Band Uitgave STANDAARD voor technologie en uitvoering van beton Oktober 2019 30 16 Brand meester Over de effecten van brand op beton 2 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 Brand meester Beton is onbrandbaar, veroorzaakt geen rookontwik- keling en er komen geen giftige gassen vrij bij hoge temperaturen. Omdat beton ook in zekere mate hitte- isolerend is en bij brand lang z'n draagvermogen behoudt, zijn betonconstructies van zichzelf in hoge mate bestand tegen een forse brand. Toch worden in situaties waarbij een extreme vuurbelasting kan optreden vaak extra voorzieningen getroffen. De sterkte en stijfheid van beton en wapening nemen namelijk wel af bij hoge temperaturen. Ook kan spat- ten van het beton optreden. In deze Betoniek leggen we uit wat er bij brand met beton gebeurt en wan- neer aanvullende maatregelen noodzakelijk zijn. Als brand uitbreekt in de buurt van een betonconstructie zal deze constructie vanaf het betonoppervlak opwarmen. De mechani- sche eigenschappen, en daarmee het dra- gend vermogen van zowel het beton zelf als van de wapening veranderen bij oplopende temperaturen. Het risico bestaat dat de betonconstructie bezwijkt als deze te lang aan hoge temperaturen wordt blootgesteld. Het is belangrijk dat er voldoende tijd is om te kunnen vluchten, de constructie te kunnen doorzoeken en de brand te bestrijden. Reke- ning houdend met allerlei invloedsfactoren kan een constructie daarop worden ontwor- pen, bijvoorbeeld door de dikte van de betondekking aan te passen. In deze Betoniek gaan we eerst in op de ver- schillende soorten branden die kunnen optreden. Vervolgens staan we stil bij de opwarming van de betonconstructie vanaf het betonoppervlak. Daarna kijken we wat er gebeurt in het beton bij opwarming en wat het effect van deze opwarming is op de mechanische eigenschappen van het beton en de wapening. Daarnaast is er nog een ander belangrijk fenomeen dat bij brand kan optreden: spat- ten. Door het opwarmen van het beton is het mogelijk dat stukken beton uit het betonop- pervlak springen. Hierdoor vermindert of verdwijnt de betondekking op de wapening, waardoor de wapening rechtstreeks wordt blootgesteld aan de brand met alle gevolgen van dien. Na de beschouwing van brand en het effect op de eigenschappen van beton en wapening, gaan we uitgebreid in op het fenomeen spatten en op de mogelijkheden dit te voorkomen. ? Een brand woedt in een gebouw in Kiev, foto: Shutterstock. 3 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 Soorten brand De ene soort brand is de andere niet. In deze Betoniek maken we daarom een tweedeling wat betreft de intensiteit van de brand. We onderscheiden twee soorten: een 'standaard'- brand in een betonconstructie als een appar- tementencomplex of kantoor, en een felle brand in een tunnel. Bij een standaardbrand wordt uitgegaan van het brandbare materiaal dat normaal aanwezig is, zoals meubels en papier. Bij een tunnelbrand kan er sprake zijn van een concentratie van zeer veel brandbaar materiaal, in de vorm van een volgeladen vrachtauto met brandbaar materiaal of een tankwagen met brandstof. Omdat in een tun- nel daarnaast de warmte niet gemakkelijk weg kan, kunnen veel hogere temperaturen ont- staan dan bij een 'standaard'brand. De tempe- ratuur van het betonoppervlak loopt bij een tunnelbrand hierdoor veel sneller op. Om inzicht te krijgen in het verloop van de temperatuur bij een brand zijn er zoge- noemde brandkrommen opgesteld. In figuur 1 worden voor de twee soorten brand de genormeerde brandkrommen weergegeven: voor tunnels de RWS-brandkromme uit de nationale bijlage bij NEN-EN 1991-1-2 en de koolwaterstofbrandkromme uit Eurocode 1, en voor de woning- en utiliteitsbouw de standaard brandkromme volgens ISO 834. De brandkrommen zijn bepaald op basis van het gemeten temperatuurverloop in de tijd tij- dens een gecontroleerde brand. Het gaat 1 Brandweer blust een brand, foto: Pxhere 2 Brandkrommen. Weergegeven wor- den de