O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandbelastingcement 2001 174B r a n d s c e n a r i o ' sIn Nederland moet bij een ver-keerstunnel waardoor gevaarlijkestoffen worden getransporteerd,rekening worden gehouden meteen brand veroorzaakt dooreen ongeval met een brandendebenzinetankwagen. Met dit soortbenzinetankwagens, die onge-veer 45 000 liter benzine kunnenvervoeren, heeft de vuurbelastingeen gemiddelde waarde van onge-veer 200 MW (met een topwaardevan ca. 300 MW). De brand kanongeveer 2 uur kan duren; ditheeft geleid tot de definitie van deRWS-brandkromme (fig. 1).Voor de structurele integriteit vaneen tunnel is naast de bereiktemaximale temperatuur ook deduur van de brand van belang en,in relatie tot het gevaar van afspat-ten van beton, ook de snelheidwaarmee de temperatuur in hetbegin stijgt. Voor andere typentunnels dan verkeerstunnels kaneenbrandkrommemeteenlageremaximale temperatuur dan deRWS-kromme de werkelijkheidmogelijk beter benaderen.M e c h a n i s m e nDe structurele integriteit van eentunnel kan als gevolg van eenbrand in gevaar komen door: a.achteruitgang van de treksterktevan het wapeningsstaal bij hogeretemperaturen, b. achteruitgangvan de betonsterkte bij hogeretemperaturen en c. afspatten vanbeton.In het verleden beperkte de aan-dacht voor de brandbestandheidvan afgezonken verkeerstunnelsin Nederland zich tot de mecha-nismen a. en b. Twee brandenonder een viaduct en een kleineonderdoorgang brachten mecha-nisme c. onder de aandacht.Toen het onderzoek was opge-start, werd de ernst van hetverschijnsel `afspatten' bevestigddoor de brand in de tunnelboor-machine bij de bouw van de GroteBelt-tunnel in Denemarken in1994 (fig. 2) en de brand in deKanaaltunnel in 1996 (foto 3).De mate van afspatten kan be-perkt blijven tot lokale schade diena enige tijd stopt. De ernstigstevorm van afspatten is echter diemet een explosief karakter en eenin de tijd doorgaande schadeont-wikkeling.De gevoeligheid voor afspattenvan beton is onder meer afhanke-lijk van:? de snelheid waarmee detemperatuur per tijdseenheidstijgt;? de dichtheid van het beton;bij een grotere dichtheid(correleert met hogere druk-sterkten) is beton veelgevoeliger voor afspatten;? de aanwezige drukspanningendie het gevaar van afspattenvergroten;? het vochtgehalte in het beton.Maatregelen voor het beschermen van betonnen tunnels tegen brandBetonnen tunnels en brandir.G.M.Wolsink, ing.J. de Vries en D.W. Hemelop, Bouwdienst RijkswaterstaatDe laatste jaren bestaat er veel belangstelling voor de gevolgen van brand intunnels. Onderzoek is uitgevoerd naar de effectiviteit van maatregelen die degevolgen van brand beperken. Nieuw in Nederland zijn de boortunnels: deTweede Heinenoordtunnel en de Westerscheldetunnel. Verder worden enkelespoortunnels geboord voor de Betuwelijn en de tunnel onder het Groene Hartin het HSL-trac?. Onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat vooral voor dehogere betonsterkteklassen, die in geboorde tunnels voor de lining toepassingvinden, het mechanisme van het afspatten van beton tijdens een brand maat-gevend kunnen zijn.1 | Enkele brandkrommen2 | Beeld van de schade in de Storebaelttunel3 | Schade aan het beton in de EurotunnelRing 1158 1157 1156 1155 1154 11532 3 4 5 6 USW-70mm 200mm 200mm 273mmvijzel bijna aanhet eind van de slagO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandbelastingcement 2001 1 75Het mechanisme afspatten iscomplex. Vooralsnog is het nietmogelijk gebleken het verschijn-seldoormiddelvanberekeningenmetenigenauwkeurigheidtevoor-spellen. Het inzicht is daaromnog grotendeels kwalitatief. Eenbelangrijk aspect bij het afspattenis de snelle verdamping van in hetbeton aanwezig water (stoomvor-ming). Afhankelijk van de matevan doorlatendheid van het betonvoor waterdamp, ontwikkelenzich