C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrandcement 2006 7 31ontwikkeling(ontsteking en uitbreiding)1100 ?Cvolle intensiteit daling(uitdoving)ventilatiegecontroleerdbrandstofgecontroleerdbrandstofgecontro-leerdtemperatuurtijd(reactie bij brand) (brandweerstand)"flashover" (algemene vlamoverslag)20?100?waterdampwaterwatercondensatiedehydratatiefrontOVENQdTReactie bij brand heeft betrekkingop bouwmaterialen als zodanig enis een maat voor het geheel vaneigenschappen van een materiaalmet betrekking tot het ontstaanen de ontwikkeling van eenbrand. De reactie wordt gekarak-teriseerd door de calorischepotentiaal, onbrandbaarheid, ont-vlambaarheid, vlamuitbreiding ophet oppervlak van het materiaal,en eventueel door andere eigen-schappen zoals rookvorming enproductie van giftige gassen.Brandweerstand heeft betrekkingop constructie-elementen en is eenmaat voor de wijze waarop deze instaat zijn bij brand hun functie tebehouden.De twee begrippen zijn dus totaalverschillend. Het eerste speelt eenrol bij het ontstaan en het beginvan de ontwikkeling van eenbrand, terwijl het tweede vanbelang is bij een brand in volleintensiteit (fig. 1). Beide moetenbij brandpreventie wordenbekeken. De voorschriften stellendus eisen aan beide aspecten.Hout is een materiaal met eenslechte reactie bij brand ? houtbrandt ? terwijl houten balken enkolommen wel een belangrijkebrandweerstand vertonen. Staaldaarentegen heeft een goedereactie bij brand, maar een zeerslechte brandweerstand. Betoncombineert beide kwaliteiten,waardoor het bij uitstek h?t mate-riaal is voor constructies waar eengoed gedrag bij brand gewenst is.Keuzes die de brandweerstand vanconstructie-elementen verhogen,bieden door hun permanentkarakter meer zekerheid naarbrandpreventie toe.F y s i s c h e e n c h e m i s c h ev e r s c h i j n s e l e nBij brand veroorzaakt de zeersterke temperatuurtoenamefysisch/chemische wijzigingen inhet beton, zoals dehydratatie dooruitdroging en decarbonatatie.Deze fenomenen veroorzakenkrimp en afname van sterkte enstijfheid van het materiaal.Dehydratatie en decarbonatatiezijn endotherme reacties: ze absor-beren warmte-energie. Hierdoorwordt de opwarming van het aanbrand blootgestelde materiaal ver-traagd.Vertrekkend van het opgewarmdeoppervlak vormt zich een dehydra-tatie- en een verdampingsfrontwaar de temperatuur rond 100 ?Cblijft hangen (fig. 2). Als de capil-laire pori?n te fijn zijn, kan de stij-gende dampdruk trekspanningenin het beton veroorzaken, tot ophet punt dat de sterktegrens vanhet beton wordt overschreden. Ditfenomeen wordt nog versterktdoor een hoge vochtigheid van hetbeton en een snelle verhitting.Betonfragmenten kunnen danmet meer of minder geweld vanhet oppervlak van het elementworden weggeslingerd (zie verderonder `explosief afspatten vanbeton').Wat het beton betreft, wordt hetsterkteverlies vooral veroorzaaktdoor interne scheurvorming endegradatie/desintegratie van decementsteen. Naast de internescheuren kunnen bij zeer hogetemperaturen ook scheurenworden vastgesteld in de interfacetussen de granulaten en decementsteen. Zoals hiervoorbeschreven treden door de belang-rijke temperatuurstijging verschil-lende transformaties op in deBeton en brand1 |De fasen van een brandir. J.F. Deno?l, Febelcem, BrusselDe ontwikkeling van een brand ? en dus de temperatuur van de gassen in eencompartiment ? hangt samen met drie belangrijke parameters: de groottevan de brandbare lading in het brandend compartiment en het maximaalcalorisch debiet, de oppervlakte van de openingen in de buitenwanden en dethermische eigenschappen van de wanden. Ten opzichte van deze laatsteparameter heeft het materiaal beton, zoals bekend, eigenschappen waardoorhet zich positief onderscheidt van concurrerende materialen.2 |Temperatuur in een wandblootgesteld aan brandC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrand32 cement 2006 7(?C)c()x10-300 20 400 800 120048abc1216cementsteen, waardoor de cohesieervan afneemt.De structuur van