O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabr icage62 cement 2006 7Voor deze volledig gecontroleerdebrandproef werd een gebouw opge-richt met commercieel ter beschik-king zijnde prefab elementen. Doelvan deze proef was informatie teverzamelen aangaande:? het idee dat een betonconstruc-tie een brandweerstand geeftdie significant hoger is dan debrandweerstand van de samen-stellende prefab elementenafzonderlijk;? de invloed van factoren diegedurende standaardproeven opafzonderlijke elementen nietaan bod komen, bijvoorbeeld deinvloed van verhinderde thermi-sche vervormingen;? de brand zelf: maximale tempe-ratuur, de temperatuurverdelingin het gebouw en de invloedvan de luchttoevoer.Na de brand werd een uitgebreideevaluatie van de verschillendebetonelementen uitgevoerd.In deze bijdrage wordt de aan-dacht gevestigd op de residueleeigenschappen van de centraalgelegen voorgespannen daklig-ger voor en na de herstelling metspuitbeton. Een gedetailleerdebeschrijving van de brandproefwordt gegeven in [1-4]. Een alge-meen beeld en evaluatie vande resultaten worden gegeven in[5-7].B e s c h r i j v i n g g e b o u wHet volledig uit prefab elementenbestaande gebouw had een opper-vlakte van 12 x 18 m2en een vrijehoogte van 6 m. Het skeletbestond uit drie portalen van tweekolommen (400 x 400 mm2) meteen centrale ligger waarop het dakrustte (fig. 1). De dakbalken had-den een overspanning van 18 m.De dakelementen waren vervaar-digd uit verschillende betontypes:normaal beton, licht beton en cel-lenbeton. De wanden waren even-eens samengesteld uit verschillen-de elementen: twee muren warenopgetrokken in metselwerk vanbetonblokken, de andere in wand-elementen in cellenbeton en licht-beton. De ramen en deuren (8%van de totale oppervlakte van debuitenwanden) en de lichtkoepels(6% van de dakoppervlakte) wer-den zodanig geplaatst, dat hetvuur zich op een realistischemanier kon ontwikkelen. Alsbrandstof werd hout gekozen. Opbasis van twee voorafgaande proe-ven werd de benodigde hoeveel-heid brandstof bepaald, die deVoorgespannen prefab liggerdoorstaat brandproef met glansdr.ir. A.-M. Poppe, ir. E. Annerel en prof.dr.ir. L. Taerwe, LaboratoriumMagnel voor Betononderzoek, Vakgroep Bouwkundige Constructies, Universiteit Gentprof.dr.ir. P. Vandevelde, Laboratorium voor Brandveiligheid, VakgroepMechanica van Stroming, Warmte en Verbranding, Universiteit GentIn de jaren 1970 werd in Belgi? aangaande brandveiligheid de norm NBN 713-010 gehanteerd. Deze schreef voor dat voor gebouwen hoger dan 25 m eenbrandweerstand van minstens twee uur moest worden voorzien. Deze regel-geving was geldig zowel voor gebouwen bestaande uit prefab elementen alsvoor gebouwen in ter plaatse gestort beton. Echter, enkel voor de prefabgebouwen werden proefondervindelijke resultaten op de afzonderlijke ele-menten vereist om deze eis te staven. Bij ter plaatse gestorte constructies konmen teruggrijpen naar analytische methoden en tabellen, die tot positieverewaarden leidden dan de experimenteel bepaalde resultaten. Het was dan ookevident dat de prefab industrie zich in een benadeelde positie gesteld voelde.Met deze situatie als achtergrond ontstond het initiatief voor een brandproefop ware grootte.gevel 3gevel 4gevel1gevel21 |Plattegrond van hetindustrieel gebouwO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabr icagecement 2006 7 63meeste kans gaf de gewenste hogetemperaturen (ISO 834) te verkrij-gen