Nooit meer zeeziek in een wolkenkrabber

En studenten van de E. du Perronlaan zagen bij een fikse storm hun meubilair wel eens verschuiven. Promovendus Geert-Jan van Oosterhout bedacht een oplossing om dit op-en-neer-gaan te verminderen.

Figuur 1 Van Oosterhout: ,,De renovatie van de E. du Perronlaan is een duidelijk voorbeeld van hoe het niet moet”

Een hoog gebouw mag bewegen in de wind, maar de grens van het toelaatbare ligt bij het menselijk welzijn. Ook bij de zwaarste storm moet het in een flat of wolkenkrabber comfortabel toeven zijn. Factoren die dit nadelig beïnvloeden zijn het fluiten van de wind, het meetrillen van het gebouw met de wind en de draaiing van het gebouw om zijn verticale as, de zogenaamde torsiebeweging. Als het gebouw dusdanig gaat trillen dat mensen zich onprettig voelen, dan moet er ingegrepen worden.

Tot op heden worden trillingsproblemen bij hoge gebouwen voornamelijk aangepakt door het ‘opkrikken van de stijfheid’ van de constructie. Want hoe stijver de constructie is, des te minder het gebouw zal trillen, zo is de gedachte. Van Oosterhout, die het dynamische gedrag van hoge en slanke gebouwen onderzocht, is het met deze denkwijze niet geheel eens. Volgende maand hoopt hij bij Civiele Techniek te promoveren op zijn vindingen.

,,Het gaat niet alleen om de grootte van de uitwijking van het gebouw, maar vooral om de versnelling die het gebouw ondervindt. Grote versnellingen kunnen angstgevoelens teweeg brengen bij bewoners. Ook worden sommige mensen misselijk in snel bewegende bouwwerken. In een wolkenkrabber in New York wordt door de directie al een anti-autoziektepil uitgereikt aan het personeel bij hevige stormen. En er zijn zelfs gevallen van zeeziekte bekend, veroorzaakt door trillende gebouwen.”

Aquarium

Dat het verstijven van een constructie niet altijd de beste oplossing is, werd duidelijk bij de renovatie van Voorhof II, zoals de flat aan de E. du Perronlaan oorspronkelijk heet. Volgens van Oosterhout is dit ,,een duidelijk voorbeeld van hoe het niet moet”. Na veel klachten van bewoners van de zeventien verdiepingen tellende flat, uiteenlopend van een slingerende lamp bij een stevige storm tot zelfs golven in een aquarium, werd in 1986 overgegaan tot renovatie.

De oplossing werd gezocht in het verstijven van de constructie. Dit gebeurde aan de hand van zogenaamde windverbanden: de gele kruizen aan de kopzijden van de flat. Het project kostte vijftien miljoen gulden en heeft een trillingsreductie van slechts dertig procent opgeleverd. Nog steeds klagen bewoners over een duidelijk voelbare beweging tijdens hevige stormen.

,,Het probleem zit ‘m in de vorm van het gebouw,” legt vanOosterhout uit. ,,Door de slanke vorm is het gebouw zeer gevoelig voor trillingen. Dit is te vergelijken met een lineaal die je verticaal houdt en aan de onderkant vastzet. Geef je met je vinger een tik tegen de lineaal, dan zal-ie gaan trillen. Hoe slanker en lichter het gebouw, des te meer zal het trillen in de wind.”

Om deze trillingsverschijnselen goed te onderzoeken is in Engeland een experimenteel gebouw neergezet. Het acht verdiepingen tellende bouwwerk lijkt een doodgewone flat, maar is gebouwd in een hangar. Daar werden gecontroleerde krachten op het gebouw gezet om te zien hoe het hierop reageerde. Zo werd experimenteel bewezen dat bij verstijven van de constructie de trillingsreductie slechts zo’n tien procent bedraagt. Van Oosterhout: ,,Dat is vaak niet voldoende. Daarom ben ik gaan zoeken naar andere oplossingen.”

Bumper

Uiteindelijk heeft van Oosterhout twee oplossingen bedacht. De eerste bestaat uit het dempen van de trilling, de tweede uit het vergroten van de effectieve massa.

Bij demping van de trilling moet gedacht worden aan een soort bumper in het gebouw zelf, gemaakt van visco-elastisch materiaal dat energie opneemt als het vervormd wordt. Zo wordt een gedeelte van de bewegingsenergie die het gebouw krijgt van de wind omgezet in warmte; de trilling van het gebouw wordt gedempt. Deze ‘bumper’ kan gemakkelijk verwerkt worden in de windverbanden, zodat grote veranderingen aan het gebouwontwerp onnodig zijn.

Het principe van het vergroten van de effectieve massa berust op de tweede wet van Newton: kracht is massa maal versnelling. Van Oosterhout: ,,Meestal trilt vooral het bovenste deel van het gebouw met een hinderlijke versnelling. De massa van dit deel wordt de effectieve massa genoemd. Volgens Newton geldt: hoe groter deze effectieve massa, hoe kleiner de versnellingen van het gebouw. De effectieve massa kun je vergroten door simpele ingrepen in de trillingsvorm. Dus door een groter deel van het gebouw te laten meetrillen, niet alleen de top.” Er zullen daardoor meer verdiepingen licht op en neer gaan, maar omdat de trillingsversnelling afneemt, hebben de bewoners er een stuk minder last van.

De promotie van Van Oosterhout is actueel, want er verschijnen steeds meer hoge en slanke gebouwen in Nederland. Niet alleen door ruimtegebrek; het is ook een prestigekwestie. Bedrijven willen maar al te graag Nationale Nederlanden aftroeven. Met zijn twee oplossingen zegt van Oosterhout het trillen van dergelijke gebouwen te kunnen reduceren met zo’n negentig procent. Zo kunnen er steeds hogere gebouwen neergezet worden: the sky is the limit.