In deze casestudy gaat het om een project van het bouwbedrijf Furnibo. In 2020 heeft Furnibo een realtime meting van beton met behulp van sensoren uitgevoerd op zijn pilootwerf in Veurne (Suikerpark), die bestaat uit twee woontorens met 69 appartementen. Het doel van dit onderzoek was het optimale tijdstip voor het verwijderen van de bekisting te bepalen en er tegelijkertijd voor te zorgen dat het materiaal zijn mechanische sterkte heeft kunnen ontwikkelen. Op die manier kan de onderneming de kosten voor het huren van stempels en bekistingen verminderen en haar planning beter beheersen.
In een sector als die van de bouw is een goede planning van cruciaal belang, omdat het de rentabiliteit van een project sterk beïnvloedt. Dat is een van de redenen waarom de toepassing van lean bouwen op grote bouwplaatsen de laatste jaren toegenomen is, waardoor de planning gemakkelijker aangepast kan worden aan onvoorziene gebeurtenissen.
De planning is echter nog steeds afhankelijk van een aantal processen waar men binnen de productieketen van de bouwplaats geen vat op heeft. Zo is het verwijderen van de betonbekisting een belangrijke fase, die in het bijzonder beïnvloed wordt door externe meteorologische factoren (hoofdzakelijk buitentemperatuur, luchtvochtigheid en wind). Ongunstige weersomstandigheden kunnen de wachttijd immers aanzienlijk verlengen.
Bij gebrek aan nauwkeurige gegevens die in realtime verkregen werden, wordt de invoering van lean dan ook belemmerd door dergelijke erg onzekere processen.
In 2020 heeft Furnibo een realtime meting op beton uitgevoerd om precies te bepalen wanneer het materiaal ontkist kan worden. Hiervoor installeerde de aannemer een aantal sensoren rechtstreeks in het beton, die aangesloten werden op een monitoringssysteem. Op basis van de ontwikkeling van de temperatuur van het beton kan dit systeem de maturiteit beoordelen en de sterkte bepalen. Het instrument baseert zich daarvoor op een concreet rijpheidsmodel. Het algemene principe is als volgt: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de kinetica van de chemische hydratatiereactie in het beton, waardoor de rijpheid/maturiteit van het beton en de wachttijd voor het verwijderen van de bekisting versneld worden.
Hoe werkt het?
Proeven op betonmonsters
In de voorbereidende fase werd het mengsel geproduceerd door een betoncentrale en in monsters gegoten. Het is belangrijk dat deze monsters onder gecontroleerde omstandigheden bewaard worden: bij een constante temperatuur van 20 °C en een relatieve luchtvochtigheid van 60 %. Vervolgens wordt op regelmatige tijdstippen tijdens de 28 dagen waarin het beton verhardt een kubusdruksterkteproef uitgevoerd, om de evolutie van de betonsterkte onder laboratoriumomstandigheden nauwkeurig na te gaan. Deze stap is nodig om de rijpingscurve van het betonmengsel op te stellen (dat in precies dezelfde verhoudingen gereproduceerd wordt tijdens de uitvoering op de bouwplaats).
Deze voorbereidende fase stelt ons in staat de directe relatie tussen de maturiteit en de druksterkte van beton vast te stellen. Door deze relatie te koppelen aan de in het laboratorium verkregen curve en de ontwikkeling van de temperatuur van het beton op de bouwplaats op te volgen, is het mogelijk om de ontwikkeling van de equivalente sterkte van het ter plaatse gestorte beton in de tijd te bepalen.
Sensoren aanbrengen op de bouwplaats
Het monitoringssysteem moet in staat zijn de temperatuurmetingen, die op verschillende plaatsen in het beton verricht worden, te koppelen aan een gegevensanalyseplatform dat de gebruikers feedback geeft over de maturiteitsgraad van het beton. In het geval van Furnibo werd deze taak toevertrouwd aan een onderaannemer, CLEW Systems & Software , die het volledige proces in goede banen geleid heeft (huur van de hardware/software en plaatsing op de bouwplaats).
De volledige opbouw die door CLEW Systems & Software gebruikt werd, is terug te vinden in het onderstaande schema.
- de meetkabels moeten rechtstreeks in het materiaal ingewerkt worden. Ze bevatten de temperatuurmeetsensoren (tot 30 per kabel) en zorgen voor de overdracht over lange afstanden. De kabel bestaat uit een flexibele, waterdichte metalen mantelbuis IP68. In deze configuratie is de buis ingewerkt in het gestorte beton en dus wegwerpbaar. Er zijn echter andere systemen die een volledig hergebruik van de sensoren mogelijk maken (maar deze vereisen een complexere uitvoering)
- zendkasten die dicht bij de sensoren geplaatst worden en er via een kabel mee verbonden zijn, maken de draadloze overdracht van gegevens naar de gateway mogelijk via een beveiligd lokaal netwerk (bv. LoraWAN-protocol). Hun laag stroomverbruik garandeert een batterijlevensduur van meer dan vijf jaar. De behuizing is IP67-gecertificeerd en dus stofbestendig en waterdicht
- de gatewaykast is het draadloze communicatiecentrum dat de gegevens centraliseert. Zijn rol bestaat erin de gegevens van de zendkasten die in de buurt van de sensoren geplaatst zijn, te koppelen aan de realtime analyse die in de cloud uitgevoerd wordt. Dankzij zijn bereik kan hij zonder problemen communiceren met de zendkasten die zich 500 meter verder bevinden (volgens de fabrikant is de maximumafstand 2000 meter). De gegevens worden via het cellulaire netwerk (2G/3G/4G) naar de cloud gestuurd. De behuizing is IP65, wat ook een goede bescherming tegen stof en water garandeert.
