Brandwerendheid van vloer-platen van gewapend betonSamenvatting van het rapport 'Weerstand tegen brand vanvloerplaten in gewapend beton' van prof.dr.ir.R.Minne enir.M.Vandamme, Rijksuniversiteit Gent1. InleidingIn de jaren 1974-1978 werd door het Labora-torium voor Aanwending der Brandstoffenen Warmteoverdracht, afdeling Brandveilig-heid, en door het Laboratorium Magnel voorGewapend Beton te Gent (Belgi?) een uitge-breid wetenschappelijk onderzoek uitge-voerd naar het gedrag bij brand van vloerpla-ten van gewapend beton. De opdracht daar-toe was gegeven door de Algemene Directievan de Civiele Bescherming van het Ministe-rie van Binnenlandse Zaken, het Instituutvoor Wetenschappelijk Onderzoek in de Nij-verheid en de Landbouw (IWONL) en ver-schillende industri?le sectoren en firma's.Het vloerenonderzoek omvatte:- aan twee zijden vrij-opgelegde platen;- aan beide zijden ingeklemde platen, ookdoorgaande platen genoemd;- aan ??n zijde ingeklemdeen aan deanderezijde vrij-opgelegde platen.De bepaling van de brandwerendheid vaneen bouwelement geschiedde overeenkom-stig de genormaliseerde proef omschrevenin de norm NBN 713.020, die aansluit bij deISO-norm 834.Het zal duidelijk zijn dat deze proef uitslui-tend dient om bouwelementen te klasserennaar hun gedrag in geval van brand. Hiertoewerden zij aan de voorwaarden aan een con-ventionele brand onderworpen. De ontwik-keling van deze zgn. conventionele brand isvastgelegd door het temperatuurverloop inde ovenruimte en dit volgens de formule:0-0o = 345logio(8f +1)waarin: = de temperatuur gemeten in de oven-ruimte (?C), = de omgevingstemperatuur bij de aan-vang van de proef (?C), = de tijd sinds de aanvang van de proef inminuten.1aElasticiteitsmodules van staal bij hogetemperaturen (gebaseerd opliteratuurgegevens)Als brandwerendheid Rf wordt beschouwdde tijd gedurende welke een bouwelementgelijktijdig voldoet aan de drie criteria die inde genoemde norm zijn geformuleerd.Deze criteria zijn:thermische isolatie (Tl), bepaald door de tijdtotdat de gemiddelde temperatuurstijgingaan de niet-opgewarmde zijde 140 ?C be-draagt, danwei totdat ergens aan die zijdeeen maximale temperatuur van 180 ?C wordtgemeten;vlamdichtheid (VD), bepaald door de tijd tot-dat een prop katoenwol ontvlamt die lang-zaam wordt bewogen op een afstand van20-30 mm van een vastgelegde of veronder-stelde ondichtheid aan de niet-blootgestel-de zijde.stabiliteit (ST), bepaald door de tijd die ver-strijkt totdat ergens in de vloerplaat eendoorbuiging wordt gemeten die groter isdan1/30 van de overspanning. Daarbij rust op deplaat de veranderlijke belasting waarop dezewerd ontworpen.2. Thermische belasting van gewapendbetonBij het bestuderen van de gevolgen vanbrandbelasting waaraan een betonelementwordt onderworpen, is het van belang deeigenschappen van de samenstellende ma-terialen, staal en beton, nader te bezien. Erdoen zich immers bij hogere temperaturenverschijnselen voordie bij normale tempera-tuur niet optreden. Dergelijke verschijnselendie van fysische en mineralogische aard zijn,oefenen natuurlijk ook invloed uit op de ver-vormingen, de thermische en mechanischeeigenschappen van het gewapend beton.Kenmerkend voor het staal is de groterespreiding bij het meten van elasticiteitsmo-dulus, vloeigrens en treksterkte in geval vantoenemende temperatuur, zoals ge?llus-treerd in de figuren 