Voorgespannen beton vervangen

gepubliceerd op 12.02.2014 | tekst Yves Rammer

Een ingreep in een voorgespannen gegoten brug op boog uit de jaren ‘50-‘60 is mogelijk, maar het project moet dan wel grondig voorbereid worden. In het voorbeeld van de renovatie van de NMBS-spoorwegbrug in Clabecq werd de voorspanning van het beton volledig vervangen, kabel per kabel.Fig4e-4© Pierre-Marie Dubois

Korte ontstaansgeschiedenis
De spoorwegbrug van Clabecq ligt over het gemoderniseerde kanaal Brussel-Charleroi. Ze werd in 1960 door het bedrijf CFE gebouwd, onder leiding van ingenieur J.M. Pappaert. Ze heeft een spanwijdte van 60,26 m en het brugdek bestaat uit een trapezoïdale caisson van 4 m hoog (fig. 1). Het gekozen voorspanningssysteem was een van de laatste toepassingen van de ‘sandwichkabel’, ontwikkeld door het bedrijf Blaton-Aubert (cfr. ‘Le béton précontraint’) tijdens WO II. Ondanks de wereldprimeur bij de brug van de Spiegelstraat (Brussel) in ‘42, koos de NMBS er slechts zeer laat (‘59) voor om spoorwegbrugdekken te maken van voorgespannen beton met nagerekt staal, waarbij er strenge eisen opgelegd werden voor het spanningsniveau (totale voorspanning zonder decompressie: minimum 0,5 MPa en maximum 16 MPa). Het is de tweede NMBS-spoorwegbrug van die omvang (samen met de brug van Chercq) uit voorgespannen beton die uitgevoerd werd in België (in ‘Les ouvrages en béton précontraint aux chemins de fer’).
De toepassing van het systeem Blaton-Magnel impliceert het gebruik van complexe technologische voorzieningen (indelingsroosters, kammen, deviatoren). Er werd bijzonder veel aandacht besteed aan de generfde metalen kokers (0,6 mm dikte) die een verloren bekisting vormen voor de lichtjes divergerende doorgang van de kabels in de eindblokken. Het progressieve voorspannen ging van start in december 1960 en duurde drie maanden. De kabels (30 in getal) bevatten elk 72 draden van 7 mm diameter die de spanning een kracht van ongeveer 80 MN vóór verliezen geeft. Ze bevinden zich buiten de structuur (de kabels zijn zichtbaar in de caisson) en ze worden beschermd tegen corrosie door cementering. Het voorgestelde tracé van de kabels wordt gebroken, loodrecht op het centrale diafragma en op de twee diafragma’s die zich in de buurt van de steunpunten bevinden, waardoor het noodzakelijk is om de drie transversale betonwanden (dikte 45 cm) aanzienlijk te versterken, daar waar de deviaties en de verticale krachten geconcentreerd zijn (in ‘Quelques constructions en béton précontraint exécutées en Belgique de 1959 à 1961’).

