auteurs Jian Gong 1) Tongji University, Shanghai Construction Group Co., Ltd., Weijiu Cui, Yong Yuan 1) Tongji University Ononderbroken stort van 60 000 m 3 beton met beperking risico op scheurvorming 1) Dit is een vertaalde bewerking van een Engelstalige paper van Jian Gong\ , Weijiu Cui, Yong Yuan voor het fib-symposium 2017 in Maastricht. 1 Betonstort voor de fundering van de Shanghai Tower Uitgekiend stortplan voor funderingsplaat Shanghai Tower projectgegevens project Shanghai Tower ontwikkelaar/eigenaar Shanghai Tower Construction & Development Co. Ltd. (Shanghai, China) hoofdaannemer Shanghai Construction (Shanghai, China) architect Gensler (New York, Verenigde Staten) lokale ontwerporganisatie Architectural Design and Research Institute of Tongji University (Shanghai, China) adviseur constructies Thornton Tomasetti Inc. (New York, Verenigde Staten) Constructie Shanghai Tower Over het constructief ontwerp van de Shanghai Tower is in Cement 2016/5 het artikel 'Innovatieve constructie voor Shanghai Tower' verschenen. Dit artikel is beschikbaar op www.cementonline.nl. 4 VAKBLAD I 3 2017 4_Shanghai.indd 4 06-10-17 14:24 Ontwerp Shanghai Tower De Shanghai Tower valt op door zijn getordeerde vorm en vooral zijn hoogte (fig. 2)\ . Na de Burj Khalifa in Dubai (830 m) en Tokio Skytree (634 m) is dit het derde hoogste gebouw van de wereld (momenteel wordt gebouwd aan de Jeddah Tower in Saoedi-Arabië, die met meer dan 1000 m het hoogste gebouw zal worden). De toren in Shangha\ i beslaat een grondoppervlak van circa 30.000 m 2 en heeft een totaal vloeroppervlak van circa 580.000 m 2, waarvan zich 410.000 m 2 boven maaiveld bevindt en 170.000 m 2 onder maaiveld. Totale kosten bedragen circa 2,2 miljard Amerikaanse dollars. De 126 verdiepingen tellende toren (121 bovengronds en 5 ondergronds) \ is verdeeld in negen verticale, op elkaar gestapelde zones, met commerciële ruimten in het podiumge- deelte (zone 1), kantoren in de zones 2 tot en met 6, hotelkamers en appartementen in zones 7 en 8 en observatielagen in zone 9 (fig. 3). De zones worden gescheiden door twee installatieverdiepingen en een vluchtveilige verdieping. 3 De toren is verdeeld in negen verticale, op elkaar gestapelde zones 3 De toren is verdeeld in negen verticale, op elkaar gestapelde zones zone 9 zone 8 zone 7 zone 6 zone 5 zone 4 zone 3 zone 2 zone 1 I n grote massieve betonconstructies, ook wel massabeton genoemd, bestaat een verhoogd risico op scheurvorming. Dit is het gevolg van de hydratatie- warmte, die ontstaat na de chemische reactie tussen cement en water, en vooral de afkoeling. Door die afkoeling wil het beton krimpen, ook wel thermische krimp genaamd. Als deze krimp wordt verhin- derd, ontstaan er spanningen die als ze groter zijn dan de treksterkte van het beton tot scheurvorming leiden. De verhindering van de vervorming wordt veroorzaakt doordat het beton bij afkoeling al enigszins is verhard en dus niet vrij kan vervormen. Ook als beton Met 632 m hoog is de Shanghai Tower het hoogste gebouw in China en het op twee na hoogste gebouw ter wereld. Uitdaging was het beperken van de hydratatiewarmte en het risico op scheurvorming in de enorme ter plaatse gestorte funderings- plaat. Hiervoor was speciale aandacht nodig voor het beton- mengsel en het stortplan. tegen bestaand beton wordt aangestort, is er sprake van verhinderde vervorming. Temperatuurspanningen ontstaan ook door grote temperatuurverschillen over de doorsnede. Er wordt wereldwijd veel onderzoek gedaan naar het beperken van scheurvor- ming in massabeton. Diverse richtlijnen zijn er opgenomen in bijvoorbeeld Code for Construction of Mass Concrete [1] en Eurocode 2 [2]. Daarin zijn onder meer een maximale stortsnelheid en een minimaal interval tussen twee storts opgenomen om temperatuurontwikkeling te beheer- sen. Er wordt in de praktijk veel aandacht besteed aan het verlagen van de hydrata- tiewarmte en het beperken van de accu- 2 Locatie en omgeving van de Shanghai Tower, bron: Courtesy to Shanghai Tower 5 VAKBLAD I 3 2017 4_Shanghai.indd 5 06-10-17 14:24 mulatie van die warmte, bijvoorbeeld door koel leidingen in te storten of in lagen te storten. Deze maatregelen werken echter sterk kostenverhogend. Fundering De Shanghai Tower is gefundeerd op een dikke funderingsplaat. Gezien