Innovatief bouwen met nieuwe richtlijn 3D-betonprinten Praktische leidraad voor alle betrokkenen in het bouwproces 1 Geprinte gevelpanelen van twee galerijflats aan de Hendrik Baskeweg in Den Helder (Movares/Bruil). Foto: Rindert van den Toren 1 38? CEMENT 6 2024 3D-betonprinten is een nieuwe manier van bouwen waarbij (con - structieve) objecten op een volle- dig geautomatiseerde manier laagsgewijs worden opgebouwd. Afgelopen decennia kende de techniek een enorme progressie. Steeds imposantere toe- passingen werden gerealiseerd, van straat- meubilair en woningen tot 3D-geprinte bruggen (foto 1 t/m 5). De praktijkvoorbeel - den laten de voordelen zien, met materiaal - optimalisatie, tijd- en kostenbesparing en een verhoogde vormvrijheid tijdens het ont- werpproces als belangrijkste. De uitdaging is dat de techniek aanzienlijk verschilt van het traditionele bouwproces: zo zijn geprin - te constructies opgebouwd uit laag jes die voldoende aan elkaar moeten hechten, is de integratie van wapening veel minder evident en worden er eisen gesteld aan het verse materiaalgedrag die anders zijn dan voor regulier beton, door het ontbreken van een bekisting tijdens het printproces. Toepassen van 3D-geprint beton vraagt daarom een in - tegrale benadering van zowel het materiaal - gedrag, de bouwmethode als de constructieve ontwerpkeuzes. Vertrouwen in 3D-betonprinten 3D-betonprinten is voor constructieve toe- passingen relatief nieuw, waardoor het momenteel ontbreekt aan generieke regel - geving. De beschikbare Eurocodes bieden weliswaar vaak een uitvalsbasis, maar de in - vloed van het productieproces, het ontwerp en het materiaalgedrag in de verschillende fasen van het proces ontbreekt. Om die in - vloed toch in rekening te kunnen brengen, worden vaak nieuwe testmethodes ontwik - keld. De toepassing van niet-universele proeven, in combinatie met een niet-gestan - daardiseerde bouwmethode, bemoeilijkt niet alleen het maken van een relevante ver- gelijking tussen de toegepaste materialen en methodes, maar tegelijkertijd ook het certi - ficerings- en vergunningsproces. Europese en internationale onder- zoeksorganisaties zoals RILEM (International Union of Laboratories and Experts in Con - struction Materials, Systems and Structures) of ASTM (American Society for Testing and Materials) zijn momenteel bezig met groot- schalige proefprogramma's om deze moei - lijkheden tegen te gaan. Echter, dit is een werk van lange adem. De op dit moment beschikbare documenten beschrijven voor- namelijk de mogelijkheden en recente ont- wikkelingen, maar praktische handvatten voor 3D-geprinte projecten ontbreken nog steeds, waardoor deze nieuwe bouwmetho- de vaak nog niet wordt beschouwd als een volwaardig alternatief. Vormvrij ontwerpen met minder materiaal en binnen een korter tijdsbestek: dat is de belofte van 3D-betonprinten. Het ontbreken van specifieke richtlijnen en regelgeving beperkt echter de grootschalige toepassing ervan. Om de drempel te verlagen heeft CROW, samen met de werkgroep 3D-betonprinten, CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten opgesteld. Deze richtlijn biedt een praktische leidraad voor alle betrokkenen in het bouwproces, van architecten, ontwerpers tot constructeurs en (publieke) opdrachtgevers. CEMENT 6 2024 ?39 Richtlijn Met bovenstaande in het achterhoofd heeft CROW een document opgesteld over hoe om te gaan met ontwerp, uitvoering en toetsing: CROW-CUR Richtlijn 3D-betonprinten. De richtlijn is voornamelijk gericht op het creë- ren van inzichten en kaders voor het toepas- sen van 3D-betonprinten, vertrekkende van - uit praktijkvoorbeelden en 'lessons learned'. Het document bevat geen vast stappenplan, en geen algemeen geldende normen of re- gels. Het is eerder bedoeld als praktische handreiking, aangeboden vanuit de praktijk voor de praktijk. Vanwege de vele ontwikke- lingen is het een 'flexibel en levend' docu - ment (in de tijd aanpasbaar). De richtlijn werd opgesteld vanuit een adviescommissie en werkgroep waarin alle relevante partijen zijn betrokken: van producenten, aannemers, toetsende instanties, ingenieursbureaus, onderzoeksinstituten tot zelfs aanbieders van deze technologie en opdrachtgevers die het willen integreren