ANWEsthetica en constructie

Naomi van Dijck

ANW Naomi van Dijck

Inhoud

Inhoud....................................................................................................................................................... 2Inleiding................................................................................................................................................... 3Wat is er nodig om een constructie reëel te houden?..........................................................4

Materiaal............................................................................................................................................. 4Vorm en constructie.......................................................................................................................6Invloeden op materiaal en constructie..................................................................................8

Waar ligt de grens tussen esthetica en wetenschap en wat heeft de functie van het gebouw hier voor invloed op?.............................................................................................12Hoofdvraag: Hoe ontstaat er een balans tussen esthetica en de wetenschap bij het ontwerpen van een gebouw?...............................................................................................13Kernbegrippen....................................................................................................................................14Bronnen................................................................................................................................................. 15

2 van 15

ANW Naomi van Dijck

InleidingIn dit werkstuk beantwoord ik de hoofdvraag: “Hoe ontstaat er een balans tussen esthetica en de wetenschap bij het ontwerpen van een gebouw?” Deze hoofdvraag beantwoord ik doormiddel van mijn deelvragen. In het werkstuk ga ik ervan uit dat er in de eerste instantie voor een ontwerp gekozen wordt dat er mooi uit ziet, maar deze ontwerpen zijn lang niet altijd even realistisch. In dit werkstuk leg ik dus uit hoe constructie zich verhoud tot de materiaalkeuze en wat deze voor invloed hebben op een ontwerp. Voor mijn onderzoek heb ik het NAI (Nederlands Architectuur Instituut) in Rotterdam bezocht. Hier heb ik informatie opgedaan in hun tentoonstelling maar ook heb ik inspiratie voor mijn werkstuk gehaald uit hun gespecialiseerde bibliotheek.

3 van 15

ANW Naomi van Dijck

Wat is er nodig om een constructie reëel te houden?

Een constructie reëel houden is een balans zoeken tussen de volgende begrippen: natuurwetten, constructie en materiaal. Als eerste gaan we uit van de natuurwetten die hier op aarde gelden. Aan de hand hiervan kun je de constructie en het materiaal uitkiezen. Maar heb je bijvoorbeeld een voorkeur voor een bepaald materiaal dan zit je door de natuurwetten gebonden aan een bepaalde constructie of een beperking daarin. Hiervoor heb ik het volgende schema gemaakt:

Materiaal

Er zijn verschillende soorten eigenschappen van een materiaal die bepalen of het gekozen materiaal geschikt is voor het werk wat je wil uitvoeren.

Chemische eigenschappen Fysische eigenschappen Mechanische eigenschappen Dimensionale eigenschappen

Chemische eigenschappenEr zijn eigenschappen die verband houden met de atoomstructuur en de chemische samenstelling van een materiaal. Om deze eigenschappen te bepalen, zul je naar een chemisch laboratorium moeten stappen. Het is niet verstandig hier als architect te diep op in te gaan want dan wordt je vakgebied wel erg uitgebreid.

Samenstelling: een opsomming van elementen of chemische verbindingen waaruit het materiaal bestaat, onder vermelding van de gehalten waarin de bestandsdelen voorkomen.

Kristalstructuur: De manier waarop de atomen of de moleculen van het materiaal in zich herhalende eenheid zij geordend.

Corrosievastheid: het vermogen van een materiaal weerstand te bieden tegen chemische of elektrochemische aantasting door stoffen in de omgeving. Zoals bijvoorbeeld het roesten van ijzer.

Fysische eigenschappenDeze eigenschappen hebben te maken met de fysica van een materiaal. Dat wil zeggen hoe een materiaal reageert op bepaalde omstandigheden. Deze is al wat belangrijker voor architecten om hiervan op de hoogte te zijn. Want er wordt heel wat van een materiaal gevraagd wanneer hij moet functioneren in een gebouw. Onder fysische eigenschappen vallen simpelere begrippen als

4 van 15

ANW Naomi van Dijck

smeltpunt, dichtheid maar er zijn veel meer begrippen die om wat meer uitleg vragen.

Brekingsindex: Hoe snel het licht zich door het voorwerp beweegt ten opzichte van hoe snel het zich door een vacuüm beweegt. Dit is fijn om te weten bij gebruik van glas in een gebouw, het doseren van licht binnen het gebouw.

