themaDwarskrachtbreuk kanaalplaten7200918themaDwarskrachtbreukkanaalplatenDe manier waarop een kanaalplaatvloer is opgelegd in eenstaalconstructie heeft invloed op een mogelijke dwarskracht-breuk. Om deze invloed exact te bepalen, werd in Engelandonderzocht wat het werkelijke mechanisme is van dwarskracht-breuk. Hiertoe werden diverse grootschalige proeven uitge-voerd. Dit artikel geeft een gedetailleerde beschrijving van dezeproeven en hun resultaten.Engels onderzoek naar invloed integratie in staalconstructieVoorgespannen kanaalplaten zijn zeer populair in Engeland. Hunaandeel in de vloerenmarkt van appertementengebouwenbedraagt ongeveer 55%. Ze worden onder meer gebruikt bij eenspeciale bouwmethode voor appartementgebouwen tot vijfverdiepingen. De draagconstructie bestaat hierbij uit een stalenskelet. De gebouwen worden aan de buitenzijde meestal afge-werkt met gevels in baksteenmetselwerk.Richtlijnen en onderzoekenVóór december 2004 was er voor gebouwen tot vijf verdiepin-gen geen verplichting om de vloerelementen te verbinden metde staalconstructie. Als gevolg van de catastrofale instortingenfoto:DycoreDwarskrachtbreuk kanaalplaten 72009 19van de torens in New York kwam er een duidelijke behoefte aanmeer robuustheid. De richtlijn `Approved Document A' [1]werd herzien in 2004. De voorschriften ervan sluiten nauw aanbij Eurocode 1 ­ deel 7 [2]. In Nederland werd door de StufibStudiecel in 2006 een gelijkaardig rapport `Constructievesamenhang van bouwconstructies' gepubliceerd [3].Deze documenten classificeren de gebouwen op basis van hungrootte en risicogehalte. Met de nieuwe richtlijnen is het echternog steeds niet nodig de vloeren te verbinden met hun opleg-constructie (of om een trekband te voorzien) voor gebouwen inklasse 2A (gebouwen met niet meer dan vier verdiepingen,onder andere hotels, kantoren, flatgebouwen). In Engeland ishet gebruikelijk voor gebouwen in klasse 2A, de vloerelemen-ten direct op de staalbalken op te leggen, zonder enige verbin-ding tussen de elementen en het frame.In Engeland werd in het verleden aangenomen dat kanaalplaat-vloeren een goede brandveiligheid bezitten. Specifiek onder-zoek in Denemarken [4] en in Nederland [5] naar de dwars-krachtsterkte van voorgespannen kanaalplaten bij brand, heeftechter twijfel gezaaid. Het bleek namelijk dat bij sommigekleinschalige gestandaardiseerde proeven op ovens in laborato-ria, de kanaalplaten vroegtijdig bezweken op dwarskracht. Ookin België werd een uitvoerige studie gewijd aan het fenomeen.In tegenstelling tot hiervoor vermelde onderzoeken, ging mener hier vanuit dat kanaalplaten op zichzelf onvoldoende weer-stand kunnen bieden tegen de geïnduceerde inwendige span-ningen tijdens een hevige brand, maar dat die sterkte wel wordtverkregen door de integratie van de elementen in een vloer. Deverbindingen tussen de kanaalplaten onderling en tussen dekanaalplaatvloer en oplegconstructie zorgen immers voorvoldoende compenserende spanningen. Hierdoor krijgt hetgeheel een goede dwarskrachtsterkte bij brand.Dit bracht de Engelse overheid tot de fundamentele vraag wathet werkelijke mechanisme van de in de Deense proeven vast-gestelde dwarskrachtbreuk bij kanaalplaatvloeren is. Aanvul-lend moest worden vastgesteld hoe de vloeren kunnen wordenontworpen, zodat breuk in de praktijk niet zal optreden; indienmogelijk zonder directe verbindingen met de oplegconstructie.De elementen worden immers verbonden door het vullen vande voegen tussen de platen onderling en de voegen met destaalbalken en de kolommen. Hierdoor wordt toch voordiafragmawerking gezorgd. De vraag kan echter worden gesteldof deze diafragmawerking voldoende is om voortijdige dwars-krachtbreuk te voorkomen die in kleinschalige standaardproe-ven werd vastgesteld.Om beide vragen te kunnen beantwoorden was er een duide-lijke behoefte aan grootschalige proeven, gebaseerd op dehuidige Britse praktijk voor klasse 2A gebouwen.Ontwerp van de proevenIn 2007 werden door het British Research Establishment