Invloed brand op bezwijken koppelwapening in breedplaatvloer

NEN-EN 13747, de Europese productnorm voor breedplaten, beschrijft in een ontwerpregel dat bij de beoordeling van de brandveiligheid van breedplaatvloeren de koppelwapening ter plaatse van de voeg tussen twee breedplaten niet hoeft te worden beschouwd [1]. Sue Ellen de Nijs deed onderzoek naar de vraag of dit juist is en of dit ook geldt als de koppelwapening zonder specifieke dekking is aangebracht, zoals in Nederland gebruikelijk.

Bij een in twee richtingen overspannende breedplaat bevindt zich ter plaatse van de voeg tussen twee breedplaatvloeren koppelwapening loodrecht over de voeg (zie doorsnede in figuur 1). De constructieve kwaliteit hiervan bepaalt mede de constructieve kwaliteit van de vloer [2],[3],[4].

NEN-EN 13747 artikel 4.3.4 geeft een rekenregel voor de bepaling van brandveiligheid in dit kritieke detail:

“The fire resistance of a composite slab made of floor plates without void formers is the same as for a solid slab of identical characteristics. Calculation of the temperatures is carried out without taking into account the joint between floor plates as much as the width b_j is lower than 20 mm.” [1]

In de norm staat geen verdere achtergrondinformatie bij de rekenregel gegeven. Het is onduidelijk voor welke overspanningen de rekenregel geldt en welke betondekking wordt meegenomen in deze aanname. Dit levert de vraag of brand als extra risico voor de constructieve veiligheid van dit detail toelaatbaar is.

Beton en brand

Het is bekend dat de materiaaleigenschappen van zowel beton als van betonstaal in sterkte afnemen bij een temperatuurstijging. Deze reductie heeft te maken met het veranderen van de temperatuursafhankelijke materiaaleigenschappen: soortelijke massa, soortelijke warmte en thermische geleiding [4]. Samen vormen deze eigenschappen de thermische diffusie, een maat voor de snelheid waarmee een temperatuurverhoging de vloerplaat binnendringt.

De soortelijke massa van het beton neemt af naar mate het beton warmer wordt. Dit heeft te maken met zowel het vrij als chemisch gebonden water, dat verdampt en de betonporiën vult met stoom. Daarnaast wordt ook de soortelijke massa van het toeslagmateriaal lager.

Bovendien zal gedurende de opwarming van beton de soortelijke warmte toenemen en bij 100 °C zelfs een piek vertonen. De precieze piek is afhankelijk van het vochtgehalte in het beton en heeft te maken met de benodigde energie voor de vloeistof-gas faseovergang van het water.

De laatste veranderende eigenschap is thermische geleiding. Hoe hoger de thermische geleiding, hoe sneller een materiaal opwarmt. Beton heeft, bijvoorbeeld in vergelijking met staal of water, een lage thermische geleiding. Naar mate de hoeveelheid water in het beton afneemt, neemt ook de geleidingscoëfficiënt van het beton af.

Er zijn nog twee andere verschijnselen die invloed kunnen hebben op de opwarming van de koppelwapening, namelijk het spatten van beton en het ontstaan van thermische scheuren in het beton. Deze zijn niet opgenomen in dit onderzoek.

Door bovenstaande veranderende eigenschappen, veranderen de druk- en treksterkte van zowel het beton als het betonstaal. De druk- en treksterkte van beton neemt af vanaf temperaturen boven 100 °C en is onomkeerbaar. Bij een temperatuur hoger dan 600 °C is het beton dusdanig beschadigd dat dit niet meer hersteld kan worden.

De sterkte van het betonstaal begint af te nemen bij een temperatuur van 350 °C. De hoge warmtegeleidingscoëfficient van staal zorgt ervoor dat het betonstaal sneller opwarmt dan beton. Omdat het betonstaal in de constructie verantwoordelijk is voor het opnemen van de trekkrachten, is het van belang dat het beschermd wordt tegen een snelle opwarming door het aanbrengen van een (extra) betondekking. Vermindering van de dekking ter plaatse van de koppelwapening, kan leiden tot een snellere afname van sterkte van het staal.

Onderzoeksmethode

Voor het onderzoek naar het temperatuursverloop ter plaatse van de voeg tussen de breedplaten wordt vanwege de geometrie ter plaatse van de voeg, gebruikgemaakt van een eindige elementen model. Dit model is geverifieerd middels vergelijkingen met drie andere methoden. Daarnaast zijn voor de processen waarvoor geen eenvoudige analytische vergelijking mogelijk is, gevoeligheidsanalyses uitgevoerd.