beton verandertin de loop van een brand op eenuiterst complexe wijze.De veranderingen die optreden inhet beton bij `lage' temperaturen(< 300 ?C) weerspiegelen vooralwijzigingen in de cementsteen,aangezien alle gebruikelijke gra-nulaten stabiel blijven tot 300 ?C.Wel werd aangetoond dat rivier-grind van de Theems reeds bijdeze temperatuur uiteenspat, ditin tegenstelling tot het uitste-kende gedrag van andere granula-ten.Gedrag van granulaten encementsteenDe hierna beschreven chemischetransformaties hebben vaak eennegatieve invloed op de fysischeeigenschappen van beton.Zelfs in beschadigde toestandwerkt het beton nog als een isole-rende laag en hitteschild, waardoorde dragende kern wordt beschermdtegen het volle effect van de hogetemperaturen. De nadelige effectenvan de warmte, zoals hiernavermeld, treden over het algemeenenkel op in de buitenste laag meteen dikte van 30 tot 50 mm.Beneden 100 ?C treedt eerst eenlichte uitzetting van de cement-steen op, terwijl het beton zijnvrije water verliest. Het verdamptuit de capillaire pori?n. Dezeblootstelling aan de warmte is overhet algemeen onschadelijk voorhet beton.Boven 100 ?C krimpt de cement-pasta merkbaar, omdat zowel hetvrije als het chemisch gebondenwater uit het beton ontsnapt.Boven 300 ?C ontbindt de tober-moriet-gel (CSH) verder, de in decementsteen aanwezige ijzerhou-dende verbindingen oxideren. Dekleur verandert van grijs naarroze-rood. De cementsteen trektsamen, terwijl de granulatenverder uitzetten.Bij 400 ?C begint de calciumhy-droxide Ca(OH)2(of afgekort CH),ook portlandiet genoemd, te ont-binden in kalk (CaO) en water(H2O). De ontbindingssnelheid isnul bij 400 ?C, bereikt een hoogte-punt bij ongeveer 500 ?C en keertterug tot 0 bij 600 ?C.Bij 575 ?C ondergaan de silicium-houdende granulaten (zand engrof grind) een endotherme kris-tallijne omzetting van kwarts inkwarts . Dit gaat gepaard met eenbruuske vermeerdering van hunvolume met ongeveer 5,7%. Dezevermeerdering kan schade veroor-zaken aan het beton. Dergelijkegranulaten zijn riviergrind, zand-steen en kwartshoudende rotsen.Kalkhoudende granulaten zoalskalksteen en dolomiet daarente-gen zijn stabiel tot ongeveer700 ?C.Boven 700 ?C begint de decarbona-tatie van de kalksteen (CaCO3) incalciumoxide (CaO) of `ongeblustekalk' en kooldioxide (CO2). Dezeendotherme reactie leidt tot eenvertraging van de temperatuurver-hoging in het beton en maakt eenbelangrijke hoeveelheid CO2vrij.Bij afkoeling verbindt de onge-bluste kalk, die wordt geprodu-ceerd door de dehydratatie vanCa(OH)2(boven 400 ?C) en dedecarbonatatie van CaCO3(boven700 ?C), zich met de omgevings-vochtigheid om Ca(OH)2tevormen. Deze reactie gaat gepaardmet een belangrijke volumever-meerdering (44%) die het uiteen-vallen van het beton veroorzaakt.Na een brand wordt daarom hetbeton in zones die zijn blootge-steld aan temperaturen hoger dan300 ?C, verwijderd en vervangen.Boven 1100 ?C begint de cement-steen (naargelang de chemischesamenstelling) te smelten. Overhet algemeen begint portlandce-mentpasta te smelten bij ongeveer1350 ?C.Interactie tussen granulaten encementsteenUiteindelijk hangt de weerstandvan het beton niet enkel af van hetgedrag van de granulaten en decementsteen, zoals hierboven aan-gegeven, maar ook van het schei-dingsvlak tussen de betoncompo-nenten. De interactie tussen degranulaten en de cementsteen kanfysisch (bijvoorbeeld thermischeincompatibiliteit) of chemischzijn. Alleen de fysische interactieskomen hierna aan bod.Fysische interactiesDe cementsteen krimpt, terwijl degranulaten verder uitzetten. Inwelke mate dit gebeurt, hangt afvan het type granulaten: de uitzet-ting is maximaal bij graniet enminimaal bij basalt (bruikbaar intunnels). De cementsteen weet zichaan te passen aan de grote verschil-len in thermische vervormingtussen cementsteen en granulaten.Dit kan niet worden verklaard opbasis van elastische vervorming enklassieke kruip, want volgens dietheorie zou reeds vanaf 100 ?Cbreuk moeten optreden.Het