Ing. A.Yahyaoui VolkerWessels Stevin Geotechniek BV
Ir. R.A. van der Eijk VolkerWessels Stevin Geotechniek BV
Ing. N.T. Loonen ABT BV
Samenvatting
Almere krijgt hoogste en diepste punt van Flevopolder
Het kantoorcomplex L'Hermitage te Almere, betreft een drietal torens, waarvan Carlton met ca. 120 m de hoogste is. Martinez en Majestic zijn minder hoog, maar met ca. 70 en 85 m nog steeds respectabel. Ten behoeve van de gebruikers van deze gebouwen worden twee ondergrondse parkeergarages gerealiseerd met een totaal parkeeroppervlak van ca. 40.000 m2 verdeeld over vier verdiepingen. De nieuwbouw is geprojecteerd op een terrein gelegen ten noorden van het Centrale Station aan de J. G. Suurhoffstraat. In dit artikel wordt nader ingegaan op de fundatie van de hoogste toren en de bouwkuipen ten behoeven van de realisatie van de parkeergarages.
Figuur 1 Constructief ontwerp Carlton.
Inleiding De projectontwikkelaar Eurocommerce uit Deventer heeft in nauwe samenwerking met de gemeente Almere het kantoorcomplex L'Hermitage te Almere ontwikkeld. Het plan bestaat onder ander uit drie kantoorgebouwen, allen ontworpen door afzonderlijke architectenbureau's, die achtereenvolgens de namen Carlton (Dam & Partners Architecten; 37.000m2), Martinez (ZZDP Architecten; 24.000m2) en Majestic (de Architecten Cie; 26.000m2) dragen. De hoogste van de drie is het Carltongebouw, met zijn 33 verdiepingen en een totale hoogte van circa 120m. Nergens in de provincie Flevoland zijn eerder hogere gebouwen neergezet, dus heeft Almere met dit project de primeur. ABT is als constructeur en geotechnisch adviseur vanaf het begin bij het project betrokken.
‘Quick Scan Ondergronds Bouwen’ Voor de gebruikers van de gebouwen en bezoekers van het centrum is er behoefte aan 1500 plekken. Om te bepalen op welke wijze het beste aan de parkeerbehoefte van 1500 parkeerplekken kon worden voldaan is door ABT een variantenstudie uitgevoerd. In het schetsontwerp was nog uitgegaan van een éénlaagse parkeergarage op het gehele perceel, dus ook onder de kantoortorens. In de studie is deze oplossing vergeleken met een meerlaagse kelder met 2 tot 4 ondergrondse parkeerlagen. De goedkoopste variant bleek een
36
GEOtechniek – april 2010
4-laagse garage te zijn, omdat de kosten voor de keldervloer en dakvloer relatief hoog zijn en de kosten voor de verdiepingsvloeren relatief laag. Procentueel is per variant het volgende kostenverschil vastgesteld: 1-laagse garage 168% 2-laagse garage 121% 3-laagse garage 108% 4-laagse garage 100% Met de vierlaagse garage was het mogelijk aan de parkeerbehoefte van 1500 parkeerplaatsen te voldoen. De garage kon daarbij naast de torens gebouwd worden, waardoor 2 bouwstromen ontstaan en de bouwtijd sterk gereduceerd wordt. Het kostenaspect en de verkorting van de bouwtijd waren aanleiding voor de opdrachtgever om uiteindelijk te kiezen voor twee ondergrondse parkeergarages,aan de noordzijde van de gebouwen, met afmetingen van respectievelijk 80 x 43 m en 150 x 43 m. De capaciteit van de kleine garage bedraagt 500 auto’s en van de grote garage 1000 auto's. Deze parkeergarages zijn tevens een onderdeel van de planontwikkeling en worden door Visser & Smit Bouw B.V , uit Papendrecht ontworpen en gebouwd (design & construct).
Constructie / fundering hoogbouw Het project beslaat een drietal torens, waarvan de Carlton toren met 120 meter hoogte het
hoogste punt van de Flevo polder zal gaan vormen. Kernmerkend van deze toren is, in constructieve zin, dat het hoogste volume zeer slank is. Door een constructieve slimmigheid wordt het gewicht van de vloeren grotendeels naar de kern afgedragen om deze ook bij hoge windbelasting onder druk te houden. Hierdoor blijft de vervorming van de kern beperkt. Het naar de kern leiden van een groot deel van de belasting leidt tot een zeer hoge belasting onder de kern. Daarnaast werd een hoge rotatie-eis aan de fundering gesteld om beweging van de toren te beperken. Een zeer stijve paalfundering met een hoog draagvermogen was derhalve noodzakelijk. Een geheid paalsysteem had mede daarom de voorkeur; in verband met de paaldichtheid van 6 tot 8% en het diep in de zandlaag heien is gekozen voor de toepassing van Vibro palen.
