Darrieusmast of H-frame

 Darrieusmast, H-frame, inzijdig geschoord portaal
Darrieus tower, H-frame Portalmast portalmast juk, schoorjuk

Darrieusmasten of H-frames zijn een middenweg tussen vrijstaande portalen en uitwendig vertuide portalen. De schoren kunnen rigide of gespannen zijn en ze bevinden zich binnen de mastcontour.

Een portaal heeft een poortvormige opening vanaf de grond en als het een vrijstaand portaal is zit in die opening zit niets. Je kijkt zo omhoog tot de fasedraden. Bij een Darrieusmast of H-frame kan dat niet. In de portaalopening bevinden zich houten of metalen schoorlatten of spankabels en soms ook torsieverbanden of drukplatforms. Deze schoren of spankabels vervullen intern een rol zoals die van diagonalen, maar ze bevinden zich alleen in de mastconstructie zelf en ze zijn nergens aan de grond verankerd.

Darrieusmasten in Scandinavië. De spankabels bevinden zich binnen het mastlichaam zodat er nog geen sprake is van een uitwendige schoormast. De constructie lijkt fragiel maar ze zijn erg sterk. Men is er in gebieden met zware winters en rotsbodems dol op. Foto in noordelijk Noorwegen door Calvin Musch.

De vierkante constructie van een portaal is van zichzelf geen sterke vorm. Met kruislingse schoorlatten of spankabels worden de vierkanten in driehoeken veranderd. Een driehoek is van nature onbuigzaam en wrikt niet. Het portaalframe van de mast kan dan lichter blijven en qua sterkte toch concurreren met een vrijstaande mast. Tevens is de rol van schoren die uitsluitend op trekkrachten zijn berekend een andere manifestatie van het krachtenspel dat ook in reguliere vakwerkmasten met uitsluitend staven speelt: alleen in de randstaven vinden we drukkrachten en verder is de hele mast ontworpen op uitsluitend trekkrachten in de toren.

Darrieus: met voorgespannen kabels intern geschoord

Wanneer er gebruik wordt gemaakt van spankabels is de mast vrijwel altijd een vakwerkmast van metaal. Spankabels vereisen enige voorspanning en als je dat in een houten frame probeert zullen de stammen of balken langzaam kromtrekken, waarna de kabels slapper worden, de mast gevoeliger raakt voor wrikken en uiteindelijk gaat rammelen, waarna hij sneller bezwijkt. In houten masten zijn de schoren rigide balkjes die geen voorspanning nodig hebben zodat kromtrekken wordt voorkomen. Globaal kan je zeggen: zijn de schoren kabeltjes, dan is er voorspanning en heb je een Darrieusmast. Zijn de schoren rigide, hoe dun ook, dan is er geen voorspanning en hebben we met een H-frame te maken. Beiden kunnen onder de noemer inwendig geschoord portaal worden geschaard.

Natuurlijk heb je overgangsvarianten, zoals vakwerkportalen waarin de schoren toch rigide zijn. We zien het zo vaak bij mastconstructies wanneer je ze probeert te categoriseren. Het is geen exacte wetenschap en je hebt tussenvormen, overgangsvormen en combinaties.

   

Darrieusmast in zijn pure vorm (met spankabeltjes) en in een overgangsvorm naar een H-frame, met dunne vakwerkdiagonalen die alleen maar trekkrachten kunnen opnemen, maar geen voorspanning vereisen en dus geen tussenplatforms tegen indrukking nodig hebben. De mast rechts in Texas is antiek. Hij is vermoedelijk minstens zeventig jaar oud. Foto’s door Hans Nienhuis.

H-frame: vaak houten mast met rigide schoren zonder voorspanning

Door een houten portaalvormig frame inwendig te verschoren ontstaat een frame met een of meer diagonalen in kruisvormen. Het is waarschijnlijk de meest gebouwde houten mast ter wereld voor spanningen tussen 33 en 150 kV. In Amerika zijn H-frames met houten schoren populair in lege gebieden met geschikte klimaten. Ze zijn veel sterker dan portalen zonder schoren en wat kosten twee extra balken nu helemaal? Voor een H-frame is het ook niet per sé nodig dat er twee palen hoog boven de balktraverse uitsteken.

   

   

De meest populaire portalen op de wereld: houten of buismetalen H-frames met een K-vormig of een kruisvormige inwendige verschoring van balken. Goedkoop en sterk. Hoewel dat laatste soms te bezien valt wanneer je de kwaliteit van het hout nader bekijkt. Run to Fail als netstrategie is voor Europeanen een rare gewaarwording. Foto’s in de Midwest door Hans Nienhuis.

