BOUWEN MET MATERIALEN
Reader bij het college Materiaalkunde 1 (7S020) Faculteit Bouwkunde, Technische Universiteit Eindhoven Februari 2002
ir. Bert van Schaijk
Foto van de trap op de vorige pagina: Zomerhuis van Carl – Viggo Holmebakk, Oslo; 1997
2
Inleiding Het doel van een vak als materiaalkunde is niet alleen maar het vergaren van kennis over materialen. Deze reader geeft je voorbeelden en analyses van oude en moderne architectuur. Daarin ligt nl. veel besloten over technische aspecten en vorm-mogelijkheden van materialen. Je moet alleen een oog ontwikkelen om dat te zien. Deze reader beoogt behalve dat ook een bewustwording van en een pleidooi voor een andere opvatting: die van materialiteit in termen van het spel met het materiaal-eigene. Materialen zou je kunnen vergelijken met karakters in een filmscript: ze moeten nog tot leven komen en hun rol gaan spelen. Indien ze een rol spelen die hun goed ligt ( in het verlengde van hun mogelijkheden en aard: lees eigenschappen en structuur ), dan is dat beslist de basis van een betere film. Daarom is het belangrijk om materialen niet alleen als feit te kennen maar goed te begrijpen. Deze reader vult het boek aan op: - logische en wetenschappelijke toelichting van belangrijke begrippen; - dieper inzicht in de aard en het gedrag van materialen; - een zienswijze waarbij vormgeving en materialiteit centraal staan Het vak Materiaalkunde 1 wordt hiermee uitgebreid tot een combinatie van inzicht, (waren)kennis en cultuur. De tentamenstof omvat een selectie van de hoofdstukken uit het boek, alsmede de gehele reader.
3
1
Vormen en bouwen met bodem-materialen Als je het gebouw wilt gaan maken stuit je op onvermijdelijke wetten. Hoe is een materiaal in de vorm te krijgen die je wenst ?
Gebouwen kun je zien als grote holle vorm -reliefs. Soms simpel, soms ingewikkeld van vorm, maar altijd te groot om in één stuk materiaal te vervaardigen. Materialen zijn nooit te verkrijgen in de afmetingen van het ontwerp, ze zouden dan te zwaar zijn om mee te bouwen, ze worden te kwetsbaar voor breuk of ze gaan vervormen. Ook zouden ze op de ene plaats wel functioneren en op een andere niet. Hieronder een detail van een geveldeel van een woongebouw in Barcelona van architect Antonio Gaudi. Hoewel Gaudi zeer meesterlijk was in het hanteren van de materialen waarmee hij bouwde, vertelt de naad in het midden toch alleen maar het verhaal van hoe de vorm gemaakt moest worden uit een weerbarstig stuk steen dat met moeite gevormd en op zijn plek gebracht werd. Niet iets wat Gaudi beslist wilde.
A. Gaudi: geveldetail ‘La Pedrera’ -de steengroeve - of Casa Mila.; Barcelona, 1910
Weerbarstigheid heeft met begrippen als hardheid, stijfheid en brosheid te maken. Begrippen die in die combinatie staan voor steenachtigheid ( andere bouw-materialen zijn nooit én hard én stijf én bros ). Er bestaat wel zachte steen, bijv. mergel of cellenbeton, zie het boek. Maar er bestaat geen soepele steen. Steen is taai noch slap in de zin van zichtbaar vervormend onder belasting. Als steen
4
breekt dan breekt het plotseling en zonder aankondiging. Dit wil zeggen dat er vlak voor de breuk alleen maar veel ( inwendige ) scheurvorming is opgetreden in het materiaal, geen uiterlijke vervorming. De breukvlakken passen ook altijd precies weer in elkaar. De begrippen stijfheid, brosheid en hardheid zijn materiaalkundige begrippen. Ze zijn wetenschappelijk gedefinieerd en er zijn testmethoden voor bepaald. De vaktechnische betekenis is preciezer dan de dagelijkse betekenis van de termen, maar komt toch globaal overeen: -
stijfheid = de relatie tussen de uitgeoefende kracht en de mate van vervorming. Stijfheid wordt aangegeven met de elasticiteitsmodulus en is voor steenachtig materiaal de mate van indrukking onder verschillende ( externe ) krachten. ( we bepalen hier de indrukking omdat steenachtig materiaal niet op trek te belasten is, bij andere materialen bepalen we de uitrekking ). Het resultaat van een stijfheidsproef is een z.g. kracht -vervormings-diagram of spannings-rek-diagram. Bij dit laatste is de kracht omgerekend naar spanning: σ = F / A. ( A = oppervlak van het proefmateriaal ) en de vervorming / L.
-
∆ L naar de relatieve vervorming: ∆ L
brosheid = het zonder vooraankondiging breken van het materiaal en het precies weer in elkaar passen van de breukdelen. Ook: het breken van een ruit of een bordje van het servies, het scheuren van een muur. Verklaring: het materiaal kan niet plastisch vervormen, de overal reeds aanwezige microscheurtjes zullen onder de belasting gaan groeien met totale scheurvorming, breuk, of ineenstorting, als resultaat. N.B. Brosheid mag niet verward worden met het begrip porositeit.
Steenachtig materiaal altijd gevoelig voor scheurvorming i.v.m. de brosheid
-
hardheid = de weerstand tegen inkerving van een materiaal met een harder voorwerp. Deze definitie van hardheid betekent dus dat hardheid een oppervlakte-eigenschap is. Hoewel de meeste materialen door en door zacht of hard zijn, wordt alleen maar de hardheid van het oppervlak gemeten en weergegeven. Er zijn verschillende schalen voor hardheid, volgens Mohs voor mineralen ( zie boek ), volgens Brinell voor staalsoorten.
Hieronder een afbeelding van het σ−ε diagram voor een stijf en een slap materiaal. Stijfheid wordt gevormd door de hoek met de x-as, de brosheid is te zien aan de abrupte beëindiging van de lijn met een bolletje ( = de breuk ). Daarnaast is de sterkte van het material ook afleesbaar. De breuksterkte is de maximaal bereikte spanning vlak voor de breuk. Dit is niet gelijk aan de spanning waarmee het materiaal belast mag worden in de praktijk. Dat zou gevaarlijk zijn omdat
5
materiaalproefstukken een grote spreiding kunnen bezitten. In de praktijk wordt daarom gewerkt met veiligheden ( de z.g. veiligheids - coëfficiënten ). De hardheid is niet afleesbaar.
σ − ε diagrammen van 2 bros bezwijkende materialen. De stijfheid is afleesbaar aan de hoek van de lijnen met de X-as ( grote E-modulus = stijf materiaal, kleine E-mod.= slap materiaal ). De sterkte zie je aan de spanning bij breuk. De brosheid is concludeerbaar uit het plotselinge einde van de rechte, elastische, vervormingslijn.
Noot: Bij een drukproef sneuvelt het proefstuk uiteindelijk toch op trek: de zijkanten worden uit elkaar geduwd. Voor treksterke materialen en een verdere uitleg van de spanningsvervormings diagrammen zie hoofdstuk 2 en het boek.
Vormen Het is geen toeval dat de vorm waarin steenachtige materialen gebracht en gemaakt worden een zo groot mogelijk compactheid combineert met beperkte afmetingen. De verschijnings-vorm is meestal als een blok, of aan de blokvorm verwant. De blokvorm is de grondvorm voor steenachtige materialen, maar je kunt ook platen maken ( zagen ) onder de voorwaarde dat de afmetingen gering zijn: tegels, dakpannen. Bij uitzonderlijke materialen kunnen platen van groter formaat worden gevormd: ruiten ( glas ) of gezaagd: gevelpanelen ( marmer, graniet, basalt ). Lineairen kun je in de regel nooit van steenachtig materiaal maken, met als enige uitzondering glasvezels ( glas ). Deze vormwetten geven iets aan, want het vermijden van elke vorm van dunheid in de vorm wordt veroorzaakt door de structuur van steenachtige materialen. De structuur en de afmetingen bepalen samen de breekbaarheid. Uit het voorgaande blijkt dat steenachtige materialen vanwege hun eigenschappen kwetsbaar zijn bij een bepaalde verhouding tussen lengte en dunheid. Dit maakt de vorm breekbaar. Een dunne plaat is kwetsbaar maar een dunne lineair het meest. Hoe homogener en fijner ( fijn-korreliger, fijn-vezeliger ) de structuur des te dunner ee n materiaal kan worden toegepast. Daarbij is het door het ontbreken van een fijnheid in structuur vaak niet mogelijk om een bepaalde vormscherpte in randen en hoeken te realiseren. Vanwege de brosheid van het materiaal kan zo’n scherpe rand of hoek afbreken. Een ligger van baksteen ? We weten dat het niet kan omdat het beetje buigsterkte dat eventueel aanwezig is, door de grote eigen-massa van de baksteen te zwaar op de proef zal worden gesteld. Daarom ziet het er ook vreemd uit. Veel logischer is het om blokken op elkaar te laten rusten zoals in een boog, en die boog vervolgens weer op een grote massa te laten uitkomen.
6
Links: ligger uit blokken roept ?? en spanning op. Rechts: gekromde lineair uit blokken ( boog ) geeft het gevoel dat het w el klopt.
Je vermoedt al een verband tussen de manieren van bouwen die met bodem-materialen zijn ontwikkeld en de eigenaardigheden van het materiaal.
Structuur De reden voor de weerbarstigheid van materialen ligt altijd op moleculair niveau. Steen ( natuursteen en ‘kunst-steen’ ) is opgebouwd uit atomen Si, Al, Ca, die meestal aan zuurstof gebonden zijn met z.g. covalente of ionogene bindingen. Deze binding zijn evenals de metaal -binding ‘primair’, en daarmee in sterkte vergelijkbaar. Het is echter de ordening of stapeling van de atomen of moleculen in kristallen, de afmetingen van deze kristallen en de vastheid waarmee de afzonderlijke kristallen in een matrix zijn ‘gekit’, die relevant zijn voor de eigenschappen. Een bekend voorbeeld illustreert dit: het element koolstof ( C ). Geordende in een compact 3D rooster leveren deze atomen het keiharde diamant op, ongeordend ( : amorf ) worden ze een kruimelzacht ‘houtskool’, ‘half-geordend’ in een 2D rooster met laagjes -structuur, heten ze ‘grafiet’, een stof die wordt gebruikt voor bijv. potloodpunten. Verschillen in eigenschappen alleen veroorzaakt door een andere opbouw of structuur van dezelfde stof. De sterkte en stijfheid van veel steenachtige materialen wordt dus verklaard door de verschijningsvorm van dezelfde elementen in verschillende ‘mineralen’. Het ontbreken van treksterkte is te herleiden tot het gegeven dat de mineralen klein zijn en slecht ‘gekit’ tot een groter geheel zodat er veel microscopische onregelmatigheden en scheurtjes in steenac htige materiaal konden sluipen. Op micro-niveau zijn deze materialen een potpourri van verschillende ordeningen, van geordende en ongeordende gebiedjes en is de homogeniteit ver te zoeken. Ook bij materialen waarvan je het visueel niet verwacht, als glas of graniet. Het is door de vele structuurfouten dat steenachtigen geen treksterkte bezitten. Materialen die ooit vanuit een vloeibare toestand hun huidige gedaante kregen ( stollingsgesteente, metamorfgesteente, glas, maar ook industrieel vervaardigd materiaal zoals metalen en kunststoffen ) zijn het meest homogeen, zie toelichting boek. Materialen afkomstig van erosie of natuurlijke groei zoals leisteen, mergel, hout, riet, zijn over het algemeen sterk inhomogeen van structuur. Door de samenstelling ( zand, grind en cementsteen ) zou je beton als structureel inhomogeen kunnen beschouwen. Een vreemd materiaal is glas, met het blote oog bijna perfect, op microniveau een rommeltje. Glas is een uit de smelt getrokken stroperig materiaal dat door snelle afkoeling bij het stollen niet de kans heeft gekregen om ( kristal- ) roosters te vormen. De amorfe ( =vormloze, chaotische ) structuur maakt glas doorzichtig: de kristalkiemen zijn zo klein dat lichtgolven er zonder moeite langs kunnen.
7
Amorfe structuren leveren dus soms transparante ( doorzichtige ) of translucente ( ondoorzichtige maar doorschijnende ) materialen op: van steenachtige materiaal ( glas ) tot kunststof ( perspex ). De grote breukgevoeligheid toont dat glas toch geen perfect materiaal is. Transparante materialen kunnen geen poriën bevatten omdat anders het doorzicht gebroken zou worden door de reflectie van de porien. Glas is het enige steenachtige materiaal dat niet poreus is. Op de foto zie je een ( onverwachte ) eigenschap van dun marmer: een bepaalde mate van doorschijnendheid. Marmer heeft wel poriën, maar dat is geen beletsel voor een lichte mate van translucentie.
E. Souto de Moura; Moledo Huis Caminha, Portugal
M. De Bayon Translucent scherm in marmer, Sevilla (Sp), 1990.
Poriënstructuur Alle steenachtige materialen bezitten poriën, m.u.v. glas. Poriën in steenachtige materialen zijn of het onbedoelde resultaat van hun ontstaans-geschiedenis of van hun maakproces, of ze zijn de bedoelde structuur bij bepaalde kunstmatig gemaakte materialen. In het laatste geval kunnen uiteenlopende doelen worden onderscheiden: - zeer poreuze materialen die worden gebruikt als thermisch isolatiemateriaal; zij bevatten veel lucht en dat werkt, als ze tenminste droog en stilstaand is, als warmte-isolator; - poreus materiaal absorbeert geluid veel beter dan massief materiaal. Het materiaal-oppervlak wordt door de porien sterk vergroot, waardoor het geluid ‘gevangen’ raakt. - poreuze materialen zijn lichter van gewicht , dus gemakkelijker hanteerbaar of beter toepasbaar ten behoeve van lichtere onderconstructies, etc. Minder leuke kanten van de aanwezigheid van poriën in materialen zijn: - Mechanisch: een doorsnede van een poreus materiaal bevat minder ‘materiaal’ dan een massieve versie daarvan, dus zal het poreuze materiaal altijd zwakker zijn;
8
-
Fysisch: bij bepaalde z.g. ‘open-porien systemen’ zal er transport in een materiaal kunnen plaatsvinden. Er kunnen gassen of vloeistoffen door het materiaal heen trekken Neerslag of grondwater kan het materiaal zo diep intrekken dat er vochtdoorslag naar binnentoe plaatsvindt. Noot: de steenachtige en natuurlijke materialen hebben affiniteit tot water. D.w.z. dat wanneer een hoeveelheid water dat op een bepaalde plaats in het materiaal treedt dit materiaal de neiging heeft om het water op te zuigen en zover mogelijk te verspreiden totdat de concentratie overal gelijk wordt: ‘diffusie’.
-
Fysisch: meestal zal er ( afhankelijk van de affiniteit tot water ) z.g. ‘hygrisch gedrag’ optreden: het zwellen en weer krimpen van het materiaal naar gelang de hoeveelheid vocht die in het materiaal trekt ( vanuit de omgeving ). Dit geldt voor alle poreuze materialen maar het effect bij hout is het grootst en het bekendst. Chemisch: omdat het oppervl ak open is ( en vaak ruwer ) kunnen er onderhoudsproblemen optreden. Vlekken of vervuiling zijn veel moeilijker te reinigen als ze zijn ingetrokken. Biologisch: de combinatie poriën en vocht geeft een prima voedingsbodem voor de groei van organismen als schimmel en algen. In de lucht zweven namelijk altijd wel sporenelementen van deze organismen.
-
Het is een misverstand te denken dat de gladde natuursteensoorten geen poriën hebben. Gladheid is een oppervlakte-eigenschap. Vloeistoffen als olie en wijn kunnen in gladde natuursteen zoals marmer trekken en je krijgt de vlekken er niet meer af. Een vergissing wordt minder gemakkelijk gemaakt als je een soort hebt waarvan je de poriën duidelijk kunt zien, zoals travertin. Hoe kun je de hoeveelheid poriën van een materiaal te weten komen? Porositeit als technisch begrip staat voor de ‘ruimte’ ( het volume ) die de poriën innemen ten opzichte van de totale ruimte ( het totale volume ) die het materiaal inneemt. Er zijn twee methoden waarmee men de porositeit kan meten en berekenen: 1 een opzuigproef waarbij men het materiaal met water verzadigt en dan weegt; ( uiteraard nadat je eerst het droge gewicht van de steen had bepaald ). De massa van het opgezogen water reken je om naar het volume van de porien.
Vp P = ------------- x 100 [%]
Vtot waarin :
2
Vp :
het poriënvolume
Vtot:
het totale volume
je weegt een monster van het materiaal met poriën en vergelijkt dat met de massa van de ‘massieve versie’ van hetzelfde materiaal.
De massa van steenachtige materialen wordt meestal uitgedrukt met het begrip volumieke massa. ( voor massieve materialen zijn de termen soortelijk gewicht of dichtheid gebruikelijk, voor poreuze materialen het begrip volumieke massa.) De volumieke massa is de dichtheid van een materiaal inclusief de ingesloten lucht: ρv Het soortelijk gewicht van poreuze materialen kan alleen worden gemeten als alle poriewanden op elkaar zouden worden gedrukt, wat praktisch gezien natuurlijk fictief, maat wel berekenbaar: ρ s ( de s betekent ‘solid’ ) Lees ook par. 1.4.9 waar de volgende benadering wordt gegeven.
9
Als ρs de soortelijke massa [ kg.m ] is van het materiaal zonder aanwezigheid van poriën en ρ v de -3 3 volumieke massa [ kg.m ] de massa van een materiaal per m inclusief de in dit materiaal aanwezige poriën, dan is: -3
ρv P = 1 - ----------
.100 [%]
ρs De porositeit P wordt dus uitgedrukt in een percentage [%]. De capillaire porositeit ( het gehalte aan met water verzadigbare poriën ) is hooguit gelijk aan de porositeit, maar meestal wat geringer. De porositeit van natuursteen hangt vooral af van de ontstaansgeschiedenis. Natuursteen dat op grote diepte is gevormd zal door de enorme externe druk minder poriën bezitten dan natuursteen dat aan het aardoppervlak is gevormd, zoals veel sedimentgesteenten. Gesteenten van vulkanische oorsprong hebben in de regel de grootste porositeit, lavasteen ( in de atmosfeer gekristalliseerd magma ) lijkt op een steenachtige spons en is niet geschikt als bouwmateriaal. Baksteen is matig poreus. De capillaire porositeit van de huidige baksteen bedraagt, afhankelijk van de kwaliteit, 10 - 20 %. De totale porositeit kan variëren van 30 % bij hard gebakken steen ( klinkers ) tot 45 % bij zacht gebakken steen ( alle getallen volume procenten ). Ga maar na dat, bij een fikse regenbui, een halfsteens buitenblad van baksteen 2 per m ca. 30 liter water kan opslaan. Beton ( of uitgeharde metselmortel ) bevat poriën die het resultaat zijn van de hydratatie = het uithardingsreacties van cement met water. De voor de bewerkbaarheid van de specie benodigde overmaat aan water zorgt ook hier voor een stelsel van capillairen naast afzonderlijke poriën, zij het dat normaal beton ( normale samenstelling +normaal uitgehard ) beduidend minder capillairen bevat dan baksteen. Hiermee valt te verklaren waarom men voor kelders en zwembaden in de regel beton gebruikt. De kans op vochtdoorslag is vanwege de lage capillariteit veel minder dan bij baksteenmetselwerk. Soms worden steenachtige materialen doelbewust in een extra poreuze vorm geproduceerd. Cellenbeton is een materiaal waarbij een gasvormend middel ( aluminiumpoeder ) aan een cementzand-water mengsel wordt toegevoegd met het doel om een extra poreuze = thermisch isolerende betonsteen te vervaardigen.
Isotropie In hoeverre zijn materialen in alle richtingen van gelijke structuur ? Er bestaan isotrope en anisotrope materialen. Isotrope materialen bezitten een structuur die in de 3 ( x, y, z ) richtingen van een materiaalblokje gelijk is. Dan zijn automatisch de eigenschappen in alle 3 de richtingen ook gelijk. Een voorbeeld van een anisotroop materiaal is hout. De groei van de boom toont zich in de vezels of ‘draad’ van het hout. Hout bestaat uit langwerpige, holle cellen en is bij een dwarsdoorsnede cellulair van structuur en bij een langsdoorsnede vezelig van structuur. De houtvezels lopen conform de sapstroom in de boom: voor 98 % in de lengterichting van de stam d.w.z. in axiale richting. De meeste vormen ( lineairen: balken of planken ) zijn met de vezels / draad mee gezaagd. In de lengterichting zijn ze dan het sterkst en bezitten ze meer weerstand tegen vervormen ten gevolge van vocht. Bij hout is het belangrijk dit te beseffen, metingen aan verschillende richtingen levert nl. verschillende waarden op voor eigenschappen van hetzelfde materiaal in materiaaltabellen.
10
Anisotropie ondervind je bijv. bij het bewerken van materialen. Dit valt goed te zien aan de voorbeelden van onderstaande foto’s. De foto links is een nogal bewerkt capiteel van de Hagia Sofia te Istanbul in marmer, en toont 3D bewerkbaarheid ( :isotropie ). Natuursteen is meestal isotroop omdat het grootste deel ( 95% ) van alle gesteente stollingsgesteente is en dus gestolt door de afkoeling van vloeibaar magma. ( Een voorbeeld van een anisotroop steenachtig materiaal is leisteen: een gesteente met ‘laagjes-structuur’ ). Hoewel geen stollingsgesteente is marmer ook isotroop, het bezit weinig porien bezit en geen korrels , waardoor het heel geschikt wordt als beeldhouwmateriaal. Vergeleken met de afbeelding links zijn de capiteeltjes rechts een ‘goedkope’ imitatie. Hier is wel gepoogd een 3 D capiteel na te bootsen, maar hout is een lineair materiaal en laat zich met zijn anisotropie moeilijk 3D modelleren.
3D capiteel in marmer, Hagia Sophia
2D capiteel in hout; Detail van een veranda
Oppervlakteruwheid als visueel thema De Italiaanse kunstenaar Michelangelo werkte veel in marmer en zijn manier van werken is goed aan zijn Mattheus -beeld waar te nemen. Het lijkt alsof de vorm zich vrijmaakt van de omringende materie en dat het is ook de manier waarop Michelangelo zich over beeldhouwen uitliet: ‘de vorm is al aanwezig in het materaal, ik moet alleen zorgen dat hij tevoorschijn komt’, of woorden van die strekking. Door de bepalende delen glad te maken en overig materiaal te laten waar en hoe het is gaan vorm plus context tezamen een sterk beeld opleveren. Ons oog kan gemakkelijk, ruwe details ‘scannend’, zich richten op waar het om gaat: de bedoelde vorm. Het concept waarbij vorm en context bewust samen bestaan, lijkt zich ook te weerspiegelen in het gebouw aan de rechterzijde afgebeeld. Dit gebouw is een zeebadhuis van Alvaro Siza en het is uitgevoerd in niet erg glad beton. Als context heeft het de aanwezige ruwe rotsen aan de kust. Omdat de kleuren van rotsen en beton gelijk gehouden zijn werkt het beeld zoals bij Michelangelo. Juist omdat er deze overeenkomst is wordt het verschil in fijnheid van oppervlakken voelbaar, en gaat het gebouw een relatie aan met zijn context. Van een afstand gezien.
11
Michelangelo: Mattheus
Alvaro Siza: zeebad-gebouw aan de Portugese kust, Leca de Palmeira, 1961-66
Gladheid van oppervlak Wanneer een oppervlak zeer vlak of glad is zal het gaan glanzen. Er zijn verschillende gradaties in glans, vanaf de helle glans van een koplamp van een motorfiets tot de matte glans van nieuwe kunststof. Steenachtige materialen zijn materialen vol met structuurfouten en poriën. Deze reflecteren het licht minder dan bijv. chroom dat doet en sturen het daarbij ook alle kanten op. Het gekaatste licht is derhalve diffuus, wat praktisch bekent dat het oppervlak de ‘kwaliteit’ van dofheid heeft. Glas ( en glazuur ) zijn hierop, nu ook weer, uitzonderingen. Als de vlakheid groot genoeg is en er niet teveel poriën zijn, kan d.m.v. het schuren en vervolgens polijsten van het oppervlak toch een bepaalde glans worden bereikt. Langgebruikte vloeren van natuursteen, krijgen dat vanzelf in de loop ( van de tijd ).
12
Normaal voor steenachtig materiaal is een diffuse reflectie bij opvallend licht, dit geldt voor baksteen en ook voor beton, zoals te zien op onderstaande foto. Het licht treft hier het oppervlak van gave beton. Het oppervlak van beton is in feite een 5 mm dikke buitenhuid ( of ook ‘cementhuid’ ), waar zand noch grind in zit, die alle ingrediënten die in de betonmix zijn verwerkt bedekt. Fouten bij de uitvoering ( lekkage van de kist of opeenhoping van grind nabij het oppervlak ) daargelaten, ontstaat de huid automatisch en is meestal prima in tact. Als men het oppervlak ruwer wenst kan de huid verwijderd worden, waar meerdere technieken voor ontwikkeld zijn. De toeslagmaterialen komen dan aan het oppervlak.
Christian de Groote; El Condor huis, Santiago Chili 1995
13
Bodem-materialen en hun evolutie Steenachtige materialen zijn allemaal verweringsproducten van het oergesteente van de aarde dat door afkoeling van het aardmagma aan de korst ontstond. Dit overzicht geeft de herkomst van de steenachtige bouwmaterialen weer.
