thema
Het dienstengebouw van de kolen-biomassacentrale op de Maasvlakte heeft een hybride constructie
Zwaar en licht gecombineerd In de loop van dit jaar wordt een nieuwe kolenbiomassacentrale op de Maasvlakte in Rotterdam in gebruik genomen. Een belangrijk deel van deze centrale is het dienstengebouw. Na diverse overwegingen is gekozen voor betonnen vloeren en middenkolommen en stalen gevelkolommen en -balken.
58
De kolencentrale op de Maasvlakte is van GDF Suez en is de schoonste en modernste in zijn soort. Met een rendement van 46% heeft de centrale een capaciteit van 800 MW. De helft van deze capaciteit kan worden opgewekt met biomassa. De centrale is voorbereid voor CO2-afvang, zowel technisch als ruimtelijk. De centrale grenst aan het terrein van EMO, waar geïmporteerde bulkgrondstoffen zoals steenkool en ijzererts worden
2 2 013
Zwaar en licht gecombineerd
1
Kees de Leeuw, Roel Brouwers Royal HaskoningDHV
1 De nieuwe kolenbiomassacentrale op de Maasvlakte in Rotterdam foto: Jan Fähmel
matische eisen met betrekking tot de onderlinge ruimtelijke verbindingen en de aard van de verschillende functies zijn opgelost in een generieke gebouwstructuur, die bovendien voldoende ruimte biedt voor een mogelijke uitbreiding met een tweede centrale.
Opdracht DHV kreeg in 2007 de opdracht voor het bepalen van het uiterlijk van de centrale en de civiele werken, de inpassing ervan in het landschap en ook
De ruimtelijke samenhang op het terrein is bereikt door de gevels van het dienstengebouw te ontwerpen met dezelfde materialen en detailleringen als alle overige gebouwen: betonnen plinten met daarboven geprofileerde staalplaten op geïsoleerde stalen binnendozen. De ligging op het terrein en de toepassing van veel glas maken het gebouw onderscheidend en duidelijk herkenbaar als dienstengebouw. De gevels zijn vlak gedetailleerd met verticaal geprofileerde staalplaat in verschillende kleurpatronen, om hardnekkige vervuiling door steenkoolstof zoveel mogelijk te verbergen.
het integrale ontwerp van het dienstengebouw. Het verzorgen van alle noodzakelijke vergunningen – voor koelwater, bouw, milieu, geluid en brandveiligheid – maakte ook deel uit van de opdracht. Voor het dienstengebouw was de opdracht traditioneel van voorontwerp tot en met het definitief ontwerp. De uitwerking van het definitief ontwerp is in bouwteamverband uitgevoerd.
opgeslagen. Het was een strategische keuze om de transportkosten vanuit de haven naar de centrale te minimaliseren. De centrale zelf is opgebouwd uit een ketelhuis, een turbinegebouw, met daaromheen een flink aantal procesgebonden gebouwen, en diverse installaties. Het ketelhuis is met een hoogte van 112 m (de schoorsteen is 120 m hoog) het hoogste gebouw en presenteert zich als opvallend en kleurrijk object in het landschap van de Maasvlakte en de nabije omgeving. In dit uitgesproken industriële landschap is het dienstengebouw het enige gebouw waar mensen daadwerkelijk verblijven.
Het dienstengebouw Het dienstengebouw combineert alle noodzakelijke gebruiksfuncties in één volume. Het gebouw is entree, werkplaats, magazijn, kantoor, archief, controleruimte, laboratorium, restaurant en omkleedruimte tegelijk. De voordelen voor de gebruikers zijn veiligheid, onderlinge interactie en geborgenheid. Immers, de werk- en weersomstandigheden op de centrale zijn niet altijd zonder risico’s. De complexe program-
Zwaar en licht gecombineerd
De sfeer van het interieur is sober en rustig gehouden. Het gebruik van zilvergrijze metalen plafonds, betonnen kolommen, grijze gietvloeren en schoonwerk kalkzandsteen biedt echter een mooi contrast met het kleurrijke uitzicht op de nabijgelegen havens met containerschepen en overslagterreinen. Veel daglicht is er voor de gebruikers via de hoge raamstroken. Het was wenselijk deze raamstroken zo transparant mogelijk te maken. Slanke stalen kolommen met structurele beglazing hadden daarbij de voorkeur. Het dienstengebouw wordt verwarmd met restwarmte van de centrale. Klimaatplafonds als verwarming zorgen voor een optimaal binnenklimaat; ook hier vaak in schril contrast met de weersomstandigheden op de Maasvlakte. Een pakket van duurzame maatregelen zoals led-verlichting, bewegingsmelders en solartubes maakt het dienstengebouw tot een zeer energiezuinig gebouw.
