Ben C.Gerwick, IrSan Francisco (U.S.A.) Massa-produktie van gepre-fabriceerde voorgespannenbetonpalen (I)*Algemeen, rapport van de eerste zitting van het Fl P-symposium over 'Massa-fabricage Voorgespannen Betonelementen'; Madrid, 3-4 ?uni 1968U.D.C. 624.154.3:666.982.4-4:658.526Massa-produktie van geprefabriceerde voorgespannen betonpalenInleidingVoorgespannen betonpalen worden alom opgrote schaal toegepast in waterbouwkundigeconstructies en funderingen. Zij bieden alsvoordelen een groot draagvermogen en hogeduurzaamheid. Daarnaast is toepassing veelaleconomisch.Palen waren een van de eerste toepassingenvan het voorspannen en schenen aanvankelijkeen van de eenvoudigste te zijn. Daar deervaring in de loop der jaren echter is toe-genomen, is de toepassing van voorgespan-nen betonpalen voortdurend gecompliceerdergeworden.Het totale jaarlijkse verbruik van voorge-spannen betonpalen is enorm groot, nl. ca. 57000000 meter; het is daarom zeer belangrijkalle aspecten betreffende vervaardiging,toepassing, economie en technologie opnieuwte bezien.De ontwikkeling van voorgespannen beton-palen is samengevallen met die van degrondmechanica en van de palen wordt ge?istdat zij weerstand kunnen bieden aan hogedynamische spanningen gedurende het heien,om te voldoen aan de eisen van dedeskundigen op het gebied van deze weten-schap. Het grote aantal voorgespannen be-tonpalen dat elk Jaar wordt toegepast geeft opzichzelf een goede indicatie, waaruit sta-tistische conclusies te trekken zijn, zelfs methet huidige grote aantal variabelen.In de laatste jaren zijn voor voorgespannenbetonpalen nieuwe toepassingsgebieden ge-vonden. Dit is gedeeltelijk het gevolg van degebleken economie bij massaproduktie engedeeltelijk door hun technische voordelen.Om al deze redenen is het belangrijk het ge-hele gebied van voorgespannen betonpalenopnieuw te bezien betreffende toepassing,ontwerp, vervaardiging, in de grond brengen,economie, damwandplanken, meerstoelen,verbindingen, problemen, fouten, duurzaam-heid, ontwikkeling en research.Uit Japan, Oost-Duitsland, Australi?, de Ver-enigde Staten en de Sowjet-Unie zijn nationalerapporten ontvangen.Bovendien hebben vooraanstaande technici uiteen aantal landen waardevolle gegevens endetails betreffende speciale aspecten vanvoorgespannen betonpalen versterkt.ToepassingVoorgespannen betonpalen worden op groteschaal toegepast in ten minste 21 landen,waaronder zowel hoog- als minder ontwik-kelde, en in een verscheidenheid van om-standigheden vari?rend tussen pool- enwoestijnklimaat.In Japan alleen al zijn 45 fabrieken die jaarlijks1 000000 ton funderingspalen produceren,terwijl in de Verenigde Staten meer dan 2000000 m jaarlijkse produktie verdeeld wordttussen waterbouwkundige- en funde-ringsconstructies. Voorgespannen betonpalenondersteunen belangrijke bruggen en kade-muren in een groot aantal landen met ver-schillende economische stelsels en klimaats-omstandigheden. Zij zijn geconstrueerd alsronde, holle palen tot een diameter van 4meter bij de bouw van de Zeelandbrug inNederland (fofo ?) en tot 70 meter lengte bij depijlers van de brug over het meer vanMaracaibo, Venezuela.Voorgespannen betonpalen worden in seg-menten verdeeld ingeheid, en tijdens het heienonderling verbonden (fig. 2), waardoor palenvan 60 m lengte werden verkregen diegebouwen met een groot aantal verdiepingenondersteunen in Honolulu en New Orleans. Zijzijn verbonden aan kleinere staal-secties engeheid als samengestelde palen ombelangrijke bruggen te dragen in Californie enNieuw Zuid Wales, Australi?. Hoe langer hoemeer doen voorgespannen betonpalen dienstals kolom die een brugdek of de tweedeverdieping van een parkeergarageondersteunen.Cilindervormige voorgespannen betonpalenkunnen met succes toegepast worden alsconstructieve kolommen. Zij kunnen aange-bracht worden in van te voren geboorde gatenen dan gefixeerd door middel van heien of eenbetonplug./Ontkisten van de mal voor de fabricagevan paalsegmenten, t.b.v. de Zeelandbrug,die naderhand door Dywidagstavenworden aaneengespannen*De Nederlandse vertaling werd verzorgddoor C.J.Spaargaren Het tweede gedeeltezal worden opgenomen in Cement XXI(1969) nr. 1.Cement XX (1968) nr. 12 5022Diverse oplossingen voor de onderlingeverbinding van paalsegmentenVoorgespannen betonpalen worden voortdu-rend meer toegepast om trekkrachten, bui-gende momenten en dynamische belastingenop te nemen. Zij doen dienst als meerpalenom scheepsstoten op te nemen in de havensvan Koeweit, Singapore en Californie (fig. 3)en als beschermende geleidewerken voor be-langrijke brugpijlers (fig.4).Voorgespannen damplanken worden toege-past als grondkerende constructies voorkademuren en als keerwanden (fig. 5).Het Japanse Nationale Rapport noemt de vol-gende voordelen voor voorgespannen beton-palen:? geen scheurvorming gedurende vervoer enheien? eenvoudig aan te passen aan gegevenbelastingen? uniforme hoge betonkwaliteit? eenvoudig te verbinden., Het Rapport van de Verenigde Staten voegthieraan toe:? hoog draagvermogen? grote duurzaamheid? eenvoudig te transporteren en te stellen? bestand tegen zwaar heien en in staat omdoor hard materiaal te dringen? hoge kolomsterkte en in staat om momentenof combinaties van moment en normaal-kracht op te nemen? in staat om trekkrachten op te nemen? toepassing is economisch.In sommige delen van de Verenigde Staten iseen tendens naar het vervaardigen en heienvan palen van grote lengten, zelfs voorgebouwen in de grote steden. Aldus zijn palenvan 40 meter lengte toegepast voor belangrijkegebouwen in San Francisco (foto 6) en Boston.In andere delen van de Verenigde Staten (NewOrleans en Honolulu) en meer algemeen inJapan, Scandinavi? enz. is er een tendens omgestandaardiseerde elementen tevervaardigen die tijdens het heien aan elkaarverbonden worden.Indien nodig is het eenvoudig om met voor-gespannen betonpalen het bestaande maai-veld te volgen, waardoor een meer economi-sche volgorde van heien, ontgraven en terplaatse betonneren mogelijk wordt dan bijheiwerk in een ontgraving.Hoog-voorgespannen betonpalen zijn in het'bijzonder op hun plaats bij diepe funderingen inslechte grondslag. Zij kunnen met succesgeheid worden door boomstronken en puin, ofdoor harde-lagen zoals koraal, en kunnendoordringen in zacht of gedeeltelijkuiteengevallen gesteente.OntwerpBij het ontwerp van voorgespannen beton-palen moeten diverse stadia worden be-schouwd. Voor elk van deze stadia dienen detoelaatbare spanningen en zonodig detoelaatbare vervormingen vastgesteld teworden.Als algemene regel geldt dat voorgespannenbetonpalen ontworpen moeten worden voor denormale omstandigheden en vervolgensgecontroleerd voor bijzondere belastingen,zoals die door aardbevingen en wind. Eenzekere minimum voorspanning en spiraal-wapening is nodig om de palen toe te kunnenpassen.Deze minimum waarden moeten gecontro-leerd worden voor de omstandigheden tijdenstransport en heien en zonodig aangepast. Hetontwerp op normaalkracht en buiging kan alsvolgt plaatsvinden:1. Centrisch belaste korte koloma. Ontwerpbelasting gebaseerd op de breuk-belasting = = (K.o'w -- 0,60a'b).5waarin: = toelaatbare paalbelastingPu = bezwijkbelasting = veiligheidsco?ffici?nt; gebruikelijk is eenfactor 3 ? 4een co?ffici?nt, waarvoor bij verticaalgestorte palen 0,85 en bij horizontaalgestorte palen 1,0 genomen wordtwerkvoorspanning in het betonbetondoorsnede van de paalo'w= 28-daagse sterkte van het beton, ge-meten op cilinder, diam. 15, lengte 30cm3Voorgespannen betonpalen toegepast alsmeerpalen voor aanlegsteigersCement XX (1968) nr. 125034Toepassing voorgespannen betonpalenvoor geleidewerken van brugpijlers5Voorkomende typen van voorgespannenbetonnen damplankenb. Ontwerpbelasting gebaseerd op de toe-laatbare spanningen = 0,225 o'w .met de beperking dat de werkvoorspanningniet hoger is dan 0,20 a'w; zoniet dan dient eenevenredige verlaging van de toelaatbarebelasting in rekening te worden gebracht.2. Centrisch belaste lange koloma. BezwijkbelastingBij lange kolommen, waarbij gevaar voor knikbestaat, kanv de formule van Euler wordentoegepast. Voor de kniklengte / kan wordenaangehouden:? de paallengte vooraan beide eindenscharnierende palen;? 0,7 maal de paallengte voor aan ??n zijdeingeklemde en aan het andere einde schar-nierende palen;? 0,5 maal de paallengte voor aan beide zij-den volledig ingeklemde palen.b. OntwerpbelastingEen veiligheidsco?ffici?nt tegen knik tergrootte van 2 wordt algemeen als voldoendebeschouwd. De ontwerpbelasting dient ge-baseerd te zijn op de waarde volgens detheorie van de korte kolom tot een slankheidvan 60.Bij slankheden groter dan 120 moet de paalonderzocht worden op uitknikken, waarbijrekening dient te worden gehouden met deeffecten ten gevolge van kruip en doorbuiging.Tussen beide grenzen kan een lineair verloopworden aangehouden.3. Weerstand tegen buigende momentena. BezwijktoestandHet bezwijkmoment wordt ten naaste bij ge-geven door de onderstaande formules, waarbijde gangbare materiaalgegevens voorvoorgespannen betonpalen zijn ingecalcu-leerd.0,37 d . A . voor massieve vierkante palenMu = 0,38 d . . voor holle vierkantepalen Mu = 0,32 d . . voor ronde enachthoekige palen, zowel hol als massiefHierin is:A = doorsnede voorspanstaal =treksterkte voorspanstaal d =diameter van de paal -Mu =bezwijkmomentVoor de gebruiksbelasting is de in te voerenveiligheidsco?ffici?nt = 2, voor bijzonderebelastingen (aardbevingen en wind) = 1,5.b. ElasticiteitstheorieBefSaal de toelaatbare trekspanning ?b in hetbeton. De treksterkte 0"bu is ongeveer 7,5%van de druksterkte 0"'. De toelaatbare span-ning ?b varieert tussen 0 en 0,8 ^, afhan-kelijk van de frequentie der belasting en hetgevaar voor corrosie bij scheurvorming, enz. M= (a'b + ?b)W waarin: M = toelaatbaar momentW = weerstandsmoment van de paal-doorsnede4. Combinaties van moment en normaalkrachtIn het algemeen wordt door het optreden vaneen normaalkracht, althans in het elastischegebied, de weerstand tegen buigende mo-menten vergroot, immers de normaalkrachtveroorzaakt drukspanningen in het beton bo-ven die ten gevolge van de voorspanning. Hetbezwijkmoment wordt echter door eennormaalkracht gereduceerd.In figuur 7 wordt een diagram gegeven dat hetverband toont tussen toelaatbaar moment ennormaalkracht. Met enige benadering kangesteld worden dat voor een funderingspaaldie 60% van de toelaatbare normaalkrachtdraagt, het bezwijkmoment kan worden bere-kend uit Mu = 0,29 c/. . voor massievevierkante palen en Mu = 0,25 d . . voormassieve ronde palen. Voor holle palen is dehefboomarm 0,30 d, respectievelijk 0,26 d.Nabij de paalkop, waar de combinatie mo-ment-normaalkracht kritiek kan zijn, moet heteffect van het inlopen van de voorspanning inrekening worden gebracht.Permanente buigende momenten kunnenworden veroorzaakt door:? het eigen gewicht van schoorpalen? zijdelingse belasting van de grond? excentriciteit van de normaalkracht? portaalwerking (wanneer de palen stijf ver-bonden zijn aan de ondersteundeconstructie)Toevallige buigende momenten kunnen wor-den veroorzaakt door:? golfslag en stromingen? U's? dwarskrachten door schepen? wind op de