Renovatiefases van de brug
De controle-inspecties brachten op het einde van de jaren ‘90 een algemene en evolutieve corrosie van de draden aan het licht (fig. 2), wat de veiligheid van de brug in de nabije toekomst in gevaar kon brengen. De NMBS besloot dus om de volledige bestaande voorspanning te vervangen.
De auteurs van het renovatieproject berekenden de krachten van toen met de kennis van vandaag. De op lange termijn herberekende voorspankracht (cfr. ‘Rapport relatif aux essais de mesure de précontrainte résiduelle du pont de Clabecq’) komt zo op 55,8 MN, wat te vergelijken is met de toenmalige NMBS-prognose van 67 MN, een verschil van 16%. De spanningen in het beton werden berekend met de klassieke formule voor de samengestelde buiging (normaalkracht + buigmoment). Onder de transporten van de Internationale Spoorwegunie (UIC) en permanente belastingen, worden een vezeldrukkracht hoger dan 14,2 MPa en een trekkracht lager dan 1,8 MPa ontwikkeld. We kunnen hieruit afleiden dat het gebrek aan wetenschappelijke kennis vooral betrekking had op de verliezen door de krimp en de kruip van het beton en diegene die te wijten zijn aan de relaxatie van het staal.
De 24 nieuwe kabels, samengesteld uit 15 omhulde en ingevette T15S-strengen (15,7 mm diameter en 150 mm2, geleverd door Freyssinet), zijn ondergebracht in buizen van PEHD (polyethyleen met hoge dichtheid) van 125 mm diameter en 3,9 mm dikte. In de ruimte tussen de ingevette omhulde strengen en de PEHD-koker wordt voor het aanspannen een metselspecie geïnjecteerd. Met dit type kabels is de eventuele vervanging van een streng mogelijk. Nieuwe eindblokken van 120 cm dikte werden gerealiseerd met daarin de uitsparingen voor de steunstukken (per groep van drie kabels, met de vereiste hellingen) voor de stalen verankeringsplaten (340 mm aan de zijkant en 80 mm dikte, doorboord met een opening van 125 mm diameter).
De dammen (diafragma’s) die de deviatoren ondersteunen, worden in hun functie behouden en verdikt zodat er nieuwe deviatoren in kunnen worden ondergebracht die bestaan uit gebogen stalen buizen. De doorgangen van de nieuwe kabels in de eindstukken zijn geboord op 142 mm diameter over een lengte van ongeveer 5 m. Verlengbuizen van 133 mm diameter en 4 mm dikte worden in de boorgaten gebracht en de lege ruimte tussen de boorgaten en de stalen buizen wordt geïnjecteerd. Vervolgens worden de kabels in de kokers aangebracht. De verankeringsblokken worden op de ondersteuningsplaten geplaatst met spieën; vervolgens worden de kabels onder spanning gebracht. De totaalbelasting op de vijzel is berekend op 80% van de gegarandeerde breukspanning (1860 MPa), hetzij 80,4 MN. De studie van de brug veronderstelde de realisatie van een totale voorspanningskracht van minstens 75,3 MN in de middensectie, na het blokkeren van alle verankeringen en verliezen door wrijving. De fasering wordt samengevat in figuur 3: de verticale stroken van de oude kabels worden een na een en beurtelings vervangen in elke uitholling van de caisson.
Na het verwijderen van de oude ‘cilinderkoppen’, worden de nieuwe eindblokken van wapening voorzien (staven van 32 mm diameter), bekist en gebetonneerd. Vervolgens wordt de kernboor op een steiger geplaatst, samen met de materialisering van de boorassen. Parallel met het werk aan de buitenkant wordt de betonnering van de versterking van de deviatiediafragma’s (doorgang van 45 à 75 cm dikte) uitgevoerd, evenals het doorboren van de andere diafragma’s. De kernen worden in opeenvolgende stukken weggehaald. De nieuwe ondersteuningsplaten worden in de daartoe bestemde schuine uitsparingen in de bekisting geplaatst, evenals de verlengbuizen; daarna wordt de ringvormige lege ruimte rond de buizen geïnjecteerd. De PEHD-kokers worden geplaatst, evenals de deviatoren in de drie verdikte diafragma’s. De nieuwe omhulde en ingevette strengen worden in de buizen gebracht. Na verificatie van de dichtheid van de kokers wordt overgegaan tot injectie. Het onder spanning brengen wordt in een zeer afgesloten omgeving uitgevoerd.