hoge drukspanningen in depori?n van het beton, waardoortrekspanningen ontstaan. Als detreksterkte van het beton wordtoverschreden, ontstaan scheurenen springen kleine en grotestukken beton af. Aangezien ver-volgens dieper gelegen betondirect wordt blootgesteld aan dehoge temperaturen zal dit proceszich herhalen.Het vochtgehalte en de damp-dichtheid van beton spelen duseen belangrijke rol. Beton methogere sterkte is door zijn groteredichtheid gevoeliger voor afspat-ten dan normaal beton. Bij eensnelle temperatuurstijging zalhet water sneller in damp over-gaan en wordt de tijd verkort omwaterdamp te laten uittreden. Deaanwezigheid en ori?ntatie vannormaalspanningen in de beton-constructie zijn eveneens vanbelang. Uit het bi-axiaal gedragvan beton volgt dat voor het gevalin ??n richting drukspanningaanwezig is, in de richting lood-recht hierop de opneembare trek-spanning evenredig met de groot-te van de drukspanning afneemt,met als gevolg dat het gevaar vanafspatten groter is bij toenemen-de drukspanningen.De aard van het pori?nsysteemverandert aanzienlijk bij toene-mende temperatuur. Verder wor-den bij hoge temperaturen trek-spanningen veroorzaakt door deoptredende temperatuurgradi?n-ten en het geringe verschil in uit-zettingsco?ffici?nten tussen desamenstellende bestanddelen vanhet beton. Droog beton is aan-zienlijk minder gevoelig voorafspatten dan beton waarin vol-doende water aanwezig is om hetmechanisme van afspatten vol-ledig tot ontwikkeling te latenkomen.Hetisnietpreciesbekendbeneden welk vochtgehalte geenof zeer weinig afspatten optreedt.De in opdracht van Rijkswater-staat uitgevoerde brandproeventer bepaling van het gevaar vanafspatten, zijn uitgevoerd methun `natuurlijke' vochtgehalte.Dit houdt in dat het proefstuk naontkisten wordt geseald met be-hulp van plastic folie, waardoorgeen water kan verdampen, maarook geen water van buiten kantoetreden. Voordeel van dezeaanpak is dat het in de uitvoeringeenvoudig is en een qua vochtgoed gedefinieerde uitgangsposi-tiegeeftvoordeafspatproef.Inhe-rent aan het mechanisme vanafspatten is dat er belangrijkeschaaleffecten zijn. Vaak blijkt,zowel in het laboratorium als bijopgetreden brand in de praktijk,dat het afspatten van platen in hetmidden het verst gevorderd is.De schade nabij de randen heeftde neiging achter te blijven. Dit isteverklarendoordataanderandende temperatuur- en spannings-verdeling anders is dan in hetmidden van een plaat.Verdermoetdediktevandeproef-stukken niet te gering zijn, daaranders het water aan de boven-zijdekanontsnappen.Voorafspat-proeven betekent dit dat de proef-stukken vrij grote afmetingenmoeten hebben.A f g e z o n k e n t u n n e l sv e r s u s b o o r t u n n e l sEr is een aanzienlijk verschil in defunctionaliteit van de wapeningbij afgezonken verkeerstunnelsen bij geboorde tunnels. In globa-le termen komt het erop neer dathet blijvend functioneren van dewapening bij afgezonken tunnelsessentieel is (op buiging belast)(figuur 4a), terwijl de functionali-teit van de wapening bij geboordetunnelsindeeindtoestandbeperktis (op druk belast) (figuur 4b).De wapening is vooral nodig omdeschadebijhetinbouwenvandeelementen te beperken. In de ge-bruiksfase is de werking van dewapening in het algemeen veelminder belangrijk.Vertaald naar de toelaatbare scha-de tijdens en na een brand houdtdit in dat bij afgezonken tunnelsde temperatuur van de wapeningaan de binnenzijde van het dakniet te hoog mag oplopen endat de wapening hechting moetbehouden in nog gezond beton.Hieruit volgt dat bij afgezonkentunnels aan de bovenkant van dewanden en het dak, afspatten nietmag voorkomen.Traditioneel worden afgezonkentunnels in Nederland aan debinnenzijde van het dak voorzienvan een hittewerende bekleding.De eis wordt gesteld dat onderinvloed van de