Gemert beleefde eind 2017 een wereldprimeur: de eerste volledig constructieve, geprinte brug werd geopend. Vanwege ontbrekende ontwerpregels speelde 'design by testing' bij de realisatie een grote rol. En zonder de enorme drive bij alle betrokken partijen was de brug er nooit gekomen.
12
De geprinte brug overspant de Peelse Loop en is onderdeel van
de rondweg Gemert Noord-Om. Bij de tender van die randweg
had de provincie Noord-Brabant opgeroepen innovatieve
ideeën toe te passen. Dat zou bij de selectie worden beloond.
BAM had in het project meerdere innovaties aangeboden, zoals
een ingeklemde composietbrug, een ingeschoven betonnen
rotonde en de geprinte fietsbrug. Samen met de prijs gaf dit de
doorslag bij de gunning. De provincie zegde bovendien toe mee
te willen werken aan de constructie ondanks het feit dat deze
niet geheel te bouwen was binnen de huidige normen.
Wereldprimeur
met geprinte
brug
Gemert beleefde eind 2017 een wereldprimeur: de eerste
volledig constructieve, geprinte brug werd geopend. Vanwege
ontbrekende ontwerpregels speelde 'design by testing' bij de
realisatie een grote rol. En zonder de enorme drive bij alle
betrokken partijen was de brug er nooit gekomen.
Fietsbrug in Gemert gerealiseerd met 3D-betonprinter
Wereldprimeur met geprinte brug 2 2018
13
printtechniek is door de TU/e zelf ontwikkeld.
Een groot voordeel van het betonprinten is dat beton 'geplaatst'
kan worden, dat wil zeggen: beton kan, zonder gebruik te
maken van bekisting, daar worden geplaatst waar het nodig is.
De printvolgorde in relatie tot de geometrie is van groot belang;
de printer moet ononderbroken kunnen printen. Ook is het zo
dat de breedte van het printspoor geldt voor het hele spoor.
Nieuwe ontwikkeling is dat de geprinte doorsnede in één rich-
ting kan worden gewapend. Dit gebeurt door tijdens het
printen een staaldraad in het printspoor te plaatsen (foto 2).
Deze techniek is ook ontwikkeld op de TU/e en is wereldwijd
uniek.
Omdat de hijscapaciteit op de productielocatie van de TU
Eindhoven maximaal 4 ton is, is het dek in delen geproduceerd.
Deze delen zijn getransporteerd naar de bouwlocatie en daar
samengesteld tot één dek. Op dit dek is een slijtlaag aange-
bracht.
Essentieel is de aanhechting tussen de onderlinge printsporen.
Tussen de elementen wordt een epoxylijmmortel aangebracht
om oneffenheden op het aansluitvlak op te vangen. Dit is
belangrijk om ervoor te zorgen dat de spanningen gelijkmatig
door de voeg worden overgebracht.
1
ir. Johan Bolhuis RO
BAM Infra
ing. Hans Laagland,
dr.ir. Paul Teeuwen
Witteveen+Bos
dr.ir. Jan Blaakmeer
Saint-Gobain Weber Beamix
1 De 3D-geprinte, betonnen fietsbrug in
Gemert: de eerste volledig constructieve,
geprinte brug ter wereld
foto: Bart Maat / ANP
Constructief ontwerp
De fietsbrug heeft een overspanning van 8 m en is 3,5 m breed.
De brug is opgelegd op landhoofden die bestaan uit ter plaatse
gestorte oplegbalken gefundeerd op palen.
De brug is opgebouwd uit losse geprinte elementen die op de
TU Eindhoven (TU/e) zijn geprint. De elementen zijn op de
site geassembleerd en het geheel is vervolgens op de juiste plek
geplaatst. De geprinte elementen worden door voorspanning in
langsrichting bij elkaar gehouden. Aan de koppen is de brug
voorzien van prefab-betonhamerstukken om de voorspanning
in te leiden. In deze blokken is een combinatie van wapening
en staalvezels toegepast om de splijtkrachten te kunnen
opnemen (foto 1). In dwarsrichting is de brug traditioneel
gewapend, met wapeningsdraad in het onderste spoor (zie
onder 'Geprinte elementen' en 'Wapening').
De brug wordt belast door voetgangers- en fietsersverkeer. Hij
wordt afgezet voor voertuigen en zal niet worden belast door
dienstvoertuigen. De volgende belastingen zijn aangehouden:
- een gelijkmatig verdeelde belasting q
fk = 5,0 kN/m 2;
- een geconcentreerde belasting Q
fvd = 7 kN en een contactvlak
0,1 × 0,1 m
2.
