IBRUGGENBOUW IALGEMEENONTWERP IVOORSPANNING IDOORBRAAK IN TOEPASSINGVAN UITWENDIGEVOORSPANKABELSIn met name Frankrijk en de VS wordt bij de bouw van bruggen enviaducten in toenemende mate gebruik gemaakt van voorspankabelsdie niet in de betondoorsnede zijn opgenomen. Dergelijke kabelsbieden nieuwe mogelijkheden om te besparen op materiaal enarbeidskosten. In dit .artikel wordt ingegaan op enkele bijzonderhedenvan deze wijze van voorspannen. Ook wordt gewezen op de risico'svoor de veiligheid van dergelijke constructies.Voorspankabe1s die niet in de be-tondoorsnede zijn opgenomenis op zichzelf geen nieuwe ge-dachte. Reeds rond de jaren '30 heeftmen de toepassing van dergelijke kabelsoverwogen. De pogingen hadden wei-nig succes. Gezien de stand van de tech-nologische ontwikkeling,vooralvan hetvoorspanstaal, is dat te begrijpen.In dejaren '50 zijn met deze kabels welconstructies gerealiseerd, zowel inFrankrijk,Engeland als Duitsland.Doorde beschikking over hoogwaardig voor-spanstaal kon een blijvend hoge voor-spankracht worden verkregen. Hetvoorspanstaal was wel door middel vanbeugels over de gehele lengte aan de ei-genlijke betondoorsnede verankerd enmet beton omhuld. De ontwikkelingheeft zich niet doorgezet. Onder meerde kostbare voorzieningen om het be-loop van de kabels te wijzigen warenweinig stimulerend.Rond 1967 speelde het gebruik van dekabels, die los van de betondoorsnedegehouden waren, een rol bij de ontwik-kelingvanhet schuifproc?d? voorbrug-gen in de BRD. De aanvankelijke toe-passing hierbij van uitwendige kabelsheeftzichnietdoorgezet.Achterafbleekbij de schuifbrug te Tauberbisschofs-heim dat bij het aanspannen van de ka-bels in dezadels eenaanzienlijke tempe-ratuurverhogingwas opgetreden, waar-door het staal een harding had onder-gaan. De later opgetreden kabelbreukwerd aan dit hardingsproces geweten.In dejaren '70 echter lijkt in de toepas-sing continuiteit te komen. In Frankrijkzag men vooral mogelijkheden om metdergelijke kabels beschadigde bruggente reconstrueren ofbestaande te verster-ken. Daarbij kon worden voorzien in demogelijkheid om extra kabels in te bou-wen, c.q. bestaande te vervangen. In56tweede instantie vonden uitwendigevoorspankabels ook toepassing in nieu-we bruggen.Via Frankrijk kwam een ontwikkelingin de VS op gang, gestimuleerd dooreconomische motieven zoals besparingop arbeid en materiaal. Wanneer deLong Key-brug (fig. 1) het prototype isvaneen nieuwe generatie Amerikaansebruggen van voorgespannen beton,wordtdeze ontwikkeling nietzonder ri-sico's beschouwd. Dat kwam onlangsnaar voren tijdens een STOVO-verga-dering in een discussie naar aanleidingvan een voordracht door prof.dr.ir.A.S.G.Brugge1ing. Behalve dat het bij degenoemde brugontbreektaan de moge-lijkheid om kabels eventueel te vervan~gen, bezit de constructie tevens weinigincasseringsvermogen door het ontbre-kenvan doorgaande wapening in het uitgeprefabriceerde moten samengesteldebrugdek.Hoewel economische motieven opzichzelf respectabel zijn, rijst hier tochdevraag ofniet teveel concessies zijn ge-daan aan de veiligheid en de duurzaam-heid van de constructie.Een eenvoudiger kabelbeloopDeverankeringvan uitwendige kabels isaanzienlijk kritischer dan die van in-wendige kabels. In het eerste geval moetde krachtsoverdracht