Draagvermogen paafundering In Almere wordt het draagvermogen in de meeste gevallen afwijkend van NEN 6743-1-1-1 berekend. Op basis van slechte ervaringen moet meer grondonderzoek worden uitgevoerd en met gereduceerde rekenfactoren worden gerekend. In verband met deze, voor Almeerse begrippen, uitzonderlijke constructie is in overleg met de dienst Bouwtoezicht aanvullend onderzoek uitgevoerd om toch conform de NEN te kunnen rekenen.
Figuur 2 Doorsnede Carlton en bouwkuip. Figuur 3
In aanvulling op de gebruikelijke sonderingen is door Fugro onder andere een tweetal waterspanninssonderingen tot een diepte van NAP -63 meter uitgevoerd (zie figuur 3). Uit de uitgevoerde sonderingen blijkt dat de zandlaag tot NAP -22 meter grillig is, de dieper gelegen zandlaag daar en tegen heeft een zeer constante en hoge vastheid. Uit de sonderingen volgt tevens dat tot de verkende diepte zand aanwezig is; zakkingsgevoelige lagen als de Eemklei in Amsterdam of Kedichem in Rotterdam bleken hier niet aanwezig te zijn. Door Fugro is een uitgebreide analyse op het grondonderzoek uitgevoerd. Belangrijk was om vast te stellen of de zandlaag gevoelig was voor afnemende conusweerstand door (hei) trillingen. In Almere zijn naar verluid namelijk ervaringen dat na het heien van een paal de conusweerstand kan afnemen. Verondersteld wordt dat de oorzaak van de afnemende conusweerstand ligt in het overgeconsolideerd zijn van de grond. Bij overconsolidatie is de horizontale korrelspanning hoger dan op basis van de terreinspanning verwacht mag worden. Bij de sonderen wordt dan, omdat de grond moeilijk zijdelings wordt weg gedrukt, een hoge conusweerstand gecon-
stateerd. Als gevolg van heitrillingen kan de korrelstructuur van het zand zich ’herschikken’ waardoor, naderhand gesondeerd, de conusweerstand afneemt. De overconsolidatiegraad (OCR) is door Fugro bepaald op basis van de formules van Mayne & Cullaway, waarbij een correlatie op basis van de sonderingen plaatsvindt. Door de onderstaande formules in elkaar op te lossen kan een indicatie van de OCR worden verkregen. Uit de analyse volgt dat de overconsolitatie niet significant is. In de zandlaag boven NAP +22 meter bedraagt de OCR waarde maximaal 2,5 à 3 [-]; daaronder is deze waarde niet hoger dan 2. Verondersteld is dat de heiverdichting de aanwezige OCR ruimschoots zal compenseren. Besloten is de palen tot circa 8D in de diepe zandlaag te heien; tot NAP -25 meter. Het berekende draagvermogen ligt, ondanks een verder conservatieve benadering, 50% hoger dan gebruikelijk in Almere wordt berekend.
Horizontale belasting Doordat onder de toren geen kelder aanwezig is moet de volledige horizontale (wind)belasting door de paalfundering worden opgenomen. Onder de plaatfundering, die onder vrijwel het gehele gebouw aanwezig is, zijn veel palen aanwezig; maar de horizontale belastbaarheid van deze palen is gering. De zeer slappe kleilaag onder de fundering biedt weinig weerstand en doordat de palen in een groep staan neemt de stijfheid nog verder af. In Plaxis 3D is de horizontale paalveerstijfheid berekend. Hierbij een strook met een breedte gelijk aan de h.o.h.afstand (1,80 m) tussen de palen gemodelleerd. De palen, gemodelleerd met volume elementen, zijn volledig ingeklemd in de vloer. Voor het beton is een elasticiteitsmodulus van 10.000 N/mm2 aangehouden. De ondergrond, bestaande uit een slappe kleilaag en vervolgens de funderingszandlaag, zijn gemodelleerd met het Hardening-Soil model. Ter bepaling van de horizontale veerstijfheid zijn steeds groter wordende horizontale belastingen uitgeoefend, zodat een multi lineaire horizontale paalveerstijfheid is verkregen, tezamen met de bijhorende paalkop- en paalschachtmomenten. Uit Plaxis 3D berekening bleek tevens dat de eerste palenrij
GEOtechniek – april 2010
37
het hoogste paalmoment krijgt. Een dergelijke berekening zou bijvoorbeeld ook met MPile kunnen worden uitgevoerd. Het bleek noodzakelijk aanvullende maatregelen te nomen om de horizontale belasting op te nemen. Door de damwanden van de liftputten iets robuuster en als permanent uit te voeren kan, met een duurzaamheid van meer dan 100 jaar, een derde deel van de horizontale belasting worden opgenomen. Door tevens een belangrijk deel van de palen een schoorstand te geven kon eveneens een derde deel van de horizontale belasting worden opgenomen; het restant kan door buiging in de (zwaar gewapende) palen worden opgenomen. Een uitsnede van het palenplan en een schematische doorsnede is weergegeven in figuur 4.
