`Flexibel'bekisten met vacuumatics116 42012`Flexibel'bekistenmet vacuumaticsOm vrije vormen in beton mogelijk te maken, kangebruik worden gemaakt van zogenoemde `vacu?mconstructies' (ofwel vacuumatics). Deze kunnenworden ingezet als een in vorm aanpasbaar bekistingssysteem. Aan de Technische Universiteit Eindho1Vacu?mconstructies voor`vrije'vormen en texturen in betonven (TU/e) wordt momenteel een promotieonderzoekuitgevoerd naar de constructieve eigenschappen ende geometrische randvoorwaarden van dezeconstructies. In een deelonderzoek is gekeken naar devormgeving, de draagkracht en de realiseerbaarheid.`Flexibel'bekisten met vacuumatics 117420121 Gerealiseerde`vrij'gevormde betonconstructie met klantge-richte oppervlaktetextuur2 Houten bekisting voor de Cement Hall te Zurich, ontworpendoor Robert Maillart, uit 19383 Houten bekisting voor de ingang van de fietsenstalling ophet 18 septemberplein te Eindhoven, ontworpen doorMassimiliano Fuksas, uit 2009Sinds de jaren negentig is de (moderne) bouwindustrie naarstigop zoek naar manieren om `vrije vormen' te realiseren, anticipe-rend op een van de meest toonaangevende trends van de laatstetwee decennia, namelijk `free form design'. Deze vrije vormen inde gebouwde omgeving (tevens bekend onder de verzamelnaam`blobs') onderscheiden zich van andere gebouwen door hunvloeiende vormen, veelal met (dubbel)gekromde vlakken. Doorde snelle ontwikkeling van digitale ontwerpsystemen zijn tegen-woordig nagenoeg alle denkbare gebouwvormen eenvoudig temodelleren (zowel teken- als rekentechnisch) met behulp vangeavanceerde CAD- en FEM-software. Echter, het realisatie-proces van deze vrije vormen lijkt niet een zelfde sprong intechnologische ontwikkeling te hebben doorgemaakt.Waar in de praktijk de draagconstructie van complex vorm-gegeven gebouwen of bouwdelen veelal wordt opgebouwd uit (alof niet voorgevormde) stalen segmenten, leent juist een vanorigine vloeibaar materiaal als beton zich uitermate goed voor derealisatie van deze vloeiende vormen. Dit wordt onderstreept doorhet brede scala aan nieuwe mogelijkheden vanuit materiaaltech-nologisch oogpunt (denk aan vezelversterkt beton, zelfverdich-tend beton en ultra-hogesterktebeton). Op dit moment blijkt deflexibiliteit van het bekistingssysteem (lees: maakbaarheid en inzekere mate de aanpasbaarheid) maatgevend voor een succesvollerealisatie van vrije vormen in beton.Sinds het begin van de vorige eeuw worden de bekistingen van(dubbel)gekromde vlakken veelal vervaardigd uit houten stijlenen regels bekleed met houten latten of beplating. Het uittimme-ren van een dergelijke bekisting kost echter veel tijd, vergt rela-tief veel materiaal en mankracht en leidt bovendien tot eenbekisting die moeilijk aanpasbaar is en waarvan veelal slechtsbeperkte onderdelen herbruikbaar zijn. In grote lijnen lijkt erde laatste 70 jaar vrij weinig te zijn veranderd. Dit wordtge?llustreerd door de bekistingsmethoden voor de Cement Hallte Zurich uit 1938 (foto 2) en de ingang van de fietsenstallingop het 18 septemberplein te Eindhoven uit 2009 (foto 3).Met vacuumatics als flexibel bekistingssysteem kan hier in denabije toekomst wellicht verandering in komen. In een deel-onderzoek aan de TU/e is een eerste aanzet gedaan om depraktische toepasbaarheid van vacuumatics als bekistings-systeem te onderzoeken voor de realisatie van (enkel)gekromdebetonschalen met een op maat gemaakte (of liever gezegd:klantgerichte) oppervlaktetextuur.VacuumaticsHet constructieve principe van vacuumatics kan het bestworden omschreven aan de hand van een verzameling vanlosse