Rijkswaterstaat: BRA WAT -ltteratuurstudle

TNO-rapport

Rijkswaterstaat: BRA WAT -ltteratuurstudle spatten beton

96-CVB·R0399

TNO Bouw

Centrum voor Brandveiligheid

lange Kleiweg 5, Rijswijk Postbus 49 2600 AA Delft

Datum

Telefoon 01528420 Fax 015 284 39 90 Telex 38270

Auteur(s)

00

4juni 1996 ir. C. Both ing. P.W. van de Haar

Opdrachtgever: Min. Verkeer en Waterstaat Bouwdienst R.W.S. Droge Infrastructuur I OntwikkelingTechnieken Postbus 2‫סס‬oo 3502 LA Utrecht

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wei de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbendenisloegesiaan.

TNO î996 Thema WP-onderwerp : Trefwoord( en):

Projectnaam: Lit.studie spatgedrag Projectnr. : 05.20.3.7934 Pagina's : 21 Tabellen Figuren Bijlagen : 2

beton, spatten, tunnels, rekenmodellen, literatuur, warmte- en vochttransport Nederlandse Organisatie voor toegepast" natuurwetenschappelijk onderzoek TNO

TNO Bouw verricht onderzoek en geelt advies over bouwvraaqstukken, voornamelijk in opdracht van onder meer de overheid, grote en kleine ondernemingen in de bouw, toeleveringsbedrijven en branche-instellingen.

Op opdrachten aan TNO zijn van toepassing de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, zoals gedeponeerd bij de Arrondissementsrechtbank en de Kamer van Koophandel te 's-Gravenhege.

TNO-Rapl!0rt

Pagina 9 april 1996

96-CVB-R0399

INHOUDSOPGA

i

VE

1

INLEIDING

1

2 2.1

SPATTEN Kwalitatieve beschouwing Theorieën Maatregelen &perimenten

3 3 4 5 5

3.2

REKENMODELLEN Eenvoudig (dampstroming) Geavanceerd (dampdrukken)

7 7 7

4

VERIFICATIE REKENMODEL

10

5

SAMENVATTING,

11

BULAGE A

REFERENTIES

BULAGE B

GEAVANCEERDE

2.2 2.3 2.4 3

3.1

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN

REKENMODELLEN

Pagina

TNO-Rapport 96-CVB-R0399

4juni 1996

1

INLEIDING

1

Bij aan brand blootgestelde betonconstructies kan het verschijnsel optreden, dat aan de verhitte zijde spontaan stukken (schollen) beton afspringen. Dit verschijnsel wordt spatten genoemd'. In het algemeen kan worden gesteld dat het vochtgehalte in de betonconstructie een belangrijke parameter is met betrekking tot de kans op spatten. Hoe hoger het vochtgehalte, hoe groter de kans op spatten. Bij betonconstructies beschermd met plaatmateriaal of spuitmortel, kunnen mogelijkerwijs, ten gevolge van spatten van beton, delen van de bescherming/isolatie loslaten, hetgeen uiteraard -negatievegevolgen heeft voor de temperatuurontwikkeling in de betonconstructie. Tot op heden is het onderzoek naar het verschijnsel spatten beperkt gebleven tot direct aan verhitting blootgestelde betonconstructies. Gegevens welke het spatgedrag van beschermde c.q. geïsoleerde betonconstructies goed beschrijven zijn schaars. Experimentele gegevens met betrekking tot de temperatuurontwikkeling van beschermde betonconstructies (bijvoorbeeld in tunnels), zijn wel voorhanden, maar deze geven vaak geen zicht op het spatgevaar. aangezien bij de bedoelde experimenten dunne, relatief droge, betonplaten worden toegepast. In de praktijk zal het zo zijn dat het vochtgehalte in de betonconstructie van tunnels aanzienlijk hoger is dan in de beproefde betonplaten. Om meer zicht te krijgen op mogelijk spatgevaar in tunnels, heeft het Ministerie van Verkeer en Waterstaat, Bouwdienst R.W.S., een onderzoeksplan geformuleerd. Het plan is als volgt gefaseerd: 1 uitvoeren van een literatuuronderzoek, gericht op aanverwante vakgebieden; 2 opstellen van, en verzamelen van gegevens voor, een rekenmethode voor warmte- en vochttransport in een aan brand blootgestelde betonconstructie; 3 experimentele verificatie (in een laboratorium) van de rekenmethode; 4 afronding van het project. Het voorliggende rapport is het resultaat van de werkzaamheden uitgevoerd in de eerste fase. Het literatuuronderzoek richtte zich op twee aspecten. Ten eerste is gezocht naar gegevens omtrent de invloed van verschillende parameters die het spatten beïnvloeden. Ten tweede is gezocht naar literatuur welke gebruikt kan worden voor het opstellen van een rekenmodel voor de simulatie van warmte- en vochttransport in betonconstructies. Het hoofddoel van het onderzoek is te komen tot aanbevelingen voor verder onderzoek, met name gericht op de mogelijkheid tot het opstellen en verifiëren van een rekenmodel dat -voor relevant geachte gevallen- spatten kan voorspellen. Uitgangspunt van het onderzoek was het CUR-rapport 98 (CUR, 1980). Tijdens het onderzoek zijn daarnaast, onder meer, de volgende bronnen geraadpleegd: bibliotheek TNO; bibliotheek TU-Delft en via die bibliotheek buitenlandse bibliotheken; de electronische bibliotheek (FIREDOC) van het National Institute of Standerds and Technology (NIST) in de Verenigde Staten; electronische bibliotheken van buitenlandse universiteiten bereikbaar via Internet;

1 In

hoofdstuk 2 wordt beschreven wat precies onder spatten kan worden verstaan.

