thema3D vormen in beton5200948thema3D vormenin betonDe haalbaarheid van geometrisch complexe vormen in beton, aan de orde bij `blob-architectuur' en `free-form design' wordt vooral bepaald door de flexibiliteit enaanpasbaarheid van het toegepaste bekistingsysteem. Aan de Technische UniversiteitEindhoven (TU/e) wordt onderzoek gedaan naar in vorm aanpasbare, onder invloedvan vacuüm voorgespannen driedimensionale bekistingsystemen, ofwel Vacuuma-tics 3D-Bekistingsystemen. De constructieve werking van Vacuumatics berust op hetprincipe dat losse vulelementen in een gesloten flexibele omhulling alzijdig wordenvoorgespannen tot een samenwerkend geheel in een voorgedefinieerde vorm.1) Als vervolg op zijn afstudeeronderzoekverricht ir.arch. Frank Huijben momenteeleen promotie-onderzoek naar Vacuumatics3D-Bekistingsystemen op de faculteit Bouw-kunde van de TU Eindhoven, in samenwer-king met ABT bv.Onderzoek naar Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen3D vormen in beton 52009 49Snelle veranderingen in onze huidige samenleving en wereld-wijde technologische ontwikkelingen stimuleren een flexibeleen klantgerichte leefomgeving. Ook in de huidige bouwwereldis deze trend zichtbaar, mede gekenmerkt door termen als`aanpasbaar', `flexibel', `dynamisch' en zelfs `slim' en `intelligent'.Een volledig flexibele en klantgeoriënteerde leefomgeving metcontinu veranderende identiteiten lijkt daardoor onvermijde-lijk. Daarnaast zijn `free-form design' en `blobs' veelgehoordetermen. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van digitaleontwerpsystemen en CAD/CAM-processen liggen ten grond-slag aan deze architectonische trends. In de huidige bouwprak-tijk worden de in gekromde vlakken vormgegeven bouwwer-ken gerealiseerd door een geprefabriceerde (vaak decoratieve)huid aan te brengen op een regelmatige, primaire of secundaire(en veelal lineaire) draagstructuur. De voornaamste reden hier-voor is dat de huidige bouwindustrie voornamelijk rechtlijniggeoriënteerd is en nog onvoldoende in staat is om te anticipe-ren op de driedimensionale vrije vormentaal van de nieuwegeneratie (architectonische) ontwerpers. De moderne bouw-praktijk vraagt om een nieuwe kijk op de maakbaarheid vandeze vrij vormgegeven ontwerpen.BetonarchitectuurVanuit materiaaltechnisch oogpunt lijkt het voor de hand teliggen om een vloeibaar en geleidelijk uithardend materiaalte gebruiken als constructiemateriaal om tot de gewensteveelal onregelmatige en vloeiende constructievormen tekomen. Beton is een dergelijk materiaal met daardoor vrijwelonbeperkte vormmogelijkheden en bovendien goede sterkte-eigenschappen in uitgeharde vorm. Daarnaast vergroten delaatste technologische ontwikkelingen op het gebied vanbetontechnologie, zoals ultra-hogesterktebeton, vezel-versterkt beton en zelfverdichtend beton, de toepassingsmo-gelijkheden van beton als een constructief bouwmateriaal(foto 1).De beperkende factoren op dit moment met betrekking tot dehaalbaarheid van `vrije' vormen in beton zijn de maakbaarheiden vooral de aanpasbaarheid van het toegepaste bekistingsys-teem. Elke verandering van de oorspronkelijke vorm of opper-vlaktetextuur kan gezien worden als complex, tijdrovend,arbeidsintensief en daardoor financieel onaantrekkelijk. Wat wenodig hebben is een flexibel en in vorm aanpasbaar bekisting-systeem om geometrisch complexe vormen en texturen inbeton haalbaar te maken. Dit zou tevens de stelling ondersteu-nen dat de keuze van het uiteindelijk toe te passen (construc-tieve) bouwmateriaal niet afhankelijk moet zijn van de uitvoer-baarheid van het ontwerp, maar juist moet worden bepaalddoor het constructieve bouwsysteem dat het beste aansluit bijhet ruimtelijk ontwerp.VacuumaticsDe constructieve werking van vacuümconstructies (Vacuuma-tics) [1] berust op het principe dat losse vulelementen in eengesloten flexibele omhulling alzijdig worden voorgespannen[2]. Deze vorm van voorspanning ontstaat wanneer luchtbinnen deze flexibele omhulling wordt onttrokken, wat resul-teert in een uniforme onderdruk (tot vrijwel vacuüm). Deatmosferische druk oefent een alzijdige kracht uit op de omhul-lende huid, waardoor deze zich om de vulelementen heenvormt. De losse vulelementen worden hierdoor samengedrukten gefixeerd in hun positie, wat leidt tot een vormvast elementmet een zekere sterkte, stijfheid en samenhang [3]. De gecre-ir.arch. Frank Huijben 1), prof.ir.Frans van HerwijnenABT bv / TU Eindhoven, faculteitBouwkunde1 Flexibility control2 Constructieve voorspanning?exibel platisch vastvacuümdruk 0 % 100 %vacuümdrukvacuümdrukexterne belasting21thema3D