korrels in een luchtdicht flexibel omhulsel (ofmembraan). Deze korrels verkrijgen hun (constructieve)Roy van HeugtenTU/e, fac. Bouwkundeir. frank Huijben 1)ABT bv / TU/e, fac. Bouwkunde1) Frank Huijben voert momenteel namens ABT een promotieonderzoek uit aan deTU Eindhoven (TU/e) getiteld `Vacuumatics 3D Formwork Systems'. Promotoren zijnprof.ir. Frans van Herwijnen (ABT bv / TU/e) en prof.ir. Rob Nijsse (ABT bv /TU Delft). Dit artikel beschrijft een deelonderzoek dat als masteronderzoeksproject aande TU/e is uitgevoerd door Roy van Heugten, onder begeleiding van Frank Huijben.23`Flexibel'bekisten met vacuumatics118 42012Aanpak en resultatenOm de effectiviteit van vacuumatics als bekistingssysteem teonderzoeken, is in het genoemde deelonderzoek gekekennaar de vormgeving (morfologisch onderzoek), de draag-kracht (constructief onderzoek) en de realiseerbaarheid(prototype-onderzoek) van vacuumaticsbekistingen.Morfologisch onderzoekIn het morfologisch deelaspect is onderzocht hoe vacuumaticsop een eenvoudige manier kunnen worden vormgegeven. Omde initi?le (gelijkmatige) verdeling van de losse korrels in deflexibele omhulling hierbij beheersbaar te houden, wordt hetvormingsproces van vacuumatics steeds gestart vanuit een platvlak. Vanuit uitvoeringstechnisch oogpunt is het bovendienwenselijk de beoogde vorm met zo min mogelijk manipulatie-punten, zogenoemde `control points', tot stand te brengenvanuit het platte vlak. Hoewel het mogelijk is om vacuumaticssamenhang door het aanbrengen van een onderdruk (ofwel:vacu?m). De korrels worden uitwendig `voorgespannen' doordatde atmosferische druk een kracht op ze uitoefent (via hetmembraan), zodat de vorm waarin de korrels zijn gebracht alshet ware wordt bevroren. Deze techniek leidt tot vormvastedraagconstructies die onder andere kunnen worden toegepast alszelfdragende bekistingen. Een introductie van dit principe isbeschreven in het artikel `3D vormen in beton' in Cement 2009/5[1].Een krachtig ontwerpuitgangspunt van vacuumatics is dat de(buig)stijfheid kan worden be?nvloed door te vari?ren in demate van onderdruk, ook wel `vacu?mdruk' genoemd. Dezevacu?mdruk wordt overigens veelal uitgedrukt in een percen-tage van de atmosferische luchtdruk, vari?rend tussen 0 en100%, wat overeenkomt met een luchtdruk van respectievelijk0 en 1 bar. Bij 0% vacu?m (dus zonder onderdruk) vertonen dekorrels in het omhulsel geen samenhang en is de constructiegeheel flexibel. Door de vacu?mdruk te verhogen zullen dekorrels strakker tegen elkaar worden gedrukt en zal de (buig)stijfheid van de constructie toenemen. Daarbij ontstaat bij eenrelatief lage onderdruk (van circa 10% vacu?mdruk) een min ofmeer kneedbaar materiaalgedrag. In deze `plastische' fase kan deconstructie relatief gemakkelijk worden gevormd en tevens zijnnieuwe vorm vasthouden. Bij een maximale vacu?mdruk (nage-noeg 1 bar) ontstaat een relatief stijve en stabiele draagconstruc-tie. Omdat dit principe omkeerbaar is, is het mogelijk vacu?m-constructies veelvuldig te vervormen. Overigens is naast de matevan onderdruk tevens de materialisatie van de korrelvulling enhet omhullende membraan van invloed op de `uiteindelijke'constructieve sterkte en stijfheid van vacuumatics [2].45`Flexibel'bekisten met vacuumatics 119420124 Initi?le vlakke vacu?mconstructie, samenge-steld uit lichtgewicht kleikorrels (Liapor) eneen plastic folie (LDPE) als omhulling5 Het vormen van vacuumatics middels de`hangmethode'6 Bezwijkmechanisme van een boogvormigevacu?mconstructie gelijkmatig belast doormiddel van cilindrische zandzakkenin nagenoeg elke