Bij hoogbouw denk je aan heimachines, bouwkranen, betonpompen en staalbouwers. Maar dat zal veranderen, als de plannen ten aanzien van duurzaamheid en circulariteit worden waargemaakt.

Auteur Jan van der Windt

De wens om in hout te bouwen

Als we naar de klimaatdoelen kijken biedt het bouwen in hout tal van voordelen. CO2 wordt bij de groei van bomen in hout opgenomen. De in langdurig geconserveerd hout opgeslagen hoeveelheid CO2 heeft een positieve invloed op de totale emissie. Voorwaarde is wel dat het hout uit een goed beheerd bos komt waarin de aanplant van bomen is gegarandeerd.

Het in de bouw toegepaste hout dient in vergelijking met een natuurlijk bos ongeveer 200 jaar CO2 vast te houden. Als daaraan wordt voldaan kun je spreken van CO2-neutraliteit. Voorts is de vraag van belang wat de functie van hout wordt na de levensduur van de gekozen toepassing. Vanwege de verwachte lange gebruiksduur is het toepassen van hout in hoogbouw zeer gewenst te noemen.

Geen vreemde gedachte

Bouwen in hout is geen vreemde gedachte. Eeuwen lang was het bouwmateriaal hout in de Westerse wereld dominant ten opzichte van andere bouwmaterialen.

Tot de grote brand in Londen (1666) was het in Europa gebruikelijk om in hout te bouwen. Daarna werden steeds meer steenachtige materialen toegepast. In de 18^e eeuw werd met behulp van kolen overgegaan op de productie van ijzer en staal. Voor grote overspanningen bleken staalconstructies zeer geschikt te zijn.

In de Verenigde Staten daarentegen werd in de negentiende eeuw het bouwvolume opgeschroefd door middel van de industriële aanpak van houtbewerking en houtbouw. De grote stadsbranden in Chicago en San Francisco zorgden ervoor dat in de steden meer steen werd toegepast.

De bijzondere bouwdelen van de grote panden werden in Nederland tot eind 19e eeuw voornamelijk in hout geconstrueerd. Goede voorbeelden uit die tijd zijn casco’s van grachtenpanden, daken van kerken en houten spanten van grote boerderijen.

Huidige stand van zaken wereldwijd

In de noordelijke landen vindt veel bosbouw plaats en wordt houtbouw op grote schaal toegepast. In 2019 werd 90 % van familiehuizen in de Verenigde Staten in ‘wood-frame systems’ gebouwd. Canada, Zweden, Noorwegen en Finland bereikten hetzelfde percentage.
In Denemarken lag het aandeel van houtbouw op 10%, in Duitsland op 13,9% en in Nederland op slechts 2,9%. Gezien de tijdgeest en de omslag in bouwcultuur zal dit laatste percentage vermoedelijk snel stijgen.

Het bouwen van eengezinshuizen is wat houtbouw betreft laaghangend fruit. De bouwmethode van houtskeletbouw wordt al enkele decennia in Nederland toegepast. De industrie kan eenvoudig opschalen en meer woningen per jaar realiseren. Dankzij deze bouwmethode kan een groot deel van de woningen fabrieksmatig worden geproduceerd. Door hout toe te passen in eengezinshuizen is een grote bijdrage geleverd aan het doel van 900.000 woningen in 2020. Houtbouw biedt bovendien mogelijkheden om steden te verdichten. Door deze lichte bouwwijze kunnen bestaande gebouwen gemakkelijk worden opgetopt.

De productie van houten elementen vindt steeds vaker haar weg in gebouwen met meerdere verdiepingen. Het innovatieve product CLT (Cross Laminated Timber) is hier verantwoordelijk voor. In het Nederlands spreken we van kruislaaghout. Dit bestaat uit planken met een dikte van 20 tot 40 mm die kruislings op elkaar worden verlijmd. Hoogbouwprojecten in CLT zijn al gerealiseerd. Bekende voorbeelden zijn het project Haut in Amsterdam en enkele projecten in Bergen en Brumunddal (Noorwegen).

De langdurige opslag van CO2 en de ontwikkeling van het product CLT bieden een goed uitgangspunt voor hoogbouw in hout of Timber. Hierbij spelen verschillende factoren een rol die nadere uitwerking en studie behoeven. Daartoe behoren constructieve en bouwfysische eisen, alsmede eisen ten aanzien van brandveiligheid.

De ontwikkelingen in Rotterdam

In Rotterdam zijn de laatste jaren diverse plannen ontwikkeld voor hoogbouw in hout. De plannen die het meest aan de weg timmeren zijn Tree House door PLP architecture op het Delftseplein en Sawa door Mei architecten in de Lloydstraat. Het is interessant om na te gaan welke beslissingen in het ontwikkelproces van deze projecten zijn genomen.

