CROW-CUR Richtlijn 5:2023
3D-betonprinten

CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten CUR-CUR-richtlijn_C1040_3D-Betonprinten_cv_HR.indd 4-1CUR-CUR-richtlijn_C1040_3D-Betonprinten_cv_HR.indd 4-1 19-01-24 11:3119-01-24 11:31 Colofon CROW-CUR Richtlijn 5:2023 \f 3D-bet\bnprinten uitgave CROW, Ede artikelnummer C1040 f\bt\b \bmslag b\bven: Bruil, M\bvares en Rindert van der T\b\bren links\bnder: Bruil, M\bvares midden- en rechts\bnder: Saint G\bbain Weber Beamix p\bd Scanlaser bv, Zaandam pr\bductie CROW bestellen Deze uitgave is via de websh\bp bij CROW te bestellen. Zie v\b\br de actuele verk\b\bpprijs www.cr\bw.nl/sh\bp CROW P\b s t b u s 3 7, 6 7 10 B A Ede Te lef\b \b n (031 8 ) 69 5 3 0 0 E-mail klantenservice@cr\bw.nl Website w w w.cr\bw.nl Januari 2024 ISBN: 978 90 6628 711 2 CR OW e n d e g e n e n d i e a a n d e ze p u b l i c at i e h e b b e n m e e - gewerkt, hebben de hierin \bpgen\bmen gegevens z\brg - vuldig verzameld naar de laatste stand van wetenschap e n te ch n i e k . D e s \b n d a n k s k u n n e n e r \b n j u i s t h e d e n i n d e ze publicatie v\b\brk\bmen. Gebruikers aanvaarden het risic\b daarvan. CR OW s l u it , m e d e te n b e h \b e ve v a n d e g e n e n d i e a a n deze publicatie hebben meegewerkt, iedere aansprake - l i j k h e i d u it v\b \b r s ch a d e d i e m \b cht v\b \b r t v l \b e i e n u it h et gebruik van de gegevens. D e i n h \b u d v a n d e ze p u b l i c at i e v a lt \b n d e r b e s ch e r m i n g v a n d e a ute u r s wet . De auteursrechten berusten bij CROW. Over CROW CROW bedenkt slimme en praktische \bpl\bssingen v\b\br vraagstukken \bver infrastructuur, \bpenbare ruimte, verkeer en verv\ber in Nederland. Dat d\ben we samen met externe pr\bfessi\bnals die kennis met elkaar delen en t\bepasbaar maken v\b\br de praktijk. CROW is een \bnafhankelijke kennis\brganisatie z\bnder winst\b\bgmerk die investeert in kennis v\b\br nu en in de t\bek\bmst. Wij streven naar de beste \bpl\bssingen v\b\br vraagstukken van beleid t\bt en met beheer in infrastructuur, \bpenbare ruimte, verkeer en verv\ber en werk en veiligheid. B\bvendien zijn wij experts \bp het gebied van aanbesteden en c\bntracteren. CUR-CUR-richtlijn_C1040_3D-Betonprinten_cv_HR.indd 2,3CUR-CUR-richtlijn_C1040_3D-Betonprinten_cv_HR.indd 2,3 19-01-24 11:3119-01-24 11:31 CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten CROW Postbus 37, 6710 BA Ede Telefoon (0318) 69 53 00 E-mail klantenservice@crow.nl Website www.crow.nl Januari 2024 isbn: 978 90 6628 711 2 CROW en degenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, hebben de hierin opgenomen gegevens zorgvuldig verzameld naar de laatste stand van wetenschap en techniek. Desondanks kunnen er onjuistheden in deze publicatie voorkomen. Gebruikers aanvaarden het risico daarvan. CROW sluit, mede ten behoeve van degenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van de gegevens. De inhoud van deze publicatie valt onder bescherming van de auteurswet. De auteursrechten berusten bij CROW. Inhoud 5 Woord vooraf 7 Inleiding/Leeswijzer 1 8 Materiaal 2 8 Materiaalstrategieën 2.1 9 Onverhard beton 2.2 10 Verhard beton 2.3 11 Systeem & Productie 3 11 'Droog' systeem: de robot 3.1 11 'Nat' systeem: mengen, pompen en printen 3.2 12 Wapeningssystemen 3.3 13 Proces monitoring 3.4 13 Controleproeven 3.5 14 Nabehandeling 3.6 15 Ontwerp 4 15 Algemene aandachtspunten tijdens het ontwerp 4.1 19 Niet-Constructieve Elementen 4.2 22 Constructieve elementen 4.3 26 Levenscyclusanalyse (LCA) en duurzaamheid 4.4 27 Door proeven ondersteund ontwerpen 4.5 33 Specifieke aandachtspunten in constructieve berekeningen 4.6 35 Referenties 5 3 Woord vooraf Voor gestandaardiseerde toepassing van 3D-betonprinten is er ten tijde van het opstellen van deze richtlijn (2021- 2023) nog weinig generieke regelgeving beschikbaar. Voor regulier beton en betonconstructies zijn vele normen beschikbaar. Vanuit printbeton staat daar nog geen vergelijkbare meerjarige onderbouwing tegenover. We staan pas aan het begin van een nieuwe ontwikkeling waarin alles nog gereguleerd moet worden (ontwerp, contractering, uitvoering, onderhoud, toezicht en keuringen et cetera). Verschenen artikelen en rapporten beschrijven vooral de mogelijkheden en de vorderingen maar nog geen raamwerk om van daar uit regels op te bouwen. Er is nog veel onbekend of ontbrekend om 3D-betonprinten algemeen van regelgeving te voorzien. CROW heeft daarom een 'flexibel en levend'(in de tijd aanpasbaar vanwege ontwikkelingen) document opgesteld over hoe om te gaan met ontwerp, uitvoering en toetsing. Dit is de voorliggende CROW-CUR Richtlijn 3D-beton- printen geworden. Voor de genoemde aandachtsgebieden zijn ervaringsafhankelijke en werkbare handvatten voor de keuze voor 3D-betonprinten aangereikt. Het doel hiervan is: Kennis en ervaring delen over 3D-betonprinten, die mogelijk nog niet bij iedereen bekend zijn. Richting geven aan de keuze voor 3D-betonprinten, voor zover dit mogelijk is. Het gaat hierbij over maakbaarheid en aantoonbaarheid (van onder andere constructieve veiligheid) en hoe hiermee om te gaan door constructeurs en toetsende instanties. Als eerste is een CROW-adviescommissie ingesteld, op basis van een verkenning c.q. inventarisatie naar bestaande kennis en betrokken organisaties, met als taak om na te denken hoe hiermee verder te gaan en eventueel te besluiten om handvatten via een CROW-CUR Richtlijn op te stellen. Dit laatste heeft plaats gevonden middels een CROW- werkgroep, voor een groot deel gevuld door de adviescommissie en een uitbreiding hiervan. In de adviescommissie en werkgroep zijn alle relevante partijen zoals producenten, aannemers, toetsende instanties, ingenieursbureaus en onderzoeksinstituten betrokken. Deze richtlijn is relevant voor iedereen die iets met 3D-betonprinten wil gaan doen, zowel voor aanbieders van deze techniek als voor opdrachtgevers die deze in een constructie willen toepassen. En vormt dan een document waar men als eerste te rade gaat om zich te oriënteren op wat 3D-betonprinten inhoudt, dat voorbeelden laat zien en de weg wijst. We denken dat dit een levendig document moet zijn dat periodiek onderhouden kan worden, gelet op de snelheid van de ontwikkelingen, zonder dat er grote effort gaat zitten in het onderhoud. De volgende sectorpartijen en personen waren lid van de CROW-werkgroep 3D-betonprinten en hebben meegewerkt aan de totstandkoming van CROW-CUR Richtlijn 3D-betonprinten: Namens: Suzanne Clijsen ?Bruil Jan Blaakmeer ?Weber Beamix 3D-betonprinten Walter Speelman - MebinBetonmortel Dimphy Bruin ?Bouwtoezicht Alkmaar COBc ?Bouwtoezichten Gerben van der Meijde ?Van Rossum Raadgevende Ingenieurs VNconstructeurs Wim van 't Land?Movares Marijn Bruurs ?Witteveen+Bos Ingenieursbureaus Theo SaletTU/e Florentijn de Beukelaer ?BAM / Boskalis Johan Bolhuis ?HochTief / Alseen Bouwend Nederland Jean de Nijs, Anna Bebenek ?Provincie Noord-Holland Frans Raijmakers, André Ackermans ?Gemeente Eindhoven Opdrachtgevers Ad van Leest (voorzitter en begeleider) Geoffrey van Bolderen (eindredactie)CROW 5 Woord vooraf De richtlijn is opgesteld door een auteursteam, bestaande uit: Jolien van der Putten en Marijn Bruurs van Witte- veen+Bos, alsmede Rob Wolfs en Theo Salet van 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. CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 6 Inleiding/Leeswijzer 1 Deze richtlijn biedt een handreiking voor de toepassing van 3D-betonprinten. Het doel van dit document is het informeren van stakeholders die met deze nieuwe techniek aan de slag willen gaan over de voor elk van hen belangrijkste aandachtspunten. 