Een maandelijkse uitgave van deVereniging Nederlandse Cementindustriepostbus 3011, 5203 DA's-Hertogenbosch mei 1984In de brand,uit de brandBrand is de belangrijkste oorzaak van ernstigeschade aan gebouwen in Nederland. Hoeweldaterend uit 1967, geeft het volgende staatje vanoorzaken van aanzienlijke schade een duidelijkbeeld:72% brand10% windbelasting10% explosies5% aanrijdingen2% materiaalfouten1% plaatselijke overbelastingUit die ene procent van de schade, veroorzaaktdoor plaatselijke overbelasting, dan wel onvol-doende draagvermogen, mag worden geconclu-deerd dat we het construeren op statischebelastingen aardig meester zijn. De bestaandevoorschriften geven een redelijke veiligheid. Methet gedrag van constructies onder dynamischebelastingen zoals uitzonderlijke windbelasting enexplosies hebben we meer moeite, terwijl we hetbelastingsgeval brand duidelijk het minstbeheersen.Volgens gegevens van het Centraal Bureau voorStatistiek (CBS) bedroeg de door brand veroor-zaakte schade aan gebouwen in 1979 586 mil-joen. De meldingen bij het CBS blijken echterlang niet volledig. Geschat wordt dat hetwerkelijke bedrag boven de 1 miljard per jaar ligt.Dit betreft dan alleen nog directe schade aaneigendommen. Over verlies van mensenlevensen indirecte schade is dan nog niets gezegd.Deze cijfers hebben betrekking op constructiesvan allerlei aard. De vraag rijst hoe beton-constructies zich in dit opzicht onderscheiden.Op basis van statistische gegevens is in tabel 1een analyse gegeven van branden met eenschade groter dan honderdduizend gulden.Hieruit blijkt dat betonconstructies zich relatiefgezien zeer goed gedragen.Wat is er bekend omtrent de eigenschappen vanconstructies bij brand?Materialen en constructiesVeel onderzoek is gedaan naar de eigen-schappen van bouwmaterialen bij brand. Normenzijn opgesteld voor het bepalen van de brand-baarheid, bijdrage aan brandvoortplanting enrookontwikkeling. Van vrijwel alle in de bouw toe-gepaste materialen zijn deze eigenschappenbekend. Beton gedraagt zich in al deze opzichtengunstig: het :is onbrandbaar, draagt niet bij totbrandvoortplanting en veroorzaakt geenrookontwikkeling.Over de relatie van brand tot gebouwconstructiesis veel minder bekend. Het effect van een brandis namelijk niet alleen afhankelijk van de toege-paste materialen, maar ook van het gebouw-ontwerp in z'n geheel en van de zich in hetgebouw bevindende voorwerpen. Inzicht in hetgedrag van de toegepaste materialen geeftdaarom nog geen handleiding voor de vaststel-ling van de brandveiligheid van de daarmeeopgetrokken gebouwen.Met brandveiligheid wordt in de eerste plaatsgedacht aan de veiligheid van zich in hetgebouw bevindende mensen en dieren.Brandveiligheid staat in nauw verband met brandwerendheid. In de gemeentelijke bouw-Tabel 1Branden met een schadegroter dan ftDD.DDD, in desectoren nijverheid,handel, vervoer, dienstenen horeca1974 1977constructie aantal aantal % aantal aantal %branden instortingen branden instortingengebouwmetselwerk 123 25 20 184 33 18staal 52 10 19 79 28 35hout 38 7 19 42 19 45beton 24 0 0 37 0 0totaal 237 42 18 341 80 24dak \staal 42 14 33 84 31 37hout 155 29 18 225 55 24beton 24 0 0 21 0 0totaal 221 43 19 330 86 26Brandwerendheid van betonconstructiesDebrandwerendheid van constructie-onderdelenis goed te bepalen. Proefstukken worden in eenoven onderworpen aan de standaardbrand.Plaatvormige elementen (wanden, vloeren)worden eenzijdig verhit, balken drie-zijdig enkolommen alzijdig.Het brandgedrag van hele constructies isdaarentegen niet langs