Ontwerp en Analyse van een Universele Schaarcomponent voor Mobiele Architecturale Toepassingen

Lara Alegria Mira
 De schaar in het U2 podium
 
In september kon je er niet naast kijken. De Ierse rockband U2 was in het land, en wel met een gigantische podium en uitvouwbare megavideoschermen. Misschien besef je het niet maar die Klauw, zoals het U2 podium werd gedoopt, is één van de vele toepassingen van schaarstructuren.
Maar wat is het nut van scharen en wat maakt ze zo interessant?
Waarom verdienen schaarsystemen onze aandacht met het oog op duurzaam bouwen?

Ontwerp en Analyse van een Universele Schaarcomponent voor Mobiele Architecturale Toepassingen

 De schaar in het U2 podium

 

In september kon je er niet naast kijken. De Ierse rockband U2 was in het land, en wel met een gigantische podium en uitvouwbare megavideoschermen. Misschien besef je het niet maar die Klauw, zoals het U2 podium werd gedoopt, is één van de vele toepassingen van schaarstructuren.

Maar wat is het nut van scharen en wat maakt ze zo interessant?

Waarom verdienen schaarsystemen onze aandacht met het oog op duurzaam bouwen? Bestaan er systemen die je op verschillende manieren, voor verschillende doeleinden en meerdere keren kan gebruiken?

 

 

Als we door de straten van een stad lopen kunnen we er even bij stilstaan dat de meeste gebouwen statisch zijn en ontworpen voor een specifiek doel. Huizen, kantoren, winkels, culturele centra zijn gebouwd om minstens 50 jaar te blijven wat ze zijn. De bestemming ervan wijzigen is dan ook niet eenvoudig. Toch leven we in een zeer dynamische tijd waarbij de mobiliteit van mensen en goederen is toegenomen. Het is dus zeer interessant, ja zelfs noodzakelijk,  om ook voor de bouwstructuren de mogelijkheden van niet-statische en mobiele systemen te onderzoeken.

Zouden we allemaal niet een beetje Bono van U2 willen zijn, die kan spelen met de vorm van zijn videoscherm? Het zou toch handig zijn om in een snel veranderende samenleving over structuren te beschikken die hun vorm en functie kunnen aanpassen. Op deze manier kunnen ze tegemoet komen aan wijzigende omstandigheden, snel en gemakkelijk worden ingezet en achteraf weer verwijderd worden zonder beschadiging van de locatie. Dit is niet alleen voordelig maar ook nog eens duurzaam.

 

Uitvouwbare schaarconstructies

Wel al eens een paraplu gebruikt of een partytent opgezet? Die kan je vrij simpel openen en weer terugvouwen. Zelfs de populaire seconden-tenten van Quechua zijn toepassingen van het concept van uitvouwbare structuren: je haalt ze opgeplooid uit de zak en gooit ze in de lucht om de tenten op te zetten. Tegenwoordig zijn de belangrijkste toepassingsgebieden de lucht- en ruimtevaartindustrie, waar zeer compacte, lichtgewicht lading van het grootste belang is, zoals uitvouwbare zonnepanelen of satellietelementen. Maar ook in de architectonische bouwwereld zijn ze van toepassing, zoals uitvouwbare daken voor sportstadions (Wimbledon) of verplaatsbare, tijdelijke en lichte structuren.

De bedoeling is om mobiele uitvouwbare onderdaksystemen te ontwerpen. Deze zijn voorzien van een overkoepelend zeil dat bescherming biedt tegen het weer en een ruimte creëert voor verschillende menselijke activiteiten: noodopvang na natuurrampen, tentoonstellingspaviljoenen, recreatieve structuren, tijdelijke gebouwen in afgelegen bouwplaatsen, verplaatsbare hangars...

 

Wel, hiervoor zijn schaarstructuren, een deelverzameling van uitvouwbare structuren, zeer effectief. Ter vergelijking nemen we een gewone schaar: in gesloten vorm steekt de schaar in je pennenzak om hem later boven te halen en te openen als je moet knippen. Schaarstructuren werken op dezelfde manier. Ze zijn eigenlijk netwerken van schaareenheden. Net zoals een gewone schaar bestaan deze eenheden uit twee staven die met elkaar verbonden zijn via een scharnierpunt dat een rotatie toelaat. In de compacte toestand is de stavenbundel gemakkelijk te transporteren. Op de site wordt de stavenstructuur uit elkaar getrokken waardoor een groter overkoepelend volume, en dus bruikbare ruimte, gecreëerd wordt. Bovendien hebben schaarstructuren het grote voordeel van snelheid en gemak bij het opzetten en demonteren.

