Opgewarmd of uitgekookt8201470Opgewarmd ofuitgekookt?1Beschouwing over het effect van brand op betonnen vloerenmet ingesloten holle ruimtenGewichtsbesparing in vloeren krijgt de laatste jarenweer veel aandacht. Anders dan de ribben- encassettenvloeren van enige decennia terug, gaat hetnu om vloeren waarin gewichtsbesparende elemen-ten worden ingestort. Het gedrag van dergelijkevloeren onder brandomstandigheden vergt speci-fieke aandacht. Op dit punt is sprake van een geble-ken kennishiaat. De auteurs belichten in dit artikeleen aantal aspecten die bij brand in beton ingeslo-ten holle ruimten aandacht vragen.Opgewarmd of uitgekookt 82014 71De voordelen van het insluiten van holle ruimten in beton (hetbesparen van materiaal en gewicht) zijn duidelijk. De invloedvan ingesloten ruimten op het (lokale) gedrag van de betoncon-structie bij kamertemperatuur is eveneens voldoende duidelijk.Richtlijnen hoe hiermee om te gaan worden dan ook gegevenin de betonvoorschriften. Voor brandomstandigheden is dit,mede doordat er op dit gebied weinig onderzoek is verricht,niet afdoende geregeld.Dat aandacht voor het gedrag bij brand nodig is wanneer inbeton holle ruimten worden ingesloten, bleek tijdens het certifi-catieproces van betonnen vloersystemen met kunststof gewichts-besparende elementen. Samen met berichten over het plotselingexplosief ontstaan van schade bij brandproeven op vloeren metEPS gewichtbesparende elementen (o.a. in Itali? [1]), leidde ditertoe dat de VROM-Inspectie3onderzoek heeft ge?nitieerd naarhet gedrag van betonnen vloersystemen met EPS gewichtbespa-rende elementen [2]. Het is echter niet alleen dit type vloeren datbij brand specifieke aandacht vraagt. In het algemeen kanworden gesteld dat het insluiten van (holle) ruimten in betonbetekent dat constructeurs en producenten moeten nadenkenover het effect daarvan op het gedrag bij brand.Bij gebrek aan breed, diepgaand onderzoek is dit een beschou-wend artikel om belanghebbenden op de problematiek tewijzen. Helaas worden geen panklare oplossingen aangedragen,ook niet voor alle mogelijke variaties die momenteel al wordenaangeboden en toegepast.Vier fysische aspectenDe hoge temperaturen bij brand hebben een negatieve invloedop de materiaaleigenschappen. Dat is bekend en er zijn regelsvoor opgenomen in de betonvoorschriften. Daarnaast zijn erten minste vier fysische aspecten die een rol spelen bij debeoordeling van vloeren met ingesloten holle ruimten onderbrandomstandigheden. Dat zijn: 1. temperatuurverloop over dedoorsnede, 2. thermische isolatie van het beton, 3. de algemenegaswet en 4. toename van de hoeveelheid gas. Deze aspectenworden hier eerst kort in algemene zin toegelicht. Daarnawordt belicht hoe ze zichtbaar zijn in diverse brandproeven enworden enkele richtingen aangegeven hoe op een constructiefverantwoorde wijze hiermee om te gaan.Overeenkomst van de vier fysische aspecten is het effect ervandat er (lokale) spanningen in het beton ontstaan. Die komensteeds bovenop de al in de betonconstructie aanwezige span-ningen als gevolg van de reguliere (mechanische) belastingen.1. Temperatuurverloop over de doorsnedeBij brand wordt de vloer vanaf de onderzijde verhit. Dit geefteen temperatuurverloop over de doorsnede. De onderzijdewarmt meer op dan de dieper naar binnen gelegen delen en debovenzijde. Het warmer wordende beton zet uit, waarbij deonderschil meer uitzet dan de dammen tussen de holle ruimtenen de bovenschil.Bij een lineair temperatuurverloop en een rondom volledig vrijopgelegd vloerveld, zal de vloer krommen zonder dat hierdoorspanningen in het beton ontstaan. Het temperatuurverloop overde doorsnede is echter niet lineair en in de praktijk zijn vloerenniet volledig vrij opgelegd. Dit betekent dat de vervorming wordtverhinderd en er thermische spanningen in het beton ontstaan.Het uitzetten van de onderschil wordt (gedeeltelijk) verhinderddoor het beton erboven. In een massieve vloer leidt dit voorna-melijk tot drukspanningen onder- en bovenin en trekspanningenin het middengebied van de doorsnede.Holle ruimten in het beton verstoren dit spanningsbeeld echter.Wanneer de dammen tussen de holle ruimten relatief smal enslank zijn, moet ook rekening worden gehouden met afschui-ving en lokale buiging in de dammen en de onderschil.2. Thermische isolatieDe overgang van beton naar lucht in de holle ruimte in hetbeton belemmert de warmtestroom door het beton. Bij brandir. Sven MulderBartels Ingenieurs voor Bouw en Infra 1)ir. Jan KraakRijksvastgoedbedrijf 1) 2)1 Brand bij de TU Delft in 20081) De auteurs hebben bij het schrijven van