A 3200 Ontwerpkeuze

Het ontwerpen in het algemeen is te karakteriseren als een interactieproces tussen verschillende betrokkenen met elk hun eigen taken, verantwoordelijkheden en kwaliteiten.

Opdrachtgever
De opdrachtgever is de initiatiefnemer van het bouwwerk en zal van daaruit vaak de gebruikerseisen formuleren. Deze worden samengevat in het zogeheten Programma van Eisen (PvE).

Het Programma van Eisen wordt normaliter door de opdrachtgever in samenspraak met zijn (bouw)adviseur opgesteld om de architect en de constructeur randvoorwaarden aan te reiken waaraan het ontwerp moet voldoen. Als eerste is daarin vermeld hoe groot het gewenste bruto vloeroppervlak (b.v.o.) is en waar de ontsluitingen komen te liggen. Daarnaast worden zaken als vrije verdiepingshoogte, stramienmaten en afmetingen van werkkamers of andere verblijfseenheden vastgelegd.

In het technische deel van het Programma van Eisen staan allerlei relevante eisen die aan het bouwwerk zijn te stellen in het licht van het toekomstige gebruik. Het bevat daarom zaken als de bij voorkeur te gebruiken bouwmaterialen, het aantal sanitaire voorzieningen, het afwerkingsniveau, de brandwerendheid, installatietechnische eisen, enzovoort. Voor de fundering zijn met name de wettelijk voorgeschreven of aanvullend geformuleerde eisen met betrekking tot nuttige vloerbelastingen van belang.

Na een haalbaarheidsstudie op basis van de beschikbare bouwbudgetten besluit de opdrachtgever het ontwerpproces te starten.

De opdrachtgever contracteert vaak de betrokkenen bij het ontwerpproces en zal over het algemeen ook zorg dragen voor de nodige procedurele zaken (vergunningen, grondaankoop, relatie tot eigenaren van belendende percelen, overheidsbemoeienis, enzovoort). Soms wordt deze taak aan een van de partners of een bouwmanagementbureau gedelegeerd.

Constructie-adviseur
De constructie-adviseur zal meestal in samenspraak met de architect de vorm en de exacte afmetingen van het bouwwerk vaststellen, waarmee de plaats en grootte van de op te nemen funderingsbelastingen grotendeels vastliggen.

De constructeur maakt de berekeningen van de draagstructuur of het skelet van het bouwwerk met alle daarop werkende belastingen zoals wind, sneeuw en gebruiksbelastingen. Over het algemeen weet hij alles over de krachtsafdracht van het gebouw, maar zelden is hij in staat om ook het funderingsontwerp te optimaliseren. Dit wordt dan ook vaak aan een specialist op dit vakgebied overgelaten.

Funderingsspecialist
De funderingsspecialist, ook wel grondmechanisch adviseur genoemd, heeft veel kennis van funderingssystemen en het gedrag van de ondergrond. Van daaruit is hij in staat om een verantwoorde keuze voor een fundering op staal of op palen te maken en vervolgens in een optimalisatieproces, in samenspraak met de constructie-adviseur, tot de meest economische uitwerking te komen. Hij begeleidt het uit te voeren bodemonderzoek en interpreteert de verkregen gegevens. Vervolgens kan hij de ontworpen fundering toetsen aan de eisen zoals die in de verschillende criteria gelden. Uiteindelijk zal ook hij het ontwerprapport inzake de fundering volgens NEN 9997-1 dienen op te stellen.

Kostendeskundige
De kostendeskundige treedt als adviseur op tijdens het ontwerpproces om al in een vroeg stadium te kunnen toetsen of de voorgestelde oplossingen financieel haalbaar zijn in het licht van de beschikbare budgetten. Het is duidelijk dat hij met name bij het afwegen van varianten een belangrijke rol vervult om op een verantwoorde wijze een goed ontwerp tot stand te brengen. Samen met de bestekkenschrijver, de calculator en tekenaars zorgt hij voor een geoptimaliseerd ontwerpresultaat in de vorm van bestek, tekeningen en een kostenraming.

