SCHILD VAN DIKKE BETONWANDEN EN ELEMENTEN IN ZWA ARBETON TOEGEPAST IN NIEUW R ADIOTHER APIECENTRUM ISAL A ZIEKENHUIS ZWOLLE Bestralingsbunkers PROJECTGEGEVENS Project Uitbreiding radiotherapiecentrum Isala ziekenhuis Zwolle Opdrachtgever Isala Constructief ontwerp Royal HaskoningDHV Uitvoering BAM Bouw en Techniek i.s.m. BAM Advies & Engineering Betonbouw bunkers en modulaire betonblokken Rook Bouw (Vollenhove) Leverancier beton Heidelberg Materials Beton (voorheen Mebin) 1 Overzicht van de bouw van de bunker Auteurs Stephan Kin, BAM Bouw en Techniek ? Eddy Holla, Royal HaskoningDHV ? Jacko Rook, Rook Bouw Isala 14 VAKBL AD 2 2024 14-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 1414-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 14 27-05-2024 09:2427-05-2024 09:24 D e afdeling Radiotherapie van het Isala ziekenhuis in Zwolle groeide van 1800 patiënten in 2008 naar 2800 patiënten in 2018. Ook de bestralingstechniek stond in die tijd niet stil. De gewenste nieuwe bestralings - toestellen pasten niet meer in de bestaande bestralingsruimte. Daardoor ontstond de behoefte aan een uitbreiding met twee nieuwe bestralingsruimten, die geschikt zijn voor geavanceerde medische technologieën. VOORBEREID OP DE TOEKOMST Bij aanvang van de bouwactiviteiten van de uitbreiding van het Zwolse Isala ziekenhuis was nog niet exact bekend welk type bestra - lingsapparatuur (zie kader 'Gamma Knife en MR-Linac') in de bunkers zou komen te staan. Het ontwerp van de bunkers is daarom zodanig gemaakt, dat het mogelijk is om alle, op dit moment beschikbare, bestralingstoestellen te plaatsen. DICHTHEID BETON De omgeving moet in alle gevallen beschermd worden tegen de hoogenergetische straling die de bestralingsapparatuur genereert (zie kader ' Tegenhouden straling'). Dit gebeurt door de constructie rondom het apparaat uit te voeren in beton. Daarbij worden onder meer eisen gesteld aan de minimale dichtheid van het beton. Ofwel de dikte van de wanden in relatie tot de volumieke massa van het beton. GAMMA KNIFE EN MR-LINAC In 2021 werd Isala het derde ziekenhuis in Nederland met een Gamma Knife, een innovatief bestralingstoestel voor precisiebestraling van onder andere hersentumoren en uitzaaiingen in de hersenen. Bij deze techniek komen een groot aantal bundels met een zwakke straling bijeen in ??n punt, waardoor ??n zwaartepunt ontstaat, die precies op een te behandelen gebied kan worden gericht. Niet de stralingsbundels, maar de pati?nt wordt bij deze techniek in de juiste positie gebracht. Bij andere, zogenoemde dyna - mische bestralingstechnieken bewegen juist de bundels en niet de pati?nt. Door de nieuwe, grote bunkers is de afdeling ook voorbereid op de eventuele komst van een MR- Linac (Magnetic Resonance Linear Accelerator). Dit is een combinatie van een MRI-scanner en een bestralingsapparaat (lineaire versneller). Een MRI-scanner maakt gedetailleerde beelden waarop het bij de pati?nt te behandelen gebied goed zichtbaar is, ook gedurende de bestralings - behandeling. De samenvoeging van beide func - ties maakt het mogelijk de bestraling gerichter te laten plaatsvinden, zodat gezond weefsel minder belast wordt en er minder bijwerkingen optreden. TEGENHOUDEN STR ALING De bestralingstoestellen (lineaire versnel - lers) die in de radiotherapie voor de behande - ling van kankerpati?nten worden gebruikt, produceren hoge dosissen ioniserende stra - ling. In de Kernenergiewet zijn normen opge - nomen waaraan stralingsniveaus buiten de bestralingsbunker moeten voldoen. Binnen