“GEBOGEN BETON” Zandba(n)k
TUe Project T8 –T9 In samenwerking met Hurks beton & ENCI cement
www.Berlotti.com/zandba(n)k
“Gebogen Beton” Tue Project T8 – T9 Maart 2001
J e r o e n v a n H e l v o i r t M i r j a m d e H a a s R i n s k e d e W a a r d L i n e k e H e i j n e m a n L é o n v a n B e r l o B o u w e G e e l s I v o J a n s s e n
5 4 4 4 5 4 5
0 7 8 5 2 6 0
4 1 3 0 0 2 2
2 5 0 0 6 2 7
7 7 0 8 5 3 4
2 8 4 7 5 4 8
Inhoud I n l e i d i n g C o n s t r u c t i e v e b e r e k e n i n g e n Z a n d B i n n e n m a l V o o r b e r e i d e n b e k i s t i n g P r o c e s B i j l a g e n
p a g i n a :
3 4 8 1 0 1 1 1 3
1 Inleiding
Pagina 3
In dit rapport kunt u lezen hoe er onderzoek is verricht Vooraanzicht
Bovenaanzicht
Zandba(n)k
Zijaanzicht
Het totale oppervlak
naar de mogelijkheden van het vervaardigen van ruimtelijk gebogen vlakken in beton. Aan de hand van een te ontwerpen betonnen element, waarin uiteraard tenminste één gebogen vlak is opgenomen, is onderzocht hoe dit te realiseren. Een belangrijk fenomeen dat onlosmakelijk met beton verbonden is, is het denken in positieven en negatieve vormen. Betonnen objecten worden nu eenmaal vervaardigd in een mal of bekisting. Beton kan in principe alle mogelijke vormen aannemen; de combinaties van bekisting, betonsoort, wapening en uitvoering lijken onuitputtelijk Scherpe hoeken vormen een uitzondering, deze kunnen wel gevormd worden, maar zullen gemakkelijk afbrokkelen. Voorwaarde voor het maken van een bepaalde vorm is, dat men moet beschikken over een mal die de negatieve vorm daarvan heeft. Bovendien moet het mogelijk zijn om, nadat het beton verhard is, het uit de mal te halen zonder deze te breken. Met andere woorden: de bekisting moet lossend van vorm zijn. In de praktijk wordt de bekisting voor het te storten beton vervaardigd van hout. Veel van de geproduceerde betonelementen hebben alleen rechte vlakken, bijvoorbeeld rechte wanden en vloeren. Het is mogelijk om ronde wanden te storten, dit is met hout wel te realiseren. Echter niet in twee richtingen. Een ruimtelijk gebogen vlak is wel in twee richtingen gekromd. Essentieel in het geheel is dus ook het ontwerp en de vervaardiging van de mal, bekisting of contravorm. De opgave was in dit project het ontwerpen van een straatmeubel of gevelelement. Er werd ondersteuning verleend door mensen uit het bedrijfsleven. Onder andere van ENCI en Hurks Beton, waar ook een rondleiding gegeven werd. De belangrijkste eisen gesteld aan het straatmeubel zijn dat het tenminste één dubbel gebogen vlak bevat en van beton vervaardigd is. Tijdens het ontwerpen kan al rekening gehouden worden met de uitvoering, het ontwerp dient wel realiseerbaar te zijn. Centraal staat het genereren van nieuwe technieken of productiemogelijkheden door te experimenteren met schaalmodellen. Ontwerp Voor het straatmeubel is deze vorm gekozen. Het is een translatievlak. Door een parabool te verschuiven over een andere parabool, ontstaat de basis, een dubbelgekromd vlak Om de vorm nog iets dynamischer
te krijgen, zijn de zijkanten afgeschuind en is de onderrand gebogen afgesneden. Je zou op dit object kunnen zitten, het is dan een soort bankje. De afmetingen moeten dan zo gekozen worden dat dit enigszins ergonomisch is. De eerste is de parabool in de breedterichting: Y = -x2/(3502/500)+500. De tweede de parabool in de lengterichting: y = x2/(12502/200)+300. De formule die dan het gehele oppervlak beschrijft is: Z = -y2/(3502/500)+x2/(12502/200)+300. Uitvoering Zoals al eerder vermeld, is het maken van de mal essentieel. Dit ontwerp is geen regelvlak, dat is wel een nadeel, anders was het dubbelgekromde vlak toch met behulp van rechten te maken geweest. Nu moet er een andere oplossing gezocht worden. Een mogelijkheid is het storten van het beton in een zandvorm. Hoe maak je dat dubbelgekromde vlak precies zoals je het wilt hebben en van welk materiaal. Eigenlijk ligt de oplossing voor de hand, het dubbelgekromde vlak is op dezelfde wijze te generen als het ontwerp. Namelijk door de ene parabool te verschuiven over de andere. Om dat in een zandvorm te storten is een contramal nodig. Die heeft een soortgelijke vorm als het oppervlak van het bankje, maar valt er net binnen. Deze kan gemaakt worden door dezelfde zandvorm te gebruiken, maar dan met een paar centimeter meer zand, precies de dikte die de schaal straks moet gaan krijgen, en die volstorten met beton. Het blok beton, dat zo ontstaat, moet, nadat de juiste vorm weer in het zand is gemaakt, op precies dezelfde plek teruggehangen worden. In dit verslag worden achtereenvolgens nader ingegaan in de deelonderzoeken: constructie, gebruik van zand en de afwerking van de binnenmal. Als laatste zal worden ingegaan op het maken van de bekisting en het uiteindelijk maken van het bankje.