constructie? aardbevingenVoor vele van deze belastingen kunnen detoelaatbare spanningen met worden verhoogd.In het stadium direct na de vervaardiging, moetde druksterkte (bepaald aan cilinders 0 15 cm,hoog 30 cm) op het betreffende tijdstip inrekening worden gebracht.Stoten in dit stadium en tijdens het transportmoeten in rekening worden gebracht doorvermenigvuldiging van het gewicht met eenfactor 1,5 of 2, afhankelijk van de gebruiktetechnieken; de waarde 1,5 is gebruikelijk. InRusland wordt een factor 1,5 in rekening ge-bracht voor de bepaling, van de breukveilig-heid en een factor 1,25 voor de bepaling vande scheurveiligheid.De toelaatbare trekspanning varieert tussen 0en 3% van de druksterkte. Bij het onder destelling brengen van de paal verminderen despanningen aanzienlijk zodra de paal verticaalis gesteld. De spanningscondities in de paalzijn echter in het algemeen nogal complex,afhankelijk van de stelling en de hel-lingshoek.In de normale praktijk wordt de horizontaleprojectie van de paal beschouwd. Dezeaanname kan soms foutief zijn.Een schoorpaal ondergaat een aantal com-plexe spanningswisselingen; vaak zijn de voorhet ontwerp bepalende omstandigheden die,waarbij de paal zich in het water bevindtvoordat hij de bodem raakt.Er zal een aanzienlijk negatief moment op-treden ter plaatse van het steunpunt, totdat depaalkop tot dit peil is weggeheid. Tijdens hetheien heeft de punt de neiging om 'weg telopen'. In de uiteindelijke toestand wordt depaal slechts op buiging belast door zijn eigengewicht.Cement XX (1968) nr. 12 5046Gewoonlijk worden voorgespannen beton-palen gebruikt voor de fundering van dehuidige nieuwbouw in San FranciscoIn het algemeen is aan de voet en de kop vanvoorgespannen betonpalen de volledige voor-spanning niet nodig. Daarom kan een groteaanhechtingslengte vaak zonder bezwaarworden toegelaten en de eisen betreffende desterkte bij het voorspannen zijn minder zwaardan die van bijv. korte balken.Voor op trek belaste voorgespannen beton-palen kan een ontwerpbelasting = wordengehanteerd. Dit betekent een veiligheid tegenscheurvorming, immers P, = (a'b + Obu) B. De,bezwijklast A . .Onder de belasting ten gevolge van aardbe-vingen en wind kunnen trekkrachten en bui-gende momenten in combinatie optreden bij dekoppen van palen in de fundering van bijv.schoorstenen. Deze kunnen het beste wordenopgenomen door het ter plaatse aanbrengenvan enig betonstaal.Het Japanse Nationale Rapport onderscheidtdrie klassen, uitgaande van de blijvende voor-spanning in het beton.?? funderingspalen, uitsluitend op normaal-kracht belast: 40 kgf/cm2? op moment belaste palen: 80kgf/cm2? op moment belaste palen voor bijzonderedoeleinden: 100 kgf/cm2.In de Verenigde Staten hebben palen, langerdan 12 meter in het algemeen een blijvendevoorspanning van 50 tot 60 kgf/cm2. Wanneergrote buigende momenten moeten worden.opgenomen wordt deze spanning verhoogd tot85 kgf/cm2; voor meerpalen, belast op zuiverebuiging, zelfs tot 100 kgf/cm2. Dit type palenmaakt het mogelijk vele constructieve- enfunderingsproblemen op te lossen.Ontwerp ten aanzien van de weerstandtegen heispanningenIn het voorgaande is gesproken over proef-ondervindelijk bepaalde minimum waarden vande langsvoorspanning en spiraalwapening. Zijzijn natuurlijk van groot belang omdat, hoewelempirisch, de statistische regelmatigheid vanhun voorkomen aantoont dat zij juist zijn. Deminimum waarde voor de langsvoorspanning,aangehouden in een groot aantal landen, ligttussen 45 en 65 kgf/cm2. Dit is de blijvendevoorspanning na aftrek van alle verliezen.Wanneer een lagere voorspanning wordtgekozen, kunnen grote moeilijkheden optredendoor horizontale scheuren tijdens het heien.Ik zou de volgende werkwijze willen voor-stellen: De dynamische treksterkte is ongeveer0,06o'w, d.w.z. wat lager dan de treksterkte onderstatische belastingen 0,075 o'w. Voor eennormale voorgespannen paal betekent dit 0*bu= 34 kgf/cm2. De blijvende langsvoorspanningzal ongeveer 50 kgf/cm2bedragen. Er is duseen spanning, groot 84 kgf/cm2, beschikbaarom een dynamische trekgolf op te ?iemenvoordat scheurvorming optreedt. Trek-spanningen in deze orde van grootte wordenechter gedurende het heien dikwijls overtrof-fen. De staaidoorsnede waarmee de spanningvan 50 kgf/cm2wordt opgewekt is ongeveer0,5% van de betondoorsnede. Voordat dit staalgaat vloeien is een spanningsverhoging vanhet beton van 70 kgf/cm2nodig.Het voorkomen van scheuren zal de trekgolfwaarschijnlijk dempen tot lagere waarden danhierboven genoemd, zodat een toename vanhet aantal scheuren in het algemeen niet zalplaatshebben. Wanneer minder dan dezestaaidoorsnede wordt toegepast, zal het staalin de scheur gaan vloeien, het beton terplaatse afbrokkelen als gevolg van druk-spanningen en spoedig daarop volgt danbrosse breuk van de voorspanelementen.Daarom beveel ik een minimum wapenings-percentage van 0,5% aan (voor voorspan-staalmet een vloeigrens van 15 000 kgf/cm2). Terondersteuning moge dienen dat in veelaanbevelingen voor met betonstaal gewapen-de betonpalen een minimum wapeningsper-centage van 3% wordt genoemd bij een vloei-grens van 2600 kgf/cm2. De verhoudingentussen beide percentages is ongeveer om-gekeerd evenredig aan die van de vloeigren-zen van beide staalkwaliteiten.Uitzonderingen bestaan voor palen korter dan12 meter en palen die niet worden geheid.Proefondervindelijk is hiervoor in sommigelanden een minimum voorspanning van 30kgf/cm2vastgesteld, overeenkomend met eenwapeningspercentage van 0,3%.Er is geen algemene theorie ontwikkeld voorhet ontwerp van de