C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrandcement 2002 452De 533,3 m hoge vrijstaande tele-visietoren (foto 1) werd in 1967gebouwd als een constructie vangewapend beton, met verticalevoorspanning ter voorkoming vanhorizontale scheurvorming doorwindbelasting. In de schacht be-vinden zich naast zestien vloerenen dertien platforms, vier lift-schachten, schachten voor com-municatiekabels, voedingskabels,waterleidingen en afvalwaterlei-dingen.K w a l i t e i t s a s p e c t e n b e t o nDeomgevingsconditiesinMoskouzijn zwaar; jaarlijks ondergaat hetKwaliteit gewapend-betonnen schacht boven verwachtingDe Ostankino televisietorenna de brandprof.dr. A.F. Milovanov, dr.ir. V.V. Solomonov, dr.ir. I.S. Kusnezova (NIIZB) *)Op 27 Augustus 2000, even na de middag, trad kortsluiting op in de voe-dingskabels in de metalen antenne van de Ostankino televisietoren inMoskou, op een hoogte van ongeveer 430 m. Als gevolg daarvan brak eenbrand uit, die bijna 24 uur aanhield. Het betonoppervlak van de schacht werddaarbij blootgesteld aan hoge temperaturen (400 ?C) en op enkele plaatsenaan directe brand. Dit artikel doet verslag van een onderzoek naar de rest-waarde van de constructie.*) Dit artikel is eerder verschenen inhet Russische blad Beton y Sjepeso-beton. Het artikel is eerst in het Engelsen daarna in het Nederlands vertaalddoor dr. J.B. Kazurykanyo en dr.ir.drs.C.R. BraamC o n s t r u c t i e -o p b o u wDe hoofddraagconstructie vandeOstankinotelevisietoren(?0,2tot +311 m) bestaat uit een holleconische schacht op een funde-ringsplaat. De buitendiameterbedraagt aan de voet 18,2 m enop 311 m hoogte 8,2 m. De wand-dikte verloopt van 600 naar500 mm van ?0,2 tot +63 m; van+63 m tot +311 m is de wand-dikte 400 mm. Daarboven is detoren een holle rechte schacht meteen buitendiameter van 8,2 m eneen wanddikte van 350 mm.Op +385,5 m bevindt zich een1,5 m dikke vloer waarin eensparing ? 4,2 m. Deze vloerdraagt de 147,5 m hoge telesco-pische antenne. De antenne isgeplaatst in een 10,4 m langehouder, ? 4 m. De bevestigings-middelen voor de houder zijngeplaatst langs de sparing in devloer. De ruimte tussen de houderen de vloer is gevuld met licht-beton.1 | De Ostankino televisie-toren; statussymboolvan de voormaligeSovjet-Uniefoto's: CorbisC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrandcement 2002 4 53beton 35 vorst/dooicycli en plaat-selijk treedt ijsvorming op. Derelatieve vochtigheid van de luchtvarieert van 80 tot 90% en soms100%, wanneer de laaghangendewolken tot een niveau van 150 mzakken.De schacht is vervaardigd vanbetonsterkteklasse B 35 en voor-zien van een dubbel wapening-net. De wapening bestaat uit ver-ticaal ? 25-32 mm (staafafstand170-220mm)enhorizontaal?14-16mm(staafafstand200-276mm).De dekking op het hart van de ver-ticale wapening, zowel naar debinnen- als de buitenzijde, be-draagt 60 mm (fig. 2).Toegepastisvorstbestendigbeton,waarin portlandcement met eenlaag C3A-gehalte (28-daagse druk-sterkte van de cementpasta is57-65 N/mm2), kwarts veldspaat(fractie 2,6-2,8 mm) als fijn toe-slagmateriaal en graniet (fractie5-32 mm, druksterkte boven 120N/mm2) als grof toeslagmateri-aal. Voor de verwerkbaarheid iseen sulfide-alcohol, luchtbelvor-mende superplastificeerder ge-bruikt.De druksterkte van het beton was37-45, 45-50 en 50-60 N/mm2 narespectievelijk 28 dagen, 1 en 5jaar. De druksterkte na 5 jaar wascirca 50% hoger dan de gebruikterekenwaarde.V o o r s p a n n i n gDe voorspankabels (? 