Algemene projectomschrijving
Wereldwijd verdwijnen er grote stukken mangrove, omdat ze een essentiële functie voor de natuur hebben. Burgers’ Zoo wil bewustwording bij bezoekers creëren en heeft in Arnhem de grootste overdekte mangrove van de wereld gebouwd. De mangrove is gebaseerd op de mangrovebossen van het Midden-Amerikaanse land Belize. Bij binnenkomst in Burgers' Mangrove begint de reis over een stalen brug dat over het zeekoeien-bassin (100 m3) ligt. Daarna vervolgt de route over een vlonder door het mangrovebos. Slechts weinig plantensoorten kunnen overleven in dit extreme zoutige klimaat, waar bij eb en vloed verschillende omstandigheden ontstaan. Verderop ontstaat direct zichtcontact met de Caribische zeekoeien dankzij een gebogen acrylruit van 12 m lang en 1,8 m hoog. Burgers’ Mangrove wordt overdekt door een stalen koepelconstructie van 60 m. Het bassin van de Caribische zeekoeien is gevuld met 1 miljoen liter water.
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
Ontwerpen is een integraal proces waarbij keuzes afgewogen worden. Bij de mangrovehal was de grootste afweging tijdens het ontwerp een zorgvuldige keuze tussen een zo groot mogelijk gebruiksoppervlak voor de presentatie van het eco-display binnen een zo optimaal mogelijke gebouwvorm en anderzijds een zo groot mogelijk volume waarbij de bouwkosten beheerst worden door een zo klein mogelijke gevel/dakoppervlak te realiseren. Daarnaast moest de constructie net zoals bij Burgers’ Bush en Burgers’ Desert aan de buitenzijde gerealiseerd worden. De gekozen boogvormige dakconstructie sluit goed aan op de hierboven benoemde eisen. De constructie is hoog in het midden waardoor de beleving van het eco-display optimaal is en boomgroei mogelijk maakt. Bij de lagere delen van de koepel is voldoende resterende hoogte om de ruimte functioneel te gebruiken en wordt het oppervlak van de verticale gevel tot een minimum beperkt.
De koepelconstructie is ontworpen in staal, wat op zich opmerkelijk is, want veel van deze constructies worden in hout ontworpen. Er is voor staal gekozen, omdat deze eco-display veel daglicht vraagt. Een houtconstructie zou de lichtinval door zijn grote profielafmetingen sterk reduceren, waardoor er veel schaduwwerking ontstaat. Bovendien geeft de montage van het dakvlak onder de hoofdstructuur een extra toename van de afmetingen van de constructie omdat de knikstabiliteit lokaal zwaarder aangesproken moet worden. Staven worden niet door het dakvlak gesteund. Een ander nadelig aspect van een houten koepelstructuur is dat het bij deze toepassing bouwfysisch gezien veel risico loopt om de duurzaamheid goed te kunnen beheersen.
Staal blijkt voor de benodigde hoge trekkrachten in de trekring veel beter geschikt te zijn. Uit een vergelijkend onderzoek vallen ook de bouwkosten in een stalen uitvoering lager uit dan bij een uitvoering in hout.
Voor de dakhuid stond al snel vast dat dit het voor Koninklijke Burgers’ Zoo vertrouwde efte luchtkussen dak moest worden. Een efte-luchtkussen is licht, waardoor de hoofddraagconstructie lichter en dus slanker dan gebruikelijk kan worden uitgevoerd waardoor materiaalkosten bespaard worden. Bovendien kunnen met de luchtkussens grote overspanningen worden gerealiseerd waardoor aan de belangrijke voorwaarde, namelijk maximale lichttoetreding om het welzijn van planten en dieren te bevorderen, optimaal kan worden voldaan.
Om een zo optimaal mogelijk kostenplaatje te krijgen zijn er dus twee componenten bepalend, namelijk a) de hoofddraagconstructie voor de gevel en voor het dak. De kosten voor de hoofddraagconstructie kunnen met minimalisatie van het materiaalgebruik en logische en een beperkt aantal typen details geoptimaliseerd worden.
En b) de etfe-luchtkussen. Voor de efte-luchtkussens zijn de kosten geoptimaliseerd door het aantal afzonderlijke kussenelementen zo veel mogelijk te minimaliseren en bij voorkeur in een zo eenvoudig mogelijke vorm te realiseren.
De koepel is in één richting overspannen door stalen buizen met een diameter van 323 mm en een wanddikte van 8 mm. De buizen lopen niet evenwijdig aan elkaar door de dubbele kromming van de koepel, maar ze liggen door de bank genomen op een afstand van ongeveer 4 meter. De grootste overspanning is samengesteld uit vijf geprefabriceerde stukken van gemiddeld 13 meter lengte; de kleinere overspanningen bestaan uit minder stukken. De onderdelen zijn gekoppeld met flensverbindingen met elke tien bouten. Een belangrijk detail is dat de flenzen in het hart zogenaamde ontzinkingsgaten hebben om aantasting van het thermische verzinkte staal tegen te gaan. De hele constructie wordt namelijk blootgesteld aan buitencondities, omdat de eigenlijke dakafdichting eronder hangt.