tweegrootschalige brandproeven uitgevoerd op gebouwcomparti-menten die voldeden aan de normale bouwpraktijk, zoals infiguur 1 beschreven. De afmetingen voor de twee proevenwaren identiek alleen de detaillering was anders.AfmetingenDe binnenafmeting van de compartimenten was 7,02 x17,76 m, de binnenhoogte 3,6 m (fig. 3). De niet-beschermdekanaalplaten vormden het plafond. De elementen werden op-gelegd op staalbalken. De afmetingen van de vloer (gemetenvanuit de hartmaten van de balken) bedroegen 7,0 x 17,86 m.Bij elk compartiment was het frame opgevuld met 100 mmdikke betonblokken, die binnenin waren beschermd met eenbrandplaat van 15 mm. Er waren drie ventilatieopeningenvoorzien in de voorgevel, elk 2,2 m breed en 1,6 m hoog (foto2). De dragende staalconstructie was eveneens beschermd meteen 15 mm dikke brandplaat, die normaal voor 60 minutenir. Arnold Van Acker 1) 1 Illustratie van een veel gebruikt constructie-systeem voor appartementsgebouwen metkanaalplaatvloeren in Engeland1) De auteur was bij het onderzoek betrokken als raadsman en heeft de proevenbijgewoond. Het artikel is grotendeels gebaseerd op een publicatie van prof. Baileyen ingenieur Lennon [4].1a 1bDwarskrachtbreuk kanaalplaten72009202 Foto vooraanzicht proefcompartiment3 Planzicht proefcompartiment4 Geometrie van de kanaalplaten en positievan de voorspanstrengen5 Statische vloerbelasting van 4,5 kN/m² met60 grote zakken zand4,71 kN/m². Het eigengewicht van de kanaalplaten was 2,96kN/m², waardoor de totale belasting 7,67 kN/m² was. Hetbuigend moment op het ogenblik van de brand was 56,37 kNmper elementbreedte. Dit gaf een belastingsratio van 0,34 voor demomentcapaciteit en 0,26 voor de dwarskrachtcapaciteit.BrandbelastingDe natuurlijke brand werd bepaald volgens Annex A (parame-trische temperatuur-tijd curve) van BS EN 1992-1-2. Voor eenkantoorontwerp is in Engeland de vereiste brandbelasting570 MJ/m² (80% fractiel). De brandbelasting werd gerealiseerdmet 40 houtstapels (1 x 1 x 0,5 m) samengesteld uit 50 x 50 x1000 mm latten, evenredig verspreid over het compartiment(foto 6). De brandbelasting was gelijk aan 32,5 kg hout/m².Het was de bedoeling om de standaardbrandcurve zo dichtmogelijk te benaderen tot 60 minuten, om het constructiefgedrag te onderzoeken en de proefresultaten te kunnen verge-lijken met resultaten bij kleinschalige standaardbrandproevenin laboratoria. Om de gewenste tempertuur-tijdcurve tekrijgen, werden de ventilatievoorwaarden bepaald doorvolledige brandwerendheid moet zorgen. In totaal werden 15kanaalplaten geplaatst, 1200 mm breed en 200 mm dik (fig. 4).De kanaalplaten werden ontworpen volgens BS 8110-1 vooreen milieuklasse XC1 volgens BS 8500 en klasse 2 gebruikscri-teria. Ze waren gewapend met zeven strengen Ø12,5 mm. Vooreen brandveiligheid van 60 minuten was de betondekking opde strengen 25 mm (31,5 mm asafstand), in overeenstemmingmet BS 8110-2:1985.De gemiddelde kubusdruksterkte van de elementen was86 N/mm² na 28 dagen. De elementen werden in een binnen-ruimte opgeslagen en op het ogenblik van de proef bedroeg hetvochtgehalte 2,8% [m/m].DetailleringVoor wat betreft de verbinding met de opleggingen verschildende twee proeven. In de eerste proef werden de elementen directopgelegd op de dragende balken, de elementen waren uitgesne-den rond de kolommen. De voegen tussen de elementen en deopeningen rond de kolommen werden opgevuld met betonC25/30. In de tweede proef werd elk element verbonden met destaalbalken door middel van een T12-U-staaf rond een deuvelØ19 mm, gelast aan de staalbalken en verankerd in de plaat. Deopen sleuven in de kanaalplaten waarin de staven zaten, hetplaateinde, de voeg tussen de elementen en de opening tussende elementen en de kolommen, werden gevuld met beton.Statische belastingDe ontwerpbelasting is gegeven in tabel 1, samen met departiële veiligheidscoëfficiënten in de brandgrenstoestand.De belasting van 4,5 kN/m² werd gerealiseerd met 60 zakkenzand (elk met een gewicht van 1 ton) gelijkmatig verdeeld overde