Bodemdaling en Fundatie: verschil tussen pagina's

Uit Wouda's Wiki
(Verschil tussen pagina's)
imported>Jan Pieter Rottine
Geen bewerkingssamenvatting
 
imported>Bert Lems
Geen bewerkingssamenvatting
 
Regel 1: Regel 1:
'''Bodemdaling'''
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.
[[Bestand:Fundatie_toren_van_Pisa.png|224x300px|link=]]
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.[[Bestand:Fundatie_helikoter_view_gemaal.png|800x464px|link=]]
Helikopter view ir D.F. Woudagemaal met infocentrum


'''Nederland daalt''', weliswaar '''heel langzaam''', maar toch is dat '''een onomkeerbaar proces'''. De daling van de bodem is een '''natuurlijk geologisch''' proces. Hoewel deze '''bodemdalingsfactor mogelijk gering''' is, kunnen we toch zeggen dat het '''landoppervlak nergens een stabiele hoogteligging''' heeft.
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.
<br>Er lijkt bovendien '''een tweede proces''' aan de gang te zijn: '''Nederland lijkt''' iets '''te kantelen''': in het '''oosten iets omhoog''' en in het '''westen iets dieper'''.
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.
[[Bestand:Fundatie_voorbeeld_sonderingsgrafiek.png|433x593px|link=]]
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.
[[Bestand:Voorbeeld.png]]
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.
[[Bestand:Voorbeeld.png]]
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.
=== 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.
 
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.


In de '''17e eeuw''' kreeg '''Amsterdam overlast van het water van de toenmalige Zuiderzee'''. om inzicht te krijgen in wat er nu eigenlijk aan de hand was, liet liet burgemeester Hudde '''[[dijkpeilstenen]]''' of '''[[huddestenen]]''' langs het '''[[IJ]]''' inmetselen in een aantal bruggen en sluizen.
'''NB'''
<br>Vanaf de '''horizontale kerf in de steen''' werd vanaf dat moment de '''waterhoogte van het [[IJ]]''' gemeten, een '''aantal malen per dag'''. Zo werd de basis gelegd voor wat later het '''[[Normaal Amsterdams Peil]]''' zou worden.
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.
 
[[Bestand:Huddesteen_eenhoornsluis_k.jpg|400×433px|link=]]
De bodemdaling werd ook beïnvloed vanaf het moment dat men activiteiten in de bodem en het bodemoppervlak ging ontwikkelen.
 
'''In de Middeleeuwen''' '''en later''' was dat vooral de '''vervening'''.
 
'''In Zeeland en delen van Holland''' diepte men '''veengrond''' op om door middel van '''verbranding''' daaruit '''het ingesloten zout te winnen''' '''([[selbarnen]])'''. Grote gebieden aan '''laaggelegen veen''' verdwenen '''onder het waterpeil''' en de '''watervlakten''' die ontstonden '''breidden zich door stormen en bijbehorende afslag snel uit'''.
 
Het '''winnen van veen om er turf van te maken''' is mogelijk nog '''veel ouder'''. In ieder geval wordt er '''vanaf de Middeleeuwen op systematische wijze veel turf gemaakt''', een grootschalig proces dat '''pas in de 20e eeuw''' wordt '''beëindigd'''.
<br>In de '''lage gebieden beneden de zeespiegel''' wordt de '''veenspecie opgegraven of opgebaggerd''' om op de tussenliggende stroken land te worden '''uitgespreid en gedroogd'''. Als deze specie voldoende droog is wordt ze '''tot kleine turven gesneden''': de zogenaamde '''baggelaars'''.
[[Bestand:Baggelaar_k.jpg|400×300px|link=]]
'''Baggelaar'''
 
<br>In de '''hoogveengebieden op de zandgronden''' wordt de droge, '''boven de zeespiegel gelegen veengrond''' '''gesneden en gewonnen in de vorm van de grote hoogveenturven'''.
[[Bestand:Hoogveenturf_steken_k.jpg|400×314px|link=]]
'''Hoogveenturf'''
 