3D-betonprinten wijkt op verschillende facetten af van traditionele bouwprocessen met het materiaal beton en vraagt bovendien om een sterke integrale benadering van materiaalgedrag, bouwmethode en (constructieve) ontwerpkeuzes. Om stakeholders gericht te informeren wordt gebruik gemaakt van een kleuren- systeem welke als leeswijzer gebruikt kan worden. Bij de start van elk hoofdstuk wordt aangegeven voor welke partij deze informatie het meest relevant is. Er is onderscheid gemaakt tussen de volgende stakeholders: Materiaalontwikkelaar/leverancier; - Constructeur; - Ontwikkelaar printsysteem; - Ontwerper/architect; - Bevoegd/toetsend gezag (vergunningverlener); - Uitvoerder (Bouwer - integrator van 3D-geprinte elementen in bouwproces); - Klant/Opdrachtgever (van een project, niet van een printer). - De technologie van 3D-betonprinten en het bijbehorende onderzoeksveld is volop in ontwikkeling en daarmee ook de inhoud van dit document. De digitale uitgave van deze richtlijn biedt de mogelijkheid om referenties op te nemen naar de meest recente onderzoeksresultaten en waar nodig nieuwe inzichten of voorbeelden toe te voegen. Een aantal zaken vallen buiten de scope van dit document, zoals veiligheid met betrekking tot werken met machines/robots. 7 Inleiding/Leeswijzer- - - - - - - Materiaal 2 2.1 Materiaalstrategieën Materiaalontwikkelaar/leverancier Ontwikkelaar printsysteem Het materiaal dat in veel 3D-betonprint toepassingen gebruikt wordt, is in de basis vergelijkbaar met 'regulier'beton en bestaat uit een samenstelling van cement, water en toeslagstoffen (zand en grind). Echter, typerend voor veel voorkomende printbare materialen, is het relatief hoge cementgehalte en de lage hoeveelheden aan toeslagmateri- alen met een grote korrel. Dit volgt voornamelijk uit de kleine laagafmetingen waarmee geprint wordt en de bijhorende consequenties voor pomptype, slangdiameter en afmetingen van de printkop (zie ook paragraaf 3.2 over 'nat systeem'). De cementgehaltes en korrelgroottes hebben ook consequenties voor het materiaalgedrag in uitgeharde toestand (zie paragraaf 2.3 'Verhard beton'). Formeel gezien kunnen veel printbare mengsel daarom als 'mortel'worden geclassificeerd. Er zijn echter ook ontwikkelingen waarbij wél grote toeslagmaterialen geprint worden. In deze gevallen wordt vaak met een grotere laagafmeting gewerkt. Door het ontbreken van bekisting tijdens het printproces worden er eisen gesteld aan het 'verse'materiaalgedrag welke anders zijn dan voor 'regulier'beton. Waar normaal gesproken een zo vloeibaar mogelijk gedrag wenselijk is om verdichting in bekisting en rondom wapening te realiseren, dient geprint materiaal voldoende vormvast te 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 verpompen naar de printkop zonder een te hoge pompdruk of risico's op verstoppingen. Om aan deze eisen te voldoen zijn in de basis twee strategieën te onderscheiden: zogenaamde '1-component'(1K) en '2-componenten' (2K)-materialen. 1K-materialen hebben een relatief hoge sterkte en stijfheid in vloeibare fase en een lange open tijd (dat wil zeggen: de uitharding begint laat). Deze materialen zijn daarmee goed in staat om de gewenste laagvorm aan te nemen en redelijk goed om te verwerken. Omdat het uithardingsproces relatief laat begint is de stijgsnelheid (het maximaal aantal lagen per tijdseenheid) welke geprint kan worden beperkt (zie ook paragraaf 2.2 'Onverhard beton'). 2K-materialen bestaan uit (zeer) vloeibare mengsels die normaal gesproken een- voudig tot aan de printkop verpompt kunnen worden. Daar wordt net voor extrusie een tweede component bijge- mengd die de chemische reactie (en het bijbehorende uitharden van beton) sterk versnelt. Omdat het materiaal ini- tieel zo vloeibaar is zijn de geprinte lagen in het algemeen iets minder vormvast dan bij 1K-systemen, maar door de versnelde reacties kan er sneller tot een grotere hoogte geprint worden. Naast deze meest gangbare strategieën zijn ook andere varianten mogelijk, zoals een mono-componentmengsel waaraan een versneller wordt toegevoegd, of waarbij zeer reactief cement wordt gebruikt. De keuze in materiaalstra- tegie beïnvloedt ook het ontwerp van het printsysteem zoals de printkop en type pomp. Figuur 2.1. 1K-printstrategie (links) en 2K-printstrategie (rechts) [1] CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 8- - - - - - - 2.2 Onverhard beton Materiaalontwikkelaar/leverancier Ontwikkelaar printsysteem Tijdens het verwerken van het materiaal (mengen en pompen), is de vloeispanning en de viscositeit van het materiaal van belang voor een gecontroleerd proces. Dit is in basis vergelijkbaar met traditionele meng- en pompprocessen voor beton. Echter, vanwege de afwijkende materiaalsamenstellingen en debieten die gebruikt worden voor 3D- betonprinten, kunnen de gewenste waardes van deze eigenschappen afwijken ten opzichte van traditionele processen. Vanaf het extruderen van het materiaal is de belangrijkste eigenschap in de onverharde 'verse'toestand de sterkte, uitgedrukt in vloeispanning. De sterkte bepaalt of het materiaal na extrusie het eigen gewicht kan dragen, en dus welke vorm de laag aanneemt. Na extrusie neemt de sterkte en stijfheid van het geprinte materiaal in de tijd toe zolang geen energie meer in het materiaal wordt aangebracht (thixotropie). Deze toename bepaalt hoe snel nieuw gewicht kan worden toegevoegd, oftewel, hoe snel er geprint kan worden. Als te snel nieuwe lagen worden aange- bracht bestaat het risico dat het object tijdens printen onder het eigen gewicht bezwijkt ('plastisch bezwijken'). Voor slanke geprinte objecten (relatief hoog en dun) bestaat daarnaast het risico op bezwijken vanwege instabiliteit. Dit heeft niet te maken met het overschrijden van de sterkte, maar de stijfheid (elasticiteitsmodulus) van het materiaal en de ontwikkeling daarvan in de tijd. Er zijn modellen ontwikkeld om dit bezwijken in detail te analyseren. Het risico op instabiliteitsproblemen kan worden verkleind door: het reduceren van slankheid door toepassing van bredere lagen, de elementen te krommen en/of verstijvingselementen aan te brengen, en (optioneel) door de printsnelheid reduceren of pauzes in te lassen zodat het materiaal meer tijd heeft om (sterkte en) stijfheid te ontwikkelen. Deze aanpassingen kunnen echter ook impact hebben op de hoeveelheid materiaalgebruik (economisch en duurzaamheid) en het materiaalgedrag (zie paragraaf 2.3). Deze belangrijke materiaaleigenschappen in onverharde toestand, en de ontwikkeling daarvan, hangen met name af van de materiaalsamenstelling en waterdosering. Daarnaast kunnen ze ook beïnvloed worden door bijvoorbeeld de temperatuur. Daarom is de omgevingsconditie (binnen of buiten printen) van belang voor de kwaliteit van het printproces. Ook wanneer er tijdens het printproces geen risico op bezwijken bestaat zijn bovenstaande eigenschappen van groot belang. Zee bepalen immers de geometrie van de geprinte laag, welke de basis vormt voor de constructieve en esthetische kwaliteit van het eindproduct (zie ook paragraaf 3.5 'Controleproeven').Figuur 2.2. Bezwijken tijdens het printproces door het overschrijden van sterkte (links) en door instabiliteit (rechts). [2] 9 Materiaal 2.3 Verhard beton Materiaalontwikkelaar/leverancier Ontwikkelaar printsysteem Constructeur Bevoegd/toetsend gezag (vergunningverlener) In de basis zijn voor 3D-geprint beton in verharde toestand dezelfde materiaaleigenschappen relevant als voor reguliere toegepast beton. Geprinte objecten worden echter getypeerd door een gelaagde opbouw wat mogelijk kan leiden tot richting-afhankelijk materiaalgedrag (anisotropie). De (in theorie) zwakste richting is wanneer er loodrecht een trekspanning wordt aangebracht op de interface tussen twee of meerdere lagen (zie oriëntatie III in figuur 2.3). De andere oriëntaties laten in vergelijking met regulier toegepast beton een meer vergelijkbaar (isotroper) materiaalgedrag zien. De consequentie van deze anisotropie is bovendien kleiner bij belasting onder druk. De mate van reductie van mechanische eigenschappen hangt echter af van vele parameters (tijd tussen de lagen, temperatuur, vochtigheid, ruwheid, etc.) en is nog onderwerp van uitgebreide studies. Het is aan te bevelen om directe trek loodrecht op de geprinte lagen te voorkomen, of deze in acht te nemen met een reductie van de (trek)sterkte. Als gebruik wordt gemaakt van experimenteel bepaalde materiaaleigenschappen van geprint beton, is het van belang om de juiste oriëntaties te beproeven in relatie tot de gekozen toepassing en dit mee te nemen in berekeningen. Hierbij dienen printinstellingen en omgevingscondities toegepast