Natuursteen Natuursteensoorten zijn onder sterk variërende omstandigheden ontstaan waardoor de eigenschappen niet alleen per soort maar ook binnen de soort sterk verschillen: de eigenschappen en ook het uiterlijk zijn dikwijls 'winplaats-afhankelijk'. Er is ook een grote kans op inhomogeniteiten ( aders, etc. ) Natuursteen wordt onderverdeeld in de stollingsgesteenten, de sedimentgesteenten en de metamorfe gesteenten. Graniet is een stollingsgesteente waaraan we duidelijk de zeer grote SiO2 kristallen ( korrels van 1 - 3 mm ) kun nen zien. De kristallen zijn gekit met veldspaat, bestaande uit Al2O3.2SiO2 groepen met daaraan CaO, Na2 O of K2O. Ondanks de verwering en sedimentering vormt stollingsgesteente nog steeds de hoofdmassa, ca 95 %, van de aardkorst. Op het aardoppervlak zien we echter vooral de neerslag van fysische en chemische aantastingsprocessen van natuurlijke gesteenten. Fysische verwering van natuursteen ontstaat als gevolg van ongelijk thermisch gedrag van de korrels waardoor scheurtjes ontstaan. Vorst maakt de scheurtjes groter, de steen brokkelt langzaam af en wordt door gletsjers fijngemalen. In de verwering van het oergesteente speelt het fysisch en chemisch ontlede veldspaat een belangrijke rol. Bouwgrondstoffen als klei, leem, mergel, kalksteen en gipssteen zijn in wezen verweringsbestanddelen van veldspaat. Het woord veldspaat komt oorspronkelijk van het Duitse 'Felsspalt' wat splijtbare rots betekent. De chemische aantasting van het gesteente, waardoor veldspaten en bijv. glimmers veranderen in diverse bodem- en kleimineralen wordt veroorzaakt door zure gassen in de lucht zoals het ook heel vroeger al aanwezige zwavelzuur SO2 en het koolzuur CO2. De hierdoor ontstane gesteenten noemen we sedimentgesteente. De sedimentgesteenten bestaan uit opgeloste, weggespoelde en later weer tot steenachtig materiaal 'verdikte' bestanddelen van het oergesteente aangevuld met stoffen die in de loop van de tijd op die plaats door organismen e.d. zijn afgezet. Voorbeelden zijn zandsteen ( zandkorrels aaneen gekit door kalk, leem, kiezel ), gipssteen, kalksteen en steenkool. Het in België en Frankrijk gedolven hardsteen ( in Nederland vaak gebruikt ) is gesteente ontstaan uit samengedrukte schelpjes. Onder metamorf gesteente ( naar metamorfose ) verstaan we een categorie van stollings- of sedimentgesteenten die in de tijd door druk, temperatuur of een combinatie hiervan een andere
14
structuur heeft gekregen. Metamorf gesteente is dus relatief jong. Een voorbeeld is marmer, een gesteente ontstaan uit kalksteen. In de architectuur wordt marmer vooral in plaatvorm toegepast. Natuursteen was altijd ( en is nog ? ) een statusgevoelig materiaal. Vrijwel alle gebouwen van belang werden in natuursteen gemaakt. Dit gold voor de Oude Grieken ( Akropolis ) tot en met het W.O. II monument op de dam te Amsterdam. Ook in woonhuizen werd vaak natuursteen gebruikt, meestal ook om statusredenen. Een gehele gevel of alleen het onderste gedeelte ervan, een paar zuiltjes bij de entrée en de vloer van de entréehal, of alleen de deurdorpel, of een brievenbus… , leien op het dak.
Imposant gebruik van natuursteen als zandstenen zuilen ( met gebeitelde ‘cannelures’) aan de Hoofdwacht, Berlijn 1816-‘18. Arch. A. Schinkel. Noot: nog juist zichtbaar aan de naden is dat de zuilen zijn gestapeld uit blok-elementen.
Statige overdekte entréetrap, overspanning kolommen telkens met één blok, wat tevens de hoeveelheid kolommen verklaart ( : de maatbeperkingen van het materiaal )
Ga bij het laatste plaatje na waaraan je het gebruik van natuursteen allemaal kunt herkennen ( en of er nog meer delen met herkenbare natuursteentoepassing zijn ).
15
Klei Een belangrijk bestanddeel van bodem -sedimenten is klei. Als een bodem naast klei en fijn zand ook kalk bevat spreken we over löss. Als de kalk door koolzuurhoudend water is opgelost ontstaat leem. In landen als Nederland, waar vrijwel geen natuursteen voorkomt, wordt gebakken steen of keramiek, met name baksteen, dakpannen en gresprodukten sedert eeuwen toegepast. Men gebruikte meestal keramiek daar waar in andere landen vaak natuursteen of hout werd toegepast. Ook nu nog zijn hier in vergelijking met het buitenland een relatief grote variëteit aan soorten, maten en kleuren van metselbaksteen en dakpannen leverbaar. De grondstof klei komt in de Nederlandse riviergebieden voor in afzettingen van gemiddeld zo'n 1 tot 1,5 meter laagdikte. Klei is een mengsel van fijn zand, kleimineralen en ijzer- en kalkverbindingen. Het is de neerslag van fysische en chemische aantastingsprocessen van natuurlijke gesteenten. Met name de chemische aantasting waarbij veldspaten uiteenvallen en veranderen in kleimineralen door de inwerking van zure gassen in de lucht ( CO2 ), is voor klei essentieel. De kleideeltjes zijn uiteindelijk zo fijn dat ze ver door de rivierstroming worden meegevoerd en op de uiterwaarden afgezet. Het watergehalte van de klei bepaalt mede zijn volume: wateropname gaat gepaard met zwelling en waterafgifte met krimp.
Leembouw Bouwen met leem heeft een lange traditie en is een veel voorkomende bouwmethode op de wereld. De beschikbaarheid van leem is groot, in de meeste land kan men het delven. Leem kan in allerlei vormen gestampt of gesmeerd worden. De plasticiteit is afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegd water, en van de zanderigheid van de leem. Het harden is alleen maar een kwestie van drogen. Het drogen van leem gaat gepaard met volumevermindering en na een tijd met scheurvorming. Daar waar een baksteen bij het drogen wil krimpen en kleiner kan worden, lukt dat bij gestapelde leem niet, d.w.z. het kan als vorm niet kleiner worden, alleen als materiaal. Het krimpproces leidt dan tot een raster van scheuren dat we craquelé noemen. Dit moet dan aangesmeerd worden. Eenmaal gedroogd is leem vrij kwetsbaar, voor mechanische krachten en anderzijds voor vocht. De mechanische zwakte kan worden gecompenseerd door leem: - zeer dik toe te passen: zware muren, etc. - van een wapening te voorzien, traditioneel in de vorm van stro of gevlochten takken. ( Dit geeft gewoon een betere samenhang in de leem, verschaft leem geen treksterkte.) Het vochtprobleem is niet te compenseren. Als de leem nat wordt gaat het materiaal afkalven. In een klimaat als het onze moet er dus regenwering zijn ( een uitstekend dak ). In gebieden waar het minder regent dan hier is een specifieke leembouw-architectuur tot ontwikkeling gekomen. Ook daar een oppervlaktelaag met kalkverf, waardoor beduidend minder vocht in de leem trekt. Verder zie je dat de vormgeving gebaseerd is op het opvangen van drukkrachten: er zijn cylindervormen. Deze zijn ook vrij gesloten, er zijn enkel kleine en smalle openingen, vormgegeven via bogen, om als overspanningen te dienen. De trappen zijn als het ware geintegreerd met de gevel zodat ze niet zelfstandig hun eigen gewicht hieven te dragen. Dat zou ze nl. op buiging belasten.
16
Leembouw -architectuur in Nigeria; Afrika
Keramiek Gebakken steen is een eeuwenoud materiaal waarvan de produktie in de loop van de tijd is geëvolueerd. Het tegenwoordige produktieproces waarmee van klei keramische bouwmaterialen worden vervaardigd, uitvoerig beschreven in ons boek, verschilt op een aantal punten sterk van de oude methoden. De punten van verschil zijn: - het ontluchten van de klei, dit werd vroeger niet gedaan en wordt nu gedaan om de porositeit van de steen te verminderen; - de vormmethode, vroeger werd uitsluitend het handvormen toegepast, tegenwoordig vooral het ( machinale ) vormbakken of strengpersen, ofschoon handvormbakstenen met de karakteristieke groeven en maat - en vormafwijkingen nog steeds worden vervaardigd en verkocht; - het drogen van de klei, gebeurde vroeger door langzame natuurlijke droging en nu grotendeels kunstmatig; - het bakken van de klei, dat vroeger op niet al te hoge temperatuur gebeurde, gebeurt nu op o temperaturen van 1100 C of meer. De blokvorm, de kleine plaat ( tegel, dakpan ) of de kleine koker ( rioolbuis ) zijn de vormen die gemaakt kunnen worden zonder dat ze tijdens het droog- en bakproces gaan scheuren. De afmetingen moeten gering zijnt in verband met de drogingskrimp die optreedt (ca. 10 % ).
Grondvormen van bouwmaterialen
17
Gebakken klei: de blok, de plaat
Kleur baksteen Waarom hebben bakstenen in Nederland veregelen met bakstenen in Spanje of Italië zo’n grauwe kleur ? Als je jein deze landen bent geweest zal het je zeker zijn opgevallen. Het antwoord ligt in de baktemperatuur. De warme en intense ‘terracotta’ kleuren ontstaan bij lage baktemperaturen van 600 –800 C, dus bij z.g. zachtgebakken keramiek. Hoe harder baksteen wordt gebakken, des te meer sintering optreedt en des te grauwer de kleur wordt. Denk aan de oude indeling: rood – boerengrauw - hardgrauw. De clou is de vorstbestandheid, gevels van zachtgebakken baksteen zijn voor ons land te riskant iv.m. het optreden van vorstschade aan de stenen. Bovendien wordt er in Nederlandse baksteen bezanding toegepast als middel om de klei uit de vormpers te lossen. Dit maakt de steen nog eens extra grauw en zou niet persé hoeven. Kleuren van baksteen kunnen sterk of subtiel verschillen. We spreken van nuances i.p.v. kleurverschillen tussen de stenen als het voortkomt uit het ( bewust ) niet geheel homogeniseren ( mengen ) van de klei en/of het bakken in een oven met een niet gelijkmatige temperatuur-verdeling. Door verschillen in baktemperatuur kunnen lichte kleurverschillen ontstaan tussen bakstenen. Op de afbeelding zie je het interieur van het Romeins Archeologisch Museum in Merida, de kleurnuances vallen sterk op. De gebruikte bakstenen hebben overigens een formaat dat verwijst naar de ‘Tegulae’, de door de Romeinen veel toegepaste platte baksteen met een vierkante vorm.
Bijzonder baksteenmetselwerk; R. Moneo, Archeologisch Museum in Merida (Sp)
Capillariteit baksteen Twee aspecten spelen bij dit onderwerp een rol.
18
1.
2.
Bij het drogen ontstaan poriën omdat het uittredende water ruimte openlaat en naar buiten moet zijn deze poriën grotendeels met elkaar verbonden: er is dus een netwerk, verbonden met de buitenzijde van de steen. Steenachtig materiaal heeft affiniteit tot water. Indien het mogelijk was een aan baksteenporiën vergelijkbaar netwerk in kunststof te maken dan zou het verschil blijken: baksteen ( zoals alle steen ) trekt water aan, kunststof stoot het water af. ( H2O als dipool -molecuul kent slechts de mogelijkheden te worden aangetrokken of te worden afgestoten. )
Bij op normale temperaturen gebakken steen zijn de poriën grotendeels open, zowel met elkaar als met de buitenlucht in verbinding. Zij vormen capillairen. Bij gesinterde baksteen zoals trasraamklinker en kelderklinker, is de open poriënstructuur tijdens het bakken door smeltingen op meerdere plaatsen onderbroken: gesinterde stenen bezitten een discontinue, d. w.z. min of meer dichte en weinig capillaire poriënstructuur.
Openheid en dichtheid: permeabiliteit Capillariteit is verantwoordelijk voor de opzuiging van water in het materiaal. Vochttransport in andere richtingen, dwars door een muur heen, of als zakwater van boven naar beneden, is te wijten aan gewone permeabiliteit: het poriën-netwerk. Vanwege de permeabiliteit is het gebruik een spouw te plaatsen zodat doorslaand water kan verdampen en worden afgevoerd via ventilatie. Ook is het vanwege permeabiliteit een eis om bij naar buiten stekende baksteen-onderdelen te zorgen dat het netwerk wordt onderbroken, bijv. door metalen ‘slabben’ ( vaak: lood ) in de voegen te verwerken. Dit is op onderstaande afbeelding te zien. Het volstaat niet om de slabbe slechts een paar cm in het buitenblad te stoppen want dan kan zakkend poriënwater via stenen en voegen langs het lood naar beneden komen of als spouwwater langs de binnenkant van het buitenblad gaan druipen.
Links: detail van gemetselde schoorsteen die boven een hellend pannendak uitsteekt; Rechts: detail van een gemetseld terrasmuurtje dat boven een platdak uitsteekt; In beide details is het noodzakelijk de poriënnetwerken te onderbreken met het oog op het voorkomen van vochtdoorslag in de plafonds of aan de bovenzijde van de binnenwanden.
Zonder hier verder op in verantwoordelijk zijn voor verschijnsel heet uitbloei opgelost. Rechts is een
19
te gaan, stellen we dat eigenschappen als capillariteit en permeabiliteit het wit uitslaan van metselwerk door bijv. zouten ( of door kalk ). Dit en ontstaat door verdamping van het water waarin het zout/de kalk is laboratorium-opstelling te zien waarin een ge- metselde wand wordt
blootgesteld aan een voetbad met daarin opgeloste zouten. Gemeten wordt tot op welke hoogte en in welke concentraties het zoute water op opgezogen en bij verdamping van het water tot ‘uitbloei’ komt.
Kalkuitbloei in de praktijk
Laboratoriumopstelling voor het meten aan zoutuitbloei.
Ook dakpannen zijn keramische producten. Als je nadenkt over een pannendak…Zijn pannen van klei eigenlijk wel waterdicht ? En zijn de naden dat ?
Terracotta, een vergeten episode Hoewel de blok en de kleine plaat ( tegel en dakpan ) al eeuwen de grondvormen voor keramische producten zijn, waren er ooit ook grotere en anders gevormde keramisch producten, geheten terracotta. Terracotta ( Italiaans voor gebakken aarde ), tegenwoordig vooral de aanduiding voor aardekleur, was aan het einde van de 19e eeuw echter een ‘high tech’ bouwmateriaal waarmee Amerikaanse architecten en ingenieurs de staalskeletten van hun wolkenkrabbers omkleedden. Het waren niet -dragende, holle, doosachtige elementen van vrij groot formaat waarvan de randen bestonden uit tamelijk dunwandig aardewerk van 3 a 4 cm dikte. Terracotta werd gevormd via het persen van de klei in gipsmallen. Na droging werd het vrij hard gebakken. De dunwandigheid was essentieel voor een goed droog- en bakproces. De baktemperatuur die nodig was voor een goede o kwaliteit was 1100 C, wat voor die tijd hoog was en moeilijk haalbaar. Om meer gelijkmatig te kunnen bakken ontwikkelde men de nu nog gebruikte tunneloven. De blokken (dozen), beduidend groter dan een baksteen, tot zo’n 60 cm lang en 30 cm hoog, werden met stalen ankers aan het skelet verankerd en met mortel op elkaar gestapeld. De maatvoering kwam heel precies, elk element moest passen. Gelet op het krimpen van klei bij de droging werden de gipsmallen zo’n 10% overbemeten t.o.v. de beoogde maten. Om een bepaalde rijkdom uit te stralen werden vele versieringen toegepast. Dit was een manier om het dure, bewerkte kalksteen (natuursteen) te imiteren. Omdat terracotta een dicht oppervlak heeft, het is sterk geperst materiaal al
20
dan niet van een glazuurlaagje voorzien ( op keramiek kan een laagje glas worden meegebakken met een matte glans. ) spoelde het vuil beter af en ontstond er veel minder vervuiling van de gevel. Voor de steden van die tijd, met haar toenemende luchtverontreiniging door opkomende industrie en verkeer, was dat een groot voordeel ten opzichte van bijv. kalksteen. Je ziet hieronder een terracotta-werkplaats uit de hausse-tijd, zo rond 1900. Hier is men is bezig met het maken van de gipsmallen voor ornamenten aan de dakrand van de wolkenkrabber van het volgende plaatje. Klei is in wezen erg geschikt voor 3D vormgeving. ( een eigenschap die niet veel meer wordt uitgebuit tegenwoordig )
Terracotta-modelleurs aan het werk aan gipsmallen, rond 1900, USA. De onderdelen gemaakt in het atelier zijn op onderstaand gebouw links te zien.
Straathoek Chicago; het formaat en de sierlijkheid van terracotta-elementen.
Terracotta was op het hoogtepunt rond 1890 een tak van industrie met tienduizende arbeiders. In vele Amerikaanse steden maar ook in bijv. Londen werd het veel toegepast. In Nederland is terracotta als bouwmateriaal nauwelijks bekend geweest. Het einde van het terracotta-tijdperk was ca. 1930. De bouwtijd werd steeds bepalender. Het vergde zowel van de architect die overal werktekeningen van moest maken, als van de leverancier van de
21
terracotta teveel tijd om de gevelproducten op tijd op de bouwplaats te brengen. Klei moet na het vormen een redelijke tijd drogen en dit mag niet te snel gaan i.v.m. optredende scheuren. De duurzaamheid van terracotta is goed gebleken. In een stad als Chicago staan nog steeds 2600 gebouwen met terracotta gevels. De belangrijkste reden van de ondergang is dat er zich op economisch en technisch vlak een alternatief aandiende: gewapend beton.
Terracotta als bouwmateriaal ook voor serieuze architecten, hier rood en ongeglazuurd; Adler en Sullivan: Guaranty Building.
Bindmiddelen De ruwe brok of de baksteen, kalkzandsteen of betonsteen blok wordt tot metselwerk verenigd zodat er een mechanische eenheid ontstaat. Voor de mortelhechting is de capillariteit en het wateropnemend vermogen van het grootste belang. ( ook: Hallergetal ). Een goede hechting ontstaat pas als de met het water meegetrokken speciedeeltjes in het ( poreuze ) keramiek-oppervlak gaan uitharden en de hechting van steen en verstenende mortel tot stand brengen. Er zijn 3 minerale bindmiddelen: gips, kalk en cement. Alleen kalk en cement zijn geschikt om blokken te metselen.
Kalk Kalk is het oudste in de bouw gebruikte bindmiddel dat door middel van branden wordt vervaardigd uit kalkspaathoudend gesteente. Mortels op basis van z.g. luchtkalk zijn al toegepast door de oude Egyptenaren rond 3000 B.C. Later is de techniek van het kalkbranden overgebracht via de oude Grieken op de Romeinen. Daar was de kalkproductie reeds georganiseerd via gespecialiseerde kalkbranderijen waar de kalkbranders, de –calcari- , hun beroep uitoefenden. De Romeinen waren in staat zeer grote bouwwerken te vervaardigen uit kalkgebonden metselwerk, maar pasten kalk ook toe
22
als bindmidel in hun versie van beton. In ons land werd altijd ook veel kalk gebruikt, maar die werd dan vaak gebrand uit schelpen.
Schelpkalk-oven ( Ned.) 0
Als men kalksteen ( of schelpen) tot 900 C verhit en een beperkte hoeveelheid water toevoegt valt de steen uiteen tot een korrelige brij en komt er CO2 gas vrij volgens de reactie: CaCO3 à CaO + CO2 CaO noemt men gebrande of ongebluste kalk. Gebrande kalk wordt vervolgens vermengd met weer een beperkte hoeveelheid water zodat calciumhydroxide ontstaat 'gebluste kalk' genoemd, volgens de reactie: CaO + H2O à Ca(OH)2. Gebluste kalk verhardt alleen met lucht door droging en koolzuuropname. kalkdeeg vermengd is de reactie met lucht:
Met water tot een
Ca(OH)2 + H2O + CO2 à CaCO3 + 2 H2O. Deze laatste reactie heet carbonatatie. Het eindprodukt heet luchtkalk. N.B.: Opvallend is dat geharde luchtkalk chemisch gezien gelijk is aan het beginprodukt ( kalkspaat ) zodat sprake is van een kringloop. Fysisch zijn er wel verschillen. Omdat het water niet chemisch wordt gebonden zal dit door drogen moeten ontsnappen: tijdens de verharding trekt het water langzaam naar het oppervlak en verdampt daar. Het resultaat is dat er vele kanaaltjes ontstaan: open capillairen. Kalkdeeg met zand vermengd ( en uiteraard water ) levert de oude metselmortel op waarmee in het e e e verleden ( middeleeuwen, 17 , 18 tot en met de 19 eeuw ) de meeste metsel- en pleisterwerken werden vervaardigd. Omdat luchtkalk aan de lucht verhardt gaat de verharding traag. De luchtkalkmatrix sluit de zandkorrels alleen fysisch op en bindt ze dus niet chemisch. De snelheid van dit proces is afhankelijk van de hoeveelheid CO2 die in de mortel(steen) kan diffunderen. Dikke muren van 2 eeuwen geleden zijn nu nog aan het uitharden ( in het midden ). Dit maakt bij het metselen de bouwwerken nog geruime tijd de kans kregen om zich ‘te zetten’ ( mee te vervormen met de ondergrond ). Het is bekend dat oude gebouwen vele centimeters ongelijkmatig kunnen verzakken zonder dat de samenhang in het metselwerk verloren gaat door scheurvorming. Het is toch frappant dat de oude kerken, hoe omvangrijk ze ook zijn, bij uitzondering scheuren vertonen.
23
‘Dansende lateien’; geveltje dat toont dat metselwerk kon vervormen zonder te gaan scheuren.
Luchtkalk wordt vrijwel niet meer als zelfstandig bindmiddel gebruikt. Bezwaren zijn de geringe initiële en uiteindelijke druksterkte gekoppeld aan de lange verhardingstijd. ( CO2 moet doordringen in het 2 reeds verharde materiaal ). Na 28 dagen is slechts een sterkte bereikt van 0,5 tot 1 N/mm . Kenmerk is de mogelijkheid met de oude luchtkalk dunne voegen te maken van 6 - 8 mm. ( cementgebonden voegen: 10 – 15 mm ). Van de metselaar kan zonder ouderwetse ( in de rot gelegde ) specie niet worden verlangd om de fijnheid van de kalkvoegen na te bootsen.
Cement Cement is heden ten dage het meest toegepaste bindmiddel. Het is een hydraulische bindmiddel dat dus reageert met en ook in water tot een cement steen matrix. In vergelijking met de matrix van 2 2 luchtkalk heeft het een hoge eindsterkte: vanaf 25 N/mm tot 60 N/mm . Ook het reactietempo ligt gemiddeld veel hoger wat we zien aan de aanvangssterkte, m.n. de sterkte na 1 dag. Reden waarom de produktie van de metselaar die met cement werkt veel hoger kan zijn dan van de metselaar die met kalk metselt. Aan het C3S, waaruit bijv. portlandcement voor zo'n 2/3 bestaat, dankt cement zijn bijzondere eigenschappen zoals snelle verharding en een grote warmte ont wikkeling . Afhankelijk van de verschillende gebruiksdoelen zijn speciale cementen ontstaan. Als het er op aan komt om in korte tijd een hoge sterkte te bereiken kan men snel hardende portlandcement verkrijgen door het C3S gehalte te verhogen ten koste van het C2S aandeel. Langzaam hardende portlandcement ontstaat door het tegenover gestelde te doen: het C2S gehalte te verhogen ten koste van het C3S aandeel. Langzame cement wordt toegepast als de optredende warmte ontwikkeling bij het verharden schadelijk kan zijn voor de kwaliteit van de beton ( zware, massieve konstrukties, bijv. dammen, pijlers, fundaties van hoge gebouwen e.d. ).
Cementhydratatie Cement reageert met water en niet met lucht. Ook onder water kan het verharden. Na vermenging van cement en water verloopt de structuurontwikkeling van de matrix in 3 fasen, a, b en c, :
24
a) Vorming van calciumhydroxide Ca(OH)2 uit C3S en C2S met water en van ettringiet ( C3A . 3 CaSO 4 . 32 H2O ) uit de reactie van C3A met de aan het mengsel speciaal toegevoegde gipssteen; men kan echter nog niet van structuurontwikkeling spreken (3 a 10 min.). b) Na circa 1 uur begint de vorming van de eerste z.g gels namelijk de Calcium-Silicaat -Hydraten ( C-S-H ). Deze zijn langvezelig en overbruggen de watergevulde tussenruimten tussen de cementdeeltjes. Dit is het begin van de micro-structuur van beton en van alle materialen gebaseerd op een cementmatrix. Na circa 24 uur is deze fase voorbij ( bij lage temperatuur duurt het langer en bij hogere temperatuur korter ). De eindsterkte van het beton zal hoger zijn naar mate er in deze fase meer lange C-S-H vezels tot stand zijn gekomen. c) Na circa 24 uur begint de derde fase = eindfase, vooropgesteld dat er nog, of opnieuw, water ter beschikking is. De verhouding water en cement is kritisch, van daar dat er een maat is waar in de regel altijd mee gewerkt wordt, nl. de water-cementfactor; w/c factor ( = de verhouding water/cement in gewichtsdelen ). De water/cement factor moet goed gekozen worden: meestal tussen 0,4 en 0,6. In deze fase ontstaat ook 4 CaO . Al2 O3 . 13 H2O, het tetracalcium aluminiumhydraat. Steeds meer nog bestaande poriën worden opgevuld met C-S-H-gels, nu kortvezelig, die de micro -structuur dus steeds dichter maken. Op de afbeelding is de C-S-H ontwikkeling van cementsteen van 3 dagen oud te zien.