De '''grote gebieden''', waaruit de turf was gewonnen, werden''' als watervlakten achtergelaten''', of ze werden '''ontgonnen tot cultuurland''', meestal voor het veeteeltbedrijf.
<br>Uiteraard lagen deze gebieden na het wegnemen van het veen '''beduidend lager dan oorspronkelijk'''. '''[[Bemaling]]''' van dit cultuurland deed zijn intrede. 
<br>Er verdween een laag van '''soms meerdere meters'''. Dat kon '''tot gevolg''' hebben dat het '''water vrij spel''' kreeg en de zwakke delen van zo'n veengebied '''onder water''' kwamen te staan. Wat eerst een klein water was kon '''uitgroeien tot een enorm meer'''.
[[Bestand:Fochtloerveen_k.jpg|400×218px|link=]]
 
<br>Op deze manier is de '''[[Haarlemmermeer]]''' ontstaan. Een eenvoudige uitvening: een plas niet opgevuld met grond, water en stormen deden de rest. '''In de driehoek Amsterdam, Haarlem en Leiden was het meer een gevaarlijke plas water''', die meer dan eens zorgde voor overlast. Uiteindelijk maakte de bemaling met '''[[stoommachine|stoommachines]]''' het mogelijk de '''[[Haarlemmermeer]]''' te beteugelen door het droog te malen.
[[Bestand:Haarlemmermeer-Jan_van_Goyen_k.jpg|400×276px|link=]]
'''De Haarlemmermeer voor de drooglegging'''
 
'''Zolang de bodem''' in de lage gebieden '''voldoende is doordrongen van grondwater''', werkt de '''veenlaag als een soort spons'''. Deze bodemlaag heeft in '''vele eeuwen voldoende steun gegeven aan de oppervlakte''': op de veenbodem waren voor de bewoners voldoende positieve omstandigheden aanwezig om zich hier blijvend te vestigen.
 
Door''' intensitieve bewoning''' en het '''toenemen van de cultuurdruk''' ontstaat er behoefte aan '''meer en voldoende gebieden waar het droog en stevig genoeg is''', om er nieuwe nederzettingen en bestaansactiviteiten te kunnen ontwikkelen.
<br>Daarom worden er '''steeds meer pogingen ondernomen om de algemene waterstand te gaan beheersen''', ook gaat men steeds sterker '''bemalen: diepontwatering''' is lange tijd in de mode geweest. 
 
Op het moment dat de grond te nat is en het bodemwater te hoog staat, kan er met behulp van '''mechanische bemaling''' worden ingegrepen. De '''grondwaterstand wordt aangepast''' aan het doel waarvoor het land nodig is: veeteelt of akkerbouw of om woningen te bouwen.
<br>Leeghwater deed in de 15e eeuw de uitvinding van zijn leven: hij verbeterde de beheersing van windenergie en bouwde een '''[[poldermolen]]'''.
[[Bestand:Poldermolen_k.jpg|400×300px|link=]]
 
Maar '''vanaf het moment dat er bemaling op gang kwam''', '''klinkt de grond door de onttrekking van water steeds wat verder in''' en daardoor daalt de bodem iets. Het gaat daarbij misschien om millimeters, maar over een lange periode vanaf 1500 is de oppervlakte '''in het westen van Nederland al een fors eind gedaald'''.
<br>Ook in het Lage Midden van Fryslân is dit dynamisch proces duidelijk merkbaar en het '''werkt nu nog steeds door'''.
 
