Met zijn ontwerp voor een overkapping van de oudheidkundige opgravingen op het Kotziaplein in Athene was Rutger Oor de beste afstudeerder van het jaar 2015/2016, binnen de vakgroep Building Technology op de TU Delft. Op alle schaalniveaus wist hij te overtuigen met een intelligent, origineel, innovatief, duurzaam en realistisch ontwerp. Rutger Oor deed onderzoek naar zelfdragende glasvezelversterkte composietstructuren en maakte een ontwerp een overkapping voor opgravingen en een markt op het Kotziaplein in Athene. Oor geeft in dit artikel een uitgebreide toelichting van zijn werkwijze, inclusief de bevindingen uit zijn materiaalonderzoek, constructieve overwegingen en kostenramingen.
De laatste 50 jaar zijn de eigenschappen, de types en de productietechnieken van vezelversterkende composieten (fiber reinforced polymers, FRP) sterk geëvolueerd, dankzij toepassingen binnen verschillende sectoren en innovatief academische onderzoek. Tegenwoordig is FRP goedkoper, sterker en duurzamer dan ooit. Ondanks de ontwikkeling van kosteneffectieve productietechnieken hebben we sinds het midden van de jaren zeventig slechts enkele voorbeelden van zelfdragende composietstructuren, terwijl het in de gevelbekleding al vele toepassingen kent. De reden voor dit gebrek aan gerealiseerde zelfdragende composietstructuren is onbekend. Voor mijn afstuderen heb ik de sterke en zwakke punten van dragende composietstructuren onderzocht. Het onderzoek betreft zowel materialen en productietechnieken. De belangrijkste doelstelling van mijn afstudeerscriptie was het onderzoek naar FRP en de relevante productietechnieken. Hiermee wil ik bewijzen dat het mogelijk is om een zelfdragende FRP overkappingsstructuur te ontwerpen die grote overspanningen kan overbruggen.
Kotziaplein
Als locatie voor het ontwerp is gekozen voor het Kotziaplein in Athene, waar het gemeentehuis van Athene is gevestigd. Aan de noordoosthoek van het plein ligt een archeologisch gedeelte. Hoewel de oude ruïnes van Kotziaplein veel belangrijke archeologische vondsten hebben opgeleverd, zijn ze niet toegankelijk voor het publiek. Een belangrijk evenement op het plein is de vlooienmarkt die wekelijks en tijdens feestdagen plaatsvindt. Tijdens deze markt worden er kraampjes ongeorganiseerd naast de ruïnes opgesteld. Deze twee ingrediënten hebben geleid tot de conclusie dat mijn ontwerp moet bestaan uit een overkapping die onderdak biedt aan het archeologische gebied en de vlooienmarkt. In het ontwerp heb ik geprobeerd de grens tussen het plein de archeologische kavel te verzachten, zodat het archeologische gebied een opener karakter krijgt voor de passanten. De kap heeft een oppervlakte van 2500 m², is 70 meter lang en 35 meter breed.
Geometrie
De FRP overkapping moest een resultaat zijn van een ontwerpproces dat de beginselen van mechanica respecteert en tegelijkertijd een grote esthetische kwaliteit heeft. Voor het realiseren van een hoge esthetische kwaliteit heb ik verschillende overkappingstypologieen onderzocht teneinde de principes van deze structuren beter te begrijpen. Tevens vergeleek ik de structurele efficiëntie van de verschillende structuren. Het ontwerp van de typologieën en de structurele analyses, zijn gemaakt in het programma Karamba (Grasshopper plugin) waar ik de eigenschappen gebruik van ‘Polyester / E-glasvezel, geweven stof composiet, quasitropic laminaat’ voor de composiet en ‘PVC crosslinked schuim (rigide, gesloten cellen, DH 0,030)’ toepas in de kern van de sandwichstructuur. De geselecteerde typologie is de meest efficiënte structuur en is tegelijk esthetisch aantrekkelijk. De kap heeft zes steunpunten aan de zijkanten en een in het midden. De kap heeft in deze fase een wanddikte van 100 mm en een laminaat dikte van 10 mm die onder de belasting van wind, sneeuw, service en dode belastingen een maximale verplaatsing had van 46.30 mm, gebruikswaarden tussen -2,5% en + 1,4% en een totaalgewicht van 57.003 kg.