1a-c.Bij beton ligt de zaak nog gecompliceerder,daar normaal al sprake is van grotere sprei-ding en ouderdomsafhankelijkheid van dekarakteristieke eigenschappen. Bovendienbestaan er oneindig veel verschillende be-tonsamenstellingen, waarvan de kenmer-kende eigenschappen ook steeds min ofmeer verschillend zijn (fig. 2a-b). Bij opwar-ming treden bovendien versnelde kruip enkrimp op.Uit bovenstaande mogeduidelijk worden datveel onderzoek nodig is om een betrouwbareberekening van de brandwerendheid vaneen bouwelement te kunnen maken, ondermeer voor aanvullende gegevens over deinvloed van de verschillende parameters. El-ke parameter afzonderlijk analyseren zouzeerkostbaarzijn, daarom isbij het onderha-vige onderzoek slechts het 'globale' gedragvan vloerplaten onderzocht.3. Proeven op twee-zijdig vrij opgelegdevloerplaten3.1. OverzichtDe onderzochte invloeden betroffen:- de betondekking;- debetonsamenstelling;Cement XXXIV (1982) nr. 10 6421b-cVloeigrens respectievelijk treksterkte vanstaal bij hoge temperaturen (gebaseerd opliteratuurgegevens)- een type verloren metalen bekisting;- bepleisteringen.Naast de normale vlakke vloerplaat werd ookeen ribbenvloer onderzocht.In totaal zijn 14 proeven op vloerplaten uitge-voerd, gemaakt van drie verschillende be-tonsamenstellingen, resp. op basis van ge-broken kalksteen, riviergrind en licht toe-slagmateriaal (IsolS). De platen (1900 4900 150 mm) waren ontworpen op een toelaat-bare staalspanning van 24 N/mm2en eennuttige belasting van 3 kN/m2.Voorts werden twee platen beproefd die wa-ren gestort op een verloren metalen bekis-ting. Deze platen hadden gelijke afmetingen;het profiel van de bekisting is weergegevenin f ?guur 3. Er werd eveneenseen ribbenvloerbeproefd, die bestond uit drie velden van600 mm breedte bij een totale lengte van6650 mm (de opgewarmde lengte bedroeg6350 mm) (fig. 4).2a-bMateriaaleigenschappen van beton bij hogetemperaturen(gebaseerd op literatuurgegevens)a elasticiteitsmodulusb thermische geleidingsco?ffici?nt3.2. Proefopstelling en metingen sehe uitzetting van het beton aan de opge-De vrije oplegging van de vloerplaten werd warmde zijde.gerealiseerd door een ophanging in tweebeugelsdiescharnierendaaneenstalenbalk Het is gerechtvaardigd het criterium stabili-waren bevestigd. Tussen balken vloerplaat teit in zijn huidige vorm (f = 1/30^) in twijfelwaren twee vijzels geplaatst op een vierde te trekken. Ook bestaat er geen rechtstreeksvan de overspanning. Daarmee werd de be- verband tussen betondekking (zoals gedefi-lasting opgebracht (fig. 5). nieerdindenormNBNB-15ofindeCEB-FIP-Gedurende de proeven werd de doorbuiging richtlijnen) en dit stabiliteitscriterium zoalsgemeten in het midden van de plaat alsmede gehanteerd in de norm NBN 713.020, alsme-de temperatuur in de hoofdwapening, beide deinde analoge Franseen Nederlandse nor-als functie van de tijd. men. Beter zou zijn bij de beoordeling van debrandwerendheid van vloerplaten het crite-3.3. Resultaten riumstabiliteittebeschouwenals'hetgevaarHet meest opvallende resultaat is het bezwij- voor instorten'. Deze opvatting wordt onder-ken van alle vloerplaten op het criterium sta- steund door een bepaalde proef waaruitbiliteit. Een uitzondering hierop vormde de bleek dat het gevaar voor instorten bij eenribbenvloer, waarop nog wordt teruggeko- doorbuiging van 1/30 van de