Gecontroleerd gevaar

Een rit in een achtbaan geldt als het spectaculaire hoogtepunt van elk pretparkbezoek. Ingenieurs zoeken bij het ontwerpen de grens op van wat het materiaal en ons lichaam nog net kunnen verdragen.

Zo hoog, zo snel en zo lang? Dat moest wel een publiciteitsstunt zijn, dachten zelfs veel doorgewinterde achtbaanliefhebbers. Toch opende op de laatste dag van vorig jaar in Saudi-Arabië de Falcons Flight. De nieuwe publiekstrekker van Six Flags Qiddiya City verbrak in één klap elk belangrijk achtbaanrecord.

Met snelheden tot 250 kilometer per uur schiet het treintje van Falcons Flight over een traject van 4,25 kilometer lang, waarbij het onderweg vanaf een tweehonderd meter hoge klif naar beneden stort. De pretparkbezoeker beleeft 3,5 minuut van pure adrenaline. Met de bril van een ingenieur op zie je behalve een spectaculaire achtbaan vooral ook wat er allemaal mogelijk is wanneer specialisten uit de werktuigbouwkunde, civiele techniek, materiaalkunde, softwareontwikkeling, elektrotechniek, productietechnologie en veiligheidskunde de handen ineenslaan voor de ultieme achtbaanervaring.

Ingenieurs lossen vaak maatschappelijke problemen op. Ze ontwerpen bruggen, waterkeringen, energiecentrales en medische apparatuur en maken zo de wereld een beetje beter. Maar soms hoeft de wereld niet beter, maar gewoon een beetje leuker. Het ontwerpen van achtbanen behoort tot die laatste categorie. Ze worden gebouwd voor één doel: mensen gedurende een korte tijd de sensatie van levensgevaar te laten ervaren zonder dat ze daadwerkelijk gevaar lopen. Dat laatste lukt opmerkelijk goed. Statistisch gezien is de kans veel groter dat een bezoeker onderweg naar het pretpark een ernstig ongeluk krijgt dan dat er tijdens een rit in een achtbaan wat misgaat.

Droombaan

Op veel jonge ingenieurs oefent de achtbaanindustrie een bijna onweerstaanbare aantrekkingskracht uit. Frank de Ruiter, managing director van achtbaanbouwer Intamin Holland in Apeldoorn, merkt regelmatig dat hij niet voor zomaar een bedrijf werkt. Scholieren stoppen dan voor de deur om foto’s te maken van het kantoor met het bedrijfslogo. ‘Ik heb collega’s die als kind al wisten: later wil ik hier werken.’

Har Kupers, president-commissaris en voorheen ceo van Vekoma in Vlodrop, herkent dat. ‘Als achtbaanfabrikant werken we aan een fantastisch product. Onze mensen zijn ongelooflijk trots op wat ze maken.’

Achter elke achtbaan gaat een complex systeem schuil waarin tal van ingenieurs- en andere disciplines samenkomen. ‘Mensen zien vooral staal’, zegt Kupers. ‘In werkelijkheid is een moderne achtbaan een combinatie van mechanica, elektronica, software en menselijke factoren.’

Kupers kan het weten. Afgelopen maand kwamen koning Willem-Alexander en koningin Máxima bij Vekoma op bezoek, om de honderdste verjaardag mee te vieren. Vekoma werd in 1926 opgericht als Veld Koning Machinefabriek, een bedrijf dat landbouwmachines produceerde. Ruim een halve eeuw geleden kwam de omslag. Toen begon het bedrijf reuzenraden te bouwen en andere eenvoudige attracties, in 1977 gevolgd door een eerste achtbaan.

‘Indertijd was dat een logische economische beslissing’, zegt Kupers. ‘De traditionele staalbouw stond onder druk en de eigenaar zocht een manier om meer waarde te creëren per kilo staal.’ Inmiddels is Vekoma al 35 jaar hofleverancier van Disney-pretparken, toonaangevend voor de hele sector. ‘Elk jaar vervoeren we een half miljard mensen’, zegt Kupers. Het bedrijf verloochent z’n herkomst intussen niet: wie er op bezoek komt, wordt er verwelkomd met verse vlaai.

