Proefnemingen metBETONDWARSLIGGERSbij de Nederlandsche Spoorwegendoor ir J, A.van der Breggen, ingenieur bij de N.V. Nederlandsche Spoorwegen,en C. Verruyt, directeur van de N.V. Nederlandse Spanbeton Mij1. InleidingNa de eerste wereldoorlog zijn in verschillende landen proevengenomen met betondwarsliggers. De resultaten waren echter inhet algemeen niet bepaald bevredigend en na daling van de hout-prijzen verdween, op een enkele uitzondering na, de beton-dwarsligger van het toneel.Na de tweede wereldoorlog zijn betondwarsliggers vooral doorde ontwikkeling van het voorspannen van beton weer op de voor-grond gekomen. In Frankrijken later ook in Engelanden Duitsland,werden en worden nog proefnemingen verricht met allerleisoorten betondwarsliggers; ook zijn enige reeds op grote schaaltoegepast.Zo zijn langzamerhand vele typen ontwikkeld, die z? veel ver-schillen in afmeting, voorspanning, spoorstaafbevestiging en ver-vaardiging te zien gaven, dat het voor tot oordelen bevoegdenmoeilijk of onmogelijk was zich een juist beeld te vormen van devoor- en nadelen van betondwarsliggers ofwel van ??n type in hetbijzonder. Bovendien is het lastig objectieve resultaten uit dieverschillende landen te verkrijgen en wanneer dat bij uitzonderingw?l het geval is, doet zich nog de vraag voor, in hoeverre deze ge-gevens onder Nederlandse omstandigheden geldig blijven.Het is dus niet verwonderlijk, dat bij de Nederlandse Spoorwegende wens naar voren kwam om in Nederland met enige dwars-liggertypen vergelijkende proefnemingen te doen. Zo werd in deZomer van 1951 besloten in een hoofdspoor tussen Bilthoven enDen Dolder zes proefvakken aan te leggen, elk ter lengte van200 m.Voor de daarbij te gebruiken dwarsliggers viel de keus op ??nFrans type in voorgespannen beton, ??n eveneens voorgespannenDuits type en een Franse (gewapend-betonblokdwarsligger, elktype uitgerust met hun originele spoorstaafbevestigingsmiddelen.Van de drie overige proefvakken zijn er twee uitgerust met het-zelfde Franse voorgespannen type, echter met gedeeltelijk Franse,gedeeltelijk Duitse bevestigingsmiddelen, terwijl voor het derdevak de Duitse dwarsligger, doch nu met Franse bevestigingsmidde-len werd gebezigd.Volledigheidshalve moet hier een in I947.tussen Tiel en Gelder-malsen gelegd proefvak worden vermeld1, uitgerust met de EngelseDow-Mac dwarsliggers van voorgespannen beton. Deze kwamen,vooral ook op grond van economische overwegingen, nu niet meer, in aanmerking.Voorts zijn indertijd een aantal betonblokdwarsliggers van eigenconstructie gelegd in een emplacementsspoor te Amersfoort.Alvorens met de meer gedetailleerde beschrijving van de toege-paste dwarsliggers te beginnen is het wellicht nuttig enige alge-mene opmerkingen te maken.2. VormgevingEen houten dwarsligger is 2,60 m lang, 25 cm breed en 15 cm dik.De spoorstaven, ongeveer 1,50 m uit elkaar, liggen hetzij direct,hetzij indirect door tussenkomst van een stalen plaat of stoel, opde dwarsligger. Zij worden met spoorspijkers of kraagschroevenrechtstreeks aan de dwarsligger bevestigd, of eerst met klem-plaatjes en klembouten aan de stalen stoelen, die op hun beurtmet kraagschroeven op de dwarsligger worden vastgezet.Wil men in plaats van het taaie hout het broze beton voor dedwarsligger gebruiken, dan is het voor een lange levensduur vanzulk een betondwarsligger absoluut nodig, dat geen scheuren inhet beton optreden. Het is dus van belang, alle krachten te ken-nen die op een dwarsligger kunnen werken.Allereerst de bij passerende treinen door de spoorstaaf