Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
De draagconstructie van de Tornado is uitgevoerd als een complex stalen spaceframe, opgebouwd uit een combinatie van stalen buizen en plaatwerk (foto 5). Om het zwevende karakter te benadrukken, is de constructie niet ondersteund door kolommen en niet verbonden met de bestaande constructie van de loods. In plaats daarvan is hij verbonden met een ‘lobbybox’ op een eigen nieuwe fundering en slechts op enkele, nauwelijks zichtbare plekken ondersteund.
In totaal is circa 2.100 m gekromde buis verwerkt in de constructie. De liftkern, en daarmee ook de luifel die hier bovenop staat, wordt gedragen door vier stalen hoofdkolommen. Ook het glasdak wordt gedragen door een stalen buizenstructuur met gebogen buizen.
Torsie
Dankzij de excentrische aansluitingen wordt de constructie op torsie belast, een van de bepalende factoren in het constructief ontwerp van het frame. Om die torsie op te kunnen nemen, is het frame opgebouwd uit een driehoekig ruimtelijk vakwerk, dat zich onder het loopvlak bevindt. Voor de verticale stijfheid wordt de hoogte van de leuning benut als onderdeel van de constructie (foto 6).
Dynamica
Dankzij de relatief slanke constructie was dynamica een overheersende factor, meer nog dan sterkte en stijfheid. Alles moest uit de kast worden gehaald om oncomfortabele trillingen door menselijk gebruik en wind te voorkomen. Hierbij zijn verschillende belastingscenario’s beschouwd, zoals slenteren, lopen, rennen of traplopen in verschillende groepsamenstellingen.
Omdat er voor de dynamische toetsing van een dergelijke complexe constructie in Nederland geen normen zijn, is aansluiting gezocht bij de internationale literatuur. Op basis daarvan is een complexe dynamica-analyse uitgevoerd, rekening houdend met eigenfrequenties (fig. 7). De analyse was deels gebaseerd op zelfontwikkelde respons-modellen.
Dankzij die analyses bleek het mogelijk om de trillingen niet te beheersen met veel extra materiaal, maar slechts met enkele stalen trillingsdempers (Tuned Mass Dampers) op een paar cruciale locaties (foto 8).
Voor extra zekerheid zijn alle onderzoeken gevalideerd door een externe deskundige en is de respons van de constructie als gevolg van door proefpersonen opgewekte trillingen gemeten met sensoren, in een 1-op1 mockup. Daarnaast zijn de trillingen nagebootst in een simulator op de TU Delft, waarmee de opdrachtgever het comfort zelf kon beoordelen (foto 9).
Bijzondere aspecten van het ontwerpproces
Uitdaging in het ontwerp was een balans te vinden tussen esthetica, sterkte, comfort en maakbaarheid. Dit vroeg om een bijzonder ontwerpproces met gebruik van de modernste computertechnieken en een parametrische aanpak.
In een lijnmodel, gekoppeld aan zowel het ruimtelijke model van de architect als aan een rekenpakket, zijn kritische punten in de constructie met kleuren zichtbaar gemaakt (fig. 10, 11 en 12). Met een script werden, op basis van een iteratief proces met de architect, de ideale posities van steunpunten gezocht. Hiermee kon versneld, in diverse kleine stappen, een optimale vorm van het ruimtelijke vakwerk en de stalen liftkern worden gevonden.
Het resultaat was mogelijk dankzij een geïntegreerd ontwerp- en uitvoeringsproces, dat werd gekenmerkt door een nauwe samenwerking tussen de partijen, grondige controleprocedures en een digitale parametrische workflow. Bij het project waren veel internationale partners betrokken. Mede om die reden werd veelal samengewerkt in een online omgeving, nog voordat dit door corona gemeengoed werd.
Belangrijke succesfactor was de sfeer in het ontwerpteam én in het technisch team. Die was uitzonderlijk goed. De kracht in het team lag erin dat iedereen bereid was anderen toe te laten in het eigen vakgebied, waardoor er veel synergie ontstond. De goede samenwerking was ook te danken aan de constructieve en flexibele opstelling van de opdrachtgever: onderling vertrouwen won het van formele afspraken en diverse contracten.
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
Het spaceframe is afgewerkt met een bekleding van 297 dubbelgekromde panelen. Het ontwerp van deze panelen was integraal onderdeel van het ontwerp van de hele constructie, om zo een samenhangend geheel te krijgen. Om alle panelen goed passend te krijgen – aan elkaar en op de achterliggende staalconstructie (foto 13) – was een uitgekiende parametrische opzet nodig, met veel driedimensionale afhankelijkheden. Bij het opzetten van de paneelindeling waren, naast architectonische afwegingen, de maximale afmetingen voor transport en het ritme van het spaceframe leidend.