RWS-brand- kromme (Rijkswa- terstaat) ofwel de tunnelbrand- kromme, de koolwa- terstofkromme (Eurocode) en de standaard brand- kromme (ISO 834 / Eurocode). Weerge- geven wordt de luchttemperatuur in de brandoven ver- sus de tijd 0 200 400 600 800 100 0 120 0 140 0 160 0 temperatuur [°C] tijd [minuten] R W S k o olw ate rs to f s ta n d aard 0 30 6090120 4 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 hierbij om de luchttemperatuur. De lucht- temperatuur is bij de RSW-brandkromme voor tunnels al na 5 min tweemaal zo hoog als de luchttemperatuur volgens de ISO 834-kromme die voor woningen wordt gebruikt. Deze veel hogere luchttemperatuur resulteert in een fors snellere opwarming van de randzone van het beton bij een tunnel- brand. Door de 'Regeling aanvullende regels veilig- heid wegtunnels' wordt voor het gesloten deel van de tunnels langer dan 250 m de RWS-brandkromme voorgeschreven. Deze door Rijkswaterstaat ontwikkelde brand- kromme is gebaseerd op door TNO in 1979 uitgevoerd onderzoek naar een worstcasesce- nario, waarbij een grote tankwagen met 45 m 3 brandstof in brand vliegt en gedurende twee uur brand, resulterend in een maximaal vermogen van ruim 200 MW. Ter vergelijking: een autobrand heeft een (relatief kortstondig) maximaal vermogen van circa 6 tot 8 MW en een totale brandduur van circa een halfuur. De RWS-brandkromme geeft een realistisch temperatuurverloop weer, al is het werkelijke temperatuurverloop in de praktijk uiteraard ook afhankelijk van de dimensies van de tun- nel. Voor de open toeritten wordt de koolwa- terstofkromme voorgeschreven omdat de warmte hier beter weg kan. Opwarming Beton en staal verliezen beide bij hoge tem- peraturen hun sterkte. Gelukkig is beton een tamelijk slechte warmtegeleider, waardoor het lang duurt voordat het draagvermogen van de constructie wezenlijk afneemt. Hoe snel de warmte in het beton dringt, kan worden berekend op basis van de materiaal- eigenschappen van beton, met name de thermische geleidbaarheid, de soortelijke warmte en de dichtheid (zie gelijknamige kader). Een complicerende factor bij het berekenen van de opwarmsnelheid bij brand is dat de materiaaleigenschappen van beton veranderen bij oplopende temperatuur. Ook het verdampen en de migratie van het in het beton aanwezige vocht beïnvloedt de tempe- ratuurindringing. Berekenen Op basis van de (temperatuurafhankelijke) eigenschappen van beton en een gekozen brandkromme (luchttemperatuur) kan een temperatuurprofiel van een betonconstructie als functie van de tijd worden berekend. Op basis hiervan ? de dekking op de wapening en de afname van de sterkte en stijfheid van het beton en het wapeningsstaal (waarop we in het navolgende ingaan) ? kan worden bepaald hoelang een constructie haar draag- vermogen behoudt. Hieraan worden in het Bouwbesluit eisen gesteld om voldoende tijd te hebben om te kunnen vluchten, een con- structie te kunnen doorzoeken en de brand te kunnen bestrijden. Daarnaast kunnen de eisen ten aanzien van de brandwerendheid een economische achtergrond hebben: een 10 2030405060708090100 0 0 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 9 00 1 00 0 1 10 0 1 20 0 b eto n te m pera tu ur [ °C ] afs t a nd to t b eto n oppe rv la k [ mm] 3 0 m in ute n 6 0 m in ute n 9 0 m in ute n 1 20 min u te n 1 80 min u te n 2 40 min u te n 3 Temperatuurprofie- len voor een vloer of wand van 200 mm dik die eenzijdig wordt blootgesteld aan een standaard- brand (ISO 834- brandkromme) 5 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 Soortelijke warmte, thermische geleidbaarheid en dichtheid Soortelijke warmte De soortelijke warmte (symbool c; ook wel warmtecapa- citeit genoemd) geeft het vermogen weer van een mate- riaal om warmte op te slaan. De soortelijke warmte wordt uitgedrukt in J/kg·K en geeft dus weer hoeveel energie nodig is om 1 kg materiaal 1 °C in temperatuur te laten stijgen. De soortelijke warmte van beton wordt vooral bepaald door het vochtgehalte; het