op dedwarsligger uitgeoefende verticale kracht. Uit de grafiek vantek.I C zou men de conclusie trekken, dat 25 t wel een veilig hooggetal is.Onbekend is echter het verloop van het verschil tussen de beidegelijktijdig optredende spoorstaafdrukken.Vervolgens de overbrenging van de treinbelasting door de dwars-ligger op het ballastbed. Door de in hoge mate statisch onbepaaldesamenwerking tussen spoorstaven, dwarsligger(s) en ballastbedCement 5 (1953) Nr-1--2is het drukverloop onder de dwarsligger veel sterker geconcen-treerd in het gedeelte onder de spoorstaafopleggingen dan in de -overige gedeelten; alleen weten we niet hoeveel sterker, in iedergeval bij een betondwarsligger meer geconcentreerd dan ondereen houten van dezelfde afmetingen.Zakt het ballastbed onder de spoorstaafoplegging meer weg danertussen of onder de koppen (en die tendenz bestaat altijd), dankan de dwarsligger op het middengedeelte en/of op de koppengaan hangen. Voorts kan de dwarsligger wel eens scheef komente liggen, dus onsymmetrisch dragen.Behalve deze verticale krachten kunnen horizontale krachten enallerlei stoten bij het passeren van treinen optreden ; tenslottewordt de dwarsligger onderworpen aan hevige trillingen.De grootte van deze factoren zijn slechts ten dele bekend. Warenzij exact gegeven, dan zouden de hoge, zware en oneconomischedwarsliggers, zoals in den beginne wel eens zijn geconstrueerdhet resultaat er van zijn. Het enige wat hier theoretisch aan kanworden gedaan, is het reduceren van de invloed van alle toeval-lige factoren. Zo kan men het dragen op de koppen en het mid-dengedeelte voorkomen, door de lengte van de dwarsligger tereduceren en het ballastprofiel gootvormig af te werken (tek. I A).Van invloed blijkt ook te zijn het verkleinen van de doorsnede inhet middengedeelte. Vooral de dikte hiervan is bij voorgespannendwarsliggers, met een gegeven noodzakelijke voorspanning voorhet opleggedeelte, van groot belang.tek. IA. voorgespannen dwarsligger met bijbehorend ballastbed-profieltek. IB. de betonblokdwarsligger met bijbehorend ballastbed-profieltek. 1 . frequentiekromme van de oplegdruk van de spoorstaafHet.doorvoeren van een nu nog mogelijke verdere functiesplitsingleidfctot een dwarsligger, bestaande uit twee voldoend grote ensterke oplegblokken, die verbonden worden door een elastischestaaf om de blokken op de juiste plaats en afstand te houden.Ditis de betonblokdwarsligger. Aan de afwerking van het ballastbedbehoeven hierbij geen bijzondere voorwaarden meer te wordengesteld (tek. I B).3. BevestigingsmiddelenStelt men de maximum te verwachten raildruk, opgevat als eenstatische belasting, op 25 t, dan is de gemiddelde oplegdruk vande spoorstaaf op de dwarsligger, gegeven een oplegoppervlak van250 cm2, maximum 100 kg/cm2. Dit is voor normaal fabrieksbetonzonder meer toelaatbaar. De stalen oplegstoelen kunnen dus ver-vallen, indien de zekerheid bestaat, dat plaatselijke spannings-pieken door oneffenheden in spoorstaaf- en dwarsligg?ropleg-vlak worden voorkomen. Daarvoor is een of andere elastischetussenlaag nodig, bijv. een houten plankje of een rubberplaatje.Om het optreden van voor beton funeste spelingen tussen spoor-staaf en dwarsligger te voorkomen, moet de spoorstaaf stevig opde dwarsligger worden geklemd. Dit geschiedt met behulp van11foto I. de Dow-Mac dwarsliggerOp ??n van de voor betondwars?ggers kenmerkende plaatsen ziteen scheur. De spoorstaaf vertoonde golfslijtage.(foto NS/van Schaik)foto 3. de NSM-dwarsligger met Franse spoorstaaf bevestigingDe ballast tussen de dwarsliggers ontbreekt nog.