Lineaire uitzettingscoëfficiënt: dit is de lengteverandering bij een verandering van temperatuur. Dit is heel belangrijk om te weten omdat verschillende materialen een verschillend uitzettingscoëfficiënt hebben. Wanneer er dus een gebouw gebouwd wordt op een plek waar grote temperatuurverschillen zij in zomer en winter kunnen de materialen dus inkrimpen of uitzetten. Wanneer een materiaal meer uitzet dan een ander schuren deze langs elkaar of trekken ze zich los. Het klimaat is hier dus erg afhankelijk van.

Absorptievermogen: Dit is hoe veel vloeistof een materiaal kan opnemen. Wanneer bijvoorbeeld een soort steen wordt gebruikt dat veel water kan opnemen kan deze na zware regenval een heel stuk zwaarder worden. Hierdoor veranderd hoeveel draagkracht de fundering of verdieping eronder moet hebben.

Mechanische eigenschappenDeze eigenschappen zijn belangrijk als er krachten op een materiaal worden uitgeoefend. En dat is zeker het geval bij een gebouw. Meestal hangen de mechanische eigenschappen af van zowel chemische en fysische eigenschappen van een materiaal. Deze zijn voor een architect het aller belangrijkst.

Treksterkte: hoe hard er aan een materiaal getrokken kan worden zonder dat hij vervormt of breekt. Het word aangegeven in de verhouding tussen de maximale belasting in een test en de oorspronkelijke lengte van het materiaal, in N/m2. De spanning is een verhouding tussen de kracht en het belast oppervlak:

Elasticiteitsgrens: dit is de spanning waarbij een materiaal gaat vervormen.

Druksterkte: Hoe veel druk een materiaal kan weerstaan zonder te breken.

Elasticiteitsmodulus: dit is een maat voor de stijfheid van een materiaal.

Buigsterkte: De spanning in de buitenrand van een balk die onder invloed staat van buiging.

Afschuifsterkte: hoe veel druk een materiaal kan hebben als op de boven en de onderkant in tegengestelde richting kracht uitgeoefend wordt. Hierbij mag het materiaal natuurlijk ook niet breken. Da afschuifsterkte is altijd 40% van de treksterkte of 70% van de rekgrens van het materiaal.

Hardheid: de weerstand die een materiaal biedt tegen vervorming

5 van 15

ANW Naomi van Dijck

Kerfslagvastheid: de gegeven energie die nodig is een materiaal in een keer te laten breken.

Vermoeiingsgrens: het breekpunt wanneer er afwisselende krachten op een materiaal worden uitgeoefend.

Elasticiteitsgrens bij compressie: de spanning waarbij het materiaal vervormt als je het samendrukt.

Kruip: hoe veel een materiaal rekt wanneer je hem belast.

De meeste invloed van deze krachten kunnen worden verminderd door de vorm van het materiaal aan te passen.

Dimensionale eigenschappenDeze eigenschappen hangen niet direct samen met het materiaal zelf maar ook voor een groot deel met de afwerking. Dit is belangrijk voor de architect te weten voor bijvoorbeeld veiligheid. Een glad materiaal doet het namelijk niet goed als materiaal voor een loopgebied.

Oppervlakte afwerking: deze wordt beschreven door de microscopische en macroscopische kenmerken van het oppervlak weer te geven, zoals ruwheid, vlakheid en oppervlaktetextuur.

Ruwheid Oppervlaktetextuur Afrondingsstraal: bij een facet Scheurtaaiheidsfactor: dit wordt ook wel de scheurtaaiheid genoemd. Het

is de hoeveelheid van microscopische kleine scheurtjes in het materiaal.

6 van 15

ANW Naomi van Dijck

Vorm en constructie

Bij het ontwerpen van een gebouw is de constructie en vorming van het materiaal net zo belangrijk als het materiaal zelf. Er zijn natuurlijk eindeloos veelvormen te bedenken maar deze zijn allemaal terug te lijden op de geometrische vormen, want met die vormen kunnen allerlei constructies gecombineerd worden. Geometrische vormen zijn de cirkel (of in de architectuur meestal de boog) het vierkant en de driehoek.

De cirkelDeze vorm zie je terug in bogen. Zonder de uitvindingen van de boogconstructie waren er nooit zulke grote kerken en kathedralen gebouwd. Ook een groot deel van de oude Romeinse architectuur was er dan niet geweest.Het handige aan bogen in constructie is dat als je een gewicht op een boog plaatst, dat alle krachten dan om worden gezet naar compressie, het materiaal wordt dus op elkaar gedrukt. Dit is bijvoorbeeld handig als je kijkt naar beton. Als je een "boog met hoeken" hebt van betonnen balken, stort deze bij belasting eerder in dan een ronde boog. Dit komt omdat beton veel compressie aankan, maar slecht omgaat met buig- en trekkrachten.

