De trillingsvrije opstelling van machines op betonnenfundamenten met stalen veren U.D.C. 621-217:693.5:628.517Machinefundaties : beton : bescherming tegen trillingendoor ir. W. Semeins en A. H. Beenhakker, Bouwbureau van de Koninklijke Nederlandsche Hoogovens en Staal-fabrieken N.V. te IJmuidenAlgemeenEen fundatieplaat voor een machine, opgelegd op de grgnd, oppalen of op kolommen, zal, indien deze grond, palen of kolommenals veren worden beschouwd, een aantal trillingsmogelijkhedenbezitten om verschillende assen en in verschillende richtingen.De vrije trillingen, die dit fundament op deze veren kan onder-gaan, worden de eigen frequenties genoemd.Bij het ontwerp van het fundament zal er naar moeten wordengestreefd, dat de eigen frequenties van het fundament niet gelijkzijn aan de gebruikstoerentallen van de machine op het funda-ment. Is dit wel het geval dan treedt resonantie op, dat wil zeggenhet fundament gaat trillen in deze frequentie, die dus tevens deeigen frequentie is, met een toenemende amplitude of uitslag,zodat dan beschadiging zowel van het fundament als van de ma-chine te duchten is.De opstelling van werktuigen en apparaten kan geschieden op eenfundament met een laagste eigen trillingsgetal, dat beneden degebruikstoerentallen ligt, die normaal zijn voor het werktuig ofapparaat. Er wordt dan gesproken van een slappe opstelling.Bij tafelfundamenten wordt deze slappe opstelling bereikt doorde bovenplaat, waarop de machine is geplaatst, te ondersteunendoor voldoende slanke kolommen. De kolommen vormen, dealtijd nog min of meer stijve, veren.Aangezien de meeste grote machines uit losse delen bestaan, dieten opzichte van elkaar worden gefixeerd door de fundatieplaatwaarop ze zijn geplaatst, worden hoge eisen aan de vormvastheidvan deze fundatieplaat gesteld.Deze plaat wordt meestal dan ook zwaar uitgevoerd.Bij tafelfundamenten, een type fundament dat gebruikelijk is in-dien de machine hoog opgesteld moet worden -bij voorbeeld omonder een turbine de condensor te kunnen bergen-, wordt devormvastheid nog vergroot door de met de bovenplaat door dekolommen gekoppelde onderplaat.Uit metingen is gebleken, dat niet alleen aandacht moet wordenbesteed aan de stijfheid van deze constructie-onderdelen, maardat de uitvoering zodanig moet zijn, dat de krimp en dus de ver-vormingen, hoofdzakelijk gedurende de eerste jaren, tot eenminimum beperkt blijven.De eigen frequentie van een fundatieplaat -een massa- op verenis omgekeerd evenredig met de statische invering van deze massaop de veren. De eigen frequentie wordt dus verlaagd door destatische invering te vergroten. Door bijvoorbeeld de verenslapper uit te voeren of de massa op te voeren.De uitslag of de amplitude van het trillende systeem is in het alge-meen eveneens omgekeerd evenredig met de massa op de veren.Om deze redenen zal dus bij een slap fundament de massa op deveren -de bovenplaat met de machine- niet te klein wordengenomen.Aangezien grond, palen of kolommen uiteraard slechts een be-perkte invering ondergaan, zal, indien zeer lage eigen frequentiesnodig zijn, het verlangen ontstaan de machine met de fundatie-plaat op rubberen of stalen veren te plaatsen.Daar in dat geval, bij tafelfundamentn, de kolommen niet meerdienst doen als veren in het trillende systeem, is men tevens vrijerfig. id. detail van de voeg tussen de bovenplaat en de omringendebordessenfig. 1a. bovenaanzicht van de bovenplaat van het fundament van eenwindmachinefig. 1b. langsdoorsnede A-B van de bovenplaatfig. 