Aluminium in ruimtelijke constructies Deel 4

In dit vierde deel van de serie over aluminium in ruimtelijke constructies wordt een groot aantal door de auteur uitgevoerde constructies getoond, vervaardigd in het ontwerp- en produktieproces zoals omschreven in het eerste artikel, met materiaaleigenschappen zoals omschreven in het tweede artikel, en met constructieprincipes zoals omschreven in het derde artikel.

Dr.lr. M. Eekhout


In dit artikel zullen de drie belangrijkste hoofdgroepen van gerealiseerde ruimtelijke constructies in aluminium worden behandeld, alle ontworpen en geproduceerd door Octatube. Een groot aantal daarvan is ook als constructief concept door de auteur ontworpen in dialoog met project-architekten.
De drie hoofdgroepen van deze ruimtevakwerken zijn:

 

•  vlakke ruimtevakwerken
•  cilindrische ruimtevakwerken
•  koepelvormige ruimtevakwerken.

Verder zal tevens de invloed van specifieke afdekkingen worden behandeld: aluminium sandwichpanelen, glaspanelen en gespannen membranen.

Vlakke ruimtevakwerken

Vlakke ruimtevakwerken in aluminium worden vanwege de concurrerende prijs van staal slechts in een aantal specifieke gevallen toegepast. In het algemeen is de prijs van een aluminium ruimtevakwerk 20 tot 30% duurder dan van een stalen variant. Dus moeten er goede redenen zijn om aluminium te gebruiken bij ruimtelijke constructies.


Zoals in het vorige artikel al vermeld kunnen die redenen zijn:

 

• 1. De zeer hoge kwaliteit van afwerking die vooral wordt gewaardeerd in het duurdere marktsegment: entreeluifels, entreeruimten, serres en atriums van kantoren, hotels en publieke gebouwen, decoratieve toepassingen in de binnenhuisarchitectuur (concurrentie van roestvast staal of vernikkeld staal). Het aluminium wordt vaak uitgevoerd in metallique lak of geanodiseerd. Een apart marktsegment vormen de toepassingen in het Midden en Verre Oosten, waar behalve kantoren en hotels ook veel winkelcentra een glamour-uitstraling moeten hebben.
• 2. De hoge chemische weerstand van aluminium in daartoe speciaal vervaardige legeringen (die echter op zich niet zo veel duurder zijn dan het standaard bouwaluminium AIMgSi 0,5 F 22). Toepassingen met name in zwembaden, in zeewatermilieus, in rioolwaterzuiveringsinstallaties en in andere constructies voor de opslag/verwerking van chemisch agressieve stoffen. De toenemende sterkte van aluminium bij lage temperaturen maakt het zeer geschikt voor gebouwen in alpine/poolklimaten en op grote hoogten.
• 3. Het lage eigen gewicht van aluminium (30% van dat van staal, maar de gevolgen van de lagere elasticiteitsmodulus meegerekend oplopend tot 50% van het eigen gewicht van een stalen constructie) levert grote voordelen bij toepassingen waar transport en/ of assemblage en montagewijze bepalend is. Ook voor moeilijk bereikbare plaatsen (zowel in de natuur als in grote gebouwencomplexen), exportprojekten met vliegtuigtransport, en voor situaties waar de capaciteit van het hijsmaterieel beperkingen oplegt aan het hijsbare constructiegewicht. Voor toepassingen waar meer dan eens dezelfde constructie moet worden opgebouwd en afgebroken (reizende tentoonstellingspaviljoens) geldt dat men in toenemende mate beseft dat bij aluminium de meerkosten ten opzichte van staal door lagere kosten van arbeid en hijsmaterieel kunnen worden terugverdiend. In dit opzicht verloopt het parallel aan de ontwikkeling van stalen naar aluminium steigerwerk.