Geprinte elementen
Bij 3D-betonprinten worden objecten laag voor laag opge-
bouwd met behulp van een printer, totdat de gewenste
geometrie is voltooid. De brug in Gemert is geprint met de
3DCP-printer van de TU/e. Deze printer en de toegepaste
Partners in het onderzoek aan de TU/e
BAM, Witteveen+Bos en Saint-Gobain Weber Beamix zijn partner
in het onderzoek dat op de TU/e wordt uitgevoerd naar 3DCP
(3D Concrete Printing). De TU/e betrekt haar partners nauw bij
het onderzoek waardoor deze goed op de hoogte zijn van de
mogelijkheden die het 3DCP biedt. Hier ligt de basis van de
kennis en ervaring die is ingezet bij het ontwerp van de geprinte
brug in Gemert.
Wereldprimeur met geprinte brug 2 2018
14
3500
300 300
300
300
continu printspoor, omdat er ononderbroken moet kunnen
worden geprint. Door dit horizontale continue deel aan de
onderzijde te plaatsen, kan trekkracht in de dwarsrichting
worden opgenomen. Deze trekkracht treedt op als gevolg van
dwarscontractie.
Wapening
Tijdens het printen worden zoals gezegd stalen draden mee-
geprint van firma Bekaert. Deze draden voorzien het element
in dwarsrichting van ductiliteit, verhogen de torsiecapaciteit en
geven de elementen in dwarsrichting een grotere (buig)trek-
Doorsnede
Het ontwerp van een 3D-geprinte betonnen brug vraagt een
andere benadering dan voor een gebruikelijke brug. De
constructieve doorsnede wordt bepaald door zowel het type
brug als de mogelijkheden die de printfaciliteit biedt.
In deze brug heeft de bovenzijde van het dek een broodvormige
doorsnede (fig. 3). Dit is gedaan om de wiellasten van voertuigen
via een drukboog in te leiden in de doorsnede.
Het aantal lijven is bepaald aan de hand van de maatgevende
dwarskracht. Halverwege de doorsnede zit een knik in het
printspoor, waardoor de kniklengte wordt verkleind. Aan de
onderzijde wordt de doorsnede afgesloten met een horizontaal
2
3
2 Meeprinten van staaldraad
3 Doorsnede van het brugdek
Wereldprimeur met geprinte brug 2 2018
15
4
daarom gebaseerd op het principe design by testing. Tezamen
met de berekening moest het testprogramma aantonen dat de
brug in staat is de ontwerpbelastingen met voldoende betrouw-
baarheid te weerstaan. Het testprogramma bestond uit de
volgende type testen:
- materiaaltesten;
- prototypetest;
- proefbelasten brug op locatie;
- monitoring.
Materiaaltesten
Zoals gezegd waren de materiaaltesten essentieel om bereke-
ningen te kunnen maken. Hiermee werden de karakteristieke
materiaaleigenschappen bepaald, die als uitgangspunt dienden
voor de berekeningen.
Prototypetest
Vervolgens is een prototypetest uitgevoerd. De test had tot doel
inzicht te verschaffen in het constructieve gedrag van de brug
en de gehanteerde rekenmodellen te valideren. In het Structures
Laboratory Eindhoven van de faculteit Bouwkunde is daartoe
een 1:2-schaalmodel van de brug gemaakt en in een proefop-
stelling aan een vierpuntsbuigproef onderworpen (foto 6). De
afstand tussen de vijzels en de opleggingen is zodanig gekozen
dat zowel de rekenwaarde van de dwarskracht als de reken-
waarde van het moment in de constructie kon worden bereikt.
sterkte. In de andere richting is zowel de moment- als dwars-
krachtcapaciteit van het element vergroot door de voorspanning
van Dywidag (foto 4). In totaal zijn 16 strengen toegepast:
6 strengen aan de bovenzijde, 10 strengen aan de onderzijde,
alle met diameter Ø15,7 mm. De voorspanning is zo geconfi-
gureerd dat de doorsnede onder alle belastingsgevallen, in haar
as, onder drukspanning staat.
Parametriseren brug
Er zijn veel parameters die het uiteindelijke ontwerp van het
dek beïnvloeden. Om inzichtelijk te maken wat de gevolgen
zijn van het aanpassen van een parameter (zoals de breedte en
dikte van het printspoor, hoogte en breedte van de brug, aantal
'broodjes') op het ontwerp, is voor het brugdek een geparame-
triseerd model opgesteld (fig. 5). Dit model stond centraal
gedurende het ontwerp van de brug. Het hielp het ontwerp-
team direct inzicht te krijgen in de gevolgen van het aanpassen
van een van de parameters. De geometrie uit het model kon
worden geëxporteerd en ingelezen in de eindige-elementen-
berekening. Uiteindelijk heeft het model ook als input gediend
voor de 3DCP-printer waarmee de elementen zijn geproduceerd.