in hun constructies (zie kader 'Betrokkenen'). Indeling De richtlijn is opgedeeld in drie grote hoofdstukken: materiaaleigenschappen, print systeem en ontwerp. Alle drie deze componenten beïnvloeden niet alleen el - kaar, maar ook de uiteindelijke kwaliteit van het eindproduct. Binnen elk hoofdstuk wordt ge probeerd om een zo duidelijk mo- gelijk overzicht te geven van de belangrijk - ste aandachtspunten en verschillen tussen de reguliere manier van bouwen en 3D- betonprinten. Ieder (sub)hoofdstuk is voorzien van een kleurcode en specifieert hierdoor voor welke stakeholder de informatie relevant is: 2 Geprinte deksloven (Movares/Bruil) 2 DR.IR. JOLIEN VAN DER PUTTEN Structural Engineer & Consultant 3D Concrete Printing Witteveen+bos Raadgevende Ingenieurs B.V. IR. MARIJN BRUURS Consultant Digital Construction & 3D Concrete Printing Witteveen+bos Raadgevende Ingenieurs B.V. PROF.DR.IR. THEO SALET Dean & Full Professor (Department of the Built Environment) TU Eindhoven DR.IR. ROB WOLFS Assistant Professor ((Department of the Built Environment)) TU Eindhoven auteur 40? CEMENT 6 2024 leveranciers, constructeurs, ontwikkelaars van printsystemen, architecten, bevoegd gezag, uitvoerders en opdrachtgevers. De kleurcode zorgt ervoor dat elke partij doel - gericht naar de juiste informatie op zoek kan gaan. Materiaal? Het materiaal dat in veel 3D-be- tonprinttoepassingen wordt gebruikt, is in de basis vergelijkbaar met regulier beton en bestaat uit cement, water en toeslagstoffen (zand en grind). Echter, door het niet toe- passen van bekistingsmateriaal, zijn de ei - sen die worden gesteld aan het verse mate- riaal anders dan voor regulier beton. Waar normaal gesproken een zo vloeibaar moge- lijk gedrag wenselijk is om verdichting in be- kisting en rondom wapening te realiseren, moet geprint materiaal voldoende vormvast zijn om na extrusie te blijven staan en het gewicht van de daaropvolgende lagen te kunnen dragen. Het materiaal moet echter wel voldoende verwerkbaar zijn om te ver- pompen naar de printkop zonder een te hoge pompdruk of risico's op verstoppingen. Typerend voor veel voorkomend printbaar beton, is het relatief hoge cement- gehalte en de lage hoeveelheden toeslagma - terialen met een grote korrel, waardoor men het materiaal veelal classificeert als mortel en niet als beton. Deze afwijkende samenstelling heeft niet alleen consequen - ties voor de gebruikte apparatuur (pomp- druk, diameter pompuitrusting, etc.), maar beïnvloedt ook de materiaaleigenschappen in verse en verharde toestand en heeft een nadelige invloed op de milieu-impact. Het laagsgewijze constructieproces induceert bijkomend een anisotroop materiaalgedrag, dat sterk wordt beïnvloed door de kwaliteit van de interface tussen de geprinte lagen. Systeem en productie? Het tweede hoofd - stuk focust voornamelijk op de techniek zelf en de verschillende systemen die beschik - baar zijn. Specifiek wordt er hierbij een onderscheid gemaakt tussen het 'droge' systeem (de robot), het 'natte' systeem (mengen, pompen en printen) en reeds beschikbare systemen voor het implemente- ren van wapening. De automatisering van het printproces, het niet verdichten van het materiaal en het ontbreken van bekisting zorgen ervoor dat geprint beton gevoeliger is voor versnelde uitdroging en de insluiting van luchtbellen. Beide kunnen de kwaliteit van het element beïnvloeden, niet alleen esthetisch maar ook constructief. Kwaliteitsgarantie en -controle, en dan voornamelijk de monitoring van 3 3D-gepinte woning Milestone in Eindhoven (Witteveen+Bos/Saint Gobain Weber Beamix). Foto: Bart van Overbeeke Toepassen van 3D-geprint beton vraagt een integrale benadering van materiaalgedrag, bouwmethode en ontwerpkeuzes BESCHIKBAARHEID RICHTLIJN CROW-CUR Richtlijn 5:2023 '3D-betonprinten' is beschikbaar op www.cur-aanbevelingen.nl 3 CEMENT 6 2024 ?41 4 5 Veiligheid kan alleen worden gegarandeerd door middel van een uitgebreid experimenteel proef- programma 4 Qatarese Paviljoen (Doha Expo 2023, Witteveen+Bos Saint Gobain/Weber Beamix) 5 3D-geprinte fietsbrug in Noord-Holland (Witteveen+Bos/Saint Gobain Weber Beamix) beide, krijgt om die reden specifieke aan - dacht. Zowel tijdens het printproces als in de uithardingsfase speelt monitoring een be- langrijke rol, bijvoorbeeld met behulp van sensors. Ontwerp? 