soort toeslag- materiaal heeft een beperkte invloed. De invloed van de temperatuur op de soortelijke warmte is beperkt. De soortelijke warmte van beton loopt op van circa 0,9 kJ/kg·K bij 20 °C naar circa 1,1 kJ/ kg·K bij 400 °C en blijft daarna op dat niveau tot 1200 °C. Tussen 100 en 200 °C is er wel sprake van een piek in de soortelijke warmte als gevolg van het verdampen van het in het beton aanwezige vrije water. Deze piek is afhankelijk van het vochtgehalte van het beton. Bij een vochtgehalte van 3% loopt de soortelijke warmte op tot circa 2,0 kJ/kg·K. Thermische geleidbaarheid De thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingscoëf- ficiënt (symbool ? ) geeft weer hoe goed materialen warmte kunnen geleiden. De warmtegeleidingscoëffici- e nt wordt uitgedrukt in W/m·K en geeft weer hoeveel warmte bij een temperatuurverschil van 1 °C over een afstand van 1 m op een oppervlakte van 1 m 2 in 1 s in een materiaal kan worden verplaatst. De thermische geleidbaarheid van beton wordt vooral beïnvloed door het soort toeslagmateriaal en door het vochtgehalte. De warmtegeleidingscoëfficiënt van beton is sterk afhan- kelijk van de temperatuur. De warmtegeleidingscoëffici - e nt daalt van circa 2,0 W/m·K bij 20 °C (voor grindbe- ton) naar 1,3 W/m·K bij 400 °C en 0,7 W/m·K bij 800 °C. Deze daling is uiteraard gunstig: naarmate het beton warmer wordt, gaat het steeds slechter warmte geleiden waardoor de opwarming van het diepergelegen beton wordt vertraagd. Dichtheid De dichtheid van beton (symbool ?) neemt eveneens af bij stijgende temperatuur. Dit is het gevolg van het verdampen van het in het beton aanwezige water. Eerst verdampt het in de poriën aanwezige water en daarna achtereenvolgens het fysisch gebonden water en het chemisch gebonden water. De dichtheid daalt hierdoor vanaf 100 tot 1200 °C geleidelijk tot circa 90% van de oorspronkelijke dichtheid. In tabel 1 worden ter vergelijking van een aantal bouw- materialen de thermische geleidbaarheid, de soortelijke warmte en de dichtheid gegeven bij 20°C. Tabel 1 Thermische geleidbaarheid (?), soortelijke warmte (c) en dichtheid (?) van een aantal bouwmaterialen (bij 20 °C) materiaal ? [kg/m 3 ] ? [W/m·K] c [ J/kg·K] staal 7850 52,000 630 beton 2400 2,000 840 lichtbeton 1600 0,700 840 glas 2500 0,800 840 glaswol 150 0,045 840 EPS 50 0,035 1470 vurenhout 550 0,140 1800 hardhout 800 0,170 1880 6 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 betonconstructie moet na een brand nog repareerbaar zijn. Voor de berekeningen is software beschikbaar. Als alternatief kan voor eenvoudige situaties in de woning- en utiliteitsbouw ook gebruik worden gemaakt van de in bijlage A van EN 1992-1-2 weergegeven temperatuurprofielen voor vloeren, balken en kolommen. Deze profielen zijn berekend op basis van de ISO 834-brandkromme en conservatieve uit- gangspunten ten aanzien van de betoneigen- schappen. De uit deze bijlage afkomstige figuur 3 is van toepassing op vloeren en wanden van 200 mm dik die aan één zijde met brand worden belast. Uit de figuur kan Beton bij brand: fysische en chemische processen In grote lijnen treden bij het verhitten van normaal beton de volgende fysische en che- mische processen op: ? Tot 100 °C treedt een lichte uitzetting van de cementsteen op en verliest het beton een deel van het water dat aanwezig is in de capillaire poriën. ? Vanaf 100 °C krimpt de cementpasta merk- baar, doordat zowel het vrije als het fysisch en chemisch gebonden water uit het beton verdwijnt. ? Vanaf 300 °C begint de ontbinding van de CSH-gel wezenlijke vormen aan te nemen, waarbij ook de porositeit van de cement- steen sterk toeneemt. De kleur verandert bij kwartshoudend toeslagmateriaal van grijs naar rozerood door oxidatie van ijzerhou- dende verbindingen. De cementsteen trekt samen terwijl de korrels toeslagmateriaal verder uitzetten. Hierdoor ontstaan scheur- tjes in de cementsteen. Bij de ontbinding van de CSH-gel vindt er bij 'lage' temperaturen (100 ? 