Geen brug te ver

Ateur: Kirsten Hannema

Kun je constructieve elementen 3D-printen? Dat was de vraag achter ‘s werelds eerste 3D-geprinte (fiets)brug, die in 2017 in het Brabantse Gemert werd gerealiseerd. Sindsdien volgen innovaties elkaar snel op: in Nijmegen ligt sinds 2021 de langste (29m) 3D-betongeprinte brug, in Noord-Holland is dit jaar een serie bruggen opgeleverd waarmee de grenzen op het gebied verder verlegd worden.

Bij de woorden brug en beton denk je aan massieve pijlers en wegdekken, niet aan een constructie die slechts 5 cm in doorsnede meet. Zo dun zijn de slankste delen van de nieuwe 3D-betongeprinte fietsbruggen over de N243 in Noord-Holland. Met 14,8 meter lengte ligt hier nu de langste brug die op deze manier gebouwd is, met een enkele overspanning. "Een mijlpaal," aldus Pieter Bakker, projectleider bij Weber Beamix. "Dit is wel andere koek dan bouwen met normaal beton", zegt Marijn Bruurs van Witteveen+Bos, verantwoordelijk voor de engineering van het project. Daar hoort ook het testen op locatie bij, waarbij watertanks op een brug geplaatst worden met een proefbelasting van 1000 kg/m2. "Er bestaan nog geen protocollen voor 3D-betonprinten; we moeten daarom real life testen", legt Bruurs uit. Die test verliep goed; einde 2023 zijn de vier bruggen opengesteld.

Innovatie en duurzaamheid als drijfveer

De bruggenserie, met overspanningen van negen tot twaalf meter en allemaal een andere vorm, is een volgende stap in de ontwikkeling van constructief 3D-betonprinten. Die ontwikkeling begon in 2015 met het onderzoek naar 3D-betonprinten dat hoogleraar Theo Salet op de TU Eindhoven startte, samen met een aantal bedrijven annex investeerders waaronder betonproducent Weber Beamix, ingenieursbureau Witteveen+Bos en bouwbedrijf BAM. BAM werkte op dat moment aan een project voor de rondweg in Gemert, waar ook een fietsbrug moest komen, en stelde voor om die te 3D-betonprinten. Het bouwteam had het 3D-betonprintproces in het universiteitslaboratorium inmiddels onder controle en wilde onderzoeken of je met deze techniek constructieve elementen kunt maken. Innovatie was een drijfveer, maar ook de mogelijkheden van 3D-betonprinten voor mass customization, waarbij je een basisontwerp steeds net iets anders kunt uitvoeren. Bij bruggen varieert de vraag immers; de overspanning moet wat langer, het wegdek breder, een bepaalde plek vraagt om een bijzonder object. Daarbij kun je het materiaal daar plaatsen waar nodig en ben je niet gebonden aan bekisting, waardoor fors op materiaal wordt bespaard.

Denken vanuit de printer

Wat kunnen we leren van deze pioniersprojecten?

"Allereerst dat er heel veel kan met deze techniek", antwoordt Bakker. "De crux is om daarbij te denken vanuit de printer, het materiaal en de mogelijkheden die dat biedt. Beton kun je bijvoorbeeld vooral goed op druk belasten, dus daar moet je ook naar ontwerpen." Witteveen + Bos maakte het ontwerp en de berekeningen voor de brug in Gemert. Het project moest in korte tijd gerealiseerd worden; in het voorjaar ontstond het idee, in september moest de brug er liggen. In een aantal ontwerpsessies werd het constructieve principe bepaald: een aantal betongeprinte elementen dat met voorspanning tegen elkaar wordt geplaatst. Bruurs maakt de vergelijking met een stapel boeken die je van de plank pakt en in de lucht tegen elkaar drukt; die blijven dan hangen. Vervolgens is gekeken naar de mogelijkheden en onmogelijkheden van het 3D-printen. Zo kun je niet in scherpe hoeken printen, of stoppen tijdens een print. Ook heeft de bovenloopkraan in het universiteitslaboratorium maar een bepaalde draagcapaciteit. Daarom is de brug in zes elementen geprint, en niet ineens, wat in theorie mogelijk was.

