Ter info: onderstaand zijn delen gebruikt van het artikel in Bouwen met Staal
Algemene projectomschrijving
Reikend tot een hoogte van 215 meter heeft Rotterdam met de Zalmhaventoren een nieuwe eyecatcher aan de Maas te pakken. De high-rise toren is daarmee het hoogste gebouw van de Benelux en het grootste prefab betongebouw van de wereld, maar het neusje van de zalm is van staal.
De high-rise toren, genaamd Zalmhaven I, is onderdeel van een groter project: ‘de Zalmhaven’. De Zalmhaven wordt medio 2022 opgeleverd en is gevestigd in het Scheepvaartkwartier aan de voet van de Erasmusbrug. Het project bestaat naast de high-rise toren uit twee mid-rise torens van 70 meter (Zalmhaven II en III), grondgebonden herenhuizen tot een hoogte van 13 meter en een bovengrondse parkeergarage met daar bovenop een stadstuin welk toegankelijk is voor de bewoners. In de onderbouw van de high-rise toren (bg tot 5e verdieping) is ruimte voor een entree/lobby, een parkkantoor, een spa/gym en bergingen. Vanaf de 5e verdieping begint de bovenbouw van de toren welk tot en met de 56e verdieping bestemd is voor wonen. De woonfunctie beslaat voornamelijk appartementen met op de bovenste verdiepingen een aantal penthouses. Het restaurant, waar de bezoekers kunnen genieten van een adembenemend uitzicht over de stad, is gevestigd op de 57e en 58e verdieping. De overige verdiepingen tot aan het dak op de 62e verdieping zijn bestemd voor technische ruimte. Als architectonische afwerking is op het dak van de toren een mast geplaatst.
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
Op de 57e en 58e verdieping (restaurant) is rond de kern een staalconstructie toegepast in combinatie met staalplaatbetonvloeren. Vanaf de 59e t/m 62e verdieping (technische ruimte) is de draagconstructie volledig uitgevoerd in staal in combinatie met staalplaatbetonvloeren. De stabiliteit van de 59e t/m 62e verdieping is gewaarborgd door stalen windverbanden in combinatie met de staalplaatbetonvloeren die de schijfwerking verzorgen.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
Deling gevelkolommen in restaurant
Vanwege de bouwmethode met de hijsloods (verdieping per verdieping) dienden de twee verdiepingen hoge gevelkolommen in het restaurant gedeeld te worden. De gevelkolommen hebben als onderdeel van de vliesgevel van het restaurant met uitzicht over Rotterdam een hoge esthetische waarde voor de architect. Voor de gevelkolommen is de keuze gemaakt voor rechthoekige warmgewalste kokers. De locatie van de deling is boven de 58e verdiepingsvloer, zodat de vloerliggers van de 58e verdiepingsvloer gemonteerd konden worden en de staalplaatbetonvloer kon worden gestort. Vervolgens is het bovenste deel van de gevelkolom tot de 59e verdieping gemonteerd. Vanwege de hoge esthetische eis aan de deling is extra aandacht besteed aan het uiterlijk en de afwerking. Gekozen is voor een deling waarbij de bovenste koker over de onderste koker heen wordt geschoven. In de onderste koker zijn hiertoe twee dikke platen gelast. Om de lassen te kunnen leggen zijn de wanden van de koker van twee rechthoekige sparingen voorzien. De sparingen zijn later weer volledig gevuld met een stalen plaat die rondom is afgelast. In het uitstekende deel van de ingelaste platen zijn tapgaten aangebracht voor de verbinding met het bovenste kolomdeel. Het bovenste kolomdeel is op zijn beurt voorzien van verzonken gaten, zodat er geen boutkoppen uitsteken en hiermee een netjes afgewerkte verbinding wordt gerealiseerd.