600 °C) mogelijk (ook) de vorming van sterke siloxaanverbin- dingen plaats (Si-O-Si), hetgeen het sterkte- verlies zou beperken. ? Vanaf 400 °C begint de calciumhydroxide Ca(OH) 2 te ontbinden in CaO (ongebluste kalk) en H 2O. De ontbindingssnelheid is nul bij 400 °C, bereikt een piek bij circa 500 °C en stopt weer bij 600 °C. ? Bij 573 °C vindt er bij kwarts (zand en grind bestaan voor het grootste gedeelte uit kwarts) een plotselinge endotherme omzet- ting van de kristalstructuur plaats (van ? -kwarts naar ? -kwarts), waarbij het volume van het zand en grind circa 5% toeneemt (de dichtheid neemt af van circa 2650 naar 2530 kg/m 3). Deze forse en plot- selinge toename van het volume kan schade aan het beton veroorzaken. Kalk- steen blijft stabiel tot 700 °C. ? Vanaf 600 °C valt de CSH-gel verder uit elkaar, met een sterk (en blijvend) verlies in sterkte tot gevolg. ? Boven 700°C begint de decarbonatatie van kalksteen (CaCO 3) in calciumoxide (CaO) en koolstofdioxide (CO 2). De ongebluste kalk die gevormd wordt door de dehydra- tatie van Ca(OH) 2 (boven 400 °C) en de decarbonatatie van CaCO 3 (boven 700 °C), reageren bij afkoeling met omgevingsvocht (of bluswater) tot Ca(OH) 2. Hierbij neemt het volume van de kalk toe met 44%, waar- door het beton uiteenvalt. ? Vanaf 1100°C begint het beton te smelten. Voorgaande effecten treden normaliter alleen op in de buitenste centimeters van het beton. Ook na de eerder beschreven veranderingen (tot het smelten, wat in de praktijk niet voor- komt) blijft deze buitenste laag werken als isolatielaag voor het diepergelegen beton. Overigens: wanneer na een brand een construc- tie wordt gerepareerd, wordt het beton vervan- gen dat heter is geweest dan circa 300 °C. 7 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 worden afgelezen dat al na 30 min het beton op 5 mm onder het oppervlak een tempera- tuur heeft bereikt van 600 °C. De temperatuur op 15 mm diepte is op dat moment 400 °C en op 25 mm diepte slechts circa 270 °C. Wat deze temperaturen met het beton en staal doen, beschrijven we in het navolgende. Materiaaleigenschappen beton bij brand Door interne scheurvorming en degradatie van de cementsteen (zie kader 'Beton bij brand: fysische en chemische processen') neemt bij oplopende temperatuur de sterkte en stijfheid van het beton af. Het sterkteverlies van het beton is afhankelijk van het type bindmiddel en uiteraard de hoogte van de temperatuur, maar ook van de duur van de hoge temperatuur. Het type toeslagmateriaal heeft ook invloed, vooral bij hogere tempera- turen. Bij opwarming expandeert het toeslag- materiaal, terwijl de cementsteen juist krimpt door het verdwijnen van water, met inwen- dige spanningen, scheurvorming en sterkte- verlies tot gevolg. Kalksteen heeft een lagere thermische uitzettingscoëfficiënt dan grind (kiezelhoudend toeslagmateriaal), hetgeen zou kunnen verklaren waarom beton met kalksteen als toeslagmateriaal in het algemeen minder snel sterkte verliest dan beton met grind (fig. 5). In figuur 4 wordt het relatieve sterkteverlies weergegeven voor bij verschillende tempera- turen gedurende 1, 3, 6 en 9 uur verhit beton. Het betreft hier beton op basis van portland- cement CEM I 42,5 N en kalksteen als (fijn en grof) toeslagmateriaal en onderzoek aan kubussen met een ribbe van 100 mm. De oven werd opgewarmd met 10 °C per minuut tot de gewenste temperatuur was bereikt. De sterkte werd na afkoeling na 24 uur bepaald aan drie kubussen. Uit de figuur volgt dat tot 500 °C en tot een duur van 3 uur het sterkteverlies circa 35% bedraagt. Bij hogere temperaturen en/of een langere brandduur is er sprake van nog meer sterkteverlies. Het sterkteverlies bij hogere temperaturen verloopt bij beton op basis van hoogovence- ment en portlandvliegascement minder snel dan bij beton op basis van portlandcement. Bij hoogovencementbeton kan er tot zo'n 400 °C in eerste instantie zelfs sprake zijn van een toename in sterkte. In de Eurocode