Nagespannen gevel voor nieuwe Artesis-Campus

Begin september 2012 werd de eerste steen gelegd van de nieuwe campus van Artesis Hogeschool aan het Antwerpse Park Spoor Noord. Het project is een ontwerp van de architectenbureaus Poponcini & Lootens en Jaspers-Eyers & partners. De bijzondere gevel, volledig in architectonisch beton, neemt een erg prominente plaats in. Fabrikant van de gevelelementen, Verheyen Beton uit Arendonk, droeg met zijn kennis en ervaring heel wat bij tot de praktische uitwerking van dit bouwtechnologische hoogstandje (bron: FEBE).
 

De nieuwe campus zal plaats bieden aan 3500 studenten uit de professionele bacheloropleidingen bedrijfskunde, gezondheidszorg, technologie, lerarenopleiding en sociaal werk. Het ontwerp vertrekt vanuit een centrale groene patio met daarrond een nieuwbouw: een trapeziumvormige hoofdbouw aan de Noorderplaats (Italiëlei), een rechthoekige bouw aan de Ellermanstraat en een langgestrekte laagbouw aan de Noorderlaan. De Artesis Hogeschool investeert 64 mio € in dit project.


Een bijzondere gevel

De gevel van het hoofdgebouw kraagt volledig uit, zonder kolom eronder. De volledige gevel wordt opgehangen aan zware balken in het dak. Aan de gevelelementen in architectonisch beton worden consoles gestort die de vloeren opvangen. Het uitzicht van de gevel wordt bepaald door X- en V-vormige elementen, boven en onderaan afgeboord met dekstenen, banden en balken, allemaal in architectonisch beton. De benen van de X- en V-elementen variëren over het verloop van de gevel. Naar de overkraging toe openen de benen zich. De elementen veranderen om de 20 m, zodat er in totaal 8 verschillende types X-elementen nodig zijn.

De bovenste verdiepingen van het hoofdgebouw bestaan uit een structuur van betonnen wanden die één geheel vormen met een 80 cm dikke, zware dakplaat. Dit geheel vormt de draagconstructie waaraan de gevel en vloeren opgehangen worden. Naar beneden toe lopen de krachten in één rechte lijn over de verschillende benen van de X-elementen. Elke lijn moet zo een trekkracht van 500 kN opvangen, en dat met een sectie van 20 x 50 cm. Beton neemt echter beter drukkrachten op.
 

Technisch: 1ste voorstel

In een eerste voorstel van het studiebureau stabiliteit staat een zware en volledig ingebetonneerde staalstructuur in voor het opvangen van de trekkrachten. Aan deze structuur worden consoles gelast, met daarop profielen om de vloeren op te vangen. Stabiliteitstechnisch een aanvaardbare oplossing, maar met de kans op scheuren in het beton, wat vanuit esthetisch oogpunt uiteraard totaal onaanvaardbaar is.


Technisch: tegenvoorstel

Daarom doet Verheyen Beton in de aanbestedingsfase een tegenvoorstel om elk element afzonderlijk na te spannen in de fabriek. De elementen worden dan aan elkaar gekoppeld met een soort scharnier, twee metalen delen die in elkaar passen en waarin na de montage een pin geplaatst wordt om de elementen samen te houden. Ter afwerking wordt het geheel opgespoten met een epoxy. De voetplaat van de scharnier geeft tegelijkertijd de nodige steun aan de kabels voor de naspanning.

Deze oplossing is beter dan het oorspronkelijke voorstel: De naspanning van 750 kN kan ervoor zorgen dat zelfs het zwaarst onder trek belaste element nog steeds onder druk staat en geen scheurtjes vertoont. Voor de aannemer en ingenieur is dit een volkomen aanvaardbare oplossing. Toch blijft de scharnier een ingewikkelde en moeilijk te realiseren element, vooral omdat de toleranties erg beperkt zijn. Verheyen Beton blijft zoeken naar een betere oplossing en komen uiteindelijk met een erg innovatief, tweede tegenvoorstel op de proppen.


