Echo van Zoro Feigl, een kinetisch kunstwerk, hoog in het atrium van Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Figuur 1. Doorbuiging van het kunstwerk onder het eigen gewicht, door belasting van ringen op de minst gunstige plek. Verplaatsingen zijn 10x vergroot weergegeven.
Copyright: Movares
Figuur 2. Vervorming van de ringen (met name de buitenste ring), door de trekkracht die de ophangkabels in het vlak op de ring uitoefenen. Verplaatsingen zijn 10x vergroot weergegeven.
Copyright: Movares
Figuur 3. Screenshot van de dynamische (tijdsafhankelijke) simulatie van het bewegende kunstwerk, uitgevoerd in aluminium en met het doek.
Copyright: Movares
Figuur 4. Fragment van de ‘wispervolgorde’, één van de standaardsignalen waar in de industrie gebruik van wordt gemaakt. De pijl geeft het maximale niveau aan. Het totale signaal representeert 25 jaar.
Copyright: Movares
Figuur 5. Vergelijk benodigde massa voor opnemen vermoeiingsbelasting. Bij de vezelversterkte materialen (ook hout) worden de eigenschappen in vezelrichting bedoeld.
Copyright: Movares
Figuur 6. Vergelijk milieuschade die gepaard gaat met het opnemen van het wisper-vermoeiingsspectrum.
Copyright: Movares
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Echo van Zoro Feigl, een kinetisch kunstwerk, hoog in het atrium van Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Figuur 1. Doorbuiging van het kunstwerk onder het eigen gewicht, door belasting van ringen op de minst gunstige plek. Verplaatsingen zijn 10x vergroot weergegeven.
Copyright: Movares
Figuur 2. Vervorming van de ringen (met name de buitenste ring), door de trekkracht die de ophangkabels in het vlak op de ring uitoefenen. Verplaatsingen zijn 10x vergroot weergegeven.
Copyright: Movares
Figuur 3. Screenshot van de dynamische (tijdsafhankelijke) simulatie van het bewegende kunstwerk, uitgevoerd in aluminium en met het doek.
Copyright: Movares
Figuur 4. Fragment van de ‘wispervolgorde’, één van de standaardsignalen waar in de industrie gebruik van wordt gemaakt. De pijl geeft het maximale niveau aan. Het totale signaal representeert 25 jaar.
Copyright: Movares
Figuur 5. Vergelijk benodigde massa voor opnemen vermoeiingsbelasting. Bij de vezelversterkte materialen (ook hout) worden de eigenschappen in vezelrichting bedoeld.
Copyright: Movares
Figuur 6. Vergelijk milieuschade die gepaard gaat met het opnemen van het wisper-vermoeiingsspectrum.
Copyright: Movares
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette
Echo van Zoro Feigl, hoog in Rijnstraat 8
Copyright: Philip Schuette

Kunstwerk in Rijnstraat 8 draait veilig op veertig meter hoogte

21 januari, 9:00
Het kinetische kunstwerk ‘Echo’ van Zoro Feigl, een blikvanger in het gebouw Rijnstraat 8 in Den Haag, hangt zo’n dertig meter boven een glazen dak en een wandelroute daar weer tien meter onder. Een veilig constructief ontwerp is dan ook van groot belang. Medewerkers van Movares die zich over het constructief ontwerp van het kunstwerk hebben gebogen, schreven een artikel over de keuzes en overwegingen.

Drs. Wybo Gardien (Movares), Ir. Charley van der Sman (destijds Movares, nu Flux Partners),
 Ir. László Vákár (Movares) en Ing. Guido Zwart (destijds Movares, nu Wonderful Mechanics)

Rijnstraat 8 huisvest sinds juni 2017 het ministerie van Buitenlandse Zaken, het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat, de Immigratie- en Naturalisatiedienst, het Centraal Orgaan opvang Asielzoekers en de Dienst Terugkeer & Vertrek (DT&V). Het gebouw voldeed niet meer aan de huidige eisen van duurzaamheid, beveiliging en Het Nieuwe Werken en is daarom in twee jaar tijd omgevormd naar een flexibel rijkskantoor.

Het Rijksvastgoedbedrijf (RVB) heeft via de percentageregeling beeldende kunst bij rijksgebouwen de opdracht gegeven aan Zoro Feigl om een monumentaal kunstwerk te ontwerpen voor Rijnstraat 8. Het ontwerp bestaat uit een rond reflecterend doek met een diameter van circa 10 meter. Het doek is met een cardanische ophanging bestaande uit vier ringen aan de constructie van het gebouw bevestigd. Motoren op de buitenste ring zetten het kunstwerk in beweging, waardoor het slap opgehangen doek op willekeurige momenten omklapt.