Betonnen steunpunten
Om de kap tegen vandalisme te beschermen, heb ik zeven betonnen steunelementen ontworpen die de kap van de grond tillen. De zes steunelementen aan de rand van de kap wijken af van de middelste pijler. Ze moesten echter allemaal geschikt zijn voor het vloeiende ontwerp van de dubbelgekromde kap en in harmonie zijn met het Kotziaplein. De zijsteunen hebben een dwarsdoorsnede van een halve ellips terwijl de centrale drager cirkelvormig is. Alle steunelementen worden slanker naarmate zij de grond bereiken. In de zijsteunen werd een gat gemaakt om materiaalgebruik te verminderen en structurele efficiëntie te verhogen. Het centrale steunelement heeft twee symmetrieassen die exact onder het snijpunt van de assen van de kap zijn gepositioneerd, waardoor het geheel compleet symmetrisch is.
Perforaties
Vanwege de grote omvang van de kap, zou de overdekte ruimte op het plein in de schaduw komen te liggen. Om meer licht op de archeologische site en op de vlooienmarkt te brengen is de kap geperforeerd. Dit resulteerde in minder materiaalgebruik en efficiëntere structuur. Met het oog op structurele efficiëntie moest ik voorkomen dat de esthetische waarde van de perforaties de overhand nam. Ik heb de concentraties van trek- en drukspanningen van de kapstructuur in beeld gebracht. Op de plekken met geringe concentraties was het mogelijk om perforaties te maken zonder dat dit de structuur zou beïnvloeden. Om dat nauwkeurig te doen maakte ik gebruik van Millepede (Grasshopper Plugin), die in de structurele analyse aantoont dat er 2% minder verplaatsing plaatsvindt en 36% minder materiaalgebruik nodig is.
Optimalisatie dikte
Tot aan deze fase werden alle structurele analyses gemaakt met een wanddikte van 100 mm en een laminaat dikte van 10mm. Met de dikte optimalisatie bedoel ik de optimale balans van de kap en de ideale laminaatdiktes. Om dit te bereiken moest ik alle mogelijke combinaties voor laminaatdiktes tussen 5 mm en 10 mm en shelldiktes tussen 50 mm en 120 mm onderzoeken. De optimale combinatie was een laminaatdikte van 5 mm en een wanddikte van 70 mm, Tevens leidde deze combinatie tot een materiaalvermindering van 17%.
Productie panelen
In aansluiting op mijn theoretische onderzoek, verdiepte ik mij in de productietechniek van de FRP sandwichpanelen. Hiervoor nam ik contact op met Poly Products, een bedrijf dat gespecialiseerd is in deze materialen en technieken. Met hun begeleiding vond ik de meest geschikte productietechniek voor de sandwichpanelen en voor het ontwerp van de mallen. Het lukte me om een type mal te ontwerpen dat kan worden gebruikt voor zowel de productie van het paneel en van de overkappingsperforaties. Hiermee wordt de productie van dubbele mallen vermeden. De productiemethode voor het vormen van de panelen is “Vacuum Injection”, deze methode levert panelen met de beste kwaliteit in deze grootte.
Kostenraming materialen en matrijzen
Om te bepalen of Glas FRP kostenefficiënt is voor een dergelijke structuur, was het belangrijk om een kostenraming van mijn ontwerp te maken. De panelen bestaan uit de schuimkern, GFRP laminaat en de stalen verbindingen. In de kostenraming zijn de stalen verbindingen niet opgenomen, omdat het moeilijk om hun productiekosten te in te schatten. Wat betreft het schuim zijn er materiaalkosten en de kosten van het vormingsproces van het schuim. Het laatste deel van de kostenraming waren de kosten van de malproductie. De kostenraming voor de structuur van 2500 m² was € 1.471.929. 86,5% van het totaalbedrag betreft de kostprijs van de malproductie, 5,5% de vormgeving van de schuimkern, 4,5% het schuim en 3,5% Glas FRP.
Conclusies
Volgens de verschillende structurele analyses is de belangrijkste beperking van de GFRP de maximale verplaatsing en niet de concentratie van spanningen. Hieruit kunnen we afleiden dat GFRP sandwichpanelen sterke elementen zijn die in staat zijn te buigen zonder de vloeigrens te bereiken en zonder hun mechanische eigenschappen te verliezen. Dit voordeel ontbreekt bij andere materialen zoals beton of staal en het kan zeer nuttig zijn voor het gebruik in aardbevingsgevoelige gebieden.
