Een hoogspanningslijn staat in het open veld, middenin de elementen. Daar krijgt hij heel wat voor zijn kiezen. Hoe wordt dat het hoofd geboden? 

Een traditionele vakwerkmast lijkt op het eerste gezicht niet bepaald sterk voor wie geen verstand heeft van constructietechniek: het is een raamwerk van spaghettistaafjes. En je kijkt er voor het grootste deel dwars doorheen. Het ziet er haast wat fragiel uit. Maar dat is slechts schijn, Achter een mast gaat een heel scala aan natuurkunde, sterkteberekeningen en veiligheidsmaatregelen schuil die ervoor zorgen dat het bezwijken van een hoogspanningsmast een zeldzame gebeurtenis is. Het fundament (elders besproken) is een belangrijk deel van de reden waarom een mast bijna nooit omvalt. Want zou je een mast zomaar op de grond zetten, dan gaat hij afhankelijk van het mastmodel en de mastfunctie direct om (scherpe hoekmasten en buismasten) of spoedig zodra er een flinke bries komt te staan (masten zonder broekstuk). Het fundament moet druk- en trekkrachten kunnen verwerken, maar het mastlichaam zelf ook.

50 kV-mast bij Barneveld

Deze oude 50 kV-mastjes bij Barneveld staan ingegoten in een flink betonblok. De toren van lattenwerk is hol, met vier wanden. Zelfs bij dit exemplaar (met een slingerverband in de toren) is goed te zien dat de toren daardoor sterk op een metalen buis lijkt. Technisch gedraagt deze zich ook zo, maar het voordeel van vakwerk boven een gesloten koker is dat er minder materiaal in zit en dat de wind er gewoon dwars doorheen waait. Foto door Hans Nienhuis.

Eigenlijk is ook vakwerk een soort buismast

Op de site en elders in de hoogspanningswereld wordt vaak onderscheid gemaakt tussen buismasten (een gesloten metalen of betonnen koker) en vakwerkmasten (raam- of vakwerken van honderden metalen latten). Maar ondanks hun sterk verschillende uiterlijk hebben ze meer met elkaar gemeen dan je zou denken. Kijk maar eens goed naar de toren van de meeste soorten vakwerkmasten: is dat bij nader inzien niet ook gewoon een tapse buisvorm? Maar dan vierkant en met metalen latten als wand?

Juist het feit dat de meeste hoogspanningsmasten uit een soort buisvorm bestaan maakt ze sterk. Daarbij hebben vakwerkmasten het extra voordeel dat ze voor het grootste deel uit lucht en open ruimte bestaan. De wind heeft daar weinig vat op en blaast er gewoon dwars doorheen. Door deze open constructie waarbij een groot deel van het mastaanzicht gewoon een opening is, kan een vakwerkmast verbazingwekkend veel wind weerstaan zonder om te vallen, terwijl er ook nog eens minder materiaal in gaat zitten dan in een buismast. Een ander voordeel van een open vakwerkmast is dat het raamwerk van latten ervoor zorgt dat de toren de toren niet rond en glad is. Resonantie door Von Kármànwervels achter het mastlichaam (de achilleshiel van elk rond voorwerpen in de wind) zien we daarom niet optreden bij vakwerkmasten.

Resonantie is een zelfversterkend verschijnsel en het kan angstwekkende vormen aannemen, zoals we op dit filmpje zien met een stel Britse lantaarnpalen. Dit heet vortex shedding en in het verleden heeft dit verschijnsel zendmasten, schoorstenen, koeltorens en zelfs een hangbrug vernield. Vakwerkconstructies hebben hier echter geen last van omdat de wind er dwars doorheen blaast.

Een vakwerkmast is relatief makkelijk te vervoeren en in elkaar te zetten, De honderden losse latten wegen per stuk relatief weinig en ze laten zich eenvoudig optakelen. Zo kan je met relatief licht materieel (of in onherbergzame gebieden zelfs lat voor lat met de hand of met een helikoptertje) een vakwerkmast van tientallen tonnen opbouwen. Een nadeel van vakwerkmasten is dat het een heleboel schilderwerk is (modelbouwers kunnen je er alles over vertellen) en dat de mast door het grote opgetelde oppervlak van alle latten gevoeliger is voor het gewicht van ijzel dan een buismast. 

Duwen en trekken

Het krachtenspel in een vakwerkmast is anders dan dat in een buismast. Een vakwerkmast is veel stijver dan een buismast. Wanneer men een vakwerkmast zwaar zijwaarts belast, zal hij slechts een klein beetje buigen en vrijwel alle krachten afvoeren naar het fundament. Doet men hetzelfde met een buismast, dan trekt het mastlichaam eerder krom. Dat kan voor- en nadelen hebben, maar vanuit esthetisch oogpunt is een kromgetrokken buismast vooral gewoon een naar gezicht. Metalen latten hebben de eigenschap dat ze goed trekkrachten en slecht drukkrachten kunnen opnemen. Immers, bij drukkrachten zal de lat krom willen buigen en uiteindelijk knikken.

