Verplaatsen van kolommen 8 Artikel Aanpasbaarheid van de draagstructuur II Verplaatsen van kolommen Aan de TU Eindhoven is de afgelopen jaren onderzocht1 op welke wijze flexibiliteit en aanpasbaarheid doelgericht ge?ntegreerd kunnen worden in de bouwtechniek. In het onderzoek worden, naast speciale aandacht voor de draagstructuur, ook economische en milieutechnische consequenties van ontwerpkeuzes uitgelicht. In dit tweede en laatste artikel worden de resultaten van dit onderzoek uiteengezet. Een voorbeeld van een holle leidingvloer is de Slimline-vloer SlImlIneBuIldIngS Verplaatsen van kolommen 9 Artikel Dr.ir. Roel Gijsbers, faculteit Bouwkunde, TU/e zijn hierin de belangrijkste factoren. de ontwerpkeuzes die hiervoor wor- den gemaakt zijn in grote mate bepalend voor de veranderingsmogelijkhe- den voor de overige gebouwonderdelen en daarmee voor de toekomstige gebruikswaarde van een gebouw. Onveranderbare drager Al vanaf de jaren twintig is flexibiliteit als ontwerpaspect aanwezig in ge- bouwstudies en -ontwerpen. In de jaren zestig is de aandacht voor flexibi- liteit versterkt door de inspanningen van John Habraken en de SAR (Stich- ting Architecten Research). een gebouw werd opgedeeld in een permanent en een veranderbaar gedeelte, respectievelijk `drager' en `inbouw'. Sinds- dien heerst in de bouwpraktijk het axioma dat de draagstructuur onaan- pasbaar zou zijn. deze algemeen aanvaarde stellingname is onverminderd actueel gebleven, en is bijvoorbeeld zichtbaar in de vele projecten die het IFd-programma rond de eeuwwisseling heeft voortgebracht. Overmaat Het uitgangspunt in de praktijk is dat de constructie niet wordt gewijzigd. In het constructief ontwerp wordt flexibiliteit echter wel meegenomen, bij- voorbeeld door toepassing van een kolommenstructuur in plaats van een schijvenstructuur. deze ontwerpkeuze geeft minder richting en meer vrij- heid bij het indelen van de plattegrond. een andere maatregel is het toe- passen van een ruimer stramien, waardoor overspanningen groter wor- den. doordat hiermee het aantal obstakels in de plattegrond vermindert, neemt de indelingsvrijheid toe. maar ook aan indelingsvrijheid zit een grens. Op een gegeven moment bereikt de indelingsvrijheid een maximum en betekent een n?g grotere overspanning geen meerwaarde meer. daarnaast kun je de vraag stellen of dit maximum een noodzaak is, of dat met 90 of 95 procent genoegen kan worden genomen. Waarmee is de meerderheid van de gebruikers of gebouweigenaars tevreden te stellen, nu en in de toekomst? Het fenomeen flexibel bouwen is in bouwIQ 2012/1 ontleed en geordend in zeven wezenlijk verschillende typen. Ook zijn de karakteristieke verschil- len tussen flexibiliteit en aanpasbaarheid helder gedefinieerd. deze begrip- pen blijken namelijk vaak te worden verwisseld. Verder is ingegaan op de ontwikkeling van een beoordelingsmethodiek, waarmee de meerwaarde van aanpasbaarheidsmaatregelen in het gebouwontwerp aantoonbaar wordt gemaakt. In dit artikel wordt specifiek gefocust op veranderingsmo- gelijkheden van de draagstructuur. De gebruiker Het inbouwen van levensduurbestendige kwaliteiten kan alleen wanneer er enig inzicht is in de gewenste prestaties op termijn. Hoewel niemand in de toekomst kan kijken, is het toch mogelijk om op redelijk betrouwbare basis voorspellingen te doen. een cruciale factor hierin is de relatie die bestaat tussen de `zachte' gebruikerseisen en de `harde' bouwtechniek. In het eer- ste deel van dit tweeluik