Vorm volgt krachtenspel

Auteur: Kirsten Hannema

Een dubbelgekromd betonnen schaaldak, gewelfde betonnen vloeren met ingewikkelde patronen die het krachtenspel door het materiaal volgen, en gevels met zonnepanelen die als bladeren richting de zon bewegen. Het is een greep uit de innovaties op het gebied van constructie- en materiaaltechnieken die getest worden in de HiLo onderzoeks- en innovatieunit in Zürich. HiLo is onderdeel van een serie onderzoeksunits die de afgelopen jaren zijn verrezen bovenop het platte dak van het NEST onderzoeks- en innovatiegebouw van het federale onderzoeksinstituut Empa. NEST staat voor Next Evolution in Sustainable Building Technologies; een programma waarmee Empa de brug wil slaan tussen onderzoek naar duurzame technologieën en de markt. HiLo staat voor 'High performance, Low waste'. De projecten in dit demonstratiegebouw richten zich op het reduceren van materiaalgebruik door slimmere, slanke constructies te ontwerpen, en zo bij te dragen aan CO₂-reductie.

Vorm volgt momentlijn

“Doel van het HiLo-gebouw is tonen hoe je de klimaatimpact van draagconstructies kunt reduceren,” vertelt onderzoeker Francesco Ranaudo. Dat kan enerzijds door het energieverbruik in de operationele fase te beperken, anderzijds door de ingebedde CO₂ in constructies terug te brengen. “Met name op dat laatste vlak valt nog veel winst te behalen,” ziet Ranaudo. “Door optimaal gebruik te maken van de materiaaleigenschappen, kun je veel slanker construeren, en tot 70% aan materiaal besparen. In het geval van beton betekent dit dat je werkt met op druk belaste constructies - waardoor (bijna) geen staalwapening nodig is - en alleen daar waar nodig materiaal inzet, vanuit het adagium ‘kracht door geometrie’.”

Dit principe bouwt voort op de gotische bouwstijl met zijn boogconstructies en het vroeg-moderne werk van de Spaanse architect Gaudi, die voor zijn Sagrada familia ‘omgekeerde’ schaalmodellen maakte van hangende kettingconstructies. De onderzoekers werken met evolutionary structural optimization (ESO) and Thrust Network Analysis (TNA), een ontwerpmethode waarbij met behulp van computermodellen precies bepaald wordt waar materiaal nodig is om krachten op te vangen.

Schaaldak

De innovatie van het dubbelgekromde schaaldak zit in de vorm, die zeer efficiënt is door zijn structuur, en de toepassing van herbruikbare mallen. De dakconstructie van 150 m², met overspanningen tot 9 meter en een gemiddelde betondikte van 8 cm, is een sandwichstructuur, bestaand uit twee dunne lagen gewapend beton. De binnenste schaal is als eerste gemaakt met behulp van een staalkabelnet dat aan een – door steigers ondersteund – houten frame is opgespannen, waarbij het net met behulp van computeralgoritmes in de juiste kromming is getrokken. Daaroverheen is textieldoek aangebracht, en het wapeningsgaas waarop het beton wordt opgespoten. Vervolgens is op het beton een 10 cm dikke laag kunststof isolatieblokken aangebracht, waarop een tweede laag beton is gespoten. De twee lagen zijn onderling verbonden door dunne betonnen ribben en stalen stangen. Het staalkabelnet en het doek kunnen na verwijdering opnieuw worden gebruikt.

Diederik Veenendaal was bij dit gedeelte van het onderzoek betrokken en schreef daar eerder een artikel over voor Tektoniek: Optimalisatie van textielgevormde constructies.

Twee vloersystemen

Ranaudo, die aan de ETH in Zürich promoveerde op het onderzoek naar gewelfde, op druk belaste betonnen vloeren, ontwikkelde mede de vloersystemen die in het gebouw zijn getest. Het betreft een ‘simpel’ en een ‘fancy’ vloersysteem. Beide zijn opgebouwd uit een op druk ontworpen gewelf met daarop de ribbenstructuur die plaatselijke belastingen opvangt. De verticale krachten in de vloer worden afgedragen naar de kolommen op de hoeken, de horizontale krachten naar de wapeningsstaaf (diameter 12 mm) die rond de vloer is ‘geregen’.

