ir.G.J.Carree en ir.J.G.HulsbergenABT Adviesbureau voor Bouwtechniek,Arnhem1Indicatie van de verandering in de verhou"ding tussen funderen op staal en funderenop palen in Nederland, gedurende de afge-lopen 20 jaaf2Kraansteiger te SouthamptonVervolg van blz. 82Cement XXXIII (1981) nr. 2Ontwerpen van funderingenmet prefab-betonpalenMotief voor de keuzeEr bestaat over het algemeen weinig literatuur over de prefab-betonpaal. Dit ismerkwaardig,gezien de uitgebreidetoepassing; het vormde mede aanleiding tot het samenstellen van driebrochures over dit onderwerp.In Nederland wordt in toenemende mategefundeerd op palen (fig. 1).lnaanmerking nemendedat 75% van de op palen gefundeerde bouwwerken die meer dan ??n miljoen gulden kostenop betonnen heipalen staat, mag worden gesteld dat men er dagelijks meete maken moethebben. .Het zijn uiteraard niet alleen de kosten die doorslaggevend zijn voor deze keuze. Gegeven degegarandeerde kwaliteit die met prefab-betonpalen kan worden geleverd, zijn de belangrijk-ste oorzaken voor het toenemende gebruik verder:? de grotere bouwmassa's en daarmee de concentratie van belastingen;? de wens tot nauwkeurige kwaliteitsbeheersing van de fundering en tot systematisering vanhet bouwproces"Steeds meer blijken de hogere lonen te leiden tot een verdere industrialisatie op de bouw-plaats. De nog ambachtelijke uitvoering bij een fundering op staal zal met al zijn toevallighe-den en extra voorzieningen, zoals grondverbeteringen, grondkeringen, bemalingen enz.steeds minder aantrekkelijk worden.Vanuit de definitieve toestand.De uitgebreideervaring meten toepassing van prefab-betonpalen, is op zich reeds eenbewijsdat hiermee kennelijk een gegarandeerde kwaliteit kan worden geleverd. De toepassingdateert al van omstreeks 1900; talloze voorbeelden zijn hiervan stille getuigen, waaronder dein 1898 uitgevoerde kraansteiger-constructie voor de marinehaven te Southampton (foto 2).Bij controle in 1956 bleek het geheel nog in perfecte staat.Wordt een fundering op prefab-betonpalen vanuit de gebruikssituatie beschouwd, dat wilzeggen in de definitieve toestand, dan betekent dit dat genuanceerd kan worden ingespeeldop de bouwtechnische eisen die volgens de huidige normen aan een fundering wordengesteld. Nader beschouwd zijn dit eisen betreffende sterkte en stijfheid die zowel wordenbepaald door de kwaliteit van de paal als door de bodemtechnische eigenschappen na hetheien. Door de grote differentiatie in serie-opbouw, zowel voor palen met zachtstaal als voorpalen met voorspanning, is een optimale dimensionering mogelijk. Bij de meest voorkomen~de belasting kan dan ook een aangepaste draagkracht worden geleverd (fig. 3).pervlak van de palen en niet (zoals dat bij kelderwanden het geval zal zijn) in het beton willendringen. De omstandigheden waarbij betonaantasting kan optreden, zijn derhalve niet aanwe-zig, wanneer althans sprake is van goed verdicht beton. De keuze om te allen tijde aanhoogovencement de voorkeur te geven boven portlandcement is derhalve meestal niet geba-seerd op noodzaak. Trouwens, voor voorgespannen palen verdient portlandcement om pro-duktietechnische redenen de voorkeur.De publikatie van de drie Prepal-brochures zal zonder twijfel een belangrijke bijdrage kunnenleveren bij het uitdragen van een verbeterd algemeen inzicht. De samenstellers verdienen onsaller lof en de samenwerkende fabrikanten onze dankbaarheid voor hun initiatief.Literatuur1. Joustra,K., W.R. de Sitteren N.w. den Ouden, 'Tall building settlement andpile load measure-ments'; Proceedings 9th International Conference on Soilmechanics and Foundation Engi-neers, Tokyo 1977, Volume I, blz. 577 -5802. National Bureau of Standards, 'NBS-Papers on Underground Corrosion of Steel Piling 1962-1971; Monograph 127, Maart 19723. National Bureau of Standards, 'Corrosion rates on underground steel test piiesatTurcot-Yard';Monograph 128, Juli 1972833Het grote spreidingsgebied van het belas-tingtraject voor gladde palen biedt vele mo-gelijkhedenPuntoppervlakten X 103 mm25 "'---"-T-:-4,Br,4~~672,--,5..,----7T2.:...,9,..,B~4,--,1~_1,0 I J _+-.