Composietoplossingen versnellen betongevelproductie

Elk meerverdiepingsgebouw dat vandaag gebouwd wordt, vereist een gevel. Afgeleid van het Franse woord façade, wat op zijn beurt kwam van het Italiaanse facciata, betekent het “gezicht”. Kortom, de gevel is de exterieure, publiek-zichtbare structuur die het gebouw zijn karakter, kleur en vorm geeft. Voor architecten stelt de gevel de toon voor de rest van het gebouw en zegt veel over de architectonische intentie van de ontwerper.

Een gevel is ook functioneel. Het biedt de structuur die ramen en deuren omringt, beschermt het gebouw tegen weer en impact, en beïnvloedt de energie-efficiëntie van het gebouw. Een gevel kan geconstrueerd worden uit diverse materialen, inclusief composieten, staal, glas of beton. Beton in een gevel, door zijn vormbaarheid, kan gebruikt worden om een gebouw een hoog dimensionaal en visueel indrukwekkende uiterlijk te geven, met name als de betonvormen gevarieerd zijn.

Suiker is koning

Dit was het geval bij Domino Park, een 11-acre herontwikkelingsproject langs de Williamsburg waterfront in Brooklyn, NY, VS. In het hart van Domino Park staat de 138-jarige Domino Suikerraffinaderij, die in 2004 sluit en nu gerenoveerd wordt als kantoor- en detailhandelruimte. Een deel van Domino Park omvat diverse nieuwe gebouwen, inclusief de 45-verdiepingen One South First en het aaneengesloten 10 Grand. Voor deze gebouwen besloot de architect, COOKFOX (New York, NY), een betonnen gevel te gebruiken die meerdere oppervlaktehoeken, meerdere raamlijstvormen en meerdere raamlijfbreedtes heeft om, op afstand, losjes een gevoel van suikerkristallijnheid over te brengen, in lijn met de geschiedenis van de locatie.

Gate Precast Co. (Jacksonville, Fla., VS) won de contract om de betonnen gevel – eigenlijk een serie raamlijsten – voor het One South First project te bouwen. Het bedrijf zou, zoals gebruikelijk voor een betonnen gevel, de lijsten op eigen faciliteit fabriceren en dan afgeronde lijsten naar de bouwplaats sturen waar ze via kraan in plaats getild zouden worden voor installatie. Als Gate had besloten traditie te volgen, zou het houten gietvormen hebben gebouwd om alle betonnen lijsten te vormgeven. Gate besloot echter niet de traditie te volgen.

Om te begrijpen, ga terug naar 2017, toen Gate samenwerkte met het Precast/Prestressed Concrete Institute (PCI, Chicago, Ill., VS) en Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., VS) om een voorlopige beoordeling te doen van het gebruik van groot-formaat additieve productie om composiet gietvormen te bouwen voor in-plant prefab betonvorming. Deze beoordeling werd gedaan met een BAAM (Big Area Additive Manufacturing) machine bij ORNL. BAAM is een groot-formaat additieve productiemachine met een 25-vierkante-meter bouwenvelop, co-ontwikkeld door ORNL en Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, VS). Gate committeerde zich tot het bouwen van composiet gietvormen voor de One South First gevel. Het project vereiste 80 gietvormen in totaal, 37 daarvan zouden geprint worden. De overige 43 zouden van hout gemaakt worden. Op het moment dat deze beslissing genomen werd, waren de tijdlijnen voor gietvormlevering krap.

In 2016 had Additive Engineering Solutions (AES, Akron, OH) zijn eerste BAAM-machine van Cincinnati Inc. verworven. Daarom keken ORNL en Gate Precast naar AES voor hulp. Andrew Bader, VP en medeoprichter van AES, zegt dat zijn bedrijf en ORNL het werkpakket deelden, met AES producerend 18 van de 37 gietvormen. Bader zegt dat elke raamlijst gietvorm ongeveer 5-6 voet breed, 9-10 voet hoog en 16 inch diep meet en ongeveer 500 lb weegt.