RWS-brandkrom-me (brandduur 2 uur) de tempe-ratuur aan het oppervlak van hetbeton beneden 380 ?C dient teblijven; voor de wapening geldt250 ?C (op een diepte van 25 mm).Voor een geboorde tunnel geldtdatdebetonnenelementennietteveel beschadigd mogen zijn doorafspatten. Verder moet de schadeop veilige wijze repareerbaar zijn.Het beton bij geboorde tunnelsheeft een karakteristieke druk-sterkte van 55 N/mm2 of hoger.4b | Belastingsschema boortunnel4a | Belastingsschema afgezonken tunnelO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandbelastingcement 2001 176Een ander verschil ten opzichtevan het dak van een afgezonkentunnel is de aanwezigheid vanrelatief grote normaalkrachten ingeboorde tunnels. Deze verschil-len maken het beton van een ge-boorde tunnel aanzienlijk gevoe-liger voor afspatten.B r a n d b e s t a n d h e i d t u n n e l sDe wijze waarop tunnels voldoen-de brandbestand gemaakt kun-nen worden heeft onder meer temaken met het beperken van detemperaturen in het wapenings-staal (< 250 ?C) en het beton(< 380 ?C) door het aanbrengenvan hittewerende bekleding oftoevoeren van koeling door eensprinklerinstallatie.Beheersen van het afspatgedragvan het beton gebeurt door dezelf-de maatregelen, aangevuld met devolgendeuitwendigemaatregelen:? bijmengen van polypropyleen-vezels (deze smelten bij brand,waardoor de ontstane water-damp kan ontsnappen zonderdat te grote trekspanningen inhet beton ontstaan);? gebruik van staalvezels (voor-komt dat loskomend betoneraf valt, terwijl ditgescheurde, maar nog vast-zittende beton het achter-liggende beton beschermt).B r a n d p r o e v e nOmdat in het verleden de brand-proeven op hittewerende bekle-ding voor afgezonken tunnelsaltijd op droog beton werden uit-gevoerd, en alleen werd gekekennaar de temperatuur ter plaatsevan de wapening, bestond onze-kerheid of de vaak toegepasteplaatvormige hittewerende bekle-ding (Promatect), dikte 27 mm, instaat is afspatten van het beton(B 35) te voorkomen. Brandproe-ven hebben aangetoond dat geenafspatten optreedt, ook niet na 3uur (RWS-brandkromme; laatsteuur bij 1200 ?C constant).Bij een proef met gespoten bekle-ding kwam na ca. 80 minutende bekleding los van het beton,waarna het afspatten alsnog be-gon. Om deze reden wordt tegen-woordig door RWS ook voor eengespoten hittewerende bekledingeenmechanischeverankeringaanhet beton ge?ist (roestvaststalenwapeningsnetje in de bekleding,verankerdmetboutjesinhetbeton).BrandproevenvoorgeboordetunnelsOp initiatief van de aannemer vande Westerscheldetunnel is be-proefd of polypropyleenvezels(middelfijn lengte 12 mm, dia-meter 60 ?m) in staat zijn omafspatten van de betonnen lining-elementen tegen te gaan. Bij deTU Braunschweig is een groot-schalige proefopstelling gebouwd(foto's 5 en 6).Aan de buitenzijde is voorspan-ning aangebracht om de grond-en waterdrukken te simuleren diein de praktijk op een boortunnelwerken.Hetvezelgehaltebedroeg2 kg/m3. In tegenstelling tot devoorspelling dat afspatten doorhet toevoegen van deze middel-fijne polypropyleenvezels voorko-men kon worden, is de werkingvandetoegepastevezelsalsonvol-doende beoordeeld.Benodigde isolatiedikteWesterscheldetunnelVanwege de beperkte werkingvan het type polypropyleenvezelsen twijfels omtrent de duurzaam-heid, is besloten het gevaar vanafspatten van het beton te beheer-sen door het aanbrengen van eenhittewerende bekleding. Ori?nte-rendebrandproevenzijneerstuit-gevoerd met resp. 23, 27 en 44mm dik Promatect. Figuur 7 geefteen indruk van de proefopstellingbij TNO. Door middel van voor-spanning is een drukspanningvan12N/mm2aangebrachtomdehoge grond- en waterdrukken (tot60 m onder NAP) te simuleren.De sterkteklasse van het beton isB 55.De resultaten van de hitteweren-de plaatbekleding (Promatect) isals volgt:? dikte 23 mm ? duur totafspatten 