zijn factoren opgenomen voor de reductie in druksterkte van het beton (fig. 5). Deze factoren zijn alleen geldig voor een standaardbrand en tot een brandduur van twee uur. 0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1 1 ,2 0 12345678910 re la tie ve d ru kste rk te t ijd [ u re n ] 3 00 °C 5 00 °C 7 00 °C 4 Sterkteverlies als functie van temperatuur en verblijftijd 0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1 0 200 4006008001000 12001400 reductiefactor beto n te m perat uur [ °C ] k ieze lh oud en d t o esla gm ate riaal k alk hou d en d t oes lagmat eriaal 5 Afname van de druksterkte van normaal beton met kiezelhoudend en met kalkhoudend toeslagmateriaal (EN 1992-1-2) 8 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 Materiaaleigenschappen wapeningsstaal bij brand Ook het wapeningsstaal verliest sterkte bij oplopende temperatuur, waarvoor in de Eurocode reductiefactoren zijn opgenomen (fig. 6 en 7). Wapeningsstaal behoudt z'n trek sterkte tot circa 350 °C; daarna treedt sterkteverlies op. Bij circa 550 °C is de sterkte gehalveerd. Bij voorspanstaal begint het sterkteverlies al bij circa 100 °C (fig. 6) en de vloeigrens van voorspanstrengen is al bij 200 °C gehalveerd. Bij vloeren en balken die voornamelijk op buiging worden belast, is de temperatuur van de wapening maatgevend. Bij kolommen en dragende wanden die hoofdzakelijk op druk worden belast, is ook de diepte van de warmte-indringing in het beton van belang. De opwarming van beton en wapeningsstaal, de afname van sterkte en stijfheid en de te verwachten vervormingen zijn redelijk te voorspellen. Hierdoor kan een constructie, uitgaande van een bepaalde brandkromme, ontworpen worden op een bepaalde duur van brandwerendheid. Als spatten in wezen- lijke mate optreedt, hebben de uitgevoerde berekeningen echter geen relevantie meer. In het navolgende gaan we uitgebreid in op dit fenomeen. Spatten van beton In het voorgaande zijn we voor de beschou- wing van de brandwerendheid van betoncon- structies ervan uitgegaan dat het beton tij- dens de brand intact blijft. Wanneer het zogenoemde spatten optreedt, is dat echter niet het geval. Onder spatten van beton ver- staan we het al dan niet explosief afspringen van grote of kleine stukken beton uit het betonoppervlak door blootstelling aan hoge en snel oplopende temperaturen. Dit spatten is een grillig fenomeen, dat zowel plaatselijk als over het gehele verhitte oppervlak kan optreden. Door het spatten neemt de beton- dekking snel af en kan de wapening bloot komen te liggen, waardoor deze direct opwarmt (foto 9). Terwijl zonder spatten het gedrag van de constructie bij brand redelijk voorspelbaar is, zijn er voor het optreden van spatten en de mate waarin het optreedt helaas geen goede, algemeen toepasbare modellen beschikbaar. Het spatten van beton is een complex fenomeen dat nog niet volle- dig wordt begrepen. We kunnen meerdere vormen van spatten onderscheiden, waarvan de belangrijkste en meest ernstige vorm het explosief afspringen van stukken beton uit het oppervlak is. Dit 0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,91 0 200 4006008001000 1200 re d uctie fa cto r b eto n te m perat uur [ ° C ] t r e kste rk te w arm gew als t t r e kste rk te k o ud ve rv o rm d v lo eig re n s w arm ge wals t v lo eig re n s k o u d ve rv o rm d 6 Afname van de treksterkte van wapeningsstaal (EN 1992-1-2) 7 Afname van de treksterkte van voorspanstaal (EN 1992-1-2) 0 200 4006008001000 1200 0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,91 r e d uctie fa cto r b eto n te m pera tu ur [ ° C ] t re kste rk te d ra d en /s tre n ge n tre kste rk te s ta ve n v lo eig re n s d ra d en /s tre n g en v lo eig re n s s ta ve n 9 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 treedt gebruikelijk na zo'n 7 tot 30 min na aanvang van de brand op en leidt snel tot ernstige beschadiging van het beton. Als verklaring voor het optreden van explosief spatten, worden