O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eV loeren66 cement 2006 7Geprefabriceerde voorgespannenholle kanaalplaatvloeren zijnpopulair in de woning- en utili-teitsbouw. De vloeren wordengeproduceerd op lange bankenvan 100 tot 200 m lengte, waarineerst het voorspanstaal wordtgespannen en waarover vervol-gens de stortmachine loopt. Ditproductieproces is zeer econo-misch en geeft geen afval.De beperking van het productie-proces is echter dat er geen ande-re wapening in de kanaalplatenkan worden ingestort dan de voor-spanwapening. Voor opname vanschuifspanningen en van splijt-spanningen bij de inleiding vande voorspankracht is de kanaal-plaat dus geheel afhankelijk vande treksterkte van het beton.Eurocode 2, deel brand [2] geeftaan dat indien het draagvermogenafhangt van de treksterkte van hetbeton, de draagkracht moet wor-den bepaald zoals bij kamertem-peratuur, maar met een door deverhoogde temperatuur geredu-ceerde doorsnede en met vermin-dering van de treksterkte met dethermische spanningen. Echter,een eenvoudige doorsnedebereke-ning laat zien dat de thermischespanningen al binnen vijftienminuten na blootstelling aan destandaardbrand, leiden tot eenoverschrijding van de treksterktein de ribben tussen de kanalen,waardoor hierin thermischescheuren ontstaan (fig. 1). Dit zoubetekenen dat de treksterkte totnul moet worden gereduceerd ende kanaalplaat rekenkundig navijftien minuten zou bezwijken.Ook ontstaan door thermischespanningen splijtscheuren rond-om de voorspanning, waardoor deweerstand tegen verlies van veran-kering rekenkundig tot nul wordtgereduceerd. In werkelijkheidgedraagt de vloer zich gunstiger.B e z w i j k g e d r a g v a nk a n a a l p l a t e nKamertemperatuurKanaalplaten worden ontworpenals statisch bepaalde vloerelemen-ten. Bij kamertemperatuur kun-nen ze bezwijken op buiging (duc-tiel), op verlies van de verankeringvan de voorspanstrengen (ductielof bros), op afschuiftrekbreuk(bros) of afschuifbuigbreuk (brosof ductiel) [3] (fig. 2). Ook combi-naties in ??n plaat zijn mogelijk.BrandomstandighedenDe bezwijkvormen van de kanaal-plaat onder brandomstandighedenzijn onderzocht aan de hand vantachtig proeven die tussen 1958 en2000 zijn uitgevoerd [1]. De resulta-ten zijn weergegeven in figuur 3.Omdat van de meeste proeven hetbezwijkgedrag slechts beperkt wasbeschreven, is geen onderscheidgemaakt tussen bezwijken opafschuiving of door verlies van ver-ankering.Op de eerste plaats blijkt dat inruim ??n op de vier gevallenbezwijken optrad ten gevolge vanafschuiving of verlies van veranke-ring en bovendien meestal voortij-Brandwerendheid vankanaalplaatvloerendr.ir. J.H.H. Fellinger, Centre Information Acier, Brussel*)Voor het verkrijgen van fundamenteel inzicht in het draagvermogen vankanaalplaten onder brandomstandigheden met betrekking tot dwarskrachten verankering is door de auteur het nodige onderzoek verricht, hetgeen in ditartikel aan de orde komt. Een tweede doelstelling was de ontwikkeling vaneen model waarmee het draagvermogen kan worden voorspeld.*) Dit artikel is gebaseerd op het promotie-werk [1] van de auteur dat hij vanaf 1995 uit-voerde bij het Centrum voor Brandveilig-heid van TNO Bouw en Ondergrond en in2004 voltooide aan de TU Delft. Voor dezestudie werd hij onderscheiden met de inter-nationale fib Award voor het beste promotie-onderzoek van 2004.1 |Verdeling van de tempe-ratuur over de hoogtevan een kanaalplaat, deresulterende rekken ende thermische spannin-gen (- is druk)2001501005000 0 -20 -10 0 105 10 15200 400 600 800afstandtotbrandzijde(mm)temperatuur (?C) rek ()totale rekthermische rekthermische spanningen (N/mm2)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eV loerencement 