Voorspanstaal

Voorspanstaal fungeert als de actieve motor in een betonconstructie. Waar traditionele wapening passief afwacht tot de belasting optreedt, wordt voorspanstaal vooraf opgerekt om het beton preventief samen te drukken. Beton is van nature sterk onder druk, maar zwak onder trek; door de voorspanning blijft het beton onder vrijwel alle belastingcondities in een gedrukte toestand. In de praktijk uit zich dit in de mogelijkheid om enorme overspanningen te overbruggen, zoals bij viaducten en brugdekken, zonder dat er loodzware ondersteuningen nodig zijn. Het materiaal wordt meestal geleverd als strengen, bestaande uit zeven in elkaar gedraaide draden, of als massieve staven en draden. Op de bouwplaats is het herkenbaar aan de specifieke haspels en de hydraulische vijzels die nodig zijn om de enorme krachten gecontroleerd aan te brengen.

De methodiek van voorspanning

In de uitvoeringspraktijk wordt voorspanstaal op twee wezenlijk verschillende manieren toegepast, afhankelijk van het moment waarop de krachtsoverdracht plaatsvindt. Bij voorspanning met aanhechting, vaak toegepast in de prefab-industrie, worden de stalen strengen of draden op een spanbank tussen twee vaste ankerpunten op spanning gebracht nog voordat het beton wordt gestort. De vloeibare betonmortel omsluit het staal volledig. Zodra het beton voldoende is uitgehard, worden de uiteinden van het staal losgekoppeld van de spanbank, waarbij de opgeslagen elastische energie door de directe aanhechting tussen staal en beton wordt overgedragen.

Hydraulische vijzels regelen de kracht.

Bij voorspanning zonder aanhechting of bij achteraf gestreken systemen verloopt de procedure andersom. Hierbij liggen de strengen in kunststof of metalen kokers, de zogenaamde sparingbuizen, die in de bekisting zijn opgenomen. Pas nadat het beton de vereiste druksterkte heeft bereikt, trekt men het staal aan tegen de verharde betonmassa aan de kopse kanten van de constructie. De verankering geschiedt doorgaans met stalen ankerblokken en wiggen die het staal onwrikbaar vastklemmen onder de uitgeoefende last. Vaak volgt daarna het injecteren van de resterende ruimte in de buizen met een cementgebonden vloeistof om een corrosiebestendige laag en een mechanische koppeling te creëren, hoewel bij sommige systemen de strengen vrij beweegbaar blijven in een vetvulling.

De opbouw van de kracht is meetbaar via de verlenging van het staal en de druk op de manometer van de vijzel, wat een directe controle geeft op de ingetreden spanning in de constructie.

Voorspanstaal komt niet in één enkele gedaante. De meest gebruikte variant is de voorspanstreng, meestal opgebouwd uit zeven individuele draden die strak om elkaar heen zijn gewonden. Deze strengen bieden door hun getordeerde vorm een uitstekende mechanische aanhechting. Daarnaast zijn er de enkelvoudige voorspandraden. Dunner, vaak glad of juist voorzien van inkepingen voor meer grip in het beton. Voor specifieke toepassingen waarbij enorme concentraties kracht op één punt nodig zijn, grijpt de constructeur naar voorspanstaven. Dit zijn massieve, dikke staven die vaak over de gehele lengte een grove schroefdraad hebben. Dywidag is hierbij een bekende term uit de praktijk. Deze staven zijn minder flexibel dan strengen maar laten zich dankzij de schroefdraad zeer eenvoudig koppelen en verankeren met moeren.

Het verschil zit vaak aan de buitenkant. Glad staal glijdt makkelijker door een koker, maar voor directe aanhechting is een geprofileerd oppervlak nodig. Inkepingen of ribbels zorgen dat de spanning direct wordt overgedragen op de betonmatrix. Corrosie is de grootste vijand. In agressieve omgevingen, denk aan brugdekken of offshore constructies, wordt daarom vaak gekozen voor gecoat voorspanstaal. Dit kan een epoxy-coating zijn of een thermische verzinking. Een specifieke variant is de 'monostreng'. Dit is een streng die al in de fabriek is voorzien van een corrosiewerende vetvulling en een strakke PE-mantel. Hierdoor is het staal volledig afgeschermd van het beton en de omgeving, wat essentieel is bij systemen zonder aanhechting.

Verwar voorspanstaal nooit met regulier betonstaal. Het zijn totaal verschillende materialen. Waar standaard betonstaal B500B een vloeigrens heeft van 500 N/mm², begint voorspanstaal pas bij treksterktes van 1570 tot wel 1860 N/mm². Een factor drie tot vier hoger. Dat is geen toeval. Het materiaal wordt koudgetrokken en ondergaat een thermische behandeling om de relaxatie — het spontane spanningsverlies over de tijd — tot een minimum te beperken. Wie regulier betonstaal probeert voor te spannen, komt bedrogen uit; het staal zou simpelweg vloeien voordat de constructie de gewenste drukspanning bereikt.