2 Constructieve Berekeningen
Pagina 4
Constructieve uitwerking De vorm van het bankje is te beschrijven met een wiskundige formule: z = - y2/(350²/500) + x²/(1250²/200) + 300 met x = -1250..1250 en y = -350..350
Tekening 1
Zandba(n)k
Tekening 2
,
Alle punten die voldoen aan deze randvoorwaarden liggen in het bovenvlak van het bankje. Om te rekenen aan de constructie dient een model gemaakt te worden, dit wordt gedaan in ESA Prima Win. Dat model is een benadering, er zijn vele benaderingen mogelijk: benaderingen die goed overeenkomen met de werkelijkheid en minder goede benaderingen. Het invoeren van een schaal ging in dit geval te ver. Een eenvoudiger benadering was voldoende. De vorm is opgebouwd door middel van een 3-dimensionaal raamwerk van momentvast verbonden staven. De knooppunten tussen de staven zijn allemaal punten in het hiervoor beschreven vlak. Hoe meer punten er gebruikt worden, hoe nauwkeuriger de benadering. Vervolgens wordt aan de staven dat gewicht toegekend, dat de werkelijke massa representeert. Na het plaatsen van de opleggingen kan het programma rekenen. Aan de hand van de optredende krachten in de staven kan dan de optredende spanning in dat punt benaderd worden. Daarna moet gecontroleerd worden of deze spanningen opgenomen kunnen worden door het beton. De bedoeling is op deze manier te bepalen hoe dun de schaal kan worden.
Verwachte krachtswerking Voordat we gaan rekenen hebben we natuurlijk al een globaal idee van de krachtswerking in de schaalconstructie (zie tekeningen hiernaast). Tekening 1 De constructie kan je vereenvoudigen tot een ligger op twee steunpunten. Dan weet je dat er in het midden in de onderrand de grootste trekspanningen ontstaan en in de bovenrand de grootste drukspanningen. Tekening 3
Tekening 2 Ook kan je de boogvormen aan de onderkant van de constructie, zowel in de langsrichting als in de dwarsrichting, opvatten als een drukboog. Dit werkt alleen zo als er spatkrachten opgenomen kunnen worden. Dus in een situatie waarbij alle opleggingen gefixeerd zijn zal er voornamelijk druk optreden in de constructie. Tekening 3 Schaalconstructies kunnen vaak bekeken worden als een combinatie van liggers, bogen en kettinglijnen. Door op deze manier een schaalconstructie te benaderen, is het vrij eenvoudig om de krachtswerking te voorspellen. In de tekening hierboven zijn de optredende druk- en trekbogen aangegeven. In de langsrichting ontstaat ten gevolge van eigen gewicht bovenin een trekboog (een soort kettinglijn).
Pagina 5
Ingevoerde data rekenmodel Knoopcoördinaten en staven Er moet eerst ¼ van het model ingevoerd worden. Omdat het bankje symmetrisch is, kan het complete model met behulp van spiegelen verkregen worden. Er zijn nu 423 knopen en 1211 staven! Maximale ondersteuning
Minimale ondersteuning
Opleggingen Er zijn twee extreme situaties. Namelijk één waarbij alle vier de opleggingen in alle richtingen gefixeerd zijn. En één waarbij de vier opleggingen zo gekozen zijn, dat de vier hoekpunten vrij in het x,y-vlak kunnen bewegen, dus alsof het bankje op een oneindig glad oppervlak staat. Met beide situaties wordt gerekend. Bij de eerste zal voornamelijk druk optreden, hetgeen gunstiger is voor beton. Bij de tweede zal er meer trek optreden in het beton, hetgeen minder gunstig is voor beton, daarom zal de tweede situatie waarschijnlijk de maatgevende zijn. De werkelijke situatie zit hier tussenin. De hoekpunten worden niet ten opzichte van elkaar gefixeerd, maar ze zijn ook niet helemaal vrij, omdat er wrijving tussen het bankje en de ondergrond is.
Zandba(n)k
Belastingen
Model belastingsgeval 2
Eigen gewicht Door de afmetingen van de staven zo te kiezen, dat het totaal aan oplegreacties gelijk is aan het werkelijke gewicht van het bankje, hebben we een redelijk goede benadering verkregen. Personen Op het bankje komen natuurlijk mensen te zitten, daarom hebben we er nog een belasting op geplaatst van drie personen van ieder 90 kg. Iedere 90 kg hebben we verdeeld over drie puntlasten van 0.3 kN. Dus in totaal negen puntlasten van 0.3 kN, verdeeld over een rechte lijn in het midden van het bankje (zie belastingsgeval 2).
Model met belastingsgeval 3
Om toch wat meer situaties te toetsen, hebben we dezelfde belasting ook asymmetrisch geplaatst. Bovendien is deze last niet verdeeld in 9 maal 0.3 kN, maar in 27 maal 0.1 kN. De puntlasten vallen binnen ¼
deel van het bankje, de personen zitten dus links van het midden en iets naar achter toe (belastingsgeval 3)
Pagina 6
Resultaten
Het toegepaste beton We gebruiken een betonsoort B200, dat versterkt wordt door kunststofvezels. Deze vezels zullen voornamelijk werkzaam zijn als het beton gaat scheuren en worden hier dus niet in de berekening meegenomen. Dit beton is een product van Hurks Beton en is een zeer hogesterktebeton met een zeer lage watercementfactor van 0.18. De druksterkte fck’ = 200 N/mm2. Hieruit kunnen we de treksterkte berekenen door middel van een formule uit een CUR-Aanbeveling voor hogesterktebeton; fbrep = 0.7(3 + 0.02fck’) N/mm2. 2
fbrep = 0.7(3 + 0.02 x 200) = 4.9 N/mm
Hier zou nog eigenlijk met een veiligheidsfactor gerekend moeten worden, maar aangezien we hier niet met een gebouw te maken hebben is dit niet noodzakelijk. Daarnaast hebben we de treksterkte ook nog met een vlugge handberekening bepaald; 4,5 % van 200 = 9 N/mm2 Dit delen door de materiaalfactor γ = 1.4 en een veiligheidsfactor γ =1.6 en we krijgen:
Zandba(n)k
9/(1.4 x 1.6) = 4 N/mm2 De inhoud van het bankje is te berekenen in AutoCAD, waarin we een exacte tekening van het model hebben staan. Bij een (geschatte) dikte van 45 mm is de inhoud 0,064 m3. Voor het soortelijk gewicht van deze betonsoort is gerekend met 2600 kg/m3. Hieruit volgt de massa van het bankje: 3
3
m = 2600 kg/m * 0,064 m = 166 kg Naar aanleiding hiervan kan de geometrie van de staven in ESA Prima Win ingevoerd worden. Bij een dikte van 45 mm is de breedte 13,5 mm.