is het belang van deze relatie al benadrukt. Ogenschijnlijk vervult de draagstructuur geen directe rol van betekenis voor de gebruiker. de primaire functie is het verzekeren van veiligheid. dit is feitelijk een technische prestatie, die overigens wel beperkingen schept aan het soort gebruik. de extreme belastingen voor woonruimte zijn bijvoorbeeld lager dan die voor kantoren. deze kwalificatie is eenduidig, calculeerbaar en genor- meerd. In geval van herbestemming van een gebouw naar een andere functie is dit een cruciaal (en vooraf berekenbaar) aspect voor de haalbaarheid. Functioneel ruimtegebruik In het uitvoeringsproces is de draagstructuur de eerste `gebouwlaag' die wordt gerealiseerd, en deze dient als kader voor de technische prestaties van de drie gebouwlagen die volgen (gebouwschil, installaties en afbouw). Om die reden drukt de constructie ook een belangrijke stempel op de mogelijkheden voor functioneel ruimtegebruik. de constructiewijze, het type constructieonderdelen, de stramienafmetingen en de plafondhoogte 1 Het proefschrift `Aanpasbaarheid van de draagstructuur ? Veranderbaarheid van de drager op basis van gebruikerseisen in het kader van Slimbouwen' (R. Gijsbers, 2011, TU Eindhoven) is te downloaden via http://alexandria.tue.nl/extra2/723151.pdf. SlImlIneBuIldIngS Verplaatsen van kolommen 10 Artikel Overgewicht grote overspanningen leveren enerzijds flexibiliteit op, maar vragen ander- zijds om zwaardere constructieve onderdelen. dit staat op gespannen voet met het streven om minder materiaal in gebouwen te gebruiken. deze me- thode is in de praktijk dus effectief bij het indelen van de gebruiksruimte, maar is tegelijkertijd bijzonder ineffici?nt op het gebied van duurzaamheid. In een (kantoor)gebouw met een levensduur van 100 jaar of langer neemt materiaalgebruik 20 procent van de milieubelasting voor zijn rekening. de overige 80 procent wordt bijna helemaal veroorzaakt door het gebruik van energie. naarmate de levensduur korter is, stijgt het aandeel van het ma- teriaal doordat het milieueffect ervan over minder jaren kan worden uitge- smeerd. Wanneer een gebouw niet langer dan 10 jaar staat, bedraagt de materiaalcomponent ruim 60 procent. met de toenemende aandacht voor energiezuinigheid zal deze materiaalcomponent in belangrijkheid toene- men. Om te streven naar optimale duurzaamheid en een substanti?le ver- mindering van de materiaalstromen, moet de traditionele manier van bou- wen en ontwerpen tegen het licht worden gehouden. effici?ntie is hierin het sleutelwoord. Het gaat erom dat hetzelfde doel wordt bereikt met min- der middelen. de draagstructuur bepaalt gemiddeld genomen voor 60 procent het ge- bouwgewicht. Zware constructieonderdelen en dikke vloeren zorgen er daarnaast voor dat 25 procent van het bruto gebouwvolume bestaat uit ruimte omhullende bouwdelen (ofwel de verpakking van de gebruiksruim- te). een substantieel deel van het gebouw is daarmee voor de gebruiker onbruikbaar, maar zorgt wel voor extra bouwkosten. Wanneer bijvoorbeeld het vloerpakket minder dik is, zal de gebouwhoogte afnemen, waardoor het (relatief kostbare) geveloppervlak kleiner wordt. Hiermee is een bespa- ring mogelijk van enkele procenten op de totale bouwkosten. Slim construeren een belangrijk doel van Slimbouwen is het reduceren van materiaalge- bruik. daarbij moet de levensduur van gebouwen zo lang mogelijk zijn om de negatieve effecten ervan op het milieu te verminderen. een verlenging van de gemiddelde