O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrand70 cement 2006 7tijd (min)temperatuur(?C)1205 18020a bDe ontwikkelingen op het gebiedvan beton hebben in de laatstedecennia geleid tot veel nieuwetoepassingen. Met de komst vanbetonsoorten als (zeer-)hogesterk-tebeton ((Z)HSB) en zelfverdich-tend beton (ZVB) komen echterook vragen naar voren die tot opheden minder van belang zijngeweest. Door de dichte structuurvan deze materialen wordt de per-formance ten aanzien van eigen-schappen zoals sterkte en duur-zaamheid aanzienlijk verbeterd.Aan de andere kant hebben enke-le spraakmakende branden latenzien dat deze dichte structuur ookzijn nadelen heeft. Onderzoekheeft bevestigd dat de dichtemicrostructuur leidt tot spatgevoe-ligere materialen. De hoge tempe-raturen die bij brand in korte tijdkunnen worden ontwikkeld, ver-sterken deze spatgevoeligheid.A c h t e r g r o n dSpatten van beton is een feno-meen dat zich moeilijk laatbeschrijven en van veel factorenafhankelijk is. De achtergrond vanspatten is gelegen in de structuurvan het materiaal beton en dewijze waarop het vocht door hetmateriaal wordt getransporteerd.Ook de heterogeniteit van betonheeft hierin een bijdrage, evenalsde constructieve randvoorwaar-den.De dichte structuur van betonty-pen zoals ZVB en HSB leidt ertoedat in geval van brand het vochtniet of slecht kan verdampen naarhet oppervlak. Onderzoek heeftaangetoond dat de poriedrukkendie aan het betonoppervlak ont-staan er zelfs toe kunnen leidendat het vocht verder naar binnenwordt gedreven, hetgeen plaatse-lijk kan leiden tot nog hogereporiedrukken in het beton. Door-dat de poriedruk blijft oplopen endoordat het vocht slecht naar bui-ten kan treden, kan dit leiden tothet al dan niet explosief spattenvan het beton.Doordat de uittreedtijd van hetvocht (zowel vloeibaar als indampvorm) in het beton een groterol speelt voor het spatten, zijnbehalve de dichtheid ook de tem-peratuur en de snelheid waarmeedeze zich ontwikkelt van belang.Uit praktijkproeven is bekend datde temperatuur bij tunnelbrandenin enkele minuten tot wel 1000-1200 ?C kan oplopen. Maximaalkan de temperatuur zelfs zo'n1400 ?C worden.Verder hebben de zand-cement-matrix en het toeslagmateriaal inbeton normaliter verschillendethermische uitzettingsco?ffici?n-ten. Hierdoor gaan de korrels ende matrix in geval van opwarmingkrachten op elkaar uitoefenen, watal vanaf zo'n 150 ?C kan leiden totscheurvorming. Ook op macroni-veau kunnen verhinderingen inuitzettingen leiden tot onderdruk-te vervormingen en daarmee totspanningen en scheurvorming.Op macroniveau zijn daarom deoplegcondities, geometrie en demate van voorspanning vanbelang voor mogelijk optredenvan spatten.Maatregelen tegen spatten kun-nen op verschillende manierenworden genomen. Zo kan wordengekozen voor een minder dichtmateriaal, waar het water gemak-kelijker kan uittreden. Doordat dedichtheid meestal ook bepalend isvoor de sterkte, is dit een enigs-zins triviale maatregel. Anderemaatregelen zijn het toepassenvan brandwerende bekleding ofhet toevoegen van bijvoorbeeldpolypropyleenvezels. Een stap ver-Spatgedrag van betonbij branddr.ir. A.H.J.M. Vervuurt, TNO Bouw en Ondergrondir. A.J. Breunese, Efectis Nederland BV*)Om meer inzicht te krijgen in het spatgedrag van beton(constructies) van inhet bijzonder HSB en ZVB wordt onder auspici?n van CUR-commissie C120-2onderzoek gedaan naar het spatgedrag van beton. De resultaten van hetonderzoek worden tevens ingebracht in het Europese samenwerkingsprojectNewCon. Behalve de proeven wordt onderzoek verricht aan de ontwikkelingvan een numeriek model waarmee het mogelijk is het spatgedrag van betonte simuleren. Samen met de proeven moet dit ervoor zorgen dat het in detoekomst beter mogelijk is een voorspelling te doen over de spatgevoeligheidvan betonconstructies.