Vergelijkend onderzoek

Voordat een temperatuuranalyse uitgevoerd kan worden voor de breedplaatvloer ten gevolge van een brand, is een vereenvoudigd 2D model gebruikt om een vergelijkende berekening te maken. Door voor deze eenvoudige situatie de resultaten van de grafische methode en de rekenmethode uit NEN-EN 1992-1-2 (figuur 2 [4]), de eindige differentiemethode en de eindige elementenmethode te vergelijken, kan beschouwd worden of de eindige elementenmodel een gelijkwaardige uitkomst geeft en daarmee een realistische weergave van de werkelijkheid.

In tabel 1 zijn de uitkomsten van de verschillende rekenmethodes vergeleken. De resultaten van de eindige elementenanalyses, zoals opgebouwd in figuur 3, komen goed overeen met de overige analyseresultaten, zodat gesteld kan worden dat het gebruikte eindige elementen model gevalideerd is. Daarom is de verwachting dat dit model voor de beschouwde temperatuursoverdrachtmechanismen ook gebruikt kan worden voor constructie-onderdelen met een meer complexe vorm zoals die bij de voeg tussen twee breedplaten.

Aandachtspunten

In de validatie is gekeken naar een monoliet vloer. Echter het doel is de gevolgen te onderzoeken van een brand ter plaatse van de voeg tussen twee breedplaatvloeren. Om dit onderzoek goed uit te voeren, moet er gekeken worden naar de verschillen tussen deze twee situaties. Hierbij komen aandachtspunten naar voren bij twee relevante overdrachtmechanismen, namelijk straling en convectie. Deze worden ten opzichte van de vlakke vloer extra opgelegd ter plaatse van de voeg. Uit de Eurocode kunnen de constante waardes voor convectie en straling overgenomen worden voor de onderzijde van de plaat. Maar de Eurocode geeft geen waardes welke gebruikt kunnen worden ter plaatse van de voeg.

Straling kan op twee manieren invloed hebben in de voeg, door zowel de straling van de plaatrand zelf als door brand aan de onderzijde van de plaat. De verwachting is dat de straling van de plaatrand gedurende de brand gelijk is aan weerszijden van de voeg en daarom geen temperatuurverhoging veroorzaakt. De straling door brand aan de onderzijde van de plaat heeft wel invloed. Hierbij speelt de zichtfactor een belangrijke rol. Deze bepaalt de ontvangen flux door straling. Wanneer het zend- en ontvangstvlak recht tegenover elkaar liggen en oneindige afmetingen bezitten, is de zichtfactor gelijk aan 1. Wanneer de afmetingen begrensd zijn, zal de zichtfactor kleiner worden dan 1. Dit laatste is het geval ter plaatse van de voeg.

Voor de convectie is de luchtsnelheid in de voeg belangrijk. Door de aanwezigheid van brand en de hierdoor grote temperatuurverschillen onder de vloer zijn de luchtsnelheid en de wervelingen van de lucht hoger. De aanname is dat vanwege de beperkte ruimte in de voeg de intensiteit van de turbulentie in de voeg klein is, waardoor de convectieve warmte-overdracht wordt geremd. Om deze reden wordt er in de voeg een lagere convectiecoëfficiënt toegepast. In het onderzoek is er voor deze convectiecoëfficiënt een aanname van 1 W/m²K gedaan. Uit een gevoeligheidsanalyse voor de convectieve overdracht is gebleken dat verschillende convectiecoëfficiënten, 0.5 W/m²K, 1 W/m²K en 2 W/m²K, in de analyse een zeer klein effect hebben op het temperatuurverschil.

Met dit model is de vloer onderzocht op basis van een variërende voegbreedte en breedplaatdikte. Op de brandzijde en de niet-brandzijde zijn de randvoorwaarden voor straling en convectie toegepast zoals in het gevalideerde model. In de voeg zijn de bepaalde randvoorwaarden uit de gevoeligheidsanalyse toegepast in combinatie met de toegepaste zichtfactor.

In figuur 4 is het temperatuurverloop zichtbaar in de breedplaatvloeren na 30, 60, 90 en 120 minuten bij een voegbreedte van 19 mm en een voegdiepte van 50 mm. Hieruit blijkt dat de onderzijde van de breedplaatvloer de hoogste temperatuur bereikt. Daarnaast is te zien dat de temperatuur rondom de voeg hoger is, wat veroorzaakt wordt door de straling en convectie in de voeg.

Echter naarmate de breedplaat dunner wordt, of de voegbreedte groter, neemt het verschil in temperatuur van het beton op de locatie van de voeg sneller toe dan de temperatuur van het beton op een horizontale afstand van 50 mm naast de voeg. Hieruit kan geconcludeerd worden dat een breedplaatvloer met een voegbreedte van 19 mm en een breedplaatdikte van 50 mm het grootste temperatuurverschil laat zien. Deze situatie geeft de maatgevende temperatuur voor de rest van het onderzoek.