Bij hoogbouw in hout verwacht je niet dat hout met andere constructiematerialen zoals beton en staal wordt gecombineerd. Deze combinatie of hybride oplossing wordt door voorstanders van “hout is de norm” al snel als minder zuiver ervaren. Bij hoogbouw is een hybride oplossing echter onontkoombaar vanwege de eisen waaraan draagconstructie en gevels dienen te voldoen.

De ontwikkelaar van een project is in de eerste plaats verantwoordelijk voor een gebouw dat voldoet aan de eisen van de toekomstige gebruikers en de veiligheid daarvan. Beide Rotterdamse projecten hebben hun eigen kenmerken en ontwerpoverwegingen.

Uitgangspunt is: “In hout wat kan, in beton wat moet.” Voor beide projecten is in de eerste ontwerpronde de keuze gemaakt om een aantal onderdelen in beton uit te voeren. Het funderingsontwerp en de stabiliteitsberekeningen gaven hier aanleiding toe.

Tree House, Delftseplein

Over het project Tree House sprak ik uitvoerig met architect Ron Bakker, medeoprichter van PLP architecture in Londen. Vanwege mijn verblijf in Charleston, South Carolina en Ron in Londen spraken we elkaar via Zoom op een voor beiden geschikt tijdstip.

PLP architecture werkt samen met ZUS (Zones Urbaines Sensibles) uit Rotterdam aan de totstandkoming van het project. Terwijl PLP architecture het gebouw ontwerpt probeert ZUS de verbinding met de stad te verstevigen. De naam Tree House is gekozen omdat een boom op vergelijkbare wijze afhankelijk is van zijn omgeving en omgekeerd de omgeving op haar beurt beïnvloed wordt door de boom.

Energie stromen, PV panels, energie-onttrekking uit en energieopslag in grondwater, uitwisseling van CO2 en O2, regenwatergebruik voor verschillende doeleinden, groenvoorziening aan de gevels, ecosystemen voor vogel- en insectenpopulaties op de terrassen van het gebouw: dit zijn de kenmerken waaraan het te realiseren gebouw zijn naam dankt.

Het gebouw bestaat uit de stedenbouwkundig verplichte plint van 7 bouwlagen, waarop een toren van 30 verdiepingen staat. Tussen plint en toren bevindt zich een overgangsconstructie die de dichte draagstructuur van de toren overdraagt op de grotere kolomafstanden in de plint. De hoogte van het complex wordt 133,50 meter.

Voor het Tree House zijn in het eerste constructief ontwerp de fundering en de plint uitgevoerd in beton, de overgangsconstructie tussen plint en toren in staal en de torenplattegronden in hout (ofwel Timber). De verdiepingen in Timber zijn gemaakt met CLT-vloeren en wanden, de balken en kolommen van gelijmd hout.

Voor de stabiliteitskern met de liften, trappenhuizen en leidingschachten is beton gebruikt. Dit is in vrijwel alle hoogbouwplannen boven een hoogte van 80 meter het geval. Het vertalen van stabiliteitskrachten in een houtconstructie vergt kolommen en diagonalen van grote afmetingen met zeer complexe verbindingen. Vanwege de hoge kosten in vergelijking met een kern van beton is dat niet haalbaar.

Bij hoogbouw van deze omvang is het van belang om na te gaan tot op welke diepte de funderingspalen moeten worden geschroefd. Tussen 17 en 35 meter onder maaiveld is een eerste draagkrachtige zandlaag aanwezig, onder deze laag bevindt zich een samendrukbare laag van 18 meter dik. Alle (betonnen) gebouwen in Rotterdam tot een hoogte van ongeveer 100 meter zijn op de eerste zandlaag gefundeerd, de palen zijn ca 27 meter lang. Bij hogere gebouwen is het meestal noodzakelijk om op de tweede zandlaag (vanaf 50 meter diepte) te funderen, de palen bereiken dan een diepte van ca 62 meter. Door gebouwen voor een groot deel in hout te construeren komt de 100 meter grens hoger te liggen. Voor de 140 meter hoge Tree House is funderen op de tweede zandlaag noodzakelijk.

Constructief ontwerp van wanden, vloeren en kolommen in Timber

Het constructief ontwerp in Timber dient aan vele eisen te voldoen. Op een standaardverdieping van Tree House komen 11 tot 12 appartementen. Vanwege het contactgeluid kun je twee appartementen niet op een doorlopende vloeroverspanning positioneren. Geluidsreducerende voorzieningen zijn in dat geval ontoereikend. De vloervelden dien je ter plaatse van een woningscheiding te dilateren en bij de opleggingen te ontkoppelen.