Rekenresultaten Zodra alle gegevens zijn ingevoerd, kan het programma berekeningen uitvoeren. Er dient dan nog wel aangegeven te worden welke belastingcombinaties meegenomen moeten worden. Hier volgt een overzicht van de oplegreacties die bij de verschillende belastingcombinaties ontstaan in het complete model. Maximale ondersteuning + belastingcombinatie 1: eigen gewicht Opleg- knoop ging 1 2 3 4
65 172 276 374
comb. Rx [kN] Ry [kN] Rz [kN] 1
-0,44 0,44 0,44 -0,44
-0,23 -0,23 0,23 0,23
0,41 0,41 0,41 0,41
Maximale ondersteuning + belastingcombinatie 2: eigen gewicht + personen Opleg- knoop ging 1 2 3 4
65 172 276 374
comb. Rx [kN] Ry [kN] Rz [kN] 2
-1,81 1,81 1,81 -1,81
-0,70 -0,70 0,70 0,70
1,09 1,09 1,09 1,09
Maximale ondersteuning + belastingcombinatie 3: eigen gewicht + personen asymmetrisch Oplegging
knoop
1 2 3 4
65 172 276 374
comb. Rx [kN] Ry [kN] Rz [kN] 3
-1,31 1,60 0,99 -1,28
-0,82 -0,49 0,40 0,91
1,24 0,72 0,68 1,71
Pagina 7
Minimale ondersteuning + belastingcombinatie 1: eigen gewicht Opleg- knoop ging 1 2 3 4
65 172 276 374
comb. Rx [kN] Ry [kN] Rz [kN]
1
0,00 0,00 0,00 0,00
0,00 0,00 0,00 0,00
0,41 0,41 0,41 0,41
Minimale ondersteuning + belastingcombinatie 2: eigen gewicht + personen Opleg- knoop ging 1 2 3 4
65 172 276 374
comb. Rx [kN] Ry [kN] Rz [kN]
2
0,00 0,00 0,00 0,00
0,00 0,00 0,00 0,00
1,09 1,09 1,09 1,09
Zandba(n)k
Minimale ondersteuning + belastingcombinatie 3: eigen gewicht + personen asymmetrisch Oplegging
knoop
1 2 3 4
65 172 276 374
comb. Rx [kN] Ry [kN] Rz [kN]
3
0,00 -0,90 0,90 0,00
-0,30 0,30 0,00 0,00
1,48 0,49 0,92 1,47
Het meest interessant zijn de optredende trekkrachten en momenten. Uit de rekenresultaten blijkt dat de maximale trekkracht opreedt bij belastingcombinatie 2 met minimale ondersteuning. Deze kracht is dan 1,18kN en zit in staaf 958, in het midden aan de onderrand van het bankje.
Conclusies Onderaan in het midden van het bankje is inderdaad waar we de meeste trek verwachtten. Bovendien blijkt dat belasting in het midden van het bankje het ongunstigst is, want bij de maatgevende belastingcombinatie zat de belasting overwegend in het midden. Verder bleek uit de berekeningen dat onder alleen eigen gewicht, belastingcombinatie 1, geen momenten optreden, de schaalvorm is dus goed ontworpen! De krachten die in het raamwerk optreden moeten we vertalen naar spanningen in de werkelijke schaalconstructie van beton. Dit is op twee manieren gedaan. De eerste manier bestaat uit het ontbinden van alle krachten, die in het kritieke punt bij elkaar komen vanuit de diagonaal, de horizontaal en de verticaal, in één horizontaal gerichte kracht. Deze kracht wordt dan gedeeld door het oppervlak waar deze betrekking op heeft en dan vinden we een spanning in de onderrand. Dan blijkt dat, gerekend met een treksterkte van 4 N/mm2, de minimaal benodigde dikte 33,8 mm is. Bij de tweede manier hebben we de trekkrachten in de horizontalen en de diagonalen opgeteld en daarna gedeeld door het oppervlak waar ze betrekking op hebben. Ook dan vinden we een spanning in de onderrand. Hier komt 24,3 mm uit, hoewel in werkelijkheid de spanning niet lineair zal verlopen, maar meer parabolisch. Dan is de maximale spanning iets groter en is de minimale dikte dus ook iets groter. Uiteindelijk kunnen we concluderen dat een schaaldikte van 35 mm voldoet. Door de verwachte onnauwkeurigheid bij het maken van de schaal zou deze op kritieke punten te dun (minder dan 35 mm) kunnen worden. Daarom gaan we uit van een dikte van 45 mm.
3 Zand
Pagina 8
Er diende onderzoek gedaan te worden naar het zand. Hierbij ging het vooral om het feit of en welk zand er gebruikt zou worden. Er wordt hier steeds gepraat over zand, maar in principe kon dit elk willekeurig product zijn dat voldeed aan de volgende voorwaarden: 1. Goed vervormbaar gedurende langere tijd 2. Stabiel 3. Twee (of meerdere) keren te vervormen Ad. 1. Het product moet in de juiste manier te vormen zijn. Hierbij is het van belang dat het product niet uithard o.i.d., aangezien gedurende een langere periode gewerkt zal worden aan het vormen van de mal (enkele uren tot enkele dagen) Ad. 2. Nadat het product de juiste vorm heeft verkregen, moet het deze vorm ook behouden. Het product mag niet afbrokkelen of instorten. Ad. 3. nadat eerst de binnenmal is gevormd en gestort, moet daarna het bankje zelf worden gevormd en gestort. Het is niet de bedoeling dat er weer helemaal van voren af aan gevormd moet worden. Slechts een iets verder uithollen van de vorm moest volstaan.
Zandba(n)k
• Internet Als eerste werd op internet gekeken of daar misschien informatie te vinden was over producten die geschikt waren en voldeden aan de eisen. Er werd gezocht in verschillende richtingen, bijvoorbeeld vormzand scheepsschroevengieterij, klokkengieterij en zandsculpturen. Chemisch gebonden zand Chemisch gebonden vormzand is vrijwel altijd samengesteld uit kwartszand met een chemisch hardend bindmiddel. De verlangde stevigheid van de vorm wordt bij dit vormzand vooral bereikt doordat na het verdichten, polymerisatie van het chemisch hardend bindmiddel optreedt. Als bindmiddel worden voornamelijk furaan- en fenolharsen, polyurethaan-harsen en esterhardende resol- en silicaatharsen gebruikt, waarbij een katalysator (fosforzuur, paratolueensulfonzuur, poly-isocyanaat of esters) wordt toegepast.
