TECHNIEK
Planeet vol spanning
2
Inhoud ISAAC-moment
TECHNIEK
Een bouwwerk van woorden ��������������������������������������������������������������������������������������� 4
Kracht versus constructie 1 Een wiebelige wereld �������������������������������������������������������������������������������������������������� 6 2 Stevigheid en houvast ������������������������������������������������������������������������������������������������ 7
3 ISAAC-actie
STUDIEWIJZER
2.1 Stabiliteit ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 7 2.2 Sterkte ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 10 2.3 Stijfheid ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 12 2.4 Verbinding en structuur ������������������������������������������������������������������������������������������� 13 Kracht versus constructie �������������������������������������������������������������������������������� 16
De triltafeltest ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 19 Constructie-inspectie ����������������������������������������������������������������������������������������������������� 19
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 20
3
4
ISAAC-moment
Een bouwwerk van woorden Wat is een bouwwerk? Volgens het woordenboek is het een algemene naam voor alle soorten van gebouwen, of ze nu nog onder constructie zijn of niet. Het is dus iets tastbaars, iets wat mensen met materialen tot stand hebben gebracht. Denk maar aan een huis, een brug, een kippenhok, een knikkerbaan, een modelbouwbootje, een poppenhuisje ... Bouwwerken of constructies zijn synoniemen. Soms worden deze woorden ook in de figuurlijke zin gebruikt. Dan staat het voor iets met een bepaalde opbouw of structuur. Hieronder vind je bijvoorbeeld een minder tastbare constructie van blokjes en woorden: een kruiswoordraadsel. Vul het kruiswoordraadsel in. De woorden die je nodig hebt, komen allemaal aan bod in deze module. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
5
HORIZONTAAL
1 sponzige, witte of roze snoepjes (Eng.) 4 teken, letter of beeld 7 zijkant, zijde (bv. van een berg) 10 dobbelsteen 13 tegengestelde van piepklein 14 helemaal onder de zeespiegel (bn.) 15 In dit gebergte vind je de hoogste berg ter wereld. VERTICAAL
2 planeet of ster 3 Italiaanse pastaslierten 5 niet slagen, mislukken 6 zeer grote ramp 8 ontruimen, in veiligheid brengen 9 ontplofbaar 11 weerlicht 12 sterrenkundige Welk woord kun je maken met de letters uit de gekleurde hokjes? 
Probeer nu met bouwblokjes (zoals Lego of Clics) het kruiswoordraadsel na te bouwen. Je maakt dus een hoge constructie met 15 horizontaal als basis. Wat stel je vast? Lukt dit?
6
Kracht versus constructie 1 Een wiebelige wereld WIST-JE-DAT
Recordhouder Op deze afbeelding zie je in het midden de Burj Khalifa, de hoogste toren ter wereld (op dit moment). Deze wolkenkrabber staat in de stad Dubai in de Verenigde Arabische Emiraten. Op 21 september 2004 werd begonnen met de bouw en op 17 januari 2009 bereikte de toren zijn hoogste punt van 828 meter. Inclusief antennes en vlaggenmasten bedraagt de hoogte exact 829,8 meter. Het gebouw werd met groots vuurwerk geopend op 4 januari 2010.
Je kunt je voorstellen dat het bouwen van zo’n mastodont niet zonder slag of stoot gaat. Probeer maar eens een sterk en stabiel kaartenhuisje of een heel hoge blokkentoren te bouwen. Dat is eigenlijk al niet zo simpel. Hoe doet men dat dan met echte gebouwen? In het volgend filmpje zie je hoe men een gebouw succesvol test op stevigheid. Een grote trilplaat of schudtafel bootst de krachten van (bijvoorbeeld) een aardbeving na. Het bouwen van zo’n trilplaat op zich vergt veel tijd en geld, maar het is dan ook zeer belangrijk. Met dit soort testen kan men namelijk de stevigheid van een constructie onderzoeken wanneer het aan krachten onderhevig is. Bovendien biedt het de ingenieurs ook inzichten in de manieren waarop ze constructies steviger en veiliger kunnen maken.