gedurende een voldoendelange tijd.Om het verloop van de brand ende verdeling van de temperatuurin de ruimte te kunnen volgenwerden 71 thermokoppelsgeplaatst op verschillende hoogtes(0,1 m, 1,5 m, 3,0 m, 4,5 m en6,0 m). Vier camera's op eenhoogte van 8 m zorgden voor eenoverzicht over het volledigegebouw en op zes plaatsen wer-den de vervormingen van hetgebouw gevolgd met behulp vantheodolieten.T e m p e r a t u u r o n t w i k k e l i n gg e d u r e n d e d e b r a n dBinnenin het gebouwDe ontsteking van het hout duur-de ongeveer twee minuten. Twin-tig minuten later werd nog steedsenkel rookontwikkeling vastge-steld. Het openen van de deurenen het aanwakkeren van het vuurmet behulp van vier ventilatorenwas niet voldoende om de brandtot volledige ontwikkeling te bren-gen. Het was pas na 34 minuten,toen de dakkoepels bezweken, datde brand zich volledig ontwikkel-de (uitslaande brand) en dat detemperaturen binnenin hetgebouw de ISO-curve 834 bereik-ten. Vanaf dat moment werd debrand gecontroleerd door openenen sluiten van de deuren.Vastgesteld werd dat ondanks dezeer hoge brandlast (125 kg/m? of1,8 106kJ/m?) en de ventilatie,de ISO-curve slechts gedurende 75minuten kon worden gevolgd. Na95 minuten bleek de gemiddeldeluchttemperatuur zeer snel tedalen, waarna, ongeveer 120minuten na de ontsteking, hetvuur doofde door gebrek aanbrandstof.Centrale dakliggerIn figuur 2 zijn de posities van dethermokoppels en de resultatenvan de temperatuurmetingen ver-meld. Uit de metingen blijken devolgende vaststellingen:? de oppervlaktetemperatuurstijgt zeer snel na een tijdsspan-ne van dertig minuten. Dezetemperatuur volgt de luchttem-peratuur in het gebouw met eenkleine vertraging. Vergelijkingmet metingen uitgevoerd aanandere elementen toont aan datde grootte van de vertragingbe?nvloed wordt door de positievan het element in het gebouw;? de gemiddelde temperatuur vande wapening blijft nagenoeggelijk gedurende de eerste 35minuten. De plotse tempera-tuurstijging hierna werd op hetogenblik van de proef toege-schreven aan een ongekendfenomeen en de metingen wer-den als onbetrouwbaarbeschouwd. Nochtans is hetzeer waarschijnlijk dat het spat-ten van de betondekking hier deoorzaak was.W a a r n e m i n g e n n a d eb r a n dNa de brand werd het gebouwzorgvuldig onderzocht om na tegaan hoe elk element had gerea-geerd op de brandbelasting. Hier-uit bleek dat slechts een klein aan-tal dakelementen (met eenkleinere dikte) niet te verwaarlo-zen schade vertoonde. De verschil-lende wanden bleven vrij intact envertoonden geen significantereductie van de materiaalkarakte-ristieken. Wat betreft de kolom-men, werd de meeste schade vast-gesteld aan de kolommen inlichtbeton, ten gevolge van spat-ten. De horizontale verplaatsingnaar buiten toe aan de top van dekolommen bedroeg maximaalongeveer 40 mm. Dit heeft echterop geen enkel moment de verbin-ding tussen de verschillende ele-menten, noch de stabiliteit ingevaar gebracht.Na de brandproef werd hetgebouw volledig ontmanteld enwerd een reeks elementen gese-lecteerd voor verdere beproeving.Voor de resultaten van dezeproevenreeks wordt verwezennaar [4]. Algemeen werd vastge-steld dat de meeste elementennog een aanzienlijke veiligheids-marge vertoonden tijdens belas-tingsproeven. Door het beschadig-de beton te herstellen, kon deveiligheidsmarge zelfs naar eennormaal niveau worden gebracht.In het navolgende worden debeproeving van de centrale daklig-ger