Water en vuur420142Wateren vuurIn de meeste experimentele studies naar het gedragvan beton bij brand wordt uitgegaan van natuur-lijke koeling. In de praktijk vindt echter vaak koelingplaats door middel van het besproeien met water.Dit veroorzaakt een thermische schok en resulteertin een degradatie van de mechanische eigenschap-pen van beton, veel sterker dan bij natuurlijkekoeling. In een afstudeerstudie aan de Universiteitvan Gent is aan de hand van een experimentelestudie onderzocht wat de invloed is van waterkoe-ling op de residuele betoneigenschappen na brand.1Afstudeeronderzoek naar invloed vanwaterkoeling op betoneigenschappen na brandWater en vuur 42014 3Hoewel de kans klein is dat er een brand ontstaat in eengebouw, is de impact ervan groot: er staan mensenlevens op hetspel en de economische schade kan hoog oplopen. Vandaar datde brandweerstand van een gebouw van groot belang is. Overhet algemeen zijn betonconstructies goed bestand tegen hogetemperaturen zoals die zich voordoen bij brand. Toch degra-deert een betonelement bij blootstelling aan brand: enerzijdstreedt een reductie op van de materiaaleigenschappen als druk-sterkte, elasticiteitsmodulus, en anderzijds ontstaan scheurenten gevolge van verhindering van thermische vervorming.Na opwarming door brand, koelt het beton weer af tot omge-vingstemperatuur. Hierbij ondergaat het beton tegengesteldeeffecten als (verhinderde) krimp, waarover op dit moment nogweinig bekend is. De grootte van deze effecten is bovendienafhankelijk van de koelwijze.Het is wenselijk een goed beeld te hebben van schade aan deaan brand blootgestelde elementen. Dit kan onder meer nodigzijn bij eventueel herstel van betonconstructies. Om een dege-lijke schadediagnose te maken, is het van belang de effecten diede degradatie be?nvloeden goed te kennen.In het verleden is veel onderzoek uitgevoerd naar de residueleeigenschappen van beton na brand. In deze studies werd voor-namelijk gefocust op de invloed van hoge temperaturen op desterkte en stijfheid van beton. Bovendien werd in de meesteexperimentele studies gebruikgemaakt van natuurlijke koelingom het beton terug op kamertemperatuur te brengen. In Euro-code 2 zijn een aantal regels opgenomen om beton zonderkoeling te berekenen tijdens brand.Vanzelfsprekend verschillen de omstandigheden tijdens branden natuurlijke koeling ten opzichte van het koelingsregime ingeval van een echte brand. In werkelijkheid wordt een brandgeblust door die te besproeien met water. Dit koelen veroor-zaakt een thermische schok en resulteert in een sterke degrada-tie van de mechanische eigenschappen van beton.Dit alles was aanleiding de invloed van waterkoeling op de resi-duele betoneigenschappen na brand te onderzoeken aan dehand van een experimentele studie aan de Universiteit Gent.OnderzoeksopzetIn de thesis is de invloed van versnelde koeling op mechanischeeigenschappen van traditioneel beton onderzocht. Verschil-lende soorten proefstukken werden opgewarmd tot eenuniforme temperatuur van 175 ?C, 350 ?C of 600 ?C en vervol-gens gekoeld. Hiertoe werd gebruikgemaakt van twee koelme-thoden: enerzijds werden proefstukken ondergedompeld,2a3a 3b2b 2cir. Wouter Botte1)Universiteit Gent, VakgroepBouwkundige Constructies1) Wouter Botte is met zijn onderzoek `Invloedvan versnelde koeling op betonstructurenblootgesteld aan brand' afgestudeerd aan deUniversiteit Gent, Faculteit Ingenieursweten-schappen en Architectuur, Vakgroep Bouw-kundige Constructies. Hij werd daarbij bege-leid door prof.dr.ir. Stijn Matthys en prof.dr.ir.