Kleigebonden vormzand Kleigebonden vormzand is samengesteld uit: – zand (kwartszand, 80–85% inclusief regeneraat); – bentoniet (7–12%; een hoogwaardige kleisoort) dat met water als bindmiddel dient; – glanskoolvormer (2–4%) ter verkrijging van een glad gietstukoppervlak; – water (2–3%). Bij kleigebonden zand wordt de verlangde stevigheid van de zandvorm verkregen door het zand rond het model samen te persen. Deze vormmethode leent zich uitstekend voor zeer hoge productiesnelheden, omdat na het verdichten van het zand de vorm direct gereed is. Bij moderne vormmachines wordt de vorm verdicht door middel van luchtdruk- of gasexplosie-impulsen, gecombineerd met mechanisch persen. Bentoniet Bentoniet is een in de natuur voorkomende natriumkleisoort met grote zwelcapaciteit, welke is ondekt in Wyoming (USA) in de buurt van Fort Benton. Calciumbentonietsoorten komen op meerdere plaatsen ter wereld voor, maar bezitten nauwelijks meer zwellende capaciteit als normale kleisoorten. Door de natuurlijke calciumbentoniet te vermalen en te activeren met natrium wordt een unieke zwelcapaciteit verkregen. Dankzij deze uitzetting worden de poriën in een mengsel van zand met bentoniet gevuld en wordt een perfecte afdichting gerealiseerd. De kwaliteit van de zand-bentonietlaag zal afhankelijk zijn van het poriën-volume van het zand, de daaraan toegevoegde hoeveelheid bentoniet en de verdichting van de laag. Klokkengieterij Vroeger gebruikte men bij het maken van klokken leem. Doordat verschillende soorten leem werden gebruikt, met verschillende sterktes, kon men de uiteindelijke mal verkrijgen. Het leem werd verhard door deze boven een vuur te laten drogen. Tegenwoordig gebruikt men over het algemeen chemisch gebonden zand gebruikt, zoals furaanzand. Zandsculpturen Uit dit onderzoek bleek dat men bij het maken van zandsculpturen men vooral gebruik maakte van speciaal zand met een ‘vierkante’ korrel. Door het zand goed aan te stampen, werd stevigheid verkregen. Slechts af en toe werd gebruik gemaakt van hulpmiddelen om het zand te te verstevigen. Hier kan eiwit genoemd worden.
Pagina 9
•
Contact met bedrijven Na onderzoek via internet is er op verschillende manieren contact gelegd met een aantal bedrijven. Zo is er telefonisch contact geweest met Lips Propulsion, een bedrijf dat scheepsschroeven produceert. Aanvankelijk was dit bedrijf erg geïnteresseerd in het project, helaas werd na versturen van de tekeningen duidelijk dat zij niet verder konden helpen, aangezien het (chemisch) vormzand dat zij gebruikten niet geschikt was voor ons project. Welk soort vormzand zij gebruikten konden ze niet vertellen, aangezien dit fabrieksgeheim was. Het bedrijf Osborne Propellers uit Canada reageerde op een e-mail. Zij gebruiken “Olivine #100 sand” gemengd met bentoniet en water. Dit mengsel is her te gebruiken door het te laten drogen, fijn te malen en weer water toe te voegen. Zoals hierboven is beschreven ontstaat de hardheid onder invloed van druk. Ook de klokkengieterij Royal Eijsbouts te Asten is telefonisch benaderd. Royal Eijsbouts is de grootste klokkengieterij van Europa. Ook dit bedrijf gebruikt Furaanzand.
Zandba(n)k
• Experimenten Hierna werden nog enige proeven gedaan met de aanwezige materialen. Dit zijn respectievelijk kwartszand, gips en beeldengietmortel. De volgende experimenten zijn gedaan: Zand droog Droog zand heeft een losse structuur en is derhalve niet als zodanig geschikt om een vorm in te vormen. Zand met weinig water (niet al het zand in contact met water) Doordat nog niet al het zand contact heeft met water, ontstaat een klonterige structuur. Deze is niet bruikbaar, aangezien het gedeelte van het zand dat geen contact met het water heeft, een losse structuur heeft. Zand gemengd met gemiddelde hoeveelheid water (al het zand net in contact met water) Het zand is nu compleet in aanraking met (een weinig) water. Het zand plakt aan elkaar, is gemakkelijk vervormbaar, maar is niet erg stevig.
Zand gemengd met meer water (zand verzadigd) Het zand plakt nu goed aan elkaar. Nog steeds is het zand makkelijk te vervormen (door afschrapen) maar nu is het zand veel steviger. Zand gemengd met (te) veel water (zand oververzadigd met water) Door het toevoegen van te veel water ontstaat modder. Modder is niet bruikbaar aangezien het inzakt. Zand gemengd met gips (15:1) Hierbij werd droog zand gemengd met gips waarna een beetje water werd toegevoegd (droog zand is niet te vormen). Dit mengsel werd gevormd. Na 5-8 minuten bleek het mengsel verhard te zijn. Na nog eens een kwartier brokkelde het gemakkelijk af bij aanraken. Deze twee feiten (korte verhardingstijd en afbrokkelen) maakt dit mengsel ongeschikt voor dit project. Zand gemengd met beeldengietmortel (20:1) Aan droog zand wordt 1/20 deel cement toegevoegd. Hierna wordt water toegevoegd. Na plm. 40 minuten is het nog steeds vervormbaar. De stevigheid is te vergelijken met zand met een gemiddelde hoeveelheid water. Na enige uren wordt het mengsel hard, waarna het gemakkelijk afbrokkelt. Zand gemengd met beeldengietmortel (10:1) Hiervoor geldt hetzelfde als voor het bovenstaande, alleen begint het zand sneller uit te harden. Ook dit mengsel brokkelt na droging af. De uiteindelijke conclusie is dat kwartszand gemengd met water (zand verzadigd) best bruikbaar is en respectievelijk goedkoop. Ook is gewoon zand in principe twee keer te gebruiken, aangezien het niet verhard en er dus gemakkelijk verder geschraapt kan worden. Daarom is er voor gekozen om kwartszand te gebruiken.