TNO-Rapport 96-CVB-R0399

Pagina 4juni 1996

2

collegae van buitenlandse onderzoeksinstituten: VIT (Finland), FRS (Engeland), mMB (Duitsland), CSTB (Frankrijk); diverse tijdschriften, waaronder: Fire & Materials; Joumal of Fire Sciences; Fire Safety Journal; International Journalof Heat Transfer. Opgemerkt wordt dat het doel van het onderhavige literatuuronderzoek niet was om een uitgebreid overzicht te geven van onderzoek op het gebied van het spatten van (verschillende soorten) beton. Hiervoor wordto.a verwezen naar genoemd CDR-rapport en b.v, [Abrams e.a., 1968; Meyer-Ottens, 1972; Hertz, 1984; Nause, 1995]. Het rapport is verder als volgt opgebouwd. In hoofdstuk 2 wordt eerst een kwalitatieve beschouwing gegeven van het spatverschijnsel. Daarnaast zullen enkele relevante experimenten en schadegevallen kort worden besproken. De mogelijkheden om een en ander (numeriek) te modelleren worden besproken in hoofdstuk 3. Aanbevelingen voor de experimentele validatie en verificatie van een rekenmodel worden gegeven in hoofdstuk 4. Tenslotte volgen de conclusies en aanbevelingen voor verder onderzoek in hoofdstuk 5. De referenties naar de geraadpleegde literatuur zijn in bijlage A opgenomen. De achtergronden van het in hoofdstuk 3 beschreven rekenmodel, dat het meest geschikt lijkt voor verder onderzoek, worden beknopt behandeld in bijlage B.

Pagina

TNO-Rapport 4juni 1996

96-CVB-R0399

2

SPATTEN

2.1

Kwalitatieve

3

beschouwing

Onder spatten van beton wordt verstaan het afbreken van lagen of delen van het betonoppervlak. wanneer dit blootgesteld wordt aan snel stijgende temperaturen. Spatten kan beperkt blijven tot het afspringen van kleine stukjes aan randen van de betonconstructie of het ontstaan van putjes in~het oppervlak. Spatten kan echter ook leiden tot bezwijken, doordat grote delen beton afspringen hetgeen de doorsnede sterk reduceert en daarmee de draagkracht. Bovendien wordt eventueel aanwezige wapening direct aan verhitting blootgesteld. Spatverschijnselen kunnen al in een vroeg stadium van een brand optreden, maar ook zeer geleidelijk. Verder is spatten geconstateerd bij zowel grindbeton als lichtbeton [Gantvoort, 1972; CUR, 1980; CUR, 1994a), en zowel bij normale sterkte beton als hogesterkte beton [Hertz, 1984; Nause, 1995]. Op grond van de ernst en de aard van het spatverschijnsel kan de volgende onderverdeling worden gemaakt [Munukutla, 1989; CUR, 1994a): 1 Spatten VAnde randen (liggers) In het begin van een brand kan het verschijnsel explosief optreden. In veel gevallen zullen stukken afspringen met een zodanige dikte/afmeting dat de wapening gedeeltelijk bloot komt te liggen. Gedurende de brand gaat het verschijnsel over in geleidelijke aantasting, door afname van betonsterkte. Het betonoppervlak krijgt een gehavend uiterlijk ("sloughing off"). 2 Spatten VAnhet betonQppervlak Onder te verdelen in (a) het splijten van toeslagmaterialen. (b) het ontstaan van putvormige beschadigingen aan de oppervlakte en c) het afspringen van schollen. ad a) en b) Een combinatie van thermische spanningen als gevolg van temperatuurgradiënten over de doorsnede en hoge drukspanningen kan leiden tot het splijten of het uitspringen van korrels toeslagmateriaal. Het verschijnsel treedt in een vrij vroeg stadium van de brand op. ad c) Plaatselijk springen er schollen beton af, variërend in grootte van zeer klein tot enkele vierkante meters. 3 Destructief spatten van beton Grote stukken beton springen spontaan af. De doorsnede wordt sterk gereduceerd en daarmee het draagvermogen; het proefstuk kan zelfs bezwijken. Het verschijnsel is explosief, treedt vaak in een vrij vroeg stadium van de brand op, en gaat gepaard met luide knallen. De hoofdoorzaken voor het spatten zijn [Munukutla, 1989; CUR, 1994a]: 1 Het ontstaan van hoge dampspanningen in poriën. Het in het beton aanwezige vocht verdampt en veroorzaakt trekspanningen in het beton, die tot plotseling sterke scheurgroei leidt. 2 Het ontstaan van thermische spanningen in de buitenste lagen. Door (gedeeltelijk) verhinderde vervormingen als gevolg van niet-lineaire temperatuursgradienten over de doorsnede en lengte ontstaan thermische spanningen, welke aanleiding kunnen geven tot spatten. 3 De mineralogische opbouw van toeslagmaterialen. Door fysische en chemische reacties zullen volumeveranderingen optreden in het beton,