'''Moderne menselijke activiteiten''' zijn ook van grote invloed op de bodemdaling.
<br> De '''gaswinning in Groningen en Fryslân''' en de '''winning van olie in zuidoost Drenthe en in Zuid-Holland''' zijn ook oorzaken van bodemdaling. In Groningen zit de kern van het grote '''gasveld onder en nabij Slochteren'''. Vergelijk dit gebied met een soepbord: aan de randen hoog en het middendeel diep. Ook op andere locaties in Groningen en Fryslân bevinden zich tal van gasvelden.
 
[[Bestand:Natural_gas_NL_k.jpg|400×375px|link=]]
 
Als '''gevolg van de aardgaswinning daalt de bodem''' met tientallen centimeters: soms wel 40 cm. Als de '''gasdruk uit de diepere aardlagen van deze gebieden vermindert, ontstaan er zelfs geologische verschijnselen''': sinds de winning van het aardgas hebben zich al '''verscheidene grotere en kleinere aardbevingen''' in deze gebieden voorgedaan.
[[Bestand:Stadtroda_Sandstein_k.jpg|200×150px|link=]]
'''Zandsteenlagen waarbinnen in de bodem aardgas is ingesloten'''
 
Het kost steeds meer moeite om het oppervlaktewater uit gebieden met bodemdaling weg te krijgen. Om en in de gasvelden staan dan ook veel '''nieuwe gemalen''', die dat water uit de winningsgebieden moeten pompen.
 
Wat hierboven is beschreven voor een groot gasveld als Slochteren in Groningen, of de kleinere gasvelden, geldt in feite '''ook voor iedere grote of kleine polder'''. De meeste polders liggen dieper dan het buitenwater en '''dalen door de constante bemaling nog steeds'''. Dat proces van dalen en inklinken '''gaat heel geleidelijk'''. Om het te illustreren: het stoomgemaal de Cruquius maalde vanaf 1849 het water 5 meter omhoog, het nieuwe gemaal Koning Willem maalt het water sinds 2005 5,5 meter omhoog.
In het Lage Midden van Fryslân is de bodem in de laatste dennia tientallen centimeters gedaald.
 
De '''discussie over hogere en zwaardere dijken''' houdt '''met bodemdaling verband''' en is daarom al net zo oud als de eerste bodemdaling. '''Niet alleen de zeedijken''' dienen voldoende op hoogte te zijn, '''ook de rivierdijken''' zullen periodiek op hun hoogte gecontroleerd moeten worden.
<br>Immers: naast bovengenoemde oorzaken van bodemdaling is er '''ook sprake van stijging van de zeespiegel!''' Ook hier ligt '''het menselijk handen voor een deel via klimaatfactoren en klimaatverandering ten grondslag aan''' deze zeespiegelstijging.
Het gaat hierbij bovendien om '''een optelsom''': door de genoemde '''klimaatverandering''' zal er naar verwachting ook veel '''meer regenwater via de rivieren afgevoerd''' gaan worden, de waterstanden op de rivieren: Maas, Rijn en Waal kunnen in de toekomst aanzienlijke fluctueren. '''Bij grote hoeveelheden zullen de rivieren buiten hun oevers kunnen treden''' als er geen, omvangrijke, maatregelen worden getroffen.
 
[[Bestand:Oosterschelde-stormvloedkering_k.jpg|400×284px|link=]]
'''Stormvloedkering Oosterschelde
'''
<br>'''De zeespiegelstijging, bodemdaling en toenemende wateroverlast door neerslag''' vormen voor de toekomst '''totaalproblemen, waarvoor wij in Nederland nieuwe oplossingen zullen moeten vinden'''.
Soms kunnen voorlopig '''[[retentiegebieden]]''' nog de oplossing zijn, soms moet er '''een nieuw gemaal''' worden gebouwd, of moet de capaciteit een gemaal worden uitgebreid. In de toekomst zullen we ons ook moeten bezighouden '''met nieuwe waterstaatswerken en methoden van dijkbouw'''.

Versie van 29 mrt 2019 11:40

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. Bestand:Voorbeeld.png 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. Bestand:Voorbeeld.png 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.

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.

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.