gewenste vorm te brengen, is deze studie eropgericht om (enkel)gekromde vormen te realiseren, waarbij eenexterne belasting kan worden opgenomen door schaalwerkingvan de (zelfdragende) vacuumaticsbekisting. Uit eerder onder-zoek is namelijk gebleken dat de buigsterkte van vacuumaticsover het algemeen relatief gering is, in tegenstelling tot dedruksterkte [2]. Om deze reden zal in dit geval een kettinglijn(of een parabool bij benadering) als referentie wordengenomen voor de beoogde boogvorm, aangezien dit de idealevorm is voor het afdragen van een gelijkmatig verdeelde belas-ting per eenheid van lengte (lees: het eigen gewicht van debekisting, inclusief het gewicht van het pas gestorte beton).Voor dit onderzoek bestaat de vacu?mconstructie uit eenvulling van lichtgewicht kleikorrels (Liapor) en een plastic folie(LDPE) als omhulling (foto 4). De grootte van het proefstukmeet in het platte vlak circa 2300 x 700 mm? met een pakket-dikte van circa 60 mm en weegt totaal circa 40 kg. Verschil-lende vervormingstechnieken zijn onderzocht. Bij de zoge-noemde `hangmethode' (foto 5) wordt de vacu?mconstructieslechts beperkt op onderdruk gebracht, zodat de constructienog grotendeels buigslap is. Na vervorming wordt de vacu?m-druk verhoogd tot een maximale onderdruk (van circa 1 bar),zodat de constructie in zijn geheel kan worden omgedraaidalvorens het beton wordt aangebracht. Met het oog op eenmogelijke schaalvergroting van het principe is dit wellichtonpraktisch.Bij een meer praktische benadering, de `liftmethode', worden deuiteinden van de vacuumaticsbekisting verticaal gefixeerd doormiddel van gewichten, waarna het midden van de constructiewordt opgetild (gelift) met behulp van een kraan. Het feit datvacuumatics over het algemeen relatief buigslap zijn, zorgtervoor dat de constructie relatief eenvoudig kan wordengevormd. De gecre?erde boogconstructie kan vervolgenseenvoudig worden gestabiliseerd door de eindpunten van deconstructie in horizontale richting te fixeren.In het Pieter van Musschenbroeklaboratorium van de TU/e isvervolgens een aantal identieke vormingsproeven volgensdeze liftmethode uitgevoerd, waarbij onder andere is onder-zocht in hoeverre de mate van onderdruk invloed heeft op devervormbaarheid van de constructie. Bij deze experimentenis de constructie steeds opgetild tot op het moment waaropde uiteinden van de constructie los kwamen van de onder-grond. Uit deze experimenten is gebleken dat de mate vanonderdruk (vari?rend tussen 0,25 bar en 0,85 bar) nauwelijkseffect heeft op de uiteindelijke boogvorm. Daarnaast blijkt deconstructie het meest lokaal te vervormen ter plaatse van hethijspunt, terwijl de uiteinden nagenoeg ongekromd blijven(foto / fig. 7).Het verlagen van de vacu?mdruk heeft daarentegen wel totgevolg dat de kracht die nodig is om de constructie te(ver)vormen kleiner wordt (ge?llustreerd door het verschil inbooghoogte). Om tot een betere benadering van de beoogdeparaboolvorm te komen, is ervoor gekozen een `wape-ningslaag' aan te brengen aan de bovenkant, in de trekzonevan de constructie tussen de korrels en het membraan. Dezewapening verhoogt de buigsterkte, of liever gezegd: de vloei-grens, van de vacu?mconstructie, zodat deze minder snel(lokaal) plastisch zal vervormen. Als wapening kan in prin-cipe elk flexibel (maar trekstijf) materiaal worden toegepast.Doordat de wapeningslaag ten gevolge van de atmosferischedruk tegen de korrels wordt gedrukt (via het membraan), isdeze wapeningslaag in staat trekkrachten over te dragen aan dekorrels via onderlinge wrijving. Afhankelijk van de materialisa-tie