*) Het onderzoek wordt uitgevoerd doorTNO Bouw en Ondergrond. De brandproe-ven worden uitgevoerd in samenwerkingmet Efectis Nederland BV (voorheen hetCentrum voor Brandveiligheid van TNO).1 |Temperatuurontwikkeling in de oven tijdensde proeven (a) en eenoverzicht van de plaatsvan de proefstukken inde oven (b)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandcement 2006 7 71oppervlaktespattenradialescheurenB B?A?Asnedesnede BB?abder is het slimmer samenstellenvan het betonmengsel, waarbij decombinatie van vulstoffen, toe-slagmateriaal en cementhoeveel-heid en -soort ervoor zorgt dat desterkte voldoende hoog is, terwijlhet vocht eenvoudig uit het betonkan ontsnappen en waarmee deontwikkeling van (interne) span-ningen wordt beperkt.O n d e r z o e k s p r o g r a m m aOm meer inzicht te krijgen in hetspatgedrag van beton in het alge-meen en van ZVB en HSB in hetbijzonder, is een onderzoekspro-gramma opgezet waarin ondermeer aandacht wordt besteed aande volgende drie onderdelen:? experimentele vaststelling vanhet spatgedrag van beton en deparameters die daarbij een rolspelen;? experimentele bepaling van hetvochttransport in het betononder invloed van hoge tempe-raturen;? ontwikkeling van een numerie-ke methode waarmee het spat-gedrag kan worden voorspeld.Vooralsnog is het erg ambitieusom te denken dat hiermee opkorte termijn het spatgedrag100% betrouwbaar kan wordenvoorspeld. Daarvoor zijn de onze-kerheden te groot, zowel voorwat betreft het materiaalgedragals voor de belastingen. Welwordt het mogelijk geacht nume-riek te voorspellen welke feno-menen een rol spelen bij deopbouw van de temperatuur ende poriedrukken, welke gevolgendit heeft voor de (betonnen) con-structie en welke maatregelen ineen bepaalde situatie dus hetbest kunnen worden genomenom deze gevolgen te beperken.Het uiteindelijke doel van hetonderzoek is dan ook te komentot een slimme en effectievebeproevingswijze die is geba-seerd op numerieke voorspellin-gen. In aanvulling zal het onder-zoek leiden tot eenbeproevingsmethodiek waarmeekan worden aangetoond in hoe-verre spatten van beton een rolspeelt onder bepaalde omstandig-heden.R e s u l t a t e n s p a t p r o e v e nOm het inzicht in het spatgedragte vergroten zijn bij het voormali-ge Centrum voor Brandveiligheidvan TNO (tegenwoordig EfectisNederland BV) spatproeven uitge-voerd [1]. In deze proeven is geva-rieerd met de betonsamenstelling(toeslagmateriaal, betonsterkte-klasse), de toevoegingen (polypro-pyleenvezels, silica fume) en demate van voorspanning. In deproeven zijn twaalf voorgespan-nen cilindrische kolommen?269 mm blootgesteld aan een`tunnelbrand', waarbij de tempera-tuur lineair opliep tot 1200 ?C invijf minuten (fig. 1). Elke kolombestond uit drie proefstukkenmet een lengte van 500 mm (3 x500 mm).Tijdens de proef werd bij acht vande twaalf proefstukken bezwijkenwaargenomen. Door de snelheidwaarmee dit gebeurde en het feitdat een tweede globaal bezwijk-mechanisme ontstond, kon geenduidelijk beeld worden verkregenvan de be?nvloeding van de ver-schillende parameters (fig. 2). Uittabel 1 blijkt dat in alle gevallenspatten binnen dertig minuten nahet starten van de proef