Ingenieurs en verbeeldingskracht, het lijkt een combinatie die voor de buitenstaander niet zo evident is. Dat niets minder waar is, komt al snel tot uiting tijdens een gesprek met Tom Molkens. Hij richtte in 1998 Stubeco op, een studiebureau dat zich door de jaren heen profileerde als expert constructief rekenen. Daarbij werd steeds gewerkt vanuit een creatieve visie, met volle aandacht voor de mogelijkheden die moderne rekensoftware biedt om inventief bouwconstructies te ontwerpen.
Begin 2016 werd Stubeco geïntegreerd binnen Sweco Belgium. Als Senior Project Expert toetst Tom Molkens de haalbaarheid van complexe projecten af, en bedenkt hij creatieve concepten. Daarnaast volgt hij van heel nabij de evoluties op het vlak van constructief rekenen, in het bijzonder op het vlak van brandweerstand, aardbevingsbestendigheid, probabilistisch ontwerp en voortschrijdende instorting van bouwconstructies.
Beginnen met een eenvoudig idee
Voor de renovatie van een typische jaren-zestig-villa tot de lichte gezinswoning van architecte Joke ibens werd door Stubeco een origineel structuurconcept uitgewerkt. Er werd daarbij vertrokken vanuit een eenvoudig idee: knip je enkele openingen in de rechtstaande zijvlakken van een schoenendoes, dan kan die perfect overeind blijven staan - ook als je er gewicht bovenop plaatst. Zolang die zijvlakken maar zorgen voor een voldoend stijf geheel, blijft een schoenendoes verbazend draagkrachtig.
Het idee van de schoenendoos staat model voor een concept van stijve betonwanden. Als je dergelijke wanden realiseert bovenop een bestaande metselwerkstructuur (zoals bij de renovatie van de woning ibens), worden heel bijzondere dingen mogelijk. Omdat zo een betonstructuur relatief stijf is ten opzichte van het metselwerk, wordt de belasting van de bovenbouw gelijkmatig gespreid over de onderbouw.
Nieuwe mogelijkheden creëren
“Door te spelen met de relatieve stijfheid van onder- en bovenbouw, krijg je als ingenieur vat op het constructief ontwerp” aldus Tom Molkens. “Zo kan je onder- en bovenbouw optimaal laten samenwerken, en kunnen enkele strategisch geplaatste betonkolommen volstaan om de totaalbelasting gecontroleerd naar de fundering af te leiden. En het opent een heleboel nieuwe mogelijkheden om de openheid te creëren in de bestaande structuur.
Uiteraard blijven daarbij heel wat vragen te beantwoorden. Kan het bestaand metselwerk dit alles aan? Kan de bestaande fundering dit aan? Waar kunnen in de onderbouw openingen worden gecreëerd om lichte woonruimtes te realiseren? Vragen die onmogelijk kunnen worden beantwoord zonder het gebruik van 3D rekensoftware.”
“De tijd van isostatisch/hyperstatisch rekenen met starre ondersteuningen ligt ver achter ons” vervolgt Tom Molkens. “In de praktijk is immers niets star, en rekensoftware gebruiken om de stijfheid van bouwelementen actief uit te spelen bij het constructief ontwerp biedt mogelijkheden die voorheen niet bestonden. Zelf vind ik het vaak de moeite om te gaan kijken naar gebouwen die in afbraak zijn. Het is verbazend hoe bouwdelen overeind blijven staan, zelfs nadat een deel van de onderbouw verwijderd werd. Dat leert je veel over hoe bouwcomponenten met elkaar samen werken. Net op die samenwerking en interactie tracht ik met 3D rekenen maximaal in te spelen tijdens projecten.”
Voluit 3D denken
“Wat de woning ibens ook heel bijzonder maakt is het dak, een gevouwen betonplaat die ongelooflijk veel stijfheid toevoegt” zegt Tom Molkens. “Als je daarmee op een realistische manier rekening wil houden, dan moet je voluit 3D denken tijdens het constructief ontwerp. Alle genoemde elementen werden dan ook verwerkt in het 3D Diamonds rekenmodel, om de stabiliteit en draagkracht van het geheel te berekenen en om de betonwapening te dimensioneren.”
Voor de realisatie van deze renovatie werd gekozen voor een klassieke uitvoering, waarbij het beton van de verdiepingswanden en de dakconstructie ter plaatse wordt gestort. Een prefab oplossing werd overwogen, maar die stelde toch wel bijzondere uitdagingen. Zo vertoont het dakoppervlak geen enkele regelmaat, en vereist het plaatsen van prefab dakpanelen een dure kraanconstructie. Bovendien werden de elementen van het dak ontworpen om samen met de bovenbouw een stijf geheel te vormen. Werken met losse prefab elementen zou dan ook een bekisting vereisen om die elementen tijdens de opbouw te ondersteunen, tot alle verbindingen tussen de dakpanelen effectief gerealiseerd zijn. Ter plaatste storten was dan ook de meest logische aanpak voor de uitvoering van de betonconstructie.