Uitvoering heiwerk Bij de uitvoering van het heiwerk is door Vroom Funderingstechnieken gebruik gemaakt van een heihamer met een energieafgifte van 120 kNm (IHC12) en de toepassing van een geluidsmantel. Met dit zwaarste heiblok voor toepassingen op het land bleek het nog juist mogelijke de palen op diepte te heien; de kalenderwaarden liepen daarbij op tot 150 slagen. Op basis van akoestische metingen is vastgesteld in de zeer slappe bovenlaag geen onregelmatigheden in de palen zijn opgetreden. Met controlesonderingen is aangetoond dat het zandpakket door het heiwerk wezenlijk is verdicht.
Ontwerp bouwkuipen Door de gemeente Almere is als eis gesteld dat de bovenkant van beide parkeergarages niet
Figuur 4 Uitsnede palenplan Carlton / schematische doorsnede.
boven het maaiveld mag uitsteken in verband met de aanleg van de aanleg van een parklandschap op het dek. Hierdoor dient tot ca. 13 m maaiveld (ca NAP-16,0 m) te worden ontgraven voor de realisatie van de parkeergarages. Hiermee vormen de garages na oplevering van het werk het diepste punt van de Flevopolder. Er is voor gekozen om de parkeergarages uit te voeren in twee fysiek gescheiden bouwkuipen met onderwaterbeton en trekpalen. Als grondkeringen zijn verankerde stalen damwanden toegepast. De verankering van onderwaterbeton tijdens de uitvoering wordt gerealiseerd middels tubex-palen met groutinjectie. De fundatie van de parkeergarages is met de verankering van de onderwaterbetonvloer geïntegreerd. Samen met Visser & Smit Bouw is door VolkerWessels Stevin Geotechniek (VWSG) het ontwerp van de bouwkuipen en de fundatie van de parkeergarages verzorgd. De betonconstructie, inclusief de onderwaterbeton is door Visser & Smit Bouw gedimensioneerd. Het funderingsbedrijf van VolkerWessels, Volker Staal en Funderingen, (VSF) heeft de damwanden en de bijbehorende verankeringen uitgevoerd.
Verankerde stalen damwanden
Figuur 5 Modellering paalgroep in Plaxis.
38
GEOtechniek – april 2010
Voor het ontwerp zijn geen concrete eisen ten aanzien van de horizontale vervormingen van de damwanden gesteld. Desalniettemin zijn damwandprofielen zodanig gekozen dat de maximale uitbuiging van de damwand niet meer dan 1/100 van de kerende hoogte mag bedragen. Uiteraard is de toetsing van de damwanden op sterkte niet onbelangrijk bij de keuze van de profielen.
Almere krijgt hoogste en diepste punt van Flevopolder
Figuur 6 Positie van groutlichamen.
Doordat de garages op een beperkt aantal meters (ca. 7,5m) van de hoogbouw worden aangelegd, zijn de damwanden langs Carlton, Martinez en Majestic gebouwen uitgevoerd met AZ 36-700 (S355) profielen. Achter het kopscherm van de grote kuip aan de Rooseveltweg is een spoeldepot voor de verwerking van de ontgraven grond gerealiseerd. Dit heeft geresulteerd in toepassing van een AZ 36-700 (S355) bij dit kopscherm. De overige schermen van de bouwkuipen zijn uitgevoerd in AZ 25 (S355). Volgens de ontwerpberekeningen dienden de damwanden tot een diepte van NAP-21,5 m te reiken om op sterkte te voldoen.