te worden die overeenkomen met de werkelijke situatie. Dit beperkt het risico op overschatting (of onderschatting) van materiaaleigenschappen. Naast mogelijke invloed op de sterkte, kan de gelaagdheid ook de levensduur beïnvloeden: de aanwezigheid van 'interfaces' kan het indringen van vloeistof richting de kern van het materiaal versterken. Voor buitentoepassingen kan deze indringbaarheid onderzocht worden met bijvoorbeeld fluorescerende vloeistoffen in een representatief proefstuk. Door de relatief hoge cementgehaltes en het ontbreken van grove toeslagstoffen dient er extra aandacht besteed te worden aan mogelijk krimp- en kruipgedrag van geprint beton. Figuur 2.3. Richtingsafhankelijk experimenteel onderzoek op geprinte betonnen proefstukken. [3] CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 10 Systeem & Productie 3 3.1 'Droog' systeem: de robot Ontwikkelaar printsysteem Ontwerper/architect Het robotsysteem beweegt door een driedimensionale ruimte om het geprogrammeerde printpad af te leggen. Er bestaat een verscheidenheid aan robotsystemen, maar de meest voorkomende zijn de portaalrobot en de industriële robotarm. Portaalrobots bewegen in orthogonale richtingen (x-y-z) op basis van translaties, waareen robotarm beweegt op basis van rotatie-assen. Een simpele vuistregel is dat portaalsystemen meestal eenvoudiger een groot bereik hebben, terwijl robotarmen complexere bewegingen kunnen maken, zoals uit-het-vlak printen. Daarmee zijn sommige sys- temen geschikter voor bepaalde (ontwerp)toepassingen dan andere. Beide systemen kunnen zowel op locatie ('on-site') als voor prefab toepassingen ingezet worden. Uiteraard moet er bij een 'on-site'toepassing gelet worden op kalibratie en weersinvloeden. Er zijn daarnaast varianten waarbij het printbereik van de robots vergroot kan worden, bijvoorbeeld door ze op een 'track'te plaatsen. Ook is het mogelijk om printers uit te breiden met wielen, rupsbanden, etc. Dit verhoogt de mobiliteit, ook al verplaatsen deze de robots in de meeste gevallen niet tijdenshet printen. Er wordt ook geëxperimenteerd met samenwerkende 3D-printende robots of zelfs drones, maar deze ontwikkelingen zijn nog in een vroeg stadium. Figuur 3.1. Portaalrobot 3D-printer (links) en industriële robotarm op een 'track'(rechts) [TU/e], [16] 3.2 'Nat'systeem: mengen, pompen en printen Materiaalontwikkelaar/leverancier Ontwikkelaar printsysteem Om het materiaal te kunnen printen, zijn meerdere stappen nodig: mengen, pompen en extruderen uit een printkop. Het mengen van het materiaal kan in 'batch'-vorm plaats vinden. In dat geval kan gebruik gemaakt worden van reguliere betonmengers. Na het mengproces wordt het materiaal in een pomp gebracht. Als alternatief kan het mengproces ook (semi-)continu plaats vinden, waarbij vaak kleinere hoeveelheden in relatief hoge frequentie worden gemengd. Deze mengers zijn meestal geïntegreerd in een pompsysteem waardoor het materiaal in één doorlopend proces gemengd en verpompt wordt. Dit is efficiënt. Zeker voor 'pre-mix'materialen (waar bijvoorbeeld alleen water aan toegevoegd moet worden), maar het leent zich minder goed voor mengsels waar lange mengtijden noodzakelijk zijn. Om het geheel nog verder te automatiseren is het mogelijk om een silo voor de meng-unit te plaatsen, waardoor de te mengen componenten automatisch aangevuld worden. Het verpompen van het materiaal kan met verschillende systemen, zoals rotor-statorsystemen (verdringingspomp), pistonpompen en slangenpompen. Elk type en de bijbehorende uitvoering heeft een specifiek toepassingsgebied met een eigen bereik aan pompdrukken, maximale korrelgroottes, te verpompen afstand, etc. Bij het selecteren van 11 Systeem & Productie- - - - - - - het pompsysteem is het daarnaast van belang om de minimale en maximale flow-rate (hoeveelheid materiaal per tijdseenheid) in acht te nemen, evenals de mogelijkheid om deze analoog of digitaal (traploos) te regelen. Via de pomp bereikt het materiaal de printkop, al dan niet via een slang afhankelijk van de opstelling en de afstand tussen de verschillende componenten. De printkop, in de meest eenvoudige variant, bestaat uit een opening met een vooraf bepaalde geometrie die bepaalt in welke vorm het materiaal geëxtrudeerd wordt (bijv. rond of rechthoekig). Complexere uitvoeringen staan toe om bij de printkop toeslagstoffen bij te mengen (in droge of natte vorm). Deze maken daarvoor vaak gebruik van een statische (zonder aandrijving) of dynamische (met aandrijving) mengers in de printkop. Dit is een vereiste voor een '2K'-printmateriaal. Naast een breed scala aan materiaalgedrag kan hiermee ook het esthetische karakter van geprint beton worden aangepast, bijvoorbeeld door het bijmengen van kleurstoffen. Figuur 3.2. Schematische weergave van een 3D-printopstelling, met silo en meng-pomp systeem. [4] 3.3 Wapeningssystemen Materiaalontwikkelaar/leverancier Ontwikkelaar printsysteem Constructeur Voor constructieve toepassingen kan het noodzakelijk zijn om het geprinte beton te wapenen. Hier zijn verschillende oplossingen voor mogelijk, maar in bijna alle gevallen betreft dit echter nog systemen in ontwikkeling die nog niet op grote schaal in industriële toepassingen worden gebruikt. Algemene aandachtspunten voor het wapenen van geprint beton ten opzichte van traditionele processen zijn: relatief kleine doorsnedes, onbekend aanhechtingsgedrag, beperkte vormvrijheid van de (rechte) wapening versus vormvrijheid van het printproces. Hieronder volgen drie veelvoorkomende varianten. Voor een uitgebreid overzicht van alternatieven, wordt verwezen naar een recente vergelijkingsstudie [5]. Het is mogelijk om de geprinte lagen te voorzien van één of meerdere (staal)kabels of draden die parallel met het beton worden geplaatst. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een printkop waaraan een spoel met wapeningsmateriaal is bevestigd, welke met een motor wordt afgewikkeld en in of op de geprinte lagen wordt gestuwd. Omdat deze kabels en draden vaak erg flexibel zijn, is het mogelijk om dit wapeningsysteem ook toe te passen voor complexe geometrieën. De doorsnede van de wapening is echter relatief klein, in de orde grootte van tienden van een millimeter. Een andere variant is het aanbrengen van discrete wapening (staven, schroeven, ankers) tussen de lagen of loodrecht daarop. Dit kan handmatig gebeuren, waarbij in het kader van veiligheid aandacht besteed moet worden aan de interactie tussen mens en robot. Als alternatief bestaat de mogelijkheid om met een robot de wapening geautoma- tiseerd aan te brengen. Dit vraagt wel om het juiste 'gereedschap', zoals bijv. een roterende as waarmee een schroef ingebracht kan worden, of een grijper die de wapening kan pakken en plaatsen. Het voordeel van deze gerobotiseerde wijze van wapenen is dat de locatie en oriëntatie eenvoudig vooraf kan worden bepaald en geprogrammeerd. Vaak zijn deze wapeningssystemen echter vrij lang en recht, waardoor de vormvrijheid beperkt is. CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 12 Tot slot is het mogelijk om vezelwapening toe te passen in geprint beton. Dit kan bijvoorbeeld al in het mengproces meegenomen worden, zodat een vezelversterkte samenstelling wordt geprint. Hierbij dient rekening gehouden te worden met de kwaliteit van het mengproces (om clusteren van vezels te voorkomen) en het verpompen (risico op verstopping). Ook kan het zijn dat de vezels een voorkeursoriëntatie aannemen door het pompen en extruderen, waardoor een richtingsafhankelijk materiaalgedrag ontstaat. Voor de toepassing van voor- of naspanning wordt verwezen naar paragraaf 4.3 'Constructieve elementen'.Figuur 3.3. Selectie van beschikbare wapeningssystemen voor 3D-printen [6] 3.4 Proces monitoring Ontwikkelaar printsysteem Constructeur Het is van belang om de kwaliteit van het printproces te monitoren, omdat daar de basis wordt gelegd voor de kwaliteit van het uiteindelijke geprinte product. De volgende zaken zijn onder andere van invloed op de kwaliteit: Printsysteem: monitoren van printinstellingen zoals printsnelheid, pompfrequentie/-intensiteit, mengtijden en bijbehorende waterdosering, positie van de printkop t.o.v. ondergrond (vrije hoogte), systeemtemperatuur, etc. Geprinte materiaal: monitoren van materiaaleigenschappen tijdens het printproces, zowel in het systeem (debiet en viscositeit), als na extrusie (vloeispanning, stijfheid en de ontwikkeling daarvan). Geometrische eigenschappen van geprinte lagen (afmetingen, ruwheid, eventuele defecten) (zie ook paragraaf 3.5 'Controleproeven'). Omgevingstoestand: temperatuur en luchtvochtigheid, in geval van in-situ printen kan ook de wind invloed hebben (uitdroging). Veel van deze invloedsfactoren kunnen handmatig met een zekere frequentie worden gemeten. Er zijn daarnaast systemen in ontwikkeling waar deze informatie real-time wordt gemeten, waardoor de mogelijkheid bestaat om geautomatiseerd bij te sturen als er afwijkingen worden geconstateerd. 