Ben C.Gerwick, IrSan Francisco (U.S.A.) Massa-produktie van gepre-fabriceerde voorgespannenbetonpalen (II)*Algemeen rapport van de eerste zitting van het FlP-symposium over'Massa-fabricage Voorgespannen Betonelementen'; Madrid, 3-4 juni 1968U.D.C. 624.154.3:666.982.4-4:658.526Massa-produktie van geprefabriceerde voorgespannen betonpalenEconomieDe economie van voorgespannen betonpalenzit in de eigenschap dat zij aangepast kun-nen worden aan de constructieve eisen,waarbij de veiligheid gehandhaafd wordt ge-durende lange tijd en de kosten minimaalzijn.Het constructieve gedrag van de paal en demogelijkheden wat betreft transport, heien enverbindingen, zowel als de duurzaamheid zijnzeker even belangrijk als de vervaardigings-kosten.Voorgespannen betonpalen bleken de meesteconomische oplossing te bieden wanneerhun constructieve eigenschappen tot hunrecht kwamen, het aantal palen zeer grootwas of de eisen betreffende duurzaamheidhoog waren.Voor waterbouwkundige constructies wordteen levensduur van 25 ? 50 jaar vereist, daar-naast grote weerstand tegen normaalkrach-ten en buigende momenten, verkrijgbaarheidin grote lengten en lage kosten. Voorgespan-nen betonpalen zijn in het algemeen supe-rieur aan andere soorten palen en daaromop grote schaal toegepast voor dergelijkeconstructies.Voor funderingen zijn de criteria: lage kos-ten, sterkte en de mogelijkheid om tot devereiste diepte te worden geheid. Bij verge-lijking van verschillende soorten palen voorfunderingen, zou een analyse moeten wordengemaakt van het draagvermogen van paal enondergrond, de kosten van vervaardiging,transport en heiwerk, de afmetingen, diepteen kosten van de funderingsstroken en debouwtijd.Voorgespannen betonpalen blijken na eendergelijke analyse vaak concurrerend te zijnen vaak zelfs de goedkoopste oplossing. Zijmoeten natuurlijk vergeleken worden metandere betonpalen. Vergeleken met de nor-maal gewapend-betonpalen hebben zij alsvoordelen de grotere sterkte, hogere duur-zaamheid en lagere staalkosten. Voorge-spannen betonpalen hebben een wapenings-percentage dat ca. 7? bedraagt van dat vangewapend-betonpalen. Daar de kosten vanvoorspanstaal ongeveer het dubbele zijn vandie van betonstaal, resteert een besparingvan2/ van de prijs van het betonstaal.Een belangrijke factor ten gunste van voor-gespannen betonpalen, vergeleken met sta-len of houten palen, is dat in vele grondsoor-ten deze hun vereiste draagvermogen ont-wikkelen bij veel kleinere indringing, als ge-volg van de grotere mantelwrijving en grote-re puntdoorsnede.In Japan kan de prijs van gestandaardiseer-de voorgespannen betonpalen worden bere-kend uit een formule, waarin is rekening ge-houden met onder meer de lengte, de dia-meter, het aantal en de kosten van de ver-bindingen en de kosten van het lassen. Devereiste arbeidstijd bij de vervaardiging wis-selt sterk als functie van produktiemethodeen -omvang. Een groot aantal landen brachthierover verslag uit, doch een vergelijking isniet goed mogelijk omdat sommige gegevensontbreken. Wel bleek dat het kleinste aantalmanuren werd bereikt bij produktie op langebanken, met gebruik van voorgerekt staal envaste bekistingen.Voorgespannen betonnen damplankenVoorgespannen betonnen damplanken heb-ben als voordelen grote duurzaamheid en uit-stekend aanzien. Zij zijn niet altijd direct ver-gelijkbaar met staal omdat damplanken vaakin twee richtingen belast worden.Om dit probleem op te lossen kan aan devoorspanning een zekere excentriciteit ge-geven worden en kan op