Kunstwerken Meerhoven1 201066

Kunstwerken Meerhoven

De wijk Meerhoven is de nieuwste grote stadsuitbrei-

ding in Eindhoven. Voor de ontsluitingswegen is

gekozen voor ongelijkvloerse kruisingen. Met

geavanceerde technologie, kennis van materiaal en

uitvoering zijn twee prachtige kunstwerken

gebouwd: het viaduct ‘Spottershill’ en de onderdoor-

gang ‘Oersebaan’. Dit artikel geeft een impressie van

de vormgeving en het constructief ontwerp.

16_Meerhoven.indd 66 18-01-2010 20:04:27

Kunstwerken Meerhoven 1 2010 67

ir. Han Zegers, ing. Marcel Somers PMSE, ing. Helen Meulendijks PMSE en ing. Stefan Schoenmakers MSEng1)Wagemaker

1 De kolommen en de randelementen van het

viaduct Spottershill zijn bekleed met RVS

foto: htjbakker.nl

1) ing. Stefan Schoenmakers won met het project Spottershill de ENCI Studieprijs 2009 in de categorie ‘Master of Structural Engineering van de Betonvereniging’. Deze prijs werd uitgereikt tijdens de Betondag 2009 op 19 november.

1

compleet verschillend esthetisch beeld op. Overige varianten ten aanzien van bijvoorbeeld de bouwmethode enz. waren op voorhand niet kansrijk gezien de gestelde randvoorwaarden. De gemeente heeft, op basis van constructie en vormgeving in relatie tot het beschikbare budget, gekozen voor de derde variant, met kolommen onder een hoek van 60°.

Constructief ontwerpDe kolommen worden onder een hoek van 60° in langsrichting en 85°in dwarsrichting geplaatst. De scheefstand van de kolom-men levert een esthetisch fraai beeld op. Maar naarmate de stand van de kolommen schever wordt, nemen de krachten op de onderbouw en de momenten in de kolom toe. Gezocht is naar een ‘optimum’ zodat een technisch gezonde en economi-sche constructie wordt verkregen, die een slank beeld oplevert.

Voor het verfraaien van de uitstraling zijn de kolommen voor-zien van een RVS bekleding. De RVS-buis is gebruikt als verlo-ren bekisting. Daarnaast heeft de bekleding de functie dat de

De ontwerpwerkzaamheden voor de kunstwerken zijn gestart halverwege 2004. Met de bouw is begonnen in 2005, het werk werd opgeleverd in 2007. Bij de aanbeste-ding van het dienstenbestek heeft de gemeente gekozen om niet te selecteren op laagste prijs maar op een combi-natie van kwaliteit en prijs. Voor het uitwerken van het ontwerp, detaillering, bestek en kostenraming kwam Wagemaker met Zwarts & Jansma architecten als beste uit de bus.

‘Spottershill’Het viaduct Spottershill is gesitueerd tussen twee heuvels. Vanaf de Spottershill heeft men direct uitzicht over het naastge-legen terrein voor zweefvliegtuigen. Hieraan ontleent het viaduct dan ook zijn naam. De ontsluitingswegen in de nieuwe wijk zijn éénrichtingsverkeerwegen met ongelijkvloerse krui-singen. Spottershill volgt de horizontale en verticale boogstra-len van het wegontwerp dat is vastgelegd in het verkeerskundig ontwerp. Het viaduct heeft als gevolg hiervan ook een horizon-tale en verticale kromming. De constructie bestaat uit een voorgespannen dekconstructie met in totaal drie overspannin-gen. De tussensteunpunten vormen een springwerk.