(foto NS/van Schaik)klemplaten, die door het aandraaien van in of aan de dwarsliggerbevestigde bouten, de gewenste klemming tot stand brengen.Toch hebben zich bij aldus uitgeruste en overigens sterk genoeggeconstrueerde dwarsliggers wel eens scheuren voorgedaan,meestal naast de spoorstaafvoet, ook wel er onder of door deboutgaten (foto I). De oorzaak was niet duidelijk, het leek er veelop of somtijds grote negatieve momenten en grote trekkrachtenoptraden.Nog niet zolang geleden is het Franse ingenieurs gelukt de tril-lingen te meten bij het passeren van treinen. De hiervoor speciaalontwikkelde zelfregistrerende meter gaf trillingen aan van onge-veer 800 per sec. Uit de bijbehorende amplituden bleek, aan welkezeer grote versnellingen, zowel positieve als negatieve, spoor-staaf en dwarsligger kunnen worden blootgesteld.Bij verdere onderzoekingen is het door toepassing van verendeklemplaten en gegroefde rubber onderlegplaten (tek. 5) geluktdeze versnellingen aanzienlijk te reduceren. Ondanks deze reduc-tie moet de spoorstaaf nog met minimaal 3 t op de dwarsliggerworden gedrukt om te allen tijde het optreden van spelingen teverhinderen. Het verschil tussen de gebruikelijke en de Fransebevestiging is te zien op foto 2 en 3.4. Toegepaste dwarsliggertypena. Dow-Mac dwarsliggerWat afmetingen betreft (tek. 2) valt allereerst de nog grote lengteop en de vrij plotselinge overgang naar het verdunde tussen-gedeelte en voorts de uitrusting met stalen stoelen. Tussen destoelen en de dwarsligger wordt een rubber plaatje of paarden-haren matje aangebracht. De bevestiging van de stoelen is zeereenvoudig opgelost met doorgaande bouten. De overbrengingvan de voorspanning, ca 30 t, berust op de hechting tussen hetbeton en de niet-gekerfde hardstalen draden 0 S mm, breuk-sterkte 140--160 kg/mm2.Deze dwarsliggers worden in Engeland in verschillende fabriekenop grote schaal gemaakt volgens het lange-banksysteem. De mal-len worden in het midden van de door de gespannen draden ge-vormde productielijn om de draden geschoven en stuk voor stukmet beton gevuld, getrild en met behulp van een lier langs dedraden naar het einde van de productielijn tegen de voorafgaandemal getrokken. Hier wordt nog eens getrild om de hechting vande draden aan het beton zo nodig te herstellen. Dit proces her-haalt zich, totdat de productielijn vol met mallen staat. Wanneerhet beton voldoende verhard is, worden de draden aan ??n van deeindpunten gedeblokkeerd, waarna de dwarsliggers na het door-branden van de draden tussen de mallen ontschaald kunnen wor-den.b. De 12 dwarsligger, ??n van de laatste typen van de Deut-sche Reichsbahn, is voorgespannen volgens het Karig-systeem(tek. 3).Bij deze 2,30 m lange dwarsligger valt de sterke en toch betrekke-lijk vloeiend verlopende verdunning en ook versmalling op van foto 2. de NSM-dwarsligger met Duitse spoorstaafbevestigingDe ballast tussen de dwarsliggers ontbreekt nog. Let op de onder-legplaten en de isolatieplaatjes.(foto NS/van Schaik) tek. 2. de Dow-Mac dwarsligger12 Cement 5 (1953) Nr 1--2tek. 3. de Duitse dwarsligger type 12 tek. 4. de NSM-dwarsliggerhet middengedeelte (9,5x 19 cm) t.o.v. de verhoogde trapezium-vormige opleggedeelten.De oplegpunten van de klemplaten worden gevormd door ?nge-betonneerde gootvormige stalen houders. De kraagschroevenworden in ingebetonneerde houten cylinders gedraaid. Voor demettertijd nodige vernieuwing van deze houtproppen is eenmethode met apart gereedschap ontwikkeld.De dwarsligger wordt voorgespannen