Constructief ontwerp Het dienstengebouw heeft een rechthoekige plattegrond met een breedte van 22 m en een totale lengte van 105 m. Eén deel is uitgevoerd in vijf bouwlagen, 80 m lang, en het andere deel in één bouwlaag, 25 m lang (fig. 4). Dit laatste bouwdeel kon pas in een tweede fase worden uitgevoerd, omdat het beschikbare grondoppervlak benodigd was voor de uitvoeringswerkzaamheden van ondergrondse koelwaterleidingen in een bouwput. De gedwongen fasering was de reden om een horizontale dilatatie aan te brengen tussen beide delen. De gebouwconstructie en de beganegrondvloer zijn gefundeerd op palen. Het naastgelegen turbinegebouw is op het vloerniveau van 14,0 m met een loopbrug ‘horizontaal’ verbonden met de controleruimte van het dienstengebouw. De verdiepingshoogte van het
2 2 013
59
thema 2 Het dienstengebouw foto: Royal HaskoningDHV
3 Plattegrond van de kolen-biosmassacentrale
dienstengebouw wordt dus vooral bepaald door de ‘eis’ dat een verdieping op 14,0 m moet liggen. Na afweging van diverse opties is gekozen voor een zo compact mogelijk ontwerp met een uniforme verdiepingshoogte van 3,5 m en een plafondhoogte van 2,8 m. Een spiegelsymmetrische, later aan te brengen loopbrug is in het ontwerp meegenomen in geval van uitbreiding met een tweede centrale.
22 m, is 3 x 7,2 m een logische keuze. De gevelkolommen zijn om de 3,60 m geplaatst, zodat de scheidingswanden voor kantoren ook later nog eenvoudig en flexibel kunnen worden aangebracht. Door de extra gevelkolom wordt bovendien de belasting per kolom gereduceerd, waardoor kleinere afmetingen mogelijk zijn. In verband met de horizontale dilatatie tussen het hoge en het lage deel zijn beide delen elk van een eigen stabiliteitssysteem voorzien. Voor het lage deel is gekozen voor een eenvoudige geschoorde skeletconstructie in staal. Op dit deel wordt in dit artikel verder niet ingegaan. De stabiliteit van het hoge deel wordt ontleend aan twee kernen. Bij het eerste ontwerp van de lay-outs is al rekening gehouden met de constructief optimale positie van de kernen. Deze is min of meer symmetrisch ten opzichte van de gebouwlengte, met in het ideale geval gelijke vervorming van ‘veld’ en ‘overstek’. In de U-vormige kernen zijn trap, lift en schachtruimte opgenomen. De kernen, uitgevoerd in ter plaatse gestort beton, zijn zodanig gedimensioneerd dat het tweede-orde-effect niet maatgevend is en dat optredende trekkrachten in de palen gering tot nihil zijn.
De loopbrug heeft een overspanning van 52 m met één excentrisch tussensteunpunt. De brug is eenvoudig ontworpen als een staalconstructie om reden van gewichtsbesparing. Hij heeft vakwerken in dak en gevels en een staalplaat-betonvloer met schijfwerking op vloerniveau. Het gebouw omvat een diversiteit aan gebruiksfuncties met elk een eigen karakteristiek ten aanzien van vloerbelastingen en vrije hoogten. Op de begane grond zijn naast de entree vooral industriële functies ondergebracht, met hoge ruimten voor werkplaats en magazijn, zodat de eerste verdieping overwegend vide is. Op de tweede tot en met de vierde verdieping zijn, naast de E-werkplaats, archief- en techniekruimte, vooral de kantoorachtige functies ondergebracht. Het dak is ontworpen als verdiepingsvloer met kantoorfunctie in verband met de mogelijkheid voor latere uitbreiding met één extra verdieping.
Voor de sterkte bij brand voor industrie- en kantoorfunctie met een vloerniveau hoger dan 5,0 m bedraagt de brandwerendheid van de hoofddraagconstructie 90 minuten. De berekende permanente vuurbelasting in het hoge deel is kleiner dan 500 MJ/m2 , waardoor de sterkte bij brand met 30 minuten is gereduceerd tot 60 minuten Voor het lage deel gelden geen sterkteeisen bij brand.
