Gemert krijgt primeur met fietsbrug uit de 3D-betonprinter

17 oktober 2017

Op vrijdag 16 juni 2017 is in het laboratorium van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) begonnen met het 3D-betonprinten van een 3D-betongeprinte fietsbrug. De brug zal medio september 2017 gereed zijn en worden geplaatst in het project Gemert Noord-Om, dat de aanleg van een nieuwe rondweg bij Gemert behelst. Een unieke plaatsing, want het is de eerste 3D-geprinte betonnen fietsbrug ter wereld.

 

Door Lambert-Jan Koops

Aan de TU/e wordt inmiddels al weer enkele jaren gewerkt aan de ontwikkeling van een 3D-betonprinter. De onderzoeksgroep 3D Concrete Printing (3DCP) ging binnen de afdeling Constructief Ontwerpen van de faculteit Bouwkunde eind 2014 van start. Onder leiding van hoogleraar Theo Salet heeft de onderzoeksgroep het doel om betonprinten te ontwikkelen tot een volwaardige en breed inzetbare techniek voor het maken van betonnen elementen en gebouwen. Dit heeft inmiddels geleid tot de ontwikkeling van een grote 3D-betonprinter met een printvolume van 9 bij 4,5 bij 3 meter. De 3D-betonprinter kan hier de gewenste constructies printen dankzij een vierassige robot die het beton op de juiste plaats aanbrengt en een mengpomp die de juiste soort beton levert voor het proces.

Dit laatste, de soort beton, is van groot belang bij het 3D-betonprinten. Salet legt uit waarom: “Bij het normale betonstorten, is het beton vloeibaar en loopt het naar alle kanten weg. Dat is ook de bedoeling, want dan verspreidt het zich egaal in de mal waarin het wordt gestort. Bij het 3D-betonprinten moet het beton echter op de plaats blijven waar het door de printer wordt neergelegd. De speciale betonmortel die we gebruiken in de printer doet dit ook en lijkt in dat opzicht een beetje op tandpasta: dat vloeit ook niet meer nadat het is aangebracht.”

De betonprinter van de TU/e heeft een printvolume van 9 bij 4,5 bij 3 meter.

Vormvrijheid

Indien de techniek van het 3D-betonprinten goed wordt doorontwikkeld, zou deze methode verschillende voordelen kunnen bieden ten opzichte van de traditionele methodes waarbij beton in een bekisting wordt gegoten. Dat zijn in eerste instanties de voordelen die ook gelden voor alle andere vormen van 3D-printen: de techniek biedt een grote vormvrijheid, waardoor het mogelijk is om onderdelen te creëren die op de traditionele wijze niet of nauwelijks te maken zijn. Met name het maken van complexe onderdelen kan hierdoor goedkoper en sneller plaatsvinden. Oftewel, het 3D-printen van bruggen maakt maatwerk mogelijk op elke locatie, voor een reëel kostenniveau. “Dankzij de inzet van robots kan elk ontwerp telkens weer op een unieke wijze worden gerealiseerd met eenzelfde inspanning. Een belangrijk bijkomend voordeel is dat alle informatie die in het ontwerpproces is verzameld nu ook direct kan worden doorgegeven aan de uitvoering. Dit is een belangrijke ontwikkeling op het gebied van BIM, omdat het de partijen in de keten dichter bij elkaar brengt. Het is uiteindelijk de eindgebruiker die hier profijt van heeft, in de vorm van een hogere kwaliteit en maatwerk.”

De printtechniek maakt niet alleen maatwerk mogelijk, maar betekent ook goed nieuws voor het milieu. Met het 3D-betonprinten wordt namelijk niet alleen bespaard op bekistingswerkzaamheden en materialen en zelfs op het beton zelf. “De printer gebruikt veel minder beton”, stelt Salet. “En beton veroorzaakt toch een behoorlijke CO2-uitstoot. Door de hoeveelheid terug te dringen levert het, samen met de besparing op de bekisting, dus een serieuze bijdrage aan de duurzaamheid van een constructie.”

Een dwarsdoorsnede van de toekomstige fietsbrug.

Optimalisatie constructie

Met het printen van de fietsbrug bij Gemert levert de 3D-betonprinter van de TU/e het eerste grote werkstuk. De universiteit werkt hiervoor nauw samen met de andere betrok kenen bij het project, zoals BAM Infra, provincie Noord-Brabant, gemeente Gemert-Bakel, Saint-Gobain Weber Beamix, Dywidag-Systems International, Verhoeven Timmerfabriek en Bekaert SA. Daarnaast is het constructieve ontwerp en de engineering van de brug uitgevoerd door advies- en ingenieursbureau Witteveen+Bos. Dat dit laatste bedrijf een bijdrage levert aan het project is overigens niet zo verwonderlijk, omdat Witteveen+Bos een van de partners is van het onderzoeksprogramma 3D-betonprinten aan de Technische Universiteit Eindhoven.