Tussen de hoofdbuizen zitten diagonaal lopende schoorverbindingen, bestaande uit buizen met een diameter van 193 mm en een wanddikte van 8 mm. De schoren zijn met gaffelverbindingen gekoppeld aan de hoofdbuizen. De platen van deze verbindingen zijn prefab aan de hoofd- en schoorbuizen gelast. Dat vroeg om secuur maatvoeren en werken, omdat elke gaffelverbinding onder een andere hoek staat door ook hier de dubbele kromming van de koepel. Tijdens de montage van de hoofdbuizen en de schoorbuizen is het geheel tijdelijk ondersteund door drie hulpconstructies. Dit was noodzakelijk omdat de koepel pas zijn sterkte krijgt op het moment dat de koepelconstructie daadwerkelijk is gesloten. De koepel is zo stapsgewijs opgebouwd. Nadat de koepel gesloten was is de hulpconstructie verwijderd.
De trekbalk die alle krachten vanuit de koepel opvangt, is samengesteld van dezelfde buizen als de hoofdliggers: buizen met een diameter van 323 mm en een wanddikte van 8 mm. Deze balk is ook opgebouwd uit geprefabriceerde onderdelen, die met aangelaste flenzen van 40 mm dik, in verband met extra veiligheid, zijn gekoppeld. De hoofdbuizen van de koepel zijn met flensverbindingen gekoppeld aan de trekbalk. Daarop zijn korte stukken buis gelast met op de kop een flesplaat. Voor deze koppelstukken was ook weer strakke maatvoering en nauwkeurigheid vereist, want ook de stand van deze verbindingen was opnieuw door de kromming van de koepel per hoofdbuis verschillend.
De trekbalk wordt op zich weer gedragen door stalen kolommen, HEA 240-profielen, die zoals al aangegeven op h.o.h.-afstanden van 4,50 à 5,00 m staan. De kolommen zijn verschillend van lengten door de wisseling van het maaiveldniveau. Tussen de kolommen is hier en daar een windverband aangebracht. Alle kolommen zijn tijdens de montage afgeschoord en bij de montage van de koepelconstructie is de trekbalk dat om de twee kolommen.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
Voor een gebogen dakconstructie komen in grote lijnen drie constructieprincipes in aanmerking:
– getoogde (vakwerk)liggers op liggerwerking al dan niet aangevuld met een tuiconstructie (bijv. zoals toegepast voor Burgers’ Bush);
– getoogde liggers met drukboogwerking;
– een koepelconstructie.
De optimalisatie van het efte-luchtkussendak heeft geresulteerd in langwerpige kussens tot 30 m lang. Als onderliggende constructie ligt de keuze voor een lineaire structuur van liggers of bogen hiermee voor de hand. De overspanning was echter te groot voor een economische liggerstructuur. Voor een aanvullende tuiconstructie is geen ruimte.
Zonder zware en dus kostbare toevoegingen in de onderbouw konden de spatkrachten in een oplossing met bogen niet naar de fundering worden afgedragen. Op basis van voorgaande overwegingen is gekozen voor een koepelconstructie met een trekring, zodat er alleen verticale belastingen naar de onderbouw worden afgedragen. Spatkrachten worden intern gebalanceerd met deze trekring. Rondom het gebouw zijn dus geen kostbare steunelementen noodzakelijk. De koepelconstructie kan hierdoor ook op pendelkolommen geplaatst worden. De hoogte van de gevelkolommen wordt dan alleen afgestemd op de benodigde inwendig hoogte langs de gevel voor een functionele inrichting van het eco-display.
In het vlak van de gevelkolommen kunnen ook de horizontaalkrachten voor stabiliteit worden opgenomen.
Etfe-kussen hebben, afhankelijk van de te overspannen breedte, een bepaalde dikte. Om te voorkomen dat het luchtkussen-dak de staalstructuur raakt, is de dakhuid aan goten verbonden, die met afstandshouders onder de koepel zijn opgehangen. Door de kussens onder de bogen te monteren worden zo weinig mogelijk dakdoorbraken gerealiseerd, wat bouwfysische voordelen heeft. Hierdoor bevindt de gehele stalen koepelconstructie zich nu volledig buiten/boven het dak, waarmee de levensduur wordt verbeterd omdat de staalconstructie is gescheiden van het zouten binnenmilieu en er geen lastige temperatuurbelastingen op de gehele koepelconstructie werken. Om onlogische koppelingen tussen constructie en dakhuid te voorkomen is de structuur van de koepel hierop aangepast. Dit heeft geresulteerd in een driehoeksverdeling van de koepel, welke het resultaat is van drie series uitwaaierende bogen, 120 graden geroteerd ten opzicht van elkaar. De rotatie van elke afzonderlijke boog is ten opzichte van de oorsprong van de koepel (het middelpunt van de omschrijvende bol). Het aantal bogen is bepaald op de maximaal haalbare overspanning van de kussens. Om de snijpunten van de bogen op de koepel te bepalen is gebruik gemaakt van een 2D-vlak waarop het patroon is uitgetekend, welke vervolgens is geprojecteerd op het koepeloppervlak (afb. 1). De hoofdbogen, die in de lengterichting van de etfe-kussens liggen worden zwaarder uitgevoerd, omdat:
• De afstandshouders tussen etfe-dakvlak en hartlijn koepelconstructie niet in de knopen aangrijpen. Hierdoor ontstaat lokaal buiging en wringing in de hoofddraagconstructie.
