De kracht van glas

Architecten dromen al haast een eeuw van een materiaal dat zo sterk is als staal en zo doorzichtig als glas. Intussen is zo veel bekend geworden over glas dat het steeds vaker wordt ingezet als doorzichtig beton.

De TU heeft enkele glazeniers van wereldfaam onder haar professoren. Prof.dr.ir. Mick Eekhout (Bouwkunde) bouwt met zijn bedrijf Octatube overal in de wereld glazenoverkappingen. Dichtbij huis zijn de oost- en zuidserre van BK-city van zijn hand. Eekhout en zijn team breidden in korte tijd het voormalige hoofdgebouw uit met twee enorme, grotendeels glazen kubussen. In Londen bouwde hij voor het Victoria & Albert museum een spectaculair glazen dak rondom een gebouw op de binnenplaats. Getordeerde dubbele glaspanelen rusten op hellende gelamineerde glazen draagbalken tot elf meter lang.Prof.ir. Rob Nijsse werkt naast zijn aanstellingen bij Bouwkunde (BK) en Civiele Techniek en Geowetenschappen (CiTG) bij constructiebureau ABT en maakte daar de golvende ramen voor Rem Koolhaas’ gebouw voor de Casa da Musica in Porto. Dit jaar overtrof hij zichzelf met nog grotere golvende ramen in het Museum aan de Schelde in Antwerpen (architect Willem Jan Neutelings). Behalve visueel aantrekkelijk zijn de gegolfde ramen vooral een stuk sterker dan vlakke ramen, vertelt Nijsse. Berekeningen laten zien dat ze onder invloed van de wind nauwelijks heen en weer bewegen, zodat de spanning in de bevestigingspunten gering blijft. Wie zulke bouwwerken ziet, vergeet makkelijk dat glas een uiterst breekbaar materiaal is dat soms verrassend uit de hoek kan komen. Nijsse herinnert zich de glazenabri’s voor het busstation in Nijmegen: een glazen plaat werd voorzichtig op een glazen ligger gelegd en krak! Kan gebeuren. Nog een keer en weer sneuvelt de ligger. “Dat is een raar gezicht hoor”, verzekert de glasexpert vanachter zijn montuurloze brilletje. Naderhand kwam hij erachter dat de gaten in de ligger een beetje rafelig waren. Dat zijn plekken waar piekspanningen ontstaan die zich voorbij de breukgrens als bliksemschichten door het materiaal verplaatsen.
Ook in de fabriek van Octatube staan versplinterde glaspanelen. Onlangs doordat kraaien steentjes oppikten van een belendend dakje en die met een duivels plezier op Eekhouts glasdak lieten vallen. Toen hij dat eenmaal wist, heeft hij het grind in teer laten leggen. Probleem opgelost.“ Breken doet het toch wel”, relativeert Eekhout. “Als het maar nooit naar beneden valt.”Volgens Eekhout stamt de fascinatie van architecten voor glas uit de begintijd van het Modernisme, vlak na de Eerste Wereldoorlog. Men wilde ontsnappen aan pijn, armoede en leed en vestigde de hoop op een heldere en zakelijke vormgeving en architectuur die in Duitsland vorm kreeg in de Bauhaus-stroming en in Nederland als De Stijl. De Duitse architect Mies van der Rohe ontwierp in 1919 al een transparante wolkenkrabber met glazen wanden voor Berlijn. Door Hitler verjaagd bouwde hij de skyscraper later in Chicago. De Rotterdamse Van Nellefabriek stamt uit dezelfde periode en ademt hetzelfde verlangen naar helderheid en transparantie. Een transparant gebouw, zo was de hoop, zou vanzelf leiden tot een transparante samenleving. Dat was voordat banken en verzekeraars een voorkeur ontwikkelden voor spiegelend glas.

