Voorbij de norm met Advanced Simulation

Waar het gangbare eindigt, begint Advanced Simulation. Bij het ontwerpen van bouwwerken en hun omgeving komt het vaak neer op ‘engineering judgement’. Een technische onderbouwing op basis van normen, richtlijnen en jarenlange ervaring. Nu de grenzen van de techniek worden verlegd, moeten we onderzoeken, ontwerpen en toetsen op onontgonnen gebied. Om dat gebied bereikbaar te maken is Advanced Simulation onmisbaar.

Bij grensverleggend waarmaken, is het voor ABT essentieel om de werkelijkheid te kunnen simuleren. Met Advanced Simulation maken we gebruik van fysische modellen die we valideren met fysieke experimenten en/of wetenschappelijke literatuur. Door zoveel mogelijk informatie te verzamelen en geavanceerde berekeningen uit te voeren, bootsen we in een virtuele wereld de meest uiteenlopende situaties na. Dit helpt bij het oplossen van de grootste technische uitdagingen binnen complexe bouwprojecten, de omgeving of specifieke vraagstukken.

Optimaliseren met Advanced Simulation

Advanced Simulation is meer dan engineering voorbij de richtlijnen; het biedt voordelen in de vorm van inzichten, nieuwe kennis, besparingen en ontwerp vrijheid. Het technisch ontwerp kan namelijk op een veelvoud van thema’s geoptimaliseerd worden: Veiligheid, Comfort, Duurzaamheid en Kostenbesparing. Bij bouwprojecten kan de focus op één of meerdere thema’s liggen. Binnen Advanced Simulation zijn alle thema’s en ondersteunende disciplines opgenomen.

Kennisgebieden Advanced Simulation

Om technische uitdagingen op te lossen, zijn specialisten op uiteenlopende disciplines nodig. Met Advanced Simulation kunnen zij mono- of multidisciplinair gedetailleerd te werk gaan binnen het grote plaatje. Dat komt vaak neer op driedimensionaal rekenen met eindige elementen of vergelijkbare technieken. Zo werken bijvoorbeeld geotechniek en constructie samen om ondergronds bouwen mogelijk te maken en geven bouwfysica en constructie samen meer inzicht in onder andere windstromen, trillingen en brandveiligheid.

Binnen Advanced Simulation worden de volgende kennisgebieden onderscheiden:

  • (Stede)bouwfysica, thermisch en visueel comfort, luchtkwaliteit
  • Geotechniek en grond-constructie interactie
  • Trillingsadvies
  • Betonspecials, civiele techniek en infra
  • Fire safety engineering
  • Membraan- en kabelconstructies
  • Explosieveiligheid

Deze kennisgebieden worden nu kort toegelicht.

(Stede)bouwfysica, thermisch en visueel comfort, luchtkwaliteit

Bouwwerken hebben veel impact op hun directe omgeving. Niet alleen esthetisch maar ook op het gebied van fysica. Onzichtbare processen zoals stofdeeltjes, geur, warmte, straling en luchtstromen hebben allemaal een wisselwerking met elkaar. Inzicht krijgen in de interactie van deze processen is van onschatbare waarde voor een ontwerpteam.

Afbeelding: Comfort

Met state-of-the-art simulatietechnieken brengt ABT de samenhang van de fysische processen bij een gebouw en binnen de omgeving in kaart. Het resultaat van een ontwerp inclusief voorkomende problemen zijn zo direct zichtbaar. Aan de hand van die informatie ontstaat een optimaal ontwerp op het gebied van thermisch comfort, luchtkwaliteit, passanten comfort (wind), (stede)bouwfysica, straling, emissie en geur.

Afbeelding: Urban Physics

Projectvoorbeelden: Post RotterdamRechtbank Amsterdam en artikel Geveloptimalisatie

Geotechniek en grondconstructie interactie

Het gedrag van grond is complex, onder andere vanwege de gelaagdheid, de invloed van grondwater, het geheugen voor de belastinggeschiedenis en het tijdsafhankelijke gedrag (kruip). Grondparameters kunnen slechts met relatief grote onzekerheid vastgesteld worden, wat ook de uitkomsten van grondberekeningen onzeker maakt.

Met eindige elementen simulaties worden de effecten van deze onzekerheden inzichtelijk gemaakt. Bovendien wordt vaak (een deel van) de constructie aan het 3D model toegevoegd. Zo hoeven er geen vereenvoudigde aannames voor de grondconstructie interactie gedaan te worden.

Projectvoorbeelden: Groninger Forum en Verbetering IJsseldijk Gouda

Trillingsadvies

Bouwwerken worden vaak statisch berekend, zonder dat er rekening wordt gehouden met het tijdsaspect van de belasting. Bij de aanwezigheid van trillingsbronnen in het gebouw of de omgeving zijn statische berekeningen niet altijd afdoende. In sommige gevallen kunnen trillingen leiden tot hinder voor personen, storing van apparatuur maar ook tot schade aan gebouw of omgeving.