TNO-Rapport

Pagina 4 juni 1996

4

waardoofspatten kan optreden. Het proces is zeer geleidelijk en zal niet snel tot bezwijken leiden. In de meer recente literatuur vindt men de opvatting dat met name de eerst genoemde oorzaak van belang is [Meyer-Ottens, 1972; Hertz, 1984; Munukutla, 1989; Sarvarante e.a., 199311995]. Factoren die hetspatten beïnvloeden zijn in volgorde van belangrijkheid: het vocht-en poriën gehalte van het beton; en daarmee samenhangend de permeabiliteit (het spatgevallrisgroter bij een hoger vochtgehalte enlof een lagerporiëngehalte en bij een lage permeabiliteit); dewijzeyán verhitting (bij meerzijdige verhitting is het spatgevaar groter, het spatgevaar is ook groter bijeen hogere opwarrssnelheid); aanwezigheid vandrukspanningen (door thermische spanningen, uitwendige drukbelasting enlof voorsPanning neemt het spat gevaar toe; verhinderde thermische vervormingen kunnen derhalve het spatgyvaar vergroten); afmetingen van de constructie (het spatgevaar wordt kleiner, hij toename van de dikte van de constructie); aanwezigheid van wapening (enerzijds kan wapening een positief effect hebben daar het scheurgt<:>eibeperkt, anderzijds kan juist rondom wapeningsstaven scheurgroei initiëren). Theorieën In de literatuur vindt men verschillende theorieën waannee men tracht het spatgevaar te beschrijven. In eerste instantie waren onderzoekers de mening toegedaan dat spatten werd veroorzaakt met name door het ontstaan van thennische spanningen, welke aan de verhitte zijde van het beton aanleiding kunnen geven tot het overschrijden van de druksterkte [Saito, 1965J. Later, naar aanleiding van experimenteel onderzoek, is de invloed van het verdampen van vocht naar voren geschoven als de belangrijkste oorzaak voor spatten [Harmathy, 1965; Waubke, 1996; Meyer-Onens, 1972; Saito, 1977]. Voor aonaelestèrkte grindbeton zijn er twee theorieën te onderscheiden, welke zijn opgesteld met het doel spatten van beton in een rekenmodel te vangen. Hieronder worden deze theorieën kort samengevat. In het volgende hoofdstuk zal iets uitgebreider op de materie worden ingegaan. De eerste theorie is die van Meyer-Ottens, gebaseerd op gecombineerd experimenteel en theoretisch onderzoek van Waubke op platen [Meyer-Ottens, 1972J. De theorie kan als volgt beknopt worden beschreven. In aan brand blootgestelde betonconstructies vormt het verdampte vocht de drijvende kracht voor het stromen van damp en vloeistof in de poriën. Door de stroming worden schuifkrachten veroorzaakt (te bepalen m.b.v. de theorie van Newton), welke aanleiding kunnen geven tot het overschrijden van de treksterkte. Uit het theoretisch en experimenteel uitgevoerde onderzoek blijkt dat voor grindbeton de kans op spatten gering is bij vochtgehalten lager dan 5% (VN), Bijeen hoger vochtgehalte, hangt het spatgevaar af van de dikte van het beton en de eventueel reeds aanwezige spanningen. De tweede theorie is gebaseerd op een meer fundamenteel wetenschappelijke methode. De theorie kan als volgt worden samengevat De ten gevolge van verhitting in het beton ontstane waterdamp kan zich

TNO-Rapport 96-CVB-R0399

4juni 1996

5

na verloop van tijd niet snel genoeg meer naar het oppervlak verplaatsten, waardoor de temperatuur en dus de druk verder oplopen, hetgeen tot hoge inwendige spanningen leidt en resulteert in spatten. Beide theorieën lijken in eerste instantie bruikbaar voor verder onderzoek, en worden in het volgende hoofdstuk meer uitgebreid beschreven. De achtergronden van de modellen staan in bijlage B. 2.3