Aannemer
De aannemer werd voorheen meestal alleen als uitvoerende partij gezien, die pas na het besteksstadium in beeld kwam. Door de moderne ontwikkelingen van het werken in bouwteamverband, de kwaliteitszorg volgens NEN-EN-ISO 9001 en vooral zijn vaak specifieke deskundigheid op het gebied van funderingen via de gecontracteerde funderingsbedrijven is zijn inbreng in het ontwerpproces meer en meer aan het groeien.

Hierbij valt ook te denken aan de tendens van het prestatiegerichte werken, waarbij een garantie wordt afgegeven voor de kwaliteit en het draagvermogen van de geleverde funderingspalen. Bij funderingen op staal moet hierbij gedacht worden aan specialistische technieken zoals diepteverdichting en bodeminjectie.

Vanwege de complexiteit van de te realiseren bouwwerken en het grote aantal participanten in het ontwerpproces is het gebruikelijk dit in een aantal stappen te doen en zo van globaal naar gedetailleerd te werken.

Per fase kan er een toetsing plaatsvinden om te zien of er met het beschikbare gegevensniveau voldaan wordt aan het Programma van Eisen, het kostenniveau en de geldende normen. De uitwerking en gedetailleerdheid van de gemaakte ontwerpberekeningen dienen daarbij ook afgestemd te worden op de gewenste nauwkeurigheid.

Bij bouwwerken wordt vaak de fase-indeling conform RVOI gevolgd. De RVOI is inmiddels vervangen door de DNR 2005. In de DNR-STB 2005 wordt een vergelijkbare fase-indeling aangehouden. DNR staat voor De Nieuwe Regeling. Dit document regelt de rechtsverhouding opdrachtgevers - architect, ingenieur en adviseur. STB staat voor Standaardtaakbeschrijving.

Voor zowel bouw- en waterbouwkundige werken als voor het vakgebied constructies wordt daarbij de volgende onderverdeling van het ontwerpproces gehanteerd:

Het ontwerpen van funderingen geschiedt binnen deze kaders, uitgaande van de ter beschikking komende gegevens van de ontwerpteampartners en de grondslagparameters.

In het VO zal er meestal op basis van een voorlopig grondonderzoek en beschikbaar archiefmateriaal een globaal ontwerp van de fundering worden gemaakt. Er is dan bekend of er op palen of op staal gefundeerd kan worden en er zijn indicaties over paallengten of aanlegdiepten. Op basis van deze ruwe informatie en globale kentallen kan er ook een indicatieve kostenraming gemaakt worden. Ook langlopende vergunningsprocedures ten behoeve van uit te voeren bemalingen enzovoort kunnen worden gestart.

In het DO is veelal het normale grondonderzoek uitgevoerd en zijn de resultaten van eventueel laboratoriumonderzoek beschikbaar. Het gewenste draagvermogen van stroken of palen is bekend en er kan een grondmechanisch advies worden opgesteld. Aan de hand van een dergelijk ontwerpadvies met informatie over draagvermogen per onderzoekslocatie is het ontwerp te verfijnen en kan een meer nauwkeurige prijsvorming gemaakt worden. Meestal wordt hierbij ook duidelijk dat er nog hiaten in de ontwerpinformatie zitten. Zo worden er vaak lokale verschillen in bodemgesteldheid aangetroffen, waarvan de verspreiding niet eenduidig vastligt. In deze fase wordt dan ook vaak besloten tot het uitvoeren van aanvullend (detail-)bodemonderzoek.

In de besteksfase is het gegevensniveau van zowel de bovenbouw als de grondslag en belendingen dusdanig hoog dat er heel gedetailleerd gerekend kan worden. In deze fase zullen de funderingsstroken en -poeren met hun afmetingen bekend zijn en is ook het palenplan met de optredende rekenbelastingen per paal of paalgroep onder een poer bekend. Ook allerlei bijzondere belastingen, zoals stabiliteitskrachten (palen onder windbokken of kernen bij hoogbouw) en horizontale belastingen bij randpalen enzovoort, zijn nu bekend.