spiraalwapening in palen.Wel wordt aanzienlijk minder van dergelijkewapening toegepast dan bij vergelijkbareconstructieve kolommen. Wapeningspercen-tages van 0,06 tot 0,2% zijn gebruikelijk enduizenden palen zijn met succes geheid on-danks deze kleine hoeveelheden wapening. InRusland wordt voor palen tot 9 meter lengtevolstaan met een spiraalwapening nabij kop envoet. Omdat hun gedrag nog niet diepgaand isonderzocht bij zeer lage temperaturen, is huntoepassing beperkt tot constructies waarbij zijvolledig in de grond worden geheid.7Verband tussen moment en paalbelastingCement XX (1968) nr. 12505Langsscheuren treden frequent op in holle enronde palen. In Engeland wordt daaromaanbevolen de doorsnede van de spiraalwa-pening in holle palen groter te kiezen dan inmassieve palen. Mijn voorlopig advies is om inronde palen 0,3 tot 0,4% spiraalwapening aante brengen.Gedurende het heien is er het effect dat depaalkop en -voet opensplijten. Er komensplijtkrachten voor als gevolg van de langs-voorspanning en het heien.In richtlijnen wordt veelal een wapeningsper-centage van 0,5% voorgeschreven over eenlengte van 12 cm vanaf de kop; in Engelandwordt 0,6% aanbevolen over een lengte gelijkaan driemaal de kleinste dwarsafmeting. InRusland worden in de kop 5 kruisnetten ophart op hart-afstand van 5 cm aangebracht.De voorschriften voor voorgespannen balkenstellen het percentage dwarswapening op0,4%, om splijtkrachten ten gevolge van hetinlopen van de voorspanning op te nemen. Inpalen treden gedurende het heien nabij de kopdrukspanningen van 150 tot 200 kgf/cm2op. Bijeen dwarscontractieco?ffici?nt van 0,20betekent dit splijtspanningen in de orde vangrootte van 30 tot 40 kgf/cm2, overeenkomendmet de treksterkte van het beton. Dit zoubetekenen dat een wapeningspercentage van0,8 tot 1 % nabij de balkkop nodig is overeen lengte van 25 cm. Het is gebleken dat 1 %wapening over een lengte van 30 cm bij rondepalen voldoende is om splijten te voorkomen.Soms wordt volstaan met een stalen ring omde paalkop. Uit het feit dat gedurende hetheien deze band soms breekt, valt af te leidendat de bovengenoemde trekspan-ningenwerkelijk optreden.Ik prefereer betonstaal dat zo dicht mogelijktegen de buitenkant van de paal wordt ge-plaatst; de betondekking op dit staal terplaatse, is normaliter niet van belang.Het afronden van de paalomtrek en de paalkopreduceert de neiging tot barsten en splijten.Aanwijzingen voor het ontwerp (zie ook tab. I)1. Hijsgaten zijn ongewenst in verband methet optreden van spanningsconcentraties.Toepassing van dergelijke gaten heeft inNieuw-Zeeland en elders aanleiding gegeventot breuk tijdens het heien.2. De verbinding van de paal aan de poerkan op de volgende wijzen plaatsvinden:a. Betonstalen deuvels worden met behulpvan injectiespecie vastgezet in gaten in depaalkop. De gaten kunnen bij de fabricageworden uitgespaard of geboord na het heien.b. Het voorspanstaal kan doorlopen in deverbinding. Voor het ontwerp kan de aanhechtingslengte voor strengen aangehoudenworden op 45 tot 70 cm; waarna zij verderbeschouwd kunnen worden als normaal be-tonstaal. Bij trekpalen is de overdrachtslengteaan te houden op 70 tot 100 cm.De paal kan over een lengte van 45 tot 70cm in de poer steken. Het paaloppervlak moetruw worden gehakt en schoongemaakt voorhet betonneren.d. Bij holle palen kan een kooi van betonstaal worden ingebetonneerd in een plug inde paalkop. Om de aanhechting te verzekeren dient de binnenzijde van de paal ruw teworden gehakt, gereinigd (bijv. door zand-blazen) en te worden voorzien van een hechtingslaag op epoxy-basis, terwijl de plug dientte worden samengesteld uit beton met eenlage krimpmaat. Geprefabriceerde pluggenwaarin de wapening is ingebetonneerd zijnook toegepast, in dat geval dient de voegtussen de paal en de plug te worden ge?njecteerd.e. Eveneens bij holle palen kunnen volledigestaalconstructies in plaats van betonstaalworden ingebetonneerd.f. Het spannen van de paal aan de poer werdvaak voorgesteld, doch is zeer weinig toegepast.Het blijft een technisch aantrekkelijke oplos-sing. Men kan gebruik maken van de voor-spanelementen in de paal zelf of van specialevoorspanstaven die in de paalkop wordeningebetonneerd.Tabel 1Voor- en nadelen van verschillendepaaltypendoorsnede voordelen nadelen grootste verhouding tussen omtrek endoorsnede (0,42); lage vervaardigings-kostenkleine weerstand tegenbuigingD goede verhouding tussen omtrek endoorsnede (0,39); goede weerstandtegen buiging in de hoofdassenoo ongeveer gelijke buigsterkte om alleassen; goed doordringend vermogen engrote knikzekerheidmoeilijk te storteno gelijke buigsterkte om alle assen; geenscherpe hoeken wat aanzien enduurzaamheid ten goede komt; minimalebelasting door stroming en golfslag; groteknikzekerheidvervaardiging is duur; debovenzijde is moeilijkgoed af te werkenkunnen gebruikt worden wanneer in ??nrichting grotere buigsterkte vereist wordt,speciaal indien een klein oppervlakblootgesteld moet worden aan stroming engolfslagmoeilijk in goede stand teheien* hoge buigsterkte om beide hoofdassen bijklein oppervlak van de doorsnedemoeilijk in goede stand teheien; vervaardiging isduurs-hoge buigsterkte om de horizontale as bijklein oppervlak van de doorsnedemoeilijk in goede stand teheien; vervaardiging isduurOpmerkingen:De meeste doorsneden kunnen ook als holle palen worden uitgevoerd. De doorsnede kan overde paallengte vari?ren (verzwaarde voet, verzwaarde kop, of een overgang tot ronde doorsnedenenz.). Deze veranderde doorsnede kan in ??n keer meegestort worden of later aan