3D-betonprinten verhoogt de ar- chitectonische vormvrijheid. Echter, het toepassen een geautomatiseerd robotsys- teem heeft ook invloed op het ontwerp. Het realiseren van rechte hoeken is bijvoorbeeld niet mogelijk en uitkragingen kunnen niet onbeperkt worden toegepast. Het derde hoofdstuk (over ontwerp) geeft daarom een overzicht van de verschillende mogelijkhe- den, onderverdeeld in constructieve en niet-constructieve elementen. Mede door het ontbreken van regelgeving is het realiseren en in gebruik nemen van 3D-geprinte draagconstructies vergunning - technisch veel moeilijker dan niet-construc- tieve elementen. Men moet enerzijds kun - nen aantonen dat het element voldoende draagkracht bezit en anderzijds dat het vol - doende veilig is tijdens de gehele levensduur. Aangezien zowel het gebruikte materiaal, de printparameters, als de geometrie van het ontwerp dit laatste beïnvloeden, kan deze garantie alleen worden geleverd door middel van een uitgebreid experimenteel proefprogramma op verschillende niveaus. Het 'Design-by-Testing'-protocol, het door proeven ondersteund ontwerpen zoals be- schreven in annex D van EC2 (fig. 6) biedt 42? CEMENT 6 2024 hiervoor een handige tool. Het voorziet een manier om overheidsinstanties gestructu - reerd mee te nemen in de verschillende fasen van het proces, van materiaalkarakte- risering tot levensduuranalyse en monito- ring in gebruiksfase. Een bijkomend aandachtspunt tijdens het ontwerp zijn de belastingen. Die zijn nagenoeg dezelfde als in reguliere beton - constructies, echter het optreden van geo- metrische imperfecties, verhinderde ver- vormingen door krimp of temperatuur, ductiliteit etc. kunnen zorgen voor een afwij - kend gedrag. Deze aspecten zorgen ervoor dat er reeds interne spanningen aanwezig zijn in de geprinte elementen waardoor de capaciteit lager is dan op basis van separate materiaalkarakterisering wordt verwacht. Dit benadrukt nogmaals de noodzaak voor uitgebreid testen op grote schaal. Bovenstaande manier van werken is bij aan - vang arbeidsintensief, maar levert wel de nodige inzichten voor toekomstige projecten. Het protocol is echter voor elk ontwerp ver- schillend. Belangrijk is om per project na te gaan welke constructieve aspecten kunnen afwijken ten opzichte van reguliere elemen - ten. Het testprogramma dient voornamelijk daarop gericht te zijn. From scratch to standards De technologie van 3D-betonprinten en het bijbehorende onderzoeksveld zijn volop in ontwikkeling. Veel toepassingen zijn mo- menteel nog niet getest en ook op vlak van materiaalontwikkeling is er nog veel ruimte voor verbetering. De digitale uitgave van deze richtlijn biedt de mogelijkheid om refe- renties op te nemen naar de meest recente onderzoeksresultaten en waar nodig nieuwe inzichten of voorbeelden toe te voegen. Op die manier blijven we voortdurend op de hoogte van de nieuwste ontwikkelingen en komen we steeds dichter bij het ontwikkelen van die veel gevraagde normdocumenten. 6 6 'Design-by-testing' flowchart voor 3D-geprinte constructieve elementen BETROKKENEN CROW-werkgroep 3D-betonprinten die heeft meegewerkt aan de richtlijn bestond uit: ? André Ackermans ? Gemeente Eindhoven ? Anna Bebenek ? Provincie Noord-Holland ? Florentijn de Beukelaer ? BAM / Boskalis ? Jan Blaakmeer ? Weber Beamix ? Geoffrey van Bolderen ? CROW (eindredactie) ? Johan Bolhuis ? 4people / Alseen ? Dimphy Bruin ? Gemeente Alkmaar ? Marijn Bruurs ? Witteveen+Bos ? Suzanne Clijsen ? Bruil ? Wim van 't Land ? Movares ? Ad van Leest ? CROW (voorzitter en begeleider) ? Gerben van der Meijde ? Van Rossum Raadgevende Ingenieurs ? Jean de Nijs ? Provincie Noord-Holland ? Frans Raijmakers ? Gemeente Eindhoven ? Theo Salet ? TU Eindhoven ? Walter Speelman ? Mebin De richtlijn is opgesteld door een auteursteam, bestaande uit: Marijn Bruurs (Witteveen+Bos), Jolien Van Der Putten (Witteveen+Bos), Theo Salet (TU Eindhoven) en Rob Wolfs (TU Eindhoven). Uitvoering van het project en uitgave van de richtlijn is mogelijk gemaakt door financiering van Rijkswaterstaat-GPO, Betonhuis, Stichting SKKB en Bouwend Nederland. CEMENT 6 2024 ?43