Afbeelding: House of Delft

ABT adviseert op basis van richtlijnen, trillingsmetingen en geavanceerde dynamische simulaties. Zo wordt de ‘zwaarte’ van trillingen in kaart gebracht met een analyse van de bestaande situatie. Daarbij kan ook de voortplanting van bijvoorbeeld spoor- of heitrillingen of aardbevingen door de ondergrond worden gesimuleerd. Al vanaf de voorontwerp-fase wordt rekening gehouden met trillingen, waarmee onwenselijke situaties in de gebruiksfase worden voorkomen.

Projectvoorbeelden: House of Delft en Betacampus Leiden

Betonspecials, civiele techniek en infra

In de bouw, civiele techniek en infra is gewapend beton een veelgebruikt constructiemateriaal. Voor het uitrekenen en detailleren van deze constructies bestaan normen en richtlijnen. In veel situaties is er toch behoefte aan een gedetailleerdere analyse.

Dat kan zijn scheurvorming door verhinderde vervormingen, maar ook complex 3D gedrag zoals bij windturbinefundaties. Ook hybride constructies met staalvezels in het betonmengsel of het constructieve gedrag van vloersystemen waarin hechtlagen en gewichtsbesparende elementen zijn opgenomen kunnen nauwkeurig in kaart worden gebracht. Bijvoorbeeld als het gaat om breedplaat- of polyplaatvloeren.

Projectvoorbeelden: Droogdok Royal Van LentWindturbinefunderingBreed-plaatvloeren en Spoorbrug Zuidhorn

Fire safety engineering

Bij brand in een gebouw moeten aanwezige personen tijdig kunnen vluchten. Daarvoor wordt het gebouw normaal gesproken opgedeeld in brandcompartimenten, met scheidingen waaraan eisen op het gebied van brandwerendheid worden gesteld. De temperatuurlast die daarvoor wordt gebruikt, komt eigenlijk nooit overeen met het werkelijke temperatuurverloop van een brand. Toch leiden de reguliere eisen meestal tot een veilig ontwerp.

Afbeelding: Fire safety engineering (c) DIANA

Copyright DIANA

In een aantal gevallen leidt deze aanpak tot een te conservatief ontwerp. Zoals bij open gebouwen zoals parkeergarages of industriële gebouwen en grote gesloten ruimtes zoals een atrium of een vertrekhal van een vliegveld. Vanwege de beperkte hoeveelheid brandbaar materiaal ontwikkelt de brand zich mogelijk niet volledig. Bovendien wordt de brandontwikkeling in een atrium of vertrekhal van een vliegveld beïnvloed door luchtstromingen, sprinklers of rookwarmteafvoer. Met Fire Safety Engineering wordt de brandbelasting realistischer in kaart gebracht voor verschillende scenario’s. Bovendien wordt de invloed van deze brandscenario’s op de constructie integraal beschouwd.  Dat kan leiden tot aanzienlijke besparingen terwijl het vereiste veiligheidsniveau nog steeds wordt gehaald.

Projectvoorbeelden: New Amsterdam Court House en artikel Fire Safety Engineering

Membraan- en kabelconstructies

Constructies van kabels en doeken onderscheiden zich van andere constructies doordat ze moeten vervormen voordat ze krachten gaan opnemen. Dit vergt een andere aanpak in ontwerp, berekening en detaillering van deze constructies.

Met form-finding wordt voor een specifieke belastingconfiguratie de ideale constructieve vorm worden gevonden. Met membraan- en kabelconstructies kunnen lichtgewicht constructies met grote overspanningen worden gerealiseerd. Bijzondere varianten zijn tensegrity constructies (combinatie van trek- en drukstaven) en opblaasbare constructies.

Projectvoorbeelden: Busoverkapping Leidsche Rijn

Explosieveiligheid

Sommige bouwwerken moeten bijzondere belastingen zoals explosie of impact kunnen weerstaan. Bijvoorbeeld door gasexplosies als gevolg van brand of een ongeluk, maar ook bij terroristische aanslagen. Onder impactbelasting vallen aanrijdingen of aanvaringen. Door de toename van bebouwingsdichtheid wordt het bebouwen van risicogebieden voor incidentele explosies in de toekomst noodzakelijk. De nieuwe Omgevingswet gaat hierin voorzien.

Afbeelding: Advanced-Simulation

Het kenmerk van explosiebelasting is dat er in zeer korte tijd een hoge piekdruk wordt uitgeoefend. Die korte klap brengt de constructie in trilling, vaak met schade tot gevolg. Geavanceerde dynamische simulatie brengt de omzetting van energie in kaart, toetst de explosiebestendigheid en maakt blijvende schade inzichtelijk. 

Deel dit bericht