Staalkabeltjes

Met dit concept-ontwerp heeft Witteveen+Bos de eerste berekeningen in Excel gemaakt en vervolgens met de eindige elementenmethode, waarmee je de sterkte van complexe constructie-elementen kunt berekenen. Samen met de universiteit deden de ingenieurs tests op materiaalgebied. Bruurs legt uit dat het gebruikte beton bestaat uit mortel waarin een staalkabeltje wordt meegeprint. Het is vergelijkbaar met draadglas, waarbij staaldraad ervoor zorgt dat het glas, wanneer het breekt, niet uiteenvalt. Met dit beton is op de universiteit een 1:2 schaalmodel geprint en in elkaar gezet, waarna het belast is tot het bezweek. Daarbij werd bekeken hoe de brug zich gedroeg. Tot slot zijn de elementen 1:1 geprint en naar de bouwplaats gebracht, geassembleerd, voorgespannen, op hun plek gehesen en met watertanks belast. In oktober 2017 werd ’s werelds eerste 3D-geprinte burg van gewapend beton geopend.

Vormvrijheid

Omdat het pilotproject in Gemert snel gebouwd moest worden, was het ontwerp eenvoudig gehouden. Een volgende opdracht van Rijkswaterstaat, voor een 3D-betongeprinte brug in Nijmegen, bood de kans om verder te experimenteren met vormvrijheid. Rijkswaterstaat wilde, samen met de TU Eindhoven en ontwerper Michiel van der Kley, onderzoeken wat 3D-betonprinten voor de Nederlandse infrastructuur kan betekenen en ‘schaal geven aan innovatie, digitaliseren en duurzaamheid’. Witteveen+Bos vertaalde het expressieve ontwerp van Van der Kley naar een constructief haalbaar 3D geprint object, mede op basis van een parametrisch model dat Summum Engineering voor hen maakte. Hiervoor werkten zij ook nauw samen met de TU Eindhoven. De uitdaging zat met name in de glooiende vorm. Om deze te maken, zijn de elementen onder een hoek geprint. De constructie is in hoofdopzet vergelijkbaar met de brug in Gemert, maar complexer doordat deze uit vijf overspanningen bestaat; feitelijk kleine bruggen van 5 tot 6 meter lengte. De elementen werden weer gemaakt in het universiteitslaboratorium en beproefd volgens hetzelfde rekenmodel. In 2019 is het project uitgevoerd door bouwbedrijf BAM. Een les die Bruurs ervan leerde: organiseer bij experimentele projecten zoals deze het proces vanuit een bouwteam. "Het project voor de brug in Gemert was op die manier opgezet, bij het project in Nijmegen waren de contracten voor het ontwerp en de aannemer gesplitst. Dat was soms onpraktisch; als we iets nieuws wilden proberen, moesten we dat via de opdrachtgever over en weer bespreken. Het project heeft daardoor zelfs even stilgelegen."

Bruggenfamilie

Ondertussen kwam eind 2018 vanuit de provincie Noord-Holland de vraag om, als onderdeel van de reconstructie van de N243, een viertal fietsbruggen te maken. De provincie koos voor 3D-betonprinten vanwege ambities op het gebied van duurzaamheid, en zag kansen in het parametrisch ontwerpproces. In plaats van vier afzonderlijke bouwwerken te tekenen, is hiermee een ‘familie’ van bruggen ontworpen, met strakke en meer gekromde vormen. In het laboratorium in Eindhoven zijn eerst elementen geprint en beproefd op de berekende dwarskracht; die was maatgevend en bepalend voor de slankheid. De elementen zijn in de printfabriek van Weber in Eindhoven geprint en vervolgens naar Noord-Holland getransporteerd. Even werd het spannend, toen in een aantal elementen haarscheurtjes werden ontdekt. "Omdat het een behoorlijk geoptimaliseerd ontwerp is - kritischer dan de brug in Nijmegen - moesten we dat wel onderzoeken", zegt Bruurs. "Na tests op de universiteit konden we concluderen dat er geen probleem was; de scheurtjes zitten in een enkele laag." De eerste brug is na een succesvolle proefbelasting met 30.000 kg aan watertanks eind 2022 geassembleerd. Omdat de derde brug groter was (14,8m), is die in augustus 2023 op dezelfde manier op locatie getest.

Toekomst

Gevraagd naar de verdere ontwikkeling op het gebied van constructief 3D-betonprinten, wijst Bruurs op een brug die Witteveen+Bos voor een bouwbeurs in Duitsland heeft ontwikkeld. "In plaats van de hele brugdoorsnede in elementen te printen, hebben we daar twee zijkokers met het brugdek ertussen gemaakt. Een interessante stap, omdat je dan geen problemen hebt met het printen van grote elementen en met nog minder materiaal toe kunt, doordat je de krachten verdeelt over twee overspanningen. In die combinatie van constructiesystemen zie ik meer mogelijkheden."