De driehoekEen driehoek is de meest stugge en stabiele vorm die tegenwoordig in gebouwen wordt gebruikt. Als je een driehoek van boven belast, zal de kracht in de schuine zijkanten naar compressie worden omgezet. Hierdoor worden de onderste twee punten uit elkaar getrokken. De onderste zijde zorgt dat ze bij elkaar worden gehouden, dus hierop werkt een trekkracht.

Het vierkantEen vierhoek is een relatief zwakke constructie vergeleken met de bovenstaande. Maar toch zie je dat de meeste gebouwen een vierhoekige vorm hebben. Dit komt doordat het gewoon de meest praktische vorm is om in te wonen en werken, en omdat het makkelijk bouwt.Als je een vierhoekig frame van boven belast zullen op de verticale zijbalken compressiekrachten werken. Als de belasting netjes over de bovenste horizontale balk is verdeeld, zal alle kracht doorgegeven worden aan de verticale balken. Maar als je de balk belast op een punt tussen de hoekpunten in, zal hij gaan buigen.

7 van 15

ANW Naomi van Dijck

Invloeden op materiaal en constructie

De eerste invloed die op het materiaal en de constructie uitgeoefend wordt zijn de natuurwetten. Natuurwetten zijn de weten van onder andere de zwaartekracht. Het is namelijk zo dat een gebouw van meerdere verdiepingen ook het gewicht van de bovenliggende verdiepingen moet kunnen dragen. Buiten de natuurwetten heeft de natuur nog meer invloed op de constructie en op het materiaal. Het klimaat in een bepaald gebied is heel erg bepalend voor de constructie van een gebouw. De breedte graad, dus de gemiddelde temperatuur, de hoogte ligging en de gemiddelde neerslag of eventueel noodweer kunnen de constructie van een gebouw bijna volledig beïnvloeden. Ook de door mensen veroorzaakte krachten hebben invloed op een gebouw. Een nabij gelegen spoorweg of een metrolijn onder het gebouw door kan trillingen veroorzaken. Maar ook wanneer men besluit iets nieuws neer te zetten waar men voor moet heien. Hier zijn gelukkig wetten over.

Dynamische en statische krachtenBij dit soort beïnvloedingen is er sprake van dynamische en statische krachten. Een statische kracht is een kracht die constant op een voorwerp uitgeoefend word. Hier valt dus bijvoorbeeld de zwaartekracht onder, maar ook een constante wind die tegen het gebouw aan waait. Een Dynamische kracht is een kracht die maar af en toe op een voorwerp uitgeoefend wordt of van het ene op het andere moment in tegengestelde richting werkt. Stevige stormen met rukwinden, temperatuurverschillen waardoor het materiaal gaat werken en treinen zijn hier voorbeelden van. Een dynamische kracht heeft veel meer schadelijke invloed op een voorwerp dan een statische kracht. Hierdoor treed namelijk vermoeiing op. Vermoeiing kan al voorkomen als de krachten op het voorwerp ver onder zijn maximale breukspanning liggen.

8 van 15

ANW Naomi van Dijck

De zwaartekrachtType: Statische kracht

De zwaartekracht heeft invloed op elk onderdeel van een gebouw. Het gebouw wordt van bovenaf in elkaar gedrukt door zijn eigen gewicht. De berekeningen hiervoor kunnen soms wel 20% afwijken van de werkelijkheid, omdat het van tijd tot tijd veranderd (denk aan inboedel of aantal mensen in het gebouw). Hierom worden gebouwen gebouwd met een veel grotere draagkracht dan volgens de berekeningen genoeg is. Er zal namelijk ook rekening gehouden moeren worden met sneeuw of regen dar op het dak blijft liggen.

De kracht die uitgeoefend wordt op een verdieping kan worden uitgerekend met de volgende formule:

Dit is de tweede wet van Newton. F staat hierbij voor kracht en m voor massa. 9,81 is de valversnelling die hier op aarde geldt. Een gebouw met meerdere verdiepingen heeft dus op de laagste verdieping veel meer draagkracht nodig dan bijvoorbeeld op de een na hoogste.

WindType: statische en dynamische kracht.

In het geval van wind spreken we van een statische en een dynamische kracht omdat vooral bij hoge gebouwen er nagenoeg altijd de wind invloed heeft op het gebouw. Maar de wind kan zich ook uiten in rukwinden, deze zijn wel dynamisch.

De wind heeft op verschillende manieren invloed op een gebouw.