gebouwlevensduur betekent bijvoorbeeld landelijk jaarlijks minder sloopafval. Het is daarbij wel zaak dat een gebouw functi- oneel in gebruik blijft. Het comfortniveau van de gebruiksruimte moet daar- voor gedurende die tijd op het gewenste niveau blijven. Hierbij speelt inde- lingsvrijheid een belangrijke rol. Het combineren van materiaalreductie met het behoud van comfort en flexibiliteit lijkt paradoxaal, maar is wellicht al- leen een kwestie van slim construeren. In een studie zijn verschillende constructieopbouwen vergeleken. Van te- voren zijn keuzes gemaakt op grond van flexibiliteit en duurzaamheid in constructiewijze, het type constructieonderdelen, het constructiemateriaal en de vrije plafondhoogte. de studie is gericht op nieuwbouw, met een draagstructuur bestaande uit een raamwerk van stalen kolommen en lig- gers, voorzien van een betonachtige vloer. er wordt specifiek gekeken naar meerlaagse woongebouwen, woonzorgcomplexen en kantoren met drie tot vijftien verdiepingen. uit onderzoek is gebleken dat een houten constructie eigenlijk het meest duurzaam is. In de praktijk is toepassing ervan echter een zeldzaamheid, zeker in geval van meerlaagse gebouwen. dit zal overigens vooral om eco- nomische redenen zijn. er is gekozen om de hoofddraagconstructie in staal uit te voeren, omdat dit ten opzichte van beton lichter van gewicht is, minder volumineus en volledig herbruikbaar. Voor de vloerdelen is wel voor beton gekozen, vanwege noodzakelijke eigenschappen op het gebied van geluidswering en brandveiligheid. Op basis van deze informatie zijn voor verschillende vloertypen en gebruiksfuncties een groot aantal constructie- varianten berekend waarbij de stramienafmetingen werden gevarieerd. de resultaten geven goed inzicht in de mogelijkheden voor materiaal- en volu- mereductie in het constructief ontwerp. Halvering constructiegewicht uit berekeningen blijkt dat het constructiegewicht ten opzichte van een gangbare constructieopbouw kan worden gehalveerd, enkel door de stra- mienafmetingen te verkleinen en door te kiezen voor niet-conventionele, minder zware gebouwonderdelen. dit kan bijvoorbeeld door een breed- plaatvloer of kanaalplaatvloer te vervangen voor een dubbelschalige, flexi- bele holle leidingvloer met een relatief laag gewicht. een hoge staalplaat- betonvloer is ook een mogelijkheid, echter heeft deze niet het voordeel van leidingflexibiliteit. Het integreren van alle leidingen in het vloervolume vol- gens het hollevloermodel, zorgt daarnaast voor een halvering van de dikte van het vloerpakket. dit doordat geen verlaagd plafond nodig is. de flexi- biliteit van een vloer waarin alleen een leidinggoot is ge?ntegreerd, zal op termijn niet toereikend zijn wanneer het leidingverloop moet worden gewij- zigd. dan biedt uiteindelijk een verlaagd plafond alsnog uitkomst, ten kos- te van het ruimtelijk comfort. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 9600 10200 10800 11400 12000 12600 13200 13800 14400 Vloeroverspanning [mm] Slimlinevloer Kanaalplaatvloer Breedplaatvloer Totaalgewichtconstructie[kg/m2] Bubbledeckvloer 0 10 20 30 40 50 60 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 9600 10200 Slimlinevloer Kanaalplaatvloer Breedplaatvloer Bubbledeckvloer Liggeroverspanning [mm] Gewichthoofddraagconstructie[kg/m2] Verplaatsen van kolommen 11 Artikel Alleen op basis van een minimumgewicht ligt de optimale stramienafme- ting in de buurt van 3,6 x 3,6 m, afhankelijk van de gebruiksfunctie. Het