Geschiedenis van de architectuur: Beheersbare krachten

In alle tijden hebben de bouwmeesters en architecten geprobeerd bij het maken van hun bouwplannen de krachten van de natuur en de zwaartekracht te trotseren. Ze wilden ruimer en hoger te bouwen dan ooit en leerden vooral bij de bouw van kathedralen krachten als spanning en druk op de muren en het dak te neutraliseren met behulp van steunberen en luchtbogen. Bij de bouw van lange en hoge constructies als bruggen en wolkenkrabbers moet torsie als tegenkracht worden opgevangen.

Perioden van technische vernieuwing

In het oude Egypte en Griekenland probeerden de bouwmeesters een idee van ordening in hun gebouwen uit te drukken. Ze legden zich meer op harmonie en vorm toe dan op het creëren van nieuwe stijlen. Tijdens perioden van geestelijke vooruitgang, kolonisatie en technische vernieuwing hebben ook de architecten geëxperimenteerd en nieuwe ideeën proberen te verwezenlijken, waarbij ze de heerschappij van de mens over de natuurkrachten wilden demonsteren. Zo'n tijd van verandering brak aan bij de opkomst van het Romeins Imperium, in de late middeleeuwen en tijdens afgelopen twee eeuwen van industrialisatie. In elk van deze perioden hebben de architecten de zwaartekracht uitgeprobeerd en hoger en ruimer gebouwd dan ooit tevoren.

Krachten in de structuur van het bouwwerk

Wat zijn de krachten die de bouwmeesters hebben geleerd te beheersen en te reguleren? Twee daarvan zijn druk en spanning. Druk is de persende en duwende kracht die men bijvoorbeeld uitoefent wanneer men op een kussen zit. Spanning is de trekkende kracht die op de touwen van een schommel worden uitgeoefend als men erop zit. Maar het zou niet zo gunstig zijn als gebouwen als een kussen konden worden samengeperst en daarom moeten ze gemaakt worden van materialen die sterk genoeg zijn om weerstand te bieden aan de krachten waaraan ze onderhevig zijn, zodat ze niet uit hun vorm gedrukt of geperst worden.

Oplossingen om ruimten te overspannen

Het dak schept weer andere problemen. Een plat dak is gemakkelijk te construeren door balken van de ene muur naar de andere te leggen. Te lange balken beginnen echter te buigen of door te zakken, wat betekent dat de bovenkant van de balk wordt samengedrukt en de onderkant uitgerekt. Balken kunnen zwaarder en dikker worden gemaakt, maar dat vergt sterkere muren of zuilen om ze te steunen en er is ook een grens aan de afmetingen van een balk. Zo werd uiteindelijk een betere manier ontdekt om wijdere ruimten te overspannen. De enkele horizontale balk werd vervangen door twee elkaar steunende balken, als een omgekeerde V, waarvan de uiteinden op de muren staan. Zo'n opstelling brengt echter weer andere problemen aan het licht, want twee balken oefenen niet alleen een neerwaartse druk op de muren eronder uit, maar ze hebben ook de neiging om naar opzij uit te glijden.

Methoden om zijwaartse druk tegen te gaan

De zijwaartse druk zou de muren opzij drukken, wanneer die druk niet wordt geneutraliseerd. Dat kan op drie manieren:

• De oudste gebruikte methode was door de dragende muur heel dik en zwaar te maken. Die methode leverde massieve bouwwerken op.
• Een tweede manier was het toevoegen van dikkere delen of steunberen aan de muur waar de zijwaartse druk het grootst was. Deze methode bereikte haar hoogste niveau van spitsvondigheid bij de gotische kathedralen uit de middeleeuwen. Niet alleen zette men gewone steunberen tegen de muren, maar er werden ook grote stenen bogen vanuit de buitenmuren gebouwd. Deze bogen die 'luchtbogen' worden genoemd, eindigden in zware stenen pijlers op enige afstand van het bouwwerk (zie afbeelding inleiding: Notre Dame in Parijs en schema rechts).
• Een derde manier om de zijwaartse druk van twee steunbalken te neutraliseren is ook de meest economische: de ondereinden van de twee balken met een derde verbinden, zodat er een complete driehoek wordt gevormd. De buitenwaartse druk van de bovenste balken wordt opgevangen door de onderste verbindingsbalk die onder spanning staat. Er wordt alleen een neerwaartse samenpersende kracht op de muren uitgeoefend. Zo'n verbinding kan van hout, een kabel of zelfs touw zijn, eigenlijk alles wat sterk is onder spanning, en is vaak gebruikt om bogen en gewelven bij elkaar te houden.

Het verschijnsel torsie in de bouwwereld

Ten slotte moeten de architecten de strijd aanbinden met een kracht die de neiging heeft de delen van een bouwwerk te verdraaien: torsie of wringing, het verschijnsel dat één deel van een voorwerp meer gedraaid wordt dan een ander deel. Torsie komt voor wanneer een structuur te hoog en te dun is. Deze kan zich niet staande houden tegen de neerwaarts trekkende zwaartekracht en begint als een 'kurketrekker' op te krullen. Het neutraliseren van deze kracht is speciaal belangrijk voor de bouw van lange bruggen en wolkenkrabbers. Laatstgenoemden worden versterkt met driehoekige stalen steunen die eenzelfde soort spanningsverhouding scheppen als voor het neutraliseren van de zijwaartse druk op het dak wordt gebruikt. Het Empire State Building bijvoorbeeld (zie afbeelding links), na de verwoesting van de Twintowers in 2001 met 381 m het hoogste gebouw in New York (450 m inclusief tv-toren), werd in 1931 op een geraamte van stalen steunbalken gebouwd. Bij de bouw van lange hangbruggen kan torsie optreden, trillingen, veroorzaakt door een harde wind. Dit wordt tegengegaan door tussen de hoge pijlers of pylonen de hoofddraagkabel op te hangen met op regelmatige afstand van elkaar de verticale kabels, 'hangers' genoemd (zie schema rechts). Door de horizontale krachten van de bekabeling op de verankering in de fundering zijn dit soort hangbruggen alleen geschikt om op rotsachtige bodems te plaatsen. Met dit type brug is het mogelijk zeer grote overspanningen te overbruggen.

Dit artikel is onderdeel van de special Geschiedenis van de architectuur.