Het groeien van de gels (C-S-H van 3 dagen )
Hoe fijner de maling van het cement des te kleiner de afstanden worden die gemiddeld door de gels moeten worden overbrugd. Ook geldt dat hoe minder aanmaakwater op de zelfde hoeveelheid cement ( lagere water/cement factor ) des te kleiner eveneens de afstanden worden die gemiddeld door de gels moeten worden overbrugd. Na een tijd kunnen de restanten van de cementdeeltjes niet meer door het water worden bereikt omdat het water moeite heeft zich door de verhardende gels heen een weg te banen. De grotere cementkorrels zullen daarom nooit helemaal reageren, reden waarom algemeen geldt dat hoe fijner de cement is gemalen des te minder ongehydrateerd materiaal er zal resteren. Ongehydrateerd materiaal is ook de oorzaak van het soms optredende 'zelf-reparerende gedrag' van beton. In geval van een scheur kan bij een voldoende watertoetreding het ongehydrateerde materiaal alsnog gaan hydrateren ( er is ruimte ) waardoor de scheur spontaan kan dichtgroeien. In de regel bevat uitgeharde cementmatrix genoeg ongehydrateerd materiaal om bij fijnmaling tot granulaat nog een tweede keer met water te kunnen reageren tot een sterkte gelijk aan 30 % van de oorspronkelijke sterkte. Hydratatie is een proces dat resulteert in poreuze cementsteenmatrix. De porositeit ontstaat omdat niet al het water dat nodig is voor de verwerkbaarheid van de mortel chemisch wordt gebonden. Er ontstaan sporen van ontsnappende mengwater oftewel capillairen. Capillai ren bestaan uit verspreide submicroscopische kanaaltjes en holten, soms geïsoleerd, soms onderling in elkaar uitlopend. De
25
capillairen zijn verantwoordelijk voor de wateropzuiging van uitgeharde cementsteen/beton. Zelfs bij een spaarzaam watergebruik ( bijv. een water/cement factor van 0,4 ) kan capillariteit van de matrix, tenzij speciale maatregelen worden genomen of toevoegingen worden gedaan, niet geheel voorkomen worden. Het capillairen vormende gedrag bij droging is in het begin het sterkst en neemt naderhand af. Dit is te wijten aan het 'zelfreparerende effect’ waardoor de hoeveelheid capillairen en hun omvang afnemen gedurende de hydratatie ( korte C-S -H vezels ). Van belang is hier de watercementfactor, de fijnheid van de cement en toeslagdeeltjes en de manier van nabehandeling. Er zijn ook nog de holten van ingesloten lucht, macro -poriën genaamd. Het normaal gemeten luchtgehalte van beton ( 1-3 % ) behoort tot deze poriën. Om het gehalte aan ingesloten lucht te reduceren wordt beton vaak getrild ( bijv. met de trilnaald ) of geschokt ( op een tril- of schoktafel ). Dit geeft significante verschillen met de cementmatrix die ongetrild of 'ongeschokt' verhardt, bijv. metselspecie. De dichtste beton krijgt men, uitgaande van een goede water/cementverhouding ( tussen 0,4 en 0,6 ). De meest open matrix ontstaat bij het metselen of bij het ongetrild storten, zeker wanneer er ook nog eens weinig water en cement in het mengsel aanwezig zijn, zoals bij stampbeton ( beton t.b.v. werkvloeren en funderingen waaraan weinig eisen worden gesteld ). Cementsteen uit metselmortel kent kan een redelijke kwaliteit bezitten maar is toch altijd slechter van structuur en zwakker dan beton dat in een kist is uitgehard. Dit komt omdat de steen een groot deel van het water opslurpt en omdat er veel water kan verdampen ( zonder dat het heeft gereageerd ). Met de slechtere structuur is de porositeit ook hoger. Dit kan aanleiding geven tot schade als het gaat vriezen terwijl het materiaal met vocht verzadigd is. IJskristallen duwen de zwakke matrix dan van binnenuit kapot. Onderstaande afbeelding toont vorstschade aan voegwerk van cementsteen, de voegen vielen er uit.
Vorstschade aan het voegwerk vanwege fouten bij de uitvoering. ( niet nat genoeg houden bij de hydratatie )
26
Bouwen met blokken Het is logisch dat een bouwwijze door de voordelen maar ook door de nadelen van een materiaal wordt bepaald. Om stapelingen te vrijwaren van scheurvorming, vervorming of totale ineenstorting moeten allerlei zijwaarts- of opwaartsgerichte krachten worden overheerst door drukkrachten. Drukkrachten ontstaan doordat rustende materie zijn massa naar beneden afgeeft, en dat is precies waar steenachtige materialen goed in zijn. De hechting door de mortel voorkomt afschuiving en corrigeert maatonnauwkeurigheden en ‘dicht’ de muur zodat die redelijk wind- en waterdicht wordt, maar zorgt niet dat de muur nu op trek of op buiging belast kan worden. Stapelen is altijd een spel met de zwaartekracht, maar een muur die erg lang of hoog wordt, dreigt om te vallen. Dikker en zwaarder maken is een optie, maar het is handiger en economischer om hoeken en T-splitsingen te maken. Echte blok-constructies zijn vaak doosvormig met dichte hoeken. De stapelbouw wordt vaak daardoor gedomineerd. Met name kleine volumes zoals schoorstenen moeten welhaast altijd blokvormig zijn, grote volumes kunnen eventueel andere vormen krijgen. Zoals we straks zien.
Hoekige volumes in blokken; F.L. Wright, Robey House, Chicago
Veel kenmerken van de ‘pure blokken-bouwkunst’ zijn te zien aan het pand van H.P. Berlage aan de Hobbemastraat in Amsterdam; ca. 1905 . Berlage was een architect die eerlijkheid en zuiverheid van materiaalgebruik hoog in zijn vaandel had en in al zijn gebouwen inzette. ( vergelijk ook zijn Beurs en zijn Gemeentemuseum Den Haag ): -
27
liever smalle openingen dan brede; als grote openingen onvermijdelijk zijn zien we vaak de toepassing van bogen ( voor interieurs: ook gewelven = 3 D bogen ) uitkragingen ‘vloeiend’ vanuit de gevel vertrekkend ( onder ca. 45 graden hoek ) rustende massa’s boven elkaar: verspringingen noch in de gevel noch in de verschillende plattegronden. ( qua bouwmuren en scheidingswanden )
H.P Berlage: eerlijk materiaalgebruik in baksteen; Er zijn natuursteendetails daar waar de kwaliteit van baksteen te laag is qua draagvermogen en waterdichtheid.
Overigens zijn er nog meer middelen uitgevonden om hetzelfde te bereiken, zoals pilasters en krommingen.
Pilasters Steentjeskerk E’hoven
Slangenmuur
De ‘slangenmuur’ is een manier om een lange gladde blokkenmuur toch een stabiele vorm te geven. Door de slingering ontstaat hetzelfde effect als door hoeken. Een rechte muur van gelijke lengte zou veel dikker moeten zijn, wil dezelfde stabiliteit bereikt worden. Kromming van een weerbarstige materiaal werkt krachtig. De organische architectuur van de A’damse School heeft met golvende vormen baksteen tot aan het randje van het mogelijke benut. Tracht bij het kijken naar onderstaande foto het materiaal in gedachten te verwisselen met andere materialen, bijv. hout of kunststof. Hoe werkt dan de vorm ?
28
Gebouw A’damse school, markt te Eindhoven.
Strakgevormde bakstenen kunnen in verband worden geplaatst. Hoe zwakker het bindmiddel hoe belangrijker het verband tussen de blokken voor de samenhang. Er is een lange traditie waarin verbanden met kleur expressief werden gemaakt.
Verband waarbij 2 kleuren baksteen werden gebruikt.
Visueel kan een verband ook worden versterkt door het laten uitsteken van stenen.
Halfsteensverband met uitspringende stenen
29
Los van het metselverband kan, door het verschuiven van sommige blokken t.o.v. het muuroppervlak, een relief in de muur worden gecreëerd.
Naast de traditioneel gem etselde gevel kan baksteen sinds enkele jaren ook verlijmd worden. Als bindmiddel wordt gewoon portlandcement gebruikt, maar met de toevoeging van kunstharsen en fijne toeslag i.p.v. zand verschilt de 'lijm' in eigenschappen en de verwerkingsmethode aanzienlijk van de traditionele metselmortels. Een verschil is ook dat gelijmde baksteen niet hoeft te worden gevoegd. Dit zou ook niet eenvoudig zijn gezien de voegbreedtes van 2 tot 6 mm. De sterkte is ongeveer drie keer hoger dan bij traditioneel metselwerk. Dit houdt in zoals op de foto te zien dat de baksteen ook ‘staand op zijn zijkant’ kan worden toegepast. Je krijgt zo een z.g. ‘klampgevel’.
De dunne voegen van klampgelijmde baksteen.
Het zoeken naar nieuwe manieren om baksteen toe te passen houdt hiermee niet op. Architect Renzo Piano past baksteen geheel zonder mortel of lijm toe. De bakstenen worden als kralen aan een kralensnoer aan kabels in een frame aan de gevel gehangen. Zie foto en detail.
30
R. Piano; IRCAM gebouw ( Parijs ); detail en beeld van een gevel van ‘opgehangen’ baksteen
Ten slotte nog drie manieren om in blokken hoeken te maken, van links naar rechts: - blokkerig ( extra vertand, moet passen in het verband ), - verzaagd met voeg op de hoek ( onafhankelijk van het verband ), en - scherpe hoek ( naar de normen van baksteen ), met behulp van speciaal gevormde ‘vormstenen’. De scherpe hoek vereist vormstenen want als blokken gezaagd worden kan zo’n hoek gemakkelijk gaan brokkelen.
31
Stapelen met orde Als we denken over bouwen als stapelen, dan is het logisch dat er een verband is tussen de dikte van muren ( en van geveldelen ) en de positie van de muren t.o.v. de hoogte in het gebouw. Het is dus logisch dat gestapelde gebouwen naar boven toe anders d.w.z. luchtiger of ieler zijn dan naar onderen toe. Denk aan de piramides en aan gemetselde fabrieksschoorstenen: van onder altijd breder / dikker dan bovenin. Daar komt bij dat het in vroegere tijden, waarin bouwkranen ontbraken, ook erg logisch was om de grootste blokken onderin te plaatsen en de kleinere bovenin.
Men kan uiterard ook de dikke muren onderin van kleine elementen gemaakt hebben ( wat ook vaak gebeurd is met baksteen ), maar het is expressiever om onderin toch dikke blokken te plaatsen omdat dat het principe ook visueel meteen duidelijk maakt. De kleine blokken onderin is meer een technische oplossing, een consequentie van de hoeveelheid drukvermogen die wordt gevraagd. Deze bouwlogica heeft, niet verwonderlijk, sporen getrokken in de geschiedenis en is mooi zichtbaar aan gebouwen uit de vroegste Italiaanse renaissance. Er onstond toen een ordening van gevels volgens een gradiënt die klopt met hierboven is gesteld. Mischien is het wel zo dat dankzij de simpelheid die de blokvorm heeft, steenachtige materialen tot veel karakteristieke bouwwerken hebben aanleiding gegeven. Het is niet overdreven te stellen dat veel onderdelen van de ( klassieke ) bouwkunst in feite expressievormen waren van de ( beperkte ) eigenschappen van natuursteen- en baksteen. Je moet echter het bewustzijn ontwikkelen om dat te zien.
Omdat de druk die blokken kunnen opnemen beperkt is, is een gradiënt over de hoogte van zwaar naar licht en van grof naar fijn logisch; Michelozzo di Bartolomeo; Palazzo Medici- Riccardi; Florence ca. 1444
Hieronder zie je een interpretatie van latere datum. Er is echter een op dezelfde gradiënt gebaseerde ordening: onderop een vrijwel massief en zwaar basement ( de plint ), daarop een wat luchtiger en gladder middendeel, ten slotte een ( naar de mogelijkheden van steen ) zo luchtig mogelijke daklijst.
32
Soortelijke warmte Een steenachtig, zwaar gebouw blijft in de zomer dag en nacht betrekkelijk koel terwijl een stalen of houten, licht, gebouw overdag snel opwarmt en ‘s nachts weer afkoelt. Dit verschil berust op 2 aspecten: - het verschil aan massa van de gebouwen en - het verschil in de soortelijke warmte van de materialen.
De soortelijke warmte is de hoeveelheid warmte ( in Joule ), die toegevoerd moet worden om 1 kg van een materiaal 1 K in temperatuur te doen stijgen. Als een voorwerp met een bepaalde temperatuur T1 in een omgeving met een andere temperatuur T2 geplaatst wordt, vindt er een energie(warmte)-uitwisseling plaats tussen dat voorwerp en zijn omgeving: - het voorwerp staat warmte ∆Q af als T1 > T2 - het voorwerp neemt warmte ∆Q op als T1 < T2 De hoeveelheid opgenomen of afgestane warmte ∆Q (in J), en dus de warmte-inhoud van het voorwerp, is evenredig met: - het temperatuurverschil ∆T (T1 - T2) in K. - de massa in kg van het voorwerp [m]. of: ∆Q = constante • m • DT De constante is: de soortelijke warmte C in [J.kg-1.K-1]. De tabel geeft aan wat we gevoelsmatig al wisten: metalen bezitten een lage C waarde. Ze zijn gemakkelijk op te warmen. Hout bezit een middelhoge C-waarde terwijl steenachtig materiaal een hoge C-waarde bezit een dus veel warmte nodig heeft om op te warmen maar de warmte ook lang kan vasthouden. Denk aan de bekleding van ovens met steen of aan het fenomeen steengrillen.
Tabel: de soortelijke warmte van een aantal materialen:
33
De soortelijke warmte en de massa spelen een dubbele rol: - bij het opwarmen van een gebouw of een ruimte binnen het gebouw vanwege de opwarmsnelheid van de wanden: hoe groter de warmtecapaciteit van de wanden is en hoe meer massa opgewarmd moet worden (gelet op de positie van het isolatiemateriaal) des te meer thermische energie er nodig is om de wanden op de gewenste temperatuur te brengen. - bij het opwarmen van een gebouw van buitenaf vanwege de opwarmsnelheid van de beschenen massa door de zon. De straling van de zon zal een zware stenen muur minder snel opwarmen. Noot 1: de soortelijke warmte is uitgedrukt per kg, als men hem per m3 wil uitdrukken moet er een vermenigvuldiging met het s.g. of de r . De nieuwe grootheid heet dan: volumieke warmtecapaciteit of Cv. Cv = r . C Noot 2: de oppervlaktekleur speelt bij de opwarming door de zon overigens ook een rol: lichte kleuren absorberen minder straling waardoor het gebouw langer koel blijft.
Bufferwerking van massa De massa van de bouwmuur werkt als demper op de ontwikkeling van de binnentemperatuur.
Invloed van de zonnewarmte op een bouwmuur
Geluidisolatie door massa Zwaarte vormt, vergelijkbaar met warmte, een barriere voor geluid. De reactie van een zware wand op trillingen in de lucht is beduidend minder dan die van een lichtgewicht wand. Het verband staat bekend als de massawet. We verwijzen naar het vak bouwfysisch ontwerpen voor een precieze uitleg van dit fenomeen.
34
Beton Leem wordt hard door de onttrekking van water, terracotta ( en de andere keramische bouwmaterialen ) doordat er een chemisch proces plaatsvindt bij het bakken. Cementmortel verhardt door de reactie van cement met water: het z.g. hydratatieproces. Water is dus altijd een integraal onderdeel van de de ( beton- of metsel ) mortel en het proces heeft, afhankelijk van de samenstelling van de mortel, enige tijd nodig om tot een sterkte te komen die voldoende is om draagvermogen te krijgen. I.t.t. leem heeft beton dus een mal (een ‘kist’ ) nodig. Alleen stampbeton, een korrelig mengsel met een lage watercementfactor, kan soms ongehydrateerd min of meer zijn eigen gewicht dragen en is dan zonder mal vormbaar. ( zeer eenvoudige vormen ) Beton is een mix van verschillende grondstoffen bijeengehouden door het bindmiddel cement. Wat je uiteindelijk ziet is echter alleen de cementhuid, de toeslagstoffen zijn verborgen achter het oppervlak. Beton wordt vervaardigd uit een mengsel van toeslagstoffen, cement en water en is dus een composiet . Qua samenstelling en gedrag kan het nagenoeg volledig worden afgestemd op de beoogde doelen: zeer veel verschillende toeslagstoffen en toeslagmiddelen leidend tot een grote variaties in eigenschappen, kleuren, oppervlakken en duurzaamheid. Betoneigenschappen zijn afhankelijk van de hoedanigheid van de toeslagstoffen en van de eigenschappen van de cementsteenmatrix. Van de steenachtige materialen is beton het meest veelzijdige bouwmateriaal. Dit geldt ook voor de vormgeving. Beton kan eenvoudig in vorm worden gebracht. Ook vanwege dat beton simpel kan worden gewapend ( niet BEwapend svp ), - de betonmortel vult de ruimte rond de wapening en er onstaat een sterke binding met de wapening , kan beton behalve aan druk ook weerstand kan bieden aan trek en buiging. Daarmee is het grote manco van steenachtige materialen in feite opgeheven. De uitvinding van gewapend beton was dus een revolutie.
Ligger die om de boom krult; F.L. Wright; detail ‘Falling Water’.
Ongewapend beton wordt tegenwoordig niet meer vaak toegepast. De romeinen hebben er echter, met hun versie van beton gebaseerd het bindmiddel hydraulische kalk het Pantheon mee gebouwd. Het staat bekend om zijn imponerende koepel en is nog vrijwel in tact. Beide muurvormen hieronder zouden, gelet op hoogte en dikte, nog best in ongewapend beton te maken zijn.
35
Twee vormmogelijkheden van beton naast elkaar: rechts achter een haakse wand ( zoals met blokken gebruikelijk ), op de voorgrond de gekromde muur die meer typisch is voor beton.
De toepassing van staven & vlechtwerk van staal Als wapening in beton kunnen in principe alle treksterke materialen worden gebruikt. Staal is het meest geschikt omdat het in allerlei dunne vormen te maken is, daarbij is staal vrij goedkoop en belangrijk: het heeft een goede verenigbaarheid met beton qua uitzetting en krimp. De materialen hebben een gelijke thermische uitzettingscoëfficiënt.
Zo ontstaat er dus een goede taakverdeling tussen de materialen waarbij bovendien de beton het staal beschermt tegen corrosie.
De maakbaarheid met beton Is het zo dat je iedere vorm die als mal uit te voeren is ook in beton kunt maken ? Er zijn een paar regels, maar in principe wel, met de volgende uitzonderingen: - een zeer dunne vorm gaat niet i.v.m. de korrelgrootte, de wapening en de z.g. dekking op de wapening. - om dezelfde reden gaat een zeer scherpe vorm ook niet. Om dunnere vormen te kunnen maken zijn bepaalde alternatieven in korrels en wapening bedacht. Met een fijnere korrelgradering zou je dan ook scherpere randen kunnen maken. Dit neemt niet weg dat de vormentaal van het normale met staal gewapende grind-zand-cement beton zeer ruim is. Zeker vergeleken bij andere materialen als hout of baksteen. Een vensteropening in een betonnen wand die in blokken nauwelijks te vormen is:
36
Horizontaal georiënteerde volumes die lijken te zweven, soms met langgerekte vensters ertussen, is een vormentaal die met blokkenbouw absoluut niet mogelijk was. Je ziet ook het contrast met de centrale kern van het huis die nog wel in blokken is gemaakt en gedacht: deze heeft weer de vertrouwde vertikaliteit.
De mechanische kwaliteiten van gewapend beton in de vormgeving geïllustreerd; ‘Falling Water’. F.L. Wright.
Bekend is de vormgeving van beton in platen. Ook de horizontale gegolfde plaat, zie rechter afbeelding, ligt binnen de mogelijkheden van beton. Het is echter technisch niet gemakkelijk omdat de nog vloeibare mortel de neiging heeft af te zakken naar het dal, wat als je beter kijkt, ook wel enigszins is gebeurd.
De kleur(ing) van beton Witte cement is het best geschikt om als basis te dienen voor de vervaardiging van gekleurd beton. Van de cementmineralen is C4AF ( met daarin ijzeroxide: F ) verantwoordelijk voor de grijs/bruine kleur. Men maakt witte portlandcement door
37
ijzervrije kleiaarde te gebruiken i.p.v. ijzerhoudende. Witte PC is niet minder van kwaliteit dan gewone PC. Het wordt meestal iets fijner gemalen, hetgeen de witte tint bevordert. Met de fijne maling is het totale oppervlak van witte cement vrij groot. De reaktiesnelheid is daardoor groter en de cementsteen bereikt een hogere sterkte. De 'witheid' van witte cement kan per leverancier verschillen. ( hangt af van de zuiverheid van de oorspronkelijke kalksteen ). Voor witte beton moeten ook de toeslagstoffen zo wit mogelijk zijn. Het zand en het grind moet goed worden gewassen en wellicht is het nodig om wit gesteente toe te passen als toeslagstof, bijv. noors marmer. Voor gekleurd beton worden metaaloxyden aan de ( witte ) betonmortel toegevoegd, meestal is een gehalte van 5 - 10 % ( massa % t.o.v. cement ) voldoende. Meer pigmenten toevoegen is niet gunstig voor het hydratatatieproces. Een probleem bij de pigmentering is het voorkomen van vlekken en sluiers. Vanwege de problemen hiermee wordt gepigmenteerd beton zelden nog als in situ beton toegepast. Op de afbeelding zie je een deel van een hoogbouwproject waarbij de gevel in gepigmenteerd prefab-beton is ontworpen. De kleur is vrij goed, al zie soms wel wat verkleuring ( rechtsonder ).
Mecanoo: gevelplaten en borstweringen in rode prefab-beton, woongebouw Hillekop te Rotterdam.
Door toevoeging van pigmenten en speciale granulaten kan beton een ‘natuursteen-look’ krijgen. De toepassen van oppervlaktebewerkingstechnieken kan dit verder versterken. De methoden zijn: stralen, schuren en polijsten. Beitelen en boucharderen zijn bij beton uiteraard onmogelijk vanwege de keiharde granulaten die direct achter de buitenhuid zitten. Bij het onderstaand detail is de vormgeving, de bewerking en de kleur zodanig dat de gelijkenis met natuursteen redelijk is.
38
(Prefab ) Beton met grote gelijkenis aan natuursteen
Monolithisch constructies Delen die in andere materialen uit losse componenten zouden bestaan kunnen in beton zo worden vormgegeven dat ze als één vorm worden beschouwd. Een plateau kan direct aan een schijf worden gestort, en naadloos overlopen in een trap. Vergelijk ook de bank uit één stuk beton met de bank bestaande uit verschillende materialen ( hout en staal )
39
Massieve delen en lineaire delen zijn aan elkaar gestort. Het lijkt of het één vorm was waar door een reus grote gaten uit zijn geponst.
Detail Falling Water Arch. F.L. Wright
Bij het onderstaande gebouw is het monolithische niet meer een uitvoeringstechnische of praktisch overweging, zoals bij de zitbank, maar het is een expressie van een architectuurstijl geworden. Let op het kozijn, ook in beton.
W. Aretz, uitgezonderd het hekwerk is alles gewapend beton wat je ziet.
De vormgeving van lineaire vormen kan in beton heel elegant gebeuren, nl. volgens de momentenlijn. Kolommen, liggers, portalen kunnen verdikkingen, verdunningen krijgen waar het nodig is. De term ‘verjonging’ is daarvoor uitgevonden. Deze vormgeving is typisch voor het gieten van materialen en niet voor het bewerken van materialen. Op de schaal van de onderstaande brug is het uitermate karakteristiek beton.
40
Maar ook Frank Lloyd Wright heeft hiermee geëxperimenteerd. Met het ontwerp voor Johnson Wax toont hij wederom veel affiniteit met materialen. De kolommen gemaakt als een vloeiende paddestoel-vorm doet je je de gestolde vloeistof realiseren die beton in feite is.
In hoeverre kunnen onderdelen aan elkaar worden gestort ? In de onderstaande koepel voor een sportcomplex in Rome ( weer de associatie met het paddestoelfenomeen ), ontwaar je geen naden - noch op de ontmoeting van ribben onderling - noch in de randen van rib op schaal. Alles is geintegreerd, alsof het gegroeid is in plaats van gebouwd. Op de andere afbeelding een 3D skelet in beton als open gevel gebruikt. Hier is ook een spel met dikten en lengten van elementen. Bovendien wordt het beton hier ook meer op buiging belast.
41
Links: A. Nervi: interieur sporthal in Rome Rechts: Le Corbusier ; woonhuis in Ahmadabad, India
We zagen dat je in gewapend beton momentvaste verbindingen kunt maken en ook 3 D skeletten die naadloos zijn. Je kunt het ook omdraaien: het ontbreken van naden en voegen duidt onvoorwaardelijk op beton. Tenminste op in het werk gestort beton, zoals alle betontoepassingen tot nu toe waren. Het dak van de kapel van Ronchamps is ook bedacht en gemaakt van in-situ gestort gewapend beton. Dit is dus te zien aan het ontbreken van naden en voegen. Als je het gebouw als leek bezoekt denk je dat het dak een massieve vorm die heel zwaar op de muren rust. Aan het dak-detail rechtsboven zie je dat het dak niet massief is maar in feite een grote kuip met wanddikte ca. 15 cm. Een massief dak zou wat zwaar worden en qua uitvoering lastig ( hydratatie-warmte bij zo’n dikte ). Daarbij komt dat naden een bron van lekkage van het dak zouden zijn.