De middenkolommen zijn in basis geplaatst op een raster van 7,2 x 7,2 m, omdat dit raster de complexe programmatische eisen optimaal ondersteunt. Gezien de gebouwbreedte van
2
3
4
5 6 2 1
60
2 2 013
3 1 - turbinegebouw 2 - ketelhuis 3 - dienstengebouw 4 - CO2-capture 5 - schoorsteen 6 - loopbrug
Zwaar en licht gecombineerd
4 Langsdoorsnede 5 Vloerbelasting
17,5 + 14,0 + kern
kern
dilatatie
10,5 + 7,0 + 3,5 + 0,0 + L = 25 m (lage deel)
L = 105 m (diensten gebouw)
4
De beschikbare bouwtijd voor het dienstengebouw was een afgeleide van de planning van de grote installaties en bijbehorende gebouwen. Niet een snelle uitvoering, maar lagere bouwkosten waren maatgevend voor het ontwerp.
L = 80 m (hoge deel)
17 13 16
10
15 4 verdieping 14,0 +P
Beton of staal? – de verdiepingsvloeren De vloerbelasting op de verdiepingen van het hoge deel varieert en is ofwel 5,0 kN/m2 , ofwel 8,0 kN/m2. De ruimten met de hogere vloerbelasting zijn in overleg met de architect zoveel mogelijk in het midden van de gebouwbreedte gepositioneerd ter beperking van de belasting ter plaatse van de ‘transparante’ en lichte gevels. In de gebouwlengte zijn de ruimten met hogere vloerbelasting boven het magazijn en de werkplaats geprojecteerd, waar door hogere ruimten (vides) toch al zwaardere kolommen nodig zijn (fig. 5).
14
11
10
3 verdieping 10,5 +P 8 9
12
12
6 7
2 verdieping 7,0 +P 12 5
12
12
10
4
1 entree 2 magazijn 3 werkplaats 4 luifel 5 opslag/trafo 6 restaurant 7 keuken 8 was- en kleedruimte 9 EMRA-werkplaats 10 kantoor 11 archief 12 vide 13 lab 14 techniek 15 EMRA-light 16 controle ruimte 17 loopbrug = 5 kN/m2
Voor de verdiepingsvloeren is gekozen voor een monoliet afgewerkte strokenvloer in beton C28/35. Een vloerontwerp met geïntegreerde stalen liggers in combinatie met kanaalplaten of staalplaat-betonvloeren (snelle uitvoering met korte bouwtijd) in een raster van 7,2 x 7,2 m is niet praktisch: de benodigde liggerhoogte is hoger dan de benodigde vloerdikte.
1 verdieping 3,5 +P
De afmeting van de stroken, de vloerdikte en de kolomafmetingen zijn geoptimaliseerd voor de diverse vloerbelastingen. Gekozen is voor een uniforme vloerdikte van 250 mm met brede, dunne stroken van 2400 x 400 mm (inclusief vloer). De vloeren zijn uitgevoerd in standaard breedplaten. Voor de stroken zijn breedplaten met een dikte van 150 mm toegepast (fig. 6).
Het hoge deel is zoals gezegd 80 m lang. Ter beperking van het risico op krimpscheuren in de relatief lange vloeren zijn deze zo dun mogelijk gemaakt. Gezien de dikte en de overspanning van zowel vloeren als stroken zijn tijdelijke stempels nodig. De kernen zijn zo optimaal mogelijk in de plattegrond opgenomen. Daarbij is in het ontwerp bewust uitgegaan van enige excentriciteit in de paalfundatie onder de kernen, zodanig dat de vloeren tussen de kernen zijn voorbelast door een permanente drukspanning. Dit ter compensatie van optredende trekkrachten door krimp van de ‘opgespannen vloer’ tussen de niet-buigslappe kernen (fig. 7). De middenstroken, in de lengterichting van het gebouw, hebben als voordeel dat de maatgevende richting voor krimp niet samenvalt met de hoofdwapening, maar met de verdeelwapening.
Integratie van installaties in vloerconstructies is onderzocht, maar op basis van de diversiteit aan gebruiksfuncties en beperkte aanpasbaarheid is gekozen voor installaties onder de vloer. Er is gekozen voor een combinatie van een zo dun mogelijke vloerconstructie, grote kanalen evenwijdig aan ‘balken’ en geen kruisende luchtkanalen door het aanbrengen van extra schachten (ook buiten de kernen).