overspanningmen. waarschijnlijk niet re?el is. Ofschoon gedu-Vergelijking van deze resultaten met die van rende de brandproef de kritische doorbui-de andere vloerplaattypen toont aan dat er ging reeds na 57 minuten was bereikt, werdgeen verband bestaat tussen de gemiddelde de vloerplaat 120 minuten aan de genormali-staaltemperatuur en het criterium stabiliteit, seerde opwarming blootgesteld voordat de-zoals gedefinieerd in de norm NBN 713.020. ze instortte.Men stelde vast dat bij grotere betondekkingde kritische doorbuiging bij een lagere wa- In de doorbuiging als functie van de opwar-peningstemperatuur wordt bereikt. Derhal- mingsduur waren duidelijk drie periodes teve moet worden geconcludeerd dat de oor- onderscheiden: gedurende het eerste halfzaak voor de grote vervormingen niet zozeer uur had een snelle toename van de doorbui-moet worden gezocht in het afbraakproces ging plaats. Daarna volgde een afname vanvan de samenstellende materialen bij hoge de doorbuigingssnelheid tot praktisch eentemperatuur, maar vooral door de thermi- constante waarde en vervolgens opnieuwCement XXXIV (1982) nr. 10 6435b-cMomenten- en dwarskrachtenverloop bij deproefopstellingeen toenemende doorbuigingssnelheid ge-volgd door instorting (fig. 6).Deze ontwikkeling kan als volgt verklaardworden. Bij de aanvang van de brandproefwordt de onderste vezel van de betonplaatplotseling sterk verhit, met als gevolg eenuitzetting die trekspanning veroorzaakt in deonmiddellijk daarboven gelegen vezels, als-mede in de wapening. De laatste heeft nogniets van zijn mechanische kwaliteit verlo-ren: de trekspanning neemt toe, maar deplasticiteitsgrens wordt niet overschredenomdat de platen dan binnen een half uurzouden zijn ingestort. De snelle doorbuigingwordt dus in eerste instantie alleen veroor-zaakt door de uitzetting van de onderste la-gen van het beton. De daaruit resulterendetrekspanning kan door het staal worden op-genomen. Het draagvermogen van de plaatwordt blijkbaar nog niet aangetast.In de tweede fase (beginnend na circa 30minuten) zal bij de tragere temperatuurstij-ging in de oven de doorbuigingssnelheideveneens afnemen.In de derde fase begint ook het staal snellerop te warmen en vormt de thermische uitzet-ting ervan een belangrijke bijdrage in dedoorbuiging van de plaat. In deze derde enlaatste fase zal de elasticiteitsmodulus vanhet staal verder afnemen en uiteindelijk zalde rek dermate toenemen dat de onderzijdevan de vloerplaat belangrijke scheuren gaatvertonen. De stabiliteit wordt bepaald doorde verhouding tussen de heersende staal-spanning en de vloeigrens. De werkelijkestaalspanning is op dat ogenblik praktischconstant, maar de vloeigrens neemt bij stij-gende temperatuuraf.Dedoorbuigingssnel-heid neemt nu toe en zal oneindig groot zijnop het moment dat de staalspanning gelijkwordt aan de vloeigrens en de plaat instort.Gezien het beschreven gedrag van de platenis het van essentieel belang de verminderingvan de staaleigenschappen zo lang mogelijkuit te stellen of te vertragen.Cement XXXIV (1982) nr. 10 644Doorbuiging van de plaat als functie van detijdUit de proeven komt naar voren dat dit moge-lijk is door de volgende maatregelen:1. de betondekking vergrotenUit de beproevingsresultaten blijkt dat degemiddelde staaltemperatuur bij grotere be-tondekking lager ligt op het moment dat nietmeer wordt voldaan aan het