38 mm)bevinden zich 50 tot 100 mm uitde binnenzijde van de schacht enzijn dus niet omstort. In totaalbevat de constructie 149 kabelsmet lengtes tussen 145 m en 344m, verdeeld over de omtrek van deschacht. De kabels zijn opge-bouwd uit 259 gegalvaniseerdedraden ? 1,8 mm. Deze zijn aande bovenzijde verankerd in uit deschacht kragende betonranden.Om de samenwerking tussen devoorspankabels en de gewapendeschacht te bevorderen, zijn dekabels met speciale voorzienin-gen, om de 7 m, verbonden metde schacht.In april 1967 zijn de kabels ge-spannen met een kracht van 690-720 kN, resulterend in een trek-spanning van circa 1090 N/mm2.Na drie jaar was de voorspan-kracht afgenomen met circa 12%en bedroeg deze nog 600-630 kN.D e b r a n dDe voedingskabels, waarin debrand uitbrak (foto 3, fig. 4), warenge?soleerd met een polyvinyl-chloride (pvc) bekleding. PVC iseen brandbaar materiaal dat ther-misch ontleedt bij 230 ?C en ont-brandt bij 450 ?C. Het brandt fel;2 | Schematische weergave van de locatievan de brandhaarden in de toren1 metalen antenne;2 ontstaan van de brand;3 restaurant en observatieplatforms;4 gewapende schacht;5 schacht met voedingskabels;6 richting van ontvlammen isolatievoedingskabels;7 richting warmtestroom;8 locatie waar het vuur dooft;100-500 ?C ? temperatuur van hetbetonoppervlak aan de binnenzijdevan de schacht.3 | De brand woedt in vollehevigheid4 | Voedingskabel1 interne koperengefelsde buis; diame-ter 60 mm, wanddikte1 mm;2 externe koperengefelsde buis, diame-ter 150 mm, wand-dikte 1,5 mm;3 inwendige pvcisolatie spiraal 8*8mm;4 uitwendige pvcisolatie; dikte 5 mmC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrandcement 2002 454tijdens de brand werden tempe-raturen tot circa 1000 ?C bereikt.De koperen kern van de voedings-kabels heeft een goede warmte-geleiding, waardoor de warmtezichsneldoordekabelsverspreid-de. Hierdoor ontstonden nieuwebrandhaarden in de isolatie.Door de warmte smolt het pvc enviel in druppels naar beneden. Opplaatsen waar de voedingskabelsviaopensparingendoordevloerenwaren geleid, lekte het brandendeisolatiemateriaal naar beneden.Op deze wijze verspreidde hetvuur zich van boven naar bene-den.De vuurbelasting van de torenwerd voornamelijk geleverd doorde pvc kabelisolatie. Plaatselijkwas deze hoger, door brandbaarmateriaal in de schachten metcommunicatiekabels en in demachinekamers van de liften.Tijdens de brand fungeerde deschacht als een schoorsteen. Doorde aanwezigheid van openingenin de schacht ontstond een sterketrek, waardoor de verspreidingvan de brand over de verschil-lende niveaus werd bevorderd.De brandhaarden zaten voorna-melijk in de ruimten tussen deliften en de betonschacht, bij devoedingskabels. De constructierond de liftschachten was ge-maakt van dun metaal en gaas,dusongeschiktalsbrandscheiding.Hetbetonoppervlakvandeschachten de voorspankabels werdenblootgesteld aan hoge temperatu-ren en op enkele plaatsen aandirecte brand. De temperatuurvan het beton aan de binnenzijdevan de schacht liep op tot:100-120 ?C op niveaus tussen80-130 m;120-200 ?C op niveaus tussen130-170 m;200-300 ?C op niveaus tussen150-325 m;350-400 ?C op niveaus tussen320-380 m.De temperatuur van de voorspan-kabels was 50 tot 70 ?C hoger dandie van het beton (fig. 5).S c h a d e e n s c h a d e o o r z a k e na a n d e s c h a c h tTijdens de brand werd het beton-oppervlak onregelmatig opge-warmd. Op de niveaus +201, +253en +374 m steeg de temperatuurtot 400 ? 