+--.1 '--+----+---1-10-+--r.~~f---"o-i-~ , - - ~ ,'~r---~ ~Slagdiagram .:~-"~~ t lt -1--+---1--+--+---1-+--+---;-12 ~ - - i,.J' ---, V conusw??rstano +f-14 ~ -=pj I !~~ I i tr--- - f-.r---' ts-.-16-\---\--...,". ' naheien . ~E:..' _.. rJ na 18uur ~= '-~ ~ + "-=j=I-==l===~t='-JI,H~--++I t~cg.!::2j~g'~gg"8 ?I !5i ~ ~~g!:;.?~oe~ "t ~.~g~ ~iing i ~Is~I ~~ .1' .1l ]~ ~++ +Iaanpassen.heiplanzwaarder heiblokvoorspuiten(centr.spuitlans)extra palen plaatsenaanpassing in de bovenbouwaanvullend grondonderzoekondersteek plaatsennaheienplaatsen peilbuizenplaatsen spanningsbemalingcontrole sonderingEmverlopensterke onverwachte oploop +event.terugganggeleidelijk afnemendop basisniveauonvoldoend op basisniveaulokale afwijkingenontbreken van stuitoplopend daarna afnemendrrI gekonstateerdei I afwijkingen!It. nemen maa"egeten'Cement XXXIII (1981) nr. 2 85a ~ dieSelblokzondervoorzienlngenb = dieselblok mei geluidsmanlel9Geluidsniveausheien in relatie totdeafstandtot de machine'00afstand tot de heimachine --+c = dieselhlok met gelu\dskast,~~----I---""- --r--------- --.------~.,:.::--------f--- 0oo5010Heien naast belendende percelen kan veelalprobleemloos gebeuren90601008Tegengaan vervuilingMilieuWaar gebouwd wordt, is sprake van milieu-invloeden. Toch zijn bij hetheien wel oplossingendenkbaar die de invloed op de omgeving verminderen. Om financi?le en constructieve/uitvoeringstechnische redenen vinden zulke oplossingen niet altijd toepassing.Wat de vervuiling betreft, geldt in het algemeen dat een juiste toevoer van smeerolie en eengoed gereviseerd blok de vervuiling sterk vermindert (foto 8). Bij geluidsoverlast kan om hetblok een geluiddempende mantel worden aangebracht waardoor het geluidsniveau met 5 tot8 dbA wordt verminderd, wat neerkomt op een reductie van de geluidswaarneming met ca.40% (fig. 9). Bekend is het beeld van het heien in oude binnensteden tot soms vlak langs debelending (foto 10). In tegenstelling tot de theorie blijkt dit in de praktijk weinig problemen tegeven. Maarerzijn situaties denkbaarwaarbij in verband met heitrillingen, voorzichtigheid isgeboden. Eenbezoek aan hetbouwtoezichtkan, gezien haar ervaringen terplaatse, zekerzijnnut hebben. In veel gevallen blijkt uit ervaring dat met eenvoudige maatregelen, zoalsvoorboren of voorspuiten, al veel problemen kunnen worden voorkomen.NAP 'lAA!VELO- 0.39 llllprefabbeton zachtstaalpaal[8Betonkwaliteit B55Wapening FeB 400 HKNR! ?. ? ... W_'",..,. ",%11CIAD-heiproef op palen 400 x 400 mm,lengte 22 m, uitgevoerd te Amsterdam, f---ff-25 1-+-+;;-'-)f---+--t-+~.-.;-l-+---'f---t--1-zo I--,--,-r.",'..'--.:l SDNOE"EN?GESll~~12Sondering ter plaatse van CIAD-heiproef- voorgespannen paalBetonkwaliteit B 55Hoofdwapening FeP 1670Voorspanning 5,5 N/mm'Wapeningspere. 