Driescharnierspant

De mechanische logica van het driescharnierspant draait volledig om de drie scharnierpunten: twee aan de basis en één in de nok. Doordat de constructie statisch bepaald is, treden er in de scharnieren geen buigmomenten op. Dit maakt de berekening voorspelbaar en de uitvoering constructief eerlijk. Krachten worden direct doorgeleid. Een cruciaal aspect bij dit type spant is de horizontale spatkracht die aan de onderzijde optreedt. Zodra er belasting op het dak komt, willen de spantbenen naar buiten wijken. Dit vraagt om een slimme oplossing in de fundering, zoals een trekstang die de voeten verbindt of zware betonpoeren die de zijwaartse druk kunnen weerstaan. Het systeem is opvallend tolerant voor zettingen; als een van de funderingspunten licht verzakt, past de constructie haar vorm aan zonder dat er direct scheurvorming of gevaarlijke interne spanningen ontstaan.

Prefabricage vormt de kern van de uitvoering. De twee spantbenen worden als losse componenten op de bouwplaats geleverd. Kranen hijsen de delen in positie boven de funderingspunten. Eerst vindt de verankering bij de voetpunten plaats. Hierbij vallen stalen schoenen over ingestorte draadeinden of worden penverbindingen in ankerstoelen geschoven. Zodra de voeten geborgd zijn, worden de bovenzijdes naar elkaar toe bewogen. In de nok ontmoeten de helften elkaar. Een stalen koppeling met een centrale pen of boutgroep vormt daar het derde scharnier. Dit proces vraagt om uiterste precisie bij de maatvoering van de fundering.

Een minimale afwijking in de overspanning bij de basis beïnvloedt direct de hoogte en passing van het nokpunt. Directe stabiliteit is een kenmerk. Na het sluiten van het nokscharnier staat de constructie zelfstandig in haar eigen vlak. De zijwaartse druk op de fundering moet direct worden opgevangen. Trekstangen onder het vloerniveau of verzwaarde betonpoeren zijn hiervoor reeds aanwezig. De verdere opbouw volgt door het aanbrengen van gordingen en windverbanden. Deze koppelen de individuele spanten tot een stijf ruimtelijk geraamte. Snelheid is een voordeel. Het ontbreken van complexe, momentvaste verbindingen maakt dat de montage ter plaatse relatief efficiënt verloopt. Het systeem is daardoor minder gevoelig voor weersinvloeden tijdens de ruwbouwfase.

Hout, staal of beton

Hout voert de boventoon bij het driescharnierspant. Vaak gaat het om gelamineerd hout. Dit materiaal laat zich makkelijk in de gewenste vorm buigen of verlijmen, waardoor de karakteristieke knik of bocht in het spantbeen eenvoudig te realiseren is. Staal is een alternatief. Vooral bij industriële hallen waar grote overspanningen en zware kraanbanen samenkomen. Beton komt minder voor. Het is loodzwaar en lastig hanteerbaar als prefab element met scharnierpunten.

De verschijningsvorm varieert. Soms zijn de spantbenen kaarsrecht. In andere gevallen ziet men een gebogen vorm die vloeiend overgaat van de verticale kolom naar de schuine dakligger. De esthetiek volgt hier de krachtswerking. Een constructie met een trekstang is een specifieke variant. Hierbij verbindt een stalen staaf de twee voetpunten. De spatkrachten worden dan niet door de fundering, maar door de stang opgevangen. Handig bij een zwakke ondergrond. De fundering hoeft dan alleen verticale lasten te dragen.

Vormvarianten

In de praktijk valt vaak de term kniespant. Dit is in feite een specifieke uitvoering van het driescharnierspant waarbij de kolom en de ligger als één stijf geheel zijn uitgevoerd, met een duidelijke 'knie' op de overgang van wand naar dak. Het scharnier ontbreekt daar juist. De drie scharnieren zitten dan nog steeds in de nok en bij de voeten. Het spant ziet eruit als een omgekeerde V of een boog.