2006 7 67dig. Dit benadrukt de noodzaakvoor adequate ontwerpregels voordeze bezwijkvormen.In sommige proeven werd dethermische uitzetting in de rich-ting van de overspanning geheelverhinderd door een stijf frameof gedeeltelijk door het meestor-ten van onverhitte randbalkenparallel aan de kanaalplaten. Infiguur 3 is dit weergegeven meteen extra marker om de markerdie aangeeft hoe het proefstuk isbezweken. Hoe groter de marker,hoe stijver de verhindering. Deverhindering van de thermischeuitzetting in de richting van deoverspanning heeft een signifi-cant gunstig effect.In andere proeven werd de kanaal-plaat over minimaal 500 mmvanaf de oplegging tegen verhit-ting afgeschermd. Dit heeft eengunstig effect, maar de maatregelis niet erg praktisch. Sommigeproefstukken werden over eenkortere lengte van de verhittingafgeschermd, maar dit bleek geensignificant effect te hebben.Ook de dikte van de kanaalplaatspeelt een belangrijke rol. Kanaal-platen dunner dan 200 mm (aan-gegeven in figuur) bezweken openkele verklaarbare uitzonderin-gen na niet op afschuiving of ver-lies van verankering.Ten slotte blijkt een duidelijkeffect van de belastingsgraad.Slechts drie proefstukken meteen dikte 200 mm bezwekenniet op afschuiving of verlies vanverankering indien de belastings-graad hoger was dan 30% en deplaat 200 mm dik of meer was ener geen verhindering van de ther-mische uitzetting en geenafscherming van de verhittingwas. Deze zijn in figuur 3 aange-geven met een grijs blokje inplaats van een ruitje. In deze drieuitzonderingen werd de thermi-sche uitzetting in dwarsrichtingverhinderd. In andere proevenbezweek de plaat echter tochvoortijdig, ondanks een volledigeverhindering van de thermischeuitzetting in dwarsrichting.N i e u w e p r o e v e nOmdat de bestaande proeven meteen groot aantal verschillendedetailleringen waren uitgevoerd ende informatie over het bezwijkge-drag beperkt was, zijn zes nieuweproeven uitgevoerd op kanaalpla-ten en negentien proeven op dub-bele ribben, gezaagd uit kanaalpla-ten. Deze laatste proefstukkenmaakten het mogelijk tijdens deproef de scheurvorming in de rib-ben vanaf de zijkant te observeren.De proefopstelling was gelijk aande standaard-dwarskrachtopstellingvan EN 1168 [4], waarin een sta-tisch bepaald proefstuk bij slechts??n oplegging wordt belast meteen lijnlast over de breedte van hetproefstuk op een afstand van hethart van de oplegging gelijk aan2,5 maal de dikte van het proef-stuk. Tijdens de proeven werd hetproefstuk uitsluitend van onderafverhit. De proefresultaten zijnweergegeven in tabel 1.Alle proefstukken dikker dan200 mm bezweken op afschuivingen/of op het verlies van veranke-ring van de strengen. Evenals bijkamertemperatuur kan dit bezwij-ken bros optreden, maar nooit zobros als het bros bezwijken bijkamertemperatuur.Het gedrag bleek zeer goed repro-duceerbaar. Drie identieke proevenop drie elementen uit dezelfde pro-ductiecyclus vertoonden een zeergelijkvormig gedrag en bezwekenna 39, 40 en 42 minuten.Ook bleek dat in alle proeven al navijftien minuten verticale thermi-sche scheuren in de ribben ont-staan (fig. 4), zonder dat dit bij detoegepaste belastingsniveaus direct2 |Bezwijkvormen vankanaalplaten bij kamer-temperatuura. buigingb. verlies vanverankeringc. afschuifbuigbreukd. afschuiftrekbreukabcd1,00,90,80,70,60,50,40,30,20,10,00 30 60 90 120 150150 mm3,8 %120 mm120 mm120 mm160 mm 160 mmgeprofileerdestrengen180 210 240volledige axiale verhinderingrandbalkisolatie eindzone > 500 mmafschuiving/verankering breukgeen/anders bezwijkenbelastingsgraad(-)brandtijd (min)3 |Brandwerendheid versusbelastingsgraad. Debelastingsgraad is bere-kend als de maximaleverhouding tussen debelasting en de weer-stand