Vorm volgt kracht
Een gebogen vorm is sterker dan een vlakke constructie, maar hoeveel exact is onbekend. Promovendus Qingpeng Li onderzocht het door diverse schaalconstructies aan de tand te voelen. Daaruit blijkt dat een klein boogje al een enorme versterking geeft.
De poten van een kunststof schaalconstructie bezwijken bij drukproeven minder snel als ze niet plat zijn, maar licht gekromd. Daarover laten laboratoriumproeven geen twijfel. “Bij een van de proeven werd de constructie vier maal sterker door alleen de randen naar binnen te buigen,” vertelt Qingpeng Li. In andere proeven leverde naar buiten gebogen pootranden anderhalf tot twee maal meer sterkte op.
Het is handig om een dergelijk inzicht te hebben in de krachtenwerking van constructies, want dan kun je ze realiseren met minder materiaal. Bovendien maken nieuwe productietechnieken als 3D printers en CNC gestuurde machines ‘vrije vorm’ architectuur steeds makkelijker realiseerbaar. Bouwers maken vormen die vroeger ondenkbaar waren. Logisch om dan te kiezen voor de vorm die de grootste sterkte geeft, constateert Li in zijn proefschrift 'Form follows force: a theoretical framework for Structural Morphology, and Form-Finding research on shell structures'.
De promovendus vergeleek de vorm van constructie met het constructief gedrag ervan en bekeek wanneer een evenwichtssituatie ontstaat. Daartoe onderzocht hij de krachtenafdracht bij schaalconstructies zowel in computermodellen als in het laboratorium. Op basis van zijn bevindingen formuleerde hij een theoretisch kader voor ‘structurele morfologie’ – de vormenleer voor constructies. Hij formuleerde ook aanbevelingen voor constructieve optimalisatie en bedacht daarvoor een formule: B=f(A). B staat daarin voor het constructieve gedrag in een evenwichtstoestand, A voor het constructieve systeem in de beginsituatie en f voor het optimalisatieproces. Li koos voor schaalvormen omdat deze bij uitstek bij de krachtenafdracht profiteren van hun vorm. Een rechte balk dankt zijn draagvermogen voornamelijk aan de sterkte van het gebruikte materiaal. Een schaal maakt gebruik van zijn vorm, waardoor er zelfs een breekbaar materiaal voor kan worden gebruikt. In zijn zoektocht naar de ideale vorm onderzocht Li onder meer hangende modellen en pneumatische gevormde modellen. Met behulp van hangende modellen vervaardigde hij schaalconstructies van kunststof en met behulp van opblaasbare membranen constructies van ijs. Door vezels toe te voegen ter verbetering van de buig- en treksterkte is een dunne laag bevroren water sterk genoeg om een 30,54 meter hoge schaalconstructie mee te bouwen, bewees hij. Deze constructie bouwde hij met een team in Harbin in China. In een workshop met studenten bleken uit mortel vervaardigde schaalvormen erg sterk. Deze braken zelfs niet wanneer ze erop gingen staan. De studenten zakten pas door hun model heen toen ze schalen uit gips vervaardigden.
Kan moderne calculatiesoftware dergelijke uitkomsten niet eenvoudig voorrekenen? Nee, zegt Li. “Calculatiesoftware kan een goede indicatie geven, maar de exacte interne krachtenwerking van een schaalconstructie kun je er niet mee vaststellen. Er is daarom nog veel validatiewerk te verrichten, stelt hij. Levert dat uiteindelijk de perfecte vorm op? Li: “Nee, die bestaat niet. Alles is afhankelijk van de toepassingswijze.”