Uit constructief oogpunt is dit opgelost met behulp van kolommen waarop een dubbele balk is toegepast. De vloer van het appartement rust op een van deze balken. Tussen de kolommen zijn CLT-wanden geplaatst. De kolommen hebben vanwege de luchtgeluidreductie en de brandwerendheidseisen een vierkante doorsnede en grenzen aan twee appartementen.

Het constructief ontwerp moet behalve op de krachtwerking inspelen op eisen van geluid en brandwerendheid. Voor de scheidingen van de vele appartementen per verdieping zijn de Timber kolommen op relatief kleine afstanden geplaatst. Doordat de kolommen zich presenteren als verdikkingen in de wanden, laat de ruimtelijkheid van de appartementen echter te wensen over.

Het toepassen van gelijmde houten kolommen vormt een constructieve uitdaging. Bij hybride oplossingen (hout/beton) moet vanwege de verschillende materiaaleigenschappen rekening worden gehouden met vervormingsverschillen. Een houten kolom wordt korter als deze langdurig verticaal wordt belast. Door het gewicht van de vele verdiepingen is de indrukking van de gestapelde houten gevelkolommen over de gehele hoogte van het gebouw vele malen groter dan die van de betonnen kern, met als gevolg dat de vloeren na verloop van tijd scheef komen te liggen.

Uiteindelijk waren dit twee belangrijke redenen om een alternatief voor het ontwerp in Timber te ontwikkelen. Hierin zijn de betonnen kernwanden doorgetrokken naar de gevels en zijn gevelkolommen in beton toegepast. Zie figuur .. Het ontwerp met naar de gevel doorgetrokken betonwanden, betonkolommen en betonvloeren voldoet vele malen beter. Het is dan wel minder spannend maar komt tegemoet aan het uitgebreide pakket van eisen.

Geluidsreductie tussen woningen en brandveiligheid

De opdrachtgever stelde strengere geluidseisen dan de Nederlandse normen aangeven. Door betonvloeren toe te passen is voor meer massa gekozen. Het gewicht van de vloeren reduceert het luchtgeluid. Op de vloeren is een zwevende dekvloer toegepast om het contactgeluid te verminderen. De woningscheidende wanden zijn deels in beton uitgevoerd, de dikte ervan voldoet aan de geluidseisen. Op de plaatsen waar CLT-scheidingswanden komen, zijn aan beide zijden van de wand geluidsreducerende voorzetwanden toegepast. Deze zijn bekleed met gipsplaten die de brandwerendheid tussen de woningen garanderen.

Gevelmateriaal

Voor het gevelmateriaal van Tree House is gekozen voor een biobased materiaal. Je zou verwachten dat ook hier voor hout was gekozen, maar dat is niet het geval. In een gevelontwerp dien je meerdere aspecten af te wegen. Het gebouw ligt op een gevoelige locatie wat betreft externe veiligheid. Het railverkeer passeert op korte afstand en kan brandbare stoffen bevatten. In bepaalde scenario’s veroorzaakt de lekkage hiervan een plasbrand die een bedreiging voor het project oplevert. De gevel dient derhalve aan de hoogste brandklasse te voldoen. Een uit suikerriet vervaardigde biohars voldoet aan deze eis. Een bijkomend voordeel is dat de CO2 opslag in dit materiaal is gegarandeerd, terwijl dit bij hout sterk afhankelijk is van de juiste toepassing. Voor het isolatiemateriaal van de gevel is gebruikgemaakt van PET-flessen die door OceanCleanup zijn verzameld en gerecycled.

Sawa, Lloydstraat

OverSawa spreek ik met constructeur Rob Doomen die projectverantwoordelijke is bij Pieters Bouwtechniek in Delft. Kennis met betrekking tot bouwen in hout bouw je via het uitvoeren van projecten op, aldus Doomen. Zo heeft Pieters bouwtechniek eerder gewerkt aan de houtconstructie van het Koning Willlem I College te Den Bosch.

Sawa is terrasvormig opgebouwd en heeft gevels met veel glas. Het bijzondere van dit project is voorts dat de houtconstructie binnen in de appartementen in het zicht dient te blijven. Dit vormt een belangrijk ontwerpuitgangspunt van architect Robert Winkel en ontwikkelaar Nice Developers.

