Een optimale betonnen brug

Onderzoekers van de vakgroep Bouwkundige Constructies (Universiteit Gent) hebben op laboschaal een brug gerealiseerd met de kleinst mogelijke hoeveelheid beton. Dit project werd 3D-geprint in samenwerking met Vertico, een Nederlands bedrijf dat een mobiele 3D-printer heeft ontwikkeld. De vorm van de brug werd geoptimaliseerd en gecombineerd met een optimaal verloop van de staalkabel onderaan in de brug om de spanningen zo laag mogelijk te houden.

Betonnen bruggen werden al eerder geprint op grotere schaal, zoals de fietsersbrug in Gemert (Nederland) in 2017. Daarbij werden prismatische betonnen elementen eerst afzonderlijk geprint, vervolgens op hun zijkant gelegd en uiteindelijk tegen elkaar aan gespannen met stalen kabels. Dergelijke techniek komt wel vaker voor in traditionele bruggenbouw maar dan worden de betonnen prisma’s typisch eerst gestort in een bekisting. Die omslachtige tussenstap is dus niet langer nodig.

Eén van de grote voordelen van 3D-printen is de vrijheid om allerhande glooiende vormen te creëren. Dat is esthetisch wel leuk maar het laat ingenieurs ook toe om beton enkel te plaatsen waar het echt nodig is. Op die manier beperk je het materiaalverbruik en de bouwtijd wat zowel een ecologisch als economisch voordeel oplevert. De onderzoekers vertrokken van een 3D-model van de brug en lieten algoritmes zoeken naar de brugvorm die zo weinig mogelijk materiaal verbruikt. Dit blijkt niet de alom bekende logge balkvorm te zijn. Het uiteindelijk topologisch geoptimaliseerde model werd vervolgens naar de betonprinter gestuurd.

Tijdens het printen van de brug voorzagen de onderzoekers onderaan in de brug ook een uitsparing waar nadien een kabel door getrokken werd. Na uitharding van de brug werd deze kabel voorzichtig aangespannen zodat het gewicht van de brug en de toekomstige belasting geen trekspanningen veroorzaken in het beton, want daar is beton slecht tegen bestand. Deze slimme techniek zorgt er ook voor dat er minder beton nodig is om alle krachten op te nemen en dankzij 3D-printen kan die materiaalbesparing nu ook echt in praktijk gebracht worden.

Het printen van een betonnen brug op laboschaal past binnen het onderzoek van de vakgroep Bouwkundige Constructies omdat het toelaat om de verschillende facetten van deze nieuwe technologie te onderzoeken. De vakgroep is er zich van bewust dat deze technologie toekomstpotentieel heeft en zet daarom verschillende onderzoekers in op belangrijke deelaspecten van de 3D-printtechnologie. Zo wordt er onder meer onderzocht welke betonsamenstelling het gewenste vloeigedrag combineert met de vereiste mechanische eigenschappen van het verharde element.

Als u geïnteresseerd bent in dit onderzoek of een idee hebt dat u wilt bespreken, aarzel niet om contact op te nemen met de projectleider via Gieljan.vantyghem@UGent.be.

Dit onderzoeksproject werd ondersteund door de Universiteit Gent, Vertico en Technion - Israel Institute of Technology.
De volgende partners waren betrokken:

• 2D topologie- en vormoptimalisatie van de voorgespannen betonnen ligger: Technion - Israel Institute of Technology
• 3D modellering en FE-analyse: Onderzoeksgroep Schoonmeersen - Vakgroep Bouwkunde Constructies- Universiteit Gent
• Reologie mix ontwerp en productieproces: mortelrecept van wiki.bouwkoppel.nl | dehuizenprinters - Vertico
• Assemblage en naspanning: Magnel Laboratorium voor concreet onderzoek - Vakgroep Bouwkunde - Universiteit Gent