optrad.Alleen voor de proefstukken metpolypropyleenvezels met een dia-meter van 18 m en een lengtevan 12 mm (PP 18 x 12 mm) tradspatten later op. Vier proefstukkenbleven intact.De wijze van bezwijken is ge?llu-streerd in figuur 2. Door de verhit-ting ontstaan grote radiale thermi-sche scheuren, voornamelijkbuiten het invloedsgebied van dekopplaten. Door de openstand vande scheuren (??n tot enkele centi-meters) treedt water uit de scheur,waardoor de interne poriedrukwordt verlaagd en de kans op spat-ten wordt verkleind. In het gebiednabij de kopplaten kunnen dezescheuren zich niet ontwikkelendoor de horizontale opsluiting vanhet proefstuk, en treedt dus logi-scherwijs wel spatten op.Door de radiale scheurvormingwordt het proefstuk als het wareopgedeeld in drie of meer seg-menten (snede BB' in fig. 2a).Door de axiale voorspankrachtworden deze segmenten vervol-gens excentrisch belast, wat ertoeleidt dat de scheuren door en doorgroeien en dat de afzonderlijkesegmenten uiteindelijk uitknik-ken. Het is daarom de vraag inhoeverre het waargenomen gedragtypisch is voor de uitgevoerdeproef en in hoeverre dit gedragook in constructies kan wordenverwacht. Doordat bij het bezwij-ken niet alleen de thermische uit-zettingsverschillen een rol spelen,geven de proeven mogelijk een(te) conservatief beeld van de wer-kelijkheid.Ter plaatse van de kopplaten werdin alle gevallen oppervlaktespat-ten waargenomen. De polypropy-leenvezels hebben dit niet voor-komen. De diepte van spattenwas beperkt tot een paar centime-ter. Van de vier kolommen dieniet waren uitgeknikt vertoondekolom 12 (met silica fume) de2 |Waargenomen bezwijkmechanisme (a) en eenfoto van proefstukken 1(links) en 2 (rechts) nabeproeven (b)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrand72 cement 2006 7minste visuele schade als gevolgvan spatten.Omdat het globaal bezwijken vande proefstukken waarschijnlijk nietenkel werd veroorzaakt door spat-ten onder invloed van oplopendeporiedrukken en thermische uit-zetting, geven de resultaten waar-schijnlijk een conservatief beeldvan de werkelijkheid. Met eindige-elementenberekeningen is nage-gaan welke proefstukgeometriemoet worden toegepast om hetwaargenomen globale bezwijkpa-troon te voorkomen. De resultatenvan deze berekeningen zijn gege-ven in figuur 3 (voor de beproefdegeometrie) en figuur 4 (voor deaangepaste geometrie). Doordat dediameter bij de aangepaste proef-stukken groter is, moet ook devoorspankracht groter zijn om eenvergelijkbaar spanningsniveau teverkrijgen. Uit de berekeningenblijkt dat de scheuren worden voor-komen bij een diameter van onge-veer 600 mm en een binnendiame-ter voor de voorspanning vanongeveer 250 mm (fig. 4).V e r v o l g p r o e v e nOm de mechanismen die bij spat-ten van beton een rol spelen tebetonsterkteklasse C50 C90 C90 C90 C90 C90 C90 C90 C90 C90 C90 C90silica fume (kg/m3) 52PP 18x6?165 (kg/m3) 2,0 2,0 1,0 3,0 2,0PP 32x6?165 (kg/m3) 1,0 2,0 3,0PP 18x6?130 (kg/m3) 2,0PP 18x12?165 (kg/m3) 2,0PP 18x12?130 (kg/m3) 2,0vochtgehalte (% m/m) 4,6 3,5 3,2 3,4 3,5 3,4 3,6 3,4 3,5 3,5 3,4 3,6tijd tot spatten (min) - - 16/23 27 16/23 24 27-30 30 55 - 41 -Tabel 1 | Belangrijkste karakteristieken en resultaten van de uitgevoerde proeven [2]3 |Berekende scheurrekken(onder invloed van eenvlakke vervormingstoestand) in de beproefdecilinders na twintigminuten brand4 |Berekende scheurrekkenna twintig minutenbrand in cilinders meteen aangepaste geometrieO 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)