• Vanwege mogelijke excentrische krachten, die uit de dakhuid op de hoofddraagconstructie kunnen ontstaan bij calamiteiten met de etfe-kussens (afb. 2).
De hoofdbogen zijn tevens gebogen uitgevoerd, zodat deze gelijk loopt met de kromming van de dakhuid. De overige bogen zijn gesegmenteerd en als losse staven tussen de hoofdbogen geplaatst. Dit zijn de steungevende staven van de hoofdbogen, waardoor koepelwerking ontstaat. De staven zijn momentvast aan de hoofdbogen verbonden om verdraaiing hiervan tegen te gaan.
Met deze vrijdragende koepel is een hoofdgebouw gerealiseerd met een diameter van 60 m. Hiermee wordt een vrij indeelbaar gebied gecreëerd van 3000 m2. De koepel is op een cirkelvormige gevelring geplaatst (afb. 3 en 4).
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
In het midden van het dak zijn delen opgenomen die geopend kunnen worden om de onderliggende hal te ventileren (afb. 5). Boven op de netstructuur zijn lokaal te openen en te sluiten zonneschermen gemonteerd.
In principe wordt de gehele hal gekoeld en verwarmd met een wko-installatie (warmte-koude-opslag). Op zonnige gaat het zonnescherm dicht. Indien de temperatuur dan nog te ver oploopt kan het ventilatieluik boven in de hal worden geopend. Op de netstructuur is tevens een klimvoorziening aangebracht.
Aan de rand van de koepel komt de netstructuur samen in een ringbalk. Deze ringbalk wordt door pendelkolommen ondersteund en tussen de kolommen zijn diagonaalverbanden aangebracht. Aan de ringbalk is een ruime gootconstructie gemonteerd (afb. 6).
De gevelconstructie wordt samengesteld uit een betonnen ringvormige funderingsstrook met een betonnen borstwering (de muur tussen de vloer en de onderkant van het kozijn). Deze borstwering varieert in hoogte en volgt het omliggende terreinniveau.
In/naast de borstwering zijn op een gemiddelde afstand van 5 m betonnen poeren gemaakt voor opgaande stalen gevelkolommen, die de koepelconstructie dragen. Tussen de kolommen worden stabiliteitsverbanden gemaakt. Om de kromming te kunnen volgen zijn in de vakken waarin de stabiliteitsverbanden bevinden extra tussenkolommen noodzakelijk.
Tussen de kolommen worden horizontaal gesegmenteerde stalen gevelliggers geplaatst voorde bevestiging van de bouwkundige invulgevel (sandwichpanelen).
Het gebouwd is gefundeerd op staal; de koepel onstructie, lichte dakhuid en de lichte gevel van sandwichplaten maakt de gehele constructie gevoelig voor de opwaartse component bij de windbelasting en afdracht van de stabiliteit. Er ontstaat lokaal trek op de fundering. Hiervoor zijn verticale trekankers voorzien in de fundering.
Bijzondere aspecten uitvoering
Door een krappe planning liep de montage van de koepelconstructie en de realisatie van de bassins deels parallel. Voor de montage van de staalconstructie waren tijdelijke ondersteuningen noodzakelijk, die deels in de al gerealiseerde bassins kwamen te staan of andere onderdelen van de inrichting zouden beïnvloeden. Door delen van de boogsegmenten naast het gebouw voor te monteren en deze delen direct te voorzien van alle benodigde aspecten voor de dakconstructie wist de staalbouwer het aantal tijdelijke ondersteuningen te beperken en de parallel lopende werkzaamheden voor de inrichting zo min mogelijk te hinderen. Daarnaast was het beheersen en monitoren van de maatvoering tijdens montage en realisatie van de koepelconstructie een belangrijk aandachtspunt. De aanwezigheid van veel gelijksoortige aansluitdetails (boutverbindingen), de noodzaak voor een zuivere ringvorm aan de basis (ringbalk op pendelkolommen) en veel elementen van gelijke lengte, stelt aan een goed montage- en monitoringsplan hoge eisen.
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