dit artikel dankbaar gebruikgemaakt vande kennis van ing. P.G.R. Scholten (Efectis), die als onderzoeker betrokken isgeweest bij het ori?nterend onderzoek naar het brandgedrag van betonnen vloer-systemen met EPS gewichtbesparende elementen [1].2) Het Rijksvastgoedbedrijf is een uitvoeringsdienst van het Rijk die op 1 juli 2014 isontstaan uit een fusie van vier vastgoeddiensten: de Dienst Vastgoed Defensie, deRijksgebouwendienst, het Rijksvastgoed- en ontwikkelingsbedrijf en de directieRijksvastgoed.3) Is inmiddels opgegaan in Inspectie Leefomgeving en Transport.Holle ruimteDe ingesloten holle ruimte wordt gedefinieerd als: een ruimtemet twee of drie dimensies in dezelfde orde van grootte als dekleinste dimensie van het element waar de sparing in zit (indica-tieve verhouding 0,4-4), waarbij de ruimte al dan niet is gevuldmet een ander materiaal. De ingesloten holle ruimte wordt aande door brand belaste zijde begrensd door een schil met eenschildikte in de orde van 50-150 mm. Deze kwalitatieve definitievoor de ingesloten holle ruimte is gebaseerd op in de praktijkvoorkomende situaties en passend bij de effecten die in ditartikel worden beschreven.Opgewarmd of uitgekookt8201472sche vorm veranderen. Dit betekent dat ze van de vastestoffasedie ze bij kamertemperatuur hebben, overgaan naar de vloei-bare of gasfase. Dat laatste gebeurt bij het kookpunt of hetontledingspunt, als het materiaal (chemisch) uiteenvalt.Wanneer we er nog steeds van uitgaan dat de holle ruimteluchtdicht is dan is n (de hoeveelheid gas) in de algemenegaswet niet meer constant. De druk neemt niet langer uitslui-tend evenredig met de temperatuur toe, maar ook met detoenemende hoeveelheid gasmoleculen. Het effect op hetomringende beton is in principe gelijk als hierboven beschre-ven. De druktoename kan echter aanzienlijk groter zijn.warmt daardoor de onderschil van de vloer onder de holleruimten meer op dan ter plaatse van de massieve gedeelten.Ook wanneer de holle ruimte is gevuld met een isolatiemateri-aal zoals EPS, is dit effect aanwezig.Door de hogere temperatuur zet het beton in de onderschilonder de holle ruimte meer uit dan het omringende beton. Hetkoelere beton ter plaatse van de dammen hindert dit uitzetten.Dit leidt tot extra drukspanningen in het beton onder de holleruimten en compenserende trekspanningen in het beton van deonderschil ter plaatse van de dammen.3. Algemene gaswetDe lucht in de holle ruimte is bij benadering te beschouwen alseen ideaal gas. Als we (in eerste instantie) aannemen dat deholle ruimte in het beton luchtdicht is omsloten dan volgt uitde algemene gaswet (zie kader Algemene gaswet) dat de drukin de holle ruimte stijgt onder brandomstandigheden. Hetverband tussen druk en temperatuur is immers recht evenre-dig.De verhoogde druk werkt als belasting op de omhullendebetonconstructie, wat leidt tot spanningen in het beton. Hethangt af van de geometrie van de holle ruimte of er alleentrekspanningen ontstaan of dat er ook rekening moet wordengehouden met afschuiving en buiging. Dit wordt verderop inhet artikel nader bezien.4. Toename van de hoeveelheid gasIn de ingesloten holle ruimten in het beton is vaak niet alleenlucht aanwezig. Er worden elementen in de vloer opgenomenom de holle ruimte te krijgen bij het storten van vloeibaarbeton. Deze elementen zijn meestal van kunststof, al dan nietin de vorm van een isolatiemateriaal. Bij brand kan de tempera-tuur in de holle ruimte zo ver oplopen dat deze stoffen van fysi-Algemene gaswetDe algemene gaswet, ook wel de ideale gaswet of wet van Boyleen Gay-Lussac genoemd, beschrijft het gedrag van ideale gassenonder invloed van druk, volume, temperatuur en aantal deeltjes.De wet luidt:pV = nRTDaarin is:p de druk in Pa (N/m2)V het volume in m3n de hoeveelheid gas in mol (= aantal moleculen gedeeld doorde constante van Avogadro)R de gasconstante (8,314472 J K-1mol-1)T de absolute temperatuur in KBron: Wikipedia2Opgewarmd of uitgekookt 82014 731e proef leverancier 1, 03-07-092e proef leverancier 1 op zelfde proefstuk, 06-07-09proef leverancier 2, 16-07-09ideaal gas (ook geverifieerd in opstelling op 16-7-09)lekkageventiellekkagelasnaadboxtemperatuurstijging [K]druk[bar]8765432100 50 100 150 200 250tijd [min]0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20druk[bar]10,80,60,40,20-0,2-0,42 Stalen doos met EPS in de oven [2]3 Drukopbouw versus temperatuurstijging tijdens de proeven [2]4 Drukopbouw in de ruimte met EPS [2]5 Proefstukken tijdens fabricage [2]De fysische aspecten aan het werkHoeveelheid gas in een ingesloten ruimteBij een aan brand