Verankering Aangezien de nodige bouwproductiesnelheid en afmetingen van de bouwkuipen is toepassing van stempels niet praktisch. Teneinde de stabiliteit te waarborgen en de vervormingen te beperken zijn de damwanden voorzien van strengankers (FeP1860) en schoorstempels in de hoeken van de bouwkuipen. Gelet op de palen van de nieuwbouw (torens) naast de bouwkuipen, zijn de ankers onder de gebouwen door middel van verbuisd boren geïnstalleerd, om de beïnvloeding van de draagkracht van de paalfundering tot een minimum te beperken. Verbuisd boren betekent dat het boren van de ankers middels een dubbele buis wordt uitgevoerd, waarbij de grond tijdens het boor-
proces via de ruimte tussen de binnenbuis en de buitenbuis wordt afgevoerd. Bij deze wijze van de uitvoering is de ontspanning van de grond tijdens het boorproces minimaal. Bij dit project zijn geen sonderingen gemaakt om het effect van het boorproces specifieke te kwantificeren. Er zijn wel nasonderngen gemaakt waarmee aangetoond is dat draagkrachtige zandlaag door heiwerkzaamheden wezenlijk verdicht is, en dat de nodige draagkracht van de palen gewaarborgd is. Om de draagkracht van de palen niet nadelig te beïnvloeden is, in het ontwerp van de ankers rekening gehouden met een afstand van circa 1,5 m tussen de zijkant van de palen en hart van de groutlichamen. De bovenkant van de proppen is 4D onder de paalpunten gepositioneerd.
Figuur 7 Rekenmodel interactie bouwkuip palen Carlton in Plaxis.
met een ontgravingseffect moet worden gerekend om het draagvermogen van de paalfundering van Carlton te bepalen? Welke palen worden extra op buiging belast en in welke mate?
Tevens zijn de groutlichamen onder de palen gepositioneerd zodat deze geen invloed uitoefenen op de paalfundering van de hoogbouw. Om dit aan te tonen dienden een drietal vragen te worden beantwoord:
Voor elk van de kantoorgebouwen is een aparte interactieberekening in Plaxis 2D uitgevoerd. Hierbij is het palenplan van de kantoorgebouwen geschematiseerd tot een beperkt aantal palenrijen. Dit was nodig omdat de palenrijen in verband met de schoorstand elkaar in dwarsdoorsnede zouden kruisen. De funderingvloer van het gebouw is als een stijve plaat ingevoerd waarop de krachten uit de bovenbouw werken welke door de constructeur zijn opgegeven. De verdeling van de palen onder de constructie is niet uniform. Door rekening te houden met de verschillende hoh-afstanden en de aantallen komt de stijfheid van deze schematische paalfundering zoveel mogelijk overeen met die van de werkelijke paalfundering en is bepaald aan de hand van de verdeling van de palen.
Is er sprake van afname van het draagvermogen van de palen als gevolg van de krachtswerking op de verankering van de bouwput? In welke mate en tot welke afstand van de bouwkuip is er sprake van een afname van korrelspanningen, door het ontgraven en droogzetten van de bouwput, zodanig dat
Eerst is een berekening uitgevoerd van een bouwput zonder belastingen en gebouw. De krachten en vervormingen uit deze som zijn vergeleken met de berekeningen van de damwand welke eerder met het damwandprogramma Msheet zijn uitgevoerd. Doordat deze uitkomsten in de zelfde orde van grote lagen kon worden
GEOtechniek – april 2010
39
Figuur 8 Effectieve korrelspanningen zonder verankering.
Figuur 9 Effectieve korrelspanningen met verankering.
Figuur 10 Excentrisch belaste ankerstoelen.
geconcludeerd dat de krachtswerking en de vervormingen met de aanwezigheid van de bebouwing voldoende realiteitswaarde bevatten. Uit de berekeningen volgt dat door het droogleggen van de verankerde bouwkuipen de verplaatsingen ter plaatse van de paalfunderingen en de toename van krachten in de palen zeer beperkt zijn. De korrelspanningen is voor en na het aanbrengen van de ankers in Plaxis vergeleken. In figuur 8 en 9 zijn de resultaten weergegeven. In figuur 11 is het verschil van effectieve korrelspanningen in het 4D-8D gebied getalsmatig geïllustreerd. Uit de vergelijking tussen de effectieve
40
GEOtechniek – april 2010
korrelspanningen in het 4D-8D gebied van de palen vóór en ná het functioneren van de ankers, komt naar voren dat er geen significante afname van de korrelspanningen. Derhalve kan worden aangenomen dat de invloed van de trekbelasting op de ankers geen invloed heeft op het draagvermogen van de palen.
van ca 900 kN en een drukbelasting van ca. 2880 kN. In een latere stadium is de drukbelasting lokaal omhoog gegaan. Voor deze hogere belastingen is gekozen voor toepassing van een paaldiameter rond 660 mm daar waar rond 560 mm voor de overige palen is toegepast.