De sensoren werden ondergebracht in de laag van het wapeningsnet en verbonden met een zendkast die bevestigd is aan de betonnen borstwering, ongeveer 30 cm boven de toekomstige vloerplaat. Als voorzorgsmaatregel werd de kast bedekt met plasticfolie (ondanks de IP67-certificering).
Ten slotte werd de gateway op hoogte geplaatst, zodat een goed bereik over de volledige bouwplaats gegarandeerd zou zijn. De installatie ervan op hoge en moeilijk toegankelijke plaatsen voorkomt ook diefstal of beschadiging.
Het beton monitoren
Zodra de apparatuur geplaatst is, kan het beton gestort worden om de sensoren in te werken. Vanaf dan kan het meetproces beginnen. Met behulp van een mobiele applicatie of via een computer kan de werfploeg de evolutie van de temperatuur en de mechanische sterkte van het beton in realtime volgen, en onmiddellijk gewaarschuwd worden wanneer het tijd is om de bekisting te verwijderen.
Resultaten en voordelen
Voor de bouwploeg is een van de belangrijkste voordelen van de sensoren dat ze op elk moment de mechanische sterkte van het beton kunnen bepalen, waardoor ze over tastbare gegevens beschikken om hun werk te organiseren.
Volgens Robbe Verfaille, werfleider van Furnibo, “zou het verzamelen van de gegevens zonder de monitoringtoepassing en de sensoren dagelijks een uur tijd in beslag genomen hebben. Bovendien genereert een dergelijke wijze van gegevensverzameling discontinue metingen, zodat een potentiële anomalie vaak te laat ontdekt wordt, waardoor er niet geanticipeerd kan worden met betrekking tot schade of vertraging”.
Meer in het algemeen maakt een dergelijke monitoring het mogelijk om in te spelen op de risico’s die inherent zijn aan elke bouwplaats, door bijvoorbeeld de temperatuur (om vorstschade te voorkomen) of de vochtigheidsgraad (om waterschade te voorkomen) te bewaken. Het biedt ook een controle om sneller te werken of om planningsbeslissingen te nemen (bv. vochtcontrole bij het plaatsen van een droge afwerking of temperatuurcontrole bij het plaatsen van een natte afwerking).
Het proces is daarom een uitstekende instap op het gebied van smart bouwplaatsen, waarbij aannemers vertrouwd kunnen raken met een draadloos sensornetwerk en monitoring via een cloud-platform.
Financieel aspect
De volledige opdracht van CLEW Systems & Software, met inbegrip van de huur van de apparatuur en de toegang tot de toepassing, alsmede de installatie ter plaatse, vertegenwoordigt een kostprijs van ongeveer 3000 EUR/maand (excl. btw).
In het algemeen kunnen de kosten van een sensor geraamd worden op 50 à 100 euro per stuk. Het aantal benodigde sensoren is afhankelijk van het te meten oppervlak, maar ook van de gewenste nauwkeurigheid. In slecht blootgestelde oppervlakken (bv. slecht geventileerde hoeken) kan de mechanische sterkte zich langzamer ontwikkelen.
Gezien de lage kostprijs van de sensoren is de terugverdientijd (payback period) bijzonder kort.
Aannemers kunnen er dus onmiddellijk voordeel uit halen. Wanneer vertragingen, zelfs geringe van 1 tot 3 dagen, zich opstapelen over tientallen cycli, betekent dit dat weken aan potentiële vooruitgang verloren gaan. Als het beton op een kritiek punt in de planning ligt, zijn de kosten in verband met deze vertragingen zeer hoog.
Het is uiteraard nooit gemakkelijk om de financiële winst van een dergelijk systeem concreet in te schatten, aangezien de bijdrage ervan hoofdzakelijk bestaat uit de risico’s en problemen die het kon voorkomen, en de kosten die daarmee gepaard zouden gaan.
Als het verwijderen van de bekisting zich op een kritiek punt in de planning bevindt, en het apparaat het mogelijk maakt de bekisting één of meer dagen vroeger te verwijderen, kan de winst gemakkelijk oplopen tot honderden of duizenden euro’s, afhankelijk van de omvang van het project.
Een stap verder: voorspellende controle van de droging van beton
Het is één ding om te weten op welke dag je de bekisting kunt verwijderen, maar het belang van gegevensverzameling kan nog groter zijn.
Met behulp van de verzamelde gegevens is het nu mogelijk om enkele dagen van tevoren nauwkeuriger te voorspellen hoe de droging van beton zich waarschijnlijk zal ontwikkelen.
Dit blijft immers in het algemeen sterk afhankelijk van de buitentemperatuurparameters en – in mindere mate – van de luchtvochtigheid. Dit zijn twee variabelen die min of meer van tevoren gekend kunnen zijn aan de hand van weersvoorspellingen. Zo beginnen voorspellingsmodellen ontwikkeld te worden, waarin lokale weergegevens, een databank van historische betonverhardingsmetingen en realtime metingen van in de gemonitorde vloerplaat geplaatste IoT-sensoren gecombineerd worden. Door gebruik te maken van voorspellingstechnieken op basis van machine learning (een tak van de kunstmatige intelligentie), wordt het vervolgens mogelijk nauwkeuriger te voorspellen wanneer het beton zijn mechanische sterkte zal bereiken, met foutmarges die voor gebruik in de praktijk aanvaardbaar zijn.
Heb je vragen over sensoren in de bouwsector of wil je deze technologieën testen of implementeren?
Neem contact met ons op. Wij kunnen je helpen of adviseren.