RollerCoaster Tycoon

Voorheen ontwierpen achtbaaningenieurs een mooie baan en zochten daar vervolgens een verhaal bij. Nu begint elke achtbaan met een strategische vraag. Wil een pretpark een attractie die ook voor jongere kinderen leuk is of moet er juist spectaculaire thrill coaster komen? Welke rol moet de attractie spelen in het grotere verhaal van het park? ‘We beginnen met de gewenste G-krachten en de beleving voor de bezoeker’, zegt Kupers. ‘Vanuit die uitgangspunten genereert software de optimale baan.’

Dan zijn er ook nog andere randvoorwaarden. Wat is de gewenste capaciteit: zevenhonderd bezoekers per uur of minstens twaalfhonderd? Hoe groot is het beschikbare oppervlak in het pretpark?

‘Veel mensen denken dat we de hele dag RollerCoas-
ter Tycoon spelen,’ zegt De Ruiter, verwijzend naar een computergame waarin iedereen z’n eigen pretpark bouwt. ‘Maar het ontwerpen van de lay-out van de baan is maar een klein deel van het werk.’

Trillingen

Een factor die een achtbaanrit niet alleen onprettig, maar zelfs risicovol kan maken, zijn trillingen. Jurnan Schilder deed er ooit als stagiair bij Vekoma onderzoek naar. Dat zijn afstudeerstage hem naar Vlodrop bracht, was geen toeval. Sinds hij op schoolreisje in Walibi de wereld van de achtbanen had leren kennen, was Schilder verkocht. ‘Op de middelbare school wist ik al dat ik achtbaanontwerper wilde worden. Zo gefascineerd was ik geraakt. Niet eens door erin te zitten, want dat vond ik in het begin nogal eng. Het ging me om dat treintje, dat zich zo elegant over de rails voortbewoog.’

Schilder probeerde te bedenken welke studie hij het best kon volgen om zijn droom waar te maken. ‘Voor de systemen heb je het meest aan elektrotechniek, voor de funderingen kun je beter voor civiele techniek kiezen, voor werk aan de treintjes en de beugelsystemen is industrieel ontwerp mogelijk handig. Maar, dacht ik toen, het allermeest heb je aan werktuigbouwkunde. Dus dat ben ik toen gaan studeren, hier in Enschede.’

Zijn masterscriptie wijdde hij aan trillingen. Ontwerpers berekenen een ideale baan met een vloeiend versnellingsprofiel. Die combinatie van snelheid en kromming veroorzaakt de primaire sensaties die bepalend zijn voor de beleving van een rit. ‘Maar bij de werkelijke productie ontstaan onnauwkeurigheden in de fabriek en dan moet de installatie nog volgen. Dus wat die trein uiteindelijk echt doet, wijkt een beetje af van het ontwerp. Dan kunnen er hoogfrequente trillingen ontstaan die een rit voor de passagier tot een nare ervaring maakt, maar die ook vanuit technisch oogpunt ongewenst zijn: de trillingen versnellen de vermoeiing van het materiaal.’

Uiterste grens

G-krachten spelen in het ontwerp een hoofdrol. Een achtbaan moet spannend voelen, maar mag de fysiologische grenzen van ons lichaam niet overschrijden. Daarom worden tijdens het ontwerp niet alleen spanningen in de staalconstructies doorgerekend, maar ook de belastingen op hoofd, borstkas en navel van de passagiers.

De maximale versnellingen zijn vastgelegd in Europese normen. Voor familieachtbanen blijven ontwerpers ruim onder die grenzen, met G-krachten van maximaal 2. Bij extreme thrill coasters wordt voor de ultieme adrenalinebeleving juist gezocht naar de uiterste grens tussen sensatie en comfort. G-krachten kunnen dan gedurende de rit variëren van -1, wanneer even dat gevoel van gewichtloosheid ontstaat, tot +5 in een agressieve bocht. ‘We kunnen nu precies bepalen wat er nog mogelijk is’, zegt De Ruiter. ‘Vervolgens kunnen we ervoor kiezen of we met het ontwerp dicht op die grens gaan zitten of er juist wat verder vanaf blijven.’