Le Corbusier: Chapel Ronchamps; monolithisch dak in beton. Het details rechtsboven ( wanddikte ) verraadt de holle kuipvorm.
Le Corbusier had een groot deel van zijn leven iets met naturel beton en was, hoewel hij verschillende perioden heeft doorgemaakt, trouw aan een ‘brutalistisch’ materiaalgebruik,
42
met name dus in beton. ( naar het Frans: ‘beton brute’; de ‘naturelheid’ van beton ) Beton is een ruig en pretentieloos materiaal dat door de maatschappelijke elite nogal verguisd werd, maar het stond voor een vormentaal die modern was ( hoewel hier voornamelijk expressief ) en paste in denkbeelden over de nieuwe tijd. Daarbij was alles maakbaar. Le Corbusier maakte er zelfs kozijnen van ( La Tourette ). Later is Le Corbusier zich pas weer met andere materialen gaan bezig-houden.
Knooppunten analyse: Onderstaande figuur geeft 3 principes voor 2D kolom -ligger knooppunten. Welke vorm ligt voor welk materiaal voor de hand ? Voor blokken was het niet nodig om ons dit af te vragen want met blokken kun je geen liggers maken. In Hoofdstuk 2 kijken we naar de andere materialen maar hier staat beton nu centraal: in situ beton en prefab beton.
Knooppunt A ligt niet voor de hand, noch voor in situ noch voor prefab beton omdat de verbinding niet via de wapening kan verlopen maar via het oppervlak moet gaan. Blijven over de knooppunten B en C. Knoop B is in feite ee n las. Beton kan niet worden gelast of goed gelijmd. Voor schroeven en bouten is beton evenmin erg geschikt. Toch wordt B wel toegepast maar dan in een speciale ( prefab ) beton versie, zie afbeelding hieronder. Bovendien is B ofwel te zien als een scharnier of als een momentvaste verbinding. Als het een scharnier is dan moet er speelruimte zijn ( mag de ligger niet te goed passen ) en als het een momentvaste verbinding wordt, wat voor beton goed kan, dan wordt het in feite dus C . Daarom is C het meest karakteristiek voor beton. Door C te maken ontstaat er wel spanning in de knoop, maar doorgaans is de verbinding hecht en homogeen ( alles aan elkaar gestort, wapening die ook doorloopt ) zodat de spanningen goed op te vangen zijn. Dat is de ervaring en dat volgt uit berekeningen ( die we hier niet doen ). Wel gaan we in op het verschijnsel van thermische bewegingen en de spanningen die dit in principe oplevert.
De thermische uitzettingscoëfficiënt Uiteraard kan dit wel spanningen opleveren t.g.v. uitzetting en krimp. Materialen ondergaan n.a.v. temperatuurveranderingen dimensieveranderingen. - uitzetting bij verwarming - krimp bij afkoeling Een staaf met een lengte Lo, die ∆ T in temperatuur verhoogd wordt, wordt langer: L(T) > L(o) De verlenging (verkorting) )L, die optreedt is evenredig met: - de oorspronkelijke lengte Lo
43
- de temperatuurverhoging/verlaging of:
∆T
∆L = α • ∆ T • Lo
waarin:
- α = de thermische uitzettingscoëfficiënt is in [K-1] Deze eigenschap is sterk afhankelijk van het gekozen materiaal. Glazen hebben een kleine thermische uitzettingscoëfficiënt. Bij kwartsglas (zuiver SiO2 ) is deze erg -6 -1 klein: 0,5.10 K . Kunststoffen daarentegen hebben een grote thermische uitzettingscoëfficiënt, bij -6 -1 lagedruk polyethyleen is deze: 180.10 K -6 -1 Beton en staal; hebben een gelijke thermische uitzettingscoëfficiënt, nl 12 . 10 K
Hygrisch gedrag Een hoog vochtgehalte in een materiaal levert zwelling op, een laag vochtgehalte krimp. Dit ‘gedrag’, het schommelen rond een evenwicht dat door de gemiddelde atmosferische omstandigheden werd bepaald, noemen we het hygrische gedrag van dat materiaal. Noot: alleen niet -massieve materialen zijn hieraan onderhevig. Het vormen van cementsteen gaat gepaard met krimp, het teveel aan water dat uittreedt levert productiekrimp op: een onomkeerbaar verlies van de oorspronkelijke dimensies. De produktiekrimp hangt eigenlijk samen met de droging, wat wordt geïllustreerd door de grafiek zelf: als cementsteen onder water verhardt kent het helemaal geen krimp !! De verklaring is dat nu het overtollige hydratatiewater niet meer verdampt en dus ook geen ruimte achterlaat. Het blijft in de matrix zitten. De onderstaande figuur geeft een overzicht van het krimp- en zwelgedrag van cementsteen onder verschillende omstandighe den.
Krimp- en zwelgedrag cementsteen; na de productie zijn er wisselende omstandigheden: het hygrische gedrag treedt in werking ( ‘zaagtand’ ) .
De mate waarin productiekrimp voorkomt heeft te maken met de w/c factor. Een geringe hoeveelheid water voorkomt dat veel water naderhand moet uittreden en andersom: hoe vloeibaarder de specie des te meer krimp je kunt verwachten. Anderzijds speelt de aard en de hoeveelheid toeslagkorrels een rol: zand en harde grovere toeslag in de mortel remmen de krimp.
44
Ook geldt: hoe cementrijker de mortel des te groter de krimp. Ten slotte speelt de vervaardigingswijze van materialen en produkten, met name de wijze van nabehandelen een rol. Onder nabehandeling verstaan we het verzorgen van de vers gemaakte cementsteen / beton totdat een voldoende kwaliteit en sterkte wordt bereikt. Verdamping van water leidt tot een te snelle droging. Dan is het hydratatieproces onaf en de structuur slecht ( met ook teveel holtes en grote capillairen ). De manier van bekisten en afdekken van de kist en ook de periode van bekisten zijn belangrijk. In concreto betekent een goede nabehandeling dat de bekisting goed dicht moet zijn ( geen lekkage van water ) en voldoende lang op zijn plaats blijft (wellicht langer dan op grond van de sterkteontwikkeling nodig zou zijn). Ook kan het betekenen dat, afhankelijk van de weers-omstandigheden ( een hoge of lage RV van de buitenlucht ), de specie aan de bovenzijde moet worden afgedekt met een dampdicht folie. Met name voor in situ ( = op de bouwplaats ) gemaakte bouwdelen waar de luchtvochtigheid of de temperatuur niet te beheersen is, is het belangrijk hiermee rekening te houden. Voor prefab bouwdelen zijn de condities van de nabehandeling beter beheersbaar en dus gunstiger.
Als voor in-situ beton geldt dat vanwege de dikte en de continu-doorlopende wapening de spanningen van thermisch en hygrisch gedrag in de regel goed kunnen worden opgevangen, dan geldt dat voor losse (prefab) betonnen delen niet. Daar zullen altijd naden zijn, want afzonderlijk gefabriceerd gaan de elementen ook in hun gedrag een eigen leven lijden. Ze gaan ieder afzonderlijk reageren op invloeden van de omgeving zoals hitte , kou en neerslag. De krachten worden niet meer vereffend maar moeten in de naden worden opgevangen door het creeren van bewegingsruimte. Het komt goed uit dat die bewegingsruimte samenvalt met de passingsruimte, want, omdat er verschillende elementen zijn, worden zij altijd gedilateerd. ( ook omdat er altijd maatafwijkingen kunnen zijn. ) Zo komt het dat knooppunt B vaak wordt toegepast bij prefab -beton:
Knooppunt B vormgegeven in prefab-beton.
Spanningen door fixatie Indien materialen met een verschillende ‘wil’ of met verschillende eigenschappen aan elkaar gefixeerd zijn zal , theoretisch, het materiaal met de grootste stijfheid ( de hoogste E-modulus ) zijn
45
‘wil’ opleggen aan het slappere materiaal. De daarbij optredende spanning kun je berek enen met door de vervorming t.g.v. thermisch gedrag elastisch op te lossen ( wet v. Hooke ):
∆L = α . L . ∆ T ; dus: ∆L/ L = α . ∆T ; dus: ε ( t.g.v. ∆ T) = α . ∆T maar: ε volgens wet v. Hooke = dus:
σ / Ε ; waaruit volgt: α . ∆T = σ / Ε ;
σ (optredend) = α . ∆T . E
Je ziet dat de spanning afhankelijk is van de stijfheid van het materiaal dat gedwongen wordt te vervormen. ( maar onafhankelijk van de lengte !! ) Slappe materialen zullen dus geen spanning opbouwen ( zoals bijv. isolatiedekens ). Als een slap materiaal ook bros is ontstaan er dikwijls scheuren. Op de onderstaande afbeelding zie je forse schade aan baksteen-metselwerk veroorzaakt door te weinig mogelijkheden voor thermisch \ hygrisch gedrag. Ten gevolge van de spanningen in het baksteen-buitenblad dat zat ingeklemd tussen de nokken van betonconstructie is er een vervorming opgetreden. Het telkens weer uitzetten en krimpen heeft het buitenblad langzaam van de oplegnokken doen afglijden. Nadenken over de verenigbaarheid van materialen vergt dus nadenken over de gebruiksomstandigheden van de materialen in hun toepassing.
Schade door verschillen in thermisch en/of hygrisch gedrag van 2 materialen.
Bovenstaand geval is een geval van schade, niet van veroudering ( hoewel een bepaalde tijd nodig was om het te laten gebeuren ). Het is dus een ontwerpfout. Er worden nog steeds erg veel ontwerpfouten en bouwfouten gemaakt, ondanks het feit dat de ‘bodem-materialen’ al eeuwenlang bestaan en in gebruik zijn. Dit komt omdat de vormen en toepassingen toch elke keer weer anders zijn, en ook omdat het moeilijk lijkt van fouten te leren. Het loslaten van ontmoetingen is een goede techniek om te voorkomen dat slappe materialen het begeven t.o.v. de stijve materialen. Zo stelt de baksteenindustrie het rechter detail als duurzamer dan
46
het linker, omdat het vervormen van het buitenblad zijn beweging niet zal opleggen aan de slappe dakrandconstructie. Die is kwetsbaar i.v.m. lekkagevaar. Het buitenblad kan rechts vrij bewegen.
‘Fout’ detail
‘Goed’ detail
Hierbij deze aantekening: de hoogte van de gevel is hier maatgevend omdat die de hoeveelheid beweging bepaalt. D.w.z. bij een lage gevel zal het ‘foute’ linker detail niet tot schade leiden. De spanning is niet maatgevend omdat de dakrand geen weerstand biedt ( enkel slappe materialen ). Omdat e.e.a. afhankelijk is van de hoogte zijn ‘goed’ en ‘fout’ tussen aanhalingstekens geplaatst. Het thermische gedrag van natuursteen is ook significant. Dat zie je aan de dilatatievoegen in vele gevels of aan de wijze van monteren van natuursteenplaten. De platen dienen elkaar niet te raken op straffe van beschadiging of loskomen van de ondergrond. Er is de keuze om de naden op en te laten ( en enige regendoorslag voor lief te nemen, hoewel dat erg meevalt ) en de naden te vullen met kit. De kitnaden moeten dan wel onderhouden worden.
Geveldetail van natuursteenplaten met open naden.
De tand des tijds De oudheidkundige ‘sites’-bezoeker raakt in de ban van verouderde steenachtige materialen en constructies, zelfs al zijn grote delen ingestort. Wat is dat ? Charmante verouderings -verschijnselen ?, laten we het voorlopig maar de ‘tand des tijds’ noemen. Bij steenachtige materialen is corrosie of een andere chemische reactie met de lucht onmogelijk. Mineralen zijn nl. producten van een oxydatieproces dat al een paar miljard jaa r oud is. Ze zijn dus chemisch zeer stabiel !!
47
Toch gebeuren er wel subtiele dingen met het oppervlak van met name kunststeensoorten zoals baksteen of betonsteen. Er treedt erosie op ( materiaalverlies in de loop van de tijd ), er kunnen door allerlei oorzaken ( zouten, vorst, klimop ) wat schilfertjes afspringen en er kunnen sluiers van vuilen (stof, roet, kalk, zout, alg ) optreden, etc., een verzameling van fenomenen die in de materiaalkunde degradaties worden genoemd. Degradatie-processen zijn aantastingen van materialen ( en bouwdelen ) in hun conditie. Alle materialen kennen hun specifieke degradatieprocessen. De duurzaamheid wordt bepaald door het tempo waarmee degradatieprocessen het materiaal ( of bouwdeel ) aantasten. Die stof behoort tot het vak Materiaalkunde 2 en wordt dus later behandeld. Hier geven we alleen een paar belangrijke fenomenen. Noot: van glas zijn geen noemenswaardige degradaties bekend ( als er verstandig mee wordt omgegaan ): Glas en cementwater ( of kalkwater ) zijn nl. chemisch onverenigbaar. Het basische cement tast het glas aan door het oppervlak een beetje op te lossen, een schade die onherstelbaar blijkt. Dit betekent dus dat moet worden voorkomen dat er regenwater via naturel beton over glas stroomt. Anders dertailleren ( goot ) of de beton voorzien van een coating. Beschouw het volgende beeld. Is dat verwering of schade veroorzaakt door menselijke fouten ? In het laatste geval zijn er 3 mogelijkheden: - er is een materiaalfout opgetreden; er is een partij stenen gebruikt die in feite had moeten worden afgekeurd; commentaar: het is dan vreemd dat zoveel stenen beschadigd zijn ! - er is een foute keuze gemaakt m.b.t. de steensoort of de samenstelling van de metselmortel; - of er is een onvoorziene omstandigheid opgetreden, bijv. de aanwezigheid van voor baksteen agressieve stoffen in de bodem ( zouten ).
Afschilfering van baksteen: een schade waarover altijd moet worden nagedacht.
Waarschijnlijk is de laatste mogelijkheid het geval en zitten er zouten in de bodem ( kunstmest bijv. ). Maar niet onvermeld mag blijven dat de hier toegepaste strengperssteen gevoeliger is voor afschilferingsverschijnselen dan een baksteen gemaakt volgens het vormbak of handvorm procedé ( zeker met de holtes ). Dat is weer te verklaren uit het begrip anisotropie. De klei die nl. onder hoge druk door een spuitmond wordt geperst krijgt een specifieke oriëntatie mee zodat de structuur niet meer in alle richtingen gelijk is. Hierdoor kunnen er gemakkelijker schilfers gaan afspringen. Uiteraard zijn holtes niet bevorderlijk voor de splijtsterkte van de stenen. Vorstschade aan baksteen komt soms nog voor, met name in winters waarbij de strenge vorst plotseling intreedt. Hieronder is een geval van vorstschade ontstaan door een combinatie van aspecten: kwaliteit van de baksteen die gering zal zijn ( zacht gebakken steen ) plus de vochtige positie onderaan de gevel.
48
Afschilfering door vriesdooi-schade .
Betonrot Een bijeffect van de cementhydratatie is de vorming van Ca(OH)2 in de cementsteen, de z.g. vrije kalk. Deze kalk is ervoor verantwoordelijk dat de chemische staat van beton ( en andere cementgebonden materialen ) sterk basisch is met een pH van 12 of 13. Vanwege dit basische klimaat wordt het staal ‘gepassiveerd’, beschermd tegen roesten ( mocht er water bijkomen ). Op het plaatje is te zien dat het gas CO 2 dat via het oppervlak in de beton dringt ervoor verantwoordelijk is dat de vrije kalk wordt omgezet is CaCO3. Dit heeft een pH van ca. 7 en alleen pH-waarden boven de 8,5 beschermen staal tegen corrosie. Als het z.g. ‘carbonatatiefront’ de wapening bereikt ( ca 20-40 jaar) is het staal dus niet meer door de beton chemisch beschermd. Afhankelijk van de vochttoevoer kan er dan corrosie gaan plaatsvinden, leidend tot volumevergroting en tot afschilferingen.
Carbonatatiefront bereikt wapening: de reden waarom beton kan ‘rotten’. ( roesten wapening )
Om de passivering van het staal zeker te stellen is dus een bepaalde dekking vereist, d.i. een laag beton tussen wapeningstaal en betonoppervlak. Belangrijk is dat deze dekking naast groot genoeg ook goed genoeg is d.w.z. dicht en zo weinig mogelijk doordringbaar voor gassen en water(damp). Verder moeten er geen grote inhomogeniteiten in de dekking aanwezig zijn zoals grindnesten en holten. De dikte van de dekking is afhankelijk van de omstandigheden maar moet in verband met mogelijke uitvoeringsfouten altijd veilig worden genomen.
49
Overigens bezitten niet alle betonsoorten voldoende vrije kalk om een passiverende laag op het staal te garanderen. Het in de autoclaaf vervaardigde cellenbeton bijv. ( vroeger vaak 'gasbeton' genoemd, zie boek ) bezit vrijwel geen vrije Ca(OH)2. In de reactie met aluminium is het voorheen aanwezige Ca(OH)2 omgezet in 3 CaO . Al2O3 + 3 H2 waardoor de pH tot nabij 7 is gedaald. Om deze reden wordt de wapening van gevelelementen van cellenbeton beschermd met een coating van kunststof.
Meting van de dekking t.b.v. de reparatie van deze schade. In de praktijk komen plaatselijke afwijking van de voorgeschreven dekking vaak voor. Reden: slordigheid bij de uitvoering.
Als er toch betonrot is opgetreden moet dit zorgvuldig gerepareerd worden. Het staal moet worden ontroest en de dekking worden hersteld. Het nadeel is dat de reparatiemortel altijd afsteekt tegen de rest van betonoppervlak. Aan opvallende plekken valt moeilijk te ontkomen tenzij men ertoe over gaat alles te gaan verven of van een pleister te voorzien, met verlies van het originele oppervlak dus.
Een ‘modale reparatie’ van betonrot.
Het is al gezegd dat de kwaliteit van een metselwerkvoeg slechter is dan van een gemiddelde betonmatrix. Er zijn meer capillairen, meer macro-porien, dus er zal eerder carbonatatie plaatsvinden die diep gaat. Dit betekent dat alle stalen delen in de voegen opgenomen bestand moeten zijn tegen
50
corrosie ( de voeg is na korte tijd al niet meer passiverend ). Het gebruik van verzinkte spouwankers is geen overbodige luxe..
Minerale coatings: pleister Pleisterwerk is een dun laagje steenachtig materiaal dat op een ondergrond wordt gesmeerd of gespoten. Pleister is een materialenmix met bindmiddel. Dit bindmiddel hardt uit met water. Het water plus bindmiddel dringt in de poriën en verankert zich daar. ( mechanische vervlechting ). Als bindmiddelen zijn geschikt kalk en/of cement. Kalk is witter en daarom mooier van kleur dan het grijzige cement. Gips is voor toepassingen aan de gevel ‘not done’ , vanwege het feit dat gips zijn vastheid voor 60 % al verliest bij een vochtgehalte van slechts 1 %.
De ‘watervastheid’ gips Onderstaande gevel is ontworpen door Antonio Gaudi in zijn organische stijl. Gaudi pastte nooit materialen op een standaard manier en bedacht ze liever altijd zelf. In zijn tijd waren er geen kunstmatige pigmenten voorhanden, geen witte cement, maar wel witte kalk. Toevoeging van natuurlijke pigmenten ( gebruikt voor verf ) of door zand in een bepaalde kleur kon de kleur bepalen.
A. Gaudi, gevel in pleisterwerk
51
Het abstracte streven Pleisterwerk was een belangrijk materiaal in de beginfase van de moderne architectuur. Architecten ontdekten de visuele terughoudendheid ervan. Er zijn geen details zoals voegen, naden en kleurverschillen die de aandacht trekken. De vorm wordt sterker benadrukt zoals hieronder de vlakken-compositie. Een heel ander standpunt dus als dat van Gaudi, voor wie het materiaal juist ook zelf moest spreken. Pleisterwerk paste in de ideeën van Van Doesburg etc. van de beweging de Stijl. Zij konden op die manier met kleuren en vlakken ‘hun gang gaan’, zonder dat een materiaal van zich deed spreken. Behalve dan op de wat langere termijn, zoals je hier onder ook kunt zien.
Gerrit Rietveld: Rietveld-Schroder huis te Utrecht; 1924
Het werd een soort traditie om het moderne pleisterwerk een lichte kleur te geven, dit zie je ook in landen aan de Middellandse Zee. De witte kleur reflecteert de zonnestraling waardoor de gevel ( en het gebouw ) minder opwarmt. De lichte kleur pastte als symbool, als idee van een nieuwe samenleving.
Brinkman en van der Vlugt: huis Sonneveld Rotterdam
52
Moderne pleisters zijn vaak pleisters die worden opgebracht op een ondergrond van isolatiemateriaal. Er zijn kleurstoffen in de mortel verspreid waardoor er voor de kleur geen oppervlaktelaagje meer nodig is. In technische zin geldt dat bij het donker worden van de kleur de thermische beweging vergroot omdat de gevel meer straling absorbeert. Bij z.g. buitengevelisolatie -systemen komt een donkere kleur de levensduur niet ten goede. En zowiezo moeten moderne systemen gedilateerd worden. Als er toch weer naden ontstaan, zie onderstaande foto, kun je je afvragen of het visuele voordeel van een ‘abstract materiaal’ feitelijk nog bestaat.
Pigmenten ‘door en door’ in modern pleisterwerksysteem op isolatiemateriaal.
Om erosie en vervuiling tegen te gaan kan pleisterwerk van muurverf worden voorzien. Vroeger werd daarvoor kalk, met water aangelengde Ca ( OH )2 gebruikt. Muurverf op basis van kalk moet echter elke 2 jaar worden ‘overgekalkt’. Nu worden synthetische muurverven gebruikt. Deze hebben als nadeel dat ze minder open van structuur zijn waardoor de gevel niet meer kan ademen. Er ontstaan dan bladders en blazen. Een nadeel van kunststof verven is verder dat de natuurlijke dofheid van het steenachtige materiaal ( de pleister ) verloren gaat. Dit is wel een voordeel van de moderne buitengevel-systemen: de kleurstof is homogeen verdeeld in de pleister en daardoor blijft het materiaal dof. Maar het nadeel van moderne systemen is de vervuiling, het is bijna onmogelijk om van een gepleisterd modern gebouw van 5 jaar oud nog een redelijke foto te maken.
Het vernuft van de afgelopen eeuw heeft nog steeds geen techniek opgeleverd om blijvend abstract gematerialiseerde gebouwen te maken !!
53
2
Vormen in hout, metalen, kunststoffen Mischien wel dankzij de simpelheid van hun blokvorm hebben steenachtige materialen tot veel karakteristieke bouwwerken geleid. En steenachtige materialen kunnen eeuwenlang mee. Toch is er tegenwoordig geen gebouw denkbaar waar niet andere materialen als hout, metalen en kunststoffen ook een rol spelen. Dit heeft te maken met het veranderen en opvoeren van de technische prestaties van bouwdelen en het bouwen zelf ( bouwmethoden ). Anderzijds zijn er veranderingen in de architectonische vormgeving.
Via bepaalde toepassingsbeelden is het mogelijk de relaties tussen materiaal en vorm te zien. Of ook te missen. Uit de onderstaande foto herken je intussen dat het natuursteen als bekleding werd toegepast en niet als bouwblok. Dit is te concluderen uit de breedte van de doorgang.
Natuursteen als beplating toegepast. J. Stirling, Neue Staatsgalerie, Stuttgart.
Aan de Kunsthal hieronder afgebeeld, is behalve te concluderen ook te zien dat de natuursteen alleen bekleding is, nl. als je de hoek om loopt. De blokken worden in tegenstelling tot bij de Neue Statsgalerie in Stuttgart niet consequent voortgezet. Dit wijst op een meer moderne ontwerphouding.
54
Kunsthal R’dam, parkgevel; natuursteen lijkt te zweven; Arch. OMA
Hoekdetail: het blijkt een scherm.
Ondanks dit werkt de kunsthal-gevel beeldend. De geslotenheid van de blokken versterkt het zwevende beeld, het appelleert aan het stapelen met natuursteen, maar als ‘omgekeerde orde’. Het materiaalgebruik blijft essentieel, zie de volgende afbeelding. Daar is bij een vergelijkbare vorm een dun plaatmateriaal toegepast. De werking van deze zwevende / vervormde koperplaat, waar de dunheid en lichtheid vanaf stralen, is door de aanwezigheid van ramen ook, daarvan ver verwijderd.
Mecanoo; gevel van koper; bibliotheek in Almelo
In technische zin zijn de platen waarschijnlijk ‘uitgebuikt’ vanwege de invloed van hun eigen gewicht. Vervorming is een gebrek aan stijfheid. Er is echter een belangrijk verschil tussen materiaalstijfheid en stijfheid als vormeigenschap, want de materiaalstijfheid van koper, gemeten bij een trekproef, is hoog: hoge E-modulus. Stijf materiaal kan je een slappe vorm geven, maar niet te slap. De stijfheid van de vorm was te gering voor de spanningen die zouden heersen.
55
Een voorbeeld van opvallend strak en vlak gedetailleerde stroken van hout die visueel zweven. Wat is hiervan de werking ? Tussen natuursteen en koperplaat in ?
Het idee dat de vorm bepaalde gebreken in eigenschappen ‘goedmaakt’ zie je ook perfect bij de onderstaaande boom waar de 2 stammen tegen splijten worden verbonden met stalen pennen. De pennen, waar toch grote krachten op moeten kunnen werken, zijn bijna niet te zien. In feite zijn vorm en de dimensies de inverse van de relatieve mechanische eigenschappen: het relatief slappe materiaal ( hout ) heeft door de natuur een stijve vorm gekregen ( de stam ), wij hebben het stijve materiaal staal een dunne & slappe vorm gegeven.