experimentele weg vast testellen. Bij hoge uitzondering is dat wel eensgeprobeerd in België, in 1974. Dit is bekendkomen te staan als de Gentse brandproet.Ofschoon met het kostbare experiment debeoogde relatie tussen brandproef en werkelijkebrand in wetenschappelijke zin niet werd gelegd,werd wel de indruk bevestigd dat een samenstelvan geprefabriceerde betonelementen zich bijeen brand gunstiger gedraagt dan op grond vanlaboratoriumproeven op de individuele elementenkon worden aangenomen.Inzicht in het brandgedrag van betonconstructieszullen we dus moeten ontlenen aan de praktijk.Normaal gesproken zal men bij brandgevallenniet eerst een onderzoek-instantie bellen, maarde brandweer.* In ons land is die er (gelukkig)ook nog heel snel bij. Toch kan uit geblustebranden nog wel het een en ander wordengeleerd. In de meeste gevallen blijkt de beton-constructie na brand er uit te zien zoals op foto 2.De schade is beperkt tot afgesprongen hoekenen dekkingen.· Zeer recent is een experiment gestart, waarbij in eenbeperkte regio bij een om.vangrijke brand direct TNO-IBBC wordt gebeld. Door ·onderzoekers wordt het ver-loop van de brand, het gedrag van de constructie ende optredende schade zo goed mogelijk vastgelegd.Met dit praktijkonderzoek hoopt men veel waardevollegegevens, die normaal verloren gaan, vast te kunnenleggen.0 oeT- Ta-T-Ta 345 Ig [8t.1!0I0V00II000Nu zal geen enkele brand in de praktijk een-zelfde verloop hebben als de SBK, maar het is inieder geval een bruikbaar vergelijkingsmiddel.Het onderwerp brandwerendheid is veel te uitge-breidom hier een volledig beeld van te geven.We zullen ons beperken tot constructieveaspecten.30 60 90 120 150 180 210 270 300 330 3608verordeningen worden eisen gesteld aan debrandwerendheid van constructies. Zo zal bijvoor-beeld een woningscheidende wand meestal eenbrandwerendheid op bezwijken moeten hebbenvan 60 minuten bij eengezinswoningen en 120minuten in hoge woongebouwen. Hiermee wordtdan bedoeld dat die wand gedurende tenminste60 minuten respectievelijk 120 minuten weerstandmoet kunnen bieden aan éénzijdige verhittingvolgens een gestandaardiseerde brand, vast-gelegd in de Standaard Brandkromme (SBK). Detemperatuur van de verloopt dan volgensde standaard kromme van figuur 1.1Standaard brandkromme (SBK)11101222Betonconstructie na brand. De schade is beperkttot afgesprongen hoekenBij langdurige branden kan de schade ernstigervormen aannemen, zoals flinke vervormingen.Door de optredendelengteverandering vanbalken en vloeren ontstaan extra momenten endwarskrachten op kolommen en wanden, die hierniet altijd tegen bestand zijn. De foto's 3 en 4geven daarvan voorbeelden.Dat ook na een langdurige brand de beton-constructie niet is ingestort is op zichverheugend. Uit het oogpunt van veiligheid is ditbuitengewoon belangrijk. Daarnaast rijst de vraagwat er gedurende de brand met het materiaal isgebeurd. Zijn de materiaaleigenschappenblijvend veranderd? Is herstel mogelijk en zo jawat zijn de kosten daarvan? Welke maatregelenkunnen in het ontwerpstadium worden genomenom de schade door brand verder te beperken?Het materiaal beton bij brandNet als bij vrijwel alle aspecten van beton, is ookhier een belangrijke rol weggelegd voor het waterals een van de samenstellende materialen. Ookbeton in een binnenklimaat bevat altijd nog eenbepaalde hoeveelheid water. Bij een relatieveluchtvochtigheid van 55% blijkt het evenwichts-vochtgehalte in beton nog te liggen op circa7%.