en de verkregen resultaten inmeer detail besproken.V o o r g e s p a n n e n d a k l i g g e rKarakteristiekenE?n van de voorgespannen daklig-gers werd in het Laboratorium4500450033 + 3631 + 3432 + 3538 + 3937 + 403332, 37 + 38313639, 40 + 35342 |Gemeten temperatuur-evolutie van de centraledakliggerO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabr icage64 cement 2006 72200 440018000FF FF200 2200Magnel voor Betononderzoek ver-der onderzocht. De dakligger hadeen I-vormige doorsnede met eentotale hoogte van 1,2 m in het mid-den van de overspanning en0,75 m aan de steunpunten. Beideflenzen hadden een breedte van0,4 m en de dikte van de lijfplaatbedroeg 0,12 m. In de onderflensbevonden zich twaalf zevendraads-strengen en in de bovenflens twee.Foto 3 toont ??n zijde van de lig-ger na de brandproef waarbij vrijernstige schade kan worden vast-gesteld. Op de meeste plaatsen isde betondekking afgespat. In som-mige delen van de lijfplaat wordenernstige beschadigingen ten gevol-ge van spatten vastgesteld (tot ver-schillende centimeters diep),waarbij op ??n plaats zelfs eenopening in de lijfplaat is ontstaan.Op verschillende plaatsen zijnzowel de beugels als de horizonta-le wapening zichtbaar en ook debetondekking op de voorspan-strengen is plaatselijk verdwenen.Herstelling en statischebelastingsproefDe ligger werd hersteld met spuit-beton. Voor deze herstelprocedurewerd eerst het oppervlak gereinigdmet een pneumatische hamer endoor gritstralen. Na de herstellingwerd een statische belastingsproefmet vier puntlasten op de liggeruitgevoerd (fig. 4). Tijdens dezeproef werden de vier puntlastenstapsgewijze (per 5 kN) verhoogdtot de gebruiksbelasting van66 kN per puntlast. Vervolgenswerden, na eerst te hebben ont-last, de puntlasten opnieuw naar66 kN gebracht en stapsgewijze(per 10 kN) verhoogd tot breuk.Bij elke belastingsstap werden dedoorbuiging en de vervormingenvan het beton in het midden enop ? van de overspanning nauw-gezet gevolgd. De doorbuiging inhet midden van de overspanningwordt grafisch weergegeven infiguur 5.De breukbelasting bedroeg 162 kNper puntlast, wat 2,45 keer hogeris dan de gebruiksbelasting. Debreuk werd veroorzaakt door ver-brijzelen van het beton in debovenflens na vloeien van eenaantal voorspanstrengen.Hieruit blijkt dat ondanks de vrijernstige schade, de juiste herstel-techniek resulteert in een ruimvoldoende veiligheidsmarge op desterkte van de ligger.N u m e r i e k e v e r i f i c a t i eOp basis van de residuele materi-aalkarakteristieken werd een resi-dueel weerstandbiedend momentMR= 1616 kNm berekend in dekritieke doorsnede (ongeveer 2 mvan de middendoorsnede). Dezeberekening werd gebaseerd op debasisprincipes voor berekeningenin bezwijkgrenstoestand.Het experimenteel bepaalde maxi-maal buigend moment gedurendede belastingsproef (maximalebelasting van 162 kN per puntlast+ eigengewicht van de ligger)bedroeg 1629 kNm, waaruit blijktdat een zeer goede overeenkomstwordt verkregen tussen bereke-ning en experiment.De temperatuursimulaties opbasis van een eindige-elementen-berekening toonden aan dat dewerkelijke brand na 90 minutenongeveer hetzelfde effect veroor-zaakte in de doorsnede van de lig-ger (quasi-identiek temperatuur-profiel), als de ISO-curve na 85minuten.C o n c l u s i e sDe algemene stabiliteit van hetgebouw kwam tijdens de brandniet in gevaar.De brandproef op deze realisti-sche constructie resulteerde inwaarden die veel