4 Binnenmal
Pagina 10
Nadat was bepaald dat er kwartszand gebruikt zou worden, moest er onderzocht worden hoe de binnenmal glad gemaakt diende te worden, aangezien het ruwe oppervlak dat waarschijnlijk door het zand werd gevormd, niet lossend zou zijn. Latex Op internet werd na lang zoeken een site gevonden van een leverancier voor beeldhouwers. Een product van deze leverancier dat wel geschikt leek, was vloeibare latex. Dit zou dan op de binnenmal gesmeed moeten worden, waardoor een latex laagje zou ontstaan die de grootste oneffenheden zou wegnemen. Een nadeel van dit product was dat het niet goedkoop was, daarom werd er eerst verder gekeken naar andere producten. Ook werd er op proefmodellen geëxperimenteerd met producten die op dat moment voorhanden waren:
Zandba(n)k
Gips Als eerste werd geëxperimenteerd met gips. Gewoon gips werd met een overvloedige hoeveelheid water gemengd tot een papje. Dit papje werd op een proefstuk gesmeerd. Wat meteen opviel was het feit dat het papje ontzettend snel (plm. 5 a 10 seconden) verharde (waarschijnlijk doordat het beton het water opzoog). Hierdoor werd het ongeschikt om toe te passen, aangezien men wel enige tijd nodig heeft om een gedeelte geheel egaal te krijgen en het gips al bijna hard werd bij aanraking van het beton. Molda 3 normal In de ruimte waar de experimenten plaatsvonden stond ook een zak Molda 3 Normal. Dit is een soort beton zonder enige vorm van toeslagmateriaal (dus geen steentjes o.i.d. ). Net als bij het gips werd hier een papje van gemaakt door het te mengen met water. Dit werd weer op een proefstuk gesmeerd. Al snel bleek dit beter verwerkbaar als het gips te zijn: het verhardde minder snel en er ontstond een relatief glad oppervlak. Dit oppervlak zou wel met lossingmiddel ingesmeerd moeten worden, aangezien beton op beton hecht. Papier De heer Buijtels kwam met het idee om voor het gladmaken van de binnenmal simpelweg papier te gebruiken. Door verschillende lagen papier door middel van behangplaksel in stroken op de binnenmal te
plakken, kreeg je een gladde oppervlak. Bij het bedrijf van de heer Buijtels werd ook wel van deze techniek gebruik gemaakt. De voordelen zijn: goedkoop (geen speciaal papier nodig), simpel (iedereen kan papiermaché-en) en er is geen lossingmiddel meer nodig (papier laat los o.i.v. water) Uiteindelijk is er voor papier gekozen, dit onder andere omdat de heer Buijtels daar al enige ervaring mee had, het product makkelijk toe te passen is, het goedkoop is en er geen lossingmiddel nodig zou zijn. Een ander voordeel is dat bij papier de laag overal ongeveer even dik wordt (gelijk aantal lagen papier) terwijl dit bij de andere producten minder goed kan controleren, zodat er verschillen in dikte zouden kunnen ontstaan. Op het moment dat het bankje ontkist zou worden, bleek dat deze toch enigszins aan de binnenmal was gehecht. Na onderzoek bleek dat op een bepaalde plek het bankje de binnenkist raakte zonder dat hier papier tussen zat. Op deze plek was dus een goede hechting ontstaan. Dit gedeelte moest los gemaakt worden. Ook hierna bleek het bankje niet zo maar los te laten van de binnenmal. Dit werd verholpen door enige mokerslagen op de binnenmal. Voor een volgend bankje kan het papier waarschijnlijk beter ook nog worden ingesmeerd met een lossingmiddel, zodat het beter los komt.
5 Voorbereiden Bekisting
Pagina 11
Een belangrijk aspect voor het slagen van het project was een goede stevige kist, waar de benodigde voorzieningen voor het vormen van het product op aangebracht konden worden. Dit maakte het echter wel nodig dat het maken van de kist grondig werd voorbereid. Dit hoofdstuk behandelt dan ook de voorbereidingen die zijn getroffen en de gedachten die vooraf zijn gegaan aan het maken van de bekisting.
Zandba(n)k
Principe van de productiemethode behorend bij het realiseren van het bankje was het maken van een schaalvormig bankje gebruikmakend van een betonnen binnenkist en een in zand gevormde buitenkist. Als uitgangspunt voor de bekisting is een rechthoekige bak gekozen die we hebben aangepast naar onze eigen wensen. Hierin wordt zand aangebracht dat door middel van schrapen in de goede vorm is te brengen, waarin zowel de binnen- als de buitenkist gestort kan worden. De opbouw van deze bekisting is terug te vinden in het stappenplan en de daarbij horende plaatjes van de bekisting. In het onderstaande stuk zal dieper ingegaan worden op een aantal onderdelen van de bekisting die een speciale functie in het geheel vormen. Hierbij worden de methoden en ideeën beschreven die vóór het maken van de kist zijn bedacht, zoals ze uitgevoerd hadden moeten worden. Of dit dan ook daadwerkelijk is gebeurd en waarom wel of niet, is terug te vinden in het stappenplan. In eerste instantie is bij deze voorbereidingen geprobeerd alle problemen te overzien en waar mogelijk op te lossen. De gebruikte benamingen zijn terug te vinden in de werktekeningen die zijn bijgevoegd in de bijlagen. • Opvangen van horizontale krachten Een simpele rechthoekige houten bak vormde het uitgangspunt voor de bekisting. Vooraf was al duidelijk dat de bekisting aan grote horizontale krachten bloot zou komen te staan. Enkele krachten waar rekening mee gehouden is zijn: In eerste instantie de kracht van het zand dat wordt aangebracht. Dit zand heeft een grote massa en zal voor dat het gebruikt kan worden goed verdicht moeten zijn. Om deze reden wordt het zand aan de bovenzijde belast en zal het dus naar buiten willen uitwijken. Dit zorgt voor krachten op de bekisting.
