? ? materialen ? voorspanningprof.dr.ir.A.S.G.Bruggeling en dr.R.B.PolderDe laatste jaren is in het buitenland, met name in Duitsland en Engeland, een aantalma-len een voorgespannen betonconstructie onverwacht bezweken. Dit bezwijken trad dusop zonder duidelijke 'waarschuwing', ofwel de oorzaak was niet: excessieve scheurvor-ming al dan niet gepaard gaande met grote doorbuiging.De oorzaak van dit plotseling bezwijken was het 'spontaan' breken van het voorspanstaaldoor voortschrijdende plaatselijke Corrosie (Engeland) of spanningscorrosie in, dan welwaterstofverbrossingvan het voorspanstaal (Duitsland).SPONTAANBREKENVANVOORSPANSTAAL52Dit artikel behandelt schadegevallen aanvoorgespannen betonconstructies. Na eenglobale inventarisatie volgt een korte be-handeling van de, vanaf de jaren vijftig enzestig tot heden, gefabriceerde soortenvoorspanstaal. Vervolgens wordt ingegaanop de verschijnselen corrosie, spannings~corrosie en waterstofverbrossing, die deoorzaken zijn van het spontaan breken vanvoorspanstaal. Hoe zit het met de toepas-sing van het 'gevaarlijke' voorspanstaal inons land?Een standpunt wordt ingenomen met be-trekking tot een in Duitsland geformuleerdvoorstel. Totsloteen algemeen beeld van deconsequenties van het behandelde voor on-ze bouwpraktijk.Situatie in diverse landenEngelandIn Engeland resulteerde het plotseling in-storten van enkele bruggen in voorgespan-nenbeton metnagerektstaal in een morato-rium, uitgebracht op 25~9-1992, waarin hetmet voorspankabels voorspannen van metnagerekt staal te bouwen bruggen en via-ducten, wordt verboden. Om opheffen vandit verbod te bewerkstelligen, heeft de Con-crete Society een rapport uitgebracht [1],waarin veel informatie is verstrekt omtrenthet uitgevoerde onderzoek.Op 25-9-1996 werd dit verbod tijdens hetFIP-symposium in London ingetrokken voorconstructies die niet worden opgebouwd uitsegmenten (moten).DuitslandIn Duitsland zijn ettelijke voorgespannen be-tonconstructies of delen daarvan, ook in delaatste jaren, plotseling bezweken. Dezebleken destijds te zijn vervaardigd met een,in Duitsland vervaardigd, type voorspan-staai (Rheinhausenstaal- Neptunstaal). Ditvoorspanstaal is in ons land in dit soort con"structies feitelijk nooit toegepast en wordtsinds 1965 ook niet meer in die samenstel-ling (in Duitsland) vervaardigd en verwerkt.Zeer recent wordt volgens [2], in het rapportvan de Deutscher Ausschusz f?r Stahlbeton[3] uitgegaan van de veronderstelling dat,ondanks sterk verbeterde eigenschappenvan het nu toegepaste voorspanstaal, hetniet mag worden uitgesloten dat als gevolgvan degevoeligheid voor spanningscorrosievan voorspanstaal in het algemeen, in deloop van de tijd beschadigingen kunnen op-treden.Gesteld wordt dat bij de dimensionering vanvoorgespannen betonconstructies, in detoekomst moetworden uitgegaan van de on-waarschijnlijke, maar niet uit te sluiten kansdatdoor hetplaatselijk uitvallen van de func-tie van hetvoorspanstaal, van welk type danook, in een doorsnede geconcentreerd ver-liesvan draagvermogen kan optreden.Daar-om zou voor de dimensionering een 'Fail Sa-fe' criterium moeten worden gehanteerd.Er is een rekenmodel ontwikkeld om in datgeval de resterende doorsnede aan onbe-schadigd voorspanstaal en de veiligheid te-gen bezwijken van de constructie te bepa-len. In de dimensionering moet daarbij wor-den uitgegaan van het principe 'Eerst (waar-schuwing door) scheurvorming en dan be-zwijken'. Daartoe blijkt het aanbrengen vaneen bepaalde hoeveelheid betonstaalnoodzakelijk te zijn. Deze wapening zoumoeten voorkomen dat een voorgespannenbetonconstructie plotseling, zonder waar-schuwing, bezwijkt.Gebaseerd op de resultaten van dit onder-zoek, zijn in het rapport tevens aanbevelin-gen opgenomen ter controle van de veilig-heid van bruggen die zijn voorgespannenmet het bijzonder gevoelige Neptun-voor-spanstaal St 145/160.Voor in de toekomst te bouwen constructiesCEMENT1997/12@ Schema oorspronkel?ke vervaardiging gepatenteerd, getrokken, thermisch nabehan-deld voorspanstaal [8}Richten Eventueelprofiteren~8is daartoe de Duitse norm DIN 4227 aange-vuld met deel 1. Daartegen wordt sterk ge-protesteerd.De aankondiging [2] eindigt met de zinsne-de: 'Die Ergebnisse f1ieszen auch in die EU-rop?ische Norm EC 2, Teil 2 -Br?ckenbau -ein'.Uit deze zinsnede zou kunnen volgen dat,als gevolg van de problemen in Duitslandmet ??n soort voorspanstaal dat al meerdan dertigjaar niet meer wordt vervaardigd,wij in ons land ook gedwongen zouden wor"den bij de dimensionering van bruggen invoorgespannen beton met deze aanpak re-kening te houden!8Walsenooo0-1 ? ~l>-:-->ro900 ? 