Werken aan het bouwproces
Het Havenhuis in Antwerpen, ontworpen door Zaha Hadid Architects en gerealiseerd door Interbuild, is een bouwwerk van een heel andere schaal. Bij dergelijke projecten springt vooral het eindresultaat in de kijker. Nochtans zijn ook heel wat boeiende zaken te vertellen over het bouwproces zelf, en met name over de rol die creatief constructief rekenen daarbij speelde.
“Neem bijvoorbeeld de brugconstructie die het dynamisch balkvormig volume draagt, en dat volume integreert met de gerenoveerde oude brandweerkazerne” zegt Tom Molkens. “Om die brug zo licht mogelijk te dimensioneren en met glans haar constructieve rol te laten vervullen binnen het afgewerkte bouwwerk, werd het geheel opgevat als een dubbele brugconstructie waarin twee samenwerkende kokerliggers de nodige draagkracht verzekeren in de eindtoestand. Stubeco werd ingeschakeld om creatieve uitvoeringsmethodes te onderzoeken die de lichtheid van dit uitdagend constructief ontwerp niet nodeloos verzwaren omwille van bijkomende eisen tijdens het bouwproces.”
Concreet werd een oplossing uitgewerkt om tijdens de bouwfase de 23 meter hoge ondersteuningsconstructie maximaal te laten samenwerken met de reeds draagkrachtige elementen van de brug. De bijzondere mogelijkheden die het POLY-ondersteuningssysteem biedt om snel en makkelijk te ontkisten bleken daarbij cruciaal. POLY-ondersteuningselementen beschikken met name over een kantelpen die dankzij een eenvoudige hamertik kan worden ontgrendeld. Daardoor zakt de binnenbuis van de ondersteuning automatisch 7 millimeter ten opzichte van de buitenbuis, vermindert de drukkracht in die ondersteuning en komt extra draagcapaciteit beschikbaar.
Soepelheid en veerkracht voluit benutten
Om de haalbaarheid van de gekozen aanpak te valideren en te controleren, werd met de Diamonds rekensoftware een 3D model gebouwd van de brugconstructie. De onderligger van de brug werd in het rekenmodel op een verende bedding geplaatst, om rekening te houden met de vrijwel gelijkmatige ondersteuning door een groot aantal POLY-elementen tijdens de bouwfase. De eigenschappen van die verende bedding werden bepaald op basis van de samendrukbaarheid van de POLY-elementen, en de eigenschappen van de ondergrond.
Diamonds rekenmodel van de onderligger van de Havenhuis-brug. Aan zijn uiteinden blijvend ondersteund door een schuine buitenpijler en een verticale binnenpijler, wordt de onderligger tijdens de bouwfase verend ondersteund tussen beide pijlers in.
In een eerste stap werd het Diamonds rekenmodel gebruikt om de maximale reactiekrachten in de ondersteuningsconstructie te berekenen tijdens het storten van de onderligger. Voor die vrij klassieke berekening van reactiekrachten werd gewerkt op basis van een lage E-modulus voor het beton van de brugligger. Een heel pak uitdagender is de berekening van wat gebeurt bij het ontgrendelen van de kantelpennen, 28 dagen na het storten van de onderligger en vlak voor uitvoering van de bovenligger.
Om de impact van die ontgrendeling te berekenen werd in een eerste stap het effect van 7mm steunpuntszetting op de verende bedding begroot. Niet alleen zorgt dit voor een ontlasting van de ondersteuning, maar tevens vermindert daardoor de veerstijfheid van de ondersteuning. Daarom werden iteratief nieuwe en lagere veerstijfheden berekend (tevens rekening houdend met mogelijke vervormingen en zettingen van de funderingen), en werd vervolgens de reserve ingeschat die in de ondersteuningsconstructie beschikbaar komt bij ontlasting. Die reserve werd begroot op 80% van de oorspronkelijke schoorlast, wat voldoende potentieel bood om extra belasting te kunnen opnemen tijdens de volgende bouwfase.