Kunstenaar Zoro Feigl heeft Movares gevraagd het constructief ontwerp van het kunstwerk ‘Echo’ te verzorgen, inclusief het ontwerp van de aandrijving, de verbindingen tussen de ringen en de ophanging van het kunstwerk in het gebouw. Het kunstwerk hangt in het gebouw op een hoogte van ruim 40 meter in een atrium en dagelijks lopen duizenden mensen er onderdoor. Een val van een dergelijke hoogte kan ernstige gevolgen hebben, en daarom is voorkomen van schade aan de constructie van het grootste belang.

Materiaal- en profielkeuze: Van truss-structuren naar composietringen
De materiaalkeuze voor de ringen van het kunstwerk, vezelversterkt kunststof, ligt niet voor de hand. Het eerste idee voor de uitvoering van de ringen was het gebruiken van stalen ruimtelijke vakwerkringen (truss-structuren). Al snel stuitten deze structuren echter op bezwaren, bijvoorbeeld door moeilijkheden bij de aandrijving en verbinding tussen ringen en de grote profieldiameter. Na een onderzoek naar geschikte materialen en profielen om het kunstwerk in uit te voeren, bleek vezelversterkt kunststof de enige geschikte uitkomst: licht, stijf en bestand tegen een groot aantal belastingswisselingen.

Staal is te zwaar
Om een gevoel te krijgen voor de omvang en ordegrootte van krachten, spanningen en vervormingen in het kunstwerk, zijn eerst statische berekeningen uitgevoerd aan het kunstwerk. De vier ringen worden in horizontale positie op hun zwakste plek uit het vlak belast: zo ver mogelijk van de ophanging van de ring.

Om te garanderen dat de ringen elkaar niet raken bij het draaien, moet het profiel zo gekozen worden dat deze uitbuiging uit het vlak beperkt blijft (zie figuur 1 voor een illustratie van de vervorming van het kunstwerk in horizontale positie). Daarnaast wordt de buitenste ring in het vlak belast door de ophanging aan aangespannen kabels in vier punten (zie figuur 2 voor een illustratie van de vervorming van de buitenste ring door de voorspanning in kabels).

Ook deze belasting mag de ring niet dusdanig vervormen dat rotatie van de ringen wordt belemmerd. Om de afmetingen van de ringen te beperken is de slag gemaakt om van ruimtelijke vakwerkringen over te stappen op gesloten profielen. Bij het beperken van de deformaties presteren rechthoekige profielen beter dan ronde, en gaat de voorkeur uit naar materialen met een lage dichtheid ten opzichte van stijfheid.

Bovendien kregen de stalen ringen door de vele omwentelingen dermate veel maximale spanningswisselingen te verduren, dat de constructie vanwege deze vermoeiingsbelasting aanzienlijk zwaarder moest worden uitgevoerd, dan een statische belasting zou vereisen.

Niet alleen de vervorming van de ringen onderling en het gewicht zijn aandachtspunten; de gehele constructie moet ook in slechts twee keer vier punten voorgespannen worden opgehangen. De ringen van deze omvang uitvoeren in staal betekent een enorme massa die hoog in het gebouw zou hangen. Het gebouw is niet gedimensioneerd op de belasting die dit geeft in de ophangpunten. Met name de horizontale component van de krachten in ophangpunten is problematisch. Uitvoering van het kunstwerk in staal is daarmee niet haalbaar.

Ook aluminium is onvoldoende bestand tegen vermoeiing
Het uitvoeren van de ringen in aluminium maakt het kunstwerk aanzienlijk lichter en zorgt ervoor dat de ophanging in het gebouw wel mogelijk is. Bovendien leidt een minder zware constructie tot minder trillingen in het gebouw dan een zware constructie; dat is gunstig omdat in het gebouw strenge trillingseisen van toepassing zijn. Daarnaast bood het bij aluminium horende extrusieproces de mogelijkheid om eenvoudig sleuven op te nemen voor het bevestigen van het doek, de assen en lagers en de ophangkabels.

In de statische situatie was aluminium de ideale kandidaat voor de ringen. Het kunstwerk zal echter continu bewegen en regelmatig van draairichting veranderen. Uitgaande van één rotatie per minuut per ring en een levensduur van 25 jaar, treden zo’n 13 miljoen spanningswisselingen op. Ook aluminium is sterk gevoelig voor vermoeiing. Vermoeiing is dus een minstens zo belangrijk belastingsgeval voor het kunstwerk als de belasting in de ophangpunten van het gebouw.