Gefaalde 70 kV-mast in Achêne door Knarvel

Knikken (of in jargon uitknikken) komt vooral voor in het broekstuk van gefaalde masten. Deze partij ijzer in Achêne, ooit een 70 kV-mast, begaf het op een relatief ongebruikelijke plaats: halverwege de toren. Foto door Bavo Lens op 14 juli 2010.

Om buigen en knikken te voorkomen ziet de mast eruit als een zogeheten vakwerk: een raamwerk van metalen latten die altijd kleinere of grotere driehoekige vakken vormen. (Vakwerk betekent in de bouwkunde dus iets anders dan kwaliteitswerk.) Bij een driehoek, een kruisvorm en een tapse vorm is er voor elke lat die drukkracht te verwerken krijgt ook een spiegelbeeld aanwezig die trekkracht opnemen kan en daarmee de drukkracht op de andere lat doet afnemen.

Dat gaat vrijwel overal in de mast op. Kijk maar eens goed naar de toren van een hoogspanningsmast. Alléén de vier randstaven krijgen zuivere drukkracht te verwerken, en alle andere latten in de toren zijn alleen maar bedoeld om trekkrachten op te nemen!

Aftak Olst (110 kV Harculo-Deventer Platvoet).

Welke staven in de toren nemen drukkrachten op? Slechts vier stuks, de randstaven. Meer niet. Alle latten en staven in de torenwanden zijn alleen maar bedoeld om te voorkomen dat de randstaven naar buiten kunnen knikken. De tapse vorm helpt daar nog eens extra bij. Foto door Hans Nienhuis.

NEN 50341-1

We begrijpen nu waarom een vakwerkmast veel sterker is dan hij lijkt. Maar hoe sterk moet het bouwwerk zijn om te blijven staan als het er werkelijk op aankomt en de weergoden hun furie erop loslaten?

Voor de technische vereisten waaraan een luchtlijn en de mastlichamen moet voldoen zijn richtlijnen en normen opgesteld. Die bepalen wat de mast minimaal moet kunnen verdragen. In Nederland is de NEN-50341-1 vooral van belang. In deze normenset, overigens niet onverdeeld gewaardeerd, is vastgelegd welke belastingen en krachten de geleiders, het fundament en het mastlichaam moeten kunnen weerstaan zonder te falen. Daarnaast hebben Nederland en België ieder een set eigen normen die al veel langer in gebruik waren en soms naast de NEN-norm kunnen worden toegepast.

Aan wat voor normen moeten we denken? Vereisten voor de te verdragen ijzellast, lijndansen, de treksterkte die de geleiders moeten kunnen verdragen, enzovoort. Kortsluitvastheid en langdurige mechanische belasting bij bewegende delen zoals uitslijting van glaskap-isolators is benoemd. Ook de zogeheten survivalspeed is belangrijk. De survivalspeed is een soort 'worst case scenario' voor de gecombineerde effecten van extreme windbelasting op de geleiders en het mastlichaam zelf. En wind is na zwaartekracht de belangrijkste kracht waarmee ontwerpers van hoogspanningslijnen rekening moeten houden. 
Wie zelf de NEN-50341-1 wil nalezen: dat kan, maar helaas is deze niet gratis in te zien. Een uittreksel opvragen kost op het moment van schrijven ruim € 150,-.

Gefaalde 70 kV-mast Achêne door ShrekGefaalde Gelderse tonmast 150 kV in Vethuizen

Op 14 juli 2010 was het einde oefening voor een aantal hoogspanningsmasten in zowel in België als Nederland. Een zeldzaam heftig windgeweld (downburst) was de oorzaak, zo heftig dat zelfs de open vakwerkmasten er soms niet tegen konden. Links: een andere 70 kV-mast in Achêne die het loodje legde en rechts een 150 kV-mast bij Vethuizen. Beide masten zijn bij het broekstuk uitgeknikt. Van de gebeurtenissen op deze dag hebben we elders op de site een fotogalerij. Foto's door Bavo Lens en Hans Nienhuis.