Voor de norm uit

Soms loopt innovatie sneller dan regelgeving. Vekoma ondervond dat eind jaren negentig bij de ontwikkeling van de eerste flying coaster. Bij dat type achtbaan zitten de passagiers niet rechtop, maar hangen of liggen horizontaal onder de rails, alsof ze vliegen. ‘De G-krachten zijn gelijk’, zegt Kupers. ‘Maar de richting waarin die krachten op het lichaam werken is dan totaal anders.’

Voor dit soort situaties bestonden destijds geen normen. Ingenieurs moesten daarom zelf onderzoeken welke belastingen nog verantwoord waren. Daarbij baseerden zij zich op medische literatuur, aangevuld met kennis uit de militaire luchtvaart en de resultaten van proeven in centrifuges die normaal worden gebruikt voor pilotenopleidingen. Daarnaast bouwde Vekoma een grote proefopstelling om houdingen, belastingen en veiligheidssystemen te testen. Pas jaren later werd die kennis verwerkt in officiële normen. Het laat zien hoe innovatie in deze sector vaak ontstaat: eerst wordt iets ontwikkeld, daarna wordt bewezen dat het veilig is, wat een langdurig proces kan zijn, en daarop worden de normen aangepast. Niet voor niets hebben achtbaanbouwers ook zitting in de normcommissie.

Buigmachines

Schilder ruilde zijn ambitie om achtbaanontwerper te worden in voor een misschien nog wel leukere baan: hij werd hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit Twente. Dat moderne achtbanen soepeler lopen dan de vorige generatie achtbanen uit de jaren negentig, is volgens hem vooral het gevolg van de verbeterde productietechnieken van de fysieke onderdelen. 

Vroeger werden rails opgebouwd uit opeenvolgende cirkelsegmenten die aan elkaar werden gelast. Tegenwoordig kunnen computergestuurde buigmachines de kromming geleidelijk laten verlopen, waardoor abrupte overgangen verdwijnen.

Intussen blijven trillingen lastig te voorkomen, zegt Schilder. ‘Waar we vroeger misschien wel dertig keer dezelfde achtbaan met dezelfde lay-out legden, daar zijn de populaire achtbanen van nu allemaal maatwerk. Met allemaal hun eigen productie en installatiefouten.’

Behalve de rails zijn ook de treinen beter geworden. De wielen van een treintje zitten dicht om het spoor heen. Maar om de bocht te kunnen nemen, moet daar enige speling tussen zitten: dat verklaart het rammelende geluid. Tegenwoordig echter kunnen wielstellen onafhankelijk van elkaar draaien en worden de zijwielen met een veer tegen het spoor aangedrukt. ‘Zo maken die voortdurend contact met de rails en ben je van de impactbelasting en de trillingen af ’, zegt Schilder.

Toch worden er nog altijd achtbanen opgeleverd die ongewenste trillingen blijken te vertonen. Het is lastig die dan nog te verhelpen. Helpt ander materiaal voor de wieltjes? Maakt coating iets uit? Zit het probleem in de baanfundering, in de geometrie, in het loopvlak? ‘Het komt wel eens voor dat een opening wordt uitgesteld,’ zegt Schilder. ‘Soms wordt de achtbaan wel gewoon in gebruik genomen, maar gaat die na een paar maanden weer dicht wegens vermoeiingsproblematiek.’ In beide gevallen een financiële strop voor het pretpark.

Twee jaar geleden, in september 2024, begon Schilder de eerste minor roller coaster engineering ter wereld. Tien weken lang gaan dertig studenten op hoofdlijnen het hele ontwerpproces langs. ‘Ik heb diverse fabrikanten bereid gevonden te komen uitleggen hoe je een achtbaan ontwerpt, de constructie doorrekent, aan lanceer- en remsystemen werkt, de trein ontwerpt, noem maar op.’ Dit najaar zullen de eerste studenten die deze minor volgden afstuderen. ‘Ze zijn supergemotiveerd om in de branche aan de slag te gaan’, zegt Schilder.