1c. dwarsdoorsnede C-D van de bovenplaat3I4 Cement 14 (1962) Nr. 5in de plaatsing en dimensionering van deze kolommen, waardoorde mogelijkheid bestaat meer ruimte te verkrijgen onder deboven plaat.Dit voordeel van meer ruimte onder de machine kan bepalendzijn voor de keuze van de opstelling op veren.De stijfheid van de machine zal nu volledig door de bovenplaatmoeten worden geleverd.De veren moeten op een voldoende stijve onderbouw wordengeplaatst, zodat de opstelling hiervan niet noemenswaard kanworden be?nvloed door zettingen.OntwerpVoor de opstelling van enige windmachines voor de hoogovensvan de Koninklijke Nederlandsche Hoogovens en StaalfabriekenN.V. te IJmuiden is deze methode op veren toegepast. Als belang-rijkste argument gold hierbij de overweging, dat onder de fun-datieplaat van de machine veel meer ruimte werd verkregen danmet een tafelfundament mogelijk was.De windmachine, die lucht comprimeert voor het aanblazen vande hoogovens, wordt aangedreven door een turbine.De windmachine is aangesloten op zware leidingen voor het aan-en afvoeren van de lucht.Onder de turbine bevindt zich de bijbehorende condensor. Figuur1 geeft een overzicht van het fundament.De machine-onderdelen zijn op de tekeningen weggelaten.De bedrijfsfrequenties van ??n van de windmachines vari?rentussen 37 en 68 Hz.Het systeem van de bovenplaat op de veren heeft een eigen fre-quentievan 5 Hz. Het totale gewicht op de veren bedraagt 166 ton.Het aantal veerpakketten bedraagt 12.De bovenplaat is opgelegd op de veerpakketten, die geplaatst zijnop balken ondersteund door kolommen. De balken bevinden zichin dit geval onder de bovenplaat. In flg. 2 is een oplossing geschetstwaarbij de onderkant van de balken op dezelfde hoogte is gebrachtals de onderzijde van de plaat op de veren. Dit kan voor hetbergen van leidingen soms noodzakelijk zijn. Het aanbrengen vande veerpakketten vraagt in dat geval een aparte constructie omdatze niet zonder meer tussen de balken en de bovenplaat kunnenworden geschoven.De veerpakketten zijn uitgevoerd met stalen veren.Het werd om verschillende redenen wenselijk geacht de veer-pakketten uitwisselbaar te maken. Zou onverhoopt breuk van eenveer optreden, dan was de vervanging eenvoudig. Tevens kondende veren na de montage van de machine worden aangebracht,zodat de montage dus kon geschieden op een vast opgelegdebovenplaat.UitvoeringDe uitvoering en de opstelling van een veerpakket is weergegevenin flg. 3. Hierbij zijn tevens enige varianten aangegeven, die zijntoegepast bij andere machines.De veren zijn geplaatst tussen een stalen onder- en bovenplaat.De onderplaat wordt gezet op de draagbalk. Een laag staalvilttussen deze plaat en het beton geeft niet alleen een goede druk-verdeling op het beton, maar tevens een goede isolatie tegen dezeer hoge geluidstrillingen van de machine, die niet door de verenworden ge?soleerd.Met behulp van de in de bovenplaat ingestorte spindel kan de af-stand tussen de opleggingen van het veerpakket zeer nauwkeurigworden ingesteld, terwijl tevens de mogelijkheid bestaat hetveerpakket weg te nemen. Waarbij dan uiteraard de bovenplaattijdelijk op andere wijze wordt ondersteund.De uitvoering van het veerpakket hangt uiteraard af van de op tenemen kracht en de verlangde veerconstante. De eenvoudigsteuitvoering wordt verkregen door enkele of in elkaar geplaatsteschroefveren, of met op elkaar gestapelde schotelveren.In bepaalde gevallen kunnen ook rubberen veren in aanmerkingkomen.Na het gereedkomen van de betonwerken is de bovenkant eerstop de juiste hoogte op hard-houten wiggen op de draagbalkengeplaatst.De montage van de machine kan daarna geschieden op een vastebovenplaat. Voor het uitlijnen van de diverse onderdelen is dituiteraard noodzakelijk.Het gewicht van de bovenplaat met de machine was bekend. Doorde veerpakketten stuk voor stuk te ijken in een drukbank konworden bepaald welke invering behoorde bij de uiteindelijkekracht in het veerpakket.De invering werd bepaald door de stand van de onder- en boven-plaat van het veerpakket op drie plaatsen te meten met een steek-passer.fig. 2a. fundament met in de bovenplaat ingekaste draagbalkenfig. 2b. de bij fig. 2a behorende opstelling van een uitneembaar veer-pakket tussen de bovenplaat en de ingekaste draagbalkfig. 