In figuur 6 zijn de verkregen resultaten uit het eindig elementen model op de drie locaties (figuur 5) geplot na een brand van 120 minuten. Hierin komt nogmaals naar voren dat het beton ter plaatse van de voeg een hogere temperatuur bereikt dan het beton verder van de voeg gelegen. Op basis van de analyse van het temperatuurverloop kan geconcludeerd worden dat de temperatuur van het beton boven de voeg lager blijft dan de temperatuur van de breedplaat. Er wordt aangenomen dat het betonstaal dezelfde temperatuur aanneemt als het beton op die locatie. Dan heeft dit als gevolg dat het betonstaal in de breedplaat warmer zal worden dan het betonstaal van de koppelwapening die zich boven de voeg bevindt en zodoende gedurende een brand meer sterkte verliest dan de koppelwapening.

Op basis van de uitgevoerde analyse wordt geconcludeerd dat de stelling in NEN-EN 13747 dat voor het bepalen van de draagkracht bij brand de situatie ter plaatse van de voeg tussen de breedplaten niet beschouwd hoeft te worden, juist is in zoverre het de capaciteit van de wapening betreft. Dit geldt zelfs voor de situatie waarbij, zoals in Nederland gebruikelijk was, de koppelwapening boven de voeg direct op de breedplaat wordt geplaatst.

Conclusies

Het hiervoor beschreven onderzoek is gebaseerd op materiaaleigenschappen en coëfficiënten volgens NEN-EN 1992-1-2.Het gebruikte eindige elementenmodel gebruikt op de locatie van de voeg een aanname voor de convectiecoëfficiënt welke onderzocht is met een gevoeligheidsanalyse. In de analyse naar de toenemende temperatuur van de breedplaatvloer zijn de verschijnselen spatten en thermisch scheuren niet opgenomen.

Er kan geconcludeerd worden dat de ontwerpregel in NEN-EN 13747, waarbij gesteld wordt dat in het geval van voegbreedten tot 20 mm geen rekening hoeft te worden gehouden met de temperatuursontwikkeling in de voeg, juist is voor het beoordelen van de benodigde hoeveelheid koppelwapening. Een onjuiste uitvoering van de breedplaatvloer ter plaatse van de voeg waarbij de dekking op de koppelwapening kleiner is dan vereist volgens NEN-EN 1992-1-1, leidt niet tot een meer kritische situatie van de koppelwapening bij brand.

In dit onderzoek is de verdere constructieve beschouwing van het kritische detail van de breedplaatvloer bij een brand, bijvoorbeeld een beoordeling van de weerstand van het aansluitvlak tussen de koppelwapening en de breedplaatwapening onder brandomstandigheden, niet meegenomen. Ook is er de mogelijkheid dat resultaten voor specifieke situaties met het gebruik van een natuurlijk brandconcept met lokaal hogere temperaturen afwijkend zijn.

Met dank aan: Prof. Ir. Simon Wijte (TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde / Adviesbureau ir. J.G. Hageman), Ir. Ruud van Herpen  FIFireE (TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde / Peutz BV), Dr. Ir. Hèrm Hofmeyer (TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde).

Ir. Sue Ellen de Nijs is Junior Scientist bij BouwQ

Literatuur

[1] NEN-EN 13747:2005+A2:2010, Vooraf vervaardigde betonproducten – Breedplaatvloeren, CEN, 2010.

[2] Rapport 9780-1-0 Voorstellen voor en achtergronden bij rekenregels van beoordeling van bestaande bouw, Adviesbureau Hageman, Rijswijk, 20 mei 2019.

[3] S. Wijte en G. Dieteren, Achtergronden nieuwbouwregels detaillering breedplaatvloeren, in:  Cement, nr. 4/2020, pp. 60-71.

[4] S. Wijte en G. Dieteren, Rekenregels beoordeling bestaande breedplaatvloeren, in: Cement, nr. 4/2019, pp. 30-39.

[5] NEN-EN 1992-1-1:2004+AC:2008+AC:2010, Ontwerp en berekening van betonconstructies – Deel 1-1: Algemene regels voor gebouwen, CEN, 2016.

[6] NEN-EN 1992-1-2 Ontwerp en berekening van betonconstructies – Deel 1-2: Algemene regels – Ontwerp en berekening van constructies bij brand, NEN, 2005.

[7] A. Bejan en A. D. Kraus, Heat transfer handbook, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003.

[8] D. Di Capua en A. R. Mari, Nonlinear analysis of reinforced concrete cross-sections exposed to fire, in: Fire Safety Journal, vol. 42/2007, pp. 139-149.

[9] A. Lazouski, Influence of sustained stress and heating conditions on the occurence of fire-induced concrete spalling, University of Edinburgh, 2017-2019.