220 Wanty typu FREYSSINET

220. THE FREYSSINET STAY CABLE

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221. Freyssinet stay cables

221.1 Description

The first large cable-stayed bridges in which stays de-

signed by Freyssinet were used are the Rande bridge

(Spain) with a 400 m span steel deck and the Brotonne

bridge (France) with a 320 m span concrete deck. It was,

at that time the largest span concrete deck cable-stayed

bridge. The stays were composed of cables made of

15 mm diameter prestressing strands. The technology

used at that time by Freyssinet (and some other com-

panies) was largely inspired by prestressing technology.

However, as already illustrated in section 3.1, the

functioning is different, and the limits of that technology

soon appeared to be insufficient to satisfy all the require-

ments for modern stay cables, in particular those related

to fatigue resistance, corrosion protection, surveillance

and replaceability.

Through intensive testing and site experience, Freyssinet

has developed a modular stay cable system which can fulfil

all needs for traditional and avant-garde civil engineering

structures, cable roof structures, suspension bridge han-

gers, and the like.

The Freyssinet stay cable technology is based upon the

total independence of each strand, and offers for the

following features:
• individual anchoring;
• individual corrosion protection;
• possibilty of individual erection, stressing,dismantling

and replacement;

as described below:

The usual stay service capacity ranges from 1 430 kN to

15 144 kN at service load, although much larger stays

have been supplied (24 446 kN at the Collserola tower in

Barcelona, Spain).

For the practical length of stays, there is no foreseen limit

to date (the longest Freyssinet stay cable in the Norman-

die bridge, France, is 448 m long).

221.2 Specification of strand

The resisting element of Freyssinet stay cables is a bundle

of parallel individually protected, 15 mm nominal diam-

eter 7 wire high tensile strands. The strand is hot deep

galvanized before the last drawing operation, and it is

then, factory sheathed with a tight high density polyethy-

lene coating. A petroleum wax fills all the inter-wire

voids and the interface strand-sheath.

The strand complies with the requirements of one of the

standards listed in the following table, or approved

equivalent.

In addition, the strand complies with the following specifications:
• Fatigue strength:
2 million cycles with

Ds= 280 N/mm

and

max

= 0.45 x UTS

• Ductility (Deflected tensile strength) < 20% as per FIP
• Zinc coating 180 g/m

< weight of coating < 340 g/m

• High density polyethylene coating mini. thickness =1.5 mm
• Minimum quantity of wax protection = 12 g/m
Complete technical specification, data and inspection

sampling and acceptance criteria are included in our

Technical Specification TS43697.

221.3 The anchorage

Each strand is individually anchored in the anchorage

block, or head, which is pierced by a multiplicity of frus-

toconical holes, by means of three-piece jaws which have

been specifically designed for high fatigue and static

strength (see 221.6 mechanical performances of Freys-

sinet stays). There is no contact steel-steel, detrimental to

fatigue resistance, other than the strand-jaw contact.
The anchorage is completed by several other com-

ponents as described below, and in particular a specific

Freyssinet feature which is the so called “guide/stuffing

box”, which plays two roles:
• it provides a waterproof barrier between the transition

zone in which the strands are protected by a flexible com-

pound (wax), and the zone where the Freyssinet strands

are protected by the factory-applied permanent protection;

• it is a guide placed at the proper distance from the

anchorage jaws in order to eliminate the effects of local

bending (refer to 213.2.4).
A deviator which clamps together the strands to form a

parallel bundle completes the anchorage, at a distance

which is a function of the anchorage size.
Several options and features are available to fit almost all

possible structural requirements and consultant’s design

and specification requirements, as described in the next

sections.

PPC

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Standard

prEN 10138-3

Strand

Y 1770 S7-16

Y 1860 S7-16

designation

EU 138/6

Nominal diameter (mm)

Nominal tensile strength (N/mm

)

1 770

1 860

Nominal steel area (mm

)

150

150*

Nominal weight (kg/m)

1.17

Specified characteristic
breaking load (kN)

265

279

Specified characteristic
0.1 % proof load (kN)

228

240

Minimum elongation
at max. load (%)

3.5

on L

≥

(mm)

*Available, on request, in USA.

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Injection cap. Provides for the

internal corrosion protection of

anchorage components

Wax compound

Perforated

foam disks.

Guide-stuffing

box assembly.