Schetsontwerp en alternatievenstudieHet schetsontwerp is in nauwe samenwerking tussen architect en constructeur tot stand gekomen. Door de gemeente zijn eisen gesteld aan vormgeving en transparantie, zoals puntvor-mige ondersteuningen, optimale slankheid van het dek en een totale lengte van ongeveer 42 m. Daarnaast zijn eisen gesteld aan de duurzaamheid van de constructie. Mede doordat de onderdoorgaande weg in de bouwfase mocht worden afgesloten, is gekozen voor een in het werk voorge-spannen betonnen dek. Er is gekozen om het dek in dwarsrich-ting te verjongen. Dit resulteert in een slankere rand waardoor het gehele viaduct optisch slanker lijkt.De voegen zijn in aantal tot het noodzakelijke beperkt. De leuning en randconstructie zijn uitgevoerd in roestvast staal. Hierdoor kan een conservering achterwege blijven. Het RVS heeft een fraai uiterlijk en zorgt voor minder vervuiling in de toekomst. De keuzes resulteren in een duurzaam en onder-houdsvriendelijk ontwerp.

Tijdens het schetsontwerp zijn uiteindelijk drie varianten bedacht en uitgewerkt, met een afwijkende scheefstand van de kolommen:– verticale kolommen– kolommen onder een hoek van 45°– kolommen onder een hoek van 60°Het variëren met de scheefstand van de kolommen levert een

16_Meerhoven.indd 67 18-01-2010 20:04:29

Kunstwerken Meerhoven1 201068

len ontstaat een trekverbinding waardoor een beheersbaar ontwerp ontstaat.

De totale constructie (dekconstructie, onderbouw en paalfun-datie) is gemodelleerd in een 2D-raamwerkberekening in ESAPrimaWin. In deze iteratieve berekening zijn onder andere de hierna genoemde variabelen meegenomen. Deze hebben alle invloed op de krachtsverdeling in de gehele constructie:– gedrag van de fundering (horizontale beddingconstante en

verticale veerstijfheid);– stijfheid van de kolommen;– stijfheid van de koppelplaat (verbinding tussen de poeren van

de kolommen);– krimp en kruip van de dekconstructie (voorgespannen plaat);– hoeveelheid voorspanning;– voorspanverloop.

De verbinding van de kolom aan het dek is een kritisch punt in de constructie. In de bruikbaarheidsgrenstoestand is de voor-spanning zo bepaald dat de kromming ten gevolge van het eigen gewicht, asfalt en voorspanning boven het tussensteun-punt tot nul nadert (M ≈ 0). Hiertoe is de voorspanning met een derdegraads voorspanverloop iteratief berekend tot aan deze randvoorwaarde is voldaan. Door deze voorspanning ontstaan op andere plaatsen ongewenste trekspanningen. Om deze trekspanningen te compenseren is ook een centrische voorspanning aangebracht.

De voorspanning voor de dekconstructie is uitgewerkt in het programma ALP2000. De stijfheden van een aantal onderdelen (onder andere de kolommen en de kolomkop) zijn met behulp van M-N-κ-diagrammen bepaald. De horizontale beddingcon-stanten zijn iteratief vastgesteld op basis van de belastingen op de paalfundatie met behulp van een aantal Msheet-berekeningen.

Het complete rekenschema staat in figuur 2.

‘Oersebaan’De onderdoorgang Oersebaan is gesitueerd in het zandlichaam van de overgaande weg. De kruisingshoek tussen deze over-gaande en onderdoorgaande weg bedraagt circa 80 gon. Belangrijkste eis vanuit de gemeente was een slank aanzicht voor het onderdoorgaande verkeer, een strak uiterlijk en een fraaie randafwerking.De constructie bestaat uit een betonnen ‘tunnelconstructie’ met een open en een gesloten gedeelte. Gezocht is naar een opti-male doorsnijding van het zandlichaam.

Schetsontwerp en alternatievenDoor de aangereikte referentiebeelden lag de globale vormge-

met beton gevulde kolom niet op scheurwijdte hoeft te worden getoetst. Hierdoor kan met minder wapening worden volstaan.

Naast de kolommen zijn ook de randelementen en de leuning van de dekconstructie gemaakt van RVS. De driedimensionaal verlopende leuning was een uitdaging voor de staalleverancier. De leuning sluit aan bij de toegepaste leuning van enkele kunst-werken in de nabijgelegen omgeving binnen Meerhoven. Deze kunstwerken zijn in het verleden ook ontworpen door Wage-maker en Zwarts & Jansma.

