Fundatie

In bewerking maart 2019

De fundatie van het Ir. D.F. Woudagemaal

Weg en waterbouwkundige constructies zijn in Nederland vrijwel ondenkbaar zonder een deugdelijke funderingsconstructie. Dit uiterst belangrijke constructieonderdeel is altijd gedoemd onder het maaiveld te verdwijnen en daarmee aan het oog onttrokken. De bijzondere fundatie van het Woudagemaal, een combinatie van houten en gewapend betonnen heipalen, wijkt daar niet van af. In dit college wordt nader ingegaan op deze voor die tijd bijzondere en geslaagde combinatie die we niet kunnen zien maar wel kunnen reconstrueren.

Fundatie techniek

Om te voorkomen dat civieltechnische en bouwkundige constructies verzakken kantelen of opdrijven worden deze op de een of andere manier verankerd met de bodem. De constructie die deze onhebbelijkheden moet tegengaan heet een fundering. Er is een aantal manieren om een bouwwerk te funderen te weten op staal of met behulp van palen. Het op staal funderen is alleen weggelegd voor licht belaste constructies op plaatsen met een draagkrachtige grondsoort bijvoorbeeld op de Veluwe. De constructie wordt dan rechtstreeks, meestal met een verbrede voet, op de draagkrachtige grond geplaatst. Bij een paalfundering worden palen naar een voldoende draagkrachtige grondlaag geheid en maakt men met behulp van tussenconstructies een fundament op de koppen van de palen.

Fundatie

De civiel technische constructies van de machinehal en het ketelhuis van het Woudagemaal zijn gefundeerd op een aaneengesloten gewapende betonnen plaat. De fundatieplaat in het ketelhuis is onderbroken en bestrijkt alleen het vlak waar de stoomketels staan opgesteld. De muren van dit gebouw hebben een op zichzelf staande fundatie dat bestaat uit stroken. Verder staat het ketelhuis los opgesteld van de machinehal dat wil zeggen: de fundaties van deze gebouwen zijn niet met elkaar verbonden. Ook de grote schoorsteen heeft een op zichzelf staand fundament. Helikopter view ir D.F. Woudagemaal met infocentrum

De fundatieplaten en -stroken rusten op een combinatie van ruim 2350 houten en betonnen heipalen. De houten palen, 2125 stuks, worden vanwege het ontbreken van een verankering met de fundatieplaat alleen op druk belast. De 241 in gewapend beton uitgevoerde palen zijn wel verankerd met de fundatieplaat en kunnen daardoor zowel op trek als druk worden belast. Trekpalen worden toegepast om het opdrijven van een bouwwerk te voorkomen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de “kleef” van de desbetreffende palen. Bij sommige paalconstructies wordt de belasting geheel ontleend aan de kleef van de omringende grond. Trekpalen, mits tot op een voldoende harde (zandlaag) geheid, kunnen overigens ook drukkrachten opnemen. Drukpalen worden altijd op “stuit” geheid en kunnen alleen maar drukkrachten opnemen. Vanwege het aanmerkelijk grotere gewicht, wrijvingsoppervlak en vorm zijn betonnen heipalen beter geschikt voor het opnemen van trekkrachten dan houten. De omtrek van de betonnen paal is in tegenstelling tot de min of meer kegelvormige houten paal van boven tot onder even groot. Als je dan ook aan de lange omgekeerde kegel trekt, voorstellende de houten paal, komt deze los van zijn omgeving en verliest haar kleefkracht. De onderbouw van de machinehal en in iets mindere mate ook die van het ketelhuis is te vergelijken met een caisson. Als je het water eruit haalt gaat de enorme betonnen bak drijven. Dit is de reden dat onder de vloeren, daar waar geen zware machine fundaties aanwezig zijn, trekpalen zijn geplaats. Onder normale omstandigheden hoeven deze palen geen trekkrachten op te nemen. Echter bij het droogzetten van de onderbouw, dan wel delen daarvan, wordt de trekfunctie wel degelijk aangesproken. Tijdens de restauratiewerkzaamheden van de onderwater constructies (2013/2014) zijn desondanks de vloeren geballast met zware betonblokken. Dit om er zeker van te zijn dat de vloeren niet zouden opbarsten.