normcriteriumstabiliteit. Hieruitvolgtdatde reststerktevande plaat na een doorbuiging van 1 /30 van deoverspanning bij toenemende betondekkinggroter is en dat het ogenblik van 'instorten'wordt uitgesteld.2. toepassing van meer ?solerend toeslag-materiaal (zoals lichtbeton of kalkhoudendtoeslagmateriaal dat een grotere warmte-inhoud heeft)De proeven hebben aangetoond dat het ef-fect van kalkhoudend toeslagmateriaal hetgrootst is.3. toepassing van een bepleisteringHet probleem ligt hier echter bij de aan-hechting van zo'n bepleistering, ofschoongeen verband werd geconstateerd tussenaanhechtsterkte en temperatuur.4. toepassing van een verloren metalenbekistingDe metalen bekisting heeft tijdens de proefalseen soort spouw gefungeerd waardoordewarmte-overdracht naar de vloerplaat werdafgeremd.3.4. Het brandgedrag van een ribbenvloerZoals reeds opgemerkt vormde alleen de rib-benvloer een u itzondering op het gedrag vande vloerplaten die bezwijken op doorbui-ging. Uit vroegere proeven was reeds geble-ken dat de doorbuiging van balken veel klei-ner is dan die van vloerplaten met vergelijk-baar draagvermogen. Een verklaring daar-voor is dat de trekzone van een ribbenvloermeer homogeen wordt verhit, daar dit aandrie zijden plaatsheeft. Als gevolg van dedunnere dekplaat is de thermische isolatiegeringer zodat het bezwijken van deze vloerhierdoor werd bepaald. Het moet evenwelmogelijk zijn door toepassing van een vol-doende isolerende betonvloer de thermi-sche isolatie te vergroten.4. Proeven op doorgaande platen4.1. OverzichtDe vraag was of statisch onbepaalde vloerenin dezelfde mate vervormen als statisch be-paalde vloeren. De vraag kon niet zondermeer worden beantwoord daar enerzijds devervormingen worden verhinderd door deinklemmingen en anderzijds de inklemmin-gen door de vervormingen worden be?n-vloed. Hierdoor zal zich in de inklemmingeneen krachtensysteem opbouwen waarovermeer i nzicht gewenst is, om in de praktijk vanhet bouwen de nodige voorzorgsmaatrege-len te kunnen treffen.In totaal werden 19 proeven uitgevoerd opplaten van 1900 7500 mm, met vari?rendedikte van 120,150 of 180 mm, met tussen desteunpunten een afstand van 4500 mm entwee uitkragingen ter lengte van 1500 mm.Onderzocht werden de invloeden van:- de aanvangsmomenten op de steunpun-ten;- de plaatdikte;- de veranderlijke belasting;- verloren metalen bekisting en alternatieveplaatsing van de wapening.Ook werden de vloerplaten bestudeerd dieslechts ten dele zijn ingeklemd.4.2. Proefopstelling en metingenDe doorgaande vloerplaat werd gesimuleerddoor de vloerplaat op te hangen in twee beu-gels die op hun beurt aan een stalen liggerwaren bevestigd. Tussen de stalen ligger ende uitkragingen van de vloerplaat waren hy-draulische vi jzels geplaatst waarmee deaan-vangsmomenten op de steunpunten kondenworden opgebouwd (fig. 7-8)). Tussen desteunpunten werd de belasting aangebrachtwaarvoor de vloerplaat was berekend.7a-bProefopstelling doorgaande vloerplatenCement XXXIV (1982) nr. 10 6454.3. ResultatenVastgesteld werd dat het niet raadzaam is debovenwapening te belasten tot de maximaaltoelaatbare spanning, daar de veiligheids-marge ten opzichte van breuk dan te klein is.Het heeft de voorkeur deze bovenwapeningruim te bemeten, hetgeen mogelijk iszondergevoelige financi?le consequenties. Doetmen dat niet, dan vloeit de bovenwapeningboven de