I IUITVOBRINGSTECHNIEKHET 'STATNAMISCH'PROEFBELASTEN VANFUNDERINGSPALENir.P.Middendorp, TNO Bouwir.B.Kuiper, NS-Ingenieursbureau, bureau BetonbouwIFUNDERINGENEen nieuwe methode voor het proefbelasten van palen is de zogenaamde StatnamicLoad Test, een samentrekking van de Engelse woorden STATie en dyNAMIC. Demethode is ontwikkeld door een Canadees bedrijfen TNO Bouw. Na beschrijvingvan het systeem volgt de beschrijving van een proefbelasting op de Europaal en eenvergelijking tussen statische en statnamische proefbelastingen.Inde bouw bestaat een toenemendevraag naar de verificatie van presta-tie-eisen Van constructie-onderde-len. Dit geldt ook voor het onderdeelfunderingen. Een prestatie-eis die bijeenpaalfundering moetworden geveri-fieerd is het grensdraagvermogen, ofdezetting van de paalkop bij een bepaaldebelasting. De meest betrouwbare me-thode om dit te verifi?ren is de statischeproefbelasting. Maar deze methode is teduur en te tijdrovend om routinematigvoor verificatie in aanmerking te ko-men.Tot voor kort was het enige economi-sche alternatiefvoor het statisch proef-belasten de dynamische proefbelasting.Hierbij wordt door middel van een hei-klap ofhet laten vallen van een gewichtop de paalkop, het dynamisch gedragvan een paal geregistreerd.Uit de dynamische metingen wordt hetstatischelast-zakkingsgedrag berekend.Hoewel economisch en effici?nt, heefthet dynamische proefbelasten ook na-delen zoals:- de heiklap kan trekspanningen in eenpaal genereren. Vooralin degrond ge-vormde betonpalen zijn hierop nietgeconstrueerd, waardoor scheurvor-ming ofbreuk kan optreden;- het excentrisch treffen van de paalkopkan leiden tot buigspanningen enschade aan de paalkop;- het uitwerken en de interpretatie vande meetresultaten vraagt om ervaren,hoog opgeleide technici;- het calibreren aan een statische proef-belasting wordt in veel situaties ver-eist. Eurocode 7 schrijft bijvoorbeeldvoor: 'Het dynamisch proefbelastenmag worden toegepast mits een ade~Cement 1992 nr. 11quaat grondonderzoek is uitgevoerden de methode is gecalibreerd met eenstatische proefbelasting op een zelfdetype paal, van een zelfde lengte endoorsnede-oppervlak en in vergelijk-bare grondcondities'.Omdat statische proefbelastingen inNederland relatief weinig worden uit~gevoerd, zijn er nietveel mogelijkhedentot calibreren. Als alternatiefvoor cali-breren wordt uitgegaan van een be-trouwbaargeachte referentiepaal enbij-behorende sondering.Om de genoemde nadelen van het sta-tisch en dynamisch proefbelasten te on-dervangen, is een nieuwe methode vanproefbelasten ontwikkeld door de Ca-nadese firma Berminghammer in sa-menwerking met TNO Bouw [1]. DeStatnamic-methode wordt in het Ne-derlands aangeduid met statnamischproefbelasten. Het statnamisch proef-belasten kan russen het statisch en hetdynamisch proefbelasten worden ge-plaatst. De duur van het uitoefenen vande belasting op de paalkop is langer danbij het dynamisch proefbelasten maarkorter dan bij het statischproefbelasten.Principe statnarnischproefbelastenHetprincipe bestaat uithetlancerenvaneen reactiemassa vanaf de paalkop.Ditgebeurtdoorhetsnelopbouwenvanhoge drukken in een cilinder, waarvooreen speciale brandstof wordt gebruikt.Als reactie op het lanceren van de massawordt