Slimme connector voor demontabele bamboestructuren

De connectoren kunnen worden 3D-geprint in bio-plastic en aangepast aan het type materiaal dat voor de constructie wordt gebruikt. De uitvinding is beschermd door een EU-octrooi en het onderzoek is gepubliceerd in Composite Structures.

Het systeem bestaat uit een verwijderbare clipverbinding voor ruwe bamboestructuren, aangepast aan de Europese markt. Het gebruik van parametrisch ontwerp en 3D-printen maakt het mogelijk om zowel ontwerp- als productieprocessen aan te passen aan de niet-uniforme bamboehalmmaten, terwijl ze toch gestandaardiseerd zijn. De resulterende ontwerpmogelijkheden zijn zeer groot vanwege het hoge aanpassingsvermogen van het hele proces.

De efficiëntie van het geïntroduceerde verbindingssysteem is experimenteel gevalideerd. Gestandaardiseerde exemplaren van het biocomposietmateriaal, een verbindingsdetail (clip) en een structurele component werden experimenteel onderzocht om het ontwerp te valideren. Een piramidale structuur gemaakt van bamboehalmen met een diameter van 30 mm en een dikte van 4 mm was bestand tegen een belasting van 7 kN bij compressie, wat de relevantie van het voorgestelde verbindingssysteem aantoont. Een eindige elementenmodel werd ontwikkeld om het clipgedrag te modelleren en met succes te vergelijken met de experimentele resultaten. 

Figuur 1, de clip

Constructief concept

Het verbindingssysteem maakt het mogelijk om eenvoudig meerdere bamboehalmen aan elkaar te koppelen door middel van een clipsysteem. De clips zijn samengesteld uit een basis, twee gebogen benen en een knop aan het einde van elk been. De benen worden gebogen om de verbinding in (of uit) de bamboehalm in te voeren en vervolgens gaan de knoppen in ronde gaten die in de halmen zijn geboord. De knoppen nemen trekkrachten op; druk wordt overgedragen via de basis en de knoopkern (zie Fig. 2). De basis maakt het ook mogelijk om rotatie van de halmen aan de basis te voorkomen. Het systeem is daarom geschikt voor de meeste belastingsgevallen en is tegelijkertijd gemakkelijk te verwijderen dankzij het gebruiksgemak van het clipmechanisme. Het clipping-compliant mechanisme wordt schematisch getoond in Fig. 1.

Figuur 2, de knoop

In een constructie gemaakt met dit verbindingssysteem heeft elk bamboehalmeinde een bijbehorende clip, aangepast aan de afmetingen van dat halmeinde. Alle clips die een knoop vormen, zijn verbonden door een tandvormig mechanisme (geen lijm nodig, zie Fig. 2) met de knoopkern die is aangepast aan de specifieke geometrie van die knoop. Dit kit-of-part-systeem is daarom zeer eenvoudig te gebruiken en gestandaardiseerd, terwijl de resulterende structuren complexe geometrieën kunnen hebben. Fig. 3 toont het ontwerpproces van twee verschillende complexe knooppunten:

Figuur 3, verschillende knooppunten

Van Wassenhove heeft een online programma gemaakt waar gebruikers met behulp van zijn connector stijlvolle, modulaire bamboemeubels kunnen ontwerpen. Nadat klanten hun ontwerp hebben gemaakt en hun bestelling hebben geplaatst, genereert hij snijbestanden voor de bamboesecties. Die stuurt hij, samen met de 3D-printplannen voor de connectoren, naar een lokale fabrikant.

De Europese bamboe-industrie staat weliswaar nog in de kinderschoenen, maar daar trekt de civiel ingenieur zich niets van aan. "Bamboe wordt nog steeds gezien als ‘poor man’s wood’, geassocieerd met terrasmeubilair, exotische vakanties en een milieuvriendelijke levensstijl", zegt hij. "Ook mist in Europa nog de productiekennis om bamboe op de juiste manier te snijden."

Maar bamboe heeft veel duurzaamheidsvoordelen ten opzichte van hout, zijn directe concurrent: omdat bamboe zo snel groeit, is het tot vier keer productiever dan bomen; het kan tot 30% meer CO2 fixeren dan bladbomen; zijn mechanische eigenschappen maken het verrassend solide; en dankzij de connectoren van van Wassenhove kan hij zonder al te veel fabricagewerk worden gebruikt.

"Mijn doel is om bamboe naar de Europese industrie te brengen, als onderdeel van de overgang naar een duurzamere economie"." Hij ziet al toepassingen voor bamboe in de bouw, bijvoorbeeld door met beton gevulde bamboestammen te gebruiken in constructieve elementen van gebouwen.