vloeroppervlakte (foto 5). Voor de gehele vloeroppervlaktevan 7,0 x 17,86 m gaf dit een praktische belasting vanthema32Dwarskrachtbreuk kanaalplaten 72009 21Figuur 9 toont de vergelijking tussen de gemeten luchttempera-turen voor proef 1 en proef 2, samen met de berekende parame-trische curve en de standaardbrandcurve. Men ziet dat demaximum gemiddelde luchttemperaturen gelijkaardig zijn in detwee proeven (1069 °C in proef 1 en 1047 °C in proef 2). Demaximumtemperatuur bij de beide proeven was hoger dan destandaardbrandcurve (tot 60 minuten) en strenger dan de para-metrische curve tijdens de opwarmingsfase. In proef 2 was detijdsduur tot aan de maximumtemperatuur langer en de tempe-ratuur tijdens de afkoelperiode groter dan in proef 1, met eengoede overeenkomst met de parametrische curve gedurendedeze fase. Het verschil in brandgedrag was waarschijnlijk tewijten aan de windomstandigheden op de dag van de proef.Proef 1 was vooraan in de open hal gelegen, met hevige wind-vlagen in het open dok recht tegenover de hal. Proef 2 was meerbinnen de hal gelegen, en beschermd door het compartimentvan proef 1. De windcondities waren daarom verschillend.Beide proeven behielden de volledige belasting tijdens de volle-dige brand en afkoeling. Foto 8 toont de binnenzijde van hetcompartiment na de eerste proef. Hoewel de kubusdruksterkteop 28 dagen 85,7 N/mm² was, is toch geen noemenswaardigoppervlaktespatten van het beton vastgesteld. Bij hogesterkte-beton (boven 60 N/mm²) kon dit wel worden verwacht. Ervond enkel wat plaatselijk afspatten plaats bij een van deelementen in proef 2, waarbij een streng lichtjes werd blootge-steld. Maar dit gebeurde over een beperkt oppervlak zonderinvloed op het constructieve gedrag van de vloer.middel van een iteratieve berekeningsmethode. Men vond datdrie openingen van 2,2 x 1,6 m in de voorgevel nodig waren(foto 2). Opgemerkt wordt dat deze openingen niet overeen-stemmen met de normale glasoppervlakte in moderne kanto-ren, die doorgaans veel groter is. Indien de ventilatieopenin-gen worden vergroot, wordt de brandduur echter korter en demaximumtemperatuur hoger. Dit is gunstig voor betonnenelementen en beschermde staalcomponenten vanwege de tijddie nodig is om de temperatuur in de elementen te doenstijgen. Men kan daarom concluderen dat de ontwerpbranddie in de proeven werd gebruikt, extreem zwaar is voormoderne constructies.Elke proef omvatte een uitgebreide instrumentatie om de atmo-sferische temperatuur te meten, de temperatuursverdeling in deelementen, de temperatuur van de beschermde staalbalken ende verticale en horizontale verplaatsingen.ProefresultatenBeide proeven werden uitgevoerd door het Building ResearchEstablishment in het laboratorium in Middlesborough in Enge-land. Proef 1 en proef 2 werden uitgevoerd op 23 maart 2007,respectievelijk 30 maart 2007. De kanaalplaten waren ietsouder dan 4 maanden (geproduceerd op 9 november 2006) enopgeslagen in een binnenruimte gedurende deze periode.Foto 7 toont proef 1 bij het maximum van de brand.belastingstypekarakteristiekebelastingveiligheidscoëfficiëntbrandgrensstoestandbelastingbrandgrens-toestandnuttige belasting 4,0 kN/m² 0,5 2,0 kN/m²tussenwanden 1,0 kN/m² 1 1,0 kN/m²diensten enafwerking1,0 kN/m² 1 1,5 kN/m²totaal 4,5 kN/m²Tabel 1 Toegepaste statische belasting45Dwarskrachtbreuk kanaalplaten7200922acht wordt genomen. Zodra de vooropgestelde brandduur isbereikt (60 minuten in dit geval), wordt de oven uitgeschakelden de belasting weggenomen. De buigsterkte van de vloer, bere-kend volgens BS EN 1992-1-2 voor een gemiddelde tempera-tuur van de strengen van 541 °C, is 45 kNm. Deze waarde ligtbeduidend lager dan het berekende optredend buigend momentvan 54,8 kNm. De berekening van het breukmoment van deelementen volgens EN 1992-1-2, suggereert dat de elementenzouden bezwijken door zuivere buiging, waardoor blijkt dat eenander belastingsoverdrachtsmechanisme opgetreden is.ConclusiesEen van de belangrijkste doelstellingen van de proeven wasom na te gaan of