Door toepassing van de 3D-betonprinttechniek kon de doorsnede van de brug makkelijk worden geoptimaliseerd door Witteveen+Bos. Hans Laagland, hoofd van de afdeling Constructies bij het adviesbureau, vertelt hoe dit in zijn werk ging. “We hebben één parametrisch model opgezet waar alle direct betrokkenen, zoals aannemer, ontwerper en constructeurs hun input in kwijt konden. Daarbij hadden wij als constructeurs in dit geval de leidende rol, omdat wij als partner betrokken zijn bij de ontwikkeling van de printer en precies weten wat deze kan. Dankzij de vormvrijheid die de printer bood, konden we in het model het beton precies aanbrengen op de plaats waar het nodig was en zo met zo min mogelijk materiaal aan de constructieve eisen voldoen.”

Voorspanning en trekkrachten

Aan de constructieve eisen van de brug werd onder meer voldaan door voorspanning toe te passen in het ontwerp. Dit is bijzonder omdat het de eerste keer is dat voorspanning wordt toegepast bij 3D-betonprinten. Laagland legt uit wat voorspanning precies is en waarom het belangrijk is. “Beton is heel goed bestand tegen druk, er zijn gigantische krachten nodig om beton kapot te drukken, maar waar het niet zo goed tegen kan is trek. Trekkrachten ontstaan bij een betonnen brug aan de onderkant van de brug. Als er een gewicht op de brug wordt geplaatst, heeft het beton de neiging om door te zakken en daarmee ook iets uit te rekken. Dit uitrekken gaat gepaard met de genoemde trekkracht en deze kan ervoor zorgen dat de brug dan aan de onderkant begint te scheuren. Om te voorkomen dat dit gebeurt, worden er stalen kabels in de brug aangebracht, die juist heel goed tegen die trekkracht kunnen. Samen zorgen ze voor de stevigheid van het geheel.”

De betongeprinte brug is samengesteld uit zes geprinte delen. Om ervoor te zorgen dat de delen samen één brug vormen, wordt er voorspanning in de delen aangebracht. Laagland vergelijkt het met boeken in de boekenkast. “Wanneer je zes boeken tegelijkertijd van je boekenplank wil halen, moet je ze stevig tegen elkaar drukken. Dat geldt ook voor de delen van de brug: ze moeten worden bijeengehouden door een kracht. Het voorspannen zorgt voor die kracht en maakt het mogelijk dat ook onder belasting nog steeds een drukspanning in de hele doorsnede aanwezig is. Daarmee is het een belangrijke stap bij het 3D-betonprinten, want het gebruik van voorspanning biedt interessante mogelijkheden voor de verdere toepassing van 3D-betonprinten in bouwprojecten.”

De fietsbrug is de eerste 3D-betongeprinte constructie waarbij voorspanning wordt toegepast.

Eigenschappen

Een punt van aandacht bij het 3D-printen van de betonnen brug is dat deze methode producten levert die qua eigenschappen afwijken van producten die op traditionele wijze worden gemaakt. Zo zijn de materiaaleigenschappen van het geprinte beton afhankelijk van het gekozen printpad en de printsnelheid en leidt deze techniek tot zogenaamd orthotroop materiaalgedrag. Dit houdt in dat de materiaaleigenschappen anders zijn in onderling loodrechte richtingen, zoals bijvoorbeeld ook bij hout het geval is, dat in de lengterichting andere eigenschappen heeft dan in de breedte. Dit in tegenstelling tot gestort beton, dat normaal gesproken meer isotroop gedrag vertoont.

Om er zeker van te zijn dat een 3D-betongeprint onderdeel de juiste eigenschappen heeft, moet dus vooraf in kaart worden gebracht wat de consequenties zijn van de printmethode. De TU/e heeft dit gedaan door eerst de materiaaleigenschappen van het te gebruiken beton te testen. Laagland en zijn collega’s hebben deze gegevens vervolgens gebruikt voor een eindige elementenanalyse in het pakket DIANA FEA van TNO. Op basis van de uitkomst van deze berekening werd een definitief model gemaakt dat in eerste instantie als 1:2-model werd geprint met de printer. De eigenschappen van dit schaalmodel waren volgens verwachting en voldeden aan alle vooraf gestelde eisen. Een belangrijke bevestiging van de gekozen methode, volgens Laagland. “Het één-op-twee-model is voor ons het bewijs dat de uiteindelijke brug volledig zal voldoen aan alle eisen en ik ben er dan ook zeker van dat we afstevenen op een geslaagd project.”


Website Witteveen+Bos
Website BAM Infra
Website TU Eindhoven

Dit artikel is eerder gepubliceerd in de juli/augustus 2017-uitgave van CAD-Magazine.

Comments are closed.