er in de literatuur hoofdza- kelijk twee mechanismen beschreven: spatten als gevolg van hoge poriedrukken door het verdampen van water en spatten als gevolg van het optreden van thermische spannin- gen. Vaak wordt een van deze twee mecha- nismen als enige of hoofdoorzaak genoemd, maar er zijn ook bronnen die aan beide mechanismen evenveel belang toekennen. Onderzoek naar het fenomeen spatten begon al meer dan 100 jaar geleden en in een proef - schrift uit 1935 wordt al gesteld dat spatten niet alleen wordt veroorzaakt door hoge poriedrukken, maar ook door thermische spanningen als gevolg van het snelle opwar- men. Beton is echter een fysisch en chemisch zeer complex materiaal, waarvan de eigen- schappen tijdens de brand ook nog eens veranderen. Naast de eigenschappen van het beton zijn er nog zeer veel andere factoren van invloed op het spatgedrag van beton. Te denken valt aan: ? snelheid van opwarmen; ? thermische expansie(coëfficiënt) toeslag- materiaal; ? maximumkorrelgrootte toeslagmateriaal; ? treksterkte beton; ? ouderdom beton; ? drukbelasting betreffende constructiedeel; ? temperatuurprofiel en dus (onder andere) warmtegeleiding beton; ? permeabiliteit; ? vorm en afmetingen betonelement; ? wapening; ? vochtgehalte. Hoewel er al zolang onderzoek naar wordt gedaan, is er dan ook nog steeds geen theo- retisch model dat generiek en betrouwbaar het optreden van spatten kan voorspellen. De twee belangrijkste theorieën over explosief spatten, poriedruk en thermische spannin - gen, worden nu beschreven. Poriedruk Bij een snelle verhitting van beton wordt het aanwezige vocht in korte tijd omgezet in stoom, waardoor het volume snel en sterk toeneemt. Afhankelijk van de permeabiliteit van het beton kan de waterdamp niet snel naar buiten. Hierdoor neemt de druk toe. Als deze druk plaatselijk de treksterkte van het beton overstijgt, kan de buitenlaag worden afgedrukt. De belangrijkste factoren voor het wel of niet optreden van spatten als gevolg van hoge poriedrukken, zijn het initiële vocht- gehalte, de permeabiliteit van het beton, de aanwezigheid van drukspanningen en de opwarmsnelheid. De poriedruk neemt toe bij toenemende opwarmsnelheid, hogere vocht- gehalten en lagere permeabiliteit. Bij een zeer hoge opwarmsnelheid kan de maximale poriedruk weer lager uitvallen, omdat hierbij door thermische spanningen meer scheurtjes ontstaan waardoor waterdamp kan ontsnap- pen. Ten aanzien van de opwarmsnelheid is er wat betreft de poriedruk dus mogelijk een 'optimum'. 8 De Torre Windsor in Madrid na de brand in 2005. De brand begon op de 21e verdieping; na een uur stonden alle bovengelegen ver- diepingen in brand, waarna de brand zich naar beneden uitbreidde. In totaal duurde de brand circa 20 uur. Vijf uur na de start van de brand stortte een groot deel van de buitenste vloeren boven de 17e ver- dieping in, waar- schijnlijk als gevolg van het doorbuigen van de onbe- schermde stalen kolommen bij de gevels. De betonnen kern, kolommen en tussenliggende vloe- ren presteerden zeer goed gezien de omvang en duur van de brand (foto: Wikimedia Com- mons) 10 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 De kans op het optreden van spatten is bij regulier beton laag bij een vochtgehalte van circa 3 à 4% m/m of lager. Bij beton in een droog binnenmilieu ligt na verloop van tijd het vochtgehalte in de randzone rond deze waarde. Bij beton in tunnels zal het even- wichtsvochtgehalte echter door de hogere luchtvochtigheid met circa 5 tot 7% m/m een stuk hoger liggen. Thermische spanningen Bij het opwarmen van beton ontstaan er drukspanningen aan de buitenzijde omdat de thermische uitzetting wordt verhinderd. Doordat de buitenschil wil uitzetten, ontstaan er trekspanningen in het diepergelegen koe- lere beton. Het samendrukken aan de buiten- zijde en de trekspanningen in het diepergele- gen beton resulteren in het ontstaan van scheurtjes. Vervolgens kunnen stukjes beton naar buiten knikken, doordat de buitenschil