uitzonderlijk gedrag van betonis verbonden met de capaciteit vande cementsteen om zich aan tepassen aan deze verschillen in ver-vormingen. Dit verschijnsel staatbekend onder de naam LITS (`loadinduced thermal strain') en komtneer op een relaxatie van het betononder opgelegde vervormingen.De thermische dilatatie c() vanbeton als functie van de tempera-tuur voor diverse typen granulatenwordt ge?llustreerd in figuur 3.Om differenti?le dilatatie tussencementsteen en granulaten tebeperken, zal eerder worden geop-teerd voor kalksteengranulaten(steenslag) dan voor siliciumhou-dende granulaten (grind).3 |Thermische dilatatie c()van beton in relatie tothet type granulatena. siliciumhoudendegranulatenb. kalksteengranulatenc. lichte granulatenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrandcement 2006 7 33Tijdens de afkoeling en latere ver-hitting kan de thermische incom-patibiliteit enkel nog worden opge-vangen door elastischevervormingen en klassieke kruip,want de voorbijgaande kruip isslechts aanwezig gedurende deeerste verhittingscyclus van beton.Vanaf dat ogenblik kunnen inafwezigheid van LITS inwendigespanningen optreden en groterescheuren verschijnen tussencementsteen en granulaten, die demechanische weerstand van hetbeton schaden.Door kruip zal een verhinderdeuitzetting geen breuk van hetbeton noch van het staal veroorza-ken. Het plastisch worden vanbeton is fundamenteel om te ver-klaren waarom beton in staat is dezeer hoge drukspanningen op tenemen die ontstaan tijdens de ver-hitting van de betonhuid en, meeralgemeen, van elk beton waarvande vervorming is verhinderd.Explosief afspatten van beton(`spalling')Dit fenomeen komt vooral voor bijbalken in voorgespannen beton,waarbij de thermische spanningendoor dehydratatie worden gesuper-poneerd op de zeer hoge mechani-sche spanningen in het beton enwaarbij het lijf van de balk is inge-klemd in massievere flenzen.Door een constructie-element in teklemmen worden de vervormin-gen van dat element belemmerden geblokkeerd. Bij de analyse vande stabiliteit van een constructie-element moet rekening wordengehouden met de superpositie vandeze spanningen.Om explosief afspatten van hetbeton te beletten, beperkt de Euro-code de drukspanning in betondoor een vereiste minimale lijf-dikte als functie van de gewenstebrandweerstand. Deze beperkingis gericht op het vermijden vaneen plotselinge breuk van het balk-lijf.Fysisch gedrag van betonelementenAls voorbeeld een kolom blootge-steld aan brand tegen de vierzijden. Het oppervlak raakt snelverhit en het beton wil uitzetten.De uitzetting wordt verhinderddoor de kern van de kolom, diekoud blijft. Op de kern wordt trekuitgeoefend en op de buitenkantvan de kolom druk.De thermische spanningen komenbovenop de spanningen uit debelastingen. Als gevolg hiervanwordt de buitenlaag van het beton,waarvan de weerstand met de tem-peratuurverhoging afneemt,onderworpen aan zeer hoge span-ningen, die de bezwijkweerstandnaderen. Deze spanningen,gecombineerd met de effecten vande dehydratatie en de uitzettingvan de staven, verklaren de beton-splinters die bij tests werden waar-genomen.Deze splinters komen het eerstvoor bij het beton dat de wapeningin de hoeken bedekt en daarna opde zijkanten van de kolommen.Het afsplinteren veroorzaakt eenvermindering van de doorsnedevan het beton en een toename vande buiging, doordat de excentrici-teit van de belasting plaatselijkwordt vergroot. Wapening die nietlanger bedekt is, verhit bovendiensneller dan wapening die wordtbeschermd door beton.M e c h a n i s c h e e n t h e r -m i s c h e e i g e n s c h a p p e nNormaal beton (tot C50/60)Figuur 4 toont de ontwikkelingvan de reductiefactor van de druk-sterkte als functie van de tempera-tuur en het gebruikte type granu-laten.In het deel `brand' van EC2 wordtgesteld dat beton dat ten minste80% (m/m) kalksteengranulatenbevat, als beton met kalksteengra-nulaten wordt beschouwd.Bij gebruik van tabelwaarden isgeen controle vereist voor watbetreft