blootgestelde betonvloer spelen alle aspectengelijktijdig. Alleen wanneer een brandproef er specifiek voorwordt ontworpen, is het mogelijk een van de fysische aspectenop zichzelf te onderzoeken. Voor het aspect toenemen van dehoeveelheid gas, is dat in het onderzoek voor de VROM-Inspectie [2] gedaan. Dit omdat over de drukopbouw doorontledingsproducten van EPS weinig bekend is4.Hiertoe zijn verhittingsproeven uitgevoerd op EPS monstersgeplaatst in een volkomen gesloten stalen box, waarbij tempe-ratuur en druk continu zijn gemeten. De proeven zijn uitge-voerd met een opwarmsnelheid die ongeveer overeenkomt metEr is daarnaast nog een ander proces bij brand waardoor dehoeveelheid gasmoleculen in de holle ruimte toeneemt. Ditbetreft het water in het beton, dat door de warmte van de brandovergaat in waterdamp en vanuit de pori?n naar buiten en naarde ingesloten holle ruimten wordt geperst. Omdat er altijdwater in beton aanwezig is, betekent dit dat er steeds rekeningmoet worden gehouden met een druktoename in de holleruimten die meer is dan alleen evenredig met de temperatuur-stijging.Opgemerkt wordt dat de drukopbouw in de pori?n van hetbeton tijdens verhitting een orde groter is dan de drukopbouwin de holle ruimte. Daardoor zal er een stroming van watermo-leculen zijn vanuit de betonnen onderschil naar de holle ruimtetoe. Tegelijkertijd kunnen in de onderschil of in de bovenschilthermische scheuren ontstaan, die doorgaans haaks op hetverhitte oppervlak staan en waardoor gassen uit de holle ruimtekunnen ontsnappen.4) Door gebrek aan zuurstof in de holle ruimten zal het EPS niet verbranden maarhoofdzakelijk chemisch uiteenvallen.543Opgewarmd of uitgekookt8201474tijd [min]temperatuur[?C]0 2 4 6 8 10 12 14 16 18200180160140120100806040200T1T2T3T4T5T6T7T8de opwarmsnelheid zoals die in een betonconstructie zaloptreden (foto 2). Bij temperatuurstijgingen rond 200 ?C zijndrukken van 6 ? 7 bar gemeten (fig. 3). In de voor construc-teurs gebruikelijke eenheid is dit 600 ? 700 kN/m2, wat alsopgelegde belasting werkt op de omhullende constructie (indeze proeven de stalen box).Wanneer alleen lucht in de stalen box zou zijn opgesloten, zoude druktoename ? volgens de algemene gaswet ? bij dezetemperatuur ongeveer 0,6 bar zijn. Het overgrote deel van dedruktoename is daarom toe te schrijven aan de toename van dehoeveelheid gasmoleculen door ontleding van het EPS.Het tweede deel van het ori?nterend onderzoek [2] bestond uitverhittingsproeven op betonnen vloerelementen met EPSvullingen. Hierbij zijn proefstukken van circa 1,5 m ? 2,0 m(lengte en breedte) met daarin steeds ??n EPS vulling (foto 5),aan de onderzijde blootgesteld aan verhitting volgens de stan-daardbrandkromme [3]. De temperatuur en de druk in de metEPS gevulde holle ruimten zijn gedurende deze proevengemeten. Opvallend is dat in geen van de proeven een druk inde met EPS gevulde holle ruimte is gemeten (fig. 4), die werdverwacht op basis van de eerdere proeven op stalen boxen metvolledig opgesloten EPS.De gemeten temperaturen suggereren vooral invloed van in hetbeton aanwezig water. In alle proeven is namelijk in meer ofmindere mate een temperatuurplateau rond 100 ?C zichtbaar(fig. 6). Dit kan worden verklaard door het water in de onder-schil. Dat wordt eerst tot het kookpunt verhit waarna de toege-voerde warmte wordt gebruikt voor de overgang naar water-damp, waarbij de dampdruk toeneemt en de temperatuur ? alsin een snelkookpan ? net iets boven de 100 ?C blijft. Over dehoogte van de doorsnede is de druk van de waterdamp hethoogste daar waar het water net aan de kook raakt. Deverhoogde waterdampdruk stuwt het water (en gedeeltelijk ookde waterdamp) in het beton naar boven naar de ingeslotenholle ruimten. Hier ontstaat derhalve een verhoogde druk doorwaterdamp. Op het moment dat de drukken het grootst zijn, isde temperatuur in de holle ruimte iets hoger dan 100 ?C.Meer testresultatenDe gemeten drukken in de holle ruimten blijken niet overeente komen met het verwachte drukverloop op basis van deeerdere proeven op in staal ingesloten EPS. Het drukverloopblijkt wel ? opmerkelijk goed zelfs ? overeen te komen met deverwachte waterdampdruk, indien de gemeten temperatuurvolgens de theorie van de saturatiedampdruk als kookpuntwordt verondersteld. Zowel in tijdstip, stijgsnelheid, maximalewaarde en daalsnelheid sluit de berekende waterdampdruknauwkeurig aan bij het gemeten drukverloop.Opvallend is verder dat de druk in de ingesloten holle ruimtenin alle gevallen geleidelijk afneemt na het bereiken van demaximale waarde. Dat duidt op lekkage. De holle