Maatregelen

Maatregelen die kunnen helpen om spatten te voorkomen zijn: reductie van het vochtgehalte, bijvoorbeeld d.m.v. drogen, dit vermindert de dampdrukken; grotere betondoorsnede. hetgeen de drukspanningen reduceert; additionele wapening toepassen (bij grote betondekking), of vezels toevoegen; isolatielbekledingsmateriaal aanbrengen. waardoor verdampen geleidelijk optreedt en geen of lage thermische spanningen optreden. Met name hoge sterkte beton kan zeer gevoelig zijn voor spatten, zelfs bij extreem lage opwarmsnelheden van IOC/min [Hertz, 1984; Shirley e.a., 1987; Nause, 1995]. Het effect van verschillende toeslagmaterialen en het toevoegen van vezels zijn momenteel aandachtspunten in onderzoek. Toevoegen van vezels kan op twee verschillende manieren effect sorteren [Sarvaranta e.a., 1993/5]: vezels smelten en verhogen de permeabiliteit; vezels verhogen de treksterkte. 2.4

Experimenten

Door het Centrum voor Brandveiligheid TNO, worden beschermingsmaterialen voor betonconstructies onderzocht. De proeven worden uitgevoerd op betonplaten met globale afmetingen ongeveer 1,2xl,2xO,15 m. In de betonplaten wordt een wapeningsnet gelegd, normaliter <1>12-200;de betondekking bedraagt normaliter zo'n 25 mm (vanaf de verhitte zijde). De betonplaten worden éénzijdig verhit, volgens de door R.W.S. voorgeschreven temperatuur-tijd kromme. Doel van de proeven is na te gaan of het isolatiemateriaal voldoet aan de gestelde eisen: a) gedurende twee uur de bedoelde verhitting weerstaat; b) een zodaninge isolatie geeft dat de temperatuur op het scheidingsvlak beton-beschermingsmateriaal niet hoger wordt dan 380°C en de temperatuur aan de onderzijde van de wapening niet hoger wordt dan 250°C. Tevens wordt de werking van de bevestigingsmiddelen (bij plaatmaterialea), c.q. de hechting (bij spuitmateriaJen) onderzocht. Tijdens de proeven wordt de temperatuur gemeten met behulp van een aantal thermokoppels die als volgt over de dikte van de betonplaat zijn verdeeld: (a) op het scheidingsvlak beton-beschermingsmateriaal; (b) op de (onderzijde) van de wapening (25 mrn); (c) halverwege (75 mm), Verder wordt het vochtgehalte van het beschermingsmateriaal gemeten. Mechanische materiaaleigenschappen van de betonplaten (kubusdruk - en splijttreksterkte b.v.) worden niet gemeten, evenmin als het vochtgehalte. De betonplaten worden gedurende ongeveer 3 maanden gedroogd (omstandigheden: temperatuur 30°C en relatieve vochtigheid 30%), opdat een evenwichtsvochtgehalte wordt bereikt. Het onderzoek is louter gericht op de geschiktheid van het isolatiemateriaal.

Pagina

TNO·RapP9rt 96-CVB-R0399

4juni 1996

6

Voorzover bekend zijn tijdens dergelijke "standaard" uitgevoerde proeven geen spatverschijnselen waargenomen. Dit bevestigt de in de literatuur gangbare opinie dat een laag vochtgehalte, in combinatie met een lageopwarmsnelheid (d.m.v. isolatie), de kans op spatten sterk reduceert. De genoemde omstandigheden zijn representatief voor een binnenklimaat. maar uiteraard niet voor een klimaat zoals mag worden verwacht in verkeerstunnels. Aangezien juist het vochtgehalte de belangrijkste parameter is met betrekking tot spatgevaar. kan uit bovenstaande worden geconcludeerd dat in principe het spatgevaar in verkeerstunnels groter is. Het laatste wordt bevestigd door de resultaten van een aantal brandproeven op beschermde betonnen platen, onder omstandigheden die meer representatief zijn voor verkeerstnnnels, d.i, temperatuur- en luchtvochtigheidcondities bij buitenopslag van de proefstukken (temperatuur ongeveer 18°C; luchtvochtigheid ongeveer 75% [Haffmans e.a, 1979]. Uit de proeven blijkt dat spatten op kan treden. Alhoewel geen vochtgehalten in de betonnen platen zijn gemeten, mag worden aangenomen dat onder genoemde omstandigheden, deze vochtgehalten aanzienlijk hoger liggen dan de door Meyer-Ottens geponeerde gevaargrens van om en nabij de 5% (VN) [Boekwijt, 1977].

Pagina

TNO-Rapport %-CVB-R0399

4juni 1996

3

REKENMODELLEN

3.1

Eenvoudig

7

(dampstroming)