Met een metalen Darrieusmast is het ook mogelijk om de spankabels slechts één kruisvorm te maken en die volledig van onder tot boven te laten lopen. De torenwanden aan de zijkant veranderen dan in benen, net zoals bij een uitwendig geschoord portaal, een chainette of een guyed V. Deze benen zijn niet langer onderling verbonden met een of meer platforms tegen zijwaartse indrukking door de naar binnen gerichte trekkracht van de spankabels en ze hebben beide hun eigen fundatie. De benen kunnen een beetje scheef worden gezet en wanneer nodig ook scharnierend onder de balktraverse worden vastgemaakt.

   

Franse trianons (deze staan ook afgebeeld op de pagina over hybride bouwwijze). Sec gezien zijn het Darrieusmasten, de schoren komen niet buiten het mastlichaam en hij staat op een fundatie zonder trekankers.

Darrieus met vakwerk en één kruis: de oervorm der schoormasten

De meest klassieke Darrieusmast heeft één set kruisende spankabels. Het lijkt een fijne mast, maar dit type wordt niet zoveel meer gebouwd omdat de voordelen slechts beperkt zijn en omdat zijn bouwwijze in de geschiedenis van lijnenbouw achterhaald raakte door efficiëntere doorontwikkelingen, zoals uitwendig geschoorde portalen en nog weer later guyed V’s.

Darrieusmasten met één kruis zijn daardoor meestal oude masten. In Zweden zijn ze soms nog te vinden in de oudste generatie 400 kV-lijnen die al sinds midden jaren 50 in de bossen staan. Ook in Denemarken stond vroeger een grote lijn met dit type Darrieusmast dwars over Jutland, maar die is inmiddels vervangen door een lijn buismasten.

Klassieke inwendig geschoorde Darrieusmast met spankabels van onder tot boven die binnen het voetprofiel van de mast blijven. Deze oude Deense lijn vormde ooit de 400 kV backbone van Jutland en is intussen vervangen door een verbinding met buismasten. Foto door Ole Nielsen.

Vage randen

H-frames en Darrieusmasten zijn grotendeels gelijk, al is de permanente spankracht van inwendige kabels vervelend voor hout zodat daar balken worden gebruikt. De naam H-frame is bij hout gebruikelijker. In beide gevallen beschikt de mast over twee palen, torens of benen, en er bevinden zich schoren in de portaalopening.

   

Links: het verschil van een vrijstaand portaal met een geschoorde collega op zijn dunst gedemonstreerd. Rechts: een eh.. mast in transitie. Foto’s door Hans Nienhuis.

Soms is er ook overlap met een deltamast. Bij een portaalmast met rigide schoren loopt er ook een draad door een omsloten gat. In zulke gevallen helpt het om met enige nuchterheid te kijken: het vakwerk bevat geen interne spankabeltjes en heeft niet de bouw van een Darrieustoren.

Overgangsvariant tussen een portaal en een deltamast. In dit geval neigen we door de brede rechthoekige torenvorm wat meer naar een portaal en dan ook nog eens het midden tussen vrijstaand of met een K-verband verschoord. Maar de bovenbouw is juist eerder een deltamast. Foto door Hans Nienhuis.

Herkomst van de naam

Een Darrieusmast of in het Frans een Pylône Darrieus is ongetwijfeld naar een ingenieur genoemd. Maar CIGRE biedt geen informatie over de precieze herkomst van de aanduiding Darrieus. Vanwege het consequente hoofdlettergebruik vermoeden we vernoeming naar een ingenieur. De bekendste ingenieur Darrieus is verantwoordelijk voor een verticale windturbine, enigszins gelijkend op een Savoniusrotor. Vanwege de veel bekendere windmolenbouw is er veel ruis wanneer er gezocht wordt op de herkomst. Deze moeten we schuldig blijven. Wel staat de term al sinds 1972 in het CIGRE-vocabulaire zodat duidelijk is dat de aanduiding al minstens een halve eeuw gemeengoed is in de engineering.

Een H-frame, zoals de gebruikelijke naam voor een intern geschoord portaal met rigide schoren luidt, is dan weer simpel. De mast heeft de vorm van een grote letter H en het is in principe een frame dat slechts met toevoeging van schoren stabiel en sterk is te maken.