Invloed van hoge temperaturen op voorgespannen betondoor Dipl.-Ing. G. BaarVoordracht gehouden op het Congres te Gent van 9-13 September 1981Als onderdeel van de reeks onder-zoekingen, welke door de S.T.U.V.O.gedaan worden op het gebied vantemperatuursinvloeden op voorge-spannen betonconstructies, werddoor N.V. Betonbouw Dura teHeerlen een uitgebreide brandproefop een voorgespannen betonbalkuitgevoerd. Deze brandproef werdgedaan in samenwerking met debrandcommissie van de S.T.U.V.O.,de Rijksinspectie van het brandwe-zen en het BrandveiligheidsinstituutT.N.O. te Delft, waarbij wij in hetbijzonder met dank moeten memo-reren de ondervonden steun enadvies van ir. C. v. Boven.Normale gewapend-betonconstruc-ties bezitten, zulks in tegenstellingtot b.v. hout- of staalconstructies, deaangename eigenschap, dat zij --zonder dat men hoeft over te gaantot bijzondere beschermende maat-regelen -- een hoge mate vanbrandveiligheid bezitten. Onder eengeheel brandveilige constructie ishier dan een zodanige te verstaan,dat deze -- gedurende langere tijd(enkele uren) -- blootgesteld aanhoge temperaturen (800?C--1000?C)geen dusdanige beschadiging ver-toont, waardoor de draagkracht vande constructie ernstig achteruitloopt, of waardoor zich ontoelaat-bare blijvende vervormingen voor-doen.Door de vele onderzoekingen naarde gedragingen van normaal ge-wapendbeton heeft men reeds langde conclusie getrokken, dat zijngrote brandveiligheid in hoge mateafhankelijk is van een voldoende engoed afgesloten betondekking vande wapeningsstaven, welke het meestaan de hoge temperaturen zijnblootgesteld. Indien n.l. door dezebetondekking, welke een slechtewarmtegeleider is, de temperatuurin het wapeningsstaal niet spoedig ofmaar weinig toeneemt, is gevaarvoor grote doorbuiging of vernielinggering. De breuksterkte en de elas-ticiteitsgrens van normaal beton-staal (St. 37) neemt n.l. pas na ver-hitting boven 200 ?C--300 ?C in be-langrijke mate af. Zorgt men dus bijeen normaal gewapend-betonge-bouw naast een doelmatige con-structie ook nog voor een goede be-tondekking ((zoals de gewapend-betonvoorschriften voorschrijven)en voor ?en dicht en gesloten beton,dan is een dergelijke constructie --zoals de praktijk reeds vele malentoonde -- te classificeren als in hogemate brandveilig.Hoe staan de zaken nu ten opzichtevan het voorgespannen beton?Door de nog korte periode van dezenieuwe techniek en door de veleproblemen, welke nog om een op-lossing vragen al naarmate het voor-gespannen beton een ruimer toepas-singsgebied krijgt en aan belang-232rijkheid wint, is ons van de matevan brandveiligheid van voorge-spannen beton nog slechts weinigbekend.En toch zou het als een vrij ernstigverlies moeten worden beschouwd,indien naast de vele voordelen,welke het voorgespannen beton onsbiedt, deze constructiewijze aanbrandveiligheid ten achter zou staant.o.v. b.v. normale gewapend-beton-constructies.Door het dikwijls geheel andere ka-rakter van het voorgespannen betontreden speciale moeilijkheden op.Allereerst wordt voorgespannenbeton van materiaal vervaardigd meteen zeer veel hogere kubussterktedan voor normaal beton, n.l. eenK28 van 450--550 kg/cm2en wor-den er in de constructiedelen ookdaadwerkelijk hogere spanning toe-gelaten (b= 125--150 kg/cm2).Met deze hoge betonspanningengaat, naar men verwacht, reeds di-rect een betere warmtegeleiding ge_paard. Een gunstige omstandigheidmag men echter weer verwachtenuit het feit, dat doorgaans in hetgehele constructiedeel overal druk-spanningen optreden.Ook het mechanische verdichten,waartoe men, om