Vlakke ruimtevakwerken zijn de meest gebruikte en populaire simpele vormen van ruimtevakwerken. Vlakke frames kunnen worden toegepast als platte daken (niet als vloeren vanwege de optredende kruip bij permanente belasting). maar ook als schuin staande wanden, als daken van bijvoorbeeld serres en als vertikale wanden die beglaasd of beplaat zijn. In de vorm van lineaire elementen kunnen ze ook worden gebruikt als torens en als (tijdelijke) bruggen. Er is een grote verscheidenheid aan keuzen in geometrie, topologie, moduul keuze, constructiehoogte, kolomplaatsing e.d. om een simpel en effectief ontwerp te kunnen maken voor een vlak aluminium ruimtevakwerk. De ontwerpprincipes die hiervoor gelden zijn voor een groot deel reeds behandeld in het derde artikel (ALUMINIUM 6/ '89). Het uitgangspunt bij v lakke ruimtevakwerken is dat de gebruikte elementen (staven en knooppunten) alle identiek zijn. Dit is een eis uit de produktiesfeer, soms ook als ontwerpuitgangspunt genomen door de projektarchitekt. In de praktijk echter blijkt al snel dat vanwege de verschillende constructieve belastingen van de individuele knopen en staven er een grote verscheidenheid ontstaat in dimensies.
Dat wil zeggen in dwarsdimensies van staven, veroorzaakt door druk- en trekkrachten van geheel verschillende grootte en uiteraard ook in de verschillen van ruimtelijke belasting van de knopen. Dit alles betreft de sterkte van elementen. Maar ook de stijfheid is belangrijk. Alle constructies vervormen onder invloed van externe of interne belastingen, verbeeld in de buigende momentenlijnen. 


Om te voorkomen dat vlakke, platliggende ruimtevakwerken visueel doorzakken, wordt er vaak een toog in aangebracht. Heel vaak wordt de toog zodanig gekozen dat deze nihil is na montage: de toog is even groot als de doorzakking door eigengewicht, waarbij een separaat systeem van gordingen op de toog zorgt voor een goede hemelwaterafvoer. Als alternatief kan het platte ruimtevakwerk ook zodanig worden getoogd dat er na montage ook een positieve hemelwatertoog overblijft, zodat het dakpakket direct kan worden aangebracht op het ruimtevakwerk. Het gevolg van beide vormen van voortogen is dat de individuele staven ook in de langsrichting verschillende lengten hebben. Vaak is dat een verschil van millimeters of minder. Het gevolg is echter dat van de gevraagde eenvormigheid bij produktie niet zoveeloverblijft. Dit probleem zal in de toekomst worden verkleind door de doorvoering van CAM technieken bij de produktie. Wat blijft is het coderen van de individuele elementen tijdens de produktie en het coaten, en het sorteren en op de juiste plaats assembleren op de bouwplaats. Kort en goed, het axioma van massa-produktie is snel aan het verdwijnen door allerlei praktische invloeden. Dit feit wordt nog versterkt doordat de auteur, van origine architekt, meer geïnteresseerd is in nieuwe ontwerpen met steeds nieuwe uitdagingen dan in standaardproduktie-ontwerpen.


Als de mogelijkheid wordt aangedragen om van de toch-al-niet-zo-standaard vlakke ruimtevakwerken over te gaan naar meer ingewikkelde stelsels, dan betekent dat dat de meeste produkties niet-standaard zijn. Of dat niet-standaard standaard wordt. In een aantal projekten zijn afwijkingen gerealiseerd die hier het noemen waard zijn. Meestal betreft het afwijkingen om een betere inpassing in het totaalgebouw mogelijk te maken: de overdekking van een atrium dat een trapeziumplattegrond heeft met maar twee haakse hoeken, werd opgelost door een standaard ruimtevakwerk te ontwerpen met een laatste radiaal uitwaaierende baan in de afwijkende hoek. Het ontworpen ruimtevakwerk past nu logisch en onopvallend in het gebouw, maar uiteraard was de engineering en de produktie wel flink wat ingewikkelder dan standaard (projekt Logica aan de Wijnhaven in Rotterdam, architekt Chiel Verhoeff). Er is duidelijk verband tussen de afwijkingen van standaard vlak naar cilinders, koepels en zadels: het meesterschap op het gebied van de geometrisch complexe constructies is ook het vlakke gebied binnengedrongen. En hoewel standaard en vlak vaak wordt uitgevoerd, is in het kader van dit artikel meer aandacht voor de afwijking op zijn plaats.

In vijf stappen van recht naar krom

De verwording van standaard vlak ruimtevakwerk naar een onregelmatige geometrie kan worden verklaard in de volgende 5 stappen. De nul-situatie is een standaard ruimtevakwerk met gelijke staaflengten en gelijke knopen, en daarom in een vierkant moduul (een identieke redenatie kan worden gegeven voor een driehoekig moduul, maar die wordt slechts zelden toegepast). De vijf stappen naar het sophisticeren van de geometrie illustreren ook hoe een ontwerp-probleem van totaal afmetingen in het ruimtevakwerk kan worden geabsorbeerd en opgelost.