Schematisatie en krachtsverdelingDoordat de kolommen onder een hoek zijn geplaatst in plaats van verticaal, wijzigt de krachtswerking van de kolommen van een op normaalkracht belast element naar een op buiging belast element. Dit heeft gevolgen voor de stijfheid van de constructie. De kolom heeft een diameter van 800 mm en is voorzien van 25 Ø32. Deze grote hoeveelheid wapening resul-teert in een kleine staafafstand. Om stortproblemen in de uitvoering te voorkomen is gekozen voor een aangepast mengsel met een maximale korreldiameter van 16 mm.

De scheefstand van de kolommen geeft spatkrachten op de fundering. Om de scheefstand van 60° te realiseren zijn de kolommen van de tussensteunpunten momentvast verbonden met de dekconstructie (in plaats van een traditionele oplegging met een oplegblok). Verder heeft de horizontale stijfheid van de poer invloed op de momentenverdeling in het dek. Door de poeren van de tussensteunpunten onder het maaiveld te koppe-

1 2schematisatie

rijdek

kolom kolom

paalfundering

koppelplaat

3 4

1 2 3 4schematisatie

2a

2b

16_Meerhoven.indd 68 18-01-2010 20:04:29

Kunstwerken Meerhoven 1 2010 69

2 Spottershill: schematisatie van constructie tot rekenmodel

3 Onderdoorgang Oersebaan: in het zandlichaam is een

‘appelboorvormige’ doorsnijding gemaakt

voorstelling te kunnen maken van de constructie, is een 3D-tekenmodel in AutoCAD uitgewerkt. Op deze manier is in het trapeziumvormige zandlichaam een ‘appelboorvormige’ doorsnijding gemaakt. Om het rechthoekige PVR passend te krijgen in de beschikbare hoogte van het zandlichaam is de ronde vorm omgewerkt in een ellipsachtige vorm bestaande uit drie op elkaar aansluitende cirkelbogen.

Het 3D-model verschafte veel inzicht over de snijlijnen tussen het grondlichaam en de onderdoorgang. Het model heeft gediend als basis voor het uitwerken van het detailontwerp.

Er zijn verschillende alternatieven uitgewerkt met verschillende constructieprincipes. De drie alternatieven voor de onderdoor-gang zijn:– stalen variant;– prefab betonnen variant;– in het werk gestorte variant.De gemeente heeft vanwege de esthetica gekozen voor de laatste variant.

ving van het kunstwerk al voor een groot gedeelte vast. De gemeente heeft aangegeven dat de vormgeving moet aansluiten bij kunstwerk 5 van ‘Flight Forum’. Tevens is door de gemeente een referentiebeeld van Wildwissel Terlet in de A50 bijgesloten. De architect omschreef de uiteindelijke vormgeving als volgt: “de architectonische visie van het kunstwerk komt overeen met appel-boor door een appel, een strakke doorgang door een talud” (foto 3).

Naast dit esthetische aspect is bij de vormgeving rekening gehouden met het profiel van vrije ruimte van de onderdoor-gaande weg. Op basis van het benodigde PVR (met afmetingen b x h = 5620 x 4700 mm) en het verticale alignement van de overgaande weg is gezocht naar de optimale vorm voor de doorsnijding van het talud.De dwarsdoorsnede is opgebouwd uit twee delen met elk een constante boogstraal (fig. 4). Hiervoor is gekozen onder andere in verband met de uitwerking van de bekisting.

Gezien de ronde vorm van de dwarsdoorsnede en het feit dat de kruisingshoek 80 gon bedraagt, resulteert dit in een lastige ruimtelijke vorm van de betonnen constructie. Om de juiste

3

16_Meerhoven.indd 69 18-01-2010 20:04:34

Kunstwerken Meerhoven1 201070

4 De dwarsdoorsnede is opgebouwd uit twee

delen met elk een constante boogstraal

5 De krachtswerking op de fundering is voor beide

gedeeltes tegengesteld gericht

6 De tandverbinding tussen beide wanden moet

de krachtsverdeling kunnen opnemen

7 Detaillering van het randdetail

De wanden van beide gedeeltes zijn wel gedilateerd. De wanden van het gesloten gedeelte zullen een andere verplaatsing hebben onder invloed van de belasting dan die van het open gedeelte. De horizontale verplaatsing van het open gedeelte zal onder invloed van de horizontale grondbelasting meer naar binnen bewegen. De kans bestaat, door verschillende vervormingen, dat de wanden van het open en gesloten gedeelte na verloop van tijd niet meer in één vlak liggen. De aansluiting van de verschillende gedeelten moet zo worden ontworpen dat dit wordt voorkomen.