ruimte is inde brandsituatie dus niet (meer) volledig afgesloten. Eenaannemelijke verklaring voor deze lekkage is het ontstaan vanscheuren in de onderschil, mede onder invloed van de over-druk. Daardoor kunnen de ingesloten lucht, waterdamp enontledingsproducten van het EPS ontsnappen. De continueaanvoer van water vanuit het beton van de onderschil leidt erhierbij toe dat de drukopbouw in de holle ruimte wordt gedo-mineerd door de saturatiedampdruk van water.Het lekken verklaart ook waarom er geen overeenstemming ismet het drukverloop in de proeven met EPS in de geslotenstalen box. Daaruit kon het door ontleding van het EPSontstane gas immers niet ontsnappen en liep de druk exponen-tieel op, zoals is te zien in figuur 3. Het beton is echter niethermetisch gesloten. Bovendien neemt door waterdamp de67Opgewarmd of uitgekookt 82014 75trek trektrekdrukdrukdruk6 Gemeten temperaturen in het proefstuk met eentemperatuurplateau rond 100 ?C [2]7 Explosief uitbreken van delen van vloer- (en gevel)elementen met ingesloten polystyreen [1]8 Mogelijk effect van brand op de betonschil onder eenholle ruimteoverdruk in de ingesloten holle ruimten toe met circa 0,8 barofwel 80 kN/m2, bij een temperatuur iets boven de 100 ?C.Mede daardoor ? andere aspecten spelen ongetwijfeld ook eenrol ? ontstaan scheuren in de onderschil voordat de tempera-tuur in de holle ruimten zo hoog oploopt dat het EPS volledigontleedt.Samenvattend duiden de in [2] gerapporteerde proeven eropdat de druk in ingesloten holle ruimten in beton wordt bepaalddoor het in het beton (van de onderschil) aanwezige water. Deontleding van EPS door brand heeft geen significante invloedop de drukopbouw in de holle ruimte, omdat de gasvormigeproducten die bij het ontleden ontstaan door scheurenontsnappen.Het kan ook explosief verlopenHet explosief uitbreken van delen van vloer- (en gevel)elemen-ten met ingesloten polystyreen (foto 7) is in Itali? eerder redengeweest voor onderzoek [1]. In dit Italiaanse onderzoek wordtniet ingegaan op de vraag of polystyreen drukopbouw veroor-zaakt, maar worden vloeren met ingesloten polystyreen verge-leken met wel of geen perforaties (ontluchtingsopeningen) inde onderschil. De conclusie die wordt getrokken, is dat vloerenmet ingesloten polystyreen explosief bezwijken vertonen, tenzijperforaties in de onderschil zijn aangebracht.Deze conclusie heeft in Itali? zijn weg gevonden naar de voor-schriften. Het Italiaans voorschrift UNI 9502 [4] stelt namelijk:"in het geval van toepassing van elementen waarin materialenzijn verwerkt die bij hoge temperaturen overgaan in de gasfase,dienen voldoende ventilatieopeningen te worden toegepast inde richting van de aan brand blootgestelde zijde, teneindeexplosief bezwijken te voorkomen".Het onderzoek van Efectis [2] weerlegt de effectiviteit van(alleen) deze maatregel gedeeltelijk. Bij deze brandproeven opvloerdelen met ingestorte EPS blokken is in de helft van degevallen met een harde dreun een gat in de onderschilontstaan5. In deze proeven loopt de overdruk in de eersteminuten op, waarna de druk in de holle ruimte weer afneemt.Het gat springt, net als in [1], binnen circa 20 minuten in deonderschil. Dit gebeurt bij een overdruk van minder dan 1 bar,terwijl de druk alweer aan het dalen is. Er zijn dan al scheurenin de onderschil ontstaan zodat gassen uit de holle ruimtekunnen ontsnappen. We leiden hieruit af dat drukopbouw inde holle ruimte wel van invloed kan zijn, maar niet de enigeoorzaak is voor het uitbreken van de betonschil onder de holleruimte.Thermische isolatie van het betonIn [2] zijn tijdens de proeven op de betonnen elementen op eenaantal punten in de proefstukken ook temperaturen in hetbeton gemeten (met ingestorte thermokoppels). Uit dezemetingen valt op te maken dat de temperatuur van de onder-schil onder de (met EPS gevulde) holle ruimten hoger oplooptdan ter plaatse van de massieve dammen (vergelijk in fig. 6thermokoppels 2 en 6 met thermokoppels 1 en 5). Hoewel hetniet het hoofdonderwerp van dit onderzoek vormde, wijst heter wel op dat de EPS blokken (en later het gas) in de holleruimten een thermisch isolerende werking hebben bij brand.Verdere overwegingenVoor een verdere beschouwing van de afzonderlijke fysischeaspecten en hun effecten, ontbreekt het helaas aan voldoendedaarop gerichte onderzoeken. De brandproeven van [1], [2],[5] en [7] geven niettemin aanleiding tot enige aanvullendebespiegelingen over vloeren met ingesloten holle ruimten.Lokale schade aan de onderschilHet ontstaan van gaten in de onderschil terwijl de druk doorlekkages al afneemt, betekent