1. Hoogte deformatie

Het komt steeds vaker voor dat de regelmatige relatie tussen de gekozen vierkante plattegrond moduul en de constructiehoogte moet worden verbroken. De standaard hoogte is half wortel 2 maal de moduul. indien alle staven van gelijke lengte zijn (h = 0,707 M). Hierbij behoort een hellingshoek van ongeveer 54 graden. Normaliter wordt de keuze van de constructiehoogte mede bepaald door de gebruikelijke verhouding tussen overspanning en constructiehoogte 20:1. Vaak verlangt de architekt echter een constructiehoogte die overeenkomt met aansluitende hoogten, van vrije hoogten, verdiepingshoogten, boei boorden, borstweringen en andere aansluitende elementen. En vaak wordt er uit overwegingen van ontwerp in doorsnede een hellingshoek gevraagd van 45 graden. Dit alles voert naar ruimtevakwerken met een vierkante horizontale moduul en langere of kortere tussenstaven, al naar gelang de hellingshoek steiler offlauwer moet zijn dan 54 graden. De meeste ruimtevakwerksystemen op de markt kunnen aan deze eis voldoen.



Afb. 1 Een 15-tal combinaties van verschillende typen ruimtelijke constructies met afdekkingen. Uit Architecture in Space Structures, Mick Eekhout.


Afb. 2 Showroom/kantine Au ping, Deventer. Ontworpen door architect Roeterdink, Frans de la Haye en de auteur, compleet met halogeenlampjes in de dia 110 mm bollen.


Afb. 3 Interieurtoepassing van een aluminium ruimtevakwerk als dak van het zwembad Groot Stokkert in Wapenveld. Architect Letou.


Afb. 4 Expositie stand Radio Holland vervaardigd van een aluminium TubalI ruimtevakwerk die tweemaal per jaar in een andere vorm wordt opgebouwd op verschillende locaties.



2. Lengte deformatie

Vaak is de aan het ruimtevakwerk toegemeten ruimte niet vierkant, maar rechthoekig, en soms ook niet deelbaar in een geheel aantal identieke modulen. Zijn de afwijkingen klein dan kan een oplossing worden gezocht in afwijkende oplegconsole-maten in twee richtingen. Zijn de afwijkingen echter belangrijk groter dan met een langere console verantwoord kunnen worden overbrugd, dan is het logischer de oplegdetails alle gelijk te houden en de onregelmatigheid in het ruimtevakwerk zelf op te lossen door middel van het 'uittrekken' of 'indrukken' van een van de twee staafrichtingen waardoor een rechthoekige moduul ontstaat. Er zijn nu afwijkende hoeken, niet alleen in vertikale (zie 1). maar ook in horizontale richting. Het ruimtevakwerk past echter excellent in de gegeven totale oppervlaktemaat. Bij bolvormige knooppunten kan deze horizontale vervorming tot een bepaalde hoek (waarbij de staven tegen elkaar aan de bol liggen) worden gerealiseerd. Bij systemen die geen horizontale vervorming toestaan, zouden in dit geval de staven vlakbij de einden geknikt (in verstek gezaagd en gelast) kunnen worden ('geknikte hertepootjes'). Dit is alleen bij onderbelasteen/of overgedimensioneerde ruimtevakwerken mogelijk en bovendien zal de visuele waardering minder hoog zijn. Een ander oplossing is een specifiek knooppunt te ontwerpen en te vervaardigen, speciaal voor deze afwijkende horizontale hoeken. Dit geldt uiteraard ook voor alle volgende stappen indien de kwantiteit van de knooppunten zulks rechtvaardigt.


3. Regelmatige hoek deformatie

In het geval de ruimtevakwerk-contour in plattegrond niet vierkant of rechthoekig is maar ruitvormig (met gelijke of ongelijke staaflengten in plattegrond). dan kan een uitstekend antwoord worden gegeven door een ruimtevakwerk te ontwerpen op basis van een ruitvormige moduul. Voorbeeld van een dergelijk ontwerp was een benzinestation in Berlijn waar de contour van het ruimtevakwerk de straatbebouwing moest volgen die onder 70 en 62 graden ten opzichte van de dwarsstaven verliep. Het resultaat is een onregelmatige ruitvormige moduul: een onregelmatigheid die in het ruimtevakwerk wordt opgelost om daarmee een perfekte aansluiting te verkrijgen in de globale afmeting. In geval van dit benzinestation is er nog een derde richting toegevoegd waardoor een onregelmatige driehoekige moduul ontstond die door zijn uiterst grote stijfheid uitkragingen naar alle richtingen mogelijk maakte.


