Een degelijke wetenschappelijke voorkennis is nodig. Een vooropleiding met minimum 6 à 8 uur wiskunde is geen overbodige luxe. En wat met fysica en chemie?

Fysica: trillingen

Een huis mag onder zijn eigen gewicht niet instorten en moet tegen zware windstoten kunnen. Een architect moet rekening houden met de krachten die op elk onderdeel van een huis komen te staan. Hij kan niet zomaar elk willekeurig bouwmateriaal gebruiken. Dit is ook van toepassing op het bouwen van bruggen. Als een architect geen rekening houdt met de wetten van de fysica kunnen volgende taferelen zich voordoen:

In het filmpje wordt uitleg gegeven over de gevolgen van trillingen. De natuurkrachten die aanwezig zijn bij een aardbeving kunnen verwoestende gevolgen hebben.  De hangbrug 'Tacoma Bridge' in Amerika is een voorbeeld van de gevolgen die kleinere trillingen kunnen hebben. Bij bepaalde windsnelheden begon het wegdek te trillen. Deze trillingen werden heftiger naarmate de tijd vorderde. Uiteindelijk is deze brug in 1940 ingestort. Vandaag de dag, 80 jaar later, kunnen trillingen nog altijd voor heel wat problemen zorgen. Dit wordt geïllustreerd met een gebouw in Utrecht. Het gebouw werd ontruimd nadat medewerkers het gebouw voelden trillen. Er werd dan ook een onderzoek gestart naar de integriteit van het gebouw en naar de oorzaak van deze trillingen. Na een gesprek met het KMI (Koninklijk Meteorologisch Instituut) werd vastgesteld dat er geen aardbeving of orkaan had plaatsgevonden. Ook het transport op de nabijgelegen snelweg en kanaal of het grondwaterpeil konden de oorzaak van de trillingen niet zijn. Uiteindelijk bleek dat bij het naar boven halen van de installatie van de glazenwasser, er kleine trillingen waren ontstaan die in het hele gebouw voelbaar waren.

Om te begrijpen waar deze trillingen vandaag komen, moet het begrip 'eigenfrequenties' geduid worden. Dit zijn de frequenties waarin een constructie van nature makkelijk trilt. Constructies hebben oneindig veel eigenfrequenties. Op het moment dat de frequentie van een belasting precies gelijk is aan de eigenfrequentie van de constructie, worden die trillingen enorm versterkt. Dit fenomeen wordt resonantie genoemd en wordt voorgesteld met een demo. Ook het voorbeeld van een operazangeres die een glas kan laten springen door precies de juiste toon te zingen is hier een toepassing van. In de geschiedenis zijn hier ook enkele voorbeelden van. Zo is er een verhaal bekend van een brug die precies dezelfde eigenfrequentie had als het ritme van marcheren van soldaten. Door het versterkte effect is deze brug ingestort.

De eigenfrequentie is afhankelijk van twee parameters, de massa en de stijfheid. De massa en de eigenfrequentie hebben een omgekeerd evenredig verband en de stijfheid en de eigenfrequentie hebben een recht evenredig verband. Door het verlichten en verslappen van hedendaagse constructies in vergelijking met de Romeinse gebouwen, zal het bereiken van de eigenfrequenties veel waarschijnlijker zijn. Voor architecten is het vaak moeilijk om deze parameters aan te passen aan hun ontwerp aangezien de belasting niet altijd gekend is. In Taiwan is er een oplossing uitgedacht. Hier hangt een zware bol aan kabels in de bovenkant van het gebouw. De eigenfrequentie van de slinger is afgestemd op de eigenfrequentie van het gebouw. De slinger zal op een bepaalde manier bewegen zodat die de trilling van het gebouw tegengaat bij aardbevingen of orkanen. Op deze manier zal alle energie zitten in de trilling van de slinger en niet van het gebouw.

Formule om de eigenfrequentie te berekenen van een systeem met massa m die een HT (harmonische trilling) uitvoert.

Formule om de eigenfrequentie te berekenen van een massa m aan een veer die een HT (harmonische trilling) uitvoert.

Fysica: krachten

Op constructies werken voortdurend krachten. De zwaartekracht of gravitatiekracht is de aantrekkingskracht tussen voorwerpen en dan vooral tussen de aarde en andere voorwerpen. De zwaartekracht is steeds een constante of statische kracht.  Een constructie staat onder druk van zijn eigen gewicht (= de zwaartekracht) . Een gebouw zal instorten als het niet stevig genoeg is. In 1687 beschreef de Engelse natuurkundige Isaac Newton als eerste de zwaartekracht. Volgens Newton houdt de massa van een lichaam verband met zijn aantrekkingskracht. Daarom bedraagt de zwaartekracht op de maan slechts 16,6 procent van de aantrekkingskracht van de aarde, omdat de massa van de maan zo veel kleiner is. Formule om de zwaartekracht op een voorwerp te berekenen:

Fz = m * g       met g  (=valversnelling of zwaarteveldsterkte) op aarde gelijk aan 9,81 N/Kg

Naast de zwaartekracht werken ook nog andere krachten op een constructie:

• Drukkrachten

Drukkrachten proberen de constructie in elkaar te drukken. Nemen we het voorbeeld van een auto met een aanhangwagen die achteruit rijdt.  Op de aanhangwagen en op de auto worden drukkrachten uitgeoefend.  Zowel de aanhangwagen als de auto moeten hiertegen bestand zijn en mogen niet vervormen.