de hoge druk-sterkte te verkrijgen, steeds zijn toe-vlucht moet nemen, schijnt dewarmtegeleiding eerder te verge-makkelijken dan te bemoeilijken.Voorts is bij de meer massale afme-tingen van normale betonconstruc-ties een betere en snellere warmte-afvoer te verwachten dan bij dedoorsnede besparende constructiesin voorgespannen beton.Tenslotte is het een algemeen be-kend feit, dat monoliet gestorte, sta-tisch onbepaalde constructies eenbetere weerstand bieden tegen ver-vorming door warmte dan statischbepaalde, vrij opgelegde balken. Devoortschrijdende techniek zal echterbij de voorgespannen constructies,ongetwijfeld nog vaker dan thans,ook met succes voor statisch onbe-paalde constructies kunnen wordentoegepast; deze laatste achterstandzal dan ook slechts van tijdelijkeaard zijn.Wat betreft het voor voorgespannenbeton te gebruiken hoogwaardigestaal staan we er ook ongunstigervoor dan bij St. 37. Het verlies vansterkte bij hogere temperaturengeschiedt n.l. bij hoogwaardig staalsneller en in meer funeste mate danbij St. 37.We zullen nu trachten een over-zicht te geven, van hetgeen men totnu toe met de nog vrij schaarse on-derzoekingen heeft gevonden op hetgebied van de inwerking van hogetemperaturen op beton en staal; ver-volgens zullen wij een beschrijvinggeven van de beproeving en de re-sultaten bereikt met een brand-proef, uitgevoerd op ware grootte,op een voorgespannen betonbalk,welke genomen werd uit een grootaantal (400 stuks) vervaardigd vooreen magazijnbouw te Heerlen.1)Onderzoekingen van deinvloed van warmte op betonDoor Amerikaanse onderzoekingenis bekend, dat met toenemende tem-peratuur de elasticiteitsmodulus vanbeton sterk afneemt (zie graf. 1).Weliswaar werden deze onderzoe-kingen verricht voor een beton meteen geringere druksterkte danvoor voorgespannen beton wordt ge-bruikt, doch er is geen reden om teveronderstellen, dat een dergelijkeafname bij hoge temperaturen vanE voor beton met hoge druksterkteniet evenzo zou plaatsvinden.Met een sterke vermindering vanEb is een overeenkomstig groteredoorbuiging van de balk te ver-wachten. Dit speelt bij voorgespan-nen beton een des te grotere rol,1) Magazijngebouw Vroom & Dreesmann,Arch.: ?r. F. P. 3. Peutz b.i.Zie ook Cement 1 (1949) Nr 5-6graf. 1. Kb en Eb als functie van detemperatuurgraf. 2. treksterkte van verschillendestaalsoorten als functie van deemperauurCement 4 (1952) Nr 13-14vlak van ca 2 500 m2, waarvoor --voor de eerste maal in Nederland --voor de verschillende verdiepings-vloeren balken van voorgespannenbeton werden toegepast. Zij werdengeconstrueerd en uitgevoerd doorN.V. Betonbouw Dura te Heerlen.Op raamwerken van normaal ge-wapend beton werden in totaal ca400 stuks voorgespannen betonbal-ken gemonteerd van 11,60 m1lengte(h.o.h. afstand 1,50 m1). Op de bal-ken werden betonvloerplaten ge-legd. Behalve de daaroverheen aan-gebrachte vloerafwerking bedroegde nuttige belasting 400 kg/m2.De foto's I en II geven enige indrukvan het bouwwerk.De balken zijn voorgespannen vol-gens het Systeem Blaton-Magnelen bezitten ??n kabel van 24 draden? 