dat drukopbouw in de holle ruimteniet de enige oorzaak is voor het uitbreken van de betonschilonder de holle ruimte. Thermische spanningen spelen waar-schijnlijk ook een rol. Door zowel het temperatuurverloop overde doorsnede als de isolerende werking van het EPS en het gas inde holle ruimte, komt dit deel van de onderschil in zijn vlakonder druk te staan. Zeker wanneer er slechts beperkte (of geen)initi?le trekspanningen aanwezig zijn. Hoewel uitknikken nietvoor de hand lijkt te liggen als mechanisme voor het uitbreken5) Een aantal elementen is uitgevoerd met kleine sparingen in de EPS blokken,waardoor betonnen pilaren een koppeling vormen tussen boven- en onderschil.Hier treedt het omschreven schadebeeld niet op.8Opgewarmd of uitgekookt8201476trek trek9 Mogelijk effect van brand op een vloer met (te) veel holle ruimten10 Ingesloten ruimten met verschillende geometrie met daarbij aangegevenindicatief de gevolgen van de isolerende werking en drukopbouw als gevolgvan temperatuurverhogingvan de onderschil (vanwege de mate van gedrongenheid van deonderschil onder de EPS blokken), kan dat niet worden uitgeslo-ten. De overdruk in de holle ruimte zet namelijk aan tot knikkengezien de onderschil hierdoor op lokale buiging wordt belast enin een knikvorm wordt geduwd (fig. 8). Tegelijkertijd neemtdoor de reductie van de sterkte van het beton de weerstand tegenuitknikken van de onderschil af, onder invloed van de toene-mende temperatuur die juist in deze delen extra hoog is. Het isechter ook mogelijk dat door de afnemende druksterkte hetbeton verbrijzelt onder de drukspanning voordat het knikme-chanisme in werking treedt.Ten slotte kan hierin meespelen dat de uitbrekende onderschilwellicht al iets is verzwakt door eventueel afspatten van stukjesbeton. Een aspect dat in dit artikel verder niet wordt belicht,omdat (vooralsnog) wordt aangenomen dat het spatgedrag vanbeton onafhankelijk is van de aanwezigheid van de ingeslotenholle ruimten in beton. Deze stelling wordt ondersteund door[5]. Bij brandproeven6is namelijk wel afspatten van betonwaargenomen, maar deze afspatting is hier gelijkmatig verdeeldover het oppervlak. Dit is spatgedrag dat bij alle betonconstruc-ties kan worden waargenomen (geen onderwerp in dit artikel),waarbij geen duidelijke invloed van de ingesloten holle ruimtewaarneembaar is.Horizontaal doorscheuren van de vloerDe overdruk in de holle ruimten werkt alzijdig. Dit betekentdat het beton van de dammen tussen de holle ruimten in verti-cale richting op trek wordt belast, zie het linker deel vanfiguur 9. De grootte van de zuivere trekspanningen ? er ont-staat onder bepaalde omstandigheden mogelijk ook lokalebuiging in de dammen ? is afhankelijk van (1) de verhoudingtussen het oppervlak van de holle ruimten en het oppervlakvan het beton in de maatgevende horizontale doorsnede doorde vloer en (2) de maximale overdruk die bij brand in de holleruimten optreedt.Als er geen of onvoldoende verticale wapening in de dammenaanwezig is om de trekspanningen van het beton over tenemen, kan de vloer in elk geval in theorie horizontaal door-scheuren (rechter deel fig. 9). Dit is echter niet experimenteelonderzocht.Beperken drukopbouw in de holle ruimteHet betrouwbaar berekenen van de gecombineerde lokaleeffecten op het beton is een complexe opgave. Wanneer deverschillende aspecten worden onderkend, is er echter ook opeen andere manier mee om te gaan. Zo zijn de effecten tengevolge van de aspecten `algemene gaswet' en `toename van dehoeveelheid gas' te beperken, door ervoor te zorgen dat zichgeen hoge overdruk in de holle ruimten kan opbouwen. Enigeoverdruk zal daar altijd optreden, alleen al vanwege de water-damp die de vloer wordt ingedreven door het wegens de brandkokende water in het beton. De drukopbouw kan echter rede-lijk eenvoudig worden beperkt door het gas een (gecontro-leerde) uitweg te bieden, bijvoorbeeld met permanenteontluchtingsgaatjes. Ook kan worden gedacht aan het instortenvan (esthetisch vormgegeven) overdrukventielen of aan het bijbrand laten ontstaan van ontluchtingsopeningen.Geometrie van de holle ruimteIn de verschillende onderzoeken krijgt de geometrie van deingesloten holle ruimten en het beton daaromheen geen speci-fieke aandacht. Dat lijkt niet terecht. De geometrie heeft name-lijk invloed op het temperatuurverloop in het beton, de druk-opbouw in de holle ruimte, de mechanische respons van hetbeton op de thermische belasting en overdruk in de holleruimten. Aan de hand van vier verschillende holle ruimten infiguur 10 belichten we dit kort.Bij brand wordt het beton van