3.5 Controleproeven Ontwikkelaar printsysteem Constructeur De kwaliteit van het printproces en -materiaal kan getoetst worden door middel van destructieve en niet-destructieve controleproeven op (vers) geprint materiaal. De eerste categorie betreft proeven die gebaseerd zijn op standaarden voor verhard beton, grondmechanica en rheologische testen van (beton-)mortel. Voorbeelden zijn (in)drukproeven, afschuifproeven en rotatietesten. Ook kan er gebruik worden gemaakt van bekende kwaliteitstesten zoals zeven, zetmaat, spreidmaat, etc. Afhankelijk van het te toetsen materiaalgedrag zijn bepaalde proeven meer of minder geschikt. Voor zulke proeven kan gebruik 13 Systeem & Productie gemaakt worden van een testopstelling (bijv. drukbank), maar er zijn ook veelbelovende kwaliteitsproeven in ontwik- keling, welke simpelweg gebruik maken van het printproces zelf in combinatie met zwaartekracht (bijv. 'slugs'-test waarbij gekeken wordt naar het vallen van materiaal uit de printkop). Niet-destructieve testen zijn ook in ontwikkeling, zoals ultrasoon (geluid) metingen, of sensoren die geometrische eigenschappen of de temperatuurhistorie en het vochtgehalte van het geprinte materiaal meten. Hiervoor kan gebruik gemaakt worden van optische sensoren die een bepaalde golflengte, reflectie of absorptie meten. Hierbij kunnen ook imperfecties worden geregistreerd die invloed kunnen hebben op de esthetische kwaliteit, alsmede het lange- termijngedrag. Omdat het materiaal in de tijd verandert, is de ouderdom van de proefstukken bij testen van groot belang. Evenals eventuele verdichting ('compaction'), waardoor het materiaal in de proeven kan afwijken van hetgeen dat in het printproces wordt gebruikt. Voor nauwkeurige kwaliteitscontrole is het aan te bevelen om de staat van het te testen materiaal zo dicht mogelijk bij het uiteindelijke toe te passen materiaal te houden. Figuur 3.4. Voorbeelden van drukproeven op vers 3D-geprint beton van toenemende ouderdom [7] Daarnaast zijn er ook nog kwaliteitsmetingen voor het eindproduct, zoals de geometrische eigenschappen/afmetingen. Visuele controles kunnen worden uitgevoerd op constructieve aandachtspunten, zoals scheuren, luchtbellen, aan- sluiting, openheiden esthetische afwegingen voor een element. Bijvoorbeeld oneffenheden, moiré en pompslag. Deze controles vinden plaats met allerlei standaard meetinstrumenten, met toevoeging van een 3D-scan van het object om de geometrie te kunnen controleren op afwijkingen ten opzichte van het digitale ontwerpmodel. 3.6 Nabehandeling Materiaalontwikkelaar/leverancier Constructeur Uitvoerder Door het ontbreken van bekisting is geprint beton gevoelig voor versnelde uitdroging. Het is aan te bevelen om geprinte objecten daarom zo snel mogelijk in te pakken, bijvoorbeeld door middel van een plastic zeil of folie. Het is ook mogelijk om (zelfs al tijdens het printen) het object met een 'curing compound'te behandelen. Het voltooide product kan vervolgens behandeld worden met een beschermende coating ter vereenvoudiging van onderhoud. CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 14 Ontwerp 4 4.1 Algemene aandachtspunten tijdens het ontwerp Constructeur Ontwerper Uitvoerder Klant Printgeometrie De afmetingen van de geprinte lagen zijn afhankelijk van de toepassing, het materiaal en het printsysteem. Bij het printen met fijne toeslagmaterialen zijn in de praktijk veel voorbeelden te zien met printpadbreedtes tussen de 30 en 80 millimeter en laaghoogtes die variëren tussen 5 en 20 millimeter. Meteen andere combinatie van materiaal- en printsysteem is het echter mogelijk om kleinere of grotere printpadbreedtes en -hoogtes te realiseren. Bijkomend is het ook mogelijk om met variërende laagafmetingen te printen, waardoor de vormvrijheid nog groter wordt. Bij de start van een project is het belangrijk duidelijke afspraken te maken over de dimensies en de acceptabele afwijkingen van de printpadbreedte en -hoogte. Printpad De manier van printen (printpad met open of gesloten lus) wordt bepaald door de geometrie van het geprinte element en het printsysteem. Algemeen gezien kan de volgende onderverdeling gemaakt worden: (1) open lus, (2) gesloten lus zonder overlap en (3) gesloten lus met overlap. 1. Open lus Printpaden met open lus worden meestal gebruikt voor het printen van rechtlijnige elementen. Deze elementen worden vaak geprint tijdens de fase van materiaalontwikkeling, omdat de elementen ook met handmatig aangedreven printers eenvoudig te realiseren en te beproeven zijn. Het nadeel van het printen met een open lus is dat het eindpunt van de ene laag ook het startpunt van de bovenlig- gende laag is. Hierdoor varieert op eenzelfde locatie het tijdsinterval tussen de lagen en dus ook - al dan niet in beperkte mate - de materiaaleigenschappen. Daarnaast vormt ook bij rechtlijnige elementen de stabiliteit een pro- bleem. Figuur 4.1. Printpad met open lus [16] 2. Gesloten lus zonder overlap Veel 3D-betonprintontwerpen hebben een gesloten printpad. Het element wordt dan laagsgewijs opgebouwd door telkens dezelfde geometrie boven elkaar te printen. Men kan de lagen recht boven elkaar printen of onder een hoek (uitkraging in- of uit-het-vlak). Het voordeel van een gesloten lus zonder overlap is tweeledig: men kan onafgebroken blijven printen en de tijdsinterval tussen de lagen onderling is op elke locatie hetzelfde. 15 Ontwerp- - - - - - - Figuur 4.2. Printpad met gesloten lus zonder overlap [16] 3. Gesloten lus met overlap Bij de toepassing van een gesloten printpad wordt er vaak een overlap gemaakt (Figuur 4.3) voor extra stabiliteit tijdens het printen. De optimale overlap tussen de lagen wordt bepaald door: De aanhechtingssterkte tussen de aangrenzende lagen; Esthetische aspecten: een te grote overlap tussen de lagen zorgt voor materiaalophoping. De overlap is afhankelijk van het materiaal, het printsysteem en de te printen geometrie en wordt experimenteel bepaald. Om te kunnen voldoen aan de bovenstaande eisen is het belangrijk de afwijkingen op de laagafmetingen zo klein mogelijk te houden. Figuur 4.3. Printpad met gesloten lus met overlap [16] Optimale lengte printpad De optimale lengte van het printpad wordt per project gekozen op basis van de geometrie, de materiaaleigenschappen en de printparameters. Wanneer de lengte van het printpad te klein is, bestaat de kans dat het materiaal binnen die tijdspanne onvoldoende sterkte/stijfheid opbouwt en niet in staat is om het gewicht van de bovenliggende lagen te dragen. Anderzijds, wanneer de printlengte van één laag te groot is, bestaat de kans dat het materiaal uitdroogt en er extra luchtholtes worden ingesloten tussen de lagen. Dit kan resulteren in een verminderde aanhechting tussen de lagen, wat de algemene kwaliteit en de eigenschappen van het geprinte element drastisch kan reduceren. Het is dus noodzakelijk om voor een bepaalde geometrie de printsnelheid te vinden die een balans vindt tussen sterkteop- bouw en hechtsterkte. Mogelijke oplossingen om de aanhechting tussen de lagen te verbeteren zijn: Toepassen van een curing compound; Het afdekken van de elementen tijdens het printproces. Dit is moeilijk realiseerbaar omdat de elementen bij het aanbrengen van de afdekking in elkaar kunnen zakken. Een alternatieve oplossing is de printomgeving aanpassen. Concreet betekent dit printen