plaatsen met grotebuigende momenten betonstaal worden bij-gelegd. De grootte van de toelaatbare trek-spanning is afhankelijk van de omstandighe-den en de belasting. Gebruikelijk zijn waar-den tussen 0 en 50% van de treksterkte. En-kele veel gebruikte doorsneden zijn aange-geven in figuur 1.Er hebben zich bij het heien moeilijkhedenvoorgedaan doordat de zijkanten van degroef afbraken. Om dit te voorkomen zal hetnodig kunnen zijn het betonstaal hierin doorte laten lopen.Voorgespannen betonnen damplanken kun-nen worden aangebracht door middel vanspuiten of heien; belde worden in combina-tie toegepast. In Oost-Duitsland worden vi-brerende blokken toegepast. Een specialeheimuts is vereist om het mogelijk te makenalle palen tot dezelfde diepte te heien. Ver-scheidene landen rapporteren over eenplaatselijke verjonging nabij de kop waarophet blok kan worden vastgezet. Na het heienkan dit beton worden verwijderd en de vrij-komende voorspanelementen worden opge-nomen in een deksloof.Het is de gangbare mening dat met de mes-sing naar voren moet worden geheid om tevoorkomen dat de groef gevuld raakt metgrond. Wanneer een plank met dubbele groefwordt gebruikt, wordt gewoonlijk een stalenpijp meegeheid die later getrokken wordt.Bij sommige funderingen zijn gesloten dam-wandkuipen toegepast waarbinnen kan wor-den ontgraven. In de uiteindelijke toestandvormt deze wand dan een deel van de defi-nitieve constructie.Voegen moeten ge?njecteerd worden omzanduitschuring te voorkomen. Hiervoor iswel zandcement toegepast. Onder water die-nen bij het injecteren speciale maatregelente worden getroffen.De volgende cijfers voor de kosten van dam-wandconstructies kunnen worden gegeven:stalen damwand, vloeigrens 2500 kgf/cm2,niet geconserveerd: 92%idem, doch vloeigrens 8500 kgf/cm2: 90%voorgespannen betondamplanken, cilinder-druksterkte 550 kgf/cm2: 100%stalen damwand beschermd tegen corrosie:105%'Meerpalen van voorgespannen beton(fig. 2 en 3)Voorgespannen betonpalen bieden veel voor-delen bij gebruik als meerpalen, ducdalvenen andere palen die dwarskrachten moetenopnemen. Zij zijn duurzaam en economisch.Zij kunnen zodanig ontworpen worden, datdoorbuiging en energieopname maximaal zijndoor aanpassing van de doorsnede en doortoepassing van beton met lage elasticiteits-modulus (licht beton).Zij worden toegepast in steigers en pieren,waarbij beschadiging van schip en meer-palen uitgesloten moet zijn. Genoemd kun-nen worden steigers in Koeweit, Singaporeen Los Angeles.De Nederlandse vertaling werdverzorgd door C.J.SpaargarenHet eerste gedeelte werd gepubliceerdin Cement XX (1968) nr. 12 Constructief licht beton schijnt het idealemateriaal te zijn voor toepassing in meer-Cement XXI (1969) nr. 1 227Voorkomende typen van voorgespannenbetonnen damplankenVerbindingen (fig. 4)Veel van de huidige ontwikkelingen van devoorgespannen betonpalen zijn gebaseerd opde verbindingstechnieken. De ideale verbin-ding zou aangebracht moeten kunnen wor-den zonder onderbreking van het heiwerk,even sterk zijn als de paal zelf en ten slottegoedkoop. De verbinding moet tijdens hetheien en in de uiteindelijke toestand weer-stand bieden aan alle erop uitgeoefendekrachten. De met epoxy-hars vastgezettedeuvels komen het beste aan deze verlan-gens tegemoet. In Noorwegen wordt de ver-harding van deze hars versneld door elektri-sche verhitting, in de Verenigde Staten wordthiervoor stoom gebruikt. Mechanische ver-bindingen zijn het meest economisch wan-neer slechts drukspanningen moeten