Paviljoen 'de Verbeelding' René van Zuuk - Acsu Buffalo

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN
Paviljoen 'de Verbeelding'
René van Zuuk
Constructief Ontwerpen 5 (7P820)
Begeleider: dr.ir. S.P.G. (Faas) Moonen
Boaz van der Wal
ID = 0633114
Januari 2010 // Kwartiel 2

INHOUDSOPGAVE
HOOFDSTUK 1 INLEIDING 2
HOOFDSTUK 2 STABILITEIT 3
HOOFDSTUK 3 ALUMINIUM 5
HOOFDSTUK 4 CONSTRUCTIESCHEMA EN BELASTINGEN 12
HOOFDSTUK 5 MAQUETTE 21
1

HOOFDSTUK 1 INLEIDING
Dit document vormt het vier weken bestrijkende, individuele gedeelte van de zelfstudie naar de
multidisciplinaire relatie tussen constructie en architectuur/detaillering/materiaalkeuze/installaties/
uitvoering. Het aan studie onderworpen gebouw is het Paviljoen 'De Verbeelding', van René van Zuuk.
In hoofdstuk 2 wordt de stabiliteit van het gebouw besproken.
Hoofdstuk 3 gaat in op een alternatief constructiemateriaal voor de houten 3-scharnierspanten. Er is
gekozen voor aluminium. Er wordt onder andere antwoord gegeven op de vraag wat de wijziging van
constructiemateriaal betekent voor: architectuur, detaillering, materiaalkeuze, installaties en uitvoering.
Hoofdstuk 4 behandelt het 3-scharnierspant als kenmerkend element in de constructie.
Het element wordt geschematiseerd alvorens de relevante belastinggevallen en belastingcombinaties
met factoren worden bepaald.
Hoofdstuk 5 toont enkele foto's van de vervaardigde maquette.
2

HOOFDSTUK 2 STABILITEIT
De stabiliteit in de dwarsrichting wordt verzorgd door de in hun vlak stabiele vormvaste
driescharnierspanten (zie figuur 2.1 en 2.2).
De spanten zijn in staat horizontale belasting (wind) naar de funderings te verplaatsen door middel van
portaalwerking. Bij deze constructiewijze zijn geen aanvullende maatregelen nodig om stabiliteit in de
dwarsrichting te waarborgen.
Een driescharnierspant is statisch bepaald omdat de reactiekrachten aam de hand van de
evenwichtsvoorwaarden (∑H=0, ∑V=0, ∑M=0) kunnen worden bepaald.
Figuur 2.1 driescharnierspanten maquette
Figuur 2.2 Driescharnierspanten isometrie
3

De stabiliteit in de langsrichting wordt verzorgd door stalen geprobileerde dak-/gevelplaten.
Figuur 2.3 Geprofileerde stalen dak-/gevelplaten
4

