Wereldprimeur met geprinte brug2 2018 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 brug2 2018 14 3500 300 300 300300 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 brug2 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