Zwaar en licht gecombineerd
= 8 kN/m2 3
2
1
= 20 kN/m2 = 25 kN/m2
begane grondvloer peil = 0
2 2 013
5
61
thema 6 Detailstrook 7 Langsdoorsnede krimp
plafond
700
300 150 250
3,5 + vloer
2,8 + vloer
2400 mm (strookbreedte)
6
500 x 500 mm (met aanrijdbelasting in magazijn en werkplaats) en 400 x 400 mm ter plaatse van de entree. Op de hogere verdiepingen zijn de afmetingen 300 x 300 mm. De kolommen zijn uitgevoerd in XC3, zodat automatisch al wordt voldaan aan de detailleringseisen voor sterkte bij brand. De keuze voor XC3 is arbitrair maar is gemaakt om de faalkans te verlagen en de controle van scheurwijdte noodzakelijk te maken. In het bestek zijn voor wat betreft de diverse toleranties scherpere eisen opgenomen dan aangegeven in NEN 2889, om zo de gewenste strakheid van de kolomstructuur te realiseren.
Gevelkolommen
M1
M1
H1 =H2 kern
druk EXC
H1
F
H1 =H2 H2
trek krimp
H2
H1
EXC M2 L = 16 m
druk EXC
kern
F
In de gevels zijn om de 3,6 m stalen kolommen toegepast. De montage van lichte industriële stalen gevels en horizontale raamstroken is eenvoudiger op een staal- dan op een betonconstructie. Toepassing van een slankere staalconstructie ondersteunt bovendien de wens van de architect voor transparantie in de gevels. Door de diverse gebruiks- en belastingssituaties zijn er verschillende kolomtypen toegepast. De belasting per gevelkolom wordt geminimaliseerd, enerzijds door het inklemmingsmoment in de vloeren en anderzijds door de centrische inleiding van de vloerbelasting in de gevelkolom.
EXC F
F L = 50 m
M2 L = 14 m
L = 80 m (hoge deel) 7
Dit alles maakt dat het beperken van het risico op krimpscheuren voor een belangrijk deel al in het ontwerp is meegenomen. Verder zijn in de uitvoering zichtbare (krimp)scheuren voorkomen door een optimale combinatie van (krimp)wapening, een krimparm betonmengsel (met een zo laag mogelijke sterkteklasse van beton), scheurwijdtecontrole afdwingen door het toepassen van XC3 en optimale nabehandeling. In het bestek is opgenomen dat het toepassen van hulpstoffen voor een versnelde verharding niet is toegestaan.
De doorgaande stalen kolommen met een kniklengte van één bouwlaag zijn vanaf de tweede verdieping uitgevoerd in kokers 120 x 200 x 8 (S235) en daaronder in kokers 120 x 200 x 12,5 (S355). Beide kolommen zijn voorzien van een brandwerende coating. De stalen kolommen op de begane grond – met een kniklengte van twee of drie bouwlagen (vides) – zijn ‘fors’ zwaarder en uitgevoerd als staal-betonkolom in kokers 300 x 400 x 12, gevuld met gewapend beton voor de brandwerendheid. De ‘zware’ kolommen zijn centrisch belast ontworpen door de excentriciteit van de permanente belasting uit de bovenbouw te ‘neutraliseren’ door de randbalken zodanig excentrisch aan te brengen dat ΣM = 0 (fig. 8). In de gevels zijn randbalken voorzien. Op alle verdiepingen zijn deze uitgevoerd in IPE270 (S235) met brandwerende bekleding.
Beoordeling bouwsysteem aannemer Beton of staal? – de kolommen
De aannemer plaatste aanvankelijk vraagtekens bij de toepassing van een hybride constructie: betonnen strokenvloeren, betonnen middenkolommen met staalconstructie in de gevels. Het werken met twee ploegen, die elk hun eigen tolerantieregimes hanteren, bleek het grootste bezwaar. Een prefab-betonskelet was volgens de aannemer waarschijnlijk goedkoper en sneller. Om dit te onderzoeken, is het constructief gebouwontwerp, als volledig prefab-betonskelet, door de aannemer uitgewerkt en vergeleken met het ontwerp van de hybride constructie.
De middenkolommen van het hoge deel zijn uitgevoerd in beton en de gevelkolommen in staal.