0,64%Constructieve aspectenWanneer nader wordt ingegaan op de constructieve aspecten van een fundering op betonnenheipalen, dan komt dit neer op verdieping van het inzicht in de 'eigen paalsterkte', demogelijke belastingtoestanden, de wijze waarop krachten veilig doorde paal kunnen wordenopgenomen en de daar eventueel uit voortvloeiende constructieve aanpassingen.De eigen paalsterkteRepresentatieve gegevens hierover zijn ontleend aan het rekenvoorbeeld uit de brochure 2'Technische gegevens'. Palen van nagenoeg dezelfde sterkte zijn beproefd in Amsterdamdoor CIAO (fig. 11-12). Deze proef kon worden uitgevoerd dank zij subsidies van onder meerde fabrikanten van betonpalen. Het betrof hier een nogal uitzonderlijke bodemsituatie,waarbij extreme heikrachten op zowel druk als trek konden worden verwacht. In principe zijnde technische gegevens van deze proefpalen meer gedetailleerd weergegeven in de desbe-treffende palentekeningen.Cement XXXIII (1981) nr, 2 86!i 830okN"p druk300 ,--~,---~~~~~~~-,------,breukmomentWordt eerst de situatie op druk beschouwd. Opvallend is dat de druksterkte van beton onderstootbelasting bij een niet te groot aantal slagen aanzienlijk hoger blijkt te liggen. Dit is eengunstige bijkomstigheid omdat de heifasedikwijls de maatgevende sterktebepaalt. Uit figuur13 blijkt dat de proefpaal het nodige op druk kan verdragen, maar liefst 4500 ? 5500 kNin degebruiksfase en ruim 7000 ? 8000 kN tijdens de heifase. .In hetalgemeen beschouwdblijktdatdepaal in de gebruiksfasezelden opeen druk van meerdan 10 N/mm2, ofwel in dit geval 1700 kN wordt belast. De conclusie lijkt gerechtvaardigd datinde gebruiksfase ten aanzien van druken trek in feite altijd dekrachtsoverdrachttussen paalen grond, dan wel de paalkopverplaatsing maatgevend is.Gezien de maximale treksterkte van beton (in figuur 13 afzonderlijk boven op groter schaalweergegeven), moet er van worden uitgegaan dat de trekkrachten als gevolg van het heiengeheel door de wapening worden opgenomen.Tot aan het breukstadium zijn in het wapeningsstaal krachten opl1eembaar van meer dan900 kN en 1600 kNo De laatstewaardevormtdepiekbelastingbijeen heistootoptrek. Wanneerde betondoorsnede zou scheuren, zal de trekkracht, die eerst door het beton werd opgeno-men, dan als extrastpotbelasting door de wapening moeten worden overgebracht.Wat betreft de momentcapaciteit van de paal, behorend bij de?werkelijk optredende paaIbe-lasting in hetgebruiksstadium, wordt hiervolstaan meteen verwijzing naardeGTB 1974en dedaaruit afgeleide grafiek voor de hier besproken proefpalen (fig. 14).BelastingtoestandenTransport en heienVoor een prefab-betonpaal kunnen drie belastingfasen worden onderscheiden, namelijk detransportfase, deheifase en de gebruiksfase.Om de momenten tijdens het transport te reduceren worden de langere palen opgelegd opschommels (foto 15). Bovendien worden de palen aan ten minste 2 punten in de stellinggehesen (foto 16).De volgendefase is het heien. Doordeklap van hetblokop de paalontstaateen spanningsgolfdie doorde paal loopt. Dit is vergelijkbaar met hetachtereenvolgens bewegen van gekoppel-de wagons, wanneereen lokomotief tegen een stiIstaandetrein botst. Hoe de drukgolf aan de. punt wordt teruggekaatst hangt af van de grondweerstand.Ter illustratie twee extreme situaties: wanneer er op rots wordt geheid, dan keert dedrukgolfonverminderd als drukgolf terug; bij heien in moeras als een even grote trekgolf.Omdat de krachten in de paalpunt altijd in evenwicht verkeren, is, theoretisch, de trekspan-ning in de trekgolf gelijk aan dedrukspanning in detrekgolf, minusdepuntweerstand.Ookdelengte van de golf en de paallengte zijn belangrijk voor de resulterende spanning in de paal.Bij langere palen kan op een gegeven ogenblik de naar boven gaande trekgolf groterzijn dande naar beneden gaande drukgolf, waardoor kortstondig een resulterende trekspanningontstaat, meestal in het middelste derde deel van de paal.breukmomentI'2001--~+-~~---+--------r'-+~_ . kracht inde padldoorsnede in kN14Momentcapaciteit prefab-betonpalen13Opneembare krachten in betondoorsnedeproefpaal420 x 420 mm,..... PAALAFMETING15Voor het