Nu het geheim van de bouw van schaalconstructies is blootgelegd, gaat er een nieuwe wereld open. Dat is de heilige overtuiging van Sigrid Adriaenssens, hoofddocent civiele bouw- en milieutechniek aan de prestigieuze Universiteit van Princeton (New Jersey).
Zij heeft met haar afdeling en in samenwerking met de ingenieursfaculteit van de universiteit van Bergamo (Italië) een studie gedaan naar hoe zelfdragende bakstenen koepels in de (Italiaanse) Renaissance werden gebouwd. Zulke koepels werden opgetrokken zonder gebruik te maken van bepantsering en bekisting. De resultaten zijn beschreven in het juli-nummer van het tijdschrift ‘Engineering Structures’ (Uitgeverij Elsevier).
Koepels al eeuwen grootste architectonische uitdaging
Schaalconstructies, zoals koepels, worden door de geschiedenis heen gezien als een van de moeilijkste opgaven in de architectuur. Het icoon van de zelfdragende schaalconstructie is de koepel van de kathedraal van Florence. Met de bouw werd precies 600 jaar geleden begonnen. Afgezien van de grote doorsnede van de koepel (45 meter), is het bijzondere dat architect Filippo Brunelleschi tijdens de bouw geen gebruik maakte van bekisting en steigers. De onderzoekers hebben overigens niet de Florentijnse koepel onderzocht, maar een gelijksoortige in Montefiascone (Lazio, Italië).
“De Renaissancekoepel die we hebben onderzocht,” vertelt Adriaenssens, “is gebouwd met horizontale lagen van baksteen waartussen verticale bakstenen in een visgraadpatroon zijn gelegd. Deze verticale bakstenen zijn geordend volgens een kromming, die in de geometrie loxodroom wordt genoemd.”
De crux is dat de horizontale stenen, die bij koepelbouw de neiging hebben naar binnen te schuiven zich vastgrijpen in de verticale bakstenen. Zo zitten de stenen zogezegd muurvast. “De verticale stenen zijn vergelijkbaar met boeksteunen waartussen boeken zitten,” zegt de Belgische hoogleraar. De mortel heeft tijdens de bouw niet eens zoveel invloed op de stabiliteit van de koepel.
‘Het visgraadmotief was trouwens al bekend sinds de Romeinen, die deze aard van metselen ‘opus spicatum’ noemden. Sigrid Adriaenssens, hoofddocent civiele bouw- en milieutechniek
Adriaenssens en haar ploeg hebben gebruik gemaakt van computerberekeningen aan de hand van de zogeheten ‘discrete element modeling’ (DEM), waarbij de wisselwerking tussen elk deeltje, in dit geval een baksteen, wordt geanalyseerd. Het is bij DEM noodzakelijk dat elk individueel element onder de loep wordt gelegd. “Hoe reageert een baksteen als je er een andere tegenaan legt, en wat als twee stenen erbij komen, en drie etcetera. Wat zijn de krachten, welke spanningen worden opgebouwd. Het is zeer precies werk,” zegt de Belgische hoogleraar, die in het Verenigd Koninkrijk haar master en doctorstitel heeft gehaald.
We kunnen met het nieuwe inzicht ons voordeel mee doen, vindt Adriaenssens. Voor schaalconstructies zijn immers nog steeds bekisting en steigers voor ondersteuning nodig. Dat kost geld en leidt tot afval.
“Bij schaalconstructies, zoals een koepel, moet er eerst een koepel van hout worden gemaakt die als steun en mal wordt gebruikt. Op die koepel giet je beton of plaats je stenen. Daarna wordt het hout weggehaald en als bouwafval verwerkt.” Dankzij het nieuwe inzicht op koepelbouw kan moderne robottechniek worden ingezet om naar Brunelleschi’s aard te bouwen.
Het eerste voorbeeld van een moderne, zelfdragende schaalconstructie werd eerder dit jaar uitgevoerd op de tentoonstelling ‘The Anatomy of Structure’ in de Ambika Gallery in Londen. Hierop was te zien hoe twee robots (de ene neemt de steen op, de ander ondersteunt het punt waarop de steen komt te liggen) zelfstandig een koepel bouwden.
Koepel met glazen stenen
De overspanning was transparant omdat de makers in overleg met de TU Delft gekozen hebben voor glazen stenen. Glas werkt goed als er druk op staat. In plaats van mortel is gebruik gemaakt van epoxylijm (tweecomponentenlijm). Voor deze kleine koepel (3,6 bij 6,5 meter met een hoogte van ruim twee meter) werden in totaal 338 stenen gebruikt. Dat staat niet in vergelijkig met de naar schatting 4 miljoen bakstenen van Brunelleschi’s koepel. Het principe is echter gelijk. Hiermee is het bewijs geleverd dat ook moderne constructies met moderne materialen kunnen worden gebouwd naar het principe van het leggen van afwisselend horizontale en verticale stenen.
De nieuwe techniek biedt veel mogelijkheden, bijvoorbeeld voor toepassingen op plekken waar het moeilijk is om bij te komen, of die gevaarlijk zijn of op plekken in de stad waar veel verkeer is. Adriaenssens wil op de ingeslagen weg verdergaan. Ze wil weten of er nog andere patronen dan de visgraadloxodroom zijn voor te stellen voor de bouw van zelfdragende schaalconstructies. Ook stelt ze zich voor dat drones in de toekomst koepels kunnen gaan bouwen. Het probleem hierbij is nu nog dat drones weinig draagkracht hebben en niet heel goed zijn in precisiewerk.
Ook interessant: Slim hout kan bouwmateriaal van de toekomst worden.