Middenkolommen Alle betonnen middenkolommen zijn uitgevoerd in prefab beton C53/65. De keuze voor prefab beton past beter bij het vloerontwerp: de uitvoering is eenvoudig en extra afwerking voor sterkte bij brand is niet nodig. Op de begane grond, met een kniklengte van twee of drie bouwlagen, zijn de afmetingen
62
2 2 013
Zwaar en licht gecombineerd
8 Kolomdetails centrisch 9 De kolen-biomassacentrale foto: Jan Fähmel
EXC.1
ΣM=0 Fb
ΣM=0 Fb
koker 120.200 EXC.2
Fvl
gevel
250
gevel
Fvl
koker 120.200
250
De aannemer heeft de beide opties beoordeeld op het vermeende verschil in bouwtijd en bouwkosten. Qua bouwtijd bleek er geen sprake van noemenswaardige verschillen. De snellere montage van het betonskelet wordt teniet gedaan door de meer bewerkelijke afbouw van de gevels. Voor de bouwkosten bleek het hybride ontwerp zelfs goedkoper. Uiteindelijk is het hybride ontwerp door de aannemer verder uitgewerkt en gerealiseerd.
Verschillen De voornaamste verschillen tussen het prefab-betonskelet ten opzichte van het hybride ontwerp zijn: - Centrische belasting in stalen gevelkolommen is eenvoudig te realiseren. In betonnen gevelkolommen van een prefabbetonskelet is dit veelal niet mogelijk, waardoor een verdere toename van kolomafmetingen nodig is.
koker 120.200 ΣF
koker 300.400 ΣF
8
9
Zwaar en licht gecombineerd
2 2 013
63
thema 10 Een loopburg verbindt het dienstengebouw met het naastgelegen turbinegebouw foto: Royal HaskoningDHV
Meer over de GDF Suez centrale In 2010 verschenen in Cement artikelen over de bouwkuip en over de vliegassilo van de GDF Suez centrale (voorheen Electrabel) op de Maasvlakte. Deze artikelen zijn te raadplegen op www.cementonline.nl.
10
- Bij de prefab-betonvariant is er onvoldoende ruimte voor installaties boven het plafond door hogere T-balken. In het hybride ontwerp (met lagere stroken) is hier wel voldoende ruimte voor. - Detaillering van lichte stalen gevels en raamstroken bij prefab gevelkolommen is complexer door grotere toleranties. Hierdoor zou mogelijk een kostbare uitvulconstructie nodig zijn. - De betonnen kolommen in de gevel hebben een grotere doorsnede (230 x 300 mm), waardoor de gewenste transparantie minder is (de kleinere kolommen zijn 120 x 200 mm). - Bij toepassing van kanaalplaten is een vloerafwerking nodig, met een extra risico op scheurvorming door krimp in de afwerking.
● projectgegevens
opdrachtgever GDF Suez functioneel ontwerp gebouwen Tractebel (B) + Fichtner Bauconsult (D) ontwerp primaire installaties Hitachi (J)
Planning In 2008 is gestart met het ontwerp van het dienstengebouw. Maatgevend voor de planning was de ingebruikname van de controleruimte op de vierde verdieping in februari 2010. De bouwkundige oplevering vond plaats in 2012. Op het moment van schrijven van dit artikel wordt gewerkt aan de inrichting van het dienstengebouw. De verwachting is dat de centrale in de loop van 2013 in gebruik wordt genomen.
Tot slot De vooraf gestelde doelstellingen van de opdrachtgever zijn gehaald, ondanks een complex ruimtelijke programma met veel diversiteit. Een integraal ontwerpteam, waarbij architect, constructeur en installatieadviseur vanaf het prille begin bij het ontwerp zijn betrokken, is daarbij een voordeel gebleken. Een helder en een zo eenvoudig mogelijk constructief concept is altijd belangrijk. Het ondersteunt de architectuur tijdens de gebruiksfase en faciliteert het aanpassend vermogen van het gebouw aan toekomstige ontwikkelingen (flexibiliteit).
projectmanagement GDF Suez + Tractebel architect Royal HaskoningDHV constructeur Royal HaskoningDHV adviseur gebouwgebonden installaties Royal HaskoningDHV adviseur vergunningen Royal HaskoningDHV civiele aannemer Visser & Smit Bouw B.V.
64
Een in eerste instantie niet zo logisch lijkende combinatie van betonnen vloeren, betonnen middenkolommen en lichte staalconstructie in de gevels blijkt goedkoper en kan zelfs zonder uitloop in bouwtijd worden gerealiseerd. Voorwaarde daarbij is wel het toepassen van basale constructieprincipes: gevelkolommen centrisch belasten in combinatie met reductie belasting per kolom door het toevoegen van extra kolommen. Kortom: soms is beton beter, soms staal… en soms hybride! ☒
2 2 013
Zwaar en licht gecombineerd