tegen het verliesvan verankering over delengte van de plaatO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eV loeren68 cement 2006 7leidde tot bezwijken. Deze scheu-ren ontstonden zelfs in de proef-stukken die waren opgesloten omde thermische uitzetting in de rich-ting van de overspanning te verhin-deren, zij het dat de lengte van descheuren in die gevallen kleinerwas. Daarnaast ontstonden langs demeeste strengen splijtscheuren.Afhankelijk van de geometrie vande kanaalplaat ontstonden ook bin-nen twintig minuten horizontalescheuren door de lijven, ofwel langsde wapening als splijtscheur, ofwelin het midden van het lijf in dezwakste doorsnede. Deze scheur-vorming werd niet beperkt door deopsluiting van het proefstuk. Methet model dat later werd ontwikkeldis aangetoond dat al deze scheurenhet gevolg zijn van de thermischeuitzetting van het beton.Verder trad er in het eerste half uureen sterke toename op van de slipvan de strengen. Daarna stabiliseer-de de slip, totdat een snelle toena-me optrad bij bezwijken.De invloed van de belastingsgraadwerd systematisch onderzocht.Deze invloed is een paradox: ener-zijds werden de thermische scheu-ren en de toename van de slip aande belaste en onbelaste zijde vanhet proefstuk in nagenoeg gelijkemate waargenomen, anderzijdsbleek dat een geringe verlaging vande belastingsgraad een groteinvloed kan hebben op de tijd totbezwijken.Ten slotte werd ??n van de aanbeve-lingen in de ECCS-IPHA richtlijn[5] geverifieerd om de eindzone vande kanaalplaat te versterken meteen gewapend-betonvulling in dekanalen. De vulling blijkt echteronvoldoende aan de kanaalplaat tehechten. De thermische trekspan-ningen in de ribben tussen dekanalen worden daardoor nietgespreid over de vulling en demaatregel verhoogt de brandwe-rendheid dus niet.M o d e l v o r m i n gIn het EEM-programma DIANAzijn twee 2D-modellen ontwik-keld; een 3D-model was met debeschikbare computercapaciteitniet mogelijk.Het eerste model is een doorsne-demodel om de horizontalescheuren en de splijtscheuren teTabel 1 | Resultaten brandproeven uitgevoerd bij TNOhoogte (mm) productie- a1) type opleg- belas- bezwijk- bwh opmerkingenen aantal proces (mm) detail 2) tings- vorm 3) (min)kanalen graads o e (%) A V Bslipform 40 s 21 V 96 geen slipmetingribben s 16 B 125 Vu= 30%200 - 7 extrusie 44 s 18 V 125 Vu= 34%o 18 B 159 Vu= 37%plaat s 19 B 117s 23 V 4840 s 17 V 45 belasting niet constants 11 V 123 Vu= 16%shear s 23 A V 55260 - 5 compaction ribben s 20 A V 56 herstart na 8 mins 17 A V 1144) s 14 A V 123 belasting niet constante 23 A V 49e 20 A V 50e 17 A V 99plaat s 23 A V 39,40,42ribben s 23 A 35265 - 5 extrusie 40 o 23 A 25plaat s 23 A 33s 23 A 60400 - 4 extrusie 5) ribben s 30 A 24 lage kwaliteit vullingo 23 A 30 verhinderingplaat s 23 A 331) afstand hart wapening tot verhitte zijde2) s: statisch bepaalde opleggingen; o: opgesloten in de richting van de overspanning; e: gewapende balk aangestort op de kopse ein-den met vulling in kanaal over 800 mm3) A: bezwijken of afschuiving; V: verankering; B: buiging4) plaat: 4?12,5: 40 + 2?12,5: 76; ribben: 1?12,5: 40 + 1?12,5: 765) plaat: 6?9,3: 40 + 2?9,3: 73 + 5?12,5: 40 + 3?12,5: 88; ribben: 4?9,3: 40 + 1?12,5: 40 + 1?12,5: 884 |Thermische scheuren inde lijven van de kanaal-plaat na twintig minutenblootstelling aan destandaardbranda. proefb. modelabO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eV loerencement 2006 7 69kunnen berekenen ten gevolgevan de thermische uitzetting ende splijtwerking van de strengen.Met dit model wordt ook deopsluitende werking van debetondekking rondom de stren-gen bepaald. Dit is nodig om dewrijvingsweerstand tussen destrengen en het beton te bepalenna het ontstaan