Maatgevend voor de berekening van de momentverbinding was niet zozeer de sterkte, maar met name de stijfheid. Vanwege de hoge windbelasting op circa 184 m hoogte, de slankheid van de gevelkolommen en de aanwezigheid van een vliesgevel was de horizontale verplaatsing van de constructie maatgevend. Om aan de strenge vervormingseisen van de gevelleverancier te voldoen moet de verbinding over een minimaal benodigde rotatiestijfheid beschikken. Hiertoe is de ondergrens van de benodigde rotatiestijfheid van de verbinding in het 3D rekenmodel onderzocht. Dit heeft ertoe geleid dat de dikke plaat in het onderste deel van de gevelkolom gelast moest worden waar het in eerste instantie ook als boutverbinding was ontworpen. Daarnaast moest de boutverbinding in het bovenste deel van de koker over genoeg hoogte beschikken om de stijfheid te verzorgen. Dit heeft uiteindelijk geleid tot een voldoende stijve en sterke kolomdeling. Een kolomdeling die je niet vaak in de dagelijkse praktijk ziet.
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
In het ontwerp van de hoofddraagconstructie van de top is uitgebreid aandacht besteed aan het detailontwerp in relatie tot deze bouwmethode.
Stalen windverbanden
De stalen windverbanden in de top hebben naast de primaire stabiliteitsfunctie bijvoorbeeld ook een belangrijke secundaire functie in de bouwfase.
Constructie techniekopbouw
In het ontwerp van de hoofddraagconstructie van de 59e t/m 62e verdieping is extra aandacht besteed aan de detailengineering. Belangrijke uitgangspunten voor de detailengineering waren de gekozen bouwmethode en de overdracht van de stabiliteitskrachten op de prefab kernwanden. Omdat de bovenste verdiepingen eerst zijn opgebouwd dienden de kolommen onder de vloerliggers gedeeld te worden, zodat na elke vijzelfase een nieuwe kolom eronder geplaatst kon worden. In de bouwfase werden de kolommen met behulp van de definitieve stekankers tijdelijk gekoppeld aan de prefab kernwanden om de stabiliteitskrachten in de bouwfase af te kunnen dragen. Het gatenpatroon voor de bouten in de kolomdelingen is daarom gelijk gekozen aan het gatenpatroon voor de ankers in de voetplaat. De stekankers in de prefab kernwanden konden op die manier ook in de bouwfase gebruikt worden voor verankering.
In de uiteindelijke fase zijn alle 16 kolommen verticaal ondersteund. Er werden echter maar 8 vijzels gebruikt zodat niet iedere kolom in de bouwfase werd ondersteund. Tijdens het vijzelen werden de verticale krachten in de hoekkolommen en de middelste gevelkolommen opgehangen met behulp van trekschoren. Daarnaast fungeren de trekschoren in eindfase ook als stabiliteitselement en als tweede draagweg bij het wegvallen van een kolom. In het ontwerp van de trekschoren is de keuze gemaakt om in de eindfase geen trekschoren in de hoeken van de prefab betonwanden op de 59e verdieping aan te laten sluiten. Door deze ontwerpkeuze konden de hoekkolommen op een kleinere trek- en afschuifkracht aangesloten worden en dit vereenvoudigde de detailengineering in de hoekpunten van de prefab betonwanden. De trekschoren kunnen op die manier de afschuifkrachten eenvoudiger in de lengterichting van de prefab kernwanden afgeven. Daarnaast beschikken de randkolommen over meer bovenbelasting dan de hoekkolommen waardoor er geen trekkrachten in de stekankers ontstaan.
Door de kolommen onder de vloerliggers te delen zijn de kolommen ter plaatse van de verbinding doorgaand en de vloerliggers onderbroken. De rotatiestijfheid van de kolomdeling heeft invloed op de vervormingen en krachtswerking in de hoofddraagconstructie. De positie en de rotatiestijfheid van de delingen is daarom ook meegenomen in het 3D rekenmodel. In het integrale ontwerp van de hoofddraagconstructie en de verbindingen is de profielafmeting van de kolommen en de randliggers zo gekozen dat een eenvoudig en economisch detail ontworpen kon worden. De breedte van de randligger valt binnen de flenzen van de kolommen. Dit resulteert in minder las- en plaatwerk. Tevens leidt dit tot een eenvoudige aansluiting van de windverbanden. Door het principedetail in het hoofdontwerp uit te schetsen lagen de uitgangspunten voor verdere detailuitwerking door de staalleverancier in een vroeg stadium al vast. Vervolgens is de verbinding door de detailengineer berekend en in detail uitgewerkt.