transport van lange palen wordende vrachtwagens uitgerust met schommelsom het buigend momentten gevolge van heteigen gewicht te verkleinen16Door de paal aan twee takels in de stelling tehijsen wordt de mogelijkestootbelasting ge-reduceerdDoor te heien met een slappere mutsvulling of een zwaarder blok met geringere valhoogte,blijft de drukgolflangduriger op een hogere waarde. V??r de volgende heislag is de span-ningsgolf in de paal al uitgedempt. Deze golf heeft bijv. een 20 mlange paal dan al 250 maaldoorlopen.Erzijn rekenprogramma's ontwikkeld voorhet berekenen van de spann ingen en heibaarheid.Om met name het inzicht in de dynamische grondeigenschappen te vergroten zijn binnenCIAO de al eerder genoemde proefpalen geheid.In defiguren 17en 18zijn enkele spanningen weergegeven, afgeleid uitde bij deze proefin devoorgespannen paal, op 6 m vanaf de paalpunt gemeten rekken. De palen vierkant 400 mmwerden geheid met een 036-0 (met zuigergewicht van 36 kN). Bij een puntniveau op 13,5 m- NAP, met een gemiddelde grondweerstand en een relatief verse mutsvulling bedroeg demaximale drukspanning 22 N/mm2 en de maximale trekspanning 4 N/mm2. Op een lagerinheiniveau met veel minder weerstand, was de maximale drukspanning zelfs iets hoger(alsCement XXXIII (1981) nr. 2 8717 - 18Heispanningen in voorgespannen prefab-betonpaal, 400 x 400 mm, CIAD-heiproefAmsterdam-7.5-510152035-4~''"''-.\ JrAI~(11.~V22PAALPUNT OP NAP _ 13,50 m-7,5-5101520oz 30~&A----~IVJA /~ ./VII PAALPUNTQP NAP - 22 m!10milliseconde -~20 30 40 50 10milliseconde _ _20 30 40 5019Relatie zuigergewicht en maximale druk-kracht in de paal bij heien met dieselblok9000800070006000Z 5000:.::~ 4000I-I~ 3000cr:i? 2000?~ 1000---~//"V~-~012 022 H3500 041.10 kN 20 kN 30 kNGEWICHT ZUIGER40 k N 50 kNCement XXXIII (1981) nr. 2gevolg van de meer ingeslagen muts) en was ook de trekspanning groter. Bij een puntniveauop 22 m -NAP met veel weerstand en een volledig ingeslagen dus stijve mutsvulling, bedroegde maximale drukspanning 35 N/mm2 en de maximale trekspanning 7,5N/mm2.De maximale drukkracht in de paal is niet constant, maar afhankelijk van de grondweerstanden de mutsvulling. Als grove benadering is ter illustratie in figuur t9 de relatie tussen hetgewicht van de zuiger en de maximale drukkracht in de paal aangegeven.Vergeleken met de belasting in de uiteindelijk situatie, betekenen deze krachten een voorbe-lasting door het heien van ca. 300% voor palen die geheid zijn meteen lichtblok, tot ca. 500%voor palen die geheid zijn met een zwaar blok.GebruiksfaseDe uit de gewichtsberekening resulterende paalbelasting is betrekkelijk, gezien het vaakonbekende verband tussen de werkelijke paalbelasting enerzijdsen zowel de stijfheid van hetgebouw als van de fundering anderzijds. Bovendien kunnen bijv. vervormingen optredenwan neerer een excentriciteit bestaat tussen de zwaartelijn van de belasting en de zwaartel ijnvan de palen. Hierdoortreden extra momenten en dwarskrachten op in zoweldeaansluitendeconstructiedelen als in de palen (fig. 20). Door de stijfheid van de constructie en van de palentreedt een herverdeling van krachten op, waardoor hetexcentriciteitsmoment kleinerwordt.In Prepal-brochure 3 'Op de bouwplaats'is een willekeurig voorbeeld doorgerekend(par. 4.3). Hierin bleek dat bij de poer, indien verbonden met balken, de reductie van hetmoment 30% bedroeg en vrijstaand zelfs 50%, terwijl de paalbelasting met 15% veranderde.De verdeling van het excentriciteitsmoment hangt af van de verhouding van de stijfheden. Zobleek in dit rekenvoorbeeld dat bij het verlopen van een paal in dwarsrichting onder een balk,44% van het moment door de paal werd opgenomen, wanneer de bovenstaande wand uitmetselwerk bestaat, en 38% wanneer het een dunne betonwand betreft.8820Schema optredende momenten ten gevolgevan excentriciteit van palen onder een poerf-----~-IJ_-___!,I I! !1 f, II I: ILll.