Houtpen

Houtpennen vormen de ruggengraat van de traditionele zware houtbouw en restauratietechniek. In tegenstelling tot metalen bevestigingsmiddelen werken houtpennen synchroon met de omringende balken; ze krimpen en zetten uit in hetzelfde tempo als de rest van de constructie. De pen wordt met een zware houten hamer, de sleg, in een voorgeboord gat geslagen. Vaak kiest de vakman voor een houtsoort met een hogere densiteit dan het constructiehout, zoals eiken of acacia, om de afschuifkrachten optimaal op te vangen. Het resultaat is een verbinding die door de jaren heen eerder sterker dan zwakker wordt door de natuurlijke werking van het materiaal. Geen roest, geen koudebruggen, puur mechanische klemming.

De montage van de houtpen vangt aan zodra de pen-en-gatverbinding provisorisch is samengevoegd. Men boort gaten door de wangen van het gat en de daarin gestoken pen, waarbij de positie van het boorgat in de pen vaak een fractie verschoven is ten opzichte van de gaten in de staander. Dit creëert spanning. Zodra de hamer neerkomt op de kop, zoekt de verjongde of conische punt van de houtpen zijn weg door deze versprongen boringen en trekt zo de schouders van de verbinding onverbiddelijk tegen de aangrenzende balk aan. Het is puur mechanisch handwerk.

Tijdens het indrijven vervormt de houtpen zich licht naar de contouren van het boorgat, wat resulteert in een enorme wrijvingsweerstand die de constructiedelen fixeert zonder dat er lijm of metalen ankers aan te pas komen. De pen klemt zichzelf vast. Vaak kiest men ervoor om de pen niet direct vlak af te zagen, maar deze enkele centimeters te laten uitsteken; dit biedt de mogelijkheid om de constructie te laten 'zetten' tijdens het natuurlijke droogproces van het hout. In een later stadium kan de pen dan eventueel nog verder worden aangedreven om eventuele speling door krimp op te vangen. De structurele integriteit blijft hierdoor gewaarborgd, zelfs wanneer het hout door de jaren heen volumeveranderingen ondergaat onder invloed van de luchtvochtigheid.

Vorm en functionaliteit

Niet elke houtpen is identiek; de vorm bepaalt hoe de verbinding zich gedraagt tijdens de montage. De conische houtpen, in vaktermen vaak de toognagel genoemd, loopt taps toe over de gehele lengte of enkel bij de punt. Deze tapsheid is cruciaal bij het 'togen'. Hierbij worden de boorgaten in de pen en het gat opzettelijk versprongen geboord, waarna de schuine zijde van de pen de delen met brute kracht naar elkaar toe dwingt.

Rechte, cilindrische pennen komen ook voor. Deze bieden een gelijkmatige passing over de volledige diepte van het boorgat, maar missen het aantrekkende vermogen van hun conische tegenhangers. Soms kiest men voor een achthoekig gesneden pen. De hoeken snijden zich vast in de ronde wanden van het boorgat. Dit verhoogt de mechanische weerstand aanzienlijk. Het voorkomt rotatie.

Verschil met deuvels

Hoewel de termen soms door elkaar lopen, is er een wezenlijk verschil tussen een houtpen en een deuvel. Een deuvel is doorgaans korter, blind gemonteerd en afhankelijk van lijm voor zijn sterkte. De houtpen daarentegen is een constructief element dat meestal volledig door de balk heen gaat. Hij werkt op afschuiving en klemming. Geen lijm nodig.

Eikenhout voert de boventoon. Het is de standaard. Door de hoge concentratie looizuur en de natuurlijke hardheid is eiken extreem duurzaam in zware gebinten. Toch zijn er alternatieven. Voor constructies die blootstaan aan extreme weersomstandigheden of contact met de grond, geniet acacia (Robinia) de voorkeur. Het is nog harder. Het rot nagenoeg niet. In de historische scheepsbouw werden vaak pennen van grenen of essen gebruikt, afhankelijk van de benodigde flexibiliteit van de romp.

• Eiken pennen: De universele keuze voor vakwerk en restauratie.
• Acacia pennen: Superieure duurzaamheid, ideaal voor buitenwerk.
• Lariks pennen: Worden soms toegepast in zachthouten constructies om de werking van het materiaal gelijk te houden, al is de afschuifsterkte lager.

Bij restauraties van rijksmonumenten is de materiaalkeuze vaak strikt voorgeschreven. Men mag niet zomaar afwijken van de oorspronkelijke houtsoort. Het gedrag van de pen moet immers exact overeenkomen met dat van de eeuwenoude balken waarin hij wordt geslagen. Een te harde pen kan de wangen van een oud pengat doen splijten als de spanning te hoog oploopt.

Zichtbare constructie in een monument

Loop een 17e-eeuwse stolpboerderij binnen en kijk omhoog naar de zware gebintconstructie. In de hoekverbindingen tussen de stijlen en de korbeels zie je de koppen van de houtpennen zitten. Ze steken vaak een fractie uit. Ze zijn niet gladgeslepen of weggewerkt achter plamuur. Dit is de constructie in haar puurste vorm. Men ziet direct hoe de krachten worden overgedragen.