de paalverbonden worden.Cement XX (1968) nr. 12 5063. Aan de verdeling van de voorspanele-menten over de doorsnede is veel aandachtbesteed, vooral in Japan voor holle palen. Menvond daar dat het bezwijkmoment nietwezenlijk verandert zo lang er ten minste vierspanelementen worden aangebracht. In Rus-land is recentelijk voor palen tot 9 meter lengtede voorspanning geheel in het hart van de paalgeconcentreerd.4. Paalschoenen zijn niet nodig voor demeeste palen. De punten kunnen vierkant ofstomp zijn. Voor het heien in zand en klei iseen vierkante punt voldoende; een stompepunt is in het algemeen het beste voor hetheien in grind, rolstenen enz. Paalpuntenworden veelal voorzien van een speciale spi-raalwapening: dit is vooral belangrijk bij hetheien in rotsgrond, daar in dat geval dedrukspanningen nabij de punt zeer hoog op-lopen (theoretisch tot tweemaal de hoofd-drukspanning als geen zakking optreedt).Paalschoenen zijn van belang wanneer palendoor hout, koraal of rots moeten dringen. Zijkunnen bestaan uit een vlakke plaat, doch ookstomp of puntig zijn. Stompe stalen puntenkunnen het beste in het beton worden gestortover een lengte van 1,25 tot 1,60 m, waarbij zijdoor een zware spiraalwapening moetenworden omhuld. Er moeten maatregelenworden getroffen om ervoor te zorgen dat depunt volledig door beton wordt omhuld, zonderdat lucht wordt ingesloten. In Noorwegenworden palen in hellende rotsachtige grondenvastgezet door middel van de zgn. Oslo-punt,bestaande uit een pijpvor-mige stalen deuveldie na het heien door de paal wordt geboorden met injectie-mortel in de rots wordtvastgezet. In Singapore zijn voorgespannentrekpalen aan de ondergrond verankerd doormiddel van een in de rotsgrond verankerde endoor de holle paal lopende spanstaaf.5. De aandacht wordt gevestigd op denoodzaak van voldoende ontluchtingsgaten inholle cilindrische palen, ten einde te voor-komen dat tijdens het heien door zachtegrond, in de paal te hoge waterspanningenoptreden.6. De betondekking op het staal moet vol-doende zijn om corrosie van dit staal tevoorkomen. Volgens de Europese praktijk iseen dekking van 2,5 cm in zoet water tot 4 cmin zout water voldoende, in Amerika wordt hierrespectievelijk 4 en 7,5 cm voor aangehouden.7. In veel landen worden vierkante palenmet een aan deze vorm aangepaste spiraalgebruikt. Andere landen prefereren achthoe-kige en ronde palen. Observatie van duizen-den palen in beide doorsneden heeft nietkunnen aantonen dat de hoeken van vierkantepalen meer gevoelig voor scheurvorming ofafbrokkeling zouden zijn.8. Beton met lichte toeslagmaterialen is metsucces toegepast voor voorgespannen beton-palen, damplanken en meerpalen. Het biedt devolgende voordelen:? lager volumegewicht, onder meer vanbelang voor het transport? kleinere massa, van groot belang tijdens hetheien? aanzienlijke reductie van het eigen gewichtin water of sterk waterdoorlatende grond.De ervaring leert dat het materiaal groterevervormingen toelaat, doch iets sneller on-derhevig ?s aan splijten nabij de paalkop; ditlaatste kan worden beperkt door een groteredoorsnede van de spiraalwapening te kiezenof een aantal kruisnetten toe te passen.9. Bij holle palen met massieve kop en/of puntdient de doorsnedeverandering geleidelijkplaats te vinden. Extra betonstaal, zowel indwars- als langsrichting kan ter plaatse vandeze overgang nodig zijn.FabricageDe fabricage van voorgespannen betonpalenheeft zich op verschillende wijzen ontwikkeld:1. Langebank-systeem met voorgerekt staal.Hierop worden palen tot 65 m lengte vervaardigd, doch ook later te verbinden sectiesmet diameters tot 130 cm, zowel massief alshol en in alle vormen en doorsneden.a. Vaste bekistingen.b. Glijdende bekistingen2. Constructie van secties die door middelvan naspannen onderling worden verbonden.De voegen tussen de secties kunnen droogzijn of gevuld met mortel of epoxylijm.a. Gecentrifugeerde elementen. B.Verticaal gestorte elementen.3. Gecentrifugeerde secties, lang ca. 12 m,die d.m.v. lassen verbonden worden.a. Voorgespannen met voorgerekt staal.b. Voorgespannen met nagerekt staal.De eisen te stellen aan de materialen voorvoorgespannen betonpalen zijn veelal dezelf-de als die voor andere voorgespannen ele-menten. Er is echter een speciale eis, namelijkde bescherming van het staal tegen corrosie inagressieve milieus zoals zeewater en alkali-houdende gronden, waardoor het ce-mentgehalte gewoonlijk groter wordt gekozendan uit hoofde van de sterkte alleen nodig zouzijn.Wanneer het beton in aanraking komt metzeewater moeten de toeslagmaterialen be-stand zijn tegen sulfaten. Het alkali-gehaltevan het cement wordt dan gewoonlijk nauwbegrensd.Wanneer palen worden blootgesteld aan af-wisselend vorst en dooi, ook in de omgevingvan zeewater, moet het beton voorzien zijnvan een luchtbelvormer.Methode 1: Langebank-systeem Hetlangebank-systeem is geschikt voor deproduktie van palen in alle vormen en afme-tingen. De meest economische massaproduk-tie is die met een groot aantal vaste bekistin-gen, waarin vierkante paaldoorsneden wordengemaakt. De zijwanden van de bekisting zijnenigszins taps, waardoor het mogelijk is depalen zonder meer uit de bekisting te trekken.Een veel voorkomende produktievolgorde is:a. aanbrengen van de spiraal,b. aanbrengen en spannen van de voorspan-strengen,c uittrekken van de spiraal en bevestigen aande voorspanstrengen,d. aanbrengen van kopschotten en afstandhouders,e. storten en verdichten van het beton,f. afdekken van het beton en het gedurende3 ? 