4. Radiale hoek deformatie

Als de geprojekteerde plattegrond van het ruimtevakwerk een cirkelvorm is of een deel (segment) daarvan, kunnen de vlakstaven gekozen worden in twee richtingen, radiaal en meridionaal in de cirkel. De tussenstaven volgen dan automatisch deze vorm omdat ze de onder- en bovenknooppunten verbinden. Dit resulteert natuurlijk in een groot aantal verschillende staaflengten, staafhoeken en knooppunthoeken, die elk in een kleine serie worden vervaardigd (afhankelijk van het aantal repeterende cirkelsegmenten). Een voorbeeld van een dergelijk ontwerp is het dak boven de raadszaal in Huizen, ontworpen door architekt ZZOP en de auteur. Een tweede voorbeeld is het dak boven een autoshowroom in Waddinxveen, ontworpen door architekt Brabo Rienks en de auteur, waar de modulen variëren van 0,8 m tot 2,1 m in meridionale richting terwijl de radiale vlakstaven altijd 1,8 m zijn. De plattegrond van beide voorbeelden is een kwart cirkel.


5. Onregelmatige hoek deformatie

Door onregelmatige vierhoekige plattegronden te vullen met staven en knooppunten van meer willekeurige lengten en hoeken ontstaan ruimtevakwerken met een zeer groot aantal verschillende elementen, hetgeen in de engineeringsfase, maar ook in de produktie en de assemblage/montagefase tot hogere kosten zal leiden. In de toekomst zullen deze extra kosten waarschijnlijk voor een groot deel weer kunnen worden gereduceerd door te werken met CAD/CAMmethoden, maar zover is het nog niet: steeds zal het identificeren en ordenen van de verschillende elementen voor specifieke plaatsen in de constructie meer energie vragen dan bij standaard.
Een voorbeeld van een onregelmatig ruimtevakwerk, zij het in een licht gebogen vorm, is één van de voorontwerpen voor een muziekpaviljoen in de Prinsenhof te Delft. Een ander voorbeeld is het ontwerp van een golvend ruimtevakwerkdak voor een benzinestation te Pforzheim, afgedekt met constructief gelijmde siliconenvoegen. Maar over het geheel genomen laten de illustraties van de geometrische aanpassingen en deformaties van ruimtevakwerken zien dat, indien de projekt-architekt erop staat, ook ruimtevakwerken kunnen worden ingepast in bijna elk willekeurig grondvlak. De overige illustraties van vlakke ruimtevakwerken in dit artikel behoeven geen nadere toelichting.

Cilindrische ruimtevakwerken

Vlakke ruimtevakwerken kunnen in principe 'bouwkundig' of 'constructief' gebogen worden uitgevoerd.'Bouwkundig' is een referentie naar de hemelwaterafvoerende vorm die het in belaste en/ of onbelaste toestand heeft. 'Constructief' is een verwijzing naar de constructieve gebogen vorm die voor momentreducties kan zorgen, mits de horizontale krachten kunnen worden opgenomen. Hierbij zullen de externe belastingen voornamelijk worden verdeeld in drukkrachten, die in het volumen van de drukboog verlopen, terwijl de trekkrachten worden opgenomen door de oplegdetails bij de onder steuningen of door trekstangen/trekelementen. Momenteel is een hangar in ontwerp waarbij de overspanning van 80 m wordt gerealiseerd door een gebogen (druk) ruimtevakwerk boven een vlak (trek) ruimtevakwerk. Dit principe is dus zowel van toepassing op kleinere als op grotere overspanningen. In de kleinere overspanningen is de verhouding tussen overspanningen en constructiehoogte zeer klein, de stijfheid vrij groot; er worden geen grote horizontale krachten verwacht (buiten die door horizontale windbelasting). Dit is het geval met dubbellagige cilindrisch gebogen ruimtevakwerken van 6 tot 10 m overspanning en een moduul van 1,5 tot 2,0 m, met een constructieve hoogte van 1,0 tot 1,5 meter. Bij grotere overspanningen en slankere doorsneden zullen de horizontale spatkrachten in grootte toenemen, maar de constructief ontwerper kan de hoeveelheid af te dragen spatkrachten beïnvloeden door de eigenstijfheid op te voeren. In ieder geval zijn bij cilindrisch gebogen ruimtevakwerken aanzienlijke besparingen mogelijk in het eigengewicht van de constructie vergeleken met vlakke ruimtevakwerken.