de enorme afmetingen is ook hier sprake van massabe- ton. Het betreft een cirkelvormige funderingsplaat (fig. 4) met een diameter van 123 m (fig. 5). De dikte van de plaat bedraagt 6,0 m, aan de randen afnemend tot 1,6 m. Het totale volume van de plaat bedraagt 60.000 m 3. Het beton voor dit constructieonderdeel moest in één continue stort worden aan- gebracht. Stortnaden waren niet toege- staan en ook koeling was niet mogelijk. Belangrijke uitdaging was het voorkomen van problemen ten aanzien van scheur- vorming. De oplossing is gevonden in een uur, niet boven de 65 °C uitkwam. De con- clusie van de proef was dat het mengsel geschikt was om daadwerkelijk toe te passen. De temperatuurontwikkeling in de funderingsplaat is vooraf gesimuleerd en uiteindelijk in het werk gemonitord. De gemeten waarden kwamen redelijk goed overeen met de berekende waarden (fig. 6). Alleen bij de piektemperatuur was er een klein verschil van maximaal 2 °C. Ook de sterkteontwikkeling van het toege- paste mengsel is beproefd op basis van drukproeven met kubussen. Waarden zijn weer gegeven in figuur 7. Hieruit volgde een 28-daagse kubusdruksterkte die tel- kens hoger was dan 50 MPa. Storten Uitgangspunt was dat de funderingsplaat binnen 60 uur moest worden gestort. Om dat te bereiken, is het stortplan nauwkeu- rig uitgewerkt. Er zijn zes betonmortel- centrales ingezet, met een totale capaci- teit van 1250 m 3/uur en 355 truckmixers, met een gemiddelde capaciteit van 8 m 3. Voor de betonstort is gebruikgemaakt van een groot aantal betonpompen waar- mee de funderingsplaat vanaf maaiveld- niveau werd gestort. Meestal vindt de stort bij dergelijke platen van de ene naar de andere zijde plaats. Door de grote afmetingen van de plaat zou die afstand in dit geval te groot worden. Daarom is gekozen in het midden te starten en zo naar buiten toe te werken. Er is bij de keuze voor het aantal en type betonpompen onderscheid gemaakt tus- betonmensgel met beperkte hydratatie- warmte en een uitgekiend stortplan dat een onafgebro- ken stort mogelijk moest maken. Betonsamenstelling Het belangrijkste doel van het mengsel- ontwerp was het beperken van de hydra- tatiewarmte. Er is gekozen voor een plaat- selijk geproduceerd cement met een relatief lage hydratatiewarmte van 220 kJ/ kg en 289 kJ/kg op respectievelijk drie en zeven dagen. Het mengsel bestaat naast portlandcement uit vliegas en slak (tabel 1). Dit heeft geleid tot een extra reductie van de warmteontwikkeling van 22,3% op drie dagen en 13,5% op zeven dagen. Om het cementgehalte bij een gelijkblijvende water-cementfactor te beperken, is een superplastificeerder (polycarboxylaat ether) toegevoegd. Dit resulteerde in een verdere reductie van de hydratatie- warmte van 37,3% en 24,6% op drie res- pectievelijk zeven dagen. Het mengsel moest een kubusdruksterkte hebben van 50 MPa op 28 dagen en een zetmaat van 180 mm. Voor een goed beeld van de prestaties van dit mengsel is een proefstort gedaan met een blok beton van 6,0 × 8,0 × 3,0 m 3. Uit metingen bleek dat de maximale tem- peratuur, die werd bereikt na 48 tot 72 megakolommegakolom kern funderingsplaatfunderingsplaat hoekkolomhoekkolom 103.500 6000 1600 123.000123.000 6000 1600 Tabel 1 Betonsamenstelling bestanddelen waarde wbf 0,36 water 160 l cement (CEM I 42,5) 240 kg slak (S95) 120 kg vliegas 80 kg zand 760 kg grind (5-25 mm) 1030 kg hulpstof (polycarboxylaat ether) 4,4 l 4 Horizontale doorsnede draagconstructie en aanzicht de cirkelvormige funderings- plaat 5 Langsdoorsnede funderingsplaat Massabeton Over massabeton is eerder in Betoniek Vakblad 2014/4 het artikel 'Massabe- ton, neem het niet te licht' versche- nen, naar aanleiding van een studie van Stufib en Stutech. Dit artikel is beschikbaar op www.betoniek.nl. 6 VAKBLAD I 3 2017 4_Shanghai.indd 6 06-10-17 14:24 sen mobiele en stationaire betonpompen. Mobiele betonpompen hebben veel flexi- biliteit en een hoge capaciteit maar het bereik is relatief beperkt. Voor dit project waren twee soorten mobiele pompen beschikbaar, één met een bereik van 56 m en één met een bereik van 48 m. Omdat de maximale stortafstand 61,5 m bedroeg (straal van de plaat), kon niet de volledige plaat met deze mobiele pompen worden gestort. Om het middelste gebied te bereiken, waren daarom ook stationaire