volledig door deverankeringsconstructie worden opge-nomen. Men plaatst de verankeringendaarom bij voorkeur in massieve brug-onderdelen. Dat kunnen bij voorbeeldin kokerliggers de verstijvende dwars-schotten zijn boven de ondersteunin-gen. Als eenbelangrijkvoordeelvan uit-wendige voorspankabels geldt het een~voudige trac? dat in ??n vlak gelegen is.Het eenvoudigste kabelbeloop ontstaatwanneer de kabel vanafde beide veran-keringenbovende pijlers schuinomlaagloopt naar de ombuigpunten die bij deLong Key-brug bestaan uit stevige nok-ken op de aansluiting van de onderplaataan een van de zijwanden (fig. 1). Hetwijzigen van het kabeltrac? kan ookworden gerealiseerd met een dwars-schot of, zoals bij de Bubiyan-brug inKoeweit, de kabels over een gedeeltedoor een verstijvingsrib van de onder-plaat te voeren (fig. 2). Tussen de tweeombuigpunten heeft de kabel een rechtverloop.Kabels kunnen aan nokken of dwars-wanden ook worden verankerd (fig. 3).Behalve besparing door het eenvoudigekabel15eloop wordt ook materiaalbespa-ring verkregen door de slankheid vanhet kokerprofiel te optimaliseren. Dezereductie op de dikte van de zijwandenzal afhangenvan de mate waarin het ka-belbe100p is afgestemd op de krachts-werking in de constructie.Uit de praktijk is inmiddels geblekendat de uitwendige kabels bij de meestebestaande uitvoeringsmethodieken inde bruggenbouw kunnen worden toe~gepast. Daarbij worden de uitwendigekabels doorgaans gecombineerd metin~wendige kabels.Behalve kabels ter lengte van ??n over~spanning ofeen gedeelte daarvan, wor-den kabels ter besparing op verankerin-gen ook over ??n of meer steunpuntendoorgevoerd (fig. 2).Doorbraak in FrankrijkTijdens het recent gehouden IABSE~congres te Parijs-Versai1les over de toe-komst van betonconstructies (2-4 sep~tember jl.) werd het gebruik van uit-wendigevoorspankabels door een Fran~se rapporteur een markante ontwikke-ling genoemd. De vervangbaarheid vanvoorspankabels wordt gezienals eenex-Cement 1987 nr. 121 Long Key Bridge, Flo:rida, VS.Schema van de bouwmethode enbeloop van de voorspankabelsontwerp: Figg & Muller2Bubiyan Bridge, Koeweit.Langs-en dwarsdoorsnede van debrngdekconstructie met beloop van denitwendige voorspankabelsontwerp en uitvoering: BouyguesI'20.50oocO1,40doorsnede p.3Verankeringsnok voor uitwendigevoorspankabel~~1. II iI4 Dalbrug l'Arret - Darr?, Frankrijk.Een alternatiefontwerp van hetbureau SECOACement 1987 nr. 12 57I_B_R_U_GG__E_NB__O_UW I_AL_._G_EMEE_._._N_O_NTWERP-- -'-IV'_O_O_R-SP_~_._~._N_G ---,Sa P.~cipe van opengewerktezIjwanden van eentrapeziulnvortnige kokerdoosnede lnetuitwendige voorspankabelsGRANDE BASE OUAMEl_POINTE OU MONTANTIPETITE BASE ICOUPE A.Asb.. Maqnettefoto van het CharollesViaduct, naar een ontwerp vanhet bureau SECOAking met een traditioneel ontwerp be-dragen de bouwkosten 3% meer.In Duitsland is men momenteel werk-zaam aan ontwerpen voor spoorbrug-gen waarin uitwendige voorspankabelsworden toegepast. Daarbij wordt uitge-gaan van de voorwaarde dat gelijktijdigtwee kabels moeten kunnen wordenvervangen zonder dat daarbij het trein-verkeer hinder ondervindt. In vergelij-variatie is daarom nietzo groot, zodatdekabels kunnen worden aangetrokkentot een voorspankracht die bijna zogroot is als bij traditionele voorspanka-bels. Bij