Bearing surface

Typical arrangements

Anchorage block. Surface treated for

corrosion protection. External thread

provided for adjustable anchorage

steel

(articulation)

steel

(fixed)

concrete

Threaded bar to operate the

stuffing box device before injection

of the anchorage zone.

Deviator. Assembles the

strands in a parallel bundle.

Plastic bushing.

Prevent contact of strand

with the anchorage block.

Anchorage steel tube. Treated for corrosion

protection. Provides mechanical support for

the guide and housing for the stuffing box.

Variable strand over length

(for fixed or adjustable

anchorages)

Special stay cable jaws.

Case hardened alloy steel.

Designed for high fatigue

and static strength.

Freyssinet monostrand

High density polyethylene

Wax

Galvanised strand

Bundle of strands

Fig. 19 - The Freyssinet anchorage

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221.4 Anchorage types and dimensions

The anchorage described in the previous section may
be used as a fixed anchorage and as a stressing
anchorage (the strands being stressed one by one). This
basic type of anchorage is designated as n HD 15 F,
where n is the maximum number of strands that can be
anchored in a given size.
However, it is sometimes specified that stay cable force
adjustments should be made possible without disassembly
of any part of the anchorage head (such as the injection
cap, for instance, in order to reach the strand ends). In
this case, what is called an adjustable anchorage should
be used. This adjustable anchorage is designated as

n HDE 15 R. The standard adjustment length is 100 mm.
There is a third type of anchorage, which is adjustable
by means of shims placed between the anchorage
block and the bearing surface (the adjustment is not as
fine as with the threaded tube).The adjustment capacity
of this anchorage type, called n HD 15 R, is small, and,
if destressing of the stay cable is contemplated, the
required amount of shims have to be provided from the
installation stage.
The recommended anchorage combination for bridge
stay cables is: n HD 15 F at one end , and n HDE 15 R,
at the other end. Both anchorages can be placed at the
pylon, or at the deck, the choice being, in general, dic-
tated by practical considerations (space available behind
the anchorages for erection and stressing, access, etc.)
Fig. 20 shows, schematically, these anchorage types,
and fig. 21 the standard sizes and dimensions.
For special applications, and in particular to overcome the
drawbacks encountered with saddles, Freyssinet also pro-
pose special anchorages, such as the so called “blocked
saddle”, or the “crossed stays device” (see 221.5.4).

PPC

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Fig. 20 - Freyssinet stay anchorage types

The Normandie bridge stay cables

n HD 15 F

n HD 15 R

n HDE 15 R

Fixed

Adjustable

anchorage tube

bearing plate

anchorage tube

bearing plate

anchorage tube

bearing plate

nut

thread

adjustment tube

thread

shims

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Fig. 21 - Freyssinet anchorages main dimensions

Fixed anchorage n HD 15 F

Adjustable anchorage n HDE 15 R

Fixed anchorage

Adjustable anchorage

anchorage

cap

A 2 F

Ø 1 F

A 2 R

Ø 1 N

Ø 1 R

Ø 1 T

Ø 2 F

L 1 F

L 3 mini

Ø 2 R

Ø 1 T

bearing

plate

anchorage

tube

deviator

Freyssinet

strands

seal

L 3 mini

L 1 R

Ø 3 F

Ø G

E 3 F

E G

Ø 3

E 3

Ø 3 R

E 3 R

drain (if at the lower

formwork tube

guide tube

formwork tube

guide deviator

Notes

The arrangement shown above is recommended for

stays having:

1. No more than 0.5° of angle deviation related to the

anchorage axis ;

and
2. A minimum of 2 cm clearance between the outer

diameter of the stay and any part of the structure when

deviated.

If any of the above conditions is nor met, the arrange-

ment shown below is recommended.

The bearing plate dimensions shown on the table cor-

respond to anchorages placed in concrete structures.

They provide for a concrete bearing stress of approx.

30 N/mm

, and have the minimum plan dimensions

required for installation and stressing.

For steel structures or other bearing conditions, the

minimum plan dimensions are to be respected and the

thickness is to be calculated accordingly.

