Het aantal ontwerpen met een bijzondere geometrie neemt hand over hand toe. Denk bijvoorbeeld aan complex gevormde projecten als de Disney Concert Hall in Los Angeles uit het begin van deze eeuw, of iets recenter het Heydar Aliyev Center in Baku. Dergelijke projecten brengen grote uitdagingen in maakbaarheid met zich mee. Textielmallen kunnen uitkomst bieden.
28
Ontwerpen met
textielgevormde
constructies
Inzet textielmallen blijkt effectief bij vervaardiging complexe vormen
Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016
29
Het aantal ontwerpen met een bijzondere geometrie
neemt hand over hand toe. Denk bijvoorbeeld aan
complex gevormde projecten als de Disney Concert
Hall in Los Angeles uit het begin van deze eeuw, of
iets recenter het Heydar Aliyev Center in Baku.
Dergelijke projecten brengen grote uitdagingen in
maakbaarheid met zich mee. Textielmallen kunnen
uitkomst bieden.
De ontwikkelingen op het gebied van software maken het
ontwerpen van complexe vormen steeds toegankelijker. De
onderliggende constructies van deze sculpturen zijn echter nog
wel eens onderhevig aan de nodige kritiek. Achter de façades
schuilen grote hoeveelheden materiaal, wat in schril contrast
staat met de beoogde elegantie van het ontwerp. De vraag is
dus hoe deze constructieve vormen elegant kunnen worden
verwezenlijkt.
1
Diederik Veenendaal
Block Research Group, ETH Zürich
1 Stadion Norfolk Scope - Pier Luigi Nervi foto: David Kirsch 2 Magazzini Generali door Robert Maillart, 1925, Zwitserland foto: Chriusha (?????)3 Pier Luigi Nervi
Geschiedenis
Complexe vormen zijn niet nieuw. Al vóór het tijdperk van de
computer waren er grootmeesters die op harmonieuze wijze
vorm, constructie en maakbaarheid konden combineren. Zo
maakte Pier Luigi Nervi (foto 3) gebruik van krachtenpaden
(lijnen waarin hoofdspanningen naar de opleggingen als het
ware toestromen) om ribpatronen in zijn vloer-, gewelf- en
schaalconstructies te bepalen (foto 2). Robert Maillart paste
grafostatica ? een methode om vlakke statische problemen
grafisch op te lossen op basis van handmatige tekeningen ? toe
om zijn bruggen en liggers efficiënt te houden (foto 3). Antoni
Gaudi en Heinz Isler gebruikten hangmodellen voor hun ontwer -
pen, die onder het eigen gewicht tot hun vorm kwamen (foto 4,
5). Zodoende zouden deze modellen omgekeerd puur onder
druk, in evenwicht, en zonder buiging werken; een praktijk die
ook wel 'form-finding' wordt genoemd.
1
1
Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016
30
Funicular floor system
De in dit artikel genoemde methoden, krachtenpaden, grafostatica en
form-finding komen samen in een nieuw betonnen vloersysteem: een
vloer met een onderzijde in gewelfvorm en daarbovenop een ribpa -
troon (foto 8). Het systeem is voorgesteld en ontwikkeld door de Block
Research Group aan de technische universiteit ETH Zürich in Zwitser -
land. In een geautomatiseerd ontwerpproces worden het ribpatroon en
het gewelf bepaald door zelfontwikkelde, numerieke, driedimensionale
versies van grafostatica en form-finding. Tot slot worden de dikten
bepaald door middel van eindige-elementenanalyses op basis van
standaardvloerbelastingen (SAP2000 en ANSYS). Het resultaat is een, in
principe, ongewapende vloer met externe trekstangen tussen de vier
opleggingen.
In tegenstelling tot ESO of genetische algoritmen is de geometrie niet
de uitkomst van een black box, maar een proces waarin de ontwerper
helder inzicht heeft en in feite heeft ontworpen met het interne krach -
tenspel.
Voor een eerste prototype is een staalvezelversterkt, zelfverdichtend beton
gebruikt. Hierbij zijn de vezels bedoeld om scheurvorming te beperken en
belastingen gedurende transport te ondervangen. Het systeem bespaart
70% gewicht in beton ten opzichte van conventionele betonnen vloerpla -
ten, en kent dikten van 20 mm voor zowel gewelf als ribben. Het gewelf
heeft de ideale vorm om het eigen gewicht te dragen, terwijl de ribben
asymmetrische, veranderlijke belastingen voor hun rekening nemen.
Dit vloersysteem, het zogenoemde 'funicular floor system', wordt volgend
jaar toegepast in het experimentele gebouw NEST HiLo in Dübendorf
(Zwitserland). Tot en met 27 november 2016 zijn twee nieuwere prototy -
pen, waarvan één zoals hier beschreven en één 3D geprint, te bezichtigen
in Venetië bij de Architectuur Biennale.