de paal in de grond gedrukt. Deop de paalkop uitgeoefende krachtwordt geregistreerd met een drukdoos.De verplaatsing van de paalkop wordtgeregistreerd met een door TNO Bouwontwikkelde lasersensor. Drukdoos enlasersensor zijn in het Statnamic-appa-raat verwerkt. Op de paalschacht zelfbehoeft niets te worden aangebracht.Het benodigde gewicht van de reactie-massa's voor het uitvoeren van een stat-namische proefbelasting bedraagt 5 ?10%vanhet benodigde gewichtvoor eenstatische proefbelasting. Als voorbeeldbetekent dit dat voor het belasten vaneen paal tot een maximale ktacht op depaalkop van 2MN een reactiemassa van0,1 ? 0,2 MN (10 ? 20 ton) moet wordengelanceerd.De reactiemassa's zijn eenvoudig vanconstructie en kunnen, ter besparingvan transportkosten, op de bouwplaatsworden vervaardigd. Door de eenvou-dige modulaire en compacte opbouwvan het Statnamic-apparaat kunnenook palen op moeilijk toegankelijkeplaatsen worden getest.De opbouwvan het Statnamic-apparaat(fig. 1a) omvat een drukdoos op de paal-kopvoor het metenvande krachten eenlasersensor voor het meten van de paal-kop-verplaatsingen. Op de drukdoosbevindt zich een zuiger. De cilinder isverwerkt in een platform waarop de re-actiemassa kan worden geplaatst. Cilin-der enzuigervormeneenverbrandings-kamer. De reactiemassa kan bestaan uitstalen of betonnen platen, blokken ofschijven. Centraal op het platform, indirecte verbinding met de verbran-dingskamer staat een geluiddemper.Rondom de opstelling is een cilindri-sche container geplaatst. De ruimte tus-41IUITVOEillNGSTECHNffiK IFUNDEillNGEN1 Opstelling en verschillende stadiavan een statnamischeproefbelastingA = de te testen paalB = drukdoosC = zuiger en verbrandingskalllerD = cilinderE = platforlllF ~ geluiddelllperG = reactielllassaH = grindcontainerI = grindJ = laserK = laserstraalL = lasersensorsen reactiemassa en containerwordt op~gevuld met grind. De functie van hetgrind is het opvangen van de reactie-massa bij het terugvallen na het lance-ren, ter bescherming van de zuiger enpaalkop.In figuur la t.m. 1d zijn enkele achter-eenvolgende stadia van het statnamischproefbelasten in beeld gebracht. Figuur1a toont de situatie vlak vOor het lance-ren van de reactiemassa. Bij figuur 1b isde brandstof tot ontbranding gebracht.De ontbranding zorgt voor de opbouwvan een hoge druk waardoor de reactie-massa wordtversneld. In deze fase vindthet eigenlijke belasten van de paalkopplaats. De reactiekracht door het ver-snellen van de reactiemassa oefent eengelijkmatige drukkracht uit op de paal-kop en duwt deze de grond in. De krachtop de paal en de bijbehorende verplaat-sing worden geregistreerd door eenmeetsysteem. Tijdens het ornhoogbe-wegen van de reactiemassa (fig. lb-c)komt ruimte vrij die wordt opgevuldmet grind. Door de zwaartekracht loopthet grind ineen dikke laag over zuigeren paalkop heen.Bij het terugvallen van de reactiemassa(fig. ld)wordt de stoot opgevangen doordegrindlaag enovergedragenaan de on-dergrond. De paal wordt bij het terug~vallen van de reactiemassa niet of nau-42welijks belast. Het opvangen van destoot met grind is een veilige, altijdfunctionerende methode, omdat dezegebaseerd is op de werking van dezwaartekracht.Met de huidige configuratie kunnen??n of twee