Wanneer wind vanaf de zijkant op het gebouw en drukt zo de zijkant naar binnen. Dit is directe overdruk .

Wanneer de wind over een gebouw blaast sleept de wind de oppervlakte waar hij overheen beweegt mee. Hierdoor ontstaat dus een afschuifkracht op het gebouw.

Lucht met snelheid heeft altijd een lagere dichtheid dan stilstaande lucht. Wanneer er dus wind over en langs een gebouw blaast ontstaat er buiten het gebouw een lagere luchtdruk dan binnen het gebouw. Hierdoor ontstaat zuiging. De lucht van binnen het gebouw drukt zich naar buiten.

9 van 15

ANW Naomi van Dijck

Bij lange en constante windvlagen kan er een trilling ontstaan in het gebouw. Dit komt omdat de turbulenties van de wind dan op de eigenfrequentie van het gebouw bevinden (zie treinen en metro’s)

Ook kunnen uitstekende delen van een gebouw simpelweg van het gebouw afgeblazen worden bij een harde rukwind.

De druk die de wind uitoefent op het gebouw is afhankelijk van de windsnelheid, de luchtdichtheid. Bij directe overdruk geld daarvoor deze formule:

De luchtdichtheid is ongeveer 1.25 kg/m3.De vormfactor (drag coëfficiënt) hangt af van het voorwerp waarom het gaat. Deze heeft orde grootte 1 en is dimensieloos.De windsnelheid moet in m/s worden gebruikt. Dan is de druk in kg/m/s2, oftewel N/m2.In tabelvorm met daarbij de schaal waarmee wij de windkracht uitdrukken, Bft:  

Bft Windsnelheid (m/s) Winddruk (N/m2)

Ondergrens Bovengrens Bovengrens

0 0.0 0.2 0.03

1 0.3 1.5 1.4

2 1.6 3.3 6.8

3 3.4 5.4 18

4 5.5 7.9 39

5 8.0 10.7 72

6 10.8 13.8 119

7 13.9 17.1 183

8 17.2 20.7 268

9 20.8 24.4 372

10 24.5 28.4 504

11 28.5 32.5 660

12 32.6 > 660

10 van 15

ANW Naomi van Dijck

Treinen en Metro’sType: dynamische kracht

Wanneer een gebouw in de buurt van een bron van trilling staat kan het zijn dat het gebouw direct of op langer termijn schade oploopt door die trilling. Een aantal bronnen van trillingen zijn bijvoorbeeld ook aardbevingen en wind. De trillingen zijn niet met het blote oog te zien omdat de amplitude van de trilling daarvoor vaak te laag licht. De amplitude is de afstand tussen de piek of het dal en de evenwichtspositie, 0. Dit wordt weergegeven in mm/s. Hoe hard dus de trilling is. Dit is te zien op de afbeelding hiernaast (y). Ook is hier de golflengte op te zien (λ). Dit bepaalt hoe snel de trilling is. De golflengte wordt weergegeven in Hertz (Hz): hoe vaak de golf van de top naar het dal gaat en weer naar de top binnen één seconde.

Maar wanneer is een trilling nou schadelijk voor een gebouw? Een trilling moet voor een oud gebouw minimaal een amplitude hebben van 3 mm/s en een woning 5 mm/s. Maar dan wel met een snelheid die lager is dan 10 Hz. Een snelle trilling heeft dus weinig invloed op een gebouw, en hij moet dus laag zijn en een hoge amplitude hebben. Dit komt omdat een lage trilling verder door kan dringen in een materiaal, een snelle trilling gaat sneller verloren.

Er is nog een aspect bij trillingen die voor extra schade kan zorgen bij een gebouw. Dit is de eigenfrequentie van een gebouw. Elk voorwerp heeft een eigenfrequentie, dit is het aantal Hertz waarmee het voorwerp mee zal gaan trillen. De eigenfrequentie van een gebouw is nooit hoger dan 5 Hz. Ook de eigen frequentie van een gebouw, of delen daarvan, is makkelijk uit te rekenen met een formule:

Hierbij staat m voor de massa van het gebouw of het onderdeel en k voor de veerconstante, hoe ver het gebouw kan veren zonder te bezwijken.

Mensen voelen veel sneller trillingen aan dan gebouwen. Wij kunnen al trillingen waarnemen vanaf een amplitude van 0,1 mm/s. Vaak word er dus vals alarm geslagen bij merkbare trilling met betrekking tot schade bij een gebouw.