Toen Eekhout in 1992 tot hoogleraar werd benoemd riep hij in zijn oratie op tot de speurtocht naar een denkbeeldig bouwmateriaal Zappi, dat zo transparant moest zijn als glas en zo sterk als staal. Toen materiaalkundige dr.ir. Fred Veer in 1995 bij hem in de leerstoel kwam werken luidde diens opdracht: “Ga Zappi zoeken.”
In zijn zoektocht heeft Veer honderden stukken glas op sterkte beproefd. Er zullen weinig mensen zijn die zoveel scherven hebben gemaakt als hij. Hij vond dat glas twintigkeer minder sterk is dan staal (de breukspanning van glas is ongeveer 30 Newton per mm2) en dat bovendien toeval een grote rol speelt. ‘Glas begeeft het bijna altijd op plaatsen waar de rand iets beschadigd is tijdens de fabricage’ schrijft Veer na tien jaar in een overzichtsartikel. Bovendien is falen bij glas meteen catastrofaal: zodra de breukgrens overschreden wordt, is er geen enkele samenhang meer in het materiaal. Pas heel recent is het mogelijk geworden om het bezwijken van glasstructuren te berekenen. Prof.dr.ir. Jan Rots (BK en CiTG) vertelt dat de eindige-elementenmethode, de standaardmethode om spanningen in constructies door te rekenen, bij glas na de eerste barst altijd faalt. Er komen dan onzinnige uitkomsten uit de computer. Rots bedacht een manier om na iedere barst de berekening als het ware opnieuw te beginnen. Sequentieel elastisch rekenen noemt hij dat. Daarmee stemmen de uitkomsten wel met de werkelijkheid overeen van extreem brosse materialen zoals glas.

Veer bedacht een praktische manier om de uitbreiding van barsten te remmen. Hij stelde panelen en balken samen uitkleinere delen die in verschillende lagen op elkaar geplakt werden. Dat kan met lichtgevoelige kunsthars of met speciale klevende folies als PVB (polyvinylbuteral) of het spectaculair sterke Sentryglas (demo’s te zien op Youtube).Op die manier ontwikkelde hij een acht meter lange holle balk die als aquarium bedoeld was. Kunstenaar Stefan Gross had bedacht dat het leuk zou zijn met een volledig transparant aquarium het lichtgat onder de spits van de bibliotheek te overbruggen. Veer ontwierp en bouwde en beproefde het aquarium, maar kreeg geen toestemmingom het te plaatsen. Eekhout vond het onverantwoordelijk en zelfs gevaarlijk.

Veer vervolmaakte het concept van glazen draagconstructiesmet een stalen wapening. Dr.ir. Christian Louter is er afgelopen voorjaar cum laude op gepromoveerd met zijn proefschrift ‘Fragile yet Ductile’.Het basisidee was eenvoudig: als glas het opgeeft, dan moet staal de spanning overnemen. Daarvoor maakte Louter verschillende meerlagige glazen balken met aan de onderzijde een ingelamineerde stalen strip of draad. Vervolgens belastte hij de balk ver voorbij de breukspanning van glas. Een balk van anderhalve meterlengte en 28 centimeter hoog kreeg dan 1200 kilogram te verduren. Het glas barstte en knarste op verschillende plekken, de balk boog centimeters ver door maar bezweek niet. Zolang de spanning onder de 15 N/mm2 blijft zit je veilig, concludeerde Lauter. “We hebben geen transparant staal gevonden”, constateert Veer, “maar glas is als gewapend beton te gebruiken en dan een stuk sterker dan beton.”

Zappi is dus niet gevonden, maar er kan nu meer met glas dan men twintig jaar geleden had durven denken. Steeds grotere oppervlakten zijn mogelijk geworden met steeds minder ondersteuning van staal dankzij constructief gebruik van glas. De glazen ribben achter de veertienmeter hoge glazen facade van de Apple shop in Boston of de Apple kubus in New York (beide ontwerpen van James O’Callaghan) zijn goede voorbeelden.
Ook is men beter geworden in het vermijden van valkuilen. Veer schreef al dat barsten vaak beginnen op de plek van kleine beschadigingen. Nijsse neemt daarom geenrisico en laat zijn gegolfde ruiten nog in de fabriek rondom van een stalen profiel voorzien die er met veerkrachtig acrylaat aangeplakt wordt.

Voor Eekhout is het essentieel om ontwerp en uitvoering binnen het eigen bedrijf samen uit te voeren. Dat voorkomt misverstanden en slordigheden. Soms vreest hij nog onbekende gevaren en ziet zijn experimentele projecten dan als zwaarden van Damocles boven zijn hoofd bungelen. “Experimenteren in projecten is riskant, maar noodzakelijk voor innovaties.”

Nijsse benadrukt de noodzaak van verder onderzoek. Naar glazen kolommen bijvoorbeeld en naar lijmbevestigingen met glas in plaats van stalen verbindingsstukken.“ We rijden nu mee in de voorhoede van het peloton”, constateert hij. “Maar de rest komt naderbij.” Ook China maakt al golfglas. “We moeten blijven duwen aan de grenzen om onze positie te behouden.” Nijsse streeft naar drie tot vier extern gefinancierde promovendi om het onderzoek voort te zetten. “Anders wordt ons lab nog opgeheven.” (JW)

Download .pdf