Wat zijn constructief sterke vormen?

Pak een touwtje vast aan beide uiteinden en je vindt een natuurlijke boog, waarbij het touw op trek belast blijft hangen. De vingertoppen vormen de vasthoudpunten, waarbij eigenlijk tussen die twee punten een onzichtbare trekkracht aanwezig is. Het is de meest natuurlijke vorm in de hangende omstandigheid. Wordt die vorm omgedraaid is het goed bestand tegen druk. Boogwerking is binnen de architectuur sinds de oudheid de meest in het oog springende vorm, omdat via drukkrachtactivering de boog in stand wordt gehouden. Waarom werken bepaalde vormen uitermate goed om krachten op te nemen?

Constructief sterke vormen

• Profiel doorsneden en sterke vormen
• Samengestelde profielen met driehoeken
• Een kruis
• Ronde bogen en daken
• Spatkrachten opvangen
• Meest natuurlijke afdracht van belastingen

Profiel doorsneden en sterke vormen

Standaard liggerdoorsneden, zoals bij staal hebben relatief veel materiaal in de uiterste vorm. Dit heeft te maken met hoe de doorsnede wordt belast. Normaal komt er gewicht op een ligger te staan, waarna de ligger een moment moet opnemen. Dit wordt standaard ontbonden in een drukkracht bovenin en een trekkracht onderin. Door juist op die posities meer materiaal aan te brengen kan meer belasting worden opgenomen. Naarmate er meer materiaal of staal in de uiterste positie wordt aangebracht neemt de sterkte toe. Dit vertaalt zich dan ook logischerwijs naar profielvormen, zoals HEA, HEB, HEM, IPE, L-staal enzovoorts.

Samengestelde profielen met driehoeken

Dienen grote afstanden met een ligger overbrugd te worden dan kunnen conventionele liggers of doorsneden dat niet aan danwel wordt de verhouding kosten en baten erg ongunstig. In dat geval dienen er samengestelde liggers te worden toegepast. Een enkele driehoek verdeelt een druklast over de twee poten, echter de onderste doorsnede wordt dan niet meer op druk maar op trek belast. Vakwerkliggers worden uitgevoerd door allemaal kleine driehoekjes samen te brengen. Het resulteert in een grote drukband in de bovenzone en trekband in de onderzone van de vakwerkligger. Door het naar buiten verplaatste materiaal kan veel traagheidsmoment en weerstandsmoment worden opgebouwd, zodat het veel lasten kan opnemen.

Een kruis

Een kruis is meestal opgenomen in een vierkant, zodat een viertal driehoeken ontstaat. Indien die vierhoek van de ene kant wordt belast (bijvoorbeeld door wind) dan zal de ene schuine stang trek gaan opnemen terwijl in de andere schuine druk komt. Meest belangrijke is uiteraard het trekdeel, omdat daarmee het vierkant als het ware een vierkant wordt gelaten zonder dat er vervorming optreedt. Komt de belasting van de andere kant dan is er hetzelfde resultaat. Daarmee vormt het kruis een zeer belangrijjk constructieve vorm om stabiliteit te leveren bij windlasten.

Ronde bogen en daken

Een ronde vorm in een verticaal belaste muur kan prima lasten afdragen. Omdat de belasting van boven komt wordt de vorm feitelijk dichtgedrukt. Druk kan bij kalkzandsteen, metselwerk, natuursteen of beton uitermate goed worden opgenomen. Door de boog drukt de eerste steen de volgende steen aan. Door de opgeslotenheid (tegenwerkende gedrongenheid) van de stenen vervormt het niet. Daardoor wordt de ronde vorm in stand gehouden en vloeit de verticale belasting door druk in het materiaal om de opening heen. Uiteraard dient naast de opening voldoende materiaalmassa aanwezig te zijn om de ontstane horizontale kracht op te kunnen nemen, zonder dat het toegepaste materiaal breekt, scheurt of uiteen spat.

Spatkrachten opvangen

Probleem bij het maken van ronde bogen in daken is dat er een horizontale belasting naar buiten wordt geïntroduceerd. Bij een brug wordt een boog tegengehouden door de volgende boog tot het vaste land wordt bereikt. Bij daken is die werking er niet en dus bestaat de kans dat het dak inzakt door het afschuiven van de oplegpunten. Dit probleem werd reeds in de oudheid bij de bouw van kerken en kathedralen ingezien, waartoe horizontale trekankers werden toegepast. Door om de zoveel meter een stalen trekker aan te brengen, kon de vorm weer in balans worden gebracht. Slechts verticale lasten bleven daarbij over. Dit principe is uiteraard vandaag nog steeds aan de orde van de dag, waarbij boogdaken door horizontale trekkers worden uitgevoerd. Let wel dat als een boog dak met een horizontale ronde doorsnede heeft kan een trekband erom heen worden toegepast, zodat de horizontale trekankers het zicht naar boven niet belemmeren.

Meest natuurlijke afdracht van belastingen

Om een constructie aan te brengen is het altijd verstandig om de meest natuurlijke manier van afdracht te gebruiken. Ronde vormen of driehoeken zullen dan ook altijd terugkomen, omdat er veel sterkte uit behaald kan worden. Daarnaast kan het eveneens esthetisch verantwoord zijn. Het is altijd van belang om bij gebouwen op een verantwoorde manier met vormgeving om te gaan, waarbij architectonisch ontwerp constructief verantwoord is. Het houdt dan ook vaak in dat de constructeur tezamen met de architect ontwerpen in samenspraak tot een goed einde maken.

Lees verder

• Waarom hebben stalen liggers een bepaalde vorm?
• Het bewerken van staal: methoden van vervorming en bewerking
• Wat houdt mechanische spanning (constructief) in?
• Wat zijn veiligheidsklassen bij constructieve berekeningen?
• Waarom wordt een bepaald constructiemateriaal toegepast?