Toren
De toren is het grootste onderdeel van een hoogspanningsmast. Het is de centrale kolom waaraan de armen of traversen zitten, tussen het broekstuk en het topstuk in.
De meeste mastontwerpen hebben een beetje een figuurvorm van een ranke gestalte met armen naar weerszijden. De toren vormt dan de romp waar alles aan vast zit. Bij delta- en gaffelontwerpen splitst die toren in twee delen en bij bipoles zijn er zelfs twee geheel gescheiden exemplaren. Eigenlijk alleen bij tuienmasten en bepaalde portalen is er geen duidelijke toren, verder hebben alle ontwerpen er een.
Ook als er sprake lijkt van twee of drie steeds scherpere delen die bovenop elkaar staan, wordt de toren als één deel van het mastlichaam opgevat. Het is dus niet zo dat er drie torens op elkaar worden gezet in de definitie. Natuurlijk is het technisch wel het geval, want we zullen zien dat ook torens met twee of zelfs drie bouwmethoden bovenop elkaar kunnen worden gemaakt, waarbij bijvoorbeeld het onderste deel uit een K-verband en het bovendeel uit een slingerverband bestaat.
De toren is het grootste deel van de hoogspanningsmast. Hij strekt zich uit tussen het broekstuk en het topstuk, tenminste bij de meeste mastmodellen zoals de masten hier bij Hengelo Weideweg. De toren is ook het deel van de mast waarmee men hem kan laten variëren in eindhoogte. Foto door Michel van Giersbergen.
Natuurlijk is het bij een houten paal wat lastig om van een toren te spreken. Wanneer we enige redelijkheid betrachten spreken we dan ook pas van een toren bij grotere masten die uit meerdere delen zijn samengesteld. Bij zulke masten hangt de vorm van de toren af van het doel en functie: hoe groot moet hij zijn, hoeveel traversen moeten eraan, hoeveel circuits draagt hij, heeft de mast een gaffelvorm, in wat voor weersomstandigheden staat hij, hoe zijn de wetten en regels van het land voor vrije ruimte… van alles, tot aan de grondprijzen aan toe.
De toren is ook het onderdeel van de mast waarmee men hem van hoogte kan laten variëren. Op de pagina over mastfuncties wordt een beschrijving gegeven van de S+X: de hoogte waarin het basismodel van een bepaald ontwerp hoogspanningsmast is uitgevoerd. Zie daarvoor de pagina over draag- of steunmasten. De toren bestaat uit vier zogeheten randstaven (de dikke latten die de hoeklijnen vormen) met daar tussenin zogeheten diagonalen (gekruiste latten) die gezamenlijk de torenwand vormen. In de toren wordt soms een torsieverband aangebracht om vervormingen te voorkomen. Technisch gezien kunnen torens in drie bouwmethodes worden onderverdeeld: slingerverbanden, kruisblokken en K-verbanden.
Toren met slingerverband
Een toren met een slingerverband heeft een vrij constante aanblik waarbij alle latten telkens op gelijke afstand in de wanden zitten en een enkelvoudig of meervoudig zigzagpatroon vormen. Deze bouwvorm is het meest populair op de wereld. In vrijwel alle kleine mastmaten en in een aanzienlijk deel van de middelgrote maten zien we slingerverbanden terug. Soms grenzen de aangrijpingspunten van de latten precies op dezelfde plek aan elkaar aan de randstaven, een andere keer zijn ze precies een halve hoogte versprongen. Beide keuzes hebben voor- en nadelen.
Duitsland is het slingerverbandland bij uitstek, daar treffen we slingerverbanden tot in de allergrootste masten. Maar ook in België, Denemarken en oost Europa is deze bouwwijze dominant. Zogeheten enkelvoudige slingerverbanden zien we vooral bij kleine mastjes. Bij deze mastmaten speelt de materiaalsterkte en de bestendigheid tegen een klein beetje drukkracht nog een rol van formaat, zodat de latten worden geacht om naast trekkrachten ook enige drukkrachten te kunnen verdragen. Voor niet elke lat is een backup-exemplaar. Bij kleine mastjes is dat niet direct een probleem, maar in het theoretische geval van een spatting (zoals breuk van een staaf netjes heet) kan de toren zijwaarts wegdraaien en het begeven.