bij een hoge relatieve vochtigheid; Printsnelheid aanpassen tijdens het printen. CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 16 Hoeken Het realiseren van rechte hoeken is in 3D-geprinte constructies zonder nabewerking niet mogelijk. Geprinte elementen zijn altijd voorzien van afgeronde hoeken. De kromtestraal van de hoeken is afhankelijk van het printsysteem, de printsnelheid en de afmetingen van de spuitmond. Bij het introduceren van hoeken binnen een geprinte geometrie ontstaat er verschil in afzettingssnelheid tussen de binnen- en buitenbochten, wat zorgt voor een verschil in materiaalafzetting. Wanneer dit verschil te groot wordt kan dit leiden tot scheuren aan de buitenrand van het filament en inzakken van de geprinte geometrie. Om de kwaliteit van de geprinte elementen te garanderen geldt de volgende vuistregel: de straal van de geprinte hoeken is minstens gelijk aan de halve laagbreedte. Figuur 4.4. Geometrische gevolgen van 3D-betonprinten. (links) rechte hoeken zijn niet mogelijk, (rechts) Afgeronde hoeken worden geprint met een straal die minstens gelijk is aan de halve laagbreedte [16] Uitkraging De maximale uitkraging die de lagen ten opzichte van elkaar kunnen hebben wordt bepaald door de eigenschappen van het materiaal en de algemene stabiliteit van het geprinte element. Bij het introduceren van een uitkraging verschuift de ligging van het zwaartepunt. Wanneer het zwaartepunt te ver buiten de steunpunten komt te liggen, kan dit ongelijkmatige drukspanningen en plastische vervormingen introduceren binnen het geprinte element, met vroeg- tijdig falen tot gevolg. Tijdelijke zijdelingse ondersteuningen, met bijvoorbeeld zand, kunnen de gebruiker in staat stellen een grotere uitkraging te creëren. 17 Ontwerp Figuur 4.5. Maximale uitkraging in- en uit-het-vlak [8] De maximale uitkragen die men kan realiseren is ook afhankelijk van de kromming van het element. Een rechte wand met een uitkraging uit-het-vlak heeft een grote kans op falen, terwijl dezelfde uitkraging wel gerealiseerd kan worden wanneer het element een bepaalde kromming bezit en de interne druk/trek zorgt voor stabiliteit. Hijs- en bevestigingssystemen Het hijsen en de bevestiging van geprinte elementen aan reeds bestaande constructies, of de bevestiging van geprinte elementen onderling, kan gerealiseerd worden door: (Handmatig) ankers te plaatsen in het natte materiaal. De ankers moeten met de nodige voorzichtigheid aangebracht worden; Hulzen te voorzien om ankers in een latere fase te integreren; Ankers in te lijmen wanneer de elementen verhard zijn; Toepassing van klemmen en hijsbanden voor het hijsen van verharde elementen (zie paragraaf 4.3 voor meer gedetailleerde informatie). Figuur 4.6. Geprinte balkonelementen [17] CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 18 Tijdens het hijswerk zijn volgende aandachtspunten van belang: Verminderde ankercapaciteit. De breedte van de geprinte lagen beperkt zich vaak tot + 5 cm. Hierdoor vermindert de hoeveelheid beton rondom de ankers en wordt het samenspel tussen anker en beton in vergelijking met reguliere toepassingen van traditioneel gestort beton gereduceerd. In vele gevallen is er een testprogramma noodzakelijk om aan te tonen of de aanwezige hoeveelheid beton voldoet en in staat is voldoende aanhechting te realiseren; Compatibiliteit tussen anker en geprinte element; Trekcapaciteit geprinte materiaal. Geprinte elementen zijn vaak ongewapend waardoor men rekening moet houden met een beperkte trekcapaciteit en bros bezwijken tijdens het hijsen; Piekspanningen. Geconcentreerde belastingen moeten we tijdens het hijsen zoveel mogelijk vermijden. Deze kunnen aanleiding geven tot piekspanningen waartegen het element niet bestand is; Ligging zwaartepunt. Geprinte elementen hebben veelal een complexere vorm dan standaard prefab bouwele- menten. Om recht te kunnen hijsen en de hijskrachten gelijkmatig over de hijsvoorzieningen te kunnen spreiden is een nauwkeurige bepaling van het zwaartepunt belangrijk; Ankerpositie. De boorgaten van de ankers worden, afhankelijk van de geometrie van het element, onder een bepaalde hoek gerealiseerd. Op die manier zorgt men ervoor dat het anker de centrale lijn van de geprinte doorsnede volgt; Maximale capaciteit van de kraan/heftruck . De verschillende componenten hebben, door hun verschillende geometrie, vaak een verschillend gewicht. De capaciteit van de kraan/heftruck moet hierop afgestemd zijn. Transport Geprinte elementen worden voor transport gecontroleerd op eventuele scheurvorming. Meestal zijn de aanwezige scheuren microscheuren die men het best kan visualiseren door de proefstukken nat te maken. Na aankomst op de bouwplaats worden de elementen nogmaals gecontroleerd om na te gaan of het transport geen schade heeft ver- oorzaakt. Parametrisch ontwerp Het toepassen van 3D-betonprinten sluit aan bij de gedachten voor mass customizationwaarbij ieder product wordt aangepast naar de wensen/eisen van de klant. Voor de aansturing van het printsysteem is repetitie niet nodig. Hierdoor kunnen ontwerpen ook iedere keer anders zijn en zonder extra moeite gerealiseerd worden. Door het inzetten van parametrisch en/of computational designkunnen complexe geometrieën ontworpen en eenvoudig aangepast worden. Een voorbeeld hiervan is een geprinte taludtrap waarbij de trap ontworpen wordt met een parametrisch model. Het parametrische model bepaalt op basis van de afmetingen van het talud en randvoor- waarden voor het ontwerp van trappen de geometrie van de trap. Vervolgens kan de op basis van het parametrisch model ontworpen trap geprint worden. Hierdoor kan zonder extra ontwerp- en werkvoorbereidingsinspanning iedere trap op maat geproduceerd worden. Figuur 4.7. Design wizard voor het parametrisch ontwerpen van taludtrappen [18] 4.2 Niet-Constructieve Elementen Onderstaande sectie geeft een overzicht van de mogelijkheden die er zijn voor het printen van niet-constructieve elementen. Onder niet-constructieve elementen beschouwen we elementen die niet behoren tot de primaire 19 Ontwerp draagstructuur. Het grote voordeel hierbij is dat er op vlak van vergunningen aan veel minder strenge eisen moet worden voldaan waardoor ze sneller gerealiseerd en geïmplementeerd kunnen worden. De geometrische flexibiliteit die men kan toepassen is afhankelijk van verschillende parameters. Zo spelen de reikwijdte van de printer, de locatie, de geometrie, de vorm en afmetingen van de printkop (rechthoekig of cirkelvormig), de materiaaleigenschappen en de printparameters een belangrijke rol. De volgende toepassingen zijn een mooi voorbeeld van hoe parametrisch ontwerpen geïntegreerd kan worden en veel tijdswinst kan opleveren bij het doorvoeren van bepaalde aanpassingen in het ontwerp. Niet-constructieve elementen kunnen opgedeeld worden in een aantal categorieën: 1. Meubilair De grotere vormvrijheid die 3D-betonprinten biedt geeft aan decoratieve elementen en meubilair een niet-alledaagse uitstraling. De mogelijkheden zijn eindeloos. Door te variëren met printparameters en instellingen kan, naast het realiseren van een uitkraging, ook een bepaald reliëf geïntegreerd worden (Figuur 4.8). Figuur 4.8. Voorbeelden van geprint straatmeubilair: (A) Picknicktafel [16], (B) Zitbank [16], (C-E) Decoratieve elementen [19] 2. Natte infrastructuur Figuur 4.9. Voorbeelden van natte infrastructuur: (A) rioolvoorzieningen en (B) geprinte verloren bekisting voor een uitstroombak [16],[20] CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 20 Naast het printen van rioleringsonderdelen zijn ook kunstmatige riffen (Figuur 4.10) vaak voorkomend. Door toepassing van de juiste vormen en ruwheid, kan men er op die manier in slagen de biodiversiteit lokaal te vergroten. Figuur 4.10. Kunstmatig rif [19] Gevelelementen en hekwerk Bij de juiste combinatie van printparameters en materiaaleigenschappen zijn de mogelijkheden in deze categorie eindeloos. Het parametrisch ontwerpproces zorgt ervoor dat aanpassingen zeer snel kunnen worden doorgevoerd. 