Een viaduct over een drukke rijksweg. Slanke, betonnen liggers overbruggen moeiteloos dertig meter. Zonder voorspanstaal zouden deze balken onder hun eigen gewicht al bezwijken of onacceptabel doorbuigen. In de kern van het beton trekken strakgespannen strengen de ligger iets omhoog, een proces dat in de bouw ook wel 'toog' wordt genoemd.

Parkeergarages met grote kolomvrije ruimtes

In moderne parkeergarages zijn brede overspanningen essentieel voor de manoeuvreerbaarheid van voertuigen. Hier zie je vaak vloervelden die zijn uitgevoerd met voorspanning zonder aanhechting. De strengen lopen als lange, golvende kabels door de vloer. Je herkent de toepassing vaak aan de afgedichte ankerkoppen in de randkist van de betonvloer. Meer parkeerplaatsen door minder kolommen.

Opslagtanks en silo's

Denk aan een massieve betonnen tank voor waterzuivering of vloeibaar aardgas. De druk van de vloeistof duwt de wanden naar buiten. Door voorspanstaal ringvormig rondom de wanden aan te brengen en op spanning te zetten, wordt het beton continu samengedrukt. Het staal vangt de spatkrachten op. Het beton fungeert slechts als waterdichte schil.

Prefab kanaalplaatvloeren

De standaardvloer in de woningbouw. Kijk naar de kopse kant van een kanaalplaat op de bouwplaats. Je ziet daar de afgeknipte uiteinden van de voorspanstrengen zitten. In de fabriek zijn deze strengen op een honderd meter lange spanbank opgerekt voordat het beton werd gestort. Directe krachtsoverdracht door aanhechting. Slank, licht en extreem sterk.

De Eurocode regeert de constructie. Specifiek NEN-EN 1992-1-1. Deze norm zet de piketpalen uit voor het berekenen van betonconstructies waarin voorspanning de hoofdrol speelt. Het gaat om veiligheid. De rekenregels dwingen de constructeur om rekening te houden met complexe fenomenen zoals kruip van het beton en de relaxatie van het hoogwaardige staal, factoren die de effectiviteit van de voorgespannen kabel over de decennia heen sluipenderwijs kunnen ondermijnen. Voor het materiaal zelf is de NEN-EN 10138-serie leidend. Deze specificeert de exacte mechanische eisen. Treksterkte, rek bij breuk en vermoeiingseigenschappen staan hierin onwrikbaar vastgelegd. Elke streng moet voldoen aan de toleranties die deze Europese normen voorschrijven.

Wettelijk gezien is het simpel. Het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL) eist constructieve onwrikbaarheid. Een constructie mag niet bezwijken. Punt. In de praktijk vertaalt dit zich naar een strikte acceptatieplicht van materialen met de juiste certificering. KOMO-productcertificaten zijn hier de standaard. Ze vormen het tastbare bewijs dat een partij voorspanstreng ook echt de beloofde kwaliteit levert die in de berekeningssoftware is ingevoerd.

Geen certificaat betekent geen verwerking.

Inspectie bij binnenkomst op de bouwplaats is cruciaal. De marges bij voorgespannen systemen zijn flinterdun. Er is simpelweg geen ruimte voor inferieur staal uit obscure bronnen of zonder herleidbare kwaliteitsdocumenten. Toezichthouders controleren hierop tijdens de uitvoering van het vlechtwerk en het spanprotocol, waarbij de relatie tussen de opgelegde kracht en de gemeten verlenging moet corresponderen met de theoretische waarden uit het ontwerp.

Het begon met falen. Al in de negentiende eeuw probeerden ingenieurs beton samen te drukken met ijzeren bouten, maar de techniek bleef decennialang een theoretisch concept omdat de voorspanning door krimp en kruip van het beton simpelweg verdampte. Het was de Franse ingenieur Eugène Freyssinet die in 1928 de doorbraak forceerde; hij realiseerde zich dat alleen staal met een extreem hoge treksterkte voldoende reserve had om deze natuurlijke verliezen te compenseren. De introductie van hoogwaardig, koudgetrokken staal transformeerde beton van een lomp bouwmateriaal tot een dynamisch constructie-element.

Na de Tweede Wereldoorlog versnelde de ontwikkeling. Voor de enorme opgave van de wederopbouw waren snelle, materiaalbesparende technieken nodig. In Nederland zag je de eerste grootschalige toepassingen bij bruggen en viaducten, waarbij de overstap van massieve staven naar samengestelde strengen de hanteerbaarheid op de bouwplaats drastisch verbeterde. De techniek werd verfijnd. Waar men vroeger vertrouwde op lokale vuistregels en specifieke octrooien, zorgden de opkomst van de CUR-aanbevelingen en later de Europese normen voor een gestandaardiseerd veiligheidsniveau. De transitie van gladde draden naar geprofileerde strengen markeerde de definitieve verschuiving naar de prefab-industrie zoals we die nu kennen.

• https://rgmcet.edu.in/assets/img/departments/CIVIL/materials/R15/3-2/PSC/PSC UNIT 4.pdf
• https://www.tekbem.com/eng/products-and-services/build/post-tension-systems/
• https://aquastruct.nl/techniek/
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Voorgespannen_beton