In deze fase kan dan ook de wapeningshoeveelheid bij palen vastgesteld worden. Juist ten behoeve van het bestek is het een vereiste om inzicht te hebben in de bouwwijze en de uitvoeringstijd. Consequenties van het maken van een bouwput op de vervaardigingsmethodiek en het krachtenspel op palen dienen onderzocht te worden en in een werkbare bestekomschrijving te worden vertaald.

In de detailleringsfase ten behoeve van de uitvoering moet ten slotte het volgens NEN 9997-1 vereiste rapport inzake fundering (het ontwerprapport) worden opgesteld. Hierin zijn de noodzakelijke toetsingsberekeningen opgenomen op basis van de schematisering van bouwwerk en grondslag met de motivering voor de geotechnische categorie en de gebruikte parameters. Ook worden hierin aanbevelingen voor de uitvoering opgenomen.

Het toetsen van voorgestelde varianten van de aannemer op de uitgangspunten en eisen van het ontwerp is voor funderingswerken kenmerkend. Met name bij paalfunderingen kunnen er alternatieve paalsystemen aangeboden worden als besteksmatig voorgeschreven. Hierbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan in de grond gevormde palen in plaats van geprefabriceerde betonpalen.

De fase van de uitvoering van het werk is weliswaar niet een strikte ontwerpactiviteit, maar is door de grilligheid van de grondgesteldheid op de bouwplaats toch zeker van groot belang. Immers, tijdens de uitvoering van het graaf- en heiwerk blijkt meestal uit een kwaliteitscontrole van de aannemer of er in voldoende mate voldaan wordt aan de uitgangspunten van het funderingsontwerp. Met andere woorden: er moet antwoord komen op de vraag of de aangetroffen grondslag (vastheid, samenstelling en heiweerstand) ook die waarden heeft die in de toetsingsberekening aangehouden zijn. Bekend zijn de gevallen waarin er lokaal extra paallengte vereist is of zelfs palen bijgeplaatst moeten worden, terwijl bij funderingen op staal de exacte omvang en diepte van de noodzakelijke grondverbetering door ingesloten slecht draagkrachtige tussenlagen sterk van het bestek kunnen afwijken.

Grondslag
Een zeer belangrijke stap in het ontwerpproces van bouwwerken is altijd de keuze om op staal of op palen te funderen. Met name de dimensionering van de overgangselementen als poeren en funderingsbalken zijn sterk afhankelijk van de wijze van ondersteuning. Bij staalfunderingen is er een continue ondersteuning over de volle lengte met daardoor slechts geringe langsmomenten in de balken, waardoor er flink op wapening bezuinigd kan worden. Bij paalfunderingen zijn de balken puntvormig ondersteund, wat weliswaar met liggerprogramma's op starre steunpunten erg makkelijk en snel rekent, maar veel meer wapening in de balk vraagt. Het systeem is door zijn uitvoeringswijze minder afhankelijk van lokale 'tegenvallers' in de draagkracht van de grondslag en geniet bij veel bouwers juist hierom de voorkeur.

Om een eerste indruk te verkrijgen van de mogelijkheid om op staal te funderen is het van het essentieel belang inzicht te hebben in de draagkracht van de grondslag. De situering van het bouwwerk in Nederland kan daarbij als ruwe indicatie toch al een aardig beeld opleveren.

In de figuren A 32-1 en A 32-2 is een algemeen overzicht van de Nederlandse bodem weergegeven.

Figuur A 32-1
Bodemsoorten in Nederland (bron: SBR-publikatie nr. 273 (lit. 6))

In figuur A 32-1 is een kaartje van Nederland gepresenteerd met een geografische opdeling in 5 onderscheiden grondslagtypen. Over het algemeen kan ervan worden uitgegaan dat er bij zandgronden op staal kan worden gefundeerd; bij draagkrachtig, vervormingsarm zand met relatief hoge funderingsdrukken. Daar waar er vooral bovenin stoorlagen aanwezig zijn - in de zin van leem, silt en zelfs klei - is het met een grondverbetering economisch aantrekkelijk om laag- en middelhoogbouw op staal te funderen. De optredende zakkingen blijken in de praktijk al grotendeels in de bouwfase tot stand te komen en geven zelden aanleiding tot schade. Echte hoogbouw zal op palen gefundeerd moeten worden, waarbij de paallengten, door de aanwezigheid van stoorlagen tot op grote diepte, soms erg lang gekozen moet worden.