Monitoring van de vervormingen Palen Als fundering voor de parkeergarages zijn Tubexpalen met groutinjectie toegepast met een puntniveau op NAP-32,0 m. Uitgangspunt voor het ontwerp van de palen zijn een trekbelasting
Als preventieve maatregel zijn een aantal hellingsmeters opgenomen in de damwanden om de vervormingen tijdens het ontgraven en het droogzetten van de kuipen te kunnen monitoren. Ter plaatse van de paalfundering van Carlton zijn
Almere krijgt hoogste en diepste punt van Flevopolder
Figuur 11 Verschil in effectieve korrelspanningen vóór en ná het belasten van verankering.
Vers c h il effec tiev e ko rrels p an n in g -25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Effectieve korrelspanning [kN/m2]
-50
hellingsmeters nr 6 en 7 geplaatst. De resultaten van deze hellingsmeters zijn grafisch weergegeven in onderstaande figuren. Met behulp van Msheet zijn de vervormingen van de damwand theoretisch bepaald bij af- en aanwezigheid (ondergrens resp. bovengrens van de vervormingen) van de bovenbelasting naast de damwand. Deze geprognostiseerde vervormingen zijn mede in de grafieken opgenomen.
-100
-150
-200
-250
-300
Uit de metingen blijkt over het algemeen dat de opgemeten vervormingen onder de onderwaterbeton kleiner zijn dan de berekende. Dat betekent dat de damwand meer inklemming aan de grond kan ontlenen. Volgens de hellingsmeter nr. 6 liggen de metingen tussen de ondergrens en de bovengrens van de vervormingen met uitzondering van de metingen tussen de bovenkant van de damwand en NAP7,0 m. Dit gebied is in Msheet gemodelleerd als een kleillaag. Blijkbaar reageert deze grondlaag stijver tijdens het voorspannen van de ankers, dan aangenomen is in het rekenmodel. Dat is ook bij hellingsmeter nr. 7 te constateren. Opgemerkt wordt dat ter plaatse van deze hellingsmeter een significante ontgraving heeft plaatsgevonden ten behoeve van het hooggebouw Carlton. Dit verklaart mede waarom de metingen van de hellingsmeter nr. 7 kleiner zijn dan de ondergrens van de vervormingen.
-350 na -20.0
na -25.0
voor -22.5
na -22.5
voor -20.0
voor -25.0
Verplaatsing [mm] -30,0
-20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
Verplaatsing [mm] 30,0
40,0
50,0
60,0
-30,0
-2
-2
-4
-4
-6
-6
-8
-8
-10
-10
-12
-12
-14
-14
-16
-16
-18
-18
-20
-20
-20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
Uitvoering Vanwege de geprojecteerde paalfunderingen van de drie torens achter de kuipen, is een grote nauwkeurigheid van de uitvoering van de ankers en de damwanden vereist. Dit houdt in dat uithei- en/of inheimaten van de damwand zeer beperkt moeten blijven. Anders zal toepassing van ingewikkelde ankerstoelen noodzakelijk zijn. Om dit te voorkomen is de exacte locatie van de damwand ingemeten nadat deze geïnstalleerd is. De nodige wijzigingen in het ontwerp van de ankers zijn doorgevoerd, zodat de ankers tussen de palen aangebracht kunnen worden. Hierbij is ook rekening gehouden met courante misstanden en scheefstanden van de palen. De damwand heeft een tijdelijke functie en is grotendeels terugwinbaar. Om de schade aan de damwand te beperken, zijn de doorvoeren van de
-22
-22 pb incl rotatie en verplaatsing
MSHeet
MSHeet incl mv belasting
Figuur 12 Hellingsmeter nr. 6.
ankers in de damwanden buiten de sloten gemaakt. Dit heeft geresulteerd in excentrisch belaste ankerstoelen (zie figuur 10). Tijdens het aanbrengen van de ankers van de kleine kuip werden de palen (vibropalen ) van Carlton geheid op een afstand van 10 á 15 m tot de groutlichamen van de ankers. Belangrijke voorwaarde voor de ankers bij deze korte afstanden is dat de ankers niet mogen worden
Peilbuis 7
MSHeet
MSHeet incl mv belasting
Figuur 13 Hellingsmeter nr. 7.
voorgespannen tot de heiwerkzaamheden afgelopen zijn. Alle ankers zijn ná de heiwerkzaamheden beproefd middels controleproeven of langeduurproeven en ze hebben allemaal de testbelastingen keurig doorstaan. Dat houdt in dat ondanks de heiwerkzaamheden en de daar door ontstane trillingen in de diepe zandlaag de ankers nog voldoen.
GEOtechniek – april 2010
41