Mechanische eigenschappen en structuur Als het materiaal reageert onder invloed van (een) mechanische kracht(en) dan kunnen we de mechanische eigenschappen van het materiaal meten. De mate waarin vervormingen optreden hangt af van de aard en de mate van de belasting, maar verschilt met het materiaal dat belast wordt. Een
56
staaldraad, die aan een trekbelasting wordt onderworpen vertoont een aanzienlijk geringere verlenging dan een draad van rubber. Toch kan de rubberdraad sterker zijn, dat wil zeggen, dat de breuksterkte groter is dan die van de staaldraad.
Stijfheid
Als wij de spanning σ als functie van de rek ε weergeven, vinden wij vanaf de oorsprong een rechte lijn, waarvan de richtingscoëfficiënt als de E-modulus wordt gedefinieerd. De wet van Hooke geeft dat er een vast verband bestaat tussen kracht en vervorming, tussen spanning en rek. Het σ−ε diagram van een materiaal met een grote E-modulus verloopt dus steiler dan van een materiaal met een kleine E-modulus .
Spanning-rek diagram van een stijf en een slap materiaal
Het spanning-rek diagram is het resultaat van een materiaalkundige beproeving, een trekproef of een drukproef. De sterkte en de stijfheid worden vaak verward, stijve materialen zijn vaak ook sterk, maar niet altijd, slappe materialen zijn niet altijd zwak ( rubber ). Een trekproef is genormeerd en het resultaat is reproduceerbaar. Eigen ervaring mag dan subjectief zijn maar komt wel bij globaal overeen. Noot: het verschil in stijfheid tussen staal en aluminium ( E-moduli verschillen een factor 3 ) is goed te ervaren als je van beide metalen een even dikke plaat gaat buigen
Uiteraard zijn de meeste bouwmaterialen reeds beproefd. De metalen zijn het stijfst, gevolgd door glas & ( gewapend ) beton, dan volgt baksteen, dan hout en tenslotte kunststof. Een voorbeeld waarin het verschil in eigenschappen tussen staal en hout is gevisualiseerd is het hekwerk hieronder. Ook al let je niet op de bijzondere materiaalkenmerken als nerven en kwasten, dan zie je toch welk onderdeel van welk materiaal is gemaakt. Alleen aan de dimensies.
57
Dimensieverschillen tussen rondhout en staal
Materiaalkunde: het verschil in stijfheid tussen materialen Metalen: de vrije elektronenwolk waarmee atomen in de atoomroosters bijeengehouden worden noemt men de metaalbinding. Dit is een z.g. primaire binding die de samenhang tot een z.g. ‘rooster’ geeft en die zeer sterk is. Dit verklaart de stijfheid van metalen. Verder is de structuur van metalen, vergeleken met kunststoffen, hout en de agromaterialen, heel goed. Er zijn weinig fouten in de microstructuur. Kunststoffen: bestaan uit zeer lange moleculen koolstofatomen. De samenhang van het materiaal is de weerstand die de moleculen hebben om langs elkaar te slippen. De binding tussen de ketens bestaat uit zwakke van der Waalskrachten, de binding binnen de keten uit sterke covalente (=primaire) C-C binding. Aangezien de ketens wanordelijke zijn ‘georganiseerd’ ( kluwens ), zijn de van der Waalskrachten bepalend en zijn sterkte en stijfheid van kunststof gering. Omdat er nauwelijks sprake is van enige ordening, zijn er dus ook weinig fouten in de structuur. Vanwege de zwakke o bindingen smelten of vergassen kunststoffen bij temperaturen over 200 C. Hout en agromaterialen: kunnen op moleculair niveau worden vergeleken met kunststoffen. Het zijn biologische polymeren die hoof dzakelijk bestaan uit cellu-lose en lignine. Cellulose ‘doet’ de trek en lignine ‘doet’ de druk. Hout is dus chemisch vergelijkbaar met kunststof en mechanisch met gewapend beton. Het begrip structuurfout valt bij hout in een andere categorie ( of beter: n i een andere schaal ); er wordt eerder over inhomogeniteiten gesproken, zoals kwasten of harsgangen. Hout kan smelten noch plastisch vervormen, alleen verbranden.
Versteend hout: De inwerking van atmosferische gassen in een droog klimaat ( woestijn ) kan hout op de lange termijn doen verstenen
Plastisch vervormingsgedrag van materialen Bij niet bros brekende materialen zal bij toename van de spanning de vervorming bij een bepaalde spanning van elastisch in plastisch overgaan. Onder een plastische deformatie verstaan wij een deformatie die blijft bestaan na wegnemen van de belasting, dit in tegenstelling tot de elastische vervorming. Die verdwijnt. Een staalplaat, die omgezet wordt in een hoek, wordt plastisch vervormd: de aangebrachte vormverandering blijft bestaan. Het kneden van klei tot een vorm is plastische vervorming. Vaak gaat het elastische deel zonder een scherpe overgang over in het plastische deel, bv. bij aluminium. Bij materialen als koolstof-arme constructiestaalsoorten vinden wij een scherpe overgang tussen het elastische en plastische vervormingsgebied: de vloeigrens.
58
Als er geen vloeigrens of een andere duidelijk overgang is tussen elastisch en plastisch gebied wordt wordt voor de karakterisering van deze overgang de 0,2-rekgrens als karakteristiek punt ( σ 0,2 ) gebruikt: het is de spanning, waarbij het materiaal een plastische rek heeft ondergaan van 0,2 % . Dit is bijv. bij aluminium het geval.
De plastische vervorming van metalen kan worden begrepen via het metaalrooster. Daarin zitten atoomvlak ken die zo perfect zijn dat ze niet ‘haken’ maar kunnen ’glijden’ t.o.v. elkaar. Dit maakt metalen plastisch vervormbaar, hetgeen vaak in de industrie vaak gebruikt. Metalen hebben niet veel structuur-fouten, waardoor ze treksterk kunnen zijn. Bij een hoge temperatuur werken de bindingen niet meer en gaan metalen verweken en smelten. Dit werkt als voor- en als nadeel. Als nadeel: metalen zijn slecht brandwerend. Als voordeel: metalen zijn te lassen. Steenachtige materialen zijn altijd bros. Noot: Bros materiaal kan toch treksterk zijn: glasvezel. Door de zeer dunne doorsnede ontstaan er veel minder micro-scheuren in glas dan bij afkoeling van een dikke massa. Glasvezel heeft zodoende een goede treksterkte en wordt verwerkt in glasvlies of als wapening in gemodi-ficeerd beton: cementsteen met kunststof en glasvezel ( zonder grind ).
59
Bouwdeel van glasvezelgewapend cement geeft een veel dunnere doorsnede.
Bij kunststoffen overheerst het plastische gedrag het elastische. ( ketens ‘slippen’ al bij kamertemperatuur ). Bij lage temperaturen zijn ze breekbaar en bros, bij hoge temperaturen week en slap. Hiermee hangt samen dat kunststoffen allen brandgevaarlijk zijn ( verboden voor draagconstructies.)
60
Treksterkte, breuksterkte en rek bij breuk Bij brosse breuk is de sterkte gelijk aan de spanning vlak voor de breuk, bij vervorming in het plastische deformatiegebied is de sterkte de maximumwaarde die de spanning bereikt. Dat de spanning hierna afneemt betekent dat de spanning niet verder hoeft te worden opgevoerd om het materiaal verder te laten vervormen. Beter gezegd: de spanning die feitelijk optreedt in het materiaal neemt af omdat de doorsnede van het material afneemt: het materiaal snoert in. De treksterkte is gedefinieerd als de maximum-kracht gedeeld door de oorspronkelijke doorsnede Ao uitgedrukt in -2 -2 -2 N.m of MN.m of N.mm . Een vaak aangegeven grootheid is de rek bij breuk, Fbr, die de relatieve plastische verlenging aangeeft na bezwijken, ook de ductiliteit genoemd. Een materiaal is ductieler, naarmate er een grotere plastische rek is. Bij een bros materiaal is de breukrek = 0 .
σ−ε
diagram van een materiaal dat zonder vloeigrens bezwijkt in het plastisch deformatiegebied ( Al-legering )
De treksterkte van staal maakt grote overspanni ngen mogelijk met een open karakter. Dit wordt mooi gevisualiseerd in het fenomeen van de hangbrug. Op onderstaande foto vormt de pyloon waaraan de kabels zijn opgehangen overigens ook een sterk beeld, die veel druksterkte uitstraalt ( volgens de principes van blokkenbouw.). De elastische vervormingen van de staalkabels zijn zo groot dat ze voelbaar zijn aan langzame bewegingen van het wegdek.
Trekkabels en drukbogen, gevisualiseerd in hangbrug in New York
61
Vormen en bouwen in hout Een boomstam is ee n lineaire vorm, wat verklaart dat de grondvorm van hout in principe lineair is. De eenvoudigste manier van het toepassen van hout is het gebruik van gestapeld rondhout zoals in blokhutten. Op die manier worden de druksterkte en de massa benut, maar de bouwwijze is simpel. Er is geen houtbewerkingsinstallatie nodig, behalve een zaag.
Toepassingsvoorbeeld van rondhout in een blokhut met hekwerk.
De toepassing van rondhout is echter heel beperkt. Meestal wordt de stam verzaagd, het is dan van belang 3 houtrichtingen te onderkennen: - de axiale richting; in de lengte van de stam (de vezelrichting en de richting van de sapstromen ) - de radiale richting; de richtingen vanuit het centrum naar de bast, dus loodrecht op de groeiringen - de tangentiale richting; de richtingen rakend aan de groeiringen. Er bestaan ook 3 zaagvlakken, welke ieder 2 houtrichtingen bezitten: A het axiale vlak oftewel het kopse vlak bezit de radiale en tangentiale richtingen; B het radiale vlak bezit de axiale richting en de radiale richting; C het tangentiale vlak bezit de axiale richting en de tangentiale richting.
62
De blokhut is dus net zoals de onderstaande houtbouw- ( stapel ) methoden een simpele toepassingswijze van hout in de radiale richting belast.
De microstructuur is in feite een aaneenschakeling van holle cellen ( vezelvormige ‘rietjes’ ) die voor 98 % in axiale richting zijn georiënteerd en waarbij alleen de celwanden stevig materiaal bevatten ( cellulose en lignine ). Het is dus logisch dat deze structuur in de axiale richting veel sterker en stabieler is dan in de richtingen loodrecht daarop.
In de radiale richting ( vanaf de kern naar buiten ) lopen de straalcellen, de overige 2% van de ‘rietjes’. In de boom verzorgden deze het horizontale saptransport dat nodig was voor de dikte-groei. De ‘stralen’ bepalen het verschil tussen de eigenschappen van de radiale richting en die in van de
63
tangentiale richting. De stralen verhogen de weerstand tegen het zwellen en krimpen zodat in de radiale richting dit gedrag maar de helft is van het hygrische gedrag in de tangentiale richting. Overigens kent de axiale richting verreweg het minste hygrisch gedrag.
T.a.v. de permeabiliteit en de wateropzuiging: -
kops hout zuigt veel water op langshout ( radiaal of tangentiaal ) zuigt veel minder water op planken van radiaal gezaagd hout zijn het meest waterdicht
De traditie van stapelbouw met hout stamt uit uit bosrijke gebieden waar bomen met rechte stammen groeiden. Een geheel andere traditie is die van vakwerkhuizen. Bij deze bouwwijze wordt het hout in axiale richting benut, op druk belast. Met stutten, liggers en diagonalen wordt een stabiel skelet gemaakt wwaraan ook de vloerbalken werden gekoppeld, zodat het geheel stabiel werd. De wanden werden gedicht met vlechtwerk waarop leem vermengd met stro ( en pleisterwerk ) werd aangebracht. De ramen werden, zoals hieronder, a l’ impoviste erin gezet en moesten klein van formaat zijn. Soms zie je ook dat de verdiepingsvloer door de gevel heensteekt. Dit kan goed met hout wat hout is buigsterk en het geeft wat extra vloeroppervlak.
Europees vakwerkhuis: hout axiaal op druk belast
De Europese vakwerkhuizen worden niet meer gebouwd maar nog wel gerestaureerd. In Japan is er echter nog een levende traditie van hele lichte houten huizen, opgebouwd als skelet met dunne wanden en een overstekend dak wat het houten skelet beschermt tegen al te veel blootstelling aan regen. Het huis van Kenzo Tange is, naar Japanse traditie, een zeer open en fragiel huis en past bij dit lichtgewicht en toch relatief sterke materiaal. Hout heeft druksterkte en buigsterkte, wat met het skelet dat bestaat uit staven, meer dan uit vlakken, te ervaren is. Het dak overlapt de verdieping, die op zijn beurt weer de begane grond overlapt. Het hout heeft geen moeite met de buigende momenten die zo ontstaan, en het is een voordeel omdat het hout tegen neerslag wordt beschermd.
64
Woonhuis K. Tange 1951, Japan.
Opvallende is de erg slanke toepassing van hout bij het huis van Kenzo Tange. Dit moet je plaatsen in de Japanse woonhuistraditie waarin alle bouwonderdelen uiterst lichtgewicht zijn. De volgende beelden van watertorens geven een betere indruk als we hout met staal vergelijken in een vergelijkbare situatie.
Links: watertoren in hout; oogt zwaar en log, waarschijnlijk tot het uiterst beproefd. Rechts: watertoren in staal; hoge sterkte: slanke, transparante constuctie.
Hout is gemakkelijk te bewerken maar moeilijk te krommen. Op onderstaande foto’s is dit te zien. Links zie je dat een plooibaar materiaal nodig was om de hoek van twee vlakken met houten shingles te dichten. ( je kunt dit ook m.b.v. opgetimmerde latten doen maar hier was een gladdere hoek gewenst ). Rechts zie je het dak van een veranda met een toepassing van mechanisch gekromd hout. Dit zie je echt heel zelden, maar het is mogelijk om hout onder bepaalde condities te belasten zodat het langzaam in een bepaalde vorm ‘kruipt’. In de scheepsbouw deed men dit wel met zware balken die tot gekromde spanten ge bogen werden door ze enerzijds te verhitten en anderzijds nat te houden. In de windmolenbouw kromde men zo de wieken. Deze oude techniek werd dus hier ook gebruikt.
65
Hout is een gemakkelijk bewerkbaar materiaal dat een gering eigen gewicht koppelt aan redelijk goede mechanische eigenschappen. Deze eigenschappen tezamen vormen het sterke punt van het materiaal. Uitgaande van de massieve lineair kunnen allerlei profielen worden geschaafd zodat de vorm wordt aangepast aan het gebruik of aan de eisen i.v.m. het maken van het geheel. Een voetgangersbrug is, omdat de belasting niet te groot is, een ideaal object om in hout te ontwerpen en te maken. Zie de foto’s. De forse drukstaven zijn van hout, hoewel van de bovenzijde met zinkplaten bekleed om verwering tegen te gaan. De trekstangen daarentegen zijn niet in hout. Hout, en dan met name de cellulosevezel is treksterk, maar op trek belast hout zie je zelden, en wel om 2 redenen: - de cellulose is wel zeer sterk ( denk aan perkament of een vel goed papier dat je kapot wilt trekken), maar hout is een sterk inhomogeen materiaal vol met bouwfouten; - het probleem is ook de detaillering: hoe kan men de trekkracht goed op het hout overbrengen zonder het hout te verzwakken of op afschuiving te gaan belasten ?
Hout heeft bepaalde handelslengtes, de boom is immers beperkt van afmeting. De maten zijn vaak heel bepalend voor het construeren in hout, kijk maar naar de koppeling van de railingonderdelen. De
66
zwakke positie die bij een koppeling ontstaat wordt ondersteund door een stut. Verder zie je dat de railing in een specifieke vorm is geschaafd zodat hij aan de bovenzijde glad, afgerond en afwaterend is ( i.v.m. aanreikbaarheid en het vermeiden van vochtintrekking ), en aan de onderkant scherp, zodat de regendruppels er snel vanaf vallen. ( en zo min mogelijk in naden gaan dringen. ) Wat er aan dikte overblijft moet voldoende zijn om het hout ( ook als er scheurtjes gaan optreden ) nog voldoende stevigheid te laten behouden.
Het bewerken van langshout is vrij eenvoudig, maar ook kops hout kan worden gefreesd, zodat je stevige, overlappende hoekverbindingen voor kozijnen kunt maken. De goede vormbaarheid van hout samen met de stevigheid hebben ertoe geleid dat massief houten kozijnen nog steeds vaak worden toegepast ( ondanks wat nadelen als onderhoud etc. ). Methoden voor lengtekoppelingen in hout zijn ondermeer vingerlasverbindingen, zoals in het boek besproken. De kopse kant van hout is moeilijker in een vorm te brengen maar wel mogelijk. Niettemin is het een stuk lastiger dan het maken van messing en groef verbindingen, zelfs ook bij relatief dunne planken. Anders zouden we beelden zoals onderstaande virtuoze gevel wel vaker zien, toch ?
67
Duurzaamheid hout Vocht is het zwakke punt van hout. Met name het kopse hout is geneigd om vocht op te zuigen. Aangezien verdamping van aanwezig vocht vele malen langer duurt dan indringing, zal het hout lang vochtig blijven, wat houtrot kan veroorzaken. Dit gebeurt met name als het vocht ingesloten raakt en niet meer weg kan. Bescherming tegen zakkend vocht of optrekkend vocht is dus belangrijk. Dat zagen we bij de traditionele bouwmethoden in hout. Als hout vocht bevat in een hoeveelheid groter dan ca. 20 % van het houtgewicht ( natte hout t.o.v. droge hout ) en de temperatuur zodanig is dat schimmels kunnen groeien ( 5 – 40 C ), dan zijn de condities van onderstaand schema automatisch bereikt. ( ervan uitgaande dat er altijd en overal sporenelementen van schimmels die rot kunnen veroorzaken aanwezig zijn in het hout zelf of in de lucht )
Condities voor de start ( en continuëring ) van houtrot
De duurzaamheid van hout heeft te maken met de hoeveelheid poriën en met de chemische samenstelling. Hout bestaat chemisch uit bouwstoffen en uit inhoudstoffen. De bouwstoffen zijn vast in het hout aanwezig, nl in de celwanden, de inhoudstoffen waren de voedselvoorraad en huisapotheek van de boom, die kunnen uitspoelen. Omdat de inhoudstoffen meestal sterk hygroscopisch zijn ( waterabsorberend ) was het vroeger de gewoonte om het hout een tijdlang te ‘wateren’ om het zo te zuiveren van deze stoffen. Dit wordt tegenwoordig alleen nog maar gedaan voor houtsoorten die in muziekinstrumenten en dure meubelen worden gebruikt. Een jaar wateren voorkomt niet alleen houtrot maar ook voor een groot deel het werken. Voor sommige houtsoorten is dat af te raden omdat de boom inhoudstoffen heeft die schimmeldodend zijn. De naaldbomen waar western red cedar uit wordt gewonnen zijn daar een voorbeeld van. De porositeit van hout is erg wisselend, maar in zijn algemeen lager dan isolatiematerialen en hoger dan baksteen. Globaal geldt dat hoe zwaarder het hout is deste dichter de structuur, wat minder kans geeft op rot. De duurzaamheid is getest en de houtsoorten zijn verdeeld in 5 duurzaamheidsklassen: I t/m V. ( V is het minst duurzaam.) Bij bepaalde houtsoorten is de weerstand tegen houtrot zodanig goed dat ongeverfde toepassing mogelijk is. Houtsoorten met een lagere duurzaamheid ( III, IV en V ) moeten worden verduurzaamd. De afbeelding toont het bouwdeel waar in de praktijk het vaakst houtrot optreedt, de onderhoek van een raam of een kozijn. Het materiaal wordt hier n.l. belast met veel water afkomstig van het glas. Dit kan in de capillairen van het kopse hout binnendringen als de verbinding dorpelstijl kiert (en de verflaag niet meer goed functioneert).
68
Het water hoopt op omdat een verffilm tamelijk dampdicht is. Het hout kan niet goed drogen. De voor houtrot gunstige omstandigheden zijn hiermee gecreëerd, m.n. voor houtsoorten met een geringe natuurlijke duurzaamheid. Een beginnende stadium van houtrot is tot staan te brengen d.m.v. het injecteren van schimmeldodende middelen. Dit geldt echter zeker niet voor het stadium te zien op de foto links: EINDE LEVENSDUUR.
Links: houtrot aan een houten kozijn begint met vochtinsluiting in de naad van stijl op dorpel Rechts: Het kozijn op de afbeelding is naturel, d.w.z. zonder verflagen. De onderhoek van het kozijn, het meest met water belast, is h et kwetbaarst voor rot. Het hout is echter resitent voor houtrot, maar je ziet wel dat het hout hier eerder verkleurt (: inhoudstoffen zijn weggespoeld )
Men kan 3 voorzorgen nemen om dit te voorkomen: -
goed onderhoud plegen ( inspecties doen en op tijdig verven van het kozijn ) houtsoorten kiezen die minder gevoelig zijn voor rot ( nadeel is dat dit vaak tropische soorten zijn waarvan de bomen beschermd moeten worden ) de gevel anders ontwerpen: overstekken maken waardoor de waterbelasting minder groot wordt. ( Kijk maar naar de geveldetails van het NS gebouw in Haarlem, er is een dakoverstek die de gevel beschermt en de kozijnen zijn door beplanking bedekt.)
Hout is ( nog altijd ) een geschikt materiaal voor gevels. Heden ten dage wordt het vooral als een schil toegepast. Het is goed hanteerbaar ( volumieke massa ) en bewerkbaar en kan, bijv. in western red cedar uitgevoerd zoals in Haarlem, zonder schilderwerk worden toegepast. Vanwege de permeabiliteit van de planken die meestal zo’n 2 cm dik zijn, dient er altijd rekening gehouden te worden met vochtdoorslag, ook al zijn de naden overlappend zoals bij gepotdekselde gevels. Een geventileerde spouw is bij hout dus altijd nodig.
69
Rudy Uytenhaak; NS gebouw te Haarlem ; Gevel in western red cedar beschermd door de overstekende dakrand;.
Het werken van hout Hout is een materiaal met een belangrijk hygrisch gedrag en een minder belangrijk thermisch gedrag. Hout krimpt en zet uit t.g.v. wisselingen in vochtgehalte. Het werkt. Bij ‘koude’ verbindingen leidt dit tot kieren die kunnen lekken, tochten en waarin water kan trekken. De remedie: overlappende ontmoetingen en overhangende dakranden , toegepast in diverse houten bouwstijlen in de hele wereld. Hout moet kunnen uitzetten en krimpen. Als men probeert met hout op deze wijze een hoek te maken ( in verstek ) kan men kieren verwachten. Schroeven houden het niet bijeen.
Zwelling kan ook een voordeel zijn. Kieren worden soms stevig dichtgedrukt. Aan de tangentiale en radiale zwelling dankt de houten roeiboot zijn waterdichtheid , het wijnvat zijn wijndichtheid.
70
Houtsoorten verschillen enorm in hygrisch gedrag. Met name als je bepaalde soorten zonder beschermingslagen in een buitenklimaat toepast kunnen er grote vervormingen ontstaan. Uiteraard met name als het hout dun is .
Gepotdekselde gevel uit gezaagde planken. Het ‘scheluwtrekken’ ontstaat door het afwisselend natworden en opdrogen.
Een moderne wijze van bouwen met hout is de z.g. houtskeletbouwmethode. Met stijlen en regels worden frames getimmerd die met triplexplaten worden verstijfd. P deze manier wordt een houten binnendoos gemaakt waarbij de gevel nog te kiezen is. ( er kunnen meerdere materialen tegen de houten doos worden geplaatst.) Als er, zoals de onderstaande afbeelding aangeeft, baksteen als schil wordt gekozen, dan moet met het verschil in het thermisch / hygrisch gedrag van de beide materialen rekening worden gehouden. Om te voorkomen dat tijdens de gebruiksfase opeens het dak op de baksteen komt te leunen of kozijnen en afdakjes, moeten beide componenten vrij kunnen bewegen.
Aandachtspunten houtskeletbouw in combinatie met baksteen
71
Knooppunten in hout Knooppunten in hout zijn in principe scharnieren, aangezien hout als materiaal moeilijk momentvast is te verbinden. Dit komt door de vervormingen die in de verbindingen optreden ( plaatselijke uitrekking van vezels: trek is moeilijk op hout over te brengen ). Dit leidt tot ontwerpen met diagonalen om de constructies vormstijf te maken of het bouwwerk te stabiliseren. Er ziin ook speciale elementen ontwikkeld als ‘trucs’ om de knooppunten te verstijven.
Hout is geen ductiel maar een taai materiaal. Denk aan de houten handboog die zeer veel kan vervormen en die met de opbouw van een grote spanning, zichzelf ook altijd weer recht wil buigen. In de op de volgende foto getoonde kolom zitten 2 elementen die voor hout gelden: - de stijlen kunnen door de klosverbindingen naar elkaar toe worden getrokken zonder dat dit te moeilijk gaat en zonder dat er scheuren in het hout optreden. - Het contact is beperkt tot het oppervlak van de elementen waardoor ze nog een zekere vrijheid behouden om een beetje te vervormen ( ze zitten niet klem ) De constructie is dus een typische kolom -ligger knoop voor hout waarbij de lineaire vorm wordt duidelijk gemaakt.
Knooppunt A is het meest geschikt voor hout; B kan eventueel maar dan zit het hout vaak te veel geklemd; C is onmogelijk in hout .
Houtdoorsneden en laminatie van hout Bekend is het scheuren van hout door de droging. Vermijd een te grote doorsnede i.v.m. dit scheuren en gebruik liever dunne lineairen die je aan elkaar koppelt; zie ook de foto van de kolom die bestaat uit 4 lineairen. Wil je dit niet: accepteer dan de scheuren of pas gelamineerd hout toe.