 

Uitvouwbare schaarconstructies hebben twee functies. Enerzijds kunnen ze bewegen: door wenteling rondom het scharnier kan een scharenbundel geopend worden om een ruimte te creëren en daarna omgekeerd weer gebundeld worden voor opslag of vervoer. Anderzijds kunnen schaarconstructies, net zoals een statische constructie, toch een last dragen: als het scharnier geblokkeerd wordt, is het systeem tijdelijk vast waardoor het aan klimaatkrachten kan weerstaan of een bepaald gewicht kan dragen.

 

De Moederschaar

De voorgestelde schaarstructuren zijn totnogtoe steeds voor één specifieke toepassing bedoeld. Wil je een andere ruimte of een andere vorm, omdat de eisen zijn gewijzigd of een nieuwe activiteit wordt beoogd, dan moet steeds opnieuw het hele ontwerpproces worden overgedaan. Bovendien is hergebruik van de scharen voor een ander toepassing helemaal niet vanzelfsprekend. En als er nu eens sprake was van een “Moeder”schaar, de koningin van het scharenuniversum?

De Universele Schaar is zodanig ontworpen dat het eigenlijk een combinatie is van de bestaande technieken om staven te verbinden tot scharen. Op deze manier kan je met één component, met deze unieke schaar, verschillende constructies maken. Afhankelijk van de verbindingswijze van de Universele Schaar kan je ruimtes creëren die verschillen in vorm en grootte: van tongewelven tot koepels met overspanningen van 4m tot 17m. Dit betekent een ruime meerwaarde voor tijdelijke mobiele constructies.

De Universele Schaar beantwoordt daarenboven ook aan belangrijke aspecten van duurzaamheid. De uniformiteit van de Universele Schaarcomponent laat massaproductie toe, waardoor tegen lagere kostprijs kan worden gewerkt. Bovendien kunnen die constructies meer dan één keer gebruikt worden. Het materiaal en componenten kunnen worden hergebruikt, waarbij dus kan ingespeeld worden op veranderende omstandigheden, behoeftes of toepassingen.

 

Kan dit wel gebouwd worden?

Is het concept van de Universele Schaar ook in werkelijkheid haalbaar? Met een speciaal rekenprogramma is de schaarconstructie virtueel nagebouwd om de afmetingen van de staven van de schaarcomponenten te berekenen. Dunne staven maken de constructie lichter, en zijn gemakkelijker open te vouwen. Dat betekent dan ook eenvoudiger te bouwen. Een algemene typische schaarconstructie is berekend onder invloed van de krachten van sneeuw en wind volgens de huidige Europese bouwnormen. Het resultaat heeft aangetoond dat voor een constructieruimte met overspanning van 17m slechts een staafdiameter nodig is van amper 5cm. Deze uitkomst bewijst dat uitvouwbare structuren met Universele Schaarcomponenten ook daadwerkelijk haalbaar en bruikbaar zijn.

 

 

 

De dynamiek van de huidige tijdsperiode en de behoefte aan duurzame oplossingen zijn niet langer te rijmen met een blijvend beslag op een plek door monofunctionele gebouwen, die zich nog slechts met veel moeite en tegen hoge prijs laten aanpassen. De maatschappij verandert, waarom zouden de constructies dan niet mee veranderen? Mobiele uitvouwbare schaarstructuren kunnen derhalve, dankzij hun flexibiliteit in gebruik, vorm en volume, een belangrijke rol vervullen in de hedendaagse architectuur en bouw. Bovendien dragen Universele Schaarcomponenten als logische stap ook nog verder bij tot een duurzaam gebruik van middelen. Een echte win-win situatie dus!

 

Bibliografie

 ARAB [2002], Algemeen Reglement voor de Arbeidsbescherming, Available at:http://www.arab.be/net/net01.nsf/p/9663BC546F2702AF80256AA2003895CF, Accessed 20 May 2010

 

Baldwin J. [1996], BuckyWorks Buckminster Fuller’s Ideas for Today, 1st edition, John Wiley & Sons Inc., New York, 243p.

 

De Temmerman N. [2007], Design and Analysis of Deployable Bar Structures for Mobile Architectural Applications, PhD Dissertation, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, 314p.

 

Escrig F. [1985], Expandable space structures, Space Structures Journal, Vol.1, No.2, p.79-91

 

Escrig F. and Valcarel J.P. [1993], Geometry of Expandable Space Structures, International Journal of Space Structures, Vol.8, Nos.1&2, p.71-84

 

Eurocode 1, [2006], Actions on structures, European Standards.