De theorie is gebaseerd op een aangenomen verdampingsfront, dat zich met bepaalde snelheid door een aan standaard brandomstandigheden blootgestelde grindbetonplaat verplaatst. De snelheid volgt uit experimenten. De snelheid hangt in het model af van de brandduur en de dikte van het beton. Door de stroming van damp en vloeistof (theorie van Newton) die door de verplaatsing van het front wordt veroorzaakt, ontstaan wrijvingskrachten aan de randen van de poriën. Door sommatie van deze wrijvingskrachten kan een maximaal optredende trekkracht worden berekend. Deze maximaal optredende trekspanning hangt in het model o.a. af van het poriëngehalte en het vochtgehalte. Uit berekeningen met het model blijkt dat in bet algemeen kan worden gesteld dat bij vochtgehalten kleiner dan 5% (volume), nauwelijks spatgevaar is. Opgemerkt wordt dat deze conclusie alleen geldig is voor direct aan standaard brandomstandigheden blootgestelde platen van normale sterkte grindbeton. Het model is dus niet rechtstreeks toepasbaar op beschermde betonconstructies onder andere brandomstandigheden (R.W.S.-curve). Met het model is een grafiek berekend, die aangeeft bij welke combinatie van drukspanning en dikte van het beton, spatgevaar aanwezig is. Het grote voordeel van het model is dat het relatief eenvoudig is (in een spreadsheet programma te verwerken). Voor de verificatie van het model zou kunnen worden volstaan met het uitvoeren van een beperkt aantal -standaard- proeven (volgens R.W.S.-curve) op beschermde betonplaten. De instrumentatie kan beperkt blijven tot een gering aantal thermokoppels, zodanig verdeeld over de dikte van de platen dat de meetresultaten zicht geven op de snelheid waarmee het verdampingsfront zich in diverse beschermde platen verplaatst. Belangrijk nadeel van het model is dat het een semi-empirisch karakter heeft. Het model gaat uit van gemeten snelheden waarmee het verdampingsfront zich door de betonconstructie beweegt. Voor andere dan de onderzochte typen bekledingsmaterialen, andere betonsoorten, dan wel andere brandomstandigheden, moet in principe weer een verificatie proef worden uitgevoerd. Verder kan in het model niet expliciet rekening worden gehouden met vocht in de beschermingsmaterialen. Tenslotte is het model in essentie één-dimensionaal, en niet zonder meer geschikt te maken voor betonconstructies waarin het warmte- en vochttransport een meer-dimensionaal karakter heeft. Op grond van deze nadelen wordt het model minder geschikt geacht voor verder onderzoek, en derhalve niet verder behandeld.

3.2

Geavanceerd

(dampdrukken)

Uit meer recente literatuur blijkt dat de gangbare verklaring voor spatten tegenwoordig wordt gezocht in de ontwikkeling van hoge dampdrukken [Gantvoort, 1972/91; Saito 1977; CUR, 1994]. Om de ontwikkeling van dampdrukken in beton te kunnen voorspellen moet het gecombineerde warmte- en

Pagina 4juni 1996

8

P3pn3

TNO-RaRPQrt 96-CVB-R0399

4juni ]996

9

zal dit effect een grote rol spelen. In beschermde betonconstructies in tunnels zal het effect naar verwachting een ondergeschikte rol spelen, aangezien zowel de aanwezige spanningen relatief laag zijn. alsmede dethermische spanningen. Ander nadeel van genoemde modellen is dat naast de porositeit een aantal andere materiaal-eigenschappen moeten worden bepaald, zoals de permeabiliteit (coëfficiënt van Darcy). Dit kan echter met relatief eenvoudige experimenten op kleine proefstukken worden bepaald. Met de genoemde modellen is het mogelijk een interne dampspanning te berekenen, welke bij het bereiken van het niveau van de trekspanning spatgevaar oplevert. Het effect van reeds aanwezige spanningen, kan b.v. met gebruikelijke methoden voor de berekening van de spanningeverdeling in aan brand blootgestelde constructies worden onderzocht, zoals het eindige elementen programma DIANA. Uit de literatuur blijkt dat de eindige differentie methode het meest gebruikelijk is voor deze problematiek. Indien in eerste instantie wordt gekozen voor een één-dimensionale aanpak kan aansluiting worden gezochtbij het TNO-programma HEATID. Indien een meer-dimensionale aanpak is gewenst, kan worden besloten om e.e.a. in te bouwen in het TNO-pakket DIANA (i.t.t. HEATID gebaseerd op de eindige elementen methode). Tenslotte zij opgemerkt dat de modellen grote overeenkomst bezitten. Aanbevolen wordt derhalve als basis het model van Sahota te kiezen, en indien noodzakelijk en mogelijk dit model uit te breiden met de opties zoals die door Harada zijn voorgesteld (d.i. het verdampen van chemisch gebonden water). Indien een rekenmodel eenmaal is opgesteld, kan aan de hand van een parameterstudie en experimenteel onderzoek worden bepaald welke effecten en modelleringen van cruciaal belang zijn in aan beschermde betonconstructies in (verkeers) tunnels.

10

4juni 1996

4

VERIFICATIE·.REKENMODEL

De resultaten van reeds uitgevoerd onderzoek op beschermde betonplaten worden niet geschikt geacht voor experimentele verificatie, vanwege het ontbreken van gegevens met betrekking tot: het vochtgehalte van de betonplaten; transport parameters van het beton en de beschermingsmaterialen diffusiec,*fficienten) ; de kuoo$drnk- en spHjttreksterkte van het beton; de ontwikkeling van dampdrukken .