Een tweede kracht waar rekening mee gehouden is, is de kracht van het te storten beton. Het beton wordt in twee delen gestort. De eerste keer wordt de binnenkist gevormd en de tweede keer het bankje zelf. Met name bij de eerste stort wordt er gebruik gemaakt van een grote hoeveelheid beton die dus ook veel kracht zal uitoefenen op de bekisting. Om deze horizontale krachten op te vangen zijn twee voorzieningen getroffen, namelijk schoren en spatlatten. Voor de schoren geldt dat zij onder een ideale hoek van 45 graden zijn aangebracht en aangrijpen op het niveau van de bovenkant van het te storten bankje. De belasting wordt via de schoor terug gevoerd naar de grondbalken waar de belasting wordt omgezet in trek in de houten balk. Om te grote krachten op de schroeven te tegen te gaan zijn op de grondbalken ter plaatse van de schoren spatlatten aangebracht die afschuiving van de schoor voorkomen. Deze spatlatten zijn ook aangebracht ter plaatse van de verbinding tussen staanders en de grondbalken. Op deze manier worden de staanders door de horizontale belasting niet naar buiten gedrukt. • Verwijderbare eindschotten Aangezien de beide uiteinden van het bankje schuin aflopen was het nodig hier een speciale voorziening voor aan te brengen in de bekisting. Deze strakke overhangende beëindiging was niet met zand te maken. Er is daarom ook besloten om dit met twee schuin geplaatste schotten te doen. Om de slappe schuine platen een beetje stevigheid te geven worden ze aan de buitenzijde voorzien van een raamwerk, hiermee zijn ze ook goed aan de zijwanden van de bekisting te bevestigen. In eerste instantie was het de bedoeling om de twee eindschotten aan de zijwanden vast te zetten, maar dit zou als groot nadeel hebben dat we de vormen niet tot op het onderste puntje uit het zand zouden kunnen schrapen. Hierbij kwam ook nog dat het moeilijk zou zijn om het overtollige zand weg te halen. De schotten zouden dus losgehaald moeten kunnen worden, maar dan was het wel noodzakelijk om ze vervolgens weer precies op dezelfde plek terug te plaatsen. Dit probleem is als volgt opgelost. Op de bodemplaat is aan de buitenzijde van de kist een balkje gemaakt die fungeert als spatlat en dient als vast punt voor het eindschot. Om nu de juiste hoek van het schot aan te
Pagina 12
geven zijn aan de binnenzijde van de kist twee latjes op de wand aangebracht die dienen als aanslag voor het eindschot. Door iedere keer de plaat hier strak tegen aan te drukken zit hij steeds op dezelfde plaats. Om het eindschot te fixeren wordt hij met 6 schroefjes verankerd aan de zijwand.
Zandba(n)k
• Bolle geleider voor het vormen van het zand Om de juiste vorm in het bankje te krijgen was het nodig om een plaat in de vorm van een parabool met een bepaalde functie voort te bewegen over een andere parabool. Deze tweede parabool moest voortkomen uit de vorm van de bekisting. Het leek voor de hand te liggen om deze vorm te zagen uit een spaanplaat. We voorzagen hierbij echter twee problemen. - In eerste instantie moest er zeer nauwkeurig gezaagd worden, omdat anders iedere oneffenheid in de zaagsnede zichtbaar zou worden in het zand. Daarbij was het ook noodzakelijk om twee identieke platen te maken voor zowel de linker- als de rechterkant van de bekisting. - Een twee de probleem zat in de geleiding van de plaat waarmee het zand geschraapt zou moeten worden. Dit leek lastig op de kopse kant van een gezaagde plaat. Om de twee bovengenoemde redenen zijn we gaan kijken naar een ander oplossing. Omdat de staanders toch geplaatst moesten worden en deze zeer nauwkeurig op maat afgezaagd konden worden, is besloten om het geheel in de computer uit te tekenen en zo voor iedere staander de exacte lengte uit te rekenen. Door de staanders in de juiste volgorde te zetten ontstaat de juiste kromming en door hier vervolgens een plank overheen te leggen en deze met schroeven aan te trekken ontstaat een mooie strakke boog in de vorm van de gewenste parabool. Om voor een goede geleiding voor de schraapplaat te zorgen is een krom te trekken plank gekozen die breder is dan de staanders, zodat onnauwkeurigheden in de staanders niet van invloed zijn op de nauwkeurigheid van het schrapen. • Holle geleider voor het vormen van het zand Voor het vormen van een correcte binnenmal is noodzakelijk dat er aan de binnenmal twee vleugeltjes komen die de onderkant van het bankje in de juiste vorm brengen. Voor het maken van deze twee uitstekende vleugels blijven we dezelfde productiemethode hanteren als voor de rest van de bekisting. We maken gebruik van
van een rechte plaat die wordt voortbewogen over een parabool. In verband met de beschikbare ruimte en bevestigingspunten op de bestaande kist, is het alleen mogelijk om deze parabool te zagen uit een plaat. Deze plaat wordt vervolgens tegen de staanders van de zijwanden geschroefd. Omdat we ook hier uitgaan van een plaat die wordt getrokken over de parabool, is geleiding van de plaat heel belangrijk. Om deze reden is ervoor gekozen om de plaat met de parabool 18 mm. (plaatdikte) los te houden van de staanders. Op deze manier zorgen onnauwkeurigheden in de staanders niet voor problemen met de geleiding. Voor de afstandhouders kunnen een paar stukjes afval hout gebruikt worden. De in dit hoofdstuk niet behandelde onderdelen van de kist zijn vanzelfsprekend voor een houten bekisting. Alle benodigde materialen en werktekeningen van de bekisting zijn terug te vinden in de bijlagen.
I nP 6 l eriodci n es g
Pagina 13 Pagina 1
Hieronder wordt stap voor stap alle werkzaamheden beschreven die wij gedurende dit project hebben doorlopen.