Berekening
De optredende krachten en spanningen zijn op verschillende
manieren bepaald. Er zijn standaarddoorsnedeberekeningen
gemaakt op basis van de balktheorie. Aanvullend hierop is van
de complexe geometrie een analyse in DIANA uitgevoerd om
lokale effecten (spanningsconcentraties) te kunnen bestuderen,
in het bijzonder het gedrag onder een lokale puntlast en nabij
de oplegging. Hierbij is gebruikgemaakt van een 3D-model
opgebouwd met Solids. De voorspanning is hierbij aangebracht
als een externe belasting.
Materiaaleigenschappen zijn hierbij bepaald via materiaaltesten
(zie onder 'Design by testing'). Via deze berekeningen konden
de dimensies van de brug worden bepaald.
Uit de berekeningen volgde dat de dwarskrachtcapaciteit bij de
opleggingen een cruciaal aspect is voor het ontwerp. De dwars-
krachtcapaciteit was echter niet eenvoudig vast te stellen voor
een dergelijke complexe doorsnede. Er zijn diverse theorieën
op losgelaten waarvan het meest conservatieve resultaat is
aangehouden. In werkelijkheid blijkt de dwarskrachtcapaciteit
hoger te zijn.
Design by testing
Er zijn geen normen of rekenregels beschikbaar voor het
ontwerpen van geprinte constructies. Om de constructieve
veiligheid van de brug aan te kunnen tonen, is het ontwerp
4
Aanbrengen Dywidag-voorspanning
Wereldprimeur met geprinte brug 2 2018
16
5
5 Output van het parametrisch ontwerp; de
rode lijnen geven de hartlijnen weer van de
printsporen
van het beton afwijkende eigenschappen (bijv. treksterkte). Om
veel laagjes op elkaar te kunnen stapelen zonder dat het onder -
ste laagje beton onder het gewicht van de bovenste laagjes
bezwijkt, kan worden gekozen voor een versnelling van de
hydratatie van de cement. Het nadeel hiervan is echter dat bij
een interruptie van het proces de pompmantel bij het opnieuw
opstarten kan gaan vastzitten. Bovendien kunnen ook de
slangen gemakkelijk verstopt raken. Daarnaast loopt men het
risico dat bij een snel reagerend systeem het monolithisch
karakter (hechting tussen de laagjes) van de constructie geweld
wordt aangedaan. Om het dilemma tussen reactiesnelheid van
het systeem en draagkracht van het onderste laagje op te lossen,
is gekozen voor een systeem dat zich thixotroop gedraagt met
een bijbehorende zwichtspanning.
Onderzoek heeft uitgewezen dat dankzij de juiste keuze van
de hulpstoffen er inderdaad kan worden gesproken van een
monolithische constructie zonder dat dit ten koste gaat van de
printsnelheid.
Uitvoering
Nadat de brug was geprint, is hij vervoerd naar de bouwlocatie.
Hier zijn de elementen naast elkaar gelegd en tegen elkaar
aangelijmd. Vervolgens zijn de hamerstukken en de voorspan-
ning aangebracht.
Doordat de lijm al was uitgehard, kon de brug vervolgens op
zijn definitieve plek worden gehesen; op de landhoofden die
van tevoren waren gebouwd. Het was hierbij essentieel torsie-
Het prototype is uiteindelijk bezweken op buiging in langsrich-
ting. De test gaf proof of concept
doordat de constructie zich
daadwerkelijk gedroeg zoals vooraf was voorspeld. De conclusie
uit de prototypetest met het 1:2-schaalmodel was dat het
ontwerp veilig genoeg was en het printen van de daadwerkelijke
brug kon worden gestart.
Proefbelasting
Na het printen en op locatie assembleren van de brug is er een
proefbelasting op aangebracht (foto 7). Met behulp van tien
watertanks op de brug is de belasting stapsgewijs opgevoerd
totdat de gebruiksbelasting van 5 kN/m
2 aanwezig was. Tijdens
het opvoeren van de belasting zijn de vervormingen nauwkeurig
gemonitord. De brug bleek zich lineair-elastisch te gedragen.
Met dit het proefbelasten werd nogmaals aangetoond dat de
constructie functioneert als verwacht en in staat is de gebruiks-
belasting van 5 kN/m
2 te dragen.