van de splijt-scheuren.In het tweede model is de geheleplaat gemodelleerd, waarin inter-face-elementen tussen de voor-spanning en het beton zijngeplaatst met een nieuw materi-aalmodel, dat de resultaten vande wrijvingsweerstand uit heteerste model gebruikt. Dit aan-hechtmodel gaat uit van adhesieen wrijving. Bij brand verdwijntde adhesie snel en blijft de wrij-ving over. Ook voor het beton iseen nieuw materiaalmodel ont-wikkeld dat rekening houdt mettemperatuur, thermische kruip,scheurvorming en het effect vande belasting op de druksterkte enstijfheid van het beton tijdens hetverhitten.Het aanhechtmodel en het beton-model zijn succesvol gekalibreerdmet zestig kleinschalige proevenbij temperaturen van 20 tot600 ?C.In figuur 4 is te zien dat het twee-de model goed in staat is de verti-cale scheuren uit te rekenen. Infiguur 5 is de berekende slip ver-geleken met de gemeten slip voortwee proeven met een verschillen-de belastingsgraad. Het modelberekent de slipontwikkelinggoed, maar voorspelt het tijdstipvan bezwijken niet goed. Dit komtdoordat na het ontstaan van allescheuren in het eerste half uur, deverdere achteruitgang van hetdraagvermogen beperkt is. Eenkleine variatie in de belasting ofde aangenomen sterkte heeft dusgrote invloed op de tijd tot bezwij-ken. In figuur 5 is ter illustratie deberekende afname van het draag-vermogen vergeleken met die vande plastische momentcapaciteitvoor ??n type kanaalplaat.C o n c l u s i e s? Afschuiving en verlies van de ver-ankering zijn relevante bezwijk-vormen voor kanaalplaten dieworden blootgesteld aan brand.Normen en ontwerprichtlijnennemen deze bezwijkvormen totnu toe onvoldoende in beschou-wing en moeten hierop zo spoe-dig mogelijk worden aangepast.? Door de thermische uitzettingontstaan tijdens brand al binnentwintig minuten thermischescheuren in de ribben van dekanaalplaat en rondom de stren-gen. Ook slippen de strengensignificant. Het draagvermogenloopt daardoor in het eerste halfuur sterk terug tot 20 ? 25% vande initi?le waarde.Het niveau van de belasting bepaaltof met de resterende draagkrachtna het ontstaan van de scheuren ende slip nieuw evenwicht mogelijkis. De thermische spanningen val-len door het ontstaan van de scheu-ren grotendeels weg.? Het gedrag van de kanaalplaatis goed te beschrijven met denieuwe computermodellen.? De belangrijkste invloedspara-meters zijn de belastingsgraaden de opsluiting van de kanaal-plaat in de richting van de over-spanning om de thermische uit-zetting te verhinderen. In eenaantal proeven dat momenteelde basis vormt voor de toelatingvan kanaalplaten op de markt,is gebruikgemaakt van het posi-tieve effect van de opsluiting.De omringende constructiewordt echter in de praktijk nietontworpen om voldoendeopsluiting te realiseren en deresulterende opsluiting is dusonbekend. Bovendien zal deopsluitende werking meestalongunstig zijn voor de omrin-gende constructie. Kolommenworden hierdoor bijvoorbeeldbelast op een zeer grote extradwarskracht. Deze proefresulta-ten zijn daarmee niet aan deveilige kant en zouden nietmogen worden geaccepteerd alsbewijs van voldoende brandwe-rendheid.A a n b e v e l i n g e nHet wordt aanbevolen voor elktype kanaalplaat dat op de marktbeschikbaar is, een maximaal toe-laatbare waarde van de belastings-graad te bepalen waarbij afschui-ving en verlies van verankering inhet geheel niet meer maatgevendzijn. De kanaalplaat bezwijkt danop een plastische wijze op bui-ging. De veiligheid wordt hiermeeintrinsiek verhoogd.De toelaatbare belastingsgraadkan conservatief worden bepaaldzonder rekening te houden methet gunstige effect van de opslui-tende werking van de omringendeconstructie.Om het gunstige effect van deopsluitende werking