Constructieprincipes

1. Constructieprincipes

1.1. Inleiding

Het doel van deze rapportage is het verglijken van de verschillende constructieprincipes, zodat deze optimaal kan worden gecombineerd met het desbetreffende gevelprincipe. Deze gevelprincipes komen voort uit een andere rapportage. Ten eerste gaan we onderzoeken welke principes er bestaan, om vervolgens deze onder te verdelen in subprincipes. Deze subprincipes worden onderling vergleken in een matrix. Dit gebeurt om, straks als de gevelprincipes bekent zijn, de optimale combinaties te kunnen maken.
In het hoofdstuk vloeren worden verschillende vloertype vergleken en gekoppeld aan de
constructieprincipes. Hieruit zullen optimale combinaties voortvloeien. Tot slot zal ook het funderingtype worden bepaald uit een aantal opties.

1.2. De 2 constructieprincipes

Voor de utiliteitsbouw bestaan er twee constructieprincipes, te weten:
- skeletstructuur
- schijvenstructuur

Een skeletstructuur bestaat uit kolommen en balken. De materialen die hiervoor gebruikt kunnen worden zijn staal, gewapend beton en hout. Stabiliteit wordt gewaarborgd d.m.v. windverbanden, stijve kernen of stabiliteitswanden.

Schijvenstructuren bestaan uit wanden en vloeren die krachten zelfstandig kunnen opnemen en afdragen. De materialen die hiervoor gebruikt kunnen worden zijn gewapend beton, prefab beton, hout en kleinere elementen b.v. kalkzandsteen, metselwerk, e.d. Stabiliteit wordt gewaarborgd d.m.v. stijve kernen of stabiliteitswanden.

Een skelet voor een gebouw wordt samengesteld uit verticale elementen als kolommen, schijven, wanden en kernen en elementen als platen en balken. Balken worden bij vloeren horizontaal en bij daken ook hellend toegepast.
De vloer- en dakconstructies zijn in twee hoofdgroepen in te delen, namelijk de draagconstructies die de belasting in één richting en die de belasting in twee of meer richtingen afdragen.

1.2.1. In één richting spannende draagconstructies

De in één richting spannende draagconstructies bestaan uit vloer- of dakelementen die in één richting spannen en in één richting de belasting afdragen. Loodrecht op de overspanning worden de vloer of dakelementen lijnvormig ondersteund door wanden of door balken en kolommen.
De platen kunnen worden ondersteund met wanden of met kolommen en wanden. Voor een rechthoekig gebouw met in één richting spannende platen kunnen we de volgende skeletvormen onderscheiden:
- kolommenskelet met dwarsbalken
- kolommenskelet met langsbalken
- skelet met dwarswanden,
- skelet met langswanden

1.2.2. In twee richtingen spannende draagconstructies

De in twee richtingen spannende draagconstructies bestaan uit vloer- of dakelementen die puntvormig of langs alle zijden lijnvormig worden ondersteund. Een lijnvormige ondersteuning bestaat uit wanden of uit kolommen en balken. Bij een puntvormige ondersteuning worden de vloer- of dakelementen alleen door kolommen ondersteund.
Om de belasting in beide richtingen evenredig af te dragen, moeten de overspanningen in beide richtingen vrijwel gelijk zijn. Bij een rechthoekige plaat ondersteund door randbalken wordt, als de grootste overspanning tweemaal zo groot is als de kortste overspanning, 75% van de belasting via de kortste overspanning afgedragen. Hierdoor kan deze plaat vrijwel als een alleen via de kortste overspanning afdragende plaat worden beschouwd.

De keuze tussen wanden of kolommen hangt van het gebouwtype af. Scheidingswanden die gedurende de geplande levensduur nooit verwijderd zullen worden, kunnen goed constructief benut worden. Bij de utiliteitsbouw hechten we meestal grote waarde aan een flexibele indeling. De scheidingswanden kunnen dan geen deel uitmaken van de draagconstructie. De voorkeur wordt gegeven aan een kolommenskelet of een skelet met dragende gevels. zodat de indeling van de ruimten later gewijzigd kan worden.
Voor een rechthoekig gebouw in één twee richtingen spannende platen kunnen we de volgende skeletvormen onderscheiden:
- kolommenskelet met puntvormig ondersteunde platen
- kolommenskelet met platen die zowel in de langs- als in de dwarsrichting door balken
ondersteund worden
- skelet met platen die zowel in de langsrichting als in de dwarsrichting ondersteund
worden met wanden