5 mm.Een der balken werd gebruikt voorde thans te beschrijven brandproef;deze balk was ca een ? jaar oud.Opgelegd op twee betonblokken,zodat de onderzijde van de balk ca30 cm vrij van de grond was, werdlangs beide lange zijden van de balkeen 0,22 m zware muur gemetseldvan z.g. poriso-stenen (een goedvuurbestendig materiaal), zodat degehele balk als het ware in eenlange oven was gebouwd. Verschei-dene openingen, welke op eenvou-dige wijze, al naar wens, afgedichtkonden worden, gaven de nodigeluchttoevoer tijdens de verhitting.Een speciaal aangelegde zware gas-leiding zorgde rondom voor de no-dige brandstofaanvoer. Vanuit dezeleiding voerden 22 gasinj eetoren iotin de oven. In en op de balk en inde oven waren een 12-tal thermo-koppels geplaatst om tijdens hetproces de gedragingen van het vuurte kunnen vaststellen. Teneinde detemperatuurafval in het beton na tekunnen gaan, waren er enkele ther-mokoppels op verschillende diepteaangebracht, vari?rende van 6 tot5 cm uit het oppervlak. Ook warenenkele koppels direct aan de dradenvan de kabel bevestigd. De nuttigebelasting was over de gehele balk-foto II. montage van een der balken engemonteerde overige balkenCement 4 (1952) Nr 13-14 233daar het t.o.v. het beton slechts zeergeringe wapeningspercentage op dedoorbuiging in eerste instantiegenerlei gunstige invloed uitoefent.In het begin zal door de slechtewarmtegeleiding de temperatuurvan de kabel slechts weinig stijgen.Indien, zoals bij brand meestal hetgeval is, de temperatuur aan debalkonderzijde snel stijgt en debovenzijde nog betrekkelijk koelblijft, treedt er onvermijdelijk eenverschillend grote balkverlengingop aan onder- en bovenzijde. Deonder spanning staande kabel zalechter, zolang hierin de tempera-tuur nog niet is opgelopen, geenneiging tot verlenging vertonen ende balkverlenging trachten te be-letten, terwijl tegelijkertijd de span-ning in de kabel oploopt.E.e.a. moet onvermijdelijk eensterke doorbuiging tengevolge heb-ben, daar de uitzetkracht door ver-warming van de balkonderzijde ende tegengesteld werkende kabel-foto I. magazijngebouw van Vroom en Dreesmannte Heerlenkracht tezamen een koppel vormenbij de balkeinden.Graf. 2 geeft de spanningsafval aanvan hoogwaardig staal en normaalSt. 37, wanneer deze materialen di-rect worden blootgesteld aan hogetemperaturen. Hieruit blijkt datt.o.v. van St. 37 het hoogwaardigestaal ongunstiger door hogere tem-peraturen wordt be?nvloed. Reedsbij 300?C is de breukspanning tot78 % en de elasticiteitsgrens zelfstotca 65 % van haar oorspronkelijkewaarde teruggelopen.Deze grafiek van het hoogwaardigestaal, welke voor Zweedshoogwaar-dig staal van ? 4 mm opgesteldwerd door M. R. Ros van hetSchweizerische Versuchsanstalt teZ?rich, werd door ons aangevuldmet de overeenkomstige krommevan het Belgische Beckeart-staal? 5 mm, dat voor de thans te be-schrijven proefbalk werd gebruikt.In Heerlen is onlangsgereedgekomeneen gebouw met een grondopper-lengte aangebracht in de vorm vandaarop gestorte betonblokken.Tot doel was gesteld, in de oven eentemperatuursverloop te bewerkstel-ligen, zoals de internationale stan-daardtijd-temperatuur kromme dieaangeeft en volgens welke construc-ties, al naar gelang hun gedragingenbij brand, geclassificeerd worden(graf. 4).Tengevolge van warmteverlies werddeze toestand niet geheel bereikt. Erwerd in twee etappes verwarmd.Eerst werd n.l. gedurende 30 minverhit, waarna de branders werdengedoofd. Dit werd gedaan, omdatmen van mening was, dat de ge-noemde ideale tijd-temperatuur-kromme gemakkelijker zou kunnenworden bereikt, als de oven en debalk eerst waren voorverwarmd.Na een pauze van 140 min werd op-nieuw begonnen met verhitten,thans in totaal nogmaals 105. min,tot het uitvallen van vele thermo-koppels en de zeer vervormde toe-stand van de balk deed besluiten,het vuur te doven.Graf. 5 geeft een overzicht over hetbrandverloop. Bij het eerste maaldoven van het vuur bezat de onder-zijde van de balk, welke over degehele lengte direct met de vlammenin aanraking was geweest, een tem-peratuur van 680 ?C; tegelijkertijdbedroeg de temperatuur aan debovenzijde 355 ?C (een verschil van325 ?C!). In de balk gemeten op 3en 5 cm diepte was de temperatuurweer nog veel lager, n.l. in de onder-flens max. 90 ?C en in de bovenflensmax. 