voordeligerwaren dan deze verkregen tijdenslaboratoriumproeven op de afzon-derlijke elementen. Het feit dat deverschillende elementen nietafzonderlijk, maar ge?ntegreerd ineen volledige constructie aan debrand werden blootgesteld, heeftzeker bijgedragen tot dit positieveresultaat.De zeer grote brandlast resulteer-de in een volledig ontwikkeldebrand gedurende 75 minuten naeen vertraging van ongeveer 203 |Geprefabriceerde daklig-ger na de brandproef4 |Belastingsconfiguratiestatische belastingsproefO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabr icagecement 2006 7 65minuten. Hieruit kan wordengeconcludeerd dat in realiteit hetnagenoeg onmogelijk is dat meteen normale brandlast een brandgedurende twee uur in eenzelfderuimte kan standhouden.Een voorgespannen dakligger meteen overspanning van 18 m, dievrij zwaar beschadigd was tijdensde brand, werd hersteld met spuit-beton en aan een statische belas-tingsproef onderworpen. Hierbijwerd een ruim voldoende veilig-heidsmarge ten opzichte van degebruiksbelasting verkregen, wataantoont dat betonelementen mitsde correcte herstellingstechniekenworden aangewend, zeker kunnenworden herbruikt na brand.Berekening van het residueelweerstandbiedend moment, opbasis van de experimenteel bepaal-de residuele mechanische karakte-ristieken, leidt tot een zeer goedeovereenkomst met het maximaalbuigend moment gedurende destatische belastingsproef.D a n k w o o r dDe auteurs willen graag het vroe-gere `Instituut tot Aanmoedigingvan het Wetenschappelijk Onder-zoek in Nijverheid en Landbouw(IWONL/IRSIA)' en de Federatievan de Betonindustrie (FeBe)bedanken voor hun financi?lesteun. Het project werd geco?rdi-neerd door een werkgroepbestaande uit vertegenwoordigersvan het Laboratorium voor Aan-wending der Brandstoffen enWarmte-Overdracht (UniversiteitGent), het Laboratorium Magnelvoor Betononderzoek (UniversiteitGent), het Ministerie van Openba-re Werken (Regie der Gebouwen),het Nationaal Centrum voorWetenschappelijk en TechnischOnderzoek der Cementnijverheid(CRIC/OCCN), het Wetenschap-pelijk en Technisch Centrum voorhet Bouwbedrijf (WTCB/CSTC),de Nationale Vereniging voorBeveiliging tegen Brand, deBrandweerdienst van de stad Genten de Federatie van de Betonindu-strie. nL i t e r a t u u r1. Almey, F., R. Minne en A. VanAcker, De U.A.C.B.-proefcelwerd de prooi der vlammen.Beton, 1974, nr. 27.2. Almey, F., R. Minne en A. VanAcker, Een niet-alledaagsebrand. Cement, 1975, nr. 4.3. Almey, F., R. Minne en A. VanAcker, De resultaten van een`niet-alledaagse' brand. Beton,1976, nr. 34.4. Almey, F., R. Minne en A. VanAcker, Experimentele brandvan een geprefabriceerd indu-strieel gebouw: synthesever-slag. Beton, 1977, nr. 40.5. Taerwe, L., A.-M. Poppe, Realscale fire test on an industrialhall in prefabricated concretemembers: general evaluation.Proceedings 18thBIBM Inter-national Congress `Meet theFuture of Precast Concrete',Amsterdam, 2005.6. Taerwe, L., A.-M. Poppe en P.Vandevelde, Real scale fire teston an industrial hall: Tempera-ture evolution and assessmentafter fire. Proceedings fib Sym-posium `Keep Concrete Attrac-tive'. Budapest, 2005.7. Taerwe, L., A.-M. Poppe, E.Annerel en P. Vandevelde,Structural assessment of apretensioned concrete girderafter fire exposure. Procee-dings 2nd International fibCongress, Napoli, 2006.5 |Doorbuiging in het mid-den van de overspanning0204060801001201401600 50 100 150 200 250doorbuiging (mm)belasting(kN)