Buigzaam als glas

Mick Eekhouts ideale bouwmateriaal is `Zappi': glas met de mechanische eigenschappen van aluminium, transparant en sterk genoeg om constructief toe te passen in gebouwen. De eerste experimentele Zappi-elementen lijken de belofte van buigzaam glas waar te maken.

`Zo hard als staal', maar `zo breekbaar als glas'. Ondanks die rechtlijnige tegenstelling zijn er sinds de jaren zeventig veel gebouwen verrezen waarvan de façades uit deze twee bouwelementen zijn samengesteld. Maar een nauwkeuriger inspectie leert al snel dat staal en glas niet op gelijkwaardige wijze worden toegepast. Vanwege de grote breekbaarheid kan glas niet constructief worden gebruikt. De imposante glazen kolossen zijn in werkelijkheid constructies van beton en staal waarin met zorg glazen panelen zijn aangebracht.

Al eeuwen lang wordt glas in de bouwkunde toegepast als een transparante barrière die een gebouw van daglicht voorziet en tevens wind, regen en kou buitensluit. Maar vanwege de slechte mechanische eigenschappen van glas, is een raam eigenlijk niets anders dan een gat in de muur waarin een glasplaat is aangebracht. Op geen enkele wijze maakt het glas deel uit van de constructie; het moet zich noodgedwongen schikken in de rol van nuttig ornament. De mechanische tekortkomingen van glas beperken de toepasbaarheid ervan in de bouwkunst. Grote glazen oppervlakken moeten worden opgebouwd uit kleinere panelen die individueel ondersteund worden door een metalen constructie die de druk- en treklasten kan opvangen. Want zelfs het spanningsloos monteren van glazen panelen leidt soms tot problemen. Tijdens de bouw van het John P. Hancock Building in Boston vlogen op winderige dagen talloze ramen uit hun sponningen. Op weg naar beneden beschadigden die panelen weer andere. Daarom werd een groot aantal glazen panelen tijdelijk vervangen door multiplex platen, hetgeen het gebouw de bijnaam `the plywood skyscraper' opleverde. Niet de directe winddruk was de oorzaak van die ellende, maar de beweging van het gebouw als geheel, veroorzaakt door de wind. De glazen panelen werden letterlijk uit de sponningen gezogen, en dat probleem kon alleen worden verholpen door bovenop het gebouw een tegenwicht aan te brengen dat die beweging neutraliseert. Bij het gebruik van glas in de architectuur worden al snel de grenzen van de mogelijkheden bereikt.

hoogleraar

Mick Eekhout (1950) studeerde van 1968 tot 1973 bouwkunde in Delft. Na zijn afstuderen (summa cum laude) bij de hoogleraren Jaap Oosterhof en Carel Weeber, werkte hij twee jaar in dienstverband, om vervolgens zijn eigen architectenbureau op te richten waarin hij acht jaar lang actief werkzaam was. In 1982 vestigde hij het bedrijf `Octatube Space Structures' dat gespecialiseerd is in het ontwerpen en realiseren van driedimensionale constructies voor de bouw en de architectuur. In 1989 volgde zijn promotie (cum laude) bij Oosterhof en Zwarts op het proefschrift `Architecture in Space Structures'. Sinds 1992 is Eekhout zelf hoogleraar aan de Faculteit Bouwkunde van de Technische Universiteit Delft, waar hij voor twee dagen in de week is aangesteld om invulling te geven aan de leerstoel `Produkt-ontwikkeling in de Architectuur'.

Veel van Eekhouts constructies hebben een stalen framework, en in toenemende mate wordt glas gebruikt voor de gezichtsbepalende afwerking. Al vroeg in zijn carrière werd hij geconfronteerd met de specifieke beperkingen van glas. Zo werden in 1984 in één weekend 14 ruiten stukgegooid van de glazen koepel die Eekhout geconstrueerd had voor het muziekpaviljoen in de Haarlemmerhout. Reeds toen ontwikkelde zich het denkbeeld dat er zoiets zou moeten worden ontwikkeld als transparant staal: doorzichtig, sterk en buigzaam.