4 uur vochtig houden; daarna kan detemperatuur met een halve graad per minuut verhoogd worden tot 65 ?C, welketemperatuur gedurende 10 uur gehandhaafd moet worden,g. aanbrengen van de voorspanning,h. wachten tot de temperatuur met een halvegraad per minuut gedaald is tot 20 ?C, i.ontkisten van de palen, j. tijdelijk nathoudenvan de palen. Het laatste punt is vooral vanbelang voor palen die in het zicht blijven in eendroge omgeving alsook voor lange, holle- ofcilin-dervormige palen.Onmiddellijk nadat de paal is ontkist, blijkt hijnog warm en vochtig ais gevolg van hetstomen en het vocht verdampt daarom snel.Gedurende deze eerste twee ? drie uur is hetnathouden van groot belang. Sommigefabrieken bespuiten daarom het oppervlak welmet een niet-vochtdoorlatende laag.Het geleidelijk afkoelen van de palen is in deeerste plaats van belang voor lange, massievepalen. Wanneer deze immers blootgesteldworden aan lage temperaturen, terwijl de kernnog warm is, kunnen thermische spanningenscheurvorming veroorzaken.De voor het stomen aan te brengen afdekkingmoet dicht genoeg zijn om bescherming tebieden tegen tocht en een gelijkmatigetemperatuur van het beton te garanderen. Als,bij voorbeeld door tocht, aanzienlijketemperatuurverschillen optreden, kan deelasticiteitsmodulus van het beton sterk wis-selen, waardoor de paal na het voorspannenkrom trekt.Voor palen met ronde of achthoekige door-snede kunnen de zijbekistingen scharnierendzijn of de bovenbekistingen demonteerbaar.De laatste kunnen vrijwel direct na het be-tonneren (dus v??r het stomen) worden ver-wijderd, om de bovenzijde af te werken.Wanneer de zijschotten niet verwijderd wordentijdens het stomen, wordt het oppervlakwaarover water en lucht kunnen inwerkenonaanvaardbaar verkleind. Intensieve ver-dichting en een goede mengselsamenstellingkunnen hieraan enigszins tegemoet komen,doch het euvel niet verhelpen.Het probleem is nijpender bij droge mengsels.Het uit zich in talrijke blaasjes van ongeveer0,5 cm diep en 1 cm diameter of in luchtbellenvan 3 tot 4 mm diameter en een diepte van 1tot 2 cm. De laatste moeten gedicht wordenover de zones die in de definitieve toestandworden blootgesteld aan water en wind ofopeenvolgend vriezen en dooien.Omdat er geen techniek schijnt te bestaan diehet boven omschreven verschijnsel geheelvoorkomt bij toepassing van vaste zij-bekistingen, is het gebruik van demonteerbarebovenbekistingen aan te bevelen.Een andere methode om deze bovenopper-vlakte van achthoekige en ronde palen temaken is het gebruik van glijbekistingenCement XX (1968) nr. 12 507Een bekistingssectie, voorzien van een vul-trechter en een aantal trillers, wordt over railsvoortgetrokken met een snelheid van 0,3 tot 1m per minuut. De sectie is ca. 7 m lang. Deconsistentie van de specie, de ver-dichtingsenergie en de voorttreksnelheidmoeten binnen nauwe grenzen worden ge-houden om inzakken te voorkomen. Soms isde vultrechter voorzien van een schroefpomp.In bepaalde gevallen wordt een tweede vul-trechter achter de eerste aangebracht om debovenzijde van de paal te betonneren. Der-gelijke glijbekistingen hebben de neigingmicro-scheurtjes in het oppervlak te veroor-zaken. Het is daarom gebruikelijk om te eisendat glijbekistingen zo worden geconstrueerddat zij geen zichtbare scheuren of belangrijketrekspanningen veroorzaaken.Holle, ronde palen die geproduceerd wordenop een lange bank hebben een binnenbekis-ting die gevormd wordt door buizen die me-chanisch of hydraulisch kunnen samenklap-pen.Kleinere kokers, tot 30 cm diameter, kunnengevormd worden door kartonnen kokers ofzgn. 'ductubes', die zodanig versterkt moetenworden dat zij hun ronde vorm en langs-stijfheid tussen de steunpunten behouden.Een Engels voorstel is om voorspanstrengen tespannen en deze te omwikkelen met papier offijn gaas en hiermee een koker te vormen. Nahet stomen kunnen deze strengen wordenontspannen en opnieuw gebruikt. Al dezebinnenbekistingen moeten nauwkeu- ' riggefixeerd worden om doorzakken en vooralopdrijven tijdens het trillen te voorkomen.Verankeringen moeten daarom op zodanigeafstanden voorkomen, dat de verplaatsing vande koker binnen de daarvoor gestelde tolerantie(gewoonlijk ? 1 cm) blijft. De toepassing vanstrengen hiervoor is veelal onbevredigend.Glijdende binnenbekistingen zijn gebruikt voorkokers tot een diameter van 110 cm. Dezemoeten geleid en ondersteund worden doorhet gestorte beton, balken, rollen of ge-spannen strengen. Het systeem moet zodanigontworpen worden dat de spiraal nietverplaatst als de koker zulks doet. De eind-ondersteuning kan het gestorte beton zijn.Deze bekistingen zijn voorzien van talrijketrillers. Soms worden er verwarmingsele-menten in aangebracht om het verse betonenige sterkte te geven.De binnenzijde van een glijdende koker moetnat gehouden worden, speciaal in de periodevoor het stomen. Met water verzadigde hetelucht en stoom onder lage druk zijn hiervoorgebruikt.Strengpers-machines zijn ontwikkeld die zowelde binnen- als buitenoppervlakken van hollepalen vormen. Met een speciale machinekunnen automatisch haarspelden in het betonworden aangebracht in plaats van spiralen.In Maleisi? en op de Fidji eilanden zijn langeronde palen vervaardigd, waarbij gebruik werdgemaakt van geprefabriceerde betonringen alsondersteuning voor de bekisting. De afstandvan deze ringen bedroeg 3 meter en devoorspanelementen liepen door gatendaarin. Daarna werd de bekisting aangebrachten het beton gestort. Speciale aandacht wasnodig om volledige aanhechting te verkrijgentussen het beton en de geprefabriceerde ring,waardoor de volledige trek-sterkte van hetbeton tijdens het