3D-betonprinten stelt ook in staat om extra functionaliteiten onmiddellijk te integreren. Een voorbeeld hiervan is het rechtstreeks integreren van bloembakken in gevelelementen. Verder creëert het parametrisch ontwerpen en 3D-betonprinten ook veel voordelen op vlak van bijvoorbeeld balkonelementen. Variërende afmetingen die bij de traditionele constructietechniek heel tijdrovend waren, zoals bekistingen, kunnen nu heel snel doorgevoerd en gerealiseerd worden. Figuur 4.11. Gevelelementen en hekwerken [17] 21 Ontwerp 4.3 Constructieve elementen Constructeur Ontwerper Uitvoerder Onderstaande sectie geeft een overzicht van constructieve 3D-geprinte elementen. In tegenstelling tot de niet- constructieve elementen behoren onderstaande toepassingen wél tot de primaire draagstructuur waardoor ze aan veel strengere eisen moeten voldoen op het vlak van veiligheid en draagvermogen. Dit bemoeilijkt en vertraagt ook het vergunningsproces. Wanden Wanden worden beschouwd als constructieve elementen. Er kan echter onderscheid gemaakt worden tussen dragende en niet-dragende elementen. Niet-dragende wanden Bij het toepassen van geprinte wanden is het ontbreken van normen en regelgeving een grote spelbreker. Het toe- passen vraagt vaak moed en lef, zowel van de klant als van de uitvoerder. Men kan aan het ontbreken van regelgeving tegemoet komen door de primaire draagstructuur regulier uit te voeren en de secundaire structuur te printen. Mogelijke oplossingen zijn: Primaire draagstructuur wordt opgebouwd door een rooster van balken en kolommen, niet-dragende wanden worden geprint; Geprinte elementen worden gebruikt als verloren bekisting en nadien voorzien van wapening en regulier beton. Op die manier kan het 3D-betonprinten gebruiken voor de architecturele vrijheid, maar wordt de veiligheid van de constructie gegarandeerd door de wapening en het traditionele beton. Onderzoeken moeten aantonen of de geprinte bekisting door zijn laagsgewijze opbouw beschouwd kan worden als volwaardig alternatief voor de normale betondekking (Figuur 4.12). Figuur 4.12. Geprinte elementen als verloren bekisting [9],[10] Dragende wanden Het realiseren en in gebruik nemen van primaire draagconstructies is vergunningstechnisch veel moeilijker. Men moet aantonen dat het element voldoende veilig is en voldoende draagkracht heeft. Aangezien zowel het gebruikte materiaal, de printparameters, als de geometrie van het ontwerp dit laatste beïnvloeden, kan die kwaliteitsgarantie enkel geleverd worden door middel van een uitgebreid experimenteel proefprogramma. Het 'Design-by-Testing'-pro- tocol, het door proeven ondersteund ontwerpen zoals beschreven in bijlage D van Eurocode 2 [14] wordt verder in dit document toegelicht. Dragende constructieonderdelen worden vaak opgebouwd uit 'stand alone'elementen; elementen die, zonder bij- komende ondersteuningen, zelfdragend zijn. Om de stabiliteit van die afzonderlijke elementen te vergroten kunnen een aantal ontwerpprincipes toegepast worden: Toevoegen van wapening, handmatig of geautomatiseerd (zie subparagraaf 'Wapeningssystemen'). Hierdoor zal de trekcapaciteit van het element verhogen; CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 22 Geometrie optimaliseren zodanig dat de elementen enkel op belast worden. Hierdoor wordt ook de toevoeging van wapening vermeden (zie subparagraaf 'Bruggen');Geometrische aanpassingen in het ontwerp (Figuur 4.13): Infill patronen integreren; ? ? Kromming integreren in één of meerdere richtingen; ? Gecombineerde oplossing. Figuur 4.13. Geometrische aanpassingen ter verbetering van de stabiliteit: (A) Infill patronen [9], (B) Kromming in één of meerdere richtingen [21], (C): Gecombineerde oplossing [9] 23 Ontwerp De fundering van geprinte woningen wordt veelal uitgevoerd volgens de reguliere bouwmethode. Net zoals bij tra- ditionele woningbouw is de verbinding tussen bovenbouw en fundering een aandachtspunt. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen on-site en off-site printen: On-site: Elementen worden geprint op een gewapende funderingsplaat. Beiden worden na uitharding met elkaar verankerd. Die verankering kan op verschillende manieren worden gerealiseerd; Off-site : Wanneer de elementen off-site worden geprint vindt enkel de assemblage plaats op de bouwplaats. Naast het realiseren van een veilige en constructieve verbinding zijn hier ook het transport en de bijhorende hijswerken een aandachtspunt. Een mogelijke oplossing hiervoor kan zijn is het gedeeltelijk off-site construeren van de funderingsplaat en deze te voorzien van hijsankers. Op die manier vermijdt men grote trekkrachten in de geprinte elementen (Figuur 4.14). Figuur 4.14: Figuur 4.14: Realisatie wandelement op gedeeltelijke fundering (Milestone 1, Witteveen+Bos & Saint Gobain Weber Beamix) Bij dragende elementen voor woningen speelt niet alleen het constructieve aspect een belangrijke rol, maar ook de isolerende eigenschappen. Hier is vaak het vinden van balans cruciaal. Zo zorgen infillpatronen bijvoorbeeld voor een grotere stabiliteit, maar wanneer ze worden weggelaten is het vaak makkelijker om een betere isolatiewaarde te verkrijgen. Wanneer de elementen voorzien worden van een binnen- en buitenschil met daartussen isolatie, kunnen temperatuur- en vochtverschillen ook een belangrijke rol gaan spelen. Niet elk isolatiemateriaal is geschikt. De keuze van het geschikte isolatiemateriaal, specifiek de aanhechting tussen het isolatiemateriaal en de geprinte schil, is erg belangrijk. Wanneer men bijvoorbeeld kiest voor gespoten isolatie, dan kan de uitzetting en de warmte- ontwikkeling het samenspel van uitzetten?samentrekken induceren, met scheuren tot gevolg. Het perfecte samenspel tussen isolatie en constructie wordt veelal bepaald op basis van een proefprogramma. Op vlak van veiligheidsgarantie speelt brandwerendheid een belangrijke rol. De brandwerende eigenschappen zijn afhankelijk van verschillende factoren: de materiaalsamenstelling, dichtheid, paneeldikte, paneelconfiguratie en type isolatie. Uit recent onderzoek blijkt ook de porositeit en de mate waarin de poriën met elkaar verbonden zijn een belangrijke rol te spelen in de temperatuurgevoeligheid en het breukpatroon bij brand [13]. Echter, om een waar- heidsgetrouw beeld te krijgen van de brandwerendheid per project zal ook deze eigenschap moeten worden getoetst in het proefprogramma. Tijdens de assemblage is ook de compatibiliteit met andere, vaak niet geprinte constructieonderdelen, een aandachts- punt. In de woningbouw vormen de verbindingen tussen geprinte componenten en prefabriceerde vloerelementen, of ramen en deuren, cruciale bouwknopen. Deze moeten zorgvuldig uitgevoerd worden om luchtdichtheid te garanderen en lokale piekspanningen in het geprinte beton te voorkomen. Bruggen (op buiging belaste elementen) Het assembleren van geprinte bruggen kan op verschillende manieren uitgevoerd worden en wordt voornamelijk bepaald door manier van ontwerpen: CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 24 Op druk belaste elementen: De assemblage van zuiver op druk belaste elementen gebeurt meestal door gebruik te maken van een tijdelijke bekisting/ondersteuning. Wanneer de brug volledig op druk werkt, moeten de horizontale spatkrachten overgebracht worden naar de omgeving. Hierin kan worden voorzien door het toepassen van spankabels (figuur 4.15). Figuur 4.15. Assemblage van een zuiver op druk belaste brug waarbij tijdelijke ondersteuningen zijn toegepast [9] Nagespannen elementen: Het printen van afzonderlijke componenten en ze vervolgens assembleren met behulp van spankabels is een veel gebruikte methode bij geprinte bruggen (Figuur 4.16). Figuur 4.16. Topologisch geoptimaliseerde brug bestaande uit afzonderlijke componenten, geassembleerd met spankabels [9] De naspanprocedure vraagt extra aandacht voor de volgende punten: Het naspanprotocol is zeer belangrijk en moet op voorhand vastgelegd worden. Het protocol moet zorgvuldig uitgevoerd worden om uitknikken en torsie te vermijden; De geometrie van de constructie beïnvloedt het naspanprotocol. Wanneer de vorm onderaan afgerond is en de spankabels zitten recht in de doorsnede, dan verschilt excentriciteit over de doorsnede. Bij het opspannen van de kabels gaan de elementen iedere keer meer opbuigen. Een te grote opbuiging kan uitknikken induceren; Naspanning wordt toegepast om de trekspanningen onder in het element te elimineren, wat resulteert in een spankracht die minstens even groot moet zijn als de trekkracht onderaan. Als de naspanning is aangebracht komt de volledige brug onder druk te staan; Niet alleen de geometrie maar ook de materiaaleigenschappen spelen een rol. Hoe lager de stijfheid (hoe lager de E-modulus) van het materiaal, hoe groter de kruipgevoeligheid van het element en hoe grotere de vervormingen op lange termijn. Die vervormingen resulteren in grotere naspanverliezen die gecompenseerd kunnen worden door het toepassen van een hogere initiële naspanning; Bij het assembleren van de elementen is het uiterst belangrijk dat het oppervlak zo glad mogelijk is om de kans op piekspanningen (en eventuele breuk) tijdens het naspanproces te vermijden. 