-?...-J.-r-....-r_......-.,.t~- --l~r-"--------------_?_--- -.Jl-~-------------- ._) ; . . . . . ---.-W-:??-lI ,I I, ,I ', ,I ', Iij21Kalenderen van de paal tijdens het heienCement XXXIII (1981) nr. 2Wanneer ??n of enkele palen een duidelijk geringer draagvermogen bezitten en dus eenafwijkendbelastingsvervormingsgedrag vertonen, dan kunnen op dezelfde wijze vervormin-gen optreden als in het geval van excentriciteit. Voor een balk betekent een kleinerdraagver-mogen van palen een groter moment en een grotere dwarskracht en voor de naastliggendepalen, een grotere belasting.KrachtopnameWorden de maatgevende krachten in de diverse belastingsfasen gerelateerd aan deopneem-bare krachten in de paal, dan blijkt dat de drukbelasting ten gevolge van de heistoot, voor hetbesproken paaltype, vari?rend tussen 4000 en 6000 kN, eigenlijk nog maar net toelaatbaarzijn bij een kwaliteit B 45. Ten aanzien van de optredende maatgevende trekkracht geldt dathierbij moet worden gerekend metwaarden tussen 5en7,5N/mm2 , datwil zeggen800en 1200kNoDe voorgespannen paal kan hieraan volledig voldoen, maar de gewapende paal zou inprincipe scheuren moeten vertonen. Duidelijk is evenwel gebleken dat echte breuk uitbleef,vermoedelijk omdat bij het optreden van scheurvorming tegelijkertijd de demping sterktoeneemt en dientengevolge de trekspanning veel kleiner wordt.Hoewel, zoals eerder gesteld, uit het sondeerbeeld bij de RAl een extreme bodemsituatiewordt onderkend, zijn deze genoemde trekkrachten toch niet extreem en worden deze somsonverwachts op meerdereplaatsen in Nederland gemeten, zij het wel eens metmindergoedegevolgen.In feite rest nunog detoetsing aan degebruikssituatie, waarin met namede momentcapaciteiten de stijfheid tegen hoekverdraaiing dikwijls de enige sterkte-eisen blijken te zijn. In gevalvan hoekverdraaiing is dan meestal maatgevend de aansluitende constructie, bestaande uitvloeren, kolommen en balken.Constructieve aanpassingenWanneer blijkt dat er te grote afwijkingen optreden bij het plaatsen van de palen, zijnverschillende oplossingen denkbaar.Bij een poerkan in eerste instantieworden gedacht aan watextrawapening in deaansluitendeconstructie. Soms moeten ??n of tweeextrapalen worden bijgeslagen, zodat deexcentriciteitwordt opgeheven of tot een aanvaardbarewaarde wordtteruggebracht. Een anderemogelijk-heid is de aansluitende constructiedelen te verzwaren of een koppelbak aan te brengen.Omdat belastingen als gevolg van wind of 2e-orde krachten meestal ook een extra momentbetekenen, kunnen stabiliteitswanden soms een aanvaardbare oplossing zijn. Extra voorzie-ningen kunnen noodzakelijk zijn wanneer een paal een geringer draagvermogen heeft.Omdat dit gewoonlijk tijdens het heien al blijkt, worden meestal direct ??n oftwee extra palenbijgeslagen.Tijdens het heien wordt gekalenderd (foto 21).Door deze kalenderwaarden te relateren aaneen slagdiagram, kan een schatting worden gemaakt van het draagvermogen van de paal,hetgeen bij de constructieve aanpassing van invloed kan zijn.Bij de keuze voor een constructieve aanpassing moet ??k een beroep worden gedaan opcreativiteit en inzicht. Een stukje van onze creativiteit en inzicht hebben wij getracht teverwoorden in de 3 Prepal-brochures. Daarin hebben wij, in samenspraak met de begelei-dingscommissie uit fabrikantenkring, gezocht naareen brug tussen detheorieen de praktijken hopen dat het verkeer over deze brugin twee richtingen mag gaan.89