Grondonderzoek

Heien is een zeer oude techniek waarbij we kunnen denken aan paalwoningen, maar ook aan oude brugconstructies van kort na onze jaartelling. Heel lang was alleen het aantal palen van belang en hadden onze verre voorouders weinig aandacht voor de opbouw van de grond waarin de palen werden aangebracht. Toch werd er, aanmerkelijk later overigens, iets aan gedaan. In een rekening uit 1524 van het Kasteel Schoonhoven van een timmerman lezen we “omme te helpen boren den grondt van den fondamenten, dear men den eersten beer van der voirschreven castele setten zoude ende te weten wat gronde dat men dair vinde zoude”. Pas in de eerste helft van de 19e eeuw werd in Amsterdam serieus grondonderzoek gedaan. Er is toen op zeven plaatsen geboord en de bodemopbouw vastgesteld. Men dacht toen genoeg te weten over de situatie in Amsterdam. In 1890 stelde ir Kepler bij de afbraak van een aantal woningen een flink aantal gebreken vast. Eén ervan was het weggrotten van de paalkoppen ten gevolge van het verlagen van de grondwaterstand, een aspect dat tot op de dag van vandaag op gezette tijden het nieuws haalt. Het hoeft geen betoog dat de introductie van betonnen heipalen aan het begin van de 20 eeuw in dit opzicht perspectief bood. Voor het bepalen van de laag in de grond waarop de heipalen kunnen worden gezet, is een sondering nodig. Met een sondering wordt tegenwoordig naast de draagkracht, waar en hoe diep de dragende grondlaag zit ook de kleef bepaald. Meestal is dit een stevig zandpakket maar ook een andere draagkrachtige bodemsoort kan voldoen. Voor het bepalen van de meest draagkrachtige laag wordt een staaf met kegelvormige punt met een tophoek van 60 ◦ de grond ingedrukt, een methode die in de jaren vijftig van de vorige eeuw ontwikkeld is. De weerstand die hierbij wordt gemeten, uitgedrukt in MPa (mega Pascal) is een maat voor de mechanische weerstand danwel de draagkracht van de grond op die diepte. Deze metingen vinden plaats op een aantal punten van het te realiseren bouwwerk en worden in een grafiek (sondeerstaat) weergegeven. Met behulp van de vergaarde gegevens berekent de constructeur de lengte en het aantal heipalen dat moet worden toegepast. Sonderingsgrafiek (voorbeeld) Deze techniek was tijdens de bouw van het gemaal aan de Teroelsterkolk, zoals het gemaal in de ontwerpfase heette, nog niet beschikbaar. Een gebruikelijke maar kostbare methode in die tijd om een voldoende draagkrachtige laag vast te stellen was een of meerdere proefpalen te slaan in de reeds ontgraven bouwput. De stuit geheide palen werden dan enige tijd met een zwaargewicht belast waarbij het eventuele nazakken werd vastgesteld. Was dit te veel dan moest men een dieperliggende draagkrachtige laag opzoeken en langere heipalen toepassen. Afgemeten aan de lengte van de toegepaste heipalen moet de draagkrachtige laag bij het Woudagemaal in de buurt van de NAP – 10,00 m liggen.