de vloer van onderaf opge-warmd. Hierdoor ontstaat een temperatuurverloop over dehoogte van de vloer. De holle ruimten werken, zoals eerderaangegeven, isolerend. De temperatuur in de onderschil looptdaardoor sneller op. Dit effect zal sterker zijn bij de rechthoek(fig. 10a) en de op zijn basis staande driehoek (fig 10b) dan bijde cirkel (fig 10c) en de op zijn top staande driehoek (fig 10d).De holle ruimte isoleert bij de eerste twee vormen namelijk een6) Deze proeven zijn in het bijzonder uitgevoerd om het verband tussen de aanwe-zigheid van kunststof bollen en het spatgedrag van het beton aan de onder- enbovenzijde van de elementen na te gaan.9Opgewarmd of uitgekookt 82014 77groter deel van de onderschil met als gevolg dat minder warmterechtstreeks kan worden afgegeven aan beton hoger in de vloer.Ervan uitgaande dat het in het beton verdampende water over-heerst in de toename van de druk in de holle ruimten, lijken derechthoek en de op zijn basis staande driehoek ook hier in hetnadeel te zijn. Omdat er een groter oppervlak grenst aan hetwarme beton, kan daaruit makkelijker water(damp) uit hetbeton in de holle ruimte terechtkomen. Hierdoor zal de drukdaarin sneller oplopen, tot de evenwichtsdruk behorende bijhet kokende water.Door het temperatuurverloop ontstaan drukspanningen in deonder- en bovenschil en trekspanningen in het midden van debetondoorsnede. Deze nemen toe naarmate de temperatuur-verschillen in het beton groter zijn. Dus de cirkel en de op zijntop staande driehoek zijn gunstiger dan de rechthoek en de opzijn basis staande driehoek.De overdruk geeft bij de cirkel ? net als bij een gascilinder ?tangenti?le normaaltrekspanningen in een trekband om deholle ruimte. De andere vormen zijn ongunstiger, want daarbijontstaan ook buigspanningen in het beton rondom de holleruimte. In figuur 8 is dat voor de rechthoekige doorsnedegeschetst. In combinatie met de drukspanningen ten gevolgevan het temperatuurverloop en het afnemen van de betons-terkte bij hoge temperaturen, zijn de rechthoek en de op zijnbasis staande driehoek wederom de ongunstigste vormen.Meer op detailniveau speelt bij de invloed van geometrie ookde scherpte van de hoeken van de holle ruimte een rol. Wanthoe scherper de hoek van een uitsparing in het materiaal is,hoe hoger de spanningspiek die daar ontstaat. Dit is onderbrandomstandigheden niet anders dan bij kamertemperatuur.In het rijtje geometrische invloeden mag de grootte van deholle ruimte in relatie tot de dikte van het beton onder, bovenen tussen de holle ruimten niet ontbreken. Na al het boven-staande zal duidelijk zijn dat dit van belang is bij de beoorde-ling van de effecten van brand op een vloer met daarin opge-sloten holle ruimten. Voor de dikte van de direct aan brandblootgestelde onderschil geeft [2] hier enige empirische onder-bouwing, want daarin is geconstateerd dat proefstukken metdunne onderschillen eerder lokaal bezwijken dan proefstukkenmet dikkere betonschillen.Snellere opwarming van het beton en de wapeningToetsing van de buitengewone belastingcombinatie bij brandvolgens de betonvoorschriften, is in essentie een beoordelingvan de staaltemperatuur van onderwapening in het vloerveld.De aanwezige trekspanning in deze wapening ? ten gevolge vanhet buigende moment (na herverdeling) onder de voorgeschre-ven blijvende en opgelegde belastingen ? bepaalt wat dekritieke temperatuur van het staal is. Wordt deze temperatuuroverschreden dan ontstaat een mechanisme en zal de vloerbezwijken.De aanwezigheid van holle ruimten in het beton be?nvloedt hettemperatuurverloop in de vloer en dus ook de staaltemperatu-ren. Dit betekent dat de nodige voorzichtigheid en aanpassingis geboden bij het gebruiken van de reken- en detailleringsre-gels van de betonvoorschriften. De vigerende betonvoorschrif-ten zijn namelijk gebaseerd op het temperatuurverloop inmassieve doorsneden en daardoor niet zomaar toepasbaar voorde beoordeling van de brandwerendheid van een vloer metingesloten holle ruimten. Daarbij moet een fundamenteelonderscheid worden gemaakt tussen de situatie waarin debetondoorsnede intact blijft en situaties waarin de betonschilonder de holle ruimten uitbreekt.10spanningspieken in de hoeken geen buiging, enkel normaalkrachtgrotere opwarming door isolerendewerking holle ruimtegeringe invloed holle ruimteop opwarming betonT++-schil T++-schil T+-schil T--schilOpgewarmd of uitgekookt8201478Blijft de betondoorsnede intact dan moet er vanwege de isole-rende werking van de holle ruimten rekening worden gehou-den met de versnelde opwarming van het beton aan de onder-zijde