HOOFDSTUK 3 ALUMINIUM
De houten driescharnierspanten verwijzen naar de hallen elders in de polder waar dit constructietype
ook veel wordt toegepast.
De vorm van het gebouw en de aluminium dak- en gevelbekleding maken echter eerder een modern,
bijna 'high-tech' indruk. Indien de houten driescharnierspanten dan ook in aluminium worden
uitgevoerd zou dit de metallic, 'high-tech'-uitstraling kunnen versterken.
Als alternatief constructiemateriaal is daarom gekozen voor aluminium.
Voor het bereiken van een optimale sterkte worden in aluminiumconstructies altijd legeringen
toegepast.
Aluminium heeft een lage dichtheid, ongeveer drie keer zo laag als dat van staal: 2700 kg/m 3 vs 7850
kg/m 3 . Evenals de dichtheid is ook de elasticiteitsmodulus drie keer zo laag als die van staal: 70.000
N/mm 2 vs 210.000 N/mm 2 . Dit betekent dat indien een stalen ligger wordt vervangen door een
aluminium ligger met dezelfde dimensies, het gewicht van de ligger drie keer zo laag zal worden. De
doorbuiging wordt dan echter drie keer zo hoog. De vervorming van een aluminium ligger kan dus
worden gereduceerd door de doosnede zodanig aan te passen, dat het AKOM in voldoende mate
toeneemt (EI=buigstijfheid).
Aluminium is hiervoor geschikt omdat het zich door zijn eenvoudige bewerkbaarheid (extrusie), leent
voor het maken van ingewikkelde doorsnedevormen. Extrusie van aluminium is mogelijk omdat
aluminium -in tegenstelling tot staal- geen duidelijk vloeitraject heeft.
Doorredenerend ligt het daarom voor de hand om de driescharnierspanten als aluminium vakwerken uit
te voeren. Het gewicht blijft hierdoor laag, de stijfheid hoog (gunstig AKOM) en er kan gebruik worden
gemaakt van extrusie-vormen.
Voordelen aluminium spanten:
• De spanten kunnen net als hout in de buitenlucht staan omdat aluminium en
aluminiumlegeringen altijd met een dunne afsluitende oxydehuid bedekt zijn, die zich na
beschadiging weer zal herstellen. In dit opzicht biedt aluminium een groot voordeel ten opzichte
van staal.
• Het lage eigen gewicht zorgt voor lagere transportkosten, montagekosten (lichter hijsmaterieel)
en een betere handelbaarheid op de bouwplaats.
Nadelen aluminium spanten:
• Aluminium heeft een ongunstige brandwerendheid omdat de sterkte van aluminium en
aluminiumlegeringen sterk afneemt bij hoge temperaturen. Er is daarom passieve en/of actieve
brandbescherming nodig voor een aluminiumconstructie.
• Aluminium vormt vanwege de hoge thermische geleiding een koudebrug.
Bij het ontwerp van een aluminium vakwerk in de vorm van een driescharnierspant zijn er twee
uitgangspunten:
• Het aluminium vakwerk wordt in hoofdzaak gelast in de werkplaats en komt prefab aan op de
bouwplaats.
• De onderdelen van het aluminium vakwerk worden hoofdzakelijk bevestigd m.b.v. mechanische
verbindingsmiddelen. Dit kan zowel in de werkplaats als op de bouwplaats.
De onderdelen van het vakwerk zijn in de fabriek vervaardigd m.b.v. walsen, extruderen of gieten.
(bron: Prof. ir. F. Soetens, Ir. B.W.E.M. van Hove; Bouwen met aluminium (7P882) dictaat, blz. 35, 48-50)
5

VAKWERKSPANT MET LASVERBINDINGEN
• Het lassen van aluminiumlegeringen is kritischer dan het lassen van constuctiestaal.
• Op de gietstukken na, is een dergelijke gelaste vakwerkconstructie ook mogelijk in staal. [1]
• Het is mogelijk een veel stijver driedimensionaal vakwerkspant te vervaardigen (zie figuur 3.2).
• Lassen leidt tot gewichtsbesparing. In aluminium constructies met geboute of geklinknagelde
verbindingen is het gewicht van de verbindingen circa 10% van het totale gewicht van de
draagconstructie. Wanneer gelaste verbindingen worden toegepast is dit gewicht slechts 4%.
(bron: Prof. ir. F. Soetens, Ir. B.W.E.M. van Hove; Bouwen met aluminium (7P882) dictaat, blz 150)
• Door de toepassing van een prefab gelast aluminium vakwerk kan de fabricage geconditioneerd
plaatsvinden en de montage ter plaatse eenvoudig blijven, waardoor de totale bouwkosten
worden gereduceeerd.
• Buisprofielen leveren lastige aansluitingen op voor de diagonalen van het vakwerk, maar ook
voor de kozijnen en de aluminium golfplaten. [1]
Figuur 3.1 Aluminium 2D-vakwerkspant met lasverbindingen Figuur 3.2 Gelast aluminium 3D-vakwerkspant met
lasverbindingen
[1] Indien de profielen voor de boven- en onderregel van het 3D-vakwerkspant worden geëxtrudeerd is
het mogelijk de aansluitingen van de diagonalen, de kozijnen, golfplaten enz. eenvoudiger uit te voeren.
Deze doorsnedevormen zijn niet in staal mogelijk en maken het spantdaardoor kenmerkend voor
aluminium. De doorsnede van het 3D-vakwerkspant met geëxtrudeerde boven- en onderregel is
weergeven in figuur 3.3.
6