Afb. 5 Dubbellagig ruimtevakwerk voor De Lawei in Drachten met geïntegreerde verlichtingsarmaturen, als een onafhankelijk gestabiliseerde constructie. Architect Abe Bonnema.


Afb. 6 Entree Raffles City Complex in Singapore bestaande uit een aluminium Tuball-Plus ruimtevakwerk met direct daarop met siliconen verlijmd gelamineerd glas zonder afschot. Architect I. M. Pei & Partners, New York. Constructief ontwerp auteur.


Afb. 7 Ontwerpmodel (door auteur, 1988) van een voorontwerp van een nieuw muziekpaviljoen in de Prinsenhof te Delft als een scheef verlopend dubbellagig ruimtevakwerk op 2 ingeklemde boomvormige kolommen, afgedekt met helder gelamineerd glas, atm. 6 x 9 m.


Afb. 8 Ontwerp van een vrijstaande koepel op de grens tussen tuin en plein op het Prinsenhof te Delft(auteur, 1988), afm. 6 x 7 m, aftedekken met deels helder gelamineerd glas met blauwgrijze gelamineerde middenband. Alu TubalI Plus ruimtevakwerk in witgrijs.


Afb. 9 Voorstel doorsnede van een cilindrisch gekromde passage 16 m overspanning bedekt met gehard gelamineerd glas voor het winkelcentrum Al hambra te Barnsley, GB. Ontwerp auteur 1989.


Afb. 10/11 Buitenaanzicht en interieur van het Serangoon Gardens Country Club atrium te Singapore, ontworpen door de auteur in 1984, waarbij 5 cilinderschaalvormige en beglaasde ruimtevakwerken een ruimte overspannen groot 20 x 30 m, met opleggingen alleen aan de kopzijden. De aluminium Tuba/I staven zijn speciaal gekozen voor de glaskozijnfunctie.


Een voorbeeld is het Octatube voorstel uit 1985 voor de schaatsbaan van Heereveen, waarbij een ruimtevakwerkcilinder de overspanning maakte met een eigengewicht, terwijl vlakke ruimtevakwerkdaken gewoonlijk slechts overspanningen van 50 m kunnen behalen. Dus door de voordelen van eendimensionale boogconstructies over te nemen, met 2- of 3-scharnieren, kunnen ook lichtgewicht ruimtevakwerken voor grote overspanningen worden gerealiseerd. In Miami is zo een hangar gebouwd in aluminium door Wendel R. Wendel met een overspanning van 68,9 m, en een eigengewicht van slechts 10,5 kg/m2.
 

Afb. 12 Doorsnede perspectiefvan de 5 cilinderschalen van Serangoon.


Afb. 13 Interieur van de hoofdentree van het ondergrondse hoofdstation Orchard Boulevard te Singapore, in de vorm van cirkelvormig gekromde deltaliggers, afgedekt met aluminium sandwichpanelen en 2 beglaasde koppen: overspanning 8 m.


Afb. 14 Isometrie van een licht gebogen dubbellagig lichtgrijs gecoat aluminium Tuball-Plus ruimtevakwerk afgedekt met grijs getint gelamineerd glas voor een kantoorgebouw te Kuala Lumpur.


Afb. 15/16/17 Buitenaanzicht, interieur en topoderail van één van de drie identieke glaskoepels voor het Tanfield kantoor te Edinburgh, GB, in lichtgrijs gecoat aluminium Tubali-Plus afgedekt met licht reflecterend zilvergrijs dubbelglas, voorzien van roterende binnen- en buitenladder en de 4-delige skeletten voor een roterende en volledig geautomatiseerde zonwering (elk segment in de vorm van een zesde koepel). Architect Michael Laird, ontwerp auteur, 1988.