afspatten. Indien deafstand van de as van de wapeningtot het oppervlak groter of gelijk isaan 70 mm, moet een `huidwape-ning' worden aangebracht om teverhinderen dat brokstukkenafvallen; maaswijdte< 100 x 100 mm2; ?k 4 mm.Worden andere rekenmethodentoegepast, dan moet wel rekeningworden gehouden met afspatten.Explosief afspatten van beton isonwaarschijnlijk indien hetwatergehalte van het beton kleiner4 |Evolutie van de reductie-factor van de druksterkteals functie van de tempe-ratuur en het gebruiktetype granulaten5 |Reductie van de druk-sterkte van hogesterkte-beton volgens EC2`Brand'. De klassenzijn functie van dedruksterkte0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200kc()00,10,20,30,40,50,60,70,80,91kalkhoudende granulatenkiezelhoudende granulaten(?C)verminderingdruksterkteklasse 2klasse 1klasse 30 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 120000,10,20,30,40,50,60,70,80,91(?C)C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrand34 cement 2006 70%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%verminderingstijfheidab0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200(?C)is dan k% van de totale betonmassa.Boven k% is het nodig meer indetail de invloed van het vochtge-halte, het granulaattype, de doorla-tendheid van het beton en deopwarmingssnelheid te bestuderen.In elk land dat lid is van CEN (Euro-pees Normalisatiecomit?) wordt dewaarde van k vastgelegd in de Nati-onale Bijlage. Europees wordt dewaarde 3 aanbevolen.Aangenomen mag worden datwanneer betonelementen wordenontworpen voor binnentoepassin-gen (omgevingsklasse EI, conformNBN B15-001), het vochtgehaltelager is dan k% van de massa vanhet beton, met 2,5% < k < 3%.`Explosief' afspatten mag nietworden verward met minderbelangrijke beschadigingen zoalsafschilfering, afspatten ter plaatsevan granulaten of afspringen vanhoeken.HogesterktebetonDe invoering van hogesterktebe-ton (fig. 5) is nieuw in EC2, zowelvoor het `koude' als het `warme'gedeelte.De klassen vermeld in het brand-gedeelte van EC2 worden als volgtingedeeld:? klasse 1 voor C55/67 en C60/75;? klasse 2 voor C70/85 en C80/95;? klasse 3 voor C90/105.Eurocode 2 `brand' bevat eveneensaanwijzingen voor het nemen vanspeciale maatregelen met betrek-king tot explosief spatten.Voor de betonklassen C55/67 totC80/95 volstaan de eerder ver-melde regels voor normaal betonin zoverre het gehalte silica fumelager blijft dan 6% van de cement-massa; voor hogere gehaltes zijnde regels voor de betonklassen80/95 < C 90/115 van toepassing(foto 6).Voor de betonklassen 80/95 < C 90/115 kan explosief afspattenoptreden in alle situaties waarbijhet beton is blootgesteld aanbrand. Ten minste ??n van de vol-gende maatregelen moet wordentoegepast:? Methode A: een wapeningsnet?k 2 mm, maaswijdte 50 x 50 mm2, aanbrengen meteen nominale betondekking van15 mm. De nominale betondek-king van de hoofdwapeningmoet ten minste gelijk zijn aan40 mm.Deze methode is af te raden,omdat het moeilijk is een derge-lijk net bij het betonstorten opzijn plaats te houden. Het netkan zich dan dicht tegen hetoppervlak bevinden met hetrisico van carbonatatie. De voor-geschreven nominale betondek-king is kleiner dan vereistvolgens EN 1992-1-1 voor allemilieuklassen.? Methode B: een betontypegebruiken waarvan is aange-toond (door lokale ervaring ofdoor proeven) dat er geenafspatgevaar is bij blootstellingaan brand.? Methode C: beschermendebekledingen gebruiken waarvanis aangetoond dat er geenafspatgevaar is bij blootstellingaan brand.? Methode D: een beton gebruikendat per m? ten minste 2 kgmonofilament polypropyleen-vezels bevatDeze laatste methode wordt aan-bevolen, indien methodes B en Cniet kunnen worden toegepast.Vergelijking staal en betonDe sterkteafname van beton enstaal, in overeenstemming metEC2 `brand', zijn in figuur 7 uit-gezet in eenzelfde grafiek. Voor8 |Afname van de stijfheidvan beton en staal (bron:Febelcem)a. c() / c(20 ?C)b. c() / c(20 ?C)7 |Reductie van de druk-sterkte van beton