6
5
Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016
31
4 Deitingen Süd Raststätte door Heinz Isler, 1968, Zwitserland foto: Chriusha (?????)5 Hangmodel door Antoni Gaudi, Spanje 6 Qatar National Convention Centre van Arata Isozaki, 2011, Qatar foto: UNCTAD
ESO: materiaal alleen daar waar nodig
Inmiddels zijn middelen om constructies te optimaliseren zeer
toegankelijk geworden. Moest voorheen zelf iets worden
geprogrammeerd, tegenwoordig zijn er eenvoudig plug-ins te
downloaden. Een voorbeeld is evolutionary structural optimi -
zation, ESO. Dit algoritme plaatst materiaal daar waar het
constructief het meest nodig is, en verwijdert het daar waar het
onbenut blijft. Het Qatar National Convention Centre uit 2011
van Arata Isozaki is hier een voorbeeld van (foto 6). Echter,
optimaal oogt dit voorbeeld niet. Waarom ondersteunen slechts
twee opleggingen het dak, terwijl de façade eronder over de
gehele breedte wél kan worden ondersteund? De reden blijkt
dat de vorm ooit is geoptimaliseerd als vrije perronoverkapping
zonder façade. En het dak was bedoeld als landingsbaan voor
kleine vliegtuigen.
7 Geoptimaliseerde ligger door middel van ESO, een textielge - vormd betonnen vakwerk van prof. Mark West, en een evolu - tionair bepaalde, textielgevormde ligger8 Funicular floor system, 1:1 prototype voor NEST HiLo foto: Block Research Group, ETH Zürich
Zonder de juiste randvoorwaarden, belastingen en rekenschap
met de bouwmethoden, is optimalisatie een black box: rommel
in, rommel uit. Het resultaat heeft niets te maken met
constructieve efficiëntie noch met maakbaarheid.
Terwijl het gebruik van ESO in de praktijk nog exotisch is, is de
toepassing van genetische algoritmen wel al enorm toegenomen.
Het principe volgt dat van de biologische evolutie; een generatie
van mogelijkheden wordt getoetst en de eigenschappen van de
beste oplossingen worden gekruist en gemuteerd om tot een
nieuwe generatie te komen. Hiermee kunnen zowel construc -
tieve als bouwtechnische aspecten worden geëvalueerd en zijn
de schijnbaar onmaakbare resultaten van ESO wellicht toch te
realiseren. Textielmallen kunnen hierbij uitkomst bieden
(figuur 7).
7
8
Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016
32
9 P_Wall (door Andrew Kudless) waarbij tex - tielmallen zijn gevuld met gips in plaats van beton, 2009, Verenigde Staten foto: Anna Conti
10 Ontwerp voor kabelnetgevormde brug, ARC Wildlife Crossing bron: Zwarts & Jansma Architects11 Prototype kabelnetgevormde schaal voor NEST HiLo Foto: Block Research Group, ETH Zürich
Flexibel gevormde schaaldaken
De combinatie textielmallen en schaalconstructies vormt een
bijzonder huwelijk. Door een textiel tot een dubbelgekromde
vorm op te spannen, ontstaat de mal voor een lichte schil van
beton die grote oppervlakten kan overspannen en overdekken.
Door in plaats hiervan een kabelnet te gebruiken en de voor -
spankrachten van tevoren nauwkeurig te berekenen, kan dit
concept worden opgeschaald tot zeer grote overspanningen
(figuur 10).
Praktijk: NEST HiLo
Voor het NEST HiLo project ontwikkelt de Block Research
Group een flexibel gevormd schaaldak (foto 11). NEST is een
multifunctioneel gebouw van de toekomst van het Zwitserse,
federale onderzoeksinstituut Empa, dat bestaat uit uitwisselbare
eenheden, zoals HiLo. Elke eenheid wordt onafhankelijk ontwor -
pen en is bedoeld om nieuwe bouwtechnologieën te beproeven
en te demonstreren. HiLo zelf zal dienstdoen als appartement
voor bezoekende wetenschappers van het instituut.
Het dak is ontworpen met behulp van een multicriteria gene -
tisch algoritme (foto 12). Initiële studies onderzochten de
invloed van het aantal en de positie van opleggingen op de
draagkracht, maakbaarheid, vrije ruimte onder het dak en
potentieel oppervlak om zonne-energie op te wekken. Op deze
manier kon gehoor worden gegeven aan ruimtelijke, functio -
nele, energetische en constructieve randvoorwaarden en een
optimum hierin worden gevonden. Het constructieve ontwerp
van dunne schaalconstructies luister nauw, omdat optimalisatie
Textielmallen
Bij gebruik van textielmallen wordt hout, staal, polystyreen of
ander traditioneel bekistingsmateriaal vervangen door een
eenvoudig textiel. Het textiel is licht, goedkoop, eenvoudig te
vervoeren en op te slaan, en in staat de zeer hoge vloeistofdruk
van het gestorte beton te weerstaan. En het textiel maakt unieke
vormen mogelijk, vaak gezien als organisch of zelfs sensueel
(foto 9) Het gebruik van textiel is onafhankelijk van het type
beton of wapening. Er zijn voorbeelden van normaal textiel dat
tot 10 m vloeistofdruk van het gestorte beton kan weerstaan.