palen per dag statnamischworden proefbelast. Voor het proefbe-lasten van palen tot 3 MN is een mecha-nisch opvangsyteem in ontwikkelingom meerdere palen op ??n dag te kun-nen proefbelasten.De ontwikkeling van Statnamic begonin 1988 meteenmodelwaarmeepaal~estot 0,1 MN konden worden proefbelast.Het volgende prototype was in staat pa-len tot 0,5 MN te testen. Op het ogen-blik is de reeks zodanig dat palen tot 16MN kunnenworden proefbelast, terwijlgewerkt wordt aan apparatuur voorproefbelasten tot 30 MN.Vanaf de ontwikkeling tot heden zijneen hondertal statnamische proefbelas-tingen uitgevoerd, vooral in Canada ende USA en verder in Neder1and,]apan,Duitsland en Isra?l.De zwaardere Statnamic-apparatenkunnen ook worden toegepast voor hettesten van paalgroepen, poeren, brug-pijlers en andere onderdelen van con~structies. Omdat het principe van Stat-namic gebaseerd is op hetversnellenvanmassa, kunnen palen onder elke wille-keurige hoek worden belast, ook in ho-rizontale richting.De duur en vorm van de belasting vaneenstatnarnische proefbelasting kan ge-heel worden gecontroleerd door devorm en het volume van de verbran-dingskamer, de soort en hoeveelheidbrandstofen de hoeveelheid te lancerenreactiemassa. Het resultaat is dat de be-lastingveel geleidelijkeren over eenveellangere tijdsduur (80 tot 200 millise-conden) kan worden aangebracht danbij het dynamisch proefbelasten (5 mil-liseconden).Terillustratie geeft figuur 2de diagram-men van paalkopbelastingen van eendynamische, een statnamische en eenstatische proefbelasting. De relatieflan-ge duur van de belasting bij het statna-misch proefbelasten houdt de paal on-der constante druk, waardoor geentrekspanningen kunnen optreden. Decentrische plaatsing van het Statnamic-apparaat op de paalkop garandeert eencentrische introductie van de belasting.De lange duur van de belasting zorgt erbij het statnamisch proefbelasten tevensvoor dat alle paalniveaus een gelijksoor-tige verplaatsing ondergaan als bij sta~tisch proefbelasten. Dit rechtvaardigtCement 1992 nr. 11De traagheidheidskrachten zijn ver-snellingafhankelijk:Fa = m . a = m . d2u/dt2(2)Het paal-grondmodel voorstatnamisch proefbelastenZoals vermeld kan de paal door de langeduurVan de belasting als een massawor-de.n beschouwd waarop de volgendekrachten werken:1. statnamische belasting (Fstn);2. traagheidskrachten (Fa);3. grondweerstanden (Fg).De grondweerstand kan worden ver-deeld in een weerstand Fu die verplaat-sings-afhankelijk is (veer, statisch), eenweerstand Fv die snelheidsafhankelijk is(demping, dynamisch) en eenweerstandFr die afhangt van de grondwaterspan-mng. Voor de eenvoud van verdere for-mules wordt verondersteld dat Fp ooksnelheidsafhankelijk is en door middelvan Fy in rekening kanworden gebracht.Verondersteld wordt:Voor het evenwicht geldt:F.m = Fa +Fg (1)Fstatn = statnamische krachtFa = traagheidskrachtFgrond = grondweerstand= Fu +Fv +fpFstatn2 Kracht-tijd diagra1lllt1ena. dynamische proefbelastingb. statnamische proefbelastingc. statische proefbelasting3 Krachten op de paal tijdens eenstatnamische belasting\------------------1 De statnamische belasting F.men de ver~plaatsing uworden gemeten als functievan .de tijd t.4Umn54QO~ kracht (MN)1 0,8 1.6 2,4 32 4010,0?3? 