-arch. Emmanuel Annerel.ENCI Studieprijs 2013Dit is het derde artikel in een seriemet bijdragen van prijswinnaarsvan de ENCI Studieprijs 2013. De studie die wordtbeschreven, kreeg een eervolle vermelding in decategorie Universiteiten.Zie ook www.cementonline.nl/encistudieprijs.75 mm175?C - onderdompeling175?C - besproeien350?C - onderdompeling350?C - besproeien600?C - onderdompeling600?C - besproeien175?C - onderdompeling175?C - besproeien350?C - onderdompeling350?C - besproeien600?C - onderdompeling600?C - besproeientempratuur[?C]tempratuur[?C]tijd na start koeling [min] tijd na start koeling [min]0 000020 2040 4060 6080 80100 100100 100200 200300 300400 400500 500600 6001 In de praktijk wordt bij brand vaak gekoeld door middel van het besproeienmet water, wat resulteert in degradatie van de mechanische eigenschappenvan beton2 Overzicht van proefstukken: (a) kubus met thermokoppels, (b) proefstuk terbepaling van de hechtsterkte, (c) positie van de wapening ter bepaling van dehechtsterkte3 Temperatuur in het beton: (a) centrum; (b) buitenste laagWater en vuur420144ResultatenInwendige temperatuur tijdens koelenAan de hand van thermokoppels werd de temperatuur inkubusvormige proefstukken gemeten gedurende het koelen(fig. 3). In deze studie werd `een thermische schok' gedefinieerdals een temperatuurdaling die wordt gekarakteriseerd door eenkoelsnelheid die hoger is dan 20 ?C/minuut. De thermischeschok trad enkel op bij de proefstukken waarvan de tempera-tuur sterk was verhoogd: tot 350 ?C en 600 ?C. Bovendien wasde schok alleen waarneembaar in de buitenste lagen van deproefstukken. In de proefstukken opgewarmd tot 175 ?C en inhet centrum van de andere proefstukken waren de koelsnelhe-den te laag om van een thermische schok te spreken.Het verschil tussen de besproeide en de ondergedompeldeproefstukken komt, op vlak van temperatuur, vooral tot uitingdieper in het beton. De koelsnelheid is er significant hoger voorde ondergedompelde proefstukken dan voor de besproeideproefstukken. Dit verschil neemt toe naarmate de aanvangs-temperatuur hoger is. Onderdompeling heeft dus een effect ophet gehele proefstuk, terwijl besproeien enkel een impact heeftop de buitenste lagen van de proefstukken.Het verschil in temperatuurevolutie tussen het centrum en debuitenste laag van het proefstuk leidt tot ernstige scheurvor-ming, wat invloed heeft op de residuele eigenschappen vanbeton.Residuele druksterkteDe residuele druksterkte wordt in hoge mate be?nvloed door dekoelmethode. Figuur 4 geeft de afname van de druksterkteweer in functie van de temperatuur (relatief ten opzichte van dedruksterkte bij 20 ?C). De grafiek is opgesteld op basis vanproefstukken opgewarmd tot 175 ?C, 350 ?C en 600 ?C. Vooranderzijds werden proefstukken vijf minuten onder stromendwater gehouden en vervolgens op natuurlijke wijze verdergekoeld tot kamertemperatuur.Een overzicht van enkele proefstukken is gegeven in figuur 2.Betonkubussen werden gebruikt om de temperaturen in hetbeton tijdens koelen te meten met behulp van thermokoppels(foto 2a). Deze kubussen werden vervolgens gebruikt om deresiduele druksterkte te bestuderen. Om het spanning-rekdia-gram te bepalen, werd gebruikgemaakt van cilinders (volgensNBN EN 12390-13). De residuele hechtsterkte werd bepaalddoor een pull-outproef uit te voeren op wapeningsstaven (?8mm) ingebed in een kubus (foto 2b en fig. 2c). De buigsterktena brand en koelen werd tot slot bepaald op prisma's (15 cm ?15 cm ? 60 cm) met ??n wapeningsstaaf ?8 mm.Er werden ook referentieproefstukken voorzien die niet werdenopgewarmd (beton bij 20 ?C). De resultaten van de opge-warmde proefstukken zijn vergeleken met de referentieproef-stukken. In de meeste gevallen is dus geen vergelijking gedaanmet natuurlijk gekoelde proefstukken.experimenteel: 5 min besproeienexperimenteel: onderdompelingEN 1992-1-2: tijdens brandannerel (2010): natuurlijke koelingtemperatuur [?C]fccub150,T/fccub150,20?C[-]0,20,40,60,8100100 20020 - 35%10 - 20%400300 500 60020?C - referentie175?C - onderdompeling175?C - 5 min besproeien350?C - onderdompeling350?C - 5 min besproeien600?C - onderdompeling/c,20?C [-]0,20,40,60,81,00,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8/fcm,20?C[-]0,20,40,60,81,00,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0fc,T / fc,20?C [-]bmax,T/c,20?C[-]onderdompeling5 min besproeien600?C350?C175?C45 64 Afname van de druksterkte als functie van de temperatuur5 Spanning-rekdiagram (spanning relatief ten opzichte van de druksterkte bij20?C; rek relatief ten opzichte van de rek bij piekspanning bij 20?C)6 Relatieve maximale hechtspanning in functie van de residuele druksterkteWater en vuur 42014 5tussengelegen waarden werd lineair ge?nterpoleerd. De figuurtoont de experimentele resultaten als bepaald in deze studie, degrafiek die in Eurocode 2 wordt gegeven voor beton tijdensbrand en de experimentele resultaten van Annerel [1] voornatuurlijke koeling van proefstukken met een identieke beton-samenstelling.In vergelijking met de waarden van Annerel voor natuurlijkgekoelde proefstukken en Eurocode 2, treedt een extra sterkte-reductie op van 10 tot 35% voor watergekoelde proefstukken.De grootste schade treedt op in de proefstukken die onderge-dompeld werden. Deze proefstukken vertonen een extra sterk-tereductie van 20 tot 35%. De extra sterktereductie van debesproeide proefstukken bedraagt 10 tot 20%. De resultatentonen aan dat het verschil tussen onderdompeling enbesproeien gedurende vijf minuten afneemt naarmate deaanvangstemperatuur toeneemt. Bij 600 ?C bestaat geen signifi-cant verschil meer tussen beide. Naarmate de aanvangstempe-ratuur stijgt, lijkt het effect van de temperatuur zelf belangrijkerdan het effect van de duur van de waterkoeling.Residueel spanning-rekdiagramDe resultaten van proeven op basis van cilinders ter bepalingvan het spanning-rekdiagram zijn weergegeven in figuur 5.Hierin is de spanning relatief ten opzichte van de spanning bij20 ?C. De rek is relatief ten opzichte van de rek bij piekspan-ning bij 20 ?C. Proefstukken met als testtemperatuur 600 ?Czijn zodanig gedegradeerd dat het verkregen spanning-rekdia-gram slechts weinig betrouwbaar is of zelfs onmogelijk konworden bepaald.Zowel de druksterkte als de elasticiteitsmodulus is lager bij deproefstukken met hogere aanvangstemperatuur, terwijl de rekbij piekspanning toeneemt. Er is geen significant verschiltussen de elasticiteitsmodulus of de druksterkte van debesproeide en de ondergedompelde proefstukken bij lagetemperatuur (175 ?C). Bij hogere temperaturen is het verschilwel significant. De rek bij piekspanning wordt echter niet be?n-vloed door de koelmethode. Merk op dat er een verschil is inde druksterktereductie in vergelijking met het voorgaande. Ditis te wijten aan de vorm van het proefstuk (kubus vs. cilinder):de verhouding van het oppervlak dat wordt gekoeld en hetvolume van het element heeft dus een zekere invloed. De resul-taten uit de experimenten zijn vergeleken met het Sargin-model, dat Eurocode 2 voorstelt ter beschrijving van het span-ning-rekdiagram van beton (bij kamertemperatuur). Eenbelangrijke vaststelling is dat het Sargin-model goed in staat ishet spanning-rekdiagram te beschrijven na brand en waterkoe-ling. Daartoe moeten wel de residuele parameters (druksterkte,rek) worden gebruikt. Voornamelijk bij lage temperaturen(175 ?C en 350 ?C) is de overeenkomst tussen het model en deresultaten uitstekend. Bij hogere temperaturen zijn kleine afwij-kingen merkbaar.7a7b7c00,00,00,20,40,60,8012340,20,40,60,81,01,21,41,61,8100 200 300 400 500 6000 100 200 300 400 500 6000 100 200 300 400 500 600onderdompeling5 min besproeienreferentie - 20?Caanbeveling MC 90 onderdompelingaanbeveling MC 90 - 5 min besproeienonderdompeling5 min besproeienreferentie - 20?Caanbeveling MC 90 en MC 2010temperatuur [?C]onderdompeling5 min besproeienreferentie - 20?Caanbeveling MC 90 en MC 2010slipbijmaximalehechtspanning[mm]temperatuur [?C]reisduelehechtspanningbf[N/mm2]temperatuur [?C][-]7 Vergelijking experimenten en MC aanbevelingen: (a) slip bij maximalehechtspanning; (b) residuele hechtspanning; (c) parameter uit MC90ter beschrijving van het