van de vloer. Dit effect is het grootst direct onder de holleruimten, maar het beton ter plaatse van de dammen wordt ooksneller warm dan in een massieve vloer. Er gaat namelijk ookhorizontaal warmte stromen van het warmere beton onder deholle ruimte naar het beton ter plaatse van de dammen. Bijgelijke betondekking en staalspanning zal de onderwapening ineen vloer met holle ruimten daarom eerder de kritieke tempe-ratuur bereiken dan in een massieve betonvloer. Het kan omdie reden nodig zijn grotere betondekkingen toe te passen omde vereiste brandwerendheid te behalen.Breekt de betonschil onder de holle ruimten uit dan moet meteen aantal zaken rekening worden gehouden. Ten eerste moetde bovenschil voldoende dik zijn om bij directe verhitting doorbrand te voldoen aan de criteria voor branddoorslag (E) enisolatie (I). Ten tweede moet de bovenwapening in de beton-schil boven de holle ruimte ook voldoende dekking hebben terplaatse van de holle ruimten. Zeker daar waar de bovenwape-ning nodig is voor het opnemen van de (herverdeelde) steun-puntmomenten. Ten derde wordt de onder de holle ruimtenaanwezige veldwapening rechtstreeks door de brand verhit. Dieverliest zeer snel zijn sterkte en zal niet meer bijdragen aan dedraagkracht van de vloer. Ten slotte worden de dammen numeerzijdig door de temperatuur belast. Het beton van dedammen en de daarin aanwezige onderwapening zal met eensnelheid opwarmen die overeenkomt met de opwarming vaneen betonnen balkje.Van een andere orde, maar wel iets om rekening mee tehouden, is het psychologische effect van het (met knallen)uitbreken van stukken beton uit de vloer. Ook al is aangetoonddat de vloerconstructie als geheel niet zal bezwijken en deProducent of constructeur?De auteurs hebben een interessant, beschouwend artikel geschre-ven over het gedrag van vloeren met ingesloten holle ruimten bijbrand. Diverse aspecten die bij brand een rol kunnen spelen, zijnbeschreven. De auteurs wijzen erop dat veel van de aandachtspun-ten nog niet volledig zijn onderzocht en uitgewerkt. Er wordtgesteld dat constructeurs en producenten moeten nadenken overhet gedrag van dergelijke vloeren bij brand en er wordt een aantalaanbevelingen gedaan.Naar aanleiding van het artikel rees bij de redactie de vraag inhoeverre de constructeur iets met de geschetste problematiekkan of moet doen en wat de producenten van dergelijke vloersys-temen al hebben gedaan. Daartoe is contact gezocht met bij deredactie bekende producenten van dergelijke vloersystemen.Alvorens in te gaan op de reacties van die producenten op hetartikel dat hen voor publicatie is voorgelegd, eerst het volgende:volgens de redactie kan onderscheid worden gemaakt tussenvloersystemen met ingesloten holle ruimten en vloeren metingesloten holle ruimten.In het laatste geval (vloeren) heeft de constructeur zelf bedachtom beton uit te sparen door het toepassen van een betonvervan-gend materiaal. Daarbij zal de constructeur zich rekenschapmoeten geven van de aspecten die in het artikel naar voren zijngebracht en goed moeten nadenken wat dit voor zijn bedachtevloerconstructie betekent. Om aan te tonen dat dergelijke vloerenaan de vereisten voldoen, kan het gewenst zijn experimenten uitte voeren met betrekking tot het aspect brand, zoals dat ook bijde vloersystemen gebeurt. Een rekenkundige onderbouwing kanimmers complex zijn, maar behoort wel tot de mogelijkheden.We spreken van vloersystemen indien een producent een vastomschreven systeem op de markt brengt dat is onderzocht opallerlei aspecten, waaronder het gedrag bij brand. In dat gevalheeft de producent veelal de besproken aspecten onderkend,onderzoek uitgevoerd en maatregelen genomen, dan wel hetsysteem zodanig gekozen dat aan de eisen met betrekking totgedrag bij brand wordt voldaan.Hoewel het naar de mening van de redactie goed is als ook in ditgeval de constructeur op de hoogte is van de verschillende zakendie een rol kunnen spelen, mag hij erop vertrouwen dat hetproduct met betrekking tot brandwerendheid voldoet.Een aantal producenten heeft vooraf inhoudelijk op het artikelgereageerd en aangegeven de problematiek zoals die in het artikelis beschreven, te onderkennen. Iedere producent heeft op zijnmanier de problematiek aangepakt, waarbij gebruikt is gemaaktvan beschouwingen, (numerieke) berekeningen en/of brandproe-ven. Opgemerkt kan worden dat zaken als afmetingen van holleruimten, dammen en onder- en bovenschil, alsmede aanwezigewapening en detaillering daarvan, voor het gedrag ook eenbelangrijke rol spelen. Mochten er vragen zijn over het gedrag vaneen bepaald