Figuur 3.3 Doorsnede gelast 3D-vakwerkspant met extrusieprofielen.
7

Figuur 3.4 Doorsnede aluminium vakwerkspant met lasverbindingen
8

VAKWERKSPANT MET MECHANISCHE VERBINDINGSMIDDELEN
• Vanwege het lage gewicht van de onderdelen is het spant ter plaatse te monteren met licht
materieel.
• Door de toepassing van verschillende soorten extrusieprofielen en het monteren van de
onderdelen met een laag eigen gewicht, wordt optimaal gebruik gemaakt van de mogelijkheden
van aluminium.
• De ongesloten profielvormen maken het spant gevoelig voor corrosie en vuilophoping, in
tegenstelling tot het vakwerkspant met lasverbindingen en gesloten profielen.
Figuur 3.5 Doorsnede aluminium vakwerkspant met mechanische verbindingsmiddelen (zie ook bijlage).
9

Indien het 3D-vakwerkspant uit figuur 3.2 uitgevoerd wordt met behulp van gegoten aluminium knopen
(zie figuur 3.6) levert dit een licht en op de bouwplaats te monteren spant op.
Echter is dit een kostbare en kwetsbare oplossing. Daarnaast vormt het ook een complexe puzzel omdat
er drie soorten spanten worden toegepast, die elk verschillen in vorm en grootte.
Figuur 3.6 3D-vakwerkspant met gegoten knopen
10

INVLOED OP VERSCHILLENDE DISCIPLINES
Kijkend naar de voor- en nadelen van de verschillende varianten wordt de conclusie getrokken dat het
gelaste 3D-vakwerkspant met geëxtrudeerde aluminium profielen uit figuur 3.2 en 3.3 de meeste
voordelen oplevert. Montagewijze, maakbaarheid, onderhoudsvrijheid, stijfheid en esthetiek zijn de
doorslaggevende criteria.
Figuur 3.7 KAL-Zip dakbedekking
De geprofileerde aluminium dak-/gevelplaten (voorheen geprofileerd staal) zorgen voor stabiliteit in de
dwarsrichting en worden met schietnagels op de spanten bevestigd. De gevel/dakbekleding blijft
onveranderd, namelijk een KAL-Zip felssysteem (zie figuur 3.7)
De invloeden op de verschillende disciplines zijn:
• Architectuur: Het paviljoen krijgt een 'high-tech'-uitstraling. Vorm van het volume,
functies, ed. blijven vrijwel ongewijzigd.
• Detaillering: De bevestigingen moeten galvanische corrosie voorkomen. Hierdoor
wordt veel voor aluminium afwerking gekozen: kozijnen (i.p.v. hout),
geprofileerde dak-/gevelplaten (i.p.v. staal), mechanische
verbindingsmiddelen zoals schroeven en bouten (i.p.v. staal).
• Materiaalkeuze: De verscheidenheid aan toegepaste materialen is beperkt. Hoofdzakelijk
aluminium en glas.
• Installaties: De installaties blijven ongewijzigd (natuurlijke ventilatie in combinatie
met vloerverwarming). Er zou wel gekozen kunnen worden, mits de
kosten dit toelaten, voor luchtkanalen door de diagonalen van de
vakwerkspanten. Dit zou de 'high-tech'-uitstaling versterken en tevens
een gecontroleerder binnenklimaat opleveren.
• Uitvoering: De 3D-vakwerkspanten worden geprefabriceerd aangeleverd en
gemonteerd op de bouwplaats. Dit principe blijft in vergelijking tot de
situatie met de houten spanten ongewijzigd.
11

HOOFDSTUK 4 CONSTRUCTIESCHEMA EN BELASTINGEN
De varianten van de spanten worden achtereenvolgens gegeven met daarbij telkens de doorsnede met
aansluitingen (scharnier/star/flexibel) en de mechanicaschema's met de verschillende
belastingcombinaties. Tot slot worden de van toepassing zijnde belastinggevallen en
belastingcombinaties met belastingfactoren benoemd.
Figuur 4.1 Varianten spanten (#2, #6, #8, #10)
12

Figuur 4.2 Spant #2 doorsnede
Figuur 4.3 Spant #2 belastingcombinatie A
Figuur 4.4 Spant #2 belastingcombinatie B
SPANT #2
13