N° of strands

Designation

109

127

mark

Cap O. diameter F*

Ø 1 F

200

240

280

310

360

395

425

470

500

530

Cap O. diameter R*

Ø 1 R

200

240

280

310

360

395

425

470

500

530

Cap O. length F

L 1 F

215

230

255

270

280

290

310

320

340

Cap O. length R

L 1 R

490**

500**

530**

555**

580**

610**

625**

670**

690**

730**

Nut

Ø 1 N

235

284

346

368

438

460

506

546

590

620

Tube diameter

Ø 1 T

160

180

225

280

315

355

400

Tube thickness

E 1 T

7.7

8.6

6.9

13.4

9.7

10.9

19.1

12.3

Square side dimension F

A 2 F

275

340

420

460

550

600

640

720

770

810

Square side dimension R

A 2 R

300

350

440

470

570

610

670

750

815

850

Central hole diameter F

Ø 2 F

151

186

221

237

285

318

342

374

386

424

Central hole diameter R

Ø 2 R

192

230

270

290

350

375

405

450

480

525

Thickness

E 2

100

110

120

130

Tube O. diameter F

Ø 3 F

168.3

219.1

244.5

273

323,9

355.6

368

419

457.2

Tube thickness F

E 3 F

6.3

8.8

Tube O. diameter R

Ø 3 R

219

244.5

298.5

323.9

368

406.4

445

482.6

530

558.8

Tube thickness R

E 3 R

5.3

6.3

8.8

12.5

Mini. distance to deviator

L 3 mini

1200

1400

1750

1900

2200

2400

2500

2850

3100

3250

Guide tube O. diameter

Ø 3 G

193.7

203

244.5

298.5

355.6

406

Guide tube thickness

E 3 G

5.5

5.6

6.3

8.8

3. other

2. bearing

plate

1. anchorage

* F for fixed anchorage and R for adjustable anchorage.

** If the forseen adjustment length S is higher than the standard 100 mm add (S – 100).

Stay dimensions (mm)

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221.5 Complementary features.
221.5.1 General

In order to provide designers with a choice of solutions to

the various functional or aesthetic considerations, some com-

plementary or alternative features are given below. They are

not restrictive, but only a selection of features already used

for large projects in conjunction with the present design of

Freyssinet stay cables. Please contact Freyssinet for any pro-

blem or feature not dealt with in this document.

221.5.2 Complementary features in the free length

Due to design considerations which are, most of the time,

related to aesthetic choices and sometimes to wind effects,

it is possible to add a supplementary outer sheath to the

bundle of Freyssinet monostrands. This sheath may consist,

for instance, of thin wall polished stainless steel tube, which

provides a beautiful shining finish (Wandre and Alzette

bridges, see references, section 6), or of a black or colou-

red high density polyethylene tube (Mezcala, Glebe and

other bridges). In some instances, the outer sheath may be

removable, and is then fabricated in two longitudinal

halves (Normandie bridge). This last solution has the

advantage of providing a large wind drag coefficient

reduction. Fig. 22 illustrates some of the above features.

221.5.3 Complementary features

in the anchorage zone

• It is sometimes advisable to provide an additional mechani-

cal protection against accidental or itentional damage to the

stay, (in particular to the plastic corrosion protection) in the

lower zone of the stay, above the deck. This protection, called

quite often anti-vandalism protection, consists generally of a

steel casing placed around the stay to a height of about 3 m.

The detailing of the anti-vandalism tube depends on the

specific project and can hardly be standardised.

• Depending on the local climatic conditions the stay vibra-

tion phenomenon may become an important factor to be

taken into account. If large amplitude vibrations are likely

to happen, it is wise to provide for fixing devices to allow

for the possible installation of vibration dampers, should it

become necessary. The dampers should preferably be of

the viscous type, placed at a distance from the end of the

stay (or a fixed point like the guide) sufficient to allow for

some transverse movement in order to absorb energy (the

sometimes called “dampers” which are simply neoprene

sleeves around the stay are not, in any way, vibration dam-

pers, but only a means of providing a fixed or semi-fixed

point to minimise bending effects at the anchorage).
Freyssinet has provided several types of vibration dampers

in the past and may help in solving this type of problem.

221.5.4 Saddles

Saddles in the pylons have been used in the past, in

particular with locked coil stay cables. They have

also been used in connection with strand stay cables,

but this type of arrangement (see 3.3.1) seems to be

out of favour with designers.
However, in order to respond to project tenders incorpo-

rating this arrangement, Freyssinet propose patented spe-

cials devices which satisfy the following requirements:

• fatigue resistance identical to that of the stay cable;

• blocking of differential forces transmitted to the pylon;

• replaceability.

Fig. 23 illustrates two types of such devices. Additional

information can be provided on request.