het ziekenhuis mag de dosis die iemand kan oplopen in ??n jaar niet hoger zijn dan 1 mSv (millisievert). Op de terreingrens geldt een nog veel strengere limiet. Om dit te realiseren, is een verzwakking van de straling tot een fac - tor van circa 10.000.000 nodig. De constructie waarin de bestralingstoestellen staan, moet voor deze verzwakking zorgen. In grote lijn is de verzwakking voor r?ntgen - straling met deze energie evenredig met de dichtheid van het constructiemateriaal, uitge - drukt in volumieke massa (kg/m 3). Hoe hoger de dichtheid, hoe beter de bescherming. Vanuit kostenoverweging wordt vaak gekozen voor standaard constructiebeton (ca. 2350 kg/ m 3). Als hiervoor de ruimte ontbreekt, kan worden gewerkt met zwaarbeton. Regelmatig wordt barietbeton gebruikt. Bariet, met een dichtheid van 4480 kg/m 3, is een van de zwaarste, verkrijgbare steenachtige minera - len. Barietbeton heeft een dichtheid tot 3500 kg/m 3. De dichtheid van magnetietbeton is nog iets hoger (ca. 3800 kg/m 3). Grofweg kunnen de wanden door de toepassing van deze soort zwaarbeton circa 1,7 keer zo dun worden gehouden dan met normaal beton mogelijk zou zijn geweest. In Betoniek Vakblad 2016/1 verscheen al eerder een artikel over de toepassing van magnetietbeton in de bestralingsbunkers van het radiotherapiecentrum van HMC Antoniushove in Leidschendam. Het radiotherapiecentrum van het Isala ziekenhuis in Zwolle wordt uitgebreid met twee nieuwe bestralingsbunkers voor de behandeling van patiënten met tumoren. Bij de behandeling genereert de bestralings apparatuur hoogenergetische straling. Om de omgeving tegen deze straling te beschermen, worden de apparaten in bunkers met dikke betonwanden geplaatst. Grotendeels zijn deze wanden toegepast in een standaard constructiebeton. Op enkele plekken zijn modulaire elementen in zwaarbeton, met een volumieke massa van 3900 kg/m 3 of meer, geplaatst. Deze kunnen ook weer worden verwijderd, zodat de bunker kan worden aangepast op de specifieke (toekomstige) bestralingsapparatuur. De tot 1,5 m dikke vloer en het tot 1,6 m dikke dak bestaan uit een 500 mm dikke basislaag beton met staalwapening, met daarbovenop drie lagen praktisch gewapend beton 15 VAKBL AD 2 2024 14-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 1514-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 15 27-05-2024 09:2427-05-2024 09:24 SCHEURWIJDTE BEPERKEN Een ander belangrijk aandachtspunt is het voorkomen van stralingslekkages. Dat resul­ teert in strenge eisen aan onder meer het beperken van scheurwijdte in het beton ten gevolge van krimp. Dit betekent niet dat het beton nergens mag scheuren. De scheurwijdte moet wel worden beperkt en doorgaande scheuren moeten, evenals doorgaande naden, worden voorkomen. VARIANTEN Voor de uitvoering van de bunkerwanden zijn verschillende varianten overwogen, zoals gestort zwaarbeton, modulaire prefab blokken van zwaarbeton en standaard (en daardoor dikker) gestort constructiebeton. Uiteindelijk is er voor gekozen om de wanden in het werk te storten met een standaard constructiebeton, aangevuld met prefab elementen in zwaar­ beton op enkele locaties (fig. 2, rood gear ­ ceerde delen). OPBOUW VLOER De vloer van de bunkers is 1,5 m dik. De vloer is in vier lagen gestort. Dit is gedaan vanwege de specifieke vorm van de vloer, de gewenste maatvastheid van de sparingen en omdat de FFL00+0 FFLB1-1650 ø12-150 hrsp. ø16-150 ø12-150ø12-150 ø12-150 3x stekken ø16-150 3x stekken ø16-150 hrsp. ø12-150 ø12-150 ø12-150 3x stekken ø16-150 