Op de begane grond bevindt zich de parkeergelegenheid, op de eerste verdieping ligt het Dek. Het gebouw heeft een hoge terrasvormige vleugel met 16 bouwlagen en een laagbouwvleugel met 5 bouwlagen. Het Dek geeft uitzicht op de rivier. Om dat te versterken is onder de hoge vleugel een onderdoorgang opgenomen. De fundering en de draagconstructie van het Dek zijn met het oog op de belastbaarheid (tuin) in beton uitgevoerd.

Bij Sawa is gezien de hoogte direct besloten om een prefabbeton kern te maken in het bouwdeel dat het hoogste doorloopt. Door de terrasvorm kan deze kern niet centraal in de plattegrond worden geplaatst. Daardoor grijpt de windbelasting excentrisch op de betonkern aan. Om dit op te heffen werkt de betonkern samen met de houten vakwerken in de woningscheidende CLT-wanden. De wanden met de grootste afstand tot de kern leveren de belangrijkste bijdrage in het opnemen van de excentriciteit. Vanwege de terrasvorm liggen deze wanden verspringend in de plattegrond: hoe lager in het gebouw, hoe verder ze van de kern af zijn gesitueerd.

De samenwerking tussen kern en houten wanden veroorzaakt horizontale krachten in de vloeren. Deze zijn daarom als onvervormbare schijven uitgevoerd. De krachten worden door koppelingen in de vloeren langs de gevels naar de kern afgevoerd. In de mockup is te zien dat voor deze doorkoppelingen stalen strippen zijn gebruikt.

De vloeroverspanningen bedragen zes meter, overeenkomstig de breedte van de woningen. De CLT-vloeren zijn 240 mm dik en zijn opgelegd op balken van 600 x 520 mm. Deze balken liggen op kolommen van 600 x 600 mm. In eerste instantie waren de kolommen in de onderbouw 760 x 760 mm en hoger verlopend naar 600 x 600 mm. De houtleverancier heeft vervolgens in de onderbouw kolommen in beukenhout voorgesteld. Dat hout is ongeveer drie maal zo sterk als vurenhout dat doorgaans wordt gebruikt. Vervolgens zijn alle kolommen 600 x 600 mm gemaakt.

Een bijzonder detail bij Sawa is dat de balken de gevelkolommen moeten kruisen wil je de balkons op een uitkragende balk kunnen leggen. De Duitse houtleverancier stelde voor om de kolom ter plaatse van de vloer door te laten lopen en de balken aan weerszijde van de kolom te koppelen met ingelijmde stalen staven. Deze verbindingsmethode is echter niet gecertificeerd, ook niet in het land van herkomst, en diende te worden aangepast.

Op een aantal andere punten heeft de leverancier na het eerste ontwerp van Pieters zijn eigen details ingebracht waarmee kosten konden worden bespaard. Deze detaillering voldeed echter niet geheel aan de eisen van de Nederlandse norm ten aanzien van een tweede draagweg. Tweede draagweg wil zeggen: als een willekeurige kolom of dragend element niet meer functioneert (door welke oorzaak dan ook) dient de draagconstructie de functie van het betreffende onderdeel over te nemen zonder dat een voortschrijdende instorting zal ontstaan.

Pieters heeft vervolgens samen met de leverancier de details aangepast. De balken lopen nu door over de gevelkolommen. De zware kolombelasting kun je echter niet op de langsrichting van de balken plaatsen, aangezien de opneembare drukspanning van langshout te gering is. Hout kan alleen een relatief hoge druk- of trekspanning aan, indien de kracht evenwijdig loopt aan de houtvezels. Loodrecht op de houtvezels is de belastbaarheid echter beperkt en zal het hout onder druk (te) veel vervormen.

Het kruisen van de gevelkolommen en de balken is uiteindelijk opgelost door ter plaatse van de kolommen in de balk ronde stalen staven op te nemen die de verticale belasting doorgeven aan de onderliggende kolommen.

Geluidsreductie in Sawa

Ten behoeve van de geluidsreductie tussen de woningen is massa nodig en daarvoor is op de lichte CLT-vloeren van het Sawa project een ballastlaag van ca 100 mm fijn grind toegepast. Vanwege de reductie van CO2-emissies is gekozen voor los grind en niet voor beton. Op de vloeren zijn zwevende dekvloeren aangebracht om het contactgeluid te reduceren. De CLT vloeren zijn in een sponning in de balken boven de woningscheidende wanden opgelegd. Met stalen bevestigingsmiddelen zijn deze vloeren geborgd. De woningscheidende wanden zijn aan beide zijden voorzien van een geluidsreducerende voorzetwand. De houten kolommen en balken hebben vanwege hun grotere afmetingen geen extra geluidsvoorzieningen nodig en blijven als draagconstructie in het zicht.