Om het effect van de rotaties van de ringen op spanningen in de ringen, en dus op de belasting van het aluminium, te bepalen, is het bewegen (versnellen en vertragen) van de ringen gesimuleerd in een EEM-model. Dit model is in figuur 3 weergegeven. Ook het doek, dat in de binnenste ring is bevestigd, is in deze simulaties meegenomen, omdat het omklappen van dit doek een extra dynamische belasting op de constructie geeft.

Op basis van de simulaties zijn twee belangrijke conclusies getrokken voor het vervolg van het project. De eerste conclusie is dat slechts één ring met een motor aangedreven hoeft te worden, om het gehele kunstwerk te laten bewegen. Als alleen de buitenste bewegende ring wordt aangedreven, dan ontstaat er na verloop van tijd een min of meer willekeurige beweging van de binnenste ringen.

Dit heeft de uitwerking van de aandrijving sterk vereenvoudigd: in eerste instantie werd gedacht aan een motor in elk draaipunt, waarbij de energievoorziening van motoren in de binnenste ringen een knelpunt vormt en met kwetsbare, onderhoudsgevoelige sleepcontacten tot stand moet komen. Uiteindelijk is het kunstwerk uitgevoerd met enkel motoren voor aandrijving van de buitenste bewegende ring, die eenvoudig in te passen zijn in het kunstwerk.

De tweede conclusie is echter dat aluminium geen geschikt materiaal is voor het kunstwerk. De amplitude van de spanningswisselingen in het kunstwerk is dusdanig hoog, dat falen door vermoeiing in het aluminium kunstwerk een gegeven is, tenzij men de spanningen door daarop te dimensioneren zodanig reduceert dat de ringen veel te zwaar, te groot en te duur worden.

Vezelversterkte kunststof als uiteindelijke oplossing
Na deze conclusie heeft de zoektocht naar alternatieve materialen geleid tot vezelversterkte kunststof (composietmateriaal). Vezelversterkte kunststof combineert een laag eigen gewicht met een hoge stijfheid en een hoge weerstand tegen vermoeiing. Bovendien heeft vezelversterkte kunststof als voordeel dat de stijfheid en weerstandsmomenten perfect af te stemmen zijn op specifieke toepassingen, door vrijheid in de keuze van de materiaalsoort en het aantal lagen en de richtingen van de vezels.

Vanwege deze eigenschappen is dit materiaal gekozen om de ringen van het kunstwerk mee uit te voeren. In de kunststofringen zijn stalen inserts opgenomen voor de assen en lagers en de bevestigingspunten voor de ophangkabels. De ringen zijn op de bouwplaats uit segmenten geassembleerd. Bovendien zijn uit veiligheidsoverwegingen vóór die assemblage staalkabels door elke ring getrokken en aangespannen om er voor te zorgen, dat – mocht er onverhoopt iets misgaan – er geen onderdeel op het glazen plafond valt dat op ruim 10 meter hoogte boven de doorgaande looproute van station Den Haag Centraal naar bijvoorbeeld het stadhuis ligt – en dus circa 30 meter onder het kunstwerk.

----------------------------------------------------------------------------------

Hieronder wordt een mogelijke systematiek beschreven om te komen tot de materiaalkeuze. Een flinke complicatie daarbij is het feit, dat bijvoorbeeld de toelaatbare materiaalspanning bij veel materialen in zeer belangrijke mate bepaald wordt door de detaillering. Daarom is er, gegeven beschikbare tijd en budget, voor gekozen de ontwerpkeuzen op de hierboven beschreven wijze te doen.

Een mogelijke systematiek om te komen tot de materiaalkeuze
In de cardanringen van het kinetische kunstwerk ’Echo’ wordt de ontwerpdrijvende vermoeiingsbelasting veroorzaakt door het eigen gewicht. Daarom is de zogenaamde ‘Vermoeiingssterkte Specifieke Massa’ van het materiaal een belangrijke grootheid. Dit is het soortelijk gewicht van het materiaal gedeeld door de toelaatbare materiaalspanning:

VSM =  ρ / σwisper toelaatb

Op basis van deze grootheid (met als éénheid kg/Nm) kan worden bepaald welk materiaal het meest geschikt is voor een constructie waarin het eigen gewicht ontwerpdrijvend is. (In de aerospace industrie wordt vaak de reciproke van SSM genoemd: de ‘specifieke sterkte’.)

VSM is de massa aan materiaal per meter in krachtrichting die nodig is voor het veilig opnemen van een krachtsignaal met het karakter als afgebeeld in Figuur 1. Hierbij bedraagt de maximale waarde 1 Newton (met pijl aangegeven). Het karakter van het vermoeiingssignaal dat op een constructiedeel werkt verschilt per toepassing (luchtvaart, automotive, windturbines). Onder de deelstreep staat daarom de materiaalspanning die maximaal mag optreden in het spanningssignaal, met een voor de toepassing representatief karakter.