ø12-150 ø12-150 hrsp. ø12-150 hrsp. ø12-150 ø12 wapening volgens principe detail RB.01 ø12-150 ø12-150 ø12-150 ø12-150 ø12-150 ø12-150 ø12-150 -40 -700 -40 -400 -700 -400 ø12 ø12 hrsp. ø16-150 hrsp. ø16-150 hrsp. ø12-150 alle wandstekken, lengte 600mm vanaf peil hrsp. ø12-150 FFL00 +0 FFLB1-1650 hrsp. ø12-150 ø12-150ø12-150 ø12-150 3x stekken ø16-150 3x stekken ø16-150 3x stekken ø16-150 ø12-150 hrsp. ø12-150ø12-150ø12-150 wapening volgens principe detail RB.01 ø12-150 ø12-150 hrsp. ø12-150 -700 -400 -1040 -1040 -40 -700 zone non-ferro wapening zone non-ferro wapening hrsp. ø16-150 2x ø16-1502x ø16-150 hrsp. ø16-150 2x ø16-1502x ø16-150 hrsp. ø12-150 alle wandstekken, lengte 600mm vanaf peil FFL00 +0 FFLB1 -1650 D2 C2 BB A2 B2 ø16-150 ø16-150 ø12-150ø12-150 ø12-1503x stekken ø16-150 3x stekken ø16-150 3x stekken ø16-150 hrsp. ø12-150ø12-150 ø12-150 wapening volgens principe detail RB.01 ø12-150 -40 -1040 -400 -700 -1040 zone non-ferro wapening zone non-ferro wapening hrsp. ø16-150 2x ø16-150 2x ø16-150 hrsp. ø16-150 2x ø16-150 2x ø16-150 hrsp. ø12-150 hrsp. ø12-150 hrsp. ø12-150 41193681 44733233 alle wandstekken, lengte 600mm vanaf peil 1 : 50RB005R 1 : 50RB004R Algemeen- Maatvoering in mm. - Hoogtemaatvoering t.o.v. Peil. - Peil = +0000 = NAP - Gevolgklasse - Sparingen elders op te geven door ..... Renvooi +1,65 peilmaat dikte Symbolen SparingInkassing Staal (doorsnede) RCV...HB... Staal- Staalkwaliteit: profielen kokerprofielen buisprofielen - Bouten en moeren minimaal : - Ankers minimaal : - Lassen minimaal : nader uit te werken door de aannemer. M12 8.8 M16 4.6 a = 4mm 2 In rood de posities van de modulaire elementen in zwaarbeton vloerdelen onder de bestralingsapparatuur (fig. 2, in de linkerbovenhoek van beide ruim ­ ten) zonder staalwapening zijn uitgevoerd. De onderste 500 mm dikke basislaag is in één laag gestort en constructief gewapend met staalwapening voor een goede belasting­ afdracht naar de funderingspalen onder de bunkers (foto 3 en fig. 4). Daarbovenop (met uitzondering van de gang en de sparingen) is 1000 mm aan beton gestort in drie lagen (300 mm, 300 mm en 400 mm). Dit deel is praktisch gewapend. NON-FERROGEBIEDEN De vloerdelen zonder staalwapening, de zoge ­ noemde non ­ferrogebieden, voorkomen dat er storingen kunnen optreden bij de bestralings­ apparatuur. In plaats van staalwapening is hier kunststofvezelwapening toegepast, om scheur ­ tjes ten gevolge van verhardingskrimp beter te verdelen. Afgezien van deze vezels, is het beton ­ mengsel gelijk aan dat van de overige vloerdelen. De toegepaste vezels zijn hoogwaardige mo ­novezels voor constructieve toepassing. Deze zijn bij de betoncentrale in het mengsel 3 Constructievloer van de bunker 4 A: Horizontale doorsnede vloer met in oranje gearceerd de non ­ferro gebieden B: Plattegrond vloer met in oranje gearceerd de non ­ferrogebieden A B Stralingslekkages moeten worden voorkomen. Daarom zijn strenge eisen gesteld aan beperken van scheurwijdte in het beton ten gevolge van krimp 16 VAKBL AD 2 2024 14-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 1614-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 16 27-05-2024 10:3227-05-2024 10:32 verwerkt. Doordat de vloer is opgebouwd uit meerdere lagen, konden de lokale posities met vezelbeton worden gewaarborgd. Bij het stor- ten is per laag dusdanig veel vezelbeton aan - gebracht, dat de non-ferrogebieden sowieso vezels bevatten. Gedeeltelijk is het vezelbeton daarbij doorgelopen in het reguliere beton voor de met staalwapening