van de wapeningslaag kan een verhoging van de buigsterktetot circa 600% worden gerealiseerd. Dit principe is in detailbeschreven in het artikel `Vacu?m als constructief bindmiddel'in Cement 2010/8 [3]. Bij deze morfologische studie zijnoverigens, naast verschillende posities en lengtes van dewapeningslaag, tevens verschillende wapeningsmaterialenonderzocht, waaronder dun betonplex, karton en olypropyleen-weefsel (PP). Polypropyleenweefsel, zoals onder andere6`Flexibel'bekisten met vacuumatics120 42012+0,690 (0,80 bar)(0,85 bar)-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m]+0,615-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m]-1,0+0,690 (0,80 bar)(0,85 bar)(0,45 bar)-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m]+0,615-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m]+0,715-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m] -1,07 Gevormde vacu?mconstructie vergeleken met een parabool, waarbij de matevan onderdruk is gevarieerd van 0,25 bar tot 0,80 bar1,6 kN/m?, ofwel een laag beton van circa 65 mm dikte. Bij eenoverspanning van circa 2 m resulteert dit in een dikte-overspanningsverhouding van 1:30. In vergelijking met de(weliswaar dubbelgekromde) betonschalen zoals gerealiseerdin de jaren vijftig door onder andere Heinz Isler (met eenverhouding van circa 1:360) lijkt deze draagcapaciteit ruimvoldoende voor de realisatie van dunne betonschalen. Aanvul-lende experimenten zullen echter moeten uitwijzen of vacu-umatics eveneens geschikt zijn voor grotere overspanningen.Het aangetoonde minimale draagvermogen van de vacuuma-ticsbekisting van circa zes keer het eigen gewicht biedt overi-gens perspectief.Prototype-onderzoekOm voorgaande bevindingen te toetsen in de praktijk, is eenenkelgekromde betonnen schaal gerealiseerd met een over-spanning van 1,5 m en een hoogte van 70 cm. Hierbij is tevenseen ander voordelig aspect van vacuumatics onderzocht, name-lijk de aanpasbaarheid van de oppervlaktetextuur. Doorbepaalde objecten (zoals in dit geval kartonnen belettering) aande vacuumaticsbekisting toe te voegen tussen de korrelvullingen het membraan, kan een klantgerichte oppervlaktetextuurvan het betonnen object worden gerealiseerd. In dit geval zijntwee lagen van ongeveer 2 cm beton handmatig op deze bekis-ting aangebracht, met daartussen een wapeningsnet van glas-vezel om onvoorziene belastingen tijdens transport of asymme-trische belastingen op te kunnen vangen. Na een uithardings-periode van ongeveer vier dagen is de betonschaal ontkist doortoegepast voor Bigbags, blijkt hierbij uitermate geschikt. Ditmede vanwege de hoge mate van flexibiliteit (wat gunstig is methet oog op de `vrije' vormbaarheid van vacuumatics), de relatiefhoge trekstijfheid en de hoge treksterkte van dit materiaal. Deuiteindelijk verkregen boogvorm (met PP wapening) benadertvrij goed de beoogde paraboolvorm (foto / fig. 8).Constructief onderzoekOm de draagkrachtcapaciteit van de vacu?mbekisting tebepalen, is de gecre?erde schaalvorm belast met cilindrischezandzakken (2,1 m lang en 25,5 kg per stuk) om de gelijkmatigverdeelde belasting door het pas gestorte beton na te bootsen.Deze zandzakken zijn stap voor stap aangebracht tot aanbezwijken. Theoretisch kan de vacuumaticsboogconstructie opdiverse manieren bezwijken. Een daarvan is het wegvallen vande vacu?mdruk, waarmee de constructie direct zijn buigstijf-heid verliest. Daarnaast spelen uiteraard de materiaaleigen-schappen van de korrelvulling en het membraan een rol. Aande hand van eerdere constructieve analyses van de afzonder-lijke materialen [2] en