(porositeit, penneabiliteit

en

....

Verder is ook het aantal thermokoppels te gering . .....

Voor de verificatie van de voorgestelde rekenmodellen dienen derhalve experimenten te worden uitgevoerd. Gegewens met betrekking tot het vochtgehalte, transportparameters en· de mechanische eigenschappen van beton zijn uiteraard relatief eenvoudig te verkrijgen door experimenten op kleine proefstukken. Ook het verhogen van het aantal thermokoppels is vrij eenvoudig. Een probleem wordt echter voorzien in de bepaling van de dampdrukken. Opgemerkt wordt: dat experimentele verificatie van aBe onderzochte warmte- en vochttransport modellen vaak zeer beperkt is, en meestal niet gericht op (grind) beton. Literatuur waarin modellen worden geconfronteerd met proefresultaten op grind beton is schaars, terwijl de vergelijkingbeperk.t blijft tot berekende versus gemeten temperaturen. In de literatuur zijn echter wel aanwijzingen te vinden om meetäppararuur te gebruiken voor de bepaling van dampdrukken; meetinstrumenten moeten echter in principe ontwikkeld worden. Een belangrijk aspect in de uit te voeren proeven is het vochtgehalte in de betonplaten. Op grond van metingen in tunnels kunnen representatieve luchtvochtheidscondities worden bepaald. De te beproeven betonplaten kunnen dan onder die condities worden opgeslagen totdat een gewenst evenwichtsvochtgehalte is bereikt. Voor de uiteindelijke verificatie wordt het volgende voorgesteld: een proefstuk met laag vochtgehalte en een met duidelijk hoger vochtgehalte dan representatief voor tunnels. In het ene geval zal volgens het model geen spatten optreden en in het andere geval wel.

TNO-Rapport 96-CVB-R0399

5

SAMENVATTING,

Pagina 4juni 1996

CONCLUSIES

11

EN AANBEVELINGEN

Om meer inzicht te verkrijgen in het spatgevaar van betonconstructies in tunnels, heeft de Bouwdienst R.W.S. een gefaseerdonderzoeksplan geformuleerd. In opdracht van het ministerie van Verkeer en Waterstaat, Bouwdienst R.W.S., is bij het Centrum voor Brandveiligheid, in het kader van de eerste fase van genoemd onderzoek, een literatuurstudie verricht gericht op twee aspecten. Ten eerste is gezocht naar gegevens omtrent de invloed van verschillende parameters die het spatten beïnvloeden. Ten tweede is gezocht naar literatuur welke gebruikt kan worden voor het opstellen van een rekenmodel voor de simulatie van warmte- en vochttransport in betonconstructies. Het hoofddoel van het literatuuronderZoek was te komen tot aanbevelingen voor verder onderzoek, met name gericht op de mogelijkheidtothet opstellen en verifiëren van een rekenmodel dat -voor relevant geachte gevallenspatten kan voorspellen. De belangrijkste aspecten die uit de studie naar voren komen zijn: Het vochtgehalte is de belangrijkste parameter met betrekking tot spatgevaar. Er zijn nauwelijks experimentele gegevens beschikbaar welke zicht geven op het spatgevaar van beschermde betonconstructies. Uit de schaarse experimentele gegevens blijkt echter wel dat ook bij beschermde betonconstructies, onder bepaalde -ongunstige- omstandigheden, spatten kan optreden. Dergelijke omstandigheden mogen, in principe, in de praktijk worden verwacht in (verkeersjtunnels. Twee rekenmodellen lenen zich in principe voor verder onderzoek c.q. de bestudering van het spatgevaar. De modellen hebben een meer fundamenteel-wetenschappelijk karakter en zijn gebaseerd op natuurkundige principes voor warmte- en vochttransport in poreuze media. Literatuur waarin de validatie c.q. verificatie van het model wordt besproken is zeer beperkt, en vaak niet gericht op (grind)beton. Basisgegevens voor de rekenmodellen (porositeit, permeabiliteit, diffusiecoefficienten, kubusdruk- en splijttreksterkte, etc.) moeten met kleinschalige proeven worden vergaard. Ter validatie en verificatie kunnen en moeten op grond van in de literatuur gevonden aanwijzingen meetmethoden worden ontwikkeld om de drukopbouw te meten. Het effect van scheurvorming op de permeabiliteit kan niet expliciet in rekening worden gebracht. Verwacht wordt echter dat in beschermde dikwandige betonconstructies zoals in tunnels, scheurvorming zeer beperkt zal blijven, en op een impliciete manier in rekening kan worden gebracht. Voordeel van de wetenschappelijke modellen is dat ze direct geschikt zijn voor andere randvoorwaarden (andere dan standaardbrandkromme of de R.W.S.-curve b.v.) en materialen en in principe naar meer dimensies uit te breiden zijn. Uit de literatuur blijkt dat de eindige differentie methode het meest gebruikelijk is voor deze problematiek. Indien in eerste instantie wordt gekozen voor een 1-D aanpak kan aansluiting worden gezocht bij het TNO-programma HEATlD. Indien een meer-D aanpak is gewenst, kan worden besloten om e.e,a, in te bouwen in het TNO-pakket DIANA (i.t.t. HEA Tl D gebaseerd op de eindige elementen methode) Met de modellen is de ontwikkeling van dampdrukken in de tijd en als functie van de locatie te berekenen. Het effect van reeds aanwezige spanningen in de betonconstructie of het effect van thermische spanningen kan worden onderzocht in combinatie met gebruikelijke rekenmodellen voor de