Figuur 4.5 Spant #6 doorsnede
Figuur 4.6 Spant #6 belastingcombinatie A
Figuur 4.7 Spant #6 belastingcombinatie B
SPANT #6
14

Figuur 4.8 Spant #8 doorsnede
Figuur 4.9 Spant #8 belastingcombinatie A
Figuur 4.10 spant #8 belastingcombinatie B
SPANT #8
15

Figuur 4.11 Spant #10 doorsnede
Figuur 4.12 Spant #10 belastingcombinatie A
Figuur 4.13 Spant #11 belastingcombinatie B
SPANT #10
16

BELASTINGCOMBINATIES EN FACTOREN
De ontwerpfilosofie voor aluminiumconstructies is gelijk aan die van alle andere bouwmaterialen
(beton, staal, hout, steen, e.d.) en is geregeld in NEN 6700 "TGB 1990 Algemene Baiseisen".
Dat wil zeggen dat de veiligheid van een draagconstructie op uniforme wijze is geregeld. De door de
ontwerpbelasting veroorzaakte krachten in de constructie mogen nergens een grenstoestand van de
constructie overschrijden. Door toepassing van de in NEN 6702 "TGB 1990 Belastingen en
Vervormingen" voorgeschreven belastingen, combinaties van belastingen en belastingfactoren kan de
genoemde ontwerpbelasting worden bepaald.
Bij de toetsing of nergens in de constructie een grenstoestand wordt overschreden dient onderscheid te
worden gemaakt tussen uiterste grenstoestanden (bezwijken van de constructie) en
bruikbaarheidsgrenstoestanden (toelaatbare vervormingen, trillingen, e.d.).
In NEN 6700 en NEN 6702 zijn eisen geformuleerd voor beide grenstoestanden, die verder zijn
uitgewerkt in materiaalgebonden normen. In het geval van aluminium in NEN 6710 "TGB 1990
Aluminiumconstructies".
Voor uiterste grenstoestanden geldt dat de door de ontwerpbelasting Sd veroorzaakte krachten in de
constuctie nergens de ontwerpsterkte Rd mogen overschrijden, waarbij geldt:
R d = R k
γ m
Met: Rk = karakteristieke sterkte; en
γM = pariële veiligheidsfactor, beide volgens NEN 6710
De constructie voldoet indien geldt:
Sd Rd ≤ 1
Eenzelfde filosofie als hiervoor beschreven, is ook in Europees verband gevolgd voor bouwconstructies
en heeft geleid tot een vergelijkbaar stelsel van normen, de zogenaamde Eurocodes (Eurocode 1 = NEN
6700 + NEN 6702; Eurocode 3 = NEN 6770 TGB Staal; Eurocode 9 = NEN 6710 TGB Aluminium).
Zowel belastingen als materiaaleigenschappen zijn variabel. Door de keuze van belastingenfactoren (γf)
en materiaalfactoren (γm) kan in geval van uiterste grenstoestanden de kans op bezwijken van de de
constructie van tevoren worden vastgelegd. Daartoe zijn in NEN 6702 drie veiligheidsklassen en in
"Eurocode 0" tot nog toe drie gevolgklasen gedefinieerd.
Veiligheidsklassen volgens NEN 6702:
• Veiligheidsklasse 1: - schuren en loodsen;
• Veiligheidsklasse 2: -eengezinswoningen, bedrijfsgebouwen met maximaal 2 bouwlagen;
• Veiligheidsklasse 3: -hoge woongebouwen; tribunes; bruggen; kantoren.
Gevolgklassen volgens Eurocode 0 (CC = Consequence Class)
• CC 1: Geringe gevolgen ten aanzien van het verlies van mensenlevens, en/ of kleine of
verwaarloosbare economische of sociale gevolgen of gevolgen voor de omgeving.
(Landbouwbedrijfsgebouwen, Tuinbouwkassen, Standaard eengezinswoningen,
Industriegebouwen (1 of 2 verdiepingen))
• CC 2: Middelmatige gevolgen ten aanzien van het verlies van mensenlevens, en/of
aanzienlijke economische of sociale gevolgen of gevolgen voor de omgeving.
(Woongebouwen, Kantoorgebouwen, Openbare gebouwen, Industriegebouwen (3 of
meer verdiepingen)
17