wordenovergebracht. Een groot aantal van deze ver-bindingen is aan de markt gebracht en er zalhier geen poging tot inventarisatie wordengedaan.palen en ducdalven, door zijn grotere elasti-citeit en energie-absorptie. Het grootste pro-bleem bij voorgespannen ducdalven is dat zijbij excessieve stoten de neiging hebbenplotseling te breken. Er wordt daarom welvoorgesteld een grotere reserve aan sterktete realiseren door het toevoegen van niet-gespannen strengen.Bij het ontwerp van voorgespannen meer-palen wordt gewoonlijk een trekspanning tergrootte van 50% van de treksterkte toegela-ten. Het is belangrijk om de duurzaamheidbeperkende scheuren te voorkomen; aan de2Voorgespannen betonpalen toegepast a/smeerpalen voor aanlegsteigersandere kant is het verkeerd dergelijke palente stijf te maken. De duurzaamheid is nietvan overwegend belang omdat anders danbij funderingspalen het mogelijk is meerpalente vervangen. Er kan dus veelal met een lageveiligheidsco?ffici?nt worden volstaan.Een ander type wordt gevormd door geleide-palen bij brugpijlers, die dienen om de pijlerste beschermen. Het voorkomen van bescha-digingen aan schepen is hier van secundairbelang. Hier zijn uiterste draagkracht enduurzaamheid van het hoogste belang. Voor-gespannen betonpalen beschermen de pijlersvan alle grote bruggen in Californie.Problemen en gebrekenOntwerp, produktietechniek en praktijk be-treffende het in het werk brengen kunnenslechts goed zijn na zorgvuldige analyse vande problemen en gebreken. De geconstateer-de gebreken zijn evenwel zeer miniem (min-der dan 1%) in vergelijking met het totaleaantal voorgespannen betonpalen dat metsucces is toegepast.3Toepassing voorgespannen betonpalen voorgeleidewerken van brugpijlersCement XXI (1969) nr. 1 23De zich voordoende problemen worden hier-onder genoemd, met de gevonden oorzakenen de toe te passen remedie:1. Horizontale scheuren tijdens het heien.Dit is het meest algemene probleem. Zij ont-staan op V3 van de paallengte, gerekendvanaf de kop en met ca. 50 cm onderlinge af-stand. Bij voortgang van het heien zal hetbeton vermoeidheidsverschijnselen vertonenen vlak boven de scheuren zal de tempera-tuur oplopen. Brosse breuk van het voor-spanstaal is niet uitgesloten.Oorzaak: trekspanningsgolven door onvol-doende weerstand van de paalvoet.Remedie:a. een dikkere laag zachthout in de heimuts,b. de valhoogte van het blok verminderen,niet spuiten nabij de paalvoet tijdens hetheien.2. Scheurvorming onder een hoek met dehorizontaal.Oorzaak: torsie en trekspanningsgolven.Remedie: de onder 1 genoemde maatregelena-c, daarnaast:d. controleren of de heimuts draaien van depaal verhindert,e. voorkomen dat de leiders het draaien vande paal verhinderen.3. Verticaal splijten van ronde of holle palentijdens het in het werk brengen.Oorzaak: a. modder en of water in de kokerdie axiale krachten in de paalomtrek teweegbrengen,Remedie: voldoende ontluchting van dekoker.Oorzaak: b. druk van het heiblok op deinwendige waterkolom,Remedie: niet onder water heien; indien ditonvermijdelijk is dan een heiblok met grote. openingen toepassen.Oorzaak: krimpscheuren ontstaan tijdensde fabricage,Remedie: afdoende nabehandeling metwater; een zoveel mogelijk krimpvrij mengseltoepassen; een grotere spiraalwapening aan-brengen.Oorzaak: d. hydrostatische druk ontstaandoor het vullen van de koker met beton,4Diverse oplossingen voor de onderlingeverbinding van paalsegmentenRemedie: verlaag de stortsnelheid, zodat hetbeton tijd krijgt om enigszins te binden; ver-groot