ANW - Scholieren.com

ANW
Esthetica en constructie
Naomi van Dijck
ANW
Naomi van Dijck
Inhoud
Inhoud .................................................................................................................................................. 2
Inleiding ............................................................................................................................................... 3
Wat is er nodig om een constructie reëel te houden?........................................................ 4
Materiaal......................................................................................................................................... 4
Vorm en constructie ................................................................................................................... 6
Invloeden 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? .......................................................................................... 12
Hoofdvraag: Hoe ontstaat er een balans tussen esthetica en de wetenschap bij
het ontwerpen van een gebouw? ............................................................................................ 13
Kernbegrippen ............................................................................................................................... 14
Bronnen ............................................................................................................................................ 15
2 van 15
ANW
Naomi van Dijck
Inleiding
In 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:
Natuurwetten
Constructie
Materiaal
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 eigenschappen
Er 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.
4 van 15
ANW
Naomi van Dijck
 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 eigenschappen
Deze 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
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 eigenschappen
Deze 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:
F
spanning 
A
5 van 15
ANW
Naomi van Dijck
 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
 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 eigenschappen
Deze 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 cirkel
Deze 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 driehoek
Een 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 vierkant
Een 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 krachten
Bij 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 zwaartekracht
Type: 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:
F  m  9,81
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.
Wind
Type: 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:
P
1
 luchtdichtheid  windsnelheid 2  vormfactor
2
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
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Windsnelheid (m/s)
Ondergrens
Bovengrens
0.0
0.2
0.3
1.5
1.6
3.3
3.4
5.4
5.5
7.9
8.0
10.7
10.8
13.8
13.9
17.1
17.2
20.7
20.8
24.4
24.5
28.4
28.5
32.5
32.6
10 van 15
Winddruk (N/m2)
Bovengrens
0.03
1.4
6.8
18
39
72
119
183
268
372
504
660
> 660
ANW
Naomi van Dijck
Treinen en Metro’s
Type: 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:
1 k
eigenfrequentie 
2 m
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
Materiaal
Chemische eigenschappen
Fysische eigenschappen
Mechanische eigenschappen
Dimensionele eigenschappen
Vorm en constructie
Geometrische vormen
Cirkel
Driehoek
Vierkant
Compressie
Invloeden op materiaal en constructie
Statische en dynamische krachten
Vermoeiing
Draagkracht
Directe overdruk
Afschuifkracht
BFT
Amplitude
14 van 15
ANW
Naomi van Dijck
Bronnen
NAI
Internet:
http://www.architectenweb.nl/aweb/archipedia/archipedia.asp?id=3456
http://www.snoarc.no/#/projects/15/true/all/image/876/
http://www.berekeningvanconstructies.be/
http://nl.wikipedia.org/wiki/Materiaalkunde
http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/index.html
http://www.esveld.com/Download/TUD/COB_dag_jun99.pdf (TU Delft)
http://www.natuurkunde.nl/uitleg/begrippen.do
http://www.natuurkunde.nl/servlet/supportBinaryFiles?referenceId=33&supp
ortId=809439
http://www.brrc.be/pdf/mededelingen/med46t.pdf
15 van 15