Het 'trekken' van een verbinding

Tijdens de assemblage van een eiken buitenverblijf komt de praktijk van het togen tot leven. De vakman plaatst de dwarsbalk in de staander. De boorgaten lijken op het eerste gezicht niet te lijnen; ze verspringen een paar millimeter. Zodra de hamer de houtpen raakt, hoor je een doffe klap. Met elke slag dwingt de schuine punt van de pen de gaten over elkaar heen. De kier tussen de balken verdwijnt ter plekke. De verbinding sluit zich hermetisch. Het is een mechanisch proces dat geen lijm behoeft.

Seizoenswerking en onderhoud

In een nieuw gebouwd houtskelet van groen (vers) eikenhout werkt het materiaal enorm. Na een jaar van natuurlijke droging kunnen de pennen iets losser lijken te zitten doordat de balken krimpen. De timmerman pakt zijn sleg. Hij drijft de pennen een fractie verder aan. De conische vorm zorgt ervoor dat de speling direct wordt opgeheven. De constructie is weer star. Dit is het grote voordeel ten opzichte van stalen bouten, die in krimpend hout juist hun grip verliezen en gaan rammelen.

• Restauratie: Het vervangen van een gespleten pen in een historische kapconstructie door een nieuwe, handgesneden eiken pen van dezelfde densiteit.
• Nieuwbouw: Het gebruik van contrasterende houtsoorten, zoals een donkere acacia pen in een lichte lariks balk, om de ambachtelijke verbinding esthetisch te accentueren.

De constructieve veiligheid van verbindingen is vastgelegd in het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL). Voor de berekening van de mechanische belastbaarheid van houtverbindingen is NEN-EN 1995-1-1, ook wel bekend als Eurocode 5, de geldende norm. Hoewel deze norm veel aandacht besteedt aan metalen verbindingsmiddelen, vallen traditionele verbindingen met houtpennen onder de algemene regels voor de overdracht van krachten via contactvlakken en afschuiving. De rekenwaarden voor de afschuifsterkte van de pen zijn hierbij cruciaal. De praktijk leert dat bij zware gebintconstructies vaak aanvullende berekeningen nodig zijn om de weerstand tegen splijten van de balkwangen aan te tonen.

Bij werkzaamheden aan rijksmonumenten is de vrijheid in materiaalkeuze beperkt door de Erfgoedwet. De Stichting Erkende Restauratiekwaliteit Monumentenzorg (ERM) heeft hiervoor specifieke richtlijnen opgesteld, zoals de Uitvoeringsrichtlijn Historische Houtconstructies (URL 3001). Deze richtlijn schrijft voor dat herstelwerkzaamheden moeten aansluiten bij de oorspronkelijke constructiewijze en materiaaleigenschappen. Het vervangen van een authentieke houtpen door een stalen bout is in deze context vaak niet toegestaan. De pen moet in densiteit en duurzaamheidsklasse overeenstemmen met de historische context om onvoorspelbare spanningen of versnelde degradatie door vochtophoping rond vreemde materialen te voorkomen.

Van neolithische paalwoningen tot de monumentale kapconstructies van gotische kathedralen. De houtpen is een constante factor in de Europese bouwgeschiedenis. Oorspronkelijk werden pennen ruw gekloofd uit vers hout. Men volgde de draad van de stam voor maximale sterkte. Eeuwenoud principe. Pas later, met de opkomst van de professionele gilden in de middeleeuwen, ontstond de verfijnde techniek van het togen. Dit markeerde een technisch kantelpunt. Het stelde bouwmeesters in staat om enorme spanningen in de houtverbindingen op te vangen zonder gebruik te maken van kostbaar en corrosiegevoelig ijzer.

In de Nederlandse traditie, specifiek in de gebintenbouw, bleef de houtpen de standaard tot ver in de negentiende eeuw. Terwijl de scheepsbouw al vroeg experimenteerde met metalen bouten en klinknagels, hield de landelijke bouw vast aan het organische karakter van de pen. De overgang naar industriële bevestigingsmiddelen zoals draadeinden en stalen koppelplaten zorgde voor een tijdelijke marginalisering van het ambacht. Sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw is er echter een duidelijke herwaardering zichtbaar. Niet alleen vanuit een historisch-esthetisch perspectief in de restauratiesector. Ook de moderne, ecologische houtbouw grijpt terug op de pen vanwege de superieure thermische eigenschappen en de volledige recyclebaarheid van de constructie. Geen staal, geen afval. De evolutie van handmatig gesneden pennen naar machinaal gedraaide varianten heeft de efficiëntie verhoogd, zonder de fundamentele mechanica van de verbinding te veranderen.

• https://nl.wikipedia.org/wiki/Pen-en-gatverbinding
• https://www.joostdevree.nl/shtmls/pen-en-gat-verbinding.shtml