de doorsnede van de spiraalwapening.Oorzaak: e. verticale splijtscheuren tijdenshet heien,Remedie: vergroot de spiraalwapening nabijde kop; vergroot de dempende tussenlaag inde heimust.Oorzaak: f. verticale splijtscheuren nabij depaalvoet,Remedie: spuit of boor de binnengedrongengrond weg tijdens het heien; spuit of boorvoor het heien;4 vergroot de doorsnede vande spiraalwapening; pas massieve punten toe.Oorzaak: g. hydrostatische druk door spuitenvia de koker,Remedie: voorzie de wand van ontluchtings-openingen.4. Verticale scheuren in ronde palen na hetaanbrengen.Oorzaak: a. het bevriezen van water of mod-der in de koker,Remedie: breng ontluchtingsopeningen aan inde paalschacht; plaats een hout- of kunst-stof bekleding in de koker; vul de koker metvorstvrij materiaal.Oorzaak: b. plotselinge daling van het rivier-peil, waarbij het water in de koker achter-blijft; gecombineerd met uitdrogingskrimp enlagere temperatuur aan de buitenzijde.Remedie: zorg voor ontluchtingsopeningenof vul de koker met beton en vergroot dedoorsnede van de spiraal.Oorzaak: palen gescheurd door via de ri-vier afgevoerd materiaal,Remedie: vul de kern met zand of beton.5. Breuk van voorgespannen verticale enschoorpalen voor een steiger door ijsmassa'sgedurende dooi in het voorjaar.Oorzaak: ijsmassa's schoven tegen schoor-palen, klemden zich vast tegen in de nabij-heid staande verticale palen waardoor dezelaatste braken,Remedie: in zulke omstandigheden moet hetpalenplan zodanig ontworpen worden dat ijs-massa's niet vastgeklemd kunnen raken.6. Uitzonderlijke splijting aan de kop tijdenshet heien.Oorzaak: stoot van het heiblok op niet voor-gespannen beton.Remedie: kop afronden; grotere dempendelaag; meer spiraalwapening ter plaatse; vlak-ke en vierkante kop.7. Afbrokkeling van paalhoeken onder dewaterlijn in het gebruiksstadium.Oorzaak: agressieve stoffen,Remedie:a. indien mogelijk het hele oppervlak afdek-ken met onder water verhardende epoxyharsb. de hele paal omhullen met een stalen buis.8. Verticale haarscheuren door het middenvan de zijvlakken van massieve palen.Oorzaak: sterke krimp en afkoeling aan debuitenzijde speciaal in koud, droog en winde-rig weer,Remedie:a. langzame afkoeling in de laatste fase vanhet stoomproces;b. vochtig houden direct na afloop van hetstoomproces.9. Horizontale scheuren in het oppervlak na-bij de oppikpunten.Oorzaak: de spanning ten gevolge van denegatieve momenten is groter dan de somvan voorspanning en treksterkte.Remedie:a. betonstaal nabij de oppikpunten,b. toepassen van meer oppikpunten.DuurzaamheidVoorgespannen betonpalen worden in het al-gemeen gekozen op grond van hun duur-zaamheid. Het is daarom belangrijk dat deduurzaamheid gewaarborgd is en de palenbeschermd worden in agressieve omstandig-heden.De primaire bescherming van het voorspan-staal en de spiraalwapening tegen zeewater,(chloriden en sulfaten) wordt verschaft doorde betondekking. Het beton moet dicht enniet poreus zijn, anders kunnen zich zout-kristallen afzetten die corrosie veroorzaken.Een voldoende hoog cementgehalte is nodigom een basisch milieu te verkrijgen nabij hetstaal.Cement XXI (1969) nr. 1 245 Voor het vervaardigen van voorgespannen betonpalen t.b.v. de Scheepshelling van Verolmewerd een mobiele fabriek opgericht. De voor-spanning geschiedde volgens het lange-banksysteemHet Russische rapport vermeldt dat de poreus-heid vermindert door het handhaven van eenblijvende voorspanning in het beton.De belangrijke factoren zijn daarom:voldoende betondekkingniet-poreus betonhoog cementgehaltechemisch niet actieve toeslagmaterialenhandhaven van een hoge drukspanning inhet betonAfwisselend vriezen en dooien, gecombi-neerd met zout water is wellicht de slechtstdenkbare omstandigheid voor betonpalen.In Noorwegen was het gebruikelijk de palente bekleden met een 4 ? 