• CC 3 Grote gevolgen ten aanzien van het verlies van mensenlevens (enkele tientallen), en/of
zeer grote economische of sociale gevolgen of gevolgen voor de omgeving. (Hoogbouw
(h > 70 m), Tribunes, Tentoonstellingsruimten, Concertzalen, Grote openbare
gebouwen)
De gevolgklassen in de Eurocodes corresponderen niet precies met de veiligheidsklassen volgens NEN
6700:
• Klasse CC 1 uit NEN-EN 1990 correspondeert met zowel veiligheidsklassen 1 als 2 volgens NEN
6702;
• Klasse CC 2 uit NEN-EN 1990 correspondeert met veiligheidsklasse 3 volgens NEN 6702;
• Klasse CC 3 is een extra gevolgklasse bedoeld voor draagconstructies in zeer hoge of anderszins
bijzondere bouwwerken, waarbij de gevolgen van bezwijken zeer groot kunnen zijn.
De tentoonstellingsruimte van paviljoen 'De Verbeelding' valt volgens de Eurocode onder Gevolgklasse
(CC) 2 en volgens NEN 6700 onder veilgheidsklasse 3.
De belastingfactoren γf zijn afhankelijk van:
• De veilgheidsklasse waartoe de constructie behoort (in 'Eurocode 0' de gevolgklasse CC1, CC2,
CC3);
• De referentieperiode van een constructie; normaal geldt voor bouwwerken 50 jaar, maar voor
industriële gebouwen kan een periode van 15 jaar aangenomen zijn. In het laatste geval dienen
de belastingfactoren te worden gereduceerd. De hoogte van de veranderlijke belastingen op
een constructie hangt af van de referentieperiode. De kans dat bijvoorbeeld een extreme
windebelasting eens in de 50 jaar voorkomt is uiteraard groter dan eens in de 15 jaar.
De materiaalfactoren staan vermeld in de materiaal gebonden Eurcode.
Voor aluminium en staal geldt: γm = 1,0.
De verschillende soorten belastinggevallen zijn:
• Permanente belasting (eigen gewicht)
Deze dient te worden berekend aan de hand van de volumegewichten van de verschillende
bouwdelen.
• Veranderlijke belasting (personen, sneeuw, wind)
Vloeren
Belastingen door personen en meubilair worden in de 'Eurocode 1 -Belastingen op constructies'
op basis van hun Gebruiksklasse bepaald.
- Klasse A: Ruimten voor wonen en huishoudelijk gebruik
- Klasse B: Kantoorruimtes
- Klasse C: Ruimten waar mensen kunnen samenkomen
- Klasse D: Winkelruimten
De tentoonstellingsruimte van paviljoen 'De Verbeelding' valt volgens de Eurocode onder Klasse
C3 : Ruimten zonder obstakels voor rondlopende mensen. Hiervoor geldt een gelijkmatig
verdeelde vloerbelasting, pq;rep=5,0 kN/m 2 . In NEN 6702, 8.1 en 8.2 geldt hetzelfde.
Daken
Daken moeten volgens hun toegankelijkheid zijn ingedeeld in drie klassen (Eurocode 1):
- Klasse H: Daken alleen toegankelijk voor gewoon onderhoud en herstelwerkzaamheden.
- Klasse I: Daken toegankelijk voor gebruik volgens klasse A tot en met D.
- Klasse K: Daken toegankelijk voor speciaal gebruik, oa. landingsplaatsen voor helikopters.
18