Monitoring
Een monitoringsplan is opgesteld om het constructieve gedrag
van de brug te kunnen blijven volgen en er op deze manier
voor te zorgen dat de brug ook in de toekomst veilig is. Dit
monitoringsplan omvat onder andere regelmatige inspecties en
metingen van de voorspanning en vervorming van de brug.
Materiaal
Er zijn diverse uitgangspunten gebruikt bij de ontwikkeling van
het beton.
Bindmiddelkeuze
Om te kunnen aansluiten bij bestaande regelgeving op het
gebied van onder meer levensduur (bestandheid van de beton
tegen externe factoren), is gekozen voor portlandcement als
bindmiddel.
Draagkracht mortel, hechting laagjes
Op voorhand was duidelijk dat het stapelen van laagjes beton
zou moeten resulteren in een monolithische constructie. Er
moest niet tussen elk laagje beton een interface ontstaan met
Wereldprimeur met geprinte brug 2 2018
17
6
7
6 Vierpuntsbuigproef van het 1:2-schaalmodel van de brug
7 Na het printen en op locatie assembleren van de brug is er een proefbelasting
op aangebracht
brug over de volledige lengte gelijk is, wat niet nodig was
geweest. Hier is voor gekozen omdat dit de eerste keer was en
om specifieke spanningen in de brug te voorkomen.
Bijkomend voordeel van 3D-betonprinten is dat er geen
bekisting nodig is. Doordat een model rechtstreeks de printer
aanstuurt, zijn er minder tekeningen nodig en zijn er boven-
dien geen faalkosten. En omdat verschillende vormen geen
meerkosten met zich meebrengen, kan een ontwerp worden
gemaakt specifiek afgestemd op de klant.
Tot slot
De eerste volledig constructieve, geprinte brug ter wereld is op
17 oktober 2017 feestelijk geopend in Gemert (foto 1 en video
op Cementonline ). Dit was een halfjaar na de eerste gesprekken
over een geprinte brug. In de media werd overigens ook wel
over de tweede geprinte brug gesproken, aangezien er in Spanje
ook een brug was geprint. Dat betreft een brug van D-shape
(Enrico Dini) die met een heel ander procedé is gemaakt.
Bovendien heeft die brug een hybride constructie en is niet
volledig constructief dragend. De betekenis van Dini voor het
printen van beton(achtige materialen) is echter wel heel groot.
De rol van de opdrachtgever was bij dit project zeer belangrijk.
Zonder zijn positieve instelling was de brug er niet gekomen,
aangezien de regelgeving nog niet is afgestemd op het printen
van beton. De doorlooptijd kon zo kort zijn doordat alle part-
ners hun kennis hadden ingebracht en door het op tijd maken
van technische keuzen om de planning te kunnen handhaven.
De wil om samen een geprinte brug te bouwen, was hierbij
essentieel.
Momenteel wordt er door hetzelfde team gewerkt aan een
geprinte verkeersbrug die dit jaar nog geplaatst gaat worden.
Hierin worden de nieuwste innovaties verwerkt die de afgelopen
maanden in het lab van de TU/e zijn ontwikkeld. Weber heeft
een betonmortel ontwikkeld met een hogere eindsterkte. Hier -
door kan er onder andere sneller worden geprint. Een brug
zoals in Gemert zou nu in twee dagen kunnen worden
geprint.
?
?
PROJECTGEGEVENS
project Fietsbrug Gemert
opdrachtgever Provincie Noord-Brabant
initiatiefnemer en aannemer BAM Infra
ontwerp en constructeur Witteveen+Bos i.s.m. BAM Infraconsult
productie en onderzoek Technische Universiteit Eindhoven
leverancier 3DCP-beton Saint-Gobain Weber Beamix
wapening Dywidag en Bekaert
momenten op de brug tijdens het inhijsen te voorkomen. Op
basis daarvan zijn de posities van de hijspunten bepaald en is
gezorgd voor een gelijkmatig verdeelde ondersteuning bij de
oplegging.
Potentie toekomst
Doordat dit de eerste brug was die op deze manier is gemaakt,
waren de ontwikkelkosten hoog. Voor de toekomst heeft een
3D-geprinte betonnen brug echter wel grote potentie, om
verschillende redenen.
Een daarvan is dat er alleen daar materiaal wordt toegepast
waar dat echt nodig is. Dit leidt dus tot materiaalbesparing.
Hierbij is nog aan te tekenen dat de doorsnede van de huidige
Wereldprimeur met geprinte brug 2 2018
Reacties