500 ?C; hier spatte debetondekkingaftoteendieptevan30tot50mm.E?noorzaakvanhetbros bezwijken van het beton washet ontstaan en de onregelmatigegroei van scheuren door de ex-terne drukkrachten als gevolg vande voorspanning. Andere oorza-ken waren de temperatuurgra-di?nten in de betondoorsnede ende trekspanningen veroorzaaktdoordat water verdampt in depori?n van het beton. Het toege-paste beton had een hoge sterkte,een hoge dichtheid en een lageporositeit (dergelijk beton heeftveel gesloten pori?n). Tijdensbrand neemt de druk, door ver-dampend water, op de pori?n-wandentoeenboven250?Ctreedtbros bezwijken op.De druksterkte van het beton aande binnenzijde van de schacht isdoor de brand tot 15% afgeno-men. Merk wel dat de druksterktev??r de brand ruim anderhalfmaalderekenwaardebedroeg!Dehorizontale wapening was opge-warmd tot 200 ? 250 ?C, de verti-cale wapening tot 150 ? 200 ?C.Dergelijke temperaturen hebbenevenwel geen invloed op de sterk-te van het wapeningsstaal. On-danks de brand is de reststerktevan de betonnen schacht daaromnog altijd hoger dan de ontwerp-waarde.Enkele voorspankabels op de ni-veaus +201, +253 en +374 m, terplaatse van de brandhaarden, wa-ren gebroken. Bij temperaturenboven 300 ?C neemt de treksterk-te van de hogesterkte, koudge-trokken koolstofstalen draden afen neemt de kruipvervormingtoe. De maximale vervorming bij20 ?C is 4 tot 5%. De kracht in devoorspankabels was circa 600 kN,de trekspanning in het voorspan-staal circa 900 N/mm2. Om dezespanning te bereiken was een ver-vorming van 20 tot 30% in dedraden aangebracht.De reductie van de treksterkte vande draden als functie van de tem-peratuur is berekend, rekeninghoudend met een co?ffici?nt voorde gebruikstoestand, st(fig. 6).Een kabel breekt als de trek-sterkte, door verwarming, onderhet voorspanniveau komt.VoorspanverliezenDe gemiddelde temperatuurstij-ging van de kabels was, over degehele hoogte van de schachtgezien, relatief gering. Door dehoge plaatselijke temperaturennamen de voorspanverliezen inde niet-gebroken kabels toe. Debijkomende verliezen werden ver-oorzaakt door relaxatie van despanning in de draden, het ver-schil in vervorming tussen dekabels en de betonnen schacht endoor thermische krimp en kruipvan het verhitte beton.Het resulterende gedeelte van de5 | Temperatuur in de gewa-pend-betonnen schachten in de voorspankabels1 verticale wapening;2 horizontale wapening;3 voorspankabel;4 beton6 | De co?ffici?nt voor dereductie van de trek-sterkte (st) en voor deE-modulus () van hethogesterktestaal1 tijdens de brand;2 na de brandC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBrandcement 2002 4 55voorspanning in een kabel, alsfunctie van de toename van detemperatuur, kan bij een initi?levoorspanning p0= (0,4-0,6)Rpworden geschreven als:sp= 89 ? 