Hoge masten vangen veel wind

Een voorbeeld. Stel, er moet een nieuwe hoogspanningsverbinding worden aangelegd en men wil dat deze gegarandeerd overeind blijft tot en met windsnelheden die (conform het logaritmisch windprofiel) een tiensecondengemiddelde van ruim 160 km/h bedragen op 20 meter hoogte. Met een sterkteberekening, tegenwoordig een dynamisch computermodel, wordt de drag, de zijwaartse kracht op het mastlichaam en de geleiders, gecombineerd met de load. (In dit geval betekent de load de zwaartekracht die op de geleiders en de mast inwerkt, en niet het lopend elektrisch vermogen). De resulterende kracht op het mastlichaam wordt uitgedrukt als een krachtmoment in Newton (dat is gebruikelijk in de natuurkunde) en deze wijst altijd in meer of mindere mate schuin omlaag van de wind af. Aan de hand daarvan kan men de druk en de rek op iedere lat in het mastlichaam berekenen. We zien dan dat aan de ene kant van het broestuk grote trekkrachten verschijnen terwijl er aan de andere kant nog grotere drukkrachten ontstaan.

Windwerking (niet-dynamisch) op een hoogspanningsmast

Versimpelde weergave van de niet-dynamische krachten op een hoogspanningsmast als het stormt van opzij. We zien dat Fw (de wind) vandaag sterk genoeg is om in het aangrijpingspunt A de resultante Fr van het mastgewicht Fz en de wind Fw tot buiten het broekstuk opzij te duwen. Er ontstaat een aanzet tot rotatie c die de mast zou doen omvallen als deze niet aan het fundament zou zijn vastgeschroefd. Het broekstuk ervaart aan de loefzijde een netto liftkracht en aan de lijzijde een druk van het volledige mastgewicht plus een deel van de winddruk. 

Zie het bovenstaande voorbeeld op de schets. Wanneer blijkt dat de uiterste druk op de randstaven bijvoorbeeld 25 ton is bij de hoogst te verdragen windsnelheid, dan wordt de benodigde materiaal- en profieldikte daarop berekend waarna er in de praktijk wordt gekozen voor nog een extra veiligheidsmarge. Dat zorgt ervoor dat de mast in theorie mág bezwijken bij 25 ton, maar in de praktijk zal het daadwerkelijk moment van falen eerder rond 30 of 35 ton liggen.

Gelderse tonmast voor 150 kV tussen Zutphen en Apeldoorn

De bezweken masten van Doetinchem-Ulft bij Vethuizen lijken qua ontwerp op deze stijlvolle tonmasten tussen Apeldoorn en Zutphen. De getallen 25 en 30 ton uit het voorbeeld hierboven zijn niet uit de lucht gegrepen, maar ze komen uit het rapport van KEMA dat deze situatie heeft onderzocht samen met MeteoGroup Wageningen. Foto door Hans Nienhuis.

In het ontwerp van een hoogspanningsmast wordt verder rekening gehouden met ijslast (aangeplakte sneeuw en ijzel), wrikken van het mastlichaam door lijndansen, een onevenwichtige belasting, mechanische stress, door plotselinge magnetische krachten in de draden door harde sluitingen, en zelfs met spatting van een individuele lat of een hele draad. Een dikke laag verf beschermt het bouwwerk verder tegen roest en wanneer het nodig is staat de mast op een verhoging om te voorkomen dat deze geramd wordt door drijvende of rijdende objecten. 

Domino-effect?

Maar stel: er bezwijkt toch een mast. Kan die dan anderen meetrekken in zijn val door via de kabels een domino-effect te veroorzaken? In stripverhalen en tekenfilms is dat een redelijk populair probleem, maar in de praktijk gebeurt dit hoogst zelden. Het veld en de zeeg zijn er vaak te groot voor en ook zouden alle geleiders daarvoor tegelijk strak moeten worden getrokken. Want met een deel van dit probleem wordt bij het ontwerpen van een hoogspanningsmast wel degelijk rekening gehouden. Eén enkele fasedraad is bij geen enkele hoogspanningslijn sterk genoeg om er een hele hoogspanningsmast mee omver te trekken: de traverse waaraan de draad vast zit zal het eerder begeven dan het hele mastlichaam.

Afspanmast in de 110 kV-verbinding Hoogeveen-Veenoord

Afspanmast in de oude 110 kV-verbinding Hoogeveen-Veenoord uit 1950. De constructie is gelijk aan een hoekmast, maar de kabels maken geen bocht. In lange rechtstanden tref je ze zo nu en dan aan en ze dienen als 'stop' voor als er onverhoopt een domino-effect mocht ontstaan. Verder werden ze vroeger toegepast om de draden te verlengen zonder dat de persmoffen trekspanning moesten verdragen. Foto door Bart Sondaar.