5 cm dikke houtlaag,maar tegenwoordig worden ook onbescherm-de palen toegepast, waarbij is zorggedragenvoor een luchtgehalte van 8 ? 10% in hetbeton, terwijl speciale zorg is besteed aan dedichtheid van het beton.Proeven uitgevoerd in Maine hebben aange-toond dat beton met een luchtbelvormerduurzamer is dan alie andere soorten beton.In Rusland worden drie typen vorstbestendi-ge palen onderscheiden; de keuze hangt afvan de omstandigheden in de definitieve toe-stand.Algemeen wordt aangenomen dat scheuren,zelfs haarscheuren die onder invloed van devoorspanning gesloten zijn, een belangrijkeoorzaak voor corrosie zijn. Onderzoekingenvan Abeles hebben aangetoond dat zeerkleine scheurtjes de duurzaamheid niet nood-zakelijkerwijs beperken.Uit mijn eigen onderzoekingen is geblekendat haarscheuren in dit opzicht lang niet zoernstig zijn als een niet volkomen dicht be-ton. Onder voorspanning en in waterig milieuis herstel van de haarscheurtjes zelfs nietuitgesloten.Ontwikkeling en onderzoekDe volgende gebieden lenen zich voor nade-re ontwikkeling en onderzoek:1. De vereiste doorsnede van de spiraalwa-pening over de paallengte. De relatie tussendeze doorsnede, de treksterkte van het be-ton, de heispanningen, het draagvermogenen de spanningscornbinaties nabij de paal-kop.2. Verdieping van het inzicht in de correla-tie tussen de spanningsgolven en de geme-ten spanningen en de eigenschappen van degrond.3. Een onderzoek naar de duurzaamheid.Wanneer palen die in een agressief milieuhebben verkeerd, moeten worden getrokken,is een onderzoek gewenst naar het voorko-men van chloride-concentraties en sympto-men die wijzen op corrosie.4. Het gedrag van voorgespannen betonpa-len onder gecombineerde belastingen in hetbreukstadium, bijv. ten gevolge van aardbe-vingen.5. Het gedrag tijdens het heien, als scheur-vorming is opgetreden, als oorzaak van ver-eiste staaldoorsnede, energie-opname, dem-ping, vermoeidheid van staal en beton; co?r-dinatie met het onderzoek naar het gedragvan voorgespannen betonpalen tijdens aard-bevingen.6. Het effect van het heien op de eigen-schappen van een voorgespannen betonpaal.Er wordt aangenomen dat, wanneer een paalongescheurd is geheid, zijn eigenschappenonveranderd blijven in weerwil van wellichtduizend afwisselende belastingen op trek endruk. Is er door vermoeidheid een verlagingvan de trek- of druksterkte of de elasticiteits-modulus of vindt een versteviging plaats ?Het laatste zou zich kunnen voordoen nabijd? paalkop zoals waarnemingen in de prak-tijk wel leren.7. De toepassing van zeer hoogwaardig be-ton in funderingspalen; eventuele beperkin-gen die aan de belastingen gesteld moetenworden; het gedrag onder permanente belas-ting en voorspanning; economie.8. Verdere ontwikkeling van meerpalen: lichtbeton, rubber strippen, een epoxy-deklaag omuitscheuren te voorkomen, extra betonstaalter vergroting van het breukmoment.9. Verbindingen: ontwikkeling van een vol-ledig voorgespannen verbinding die econo-misch is en snel aan te brengen.10. Injecteren rond de paal om de kleef teverbeteren: correlatie met research op hetgebied van de grondmechanica en toepas-sing hiervan bij trekpalen.Cement XXI (1969) nr. 1 25