Fig. 23 - Types of special “saddles“

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unbonded strands

blocking

anchorage

couplers

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coupler

anchorage

strands (unbonded)

Freyssinet

monostrand

Freyssinet

monostrand

“Arade” type

“Crossed strands” type

prefabricated concrete

anchorage

peeled end in plastic tubes (crossed)

Fig. 22 - Various types of outer casings

• Bundle of Freyssinet monostrands

in a stainless steel tube

• Bundle of Freyssinet monostrands

in a HDPE tube*

• Bundle of Freyssinet monostrands

in a two-piece plastic
wind shield

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Outer diameter

125

140

160

180

200

225

250

280

Thickness

3.9

4.3

4.9

5.5

6.2

6.9

7.7

8.6

* Recommended standard HDPE tube sizes

220. THE FREYSSINET STAY CABLE

PAGE 8/10

PPC 2

-05.94

221.6 Mechanical performances

The three main parameters to be considered to assess the

mechanical performances of stay cables are:

• fatigue limit;

• ultimate strength;

• stiffness.

221.6.1 Fatigue limit

is the constant stress range

below which fatigue life is infinite. For stay cables it is conven-

tionally taken as the stress range, at a specified upper stress,

which is sustained for two million cycles, without rupture, and

without variation of the elongation range exceeding 1 mm.
The Freyssinet stay cable has a fatigue limit of

210 N/mm

, with an upper stress equal to 0.45 of the

specified characteristic breaking load of the strand.
The fatigue behaviour of the Freyssinet stay cables can be

visualised in figures 24 and 25, which are the Wöhler and

Smith diagrams for the constituent strand and the cable.

In order to facilitate dimensioning of Freyssinet stays in

regard to fatigue, two curves have been drawn up,

based on the Smith diagram:

• the first gives the maximum permissible stress in terms of

the ratio of the extreme stress values (fig.26):
x = s

lower

upper

• the second gives this same stress in terms of the stress

variation (fig.27):

Ds = s

upper

–

lower

Both diagrams are limited to:

upper

≤

0.45 x nominal tensile stress.

They do not allow for a safety factor, this being left to the

designer’s appreciation.

The margin of safety may be obtained:

• either by reducing the amplitude of the allowable stress;

• or by factoring the variable loads which are likely to

cause fatigue problems.

Fig. 24 - Wöhler’s curves for a single strand dia. 15 mm

and a stay cable with Freyssinet anchorages

Fig. 25 - Compared Smith’s diagrams for a single strand

dia. 15 mm and a stay cable. Number of cycles: 2.10

Fig. 26 - Maximum stress in terms of

x = s

lower

upper

Fig. 27 - Maximum stress in terms of

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2.10

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400

300

200

100

N/mm

cable

upper = 0.45

GUTS

upper = 0.45

GUTS

(MPa)

GUTS

0.85

0.66

0.45

500

1000

1500

0.35

0.59

0.83

1504

1168

796

1500

1000

= 70 MPa

= 260 MPa

= 300 MPa

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220. THE FREYSSINET STAY CABLE

PAGE 8/10

PPC 2

-05.94

221.6 Mechanical performances

The three main parameters to be considered to assess the

mechanical performances of stay cables are:

• fatigue limit;

• ultimate strength;

• stiffness.

221.6.1 Fatigue limit

is the constant stress range

below which fatigue life is infinite. For stay cables it is conven-

tionally taken as the stress range, at a specified upper stress,

which is sustained for two million cycles, without rupture, and

without variation of the elongation range exceeding 1 mm.
The Freyssinet stay cable has a fatigue limit of

210 N/mm

, with an upper stress equal to 0.45 of the

specified characteristic breaking load of the strand.
The fatigue behaviour of the Freyssinet stay cables can be

visualised in figures 24 and 25, which are the Wöhler and

Smith diagrams for the constituent strand and the cable.

In order to facilitate dimensioning of Freyssinet stays in

regard to fatigue, two curves have been drawn up,

based on the Smith diagram:

• the first gives the maximum permissible stress in terms of

the ratio of the extreme stress values (fig.26):
x = s

lower

upper

• the second gives this same stress in terms of the stress

variation (fig.27):

Ds = s

upper

–

lower

Both diagrams are limited to:

upper

≤

0.45 x nominal tensile stress.

They do not allow for a safety factor, this being left to the

designer’s appreciation.

The margin of safety may be obtained:

• either by reducing the amplitude of the allowable stress;

• or by factoring the variable loads which are likely to

cause fatigue problems.