steunpunten en zal de vloerplaatzich spoedig gedragen als een vrij opgeleg-de plaat met alle gevolgen van dien.Men stelde verder vast dat de betondekkingop de onderwapening een te verwaarlozeninvloed heeft op de brandwerendheid van deplaat.Wanneer de plaat goed is ontworpen, wordtde brandwerendheid bijna uitsluitend be-paald door de dikte. Door een oordeelkundigplaatsen van de wapening kan ervoor ge-zorgd worden dat scharnieren ontstaan opvooraf bestemde plaatsen. Het gedrag van deplaat vertoont dan gelijkenis met de vrij op-gelegde plaat, echter met een veel kleinereoverspanning zodat de brandweerstand nuwordt beperkt door het criterium thermischeisolatie.Een bekleding van gips, vermiculiet ofsoortgelijke materialen kan de belasting bijbrand die door de vloerplaat op de algeheleconstructie wordt uitgeoefend, beperken,ofschoon ook hier het probleem geldt vanonvoldoende aanhechting.Wanneer een verloren bekisting oordeel-kundig wordt aangebracht, heeft deze eengunstige invloed op de brandwerendheid.5. Proeven op ??nzijdige ingeklemdeplatenDaar het aantal proeven op deze platenslechts drie bedroeg, dient t.a.v. de resulta-ten het nodige voorbehoud te wordengemaakt.In principe werd voor deze proeven dezelfdeopstelling gebruikt als bij de doorgaandevloerplaten, maar slechts ??n van beide uit-kragingen werd afgestempeld.Wat de resultaten betreft moet in de eersteplaats worden opgemerkt dat er geen schar-nieren zijn gevormd, hetgeen te wijten wasaan het feit dat de plaat over de volledigelengte van een lichte bovenwapening werdvoorzien.Voorts bezweken de platen op doorbuiging.De ontwikkeling van de doorbuiging wasvoor alle drie de platen praktisch identiek. Dedoorbuigingssnelheid diebij de aanvang vande proeven relatief groot was, nam af naargelang de proeven vorderden. Gedurendedeperiode van scheurvorming (tussen de 10een 20e minuut) verliep de doorbuiging ver-traagd en onregelmatig; daarna zeer vloei-end. Voorts nam het inklemmingsmomentzeer snel toe om na ca. 15 minuten eenmaximum te bereiken. Het moment namdaarna zeer traag af.6. ConclusiesHet gedrag bij brand van zowel vrij opgeleg-de als doorgaande betonnen vloerplatenwerd uitvoerig onderzocht.? De vrij opgelegde platen vertonen zeersnel na de aanvang van de brand grote ther-mische vervormingen die 1/30 van de over-spanning overschrijden zonder dat daar-door instorting optreedt. Het stabiliteitscri-terium van 1/30 van de overspanning zoalsgehanteerd door de norm NBN 713.020 kandaarom in twijfel worden getrokken. Enkelemiddelen worden voorgesteld die de brand-weerstandvan isostatischeplaten verhogen.? Voor doorgaande platen volstaat het debovenwapening boven de steunpunten vol-doende te overdimensioneren om brand-weerstanden te bereiken die de twee uuroverschrijden. Hiervoor dient de plaat oor-deelkundig te worden ontworpen, rekeninghoudend met het uit dit onderzoek vastge-stelde gedrag bij brand van doorgaandevloerplaten.BoekbesprekingDe in deze rubriek besproken c.q. aangekondigde boekenkunnen ter inzage verstrekt worden doorde bibliotheekvan de Vereniging Nederlandse Cementindustrie, St.Teunislaan 1, Postbus 3011, 5203 DA 's-Hertogenbosch,tel. 073 -15 02 87.A.M.Neville, Properties of concrete, 3rd edi-tion, Pitman Publishing Ltd, Londen; 150 240 mm, 780 biz., ?10,50Neville's 'Properties of Concrete' is reedsjaren een gewaardeerd boek