gewapende vloerdelen. HYDR ATATIEWARMTE Vanwege de uitvoerbaarheid zijn de tot 2,0 m dikke betonwanden in één laag gestort. De volumieke massa van het beton mocht niet minder zijn dan 2350 kg/m 3. Bij deze uitgangs - punten was het de uitdaging om de hydratatie - warmte van het beton zo laag mogelijk te hou - den. Bij hoge temperatuurontwikkeling is de kans op scheur vorming ten gevolge van uithar - dingskrimp namelijk groter. Bij het ontwerpen van het betonmengsel is daarbij nauw samen - gewerkt met de betontechnoloog van Heidel - berg Materials Beton (voorheen Mebin). TEMPER ATUUR MONITOREN Voorafgaand aan de stort van de wanden is een temperatuursimulatie van het mengselontwerp uitgevoerd. Daarbij is rekening gehouden met de weersverwachting op de dag van de stort en de dagen erna. Ook is rekening gehouden met de afkoelingsperiode en het afkoelingsverloop van de wanden. Als criteria is aangehouden dat het verschil in temperatuur (? T) van de kern en de kistzijde van de wand, wanneer deze nog in de bekisting staat, niet groter mag zijn dan 15 °C. De simulatie gaf daarbij een maximale kerntemperatuur van 54 °C bij de dikste wanddelen. De temperatuurontwikkeling is tijdens de uit - hardingsperiode gemonitord. Daaruit is geble - ken dat deze binnen de gestelde criteria is gebleven. De maximale temperatuur in de kern bleef net onder de 50 °C, aan de kistzijde was deze 41 °C en de ? T is nooit groter geweest dan 11,4 °C (fig. 5). Als tijdens het monitoren was gebleken dat de buitenzijde van de wand te snel afkoelde, had dit kunnen worden ver - traagd door de bekisting te isoleren. Dat bleek echter niet nodig. Voor het bepalen van het moment van ontkis - ten speelt de omgevingstemperatuur een belangrijke rol. Dat moment is per wanddikte bepaald zodra het verschil in temperatuur (? T) tussen de omgeving (dag en nacht) en de kern van de wand kleiner was dan 10 °C (fig. 6). Deze strengere ? T (10 °C in plaats van 15 °C) is gekozen om een marge in te bouwen in verband met mogelijk grote verschillen tussen dag- en nachttemperaturen. In juli kan het namelijk vaak overdag warm en 's nachts fris zijn. De nabehandeling is tijdens het uitharden van het beton aangepast aan de hand van de waar - genomen uithardingstemperatuur. WAPENING WANDEN Hoewel de wanden van de bunkers vanwege hun dikte (tot 2,0 m) ook zonder wapening constructief sterk genoeg zouden zijn geweest, is toch staalwapening toegepast. Om de scheurwijdte ten gevolge van krimp te beperken, is zogezegd de hydratatiewarmte zo laag mogelijk gehouden. Maar ook de wape - ning ver vult deze functie vanaf het moment dat het beton aan de wapening hecht. Op basis van eerdere er varing met deze wand - constructies heeft de constructeur bepaald dat een horizontale wapening met een diameter van 16 mm met een hart-op-hart-afstand van 150 mm voldoet. Vertaald naar een (fictieve) schil van 200 mm is dat een wapeningspercen - tage van ? = (1340 mm 2)/(1000 ? 200) × 100% = 0,67%. De wapening wordt aan beide zijden van de wand toegepast. Bij de aansluiting van de vloer 5 Simulatie temperatuurontwikkeling bekiste toestand 6 Meten temperatuurontwikkeling voor het bepalen van het moment van ontkisten 17 VAKBL AD 2 2024 14-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 1714-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 17 27-05-2024 09:2527-05-2024 09:25 is sprake van verhinderde krimp door de aan- wezigheid van de vloer. Daar wordt horizontale wapening met een kleinere hart-op-hart- afstand van 100 mm