7
2 Stevigheid en houvast 2.1 Stabiliteit Om een hoge constructie stevig te maken, moet het geheel vooral stabiel zijn. Stabiel betekent standvastig of onwankelbaar. Een stabiele constructie blijft rechtop staan, een onstabiele constructie zal horizontaal uitwijken en vallen. De basis (het onderste deel van een constructie) zal voor een groot deel bepalen of iets stabiel is of net niet. Er bestaan een aantal trucjes om die basis aan te passen zodat een (hoge) constructie niet omvalt. Hieronder zoek je het uit.
DOE DE TEST ORIËNTATIE DOELSTELLING
Manieren onderzoeken waarop aanpassingen aan de basis een eenvoudige constructie stabiel(er) maken. ONDERZOEKSVRAAG
Formuleer een goede onderzoeksvraag met behulp van het vragenmachientje.
I N P U T IS DE VRAAG NUTTIG?
IS HET EEN OPZOEKVRAAG?
IS HET SLECHTS ÉÉN VRAAG?
IS DE VRAAG DUIDELIJK?
KUN JE HET ONDERZOEKEN?
O U T P U T Noteer je veronderstelling. HYPOTHESE:
8
VOORBEREIDING BENODIGDHEDEN 5 kartonnen toiletrolletjes 2 stevige kartonnen schijfjes van 6 cm diameter 1 stevig kartonnen schijfje van 9 cm diameter twee moeren en twee bouten sterke lijm CRITERIA Kleef een eerste rolletje rechtop op een kartonnen schijfje van 6 cm
diameter. Schrijf er nummer 1 op. Kleef een tweede rolletje rechtop op een kartonnen schijfje van 9 cm diameter. Schrijf er nummer 2 op. Zet een derde rolletje rechtop en doorboor het onderaan met een moer. Draai er aan de andere kant de bout op. Schrijf er nummer 3 op. Zet een vierde rolletje gewoon rechtop. Schrijf er nummer 4 op. Kleef een vijfde rolletje rechtop op een kartonnen schijfje van 6 cm diameter. Doorboor het onderaan met een moer en draai er aan de andere kant de bout op. Schrijf er nummer 5 op. UITVOERING 1
Test 1
Plaats koker 1 en 4 naast elkaar op de tafel. Duw met je twee wijsvingers tegelijk tegen de bovenkant van beide kokers. Duw net zolang tot één ervan omvalt. Markeer de juiste antwoorden in het besluit.
1
4
Markeer wat juist is.
Koker 1 / Koker 4 viel het gemakkelijkst om. Dat komt omdat de basis klein / groot is. Deze koker is stabiel / onstabiel. 2
Test 2
Plaats koker 1 en 2 naast elkaar op de tafel. Duw met je twee wijsvingers tegelijk tegen de bovenkant van beide kokers. Duw net zolang tot één ervan omvalt. Markeer de juiste antwoorden in het besluit.
1
2
Koker 1 / Koker 2 viel het gemakkelijkst om. Dat komt omdat de basis klein / groot is. Deze koker is stabiel / onstabiel.
9
3
Test 3
Plaats koker 3 en 4 naast elkaar op de tafel. Duw met je twee wijsvingers tegelijk tegen de bovenkant van beide kokers. Duw net zolang tot één ervan omvalt. Markeer de juiste antwoorden in het besluit.
3
4
Koker 3 / Koker 4 viel het gemakkelijkst om. Dat komt omdat de koker onderaan zwaarder / lichter is. Deze koker is stabiel / onstabiel. 4
Test 4
Plaats koker 1 en 5 naast elkaar op de tafel. Duw met je twee wijsvingers tegelijk tegen de bovenkant van beide kokers. Duw net zolang tot één ervan omvalt. Markeer de juiste antwoorden in het besluit.