In rivierkleigebieden zijn van oudsher veel funderingen op staal gerealiseerd. De klei is relatief vast en de laagdikte is beperkt tot circa 5 à 8 m, waaronder meestal goed draagkrachtig zand aangetroffen wordt. Lichte bebouwing en bedrijfsvloeren kunnen ook nu nog op staal gefundeerd worden, mits de aanlegdrukken beperkt blijven en enige zakking wordt geaccepteerd.

Het is duidelijk dat in de gebieden met slappe klei/veen in West-Nederland vrijwel alles op palen wordt gefundeerd. In figuur A 32-1 wordt er ter afschatting van de paallengte nog onderscheid gemaakt in de dikte van het slappelagenpakket.

Teneinde ook een beeld te geven over de opbouw van de bodem is er in figuur A 32-2 ook nog een onderverdeling gemaakt in een dertiental profielen met een aantal markante verspreidingsgebieden, zoals deze ook bij het kaartje opgenomen zijn. In tegenstelling tot het zeer gedetailleerde, maar daardoor vaak ook zeer grillige beeld dat uit sonderingen ter plaatse afgeleid kan worden, geeft een dergelijk geschematiseerd bodemprofiel een algemene indruk van wat er aan grondslag mag worden verwacht. Ter completering is de globale maaiveldhoogteligging opgenomen, benevens de van belang zijnde grondwaterstanden.

Om ook indicatieve berekeningen van grondzakkingen, bijvoorbeeld als gevolg van ophoging van het terrein rondom een bouwwerk, te kunnen maken zijn per grondsoort representatieve waarden opgenomen voor het volumiek gewicht, de doorlatendheid en de gecombineerde samendrukkingsconstante volgens Terzaghi.

Gebouwschematisering
Niet alleen de draagkracht van de grondslag is van grote invloed op de funderingswijze, maar ook de constructieve opbouw van het bouwwerk zelf. Zo zijn uiteraard licht belaste houtskeletbouwwoningen veel eerder economisch voordelig op staal te funderen dan een hoog flatgebouw. Daarbij speelt met name de totale bouwmassa een rol, alsmede de afstand tussen dragende wanden en kolommen.

Oude woningen met veel dragende tussenmuren en houten vloeren zijn daarom veelvuldig op staal gefundeerd. De strookbelastingen bleven hierbij beperkt tot gemiddeld 40 kN/m¹. Moderne betonskeletwoningen met een traveemaat van 6,0 m daarentegen hebben bouwmuurbelastingen van globaal 150 kN/m¹.

Bij bedrijfspanden wordt de hoofddraagconstructie (stalen spanten met metalen dak- en gevelbeplating) veelvuldig op palen gefundeerd, waarbij de later te storten betonvloer direct op de bouwrijp gemaakte ondergrond wordt gefundeerd. Een zakking van 10 à 20 mm behoeft hierbij immers niet bezwaarlijk te zijn. Deze funderingswijze levert grote besparingen op.

Als vuistregel voor de afschatting kan ook de navolgende tabel gehanteerd worden. Deze is als zeer schematisch bedoeld, maar kan ontwerpers toch prikkelen om kritisch na te denken over de optimale funderingsvorm.

Meer in detail kan natuurlijk worden gesteld dat het toepassen van een volledig onderkelderd gebouw het funderen op staal veel eerder aantrekkelijk maakt door de te realiseren bouwputontgraving en alle consequenties vandien. De volgende aspecten zijn hierbij te noemen:

In het voorgaande zijn al veel zaken de revue gepasseerd die bij een funderingsontwerp aan de orde komen. Doel van dit handboek is steeds concrete handvatten te geven om uit het enorme scala van mogelijkheden (in deel B van het handboek worden tientallen paalsystemen beschreven!) op efficiënte wijze een optimale fundering te selecteren.