2. Staalconstructie

2.1. Stabiliteit

Stabiliteit waarborging kan met staalconstructies op verschillende manieren worden verkregen. te weten:
- windverbanden
- betonnen kernen
- momentvaste knopen

Elk van deze manieren om stabiliteit te verkrijgen hebben hun eigen voor en nadelen. Zo is het nadeel van windverbanden dat bepaalde gevels beperkt worden in hun raamindeling. Dit probleem dient zich niet aan bij momentvaste knopen. Hier is alleen meer materiaal nodig waardoor de constructie weer duurder wordt.
Meer Arbeid
Betonnen kernen hebben weer het probleem, dat als ze in het werk worden gestort, de uitvoersnelheid vertragen. Geprefabriceerd beton heeft dat probleem minder. Kans op maatfouten. In de praktijk prefereren we voor een staalconstructie stalen vakwerken, zodat de constructie in een materiaal kan worden uitgevoerd en geen afstemmingsverliezen ontstaan.
Uitbreiden

2.2. Gewicht

Constructiestaal wordt gekenmerkt door een hoog eigen gewicht. Dit wordt ruimschoots gecompenseerd door de hoge sterkte en de stijfheid. Omdat constructiestaal evengoed
trek als druk op kan nemen, is het bij uitstek geschikt voor op buiging belaste constructies. Het gewicht van staal licht op 7.800 kg/m3.

2.3. Bouwtijd

De bouwtijd van staal is, in vergelijking met bijvoorbeeld in het werk gestort beton, kort. Dit komt doordat al het staal op maat op de bouwplaats wordt geleverd en het zo in elkaar gezet kan worden door middel van lassen of bouten. Lassen heeft het nadeel dat het mindere kwaliteit kan worden door omstandigheden. Bouten kent dat probleem niet.
Bij maatfouten ernstige vertragingen.

2.4. Bouwvoorbereiding

De bouwvoorbereiding is logischerwijs lang als de bouwtijd kort is. Elk profiel moet namelijk bekent zijn in afmetingen en zwaarte voordat men met het prefabriceren van het staal kan beginnen. Hierdoor zal de bouwvoorbereidingstijd op zijn beurt weer langer zijn dan die van in het werk gestort beton.

2.5. Flexibiliteit

Een staal constructie kan, zeker wanneer deze gebout is makkelijk worden gedemonteerd en uitgebreid. Omdat het staal opnieuw kan worden gebruikt heeft het in tegenstelling tot in het werk gestort beton een hoge restwaarde. Voor de indeling van de gevels moet men rekening houden met, mits men hier gebruik van maakt, eventuele windverbanden. Inpandig zit men alleen vast aan de kolommen.

2.6. Milieu

Onder ongunstige condities, zoals een hoge relatieve vochtigheid en door het inwerken van agressieve chemicaliën op de constructie, zal deze worden aangetast.
In een droog milieu zal het staal nauwelijks beschermd hoeven te worden. Het beschermen van staal kan tot veel onderhoud en tot hoge exploitatiekosten leiden als de staalconstructie in de buitenlucht verkeert en met vocht in aanraking komt. Het staal kan goed worden beschermd door het te verzinken en te verven.Verfsystemen moeten periodiek worden geïnspecteerd en onderhouden.
Ook kunnen we weervast staal, beter bekend onder de merknaam Cortenstaal, toepassen. Bij dit staal wordt een corrosielaagje gevormd dat bij gunstige klimatologische omstandigheden voldoende bescherming geeft. Aan zee wordt weervast staal echter wel aangetast.
In een kantoorgebouw is de relatieve vochtigheid doorgaans lager dan 70%. Bij deze vochtigheid zal de staalconstructie nauwelijks worden aangetast, zodat de niet in het zich komende delen niet behandeld hoeven te worden.
Wat is de invloed van staal op het milieu, hoeveel energie kost het produceren ten opzichte van beton.

2.7. Architectuur

De architectuur wordt voornamelijk bepaalt door de gevels. De gevels zijn op hun beurt weer sterk gekoppeld aan de draagconstructie. De combinatie tussen gevel en constructie wordt in de volgende fase gemaakt. Naast de gevel kan de constructie zelf natuurlijk ook flink bijdragen aan de architectuur. Bedenk bijvoorbeeld maar dat een staalconstructie een veel slankere indruk maakt dan een betonskelet. Wat mooi is natuurlijk een mening die aan de opdrachtgever wordt overgelaten.

2.8. Duurzaamheid

2.9. Onderhoud

Het onderwerp onderhoud is voor een deel al aan bod gekomen bij de paragraaf “milieu”. Hieruit blijkt dat staal alleen veel onderhoud nodig heeft als het niet onbeschermd kan worden toegepast. In ons geval zal het staal brandwerend moeten worden beschermd. De verschillende systemen hiervoor volgen nog. Deze systemen hebben veelal wel onderhoud nodig.