1
5
Koker 1 / Koker 5 viel het gemakkelijkst om. Dat komt omdat de koker onderaan zwaarder / lichter is. Deze koker is stabiel / onstabiel. 5
Test 5
1
Plaats nu alle kokers naast elkaar op tafel. Duw met je wijsvinger met een gelijke kracht één voor één tegen alle kokers. Welke van de vijf kokers is het meest stabiel? Markeer de juiste antwoorden in het besluit.
2
3
4
5
De koker met het nummer 1 / 2 / 3 / 4 / 5 is het meest stabiel. Van deze koker is de basis breder / niet breder gemaakt en verzwaard / niet verzwaard.
10
REFLECTIE BESLUIT
Geef een antwoord op de onderzoeksvraag.
Komt die overeen met jouw hypothese? Kruis aan.
ja
nee
WIST-JE-DAT
Cheops 4000 jaar geleden wist men ook al hoe men een bouwwerk stabiliteit kon geven. Zo zie je hier de piramide van Cheops, die onder andere door haar brede, zware basis mooi bewaard is gebleven. Ze werd gebouwd tussen 2551 en 2472 voor Christus, is 147 meter hoog en opgebouwd uit zo’n 2,3 miljoen stenen van elk 2,5 (!) ton. Hoe dit gigantische bouwwerk van loodzware stenen in die tijd gebouwd kon worden, houdt wetenschappers al jaren bezig.
Een (hoge) constructie heeft stabiliteit nodig om stevig recht te blijven staan. Een onstabiele constructie zal wankelen of omvallen. Een stabiele constructie is standvastig en onwankelbaar. Een brede en/of verzwaarde basis verhoogt de stabiliteit van een constructie.
2.2 Sterkte Als een constructie niet stabiel genoeg is, zal het omvallen. Maar als het niet sterk genoeg is, zal het breken. In een gebouw mag dit natuurlijk niet gebeuren: een breuk kan catastrofale gevolgen hebben. WIST-JE-DAT
Catastrofale constructiefouten Hier zie je het Ronan Point flatgebouw in Londen. In 1968, een week na de opening, stortte het gebouw in door een gebrekkig ontwerp en constructiefouten. Vier mensen verloren daarbij het leven en zeventien waren gewond. Gelukkig was een groot deel van het flatgebouw toen nog onbewoond. ©DEREK VOLLER, CC BY-SA 2.0
11
Wat in grote mate de sterkte van een constructie mee bepaalt, is natuurlijk het materiaal. Hieronder vind je de omschrijving van een aantal constructiematerialen.
Materiaal is iets anders dan materie. Wat materie precies is, leer je in het deel Natuurwetenschappen van de module Te land, ter zee en in de lucht. Onder materiaal verstaan we hier grondstoffen of bouwstoffen voor constructies. Noteer de juiste naam van het materiaal naast de omschrijving. Kies uit de onderstaande woorden. natuursteen - beton - hout - staal - baksteen
Dit materiaal is al zeer lang een belangrijke grondstof voor de constructie, al sinds de mens begon met het maken van bouwwerken. Het wordt gebruikt voor verbindingen, maar ook voor dakconstructies, raamwerk ‌
Dit koude materiaal is enorm sterk en bestaat uit ijzer en koolstof. Het kan een grote belasting aan bij een grote overspanning. Daarom wordt het vaak gebruikt bij bruggen en kranen.
Dit kunstmatige, steenachtige materiaal is een samenstelling van cement, zand, grind en water. Het kan grote drukkracht weerstaan, maar is niet goed bestand tegen trekkracht, omdat het een korrelige structuur heeft.
Dit is een gesteente dat bewerkt moet worden. Er bestaan veel soorten van. Sommige gebruikt men voor dakbedekking, zoals leisteen. Andere soorten lenen zich dan weer beter voor trappen, vloeren of gevelbekleding, zoals marmer.