- overleg hoe we het aanpakken Uiteraard zijn we begonnen met een gezamenlijk overleg. Omdat de bedenkster van het bankje uiteraard het hele project door en door kent, moest zij eerst al haar informatie op ons overbrengen. Tijdens dit overleg hebben we ook besloten om een kist met zand te maken, en dus niet buiten op een zandvlakte te gaan staan. Op deze manier zijn we minder afhankelijk van de weersomstandigheden. - Takenverdeling Tijdens dit eerste overleg hebben we de taken bepaald en opgesplitst om tijd te winnen. De Constructiestudenten zouden zich bezig houden met de constructieve berekeningen. 1 iemand zou zich verdiepen in het fixeren van het zand en de overige 3 mensen zouden de kist gaan timmeren. - mechanica berekening voor dit gedeelte zie andere verslag
Zandba(n)k
-
uittekenen kist De kist is overdacht en uitgetekend. Tijdens het gezamenlijk overleg is al in grote lijnen besproken hoe we het zouden gaan aanpakken. In deze fase is deze aanpak tot op spijkerniveau uitgewerkt. De maatvoering is tot op de laatste millimeter exact bepaalt en de kist is in zowel 2D als 3D helemaal uitgetekend. (Zie Bijgevoegde tekeningen) - raming hout + bestellen Naar aanleiding daarvan is een houtraming gemaakt en is het hout besteld. - fixatie zand uitzoeken (Zie hoofdstuk 3)
- locatie zoeken Uiteraard was het vinden van een juiste locatie voor uitvoering van ons project van groot belang. Vanwege de gekozen uitvoeringsmethode was het een pré om de beschikking te hebben over hijsmogelijkheden. Uiteindelijk hebben we een locatie gekregen waar zich een lier bevond. Deze hijsmogelijkheid ging maar tot 1600 kg. Ook hiermee hebben we rekening moeten houden. -
timmeren kist : o zagen hout op juiste lengtes o onderslagbalken aan stijlen bevestigen incl. schoren o positioneren onderslagbalken o schroeven bodemplaat en zijwanden o bevestigen van geleidingsplanken o maken kopschotten Voor meer info over het timmeren van de kist zie verslag (zie hoofdstuk 5) - aanbrengen van folie Omdat we gewerkt hebben met spaanplaat (goedkoopste plaatmateriaal) hebben we, voordat we het zand in de kist storten, een folie aan moeten brengen. Het vocht van het zand zou anders de spaanplaat aan gaan tasten waardoor deze zou gaan uitzetten. -
aanbrengen van zand Het aanbrengen van het zand in de kist was een flink karwei. In totaal is er bijna 2 m3 aan zand ingegaan. - verdichten van zand Tijdens het storten van het zand in de kist is het zand om de 30cm aangestampt en aan getrild om een goed vast geheel te verkrijgen. Dit is essentieel voor de stabiliteit van de zandvorm. - maken van een rij (paraboolvorm) De ‘schep’ waarmee we de zandvorm hebben gecreëerd moest natuurlijk ook gemaakt worden. De parabool die beschreven moest worden is uitgezet op een spaanplaat, en met de decoupeerzaag uitgezaagd. Deze plaat is bevestigd op een plank die over de paraboolvormige planken van de kist zou geleiden. Deze plank is voorzien van plankjes zodat de plank als het ware ingeklemd is tussen de geleidingsplanken van de kist. Op deze manier kan de schep zich maar in één (lengte)richting verplaatsen.
Pagina 14
- maken van geleidingsplanken voor inverseboog Om de inkeping te maken aan de onderzijde van de bank moet er een extra ‘vleugel’ aan de mal komen. Om deze vleugel te kunnen storten moest dus ook hiervoor zand worden weggehaald. Daarvoor is aan de binnenzijde van de kist een parabolvormige spaanplaat bevestigd. - maken van rij voor inverseboog En ook over deze inverseboog geleid natuurlijk een rij die we hebben moeten maken. Deze rij was echter niet parabolvormig, maar gewoon recht. - afrijen van zandvorm De zandvorm werd daarna uitgegraven en exact op vorm gemaakt met de schep. Van groot belang was om niet te veel weg te halen. Wanneer we nadien namelijk weer wat zand terug wilden aanbrengen bleek deze niet helemaal homogeen te worden met het onderliggende zand. Zodra dit zand weer werd aangeraakt met de rij, viel het gehele stuk zand wat later was aangebracht eraf. Er vond dus geen aanhechting meer plaats tussen de zandkorrels. Omdat we van bovenaf niet genoeg kracht konden zetten hebben we onder aan de paraboolvormige plaat een touw bevestigd waaraan getrokken werd. Het afrijen van het zand ging goed, maar vereist vrij veel kracht. Uiteraard moest de afrij-beweging meerdere keren gemaakt worden om tot een goed resultaat te komen.
Zandba(n)k
- afrijen inverseboog Het afrijen van de ‘vleugels’ ging op dezelfde manier als de eigenlijke bankvorm. - aanbrengen van wapening binnenmal Omdat de binnenmal uit de kist gehesen moest worden zouden er dus krachten van het eigen gewicht op gaan werken. Om scheuren van de binnenmal te voorkomen is gekozen om de binnenmal te voorzien van enkele wapeningsstaven. Deze wapening is niet berekend, maar op het gevoel gedimensioneerd. - aanbrengen van hijspunten met draadeinden Om de binnenmal uit de kist te kunnen hijsen moeten er uiteraard hijsvoorzieningen worden aangebracht. We hebben gekozen voor vier stalen bouten met verlengde moeren. In deze moeren kunnen later draadeinden worden gedraaid waaraan de mal omhoog gehesen kan worden.
- voorbereiden beton binnenmal (samenstelling) Omdat we de kist niet konden trillen (het zand zou dan instorten) moest voor de binnenmal gewerkt worden met zelfverdichtende beton. De samenstelling was als volgt : o 75 kg grind 5-8 mm o 55 kg zand o 25 kg kalksteen o 25 kg cement o 13 liter water o 0,2 liter toeslag tbv. Vloeibaarheid - mengen beton Tijdens het mengen en storten van de beton werden we geassisteerd door een deskundige van de TU/e - storten binnenmal Omdat we de beton niet zomaar in de zandvorm konden gooien hebben we eerst met een schepje voorzichtig een laag beton aangebracht. Pas toen er een mooie laag beton in de zandvorm lag kon de rest van de beton daar boven op ‘gegoten’ worden. - uitharden binnenmal We hebben gekozen om de binnenmal op vrijdag te storten en op maandag te ontkisten. - positioneringvoorzieningen aanbrengen Voordat de binnenmal ontkist kon worden moesten we uiteraard eerst voorzieningen aanbrengen waardoor we hem nadien op exact dezelfde positie terug konden hangen. Dit is gedaan door latten te bevestigen op de binnenmal die tussen de zijwanden van de kist klemmen. In de lengterichting zit de mal opgesloten tussen de kopschotten en in de hoogterichting werd de positie afgemeten door de ‘vleugels’ die weer exact op het zand zouden rusten tijdens de tweede stort. - uit de kist hijsen van binnenmal Om de binnenmal uit de kist te kunnen hijsen moest er nog het nodige gebeuren. We hebben een constructie van stalen balkjes op de binnenmal aangebracht (door draadeinden van de ingestorte voorzieningen). Op deze manier konden we de binnenmal zo haaks mogelijk belasten zodat er zo min mogelijk momenten zouden ontstaan aan de onderzijde. - zuiver maken binnenmal Nadat de binnenmal ontkist was hing en nog veel zand aan. Deze is verwijderd met bezems.