Dankzij deze methode, is de geschiktheid van verschillende materialen op voorhand te vergelijken zoals in figuur 5. Voor het kunstwerk ’Echo’ is dan ook afgeweken van aluminium kokerbalken ten gunste van vezelversterkte kunststof.

Een flinke complicatie om op deze wijze tot de materiaalkeuze te komen is het feit, dat de toelaatbare materiaalspanning bij veel materialen in zeer belangrijke mate bepaald wordt door de detaillering. Voor dragende materialen kan als ‘prestatie’ behalve statische- en vermoeiingssterkte ook stijfheid de drijvende grootheid zijn. Ook dan kan de prestatiespecifieke ‘consequentie’ zoals de benodigde massa in een kengetal worden uitgedrukt en vergeleken.

Andere belangrijke prestatiespecifieke ‘consequenties’ blijken op vergelijkbare wijze te bepalen: kosten en milieuschade. Met de ‘Sterkte Specifieke Kosten’ in €/Nm kan op voorhand bepaald worden met welk materiaal een belasting het meest kosteneffectief wordt opgenomen.

De ‘Vermoeiingssterkte Specifieke Schade’ in mPt/Nm geeft aan met welk materiaal het opnemen van het vermoeiingsspectrum de minste milieuschade veroorzaakt:

VSS = LCA * ρ  / σwisper toelaatb

Waarbij ‘LCA’ een middels Life Cycle Analysis bepaalde milieuschade per kg van het materiaal is.

Hiervoor wordt aan verschillende milieueffecten zoals CO2-uitstoot van het materiaal van produceren tot afdanken een waarde toegekend om uiteindelijk tot een gewogen optelling te komen. De methode werpt op voorhand licht op materialen die per kilogram een geringe milieuschade kennen, maar waarvan zoveel nodig is voor de gevraagde prestatie, dat het milieuvoordeel teniet wordt gedaan.

Andere nieuwsberichten

Junya Ishigami gekozen voor ontwerp Serpentine-paviljoen

Gisteren, 15:48

Op maat gemaakt maar aanpasbaar woongebouw bij De Hallen

Gisteren, 13:29

Demontabele parkeergarage met groene gevels voor TU Delft

Gisteren, 11:13

Een monochrome basis voor boeken en kunst

14 februari, 5:14

Video: Raya Ani

Gisteren, 16:17

CO2-plan corporaties: 100.000 woningen verduurzamen

Gisteren, 13:45

Drie nieuwe partners bij MAS architectuur

14 februari, 11:26

Aedes: Bouw sociale huurwoningen steeds moeilijker

14 februari, 9:36

Finalisten EU Mies Award 2019 bekend

13 februari, 12:31

Woninginspecties met drones

13 februari, 11:34
Reynaers B.V.
ODS Jansen
Hagemeister GmbH & Co. KG
ALUCOBOND®
Caparol
Tarkett BV
Kawneer (voorheen Alcoa)
Verosol Nederland B.V.
Pittsburgh Corning Nederland B.V. (FOAMGLAS)
OCS | Office Cabling Systems
Forster
Balink Glas & Aluminium BV
Performance in Lighting
Sempergreen
EeStairs | trappen en balustrades
Arpa Nederland BV
Aluprof Nederland BV
Intal BV
Forbo Flooring
AGC Nederland Holding B.V.
KONE Liften en Roltrappen, Gevelliftinstallaties en Deursystemen
Triflex bv
Gorter Luiken B.V.
Foreco Dalfsen
Wienerberger B.V.
AluK Aluminium b.v.
3M NEDERLAND BV
Zoontjens
Duco Ventilation & Sun Control
ROCKWOOL B.V.
Rockfon (ROCKWOOL B.V.)
Trespa International BV
Gira Giersiepen GmbH & Co. KG
Rockpanel
GEZE Benelux  B.V.
Renson
Metaglas B.V.
VELUX Nederland B.V.
Jung | Hateha B.V.
Sika Nederland B.V.
ASSA ABLOY Entrance Systems
Saint-Gobain Building Glass Nederland
Faay Vianen B.V.
Boon Edam Nederland B.V.
Forbo Eurocol Nederland B.V.
EQUITONE gevelpanelen
Cedral sidings
Plastica
Holonite B.V.
Bolidt Kunststoftoepassing B.V.
Gerflor Benelux
OWA Benelux BV
Serge Ferrari
Tata Steel IJmuiden BV
Annuleren
OK
Sluiten
Doorgaan
Inloggen
Maak een gratis persoonlijk account aan