In een tweede stap werden in het Diamonds rekenmodel de eigenschappen van de verende bedding aangepast, en werd ervan uitgegaan dat het beton van de onderligger een sterkte C30/37 heeft bereikt. Een belasting werd toegevoegd overeenstemmend met het door de onderligger te dragen gewicht tijdens de uitvoering van de bovenbouw. Uit de berekeningen op basis van dit model bleken de krachten in de POLY-elementen overal onder de toelaatbare waarden te blijven. Maar vermits ook vervormingen werden opgetekend kleiner dan de 7 mm opgelegde steunpuntsverplaatsing, werd iteratief verder gerekend om enkel die steunen te activeren waar de berekende vervorming groter is dan 7 mm. Dergelijke iteratieve berekening veranderde echter geenszins de conclusie dat globaal nergens een overschrijding van de draagcapaciteit te vrezen viel.
Iteratieve berekening van de te verwachten vervormingen van de onderligger tijdens de constructie van de bovenbouw van de brug, waarbij zones met vervormingen kleiner dan 7 mm niet worden ondersteund.
Vervormingen van de brugconstructie, rekening houdend met kruip en scheurvorming van het beton, op basis van de vereiste minimum wapening en na demonteren van het grootste deel van de bekisting na 90 dagen.
Een beter proces realiseren
“Het ontgrendelen van de kantelpennen is uiteraard een proces dat enige tijd in beslag neemt” licht Tom Molkens toe. “Tijdens dat proces wordt de draagkracht van de onderligger stapsgewijze geactiveerd, en komt een samenwerking tot stand tussen de brugligger en de ondersteuningsconstructie. Net die samenwerking zorgt voor extra draagvermogen in de POLY-elementen. Uiteraard moet bij dit alles ook worden nagegaan of tijdens het progressief ontgrendelen van de kantelpennen op geen enkel ogenblik de maximale draagkracht wordt overschreden in de POLY-elementen. Maar net in dat opzicht bood het 3D Diamonds rekenmodel alle noodzakelijke informatie om het risico op een tijdelijke lokale overbelasting te elimineren. Zo werd uiteindelijk gekozen voor een aanpak waarbij de pennen vanuit het midden naar de twee brugpijlers toe worden ontgrendeld.”
Evenzeer was dit Diamonds rekenmodel een goede basis voor een hele reeks bijkomende berekeningen. Voorbeelden daarvan zijn de controle van de brugwapening en de berekening van de vervormingen tijdens uitvoering van de brugconstructie, rekening houdend met kruip en scheurvorming van het beton. Uiteindelijk bleek uit de berekeningen ook dat een groot deel van de ondersteuning vroeger dan gepland kon worden weggenomen. Zonder enig risico op overmatig grote vervormingen en zonder de stabiliteit van de brugligger in het gedrang te brengen, kon zo een bijkomende besparing worden gerealiseerd tijdens uitvoering.
Vervormingen van de brugconstructie, rekening houdend met kruip en scheurvorming van het beton, op basis van de vereiste minimum wapening en na demonteren van het grootste deel van de bekisting na 90 dagen.
Creatieve concepten bedenken
“Als Senior Project Expert bij Sweco Belgium toets ik de haalbaarheid van complexe projecten af, en bedenk ik er creatieve concepten voor” vervolgt Tom Molkens. "Een voorbeeld daarvan is de nieuwbouw van de Belgische ambassade in Rabat. Met dit gebouw wilde architectenbureau A2M een gebouw realiseren waarvan de gevel lichtheid uitstraalt, een gevoel dat mee ondersteund wordt door het gebruik van zeer slanke kolommen aan de buitenzijde."
Aan Sweco Belgium werd gevraagd om advies te geven omtrent de haalbaarheid van dit concept. “Een belangrijk aandachtspunt daarbij is uiteraard knikgevaar van de kolommen,” aldus Tom Molkens. “Dat kan echter perfect worden beheerst door ervoor te zorgen de horizontale lasten op die kolommen tot een absoluut minimum te herleiden, bijvoorbeeld door te zorgen voor schijfwerking in de ondersteunde structuur. Bovendien kan je voor de meest belaste kolommen gebruik maken van massief staal, in plaats van kokerprofielen, en zo de knikcapaciteit van die kolommen vergroten. Op die manier kan je met een aantal slimme ingrepen het beoogde gevoel van lichtheid ook daadwerkelijk realiseren.
Bij dit alles komt nog de vereiste om de impact van een aanslag te evalueren. Die evaluatie wordt uitgevoerd op basis van de Eurocode 1.7, waarbij wordt berekend of de structuur overeind kan blijven indien kolommen selectief worden weggenomen. Eenmaal je een 3D rekenmodel hebt, kan je perfect dit soort scenario’s berekenen met Diamonds. Dat is voor mij dan ook de grote kracht van 3D rekensoftware, en dé manier om als constructief ingenieur creatief uit de hoek te blijven komen.
Maquette en 3D rekenmodel van de nieuwbouw van de Belgische ambassade in Rabat (Marokko).