(Toch nog 70 I per m3 beton). Naast dit porie-water is er het fysisch en chemisch gebondenwater.Bij stijgende temperaturen begint eerst het porie-water te verdampen. Effect op de sterkte is ernog nauwelijks. Boven 100oe begint het fysischgebonden water te verdampen. De sterkte kanhierdoor zelfs wat toenemen. De structuur blijftongewijzigd. Bovendien is het proces voor hetgrootste deel omkeerbaar; na afkoelen keert deoude toestand terug.Boven een ternperatuur van 250 oe begint ookhet chemisch gebonden water te ontwijken.Nu begint de structuur van de cementsteen teveranderen en treedtsterkteverlies op. Bij tempe-raturen tussen 400 en 450 oe begint ook het bijde hydratatie gevormde calciumhydroxyde teontleden tot calciumoxyde. Van volledig herstelna afkoelen is geen sprake meer.3-4Vervormingen van een betonconstructie na eenlangdurige brand3%0gnndbeton100010001000BOOBOO800o 200 400 600temperatuur in oeo 200 400 600temperatuur in oe0IlichtbetonII P=O--P=60 % \\II!- -1015 »: r-,1050c P=60 \\0/05o1008060120co-10WarmtegeleidingIs het hierboven aangegeven gedrag van betonbij hoge temperaturen reden tot ongerustheid?Nee, in het algemeen niet.Bij branden kan de temperatuur in korte tijd sterkoplopen, waarbij temperaturen boven600 oe niet ongewoon zijn. Maar een brand ismeestal van korte duur. Zelfs de felste brandenzijn vaak in slechts enkele uren bedwongen.Desintegratie van cementsteen is een langzaam-verlopend proces, waardoor de schade wordtbeperkt. Hierbij komt ook de betekenis van de1510>40c; 200o 200 400 500 600temperatuur in oe5Verloop van de druksterkte van grindbeton enlichtbeton bij stijgende temperaturen(bij een voor-belasting van 30% van debreukbelasting bij 20 DG)(volgens 1it.5)Wanneer de constructie afkoelt en vochtigwordt, zal calciumoxyde weer overgaan incalciumhydroxyde (blussen van kalk).Een volgende kritieke temperatuur ligt bij 575oe.Dan ondergaat kwartshoudend toeslagmateriaalnamelijk een structuurverandering, die samen-gaat met volumevergroting. De toeslagmaterialenkalksteen en basalt kennen dit probleem niet,maar zullen het bij nog hogere temperatureneveneens begeven. Kalksteen zal bij circa 900 oegaan ontleden, basalt volgt bij weer hogeretemperaturen. De ontleding van cementsteen, diebij 400 oe heel traag was begonnen, zal in dezehoge temperatuurgebiedensteeds snellerverlopen, zodat bij temperaturen van circa1000oe normaal beton zal zijn verwoest.De wijzigingen die als gevolg van de tempera-tuurstijging optreden in de materiaalstructuuren -samenstelling hebben vanzelfsprekendinvloed op de materiaaleigenschappen, zoalssterkte en vervormingsgedrag. In de figuren 5 en6 is daarvan een indruk gegeven.46a-bVervormingsgedrag van grindbeton en lichtbeton bijstijgende temperaturen, voor verschillendebelastingsituaties (grindbeton met kwartshoudendtoeslagmateriaal)(volgens lit. 5)Doelbewust wordt gezegd normaal beton. Uitzon-dering hierop is namelijk beton met aluminium-cement. Het sterkteverlies is bij aluminiumcementbelangrijk minder dan bij portlandcement enhoogovencement (deze twee vertonen geenverschil in gedrag). Bij temperaturen boven1000oe treden reacties op tussen de calcium-aluminaten van het aluminiumcement en hettoeslagmateriaal, waardoor een keramischebinding ontstaat. De hierdoor gevormdeprodukten kunnen zeer hoge temperaturenverdragen. Voor zogenaamd vuurvast beton isdaarom aluminiumcement het aangewezen bind-middel. Als toeslagmateriaal wordt dan bijvoorkeur chamotte toegepast. Voor de draag-constructie van gebouwen blijft dit echter buitenbeschouwing.warmtegeleidingscoêfficiênt (J/msOC)Tabel 2Warmtegeleidingscoëfficiênten van