de beschermde staalconstructie voldoendeverhindering van de thermische uitzetting kan opleveren omeen mogelijke dwarskrachtbreuk te voorkomen. De metingenvan de resterende horizontale vervormingen van het gebouwin de beide proeven tonen aan dat de kolommen verder naarDe bescherming van de staalbalken is gedeeltelijk weggevallentijdens de proeven. Die van de wanden (betonblokken) op demeeste plaatsen.De doorbuiging in het midden van de overspanning bij proef 1was 161 mm bij de maximum temperatuur (1069 °C), 410 mmtijdens de afkoelingsfase en 264 mm op het einde van de afkoe-lingsfase. Voor proef 2 was de doorbuiging 174 mm bij dehoogste temperatuur (1047 °C), 369 mm tijdens de afkoelings-fase en 242 mm op het einde ervan. Er was dus geen noemens-waardig verschil tussen de beide proeven op gebied van door-buiging, ondanks de verschillende oplegcondities.De gemiddelde temperatuur van de strengen in het midden vande overspanning bij proef 1 was 343 °C bij de maximum gemid-delde luchttemperatuur (1069 °C). De maximumtemperatuur inde strengen (541 °C) trad ruim in de afkoelingsfase op, toen deluchttemperatuur nog 554 °C was. Het is belangrijk om tevermelden dat in de standaardbrandproef de afkoelfase niet inthema6Dwarskrachtbreuk kanaalplaten 72009 236 Houtstapels voor de brandbelasting7 Foto op het moment van de maximumbrand tijdens proef 18 Binnenzicht van het compartiment na de brand bij de eerste test9 Gemiddelde luchttemperatuur tijdens de proeven 1 en 2buiten werden geduwd dan de vloerelementen. Men kanhieruit concluderen dat het staalframe uiteindelijk geenverhindering van de thermische uitzetting van de vloerele-menten in langsrichting veroorzaakt heeft. De grote doorbui-ging van de kanaalplaten tijdens de brand heeft echter hunthermische uitzetting gecompenseerd of zelfs overtroffen. Ditkwam door de beperkte voorspanning en de kleine beton-dekking van slechts 25 mm op de strengen. Een belangrijkevaststelling is in elk geval dat er geen dwarskrachtbreuk isopgetreden tijdens de afkoeling, waardoor wordt aangetoonddat misschien een ander belastingsoverdrachtsmechanismeheeft plaatsgevonden.Een van de mogelijkheden zou de zijdelingse opsluiting van devloer aan de oplegzone kunnen zijn.Uit de proeven blijkt immers dat een zijdelingse verhinderingvan de thermische uitzetting van de elementen optrad terplaatse van de kolommen. Hierdoor ontstond een dwarsedrukstrook in de uiteinden van de elementen. Dit wordt trou-wens ook aangetoond door het scheurpatroon van de platenen de vervormingsmetingen. Deze hypothese wordt boven-dien gesteund door het lokaal verbrijzelen van beton inenkele hoeken van de randplaten. Mogelijk had de geïndu-ceerde drukstrook een positieve invloed op de verankeringvan de strengen, waardoor de buigbelasting gedeeltelijk doorkabelwerking van de strengen werd opgenomen. Bovendienheeft de drukstrook het slippen van de strengen waarschijn-lijk beperkt en daardoor de dwarskrachtsterkte van deelementen vergroot. Vooraleer deze aanname in een praktischontwerp te kunnen gebruiken, is echter verder onderzoeknodig voornamelijk op gebied van computermodellering.De proeven tonen aan dat de kleinschalige standaardbrand-proef, die wordt gebruikt om de brandsterkte te bepalen, zeeronrealistisch kan zijn en geen rekening houdt met de voorde-lige effecten van het gedrag van het gehele gebouw. De hiervoorbeschreven proefresultaten versterken de ervaring bij werke-lijke branden, dat kanaalplaatvloeren een goede inherente alge-mene brandsterkte hebben. )020040060080010001200proef 10 50 100 150 200proef 2omgevingstemperatuur(°C)tijd (min.)I literAtuur1 Approved Document A. The Building Regulations 2004edition ­ The Stationary Office Limited, London2 Eurocode EN 1991-1-73 Constructieve samenhang van bouwconstructies -Stufib Studiecel 20064 Bailey C.G. en Lennon, T., Full-scale fire tests on hollow-core floors. The Structural Engineer, 18 March 20085 Fellinger, J., Shear and anchorage behaviour of fireexposed hollow core slabs789