Textielsoorten in de bouw, bijvoorbeeld voor tentconstructies,
zijn veelal gecoat polyester of glasvezel. Bij textielmallen is
textiel zonder coating niet alleen voordeliger, maar leidt tevens
tot hogere kwaliteit van het oppervlak vrij van luchtgaten.
Overtollig lucht en water kunnen namelijk eenvoudig ontsnap -
pen tijdens het uitharden.
Projectpartners NEST HiLo ontwerpfase
Block Research Group, ETH Zürich ? constructieve
innovatie
Architecture and Buildings Systems, ETH Zürich ?
innovatie van bouwkundige systemen
Supermanoeuvre, Sydney, Australië ? productie-
innovatie
Zwarts & Jansma Architects, Amsterdam ?
constructieve innovatie
9 11 12
Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016
33
12 Evolutionair geoptimaliseerde vormen voor het dak van NEST HiLo foto: Maurice Vinken / Zwarts &Jansma Architects
13 Exterieur van NEST HiLo met kabelnetge - vormd schaaldak, Dübendorf, Zwitserland bron: Doug & Wolf
Maakbaar, duurzaam en elegant
Ontwikkelingen in digitale ontwerpmiddelen staan toe om
extreem efficiënte constructies in beton te ontwerpen, die tege -
lijkertijd maakbaar, duurzaam en elegant zijn. Textielmallen
zijn hierbij een eenvoudige, betaalbare en effectieve manier om
dergelijke constructies te produceren. ?
? LITERATUUR
1 Cui et al., Computational Morphogenesis of 3D Structures by Exten -
ded ESO Method, 2003.
2 López D., Veenendaal D., Akbarzadeh M. and Block P. Prototype of an
ultra-thin, concrete vaulted floor system, Proceedings of the IASS-
SLTE 2014 Symposium, Brasilia, Brazil, 2014.
3 Veenendaal D., Bakker J., Block P., Structural design of the cable-net
and fabric formed, ferrocement sandwich shell roof of NEST HiLo
Proceedings of the International Association for Shell and Spatial
Structures (IASS) Symposium, Amsterdam, 2015.
gepaard gaat met toenemende gevoeligheid voor knik. Het
knikgedrag van schalen maakt het noodzakelijk zowel geometri -
sche (derde orde) niet-lineairiteiten en imperfecties als
niet-lineair gedrag van het beton inclusief krimp en kruip mee
te nemen (Karamba3D en Sofistik). Omdat de huidige Eurocode
en Zwitserse SIA code niet voorziet in betonnen schaalconstruc -
ties (enkel van staal) is niet alleen in BGT en UGT gerekend,
maar ook op basis van aanbevelingen uit 1979 van de Internatio -
nal Association of Shell and Spatial Structures. Met bovenstaande
niet-lineariteiten moet daarbij een belastingsfactor worden
berekend die lager moet zijn dan een bepaalde veiligheidsfactor
(variërend tussen 1,75 ? 3,50, onder meer afhankelijk van het
derdeordegedrag).
Het resultaat voor het NEST HiLo project is een dakconstructie
van 150 m2, overspanningen tot 9 m, maar slechts een gemid -
delde betondikte van 80 mm, lokaal zelfs maar 30 mm (fig.13).
Het dak wordt gewapend met meerdere lagen gaas van staal en/
of glas- of koolstofvezel. Het composiet heet dan ofwel 'ferroce -
ment' ofwel 'textile-reinforced concrete' (niet te verwarren met
textielgevormd beton). De thermische geleiding en flexibiliteit
van de drie materialen zullen bepalend zijn voor de materialen
die uiteindelijk worden toegepast. Het beton zelf is ook in
ontwikkeling, maar bestaande prototypen zijn uitgevoerd in
een vrij viskeuze, haast kleiachtige betonmix, om de steile
krommingen van de enkelzijdige, flexibele mal te kunnen
vervaardigen.
Naast het flexibel gevormde schaaldak wordt in dit project ook
de zogenoemde 'funicular floor' toegepast (zie kader 'Funicular
floor system').
Tektoniek
Dit artikel is gebaseerd op een artikel van Tektoniek,
kennisnetwerk architectuur in beton. Dit artikel is te
raadplegen op www.tektoniek.nl .
13
Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016
Reacties