Afb. 18 Modelfoto van een 70 m diameter koepel in dubbellagige rechthoekige geometrie af te dekken met pneumatische triplelagige kussens, voor het Science Centre op de Mullerpier te Rotterdam. Architect Joost Pare AGS, ontwerp koepel auteur.


Afb. 19 Perspectieftekening van een enkellagige koepelconstructie in een serie van 16 stuks op vierkant grondvlak 22 x 22 m met 4 delta randliggers voor de Maidan Exhibitions in New Delhi. Ontwerp Jan Faber en auteur 1989.


Afb. 20 Overzichtsfoto van een 25 m diameter goudkleurig gecoate enkellagige aluminium netwerkkoepe/16 m hoogte in 'vlam 'model over een hotelzwembad in Singapore, vlakbij de Sultan-moskee. Alle bollen zijn voorzien van twee glazen lampen, waarvan de bedrading geheel binnen de a/u bollen en staven verloopt. Ontwerp auteur 1984.


Afb. 21 Een 12 m hoog 'land mark' in de vorm van een tetra-toren, opgebouwd uit identieke staven en bollen in driehoeksverband (tetraheders), welk automatisch een drievoudige spiralende be/ijning geeft. Sportcomplex Ring Pass te Delft. Ontwerp auteur 1989.


Als het architektonisch ontwerp vraagt om een cilindrisch gevormd ruimtevakwerk bekleed met geprofileerde metalen dakplaten, metalen sandwich panelen of glaspanel en, kan het constructieve schema gebruik maken van de gereduceerde interne krachten bij de dimensionering van de samenstellende elementen. Het resultaat zal een slank gedimensioneerd ruimtevakwerk zijn. Een half-cilindrische vorm heeft architektonisch ook nog het voordeel van een duidelijke hemelwater- en sneeuwafvoer en een sterke vorm identiteit. Constructief kunnen cilinders worden gevormd op twee wijzen. Aangezien de krachtsoverdracht in de twee richtingen ongelijk is doordat de ene richting gekromd is en de andere recht, en bovendien anders ondersteund, kunnen we van een voornamelijk eendimensionale overspanning spreken. Een volledig ruimtevakwerk kan daarom in sommige gevallen ook worden vervangen door delta- of driehoeks-liggers, waardoor een volledig eendimensionale constructie ontstaat. De keuze tussen delta en volledig ruimtevakwerk is geheel afhankelijk van de afmetingen van de beide overspanningsrichtingen en de oplegcondities.


Als de ondersteuningen aan beide zijden van de cilinder continu mogelijk zijn, kan het ruimtevakwerk uitgevoerd worden als delta liggers. Een voorbeeld hiervan is de passage van winkelcentrum De Amsterdamse Poort in Amsterdam Zuid-Oost, ontworpen door architekt Ben Loerakker en de auteur. Hier rusten de deltaliggers aan één zijde op een betonnen randbalk, aan de andere zijde op een stalen randbalk. De afmeting van deze passage is 11 m breed, 5,5 m hoog en 35,7 m lang, en is opgebouwd uit het Tuball-Plus systeem in een moduul van 1,7 x 1,7 min het buitenvlak. De spanten staan op een afstand van 3,4 m, en hebben geen extra deltaligger in de dwarsrichting, maar slechts uitgekruisde bovenvlakken van de twee kopgevel delta-bogen. De constructie is afgedekt met 6 mm dik gelamineerd helder glas (3.3.1 ). Omdat de passage rondom geventileerd is aan de voet door een sleuf van 50 mm breedte en de passage loopt over een straat die aan beide zijden open is, ontstaat er geen broeikaseffekt. Het gewicht van dit soort cilinders ligt tussen 5 en 7,2 kg/m2.




Afb. 23 Twee doorsnede details van het TubalI Plus systeem : Haarlem koepel (zie afb. 2 aluminium nr. 6) geschroefd naar siliconen verlijmd voor het Prinsenhof paviljoen (zie afb. 8).


Afb. 24/25 Binnen- en buitenaanzicht van een aluminium Hexadome 15 m diameter met dubbellagige ondergespannen PTFE membraan voor een zwembad in Jeddah. Ontwerp auteur 1982.


Afb. 26 Het divergerende dubbellagige Octatube ruimtevakwerk voor gemeentehuis Huizen in de ruimte. Architect ZZOP, ontwerp auteur 1985.