Pagina 15
-
prepareren oppervlakte binnenmal (papier machee) Omdat de binnenmal niet mag gaan hechten aan de uiteindelijke bankvorm is ervoor gekozen (op advies van Theo Buijtels) om de binnenmal in te smeren met papier machee. Op deze manier gaan de zandvormige korrels van de beton niet in elkaar hechten. - voorbereiden van pootjes Omdat de pootjes van het bankje nogal fragiel zijn hebben we gekozen om hier een stalen plaatje in te storten. Het bankje staat dan dus op stalen pootjes. Voordeel hiervan is dat deze niet zo snel gaan afbrokkelen als betonnen pootjes. Van de pootjes is een tekening gemaakt en ze zijn vervaardigd van 2mm dik RVS staal. Ze hechten aan het beton door ingestorte lange bouten. - maken nieuwe rij tbv bankvorm Het was nu tijd om de uiteindelijke bankvorm te gaan maken in het zand. Hiervoor moest de rij van de binnenmal aangepast worden. We hebben een extra spaanplaat op de rij geschroefd en deze in dezelfde vorm gezaagd als de vorige rij, echter nu 4,5 cm groter. Dit is de enig mogelijke manier om de vorm overal exact 4,5 cm groter te krijgen dan die van de binnenmal.
Zandba(n)k
- afrijen zand tbv bankvorm Het afrijen van het zand tbv de bankvorm is op dezelfde manier gegaan als het afrijen van zand tbv de binnenmal. - terughangen van de binnenmal Het terughangen van de binnenmal gebeurde met de kraan. Probleem dat hierbij is ontstaan was de frijnafstelling van de positie van de mal. De kraan verplaatste zich meteen enkele centimeters wanneer we deze wilde verplaatsen. Kleine verplaatsingen waren niet mogelijk en we zijn dan ook erg lang bezig geweest om de binnenmal exact tussen de kopschotten te krijgen. De positie in de breedterichting werd bepaald door de van te voren aangebrachte latten die tussen de zijwanden klemden. Ook de hoogteafstelling was niet echt secuur. We hebben daarom de binnenmal de laatste centimeters laten zakken door de moeren op de draadeinden was losser te draaien. Hierdoor konden we tot op de millimeter nauwkeurig hoogte-instellingen doen. - mengen beton bank Het mengen van het B200 beton werd gedaan door
Theo Buijtels van Hurks beton. De samenstelling van cement, water, kunststofvezels en toeslagstof bleef tijdens het mengen zo’n 20 minuten lang droog waarna het plotsklaps veranderde in een stroperige, lijmachtige vloeistof. - voorbereiding stort (lucht e.d.) Voor we zijn gaan storten hebben we eerste goed gekeken hoe we dit zouden gaan aanpakken. We hebben besloten om aan 1 zijde van de bank te storten (2 stortgaten) om zo de lucht van de ene zijde naar de andere zijde van de opening te drukken. Door te storten in alle 4 de stortgaten tegelijk zou een luchtbel kunnen ontstaan in de kist en dit moest uiteraard voorkomen worden. - storten bankvorm Ook is besloten om het beton ook hier weer niet direct op het zand te storten, maar gebruik te maken van hardboard plankjes waar de beton langs kon lopen. - aanbrengen pootjes Na de stort zijn de pootjes in de beton gedrukt. De pootjes zijn alle op gelijke hoogte gehangen zodat de bank straks niet gaat wiebelen. - uitharden bankvorm Omdat het beton geheel ingesloten is tussen de betonnen binnenmal en het zand kan er weinig lucht bij om de verharding te versnellen. Hier is daarom gekozen om de vorm 2 dagen te laten uitharden. - ontkisten bankvorm De bedoeling was dat we de binnenmal omhoog zouden hijsen en dat deze dan (door de toepassing van de papier machee) zou lossen van de bankvorm. Het bleek echter dat de papier machee niet helemaal glad was aangebracht, en dit in combinatie met de puntvorm waarin de bank gestort is, bleek dat de twee betonnen elementen niet zomaar wilde lossen. Door het geheel in trilling te brengen losten ze uiteindelijk. - hijsvoorzieningen aanbrengen Omdat de bank uit het zand verwijderd moest worden en te zwaar was om handmatig te tillen, moest ook hier gebruik gemaakt worden van de kraan. Besloten is om de bank in banden te hangen en weg zo weg te dragen met de kraan. Om het naar binnen klappen van de vorm
Pagina 16
te voorkomen hebben we drukstaven aangebracht tussen de poten. - weghijsen van bankvorm weinig over te vertellen…. - afwerken onderkant Toen de bank uit de zandbak is gehesen hebben we de resterende papier machee verwijdert. - draaien van bankvorm Het draaien van de bankvorm is gebeurd door de bank ongeveer een halve meter boven de grond in banden te hangen en daarna met 2 personen handmatig te draaien. Dit ging boven verwachting goed. - afwerken van bovenkant Net als bij de binnenmal was ook hier weer zand blijven hechten aan de beton. De bank is op een mooie plek gehesen en toen is ook de bovenkant afgewerkt.
Zandba(n)k
- erop zitten en uitrusten…… dat hadden we wel verdiend…………
Bijlagen D w a r s d o o r s n e d e & L a n g s d o o r s n e d e B o v e n a a n z i c h t B e n o d i g d e m a t e r i a l e n