25 Ontwerp Figuur 4.17 visualiseert als voorbeeld het assemblage- en naspanproces van een 3D-geprinte brug. De componenten zijn off-site geprint, vervolgens getransporteerd naar - en geassembleerd op - locatie. Vervolgens zijn de elementen nagespannen en is de brug in zijn totaliteit ingehesen. Figuur 4.17. Assemblage- en naspanproces brug Gemert [11] De nauwkeurigheid en homogeniteit van laagafmetingen is extreem belangrijk. Maatafwijkingen kunnen, voornamelijk bij het assembleren van de componenten, veel problemen veroorzaken. Bij gesloten printpaden zonder overlap hebben afwijkingen in laagbreedte vaak kleinere consequenties dan variaties in laagdikte. Vanwege de afwijkingen is het van belang in het ontwerp rekening te houden met toleranties, voegen en afsluitingen. 4.4 Levenscyclusanalyse (LCA) en duurzaamheid Materiaalontwikkelaar/leverancier Ontwerper/architect Bevoegd/toetsend gezag (vergunningverlener) Uitvoerder Klant/Opdrachtgever 1. Materiaaloptimalisatie 3D-printmortels bevatten vaak een grote hoeveelheid bindmiddel. Veelal bestaat dit bindmiddel voornamelijk uit Portlandcement. Eén van de meest vervuilende componenten binnen een betonsamenstelling vanwege de hoge CO 2-uitstoot tijdens de productie. Materiaalverduurzaming kan onder andere op de volgende manieren: Gebruik van alternatieve bindmiddelen; Gebruik van alternatieve cementsoorten (vb. CSA-cement); Verlaging cementgehalte door toevoeging van grovere granulaten. CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 26 2. Constructieoptimalisatie 3D-betonprinten biedt op vlak van constructieoptimalisatie verschillende voordelen. Elementen worden gerealiseerd zonder bekisting waardoor de complexiteit van het ontwerp en de geometrische flexibiliteit wordt vergroot. Door het ontwerp topologisch te optimaliseren is men tevens in staat het materiaal optimaal te benutten (enkel op plaatsen waar het effectief een bijdrage levert). Zo kan men het materiaalgebruik (en verbruik) significant reduceren. 3. Circulariteit Door de beperkte reikwijdte van de printer en de beperkingen van hijs- en transportcapaciteit, worden constructieve elementen vaak modulair opgebouwd. De componenten worden dan onder geacclimatiseerde omstandigheden geprint, getransporteerd naar de bouwplaats en op locatie geassembleerd. In tegenstelling tot massieve monolieten constructies heeft deze constructiemethode veel potentieel voor hergebruik, zeker wanneer dit van begin af aan in het ontwerpproces wordt meegenomen. Dit kan onder andere door verbindingen tussen de modules zodanig uit te voeren dat ze in een latere fase eenvoudig gedemonteerd kunnen worden. 4. Levenscyclusanalyse Het analyseren van de levenscyclus en het bepalen van de milieu kostenindicator (MKI) vraagt inbreng op verschillende niveaus. Belangrijke elementen die moeten meegenomen worden zijn: Winning van grondstoffen; Productie (energieverbruik); Transport; Onderhoud; Sloop; Afvalverwerking; Terugwinning van materiaal met oog op circulariteit. Momenteel is door de grote hoeveelheid Portlandcement de samenstelling vaak zeer belastend voor het milieu. Anderzijds kan het niet toepassen van wapening wel een behoorlijk milieuvoordeel opleveren. Echter, deze conclusies zijn rudimentair en niet sluitend. Het is aan te bevelen om deze analyses per project uit te voeren om de milieu- impact van het volledige proces in kaart te kunnen brengen. 4.5 Door proeven ondersteund ontwerpen Materiaalontwikkelaar/leverancier Constructeur Ontwerper Bevoegd/toetsend gezag (vergunningverlener) Uitvoerder Een eerste stap bij de implementatie van innovatieve materialen en systemen is de verschillende stakeholders over- tuigen van de kwaliteit, de veiligheid en de bruikbaarheid. Een manier om overheidsinstanties gestructureerd mee te nemen in dit proces is door op proeven ondersteund te gaan ontwerpen zoals beschreven in bijlage D van NEN- EN 1990:2021 [14]. Dit protocol biedt de mogelijkheid om constructies te ontwerpen en te realiseren met nieuwe materialen of technieken die in de huidige wet- en regelgeving nog niet beschreven staan. In het algemeen maakt het protocol onderscheid tussen 7 verschillende testcategorieën (Tabel 4.1 [14]). Op basis hiervan is een algemene stroomdiagram opgesteld die toegepast kan worden bij elke geprinte constructie (Figuur 4.18). De testmethodes die men toepast binnen de verschillende fasen van het ontwerp, volgen zoveel mogelijk de methodes voorgeschreven voor reguliere samenstellingen. Dit geeft de constructeur een zekere houvast in die onzekere beginfase. Het protocol is voor elk ontwerp verschillend. Belangrijk is om per project na te gaan welke constructieve aspecten kunnen afwijken ten opzichte van reguliere elementen. Het testprogramma dient voornamelijk daarop gericht te zijn. Tabel 4.1. Testcategorieën behorend bij het 'door proeven ondersteund ontwerpen' (NEN-EN-1990 [14])Beschrijving (NEN-EN 1990) Categorie Proeven voor het rechtstreeks bepalen van de uiterste weerstand of de bruikbaarheidseigenschappen van volledige constructies of constructieve elementen bij specifieke belastingsomstandigheden A Bepalen van specifieke materiaaleigenschappenB 27 Ontwerp Beschrijving (NEN-EN 1990) Categorie Proeven om onzekerheden in parameters, gebruikt in belastings- of belastingseffectmodellen, te verminderenC Proeven om onzekerheden in parameters, gebruikt in weerstandsmodellen, te verminderenD Kwaliteitsproeven van het geleverde productE Constructieve proeven tijdens de uitvoering voor het verkrijgen van extra dataF Controleproeven om het gedrag van de werkelijke constructie of van constructieve elementen tijdens gebruiksfase in kaart brengenG Figuur 4.18. Door proeven ondersteund ontwerpenprotocol bij 3D-geprinte constructies Materiaalproeven Kennis van de materiaaleigenschappen is een eerste belangrijke stap. Hierbij moet men een onderscheid maken tussen het karakteriseren van: Materiaaleigenschappen Materiaalkarakterisering wordt meestal uitgevoerd op reguliere proefstukken. De vervaardiging van de proefstukken, de proefstukafmetingen en de testprocedures volgen hierbij de huidige normen die gelden voor het beproeven van mortelsamenstellingen. Invloed van het printproces Naast de eigenschappen van het materiaal speelt ook de invloed van de printparameters een belangrijke rol. Het toegepaste printsysteem, de geometrie van printkop, de pomp- en printsnelheid, de tijd tussen het aanbrengen van de lagen, etc. beïnvloeden de eigenschappen van het materiaal. Om deze invloed op een relevante manier in rekening te brengen wordt het aangeraden proefstukken te halen uit grootschalige elementen die worden gerealiseerd met de printparameters van de werkelijke constructie. Bijkomend is het van belang het anisotropisch materiaalgedrag ten gevolge van de laagsgewijze opbouw in kaart te brengen. Dit gebeurt door de proefstukken na het printen te beproeven in verschillende richtingen, zoals reeds vermeld in paragraaf 2.3. Figuur 4.19 en figuur 4.20 visualiseren het testprotocol ter karakterisering van respectievelijk de materiaaleigenschappen en de invloed van het printproces. CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 28 Figuur 4.19. Testprotocol materiaalkarakterisering Figuur 4.20. Testprotocol materiaalkarakterisering