Anderhalf miljoen elementen

Een van de experts die les komen geven, is Frank de Ruiter van Intamin Holland. Dat bedrijf werd in de jaren zeventig opgericht als ingenieursbureau en van origine ontwierp en produceerde het kermisattracties. Later volgde de overname door wereldspeler Intamin. De Ruiter vertelt hoe 3D-CAD-systemen en eindigeelementenanalyses het ontwerpen fundamenteel hebben veranderd. Vijftien jaar geleden gold een model met tweehonderdduizend elementen als indrukwekkend. Nu bevatten simulaties soms meer dan anderhalf miljoen elementen.

‘Met de hand rekende je spanningspieken uit op plekken waar je die verwachtte, maar dat deed je dus niet overal en zeker niet tot de tiende pascal nauwkeurig’, zegt De Ruiter. ‘In de huidige software zien we elk spanningspiekje terug, ook waar ze vroeger verborgen bleven.’ Die pieken kunnen dan worden weggewerkt. Een kleine wijziging in de geometrie, een iets grotere afrondingsstraal of een subtiele wijziging van een lasovergang kan grote gevolgen hebben. ‘Door de geometrie zo te optimaliseren krijgen we mooiere overgangen’, zegt De Ruiter, die ook nog eens de levensduur van de constructie ten goede komen.

Of al die rekenkracht het werk makkelijker heeft gemaakt? De Ruiter durf het niet te zeggen. ‘Het gekke is dat we daardoor niet minder zijn gaan rekenen’, zegt hij. ‘Want de certificerende instanties willen nu steeds meer berekeningen zien om te kunnen vaststellen of een attractie aan alle normen voldoet en dus veilig is.’

IJzersterk en superlicht

Meer rekenkracht maakt wel lichtere ontwerpen mogelijk. Falcons Flight vormt daarvan een goed voorbeeld. De trein gebruikt een uit aluminium gefreesd chassis in plaats van gelaste staalconstructies. De veiligheidsbeugels zijn uitgevoerd in ijzersterk, maar superlicht koolstofvezelcomposiet. De Ruiter: ‘Elke kilogram gewichtsbesparing werkt door in de hele keten. Lichtere treinen betekent lagere belastingen op rails, funderingen, ondersteuningsconstructies en wielen.’

Dat maakt de recordachtbaan in Six Flags Qiddiya ook in technologisch opzicht een grote sprong voorwaarts. De kans dat er in Flevoland eenzelfde baan komt, is niet groot – het benutten van de lokale topografie, met de steile rotswanden waardoor er geen al te dikke en hoge buizen nodig waren, was hier immers cruciaal. Maar sommige van de technieken die specifiek voor de Saudische exa coaster (een door Intamin gemunte buitencategorie voor de meest extreme achtbanen) zijn ontwikkeld, zullen zeker navolging krijgen, zegt De Ruiter: van het grootschalige gebruik van carbon of glasvezelversterkt polyester tot de grote, open spaakwielen die snel hitte afvoeren.

Robotisering

Niet alleen het ontwerp verandert. Ook de productie wordt steeds verder geautomatiseerd. Volgens Kupers zit een groot deel van de complexiteit van een achtbaan niet in het lassen zelf, maar in het positioneren van alle onderdelen waaruit een track wordt opgebouwd. Traditioneel gebeurde dat met grote mallen en veel handwerk. Vekoma ontwikkelde daarom systemen waarbij robots rechtstreeks coördinaten ontvangen uit de engineeringsystemen. ‘De robot weet exact waar een onderdeel moet komen en positioneert het automatisch’, zegt Kupers. Want hoe nauwkeuriger de rails worden geproduceerd, hoe soepeler uiteindelijk de rit.