In januari 1992 werd in Amsterdam een publieke discussie gehouden tussen Eekhout en zijn promotor Oosterhof, over de culturele betekenis van ijzer. Discussieleider Thijs Asselbergs, voormalig bouwmeester van Haarlem, vroeg hun de eigenschappen te omschrijven van het ideale bouwmateriaal. Aan dit nog onbekende materiaal had hij de werknaam `Zappi' gegeven. Eekhout beschreef toen een materiaal dat de mechanische eigenschappen van aluminium (of staal) verenigt met de transparantie van glas. Transparant aluminium of buigzaam glas – Mick Eekhout had vanaf dat moment een naam voor het materiaal van zijn dromen: Zappi. Voor het overwinnen van de praktische bezwaren die tussen zijn droom en de werkelijkheid lagen ging hij op zoek naar een geschikte onderzoeker.

Fred Veer promoveerde in 1993 bij de Subfaculteit Technische Materiaalwetenschappen van de Technische Universiteit Delft op het onderwerp van de vermoeiingsgroei van aluminium. Twee jaar later werd hij als universitair docent aangesteld bij de Faculteit Bouwkunde. Eekhout had in Veer de onderzoeker gevonden die hij nodig had: een materiaalkundige die alles wist van de eigenschappen van aluminium, eigenschappen die Eekhout aan glas wilde geven. `Geef mij Zappi', luidde de opdracht van Eekhout. Nadat hij eraan had toegevoegd dat de ontwikkeling daarvan wat hem betreft een mensenleven in beslag mocht nemen, zag Veer af van het impulsieve antwoord `onmogelijk'. In plaats daarvan maakte hij een gedegen studie van de probleemstelling. Daarin werden alle mogelijkheden geanalyseerd voor de verwezenlijking van Zappi. Kan aluminium de eigenschappen van glas krijgen, of glas die van aluminium? Is er wellicht nog een ander materiaal denkbaar dat de gewenste eigenschappen van beide in zich verenigt? Veer kwam tot de conclusie dat het uitgangspunt glas moest zijn, en dat daarvan het breukgedrag moest worden beïnvloed om het de constructieve kwaliteiten van aluminium te geven. Hij vond inspiratie in een Delftse vinding bij de Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek: ARALL (ARamide ALuminium Laminaat), een sandwich van verschillende materialen met een, voor het gewicht, unieke vermoeiings-bestendigheid.

Mick Eekhout was verantwoordelijk voor het constructieve ontwerp van de AGA-zaal: de glazen muziekzaal in de Beurs van Berlage. Architect Peter Zaanen kreeg in 1990 de opdracht om dit honderd jaar oude gebouw te renoveren, waarbij geen concessies mochten worden gedaan aan de oorspronkelijke integriteit van de architectuur van Berlage. Eekhouts `glazen doos' met een inhoud van 2.000 m³ heeft, ter verbetering van de akoestiek, aan één van de 20 meter lange zijden een `buikje' (als bij een cello) gekregen. De concertbezoekers kunnen tijdens een muziekuitvoering genieten van de imposante architectuur van het beursgebouw, terwijl buiten de muziekzaal het geluidsniveau 24 decibel lager ligt dan binnen. Het cellobuikje en een vijftigtal akoestische panelen maken de glazen muziekzaal geschikt voor cd-opnamen. Het bijzondere aan de constructie is, dat hier voor het eerst in Nederland glas wordt toegepast in een dragende functie. De AGA-zaal is 9 meter hoog, en de vijf glazen panelen die deze hoogte overbruggen zijn hangend geconstrueerd, waarbij het bovenste paneel de vier ondergelegen panelen draagt. Alleen tijdens de bouw is door onachtzaamheid een aantal glasplaten gesneuveld. De laatste twijfels rond de integriteit van het ontwerp werden weggenomen nadat noch het afvuren van vijf losse flodders uit een pistool, noch de beruchte destructieve resonantie van de `hoge C' merkbare trillingen in de glazen constructie teweegbracht. Dat is tevens, met een ruime veiligheidsmarge, de reikwijdte van de toepasbaarheid van conventioneel, voorgespannen glas. Deels dragend, maar merendeels ondersteund door een visgraatstructuur van trek- en drukspannings-verlichtende staalkabels. Wie verder wil reiken, heeft Zappi nodig.