Men spreekt ook wel over een 'raamwerk'. Toch is dat niet altijd correct. Een standaard portaalspant is vaak momentvast in de hoeken en heeft geen nokscharner. Dat maakt het statisch onbepaald. Het driescharnierspant onderscheidt zich door die bewuste onderbreking in de nok. Geen boutgroepen die momenten opvangen. Alleen een pen die druk doorgeeft. Simpel. Doeltreffend. Minder gevoelig voor temperatuurverschillen bovendien.

Statische bepaaldheid

Waarom kiezen voor drie scharnieren als twee ook kunnen? Het tweescharnierspant mist het punt in de nok. Dat maakt de berekening complexer. Interne spanningen lopen op bij zettingen. Het driescharnierspant is vergevingsgezinder. Verzakking aan één zijde? De constructie draait mee in de scharnieren. Er ontstaat geen extra buigspanning in het materiaal.

Een nadeel is de stijfheid. Een driescharnierspant is minder star dan een volledig ingeklemd portaal. Het beweegt meer onder windbelasting. Voor een woning kan dat een punt van aandacht zijn voor de afwerking. Voor een kapschuur of fabriekshal is het zelden een probleem. De keuze hangt dus af van de ondergrond. Slechte grond vraagt om een driescharniersysteem. Stabiele zandgrond laat meer rigide opties toe.

Stel je een grote aardappelbewaarplaats in de polder voor. De ondergrond is slap en zettingsgevoelig. Hier kiest de constructeur niet voor een star, gelast portaal. In plaats daarvan staan er robuuste houten driescharnierspanten. Wanneer de bodem onder één van de funderingsvoeten na jaren een paar centimeter verzakt, geeft dat geen krimp in de hoofddraagconstructie. De twee spanthelften roteren simpelweg een fractie in de nok en bij de voeten. Het systeem zoekt een nieuw evenwicht zonder dat het hout splijt of de verbindingen bezwijken.

In de moderne utiliteitsbouw zie je het principe vaak terug bij sporthallen met gelamineerde houten spanten. De karakteristieke 'knie' is daar vaak een stijve, verlijmde hoek, maar kijk je omhoog naar de nok, dan zie je een stalen koppelplaat met een enkele dikke pen. Dit is het hart van de constructie. Het maakt de montage op de bouwplaats razendsnel; twee kranen houden elk een helft vast, de pen gaat erin, en de constructie staat direct stabiel.

Een ander herkenbaar beeld is de renovatie van een oude schuur waarbij de zijwanden de zijwaartse druk (de spatkrachten) niet meer kunnen dragen. Men plaatst dan vaak een stalen trekstang tussen de twee voetpunten van het driescharnierspant. Deze stang fungeert als de pees van een boog. De horizontale krachten worden dan niet door de muren of de fundering opgevangen, maar door de stang zelf. De constructie blijft zo 'zweven' op de fundering, waarbij alleen verticale druk wordt doorgegeven aan de ondergrond.

Bij een kleinschalig project, zoals een atelier met een asymmetrisch dak, biedt het driescharnierspant uitkomst voor de architect. Door de scharnierende nok kunnen de twee dakvlakken verschillende hellingshoeken hebben zonder dat dit tot complexe berekeningen van momentvaste knopen leidt. De krachtenloop blijft simpel: van de nok rechtstreeks naar de fundering. Constructieve eerlijkheid in zichtwerk.

De wet is helder over veiligheid. Geen marge. Binnen de kaders van het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL) valt de constructie onder de noemer hoofddraagconstructie, wat impliceert dat het bezwijken ervan onder geen beding mag leiden tot het voortschrijdend instorten van omliggende bouwdelen buiten het directe schadegebied. De fundamentele eisen aan de constructieve veiligheid zijn onwrikbaar. Voor de technische uitwerking hiervan vormen de Eurocodes het verplichte referentiekader.