35 minuten? dikte 27 mm ? duur totafspatten 50 minuten? dikte 44 mm ? duur totafspatten 119 minutenIn alle proeven trad explosief af-spatten op.5 | Overzicht proefopstelling inBraunschweig6 | Schadebeeld (dekking op de wapening:70 mm)7 | Overzicht proefopstelling en aanbrengen normaalkracht door voorspanningO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandbelastingcement 2001 1 77Uit figuur 8 blijkt duidelijk hoesnel de schade zich kan ontwik-kelen als het afspatten eenmaalbegonnen is. In het diagram isaan de plotselinge stijging van detemperaturen op een diepte van50 mm ook het tijdstip van afspat-ten goed af te lezen.Uiteindelijk wordt in de Wester-scheldetunnel een gespoten hitte-werende bekleding van 45 mmtoegepast (Fendolite). De gespo-ten bekleding is verankerd.Onderzoek naar fijnepolypropyleenvezelsVoor de Groene Hart-boortunnelis uit [2] verkregen informatie hetvermoeden gerezen dat vooralfijnere polypropyleenvezels tochpotentie bezitten om het af-spatten van beton te beheersen.Ori?nterendonderzoekuitgevoerdmet twee verschillende fijnerevezeltypen liet zien dat bij gelijk-blijvende gewichtsdosering eenzeer fijn vezeltype (d = 18 ?m)beter voldoet dan een grovervezeltype (d = 60 ?m).Vervolgens is een onderzoek ge-start voor een te bouwen spoor-tunnel onder het Groene Hart.Hiervoor is de zeer fijne polypro-pyleenvezel met een diameter van18 ?m en een lengte van 12 mmgebruikt. De gehanteerde sterktevan het beton bij deze proeven isgelijk aan die van de Wester-scheldetunnel. De voorspanningwas vanwege de minder diepeligging van de tunnel echter lager:6 N/mm2. Ook de brandkrommeweek af; in dit geval is de RABT-kromme gehanteerd. De proef-stukken bestonden uit gehal-veerde lining-elementen van deWesterscheldetunnel.In enkelvoud zijn de volgendevezelgehalten beproefd: 0, 1, 2 en3 kg/m3. Ten opzichte van eerdervermelde resultaten met groverevezels had het mechanisme vanafspatten ook zonder polypropy-leenvezelseenminderheftigkarak-ter.Mogelijkishetlagerevoorspan-niveau de belangrijkste redenvoor het verschil. Foto 9 toont eenbeeld van de schade.Uit foto 10 blijkt duidelijk hetgunstige effect van de toevoegingvan 3 kg/m3polypropyleenvezels:slechts in ??n gebied heeft opper-vlakkig afspatten plaatsgehad.Ook bij 1 en 2 kg/m3polypropy-leenvezels was het gunstige effectop het afspatgedrag significant.Het verschil tussen 1 en 2 kg/m3was echter minder groot dan hetverschil tussen 2 en 3 kg/m3poly-propyleenvezels.Duurzaamheid van beton metpolypropyleenvezelsNaast het afspatgedrag is onder-zocht of de duurzaamheid vanbeton met zeer fijne polypropy-leenvezelsingevaarkomt.Dehoe-veelheid gedoseerde vezels kanhierbij van invloed zijn. Bij ditonderzoek is gekeken naar deinvloed van de toevoeging vanzeer fijne vezels op het gedragten aanzien van carbonatatie enindringing van chloriden. Het on-derzoek omvatte beton met port-landcement en vliegas zoals ge-bruikt voor de brandproeven metzeer fijne vezels en beton methoogovencement. In deze laatstevariant is een vezeldosering van 1,2, 4 en 6 kg/m3gebruikt. Van elkecombinatiezijnbijeenouderdom9 | Schade bij 0 kg/m3polypropyleenvezels (betondekking 50 mm); detail van de schade(duidelijk zichtbaar is de omhullingsbuis van de voorspanning8 | Schadebeeld ca. 10 minuten na deaanvang van het afspatten (23 mmPromatect) en voorbeeld temperatuur-verloop van een aantal thermokoppelstemperaturen op 50 mmtemperatuur[?C]14001200100080060040020000 10 20 30 30 50 60tijd [min]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBrandbelastingcement 2001 178van 1 en 3 maanden versneldeproeven uitgevoerd. Uit de resul-taten blijkt dat de toevoeging vanzeer fijne polypropyleenvezelsgeen significante invloed heeft opde diverse materiaaleigenschap-pen, dus ook niet op de