met behulp van twee stavenmet opgewalste draadeinden en eindverankering.De totale voorspanning door de staven 0 19 van St. 70 bedraagtuiteindelijk tenminste 24 t.Bij de fabricage van deze in Duitsland reeds in groten getale gelegdedwarsliggers begint men met de asfalt omhulde staven, aan het ?neeinde voorzien van een opgeschroefde ankerplaat en aan de anderezijde voorzien van een ankerplaat zonder schroefdraad en.eenopgeschroefde moer, ongespannen maar wel strak, in de mal teleggen. Na het vullen met beton en trillen verwijdert men de ophet uiteinde van de staven aangebrachte spanklossen en na enigeverharding worden de staven met ca 3 t voorgespannen door hetaandraaien van de moeren. Daarna wordt de dwarsligger ont-schaald en opgeslagen. Om de omlooptijd van de mallen te ver-korten wordt gebruik gemaakt van een stoomproces.Na een maand verharden worden de dwarsliggers op de stapelvoorgespannen met behulp van speciale vijzels, en weer eenmaand later nagespannen om de kruip- en krimpverliezen tot eenminimum te beperken. Wanneer de spangaten met beton zijn op-gevuld en met asfalt zijn afgesmeerd, is de dwarsligger gereed voortransport.De spanbetondwarsligger van de NSMDe afmetingen van deze dwarsligger (tek. 4) zijn vrijwel Identiekaan de Franse S.T.U.P. of S.C.O.P.-dwarsligger. De bevestiging vande spoorstaaf is precies gecopi?erd.De lengte van de dwarsligger bedraagt 2,36 m. De middendoor-snede van 9x23 cm vertoont t.o.v. de oplegging-doorsnede van16x23 cm niet zulk een uitgesproken verjonging. Wel is het ver-foto 4. de betonblokdwarsligger RSPlaatselijk is de ballast weggehaald. Uiteindelijk komt dekoppelstaaf geheel onder de ballast te liggen.(foto NS/van Schaik)loop bijzonder soepel en volkomen symmetrisch.De verende klemplaten rusten direct op het beton in een aan deklemplaatvorm precies aangepaste uitholling, welke over de ge-hele breedte van de dwarsligger doorloopt. De bouten wordenna in warme asfalt te zijn gedoopt, gedraaid in met speciale stalenspiralen gewapende gaten. Bij dit draaien trekt de bout zich tegende binnenrand van de spiraal aan.De voorspanning van de dwarsligger wordt verkregen door dehechting van 16 voorgespannen hardstalen draden. De helft vanhet aantal dwarsliggers werd uitgerust met koud gerekt Belgischstaal ? 5, kwaliteit 160--180 kg/mm2, de andere helft met warmgewalst Duits ovaalstaal van 19,6 mm2, kwaliteit 150--170 kg/mm2.Voorts werd de helft van iedere soort voorzien van een zachtstalennetje onder de spoorstaafoplegging.In de aanvang bedroeg de totale voorspanning 321, in de loop vande productie is deze verhoogd tot 40 t. Uit buigproeven is ge-bleken, dat de verliezen bij toepassing van het Duitse staal veelminder groot moeten zijn dan van het Belgische. Bovendien ver-toont het scheurverloop essenti?le verschillen ; enerzijds op steedskortere afstand van elkaar zich ontwikkelende fijn blijvendescheurtjes, anderzijds zich allengs verbredende scheuren op on-regelmatige en veel grotere afstanden.Bij de fabricage werden de draden door de kopschotten van de(vierling)mallen getrokken en gerekt. Na het vastzetten van denodige beugels, de speciale schroefbouten met spiralen en even-tueel het zachtstalen netje, werden de mallen met beton gevuld,getrild en in de stoomkamer gebracht, waarna de volgende dag dedwarsliggers na het ontspannen en doorbranden van de dradenontschaald en opgeslagen konden worden. De bevestigingsboutenwerden op de fabriek aangebracht.d. De betonblokdwarsligger RSDeze door de NSM gemaakte dwarsligger is identiek aan de Franse,,traverse ?conomique", welke door R. Sonneville uit het typeVagneux is ontwikkeld. Hij bestaat uit twee forse betonblokken,gekoppeld dooreen stalen T-vormige koppelstaaf, die in de blok-13foto 5. het lossen en transporteren van de betondwarsUggers met de roi?enbaanMet behulp van een hefboom wordt de 12 dwarsligger opgetilden op twee op de rollenbaan liggende sleetjes geplaatst. De dwars-ligger krijgt bij het van de wagen afduwen een zekere snelheid, enkomt daardoor vanzelf vlak bij de legplaats terecht.