0,27T (1)waarinspis het resterende voorspan-niveau (als percentage vande initi?le voorspanning);T is de temperatuur van dekabels (?C).De vergelijking is toepasbaar alsT > 20 ?C en sp> 0.Hiermee wordt bepaald, dat bijeen temperatuur in de kabels van100, 200 en 280 ?C, de resterendevoorspanning respectievelijk 62,35 en 13% is. Bij 330 ?C is de voor-spanning geheel verloren.In de 154 m lange kabels, veran-kerd op het niveau +195 m enverhit tot gemiddeld 200 ?C, washet voorspanverlies 35%. De trek-sterkte van het staal was afgeno-men met 13%. Door het opnieuwaanbrengen van de ontwerpwaar-de van de voorspanning, zijn dezekabels weer benut.Andere kabels waren niet gebro-ken, maar hingen slap omdat zijna de brand hun voorspanninghadden verloren. De treksterktevan het staal was afgenomen met47 tot 75%. Deze kabels kondenniet langer functioneren. De ka-beltemperatuur had 400 ? 500 ?Cbedragen, gedurende 20 tot 30minuten. De zink coating op dedraden was boven 400 ?C ont-brand, de doorsnede van de ka-bels was afgenomen en de kabelswaren door hun eigen gewicht(circa 2 ton voor een lange kabel)geslipt door de punten waarmeeze aan de schacht waren verbon-den.De spanning in de kabels door heteigen gewicht was 15-20 N/mm2.Zelfs bij een zo geringe trekspan-ning neemt de elastische vervor-ming sybij 400 tot 500 ?C toe doorde afname van de E-modulus.Verder is er een snelle ontwikke-ling van de kruipvervorming sc.De totale vervorming is:s= sy+ sc(2)sy= ssls/ sEs(3)sc= (1Ts2/ 2 ? 2Ts3/6 + 3Ts4/ 24) ls(4)waarinss, is de trekspanning vande kabel;Esis de E-modulus vande kabel;lsis deel van de kabelmet constante tempe-ratuur;Tsis de temperatuur vande kabel in ?C;sis de co?ffici?nt die deafname van de E-mo-dulus van de kabelin rekening brengt(fig. 6);1, 2, 3zijn experimenteel tebepalen co?ffici?nten,afhankelijk van despanningen in dekabel.Ervan uitgaande dat een kabelover een lengte van 100 m eentemperatuur van 450 ? 500 ?Cbereikt, is de elastische vervor-ming 0,03-0,10 m en de kruipver-vorming 0,16-0,34 m. De totalevervorming is 0,19-0,44 m. Dezevervorming stemt overeen met dedoorhang van de kabels, die na debrand is waargenomen in hetonderste gedeelte van de schacht.C o n c l u s i e sHet onderzoek naar de kwali-teit van de gewapend-betonnenschacht na de brand en een theo-retische analyse van de invloedvan brand op gewapend-beton-constructies, leidde tot de volgen-de conclusies:? De sterkte en stabiliteit van degewapend-betonnen schacht isniet afgenomen door debrand.? De metalen antenne was goedbevestigd aan de betonvloer inde schacht.? De stijfheid van de gewapend-betonnen schacht is aanzien-lijk afgenomen; bij hoge wind-belasting kunnen horizontalescheuren ontstaan.? Alle voorspankabels die door-hangen of breukverschijnselenhebben, moeten worden ver-vangen.? Het gebruik van voorspan-kabels met draden ? 5 mmheeft de voorkeur bij het aan-brengen van nieuwe kabels.? De voorspankabels moetenzijn voorzien van anticorrosieen brandwerende lagen.De brandwerende laag moetzodanig worden gekozen datbij brand de temperatuur in dekabels onder de 100 ?C blijft.? Om de brandweerstand van deschacht te vergroten, moetenbij het repareren van hetinwendige van de schacht,brandwerende materialenworden gebruikt voor de isola-tie van voedingen, kabels envoorzieningen.