2.10. Brandwerendheid

De brandwerendheid van de hoofddraagconstructie van een kantoor met een vloer hoger dan 5 m boven het maaiveld moet ten minste 30 minuten zijn. De brandwerendheid van de hoofddraagconstructie van een kantoor met een vloer hoger dan 13 m boven het maaiveld moet ten minste 90 minuten zijn. Daar de brandwerendheid van een onbeklede staalconstructie, als deze niet is overgedimensioneerd, minder dan 30 minuten is, zullen we ten behoeve van de brandveiligheid maatregelen moeten nemen. Mag de staalconstructie ter wille van de esthetica niet worden bekleed, dan kan het gebouw ook worden beveiligd met een automatische brandmeldinginstallatie en een sprinklerinstallatie, mits wordt aangetoond dat met deze voorzieningen de geëiste brandveiligheid ook werkelijk wordt bereikt.

Brand is op twee manieren te bestrijden:
door actieve maatregelen en door passieve maatregelen. Het blussen door de brandweer of een werkende sprinklerinstallatie is een vorm van actieve bescherming. Tot de passieve maatregelen behoren bouwkundige voorzieningen, zoals bet brandwerend bekleden en bet compartimentering van gebouwdelen. Onbeklede stalen constructiedelen warmen bij brand snel op. Bij een staaltemperatuur van ongeveer 400 graden Celsius neemt de vloeigrens van het staal snel af. Daardoor gaat de constructie vervormen, wat kan leiden tot voortijdig bezwijken. Een brandwerende bekleding beeft tot doel de temperatuurstijging in bet staal zodanig te vertragen dat binnen een vooraf bepaalde tijdsduur (brandwerendheid) de kritieke staaltemperatuur niet wordt bereikt. Er zijn verschillende methoden om staalconstructies tegen brand te beschermen:
- Vullen met beton. Daardoor wordt er massa toegevoegd en duurt bet langer voordat de
constructie is opgewarmd. Buizen worden inwendig met beton gevuld. Bij I-profielen
wordt de ruimte tussen de flenzen gevuld of het gehele profiel ingebetonneerd.
- Kokervormig bekleden. Hierbij wordt een brandwerend materiaal (promatec) rondom
het profiel aangebracht. Het meest gebruikelijk is een bekleding met een isolerend
plaatmaterialen van gips(karton), silicaat, vermiculiet, preliet of minerale wol.
- Profielvolgend bekleden. Hierbij wordt het brandwerend materiaal op het profiel
gespoten of gesmeerd. Als spuitmiddel kan geëxpandeerde vermiculiet
(cementgebonden) of minerale vezels met een bindmiddel worden toegepast. Het
materiaal wordt in lagen aangebracht, waarbij een laag van 20 mm dikte een
brandwerendheid van 60 minuten oplevert. Een andere manier is het aanbrengen van
schuimvormende verven, die ook in verschillende lagen op het staal worden
aangebracht. Verflagen van 1 mm dikte kunnen een brandwerendheid leveren van
25...40 minuten. Bij verhitting boven een bepaalde temperatuur gaan deze verflagen
over in een schuimvorminge laag. De ingesloten lucht zorgt dan voor de isolatie.
- Koelen met water. Een speciale manier om staalconstructies te beschermen tegen
brand is met waterkoeling. In dat geval worden bijvoorbeeld buisvormige kolommen
gevuld met water dat kan circuleren om in geval van brand de warmte af te voeren.
Het water moet anticorrosief zijn, met een toevoeging van een antivriesmiddel.

2.11. Statisch systeem

??? Bepaald of onbepaald?

2.12. Materieel

Voor het verwerken van staalconstructies zijn kranen nodig. Omdat de stalen profielen minder zwaar zijn dan betonnen kolommen zal er bij een staalconstructie een minder zware kraan nodig zijn dan bij betonconstructies. Kubel?
Wel moet er rekening gehouden worden met overige materialen die door de kraan moeten worden gehesen (vloeren).

2.13. Bouwplaats

Over de bouwplaats is niets bekend, het is daarom moeilijk om hier iets over te zeggen. Er kan alleen worden gezegd dat bij een kleine bouwplaats just in time management een optie is. Verder kan men aannemen dat staal een iets minder grote opslag plaats nodig heeft in vergelijking met prefab beton.