Tot slot worden de strengen doorgeknipt, met een voldoende restlengte om de vervanging van een vijzel mogelijk te maken voor de eventuele herneming van de spanning; de koppen worden beschermd door een met vet geïnjecteerde kap.
Plannen van de brug: opstanden (cfr. 'Les ouvrages en béton précontraint aux chemin de fer) en doorsneden (cfr. 'Quelques constructions en béton précontraint exécutées en Belgique de 1959 à 1961') Plannen van de brug: opstanden (cfr. ‘Les ouvrages en béton précontraint aux chemin de fer) en doorsneden (cfr. ‘Quelques constructions en béton précontraint exécutées en Belgique de 1959 à 1961′)
Delicate werf, bijzondere kenmerken
Van de 48 boringen op 142 mm diameter doorheen de eindblokken (5,2 m) traden er bij 12 verwikkelingen op die de werf vertraagden. Het gaat hier vooral om kabelbedden die, zoals zichtbaar is op het inplantingsplan, heel dicht bij de oude kabels liggen. Met als resultaat kabels die verstrikt raakten en intercepties van stalen hulzen of ook van oude ‘Sandwich’-verankeringsblokken die leidden tot het vastlopen van de kernboor. Men moest dus blijk geven van veel verbeeldingskracht om de stukken geblokkeerde kernen te verwijderen. Een ander incident vond plaats toen enkele boringen de bewapening van de nieuwe eindblokken beschadigden omdat de boringen niet voldoende precies waren. Op 5 m lengte wijkt de gemiddelde positie van de kernboringen 4 mm van de theoretische positie af op de horizontale as en 32 mm op de verticale as. Niettemin is de spreiding van de afwijkingen in verhouding tot de gemiddelde waarde belangrijk: als we uitgaan van een normale distributie, is de standaardafwijking in verhouding tot het gemiddelde 37 mm volgens de horizontale as en 26 mm volgens de verticale as. De voornaamste oorzaak van deze incidenten is de moeilijkheid om de reële geometrie van het bouwwerk na kruip en krimp te meten, rekening houdend met de precisie van uitvoering in die tijd. Er werden topografische metingen uitgevoerd die deviaties van ongeveer 10 cm aantoonden, evenals een aanzienlijke zeeg.
Het uitvoeren van de boringen is dus een zeer delicaat werk dat soms onaangename verrassingen oplevert (cfr. ‘Maintenance et réparation des ponts’). Niet-destructieve onderzoeken of kleine verkenningsboringen en endoscooptechnieken moeten makkelijk beschikbaar en uitvoerbaar zijn. Door de voorspanning kabel per kabel te vervangen is het mogelijk om een aantal voorspanningsverliezen kwijt te raken en op die manier het ‘rendement’ te verbeteren: de verkorting tijdens het onder spanning brengen en de verliezen door kruip en krimp worden zo vrijwel ongedaan gemaakt; modern staal is minder onderhevig aan relaxatie; de nieuwe kabels nemen gewoonlijk minder plaats in beslag.
Fig4e-2© Yves Rammer Fig4e-3© Pierre-Marie Dubois
Conclusie
De ervaring met de vier gewapende bruggen in België (Chercq, Clabecq, Ittre en Sclayn) laat zien dat het met enkele voorzorgsmaatregelen en een degelijke voorbereiding mogelijk is om op een economische manier in te grijpen in op een boog gestorte voorgespannen structuur uit de jaren ‘50-‘60. De oplossing met omhulde en ingevette monostrengen die geplaatst worden in continue PEHD-leidingen en in de metalen buizen gestopt worden die loodrecht op de deviatoren gebogen zijn, maakt het mogelijk om, na injectie van cementspecie, de monostrengen te isoleren en te verhinderen dat ze platgedrukt worden in de deviaties. De huidige expertisetechnieken laten echter nog een essentiële vraag open: is het mogelijk om de residuele voorspanning correct te becijferen?

Deze tekst komt uit het werk ‘Histoires de béton armé. Patrimoine, durabilité et innovations’, gepubliceerd onder redactie van Jean-François Denoël, Bernard Espion, Armande Hellebois en Michel Provost, in samenwerking met FEBELCEM en het Comité Patrimoine et Histoire van de FABI.
isbn 978-2-9600430-9-9
www.febelcem.be

schrijf je in voor de nieuwsbrief