Een enkelvoudig slingerverband vertrouwt op materiaalsterkte in plaats van op engineering. De latten kunnen ook op druk worden belast en dat moeten ze verdragen. Dat is bij kleine mastjes zoals dit 50 kV-exemplaar op de Veluwe niet echt een probleem, maar bij grote masten volstaat dit niet en moet een slingerverband dubbel worden uitgevoerd. Foto’s op de Veluwe door Ot Lesley.
Wanneer de mast groter wordt gaat dit probleem een grotere rol spelen en kan niet meer op materiaalsterkte zelf worden vertrouwd. Nu is er een slimmer bouwplan nodig dat ervoor zorgt dat iedere lat die op drukkracht wordt belast, op hetzelfde moment een spiegelbeeld heeft die op trek wordt belast. Dat kunnen metalen latten goed verdragen, zoals we kunnen lezen op de pagina over vakwerkmasten als bouwvorm. Met een dubbel slingerverband wordt dit bereikt.
Bij hele grote masten kan men dat nog zwaarder aanpakken en zelfs een meervoudig slingerverband toepassen, waardoor de zigzagvormen elkaar ook in de hoogte overlappen, iets wat we zien bij sommige Belgische koppelnetmasten.
Links een tweevoudig slingerverband in een tweevlaksmast. Deze staan in Groningen, maar in Duitsland is deze aanblik zeer algemeen. Rechts: drie- of meervoudige slingerverbanden zien we weinig, maar in België zijn er toch voorbeelden van te vinden bij grote masten, zoals hier in het bovenste gedeelte van deze 150 kV crossingsmast. Foto’s door Bram Gaastra en Michel van Giersbergen.
Toren met kruisblokken of ruiten
De tweede manier om een torenwand te bouwen is met kruisblokken of ruiten. Deze methode geeft een ander uiterlijk en bespaart gemiddeld gezien materiaal, maar hij is wel ingewikkelder. De grootschalige aanblik is een toren die lijkt op meerdere op elkaar gestapelde broekstukken. In de torenwand ontstaan grote openingen in de vorm van een wybertje (een ruitvorm) en de kruisen zelf bevatten weer kortere staafjes waarmee de lange latten worden behoed voor buigen of uitknikken. Deze zogeheten knikverkorters hoeven nooit drukkrachten te verdragen, dus ze kunnen erg dun worden gemaakt.
Kruisblokken treffen we vooral als de afmeting en zwaarte van de hoogspanningsmast toeneemt zodat een slingerverband te lange overspanningen zou moeten maken. Met een trekstang die door het hart van de kruisvormen loopt en die tot aan de randstaven doorloopt wordt voorkomen dat de toren in zijn geheel naar buiten buigt. Per saldo levert een toren met kruisblokken bij grote masten minder ijzergebruik en minder gewicht op. Ook is het makkelijker om speciaal maatwerk zoals een diagonaal gedraaide traverse in te passen.
Masten met een kruisblokkentoren. Ten opzichte van een slingerverband lijken er meer staafjes in te zitten en is de toren een wat drukkere aanblik, maar het materiaalverbruik is desondanks lager. Met name bij grote masten zoals op de rechterfoto wordt dat belangrijk omdat de latten in een slingerverband anders wel heel dik en zwaar zouden moeten worden. Foto (ietsje teveel clarity) door Michel van Giersbergen.
In Nederland is de bouwwijze met kruisblokken dominant boven slingerverbanden, iets wat we min of meer ook in Engeland zien. In Duitsland wil men er weinig van weten. In weer andere landen zoals Frankrijk en Italië is het moeilijk om een trend te zien. Daar hangt het meer af van het tijdperk waarin de masten werden gebouwd. Dat laatste zien we ook in Nederland wel een beetje terug. De oudste masten hebben vaak slingerverbanden. Net voor en vooral in de twee decennia na de oorlog was er een sterke opkomst in kruisblokken. Maar toen de jaren 70 aanbraken werden de mastontwerpen wat fantasielozer en pragmatischer, waardoor een terugkeer van slingerverbanden te zien was. Tegenwoordig is er juist een tweede opleving van kruisblokken vanwege toegenomen sterktevereisten en materiaalprijzen.