2.14. Installaties

Het verloop en de plaats van de leidingen heeft invloed op het ontwerp van de draagconstructie. Gezien de kosten voor de gevel zal worden getracht de geveloppervlakte oftewel de verdiepinghoogte zo klein mogelijk te maken. De verdiepinghoogte wordt bepaald door de benodigde vrije hoogte, de constructiehoogte en de hoogte van de leidingruimte. Deze leidingruimte kan zowel onder als boven de vloer zijn gesitueerd. De verdiepinghoogte is te verminderen door de leidingruimte en de constructiehoogte te verminderen of de leidingruimte gedeeltelijk te laten samenvallen met de constructieruimte. De integratie van de leidingruimte met de constructieruimte is mogelijk als de leidingen tussen de balken kunnen worden geplaatst.

De constructie met dwarsbalken, figuur 1
Bij een constructie met dwarsbalken moeten we de hoofdleidingen in de gangzone onder de balken worden aangebracht. Deze leidingen kunnen boven een verlaagd plafond in de gangzone worden ondergebracht. De secundaire leidingen boven de kantoorvertrekken kunnen tussen de balken worden gesitueerd. zodat in de kantoren geen extra verdiepinghoogte nodig is.
We kunnen ons nu afvragen of het zin heeft de dwarsbalken te integreren met de vloer.
De verdiepinghoogte is dan gelijk aan de vrije hoogte in de kantoren, de hoogte voor de secundaire leidingen en de vloerdikte. Daar bij de constructie met dwarsbalken de secundaire leidingen tussen de dwarsbalken kunnen worden gesitueerd. winnen we met de geïntegreerde balken niet op de verdiepinghoogte. Het heeft alleen dan zin om de balken te integreren. als men geen middengang wenst en de verdieping geheel vrij moet kunnen worden ingedeeld.

2 De constructie met langsbalken, figuur 2
Bij een constructie met langsbalken kruisen de secundaire leidingen de langsbalken. Voeren we de secundaire leidingen onder de langsbalken door, dan moet de verdiepinghoogte vrij groot zijn. Deze is dan gelijk aan de vrije hoogte in de vertrekken, de hoogte voor de dwarsleidingen en de hoogte voor de langsbalken. De verdiepinghoogte kan worden gereduceerd door de langsbalken als vakwerk of als raatligger uit te voeren, zodat de secundaire leidingen door de balk kunnen worden gevoerd. Het heeft nu wel zin om de langsbalken te integreren met de vloer. De verdiepinghoogte is dan gelijk aan de vrije hoogte in de kantoren plus de hoogte voor de dwarsleidingen en de vloerdikte.

3 De constructie met dwars- en langsbalken, figuur 3
Bij een constructie met dwarsbalken die worden ondersteund door een langsbalk kunnen we de secundaire leidingen boven de kantoren tussen de dwarsbalken en de hoofdleidingen in de gangzone naast de langsbalk plaatsen. De secundaire leidingen kruisen dan boven de gangwand de langsbalk. Als de dwarsbalken niet tussen maar op de langsbalk worden gelegd, kunnen de secundaire leidingen door de opening tussen langsbalk en vloer van de hoofdleiding in de gangzone naar de kantoorvertrekken worden gevoerd. Is de constructie niet gestapeld, zodat de dwarsbalken niet op maar tussen de langsbalken gelegen zijn, dan moeten de secundaire leidingen door of onder de langsbalk worden gevoerd. Voeren we de leidingen door sparingen door de langsbalk, dan is het praktisch om de langsbalk als raatligger of als vakwerk uit te voeren. De benodigde verdiepinghoogte neemt toe als de secundaire leidingen onder de langsbalk worden geplaatst. De benodigde verdiepinghoogte is dan gelijk aan de vrije ruimte in de kantoren, de afmetingen van de secundaire leidingen, de hoogte van de langsbalken en de dikte van de vloer.

2.15. Fundering

Het gebruikte funderingstype licht aan het gewicht van het gebouw. Aangezien een staalconstructie minder zwaar is dan een betonconstructie zal hierbij een lichter, goedkopere fundering kunnen worden toegepast. Ook de stabiliteit (reeds besproken) heeft invloed op de fundering.

2.16. Economie

Staal is duur, maar sterk. Er is minder materiaal nodig om dezelfde krachten op te nemen. Als de stabiliteit kan worden opgevangen door windverbanden zijn ook de hoge kosten voor momentvaste verbindingen ook verdwenen. Daarnaast heeft staal een veel hogere restwaarde dan beton. Er blijkt echter dat als men de kostprijs gaat delen door de toelaatbare spanning, staal lager scoort dan beton.