Ook nieuwe productiemethoden spelen een rol. Vekoma kwam bijvoorbeeld met de buigmachines die Schilder al noemde, waarmee driedimensionale railvormen direct kunnen worden geproduceerd, zonder meerdere opeenvolgende vervormingsstappen.

Elk jaar worden er wereldwijd tussen de vijftig en honderd nieuwe achtbanen geopend, voor het overgrote deel afkomstig van Vekoma, Intamin en nog een handvol andere leveranciers. De bouwperiode loopt uiteen van tussen de zes maanden voor een kleinere baan tot twee jaar voor een grotere en meer complexe baan.

Al die achtbanen bestaan uit duizenden onderdelen die vaak vanuit verschillende landen naar één locatie worden verscheept. Lokale aannemers verzorgen funderingen en civiele werkzaamheden. Gespecialiseerde montageploegen bouwen vervolgens de constructie op. Daarna volgt een langdurig testprogramma. ‘Voordat bezoekers instappen heeft een attractie vaak al duizenden testcycli achter de rug’, zegt Kupers.

Daarbij wordt bovendien niet alleen het ritje zelf getest. ‘Uiteindelijk ontwerp je niet alleen een achtbaan’, zegt Kupers. ‘Je ontwerpt een complete logistieke machine.’ In de totaalbeleving speelt dat hele proces een rol, inclusief het verwerken van de bezoekersstromen met vaak dubbele stations, gescheiden in- en uitstapprocedures en complexe logistieke besturingen.

Betrouwbaarheid

Traditioneel verkochten achtbaanbouwers staal, treinen en besturingssystemen. Dat is veranderd. Sensoren, data-analyse en predictive maintenance maken het steeds beter mogelijk om defecten te voorspellen voordat ze optreden. Daardoor verschuift de aandacht van het maken van een product naar het leveren van een langdurige dienst. ‘Uiteindelijk willen we geen achtbaan verkopen’, zegt Kupers. ‘We willen beleving en beschikbaarheid verkopen.’

Voor pretparken is dat wenselijk. Een attractie die stilstaat, kost direct geld en leidt binnen enkele minuten tot klachten op sociale media. Betrouwbaarheid en beschikbaarheid gelden daarom als doorslaggevende ontwerpparameters.

Intamin blijft doorgaans via zijn aftersalesafdeling betrokken gedurende de volledige levenscyclus van de door het bedrijf geïnstalleerde achtbanen. In sommige gevallen kan dat zelfs langer dan dertig jaar duren, zegt De Ruiter. Onderhoud aan de banen vindt in de regel in de avond- en nachturen plaats. In het verleden bleven parken vaak in de winter gesloten. Die periode bood ruimschoots gelegenheid voor allerlei soorten onderhoud. Nu echter kennen parken soms helemaal geen wintersluiting meer.

Tot de millimeter doorgerekend

Aan dat ritje dat een pretparkbezoeker binnen twee minuten in totale opwinding brengt, gaat dus jaren aan ingenieurswerk vooraf. Maar het is net als met de thematisering: de bezoeker moet vooral niet het idee hebben in een geconstrueerde ervaring te zitten. Het moet echt voelen, de techniek moet zoveel mogelijk onzichtbaar blijven. De beste achtbanen voelen supergevaarlijk, terwijl ze juist extreem veilig zijn. De plotselinge bewegingen lijken willekeurig, de vrije val lijkt een fatale vergissing – zeker bij Vekoma’s nieuwste tilt coaster, waarop een stuk track van de achtbaan ineens 90 graden kantelt en de inzittenden loodrecht de afgrond instuurt.

Natuurlijk is alles tot op de millimeter doorgerekend. Dat is misschien wel de grootste prestatie van de achtbaaningenieur: een ervaring ontwerpen die bezoekers laat geloven dat de natuurwetten voor even niet gelden, terwijl ze juist tot op het uiterste worden toegepast en benut. ‘Mensen komen voor plezier en sensatie’, vat Kupers samen. ‘Maar achter dat plezier zit een van de meest doorgerekende en gecontroleerde technische systemen die je kunt bedenken.’