72
Door de techniek van het lamineren kunnen dikke doorsneden in hout worden gemaakt die bovendien homogener zijn en vrij van drogingsscheuren.
Blootgesteld aan weer en wind kan op den duur de lijmlaag her en der los gaan: ‘delaminatie’ geheten, wat je op bijstaande foto ziet aan de scheurtjes. Noot: de onderdelen van de balk zijn allemaal verschillende stukjes hout die net iets anders reageren op de condities. Hout is anisotroop en de eigenschappen verschillen per boomstam een beetje.
De onderstaande afbeelding laat zien hoe de ontwerper zich bewust was van het onderwerp duurzaamheid. Het houten spantbeen is kwetsbaar voor degradatie ( rot ) en mag de vochtige bodem niet raken. Om de krachten op te vangen is een stalen schoen ontworpen, maar aangezien staal ook niet langdurig het contact met vochtige grond zal verdragen (corrosie) moet beton uitkomst bieden. Het beton kan alle krachten opnemen en is wel voldoende duurzaam voor het contact met de grond. Met deze techniek is het ook mogelijk om gekromde vormen te maken zoals je wel ziet bij spanten van sporthallen, etc. Rechts een lantaarnpaal in gelamineerd hout. De kromming en de verjonging zijn in normaal hout haast onuitvoerbaar. Het slanke bovendeel waaraan de lamp is bevestigd is gemaakt van staal.
73
Hier een huis dat heel glad is beplaat met triplex ( in een z.g. weervaste lijmkwaliteit ). Let op de manier waarop de ramen in de gevel zijn gezet en hoe de naden van de platen daarop reageren. Nogmaals komt de bewerkbaarheid van hout hierbij in het vizier. Verder valt op dat de kozijnen onder de beplating en zijn weggewerkt, en onderaan, dat ook de voordeur in hetzelfde materiaal kon worden gemaakt ( valt niet op ).
MVDRV en B. Mastenbroek; Dubbel woonhuis in Utrecht, 1995
Een beeld van de patio van het gebouw van de faculteit Economie aan de U.v.Utrecht.
Architect: Mecanoo
74
Metalen Als een nieuw materiaal wordt geintroduceerd, bouwt de toepassing voort op oude principes. Eind 19 e eeuw werden met de opkomst van de industrialisatie nieuwe materialen en construc -tiewijzen toegepast. Staal had als bouwmateriaal nog een lage maatschappelijke status. De manier waarop staal toen werd geintroduceerd is afleesbaar aan de eerste bouwwerken. Eigen-schappen als dunheid en transparantie zijn wel al aanwezig maar oversluierd door ornamentiek. Staal is een treksterk en een buigsterk materiaal maar aan de vorm van de Eijffeltoren zie je dat helemaal niet. Die is nl. afgeleid van de stapelbouw. Zie de brede voet en de versmalling naar boven toe ( zoals piramides ) & de ( druk- ) bogen. Daardoor kan de vorm nog wel elegant en natuurlijk zijn. De vooruitgang zat in de record - bouwtijd vanwege de prefabricage.
Links: Eyffeltoren Parijs ; snelle bouwtijd, beperkte staaleigenschappen; G. Eyffel:,1888 Rechts: de eerste ( Amerikaanse ) vliesgevel in staal en glas.
Metalen kennen weinig structuurfouten i.t.t. steenachtige materialen of hout.Voor het oppervlak leidt de bijna perfecte structuur leidt tot gladheid en soms tot glans. De glans van metalen is anders dan die van bijv. glas. Hij heeft iets wazigs en dieps. Dit kan verklaard worden uit de hoedanigheid van het oppervlak van metalen. Het licht vallend op dit oppervlak valt, indien vrij van verf of corrosie, op de wolk van vrije elektronen waarmee de atoomroosters omgeven zijn. Men maakt ook verven in de kleur ‘metallic’ om dit effect te copiëren. Helaas maakt roestvorming echter meestal een einde aan de glans. Het metaal Roest Vast Staal met zijn metallic look glanst wel duurzaam omdat het oppervlak bestaat uit een nikkelchroom -oxyde laagje, wat al ‘roest’ is.
75
Gevel in gepolijst RVS van kantoor verkoopcentrum RVS in Houten.
In Londen staat als boegbeeld van het stadvernieuwingsgebied Canary Wharf aan de oevers van de Thames, de toren van arch. Cesar Pelli met een gevel in RVS. De glans reikt bij helder weer tot over een afstand van 5 kilometer tot in het hart van Londen. Het effect is kameleontisch: bij zonneschijn een hel lichte streep, bij een bedekte hemel lichtblauw, rose of geel, afhankelijk van de lichtval en het tijdstip. Dit is materiaalgebruik met een stedenbouwkundige betekenis.
One Canada Square
Toren in RVS Architect: Cesar Pelli, 1990
Het Joods Museum in Berlijn heeft een hoekige en scherpe plattegrond. De vormgeving van de gevel ( gladde huid in metaal ) versterkt die plattegrond en zet de vormgeving verder ( letterlijk ) op scherp.
76
De glans van onverweerd zink. Geveldetail Joods Museum Berlijn; Arch: Daniel Libeskind
Felsen, roeven en naden Metalen bezitten een groot thermisch gedrag en geen hygrisch gedrag. De vorm als dunne plaat is slap, zoals we zagen. Hoe dunner het materiaal wordt toegepast des te eerder het opwarmt en uitzet. o De massa die opgewarmd moet worden is nl. gering. Het zink van zo’n vlak kan wel zo’n 60 a 70 C worden als de zon er een tijd vol op schijnt. Je ziet de z.g. ‘roeven’ en ‘felsnaden’ die nodig iv.m. het opvangen van de optredende thermische uitzetting en krimp. Het zink is dun ca. 1 mm dik en overal is er achter het zink een spouw waarmee de uittredende waterdampen uit het gebouw kunnen worden afgevoerd naar de buitenlucht. Op de foto zie je felsen, roeven zijn wat forser. Grote continue vlakken zijn dus niet mogelijk zonder uitbuigingen ,etc. Naden zijn daarom een een altijd aanwezig element van ( dunne ) metalen gevels en daken. Metalen zijn in tegenstelling tot steenachtige materialen of hout, in staat tot een toepassing als gevelmateriaal én als dakmateriaal. Alleen zal de waterdichtheid bij het dak gegarandeerd moeten worden d.m.v. het lassen of solderen van het metaal. Het omvouwen alleen volstaat dan niet. Je kunt van metaal ook kleine overlappende plaatjes maken met vrije bewegingsruimte. Deze worden ieder afzonderlijk aan een ophangsysteem ophangen. In het voorbeeld is er een mozaiek ontstaan door het gebruik van verschillende afmetingen van de plaatjes.
77
Gevel van shingles in RVS; Museum Naturalis te Leiden.
Karakteristiek is ook de mogelijke momentvastheid van de knooppunten. In tegenstelling tot hout is dit bij staal te realiseren, via boutverbindingen of via lassen. Gewalst staal Staal wordt vaak als profiel toegepast. De vorm komt dan via walsen tot stand. ( staal kan niet worden geëxtrudeerd ) De dunheid van de flenzen maakt het mogelijk redelijk eenvoudig gaten te boren. Op de afbeelding is een warmgewalst staalprofiel toegepast als kolom. Bouwstaal heeft een laag koolstofgehalte. Niet alleen bij het vormen maar ook bij het monteren (en gebruiken) is de plastische vervormbaarheid van staal prettig: hierdoor kunnen de verbindingen zoals hier tussen kolom en liggers momentvast worden uitgevoerd zonder risico op scheuren.
knooppunt met bouten
gelaste knooppunten ( uit holle kokers )
Bij grote gebouwen zoals de draagconstructie van Beaubourg ( Centre Pompidou, Parijs ) is het mogelijk speciale knooppunten voor het gebouw ontwikkelen in de vorm van z.g. gietstukken ( gegoten in een mal ). Omdat het de bedoeling was een high - tech uitstraling te bereiken en de staalconstructie (en de technische installaties) onbeschermd aan de atmosfeer bloot te stellen, kon het best een staallegering met chroom en nikkel worden gekozen, het z.g. roest-vast-staal.
78
R. Rogers en N.Foster; constructie van Centre Pompidou / Beaubourg. In Parijs .
Qua materiaal-uitstraling ( glans, kleur ) is deze buizen en knopenconstructie natuurlijk onmiskenbaar staal, maar qua vorm lijkt het eigenlijk ook op kunststof ( denk aan hemel-waterafvoerbuizen en allerlei kunststof speelgoed ). Daarom is de expressie die Mies van de Rohe gaf aan zijn gebouwen: de dunheid en de slankheid en de scherpte van de randen en hoeken, eigenlijk meer die van staal.
Staal was/is het materiaal om rationaliteit en perfectie tot uitdrukking te brengen. ………… Mies van der Rohe
Metalen zijn dun toepasbaar en zeer nauwkeurig op maat te maken. Dit geeft ze een grote mate van preciesheid, het grootst van alle bouwmaterialen. Metalen kunnen ook zeer scherp worden vormgegeven, denk aan een dolk. In het onderstaand ontwerp is de vorm zeer puntig, de constructie moet dus stijf en sterk zijn. Ga maar na dat dit in blokken of met kunststof onmogelijk zou zijn. ( en in hout of beton ook bepaald niet voor de hand liggend.)
79
Staal: scherpst mogelijke vorm
Metalen hebben meerdere grondvormen. De plaat is een belangrijk bouwmateriaal geworden en door in plaat een trapeziumvorm te persen wordt hij stijver ( in één richting.) Bij onderstaand detail is de dunheid van de rand bijzonder, als je dat vergelijkt met wat in andere materialen kan.
Staal: dunst mogelijke dakrand
Krommen en knikken Hoewel staal een plastisch vervormbaar materiaal is is het vervormen, krommen en knikken, beperkt door de spanning die men kan aanbrengen. Bij dunne plaat gaat het eenvoudig, bij dunne profielen ook wel, maar een walsprofiel zoals de onderste foto laat zien, is te stijf om te knikken. Hier zijn 2 delen onder een hoek aan elkaar gelast.
80
Dubbelgekromdheid We refereren zonder foto naar metalen badkuipen, de automobiel en wat dies meer zij.
Lasbaar/soldeerbaar In de regel kunnen materialen die een plastisch gedrag hebben met hoge temperatuur gaan vloeien, waardoor ze ( metalen, thermoplastische kunststoffen ) lasbaar zijn. Lasbaarheid is behalve van construeren, een groot voordeel voor toepassingen die werkelijk waterdicht moeten zijn: de watertoren, een regenwatergoot, de afwerking van ( kleinere ) platte daken.
Knooppunten analyse: Onderstaande figuur geeft 3 principes voor 2D kolom -ligger knooppunten. Welke vorm ligt voor welk materiaal voor de hand ? Voor blokken was het niet nodig om ons dit af te vragen want met blokken kun je geen liggers maken. In Hoofdstuk 1 hebben we voor beton uitspraken gedaan en in dit hoofdstuk ook voor hout. Welk knooppunt geldt voor staal ?
81
Antwoord: B, vanwege de preciesheid die nodig is voor het passen en de lasbaarheid ( die een naad oplevert ). Zoals we al lieten zien kan vorm B ook met bouten worden gemaakt in staal. Ook 3 D.
Een ingenieuze vereniging Het oplossen van het probleem van de koppeling van materialen leidt soms tot zeer ingenieuze en mooie constructies. Dit zie je aan het volgende voorbeeld waarin de vraag hoe je van 2 geheel verschillende materialen een constructief samenwerkend geheel kunt maken, tot een oplossing is gebracht. In dit geval van het kwetsbare, brosse glas en het, sterk aan thermische krimp en uitzetting onderhevige, staal.
Glazen gevel aan de vijver; structural glazing ( in dubbel glas ); NAI, Jo Coenen
Een starre verbinding tussen 2 vreemde materialen komt niet in het hoofd van ingenieurs op. Tot nu werd een ruit altijd door slappe materialen als kit en rubber omgeven. Omdat dan de ruit nooit wordt belast gaat dit prima, maar is van constructieve samenwerking met het kozijn uiteraard geen sprake. Het door Peter Rice uit Ierland ontwikkelde structural glazing is ingenieus en elegant:
82
gebruik thermisch voorgespannen glas zodat er buigsterkte is en de randen niet meer kwetsbaar zijn, - houdt het glas op zijn plek door de hoekpunten te fixeren met een stalen grijpanker, - maak het grijpanker scharnierend t.ov. van zijn eigen fixatie zodat het glas zo vrij mogelijk kan bewegen en - zorg voor rubber tussen staal en glas zodat evt. spanningen worden verdeeld. Zorg verder dat de gehele gevel kan uitzetten en krimpen dmv kitvoegen tussen de glasplaten en aan de randen waar de gevel evt. is ingesloten. -
Met dit systeem dat ondertussen veel navolging heeft gekregen is het mogelijk om glazen wanden en gevels te maken zonder kozijnen die voldoen aan de eisen m.b.t. windbelasting. Zie ook pag. 402.
Energiebesparing met materialen Bouwfysische eisen zijn belangrijk geworden. Er zijn veel meer prestaties waaraan materialen en bouwdelen moeten voldoen, maar een belangrijke eis is zeker de energie-prestatie: aan de buitenschil van gebouwen zijn na de energiecrisis van 1972 thermische eisen gesteld. Deze eisen zijn naderhand weer telkens nog opgevoerd. Een belangrijke eis is de thermische weerstand van de gevels en het dak. Om dit te kunnen bepalen is de warmtegeleidingscoëfficiënt de belangrijkste materiaaleigenschap. En aangezien de traditionele constructies daar in hun normale diktes niet aan voldoen, moet er extra geisoleerd worden. Meestal wordt de vanwege vochtdoorslag geintroduceerde spouw daarvoor gebruikt, maar het kan ook anders. In ieder geval ontstaat er en gelaagdheid in de schil en deze gelaagdheid moet consequent worden volgehouden i.v.m. het voorkomen van koude bruggen.
De warmtegeleidingscoëfficiënt Als in een materiaal temperatuurverschillen aanwezig zijn zal er een thermische energie stromen van de plaatsen met een hogere temperatuur naar de plaatsen met een lagere temperatuur. De warmtestroom wordt nul, als de temperatuur overal in het materiaal gelijk is geworden ( de z.g. temperatuurgradiënt is dan opgeheven: ∆T/ ∆ X = 0 ). Dit warmtetransportmechanisme heet geleiding of conductie. De warmtestroom ∆φ die door een oppervlak gaat, wordt uitgedrukt in de hoeveelheid warmte ∆ Q [ J ] die per tijdseenheid ( sec.) door dat oppervlak stroomt: ∆φ = ∆Q / t -1
De grootte van de warmtestroom, dus in J.s of in W, is evenredig met: -1 - de temperatuurgradiënt ∆T / ∆ X in K.m 2 - het oppervlak A, waardoor de warmte stroomt, in m
φw = constante • A • ∆ T / ∆ X De materiaalgebonden constante noemen wij de warmtegeleidingscoëfficiënt W.m-1.K-1) van een materiaal. 2
De warmtestroomdichtheid ( d.i. de warmtestroom per m ) is derhalve:
φw / A = λ • ∆ T / ∆ X
83
λ ( in J.m-1.K-1.s-1 of
De warmtegeleidingscoëfficiënt van een materiaal bepaalt of de warmtestroom snel of langzaam door een materiaal stroomt. Hoe groter de warmtegeleidingscoëfficiënt van een materiaal hoe slechter de warmte-isolerende werking. Je hebt bij slecht warmte-isolerende materialen een grote dikte nodig om aan de eisen van R = 3 te voldoen. ( R = dikte / λ , zie het boek )
Materiaalkundige verklaring van de eigenschap thermische geleiding Thermische isolatiematerialen, zoals kunststofschuimen, glaswol, minerale wol en schuimglas met -1 -1 een λ < 0,05 W.m .K zijn alle in hoge mate poreus en ontlenen hun thermisch-isolerende eigenschappen ook grotendeels aan die poreuze structuur. Bij metalen zijn de atomen omgeven door wolken van vrije elektronen, dit verklaart de elektrische geleidbaarheid en het gemak waarmee thermische energie in het metaal wordt getransporteerd. Het verklaart ook waarom lading goed wordt getransporteerd, nadeel: corrosie. Het ontbreken van vrije elektronen verklaart de matige elektrische- en warmtegeleidbaarheid van steen. De warmtegeleiding is zo dat steenachtige bouwdelen ‘koude bruggen’ kunnen vormen, e.e.a. afhankelijk van de porositeit. Normaal beton is een slechte isolator voor warmte, cellenbeton een redelijke isolator. Door hun warrige structuur zijn kunststoffen een goede isolator van zowel elektriciteit als warmte: kunststof-beglazing isoleert warmte beter dan glas-beglazing. Hout lijkt weer op kunststof, ook wegens zijn celstructuur heeft hout, ondedr de voorwaarde van een gering vochtgehalte, een geringe warmtegeleiding. Houten elementen in de gevel vormen, in droge staat, geen koude bruggen.
>>>Vocht in de porien vergroot de warmtegeleiding sterk. Vocht aanwezig in de cellen van het thermisch isolatiemateriaal zal de prestatie van dat materiaal danig doen afnemen, want water geleidt warmte meer dan lucht. Het is dus een pré als isolatiematerialen gesloten celwanden bezitten, in ieder geval voor vloeibaar water maar liever ook voor waterdamp. Koude bruggen Van binnen naar buiten doorlopende constructies kunnen hebben een koud oppervlak. Behalve een warmtelek (energieverlies) kan er condensatie optreden met als gevolg algengroei of schimmelgroei. Zie de warmtegeleidingscoëfficiënt van beton. Remedie: het toepassen van koude-brug-isolatie of het ‘inpakken’ van het constructiedeel.
84
Vormen in kunststoffen Kunststoffen zijn niet brandbestendig dus de toepassing in draagconstructies is uitgesloten. Er zijn slechts een paar zelfdragende toepassingen van kunststof in de bouw, de rest is isolatiemateriaal, vulmateriaal, dichtingsmateriaal. Kunststoffen hebben niet echt een grondvorm. Zij zijn leverbaar als: - lineair (de draad, het profiel, de koker), - plaat, - poedervorm ( om gietstuk te maken als specifiek product ) Het grote voordeel van kunststoffen is de vrije vormgeving ( bij een grote afname ) Er zijn veel kunststoffen ook in schuimvorm te maken. Kunststoffen bezitten een bijzonder groot thermisch gedrag. Dit leidt echter nauwelijks tot ontwerpproblemen om de reden dat kunststoffen slap zijn waardoor er geen spanningen ontstaan, hooguit wat vervormingen van de kunststof zelf ( kromstaan ). Dat probleem ontstaat niet als men kunststoffen monteert op een ondergrond. Een belangrijke toepassing van kunststoffen zijn dan ook membranen. Zeker als je ze tot grote vlakken kunt lassen zijn membranen perfect geschikt om platte daken ( en ook gevels ) waterdicht te krijgen.
Beton is in feite een ( vrijwel ) waterdicht materiaal, maar voor de toepassing op een dak zouden de ( prefab ) naden kunnen lekken en zou de betonhuid vervuilen met groene aanslag van algen. Een membraan in wit PVC valt, behalve op deze foto, niet op.
Evoluon Eindhoven
Kunststof is een enorm slap materiaal. Golfplaat is een goede grondvorm voor kunststoffen omdat de vlakke plaat dan nog een extra stevigheid wordt meegegeven. Golfplaat wordt vanuit een warme toestand met een pers gemaakt. Een aantal kunststoffen kan translucent of transparant gemaakt worden. Dit is ook een typische eigenschap van kunststof: naast de ondoorzichtige ook de doorschijnend of zelfs doorzichtige kwaliteiten, zoals bij polymethylmetacrylaat ( perspex ). De gekromde vorm van de onderstaande gevel verleent het slappe materiaal kunststof letterlijk wat meer weerstandsvermogen.
85
Jun Aoki; The Snow Foundation; Gevel in translucent Polycarbonaat; Japan 1999
Het probleem van het thermisch bewegen zul je in de hoeken tegenkomen. Als je echter strakke hoeken wilt maken, zoals hier, zal de benodigde bewegingsruimte elders moeten worden opvangen.
K. van Velzen; detail polycarbonaatgevel Van Pathé-theater, Rotterdam, 1990.
Lichte architectuur Lichtheid ( weinig massa ) kan een kwaliteit zijn. De keuze tussen glas –beglazing en kunststof – beglazing betekent, naast verschillen in eigenschappen, een groot verschil in massa. Zeker als er dubbele beglazing gewenst is. De overkapping van een winkelcentrum wordt in constructie en visueel vrij zwaar als voor glas wordt gekozen. Je ziet het aan de dikte van de staalprofielen.
86
De koepel op de onderstaande afbeelding is gemaakt met lichtdoorlaatbare polyester kunststof. Kunststoffen zijn lichtgewicht materialen, een in vergelijking met andere bouw-materialen geringe massa is een typische eigenschap van kunststoffen. Door deze keuze voor kunststof in plaats van het zware glas kon de draagconstructie ( in staal ) heel slank worden gemaakt. Door en langs de dragers valt er (extra) licht naar binnen, waardoor het ontwerp nu ook visueel een lichte indruk geeft.
Koepel met kunststof ‘beglazing’. Links: interieur; Rechts: exterieur Noot: Ook de ‘tafel‘ waarop de koepel staat is zeer slank en ‘licht’ gebouwd Een nadeel van kunststof bouwdelen is de onmogelijkheid tot het bijwerken van schade. Reparatie betekent meestal vervanging. Op de afbeelding is te zien dat een paneel uit het pyramidevormige dak na beschadiging werd vervangen. Het was gescheurd. Het nieuwe paneel steekt nogal af bij de door atmosferische invloeden verouderde kunststof.
87
Kunststof is een onrepareerbaar materiaal
De tand des tijds Het is natuurlijk dat de atmosfeer invloed heeft op materialen. Glanzende materialen worden dof, materialen slaan wit of groen uit, vlakke platen krijgen bobbels, randen gaan roesten of verpulveren. En dat alles gaat ( meestal ) heel langzaam. Moderne architectuur kreeg al gauw slechte naam door lekkende daken, door vervuilde oppervlakken en door koude bruggen. Maar is het zo dat moderne materialen ook eerder lelijk worden of vergaan dan traditionele ? Behalve het houtrotproces dat door schimmels wordt tewerkgesteld zoals eerder vermeld, gebeurt met hout op den duur dit.
Oppervlakteverruwing van hout, zichtbaar gemaakt door hout bloot te stellen aan een versnelde verweringsproef in een laboratoriumexperiment.
Staal en aluminium zijn gevoelig voor het zeeklimaat. De atmosferische aanwezigheid van zouten kan ze erg snel doen roesten. Hout is daarentegen chemisch zeer resistent. Tegen alle stoffen in de atmosfeer en tegen alle chemicaliën. Er is wel sprake van oppervlakte-verruwing zoals we zagen: het oppervlak wordt vezelig. Verder maakt UV-licht het hout wat donkerder in de loop der tijd. Hout is een ook een voedingsbodem voor algen, het wordt bruin of groen in vochtige omstandigheden waar de zon niet vaak komt.
Maar dat zijn allemaal oppervlakkige verschijnselen die je visueel moet accepteren als je voor hout kiest in een onbehandelde staat.
88
Voor het onderstaand gebouw in de duinen bij Noordwijk koos architect Aldo van Eijck voor iroko. Dat is een technisch duurzame houtsoort, restistent tegen vocht en tegen chloride. Hij heeft de materiaalkeuze consequent toegepast en er zelfs klimaatgevels van gemaakt.
Gebouw van ruimtevaartcentrum Estec te Noordwijk; Arch.: Aldo van Eijck, Nederland, met Iroko gevels.
Ijzer, dat als erts onzuiver was, wordt zuiver gemaakt door technische ingrepen ( hoogovens ) en tendeert naderhand weer naar zijn oude staat: gaat een verbinding aan met gassen uit de lucht en corrodeert. Mag dat of mag dat niet ? Als het mag mag je het dan zien ook zien of mag je het niet zien ? Corrosie komt voor als staal onbeschermd is of zodanig belast met vocht dat de bescherming niet meer voldoende werkzaam is. Dit was bijv. bij het volgende voorbeeld waar het staal met een kunststof coating was beschermd, het geval. Ook dan moet je staal kennelijk iets boven het maaiveld optillen !
Het passiveren van staal door middel van kunststof coatings werkt goed zolang er geen vocht door of onder de coating kan dringen. Roest is dermate poreus dat één roestplek automatisch voor meer roestplekken zorgt: het proces is niet meer te stoppen. De remedie is het staaloppervlak helemaal te reinigen en te prepareren zodat opnieuw een primer en lak kan worden aan gebracht. Overigens moet de detaillering zodanig worden ontworpen dat het water niet lang kan blijven staan. Een coating bezit nl. microscopische foutjes waar op den duur water doorheen kan dringen. Een andere remedie is een metaalsoort te kiezen die zichzelf beschermt door een patina. Patinerende metalen zijn bijvoorbeeld aluminium, koper of roestvaststaal. Het oppervlak reageert met
89
zuurstof of andere gassen uit de atmosfeer, en er wordt een huidje, patina genaamd, gevormd dat het metaal tegen verdere indringing van gassen en water beschermt. Kunststoffen verweren hoofdzakelijk door fysische invloeden, door de invloed van zonlicht (UV straling) worden ze gelig en neemt hun plasticiteit af, de z.g. verbrossing. Dit leidt soms tot craquelé . Ook hun glans wordt minder doordat ze verpoederen en het poeder afspoelt. Zoals al eerder gezegd hebben ze ook een kans op een snelle beschadiging door hun lage hardheid ( = krasgevoeligheid ).