Pagina

TNO-Rappprt 96-CVB-R0399

12

4juni 1996

simulatie van het mechanisch gedrag van aan brand blootgestelde betonconstructies, eindige elementen programma DIANA.

zoals b.v. het

Aangezien het vochtgehalte de belangrijkste parameter is, wordt voorgesteld een aantal in-situ metingen uit te voeren om informatie te verkrijgen omtrent de reële luchtvochtigheidscondities in tunnels alsmede reële vochtgehalten in betonconstructies in tunnels. Op grond van deze metingen kunnen een aantal proefstukken worden gemaakt, waarbij de bekledingsdikte op de gebtuikelijkemanier wordt gedimensioneerd (temperatuurcriterium op het scheidingsvlas; beschermingsllla,tenaal - beton en van het wapeningsstaal). De proefstukken worden vervolgens geconditioneerd opgeslagen totdat de gewenste vochtgebalten zijn bereikt. Aanbevolen wordt in ieder geval een proefstuk te maken waarin het vochtgehalte lager is dan het vochtgehalte dat volgens het rekenmodel kritisch is (geen spatten), en een proefstuk met een hoger vochtgehalte (wel spatten). Als altematiefkan worden gedacht aan het uitvoeren van genoemde proeven, waarbij het kritische vochtgehalte wordt gesteld op het vochtgehalte dat uit in-situ metingen volgt. Het al dan niet ontwikkelen vaneen rekenmodel wordt vervolgens afhankelijk gesteld van de resultaten van deze proeven: indien spatten optreedt kan met die fase van het onderzoek worden gestart.

ing. P.W. van de Haar

TNO-Rapport

Pagina 9 april 1996

96-CVB-R0399

BIJLAGE

A: REFERENTIES

A.I

TNO-Rapport

Pagina

A.2

9 april 1996

96-CVB-Rû399

Abrams, M.S.;Gustaferro,

A.M., 1968.

"Fire endurenee of concrete slabs as inf1uenced by thickness, aggregate type, and moisture", Joumal of the PCA Research and Development Laboratorles.

Batbe, KJ., 1982. "Finite element procedures in engineering analysis", Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering.

Bechtold, R., 1977. "Zur thermisohen Beanspruchung von Aubenstûtzen im Brandfall", Heft 37 Institut für Baustoffkunde und Stahlbetonbau Technische Universiteit Braunschweig.

Biek, D., 1995. "Zur Dichtheit von Trennrissen in Beton bei Einwirken umweltgefährdender Lehrstuhl und Institut für Massivbau Aachen.

Flüssigkeiten",

Heft 3

Blume, G.; Richter, E., 1995. "Tunnelbrandvérsuche: Erkentnisse für den baulichen Kurzreferate Braunschweiger Brandschutz- Tage '95.

Brandschutz

und Betrieb

von Tunneln",

Boekwijt, W.O., 1977. "Het vochtgehalte van lichtbeton en grindbeton in de praktijk", TNO-rapport BI-77-79.

Boley, B.A.; Weiner, J.H., 1985. ''Theory ofthermal stresses", Columbia University Institute of Flight Structures,

Budelmann, H., 1987. "Zum Einfluss erhöhter Temperatur auf Fesrigkeit und Verforrnung von Beton mit unterschiedlichen Feuchtgehalten", Institut für Baustoffe und Brandschutz Technische Universiteit Braunschweig.

Cox, G.; Kumar, S., 1987. "A numeri cal model offire in raad tunnels". Tunnels and Tunneling, Vol. 19, No. 3.

CUR,I963. "Brandproeven op voorgespannen liggers". Cl.R-rapport

13.

CUR, 1975. "Brandwerendheid

van voorgespannen beton liggers", CDR-rapport 68.

CUR, 1980. "Spatten van grindbeton en lichtbeton bij brand". CUR-rapport 98.

CUR,1994a. "Brandwerendheid

van betonconcstructies.

Deel 1: uitgangspunten en gegevens voor een rekenkundige

TNO-Rapport

Pagina A.3

9 april 1996

96-CVB-R0399

beoordeling", CDR-rapport 149.

CUR,1994b. "Brandwerendheid rapport 153.

van betonconcstructies.

Deel II: rekenkundige bepaling en vervormingen",

CUR-

Fredlund, R, 1990. "Caclulation of the fire resistance of wood based boards and waIl constructions", Zweden, SE-LUTVDGrrVBB-3ü53.