toegepast. Dit is, vertaald naar een (fictieve) schil van 200 mm, een wape - ningspercentage van 1,0%. In het midden van de wand is eveneens wapening toegepast, hoewel dit voor het voorkomen van doorgaande scheu - ren theoretisch gezien niet nodig was (fig. 7). Aan de hand van deze gegevens heeft BAM Advies en Engineering scheurwijdtebereke - ningen gemaakt, waarna de definitief toe te passen wapening is vastgesteld. WANDSPARINGEN Een belangrijke eis van de opdrachtgever was een bunker te ontwerpen waarin diverse soor - ten bestralingsapparatuur kunnen worden geplaatst. Ook met het oog op vernieuwing van de apparatuur in de toekomst. Om die reden is bij beide bunkers één wand te openen, waar - door transport van de apparatuur mogelijk is. In deze wanden zijn trapsgewijze en taps toe - lopende sparingen van circa 3,1 × 2,6 m 1 aan - gebracht, die gevuld worden met elementen. Door deze vorm zijn er geen recht doorlopende naden tussen de bunkerwanden en de vullingen in de sparingen. Dit om stralingslekkages te voorkomen. De hoek waaronder de zijkanten en bovenkant van de sparingen zijn gemaakt, wijkt af van de hoek waaronder straling uit de bestralingsapparatuur komt. MODUL AIRE BLOKKEN In de wandsparingen zijn vullingen aange - bracht (fig. 8 en foto 9). Als eis gold dat de vullingen qua dichtheid minimaal gelijkwaar - dig moeten zijn aan de in het werk gestorte betonwand. Bovendien moesten ze modulair te plaatsen en in de toekomst weer te verwijde - ren zijn. Vanwege de beperkte ruimte en bouwlogistiek op de bouwplaats, zijn de blokken vooraf ver vaardigd bij Rook Bouw en later naar de bouwplaats getransporteerd en geplaatst. De prefab-betonblokken zijn gemaakt van hetzelfde beton als de in het werk gestorte wanden. Ter plaatse van de sparingen is de bunkerwand 1,6 m dik. Om modulaire plaatsing mogelijk te maken, zijn de vullingen opgedeeld in drie lagen, van elk vier betonblokken. Bepalend voor de opdeling was het plaatsingsgewicht en daarmee de hanteerbaarheid van de blokken. De blokken volgen de vorm van de sparing met een maximale speling van 10 mm. Per laag grij -pen ze in elkaar met liplassen, die zo zijn ont - worpen dat er geen recht doorgaande naden ontstaan. Ter plaatse van de liplassen zijn mechanische verbindingen ontworpen, zodat de blokken aan elkaar gekoppeld kunnen wor - den en in de toekomst eenvoudig van elkaar los zijn te maken. Voor het plaatsen van de blokken zijn speciale hijsvoorzieningen ontworpen en een bijbehorend hijsmiddel. DAK Het dak van de bunker is in grote lijnen het - zelfde opgebouwd als de vloer. De totale dikte van het dak is 1,4 tot 1,6 m dik. Ook hier is gekozen voor een 500 mm dikke constructieve basislaag in met staalwapening gewapend beton, met daarbovenop drie lagen praktisch gewapend beton, maar zonder kunststofvezels. Bij de stort van de constructieve basislaag (foto 10) is een rijpheidsmeting uitgevoerd om de sterkteontwikkeling van het beton te moni - toren ten behoeve van de toegepaste onder - stempeling. De onderstempeling was zodanig berekend, dat deze de belasting van de basis - laag en 50% van de overige lagen kon dragen. De basislaag moest minimaal 28 N/mm 2 aan druksterkte hebben om de belasting van de overige 50% te kunnen dragen. Naast de rijp - heidsmeting is ook een kubus gedrukt om deze sterkte aan te tonen. ELEMENTEN IN ZWA ARBETON Vanwege de specifieke stralingsafgifte per type apparaat, zijn op vier posities in de bun - 7 Verticale doorsnede wand met positie wapening 8 A: Horizontale doorsnede wandsparing