Voor de koppeling is gekozen voor een tandverbinding tussen beide wanden. Hierdoor wordt het verschil in vervormingen tussen beide gedeeltes verhinderd. Deze verbinding moet de krachtsverdeling kunnen opnemen (fig. 6).

RanddetailDe onderdoorgang (zichtzijde) is afgewerkt met een stalen RVS rand. Het snijvlak tussen het talud en betonvorm zou een zeer scherpe hoek van het beton opleveren. Dit is niet te realiseren.De functies van deze rand zijn:– vergroting van de esthetische uitstraling van de onderdoorgang;– opsluiting grond- en grondwater;– weerstand bieden aan belastingen door grond, mensen en

vandalisme.

Belangrijke aandachtspunten tijdens het ontwerpproces van dit randdetail waren enerzijds de verschillende bevestigingen van de staalconstructie. Anderzijds was het van belang dat er geen discontinuïteiten tussen de betonvorm en stalen rand zouden optreden. Tijdens het ontwerp is verder veel aandacht besteed aan de maakbaarheid van het detail.

De stalen constructie bestaat uit een manchet en een rand. De manchet loopt in het verlengde van de onderdoorgang en de rand is onder een hoek geplaatst om te zorgen dat er geen grond in de onderdoorgang valt.

In de rand worden zogenaamde ‘stekels’ gemaakt die zorgen voor de stijfheid. De rand wordt opgedeeld in stukken van 3 m. Hiertussen komt een dilatatie, die de vervorming ten gevolge van temperatuur op kan vangen. In figuur 7 is de constructie weergegeven.

Constructief ontwerpOmdat de hoogte van het zandlichaam boven de boog mini-maal is, is het niet mogelijk de grond constructief te benutten. Hieruit volgt dat de volledige sterkte door de betonnen door-snede moet worden geleverd.

Schematisatie en krachtsverdelingHet kunstwerk kan worden verdeeld in een open en gesloten gedeelte. De overgang tussen open en gesloten wordt uitge-voerd met een dilatatie in de wanden. Het open en het gesloten gedeelte hebben een totaal verschillende krachtswerking: de krachtswerking en verplaatsing op de fundering ten gevolge van de permanente belasting is voor beide gedeeltes tegenge-steld gericht en verschillend in grootte (fig. 5).

Door de funderingssloven van de beide gedeelten in langsrich-ting te koppelen, wordt het effect van de tegengestelde verplaat-sing opgeheven. Door de koppeling in langsrichting kan de sloof worden gezien als een ligger waarbij de flankwapening van de sloof moet worden berekend als buigtrekwapening. De sloven worden dus niet gedilateerd.

tangent

C B

25.890+ NAP

1474

2729

3836

as k

unst

wer

k

1407

3158

gesl

oten

ged

eelte

bij w

andd

ikte

= 8

50

1407

300

5390

6797

R=3152

20.280+ NAP

1375201

2951

6875

R=11000

4

5

16_Meerhoven.indd 70 18-01-2010 20:04:34

Kunstwerken Meerhoven 1 2010 71

OersebaanIn de detailberekening voor Oersebaan is de wapening voor de verschillende onderdelen verder uitgewerkt. Aandachtspunt hierbij was de wapening voor de wanden. Er is rekening gehou-den met twee verschillende aspecten. Het eerste aspect is wape-ning in verband met verhinderde krimpvervorming. Daarnaast ontstaan er ‘spatkrachten’ in de schaalconstructie onder invloed van de krachtsverdeling in de constructie. Deze spatkrachten worden veroorzaakt door de verlopende schaalbreedte (het hoogste gedeelte is smaller dan de verbinding ter plaatse van de fundatiesloof). Verder is de tandconstructie uitgewerkt voor het oplegdetail tussen de wanden van het open en gesloten gedeelte. De gestelde eisen ten aanzien van vlakheid aan het betonopper-vlak (zichtzijde) hebben geleid tot een uitdaging voor de uitwerking van de bekisting. Het resultaat van een optimale begeleiding tijdens het ontwerp van de bekistingsconstructie was een minimale hoeveelheid toe te passen centerpennen.