30 ?C. Ook was duidelijk eentijdsverschil waar te nemen in hetoplopen van de temperatuur buitenen binnen de balk, terwijl de tempe-raturen in de balk nog opliepen, toenna het doven van het vuur de oven-temperaturen weer tot ca 50 ?C wa-ren gedaald. Gezien de voorgaandebeschouwingen was tengevolge vande voor de balk zeer eenzijdige ver-warming een doorbuiging van bijna3,5 cm niet verwonderlijk.Na de tweede ontsteking van devuren toont het volgende gedeeltevan graf. 5 een oplopen van deonderzijde tot max. 710 ?C, hetgeenbij een oventemperatuur van ca860 ?C werd bereikt. In de onder-flens en de kabel werd gelijktijdigeen max. temperatuur van 230--270 ?C gemeten, terwijl die in debovenflens niet hoger opliep dan tot100 ?C (zie graf. 6).Ook bij deze tweede verwarming,waarschijnlijk wederom door hetgrote temperatuurverschil, zettezich de balkdoorbuiging voort, totdatbij het doven van het vuur eendoorbuiging van 12,5 cm werd ge-constateerd.Er bleek toen duidelijk, dat dewijze van uitvoering van de proefenkele fouten vertoonde, die in depraktijk moeilijk te ontgaan zijn entemeer hinderen, omdat de brand-proef in deze vorm slechts ??nmaalkon worden gedaan. Allereerst wasdoor het gesloten karakter van deoven de balk tijdens de verwarmingniet aan de buitenzijde te obser-veren, zodat het tijdstip, de plaatsen de grootte van de scheuren nietwaren te bepalen.De thermokoppels, waarvan ge-wenst geweest ware, dat zij in nogveel groter aantal waren aange-bracht, waren om begrijpelijke re-denen elk afzonderlijk ge?soleerd,teneinde zoveel mogelijk alleen detemperatuur van de desbetreffendeplaats aan te geven. Deze isolatie nuwas met een min of meer starre ver-binding door de ovenwanden heengevoerd. Toen nu de niet voorzienegraf. 5grote doorbuigingen optraden, wer-den achtereenvolgens verschillendeverbindingen van de thermokoppelsmet de balk verbroken. Hierdoorwas het niet langer mogelijk, dewaarnemingen van de temperaturenin de balk voort te zetten. Gezienechter het verschijnsel, dat de tem-peraturen in de balk langzamerstijgen dan aan de buitenzijde, ismet zekerheid aan te nemen, dat detemperaturen in de balk hoger zijngeweest dan de hierboven genoemdemaxima. Na het doven van het vuurzette zich dan ook de balkdoorbui-ging voort, totdat ca 2 uren na debrand de grootste maat van 19,3 cmwerd bereikt. Direct nadat de vlam-men waren uitgedraaid, werd eender ovenwanden verwijderd enwerd de balk zichtbaar (foto III).Zonder dat ook maar ergens stukkenvan de balk waren afgesprongen,vertoonde zij overal van de onder-naar de bovenzijde verlopendescheuren; zij moest dus als verderonbruikbaar worden gekwalificeerd.De kabeluiteinden, welke voor deproef onbeschermd waren gehouden,vertoonden geen enkele vervormingof verschuiving van de draden ofwiggen.Gezien de grote vervorming van debalk, was niet te verwachten dat degemeten max. doorbuiging wederomzou teruglopen. Toch bedroeg devolgende dag, toen de balk was af-gekoeld, de doorbuiging 14,2 cm,een vermindering dus van 5,1 cm.Toen daarna de bovenbelasting werdverwijderd, herstelde de balk zichnogmaals 7,7 cm, zodat tenslotte eenblijvende doorbuiging van 6,5 cmoverbleef.De reeds genoemde vele scheurenhadden de weerstand van de balkechter aanzienlijk verzwakt; belas-tingen van ca 100 kg waren toenvoldoende om verende doorbuigin-gen van