pompen nodig, die een groter bereik hebben. Gebaseerd op het bereik van de verschil- lende betonpompen is de plaat ingedeeld in drie zones. De middelste zone 1, met een totaal volume van 880 m 3, de tussen- zone 2, met een volume van 10.150 m 3 en de buitenste, grootste zone met een volume van 48.950 m 3 (fig. 8). Er is gestart met het storten van het bin- nenste gebied met de stationaire pom- pen. Op het moment dat het beton het aangrenzende gebied bereikte, werd gestart met de volgende zone. Omdat de afscheiding van twee zones nooit exact recht is, liepen deze gedeeltelijk in elkaar over. Positie betonpompen De mobiele betonpompen met een bereik van 56 m zijn gepositioneerd op de vier platforms die binnen de cirkel zijn gelegen en die voorafgaand waren gebruikt voor het ontgraven van de bouwput. De overige pompen stonden rondom de cirkel. Mede gebaseerd op ervaring vertaald naar deze situatie, is gekozen voor zes stationaire betonpompen. De theoretische capaciteit van de beton- pompen bedroeg respectievelijk 40 m 3/u (stationaire pomp), 80-100 m 3/u (mobiele 56 m-pomp) en 60-80 m 3/u (48 m-pomp). De gemiddelde stortsnelheid zou niet onder de 1000 m 3/u mogen komen (gezien het doel 60.000 m 3 in 60 uur te storten). Met die gegevens is uiteindelijk gekozen voor acht mobiele 48 m-pompen. Daarmee bedroeg de stortsnelheid: Vs = Q 1 · N 1 + Q 2 · N 2 + Q 3 · N 3 = 40 · 6 + 80 · 4 + 60 · 8 = 1040 (m 3/u) 8 Het stortplan met stortzones en opstel- ling betonpompen 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 30 40 50 60 70 80 sterkteontwikkeling [MPa] leeftijd [dagen] No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 0 200 400 6008001000 20 30 40 50 60 70 temperatuur [°C] tijd [uren] gemeten gesimuleerd grens stortzone stortvolume zone 1: 900 m 3 mobiele 56 m-pomp mobiele 48 m-pomp stationaire pomp zone 2: 10150 m 3 zone 3: 48950 m 3 6 Warmteontwikkeling berekend versus gemeten 7 Ontwikkeling kubusdruksterkte van mengsel uit zes betonmortelcentrales 7 VAKBLAD I 3 2017 4_Shanghai.indd 7 06-10-17 14:24 Bij deze configuratie was de 60.000 m 3 beton dus in theorie in 60 uur te storten. Storten in de praktijk Tijdens het storten bleken de stationaire betonpompen niet helemaal aan de ver- wachtingen te voldoen. De flexibiliteit en de stortsnelheid vielen tegen. Om die reden zijn uiteindelijk vier extra 48 m-pompen geïnstalleerd in plaats van de zes stationaire pompen. Vanwege de grote verkeersdrukte kon de theoretische stortsnelheid toch niet wor- den gehaald. Voor de nabehandeling zijn plasticfolie en canvasdoeken gebruikt, in totaal vier lagen (van onder naar boven: folie-canvas-folie-canvas). Hiermee kon worden voorkomen dat het beton te sterk zou afkoelen aan het oppervlak. Uiteindelijk is de vloer in één continue stort van 63 uur gestort, zonder koe- ling. Voor zover bekend is dit de groot- ste continue betonstort ooit. Een uitgekiend mengselontwerp en een slim stortplan waren essentieel om dit mogelijk te maken. Uit de temperatuur- metingen bleek dat het risico op scheurvorming bovendien voldoende beperkt is gebleven. Literatuur 1 GB50496-2009: Code for Construc- tion of Mass Concrete. Beijng, China Plan Press, 2009. 2 Eurocode 2, Design of Concrete Structures, Part 1-1, General Rules and Rules for Buildings. British Standards Institution, 2004. Betontechnoloog BV: Test je kennis in 10 vragen Ex a m e n I eder jaar wordt de nieuwste lichting deelnemers aan de cursus Betontech- nologie (bte) van de Betonvereniging getoetst op haar kennis. Betoniek publiceert de examenresultaten, de vragen en de antwoorden. Zo kunnen ook anderen hun actuele kennis toetsen en ontstaat een beter beeld van het kennisniveau waaraan de hedendaagse betontechnoloog moet voldoen. Het examen van dit cursusjaar bevatte tien vragen, onder meer over een voor- gespannen verkeersbrug en de van toepassing zijnde milieuklasse. Het examen werd afgenomen bij 27 kandidaten. 17 kandidaten haalden een voldoende, wat neerkomt op een slagingspercentage van 63%. Uitwerkingen De vragen uitwerkingen van het Examen Betontechnologie BV zijn beschikbaar op www.betoniek.nl Mochten in dit examen termen voor komen waarover u meer wilt weten, kijk dan eens op www.betonlexicon.nl 1 Voorgespannen brug 8 VAKBLAD I 3 2017 4_Shanghai.indd 8 06-10-17 14:24