NEN-EN 1995, ook bekend als Eurocode 5, is de leidraad voor de veelgebruikte houten varianten. Hierin staan de rekenregels voor verbindingen en materiaalspanningen bij gelamineerd hout beschreven. Spatkrachten vormen een juridisch en technisch aandachtspunt; de regelgeving vereist dat deze horizontale krachten aantoonbaar veilig worden afgedragen naar de fundering of opgevangen door een trekstangvoorziening. NEN-EN 1991 (Eurocode 1) dicteert hierbij hoe de veranderlijke belastingen, zoals sneeuw en wind op de grote dakvlakken die vaak bij deze spanten horen, moeten worden gecalculeerd.

Brandveiligheid is cruciaal bij utiliteitsbouw. De bezwijktijd bij brand moet voldoen aan de grenswaarden uit het BBL. Voor houten spanten betekent dit vaak een toetsing op de inbrandsnelheid volgens NEN-EN 1995-1-2. Wordt er gekozen voor stalen scharnierpunten of een volledig stalen constructie? Dan verschuift de toetsing naar NEN-EN 1993 (Eurocode 3). Staalkwaliteit, boutsterkte en de integriteit van de lasverbindingen in de nok moeten zwart-op-wit staan in de constructieve berekening. De statische bepaaldheid van het systeem maakt de controle door bouw- en woningtoezicht overzichtelijk, maar de onderbouwing moet onberispelijk zijn.

De wiskundige onderbouwing van het driescharnierspant kreeg pas echt vorm tijdens de industriële revolutie. Voor die tijd bouwde men kapconstructies vooral op basis van eeuwenoude ervaring en overgedragen vakmanschap. De negentiende eeuw dwong echter tot schaalvergroting. Grote stationshallen en fabriekspanden vroegen om enorme overspanningen die met traditionele eiken gebinten niet langer haalbaar waren. Ingenieurs zochten naar een systeem dat voorspelbaar reageerde op krachten. Het driescharniersysteem bood de theoretische zuiverheid die nodig was.

Met de opkomst van staal en smeedijzer rond 1850 werd de noodzaak voor thermische flexibiliteit acuut. Een starre constructie zou bij temperatuurverschillen bezwijken onder interne spanningen. De introductie van drie scharnierpunten loste dit op. De constructie kon vrij uitzetten en krimpen zonder de fundering te ontwrichten. Het systeem was 'statisch bepaald'. Dit betekende dat constructeurs met eenvoudige evenwichtsvergelijkingen de krachten konden berekenen. Geen giswerk meer. Zuivere mechanica.

De twintigste eeuw bracht de doorbraak van gelamineerd hout. Dankzij nieuwe lijmtechnieken, die na 1900 hun intrede deden, werd het mogelijk om houten lamellen tot grote, gebogen vormen te verlijmen. De karakteristieke knie-vorm van het driescharnierspant werd hiermee technisch eenvoudig uitvoerbaar. Vooral na de Tweede Wereldoorlog nam de populariteit in de agrarische sector en utiliteitsbouw een vlucht. Prefabricage werd de norm. Twee spanthelften die op de bouwplaats met één penverbinding in de nok werden gekoppeld; een efficiëntieslag die de bouwtijd drastisch verkortte. De overgang van ambachtelijke houtverbindingen naar gestandaardiseerde staal-op-hout verbindingen markeerde de definitieve verschuiving naar de moderne constructieleer.

• https://www.derix.de/data/Gelamineerde_houtconstructies_Derix_NL.pdf
• https://www.joostdevree.nl/shtmls/driescharnierspant.shtml
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Driescharnierspant
• https://derix.de/nl/producten/gelamineerd-hout/primaire-constructies/driescharnierspanten/
• https://www.joostdevree.nl/shtmls/kapconstructie.shtml