sterk en broos

Een conventionele glasplaat is eigenlijk één enorm vormloos siliciumoxide molecuul (met sporadisch ingebedde metaalionen) van zeer dichte structuur. Het heeft hierdoor een grote stijfheid, en hoewel betrekkelijk sterk, is het tevens zeer broos. Bij kamertemperatuur zijn de atomen gefixeerd, en kunnen zij alleen bewegen wanneer de onderlinge chemische bindingen verbroken worden. Energie als gevolg van spanningen in het materiaal kunnen niet gedissipeerd worden, en de enige uitweg voor die energie is het vormen van een scheur. Maar zelfs het kleinste scheurtje in glas heeft de neiging snel te groeien om ten slotte tot een fatale breuk te leiden. De weerstand van glas tegen het optreden van dergelijke scheurtjes kan worden verbeterd door het te behandelen. Het meest gebruikte procédé is het zogenoemde `thermisch harden', waarbij het glas langzaam wordt verwarmd tot boven het punt waarop het zacht wordt, en vervolgens snel wordt afgekoeld. Nog sterker glas kan worden verkregen door het te behandelen in een ionenuitwisselaar. Daarin worden de in het glasoppervlak aanwezige natrium-ionen vervangen door kalium-ionen die veel groter zijn, waardoor er in het oppervlak compressiespanningen ontstaan die het glas veel harder maken. Dit zogeheten `voorgespannen glas' is weliswaar resistenter tegen het optreden van scheurtjes, maar wanneer het bezwijkt gebeurt dit vaak met een harde knal en het uiteenspatten in vele kleine fragmenten. In het dagelijks leven is een kapotte autoruit het meest aansprekende voorbeeld.

Geïnspireerd door ARALL creëerde Veer een sandwich bestaande uit vijf lagen van chemisch gehard glas afgewisseld met polycarbonaat, en verlijmd met een polyurethaan lijm. De resultaten van deze eerste proef waren teleurstellend: de lijmlaag was te dik en te slap, waardoor de sandwich niet veel betere mechanische eigenschappen had dan voorgespannen glas van dezelfde afmetingen. Er werd daarom gezocht naar een lijm die in een zeer dunne laag een hoge kleefkracht heeft, en die sterk is maar tegelijkertijd bros. Dat laatste is van belang om het scheuren van de glaslagen tegen te gaan. Wanneer namelijk de lijmlaag de energie absorbeert en vervolgens lokaal `breekt', wordt de spanning op de glaslaag verlicht. Tenslotte zou het bijzonder prettig zijn indien de lijm pas onder invloed van een externe katalysator zou harden, want dat maakt de fabricage van dergelijke sandwiches een stuk eenvoudiger. De wonderlijm werd gevonden in de zogeheten `blauw-licht lijm', die onder normale omstandigheden een heel dunne film tussen de te verlijmen lagen vormt, en pas onder invloed van intens blauw licht binnen enkele tientallen seconden polymeriseert tot een zeer krachtige verbinding.

Overal ter wereld heeft Eekhout met succes architectonische hoogstandjes in glas gerealiseerd: een glazen wenteltrap in een van de vele koninklijke paleizen in Saoedi-Arabië, de imposante kozijnloze glazen voorgevel (52 meter hoog en 16 meter breed) van een kantoorgebouw in Tel Aviv, en twee glazen façaden (32 meter hoog en 12 meter breed) in de 250 meter hoge Citicorp Skyscraper in Hongkong. Die laatste constructies moesten berekend zijn op een uitzonderlijk hoge windbelasting van 525 kg/m². Ter vergelijking: in Nederland ligt de norm op slechts een vijfde hiervan. En in Tokio doorstond een proefopstelling een aardbeving met een kracht van 6 op de schaal van Richter. Slechts éénmaal heeft Eekhout een opdracht niet kunnen volbrengen. Pi de Bruyn, architect van het nieuwe hoofdkantoorgebouw van verzekeringsmaatschappij Zwitserleven in Amstelveen, vroeg hem een glazen constructie van 27 meter lang en 2 meter hoog te ontwerpen. Maar uitvoerige laboratoriumexperimenten gaven slechts één onvermijdelijke uitkomst: alleen met behulp van een spanwerk van staalkabels en steunpunten kon een dergelijke afstand veilig overspannen worden. De Bruyn voelde daar niets voor, en omdat Zappi nog niet bestond ging het plan niet door.