enstaalverminderingdruksterktekalksteenhoudend betonstaal0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 120000,10,20,30,40,50,60,70,80,91(?C)6 |Met het rekenprogram-ma SAFIR werd de brand-weerstand aangetoondvan de kolommen in HSBvan de North-Galaxy-torens in Brussel(foto: Ergon)C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrandcement 2006 7 3512001100100090080070060050040030020010000 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100R 30X (mm)(?C)R 240R 180R 120R 90R 60Tabel 1 | Thermische eigenschappen van enkele materialenmateriaal smelttemperatuur c Eff a(?C) (10-6/?C) (kg/m3) (W/m?C) (kJ/kg?C) (J/m2s0,5?C) (m2/s.10-6)beton 1200 tot 1400 12 tot 18 2400 0,6 tot 2 1 1200 tot 2200 0,25 tot 0,8gebakken aarde - 5 tot 7 1500 0,4 tot 0,5 0,84 710 tot 800 0,3staal > 1500 12 tot 17 7850 50 tot 60 0,45 13300 tot 14600 15massief hout 300 *) 3 tot 5 400 tot 1000 0,12 tot 0,16 0,12 ? 0,16 80 tot 160 0,1steenwol 1200 - 10 tot 200 0,03 tot 0,04 0,03 tot 0,04 3 tot 18 0,2 tot 5pleister - 10 tot 12 1500 tot 1800 0,5 tot 0,8 0,84 800 tot 1100 0,4*) verbrandingstemperatuur: thermische uitzettingsco?ffici?nt c: soortelijke warmte : warmtegeleidingsco?ffici?nt : volumieke massahet staal werd kromme 3 ge-kozen (staalvervorming kleinerdan 2%).De stijfheidsafname van beton enstaal zijn eveneens samengebrachtin eenzelfde grafiek (fig. 8).Wat in deze grafiek opvalt, is dat destijfheidsafname meer uitgespro-ken is voor beton dan voor staal!Hierdoor kan beton, zoals reedseerder vermeld, relatief gemakke-lijk spanningen opvangen die hetgevolg zijn van vervormingsverhin-dering (`blokkering' door naburigeconstructie-elementen).Deze belangrijke afname van deelasticiteitsmodulus van beton bijhoge temperatuur be?nvloedt rela-tief weinig de stijfheid van beto-nelementen onderworpen aandruk, aangezien slechts de eerstecentimeters onder het oppervlakworden aangetast.Staal daarentegen heeft een thermi-sche diffusiviteit die 25 maal hogeris dan die van beton. Dit gecombi-neerd met de zeer lage massiviteitvan staalprofielen be?nvloedt ingrote mate het knikgedrag vanstalen elementen.Sterkte van voorspanstaalBij voorspanstaal gaat de sterkte-afname veel vlugger dan bijbetonstaal. Dit verklaart ondermeer de grotere vereiste beton-dekking bij gebruik van voorspan-staven/-strengen (10/15 mm meerdan bij gebruik van gewoonstaal).T h e r m i s c h e e i g e n s c h a p -p e n b e t o n e n s t a a lTabel 1 geeft een overzicht van dethermische eigenschappen vanenkele materialen.De warmte die moet worden toe-gevoegd aan een materiaal om detemperatuur te verhogen, hangt afvan de thermische effusiviteit:Eff = (c)0,5Berekeningen tonen aan dat dooreen bekleding aan te brengen opeen betonwand en op een wandbedekt met een isolatielaag metlage dichtheid, de verhoudingtussen de tijden waarop vlam-overslag (`flashover') plaatsheeftgelijk is aan 10, terwijl de verhou-ding van de effusiviteiten in debuurt van 30 ligt.De hoge thermische effusiviteitvan betonwanden blijkt bijzonderinteressant te zijn, zowel voor hetthermische comfort als voor devertraging van de vlamoverslag.De thermische diffusiviteit a = /(c) is een maat voor de snelheidwaarmee de temperatuur in eenmateriaal zich ontwikkeld.De lage diffusiviteit van betonvertraagt de temperatuurstijgingdoor het materiaal aanzienlijk(foto 8). Schade blijft oppervlak-kig, de thermische dilatatie vanhet geheel van de constructie-ele-menten blijft beperkt.Onder een thermische belastingdie verloopt volgens de ISO-kromme, bedraagt de temperatuurin een betonnen vloerplaat R 60 na1 uur nog maar 350 ?C op 35 mmdiepte en slechts 100 ?C op 80 mm(fig. 10). nHet dossier [1] waarop dit artikel isgebaseerd is gratis aan te vragenvia www.febelcem.be.L i t e r a t u u rDossier Cement nr. 37, Brandbe-scherming door betonconstructies.FEBELCEM Brussel, april 2006.10 |Temperatuuront-wikkeling in een plaateenzijdig blootgesteldaan brand (x gemetenvanaf aan brand bloot-gestelde zijde)9 |Beton isoleert
Reacties