minimumgewicht is ongeveer 315 kg/m2 bij toepassing van een Slimline- vloer. Wanneer de vloeroverspanning groter wordt, neemt het vloergewicht slechts marginaal toe. In geval van een kanaalplaatvloer wordt een opti- mum bereikt bij een vloeroverspanning van 4,8 m en een liggeroverspan- ning van 3,6 m. Het totale constructiegewicht bedraagt dan 360 kg/m2. Wanneer de vloeroverspanning verdubbelt naar 9,6 m is er sprake van een gewichtstoename van 125 kg, een stijging van 35 procent. Het gebruik van een holle leidingvloer in combinatie met een kleine stra- mienmaat heeft ook een positief effect op het netto gebruiksvolume van een gebouw. de ruimte die ingenomen wordt door de omhullende con- structieonderdelen wordt teruggebracht van circa 25 naar 10 procent. de vloerdikte van de Slimline-vloer kan worden teruggebracht tot 60 procent bij toepassing van een kleinere vloeroverspanning. Vrije indeelbaarheid Het nadeel van een kleinere stramienmaat is dat kolommen dichter bijeen staan. dit be?nvloedt de vrije indeelbaarheid van de plattegrond en daar- mee het flexibel ruimtegebruik. door middel van een ontwerpexperiment is onderzocht in welke mate deze twee aspecten gerelateerd zijn. meer vrije ruimte betekent namelijk niet per se dat de vrije indeelbaarheid evenredig toeneemt. ergens ligt een optimum, of eigenlijk een maximum, dat wordt bepaald door de mate van vrijheid in de ruimtelijke mogelijkheden voor de gebruiker. de aanwezigheid van kolommen kan bij kleine stramienafmetin- gen hinderlijk zijn voor de indeelbaarheid van de plattegrond. Het blijkt dat de ontwerpvrijheid wordt belemmerd bij stramienafmetingen kleiner dan 5,4 x 6 m. In het algemeen geldt dat naarmate de afstanden tussen de kolommen kleiner worden, de indeelbaarheid verslechtert. Schuiven met kolommen Het optimaal indelen van een plattegrond kan worden bemoeilijkt door de positie van dragende delen. Wanneer er relatief veel kolommen aanwezig zijn, kunnen deze ook het ruimtegebruik hinderen, bijvoorbeeld wanneer een kolom ongunstig in de ruimte staat of wanneer deze een doorgang deels blokkeert. een substanti?le vermindering van constructiegewicht is dus mogelijk, maar als gevolg wordt de kolomdichtheid hoger. Om de hin- derlijke aanwezigheid van kolommen te beperken en toch voldoende inde- lingsflexibiliteit te bieden, zou het een uitkomst zijn om kolommen te plaat- sen waar deze niet hinderlijk zijn, bijvoorbeeld door ze een metertje op te schuiven. Het verplaatsbaar maken van kolommen is een onconventionele oplossing, maar kan wel degelijk effectief zijn. Het ontwerpexperiment wijst uit dat ongeveer de helft van de vrijstaande kolommen verplaatsbaar moet zijn, om bij kleine stramienafmetingen toch voldoende vrije indeelbaarheid te realiseren. deze zouden idealiter binnen een afstand van 2,4 m vrij ge- plaatst moeten kunnen worden; dat wil zeggen 1,2 m in twee richtingen ten opzichte van de uitgangspositie. Het verplaatsen van kolommen is een onbekende en onverkende moge- lijkheid. Om de technische haalbaarheid te onderzoeken is een systema- tiek plus een productontwerp ontwikkeld. de eindoplossing bestaat volle- dig uit bewezen technieken en wijkt niet veel af van een `normale' kolom. Het verschil zit hem voornamelijk in het verbindingsdetail met de liggers. Bij een verplaatsing wordt met een hulpconstructie de spanning van de 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 10,2 10,8 Kantoorfunctie Woonzorgfunctie Woonfunctie Diktevloerpakket