vormen in beton50leidt tot een volledig vormvaste constructie, mede afhankelijkvan de materiaaleigenschappen van de toegepaste vulelementenen omhulling. Een unieke eigenschap van Vacuumatics is dat ditverstijvingsproces omkeerbaar is. De oorspronkelijke flexibiliteitvan de constructie keert terug wanneer de onderdruk in deconstructie weer afneemt, zodat vacuümconstructies veelvuldigopnieuw kunnen worden vormgegeven.Om Vacuumatics letterlijk in een bepaalde vorm te `kneden' iseen zekere morfologische handeling benodigd, die de vulele-menten rangschikt in de gewenste positie. Vooral de mogelijk-heid om de geometrie van vacuümconstructies lokaal aan tepassen aan nieuwe eisen vergroot de potentie van Vacuumaticsals op maat gemaakt constructie-element. Het feit dat Vacu-umatics zeer gedefinieerd de contouren van het toegepastevulmateriaal weergeven en zelfs in staat zijn de geometrie vaneen contravorm over te nemen (`form-fitting') (foto 3), resul-teert in een levendige zintuiglijke beleving van op vacuümcon-structies gestorte betonvlakken.MaterialisatieDe sterkte, stijfheid en samenhang (en daardoor de veiligheiden bruikbaarheid) van vacuümconstructies wordt vooralbepaald door de materialisatie van de toegepaste vulelementenen de omhulling. De omhullende, flexibele huid zorgt nietalleen voor de essentiële luchtdichtheid, ook draagt deze bij aanhet constructieve gedrag van Vacuumatics [4]. Dit geldt ookvoor het vulmateriaal. Bovendien heeft de zogenaamdepakking van de vulelementen onder alzijdige druk groteinvloed op zowel de stijfheid als de sterkte van Vacuumatics.Losse, bolvormige vulelementen onder alzijdige druk wordengerangschikt in een dichte pakking, wat resulteert in een grotestijfheid (foto 4). Vezelachtig vulmateriaal daarentegengedraagt zich als een geweven structuur, wat leidt tot een weef-selachtig gedrag (foto 5). Vanzelfsprekend is een grote verschei-eerde voorspanning zorgt ervoor dat de vulelementen terplaatse van de trekzone van de constructie tegen elkaar blijvengedrukt wanneer de constructie uitwendig op buiging wordtbelast (fig. 2). Het principe waarbij een materiaal met een lagetreksterkte en afschuifcapaciteit wordt voorgespannen om hetdraagvermogen te verbeteren is niet nieuw. De voorspannings-techniek van Vacuumatics is in bepaalde mate zelfs vergelijk-baar met voorgespannen beton, met als grote verschil dat devoorspanning bij Vacuumatics alzijdig werkt.Vrije vormgevingDe flexibiliteit en aanpasbaarheid van de vorm zijn de voor-naamste voordelen van Vacuumatics, en maken het mogelijkom vanuit één enkel systeem een grote verscheidenheid aandriedimensionale vormen te creëren. De aanpasbaarheid van devorm wordt gestuurd door middel van de zogenaamde `flexibi-lity control' (fig. 1). In de beginsituatie, zonder vacuümvoor-spanning (0% vacuüm), kunnen de losse vulelementen vrijbewegen in de flexibele, omhullende huid. Door vervolgens delucht uit de omhulling te `zuigen', en dus een mate van vacuümte creëren, verbetert de samenhang van de vulelementen en gaatde constructie plastisch gedrag vertonen. In deze fase kunnenvacuümconstructies eenvoudig worden vormgegeven terwijl zetoch voldoende stijfheid bezitten om de nieuwe vorm te behou-den. Een verdere toename van het verschil in luchtdruk, tot aande maximaal haalbare atmosferische druk (nabij 100% vacuüm),343D vormen in beton 52009 513 Form-fitting4 Ballonstructuur5 Strostructuur6 Vacuumatics 3D-Bekistingsystemenworden twee afzonderlijke vacuümconstructies bevestigd aaneen externe raamwerkconstructie, waartussen het beton wordtgegoten. Doordat de randen van het frame gefixeerd zijn, wordtde latere verbinding van de uitgeharde betonnen elementen aanoverige constructiedelen vereenvoudigd, terwijl de twee flexi-bele vacuümconstructies individueel kunnen worden gevormdof aangepast aan nieuwe vormen. Het is hierbij goed mogelijkom de verbindingsmiddelen direct mee in te storten. Wanneerhet beton voldoende is verhard zijn de twee vacuümconstruc-ties eenvoudig los te koppelen van het raamwerk en nagenoegdirect geschikt voor hergebruik.In geval van het volledig zelfdragende bekistingsysteem (fig.6c), fungeert een enkele gesloten vacuümconstructie als zelf-standige bekisting waarin beton kan worden gegoten. Naast demogelijkheid om de gehele geometrie van de vacuümconstruc-tie te wijzigen, kan ook de oppervlaktetextuur worden aange-past aan nieuwe eisen.Op de TU/e zijn inmiddels verschillende verkennendeproeven gedaan, waaruit de potentie van dergelijke Vacu-umatics 3D-Bekistingsystemen is gebleken. Door deoorspronkelijke