Craqueleren van kunststof
Hieronder een afbeelding van de ‘boeg’ van het NeMo gebouw van Renzo Piano in Amsterdam. Koper is normaal rood en wordt in de atmosfeer groen na een periode van 10 –20 jaar, afhankelijk van het klimaat. Hier werd ( uit ongeduld ) vooraf gepatineerd koper gebruikt. Het is zeker een krachtig beeld, ook omdat de ramen zodanig zijn gemaakt dat ze geen verstoringen vormen. De kanttekening die er echter bij te maken is, is deze: over de gevel spoelt uiteraard veel regenwater en dit water blijkt veel giftige koperverbindingen te bevatten. Dit is gebleken uit onderzoek naar de kwaliteit van het oppervlaktewater in de grachten rondom dit gebouw.
Gevel in groene koperplaat; NeMo gebouw, Renzo Piano, Amsterdam
Het metaal aluminium maakt ook een natuurlijk patina waarvan de kwaliteit in technische zin prima is, maar er ontstaan soms vlekken. Dit kun je zien aan ongeanodiseerde aluminium zoals wel toegepast in goedkope dakranden van schuurtjes. Vandaar dat aluminium in de regel, net zoals het koper van het NeMo, vooraf wordt ‘geprepatineerd’ en dat heet dan geanodiseerd. Vaak wordt alumnium echter ook gecoat. Dan zijn er meer kleuren beschikbaar om mee te ontwerpen, maar je verliest dan wel de typisch metallic glans.
90
Gevel uit geanodiseerd aluminium met metallic glans
Eerder zijn al beelden van Roest Vast Staal getoond. Hieronder een schade met dat materiaal. Het is een sandwichproduct met RVS als toplaag. De lijm waarmee materialen onderling zijn verbonden laat los. Waars chijnlijk is het een productiefout, maar het zou ook kunnen komen doordat de platen zo heet worden dat de lijm ( wat een kunststof is ) gaat verkorrelen.
Schade aan RVS sandwich panelen door delaminatie.
Gevoelswaarde van materialen Materiaalkunde is een wetenschappelijke discipline waar een objectieve en funktionele manier van spreken over materialen bestaat: in termen van eigenschappen; niet in termen van mooi / lelijk, passend / niet passend. De in deze reader besproken 4 categoriën materialen ( steen, hout, metalen en kunststoffen) hebben allen hun eigenschappen en die zijn materiaalkundig belicht. Het wetenschappelijk standpunt is in de praktijk van het ontwerpen en bouwen echter niet reëel. Het mag misschien het standpunt zijn van de architect-ingenieur die ervan uitgaat dat van ieder materiaal iets moois en goeds te maken is, maar maatschappelijk en persoonlijk gezien zijn materialen niet waarden-vrij.
91
Traditioneel had ( heeft ? ) natuursteen meer status dan baksteen en pleisterwerk, en ook hout had ( heeft ? ) geen al te hoge status, zowiezo vanwege het brandgevaar, maar ook vanwege de neiging tot scheuren, rotten, algengroei. Metalen en kunststoffen zijn redelijk nieuw als bouwmateriaal en hebben altijd los gestaan van de oude status-ladder. Hun ‘appeal’ was, is ?, technisch m.b.t. metalen en ‘speelgoed-achtig’ m.b.t. kunststoffen. Beide categorieën materialen passen beter in de filosofie gedicteerd door de consumptie & wegwerpmaatschappij dan op die van bouwen voor de eeuwigheid. Lees in dit verband het citaat van Peter Zumthor opgenomen in Hoofdstuk 4. In hoeverre moet je met maatschappelijke en persoonlijke gevoelswaarden omgaan ? De combinatie van fysica ( incl. chemie ) en de beelden van toepassingen & het logische verband daartussen, je kunnen helpen een bepaalde gevoelsmatige band met materialen op te bouwen. En waarschijnlijk is dat ook nodig, want materiaalkeuze is ook een soort uitspraak, net zoals de kleren waarmee je je kleedt. In de volgende hoofdstukken worden meerdere visies op de materialisatie aangereikt. Tot slot 3 dia’s waarmee je verbeelding op de proef wordt gesteld. Het is opvallend dat de gevoelswaarde vooral ook met de duurzaamheid van materialen samenhangt. Hout is een goed bewerkbaar, redelijk stevig en ook kwetsbaar materiaal. De invoeling daarmee is gemakkelijker dan met het RVS. Met hout krijg je ( als ontwerper, en als ‘publiek’ ) waarschijnlijk eerder een band. In de volgende toepassing is RVS expressief gebruikt, het is dan ook een kantoorgebouw voor een staalcentrum. Het is een sterk geometrisch ontwerp waarin begrippen als luchtigheid, rankheid en scherpte zijn verwerkt. In die zin is het een karaktervol ontwerp, wat waarschijnlijk kan worden verklaard door het gegegeven dat van te voren vaststond in welk materiaal het moest worden uitgevoerd: staal.
Metaalunie gebouw te Nieuwegein.
De uitvoering in RVS is altijd glossy, zeker als het RVS gepolijst werd. ( hierboven ). Daarmee wordt ook een soort cleanheid of koelheid bewerkstelligd die je er van weerhoudt je gemakkelijk in het materiaal te verplaatsen. Een staalsoort als corten staal is een voorbeeld van een gemakkelijk ‘in te voelen’ metaal, daarom wordt het veel door kunstenaars gebruikt. Het is staal maar het lijkt daar na enige tijd eigenlijk niet meer op. Dit komt door de roestvorming die al snel het hele oppervlak beslaat en die ook alsmaar doorgaat ( het is dus een permeabel patina ). De uitstraling van corten staal is die van ( dof ) pleisterwerk. Het staal verliest daardoor zijn technische look, zoals te zien aan het kunstwerk dat bij de stads -entrée op het TU terrein staat. Projecteer in gedachten het materiaal van het beeld links op de geometrie van het gebouw rechts. Past het ?
92
93
3
Karakter en expressie (relatieve eigenschappen) Vormen in materialen vertalen - zodat het past bij het ontwerp doe je door eigenschappen van belang ook afleesbaar te laten zijn. Of: gebruik zo vaak als mogelijk de grondvormen van het materiaal. We begrijpen de betekenis van een eigenschap pas als we die meten aan de eigenschap van andere ‘personen’. Eigenschappen zitten nl. ‘gebakken’ aan een persoon, of in ons geval aan materialen. Pas als we weten hoe de materialen zich verhouden tot andere materialen dringt het besef door dat ze bijzonder zijn, en kunnen we er verder betekenis aan geven door er een bepaald licht op te werpen ( hoofdstuk 4 ). Onderstaande foto is betekenisvol en daarmee expressief. Er zit spanning in het beeld. Waar ligt dat aan ?
De muur is opengescheurd en brokkelig. Een zwaar aangetaste ruine van het weerbarstige. doch beperkte materiaal dat we nu zo goed kennen en dat ondersteund wordt door een frame van staal. Niet tot aan de grond, maar tot aan een punt waarop het metselwerk kennelijk weer sterk genoeg is
94
om de reparatie-constructie te dragen. Daarbij ligt op de achtergrond het begrip veiligheid, want een weg loopt onder de ‘poort’, dus het moet het wel houden. We zien dus enkel een paar materialen in een bepaalde vorm, en we kunnen er zoveel uit concluderen. Het mechanisme is dat we ons identificeren met de visuele karakters zodat we er eigenschappen in zien. Dan kunnen we ons ook gelijk invoelen en gaat het beeld leven en inspireren. Het begrip contrast lijkt de kern van de zaak. Belangrijk is om te merken dat er haast geen vrijblijvendheid in dit beeld zit. Je kunt zonder dat het onzinnig wordt de materialen noch verwisselen, noch vervangen door een ander materiaal, bijvoorbeeld de blokken door hout of kunststof of het staal door beton. Het laatste zou technisch kunnen maar zou zeker minder expressief zijn: de scherpe vormen en de dunheid van de lineairen gaan dan verloren waardoor de steunkonstructie in vorm en oppervlaktegeaardheid teveel op de omgeving van blokken gaat lijken. Er is dus totaal geen speelruimte in materialen. Dus niet het staal dat vervangbaar is door iets anders en de brokkelige muur die vervangbaar door iets anders: ze zijn aan in hun aard en vorm in dit beeld voor elkaar ‘bestemd’. Afgezien van de weg die eronder moet gaan om het beeld sterk te maken is het de vraag of je zo’n sterk beeld om kunt draaien, op zijn kop zetten of op zijn kant. Zinnig wordt het natuurlijk niet: in het krachtenspel dat de vorm bepaalt moet boven nu eenmaal boven blijven, en onder onder. Maar de beelden blijven wel aansprekend, het zijn nl. vertalingen van karakters.
Als dat zo is dan zie je dat het ook werkt in andere settings. Zo hieronder. Weliswaar veel minder beladen, geen ruïne, geen weg, geen veiligheids-syndroom, maar wel een werkend contrast in vormgeving en materialiteit. Een vaak gebruikt contrast, zij het dus minder constructief, in te verbouwen momumentale ruimten. Hier een kunstmuseum met gewelven en daaronder een lineair vormgegeven stalen trap met leuning.
95
Of iets werkt zie je dus door iets uit zijn context te denken, proberen van toepassing te verklaren op andere omgevingen, door materialen in gedachten uit te wisselen, vormen op zijn kop te zetten, kortom door onderzoek te doen.
96
BLOKKEN Dat de piramide een sterke vorm is in blokken is in het voorafgaande uitvoerig uitgelegd. -
doosvorming kan ontstaan; er zijn geen horizontale constructies nodig daardoor ontstaat er nergens trekspanning en kan de breedte naar gelang de hoogte afnemen ( gradiënt) Er zijn hoeken zodat er
Het gaat dus om het voelbaar maken van de ordende werking van de zwaartekracht op schijnbaar losse elementen. Toch heeft men de ondefinieerbare neiging om moderne piramides van ieder materiaal te willen maken. Dit is iets wat de moderne architectuur toch enigszins kenmerkt: blindstaren op de vorm en de nog eens de vorm. En natuurlijk kun je de vorm vrij bejegenen, omdraaien ( op kop, op zijn kant zetten ), gigantisch aantasten, van glas maken, stalen vakwerken toepassen, Las Vegas ervan maken, maar dan werkt het niet meer. Dan is het beeldend leeg geworden, alleen een verwijzing resteert, een verwijzing die in feite misschien wel iedereen die een beetje bouwkundig is kan maken. De ontwerper van onderstaand Oorlogsmonument in Tel Aviv heeft het echter begrepen. De ingreep die hij/zij doet, een spleet maken & de twee delen hol maken, is modern en passend in het gegeven van de piramide vorm. Van de verdere details is mij niets bekend, maar de ‘ordende werking van de zwaartekracht op schijnbaar losse elementen’ werkt.
Ook in details kan de werking van de zwaartekracht tot expressie komen. Door de randjes is het steunen van de stenen op elkaar net even duidelijker dan zonder.
Een categorie waar materiaalgebruik in de bouwkunde soms in onder te brengen is, is imponeergedrag, denk aan de ‘high-tech’ gebouwen op bedrijventerreinen etc.. De werking daarvan gaat niet veel verder dan zelfmanifestatie: ‘ik ben modern’ of ‘ik heb geld’. Hoewel dat met
97
blokkenbouw nogal meevalt, kun je toch zeggen dat het gebouw met de royale overstekken zoals hieronder afgebeeld, niet geloofwaardig is omdat de overstek gewoon te groot is en de daarbij de ondersteunende gevelvalkken veel te dun en te opengewerkt. In die zin wekt de visuele aanwezigheid van alle laagjes nu als contraproductief : vormen kunnen dus ook een expressieve bedoeling bezitten zonder echt te werken.
Ongeloofwaardige baksteentoepassing: te grote overstekken, te weinig ondermassa & overdaad aan baksteendetail: gebouw met te royale overstekken
Soms wordt een vorm gemaakt die de opkomst van een nieuwe techniek moet visualiseren, en die verder ook niets te melden heeft. Dat wordt, naar ik hoop duidelijk bij het zien van de volgende dia: een afbeelding van en gebouw met gelijmde baksteen ( een techniek die ook in het boek wordt besproken ).
Het is van belang om direct ook het volgende beeld in ogenschouw te nemen, een villa van Mario Botta.
98
Architect M. Botta bouwt veel dingen in baksteen. Zijn ronde villa’s zijn voorbeelden van een dubbele benadering van het materiaal: enerzijds wordt de ( traditionele ) blokken-vormentaal gerespecteerd en gehanteerd ( geslotenheid en kracht van het volume, duidelijke stapelingen en vertikaliteit ), maar daar tegenover tart hij het materiaal soms ook. Dat laatste is op de voorgaande afbeelding te zien aan de horizontale lijn van het dak, waarvoor blokken gesuggereerd zijn. Dit is een constructie die niet kan en die dus tegen het karakter van blokken in gaat. Omdat er echter over het geheel beschouwd naast tarting ook veel versterking aanwezig is, is het effect niet virtuoos ( technisch ) maar beeldend. Je kunt spreken van een dramatiserend effect. Ook een ander rond woonhuis van Botta heeft zo’n effect waarbij het materiaalgebruik enerzijds klopt en anderzijds niet. Dit voorbeeld geeft aan dat het Botta gaat om de beeldende werking van het materiaal op de vorm en niet om het spectaculaire effect van het tonen van een bepaalde technische vaardigheid of om zijn moderniteit te tonen. Het is een van zijn ronde villa’s met baksteen, baksteen dat alweer sterk aanwezig is. Dit wordt gedaan door de dikte, de gekromdheid en de kleine details zoals de daklijst. Maar de manier waarop het materiaal ( op trek belast ) in de lucht hangt kan helemaal niet. Dit is wat er niet klopt in een overigens kloppende context. Links het beeld wat wel helemaal klopt.
99
Je kunt bouwdelen een karakter geven door ze in het materiaal te ontwerpen zodat de grondvorm van het materiaal duidelijk naar voren komt. Hieronder een kolom in baksteen waaraan de blokvorm aan de hoofdvorm is af te lezen d.m.v. van de vertanding op de hoek.
Blokken zijn het
minst sterk
van alle drukvaste materialen. De dimensies van een kolom zijn
daarom fors. De getandheid geeft de vorm een extra expressie van zwaarte. Vergelijk met de opblaasvormen van glad en rimpelloos kunststof. Voor de manier waarop steenachtige materialen in de architectuur worden toegepast ( stapelconstructies ) is de zwaarte letterlijk een essentiële eigenschap. Opdat de resulterende spanning altijd en overal drukspanning is, moet die massa dan wel groot genoeg zijn. Zo niet, dan gebeurt er wat met de opblaasvormen gebeurt als het waait. Er ontstaat trek, buiging en onveiligheid. Een expressie van steenachtige karakter nl. van de altijd aanwezige wateropname van blokken, via hun eigenschap in meerdere of mindere mate poreus, permeabel, capillair te zijn, wordt mooi getoond aan de hand van het ( al eerder getoonde ) Robie Huis van F. L. Wright uit 1909. Dit huis heeft betonnen muurafdekken die dienst doen als bescherming van het onderliggende baksteen metselwerk tegen zakkend water. Dit is belangrijk voor het beschermen van de stenen en de voeg tegen een te hoge vochtigheid wat vorstschade, algengroei, mosgroei kan opleveren. Uit het feit dat ze hier zo fors zijn gedimensioneerd blijkt dat de rand mede een architectonische betekenis heeft.
Hieronder een opname van baksteenmetselwerk. De natuurlijke degradaties van metselwerk: uitgesleten voegen, geërodeerde oppervlakken, kerven, ed. Ze treden pas na lange tijd op, de
100
degradaties zijn meestal geen probleem en worden bovendien dikwijls gewaardeerd. Baksteen ( blokken ) heeft een heel
duurzaam karakter.
In dat licht beschouwd gaat een beeld waarbij een uitgesproken duurzaam materiaal als baksteen door middel van een overstekend dakje lijkt te worden beschermd, is onnodig en kunstmatig.
tegen het karakter in: het
tegen het karakter in
101
HOUT Naarmate een materiaal meer beperkingen heeft is zijn bouwkundig karakter markanter. Dat is logisch omdat de vormgeving met het gebrek aan eigenschappen rekening houdt. Hout is in eigenschappen veelzijdiger dan baksteen (
bewerkbaar + taai ) en toch redelijk sterk + stijf, ( vrijwel altijd lineair ).
trek + druk + buiging + maar in grondvormen net zo beperkt
Dit heeft geleid tot bouwmethoden waarbij de ordening van elementen minder kritisch was en waar meer experimenten werden gedaan. Voordeel van hout voor het bouwen is de
geringe
volumieke massa.
Daardoor kunnen lichtere constructies worden gemakt die ook licht ogen ( als de belasting ten minste niet erg groot is ). Door een gunstige warmtegeleidingscoëfficiënt veroorzaken constructies van buiten naar allemaal vrij goed te zien aan het huis van K. Tange
binnen geen koude bruggen.
Dit is
moeilijk momentvaste verbindingen maken, ook is het moeilijk om gebogen vormen te maken. Onderstaand gebouw heeft tot doel de entrée -boog als beeldend middel in hout te zetten ! Hout wordt echter zelden of nooit als stapelmateriaal toegepast, daarbij zou hout buigsterk kunnen zijn ( en is een boog niet nodig ) en ten slotte is Met hout kan men
een kromming ook heel lastig van massief hout te maken. Daarom is dik aangezette boog van dit gebouw volstrekt ongeloofwaardig.
tegen het karakter in Een belangrijke eigenschap voor hout is kruip, denk aan doorhangende boekenplanken. Hoewel die heel belangrijk is voor hout werd die hier verder niet behandeld.
102
Hout is dimensie-instabiel, het werkt, waardoor er spanningen of kieren ontstaan, zodat er altijd een overlap moet zijn, of een detail waardoor op het werken wordt geanticipeerd , zowel technisch als visueel.
gevoelig voor blootstelling aan vocht, bescherming met overstekende delen, geen hout direct in of aan de bodem toepassen, kortom ontwerpen op duurzaamheid is Hout is
een belangrijk aspect. In het onderstaande ontwerp is in hout gedacht en naar het karakter ervan ontworpen. Ga maar na: - geveldeel van hout zweeft, verwijst naar de lichtheid van het materiaal; - de lineaire vorm is duidelijk te zien en ook is de rand rechts niet precies recht waardoor de grond vorm wordt benadrukt; - het hout is op een beschermde plek in de gevel geplaatst; - het hout raakt nergens de grond.
Kromming van hout gaat nog het best vi a plaatmaterialen.
103
laminering.
Houtproducten zijn
triplex en andere
METALEN ( STAAL ) Het karakter van staal is heel divers. Staal heeft zeer goede mechanische eigenschappen, het is
zeer stijf, zeer sterk
en kan zowel
trek als druk ( en dus buiging ) opnemen.
slanke, transparante constucties mogelijk zijn. Daarbij is het ductiel en dus plastisch vervormbaar waardoor gekromde vormen mogelijk zijn ( bij dunne platen of profielen ) ook dubbel gekromd De hoge sterkte betekent dat
vele grondvormen, wat ook maakt dat je moeilijk over het karakter van staal kunt spreken: plaat (vlak of trapezium), lineair (profiel of koker ). Staal kent
De holle kubus van plaatijzer ( een sculptuur van Carel Visser ) toont een aantal karakteristieken van staal: de plaatvorm, de dunheid, de vouwbaarheid, maar ook de stijfheid en sterkte.
constructies van buiten naar binnen koude bruggen. Het ontwerpen in staal maakt het mogelijk om scherpe details te ontwerpen, staal heeft een hoge mate van nauwkeurigheid. Door een ongunstige warmtegeleidingscoëfficiënt veroorzaken
prefabricage worden gemaakt zodat een soort van industriële bouwdoos met 3D vormen mogelijk is. Momentvastheid is eenvoudig te realiseren Daarbij kan staal goed in
met momentvaste hoeken.
104
Het rechter beeld is als vorm minder typisch staal omdat het in elk glad gietmateriaal na te maken zou zijn ( niet met dezelfde eigenschappen uiteraard )
lasbaar of soldeerbaar, ze zijn waterdichtheid en dampdicht ( gasdicht: geen poriën ) Bij daken en gevels opletten voor inwendige condensatie. Metalen zijn
Staal laat het toe om precieze aansluitingen te maken. Een nonchalante aansluiting van kolom en ligger zoals op onderstaande foto is eerder een kunstwerk.
tegen het karakter van staal in
redelijk veel thermisch gedrag , vanwege hun stijfheid kan dat tot grote spanningen leiden: dus altijd bewegingsruimte ontwerpen bij toepassing in gevel of dak. Metalen kennen
corrosie-gevoelig, vooral normaal staal. Tenzij metalen een gaaf patina vormen ( RVS, Cu, Zn ) moeten ze worden beschermd door coatings . Metalen zijn
BETON (gewapend) 105
Beton is een qua eigenschappen het meest veelzijdige steenachtig materiaal. Het is heel
maakbaar
zowel in samenstelling & in vorm. Het kent geen grondvormen, het is een bulkmateriaal. Een vrije vormgeving zoals lineaire vormen, vlakken, dozen, paddestoelof kuipvormen, is mogelijk.
tamelijk stijf en sterk. De spanningen die kunnen worden opgenomen zijn druk + buiging. Betonconstructies ogen qua dimensies zwaarder dan staal, lichter dan blokken. In vergelijking met hout is beton iets lichter omdat beton In mechnisch opzicht is gewapend beton
sterker is dan hout. Beton heeft een dekking, er is geen coating nodig zodat de expressie naturel kan zijn. In situ beton kan monolitisch zijn met vloeiende verbindingen. De verbindingen kunnen ook momentvast zijn zodat stijve skeletten kunnen worden gemaakt, in 2D en 3D.
Prefab
beton heeft een ander uiterlijk. Dan zijn er
In prefab beton is
afzonderlijke elementen en naden.
de kleur ook maakbaar
106
Door een ongunstige warmtegeleidingscoëfficiënt veroorzaken
constructies van buiten
naar binnen koude bruggen. Het is mogelijk om beton textuur ( reliefwerking ) te geven door de keuze van een karakteristiek materiaal in de kist waarvan de afdruk op het betonoppervlak achterblijft ( specifiek plaatmateriaal of planken, zie Auditorium T.U.E ) Veel van de bovenstaande karaktertrekken van beton zijn in onderstaande afbeelding te vinden. Het
lange horizontale gevelopeningen in een verder gesloten volume, wijst op een gebouw in beton. Verder is het materiaal mooi uitgebuit d.m.v. de reliefs en het lijnenspel gegeven van de
van de kisten, waardoor de compositie sculpturaal werkt en het gebouw ( op moderne wijze ) expressief te noemen is. Er zullen wel zekrr een aantal koude bruggen aanwezig zijn.
World-War I Memorial ( Fr. ) Arch.: H. Ciriani.
Beton kan degraderen. De meest voorkomende schade heet
betonrot.
Naturel beton is alleen op
een vrij lelijke wijze repareerbaar. Een remedie zou zijn de gehele betonconstructie van een coating te voorzien. Meestal wordt hier echter niet voor gekozen vanwege de kosten (coaten betekent ook onderhoud), de milieubelasting van verf en de ingrijpende verandering t.a.v. het naturel karakter.
107
De tand des tijds ( III ) Ontdek de degradaties op deze foto. Het betreft een huis uit de jaren 1991-1998
Het thema is hier de aantasting van steen versus die van synthetische materialen. Degradatieverschijnselen van natuursteen- en baksteenmetselwerk worden vaak mooi gevonden, terwijl dergelijke verschijnselen van andere materialen niet worden geaccepteerd. ( het valer worden van kunststoffen door UV-licht, etc. ). Het lijkt of bij die materialen van kunstmatige oorsprong de veroudering meer funest is dan bij bodemmaterialen. Onderstaande foto geeft degradaties van beide groepen, de degradaties van de synthetische materialen, afbladdering, vochtplekken, verstoren eerder het beeld. Mee eens ?
108
Quizje: welke materialen zijn hier het meest waarschijnlijk toegepast ? Een fietsenrek:
Een wegwijzer aan de kust
Een watertoren:
109
4
ontwerpen op de rol Als het alleen met kunst- en vliegwerk lukt om materiaal en vorm in overeenstemming te krijgen dan kan er sprake zijn van een dramatisch effect, maar waarschijnlijker is een totaal fiasco.
Materialen en architectuur Het aanraken, de z.g. tactiele eigenschap, vormt soms een zeer belangrijk aspect. Het hard of zacht aanvoelen van materialen, het scherp of stomp zijn van materiaalranden, het warm of koel aanvoelen van materialen. Voor het binnengaan van zomaar 2 panden raak je met je hand de gevel aan en je ervaring is totaal anders.
.
Geschiktheid voor een funktie Het functionele toepassen van materialen begint met het denken over het funktioneren van het gebouw in termen van bouwdelen en de rol( len ) die deze bouwdelen moeten vervullen. Onderstaande foto toont een ( best mooi ) huis, maar de funkties zijn een soort optelsom.
Praktische bouwen: per funktie een ander materiaal resp. bouwdeel.