transparante trap

Op basis van sandwiches van chemisch gehard glas en polycarbonaat, bijeengehouden door blauwlicht lijm, hebben Veer en zijn studenten de afgelopen jaren hard gewerkt aan het ontwikkelen van de basiscomponenten van Zappi. Als conceptueel model wordt een kubusvormig gebouw voorgesteld van 20 bij 20 bij 20 meter, waarin alle bovengrondse componenten transparant zijn. Niet alleen het dak, de muren en de vloeren, de trappen, de deuren en de ramen, maar ook de verbindingen, de scharnieren en de sloten zijn volledig doorzichtig. Niemand zal een totaal transparant gebouw willen verwezenlijken, maar na een geslaagde `proof of principle' is het voor architecten mogelijk onderdelen uit het transparante gebouw aan te wenden in levensechte projecten. Een volledig transparante trap bijvoorbeeld, of transparante dragende kolommen in het interieur.

De drie Zappi-basiselementen waaruit vrijwel iedere structuur gebouwd zal kunnen worden zijn de afgelopen maanden met toenemend succes getest. Een Zappi-steunbalk van twee meter lang en 20 centimeter hoog bezweek niet onder overbelasting, maar boog slechts licht door, net zoals een aluminium ligger zou doen. De dimensionering van die balk was niet toevallig vrijwel een 1:10 model van Eekhouts Zwitserleven-uitdaging. Een vlakke Zappi-plaat overleefde 50 inslagen van een vallend, gepunt stalen blok. En een Zappi-kolom, opgebouwd uit twee gelamineerde concentrische glazen buizen, bleek een enorme draagkracht te hebben en bij overbelasting niet te bezwijken. Onder de opgelegde overbelasting verkruimelde de kolom en verkortte hierdoor, maar behield een grote restdraagkracht. Een gewone glazen kolom bezwijkt bij overbelasting onder een hoek van 45 graden, maar bij de Zappi-kolom treedt geen afschuifkracht op en ontwikkelen de scheuren zich horizontaal. De verticale kracht drukt de scheuren vervolgens dicht, waardoor een verkruimeling en verkorting van de kolom optreedt zonder dat het geheel bezwijkt. Daarmee heeft het experimentele Zappi-materiaal daadwerkelijk de eigenschappen van aluminium gekregen. Niet alleen zijn de doorbuiging en de restdraagkracht na overbelasting van vergelijkbare grootte, Zappi heeft bovendien als voordeel dat de overbelasting zichtbare sporen in het materiaal nalaat, waardoor de veiligheid toeneemt omdat het materiaal als het ware aangeeft dat het tijd is voor onderhoud of vervanging.

Eekhout besloot zijn inaugurele rede in 1992 met de uitspraak `Vir prudens non exspectat dum alii Zappi inveniant', ofwel: Een verstandig man wacht niet tot anderen Zappi uitvinden. Acht jaar later hebben Fred Veer en zijn studenten de eerste Zappi-elementen ontwikkeld die de transparantie van glas en de mechanische eigenschappen van aluminium in zich hebben verenigd. En het einde van de ontwikkelingen is nog lang niet in zicht. Behalve aan een verdere verbetering van de mechanische eigenschappen van Zappi wordt momenteel ook nagedacht over de mogelijkheid om het materiaal brandwerend te maken. Tevens leent de sandwich-opbouw zich uitstekend voor het toepassen van coatings waarmee de thermische- en akoestische impedanties kunnen worden beïnvloed. Met behulp van holografische folies kan de invalsrichting van het (dag)licht kan worden aangepast, en een LCD-laag kan de mate van transparantie veranderen. De mogelijkheden van het transparante aluminium hebben geen zichtbare grenzen: The sky is the limit for Zappi.