Vervolgonderzoek
Tijdens mijn onderzoek naar de mogelijkheden van glasvezel versterkte polymeren voor het ontwerp van grote structuren, heb ik alleen materialen betrokken die al in de bouw worden gebruikt. Alhoewel ik een kort onderzoek heb gedaan naar natuurlijke vezels, had ik onvoldoende tijd een om een kap met biocomposieten te ontwerpen. Verder onderzoek gewijd aan natuurlijke vezels, bioharsen en verschillende kernmaterialen kan leiden tot een verdere popularisering van vezelversterkte polymeren in constructies. Het feit dat het malproductieproces veel duurder is dan de materialen, geeft een sterke basis voor verder onderzoek en ontwikkeling. Er bestaan veel voorbeelden van verstelbare mallen die bestuurd kunnen worden via computers, maar deze zijn nog niet nauwkeurig genoeg. Investeren in de optimalisatie van dergelijke mallen kan het productieproces versnellen en de productiekosten van FRP elementen verminderen.
Origineel, innovatief en realistisch
Met zijn ontwerp voor een overkapping van de oudheidkundige opgravingen op Kotziaplein in Athene was Rutger Oor de beste Building Technology afstudeerder van het jaar 2015/2016. Op alle schaalniveaus wist hij te overtuigen met een intelligent, origineel, innovatief, duurzaam en realistisch ontwerp. Het onderwerp voor dit afstuderen is ontstaan vanuit de wens om de constructieve toepassingsmogelijkheden van het materiaal VVK (vezel versterkte kunststof) te testen in een draagconstructie met een grote overspanning. Tot nu toe zijn de enige toepassingen van VVK als draagconstructie in de bouw afkomstig uit de bruggenbouw. In overleg met Rutger hebben wij de gedeeltelijke overkapping van Kotziaplein in Athene als casus aangedragen.
Vanuit de stedenbouwkundige context zijn parameters geïdentificeerd voor het te bedekken oppervlak en de zichtlijnen van en naar de gebouwen. Vervolgens zijn vanuit een flink aantal draagconstructieve typologieën schaalconstructies als meest kansrijke geïdentificeerd. Parametrische computermodellen en computer gegenereerde formfinding en optimization modellen zijn gebruikt om honderden varianten te beoordelen op uiterlijk, materiaalgebruik, sterkte, stijfheid en bouwkosten. Veel moeite is gestopt in het vinden van de juiste modulaire opdeling van de schaaldelen, zodanig dat fabricage, duplicatie en transport optimaal werden. Rutger heeft contact gezocht met gerenommeerde VVK specialisten uit de praktijk, Poly Products heeft adviezen gegeven met betrekking tot de maakbaarheid, detaillering en productietechnieken. Persoonlijk was de begeleiding van het onderzoek van Rutger altijd iets waar ik naar uitkeek.Rutger werkte hard en zeer zelfstandig en met een gezonde nieuwsgierige instelling. Alle ontwerpbeslissingen die hij nam werden eerst door hemzelf kritisch bevraagd en van alle kanten bekeken. Dikwijls maakte Rutger van een bepaalde vormvariant wel 100 subvariaties die op eenkritische en SMART manier met elkaar werden vergeleken.
Joris Smits, afstudeerbegeleider TU Delft
Fotobijschriften
1.Rutger Stefan Oor studeerde in 2016 cum laude af bij de afdeling Building Technology van de TU Delft en is kandidaat voor de Archiprix en the Young Talent Architecture Award (YTAA), een extensie
van de Mies van der Rohe Award. Oor werkt als junior architect bij Benthem Crouwel Architects.
2. De archeologische site op het Kotziaplein in Athene.
3. Maquette van de overkapping, schaal 1:100
4. Als een sculptuur staat de overkapping op het plein.
5. Het bovenste vlak van de overkapping is licht gekleurd om zonlicht te reflecteren.
6. De onderkant van de overkapping heeft een warmere
kleur, om een vriendelijke openbare ruimte te creëren voor voetgangers.
7. Het zonlicht kan door de translucente afdekking van de openingen in het dek schijnen en zo ontstaan schaduwpatronen op de
grond.
8. Dwarsdoorsnede, westelijk aanzicht, dakaanzicht en plattegrond.
Tekst en beeld: Rutger Stefan Oor
Dit artikel werd gepubliceerd in ArchitectuurNL nummer 5 van 2016
Schrijf je in voor de nieuwsbrief
Ontvang iedere week het laatste nieuws en informatie op het gebied van architectuur in uw mailbox.
Gerelateerd
Tags:
afstudeerproject,
Athene,
master among masters,
Rutger Oor,
TU Delft