Belangrijk aandachtspunt was de thermische beweging van de panelen. Voor voldoende stijfheid is een verstijfde huidconstructie toegepast (foto 14). Met parametrische analyses en eindige-elementenmodellen zijn de afmetingen van de huid en de verstijvers vastgesteld. Voor het ophangen van de panelen aan het spaceframe zijn bevestigingspunten ontworpen die voldoende flexibiliteit bieden om toleranties in het frame en de panelen op te vangen.
De binnenkant van de Tornado is bekleed met 12.500 unieke 3D-gefreesde houten planken, wat doet denken aan het dek van een schip en daarmee een verbinding legt met Rotterdam als belangrijke havenstad (foto 3).
Bijzondere aspecten van de uitvoering
Maakbaarheid was een belangrijk uitgangspunt bij het ontwerp.
Spaceframe
Het stalen spaceframe is zoveel mogelijk geprefabriceerd. Het is opgedeeld in 31 transportsecties. In de opbouw is nadrukkelijk rekening gehouden met de productie en de mogelijkheid om de losse elementen op de bouwplaats te monteren (foto 15 en 16).
Daarbij zijn de willekeurige krommingen uit het ontwerp vertaald naar segmenten met een vaste straal. In de productiehal zijn meerdere secties gecombineerd in tijdelijke hulpconstructies. Omdat het spaceframe uiteindelijk niet zichtbaar is en dus moeilijk inspecteerbaar is, is gekozen voor een hoogwaardig conserveringssysteem.
Toleranties waren een belangrijke uitdaging. Niet alleen bij de productie, maar ook voor de montage. Om vervormingen tijdens montage en gebruik te beheersen, is een 3D-zeeg geïntroduceerd.
Op de bouwplaats zijn de secties met mobiele kranen op hun definitieve positie gehesen, ingemeten met een total station, spanningsvrij gekoppeld, gelast en daarna geconserveerd. Tijdelijke tentconstructies borgden de kwaliteit van het las- en schilderwerk.
Bekleding
Niet alleen voor het spaceframe, maar ook bij de panelen van de bekleding is veel aandacht besteed aan maakbaarheid. Dit vroeg om grote precisie en veel vakmanschap.
De bekleding bestaat uit panelen die zijn opgebouwd uit 2.500 huidplaten. Voor de productiemodellen is het script, dat was ontwikkeld voor de rekenmodellen, verder doorontwikkeld. Deze gedetailleerde 3D-modellen dienden als basis voor het opzetten van een CNC-gesneden bouwmal. Deze mal bestond uit een stalen tafel met verstelbare poten, waarop een CNC-gesneden contramal is gemonteerd. De huidplaten werden hierop precies volgens het 3D-model gepositioneerd.
De platen zijn gevormd met persen waarmee ook huidplaten voor de scheepsbouw worden vervormd. Een belangrijk aandachtspunt was om de platen zo te vervormen dat afdrukken, krassen en andere oneffenheden in het materiaal tot een minimum werden beperkt. Na het positioneren van de vervormde platen zijn deze onderling uitgelijnd. Hierna kon het binnenwerk, bestaande uit verstijvers en oplegpunten, worden toegevoegd.
Nadat het gehele paneel op de bouwmal was geassembleerd, kon het worden afgelast. Om vervorming door lassen te beperken, is veelvuldig stiftlassen toegepast in plaats van hoeklassen. De lasvolgordes zijn zodanig geoptimaliseerd dat spanningen zich gecontroleerd konden verspreiden. Na fabricage volgden beitsen, passiveren, slijpen en polijsten.
De panelen zijn bevestigd op een transportframe en op afroep van de opslaglocatie naar de bouwplaats vervoerd. Daar volgde de montage op de al geplaatste delen van de draagconstructie. Deze montage vereiste precisie: elk paneel heeft een specifieke positie en oriëntatie. Er zijn speciale hijsframes, verstelbare evenaars en spinkranen toegepast om elk paneel schadevrij en exact in positie te brengen.
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
De Tornado vormt een symbolische route door het museum en ondersteunt en versterkt het migratieverhaal van het museum. Het platform biedt een panoramisch uitzicht en fungeert als moment van rust en reflectie aan het einde van de route. Tegelijkertijd is de Tornado een publiek kunstwerk dat ook vanaf buiten werkt: de spiegelende huid maakt de lucht, de stad en de haven onderdeel van het object.
Veiligheid en comfort voor de bezoekers zijn integraal meegenomen, wat samen met de robuustheid van de constructie bijdraagt aan een veilige publieke functie. De keuze voor roestvast staal versterkt bovendien de functionele duurzaamheid. Het materiaal is onderhoudsarm, geschikt voor het maritieme klimaat en bestand tegen intensief publiek gebruik.
De Tornado is een voorbeeldige staaltoepassing. Het materiaal is bepalend voor de beeldkwaliteit, de constructieve inventiviteit, de publiekswaarde en de lange levensduur.