met modulaire prefab-betonblokken B: Verticale doorsnede wandsparing met modulaire prefab-betonblokken A B 9 De modulaire prefab-betonblokken die de wandsparing vullen kunnen worden verwijderd, zodat de bestralingsapparatuur uit de bunker kan worden getransporteerd 18 VAKBL AD 2 2024 14-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 1814-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 18 27-05-2024 09:2527-05-2024 09:250029000E0013 0029000E 00290029002F0010 00250025 003A 0014 0016 0015 0014 0014 0014 0018 000E 000E 003A 0016005B 0016005B 0016005B 004B 0059 0059 0029 000E0013 0029 000E 00290029002F 0010 00250025 003A 0016 0015 0014 0015 0014 0014 0014 0014 000E 000E 003A 0016005B 0016005B 0016005B 004B 0059 0059 0014 000E 000E 003A 0029 000E 00250015 003A 0014 000E 000E 0014 0014 0014 0016005B 004B0059 0029000E 00250015 003A 0014 0018 0014 0014 000E 000E 0014 0016005B 004B 0059 0014 000E 000E 0014 003A 0014 003A 0014 003A MEER OVER ZWA ARBETON IN BETONIEK In februari 2023 verscheen Betoniek Standaard 17/13 ? Zwaargewicht over zwaarbeton. kers modulaire elementen in zwaarbeton toe - gepast (fig. 2, rode onderdelen) als aanvulling op de dikke wanden en vloeren in standaard constructiebeton. Het modulair kunnen plaat - sen en verwijderen van deze elementen was een eis vanuit de opdrachtgever. De zwaarbetonelementen zijn, net als de blok - ken in de wandsparingen, prefab gemaakt en opgebouwd uit meerdere blokken met spon - ningen en liplassen om doorgaande naden te voorkomen. De massa van de blokken in zwaarbeton is vergelijkbaar met die van de (dikkere) blokken in het standaard construc - tiebeton. Hierdoor kon worden volstaan met eenzelfde mechanische bevestiging tussen de elementen onderling en was er maar één hijs - middel nodig voor alle prefab-betonelementen in de bunkers (foto 11 en 12). Het zwaarbeton heeft een volumieke massa met als ondergrens 3900 kg/m 3. Dit is bereikt door het toepassen van MagnaDense (magne - tiet) als toeslagmateriaal. De uitdaging bij het zwaarbetonmengsel zat in het garanderen van de ondergrens van de geëiste volumieke massa. Vanwege de zware toeslagmaterialen vergde het verkrijgen van een samenhangend, niet-ontmengd betonmengsel bijzondere aandacht. De prefab elementen zijn liggend gemaakt. Alleen de bodem van de mal is daarom zwaarder uitgevoerd dan normaal. TOT SLOT Bij een project als de bestralingsbunkers in het nieuwe radiotherapiecentrum Isala ziekenhuis Zwolle is het belangrijk dat de opdrachtgever exacte kaders stelt waaraan de uitvoering moet voldoen. Als deze voor iedereen helder zijn, kan er geen discussie optreden en is er geen ruimte voor meerdere interpretaties. In dit project gold dat voor onder andere de eisen aan de naden en de ondergrenzen van de volumieke massa van het toe te passen beton. Deze exacte kaders hebben bijgedragen aan de goede samenhang binnen het hele uitvoeringsteam. 10 Het 1,4 tot 1,6 m dikke dak van de bunker wordt gestort in meerdere lagen Vanwege de specieke stralingsafgifte per type apparaat, zijn op enkele posities modulaire elementen in zwaarbeton toegepast, als aanvulling op de dikke wanden en vloeren in standaard constructiebeton 11 Zwaarbetonelementen worden als voorzetwand tegen de bunkerwand geplaatst 12 Doorgaande naden en mogelijke stralingslekken worden voorkomen door sponningen en liplassen in de blokken 19 VAKBL AD 2 2024 14-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 1914-BV 02_2024_Bestralingsbunkers Isala.indd 19 27-05-2024 09:2527-05-2024 09:25