De belangrijkste grondstof voor dit materiaal is klei. Al eeuwenlang wordt het als bouwmateriaal gebruikt. De kleur van dit materiaal wordt grotendeels bepaald door het soort klei dat gebruikt wordt.
Op de foto hiernaast zie je hoe trekkrachten scheuren hebben veroorzaakt in beton. Dat gebeurt vaak door zwaar verkeer of door (lichte) aardbevingen. Beton op zich is nu eenmaal minder bestand tegen het opvangen van trekkrachten. Staal is dat echter wel. Daarom voegt men stalen staven aan het beton toe. Dat heb je vast al eens gezien op een bouwwerf. Dat noemt men dan gewapend beton, een bijzonder sterk bouwmateriaal. Als het gieten van gewapend beton echter niet goed uitgevoerd is of de bewapening niet diep genoeg zit, kan er vocht binnendringen, waardoor het staal begint te roesten en het het beton uit elkaar duwt. Zo ontstaan er barsten, waardoor nog meer vocht zich kan opstapelen, met nog meer schade tot gevolg. Dat noemt men betonrot. Net hetzelfde gebeurt als het materiaal zijn levensduur bereikt heeft, of als er zout in het beton terechtkomt. Dat verklaart waarom balkons van flatgebouwen aan de kust vaak aan betonrot onderhevig zijn.
12
Schrijf onder elke afbeelding de juiste term.
Elke materiaalsoort heeft een eigen sterkte. We spreken hier over de sterkte van het materiaal zelf, zonder belasting. Men kan natuurlijk wel testen hoe sterk het precies is door er machinaal in een fabriek druk- of trekkrachten op uit te oefenen. Wanneer een materiaal het uiterste sterktepunt heeft bereikt, zal het scheuren vertonen of breken. Gewapend beton is een van de sterkste bouwmaterialen. Bepaalde factoren kunnen er echter voor zorgen dat het staal erin roest en het toch nog barst. Dat noemt men betonrot.
2.3 Stijfheid Naast stabiliteit en sterkte, speelt ook de stijfheid van het materiaal bij een constructie een grote rol. Wat stijfheid precies is, ontdek je in de volgende opdracht. Van een dwarsdoorgesneden brik, twee paperclips en een elastiekje maak je een bakje dat kan hangen. Vul het bakje met een handvol kiezelsteentjes.
13
Neem vervolgens vier A4-bladen. Deze moeten het hangend bakje met kiezelsteentjes kunnen dragen over een afstand van 20 centimeter (bijvoorbeeld tussen twee stoelen of tafels). Wat heb je met de A4-bladen gedaan om de proef te doen slagen? Noteer je werkwijze hieronder.
Met deze opdracht hierboven heb je de stijfheid van papier verhoogd. Wat betekent dat precies? Markeer in het besluit wat juist is.
Stijfheid kunnen we omschrijven als de weerstand van een materiaal tegen breuk / doorbuiging / omvallen. Die weerstand kunnen we verhogen (of verlagen) door het materiaal bijvoorbeeld een bepaalde vorm te geven. Profielen zijn hier ook een mooi voorbeeld van.
Stijfheid is altijd verbonden met de belasting van een constructie. Daarbij denken we aan de massa van het eigen gebouw die op de constructie weegt, maar ook aan factoren zoals wind, sneeuw, trillingen door het verkeer of aardbevingen, inkrimping en uitzetting door temperatuurverschillen … Op basis van de belasting van een materiaal kan men de mate van doorbuiging bepalen. Let op! Stijfheid betekent niet dat een constructie niet mag bewegen of doorbuigen. Meestal is het zelfs noodzakelijk dat het materiaal niet te strak is. Daarover leer je meer in het hoofdstuk over krachten en constructies.
2.4 Verbinding en structuur Als je weet dat het voorvoegsel con- ‘samen’ betekent, hoe zou je het woord constructie dan omschrijven? Noteer.
