thema
Onderzoek naar Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen
3D vormen in beton De haalbaarheid van geometrisch complexe vormen in beton, aan de orde bij ‘blobarchitectuur’ en ‘free-form design’ wordt vooral bepaald door de flexibiliteit en aanpasbaarheid van het toegepaste bekistingsysteem. Aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) wordt onderzoek gedaan naar in vorm aanpasbare, onder invloed ) Als vervolg op zijn afstudeeronderzoek verricht ir.arch. Frank Huijben momenteel een promotie-onderzoek naar Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen op de faculteit Bouwkunde van de TU Eindhoven, in samenwerking met ABT bv.
1
48
van vacuüm voorgespannen driedimensionale bekistingsystemen, ofwel Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen. De constructieve werking van Vacuumatics berust op het principe dat losse vulelementen in een gesloten flexibele omhulling alzijdig worden voorgespannen tot een samenwerkend geheel in een voorgedefinieerde vorm. 5 2009
3D vormen in beton
ir.arch. Frank Huijben 1), prof.ir. Frans van Herwijnen ABT bv / TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde
1 Flexibility control 2 Constructieve voorspanning
vacuümdruk
vacuümdruk
vast
platisch
flexibel
0%
100 %
1
externe belasting vacuümdruk
Snelle veranderingen in onze huidige samenleving en wereldwijde technologische ontwikkelingen stimuleren een flexibele en klantgerichte leefomgeving. Ook in de huidige bouwwereld is deze trend zichtbaar, mede gekenmerkt door termen als ‘aanpasbaar’, ‘flexibel’, ‘dynamisch’ en zelfs ‘slim’ en ‘intelligent’. Een volledig flexibele en klantgeoriënteerde leefomgeving met continu veranderende identiteiten lijkt daardoor onvermijdelijk. Daarnaast zijn ‘free-form design’ en ‘blobs’ veelgehoorde termen. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van digitale ontwerpsystemen en CAD/CAM-processen liggen ten grondslag aan deze architectonische trends. In de huidige bouwpraktijk worden de in gekromde vlakken vormgegeven bouwwerken gerealiseerd door een geprefabriceerde (vaak decoratieve) huid aan te brengen op een regelmatige, primaire of secundaire (en veelal lineaire) draagstructuur. De voornaamste reden hiervoor is dat de huidige bouwindustrie voornamelijk rechtlijnig georiënteerd is en nog onvoldoende in staat is om te anticiperen op de driedimensionale vrije vormentaal van de nieuwe generatie (architectonische) ontwerpers. De moderne bouwpraktijk vraagt om een nieuwe kijk op de maakbaarheid van deze vrij vormgegeven ontwerpen.
2
De beperkende factoren op dit moment met betrekking tot de haalbaarheid van ‘vrije’ vormen in beton zijn de maakbaarheid en vooral de aanpasbaarheid van het toegepaste bekistingsysteem. Elke verandering van de oorspronkelijke vorm of oppervlaktetextuur kan gezien worden als complex, tijdrovend, arbeidsintensief en daardoor financieel onaantrekkelijk. Wat we nodig hebben is een flexibel en in vorm aanpasbaar bekistingsysteem om geometrisch complexe vormen en texturen in beton haalbaar te maken. Dit zou tevens de stelling ondersteunen dat de keuze van het uiteindelijk toe te passen (constructieve) bouwmateriaal niet afhankelijk moet zijn van de uitvoerbaarheid van het ontwerp, maar juist moet worden bepaald door het constructieve bouwsysteem dat het beste aansluit bij het ruimtelijk ontwerp.
Betonarchitectuur Vanuit materiaaltechnisch oogpunt lijkt het voor de hand te liggen om een vloeibaar en geleidelijk uithardend materiaal te gebruiken als constructiemateriaal om tot de gewenste veelal onregelmatige en vloeiende constructievormen te komen. Beton is een dergelijk materiaal met daardoor vrijwel onbeperkte vormmogelijkheden en bovendien goede sterkteeigenschappen in uitgeharde vorm. Daarnaast vergroten de laatste technologische ontwikkelingen op het gebied van betontechnologie, zoals ultra-hogesterktebeton, vezelversterkt beton en zelfverdichtend beton, de toepassingsmogelijkheden van beton als een constructief bouwmateriaal (foto 1).
