Meer voorspanning betekent niet altijd meer weerstand!

Zoals u waarschijnlijk weet, geeft de controle van de uiterste grenstoestand (Ultimate Limit State) aan hoeveel belasting een constructie aankan voordat deze bezwijkt. Het geldt dat de belastingseffecten worden weerstaan door een paar interne krachten op een hefboomarm.

Het maakt niet uit of het voorgespannen of gewapend beton is. Met dezelfde hoeveelheid staal met dezelfde vloeisterkte weerstaan de voorgespannen en de gewapende constructies dezelfde belasting voordat zij de draagkracht bereiken. De extra drukspanning in voorgespannen beton helpt de constructie niet om langer weerstand te bieden. Dus waar gaat al die ophef over?

Laten we eens wat beter kijken

Door voorspanning voegen we drukspanning toe aan het beton, waardoor het gedrag van het materiaal aanzienlijk verandert. Scheurvorming wordt vertraagd doordat de spanningsreserve de eerste belasting weerstaat. Bij andere belastingsstappen bereikt het beton een toestand van decompressie. Later weerstaat het beton spanning totdat de treksterkte wordt overschreden.

Scheurvorming treedt dus veel later op dan bij gewapend beton. Ook verloopt de scheurontwikkeling bij dezelfde belasting en met kleinere scheurbreedtes in voorgespannen beton langzamer. Dit is belangrijk vanwege de corrosie van de wapening. Maar het houdt ook verband met de stijfheid van de constructie. Een hogere stijfheid van voorgespannen constructies leidt tot kleinere vervormingen.

In de onderstaande figuur ziet u een theoretische vergelijking van de voorgespannen en gewapende elementen die belast worden door een externe axiale trekkracht. Veronderstel dat de stalen strengen en de wapening van hetzelfde staal zijn met dezelfde vloeisterkte. De hoeveelheid komt ook overeen. Het enige verschil is dat de strengen gespannen zijn.

• Situatie 1 - Eerste belastingstoename wordt toegepast. Het voorgespannen beton gebruikt een spanningsreserve. Het gewapende beton biedt ook weerstand totdat de treksterkte wordt overschreden.
• Situatie 2 - Zodra de treksterkte in het gewapende beton wordt overschreden, ontstaan er scheuren. Op dat moment neemt het gebruik van de wapening toe, samen met de rek. Terwijl in het voorgespannen beton de spanningsreserve de effecten nog tegenwerkt.
• Situatie 3 - Zodra de treksterkte in voorgespannen beton wordt overschreden, ontstaan scheuren. Op dat moment neemt het gebruik van de wapening toe, samen met de rek, zoals bij gewapend beton.
• Situatie 4 - De vloeisterkte van staal wordt overschreden.

Dit betekent dat we theoretisch de instortingen voor beide structuren tegelijk zouden krijgen. Met andere woorden, de extra drukspanning heeft geen invloed op de ULS-controles.

Daarentegen zouden aanzienlijke scheuren en rek bij dezelfde belasting in de versterkte constructie veel eerder optreden dan in de voorgespannen constructie. En dus zou het ontwerp niet voldoen aan de controles van de bruikbaarheidsgrenstoestand (Serviceability Limit State).

Naast de bovengenoemde voordelen van voorgespannen beton kunnen wij de verdeling van de interne krachten beïnvloeden door de positie van de voorgespannen elementen. Dit wordt veel toegepast bij nagespannen constructies.

Theorie in de praktijk

Laten we eens kijken hoe de logica overeenkomt met de resultaten in de IDEA StatiCa-applicatie. We zullen twee voorbeelden bekijken in IDEA StatiCa Detail. Het eerste voorbeeld is de voorgespannen balk, en het tweede is identiek behalve de voorspanning.

In tegenstelling tot het theoretische geval wordt het element nu ook belast met een buigend moment. We zouden een veel grotere vervorming ervaren vlak voor de instorting. Verder zou het principe hetzelfde moeten blijven.

IDEA StatiCa Detail

Onderstaande figuur toont het gebruik van beton, wapening en strengen. Beide constructies kunnen de toegepaste belasting overbrengen. Zoals verwacht werden de ULS-controles, zelfs voor de gewapende balk, met een vergelijkbaar gebruik doorstaan.

Een belangrijk verschil doet zich voor bij de SLS-controles.

Scheuren zijn meer ontwikkeld in gewapend beton, en, zoals eerder gezegd, beïnvloedt dit de stijfheid van de constructies en dus de vervorming.

Waarom moet ik dat weten? 

Het is essentieel te vermelden dat dit een theoretisch voorbeeld is. In de praktijk zouden we het element niet kunnen versterken met wapening met dezelfde eigenschappen. Ook zou het niet gewerkt hebben vanwege de Serviceability criteria. Dus waarom is het belangrijk?

Een goed begrip van het gedrag van voorgespannen beton vereenvoudigt het gebruik ervan. Het is cruciaal om te kunnen beslissen of het beter is om voorspankracht toe te voegen of meer voorgespannen strengen/nagespannen spanelementen. Of het ontwerp aan te passen.

Met de juiste kennis kan voorspanning ons helpen grotere afstanden te overbruggen met minder materiaal en met elegantere vormen. Zowel in de weg- en waterbouw, in het geval van bruggen (meestal voorspanbetonontwerpen), als in de bouwkunde, in het geval van voorgespannen balken en voorspanplaten.

Welke toepassing is geschikt voor het ontwerp van voorspanning?

Voor het ontwerpen van algemene voorgespannen elementen (voor- of nagespannen) kunt u de toepassing IDEA StatiCa Beam gebruiken. Het biedt de oplossing, inclusief de constructiefasen en verliesberekening.

Wij bevelen aan de  IDEA StatiCa Detail applicatie te gebruiken en niet alleen voor D-gebieden.