110
Voorbeeld: een goot. Een zuiver funktionele, maar wel correcte denkwijze geven we hier. Uitgangspunt = eis. ( = waterdichte waterafvoer ) Deze functie-eis stelt in feite 4 tot 5 materiaaleisen: 1. niet permeabel materiaal gebruiken 2. naden moeten ook waterdicht zijn dus moet het materiaal het liefst naadloos verenigbaar zijn (met zichzelf) of lasbaar/soldeerbaar zijn. 3. De vormgeving moet zo zijn dat het water verzameld wordt in een bedding 4. Als de goot vrij in de lucht moet hangen komen daar de eisen van stijfheid en sterkte bij. Als de goot ingebouwd mag zijn ( z.g. verholen goot ) hoeven deze eisen niet gesteld worden. 5. De constructie moet ( zoals altijd ) bestand zijn tegen uitzetting / krimp en tegen aantastingen door bevriezing, vuil dat van het dak komt, etc. De standaard oplossingen voor dit vraagstuk zijn bekend of opzoekbaar. De opgave is om hiervoor te kiezen of om met behulp van de tot nu opgedane kennis een goed alternatief te verzinnen waarin de rol van waterafvoer tot nieuwe vorm komt.
Bij deze houden we een pleidooi tot logisch denken: De meeste materialen zijn geschikt voor meerdere functies die in gebouwen gevraagd worden. Het is vaak een kwestie van goed nadenken, vormgeven en bepaalde verenigingen van materialen maken of juist vermijden. Het studieboek, ieder bouwproducten-boek, gaat uit van de denkwijze van producenten die de markt van bouwproducten zoals die zich in Nederland heeft gevormd bepalen. Er zijn echter zoveel andere manieren om het doel van soepkoken te bereiken zonder een pakje Knorr bij de hand. Er zijn zoveel recepten die niet standaard zijn, toch goed en bovendien beeldend. Dit is van belang om te voorkomen dat je gebouw een grote optelsom wordt van wat allemaal nodig is. Als ingenieur ga je straks bij voorkeur af op je eigen denkwijze, feeling en/of oordeelsvorming, niet alleen op wat fabrikanten zeggen. In de praktijk houdt materiaalkeuze in dat een materiaal moet worden gevonden, waarmee de bewerkingen nodig om vanuit de gr ondvorm tot de beoogde vorm te komen, ook kunnen worden gedaan. Vanwege de kosten zullen bouwuitvoerders altijd letten op de eenvoudigste manier om dit te doen. De ontwerper / adviseur moet dus kunnen bepalen of de prestatie-eisen gehaald kunnen worden en de prestaties, ook op langere termijn, gegarandeerd zijn.
Waterdichtheid Punt 1 van de materiaal-eisen m.b.t. de goot was te ‘kort door de bocht’. Juist omdat je nu materiaalkunde hebt bestudeerd weet je dat de eis van waterdichtheid gerealiseerd kan worden met massieve materialen of met poreuze, weinig permeabele materialen. ( mensen die niets van materialen weten denken dat een goot altijd van zink is ). Beton is vroij zwaar maar wel gechikt, het is nl. weinig permeabel, denk aan zwembaden van beton, en je kan er ook een geschikte vorm mee bedenken. Dus de analyse waaruit de materiaal-eisen te voorschijn kwamen was niet goed, niet uitputtend genoeg & te weinig creatief. Daarom kom je niet op beton.
Geschiktheid voor een rol Het is dus beter het toepassen van materialen te beginnen met het denken over het gebouw, dan over de rol( len ) die de ( essentiele ) bouwdelen zouden moeten vervullen en ten slotte per rol een paar materialen te genereren. Daarbij letten op: - Maakbaarheid van vormen ( grondvormen en daarvan afgeleide voermen kennen ) - Technische prestaties ( zie boek ) - Fijnheid, dunheid, slankheid, kortom ; schaal van de toepassing - Duurzaamheid ( zowel met het gebouw beoogd als door de materialen ‘aangeboden‘ ) In Le Corbusier’s ontwerp voor het gerechtshof te Chandigargh ( India ) wordt de goot bepalend voor het beeld. Hij fungeert er als een zonneluifel, waaronder men ook het gebouw betreedt. Net zoals alle andere gebouwdelen is de goot uitgevoerd in gewapend beton, wat gelet op de vorm een geschikt
111
materiaal is, en past in Le Corbusier’s vormentaal. De waterdichtheid van beton is, mits goed verdicht en met lage watercementfactor toegepast, goed genoeg. ( Mocht er in de praktijk een probleem optreden dan kan aan de binnenzijde een membraan als extra dichting worden aangebracht. ) Dit brengt ons op de 5e aspect waarop je moet letten: ( niet te vergeten ) - aanpasbaarheid/ repareerbaarheid van materialen !
Beton in de rol van waterdicht materiaal; gerechtsgebouw Chandigargh; Le Corbusier
Denken in materialen Als het erom gaat materialen op een zinnige manier te gebruiken, waar we onder verstaan het technische aspect en het beeldende aspect gecombineerd, dan komt bij materialisatie feeling kijken, onderzoek en veel kennis. Met onderzoek bedoel ik dan de manoevreerruimte die er is binnen de vorm zoals die er tot dan toe bijstaat, maar ook met het oog op de kosten en op het vermijden van problemen met bijvoorbeeld thermische en akoestische isolatie, koude bruggen, lekkage, en de duurzaamheid van het gebouw ( ook in termen van onderhoud ). Al met al een pittige en weerbarstige inspanning omdat materialen ook budgettair ( nogal ) bepalend kunnen zijn.
WE MOETEN ONTWERPEN MET MATERIALEN I.P.V MET MATERIALEN DE VORM INVULLEN.
112
Visualiserend ontwerpen Materialen toepassen is als het ware een vorm van licht werpen op bepaalde aspecten van het gebouw of van de samenhang met de gebruikers.
Bij materialisatie staat iemand iets voor ogen dat soms al vroeg zijn bewustzijn is binnen -getre den. De meeste kennen wel het Bonnefantenmuseum in Maastricht. Het is van Aldo Rossi, maar in de autobiografie van Aldo Rossi vond ik deze afbeelding:
‘Kustlandschap’: blok en object, gehoektheid en gladheid, beschutting en expositie Uit: Aldo Rossi; “ wetenschappelijke autobigrafie “.
Als je de vormen niet zo letterlijk neemt maar op de in het onderschrift toegevoegde karakters let, kan de gelijkenis met het Bonnefantenmuseum toch moeilijk treffender zijn.
A. Rossi: Bonnefanten museum te Maastricht; 1990
113
De materialisatie geeft, althans in het beeld, een tweedeling aan tussen het rustige en het vooruitspringende ( met de daarbij passende glans ). De middelen zijn: blokken, zowel in hoofdvorm als in uitwerking enerzijds en metaal ( zink ) met details en spektakel anderzijds. Er is dus een materialiseringsconcept herkenbaar waaraan de architect ( met een bepaalde vrolijkheid ) heeft vastgehouden.
Versterken en bevestigen: ( materiaal als uitgangspunt bij een ontwerp ) Er zijn architecten, ingenieurs en kunstenaars die van het begin af geintereseerd zijn in het denken over het materiaal. Zo kan het zijn dat voor sommige het materiaal of de ‘materialiteit’ als een uitgangspunt geldt. Er zijn een aantal hedendaagse architecten die zo werken ( Peter Zumthor, Herzog & de Meuron ), maar in het verleden kwam dat veel vaker voor dan nu. Heel veel gebouwen in Nederland waren direct in baksteen bedacht, in Noorwegen direct in hout, in Mali direct in leem, etc., maar behalve de pure beschikbaarheid van het materiaal hebben de architecten van de piramiden, de Acropolis, en de Taj Mahal ook nooit echt over alternatieven voor het bouwwerken nagedacht: omdat dat niet meer kon. Ook in andere soorten bouwkunde zoals de scheepsbouw is het van te voren bekend of het gaat om een schip in staal, een jacht in polyester of hout, etc. In onze tijd waar zoveel materialen ter beschikking staan, is het bijzonder dat iemand al vroeg in het ontwerpproces tot een keuze komt. In de alledaagse praktijk worden die ( moeilijke dingen ) meestal uitgesteld. Hoe Antonio Gaudi zijn gebouwen ontwierp is algemeen bekend. Hij tekende weinig maar maakte deste meer modellen en maquettes. Het is aan zijn gebouwen af te lezen. Het principe waaraan hij zijn leven werkte was het nabootsen van de natuur, die perfect was en in zijn ogen door God gemaakt. Door het materiaal naar zijn eigenschappen te gebruiken en te beheersen kon hij vormen maken die zuiver waren m.n. in de constructieve toepassing. Wat opvalt aan de bakstenen spanten op de zolderverdieping in Casa Mila is dat ze zo bijzonder gaaf en dun zijn gemaakt. ( bijna in tegenstelling tot het verhaal dat blokkenbouw altijd lomp en zwaar is ).
A. Gaudi: zolderverdieping van Casa Mila; maquette en interieurfoto van de baksteenconstructties
In 1995 ontwierp Peter Zumthor een thermaal badhuis in Vals (Zw). Het werden baden van natuursteen in een gebouw van hetzelfde materiaal. Belangrijk is de combinatie van water en steen: warm water en de koelte van de steen, het vluchtige tegenover het trage, het lichte en het zware; en
114
dat het een gebouw is dat duurzaam kan worden gebouwd met materiaal uit de regio. Hieronder een citaat van Zumthor: So our bath is not a showcase for the latest aquagadgetry, water jets, nozzles or chutes. It relies instead on the silent, primary experiences of bathing, cleansing oneself, relaxing in the water; on the body’s contact with water at different temperatures and in different kinds of spaces; on touching stone.
Dit zijn die gegevens waar Peter Zumthor op vertrouwde:
Dit is de structuur van het badhuis. Het plan is gedeeltelijk in de berg geplaatst en bestaat uit een spel met uitgeholde blokachtige volumes die niet in een streng geordende structuur zijn geplaatst maar in een setting waarin veel contrasten ontstaan tussen smal en breed, hoog en laag, donker en licht. Wat verder opvalt zijn de dimensies van de muren: van gemiddeld tot dik, of tot zeer dik.
Peter Zumthor: een plattegrond van het badhuis te Vals; 1996
115
Een gebouw met contrasten en spleten. Hieronder een trap in het gebouw. Het materiaal heeft een sterke invloed op de sfeer van de ruimte.
Uitgaande van het gegeven dat materialen een karakter bezitten dat in een ontwerp tot expresie kan woren gebracht, is aan studenten Bouwkunde op de TUE gevraagd om een zelfgemaakte vorm in één enkel materiaal te gaan materialiseren, zodanig dat ook voor leken meteen duidelijk is in welk materiaal het bouwwerk is gedacht. De inspiratie is ongeveer naar het onderstaande plaatje waar een weerbarstige kant van hout wordt getoond. Het bestaat uit allemaal lineairen ( grondvorm van hout ) en het hout is in bepaalde ritmes toegepast. Duidelijk is ook dat het hout constructief werkt ( zowel druk, buiging als trek ).
116
Ook het ontwerp van de student ziet er weerbarstig uit, zie de onderstaande afbeeldingen.
2-Tact project Bart Theunissen ( T6 -fase, 2e jaars ); 1997
De vraag is wellicht hoe de werkwijze is in vergelijking met een ‘gewoon’ project. Het is zeker geen modernistische ( funktionalistische ) werkwijze geweest in de zin dat de funkties pas achteraf in de vorm werden geplaatst. De studenten werd 6 weken lang niet verteld welke funkties het gebouw zou moeten herbergen!! Dit gaat in tegen de funktionalistische werkwijze omdat die wil dat eerst alle funkties worden bestudeerd en geanalyseerd, dan gekeken hoe ze in een ‘doos/complex van dozen’ kunnen worden georganiseerd, waaraan dan weer later techniek en materialen worden gehecht. Leuk in dat verband is ook de als tegenontwerp verpakte reactie van de architect/kunstenaar John Kormeling op de blokkerigheid van een bepaald ( bestaand ) gebouw.
117
Feeling voor materiaal ? Door de zojuist zeer ‘kort door de bocht’ beschreven werkwijze van het modernisme is de ‘feeling’ met materialen in de loop van tijd soms wat zoek geraakt. Dit heeft zeker ook te maken met de opvatting dat het materiaal eigenlijk afwezig zou moeten zijn, wat wel na te streven is, zoals we zagen bij abstractie, maar in absolute zin uiteraard niet kan. Hier een maquette waaraan grofweg af te lezen is in welk materiaal er gebouwd gaat worden. De volumes zijn meer gesloten dan open, de geometrie is blokvormig, er zijn incidenten m.b.t. de zwaartekracht, maar niet erg veel. Conclusie: steenachtig materiaal, waarschijnlijk beton.
De werkwijze van het modernisme leidt inderdaad gauw tot blokachtige volumes waarin alle functies zijn georganiseerd. Daar is weinig mis mee, je kunt er veel mooie dingen mee doen, maar als je wilt kun je er later achterkomen dat er nog meer werkwijzen zijn. Ook de architect van onderstaand gebouw maakte, aan de vorm te zien, een steenachtig gebouw: hoekig en getrapt nogwel. ( de schoorsteen kun je zo in baksteen neerzetten ). Maar er is staal als afwerking. Hiermee wordt de hele vormentaal in feite op kop gezet.
Het metaal voegde zich geheel naar de al bestaande blokken-binnenvorm. Dus het kreeg qua vorm geen eigen karakter, kon alleen bijdragen ( zijn rol spelen ) met zijn uiterlijk: tecxtuur en ‘look’. Op onderstaande foto zie je dat het ook anders kan. Het ‘huisje’ binnenin ( vermoedelijk steen of beton ) is rigoreus los gehouden van de omhullende vorm.
118
Bij dit ontwerp is de grote ‘spouw’ trouwens niet onfunctioneel, het is een gebied waar je in kunt kijken en in kunt lopen. Door de cylindervorm mooi dun te maken wordt het metaal expressief. ( er zijn ook trekkabels zichtbaar ) Het verschil in materiaalgebruik tussen binnenconstructie en buitenconstructie, dat tegenwoordig alle gebouwen hebben, is hier bewust uitgebuit door de vormgeving juist heel verschillend te maken. Ook aan de voorzijde is de consequentie getrokken van het materialiseringsconcept, door de gebogen staalhuis in tact te laten en te laten zweven boven een smalle strook.
Ten Arquitectos; Centre for dramatic Arts, Mexico City, Mexico; 1997
De vrije vormbaarheid, de oneindige continiuïteit en de sterkte van beton zijn ontzettend sterk uitgebeeld in het Guggenheim Museum van F. L. Wright. Het perfecte voorbeeld van hoe materiaal en vorm elkaar kunnen versterken; hier met gewapend beton.
119
Bij onderstaand ontwerp: ‘het zwevend lijken van heel gebouw ‘ kun je zeggen dat dat in feite ook een vorm van versterken van een karakter is; de eigenschap massa wordt ontkend, weliswaar niet alleen van een materiaal, maar van een geheel gebouw. De versterkingen zitten ‘m in: - het effect van lichtheid versterken door de kleur en door de gladheid van het materiaal, - het ‘doorknippen’ van het lint met ander ( transparant ) materiaal, - het onderschuiven van ( te ) kleine doosjes, en tenslotte - het laten doorlopen van het landschap onder het gebouw.
Kuzuyo Jejima + Ryue Nishizawa; O-museum (landschapsmuseum); Nagano, Japan; 1995-1999
Zijn materialen uitwisselbaar ? In een filmscript is reeds het verhaal en de betekenis van de film vervat. Je kunt het script lezen en verstandelijk begrijpen wat er gaat gebeuren en waarom. Maar niet alleen dat: je voelt ook mee met de hoofdrolspelers, wat hun overkomt en te wachten staat. Zonder dat je weet wie dat zijn, welke mensen de rollen spelen, maar omdat je je identificeert met bepaalde dingen. Je leeft je zo in dat je ook een mening krijgt over diegenen die de rollen moeten gaan spele. De ideeën over de mensen die achter de rollen zitten zijn reeds als ‘karakters’ in zo’n script vervat.
120
Acteurs spelen de rol echter op hun eigen wijze, mengen hun persoonlijkheid erin: hun komisch talent, hun tragiek, hun mimiek, hun zwijgen. Als de juiste mensen worden gecast wordt de film nog ongelooflijk veel beter worden dan het script. Een architectonisch plan op papier moet in staat zijn een bepaalde verwachting op te roepen wat betreft het karakter van de rolspelers, ook al zijn die materialen nog niet precies bekend. De materialen bepalen mede hoe het wordt uitgebeeld, dat is hun rol. Het ontwerpen van een beeldend gebouw is nu als volgt te begrijpen: het zodanig onder spanning zetten van de context dat er een vertaling van de ( papieren ) ontwerpkarakters komt naar reeële en bouwbare materialiteit. Met meer invoeling dan statements, stelselmatigheid, of techniek. ( maar wel met behulp daarvan ). Voor de gelegenheid is materiaalkunde getransformeerd tot materialenleer.
Het begrip materialiteit De sleutel zit niet zozeer in de maatschappelijke waarde maar in de gevoelswaarde. Wat is de ‘kracht’ van een materiaal ? Dat is de manier waarop het licht wordt weerkaatst, de textuur, de geur en de tand des tijds, begrippen met een gevoelsmatige kant en een fysische kant, en die met de vorm en de set ting kunnen worden gevisualiseerd ( versterkt ). De vraag is welke materialiteit dit gebouw heeft ?
Mendini en Coop Himmelblau; Gronings Kunstmuseum;
Het is een voorbeeld van pure vorm, een verregaande ontmaterialisering. Het wordt daardoor wel licht en feestelijk, een gebouw dat iedere ernst van zich af werpt, juist door het ontbreken van ‘echte’ materialen. We spraken al eerder over de idee van abstractie. Abstractie betekent dat de herkenbaarheid van materiaal en bouwdelen zodanig wordt teruggebracht dat alleen de vorm overblijft.
121
R. Van ‘t Hoff; Strakke , kubistische villa; bepaalde bouwdelen herkenbaar, dus nog niet zeer abstract.
J.P Oud; bekend woningbouw project Scheveningen; Het project van Oud betekent een toename van abstractie t.o.v. de villa van Van ‘t Hoff’, al is het denken in blokken nog wel herkenbaar ( voor een deel )
Bij dit zwevend volume wordt echter helemaal niet meer in blokken gedacht.
Brinkman & van de Vlught; woonhuis R’dam
Alvar Aalto, de Finse architec t die de Finse architectuurtraditie wilde koppelen aan de moderne principes, zag het als een uitdaging om baksteen als materiaal in te zetten op een moderne wijze.
122
Het glas met de iele kozijnen kan de ‘rustende’ massa niet natuurlijk dragen. De toepassing van baksteen kan dan ook alleen op een moderne wijze, d.w.z. met een hierop afgestemde hulpconstructie. Een aansprekende wijze van het op moderne wijze laten spreken van het materiaal baksteen is te zien op onderstaande foto. Door de stenen kleine hoek-verdraaiingen te geven wordt de blokvorm een beetje ‘verzelfstandigd’ terwijl het toch een vlak blijft. Het reliëf dat ontstaat is vooral heel mooi als er de zon langsaf schijnt.
Een architect die sterk gewicht hecht aan echte materialen is Tadao Ando. Het gaat bij hem vooral om de zwaarte in contrast met de lichtheid, de soberheid en de leegheid. Ook vormt de lichtval op het materiaal altijd een belangrijke aspect van zijn werk.
123
Tadao Ando; Interieur kapel op de berg Rokko, Kobe, Hijogo, Japan.
Een gevel van in situ gestort beton die heel fijnzinnig is gedetailleerd is gemaakt door Louis Kahn. De soberheid van het materiaal, let op de naden, klopt met het karakter van beton. Maar de vormen zijn gedramatiseerd door de betonnen delen discontinu en verspringend te maken. En de geweldige afmetingen werken natuurlijk ook sterk. N.B. De sterkte van beton speelt hier geen rol, dit wordt verder ook nergens gesuggereerd.
Louis Kahn, gevel universiteitsgebouw Tel Aviv
Ook bij de woontorens van de Nederlandse architect Wiel Aretz is de zwaarheid als visueel middel gewenst. Hoewel de brede openingen duidelijk appeleren aan het modernisme kiest hij voor een
124
materialisatie met grove, zwarte ‘mijnsteen’ blokken. Versterken de zwarte korrels het beeld meer dan zomaar zwart verven ?
Metaal is een strak en perfect materiaal waarmee letterlijk passende gevels kunnen worden gemaakt. Juist daarom geeft het gebruik van metaal op deze wijze, als een soort gordijn van schuinstaande panelen, een gevoel van luchtigheid.
R.Koolhaas O.M.A.; Gevel Grand Palais in Lille
Ook op een luchtige wijze is beton gebruikt door Axel Schultes in zijn Museum voor moderne kunst in Bonn. De kolommen lijken door het dak van de luifel heen te steken, terwijl ze, we leven mee, toch die last van de luifel dragen.
125
Onderdeel van het expo-gebouw in Lissabon is een gigantische betonnen luifel van zo’n 100 x 100 meter. Het geeft een luchtig beeld. P.M.: De adviseurs wilden aanvankelijk een deken in de vorm van een licht membraan, en stelden voor de om luifel in doek uit te voeren. Dan zou de ophangconstructie het lichtst kunnen worden uitgevoerd. De architect stelde zich daartegen te weer, want in de materiaalkeuze van 10 cm dik beton zit bij dit ontwerp juist de zeggingskracht. Mede als gevolg hiervan zijn de gebouwen waar de ‘deken’ tussenhangt monumentaal zwaar ontworpen. ( moest ook wel )
Alvaro Siza: paviljoen Portugal op de world-expo 1994 in Lissabon
Materialiseringsoncepten Materialisatieconcepten zijn vaak al in de beeldende kunst beproefd. Veel architecten nemen dan ook beeldende kunst als inspiratiebron ( en andersom: de beeldende kunstenaars nemen soms de
126
architectuur als inspiratiebron ). Het kubusbeeld van Carel Visser is in meerdere opzichten een inspirerend beeld in staal.
Zonder veel woorden hang ik er deze afbeelding achter:
Vito Accondi: Mobile Lineair City; uitschuifbare truck in gegalvaniseerd staal; 1991
Het vouwen van dunne staalplaat is dus in potentie een boeiend gegeven als er maar iets met de dunheid en de holte wordt gedaan zodat je het ook ervaart, maar dat is nou net wat er bij de gevel van deze RVS cassettes niet is bedacht: het vouwen is ingezet als technische truc zonder meer.
Achitectuur verschilt in beeldende zin weinig van kunst, maar wel in weerbarstigheid van het vak. Want de gevel is geen vorm an sich maar moet een aantal prestaties verwezenlijken t.b.v. het gebouw, zoals regendichtheid, winddichtheid, geluidisolatie en thermische isolatie. Toch denk ik dat je deze toepassing sterker vindt dan de voorafgaande.
127
Het materiaal is hierboven gewoon als ( bijna plat ) vlak ingezet en niet als gevouwen doosjes. Hierdoor gaat het oog niet zoeken naar de holheid en dunheid als visuele gegevens, maar kijk je gewoon naar de textuur en de matte glans, de mooie vormen, etc. Het gebouw als dame.
De combinatie van hoge sterkte een grote stijfheid en de mogelijkheid erg dun te worden geeft staal een karakter van dit kunstwerk. Een vergelijking met de watertoren van Eindhoven (W. Quist ) dringt zich op. De dunheid van de ‘stammen’ zijn daar alleen open vakwerk-kolommen.
Als we een gebouw materialiseren dan materialiseren we soms niet alleen gedachten, maar ook gevoelens. Hier het gevoel van lijfelijkheid:
128
:
of van ‘huid’:
Herzog en de Meuron: gebouw in Basel
Let er op dat dit soort van thema’s voor de materialisering absoluut geen houding kunnen verdragen die het gebouw als optelsom van wat dan ook veelt. Je ziet dan ook nergens lijstjes, afwerklatjes of roostertjes als aparte dingen.
129
Conclusie De dia’s van hoofdstuk 4 waren verbonden aan hoe een architect licht kan werpen op een materialisering. Hoe zijn ( persoonlijke ) houding is. Dat is in het volgende beeld ook zo, maar toch is er een klein verschil. Het gaat nl. om een erg groot bankgebouw in het financieële hart van Londen. Traditioneel zou waarschijnlijk voor natuursteen zijn gekozen maar de bank heeft een ander imago gewild, nl. een high-tech imago.
R. Rogers en Associates; Hoofdkantoor Lloyds Bank, Londen, 1986
Het gebruik van RVS is in die zin te begrijpen, het heeft een technische en moderne uitstraling en is daarbij duurzaam. ( in het duits is RVS: ‘Edelstahl’). Als je naar de vormentaal van ingewikkelde constellaties kijkt wordt je gewaar dat de vorm en de techniek goed passen, het gebouw heeft zeker een karakter. Niettemin is het door zijn vele ( onbegrijpelijke ) sub-vormen een ‘vormenfabriek’ in staal geworden. Het lijkt of alle vormen die maar met staal te maken zijn uit de kast zijn gehaald, en met welk doel ? Refererend naar het status-syndroom van iedere bank, lijkt het antwoord toch te zijn: om te imponeren. Het statement kan ongeveer luiden: wij zijn ( als oude bank ) modern, wij weten nog steeds van wanten. Om het anders te zeggen: de gevoelswaarde die de ontwerpers ongetwijfeld met het materiaal ( en de daaraan verwante technieken ) hadden is misschien teveel ‘vertruukt’ ( excusé le mot ). Het verschil tussen een statement en een persoonlijke houding in het ontwerpen is heel moeilijk te duiden. Een gebouw wordt betaald door opdrachtgevers en zal altijd een bepaalde boodschap uitdragen. Maar met het doorvoeren van een bepaalde verstandhouding met het materiaal kan invoeling worden bereikt. Hierdoor ontstaat een bepaalde meeslependheid waardoor het publiek ook enthousiast wordt. Dit gebeurt als het gebouw het statement, ieder statement, kan overstijgen.
130