Bader zegt dat de interieurgeometrie van de gietvormen, omdat ze ontworpen zijn om lijsten te produceren die rechthoekige ramen omringen, relatief simpel was. Echter, het ontwerp van de exterieure oppervlakken van de lijsten, zoals opgemerkt, was complexer, met gevarieerde diepten en hoeken geïntegreerd in elke gietvorm. Een geprint vorm verving een houten vorm samengesteld uit veel individueel gesneden stukken genageld. “De geometrie was simpel, maar gecompliceerd,” aldus Bader. “Het project vereiste diverse unieke lijstontwerpen, afhankelijk van lijstlocatie.”

Voor een deel van de productie koos AES een LNP THERMOCOMP AM compound, een hoge-modulus, lage-krimp materiaal gebaseerd op ABS met 20% gehakte koolstofvezel versterking geleverd door SABIC (Houston, Tex., VS). Bader zegt dat het de BAAM machine 8-10 uur kostte om elke monolithische gietvorm te bouwen, gevolgd door 4-8 uur machineren en afwerken in een Quintax (Stow, Ohio, VS) CNC machine. Hij rapporteert dat de gietvormen geschuurd werden tot de vereiste afmetingen, maar niet geseald.

Fabriceren van raamlijsten

De gietvormen werden geleverd aan Gate's Winchester, Ky., VS, faciliteit waar ze naast de 43 traditionele houten gietvormen gebruikt werden die Gate voor het project bouwde. De houten gietvormen werden handmatig gemonteerd door Gate-medewerkers, daarna werd een glasvezelmat en harscoating aangebracht, met vormolie gespoten om de vrijgave van gevormde betonnen lijst te vergemakkelijken. Vormolie werd ook op de composiet gietvormen gespoten om vrijgave te vergemakkelijken.

Om een betonstorting uit te voeren, werden meerdere gietvormen op een houten storttafel van 40-50 voet lang geplaatst. Gietvormen werden gegroepeerd om een enkele lijst, een dubbele lijst of een driedubbele lijst te produceren. Staalwapening werd in elke gietvorm gepositioneerd en beton werd om de wapening gegoten. De storttafel werd daarna getrild om het beton te consolideren. Na 14-20 uur uitharding werden de raamlijsten ontvormd, zuur gewassen en gepolijst. Vervolgens werden de ramen geïnstalleerd en het hele pakket per vrachtwagon naar de bouwplaats in Brooklyn verzonden.

Bader zegt dat de AES composiet gietvormen, naast de traditionele houten gietvormen werkend, snel hun voordelen onthulden. Ten eerste, aldus hij, stelt een houten gietvorm slechts 15-20 betonstortingen toe voordat het uit dienst genomen moet worden en herbouwd of vervangen. De AES gietvormen, daarentegen, toonden 200 betonstortingen toe met minimale herbouwing of buitendiensttijd. En de 200 stortingen, zegt Bader, vertegenwoordigen het einde van het project, niet het einde van de gietvormlevensduur. “Dat is gewoon waar ze stopten,” aldus hij. “Als onze gietvormen goed onderhouden worden, denken we dat ze honderden malen gebruikt kunnen worden.”

Verder, voor gebruik van 150 stortingen of meer, berekent Gate dat het tot 10 houten gietvormen zou kosten om de prestaties van één AES gietvorm te halen. Ook, gegeven dat het Gate 40 man-uren kost om een houten gietvorm te produceren, zonder de 37 composiet gietvormen had het bedrijf de schema-eisen van het One South First project niet gehaald.

Bader toegeven dat een AES composiet gietvorm vier keer zoveel kost als een houten gietvorm, maar minstens 10 keer duurzamer is. “De manier waarop prefab gietvormen gebouwd zijn, is decennialang redelijk onveranderd gebleven,” stelt Bader. “Plotseling, op een dag, maken we 500-lb 3D vormen en iedereen was geschokt.” Dat gezegd, erkent hij dat additieve productie van dergelijke gietvormen meest kosteneffectief is in toepassingen waar betongietvormen gecompliceerde geometrie of hoge herhaling hebben – dezelfde vorm veel keren.

AES, aldus Bader, bezit en exploiteert nu vier BAAM machines en kan onderdelen tot 8 voet hoog produceren. Veel grotere onderdelen zijn geconstrueerd door meerdere stukken te verbinden.