meer uitzet dan het diepergelegen beton en daarna zal losscheuren en wegspringen. Het spatten als gevolg van thermische span- ningen wordt ook wel verklaard vanuit het bezwijken onder druk in de buitenschil. De drukspanningen aan de buitenzijde komen bovenop de al aanwezige uitwendige belas- ting van het constructiedeel, terwijl juist aan de buitenzijde de druksterkte van het beton door de hoge temperatuur snel afneemt. De totale spanning kan de afgenomen druk- sterkte van het beton overstijgen. Poriedruk en thermische spanningen gecombineerd De twee mechanismen poriedruk en thermi- sche spanningen kunnen afzonderlijk en gezamenlijk tot spatten leiden. Welk mecha- nisme onder welke omstandigheden domi- nant is, hangt vooral af van het vochtgehalte en de permeabiliteit (poriedruk) en de ther- mische expansie van de toeslagmaterialen (thermische spanningen) in samenhang met de snelheid van opwarmen en de dimensies en belasting van het betonelement. De twee mechanismen poriedruk en thermische span- ningen zijn schematisch weergegeven in figuur 10. Bij beton in tunnels zal het evenwichtsvocht- gehalte door de hoge luchtvochtigheid rond b ra n d st uk bet on dat uit h et o p per vla k sp at p orie d ru k vo ch tg eha lt e d ro o g d ro gen d t oen am e v o ch tgeh alt e te m pera tuur t her misch e sp ann in g druk trek sch eur en par alle l aan bet onopperv la k b eto n 10 Explosief spatten als gevolg van poriedrukken en thermische spanningen 9 Als het spatten een- maal begint, kan de wapening snel zichtbaar worden. Het betreft hier een brandproef die zoals gebruikelijk (ter bescherming van de oven) kort na het begin van het spat- ten is gestopt (foto: Rijkswaterstaat) 11 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 circa 5 tot 7% m/m liggen. De kans op spat- ten is zonder aanvullende maatregelen daarom bij een grote tunnelbrand hoog (fig. 11). Deze figuur is slechts indicatief; het gebied waar spatten optreedt is in werkelijk- heid niet zo nauwkeurig aan te geven en zoals eerder beschreven afhankelijk van zeer veel factoren. Voorkomen van spatten De kans op het optreden van spatten kan worden verlaagd door gebruik van hittewe- rende bekleding en gebruik van polypropy- leenvezels. Verder is de kans op spatten lager bij lage vochtgehalten en een hoge permea- biliteit van het beton. De kans op spatten neemt toe met toenemende drukbelasting van een element en met toenemende verhin- dering van de vervorming. Hittewerende bekleding Hittewerende bekleding vertraagt de opwar- ming van het beton en wapeningsstaal en verlengt daarmee de weerstand van een constructie tegen brand. Door de vertraging van de opwarming wordt ook de kans op het optreden van spatten verlaagd. Hittewerende bekleding kan in de vorm van platen worden aangebracht of door middel van spuiten. In dat laatste geval gaat het meestal om een mortel op basis van het mineraal vermiculiet en portlandcement. Deze mortels hebben een zeer lage volumieke massa (afhankelijk van de toepassing en vereiste robuustheid ongeveer 1000 kg/m 3 of lager) en een zeer lage warm- tegeleidingscoëfficiënt (0,2 W/m·K of lager). Vezels Vezels kunnen de indringing van warmte in het beton uiteraard niet vertragen, maar monofilament polypropyleenvezels kunnen wel de kans op het optreden van spatten fors verlagen. Monofilament vezels zijn enkelvou- dige vezels die worden geproduceerd door het spinnen van gesmolten polypropyleen. Bij het opwarmen van beton verhogen deze vezels de permeabiliteit, waardoor de porie- druk en daarmee de kans op spatten wordt verlaagd. De vezels die dicht onder het oppervlak zitten, zullen bij een brand snel verbranden. Hierdoor ontstaan kanaaltjes waarlangs vocht naar buiten kan. Maar ook bij lagere temperaturen dieper in het beton kunnen de vezels al bijdragen aan het verla- gen van de poriedruk. Waarschijnlijk is er, door slechte hechting tussen de vezels en de cementsteen, ruimte rondom de vezels waarlangs onder druk