Fig. 24 - Wöhler’s curves for a single strand dia. 15 mm

and a stay cable with Freyssinet anchorages

Fig. 25 - Compared Smith’s diagrams for a single strand

dia. 15 mm and a stay cable. Number of cycles: 2.10

Fig. 26 - Maximum stress in terms of

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lower

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Fig. 27 - Maximum stress in terms of

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4.10

2.10

4.10

number of cycles

500

400

300

200

100

N/mm

cable

upper = 0.45

GUTS

upper = 0.45

GUTS

(MPa)

GUTS

0.85

0.66

0.45

500

1000

1500

0.35

0.59

0.83

1504

1168

796

1500

1000

= 70 MPa

= 260 MPa

= 300 MPa

Mean stress

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upper

(single strand)

lower

(single strand)

= 210 MPa

lower

(cable)

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(cable)

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0.66 x 1770 = 1168 N/mm

max

(N/mm

)

single strand

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upper

–

lower

(N/mm

)

220. THE FREYSSINET STAY CABLE

PAGE 9/10

PPC

220/

05.94

221.6.2 The remaining ultimate strength

is the

maximum force which can be sustained by the stay cable, at the

fatigue limit, without physical damage to any of its components.
The Freyssinet stay cable can develop an ultimate strength

equal to 95 percent of the specified characteristic break-

ing load of the strand bundle (see Table 1).

221.6.3 The stiffness

of the cable is characterised

by the product AxE of the cross-sectional area A of the

cable by the effective modulus of elasticity E, and is

expressed in kN (see Table 1).
The effective modulus of elasticity E for Freyssinet stay

cables is given in fig. 28, as a function of the horizontal

projection of the stay for various levels of stress in the

strand. The curves are deduced from the Ernst formula:

E = E

1 + 10

–12

In which E is the effective modulus of elasticity, in N/mm

is the modulus of elasticity of the straight cable,

equal to 195 000 N/mm

g is the specific weight of the cable,

related to the steel volume 87 000 N/m

is the horizontal projection of the stay, in m

and

s is the stress in the strand, in N/mm

Table 1 : Mechanical characteristics of Freyssinet stay cables

221.7 Installation

The Freyssinet cable stay concept, based on the indepen-

dence of the strands, leads to a simple and easy instal-

lation method, which is installation at the site, strand by

strand. Only light equipment is required for this operation.
The specific equipment and procedure depend to some

extent on the adopted cable stay configuration and the

lengths of the stays.

221.7.1 Isotension

Due to the flexibility of the structure, the tension of the

individual strands of a stay cable varies during the stres-

sing operation strand by strand, since the distance bet-

ween the anchorages also varies during this process.
To ensure uniformity of force in all the strands of a stay at

the end of the stressing operation, a patented method has

been developed by Freyssinet, called Isotension.
The principle of Isotension is the following:
• The first strand is fixed to one of the anchorages, and

its other end is threaded into the other anchorage, and

then cut and stressed to a calculated force, which takes

into account the foreseen deformation of the structure.
• The first strand is not yet wedged into the anchorage block,

but wedged in a special single anchoring device provided

with a load cell which gives a permanent reading of its force.
• The second strand is then installed in a similar manner,

cut and stressed. The stressing is done, as for the first

strand, with a monostrand jack equipped with a load cell

identical to the one indicating the force of the first strand.
As the second strand is stressed, the force in the first

strand decreases, and the stressing operation is stopped

when the readings of the two cells are identical. The

second strand is then anchored in the permanent anchor

block. The two strands are equally stressed.
• The third strand is then installed and stressed until its

force reaches the reading of the first strand (which

decreases jointly with the force of the second strand). The

three strands are identically stressed.

Fig. 28 - Effective modulus of elasticity E in terms of horizon-

tal span and tensile stress in the stay cable. (Ernst’s formula)

Cable

Specified

Remaining

Stiffness

stay

characteristic

ultimate

A x E

size

load in kN

12 H 15

3 180

3 021

351 000

19 H 15

5 035

4 783

555 750

31 H 15

8 215

7 804

906 750

37 H 15

9 805

9 315

1 082 250

55 H 15

14 575

13 846

1 608 750

61 H 15

16 165

15 357

1 784 250

75 H 15

19 875

18 881

2 193 750

91 H 15

24 115

22 909

2 661 750

127 H 15

33 655

31 972

3 714 750

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horizontal length (m)

ratio E/Eo

= 800 N/mm

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Fig. 29 - Principle of Isotension

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monostrand jack

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strand no. “i”

jack nose

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temporary anchorage

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strand no. 1

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