Welke factoren hebben een invloed op het draagvermogen van een schroefpaal?

Als funderingsmethode hebben schroefpalen een opvallend breed toepassingsspectrum. Keren we twee eeuwen terug in de tijd, dan werden ze in hoofdzaak gebruikt voor maritieme doeleinden. Met name vuurtorens en pieren uit die periode steunden vaak op schroefpalen. Ook de Pier in Blankenberge steunt trouwens op schroefpalen! Dat gaat dus over behoorlijke lasten. Ook vandaag vinden we ze nog terug in dat zwaarder segment. Vooral in de Verenigde Staten dan, waar men er niet voor terugschrikt om zelfs commerciële flatgebouwen van verschillende verdiepingen hoog met schroefpalen te funderen. Tegelijk rusten talloze tuinhuisjes, terrassen, carports en andere lichtere toepassingen op schroefpalen. In beide gevallen spreken we over schroefpalen, maar er zijn duidelijke verschillen. Dat brengt ons automatisch bij de vraag: wat bepaalt het draagvermogen van een schroefpaal?

Bijna geen limieten

Diverse factoren beïnvloeden het draagvermogen van schroefpalen. Maar vooraleer we daar verder op ingaan, willen we toch eerst nog eens onderstrepen dat schroefpalen heel hoge lastendalingen aankunnen. Om terug te komen op de flatgebouwen in Amerika: de schroefpalen die daar worden gebruikt, dragen per exemplaar lasten van liefst 600 ton! De palen zijn dan weliswaar enorm, net als de hydraulische apparatuur om ze te installeren, maar op het vlak van draagvermogen stelt er zich geen enkel probleem. Theoretisch zou je zelfs nog een tandje kunnen bijsteken door nóg zwaarder te dimensioneren. Zeker in de juiste bodemsamenstelling, want dan zijn er bijna geen limieten. Daarmee hebben we meteen de belangrijkste factor aangeraakt in onze zoektocht naar parameters die het draagvermogen van een schroefpaal bepalen.

De bodemsamenstelling

Kort samengevat: alles staat of valt met de kwaliteit van de ondergrond. Dat kan je gerust letterlijk opvatten. In een zwakke bodem zoals moerasgrond zakt uiteindelijk elk gebouw weg, daar valt weinig aan te verhelpen. Daarom moet je heel goed weten met welk type van grond je te maken hebt, hoe de lagen zijn samengesteld en waar de goede lagen precies zitten. Die wil je natuurlijk met je schroefpalen bereiken. Maar hoe diep moet je daarvoor in de grond schroeven? Een belangrijke vraag, aangezien het risico op het knikken van de palen stijgt naarmate je dieper gaat en de lengte van je schroefpaal toeneemt. Naast de laagopbouw speelt ook de bodemsamenstelling een cruciale rol. Het is pas als je de grondmechanische eigenschappen van de bodem kent, dat je het te verwachten nuttige draagvermogen van je schroefpaal kan berekenen. Met name de totale zijdelingse wrijvingsweerstand (of kleef) en de puntbreukweerstand zijn daarbij doorslaggevend.

De schroefpaalkenmerken

Schroefpalen moet je zien als gefabriceerde stalen funderingen die bestaan uit een of meerdere helixvormige schroefbladen bevestigd aan een centrale schacht die met behulp van elektrische of hydraulische apparatuur in de grond worden geschroefd. Dat levert de volgende basiscomponenten op: een voet, een schacht, verlengstukken, spiraalvormige schroefbladen (of draagvlakken) en een paalkap. Bovenaan heb je een flens, met diverse koppelmogelijkheden voor de draagbalken, die zelfs kleine aanpassingen in x- en y-richting mogelijk maken. Met die componenten kunnen de fabrikanten van schroefpalen aan de slag om bepaalde accenten te leggen. En dat doen ze ook. De wereld telt minstens 50 fabrikanten en alleen al in de Verenigde Staten bestaan er meer dan 160 patenten gerelateerd aan schroefpalen. Kijken we bijvoorbeeld naar de schroefpalen van de twee fabrikanten met wie wij samenwerken, First Base Ground Screws en Paalupiste. Hun ontwerp vertoont enkele opvallende verschillen. De palen van First Base hebben zelfs helemaal geen schroefbladen (en zijn in die zin dus eerder grondschroeven). Al die designaccenten leiden tot een maximaal toelaatbaar draagvermogen voor een bepaald type schroefpaal.