Stabiliteit, sterkte en stijfheid zijn cruciale elementen in een constructie. Maar zonder structuur en verbindingen die het geheel samenhouden, zal een bouwwerk soms meer op een fragiel kaartenhuisje lijken. Het zal misschien eventjes standhouden, maar op een gegeven moment door bepaalde krachten toch uit elkaar vallen. Verbindingen en structuur zijn dus ook enorm belangrijk. Misschien heb je ooit al eens te horen gekregen dat je niet met je eten mag spelen. In het kader van de wetenschap mag het nu uitzonderlijk wel eens. Van je leerkracht krijg je 30 marshmallows en een pak ongekookte spaghettistokjes.
14
ouw met de snoep en zo weinig mogelijk spaghettistokjes een zo hoog mogelijke toren. B Je krijgt hiervoor 15 minuten de tijd.
Kruis na het uitvoeren van de opdracht het resultaat van jouw toren aan. Vul aan waar nodig. Het is mij gelukt om een hoge en stabiele constructie binnen de tijd te bouwen. Mijn toren is cm hoog. Het is mij niet gelukt om een hoge constructie binnen de tijd te bouwen. Het is mij even gelukt om een hoge constructie te bouwen, maar hij is omgevallen vooraleer de tijd om was. Bekijk de constructies van jezelf en van de anderen. Bespreek en beantwoord de vragen. Welke moeilijkheden ondervond je bij het opbouwen van de toren? Noteer. Wat kun je zeggen over de verbindingen die je gebruikte? Vergelijk ook met de andere constructies. Noteer. Wat merk je op bij de stabiele constructies? Noteer hier een aantal kenmerken. Markeer wat juist is.
Hoe dikker / langer de verbindingen, hoe steviger de structuur. Lange verbindingen met dwarsverbindingen verhogen / verlagen de stevigheid van een structuur. Scherpe / stompe driehoeken in de structuur maken het geheel minder stevig.
15
Profielen illustreren mooi hoe men verbindingen maakt in de bouwkunde. Een profiel is een bouwelement met een specifieke dwarsdoorsnede. Dat bouwelement kan vol zijn, zoals een balk of hol, zoals een buis. Daarnaast bestaan er ook open profielen waarvan de dwarsdoorsnede vaak naar een letter wordt genoemd. De specifieke vorm van een profiel zorgt ervoor dat krachten beter worden opgevangen. Elk type profiel heeft zijn eigen functie en toepassing. Omdat er bijvoorbeeld geen scherpe randen aan een glijbaan mogen zijn, kiest men daar voor O-profielen. Deze zijn dan wel wat moeilijker om te verbinden. Bij de bouw van een huis gebruikt men dan weer meer L- of H-profielen. Die worden verwerkt in muren of plafonds en zijn ook veel handiger bij het creĂŤren van rechte hoeken. Hieronder vind je een afbeelding van een heleboel metalen profielen. Schrijf het cijfer van het aangeduide profiel bij de juiste naam.
1
4
2
5
3
rechthoekig profiel of koker
H-profiel of I-profiel
O-profiel of buis
U-profiel
L-profiel of hoekprofiel
16
3 Kracht versus constructie De krachten die op constructies inwerken, kunnen we in twee groepen verdelen. Enerzijds zijn er de statische krachten die constant blijven, zoals de druk van het gebouw zelf die op de materialen weegt, of de zwaartekracht. Anderzijds zijn er de veranderende krachten, ook wel dynamische krachten genoemd. Voorbeelden daarvan zijn windkracht, vrieskou of hitte, trillingen van auto’s ‌ Naast de constante zwaartekracht krijgen hoge constructies voornamelijk drukkrachten, trekkrachten en buigkrachten te verduren. Een gelijktijdige inwerking van deze twee krachten noemen we buigkracht. Noteer het soort kracht onder de juiste afbeelding.