heien in rekening kon wordengebracht.Methode 2: Constructie in segmentenConstructie in segmenten houdt in de ver-vaardiging van korte elementen die achterafworden samengevoegd en voorgespannen. Demeest bekende toepassing is die voor rondepalen. Er bestaat een techniek waarbij deelementen worden vervaardigd door cen-trifugeren. De bekisting wordt zodanig ge-maakt, dat zijdelingse verplaatsing uitgeslotenis. Speciale voorzieningen worden getroffenom goede kopvlakken te verkrijgen. Deelementen worden na de verharding op eenmontagebaan geplaatst. Nadat de voegengevuld zijn met epoxyhars, worden devoorspanelementen aangebracht en gespan-nen en vervolgens worden de kanalen ge-?njecteerd. Ten slotte worden de verankerin-gen weggehaald.De segmenten kunnen ook verticaal wordengestort, zoals is aangetoond bij de palen meteen diameter van 4 meter ten behoeve van deZeelandbrug. De voegen tussen deze ele-menten werden met mortel gevuld waarna dehele paal werd voorgespannen met nagerektstaal.Methode 3: Segmenten vervaardigd volgensde centrifugaalmethode In Japan bestaat eengroot aantal moderne fabrieken die paalsectiesvervaardigen volgens de centrifugaalmethode.Er wordt gebruik gemaakt vanvoorspanstaven, draden of strengen. Insommige fabrieken worden de spanelementenafgespannen op de bekisting en het betongestort terwijl de bekisting een lageomwentelingssnelheid heeft. Daarna wordt desnelheid verhoogd en ten slotte heeft de maleen omwentelingssnelheid van 350 m/sec.Het gehele proces duurt slechts 8 minuten.Sommige fabrieken passen gedurende 12-24uur een stoombehandeling toe met een tem-peratuur van 65 ?C, gevolgd door het gedu-rende drie dagen nat houden.Tijdens het centrifugeren hebben de staven deneiging zijwaarts uit te wijken, waardoor eenkleine holle ruimte ontstaat. Dit kan wordenvoorkomen door het toepassen van goedemengsels, door de staven te spannen v??r hetbetonneren en door controle van hetdraaiproces in de verschillende stadia.In het werk brengenVoorgespannen palen kunnen op velerlei wij-zen in het werk gebracht worden, bijv. doorheien, spuiten, boren en belasten. De vibratie-methode is in de afgelopen jaren veelvuldigtoegepast voor stalen palen, voor zover mijbekend, voor voorgespannen betonpalenslechts bij wijze van experiment. Hij is weltoegepast voor voorgespannen damplanken inOost-Europa. Het is bekend dat in Ruslandlange palen van gewapend beton door middelvan de vibratiemethode in de grond gebrachtzijn en is er geen reden om aan te nemen datdeze methode niet zou voldoenvoor voorgespannen palen. De afwezigheidvan krimpscheuren zou de demping der tril-lingen beperken.De meeste voorgespannen palen worden ge-heid, soms in combinatie met spuiten. Hetgrote aantal voorgespannen betonpalen datmet succes geheid is in grondsoorten van zeerverschillende aard, toont wel aan dat dezemethode ?n het algemeen voldoet. Er zijnenkele algemene regels voor het met succesaanbrengen:1. de paal en het heiblok moeten in eikaarsverlengde zijn,2. de paalkop moet vierkant en vlak zijn,3. de snelheid van het blok dient niet te hoogte zijn, speciaal in zachte grondslag,4. de paalkop dient beschermd te wordendoor een dempende laag: 15 tot 35 cm dikzachthout heeft het grootste nuttig effect,5. de verbindingen tussen de paalsegmen-tenmoeten beschermd worden,6. te sterke geleiding van de paal dient teworden vermeden; wanneer de paal over enigediepte is ingeslagen, kunnen plaats en richtingniet meer veranderd worden zonder datmoeilijkheden optreden,7. het snellen van de paalkop dient met ha-mer en beitel, of met een kleine pneumatischeboor te geschieden, van te voren dient om depaal een houten of stalen band te wordenaangebracht; het van te voren verwijderen vaneen dunne laag beton met behulp van eenzaag of boor zal het snellen vergemakkelijken,8. in geval van v??rboren of spuiten moet de'paalpunt goed vaststaan voordat met het heienwordt begonnen; het beste effect van het heienis te verwachten bij toepassing van een zwaarheiblok, een zachte vulling en kleine valhoogte;bij zeer lange slanke palen is het nodiggeleidingen aan te brengen om trillingen ofuitknikken tijdens het heien te voorkomen; bijschoorpalen moeten ondersteuningenaangebracht worden onder de overstekken,zowel boven de grond als voor het geval inwater wordt geheid.De oppikpunten moeten duidelijk wordenaangegeven. Bij lange palen met meerdereoppikpunten heeft de hoek tussen strop enpaal invloed op de spanningen in de strop. Deoppikpunten kunnen in dat geval verschillenvan die welke in de fabriek en tijdens hettransport worden gebruikt.Bij constructies boven de waterlijn worden depalen soms gericht. In geval van grote lengtenworden hierdoor soms grote spanningen in depaal veroorzaakt. Het is dus nodig dat dit in devoorschriften verboden wordt. Eengebruikelijke limiet is een kracht van 200 kgfvoor een paal die over 10 meter vrijstaat.Hierbij kan gebruik worden gemaakt van lierenof staaldraden met een maximale capaciteit tergrootte van deze kracht. Voor palen in rivierenof havens kan het nodig zijn deze na het heiente ondersteunen tegen de zijdelingse krachtenten gevolge van getijstromen of golfslag; voorschoorpalen tevens tegen doorbuiging tengevolge van het eigen gewicht.Dieselblokken worden op grote schaal? ge-bruikt. Door hun in het algemeen lage ge-Cement XX (1968) nr. 12 508wicht en grote valsnelheid moet speciale zorgworden besteed aan de vulling van deheimuts.Het spuiten wordt vaak in combinatie metheien toegepast, ofwel daarv??r om hardelagen open te breken ofwel gelijktijdig. In hetlaatste