1000 C 5000CPatenteren)(X >< >( 0Koudtrekkenca: 400?C 0Thermisch n8behandelenNederlandHet blijkt dat de momenteel in de beton-bouw actieve ingenieurs niet op de hoogtezijn van de 'historische' achtergronden vande in de jaren vijftig ontwikkelde typen voor-spanstaal, destijds toegepast in betoncon-structies. Daardoor ontstaat onzekerheidomdat men - ten onrechte - aanneemt dathettype voorspanstaal dat in Duitsland aan"leiding gaf en geeft tot schade, zich ook inons land in bruggen en viaducten bevindt,zodat instorten van deze constructies nietisuit te sluiten.Dit misverstand blijkt met name ook uit eenartikel in Cement [4]. Dat dit inderdaad opeen misverstand berust zal hierna duidelijkworden gemaakt.In een recentStuvo-rapport [5] wordt in bre"der verband ingegaan op de duurzaamheid(in de betekenis van durability) van bruggendie zijn voorgespannen met nagerekt voor-spanstaal. In overleg met de Stuvo wordteen aantal zaken uit dat rapport, waaraanbeide auteurs hebben meegewerkt, ook hierbehandeld. Het accent ligt hiergeheel op demogelijkheid van het spontaan breken vanvoorspanstaal.Methoden van vervaardigenIn de loop der jaren is door intensieve sa-menwerkingtussen deskundigen op het ge-bied van het construeren in voorgespannenbeton en producenten van voorspanstaal,een goed inzichtverkregen inhet belang vande kritische eigenschappen van de verschil-lende voorspansystemen. Daarom kan debeoordeling van het voorspanstaal nu ge-schieden op grond van ervaring, onderzoeken expertise. Deze is onder meer in normenvastgelegd [6].Een eerste aanzet hiertoe werd gegeven ophet tweede HP-congres, in 1955 gehoudenin Amsterdam [7]. In [8] is in hoofdstuk 111CEMENT1997/12van deel 1 uitvoerig ingegaan op de 'State ofthe Art' in de jaren vijftig.Hierna worden beknopt drie vervaardigings-methoden beschreven. Daarvan worden erheden ten dage nog steeds twee toegepastzij het, vergeleken met de beginjaren, insterk verbeterde vorm.Gepatenteerd, getrokken, thermisch nabe-handeld voorspanstaal (fig. 1)-PatenterenPatenteren is een temperatuurbehandelingom de structuur van het uitgangsproduct tebe?nvloeden. Het staal, met een koolstofge-halte van 0,7 tot 0,9%, wordt eerst verhit totcirca 1000 ?C en vervolgens dooreen lood-bad van circa 500?C gevoerd. In deze tempe-ratuurschok verkrijgt het staal een structuur,troostiet genaamd, die zeer geschikt is omvia plastisch vervormen van het staal detreksterkte te verhogen.In de loop der jaren is dit laatste technischmogelijk gebleken door een homogenerestructuur van de walsdraad in aanleverings-toestand, onder meer door een betere be-heersing van de afwalstemperatuur en hetafkoelen na het walsen. Patenteren vanvoorspandraad heeft dus nauwelijks meerplaats.-TrekkenDraadtrekken is het door een aantal trekste-nen voeren van de draad, waarbij de diame-ter van de draad stap voor stap wordt gere-duceerd. Als voorbeeld kan de volgendereeks van diameters (in mm) worden gege-ven: 10,0 (walsdraad) "-> 8,7 --> 7,55 -->6,65 -->5,8 --> 5,0. De totale reductie vande doorsnede van80 mm2 naar 19,6 mm2 isdus 75%! Door dit trekken neemt de sterktevan het staal toe van circa 1200 N/mm2totcirca 1860 N/mm2?Voor het draad toegepast in strengen wor-den nog grotere reducties toegepast. Voorde 12,5 mm streng wordt bijvoorbeeld hetwalsdraad van 11 mm gereduceerd naar4,08 mm, hetgeen in een treksterkte resul-teert van circa 2000 N/mm2.Het getrokken draad heeft een langgerektestructuur van de kristallieten. Aangenomenkan worden dat het van buitenaf indringenvan ionen in een draad alleen via lange kor-relgrenzen kan plaatshebben.-Thermisch nabehandelenThermisch nabehandelen is het staal gedu-rende een zekere tijd, in een doorlooppro-ces, op een bepaalde temperatuur brengen.Doel van deze behandeling is een verhogingvan de rekgrenzen en de rek bij maximale be-lasting van het staal. Na deze behandelingverloopt het spanning-rekdiagram lineair-elastisch tot een relatief hoog percentagevan de treksterkte. Het hier bedoelde ther-misch nabehandelen in luchtovens of lood-ovens wordt momenteel gerealiseerd dooreen zogenoemde thermo-mechanische na-behandeling, waarbij het staal onder eentemperatuur van ? 4000 oe, 1% tot 2% plas-tisch wordt vervormd (gerekt).Op deze wijze wordt een staal meteen lagererelaxatie geproduceerd, in tegenstelling tothet staal dat via het oorspronkelijke proces,zonder opgelegde vervorming, werd 'verou-derd'.Andere behandelingen van dit type voor-spanstaal zijn nog:- richten en profileren (van draden);- 'slaan' van strengen, meestal opgebouwduit zeven draden.53? ? materialen ? voorspanning? Schema vervaardiging gehard, ontlaten voorspanstaal [8Jo-il-g>--:::'J]ll>-