De diagonaalhoek van kruisblokken is aanmerkelijk steiler dan die van slingerverbanden. Met een kruisblok kan je daardoor per exemplaar meer hoogte winnen dan met een slinger. Kruisblokken hoeven ook niet per se symmetrisch te zijn aan alle zijden van de toren. De eerste generatie Nederlandse koppelnetmasten heeft twee iets verschoven torenwanden, zodat de kruisblokken dwars op het mastbeeld iets hoger zitten dan de twee frontaal op het mastbeeld. Bij slingerverbanden is dat verspringen redelijk standaard, maar bij kruisblokken zie je het juist zelden.
Verspringende torenwanden: de kruisen zitten niet op gelijke hoogte. Technisch is het iets sterker dan symmetrische kruisblokken, maar het verschil is klein en visueel is de toren een rommeltje. Ook bouwt het lastiger omdat je meer maten latten moet maken en uit elkaar moet houden. Foto door Michel van Giersbergen.
Technisch gezien is het uit te leggen: de randstaven hebben hierdoor een nog kortere uitkniklengte omdat ze nog veel meer ondersteuningsmomentjes hebben van latten die ze voor uitknikken behoeden. Maar esthetisch wordt dit niet gewaardeerd door pylon geeks en ook nauwelijks door ingenieurs en architecten. De hele toren wekt een rommelige, drukke indruk en het vereist maatwerk in de staaflengtes op plekken waar knoopplaten nodig zijn, anders komen de diagonalen opeens op de verkeerde plek binnen.
Toren met een K-verband
Met kruisblokken, of het concept tetraëder waar zo’n kruisblok zijn sterkte uit haalt, kan je behoorlijk ver gaan. In de begindagen van grote hoogspanningsmasten ging men ermee tot het gaatje. Deze vroege torens van 50 kV kopppelverbindingen van voor de oorlog zijn in Nederland volledig verdwenen. En dat is jammer, want er zijn foto’s bewaard gebleven van achthoekige mastlichamen in de Betuwe die eerder op een stapel tafeltjes lijken dan op een hoogspanningsmast.
Kruisblokken in hun simpelste vorm neigen naar steile slingerverbanden. Alleen de horizontale trekstaven doen ze verschillen. Maar kruisblokken kan je verder ontwikkelen, zeker bij hele grote torens. De blokken worden steeds complexer en op den duur verdwijnen de opstaande punten steeds meer, of zelfs volledig. We komen nu aan bij een doorontwikkeling die een K-verband wordt genoemd. Draaien we de hoofdletter K een kwart slag rechtsom, dan zien we waar de naam vandaan komt.
Historische foto van een verdwenen waterkruising bij Arnhem (50 kV) met een achthoekige mast waarin een K-verband is toegepast. Het lijken wel gestapelde bijzettafeltjes. Een aantal zijn in de oorlog verwoest door de bezetter en vervangende 150 kV. Foto uit het PGEM-gedenkboek. Rechts: en of grote K-verbanden nog bestaan, groter dan ooit zelfs, maar dan in België. Deze 192 meter hoge kruisingsmasten zijn in 2019 gebouwd. Foto door Bavo Lens.
K-verband tot in het extreme
Ook met K-verbanden kan je verder en verder gaan. De opstaande punten worden steeds minder belangrijk, de poten van de K worden steeds ijler en steiler, met steeds meer hele dunne knikverkorters, en uiteindelijk ontstaat een soort van stapel bijzettafels met ragfijne vakwerkpoten, enorme openingen waar de wind dwars doorheen blaast en waar een lefgozer zelfs met een ultra light doorheen zou kunnen duiken. Deze uiterste doorontwikkeling van een K-verband is het summum van materiaalbesparende hoogbouw. Zonder tuikabels is er geen enkele andere constructiewijze op de wereld die dit kan.