vloersysteem bij brand dan zal de producent van hetvloersysteem ongetwijfeld nadere informatie kunnen verschaffen.De redactie van CementOpgewarmd of uitgekookt 82014 79brokstukken vallen in de brandruimte waar niemand (ook geenbrandweerman) meer levend aanwezig kan zijn; het kan ertoeleiden dat de brandweer besluit na de evacuatie geen mensen inhet gebouw in te zetten en haar acties beperkt tot het voorko-men van overslag van de brand naar de omgeving van hetgebouw.Blik op de toekomstHet insluiten van holle ruimten in betonnen vloeren biedtvoordelen door besparing op materiaal en gewicht. De holleruimten be?nvloeden het (lokale) constructieve gedrag van devloer, zowel bij kamertemperatuur als bij brand. Betonvoor-schriften bevatten richtlijnen hoe hiermee om te gaan bijkamertemperatuur. Voor de brandsituatie is dit niet afdoendegeregeld.Italiaanse, Belgische en Nederlandse onderzoeken tonen aandat de aanwezigheid van ingesloten holle ruimten in betonbetekent dat constructeurs en producenten moeten nadenkenover het effect daarvan op het gedrag bij brand. Daarbij moetenzij zich niet te zeer laten leiden door de bevindingen in dezeonderzoeken alleen. Die dekken namelijk zeker nog niet alle(voor specifieke situaties) van belang zijnde aspecten af.Op basis van de beschikbare onderzoeksrapporten en eengezonde dosis ingenieursverstand zijn in dit artikel de effectenvan vier fysische aspecten belicht. Dit geeft richting aan voor:- Verder onderzoek naar het (lokale) gedrag van betoncon-structies met ingesloten holle ruimten bij brand;- Keuzen bij het ontwerpen van betonconstructies en beton-producten met ingesloten holle ruimten die aan brandwe-rendheidseisen moeten voldoen; en- Het testen en/of beoordelen van de brandwerendheid vanbetonconstructies met ingesloten holle ruimten.Hoewel in dit artikel veel nog niet volledig onderzochte enuitgewerkte aandachtspunten zijn benoemd, menen de auteursdat betonconstructies met ingesloten holle ruimten ook bijbrand goed kunnen presteren. Daarom wordt afgesloten metvijf aanbevelingen die de richting aangeven voor betrouwbaargedrag van dergelijke betonconstructies bij brand. Onderzoe-kers, constructeurs en producenten kunnen daarmee aan deslag7.Aanbevelingen1. Voorkom volledige insluiting van holle ruimten bij brand.Zorg ervoor dat de opbouwende overdruk kan ontsnappennaar de brandruimte, dus aan de onderzijde van de vloer. Ditomdat anders het hete gas een ander brandcompartiment inwordt geblazen en mogelijk het E-criterium (branddoorslag)wordt overschreden.2. Zorg voor voldoende beton tussen de holle ruimten om eenbreuk tussen onder- en bovenzijde van de vloer te voorko-men. Pas zo nodig ook verticale wapening in de dammentoe.3. Houd rekening met versnelde opwarming van het beton aande onderzijde van de vloer. Vooral onder de holle ruimten,maar ook ter plaatse van de dammen. Pas de ligging(dekking) van de onderwapening daarop aan.4. Houd rekening met de kans op uitbreken van de betonschilonder de holle ruimten. Pas de verdeling (concentratie in dedammen) en ligging (dekking) van de onder- en bovenwape-ning daarop aan.5. Doe meer wetenschappelijk en praktisch onderzoek naar deeffecten van holle ruimten op het gedrag van betonconstruc-ties onder brandomstandigheden.Ten slotte is dit onderwerp besproken in TGB Betonconstruc-ties. Het voornemen is een aanwijzing betreffende de holleruimten in betonconstructies en brandveiligheid op te nemenin de Nationale Bijlage bij het branddeel van Eurocode 2. LITERATUUR1 Franchi, A., Test results on the fire resistance of precast plates andpanels provided witpolystyrene void formers, Assobeton.2 Scholten, Breunese, Both, Ori?nterend onderzoek brandgedrag vanbetonnen vloersystemen met EPS gewichtbesparende elementen,2010-Efectis-R0914.3 NEN-EN1363-1 Bepaling van de brandwerendheid, Deel 1: Algemeneeisen.4 Analytical fire resistance assessment of reinforced concrete andprestressed concrete structural elements, UNI 9502.5 Beproevingsverslag nr. 12457A, Warringtonfiregent NV.6 Polyplaatvloeren, constructieve veiligheid bij brand, 20110028658-AKA, VROM-Inspectie.7 Lanceni, Fire test on a bearing slab made of reinforced concrete withlighting elements in recycled polypropylene, Lighted slab withU-boot formwork, CSI Test report nr. CSI1292FR.7) Bij bestaande gebouwen met in het beton ingesloten holle ruimten waarbij twijfelrijst over de betrouwbaarheid bij brand, dienen gebouweigenaren ? mogelijk inoverleg met het gemeentelijk Bouw- en Woningtoezicht ? te bepalen wat het bestekan worden gedaan om de brandveiligheid te waarborgen.