Innovatief: tweede tegenvoorstel.

Verheyen stelt voor om de volledige gevel op de werf na te spannen. In eerste instantie wordt erg sceptisch gereageerd, maar omdat zo de dure scharnieren komen te vervallen, krijgt het idee toch groen licht. De opeenvolgende benen van de X-elementen vormen een doorlopende lijn, weliswaar met een lichte knik omdat de opening van de elementen varieert. Dit kan technisch opgevangen worden. Op de hoeken zijn er elementen die niet opgevangen worden in deze rechte lijnen. Die worden er eenvoudigweg tussen gemonteerd, zonder naspanning.

Om het effect van de naspanning op de betonnen elementen te kennen, voert men controleberekeningen uit die rekening houden met krimp, kruip en de tijd. Die wijzen uit dat de elementen na verloop van tijd een vervorming zouden vertonen van 3,73 mm. Dit wordt opgelost door de elementen 3 mm groter te maken dan de oorspronkelijk ontworpen afmetingen, een vergroting van 1%.


Problemen en hun oplossing

Uiteindelijk zal elk X-element 4 stortkokers voor de plaatsing van de naspankabels meekrijgen, twee in elk been. Na het naspannen worden deze kokers opgespoten met een krimpvrije mortel. Om elk risico op luchtholten te vermijden, wordt de mortel onder druk van onder naar boven gespoten.

Hierdoor ontstaat probleem 1: op de voegen tussen de elementen zal een druk van 5 à 6 bar ontstaan, waardoor de mortel kan uitspuiten. Dit wordt opgevangen door het plaatsen van stalen drukplaten in de voegen. Die vangen de toleranties van de betonnen elementen grotendeels op. Voor alle zekerheid wordt rondom een rubber profiel geplaatst dat aan de hoge druk kan weerstaan.

Een tweede probleem ontstaat in het centrum van de X-en, waar de stortkokers elkaar kruisen. Die moeten naast elkaar doorlopen. De oplossing bestaat erin de gaines in het ene been meer naar buiten (op 11 cm van de buitenrand) en in het andere meer naar het midden (op 16 cm) te positioneren. Zo lopen ze mooi naast elkaar door.
 

In een eerste voorstel van het studiebureau stabiliteit stond een zware en volledig ingebetonneerde staalstructuur in voor het opvangen van de trekkrachten.

Het verloop van de werken

Hoe zullen de werken uiteindelijk verlopen? Bovenaan worden de V-elementen aangestort aan de zware dakplaat die nodig is om alle krachten op te nemen. Bovenop de V-elementen wordt, na de montage, de vijzel geplaatst voor de naspanning van het geheel.
Onderaan wordt eerst een balk onder het onderste V-element geplaatst. Die wordt mee nagespannen, zodat ze één geheel vormt met de rest van de gevelconstructie. Deze balk vormt een soort console die via een profiel aangestort wordt aan de vloerplaat. Op de hoeken worden twee elementen samen gebracht.

De montage van de gevel verloopt dus als volgt:
1. Eerst worden de balken onderaan geplaatst
2. Daarop komen de onderste V-elementen
3. Daarna de X-elementen
4. De bovenste V-elementen sluiten de gevel af
5. De gevel wordt in zijn geheel nagespannen
6. Dan wordt de dakplaat aangestort en nagespannen
7. Tenslotte worden de stutten onder de vloeren verwijderd

De gevel van de nieuwe Artesis hogeschool is een opmerkelijk ontwerp, met een uitzonderlijke grote uitkraging. Voor de realisatie werd heel wat kennis bijeengebracht. Door tijdens de aanbestedingsfase de volledige constructie kritisch te bekijken en op zoek te gaan naar een economisch meer rendabele oplossing, realiseerde de prefabrikant een belangrijke besparing.

Verscheen eerder in BETON, Tijdschrift van de Federatie van de Betonindustrie (FEBE).