verschil/endebouwmaterialen (in droge toestand gemeten)aluminiumstaalbasaltkalksteengrindbetonkalkzandsteenglas20040-503,52,31,71,00,8schuimbeton- 1200 kg/m3- 900 kg/m3lichtbeton- 1600 kg/m3- 1300 kg/m3hardhoutnaaldhout0,550,240,70,50,170,14kwartshoudendkalksteentoeslagmateriaalbalkdoorsnede 300x 6001007Temperatuurstijging in het hart van een balkdoorsnede(300 X 600 mm) afhankelijk van het toeslagmateriaal ende betondekkingwarmtegeleidbaarheid kijken. Stel dat aan hetoppervlak van een betonbalk een temperatuurvan 900°C wordt bereikt. Dan zal bij de gebrui-kelijke brandduur de temperatuur op slechtsenkele centimeters onder het oppervlakhonderden graden lager zijn.De temperatuur moet dus gezien worden in rela-tie tot de tijd en de geleidbaarheid. Een geringewarmtegeleiding betekent dat lange tijd nodig isvoor het volledig doorwarmen van de constructie.De warmtegeleiding wordt sterk beïnvloed doorde verdamping van water in :het beton. Ditheeft een koelende invloed.Uit tabel 2 blijkt dat de warmtegeleidings-coêfficiênt van beton weliswaar hoger ligt dan dievan verschillende andere bouwmaterialen, maarin het geheel niet de waarden benadert die voormetalen gelden. Beton is dus een vrij slechtegeleider en dat betekent dat bij verhitting vanbuitenaf reeds op geringe diepte in :het betonveel lagere temperaturen voorkomen dan aan hetoppervlak (zie bijvoorbeeld figuur 10).De warmtegeleiding is afhankelijk van het vocht-gehalte, de soortelijke massa en het soorttoeslagmateriaal.In kalksteen treden in het temperatuurgebiedtussen 600 en 900 0Cwarmte-verbruikendeomzettingen op, waardoor kalksteenbeton lang-zamer doorwarmt dan grindbeton. Ook met lichtetoeslagmaterialen wordt een geringere warmte-geleiding bereikt. Een indruk van de invloed vanhet toeslagmateriaal wordt verkregen in figuur 7.We zouden ook kunnen zeggen dat bij eengeringere warmtegeleiding een steilere tempera-tuurgradiênt ontstaat. In de dekking zullendientengevolge grotere spanningen optreden,waardoor scheurvorming overeenkomstig toe-neemt. Het is dan van groot belang dat dedekking niet afspringt, want dan zou het effectvan de geringere warmtegeleiding geheelverloren zijn.Vanwege de verschillende materiaalomzettingenbij stijgende temperaturen en de steeds verder-gaande uitdrijving van water, is de warmte-geleidingscoêfficiênt niet constant, maartemperatuurafhankelijk. Het voorspellen van hettemperatuurverloop in de constructie is daaromeen bijzonder ingewikkelde zaak.Toch ook een zaak van groot belang. Want waarwe nog helemaal niet over gesproken hebben, ishet staal in voorgespannen en gewapend-betonconstructies. En juist voor de eigen-schappen van :het wapenings- en voorspanstaalis de temperatuur zeer bepalend.Wapenings- en voorspanstaalZoals men zegt, moet je ijzer smeden als hetheet is. Want de vervormbaarheid van ijzer enstaal neemt snel toe bij stijgende temperaturen(fig. 8).Daardoor kunnen op buiging belaste constructie-delen zoals balken en vloeren bij langdurigebranden gaan doorbuigen. Dit wil niet zeggendat ze daardoor direct bezwijken; het zou er weltoe kunnen leiden. Zulke constructiedelen zullenin ieder geval door de brand onbruikbaar zijngeworden en moeten worden vervangen.Wapeningsstaal behoudt z'n treksterkte tot300 oC, afhankelijk van staalsoort en -kwaliteit;daarna treedt sterkteverlies op. Bij voorspanstaalbegint het sterkteverlies al direct bij de tempera-tuurstijging (fig. 9).Keert na afkoeling van het staal de oorspronke-lijke sterkte weer terug? Dit is sterk afhankelijk51008060"."Istaal'"". '"-,".-,