Je zou het niet zeggen, maar ook in zo’n zeer groot K-verband wordt nog precies hetzelfde krachtenspel en dezelfde natuurkunde gevolgd als in een kruisblokkentoren. Het is lonend om het onderste uit de kan te halen in zeer grote masten omdat het veel materiaal en dus gewicht bespaart. Elia bouwt in België nog steeds grote hoogspanningsmasten op deze manier. De nieuwste overkruising van de Schelde, met 192 meter de hoogste masten van het hele land, heeft torens met enorme K-verbanden. Het levert een mast op die je bijna kunst zou kunnen noemen: het absolute minimum aan materiaal, het is vrijwel uitsluitend lucht, maar toch boet de mast amper aan sterkte in. Gustave Eiffel zou hier goedkeurend bij hebben geknikt: dit is een demonstratie van vakwerkconstructies in optima forma.
Hoewel de historische kruisingen bij Arnhem zijn verdwenen, zijn grote masten met een K-verband springlevend. En groter dan ooit. Hier zien we de opbouw (links) en de opgeleverde (rechts) masten van de Scheldekruising bij Lillo. 192 meter hoog en ondanks alles ‘slechts’ vijfhonderd ton ijzer. Als je het krachtenspel perfect beheerst kan je tot het uiterste gaan met dunne staafjes. Foto’s door Michel van Giersbergen.
Dit soort eiffelhoogtepunten komen wel met een keerzijde. Er geldt dat je als ingenieur uiterst goed moet weten wat je doet. Het krachtenspel in de toren moet bij een groot complex K-verband perfect worden beheerst voor de maximale sterkte. K-verbanden stapelen is daardoor riskanter dan een slingerverband of een kruisblokkentoren. Als je een fout maakt kan er zomaar dit gebeuren. In dit filmpje ging het gelukkig om een mast in aanbouw waarbij men vlak voor het bezwijken in de gaten kreeg dat het mis ging zodat iedereen zich op tijd uit de voeten kon maken (en het kon filmen), maar het is duidelijk dat er een catastrofale rekenfout was gemaakt. Maar als je die niet maakt, als alles goed gaat en als je het krachtenspel goed vat, dan kan je met onwaarschijnlijk weinig ijzer een immens hoge toren bouwen.
De overgang is nooit makkelijk
Slingerverbanden met een dubbele slinger en kruisblokken zonder knikverkorters of treklat door het kruis zijn technisch vrijwel gelijk. Beide manieren raken aan elkaar en hebben enige overlap. Net als met zoveel dingen in hoogspanningsland zijn ook hier de grenzen kneedbaar en enigszins subjectief. Beide constructiewijzen komen met regelmaat voor in dezelfde toren. Je krijgt dan een toren die vanaf het broekstuk eerst een aantal kruisblokken heeft en bij het smaller worden op den duur verdergaat als slingerverband. Dat klinkt logisch, maar esthetisch is het nog opmerkelijk ingewikkeld om deze overgang tot een goed einde te brengen.
Wanneer je de overgang op een onnatuurlijke plek maakt of wanneer je de hellingshoek van de latten niet logisch laat verspringen wekt het direct een ongemakkelijke en lelijke indruk. Helaas moet het gezegd worden, in België heeft men een redelijk aantal van zulke eh.. pareltjes.
De overgang van kruisblokken naar slingerverband is altijd een moeilijke. Links een mast uit de categorie mogen-we-een-teiltje. De cilindrische bovenkant en de wespentaille dragen niet bij aan harmonie. Rechts: ook als je wel je best doet blijft het moeilijk om een soepele overgang te bereiken. Foto’s door Michel van Giersbergen.
Hij mag niet inklappen: torsieverbanden
Een toren is een vierkante koker. Zodra je die op torsie belast, bijvoorbeeld door aan één traverse harder zijwaarts te trekken, zal hij reageren door de vervormen. De vierkante doorsnede wordt een ruitvorm en uiteindelijk klapt de toren in: de holte in het midden slaat dicht, de kokervorm verdwijnt en wat volgt is een pandemonium van omlaag stortend vakwerk, draden, isolators en vonken, op de koop toe gevolgd door een stroomstoring. (Op zijn beurt weer gevolgd door een beschaamde persvoorlichter van de netbeheerder en verslaggevers van het lokale sufferdje die bijna in extase raken omdat er eindelijk eens wat beters gebeurt dan een auto tegen een boom of controle op legionella in de douche van de voetbalkantine.)