duur-zaamheid.Uiteenliteratuurstudieisgetrachtmeer inzicht te krijgen in delevensduur van polypropyleenve-zels in beton. Dit soort vezels kanin een hoog alkalisch milieu alsbeton worden aangetast. Vooralde aan het polypropyleen toege-voegde stoffen zijn van groot be-lang. Door toepassing van dejuiste stabilisatoren zal de vezeltijdens de levensduur van de con-structie niet worden aangetast.Brandproeven voor de werkingvan staalvezelsIn het kader van de ontwikkelingvan een boorconcept waarbij delining ter plaatste wordt gereali-seerd door middel van een extru-sieproces (ITM) is nagegaan hoehet beton (B 65, met 50 kg/m3staalvezels) en een voorspanningvan 13 N/mm2zich qua afspattengedraagt onder invloed van deRABT-brandkromme (het betrefteen stadstunnel; de Hubertus-tunnel in den Haag). De twee uit-gevoerde proeven gaven globaaldezelfde mate van afspatten tezien. Voor de ene proef was deafspatdiepte gemiddeld 30 mm,met een standaardafwijking van15 mm, voor de andere proefrespectievelijk 31 mm en 19 mm.Vanuit het ontwerp is geblekendat zeker 170 mm beton opge-offerd kan worden bij een calami-teit als een grote brand. Gecon-cludeerd wordt dat voor de be-heersing van het afspatgedragmet behulp van staalvezels indit geval een voldoende robuusteconstructie is verkregen.C o n c l u s i e sUit het tot op heden door Rijks-waterstaat verrichte onderzoeknaar het afspatgedrag van betononder invloed van brandbelas-ting, kunnen de volgende conclu-sies worden getrokken.? De gevoeligheid in relatie totde brandbestandheid van afge-zonken en geboorde tunnels isverschillend. In die construc-tiedelen van een afgezonkentunnel waarin als gevolg vande grote vereiste momentcapa-citeit veel wapening aanwezigis, zal de temperatuur in dewapening niet te hoog mogenoplopen. Afgespat beton is indeze gebieden daarom eigen-lijk niet toegestaan.Omdat bij geboorde tunnelsin het algemeen de aanwezigewapening vooral een functieheeft bij het inbouwen van delining-elementen en omdat inde gebruiksfase de dikte vande lining qua krachtswerkingveel reserve heeft, kan hierrelatief veel schade aan delining worden toegestaan,zonder dat de constructieveveiligheid direct in gevaarkomt. Daarentegen is vanwegede hoge sterkte, dichtheid ende aanwezigheid van relatiefgrote normaalspanningen, hetbeton van een boortunnel veelgevoeliger voor afspatten.? Het afspatmechanisme vanbeton is complex, waardoor hetnog niet goed voor berekeningtoegankelijk is. Dit heeft totgevolg dat alleen door het uit-voeren van een brandproefvoldoende kennis over hetafspatgedrag verkregen kanworden. Er bestaat een grotebehoefte aan een gevalideerdrekenmodel.? Naast het toepassen van eenhittewerende bekleding,teneinde afspatten te voor-komen, lijkt de toepassingvan zeer fijne polypropyleen-vezels bij boortunnels eengoed technisch en financieelalternatief. sL i t e r a t u u r1. Both, C. u.a. 1999, Evaluationof passive fire protectionmeasures for concrete tunnelIinings, International con-ference `Tunnels Fires andEscape from Tunnels',May 1999 Lyon, France.2. Shuttlework, P., u.a., 1979,Fire performance of concretefor tunnel Iinings', ChannelTunnel Rail Link Technicalreport, No. 000-RUG-RLEEX-00005-AB.3. RWS/TNO, Fire protectionfor tunnels, GT-98-CVB-RI161.4. Hoj, N.P., 1999, Great BeltTunnel, fire resistance anddamage, `Tunnels Fires andEscape from Tunnels',May 1999 Lyon, France.5. Both, C., 1998-1999, Ver-schillende onderzoeksrap-porten van TNO uitgevoerdin opdracht van Rijkswater-staat.6. Both, C., 2000, Brand-bestendigheid, PAO-cursus`Ervaringen met hogeresterkte beton', TU-Delft,september 2000.7. Wolsink, G.M., 2000,Bijzondere belastingen alsbrand en explosies, PAO-cursus `Boortunnels; ont-werpmethoden en praktijk-onderzoek', TU-Delftseptember 2000.10 | Detailopname van het proefstukmet 3 kg/m3polypropyleenvezels