 

Eurocode 3, [2007], Design of steel structures, European Standards.

 

Fundacion Emilio Perez Pinero, Available at: http://www.emilioperezpinero.com, Accessed 19 May 2010

 

Gantes C.J. [1997], An improved analytical model for the prediction of the nonlinear behavoir of flat and curved deployable space frames, Journal of Constructional Steel Research, Vol.44, Nos.1&2, p.129-158

 

Gantes C.J. [2001], Deployable structures: Analysis and Design, WIT Press, Southampton, 351p.

 

Grasshopperâ [2009], The Grasshopper Primer, Second Edition for version 0.6.0007, Andrew Payne & Rajaa Issa

 

Grupo ESTRAN c.a. [2005], Available at: http://www.grupoestran.com, Accessed 20 May 2010

 

Hanaor A., Levy R. [2001], Evaluations of Deployable Structures for Space Enclosures, International Journal of Space Structures, Vol.16, No.4, p.211-229

 

Hoberman C. [1990], Reversibly Expandable Doubly-Curved Truss Structures, United States Patent, No. 4,942,700

 

Hoberman C. [1991], Radial Expansion/Retractable Truss Structures, Unites States Patent, No. 5,024,031

 

Hoberman Associates Inc.ã, Available at: http://www.hoberman.com, Accessed 19 May 2010

 

Jensen F.V. [2004], Concepts for retractable roof structures, PhD Dissertation, University of Cambridge, Cambridge, 158p.

 

Kassabian P.E. [1997], Investigation into a type of Deployable Roof Structure, Master’s Dissertation, University of Cambridge, Cambridge.

 

Kokawa T. [1995], A Trial of Expandable Arch, Proceeding of IASS, Milan, Academic Journal 1995, Vol.1, p.501-510

 

Kokawa T. [1996], Scissors arch with zigzag-cable through pulley-joints, Proceeding of IASS, Stuttgart, Academic Journal 1996, Vol.2, p.868-875

 

Langbecker T. [1999], Kinematic Analysis of Deployable Scissor Structures, International Journal of Space Structures, Vol.14, No.1, p.1-16

 

Langbecker T., Albermani F. [2001], Kinematic and non-linear analysis of foldable barrel vaults, Engineering Structures, Vol. 23, p.158–171

 

Latteur P. [2000], Optimisation et prédimensionement des arcs et des treillis sur base d’indicateurs morphologiques – Application aux structures soumises en partie ou en totalité au flambement, PhD Dissertation, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, 292p.

Lobel Frames [2005], Available at: http://www.equilatere.net, Accessed 22 May 2010

 

Melin N. [2004], Application of Bennett Mechanisms to Long-Span Shelters, PhD Dissertation, University of Oxford, Oxford, 182p.

 

Performance S.L., Available at: http://www.performance-starbooks.com, Accessed 19 May 2010

 

RhinocerosÒ [2008], User’s Guide Version 4.0, Robert McNeel & Associates

 

Rückert G.C. [2000], Wandelbare hybride Konstruktionen Von der morphologischen Studie zum Prototyp, PhD Dissertation, Technischen Hochschule Zürich, Zürich, 94p.

 

SCIA [2007], Manuel SCIA Engineering Structural Applications Professional Technology, Nemetschek Scia

 

Snelson K., Available at: http://www.kennethsnelson.net/sculpture, Accessed 20 May 2010

 

STANAG 2895 [1990], Extreme Climatic Conditions and Derived Conditions for Use in Defining Design, Standardisation Agreement NATO

 

Structurflex Ltd. [2008], Available at: http://www.structurflex.com, Accessed 20 May 2010

 

Timko Ltd.ã, Available at: http://www.ropesandtwines.com, Accessed 19 May 2010

 

VAC 2 [2009], Vorm Active Constructies 2, Vrije Universiteit Brussel, Brussels

 

Van Mele T. [2008], Scissor-Hinged Retractable Membrane Roofs, PhD Dissertation, Vrije Universiteit Brussel, Brussels, p.228

 

Wikipediaâ [2010], Wikimedia Foundation Inc., Available at: http://en.wikipedia.org, Accessed 19 May 2010

You Z. and Pellegrino S. [1997], Foldable bar structures, International Journal of Solids and Structures, Vol.34, No.15, p.1825-1847

 

Zeigler T.R. [1981], Collapsible self-supporting structures and panels and hub therefore, United States Patent, No. 4,290,244