Vloeroverspanning [m] Van links naar rechts: Totaalgewicht van de constructie (vloeren, liggers en kolommen) per vierkante meter vloeroppervlak bij een kantoorfunctie met een variabele vloeroverspanning en liggeroverspanning van 5,4 m. Gewicht van de onderdelen van de hoofddraagconstructie (liggers en kolommen) per vierkante meter vloeroppervlak bij een kantoorfunctie met een variabele liggeroverspanning en vloeroverspanning van 5,4 m. Dikte van het vloerpakket bij toepassing van een Slimline-vloer (inclusief 50 mm afwerkvloer) in procenten. De dikte van de vloer bij 10,8 m overspanning is gesteld op 100 procent (470 mm bij kantoor- en woonzorgfunctie, 430 mm bij woonfunctie). Rekenmodel voor de constructieve analyse van het verplaatsen van kolommen in een geschoord raamwerk. Verplaatsen van kolommen 12 Artikel Het verplaatsingsproces Allereerst dienen de kolom en de omliggende constructiedelen vrijgemaakt te worden. de omkasting om de kolom wordt verwijderd, de afdekkap die de geleidingsrail aan het oog onttrekt wordt gedemonteerd, en de demontabele topvloer wordt verwijderd. Hierdoor worden de kolom en de verbinding met de boven- en onderligger toegankelijk voor werkzaamheden. de hulpconstructie wordt geplaatst tussen de vloerliggers in de voorgeboorde gaten. lang- zaam wordt met behulp van een vijzeltech- niek de dragende functie van de kolom over- genomen. Hierdoor is de kolom spanningsvrij geworden en kunnen de verbindingen wor- den losgedraaid. Het onderste deel van de kolom wordt verwijderd. Hierna kan het resterende deel van de kolom, dat nu in de geleidingsrail aan de bovenligger hangt, naar de nieuwe locatie worden gerold. Het onderste kolomdeel wordt gemonteerd in de modulair voorgeboorde gaten, waardoor meet- en stelwerk niet nodig is. de kolomdelen worden herenigd en alle boutverbindingen met de liggers worden hersteld. de kolom wordt weer langzaam op spanning gebracht en gelijktijdig worden de verbindin- gen volledig gefixeerd. de hulpconstructie kan worden verwijderd en de afbouwelemen- ten worden teruggemonteerd. 4 8 9 1 2 3 5 6 7 Verplaatsen van kolommen 13 Artikel 20 40 60 80 1000 2: overspanning 9,0 m 1: Verplaatsbare kolom Aanpassingsinspanning (overlast x manuren) Aanpassingsinspanning [-] 0 1.000 2.000 3.000 Initi?le milieubelasting Milieubelasting [] 0 10.000 20.000 Initiele kosten Aanpassingskosten Kosten [] kolom afgehaald, waarna de verbindingen worden losgebout. de onderste halve meter van de kolomschacht wordt verwijderd. Het resterende deel hangt vervolgens op rollagers in een rail onder aan de ligger en kan vrij eenvoudig naar de nieuwe, voorgeprogrammeerde positie worden gerold. de kolom wordt opnieuw herenigd met het onderste deel en langzaam wordt de spanning teruggebracht op de kolom. Constructieve haalbaarheid Het verplaatsen van kolommen heeft tot gevolg dat krachten niet in een rechte lijn via de kolommen worden afgevoerd, maar dat deze een omweg door de vloerligger maken. met behulp van een model is bepaald in welke mate de dwarskrachten en momenten in de liggers toenemen. Hieruit is gebleken dat de dwarskracht lokaal extreem vergroot, waardoor de lijfpla- ten van de ligger lokaal moeten worden verzwaard. deze beperkte ingreep is voldoende om ervoor te zorgen dat alleen buigstijfheid nog maatgevend is. Constructieve haalbaarheid is in deze studie nauw verwant aan milieu- technische haalbaarheid. Het aantal verdiepingen waarbinnen de materi- aalbesparing nog rendabel is, ligt in de ordegrootte van 10 ? 