Om te voorkomen dat de milkshakeridders met hun C2000-scanners elke week op pad kunnen, worden er om de zoveel meter hoogte platforms aangebracht die ervoor zorgen dat de toren altijd zijn vierkante doorsnede zal houden en niet kan wokkelen. Zulke platforms worden torsieverbanden genoemd. Twee trekstaven kruislings tussen de diagonaal tegenover elkaar liggende randstaven zijn in principe voldoende, maar bij kruisblokkentorens wordt meestal gekozen voor een kruis dat op de vier treklatten middenin een kruisblok vastzit en dat wordt aangevuld met vier kortere latten die de tetraëdervorm afmaken. Ook in het broekstuk zit zo’n torsieverband.
Een horizontaal kruis tussen de randstaven of zelfs een kruisplatform met vier extra diagonalen in het horizontale vlak voorkomt dat de vierkante doorsnede van de toren kan vervormen. Zo behoudt hij zijn sterkte ook bij torsie. Foto door Michel van Giersbergen.
Tapsheid: steviger, lichter en mooier
De meeste torens zijn licht taps: ze vertonen versmalling naar boven toe. Soms gaat dat haast vloeiend, maar een andere keer zitten er duidelijk zichtbare verscherpingen of insnoeringen in. Meestal is de toren convex: steeds scherper. Deze kegelvorm maakt de mast sterker en tevens lichter. Verder is het essentieel voor de aanblik: het oog wil ook wat, en we zijn als mensen nu eenmaal gewend dat objecten versmallen naar boven toe. Bomen, schoorstenen en termietenheuvels doen dat tenslotte ook (en overigens altijd om dezelfde technische en biologische redenen). Een beetje tapse toren is dus steviger, lichter, mooier, harder, better, faster, stronger.
Stel je voor hoe een hoogspanningsmast eruit zou zien als men de toren puur cilindrisch zou maken:
Als we dit zouden bouwen breekt er gegarandeerd revolutie uit onder de pylongeeks.
Mister Gorbatsjov, tear down that pole.
Toch worden dit soort constructies wel degelijk gebouwd, maar dan gedeeltelijk. Torens die eerst taps zijn en waarvan het bovenste deel cilindrisch is past men in België met enig regelmaat toe. In Nederland en Denemarken is het zeldzaam maar soms aanwezig, en in Duitsland zien we het zo goed als nooit. Het wekt dan ook de indruk van een blokhoofd. Of zo je wil, een architect die zich er extra goedkoop vanaf heeft gemaakt. Om die reden lukt een mastverhoging met een extra kruisblok in de visuele zin van het woord bijna nooit. Je krijgt dan een rare onregelmatigheid in de soepele opgaande vorm van de toren.
Een cilindrisch bovendeel wekt een bonkige indruk die direct industrieel oogt. Los van verhoogd materiaalgebruik en slechts beperkte winst in sterkte is het een ongemakkelijk gezicht. Zelfs een piepklein beetje tapsheid, zoals bij de Belgische 150 kV-mast, kan het probleem al verhelpen. Tapsheid is duurder en ingewikkelder, maar dat is dan ook het enige nadeel. Foto’s door Michel van Giersbergen en Bavo Lens.
Door optisch bedrog lijkt een cilindrische toren naar boven toe breder te worden zodat een topzware indruk ontstaat die als weinig elegant wordt ervaren. Gelukkig zijn masten met een cilindrische toren buiten België relatief zeldzaam. Omdat de kegelvorm sterker is, materiaal bespaart en er beter uitziet, neemt men de complexere engineering op de koop toe.
Gaffels en portalen
Niet elke mast heeft een duidelijke toren. Bij deltamasten en gaffelmasten splitst de toren in tweeën en is er letterlijk tot op zekere hoogte, de hals genaamd, nog wel wat van te maken. Maar sommige soorten Scandinavische schoorportalen en schoormasten voor zeer hoge spanningen in oostelijk Europa hebben geen vrijstaande toren. Als de mast het direct catastrofaal begeeft als een tuikabel wordt gekapt, geldt dat er geen sprake meer is van een echte vrijstaande toren. We hebben dan te maken met een tuienmast of een schoorconstructie waarin het krachtenspel heel anders loopt.