3D vormen in beton
Vacuumatics De constructieve werking van vacuümconstructies (Vacuumatics) [1] berust op het principe dat losse vulelementen in een gesloten flexibele omhulling alzijdig worden voorgespannen [2]. Deze vorm van voorspanning ontstaat wanneer lucht binnen deze flexibele omhulling wordt onttrokken, wat resulteert in een uniforme onderdruk (tot vrijwel vacuüm). De atmosferische druk oefent een alzijdige kracht uit op de omhullende huid, waardoor deze zich om de vulelementen heen vormt. De losse vulelementen worden hierdoor samengedrukt en gefixeerd in hun positie, wat leidt tot een vormvast element met een zekere sterkte, stijfheid en samenhang [3]. De gecre-
5 2 009
49
thema
ëerde voorspanning zorgt ervoor dat de vulelementen ter plaatse van de trekzone van de constructie tegen elkaar blijven gedrukt wanneer de constructie uitwendig op buiging wordt belast (fig. 2). Het principe waarbij een materiaal met een lage treksterkte en afschuifcapaciteit wordt voorgespannen om het draagvermogen te verbeteren is niet nieuw. De voorspanningstechniek van Vacuumatics is in bepaalde mate zelfs vergelijkbaar met voorgespannen beton, met als grote verschil dat de voorspanning bij Vacuumatics alzijdig werkt. 4
Vrije vormgeving De flexibiliteit en aanpasbaarheid van de vorm zijn de voornaamste voordelen van Vacuumatics, en maken het mogelijk om vanuit één enkel systeem een grote verscheidenheid aan driedimensionale vormen te creëren. De aanpasbaarheid van de vorm wordt gestuurd door middel van de zogenaamde ‘flexibility control’ (fig. 1). In de beginsituatie, zonder vacuümvoorspanning (0% vacuüm), kunnen de losse vulelementen vrij bewegen in de flexibele, omhullende huid. Door vervolgens de lucht uit de omhulling te ‘zuigen’, en dus een mate van vacuüm te creëren, verbetert de samenhang van de vulelementen en gaat de constructie plastisch gedrag vertonen. In deze fase kunnen vacuümconstructies eenvoudig worden vormgegeven terwijl ze toch voldoende stijfheid bezitten om de nieuwe vorm te behouden. Een verdere toename van het verschil in luchtdruk, tot aan de maximaal haalbare atmosferische druk (nabij 100% vacuüm),
3
leidt tot een volledig vormvaste constructie, mede afhankelijk van de materiaaleigenschappen van de toegepaste vulelementen en omhulling. Een unieke eigenschap van Vacuumatics is dat dit verstijvingsproces omkeerbaar is. De oorspronkelijke flexibiliteit van de constructie keert terug wanneer de onderdruk in de constructie weer afneemt, zodat vacuümconstructies veelvuldig opnieuw kunnen worden vormgegeven. Om Vacuumatics letterlijk in een bepaalde vorm te ‘kneden’ is een zekere morfologische handeling benodigd, die de vulelementen rangschikt in de gewenste positie. Vooral de mogelijkheid om de geometrie van vacuümconstructies lokaal aan te passen aan nieuwe eisen vergroot de potentie van Vacuumatics als op maat gemaakt constructie-element. Het feit dat Vacuumatics zeer gedefinieerd de contouren van het toegepaste vulmateriaal weergeven en zelfs in staat zijn de geometrie van een contravorm over te nemen (‘form-fitting’) (foto 3), resulteert in een levendige zintuiglijke beleving van op vacuümconstructies gestorte betonvlakken.
Materialisatie De sterkte, stijfheid en samenhang (en daardoor de veiligheid en bruikbaarheid) van vacuümconstructies wordt vooral bepaald door de materialisatie van de toegepaste vulelementen en de omhulling. De omhullende, flexibele huid zorgt niet alleen voor de essentiële luchtdichtheid, ook draagt deze bij aan het constructieve gedrag van Vacuumatics [4]. Dit geldt ook voor het vulmateriaal. Bovendien heeft de zogenaamde pakking van de vulelementen onder alzijdige druk grote invloed op zowel de stijfheid als de sterkte van Vacuumatics. Losse, bolvormige vulelementen onder alzijdige druk worden gerangschikt in een dichte pakking, wat resulteert in een grote stijfheid (foto 4). Vezelachtig vulmateriaal daarentegen gedraagt zich als een geweven structuur, wat leidt tot een weefselachtig gedrag (foto 5). Vanzelfsprekend is een grote verschei-
50
3D vormen in beton
3 Form-fitting 4 Ballonstructuur 5 Strostructuur 6 Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen
5
6
denheid aan configuraties en combinaties van verschillende vulmaterialen mogelijk, ten behoeve van een breed scala aan (architectonische) toepassingen.
Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen De gunstige eigenschappen van Vacuumatics, zoals de (her-) vormbaarheid van de constructie en de aanpasbaarheid van de textuur, vormen ideale randvoorwaarden voor een volledig flexibele, in vorm aanpasbare en herbruikbare bekisting voor de productie van geometrisch complexe betonconstructies. Aan de TU/e wordt momenteel onderzoek verricht naar drie verschillende typen Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen [5]. Wanneer Vacuumatics worden toegepast als toevoeging aan een regulier bekistingsysteem (fig. 6a) zijn vooral op maat gemaakte oppervlaktetexturen haalbaar. De vacuümconstructie wordt aangebracht in een bestaande bekisting en laat hierbij zijn afdruk achter in het betonoppervlak. Na het verharden van het beton kan eenvoudig worden ontkist door de lucht weer in het systeem te laten en daarmee de vacuümvoorspanning op te heffen. In tegenstelling tot het gebruik van rubberen geprofileerde matten is de gecreëerde Vacuumatics-textuur eenvoudig aan te passen aan nieuwe gebruikerseisen door de vulelementen opnieuw te rangschikken. Bovendien kan het vulmateriaal in zijn geheel worden vervangen om een compleet nieuwe oppervlaktetextuur te creëren. Bij het zogenaamde infilled-frame bekistingsysteem (fig. 6b)
3D vormen in beton
worden twee afzonderlijke vacuümconstructies bevestigd aan een externe raamwerkconstructie, waartussen het beton wordt gegoten. Doordat de randen van het frame gefixeerd zijn, wordt de latere verbinding van de uitgeharde betonnen elementen aan overige constructiedelen vereenvoudigd, terwijl de twee flexibele vacuümconstructies individueel kunnen worden gevormd of aangepast aan nieuwe vormen. Het is hierbij goed mogelijk om de verbindingsmiddelen direct mee in te storten. Wanneer het beton voldoende is verhard zijn de twee vacuümconstructies eenvoudig los te koppelen van het raamwerk en nagenoeg direct geschikt voor hergebruik. In geval van het volledig zelfdragende bekistingsysteem (fig. 6c), fungeert een enkele gesloten vacuümconstructie als zelfstandige bekisting waarin beton kan worden gegoten. Naast de mogelijkheid om de gehele geometrie van de vacuümconstructie te wijzigen, kan ook de oppervlaktetextuur worden aangepast aan nieuwe eisen. Op de TU/e zijn inmiddels verschillende verkennende proeven gedaan, waaruit de potentie van dergelijke Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen is gebleken. Door de oorspronkelijke flexibiliteit kan een grote verscheidenheid aan ‘vrije’ vormen worden gerealiseerd (foto 7). Hierbij wordt de identiteit van het gekozen bekistingsysteem als het ware ‘geconserveerd’ door het uithardende beton, doordat de contouren en de configuratie van de vulelementen zeer gedefinieerd zichtbaar zijn in het uitgeharde betonoppervlak. Klantgeoriënteerde betonnen oppervlaktetexturen zijn hier-
5 2 009
51
thema 7 ‘Vrije vormen’ in beton 8 Op maat gemaakte oppervlaktetexturen 9 Kreukels en vouwen in beton
theoretisch onderzoek verschaft inzicht in de totale effectiviteit van Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen in relatie tot andere conventionele bekistingsystemen. De potentie van Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen is vooral groot wanneer ze worden ingezet in combinatie met de laatste betontechnologische ontwikkelingen. ☒
7
● Literatuur
1 Gilbert, J., Patton, M., Mullen, C., Black, S. (1970), ‘Vacuumatics’, 4th year research project, Queen’s University, Department of Architecture and Planning, Belfast (IE) 2 Huijben, F., Herwijnen, F. van, Lindner, G. (2007), ‘Vacuumatic prestressed flexible architectural structures’, III International Conference on Textile Composites and Inflatable Structures, Structural Membranes 2007, Barcelona (ES), p.197-200 3 Huijben, F., Herwijnen, F. van (2007), ‘Vacuumatics: shaping space by ‘freezing’ the geometry of structures’, International Conference on Tectonics, Tectonics: Making Meaning 2007, Eindhoven University of Technology, Eindhoven (NL) 4 Huijben, F., Herwijnen, F. van (2008), ‘Vacuumatics: vacuumatically 8
prestressed (adaptable) structures’, 6th International Conference on Computation of Shell & Spatial Structures, IASS-IACM 2008: Spanning Nano to Mega, Ithaca NY (US) 5 Huijben, F., Herwijnen, F. Van, Nijsse, R. (2009), ‘Vacuumatics 3D-Form-
door haalbaar (foto 8). Zelfs kreukels en vouwen in de huid van Vacuumatics bekistingsystemen worden perfect weergegeven in het betonoppervlak, wat bijdraagt aan de expressiviteit van architectonische betonconstructies (foto 9).
work Systems: Customised Free-Form Solidification’, IV International Conference on Textile Composites and Inflatable Structures, Structural Membranes 2009, Stuttgart (DE), (geaccepteerd voor publicatie)
Conclusie en vervolg De unieke eigenschap van beton (ontstaan door verharding van vloeibare betonmortel) om de specifieke karaktereigenschappen van het toegepaste bekistingsysteem weer te geven, maakt het mogelijk ‘nieuwe’, organische en expressieve betonconstructies te creëren. Omdat de maakbaarheid en de aanpasbaarheid van de vorm en oppervlaktetextuur van betonnen bekistingsystemen de beperkende factoren zijn met betrekking tot de haalbaarheid van geometrisch complexe vormen in beton, beschikken Vacuumatics 3D-Bekistingsystemen over ideale randvoorwaarden. De herbruikbaarheid van vacuümconstructies draagt bovendien bij aan een economisch en duurzaam productieproces van klantgeoriënteerde betonconstructies. Het doel van het onderzoek is fundamenteel inzicht te vergaren in het constructieve gedrag en de morfologie van Vacuumatics. De combinatie van experimenteel onderzoek en systematisch,
52
9
5 2 009
3D vormen in beton