3a. veerpakketten en stelinrichtingCement 14 (1962) Nr. 5 315Uit de gegevens omtrent de spoed van de spindel volgde nu hetaantal benodigde omwentelingen van de spindel om het veer-pakket de verlangde invering te geven.Bij de eerste windmachine, die op veren werd opgesteld, bleekhet gewicht op de veren wat groter te zijn dan in de berekeningwas aangenomen.Door de invering met kleine intervallen te vergroten, werd devereiste kracht bereikt.Bij de later gebouwde windmachines werd meestal direct na hetinstellen van de berekende invering de vereiste kracht bereikt enkonden de houten wiggen met enige lichte hamerslagen wordenverwijderd.De bovenplaat bleef goed op zijn plaats. De optredende afwij-king ten opzichte van de oude stand bleek ten hoogste circa0,1 mm te bedragen.SlotbeschouwingDe goede ervaringen, die zijn opgedaan bij de opstelling van dewindmachines op veren, hebben er toe geleid, dat voor meerderemachines deze methode is toegepast. In fig. 3 zijn enkele voorbeel-den gegeven van bij andere fundamenten toegepaste veer-pakketten.Ten opzichte van een fundament zonder veren behoeft een op-stelling op veren niet veel duurder te zijn. De betonconstructieblijft eenvoudig. De veerpakketten met de spindels vragen tenopzichte van het geheel geen grote bedragen en worden door onsin onderdelen besteld.Voor enkele machines is de leverancier van de machine verzochtde eigen frequentie van het systeem op te geven en de veren voorde veerpakketten zelf te leveren. De overige onderdelen vande veerpakketten en de spindels zijn elders aangevraagd.De berekening van de eigen frequentie van het gehele systeem iseenvoudig en nauwkeurig. De berekening van de eigen frequen-ties van de stijve bovenplaat op de veren is ingewikkelder en tijd-rovend. De uitkomsten geven een vrij nauwkeurige benaderingvan de werkelijkheid.Alle beton is gewapend met staal QR 42. Een poging om debovenplaat gedeeltelijk voor te spannen, ten einde het risico vanscheurvorming te beperken, strandde op de moeilijkheid de voorde grote doorsneden benodigde voorspanning te bergen en deverankeringen voor de voorspanning bereikbaar te maken.fig. 3b. enkele andere soorten veerpakettenHerstel brugplaat van li?ht(gewiGht)heton met behulp van een teer-epoxylaagHet brugdek van een tweetal Amerikaanse bruggen, uitgevoerdin licht(gewicht)beton, vertoonde na verloop van enkele jarensteeds toenemende vorming van haarscheurtjes. Met behulp vaneen laag kunsthars op teer-epoxybasis hoopt men verdere aan-tasting te voorkomen.De volgende werkwijze voor het aanbrengen van de kunsthars-laag is toegepast:1. zandstralen van het wegoppervlak en verwijderen van allelosse delen;2. aanbrengen van een 10%-zoutzuuroplossing (1 dm3/m2) met eensproeiwagen; inschrobben met bezems;3. wanneer na enkele minuten de eerste reactie zoutzuur-cementtot staan is gekomen (geen gasbelvorming meer), het dekschoonspoelen met een overvloed van water onder hoge druk;4. goed laten drogen van het beton, eventueel vette of anderszinsverontreinigde plaatsen schoonmaken met oplosmiddel;5. de kunsthars en het uithardingsmiddel -die gescheiden in dedoseermachine zijn opgeslagen- via een mengkamer en eensproeibuis op het beton aanbrengen (1,7 dm3/m2),(De dosering en het tempo van aanbrengen blijken zeer nauwte luisteren.);6. afzanden met scherp zand (circa 10 minuten na het aanbrengenvan de harslaag).De aldus bereikte laagdikte bleek te bedragen:onafgezand 1/16"afgezand: 1/8".Om een indruk te krijgen omtrent de benodigde tijd, die de bo-venstaande bewerkingen vragen met goed opgezette apparatuur,volgen hierna enkele bereikte prestaties:zuren en afspoelen 1700 m2/hr.aanbrengen teer-epoxylaag 3700 m2/hr.Alhoewel het in Nederland niet gauw voor zal komen, dat een brugdek-van licht(gewicht)beton nog wel- onafgedekt wordt gelaten, lijkt mijde ontwikkeling van de kunstharsen voor verharding van brugdekkenvan groot belang, te meer daar in Rotterdam met een kunstharslaagop een stalen brugdek zeer gunstige ervaringen zijn opgedaan. In ditgeval is de verhardingslaag op polyesterbasis met zandvulling toe-gepast.Ontleend aan de Civil Engineering, maart 1962, 'Thin epoxy layerrestores concrete bridgedeck' by T. T. Mackenzie.ir. J. Aarnoudse316 Cement 14 (1962) Nr. 5