10,0enc?....f- 200~F.....30,0 (l..ta2P1,00,00,0 1.6 3,2 4,8 6,4 8.0~tjjd(msJb2,01,00,00 40 80 120 160 200~tijdlmsJ12z'"~0,61000 300 600 900 1200 1500~tijd(min)Hierbij is mde massa van.de paal en adeversnelling die uit de gemeten verplaat-!---'----_--_-- ""'- -~ -~ sing u kan worden teruggerekend. Fa isdus bekend.Fy= C . v = C . duldt (3)4Belangrijke punten en gebieden voor het analyseren van statnamischeresultatenhet rekenen met een eenvoudig modelvoor paal en grond waarbij spannings-golf~verschijnselen,zoals die bij het hei-en optreden, niet in beschouwing be-hoeven te worden genomen.Als rekenmodel kan de paal worden be-schouwd als een massa waarop de stat~namische belasting, traagheidskrachtenen grondweerstanden werken(fig. 3).Dynamische verschijnselenOfschoonde duurvan een statnamischebelasting vele malen langer is dan dievan een dynamische proefbelasting enhet paal- en grondgedrag meer lijkt opdat van een statische proefbelasting,moet destatnamische test nog steeds alseen dynamische test worden be-schouwd.Dit betekent dat de invloed van dyna-mische verschijnselen in beschouwingmoet worden genomen.De tot nu toe in een aantal landen uitge-voerde testen en vergelijkingen met sta-tische proefbelastingen tonen een ??nop ??n relatie aan voor palen die gefun-deerd zijn op rots ofzich in stijve grond-slag bevinden (Janes 1991).Bij de relatiefzachtere grondslagen zo-als aanwezig in Nederland, zijn niet teverwaarlozen dynamische invloedenaanwezig in het paal- en grondgedrag.Voor het bepalenvan de dynamische in-vloeden wordt op het ogenblik eenpraktische methode gehanteerd, dieverder in dit artikel wordt behandeld.De methode is relatiefeenvoudig, zodatkort na het testen een statisch lastzak-kingsdiagram kan worden gepresen-teerd. Het verifi?ren van de juistheidvan deze methode voor diverse Neder-landse bodemomstandigheden is thansin volle gang.waarbij ede dempingsfactor wordt ge-noemd en de snelheid v kan worden te-ruggerekend uit de gemeten verplaat-smg u.Indien de gemeten statnamische belas-ting wordt uitgezet tegen de gemetenverplaatsing, wordt een statnamischlastzakkingsdiagram verkregen. Figuur4 geeft daarvan een voorbeeld. Het re-presenteerteengeval met duidelijke dy-namische effecten. In het diagram kaneen aantal gebieden worden onder-scheiden.Ingebied 1 wordt de reactiemassa op depaalkop geplaatst. Hier kan het gedragvan paal en grond als statisch wordenbeschouwd, aangegeven door het eerstelineaire deel van het statische lastzak-kingsdiagram. In gebied 2 wordt de re-actiemassa gelanceerd en wordt de paalin de grond gedrukt. Hetveergedragvande grond is nagenoeg lineair en traag-heidkrachten en demping werken in opde paal. In gebied 3 bereikt de sterktevan degrond zijn grenswaarde. SnelheidCement 1992 nr. 11 436 Signalen van paal 7 tijdens statnamisch proefbelasten40,04,03,2#6verplaatsingssignaaI\,???._[~:.~~~:.~.~:~a.~ ?._?..100 120 140 160 180\ \I#39\,/,130,0 ~"""", "" "", .?, ......".... )/40,0 '::::::::::::::::::::::::::::::',:'.:':.::::::::::::~'.:':':,':".::?...?'#404,61=:;::;;:==::;;::::::::-'~~~~~~~~~--'-~~~T0,0 !1QO EE20,0.~1;;30,0 ~?!3,2Z Z4 /L ~/~ 1,6 /~ 0,8 //'i",.00 ,_.,...,.,.,.,...,.,.,.,??'0 20 40 60 80-----? tijd (ms)----7 kracht (MNJ0.00,0 0,8 1,6 2.4i:-"~';~'~