hechtspanning-slipdiagramWater en vuur420146Niettemin geeft deze studie een indicatie van de effecten die teverwachten zijn wanneer beton wordt watergekoeld vanaf hogetemperatuur en toont het aan dat bestaande modellen nogsteeds bruikbaar zijn na opwarming en de daaropvolgendekoeling. De resultaten kunnen bovendien worden gebruikt omde output van simulaties uit eindige-elementensoftware te vali-deren.ConclusiesIn deze studie is duidelijk aangetoond dat waterkoeling eenbelangrijk effect heeft op de eigenschappen van traditioneelbeton. Koelen vanaf hoge temperatuur leidt tot een thermischeschok in de buitenste laag. De ernstige scheurvorming die hier-door ontstaat, resulteert in een extra reductie van de residueleeigenschappen van beton als de druksterkte, elasticiteitsmodu-lus en hechtsterkte. LITERATUUR1 Annerel, E., Assessment of the Residual Strength of ConcreteStructures after Fire Exposure. PhD. Thesis, Universiteit Gent, 2010.2 CEB-FIP Model Code 1990, No. 213-214. Comit? Euro-International duB?ton (CEB) & F?d?ration International de la Precontrainte (FIP), 1993.3 fib Model Code 2010. F?deration International du B?ton (fib), 2010.4 EN 1992-1-2: 2004, Eurocode 2: Design of concrete structures -Part 1-2: General rules - Structural Fire Design. CEN, Brussel, 2004.Residuele hechtsterkteDe maximale hechtsterkte tussen beton en geribde wapeningwordt in belangrijke mate gereduceerd naarmate de aanvangs-temperatuur toeneemt. Deze afname is gradueel: bij 175 ?C wasde hechtsterkte met gemiddeld 46% gereduceerd, bij 350 ?C met65% en bij 600 ?C tot 90%. Er is geen significant verschil merk-baar tussen de koelmethoden. Zoals eerder vermeld, is hetverschil tussen beide koelmethoden vooral in de kern echtduidelijk. Het niet-significante verschil tussen beide koelmetho-den in dit geval is dus mogelijk te wijten aan een te kleine inge-bedde lengte van de wapening. Op basis van de testresultatenwordt een lineair verband voorgesteld voor de relatie tussen demaximale hechtspanning en de residuele druksterkte van hetbeton (fig. 6).Om het hechtspanning-slipdiagram te beschrijven, blijken deaanbevelingen voor de parameters zoals gegeven in Model Code1990 en Model Code 2010 nog steeds geldig voor beton datopgewarmd en vervolgens met water is gekoeld (fig. 7). Dezeconclusie is echter niet geldig voor het voorspellen van de maxi-male hechtspanning. Merk ook op dat de spreiding van de resul-taten vrij groot is.Residuele buigsterkteUit de resultaten van de buigproeven op prisma's uit gewapendbeton blijkt dat hoge aanvangstemperatuur en vervolgens water-koeling een grote invloed heeft op de buigsterkte. Voor hogeaanvangstemperaturen bezwijken bijna alle prisma's door hetfalen van de verankering van de wapening in het beton. Dooropwarming en achtereenvolgens waterkoeling ontstaat grotescheurvorming rondom de wapening. Deze scheuren zijn zicht-baar aan het betonoppervlak (fig. 8). Dit duidt dus op de nood-zaak voldoende betondekking te voorzien op de wapening.De experimentele resultaten voor het buigend moment bij scheu-ren, vloeien en bezwijken van de doorsnede zijn na-gerekend met behulp van twee methoden voorgesteld in Euro-code 2: de 500 ?C-isothermmethode en de zone-methode.Verankeringsbreuk is in deze studie niet verder onderzocht. Deconclusie is dat de methoden relatief goed in staat zijn het vloei-en bezwijkmoment te bepalen wanneerde proefstukken niet bezwijken door een verankeringsbreuk.Deze conclusie is echter niet geldig voor het bepalen van hetscheurmoment.Bruikbaarheid praktijkDeze studie toont aan dat waterkoeling een belangrijke invloedheeft op de mechanische eigenschappen van beton. De studiemoet echter worden beschouwd als een eerste stap in de rich-ting van uitgebreider onderzoek. Onderzoek naar bijvoorbeeldde invloed van de betonsamenstelling of schaaleffecten isnoodzakelijk.scheur langs wapeningbuigingsscheur88 Onderaanzicht bezweken prisma