Er moet worden benadrukt dat ontwerpen veel meer is dan het uitrekenen van een draagvermogen bij een gegeven sondering. Het omvat het totale scala van factoren, zoals de keuze van het toepassen van slechts enige zwaar belaste elementen of juist het maken van veel licht belaste, meestal kortere palen en het beoordelen van de interactie tussen de grond en de constructie.

Het ontwerpproces is een intensief samenspel tussen constructeur en funderingsspecialist. Op basis van de deskundige advisering van deze laatste kan het soms aantrekkelijk zijn om een iets aangepast draagskelet voor de bovenbouw te kiezen. Vooral in grensgevallen kan er bijvoorbeeld door de toevoeging van een kelderlaag juist wel op staal worden gefundeerd. Ditzelfde geldt in sterke mate bij de bouwputproblematiek met al of niet blijvende damwandconstructies. Hier kan het economisch aantrekkelijk zijn om de grondkering ook een verticale draagfunctie te geven, waardoor er op funderingspalen kan worden bespaard.

Omdat het funderingsontwerp van project tot project geheel anders verloopt, kan er niet een universeel toepasbaar concept gepresenteerd worden dat bij gelijke omstandigheden een identieke fundering oplevert. Dit is te veel afhankelijk van marktfactoren en de lokaal aanwezige ervaring met een dergelijk funderingssysteem.

Wel is het mogelijk om in grote lijnen aan te geven hoe het ontwerpproces over het algemeen verloopt. Zonder al te veel in details te verzanden kunnen we wel een stapsgewijze aanpak beschrijven, waarbij echter de verschillende onderscheiden fasen van de RVOI niet eenduidig af te bakenen zijn. In figuur A 32-3 is hiertoe het algemene stroomschema opgenomen.

Figuur A 32-3 ()
Stroomschema funderingsontwerp

Meer gedetailleerde schema's zijn in A 3360 opgenomen voor een fundering op staal en in A 3445 voor een fundering op palen. Hier is tevens een compleet rekenvoorbeeld volgens NEN 9997-1 hoofdstuk 7 voor zowel avegaarpalen als geprefabriceerde betonpalen uitgewerkt. Dit voorbeeld omvat echter alleen het toetsingsdeel van het ontwerp. De keuzes met betrekking tot het niet toepassen van een fundering op staal zijn hierbij reeds gemaakt. Ook een variant met enkelpaals poeren is niet gepresenteerd, terwijl dit toch reëel tot de mogelijkheden behoort en de funderingspoer dan goedkoper uitvalt. Het zou echter te ver voeren om het gehele ontwerpproces voor te rekenen.

Volstaan wordt hier met het aangeven van het gangbare verloop. Daarbij is de fasegewijze terugkoppeling met een toetsing of aan alle eisen is voldaan eveneens weggelaten terwille van de duidelijkheid. Het schema pretendeert daarbij niet een expertsysteem te zijn, maar laat wel duidelijk zien welke stappen er genomen dienen te worden.

Vanwege de verschillende benaderingswijzen is er tot twee keer toe een hoofdsplitsing gemaakt. Allereerst de reeds besproken keuze voor een fundering op staal of op palen; ten tweede het verschil in ontwerp als het gebouw zal worden onderkelderd en de consequenties van het maken van een (diepe) bouwput.

Er wordt begonnen met het Programma van Eisen en de locatiekeuze. Hierna is een aantal algemene ontwerpgegevens te verzamelen en kan het voorlopige ontwerp gemaakt worden. Dit hoeft niet meer te omvatten dan het schetsen van het totaalplan qua layout en opbouw, met daaraan toegevoegd een aantal principe-details. Uiteraard kan ook het funderingsontwerp nog heel globaal zijn; er hoeft dan ook nog niet echt 'gerekend' te worden.

Nadat het budgettair akkoord bevonden is, wordt er in de DO-fase een serieuze uitwerking van het ontwerp gemaakt. De belastingen zijn nu qua orde van grootte voor de diverse maatgevende onderdelen vrij goed bekend, en er kunnen enige varianten voor de funderingswijze berekend worden, welke ook kostentechnisch te vergelijken zijn.