Mast
Op de top van de high-rise is een mast van 12,5 m geplaatst die de totale hoogte van de toren tot 215 m brengt. De mast is opgebouwd uit een stalen buis met een diameter van 914 mm en een wanddikte van 12 mm. De slankheid van de buis bedraagt daarmee ongeveer 1:14. Vanwege de hoge windbelasting in combinatie met de slankheid is de mast gevoelig voor vermoeiing ten gevolge van dwarstrillingen. Deze dwarstrillingen ontstaan door het regelmatig loslaten van windtrillingen achter de mast, zogenoemde vortex shedding. Om de dwarstrillingen tegen te gaan is de mast aan de bovenzijde voorzien van spiraalvormige strippen. Dit zien we ook terug in het ontwerp van diverse stalen schoorstenen.
Voor het bepalen van de eigenfrequentie van de mast is in SCIA een 3D rekenmodel opgezet om een dynamische berekening uit te kunnen voeren. In het rekenmodel zijn de vloerliggers met daarop de mast gemodelleerd. Daarnaast zijn de rotatiestijfheden van de verbindingen ingevoerd en is de massa van de spiralen toegevoegd. Met behulp van de gevonden eigenfrequentie (f) is vervolgens de dynamische factor (cd) berekend. De dynamische factor vergroot de windeffecten en heeft daarmee ook invloed op de vermoeiingstoetsing van de mast.
Onderstaand is in een overzicht weergegeven wat de invloed is van diverse modelonderdelen op de eigenfrequentie en de dynamische factor van de mast:
Enkel oneindig stijf ingeklemde mast: f = 5,42 Hz à cd = 1,34
+ extra massa spiralen: f = 5,02 Hz à cd = 1,37
+ vloerliggers: f = 3,98 Hz à cd = 1,46
+ rotatiestijfheid vloerliggerdelingen: f = 2,63 Hz à cd = 1,64
+ rotatiestijfheid voetplaatverbinding: f = 1,34 Hz à cd = 1,95
Aan de hand van het aantal windvlaagbelastingen gedurende een herhalingstijd van 50 jaar zijn vervolgens de spanningsintervallen bepaald voor een vermoeiingstoetsing. De mast is aan de onderzijde door middel van een voetplaatverbinding met voorspanbouten (vanwege de vermoeiingseis) gekoppeld aan de hoofddraagconstructie. Vanwege de kans op vermoeiing is extra aandacht besteed aan de lasdetails. Het lasdetail van de buis aan de voetplaat is in een schets weergegeven. De buis is aan de onderzijde voorbewerkt om een 1/2V-naad te kunnen leggen. Aan de lasteen is extra aandacht geschonken om initiële scheurvorming te voorkomen. Zo is de lasteen nabehandeld door middel van PIT (Pneumatic Impact Treatment). Door deze behandeling zijn de spanningsconcentraties rond de lasteen gereduceerd en de lokale hardheid neemt toe. Tot slot is de las volgens NDO-methode onderzocht met behulp van ultrasoon en magnetisch onderzoek.
Bijzondere aspecten uitvoering
De onderbouw (bg tot 5e verdieping) van de toren is op traditionele wijze gebouwd met bekistingen en kranen. Voor de bovenbouw (vanaf 5e verdieping) is gebruik gemaakt van een hijsloods die tot de 59e verdieping hydraulisch gevijzeld is.
Voor de top van de toren (59e t/m 62e) is gekozen voor een soort jack-blocksysteem. Waarbij de top van de toren in drie fases hydraulisch omhoog is gevijzeld. Het dak, de 62e verdiepingsvloer (inclusief de mast), is eerst opgebouwd en vervolgens gevijzeld om de kolommen van de 61e verdieping te kunnen plaatsen. Vervolgens is de 61e verdiepingsvloer inclusief de gevel opgebouwd, etc. Om op deze manier te kunnen bouwen dient het dak van de hijsloods te worden geopend. Het dak moet sowieso worden geopend voor het afvijzelen van de hijsloods.
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
-