enkele centimeters te ver-oorzaken.Afgezien van de isolatie door het234Cement 4 (1952) Nr 13-14foto III. aanzicht van de verhitte balkna verwijdering van een der ovenwandenbeton zelf (de kabel had een mini-male dekking van 5 cm) moet on-getwijfeld de cementinjectie van hetkabelkanaal er veel toe hebben bij-gedragen, dat de temperaturen inde draden nooit zeer hoog zijn ge-weest. Hoe deze cementinjectie wer-kelijk alle draden omsloot en het ge-hele kanaal vulde, bleek, toen in hetbalkmidden het beton over ca 1,50m losgeklopt en de kabel zichtbaarwerd (foto IV). Zeer duidelijk wasde voor het Blaton-Magnel systeemkarakteristieke opbouw van de ka-bel zichtbaar en de onderlingedraadafstand, waardoor het inlopenvan de injectiespecie zeer verge-makkelijkt wordt. Enkele afgekloptestukjes injectiemortel vertoondenduidelijk de afdrukken van de dra-den, welke zij vroeger geheel om-sloten.Tenslotte werden na het slopen vande balk uit het kabelmidden (deplaats waar de grootste verwarmingheeft plaats gevonden) enkele dra-den geknipt en hiervan de spanning-rek-diagrammen bepaald.In graf. 7 a en b is te zien, dat dekwaliteit van het staal geenszinsheeft geleden. In vergelijking metenkele andere draden, reeds eerdergraf. 6uit dezelfde partij staal voor dezebalken beproefd, is geen enkele ver-slechtering te constateren; integen-deel.Ook hieruit mag worden geconclu-deerd, dat de staaldraden geen ho-gere temperatuur dan 300? zullenhebben gehad.Resumerende menen wij uit de ge-dane proefneming het volgende temogen concluderen.Ie. Een betondekking van 5 cm te-zamen met een goede kabelinjectie,zoals bij het Blaton-Magnel systeemongetwijfeld het geval is, is voor dekabel een voldoende beschermingvoor temperaturen van 700? tot800?C. De kabelinjectie dient steedsmet grote zorg te worden behandeld.2e. Beton van hoge druksterkte,zoals dit door mechanische verdich-ting wordt bereikt, blijkt bij bloot-stelling aan hoge temperaturen inbelangrijke mate aan druk- en trek-sterkte te verliezen.3e. De warmte-overdracht in de balkwas gering; hier is dan ook hetgrote warmte-accumulerend ver-mogen van invloed. Bij verdereproefnemingen dient men dan ookterdege rekening te houden met deafmetingen van de proefstukken.4e. De grootte van de balkdoorbui-ging hangt in sterke mate af vande, op het moment van de brand,aanwezige bovenbelasting op debalk. De spanningsverdeling in debalk bij voorgespannen beton vari-eert hiermede n.l. zeer veel. Zonderbovenbelasting is de balk t.g.v. devoorspanning n.l. naar boven toeopgebogen. Deze toestand zal bijbrand een gunstige invloed hebbenop de vervorming, die door de hogetemperaturen zal ontstaan.5e. Hoewel het gevaar voor instor-ting niet groot is, blijkt bij voor-gespannen beton spoediger een on-toelaatbare balkvervorming doorhoge temperaturen te kunnen ont-staan dan bij normaal gewapend-b?ton. Het verzorgen van een goedebetonsamenstelling, zeer goede be-tondekking, goede kabelinjectie, enz.zijn hier dan ook nog meer dananders een absolute vereiste.Al met al hopen wij, dat de be-schreven beproeving iets moge bij-dragen tot de verdere ontwikkelingvan het voorgespannen beton in hetalgemeen en dat zij enig inzichtmoge geven t.o.v. de gedragingent.g.v. de invloed van hoge tempe-raturen.Het ware te wensen, de beproevingenverder en nog meer uitgebreid voortte zetten en deze ook uit te strekkentot statisch onbepaalde constructies.1) Zie voor een vroegere brandproef op ge-lijksoortige balken Cement 2 (1950) Nr 13-14.foto IV. De cementinjectie omsluit alle draden.Cement 4 (1952) Nr 13-14 235