Afb. 27 Overzicht van de vrijheidsgraden bij het inpassen van een vlak ruimtevakwerk op een afwijkende plattegrondmaat.
 

• Standaard ruimtevakwerk
• Ondiep ruimtevakwerk
• Vierkante plattegrond
• Rechthoekige plattegrond
• Ruitvormige plattegrond
• Trapezoide plattegrond
• Willekeurige plattegrond

Afb. 28 Beglaasde 15 m diameter koepel boven winkelcentrum 't Loon te Heerlen in z.g. Schwedler-geometrie, compleet met binnen- en buiten/adder. Architect AGS, ontwerp auteur.


Indien de opleggingen anders geformeerd zijn, bijvoorbeeld onder de vier hoekpunten van de cilinder, zal een tweedimensionale constructieve werking onontbeerlijk zijn voor een zelfdragende constructie. In dat geval dient een volledig ruimtevakwerk te worden gebruikt, zoals het geval was in de atriumoverdekking van de Serangoon Gardens Country Club te Singapore, ontworpen door de auteur in Tubaii-Pius. Het atrium was samengesteld uit 5 gekoppelde cilinders, groot 6 x 20 m,die in een trapvorm waren geschakeld, maar elk als een ruimtevakwerkschaal werken, opgelegd op de 4 hoekpunten. Het ontwerp sluit aan op de trapvormige bebouwing in beton aan weerszijden. De cilinderdelen zijn plaatselijk verhoogd met vlakke delen; zodat een totaal doorsnede van een glazen waterval ontstaat. De constructie bestaat uit aluminium buitenelementen en stalen binnenelementen, beide ge poedercoat in dezelfde vorm. De constructie is afgedekt met 12 mm (6.6.3) dikke gelamineerde grijs getinte glaspanelen (in Singapore is het gebruik van reflecterend glas bij de wet verboden). De bovenlaag van deze twee panelen is grijs getint, gehard glas. De panelen wegen 150 kg per stuk en moesten met de hand worden geplaatst in de nauwe gootruimten. 


Het resulterende eigengewicht van deze constructie is 30 kg /m2. Een identiek schema werd gebruikt in een lange winkelpassage in Mönchengladbach: 70 m lang en 5,5 m breed, rustend op kolommen van ongeveer 10 m hoog, onafhankelijk gesteld van de aangrenzende winkels om een volledige vervanging van deze winkels in de toekomst mogelijk te maken. Hier is gekozen voor een systeem van delta bogen, op een doorlopende deltaligger aan de onderzijde in de 70 m richting, waarin ook de kolommen zijn gestoken. De kolommen zijn stijf bevestigd op de funderingspoeren. De arcade is afgedekt met dubbelglas 6 + 12 + 3.3.1 helder, moduul 2 x 1,3 m. De glaspaneel-afmetingen zijn 1 x 1,3 (Architekt Haasenen auteur). Tot de minder sterk gekromde voorstellen voor luifels en atriumoverdekkingen behoren de luifel van het Sultan kantoor in Kuala Lumpur en de overdekking van de centrale entree in het World Trade Centre in Rotterdam (ontwerp auteur) in de afmeting 10 x 17m, afgedekt met een in de breedte doorlopende polycarbonaat afdekking in aluminiumprofielen. De vorm van dit dak is een weerspiegeling van de gewelfde gevel van het groene kantoorgebouw bovendaks van architekt Rob van Herk. Een derde voorbeeld is een cilindrische daklichtkoepel boven de centrale hal van het Schoolmuseum in Rotterdam( projektontwerper Toni Burgeringen de auteur).


Afb. 29 4 basistypen voor een koepelgeometrie:
• Geodetische koepel
• Schwedler koepel
• Lamelia koepel
• Netwerk koepel


Afb. 30 Computerperspectiefvan een moskeekoepel in Kuala Lumpur, in een netwerk geometrie: horizontale ringen en driehoeksstaven daartussen. Ontwerp auteur 1985.
 