onder beton-technologen. In het boek worden op over-zichtelijke wijze alle belangrijke eigen-schappen van beton behandeld. Nevilleheeft zich echter niet beperkt tot de eigen-schappen van beton, ook de eigenschappenvan cement en toeslagmaterialen komenuitgebreid aan bod, alsmede de testmetho-den en de mengselberekening. Spijtig is indit verband dat hulpstoffen nog niet in eenapart hoofdstuk zijn opgenomen, maar aanhoofdstuk 2, 'Cements of Different Types'zijn toegevoegd.De nu uitgegeven derde editie is belangrijkuitgebreid en aangepast. Resultaten vanwetenschappelijk onderzoek zijn toege-voegd, terwijl ook de verwijzingen naar Brit-se en Amerikaanse normen zijn bijgewerkt.Gezien het feit dat Neville een Brit is, is hetniet verwonderlijk dat het boek vooral ge-richt is op de Engelse en Amerikaansemarkt. Voor de Nederlandse betontechno-loog bevat het echter voldoende basisinfor-matie om een volwaardige plaats op zijnboekenplank te verdienen. Voor de beton-technologen die werkzaam zijn bij bedrij-ven, die zich op de internationale marktrichten, is het een bijna onmisbaar naslag-werk.Als de toepassing van afvalpuin in betondoorzet, zal de betontechnoloog ook hier-voor zijn basisinformatie in dit boek kunnenvinden, omdat er een zekere overeenkomstbestaat tussen gebroken natuurlijke poreu-ze materialen en gebroken baksteen- en be-tonpuin.Voor mensen die geen of een beperkte ken-nis hebben van de betontechnologie, is hetboek minder geschikt. Het kan niet als leer-boek aangemerkt worden, het is veeleer eennaslagwerk. Neville geeft vaak resultatenvan wetenschappelijk onderzoek voor watze waard zijn en laat de praktische interpre-tatie over aan de deskundigheid van de le-zer. De uitstekende literatuurverwijzing ende literatuurlijst, welke aan het eind van ie-der hoofdstuk is opgenomen, maakt het mo-gelijk de oorspronkelijke gebruikte litera-tuur erop na te slaan.Het opzoeken van bepaalde onderwerpenwordt nog vereenvoudigd, doordat aan debovenzijde van iedere linkerbladzijde denaam van het betreffende hoofdstuk staaten aan de bovenzijde van iedere rechterbladzijde het behandelde onderwerp is ver-meld. Ten opzichte van de tweede editie isde onderverdeling van de hoofdstukkenoverzichtelijker gemaakt. Tussen de onder-werpen is een redelijke ruimte onbedruktgelaten, waarin de opschriften dikgedruktzijn, zodat ze direct in het oog springen.Daarnaast bevat het boek nog een uitste-kende auteurs- en onderwerpen index metaanduiding van de pagina(s), waar de be-treffende onderwerpen behandeld zijn. Ookzijn er overzichten opgenomen van de rele-vante ASTM en British Standards.In detail ingaan op de volledige inhoud vanhet boek zou te ver voeren. Neville behan-delt het volledige vakgebied van de beton-technoloog, zoals cement- en toeslagmate-rialen, eigenschappen van verhard beton,tijdsafhankelijke vervormingen, duurzaam-heid, mengselberekeningen en het testenvan beton ?nalzijn facetten. Maarhijgaatook inop zaken als mengen, verdichten, pom-pen en het storten van massieve betoncon-structies. In een apart hoofdstuk worden debijzondere betonsoorten behandeld, zoalslichtbeton, zwaar beton, vezelversterkt be-ton en polymeerbeton.Aanschaffen van de hier besproken derdeeditie is mijns inziens een volledig ver-antwoorde uitgave, waar men nog jaren ple-zier van kan hebben.N. van der WindenCement XXXIV (1982) nr. 10 646