Je ziet het lijnenspel in de ribben in principe niet; dat is verborgen onder het (gladde) gewelf. Om voor de beschouwer inzichtelijk te maken dat de vloer op deze bijzondere manier is ontworpen, zijn de krachtlijnen in de mal van de kunststof gewelf-bekisting met kunststof strips gemarkeerd. In het plafond van de vloer in HiLo zie je aldus het lijnenspel wel. Voor deze in het werk gestorte vloer werd eerst de kunststof plaatbekisting voor het gewelf gemaakt. Vervolgens is daarop de polyurethaan bekisting voor de ribben geplaatst en het beton gestort. Tot slot is de staalwapeningskabel rondom geplaatst. Het polyurethaan is behouden als isolatie. In de vloer zijn buizen voor installaties opgenomen voor verwarming en koeling.

Architectonische geste

De ‘fancy’ vloer is op dezelfde manier opgebouwd, met een ribbenvloer bovenop een gewelf. Maar in plaats van een bekisting van kunststof platen is hier gewerkt met 3D-geprinte kunststof mallen. “We wilden hiermee een architectonische geste maken, tonen welke mogelijkheden er zijn om een bijzonder beeld te creëren”, zegt Ranaudo. De golvende vormen in de vloer volgen de positie van de buizen die erin zijn opgenomen. Het idee was om door de integratie van klimaatinstallaties een betere distributie van warmte en koude te regelen. Het onderzoeksteam heeft echter besloten om in het vervolg installaties niet in de vloeren te storten. “Als het gaat om duurzaamheid, moeten we inzetten op zo veel mogelijk hergebruik van gebouwen, en daarvoor is flexibiliteit belangrijk”, legt Ranaudo uit. “Door de installaties van de draagconstructie te scheiden, kun je het gebouw eenvoudig aan veranderende eisen en wensen aanpassen, en materiaalstromen scheiden en recyclen.” Het beton voor de vloeren is ontwikkeld door Holcim Zwitserland, waarbij gebruik gemaakt is van 50% gerecyclede aggregaten.

Praktijk

Het maken van dit soort constructies op locatie is erg complex, en leent zich daardoor niet voor brede toepassing. Inmiddels is het vloersysteem doorontwikkeld tot een prefab systeem, dat geproduceerd wordt door het bedrijf VAULTED AG, mede opgericht door Ranaudo. Directe aanleiding daarvoor was het winnen van de prijsvraag voor het multifunctionele kantoorgebouw CreaTower in het Zwitserse Zug, samen met architectenbureau Gigon Guyer. De gewelfde vloerdelen voor dit project worden in de fabriek gemaakt en op locatie aan elkaar bevestigd. Het systeem biedt de vrijheid om leidingwerk op of onder de vloer aan te brengen. Akoestische isolatie kan, al dan niet gecombineerd met installaties, geplaatst worden in de vloerholtes, een verlaagd plafond of een opbouwvloer. In de CreaTower I, waarvan de bouw in 2025 start, worden installaties in een opbouwvloer weggewerkt, terwijl aan de – geprofileerde – onderzijde akoestische panelen in het beton worden vastgeschroefd.

Massaproductie op maat

VAULTED gaat de komende jaren vloeren realiseren voor een variatie aan gebouwtypen, van een kantorencomplex in Brussel en een datacenter in Frankrijk tot een parkeergarage en een schoolgebouw in Zwitserland. De volgende stap die het bedrijf wil zetten is woningbouw. “We proberen projecten te selecteren waarmee we kunnen laten zien dat het systeem zich leent voor een breed palet aan oplossingen”, zegt Ranaudo. “Niet alleen beeldbepalende, expressieve architectuur, maar ook op efficiency gerichte bouwwerken. Op maat gemaakte massaproductie, dat is het idee.”