De tentoonstellingsruimte van paviljoen 'De Verbeelding' valt volgens Eurocode 1 onder
Klasse H. Hiervoor geldt de onderstaande tabel.
dakhelling α qk a
0 ≤ α ≤ 15º
15 ≤ α ≤ 20º
α ≥ 20º
kN/m²
1,0
4 - 0,2 x {α}
0
Tabel 4.1 veranderlijke belasting dak, volgens Klasse H
(bron: EurocBrisWarenhuis (2009) www.briswarenhuis.nl)
De dakbelasting kan voor ieder spant verschillen vanwege de verschillende hoeken waaronder
deze staan. Voor het linker - en rechterdeel van het dak van spant #2 (figuur 4.2) geldt een
extreme veranderelijke dakbelasting, pq;rep= 1,0 kN/m 2 (dakhelling: 5° en 13°).
In NEN 6702, 8.1 en 8.2 geldt dezelfde tabel voor de veranderlijke dakbelasting op daken.
Wind
De windbelasting is een veranderlijke, vrije
belasting. In belastingcombinaties geldt
normaliter voor de windbelasting: Ψ=0.
De soorten windbelasting zijn: winddruk,
windzuiging, windwrijving, overdruk, onderdruk.
Algemene formule volgens NEN 6702 voor
gebouwen met h

In Nederland is de sneeuwbelasting gebaseerd op compacte sneeuw met een volumiek gewicht
van 2,0 kN/m³. De dikte van het sneeuwpaket mag worden aangenomen op 350 mm, wat
resulteert in sk = 0,7.
• Bijzondere belasting (brand, explosie, botsing)
Het gebouw valt onder veiligheidsklasse 3. Voor constructies in veiligheidsklasse 3 geldt als
belastingfactor in de uiterste grenstoestand (UGT):
- voor permanente belasting γf:g = 1,2 (0,9 als deze positief werkt)
- voor veranderlijke belasting γf:q = 1,5
- voor bijzondere belasting γf:q = 1,5
Voor gebouwen uit 'categorie C: bijeenkomstruimten' (zie vloeren) gelden in de Eurocode dezelfde
belastingfactoren. De van toepassing zijnde belastingcombinaties (met belastingfactoren) zijn:
Combinatie A
Permanente belasting + Veranderlijke belasting door personen
Veiligheidsklasse 3: Pd = 1,2∙Peg + 1,5∙Pq;rep
Pd = 1,35∙Peg (grootste waarde is maatgevend)
Combinatie B
Permanente belasting + Veranderlijke belasting door windzuiging
Veiligheidklasse 3: Pd = 0,9∙Peg + 1,5∙Pwindzuiging;rep
De windbelasting werkt loodrecht op het dakvlak. De permanente belasting werkt echter altijd verticaal
en moet dus worden opgesplitst in twee componenten (zie schematisering figuur 4.4).
Vanwege het lichte dakpakket moet bedacht worden dat de belastingcombinatie met windbelasting een
grote rol kan spelen. Het dakvlak wordt daarbij belast op windzuiging, die slechts gedeeltelijk
gecompenseerd wordt door de lagere tegengesteld gerichte permanente belasting. Daarbij komt nog
een lagere belastingfactor voor de permanente belasting (0,9 in plaats van 1,2), omdat de permanente
belasting bij deze combinatie gunstig werkt.
Combinatie C
Permanente belasting + Veranderlijke belasting door winddruk
Veiligheidklasse 3: Pd = 1,2∙Peg + 1,5∙Pwinddruk;rep
Combinatie C
Permanente belasting + Veranderlijke belasting door sneeuw
Veiligheidklasse 3: Pd = 1,2∙Peg + 1,5∙Psn;rep
N.B. Op het dak behoeven een veranderlijke belasting en wind- of sneeuwbelasting niet tegelijkertijd te
worden beschouwd.
Aan de doorbuiging van het dak (berekend in de BGT met belastingfactoren: 1,0) wordt door NEN 6702
de volgende vervormingseis gesteld voor de doorbuiging in de eindtoestand: ueind ≤ 0,004lrep
Voor de Eurocode wordt vooralsnog naar NEN 6702 verwezen.
bron 1: Eurocode 0 en 1, BrisWarenhuis (2009) www.briswarenhuis.nl)
bron 2: Prof. ir. Frans van Herwijnen, Ir. Rijk Blok, Prof. ir. Dirk Martens; Belastingen, Constructief Ontwerpen 1, juli 2007)
bron 3: A.H.L.G. Bone, T.N.W.G. Kemps, A.W. Peters, H. Post, Bouwkundig tabellenboek; Wolthers Noordhoff, tweede druk,
eerste oplage 2007
20

Figuur 5.1 Maquette foto 1
HOOFDSTUK 5 MAQUETTE
21

Figuur 5.2 Maquette foto 2
22