15. daarbij geldt: hoe minder verdiepingen, hoe groter de materiaalwinst ten opzichte van een grotere overspanning. Effici?ntie In vergelijking met het toepassen van grote overspanningen is het ver- plaatsen van kolommen eveneens een effectieve maatregel ter vergroting van de indelingsflexibiliteit. Voor de praktische haalbaarheid moet ook wor- den bepaald of het verplaatsen van kolommen voldoende effici?nter is. Het doel is om hetzelfde effect te bereiken met minder middelen. Relevante aspecten in dit licht zijn kosten, inspanning en milieubelasting. de effici?n- tie is getoetst met de ontwikkelde CSA-methode die in het artikel in bouw- IQ 2012/1 is toegelicht. er is een casestudy uitgewerkt voor een kantoor- gebouw met een stramien van 3,6 x 5,4 m. Bij een herindeling zou een kolom midden in een vergaderruimte onoverkomelijk in de weg komen staan. Twee opties zijn vergeleken: 1. Toepassing van een grotere vloeroverspanning van 9 m (en gelijkblij- vende liggeroverspanning van 3,6 m). 2. Toepassing van een verplaatsbare kolom. deze vergelijking wijst uit of het verplaatsen van kolommen een zinvolle oplossing is. Wanneer immers een kolomverplaatsing te kostbaar is of slechts een beperkte milieuwinst oplevert, is het slimmer om een grotere overspanning te ontwerpen. Het minimaliseren van de moeite en tijdsduur om een kolom te verplaatsen is een kritieke ontwerpeis geweest. een verplaatsing kan immers een aan- tal maal tijdens de levensduur van het gebouw wenselijk zijn. Het uitgangs- punt is dat een verplaatsing uitgevoerd kan worden met een minimale uit- voeringsinspanning, binnen ??n dag en met beperkte overlast voor de gebruiker. uiteraard worden in de vergelijking ook de verschillen meegeno- men die optreden in de bouwfase. De veranderbare drager uit de toetsing is gebleken dat het verplaatsen van kolommen in deze case kostentechnisch effici?nt is tot gemiddeld zeven verplaatsingen per aan- wezige verplaatsbare kolom. dit aantal geldt voor de gehele gebruiksle- vensduur van het gebouw. de mate van kosteneffici?ntie (ofwel het maxi- mum aantal haalbare verplaatsingen) zal per situatie enigszins verschillen. deze is namelijk afhankelijk van de stramienafmetingen en het aantal ge- bouwverdiepingen. Ook qua milieubelasting scoort het verplaatsen van kolommen gunstiger. In beide gevallen is een lichtgewicht vloertype toege- past van circa 300 kg/m2. door toepassing van verplaatsbare kolommen wordt in deze case n?g 4 procent op het totale constructiegewicht be- spaard (inclusief vloeren), en zelfs 19 procent op het gebruik van staal. Hiermee is aangetoond dat het verplaatsen van kolommen een legitieme en duurzame maatregel is tot het bieden van gebruiksflexibiliteit. Het axi- oma dat de draagstructuur onveranderbaar is, is daarmee ontkracht. Aan- pasbaarheid van de draagstructuur kan daardoor als optie worden toege- voegd aan het scala flexibiliteitsmaatregelen. Verduurzaming van de gebouwenvoorraad is alleen mogelijk wanneer hel- der is wat het effect is van ontwerpbeslissingen op het gebied van duur- zaamheid en flexibiliteit op de lange termijn. Slimbouwen in het algemeen, en aanpasbaarheid van de draagstructuur en de CSA-methode in het bij- zonder, bieden hiertoe de instrumenten. Oplossingsvarianten. Resultaat van de effici?ntietoetsing met de ontwikkelde CSA-methode, in de vergelijking tussen het verplaatsbaar maken van een kolom en het toepassen van een grotere overspanning.