
marges blijven. Opgetreden zettingen zijn binnen de voorspelde marges
gebleven.
Modulaire bouwmethode
Een ander aspect van het gebouw dat speciale aandacht vroeg in het ka-
der van maatbeheersing, is de spits, de bovenste 70 m van The Shard. De
constructie is geheel van staal en de stalen kern wordt kleiner in door-
snede naarmate het gebouw hoger wordt. Hier is gekozen voor een mo-
dulaire bouwmethode, om het veiligheidsrisico te verkleinen van het bou-
wen van een constructie boven 240 m. Geen enkele vloer van dit deel is
hetzelfde; de modules en vloerpanelen worden in de fabriek geassem-
bleerd. Gevelbevestigingen worden reeds in de modules ge?ntegreerd om
extra handelingen bij de bouw te voorkomen. Referentiepunten ten op-
zichte waarvan de modules worden geplaatst, worden aan de stalen ko-
lommen van de kern aangebracht door met behulp van lasers punten op
te loden naar een speciaal ontworpen bevestiging. Dit proces verloopt
trapsgewijs, omdat de doorsnede van de kern steeds kleiner wordt.
Een modulaire bouwmethode zorgt voor een hogere bouwsnelheid en ver-
kleint tevens het risico van bouwen op hoogte. Het is echter wel van be-
lang dat de modules zonder problemen passen. Bovendien moeten bouw-
vakkers bekend zijn met de bouwmethode. Om deze redenen is buiten de
staalfabriek een tijdelijk frame gebouwd waarop de modules zijn proefge-
bouwd. Een gedetailleerde kwaliteitsbeheersing is in de fabrieken opgezet
om te zorgen dat elk stuk staal is geproduceerd met de juiste maatnauw-
keurigheid en is ge?nspecteerd. Voordat de spits dus op de bouwplaats in
Londen werd gebouwd, is succesvol zeker gesteld dat alles past.
Maatnauwkeurigheid
Er kan gesteld worden dat een succesvolle maatbeheersing van een su-
perhoogbouwproject, net zoals elk project, afhankelijk is van de maat-
nauwkeurigheid van componenten, het uitzetten en het plaatsen. Echter,
bij superhoogbouw wordt het uitzetten bemoeilijkt door de hoogte van het
gebouw en worden er plaatsafwijkingen ge?ntroduceerd door gebouwbe-
wegingen.
In het ontwerp moeten permanente gebouwbewegingen worden geschat
en als deze maatgevend zijn, is het verstanding om er in de uitvoering re-
kening mee te houden. Het is raadzaam om tijdens de bouw te meten hoe
nauwkeurig de constructie wordt gerealiseerd, waarbij ook geverifieerd
wordt of de gebouwbewegingen inderdaad optreden zoals is voorspeld.
Hierdoor wordt er met een proactieve houding zorggedragen voor maat-
beheersing.
Reacties