Met aldus de beschikking over definitieve belastingsgegevens kan er een concreet funderingsadvies worden gegeven. Dit houdt een nauwkeurige berekening per grondonderzoekslocatie in met de rekenwaarde voor de grondweerstand of de paaldraagkracht. Bij het uitwerken van een bouwput-ontwerp is dit nog aan te vullen met nader detailonderzoek naar de grondkerende constructie. Aan de hand van deze nadere berekeningen kunnen de procedurele vergunningen ontwerptechnisch onderbouwd worden aangevraagd. Uitgangspunt in deze DO-fase is dat alles in principe ontworpen maar nog niet in detail van kolom tot kolom uitgewerkt is. Het toetsen van het ontwerp met betrekking tot belendingen en algemene vervormingseisen is nu dus indicatief op te zetten (men onderzoekt enkele 'kritische plekken'). Ook deze fase wordt afgesloten met een interne toetsingsronde aan het budget en het voldoen aan het PvE door de opdrachtgever of zijn bouwmanager.

De detailuitwerking vindt in de besteksfase plaats. Hier wordt definitief voor een paalsysteem gekozen of wordt de omvang van de eventuele grondverbetering zo nauwkeurig mogelijk vastgesteld. Het extra grondonderzoek wordt geïnterpreteerd en de overgangen van de diverse grondlagen tussen de sonderingen in wordt aan de hand van een ruimtelijke verspreidingsanalyse zo nauwkeurig mogelijk ingeschat.

Juist nu komt het analyseren van zogeheten geotechnische profielen van pas; zie ook A 2100. Het is immers van groot belang om de ruimtelijke spreiding van de puntvormig verkregen informatie over draagkracht zo gedetailleerd mogelijk te kennen. Bedacht dient namelijk te worden dat de controle op de bouwplaats, zoals die bij geheide systemen door middel van het kalenderen nog gevonden wordt, bij grondverwijderende paaltypen (bijvoorbeeld een avegaarpaal) vrijwel geheel ontbreekt.

Het uitwerken van het funderingsontwerp bevat ook de berekening van allerlei bijzondere belastingen en/of belastingscombinaties zoals deze tijdens de bouwfase en de verdere levensduur van het bouwwerk te verwachten zijn. Aspecten als bouwtijd en werkvolgorde dienen goed ingecalculeerd te worden teneinde de financiële consequenties te kunnen beoordelen. De besteksfase wordt afgesloten met het maken van overzichtstekeningen en principedetails op basis waarvan de aannemer met de ter beschikking gestelde besteksteksten in de zin van algemene eisen (kwaliteitscriteria) en werkbeschrijvingen een reële begroting van de uitvoeringskosten kan maken.

Al tijdens de besteksfase dient ook een deel van de werkzaamheden ten behoeve van de detaillering plaats te vinden, om bij de start van de bouw over voldoende uitgewerkte tekeningen te kunnen beschikken. Dit houdt voor het funderingsontwerp het opstellen van het formele ontwerprapport van de fundering in. Dit stuk is in het licht van het Bouwbesluit nodig om controlerende instanties te kunnen laten verifiëren of aan alle veiligheids- en bruikbaarheidseisen is voldaan.

Zeker gelet op de start van het werk, met het ontgraven en maken van de fundering, is het van groot belang de juiste gegevens tijdig ter beschikking te hebben. Rekening houdend met de levertijd van bijvoorbeeld prefab-palen is het zaak om ook een aangeboden funderingsalternatief bij de aanbesteding zo snel mogelijk te hebben beoordeeld en dit alternatief dan eventueel in het ontwerprapport op te nemen.

Het ontwerpproces eindigt pas met de terugkoppeling van de tijdens de uitvoering van het werk verkregen gegevens over de grondslag en het vervormingsgedrag van het bouwwerk met de in het berekeningsmodel aangehouden waarden. Voor belangrijke bouwwerken en/of nieuwe paalsystemen kunnen proefbelastingen worden uitgevoerd om onzekerheden in aan te houden paalklassefactoren en het lastzakkingsgedrag te elimineren. Daarnaast kan er ook, tot ver na de oplevering, een monitoring van het langdurige zettingsverloop verricht worden. Dit geeft een basis voor het maken van betrouwbare funderingsontwerpen in nieuwe situaties.