de gunstige boogvorm wordt echterverwacht dat de sterkte van de constructie niet maatgevend zalzijn en dat de constructie zal bezwijken op instabiliteit, name-lijk knik.Het experiment is drie keer uitgevoerd waarbij de boogcon-structie telkens bezweek op asymmetrische knik in het vlak(foto 6). De minimale opneembare belasting is 229,5 kg (negenzandzakken) gebleken. Dit komt overeen met een vlaklast van7a7b`Flexibel'bekisten met vacuumatics 12142012+0,690 (0,80 bar)(0,85 bar)(0,45 bar)-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m]+0,615-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m]+0,715-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m] -1,0 -0,8 -0(0,85 bar)+0,615-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [m]8 Gevormde vacu?mconstructie vergeleken met een parabool, waarbijPP weefsel is toegepast als`wapening'bij een onderdruk van 0,85 barnologische ontwikkelingen zoals ultra-hogesterktebeton, zelf-verdichtend beton en vezelbeton.Nader onderzoek is echter nodig om de nauwkeurigheid van degewenste vorm te bepalen, alsmede de consequenties bij hetopschalen van dit principe voor de realisatie van relatief groterebetonschalen. De materialisatie van de vacuumaticsbekisting(lees: sterkte- en stijfheidseigenschappen) kan hierbij overigensworden geoptimaliseerd voor de beoogde toepassing. Eendirecte toepassing van vacuumaticsbekistingen zal op kortetermijn wellicht worden gevonden door het toevoegen van eenzekere `vacuumaticslaag' aan reguliere bekistingstechnieken.Hierbij kunnen klantgerichte oppervlaktetexturen of geringe(dubbele) krommingen worden gerealiseerd zonder dat daar-voor kostbare en complexe aanpassingen aan de regulierebekisting nodig zijn. LiTeRATuuR1 Huijben, F.A.A., Herwijnen, F. van, 3D vormen in beton.Cement 2009/5.2 Huijben, F.A.A., Herwijnen, F. van & Nijsse, R., Vacuumatics ?Systematic Flexural Rigidity Analysis. Proceedings of the InternationalAssociation for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium,Shanghai, November 2010.3 Tas, L., Huijben, F.A.A., Vacu?m als constructief bindmiddel.Cementonline, december 2010.simpelweg de vacu?mpomp los te koppelen, die gedurende hetuithardingsproces een constante onderdruk verzorgde. Zondervacu?mdruk wordt de constructie namelijk weer volledig flexi-bel, waardoor de vacuumaticsbekisting `zichzelf' vrijwel directontkist onder invloed van haar eigen gewicht. Het olieachtigeoppervlak van het folie zorgt er tevens voor dat het niet hechtaan het beton. In het uiteindelijke betonoppervlak van degerealiseerde `vrije' vorm is nu de afdruk van de toegepastebelettering goed zichtbaar.Conclusies en bruikbaarheid in de praktijkVerwacht wordt dat de toepassing van vacuumatics een nieuweimpuls zal geven aan het realisatieproces van vrije vormen inbeton. Aan de hand van dit masteronderzoeksproject kanworden geconcludeerd dat vacuumatics als lichtgewicht flexibelbekistingssysteem verschillende voordelen heeft ten opzichtevan traditionele bekistingsmethoden. Zo is de vormvrijheidzeer hoog: zonder al te veel mankracht en materiaalkostenkunnen `vrije vormen' vrij snel worden gerealiseerd. Daarnaastis de bekisting gemakkelijk aanpasbaar en zijn de benodigdebasismaterialen (korrels, membraan en mogelijke wape-ningslaag) volledig herbruikbaar.De mogelijkheid om de oppervlaktetextuur van vacuumatics(en dus van het betonnen object) aan te passen aan de wensenvan de klant biedt tevens nieuwe mogelijkheden voor hetvervaardigen van een hoogwaardige afwerking van diversebetonproducten. Zeker in combinatie met de laatste betontech-7c8