Brandveiligheid van de draagconstructie

Veiligheid bij brand wordt getoetst op basis van een standaard brandkromme. De basis hiervoor is dat een brand in een woning na 60 minuten door een gebrek aan brandbaar materiaal uitdooft. De standaard brandkromme geeft aan welke temperatuur zich in de eerste uren na het ontstaan van de brand zal ontwikkelen. Het is dus gunstig als na een uur het brandbaar materiaal opraakt en de temperatuur gaat dalen. In het buitenland worden houten draagconstructies om deze reden meestal met onbrandbare gipsbeplatingen afgewerkt.

Bij Sawa wil de architect de houtconstructie in het zicht houden. Bij brand vormt verkoold hout een isolerende laag van enkele centimeters. Voordat deze laag is gevormd is de vuurbelasting echter veel hoger. Doordat de buitenste laag van het hout in eerste instantie aan de normale vuurbelasting is toegevoegd, duurt de brand langer en wordt de temperatuur hoger. Er is ook een grote toename van de vuurbelasting te verwachten wanneer de eerste lijmlaag van de CLT-vloeren door het vuur wordt bereikt. Om de hiermee gepaard gaande onzekerheden te ondervangen is voor een sprinklersysteem in de woningen gekozen ten einde brandtijd en langdurige extreem hoge temperaturen in de woningen te beperken.

De uitdaging

Uit beide beschreven projecten blijkt dat hoogbouw in hout (of Timber) een avontuurlijke aangelegenheid is. Voor architecten, constructeurs, bouwfysica- en brandveiligheid-adviseurs vormt dit een mooie uitdaging. De constructeur zal in het bouwteam het voortouw moeten nemen. In eerste instantie is bij een project het bepalen van de krachtwerking en de capaciteit van houtconstructies van groot belang. Een goede afstemming en samenwerking met de houtindustrie is cruciaal. Het maken van efficiënte verbindingen en de montage-aspecten zijn bepalend voor een juiste toepassing.

Construeren in hout is niet alleen het goed kunnen berekenen van de krachtwerking en de capaciteit, het vraagt ook om grote kennis van de houtbouwkunde. Hout is een natuurlijk materiaal, het krimpt en zet uit bij veranderingen in luchtvochtigheid, het bevat imperfecties en kan worden aangetast door organismen. Dat is bovendien bij iedere houtsoort anders. Het zijn factoren waar rekening mee moet worden gehouden bij het realiseren van een constructie die volgens de norm 50 jaar (en in de praktijk veel langer) veilig moet blijven functioneren.

Een houtconstructie wordt per definitie opgebouwd met behulp van elementen. Daar waar staal en beton met elkaar worden verbonden door lassen en monolietverbindingen, is bij het construeren in hout elke verbinding een afzonderlijk te bepalen knoop. Constructeurs dienen voor elke knoop na te gaan welke combinaties van voorkomende belastingen (eigen gewicht, gebruiksbelastingen, wind, temperatuur, krimp, brand) en van onvoorziene belastingen kunnen optreden. Voor elke knoop dient de krachtwerking te worden bepaald en dient een ontwerp te worden gemaakt waarmee de uiteindelijk vastgestelde belasting voldoende veilig wordt opgenomen. 

Tegelijkertijd dient het constructief ontwerp rekening te houden met de eisen van geluidwering en brand. Voor elk project zal het constructief ontwerp in samenspraak met de bouwfysisch adviseur moeten worden uitgewerkt.

Het bouwen in beton en staal heeft vanaf 2010 een grote ontwikkeling doorgemaakt. De Maastoren, de Zalmhaventoren, de Cooltoren, 100 Hoog, De Rotterdam, First: alle hebben hun eigen bouwwijze die afhankelijk is van locatie, functie en materiaalprijzen. En alle zijn uitgevoerd op basis van ervaringen die door ontwerpers en makers in jaren zijn opgebouwd.

Deze ontwikkeling is ook weggelegd voor hoogbouw in hout. Het vergt een ontwikkelingsproces dat vergelijkbaar is met die van andere bouwmaterialen. De hierboven beschreven projecten zijn een weldoordachte stap op weg naar een nieuwe bouwopgave. Qua traditie en ervaring staan we met hoogbouw in hout in de startblokken. Wat is het interessant om zo’n periode mee te maken. Kortom, hoogbouw in hout: ik kijk ernaar uit!

<einde>

Toe te voegen:
*Kader: hoogbouw in hout, ontwikkeling wereldwijd. Over te nemen van CTBUH: top 20 in hoogte hybride vormen beton/hout en staal/hout