na het printen Figuur 4.21. Materiaalkarakterisering bij 3D-geprinte elementen [2],[12] Bij het uitvoeren van materiaalproeven is het volgende van belang: Het aantal te beproeven proefstukken moet voldoende groot zijn: hoe groter het aantal proefstukken, des te kleiner de onzekerheid van de resultaten. Om zoveel mogelijk onzekerheden te kunnen elimineren worden de proefstukken idealiter vervaardigd op verschillende tijdstippen en ontnomen uit verschillende elementen; Materiaalkarakterisering gebeurt in verse en verharde toestand. Zo kan bijvoorbeeld de krimpgevoeligheid van het materiaal, en de daarbij horende krimpscheuren, de constructieve eigenschappen beïnvloeden; Materiaalkarakterisering gebeurt zoveel mogelijk conform de Eurocode [14,15]. Echter, voor bepaalde parameters is men genoodzaakt alternatieve testmethodes te ontwikkelen omdat de huidige methodes bepaalde parameters niet kunnen beschouwen. Een nadeel is dat door het ontbreken van normen en standaardmethodes iedere onderzoeker eigen testmethodes kan ontwikkelen. Hierdoor wordt het moeilijker om materialen onderling met elkaar te vergelijken. Momenteel worden binnen RILEM (the International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) studies uitgevoerd die de invloed van de testprocedures en de proefstukafmetingen onderzoeken. De resultaten van deze grootschalige studies wil men gebruiken om aanbe- velingen en/of standaardprocedures op te stellen; De beproefde elementen hebben beperkte afmetingen. Hoe representatief deze elementen zijn voor het materi- aalgedrag van de volledige constructie moet onderzoek uitwijzen; Idealiter worden proefstukken gehaald uit een 3D-geprinte geometrie mét printparameters die men daadwerkelijk zal realiseren; 29 Ontwerp De plaats waar de proefstukken uit de 3D-geprinte geometrie gehaald worden speelt is van belang. Zo zijn de onderste lagen bijvoorbeeld meer samengedrukt door het bovenliggende gewicht; Het is noodzakelijk om rekening te houden met geometrische imperfecties. Afwijkingen tijdens het printproces kunnen bijvoorbeeld een effect hebben op de laagbreedte van het geprinte materiaal (Figuur 4.22). Figuur 4.22. Doorsnede geprint proefstuk (Duurzaamheidsanalyse SGS Intron) Elementproeven Na het in kaart brengen van de materiaaleigenschappen zijn grootschalige experimenten nodig om het constructieve gedrag van de constructie te onderzoeken (zie figuur 4.23). Het doel van deze onderzoeken is tweeledig: bepaling van (1) het faalmechanisme en (2) de maximale belasting. Tijdens het proefprogramma worden verschillende belastingen op de constructie gezet: belasting in bruikbaarheids- grenstoestand (BGT) en de uiterste grenstoestand (UGT) om tenslotte verder te belasten tot de constructie bezwijkt. Een voorbeeld van een dergelijke mock-up proef, uitgevoerd op een geprinte voetgangersbrug, is afgebeeld in figuur 4.24. Het is cruciaal om het testprogramma af te stemmen op de heersende onzekerheden. Deze worden bepaald per project. Een aantal voorbeelden van mogelijke onzekerheden zijn: Dwarskrachtcapaciteit van de geprinte elementen; Elementen met een bepaalde kromming of overhang kunnen een ander gedrag vertonen bij windbelasting. Bij toepassing van bepaalde ankers of connecties dient men ook na te gaan of de verbindingen sterk genoeg zijn onder de aangrijpende windbelasting; Aanhechting isolatiemateriaal - geprinte constructie; 3D-geprinte verloren bekisting: kan de buitenschil beschouwd worden als reguliere betondekking? Moet, door de hogere doorlaatbaarheid van het materiaal en de interactie tussen de binnen- en buitenschil de huidige regelgeving aangepast worden?; Assemblage van de geprinte elementen: hoe gedraagt de voegmortel tussen de componenten zich? Kan het materiaal als een homogeen element worden beschouwd? Wanneer uit de mock-up testen blijkt dat het element zich ondermaats gedraagt of niet gedraagt zoals in eerste instantie voorspelt, dan is een aanpassing van het ontwerp noodzakelijk en dient aanvullend onderzoek uitgevoerd te worden om het afwijkende gedrag te onderbouwen. CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 30 Figuur 4.23. Testprotocol elementproeven Figuur 4.24. Mock-up proef uitgevoerd voor de voetgangersbrug in Nijmegen [11] Het experimentele proefprogramma aanvullen met Finite Element Analyses(FEM-analyses) kan verschillende voor- delen bieden voor toekomstige projecten: Voorspellingen van constructief gedrag Bij voldoende validatie kan een uitgebreid testprogramma in de toekomst vermeden worden (mits het model voldoende betrouwbaar is). Afwijkend gedrag t.o.v. regulier beton in kaart brengen Het tijdsafhankelijk gedrag van het materiaal in beschouwing nemen is hierbij cruciaal. Figuur 4.25 visualiseert een FEM-analyse waarbij de optredende dwarskrachtscheur in overeenstemming is met de numerieke voorspelling. 31 Ontwerp Figuur 4.25. Vergelijking tussen FEM analyse en werkelijk materiaalgedrag [foto: Witteveen+Bos] Realisatiefase Na het afronden van de mock-up testen die de constructieve capaciteit van de elementen aantonen, is het aan te bevelen om proeven uit te voeren op de constructie zelf (Figuur 4.26). Zeker als de kwaliteitsverschillen die kunnen ontstaan in de productie van het materiaal, tijdens het printen, of de assemblage niet op een andere wijze afdoende geborgd kan worden. Deze proeven zijn vaak niet-destructief wat inhoudt dat de toegepaste belasting lager is dan de uiterste grensbelasting om schade of scheuren te vermijden. De belasting kan bijvoorbeeld aangebracht worden met behulp van watertanks (Figuur 4.27). Figuur 4.26. Het te volgen testprotocol tijdens de realisatiefase Figuur 4.27. On-site testen (niet-destructief) [11] CROW-CUR Richtlijn 5:2023 3D-betonprinten 32 Levensduuraspecten Een van de moeilijkste parameters om te valideren en te voorspellen, is het materiaalgedrag op lange termijn. Om dit voldoende nauwkeurig te kunnen bepalen, wordt een intensieve monitoring tijdens de gebruikslevensduur van de constructie aangeraden. Ook in deze fase is het belangrijk om de specifieke projectonzekerheden te bepalen en daarop te focussen tijdens de gebruikslevensduur. Een aantal vragen zijn: Zorgt de laagsgewijze opbouw voor een grotere waterindringing? Wat zijn de werkelijke naspanverliezen? Zorgt de laagsgewijze opbouw voor een snellere carbonatatie en/of corrosie bij gewapende elementen? Is er meer degradatie waar te nemen ter hoogte van de voegen tussen de componenten of eerder tussen de geprinte lagen (interlayers) zelf? Zorgt de verhoogde porositeit en de relatief 'zwakkere'interlayers voor meer indringing van schadelijke stoffen? In welke mate nemen de scheuren toe? Worden er nieuwe scheuren geïnduceerd of worden de aanwezige scheuren eerder groter? Blijven de vervormingen ook tijdens het gebruik binnen aanvaardbare grenzen? Scheuren worden voornamelijk veroorzaakt door verschillende soorten krimp. Aangezien 3D-geprinte elementen vaak heel dunwandig zijn, gaan scheuren heel gemakkelijk door het volledige element heen. Hoe is eventuele schade of scheurvorming die tijdens de levensduur ontstaat te herstellen? Figuur 4.28. Het te volgen protocol tijdens gebruiksfase ter bepaling van levensduur en degradatie Monitoring en gebruiksfase Zoals beschreven in voorgaande subparagraaf is monitoring tijdens de gebruikslevensduur van het element een belangrijk aspect. Die monitoring kan op verschillende manieren uitgevoerd worden. Een aantal voorbeelden zijn: Integreren van sensoren in de constructie; Nemen van monsters/proefstukken ter bepaling van de degradatie (corrosie, carbonatatie, druksterkte, enz.); Visuele controle van de scheurvorming en scheurontwikkeling; Bepalen van de vervormingen door het uitlezen van rekstrookjes. Naast monitoring is ook onderhoud belangrijk. Goed onderhoud kan de levensduur aanzienlijk verlengen. Met onderhoud moet vanaf de ontwerpfase al rekening gehouden worden. 4.6 Specifieke aandachtspunten in constructieve berekeningen Constructeur Bevoegd/toetsend gezag (vergunningverlener) De belastingen die tijdens het ontwerp in rekening moeten worden gebracht, kunnen teruggevonden worden in de Eurocode [15]. De