vochttransport moge- lijk is. Daarnaast zullen de vezels als ze opwarmen samentrekken en dus korter in lengte en dikker worden. Hierbij ontstaat ruimte in het beton, wat kan bijdragen aan vochttransport en het verlagen van de porie- druk. Bij circa 160 °C beginnen de vezels te smelten en vanaf circa 350 °C te verbranden, waarbij er een holle ruimte achterblijft voor expansie en transport van waterdamp. Uit diverse onderzoeken weten we dat al vanaf 1 kg vezels per m 3 beton de mate van afspatten fors kan verminderen. Over het algemeen wordt aanbevolen 2 kg/m 3 aan te houden. v o ch tg eh alt e [ % m /m ] dru ksp an nin g [ M Pa] 1 0 0 15 4 10 3 5 2 5 6 7 g een s p atte n sp atte n 11 Kans op spatten als functie van de belasting en het vochtgehalte. De fig\ uur is slechts indicatief; het gebied waar spatten optreedt is afhankelijk van \ zeer veel factoren 12 Oktober 2019 STANDAARD 16 I 30 Tot slot In deze Betoniek zijn we uitgebreid ingegaan op de effecten van brand op beton. Beton- constructies zijn in de regel zeer goed bestand tegen brand, maar er zijn situaties die aanvul- lende maatregelen vereisen. Met name het spatten van beton is een fenomeen dat we nog niet volledig begrijpen. Gelukkig hebben we voldoende kennis van zaken om onherstel- bare schade aan betonconstructies door brand te voorkomen. Geraadpleegde bronnen ? Richtlijnen Ontwerp Kunstwerken ROK 1.4, Rijkswaterstaat, april 2017. ? fib bulletin 38, Fire design of concrete structures ? materials, structures and modelling, april 2007. ? Coupled Effect of High Temperature and Heating Time on the Residual Strength of Normal and High-Strength Concretes, B. Toumi, M. Resheidat, Z. Guemmadi and H. Chabil, Jordan Journal of Civil Engineering, Volume 3, No. 4, 2009. ? Explosive spalling of concrete in fire, thesis, E. Klingsch, ETH Zurich, 2014. Betoniek = Standaard + Vakblad Onderdeel van het Betoniek-abonnement is naast Betoniek Standaard ook Betoniek Vakblad. Dit is een magazine op groot formaat met artikelen over onder meer projecten, ontwikkelingen, onderzoek, regelgeving en onderwijs. Deze artikelen worden geschreven door de lezers van Betoniek zelf. Daarin wijkt Betoniek Vakblad dus af van Betoniek Standaard, dat volledig door een deskundige redactie wordt geschreven. Betoniek Vakblad verschijnt vier keer per jaar. Alle artikelen zijn te raadplegen op www.betoniek.nl. Voor leden van Betoniek is dat gratis! voor technologie en uitvoering van beton 3 2019 Betonbouw in een staalfabriek Delaminatie monolietvloer  CO 2-reductie cement Duurzaamheid in de uitvoering  Onderstempeling  Examen BTE BV3- 2019- cover .in dd 1 24-09-19 11:03 Lidmaatschap 2019 Kijk voor meer informatie over onze lidmaat- schappen op www.betoniek.nl/lidworden of neem contact op via lezers service@aeneas.nl of 073 205 10 10. Voorwaarden Je vindt onze algemene voorwaarden op www.betoniek.nl/algemene-publicatievoor- waarden-betoniek. Hoewel de grootst mogelijke zorg wordt be- steed aan de inhoud van het blad, zijn redac- tie en uitgever van Cement niet aansprakelijk voor de gevolgen, van welke aard ook, van handelingen en/of beslissingen gebaseerd op de informatie in deze uitgave. Niet altijd kunnen rechthebbenden van ge- bruikt beeldmateriaal worden achterhaald. Belang hebbenden kunnen contact opnemen met de uitgever. © Aeneas Media bv 2019 ISSN: 2352-1090 Betoniek Standaard is onderdeel van Betoniek Platform, hét kennisplatform over technologie en uitvoering van beton. Betoniek Standaard verschijnt 4x per jaar en is een uitgave van Aeneas Media bv, in opdracht van het Cement&BetonCentrum. In de redactie zijn vertegenw\ oordigd: BAM Infraconsult, ENCI, Mebin, SKG-IKOB, Spanbeton en TNO. Uitgave Aeneas Media bv Ruimte 4121 Veemarktkade 8 5222 AE 's-Hertogenbosch Website www.betoniek.nl Lezersservice T: 073 205 10 10 E: lezersservice@aeneas.nl Vormgeving Inpladi bv, Cuijk Redactie T: 073 205 10 27 E: betoniek@aeneas.nl Kennisdeling via Betoniek, dankzij onze partners