(foto NS/van Schaik)ken doorloopt (tek. 5 en foto 4). De verende klemplaten wordenvastgezet met behulp van hamerkopbouten, die, gestoken ?n ruimein de dwarsligger gespaarde gaten, een kwartslag worden ge-draaid, waarbij de hamerkop in een uitsparing van de koppelstaafkomt en dan daar tegenaan kan worden getrokken. Het eventueeldoor de gaten naar binnen komende water kan door een op halvehoogte in het blok gespaarde horizontale opening verdwijnen.De wapening bestaat uit een zachtstalen onder- en bovennetje endaar waar nodig uit spiralen, bijv. aan de buitenbovenzijde naastde uitholling voor de klemplaat. .De T-vormige hardstalen koppelstaaf is in Frankrijk vervaardigduit ongewalste spoorstaven. De dikte bedraagt gemiddeld 8 mm,minimaal 6 mm. De sparingen voor de hamerkopbouten zijn ge-ponsd. Bij de oorspronkelijke Vagneux-blokdwarsliggers, welkereeds 25 jaar en langer in Frankrijk en Afrika liggen, bestaat dekoppelstaaf uit een 3 mm dik zachtstalen, 8 cm hoog I-profiel.Bij de fabricage wordt gebruik gemaakt van een rijdende mal.Nadat de koppelstaaf en wapening in de mal zijn aangebracht,wordt deze met beton gevuld, getrild, omgedraaid en voorzichtigop de vlakke vloer gezet. Nadat een paar horizontale pennen zijnverwijderd, wordt de mal opgetrokken, zodat de dwarsligger opde vloer blijft liggen. De mal wordt teruggedraaid, een eindjeverreden en het proces herhaalt zich. De volgende morgen wor-den de dwarsliggers de fabriek uitgereden en gestapeld. Vierweken daarna kunnen ze worden afgevoerd.Per dag worden ongeveer 100 dwarsliggers gemaakt. Een voordeelvan de gevolgde methode is de relatief geringe investering. Delevensduur van deze dwarsligger wordt, aangenomen dat de blok-ken intact blijven, bepaald door de duurzaamheid van de koppel-staaf. Deze is in Nederland van te voren in een zuurbad behandeld,waarna het middengedeelte wordt bestreken met een bitumineuzelaklaag.Van de hierboven genoemde dwarsliggers zijn de typen genoemdonder b, en d met hun originele spoorstaafbevestigingsmlddelengelegd in het proefvak bij Den Dolder. Buitendien werden, zoalseerder aangestipt, in dit proefvak nog de onder b en genoemdedwarsliggers toegepast met enige variatie in de spoorstaafbevesti-ging, te weten:e. De Duitse dwarsligger 12, doch met de Franse spoor-staafbevestiging. De bouten zijn gedraaid in ingebetonneerdehoutproppen.f. De NSM spanbetondwarsllgger, echter met de 12spoorstaafbevestiging in houtproppen.g. De NSM spanbetondwarsligger met verende klemplaten,doch met bouten die in houtproppen zijn gedraaid.5. IsolatieEen belangrijk punt is de electrische isolatie van de ene spoorstaaft.o.v. de andere. Het op vele hoofdlijnen reeds toegepaste en opden duur algemeen toe te passen automatisch-blokseinstelselberust nl. op een zekere onder alle (weers)omstandigheden ge-waarborgde minimum isolatie van de houten dwarsligger. Aan-gezien de minimum weerstand van de voorgespannen betondwars-Uggers aanzienlijk lager en bij de betonblokdwarsliggers zelfs nulis, dienen bij automatische