deze constructieve oplossingwordt een trapeziumvormige koker-doorsnede over de gehele lengte van deoverspanning constant gehouden.Uitde getoondevoorbeelden tijdens hetgenoemde symposium blijkt dat de zij-wanden van kokerliggers niet meer ge-sloten behoeven te zijn. De/openge-werkte zijwanden bieden tevens een op-lossing voor het ombuigen van de uit-wendige kabels (fig. 5).tra garantie voor de duurzaamheid vande constructie. Met name trapezium-vorrnige kokerdoorsneden bieden eeneconomische en tevens elegante oplos-sing bij de toepassing van dergelijke ka-bels. Het voorspannen van bruggen metuitsluitend (vervangbare) uitwendigevoorspankabels is tot dusver alleen terealiseren bij brugdekken die wordenuitgevoerd op een(verplaatsbare) bekis-ting.Geavanceerde idee?n daarover werdenuitgewerkt in een alternatief ontwerpvoor de l'Arret Darr? - dalbrug, metoverspanningen van 100 m: uitwendigekabels die over een bepaalde lengte vlakboven de onderplaatvan de kokerliggerzijn gelegen worden omhooggevoerdtot een hoogte van ca. 1/15 van deover-spanning boven het brugdek (fig. 4). Dekabels dienen voor de langsvoorspan-ning van het brugdeken behoeven geenverticale belastingen op te nemen zoalsbij tuikabels het gevalis. De spannings-KanttekeningenMetname de Franseontwikkelingento-nen aan dat uitwendige voorspankabelsleiden tot meer vrijheid bij het ontwer-pen. De traditionele kokerligger is in-middels ge?volueerd tot een samenge-steldeconstructie van platen en balken.De toepassing beperkt zich vooralsnogtot de bruggenbouw, maar daar behoefthet niet bij te blijven.Vanuit de huidige praktijkervaringenbeschouwd, kunnen bij het toepassenvan uitwendige kabels de volgende1-- ------------' kantrekeningen worden gemaakt:* Met uitwendige voorspankabels wor-den constructies verkregen die te verge-lijken zijn met een vza-constructie.* Er is nog weinig bekend over de sa~menwerking in dergelijke constructiestussen beton en voorspanstaal. Men kanzich bij voorbeeld de vraag stellen wathet effect isvanvormveranderingenvande kabels op het beton onder invloedvan temperatuurverschillen.* Verder moet worden opgemerkt datdoor besparing op het materiaalgebruikin de wandenvan brugkokers een ande-re verhouding ontstaat tussen de per-manente belasting ten opzichte van denuttige belasting.Gezien het bovenstaande wordt gewe-zen op het gevaar dat het dergelijke con-structiesaanvoldoendeincasseringsver-mogen ontbreekt.*De kwetsbaarheid van uitwendige ka-bels, onder meer met het oog op sabota-ge en brand, kwam op een wat bizarrewijze aan het licht toen in Frankrijkeenzigeunerfamilie werd ontdekt die hetinwendige van een brugkoker tot ver~58 Cement 1987 nr. 12dODrsnede p"~I ? Ii l6 Krommingsdruk ter plaatse vaneen verankeringsnok 7 Vereenvondigd mod~l ter bepaling van debrenkveiligheid van nitwendige voorspankabelsblijfplaats had uitgekozen en daar ombegrijpelijke redenen een stookplaatshad aangelegd.De technologie van uitwendige ka-belsIn de eerder genoemde discussie werdonder meer gesteld dat .de techniek ende technologie van uitwendige kabelsnog inde kinderschoenen staan.Dat be-treft zowel de bescherming van de kabelen zijn verankering, als het aanspannenvan de kabels en de optredende krom-mingsdrukken bij de afbuigpunten(fig. 6).Bij de ophangkabels