Vroeger, toen er nog niet met computermodellen werd berekend, was het gebruikelijk om in lange rechtstanden (mastvakken) eens in de zoveel exemplaren een afspanmast met een stopfunctie neer te zetten. Op die plekken werden de geleiders onderbroken en in een bretel met een persmof doorverbonden. Wanneer er onverhoopt een mast zou omvallen en er zou een domino-effect optreden, dan zou het zelfs in het ergste geval beperkt blijven tot de draagmasten tussen twee van deze afspanmasten in. Zo'n afspanmast ziet er simpelweg uit als een hoekmast waar geen hoek gemaakt wordt. Voor wie hun functie niet kent lijken deze masten redelijk zinloze toevoegingen, maar er zit dus wel degelijk een functie aan. Een extra functie was ooit zelfs het voorkómen van persmoffen in de rechtstanden: als de haspel met kabels leeg was, werd er een afspanmast toegepast om op die plek aan een nieuwe rol draad te beginnen. Zo hoefden er geen persmoffen te worden gebruikt halverwege een spanveld. In het verleden werd dat veiliger geacht, maar met de moderne, veel sterkere persmoffen is dat geen factor meer.

Tegenwoordig worden afspanmasten als stop nog wel in België toegepast, maar in Nederland nauwelijks meer. Deels komt dat door grondkabels, zodat er veel minder bovengrondse verbindingen gebouwd worden. Maar er zijn ook andere redenen. Door betere materiaalkennis en door computerberekende ontwerpen zijn moderne vakwerkmasten zeer goed doordacht en vaak ook sterker dan oudere exemplaren. Er is echter ook een derde, veel knulliger reden. Omdat met name het westen van Nederland in hoge mate vol is gegroeid met dorpen, steden en industrieterreinen, zijn de rechtstanden die in nieuwe bovengrondse verbindingen nog kunnen worden aangelegd vaak slechts zo kort dat de afstand tussen twee hoekmasten klein genoeg is om ze ook meteen als afspanmasten te laten dienen, zonder dat er daar tussenin nog eentje extra nodig is.

Onnodig sterk?

Moderne 380 kV-verbindingen zijn beduidend sterker dan oude masten uit de jaren 50 en 40. De eerste generatie Nederlandse 380 kV-masten, inclusief de torenhoge crossingsmasten van 120 tot zelfs over 160 meter, zijn ontworpen om windsnelheden te kunnen weerstaan die hooguit eens in de duizend jaar tijdens een zogeheten superstorm kunnen optreden. En bij de jongste generatie (bijvoorbeeld Zwolle-Meeden-Eemshaven) is zelfs dat nog niet genoeg geweest: in dit deel van het land is de NEN-50341 onverbiddelijk als het om ijzel gaat. Hier worden masten ontworpen op zware storm en zware ijzel tegelijk. Op 50 meter hoogte dient de constructie een survivalspeed van meer dan 60 m/sec te hebben en daarmee windsnelheden te kunnen weerstaan die hier klimatologisch gezien niet eens kúnnen optreden.

Kattenoorloze hoekmast van Zwolle-Meeden bij Slagharen

De (onder mastengekken bekende) aanblik van de kattenoorloze hoekmasten van Zwolle-Meeden. Deze ontwerpen behoren tot de sterkste masten die in de Benelux te vinden zijn. Dit soort masten wegen per stuk wel zestig tot honderd ton en de profieldikte gaat in de dikste latten over de 25 centimeter. Ook onder de grond gaat het door: de heipalen zijn maar liefst 28 meter lang. Dat is rechtop ongeveer net zo lang als de afstand tussen de grond en de onderste traversen. Foto door Hans Nienhuis.

Maar waarom zulke overkill? Als hij niet meer kapot te krijgen is, dan hoef je hem niet nóg sterker te maken? Dat lijkt immers niet efficiënt, want het maakt de masten wel duurder, zwaarder en lomper van uiterlijk.

Het ligt iets ingewikkelder dan windsnelheid alleen. De survivalspeed is een gecombineerde grootheid waarin windsnelheid slechts één aspect is. Dat betekent dat de mast wordt gedimensioneerd op een bepaalde belasting (drag en load samen, statische en dynamische krachten), ongeacht de oorzaak ervan. De belasting op het mastlichaam die in de survivalspeed van toepassing is hoeft dus niet alleen met wind bereikt te worden. Wanneer de last en druk op het mastlichaam toeneemt door zware ijzel, als de drag onregelmatig toeneemt door lijndansen of als een mast geraakt wordt door een tornado, dan zal de maximale kracht die de mast kan weerstaan al bij een lagere windsnelheid bereikt worden. De bewust gekozen overdimensie wordt dan opeens een stuk redelijker. Want met masten en lijnen van deze omvang wil je zo min mogelijk risico nemen.

 


Omhoog