in rekeningte kunnen brengen, moet wordenaangenomen dat de volledig ont-wikkelde brand in het gehelebrandcompartiment heerst. Ditbetekent dat de opsluitende wer-king niet wordt gerealiseerd doornaastgelegen vloerelementen inhetzelfde brandcompartiment,omdat deze elementen dezelfdeuitzetting ondergaan. Indien eenVervolg zie pag 733020101005000 30 60 90 12024,412,200 30 60 90 120V = 23%V = 11%brandtijd (min)eindslip(mm)brandtijd (min)dwarskrachtcapaciteit(kN)testDIANAVu = 24,4 kNVu = 12,2 kNmomentcapaciteitbelasting tijdens brand5 |Vergelijking van de bere-kende en gemeten slipvoor twee proeven op260 mm dikke kanaalpla-ten met een belastings-graad van 11% en 23% (a)en afname van de draag-kracht over de tijd in ver-gelijking met de terug-gang van de plastischemomentcapaciteit (b)abO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandcement 2006 7 73500300 150600 75300a bvoorgespannen cilindersvoor de beproeving vanspatten als gevolg vanthermische spanningenbetonnen cilinders metLytag toeslagmateriaal voorde beproeving van spattenonder invloed van poriedrukkenscheiden, zullen in een vervolgse-rie twee soorten proeven wordenuitgevoerd (fig. 5). In de eersteserie wordt de invloed van de ther-mische spanningen beschouwd.De proefstukken zijn hiertoe voor-gespannen en relatief gedrongen(kort en een uitwendige diametervan 600 mm). De verhardingscon-dities zijn zodanig dat de proef-stukken maximaal uitdrogen omde ontwikkeling van poriedrukkentijdens de brandproef zoveelmogelijk te voorkomen.In de tweede serie worden proe-ven gedaan op massieve cilindersmet verschillende diameters en bijverschillende vochtpercentages(van droog tot nat). Om te voorko-men dat in deze serie het gedragwordt gedomineerd door thermi-sche spanningen, worden deproefstukken niet voorgespannenen is gekozen voor een toeslagma-teriaal dat in principe niet uitzet(Lytag). nL i t e r a t u u r1. Fellinger, J.H.H. en A.J. Breu-nese, Evaluation of the fire testprocedure for the spallingbehaviour of concrete mixes.TNO-rapport 2005-CVB-R0299, december 2005.2. Fellinger, J.H.H. en A.H.J.M.Vervuurt, Spalling test on 12prestressed concrete columnsexposed to a tunnel fire. TNO-rapport 2005-CVB-R0249,augustus 2005.5 |Aangepaste proefstukgeometrie voorde beproeving van de verschillendemechanismen: spatten door thermischespanningen (a) en door inwendigeporiedrukken (b)brandcompartiment een geheleverdieping bestrijkt, moet deopsluiting worden gerealiseerddoor de gevel die de horizontaleopsluitkracht naar de boven- enondergelegen verdieping moetbrengen (fig. 6). De stijfheid vande gevel is dan bepalend. Boven-dien moet de gevel op de extramomenten en dwarskrachten wor-den ontworpen en de vloerenerboven en eronder op de extraaxiale trekkracht. nL i t e r a t u u r1. Fellinger, J.H.H., Shear andanchorage behaviour of fireexposed hollow core slabs.Dissertatie TU Delft, 2004.2. EN1992-1-2, Eurocode 2:Design of concrete structures,Part 1.2 General rules, structu-ral fire design. CEN, Brussel,2004.3. Walraven, J.C. en P. Merckx,The bearing capacity of pres-tressed hollow core slabs.Heron Vol. 28 ? No. 3, 1983.4. EN1168, Precast concrete pro-ducts - Hollow core slabs forfloors - Part 1, Prestressedslabs. CEN, Brussel, 2001.5. ECCS-IPHA, Guidelines forthe application of prestressedhollow core slabs supported bybuilt-in beams. ECCS publica-tion 103, Brussel, 1998.6 |Voorbeeld van een onveilige en een veilige aanname om rekening te houdenmet de opsluitende krachtena. onveilige aanname: volledig ontwikkelde brand aangenomen over ??nvloerveldb. veilige aanname: volledig ontwikkelde brand aangenomen over gehelecompartiment a bdoorsnededoorsnedeplattegrondplattegrond(vervolg van pag. 69)