Tot slotDoor in alle fasen van het ontwerpproces rekening te houden met de uiteindelijke uitvoering, zijn tijdens deze uitvoeringsfase geen onverwachte problemen meer aan het licht gekomen. Bij het uitwerken van de uitvoeringstekeningen is ook ter dege reke-ning gehouden met de praktische uitvoerbaarheid. Het gevolg hiervan was dat tijdens de uitvoering nauwelijks vragen zijn gekomen van de uitvoerende partij. De gemeente Eindhoven mag trots zijn dat de kunstwerken Spottershill en Oersebaan deel uitmaken van de infrastructuur in de wijk Meerhoven. ☒

FundatieDe ondergrond bij Eindhoven kent een gevarieerde opbouw. Afwisselend komen zand, leem, klei en gemengde lagen voor. Ook ter plaatse van deze kunstwerken is de ondergrond gevari-eerd en gelaagd van opbouw. Een fundering op staal is onder-zocht. Er zouden daarbij echter ongewenste krachten kunnen optreden als gevolg van zettingen. Daarom is bij beide kunst-werken gekozen voor een fundering op palen.In de ondergrond komen enkele lagen voor met een zeer hoge conusweerstand. Om problemen te voorkomen met zwaar heiwerk van prefab palen is gekozen voor buisschroefpalen. Deze palen hebben een realtief lage momentcapaciteit. Daarom zijn de spatkrachten op de fundering van beide kunstwerken zoveel mogelijk beperkt.

UitvoeringsfaseHet detailontwerp, bestaande uit de detailberekeningen en uitvoeringstekeningen (palenplan, vorm- en wapeningsteke-ningen), is aansluitend aan de besteksfase uitgevoerd.

SpottershillIn de detailberekening voor Spottershill is voor de dekcon-structie een 2D-plaatmodel in ESAPrimaWin uitgewerkt waarmee een gedetailleerde krachtsverdeling is bepaald. Op basis hiervan zijn de wapeningsmomenten en de wapenings-configuratie bepaald. Daarnaast is de benodigde splijtwape-ning achter de spankoppen vastgesteld. Een praktisch uitvoer-bare wapening is uitgewerkt op de wapeningstekeningen.

Naast de dekconstructie is ook voor de steunpunten een detail-berekening gemaakt. Vooral de aansluitdetails tussen de verschillende constructieve onderdelen waren een uitdaging. Dit was vooral van toepassing op de details waarbij van verschillende onderdelen veel wapening op geconcentreerde plaatsen bij elkaar komt. In sommige gevallen is ervoor gekozen gebruik te maken van beton met een kleinere korrelaf-meting.

● ProjEctgEgEvEnS

opdrachtgever Gemeente Eindhoven

directievoering Dienst Stedelijke Ontwikkeling en

Beheer Eindhoven / Wagemaker

architect Zwarts & Jansma architecten

constructief ontwerp / bestek Wagemaker

hoofdaannemer Ballast Nedam

wand geslotengedeelte

bitumen bandage aanbranden(b = 200 mm d = 2 mm)

250

20

1020

50

glij-folie

ACME20A voegprofiel

vleugelwand

wegzijde

grondzijde

20

var

var

325

100

225

RVS buis Ø 76-10 lengte variabel

maatvoering RVS rand haaks op taludhelling

zichtzijde RVS rand en manchet geborsteld parallel aan as kunstwerk; lasverbindingen geslepen en geborsteld

maatvoering RVS manchet haaks op betonrand var. 380/475

DEMU 3010-Ø 16/M20x565RVS 316 Ti, klasse 80

20 10

15

3010150

20050

10 60

6 7

16_Meerhoven.indd 71 18-01-2010 20:04:34