Bouwwijze

Ter plaatse van de bouwput lag een laagveen ter dikte van 2,5 meter die geheel verwijderd is. Onder en aan beide zijden naast de fundering van het gemaal zijn 5 waterdichte damwanden of zogenoemde kwelschermen geplaatst. Deze schermen, die dwars op de kwelrichting staan, moeten voorkomen dat de bodem onder het gemaal wegspoelt en het gemaal onder- of achterloops raakt. Kwelschermen zijn te doen gebruikelijk met de onderkant in een voldoende vaste laag geslagen terwijl de bovenkant in de fundatievloer is opgenomen. De onderbouw van het gemaal is grotendeels in gewapend beton uitgevoerd. Hierbij moet vermeld worden dat gewapend beton in het begin van de 20e eeuw een nieuw soort bouwmateriaal was, waar men, constructief gezien, nog maar op beperkte schaal ervaring mee had opgedaan. Dit is terug te vinden in de bijzondere keuze van de paalfundering: een mengeling van oude en vertrouwde houten heipalen met die van gewapend beton. Bouwput na het heien van de palen Op de foto van de bouwput na het heien zien we de houten en betonnen palen. De koppen van de palen van de machinehal zijn gesneld wat betekent dat de houten palen op lengte zijn afgezaagd en bij de betonnen palen de wapening is blootgehakt. Het wapeningsstaal wordt daarna geplooid (gebogen) en met de wapening van de vloer vervlochten. Op de achtergrond van de foto uit de bouwperiode zien we ook het fundament van de schoorsteen verrijzen en dat bij het ketelhuis een aantal houten heipalen te lang zijn cq de draagkrachtige laag hoger ligt dan waar rekening mee is gehouden. Kennelijk zijn de aanmerkelijk zwaardere betonnen palen (ruim 2.500 kg t.o.v. 115 kg) verheid met dezelfde stellingen dan waarmee ook de houten palen in de bodem zijn geslagen. Stoomheistelling (Locomobiel) (voorbeeld) Op de afbeelding van de bouwput staan twee stoomheistellingen afgebeeld. Dit waren heistellingen waarmee het heiblok door middel van een door een stoommachine aangedreven lier naar boven werd getrokken. Voor het stoomtijdperk gebeurde dit op handkracht. Met behulp van een winch en dezelfde stoommachine werd de heistelling opgericht, verkast en de heipaal opgetrokken en in positie gebracht.=== Kalenderen=== Voor de controle op de juiste inheidiepte wordt tijdens de laatste fase van het heien de paal gekalenderd. De opzichter van het werk geeft dan bij elke klap van het blok met een krijtstreep op de geleiders van de stelling de positie van de kop van de paal weer. Als de krijt streepjes voldoende dicht bij elkaar komen te staan dan is de vereiste stuit bereikt en mag er gestopt worden. Als dat nog niet het geval is, kan er gewerkt worden met een zogenoemde oplanger: een kort stuk paal met muts die om de kop van de reeds ingeheide paal past.

Betonnen heipalen

Hieronder is een afbeelding uit het boek ”Het ir. D.F. Woudagemaal. Een levend werelderfgoed op stoom” van de toegepaste betonnen heipalen weergegeven. Het zijn achtkantige palen die in het werk gestort zijn. De tekening geeft de verwerkte toestand van de palen weer, dus na het snellen van de koppen en het verwerken van het betonijzer in de fundatie plaat. Bestand:Fundatie wapeningstekening links.png Wapeningstekening van betonnen heipaal Op de originele afbeelding staat aangegeven dat er vloei-ijzer gebruik moest worden. Begin 20e eeuw was dat een kwaliteitsaanduiding waarmee werd aangeduid dat het ijzer voldoende taai en sterk moest zijn en had te maken met het koolstofgehalte van het ijzer. Men gebruikte ook en niet zelden voor hetzelfde product de term vloei-staal. De kwaliteiten van de ijzer en staalproducten waren nog niet genormaliseerd wat het rekenen aan constructies dubbel zo moeilijk maakte. Een betonnen heipaal staat aan een verzameling van krachten bloot die er niet om liegen. Het begint al bij het transport, in dit geval naar de heistelling. De lange paal wordt dan vanwege zijn eigen gewicht op doorbuigen belast en kan eenvoudig breken. Wat te denken van het heien zelf. Verder wordt er op de paal gedrukt en kan er in ons specifieke geval ook nog aan getrokken worden. Het moet voor de ontwerper danwel degene die daar leiding aan gaf een kleine stap in het duister zijn geweest en mogelijk een reden om voor een deel terug te vallen op de oude en vertrouwde fundatie techniek met houten palen. Dat ir. Wouda en zijn mannen goed werk hebben geleverd mag duidelijk zijn. Het gemaal staat als een huis en vertoont na ruim 100 jaar geen constructieve gebreken die te herleiden zijn naar de fundaties.

NB Beton als bouwmateriaal kennen we al uit de tijd van de Romeinen. In navolging van vakliteratuur wordt in dit artikel bewust gesproken over gewapend beton. Beton, vergelijkbaar met gietijzer, kan uitsluitend drukkrachten opnemen. Aan de constructie wordt bij gewapend beton materialen toegevoegd die de trekkrachten kunnen opnemen. Meestal is dat staal in de vorm van staven. Ook zijn er voorbeelden van het toevoegen van sterke vezels, bamboe of (roestvast) staalwol.