Koepelvormige ruimtevakwerken

Gedurende de laatste decennia hebben geodetische koepels het gebruik van koepels weer laten toenemen. De term 'geodetisch' duidt op cirkels op een boloppervlak die alle lopen in de kortste afstand tussen twee punten op de bol. Toegepast als constructief systeem in de architectuur wordt het: ' ... a frame of generally spherical form in which the ma in structural elements are interconnected in a geodesic pattem of approximate great circle arcs intersecting to forma three-way grid, .. .' (Buckminster Fuller US patent nr 2-682- 235).
De geodetische onderverdeling is slechts één van de vier bekende methodes om een koepel geometrie te vormen. De geodetische koepels zoals uitgevonden en ontwikkeld door Richard Buckminster Fuller zijn de meest bekende vormen van bolvormige koepels van onze tijd, maar er zijn andere typen die in aantal toepassingen frequenter voorkomen. Er zijn ook ander vormen van niet bolvormige koepels mogelijk die rotatie symmetrisch zijn, maar ook koepels met een dubbele positieve kromming met een minder regelmatige opbouw in de staafonderverdeling. In principe zijn er drie hoofdtypen in onderverdeling te onderscheiden :

 

• driehoeken
• vierhoeken
• vijfhoeken/zeshoeken

Van deze categorieën zijn alleen de driehoekige stabiel in het eigen vlak indien opgebouwd met behulp van scharnierende staafverbindingen. De vierhoekige onderverdeling heeft ofwel stijve hoekverbindingen nodig ofwel diagonale stabiliteitsverbanden. Vijfhoeken/zeshoeken hebben nog sterker een stabiliserende onderverdeling of panelen nodig, zoals bijvoorbeeld het stabiliseren door centrale naven met 5 of 6 dubbele spaken ('vijfhoekig fietswiel'). Deze eisen hebben een belangrijke invloed op het ontwerp, en op het passende constructieve systeem. Verder zal de overspanning en de staaflengte belangrijk zijn voor de gevoeligheid van enkellagige koepels tegen lokaal uitknikken. Voor overspanningen boven 30 tot 40 m wordt gewoonlijk een dubbellagige geometrie gekozen, met vlakstaven in vierkante of vijf/zeshoekige geometrie. De koepels gebouwd door de auteur overspannen tot 40 m met hoogten tot 16 m: kleine koepels afgedekt met glaspanelen en korte staaflengten zowel als grote koepels met lange staven afgedekt met een ondergespannen PVC of PTFE membraan. Uit de afbeeldingen blijkt dat bij enkellagige koepels de zgn. netwerkkoepels veel gemakkelijker hanteerbaar zijn in het ontwerpstadium: ze bestaan uit horizontale ringen verbonden door staven in driehoeksverband, rotatie-symmetrisch verdeeld, waarbij de driehoeken in de verschillende ringen ook verschillend groot zijn. Door de aanwezigheid van een denkbeeldige vertikale rotatie-as kan een groot aantal rotatie-symmetrische ontwerpen worden gemaakt, ook die welke afwijken van de bolvorm, zoals vlamkoepels in islamitische traditie. Net als bij het draaien van een aardewerk vaas is de doorsnede-vrijheid belangrijk, maar ook de horizontale aansluiting op de fundering. Deze vormgevingsvrijheid is zeer belangrijk als men beseft dat koepels altijd afwijkende produkten zijn, een resultaat van de gewenste doorsnede, overspanning, afdekking en statisch systeem: in de praktijk zijn er geen twee koepels gelijk. Er is geen standaard. Half bolvormige koepels zoals de ondergrondse koepel in Orchard Boulevard, Singapore (15,5 m diameter, ontwerp auteur), of de planetariumkoepel in Dwingelo (19 m, architekt Ter Veld en auteur) zijn uitzonderingen in regelmaat.

Gewoonlijk zijn koepels minder hoog, zoals de 3 identieke glaskoepels voor het Tanfield House hoofdkantoor in Edinburgh (15 m, architekt Michael Laird en de auteur). Speciale ontwerpen zijn ook de koepels boven kerken en moskeeën. Moskee-koepels zijn gewoonlijk vertikaler, niet bolvormig maar wel rotatie-symmetrisch.
Van de 4 categorieën koepelgeometrie zijn nog twee typen niet behandeld: Schwedler koepels en Lamelia koepels. Door de auteur zijn in samenwerking met Jos van den Bersselaar BV in 1982 een aantal gespannen membraankoepels ontworpen in 'lamella'-vorm, speciaal voor rioolwaterzuiveringsinstallaties, die alle vanwege een minimaal volumen weer vlakker dan een halve bol zijn. De Schwedler- type koepels zijn vaak heel simpel, zoals uit de afbeeldingen blijkt.