beveiliging speciale isolatie-maatrege-len te worden genomen.Ter verkrijging van meer practische gegevens is het proefvakvoorzien van isolatiemiddelen. Tussen spoorstaafvoet en klem-platen zijn isolatieplaatjes aangebracht, zgn. t?cal?miteplaatjes, eenFrans product, bestaande uit een tussen twee dunne staalplaatjesgevulcaniseerd rubberplaatje. Door de aanwezigheid van de rub-berplaat onder de spoorstaafvoet is de isolatie van de spoorstaafhiermee voltooid.6. EindbeschouwingHet proefvak werd in Mei 1952 in dienst gesteld. Tot dusverrehebben zich geen scheuren of andere gebreken bij de dwarsliggersvoorgedaan. Het is echter nog te vroeg om conclusies te trekkenover hun kwaliteit. Ook is niet te voorspellen, hoe lang het nogzal duren voor dit wel het geval is. Om op een veel vluggere maniereen indruk te krijgen, heeft men in Frankrijk een proefbank ge-construeerd, waarbij een met twee spoorstaven gemonteerdedwarsligger permanent aan ongeveer dezelfde belasting en tril-lingen wordt onderworpen als in werkelijkheid alleen bij hetpasseren van een trein het geval is. Een dergelijke installatie zalnu ook bij de Nederlandsche Spoorwegen in gebruik komen.Het staat van technische zijde bezien wel vast, dat betondwars-Uggers kunnen worden toegepast. Van beslissende betekenis voortoepassing op grote schaal is echter de economie. Het belang hier-van krijgt een nog grotere betekenis, indien men bedenkt dat debetondwarsligger een voornaam onderdeel vormt van het voeg-loze spoor, dat is dus spoor waarbij alle (oneconomische) gevolgenvan voegen in de spoorstaaf zijn vermeden. Bovendien is het bijtoepassing van betondwarsliggers met de daarbij behorende elas-tische spoorstaafbevestiging niet onwaarschijnlijk, dat o.m. hetoptreden van golfslijtage in de spoorstaaf, een hinderlijk en z??roneconomisch verschijnsel, zo al niet geheel voorkomen, dan tochnaar een veel later tijdstip wordt verschoven.Al met al is de toepassing van de betondwarsligger een onderdeelvan het streven naar een betere en meer economische constructievan de gehele bovenbouw. Het daarbij rustiger en gerulslozerrijden van de treinen moge door de reizigers als service wordenopgevat.Buitenlandse bronnenBETON UND STAHLBETONBAU, 3ul? 1952Fr. Halbritter, Berechnung gewundener Trappenl?ufe, 4 g., 7 fig.Ing. O. V?lter. Kritische Betrachtungen zur Bedeutung des HakensIm Stahlbetonbau, 6 g., 10 fig.Dr.-Ing. W. Herberg, Die Pregelbr?cke Palmburg,? Deutschlandsgr?sste Stahlbeton-Balkenbr?cke, 4 g., 7 fig.THE ENGINEER, Augustus 29, 1952E. E. Smith' & . . W h i f f in, Density measurement of concreteslabs using gamma radiation, 3., 6 fig..ENGINEERING, Augustus 29, 1952Dr. H. 3. Cowan, Inelastic deformation of reinforced concrete Inrelation to ultimate strength, 2? g., 8 fig.14CONCRETE AND CONSTRUCTIONAL ENGINEERING, juli 1952Prof. Craemer, Rectangular slabs spanning In two directions64 g., 5 fig.H. Lossier, The Pathology of reinforced concrete, 4? g., 7 fig.R. 3. W llkins, Analysis of groups of piles, 2? g., 4 fig.P. P. van der Meulen, Concrete piles in Holland, 5' g., 17 fig.p. 3. F. W ri ght & A. D. McDubbin, Pressure-type air meters forair-entrained concrete, 4J g., 2 fig., 1 tab.LASTECHNIEK, 3uli 19523. Adriaans, Het afsmelten van wapeningsstaven voor gewapend-betonconstructies, 6? g., 24 flg.CIVIL ENGINEERING, 3uli 1952A. A. Brown, Analysis of anchor bolts and concrete piers forlarge stills and kettles, 1? g., 2 flg.WEGEN, nr 7, 3uli 1952?r. A. 3. P. van den Burgh, De voegen In de betonweg, 5,5 fig.Cement 5 (1953) Nr 1--2