11 van 15

ANW Naomi van Dijck

Waar ligt de grens tussen esthetica en wetenschap en wat heeft de functie van het gebouw hier voor invloed op?

In de afgelopen eeuw is de kijk op architectuur drastisch veranderd. Men ging experimenteren met materiaal en verwierp o.a. heel het standaard idee dat een gebouw moest bestaan uit vier muren en een dak. Zo ontstond het nieuwe bouwen. Er werden nieuwe technieken toegepast dan enkel het dragen wat we tot dan toe gewend waren van gebouwen. Nu worden er ook delen van gebouwen opgehangen of opgespannen. Hierdoor krijgen gebouwen aparte vormen denk maar aan Grande Arch de la Défence in Parijs of the O2 in Londen, dit gebouw bestaat zelfs bijna helemaal uit zeil.

De grens tussen esthetica en wetenschap wordt met elke wetenschappelijke ontwikkeling weer een stuk opgeschoven. Innovatief bouwen wordt namelijk ook snel mooi of imposant bouwen gevonden, dat is niet vreemd omdat hetgeen wat nog nooit eerder vertoond is altijd aandacht zal trekken. Maar wel gaat fantasie een steeds grotere rol spelen in de architectuur. De functie van een gebouw speelt hierbij een grote rol. Wanneer het gebouw een belangrijke functie heeft zoals hierboven Grande Arch en the O2 zal het gebouw ook een fantasierijk en imposant uiterlijk krijgen. Een rijtjeshuis krijgt daarentegen wat minder aandacht. Grande Arch is een kantoorgebouw in la Défence, de kantorenwijk van Parijs, daar knokken de hoogste torens tegen elkaar op. Door het gebouw een totaal andere vorm te geven trok het de aandacht, het gebouw ligt ook recht tegenover Arch de triomf. Wel heeft het gebouw nog een zakelijk uiterlijk. The O2 is een gigantisch theater/concertzaal. De zaalverlichting is van buiten al te zien, het geeft de sfeer van wat er zich binnen afspeelt helemaal weer, spektakel.

Esthetica en wetenschap houden elkaar in balans en vooral een gebouw met een belangrijke en publieke functie.

Klik hier voor een tijdlijn van de architectuur in de afgelopen eeuw

12 van 15

ANW Naomi van Dijck

Hoofdvraag: Hoe ontstaat er een balans tussen esthetica en de wetenschap bij het ontwerpen van een gebouw?

Deze balans ontstaat door het driemodel wat ik aan het begin van mijn werkstuk liet zien, door de innovatie in de wetenschap en de architectuur en door de functie van een gebouw.

Maar ook door ervaring, het gebouw op de voorkant van mijn werkstuk is het Operahuis in Oslo. Dit gebouw is gemaakt van Italiaans marmer en is geïnspireerd op een ijsschots. Pas nadat het gebouw neergezet was bleek het wat praktische minpunten te hebben. Het spierwitte marmer bijvoorbeeld geeft een verschrikkelijke weerkaatsing op een zonnige dag. Maar is bij vorst, iets wat vaak voor komt in Noorwegen, spekglad en veroorzaakt veel ongelukken op de schuine wand die de bezoeker op moet lopen. Maar het gebouw kan ook op langer termijn nog in de problemen raken. Hoe gaat men het oplossen dat het marmer volledig aangetast wordt door de steeds zuurdere regen door het verslechterende klimaat. Op die manier blijft er weinig over van de Noorweegse ijsschots.

13 van 15

ANW Naomi van Dijck

Kernbegrippen

MateriaalChemische eigenschappenFysische eigenschappenMechanische eigenschappenDimensionele eigenschappen

Vorm en constructieGeometrische vormenCirkelDriehoekVierkantCompressie

Invloeden op materiaal en constructieStatische en dynamische krachtenVermoeiingDraagkrachtDirecte overdrukAfschuifkrachtBFTAmplitude

14 van 15

ANW Naomi van Dijck

Bronnen

NAI

Internet:http://www.architectenweb.nl/aweb/archipedia/archipedia.asp?id=3456http://www.snoarc.no/#/projects/15/true/all/image/876/http://www.berekeningvanconstructies.be/ http://nl.wikipedia.org/wiki/Materiaalkundehttp://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/index.htmlhttp://www.esveld.com/Download/TUD/COB_dag_jun99.pdf (TU Delft)http://www.natuurkunde.nl/uitleg/begrippen.dohttp://www.natuurkunde.nl/servlet/supportBinaryFiles?referenceId=33&supportId=809439 http://www.brrc.be/pdf/mededelingen/med46t.pdf

15 van 15