flexibiliteit kan een grote verscheidenheidaan `vrije' vormen worden gerealiseerd (foto 7). Hierbijwordt de identiteit van het gekozen bekistingsysteem als hetware `geconserveerd' door het uithardende beton, doordat decontouren en de configuratie van de vulelementen zeer gede-finieerd zichtbaar zijn in het uitgeharde betonoppervlak.Klantgeoriënteerde betonnen oppervlaktetexturen zijn hier-denheid aan configuraties en combinaties van verschillendevulmaterialen mogelijk, ten behoeve van een breed scala aan(architectonische) toepassingen.Vacuumatics 3D-BekistingsystemenDe gunstige eigenschappen van Vacuumatics, zoals de (her-)vormbaarheid van de constructie en de aanpasbaarheid van detextuur, vormen ideale randvoorwaarden voor een volledigflexibele, in vorm aanpasbare en herbruikbare bekisting voorde productie van geometrisch complexe betonconstructies. Aande TU/e wordt momenteel onderzoek verricht naar drieverschillende typen Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen [5].Wanneer Vacuumatics worden toegepast als toevoeging aaneen regulier bekistingsysteem (fig. 6a) zijn vooral op maatgemaakte oppervlaktetexturen haalbaar. De vacuümconstruc-tie wordt aangebracht in een bestaande bekisting en laathierbij zijn afdruk achter in het betonoppervlak. Na hetverharden van het beton kan eenvoudig worden ontkist doorde lucht weer in het systeem te laten en daarmee de vacuüm-voorspanning op te heffen. In tegenstelling tot het gebruikvan rubberen geprofileerde matten is de gecreëerde Vacuuma-tics-textuur eenvoudig aan te passen aan nieuwe gebruikersei-sen door de vulelementen opnieuw te rangschikken. Boven-dien kan het vulmateriaal in zijn geheel worden vervangenom een compleet nieuwe oppervlaktetextuur te creëren.Bij het zogenaamde infilled-frame bekistingsysteem (fig. 6b)563D vormen in beton52009527 `Vrije vormen'in beton8 Op maat gemaakte oppervlaktetexturen9 Kreukels en vouwen in betondoor haalbaar (foto 8). Zelfs kreukels en vouwen in de huidvan Vacuumatics bekistingsystemen worden perfect weerge-geven in het betonoppervlak, wat bijdraagt aan de expressivi-teit van architectonische betonconstructies (foto 9).Conclusie en vervolgDe unieke eigenschap van beton (ontstaan door verharding vanvloeibare betonmortel) om de specifieke karaktereigenschap-pen van het toegepaste bekistingsysteem weer te geven, maakthet mogelijk `nieuwe', organische en expressieve betonconstruc-ties te creëren. Omdat de maakbaarheid en de aanpasbaarheidvan de vorm en oppervlaktetextuur van betonnen bekistingsys-temen de beperkende factoren zijn met betrekking tot de haal-baarheid van geometrisch complexe vormen in beton, beschik-ken Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen over ideale randvoor-waarden. De herbruikbaarheid van vacuümconstructies draagtbovendien bij aan een economisch en duurzaam productiepro-ces van klantgeoriënteerde betonconstructies.Het doel van het onderzoek is fundamenteel inzicht te vergarenin het constructieve gedrag en de morfologie van Vacuumatics.De combinatie van experimenteel onderzoek en systematisch,thematheoretisch onderzoek verschaft inzicht in de totale effectiviteitvan Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen in relatie tot andereconventionele bekistingsystemen. De potentie van Vacuumatics3D-Bekistingsystemen is vooral groot wanneer ze wordeningezet in combinatie met de laatste betontechnologischeontwikkelingen. )I Literatuur1 Gilbert, J., Patton, M., Mullen, C., Black, S. (1970),`Vacuumatics', 4th yearresearch project, Queen's University, Department of Architecture andPlanning, Belfast (IE)2 Huijben, F., Herwijnen, F. van, Lindner, G. (2007),`Vacuumatic pre-stressed flexible architectural structures', III International Conferenceon Textile Composites and Inflatable Structures, Structural Membra-nes 2007, Barcelona (ES), p.197-2003 Huijben, F., Herwijnen, F. van (2007),`Vacuumatics: shaping space by`freezing'the geometry of structures', International Conference onTectonics, Tectonics: Making Meaning 2007, Eindhoven University ofTechnology, Eindhoven (NL)4 Huijben, F., Herwijnen, F. van (2008),`Vacuumatics: vacuumaticallyprestressed (adaptable) structures', 6th International Conference onComputation of Shell & Spatial Structures, IASS-IACM 2008: SpanningNano to Mega, Ithaca NY (US)5 Huijben, F., Herwijnen, F. Van, Nijsse, R. (2009),`Vacuumatics 3D-Form-work Systems: Customised Free-Form Solidification', IV InternationalConference on Textile Composites and Inflatable Structures, Structu-ral Membranes 2009, Stuttgart (DE), (geaccepteerd voor publicatie)987