Efficiënt ontworpen 3D-geprinte brug kan CO2-uitstoot bij betonbouw verminderen

Een Zwitsers-Oostenrijks samenwerkingsverband heeft met 3D-printtechniek een betonnen brug geconstrueerd, die je als een bouwdoos in elkaar kunt zetten en weer kunt afbreken. Het revolutionaire ontwerp is onlangs door de jury van het Britse architectuurtijdschrift The Architects’ Journal unaniem verkozen tot de eerste AJ100 Innovation of the Year-winnaar.

Het is een voetgangersbrug die een oppervlakte van 16 bij 12 meter overspant in een boogvorm. Kenmerkend voor de vorm is de gaffelvorm aan beide zijden, waardoor de brug vier toegangen heeft. De trappen zijn van hout gemaakt. De brug is voorbeeld van hoe de enorme CO2-uitstoot bij de bouw van betonnen constructies kan worden verminderd en is ontworpen volgens de principes van ‘verminderen, hergebruiken en recyclen’.

De jury prees de lichtgewicht constructie waardoor veel minder materiaal gebruikt hoeft te worden. Het beste van alles is dat de brug uit elkaar kan worden gehaald en elders weer kan worden opgebouwd.

De brug werd gebouwd als het Striatus-project voor de Architectuurbiënnale van Venetië en was tot november 2021 te zien in de Giardini della Marinaressa. ‘Striatus’ betekent in het Latijn ‘gegroefd’ en verwijst naar de typische oppervlaktestructuur van 3D-geprint beton.

Bouwtechniek uit de oudheid

Revolutionair aan de brug is de combinatie van een traditionele techniek met geavanceerd computerontwerp, engineering en gerobotiseerde fabricagetechnologieën. Het gewelf van de brug is gebaseerd op een traditionele bouwmethode die in de oudheid werd gebruikt. Denk aan de koepelconstructie van het Pantheon in Rome. De bogen werden bepaald aan de hand van methoden die oorspronkelijk waren ontwikkeld voor historische gemetselde gewelven.

De Block Research Group (BRG) van de ETH Zürich en de Zaha Hadid Architects Computation and Design Group (ZHACODE) waren betrokken bij de bouw van de brug. De implementatie werd uitgevoerd in samenwerking met de Innsbruck spin-off incremental3D (in3D) en de bouwmaterialenproducent Holcim.

Oordeel van de jury: “Architecten hebben de neiging om innovatie gelijk te stellen aan apps. Wat ons aanspreekt is dat het een volledig geïntegreerde visie is, van materialiteit tot drukstructuren tot esthetiek. Over het geheel genomen belooft het een enorme vermindering van materiaalkosten.”

Uiterst efficiënt

“De buitengewone efficiëntie van de constructie is te verklaren door het additieve fabricageproces”, zegt Johannes Megens, medeoprichter van in3D in Innsbruck. Zijn bedrijf was betrokken bij de ontwikkeling van de nieuwe technologie voor het drukken van beton. 3D-printen maakt het mogelijk de vorm te optimaliseren, zegt hij. Materiaal wordt alleen gebruikt waar het structureel noodzakelijk is. Daardoor is de hoeveelheid benodigd materiaal kleiner in vergelijking met gietbetonnen constructies of andere fabricagemethoden. Het 3D-printen van beton kan theoretisch het materiaalverbruik met wel 70 procent verminderen.

53 aparte onderdelen

De brug heeft een draagvermogen dat het slanke uiterlijk logenstraft. Dit is te danken aan 53 individueel ontworpen elementen, elk met een specifieke geometrie en een vooraf bepaalde positie. De drukkrachten binnen de draagconstructie worden gecreëerd door de geometrie en de onderdelen zelf, legt Megens uit. “In boog- en gewelfconstructies kan het materiaal precies zo worden geplaatst dat de krachten op de steunen worden overgebracht”, zegt Megens.

Assemblage

Om de horizontale kracht van het gewelf op te vangen, is een massieve fundering nodig. Het Striatus-project was echter slechts een tijdelijke installatie. Daarom werd deze functie overgenomen door elementen die verbonden waren met stalen trekbanden. Mortel is niet nodig voor de bouw van de 3D-geprinte brug. De blokken werden droog in elkaar gezet. Tussen de blokken worden neopreen kussentjes geplaatst om plaatselijke oneffenheden te compenseren en plaatselijke spanningsconcentraties te vermijden. Een methode die doet denken aan het gebruik van loden platen of zachte mortel in historische metselwerkconstructies.

3D-techniek

In de conventionele betonnen brugconstructie wordt staalwapening gebruikt om het draagvermogen te vergroten. Beton uit de 3D-printer is nog niet geschikt voor wapening, ook al zijn er al eerste aanzetten. De traditionele bouwmethode en de speciaal ontwikkelde 3D-printtechnologie zorgen voor de nodige stijfheid. Daardoor kan de wapening kan achterwege worden gelaten. Dat is goed, want de CO2-uitstoot door de wapening is hoog, legt Megens uit. Bij de productie ervan wordt per massa-eenheid meer dan tien keer zoveel koolstof geproduceerd als bij standaardbeton. Bij de 3D-betonprinttechniek worden de blokken in lagen en haaks op de belangrijkste structurele krachten geprint om druk te creëren.

Korte bouwtijd

In totaal duurde de bouw van de 3D-geprinte brug, inclusief het gieten van de fundering, de montage en de installatie van de houten trappen en het dek, slechts 35 dagen. Ook 3D-betonprinten gaat relatief snel. Zo duurde het bijvoorbeeld slechts 84 uur om alle 53 blokken te produceren. Bij dit project moesten de blokken nog steeds in een gecontroleerde omgeving worden geprint omdat daarvoor een bepaalde luchttemperatuur en luchtvochtigheid nodig zijn. Er wordt echter reeds gesproken over de ontwikkeling van mobiele productvormen die ter plaatse kunnen worden geproduceerd. Dit zou een einde maken aan de vervoerskosten en de CO2-uitstoot verder verminderen.

Hergebruik en recycling

Een interessant neveneffect van de constructiemethode van de gewelven is dat bouwwerken die op deze manier worden gemaakt, gemakkelijk te ontmantelen zijn. De demontage geschiedt op dezelfde wijze als de constructie. De brug wordt iets opgetild, zodat de blokken kunnen worden losgemaakt en verwijderd. Hierdoor kan de brug in principe elders weer worden opgebouwd. Het ontwerp zorgt ervoor dat de 3D-blokken tijdens het gebruik weinig worden belast. De externe verbindingselementen zijn gemakkelijk toegankelijk en kunnen gemakkelijk worden onderhouden. Dit leidt tot een langere levensduur van de gehele constructie. Doordat er geen stalen wapening nodig is, kunnen de blokken dus zonder problemen worden gerecycled.

Meer
Markten
Mijn Volglijst
Markten
BEL20