geval is het gevaarlijk om te spuitennabij de punt, daar dit een holle ruimte terplaatse kan veroorzaken waardoor deheitrekspanningen hoog kunnen oplopenHet v??rboren met water of bentoniet kantoegepast worden om harde bovenlagen tedoordringen. Dit wordt steeds meer gedaan alseen diepe indringing gewenst wordt, ten eindezetting te verminderen.Het trekken van voorgespannen betonpalenleidt vaak tot scheurvorming. Intensief spuitenen nauwgezette controle op het centrischtrekken is daarbij nodig.Reparaties aan beschadigde of gescheurdepalen in waterbouwkundige constructies zijnsoms nodig.De volgende methoden zijn hiervoor succesvolgebleken:onder water verhardende cement (geenCaCh bevattend),onder water verhardende epoxyhars, stalen ofbetonnen mantel, aan de paal verbonden doorinjectiespecie. Alle reparaties moeten wordenvoorafgegaan door een zorgvuldige reinigingen na de uitvoering beschermd worden totvoldoende sterkte en weerstand tegen hetwater verkregen is.Bij de Zeelandbrug in Nederland werden depalen afgezonken door de grond in het in-wendige uit te baggeren en de paal te belas-ten. De kraan was zo geconstrueerd dat eendeel van zijn gewicht op de paal kon wordenovergebracht. Nadat het gewenste peil wasbereikt, werd een koek van onderwater betongestort.Bij de bouw van de San Diego-Coronado-brugin Californie werden de palen in drie fasendoor dichte klei- en zandlagen gedrukt naar dedragende laag. In fase 1 werden zevoorgespoten en geheid naar een diepte tot 2meter boven de vereiste diepte. In fase 2 werddoor middel van spuiten boven de paal-voet enheien deze afstand met een meter verkleind. Infase 3 werd uitsluitend geheid om voldoendeaansluiting van het zand rond de paalvoet teverzekeren.Theorie van de spanningsgolfDe theorie van de spanningsgolven verklaartvele van de bij het heien van voorgespannenbetonpalen waargenomen verschijnselen.Wanneer een paal getroffen wordt door eenslag van het heiblok, duurt de botsing 4 X 10"3tot 8 X 10"2seconden. De spanningsgolf plantzich voort met een snelheid, gelijk aan die vanhet geluid in beton; voor het in palentoegepaste beton is dit ca. 4000 m/sec. Degolflengte bedraagt 16 tot 50 meter, afhankelijkvan de tijdsduur van de botsing. De maximaledrukspanning in de paalkop Dearaagt 70 tot240 kgf/cm2, maar kan zelfs oplopen tot 300kgf/cm2. Wanneer de spanningsgolf depaalvoet bereikt keert hij om; bij hardeondergrond als drukgolf, bij zachte ondergrondals trekgolf.De spanningen aan de voet kunnen aldus tottweemaal de waarde van de hoofdspanningoplopen, wanneer door water in rotsgrondgeheid wordt. Daartegenover staat dat wan-neer in zachte ondergrond wordt geheid eentrekspanning ter grootte van 50% van dehoofdspanning kan worden opgewekt. In depraktijk zijn trekspanningen tot 100 kgf/cm2gemeten.De door het heien in zachte grond opgewektetrekgolven hebben in de praktijk vaakmoeilijkheden veroorzaakt. Er verschijnenplotseling horizontale scheuren op 1/3 van depaallengte, gemeten vanaf de kop en met eenonderlinge afstand van ca. 0,50 m. Daarnaworden de scheurwijdtes groter. Herhaaldheien veroorzaakt vermoeidheid in het betonnabij de scheur, gepaard gaande met eentemperatuursverhoging en eventuele brossebreuk van de spanelementen. Het punt waarscheuren ontstaan, valt vaak samen met ver-anderingen in doorsnede, zoals hijspunten enverdiepingen door merken of luchtbellen.Er moeten ongeveer 21 variabelen beschouwdworden bij het berekenen van de heispannin-gen. Hiervoor is een groot aantal computer-programma's ontwikkeld. De variabelen zijnonder meer het gewicht en de lengte van depaal, de elasticiteitsmodulus en de dempendeeigenschappen van het beton, het gewicht vanhet heiblok en de botsingssnelheid, de stijfheidvan de heimuts, de weerstand van de grond ende conditie waarin de paalvoet verkeert.Naar mijn mening is de spanningsgolf-theo-riewaardevol, doch heeft twee beperkingen. In deeerste plaats geeft hij te hoge waarden voor detrekspanningen, doordat de mantel-wrijving en energie-afgifte aan de grondworden verwaarloosd, in de tweede plaatsgeeft hij uitkomsten die wijzen op maximaletrekspanningen over een veel groter gedeeltevan de paal dan waar scheurvorming wordtgeconstateerd.Deze theorie legt de nadruk op het belang vande heimuts die de heispanningen tot 50%reduceert. Hij verklaart tevens dat bij eenzelfdeenergie zware blokken met lage valsnelheidveel kleinere spanningen veroorzaken danlichte blokken met hoge valsnelheid.De amplitude van de spanningsgolf kan ver-kleind worden door vermindering van debotsingssnelheid en vergroting van de diktevan de vulling van de heimuts. Dit is bijzonderbelangrijk bij het heien in zachte grond enbovenal wanneer een paal door een hardelaag wordt geslagen en de punt daarna geenweerstand ondervindt terwijl de paal niet zaktals gevolg van de mantelwrijving.Licht beton heeft een lagere elasticiteitsmo-dulus. Daardoor vermindert de snelheid van despanningsgolf tot ? 3000 m/sec. en worden demaximale druk- en trekspanningen 18respectievelijk 22% minder. Er is kennelijk eenhogere inwendige demping in het licht beton,waarvan het effect echter gedeeltelijk tenietwordt gedaan door de lagere treksterkte.Bij een paal die via water in rotsgrond wordtgeslagen kan theoretisch de drukgolf terug-kaatsen aan de voet en via de paalkop terug-gaan als een trekgolf. In de praktijk is dit eentamelijk zeldzaam verschijnsel, door demping,mantelwrijving, enz. (wordt vervolgd)Cement XX (1968) nr. 12 5098Toepassing van ronde palen van voorgespannen licht beton voor pijlerconstructies inSan Francisco