Schachtdiameter

Het ligt voor de hand, maar een dikkere schachtdiameter zal ervoor zorgen dat de schroefpalen een grote lastendaling aankunnen. We komen nogmaals terug op de extreme toepassingen in de Verenigde Staten. De schroefpalen die elk 600 ton moeten dragen, hebben een diameter van wel 1 m of meer. Dat steekt schril af met de schachtdiameters van 76 en 89 mm die wij vaak gebruiken. Het wijst meteen op een totaal ander segment en toepassingstype.

Helixdiameter

We vermeldden al dat First Base-palen onderaan conisch aflopen. Daardoor worden de dalende lasten over een kleiner oppervlak gespreid dan bij een helixvorm, wat resulteert in iets lagere draagvermogens. Neem het voorbeeld van dames op naaldhakken. Omdat hun volledige gewicht samenkomt in één punt, zullen ze wegzakken in een grasveld. Het enige wat ze dan kunnen doen – behalve hun schoenen uitdoen – is op hun tenen lopen om hetzelfde gewicht over een groter oppervlak te spreiden. Intuïtief hebben ze zo de druk per cm² verlaagd. Als de naaldhak 1 cm² aan oppervlakte heeft en de zool onder de tenen 15 cm², dan daalt de druk afkomstig van het lichaamsgewicht van bijvoorbeeld 30 kg/cm² naar nog 2 kg/cm². Hiermee belanden we bij de meeste grasvelden onder de puntbreukweerstand en zal de zool onder de tenen niet meer verzakken. Volgens hetzelfde principe zal een grotere helixdiameter zorgen voor een hoger draagvermogen.

Aantal helixes

Stel dat je in plaats van een grotere helixdiameter opteert voor meerdere schroefbladen en dat je daarbij de regels van de kunst volgt. Dat wil zeggen dat de afstand tussen de helices (schroefbladen) gelijk is aan de helixdiameter vermenigvuldigd met drie. Dan speel je in op de kleef, aangezien het grondpakket dat gevangen zit tussen de helices, niet alleen compacter maar ook ‘onderdeel’ van de paal wordt. Op die manier kan je het draagvermogen zelfs met een factor 3 opkrikken (= de som van het draagvermogen gecreëerd door de drie helices).

Schachtlengte

Het klopt niet altijd, maar in de regel wordt de grond compacter naargelang de diepte. Bijgevolg heeft een langere schroefpaal door de bank genomen meer draagvermogen. Laat ons even aannemen dat een 2 m lange schroefpaal in een compacte zandlaag 5 ton nuttig draagvermogen krijgt. Diezelfde schroefpaal zal in een moeras van 10 m diep helemaal geen draagvermogen krijgen en zelfs op zijn eigen gewicht naar de bodem van dat moeras zakken. Dat wijst nogmaals op het enorme belang van de bodensamenstelling (zie eerder). Om draagvermogen te halen zullen we de schroefpaal dus moeten verlengen zodat die in de stevige lagen onder het moeras geschroefd kan worden. Maar zal je op dezelfde paal nog 5 ton nuttig draagvermogen halen? Puur gemeten op het benodigde schroefkoppel is het antwoord, ‘ja’. De paalvoet zal ook hier NIET verzakken bij 5 ton. Maar, hoe staat het met de mechanische eigenschappen van de schroefpaal zélf? Stel dat je een paal van 12 m op de uiteinden tussen de klemmen van een hydraulische pers zou steken? Hoeveel druk kan je dan uitoefenen alvorens de paal vervormt en knikt? Dat noemen we de knikgrens. Als je die grens overschrijdt, dan knikt je schroefpaal als een rietje. Aan de ene kant heb je dus de paallengte en -diameter, en aan de andere kant het risico op knik. De relatie tussen beide is kritisch en hebben wij nauwkeurig in kaart gebracht.

Conclusie

Het theoretische draagvermogen is het resultaat van samenhangende designelementen, factoren waarmee de fabrikanten naar believen kunnen spelen. Toch is het pas in de grond dat die waarde vertaald wordt naar een nuttig draagvermogen. En uiteindelijk is dat de enige waarde die telt.