1
2
3
Hier zie je een afbeelding van een eenvoudige brug. Bespreek welke krachten hier aan het werk zijn wanneer de vrachtwagen erover rijdt.
In tegenstelling tot wat je misschien zou denken is een zekere flexibiliteit of buiging van materialen bij constructies vaak noodzakelijk. De stijfheid van een materiaal mag dus niet te hoog zijn. Anderzijds mag het ook niet te laag zijn, want dan gaat het geheel te veel doorhangen.
17
Hieronder zie je een afbeelding van hoe men op een bijzondere manier buigkrachten bij hoge constructies weet op te vangen. Welke elementen zorgen er samen voor dat dit gebouw bij aardbevingen of felle wind overeind blijft? Kruis aan.
een grote massa
dempers
een rechthoekige structuur
scherpe driehoeken
een brede basis
veren
WIST-JE-DAT
De bol van Taipei 101 De Taipei 101 is een wolkenkrabber die zich in de gelijknamige Taiwanese hoofdstad bevindt. Met zijn 509 meter was de toren van 2003 tot 2007 het hoogste gebouw ter wereld, tot de Burj Khalifa hem overtrof. In juli 1998 trof een zware aardbeving Taipei, maar het gebouw hield stand. Hoog in het gebouw hangt een stalen bol met een diameter van 5,5 meter en een gewicht van maar liefst 660 ton! Deze bol vangt trillingen op met behulp van schokdempers die via stalen kabels aan de verdiepingen vasthangen.
Š SOMEFORMOFHUMAN - CC BY-SA 4.0
18
Ken je nog andere voorbeelden uit het dagelijks leven waar een gelijkaardige, schokdempende methode wordt toegepast? Noteer ze hier.
Op de volgende twee afbeeldingen zie je hoe de constructies het hebben begeven onder bepaalde krachten. Noteer onder elke afbeelding drie manieren waarop men deze rampen had kunnen vermijden.
1
2
3
1
2
3
Behalve constructiefouten zijn er natuurlijk nog andere elementen die een rol kunnen spelen wanneer een constructie faalt. Bekijk het filmpje en bespreek.
19
Drukkracht, trekkracht en buigkracht (een combinatie van druk- en trekkracht) zijn de belangrijkste krachten waaraan gebouwen onderhevig zijn. Een zekere mate van doorbuiging van materiaal is noodzakelijk, vooral wanneer een constructie aan sterke krachten wordt blootgesteld. Een speciale, maar effectieve manier om krachten op te vangen bij hoge gebouwen, is het gebruik van een grote massa, dempers en veren.
ISAAC-actie
De triltafeltest
Constructie-inspectie
STUDIEWIJZER
TECHNIEK Ik ken de begrippen stabiliteit, sterkte en stijfheid en kan ze uitleggen als het over constructies gaat. Ik begrijp hoe de basis van een constructie kan worden aangepast om de stabiliteit te vergroten. Ik kan een aantal bouwmaterialen herkennen die vaak gebruikt worden bij constructies. Ik kan het belang van profielvormen en verbindingen uitleggen. Ik kan de begrippen statische kracht, dynamische kracht, drukkracht, trekkracht en buigkracht uitleggen.
COLOFON Auteur Joke Lippens Illustrators Lieven Vandenberghe, Martijn van der Voo Eerste druk 2020 SO 2020/820 Bestelnummer 90 8080 282 ISBN 978 90 4863 975 5 KB D/2020/0147/363 NUR 126/136 Verantwoordelijke uitgever die Keure, Kleine Pathoekeweg 3, 8000 Brugge RPR 0405 108 325 - © die Keure, Brugge Die Keure wil het milieu beschermen. Daarom kiezen wij bewust voor papier dat afkomstig is uit verantwoord beheerde bossen. Deze uitgave is dan ook gedrukt op papier dat het FSC®-label draagt. Dat is het keurmerk van de Forest Stewardship Council®.
9
789048 639755