van tuibruggenheeft men het belang onderkend omtweezijdig voor te spannen. Op dezewijze wordt verplaatsing ten opzichtevan de zadels voorkomen. Gezien hetvoorspannen tot wel 80% van de breuk-kracht vormt de afrondingsstraal vankabels waar zij van richting veranderennog steeds een probleem.Evenzeer uitde ervaringen met debouwvan tuibruggen is bekend dat rekeningmoet worden gehouden met het optre-den van trillingen in de tuikabels die opde langere duur aanleiding kunnen ge-ven tot vermoeiingsverschijnselen.Daarom moet ook de vrije lengte vanuitwendige kabels worden beperkt. DeFransman Virlogeux (zie lit.) adviseerteen vrije lengte van maximaal 20 m.Wat betreft de bescherming van de ka-bels, wordt een onderscheid worden ge-maakt tussen al ofniet vervangbare ka-bels.Behoeft met de mogelijkheid van ver-vangen geen rekening te worden ge~houden, dan is het gebruikelijk de ka-bels te omhullen met buizen van dichtpolyethyleen die ge?njecteerd worden.Cement 1987 nr. 12Ter plaatse van richtingsveranderingenwordt om de buizen een metalen voe-ring aangebracht. Bij verankeringenwordt de plastic buis aangesloten op hetstalen verlengstuk van de klokveranke-ring.In het geval de kabels vervangbaar moe-ten zijn komen verschillende oplossin-gen in aanmerking:1. Toepassing van gegalvaniseerd staalzonder verdere bescherming.2. Het omhullenvan de kabels doormetvet ge?njecteerde stalen buizen. De ko-kers moeten er op berekend zijn dat vetwordt ge?njecteerd bij een temperatuurvan 80 - 90?C. Doordat met vet proble-men zijn ondervonden, wordt ook metpetroleumwas ge?xperimenteerd.3. Bekend is ook de toepassing van dub-bele, ge?njecteerde kokers ter plaatsevan de verankeringen en de ombuigin-gen. Bij deze meermalen toegepaste op-lossing werden problemen ondervon-den terplaatsevan deverankeringen. Dewiggen van deze verankeringen blekendoor de injectiespecie in hun werkinggehinderd te worden.BezwijkbelastingOm de verschillen in gedrag tussen in-en uitwendige kabels ofeen combinatievan beide te visualiseren, wordtdoorVirlogeux een vereenvoudigd modelgehanteerd (fig. 7}. twee blokken die aande bovenzijde door een scharnier ver-bonden zijn. De uitwendige kabels zijnvrij tussen de verankeringen, de inwen-dige kabels zijn over een bepaalde af~stand ge?njecteerd. De bezwijkveilig-heid is inalle drie degevallengelijk. Hetverschil zitinde doorbuiging die bij uit-wendige kabels veel groter is. Uit labo-ratoriumonderzoek blijkt dat er toch(kleine) verschillen bestaan inde breuk-veiligheid ten nadele van uitwendigekabels.BesluitIn het centraal laboratorium van hetFranse departementvoor de bruggen enwegen in Saint-Remy-I?s-Chevreusesvindtop het ogenblikdiepgaand onder-zoek plaats naar de verschillende aspec-ten van het gebruik van uitwendige ka-bels.Inmiddels is binnen de STUVO beslo-ten om de achtergronden van het toe-passen van uitwendige voorspanele-menten en de problemen die zich bijdergelijke systemen kunnen voordoennader te bestuderen. Op deze wijze kanwordengeanticipeerdopeenontwikke-ling waarvoor ook in Nederland de be-langstelling zal gaan toenemen.LiteratuurExternal prestressing of concrete, byM.Virlogeux. HP notes 1987/2, blz.16/20.Symposium Paris-Versailles - sept. 2-4,1987, uitg. AFPe, Contributions oftheFrench Group.M.G.P.Nel?ssen59