• Trekkrachten

Trekkrachten proberen de constructie uit elkaar te trekken. Nemen we het voorbeeld van spantouwen van een tent. De trekkrachten zorgen ervoor dat de tent uit elkaar wordt getrokken en mooi gespannen staat. Het materiaal waaruit de tent gemaakt is, moet natuurlijk sterk genoeg zijn om niet te scheuren door de trekkrachten.

• Buigkrachten

Buigkrachten zijn een combinatie van druk- en trekkrachten.  Ze proberen de constructie te doen doorbuigen. Op de bovenzijde werken dan drukkrachten en op de onderzijde trekkrachten. Een betonnen balk boven een raam bijvoorbeeld is onderhevig aan buigkrachten. Ook een plaatje uit metaal of kunststof dat je plooit ondervindt buigkrachten.

• Torsiekrachten

Torsiekrachten vervormen het materiaal door torsen (= wringen).  Je kunt het vergelijken met het uitwringen van een dweil.

In dit filmpje worden voorbeelden getoond van constructies die de wetten van de zwaartekracht tarten:

Chemie: samenstelling materialen

Om te weten welke materialen geschikt zijn voor bepaalde bouwconstructies, dient een architect inzicht te hebben in de materiaaleigenschappen. Inzicht in materialenwetenschappen en -technologie, alsook inzicht in de levenscyclus en duurzaamheid van materialen zijn onontbeerlijke kennis voor een architect om aan degelijke materiaalkeuze te kunnen doen.

Er kan een onderscheid worden gemaakt tussen mechanische (stijfheid, sterkte, breukweerstand, vermoeiingsgedrag) en fysische (dichtheid, thermische en elektrische geleidbaarheid) materiaaleigenschappen op basis van de atomaire, kristallografische en/of moleculaire bouwstenen van de verschillende materiaalklassen. Zo zijn er verschillen waar te nemen tussen metalen, keramieken, kunststoffen en composietmaterialen. Verder moet steeds rekening worden gehouden met de verschillende fases van de levenscyclus van een materiaal:

• primaire materiaalproductie (vraag en aanbod van grondstoffen, ontginning en opzuivering, ecologische impact),
• vormgeving en productie (materiaalvormgevingsmethodes, kostenfuncties),
• materiaal- en productgebruik (economische en ecologische aspecten van materiaalgebruik),
• einde-levensfase (hergebruik, re-engineering, recyclage, storten, verbranding, … en hun ecologische impact).

Voorbeeld:

Corrosiebestendigheid: dit is een kenmerk van een stof die behoort tot de formule ervan en bij de reactiviteit met andere stoffen en omgevingen. Corrosie is de scheikundige aantasting van materialen doordat hun omgeving op ze inwerkt, in het bijzonder de aantasting van metalen door elektrochemische reacties. Aantasting door puur mechanische invloeden, zoals schuren en breuk door een botsing of val worden niet als corrosie aangemerkt.
De bekendste soorten corrosie zijn de aantasting van metaaloppervlakken door zuurstof en water in de lucht, zoals het roesten van ijzer en het groen uitslaan van koper. Ook in een waterig milieu en bij hoge temperatuur kan corrosie optreden en het kan ook keramische materialen en kunststoffen betreffen.
Corrosie brengt veiligheidsrisico's (falen van dragende constructies) en grote kosten mee. Het ene materiaal is gevoeliger voor corrosie dan het andere. De eerste methode van corrosiepreventie is het kiezen van een corrosiebestendig materiaal.

Diverse typen corrosie kunnen onderscheiden worden, waarbij verschillende chemische reacties een rol spelen. De meest bekende corrosiereactie is die waarbij zuurstof uit de atmosfeer in combinatie met water, of vocht, reageert met ijzer, koper, of een ander metaal en dit in een geoxideerde toestand brengt. Het aflezen van de precieze corrosiereactie in een bepaald milieu kan gebeuren middels het pourbaixdiagram.  

Bij zuurstofcorrosie worden opgeloste zuurstofmoleculen gereduceerd tot hydroxide (OH−) ionen, waarbij het metaal gelijktijdig reageert tot een oxide. Het roesten van ijzer is een voorbeeld van zuurstofcorrosie.
Dit kan weergegeven worden door de reactie weer te geven als enkele (denkbeeldige) halfreacties:
6 H2O + 3 O2 + 12 e− → 12 OH−
4 Fe → 4 Fe3+ + 12 e−
4 Fe3+ + 12 OH− → 2 Fe2O3 + 6 H2O
Deze halfreacties leveren samen:
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3