Lund University,

Fredlund, B., 1993. "Modelling of heat and mass transfer in wood structures during fire", Fire Safety Joumal, Vol. 20, No.

1.

Fiezlmayr, A, 1976. "BrandversucheIn

einem Tunnel", Bundesministerium

fur Bauten und Technik, Heft 50, Teil 1.

Gantvoort, G.J., 1972. "Brandveiligheid betonconstructies",

TNO-rapport BI-72-72.

Gantvoort, G.J., 1991. "De brandwerendbeid

van betonconstructies",

TNO-rapport.

Baffmans, L.J.M.; Dekker, J., 1979. "Beproeving van het gedrag bij verhitting van twee isolatiematerialen ter bescherming van tunnels bij brand", TNO-rapport B-79-391.

Bamerlinck, A.F., 1988. "Een thermisch model voor de berekening van staalplaat-betonvloeren Bouwstenen 13 Technische Universiteit Eindhoven.

onder brandomstandigheden",

Harada, K.; Terai, T., 1994. "Dependence of therm al response of composite slabs subjected to fire on cross sectional shapes", Proceedings 41/1 International Fire Safety Science Symposium.

Harmathy, T.Z., 1965. "Effect of moisture on the fire endaranee of building elernents", American Society for Testing and Materials, Special teehuical publication No. 385.

Harmathy, T.Z., 1970. "Thermal properties of concrete at elevated temperatures", Journalof Materials, Vol. 5, No. 1.

Bederik, B.B.J., 1978. "Aanvullend rapport betreffende het ongeval met brand in de Velsertunnel op 11-8-1978", Gemeente

TNO-Rapport

Pagina A.4

9 april 1996

96-CVB-R0399

Brandweer Velsen.

Hertz, K., 1984. "Heat induced explosion of dense concretes", Rapport 166 Institute of Building Design Technische Universiteit Denemarken.

Janssen,

J.e.M.,

1985.

"Hetoplossen van warmtestromingsproblemen met behulp van de elementenmethode. stationair lineair warmtetransport", TNO-rapport BI-8S-29.

Deel

1:

Janssen, J.C.M., 1985. "Het oplossen van warmtestromingsproblernen met behulp van de elementenmethode. stationair en niet-lineair warmtetransport". TNO-rapport BI-8S-SI.

Deel 2: niet-

Ktingsch, W., 1976. "Traglastberechnung instationär thermisch belasteter schlanker Stahlbetondruckglieder mirtels zweiund dreidimensienaler Diskretiserung", Dissertatie Technische Universiteit Braunschweig.

Kordina, K.,e.a., 1978. "FIB-CEB Report on methods of assessments of the fire resistance of concrete structural members",

Kordina, K., 1991. "Natural fires: research and applicarion in consulting", Fire Safety Journal, VoL 17, No. 2.

Kumar, I.J., 1971. "An extended variational forrnulation of the non-linear heat and mass transfer in a porons medium", International Joumal Heat/Mass Transfer. Vol. 14.

Leur, P.H.E. van de, 1989. "Verificatie rekenmodel tunnelbranden" , TNO-rapport B-89-437.

Leur, P.H.E. van de, 1990. "Computerprogramma voor de berekening van de één-dimensionale warmtegeleiding in samengestelde constructies", TNO-rappolt BI -90-020. Lie, T.T., 1965. "Protection matenals and constructions under fire", Heren, Volume 13, No. 2.

Lie, T.T., 1984. "A procedure to calculate fire resistance of structural mernbers", Pire and Materials, Vol. 8, No. 1. MarschalI, J.; Milstein, F., 1987. "Thermal degradation of polymer concrete", Construction and Building Materials, Vol. 1, No. 1.

TNO..Rapport

Pagina A.5

9 april 1996

96-CVB-R0399

Meyer-Ottens,C.M.,1972. "Zur Frage der AbJatzungen an Betonbauteilten aus Normalbeton bei Brandbeanspruchung", Technische Universiteit Braunschweig.

Disseratie

MUDukutla, V.R., 1989. "Modelling fire/performance of concrete walls", Universiteit van Canterbury, Christchurch, Zeeland, Researcb Report 89/5.

Nieuw

Nause, P., 1995. "Brandverhaltenvon Druckgliedern aus hochfestem Beton", Braunschweiger Institut mr Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, Heft 115.

Brandschutz-Tage

'95,

Pham, Q.T., 1986. "The use of IUOlpedcapacitance in the finite-element solution of heat conduction problems with phase change", International Joumal of Heat/Mess Transfer, VoL 29, No. 2.

Reinh:ardt,

n.w., 1985.

"Beton als constructiemateriaal;

eigenschappen en duurzaamheid", Delftse Universitaire Pers.

R. W.S., 1995. "Onderzoek brandbestendigheid beton in relatie tot het vochtgehalte I Onderzoek brandbestendigheid onbeschermde damwand", Concept Projeeplan. Bouwdienst R.W.S ..

Sahota,M.s.;

Pagni, P.J., 1975.

"Temperature fjelds in structural elernents subject to fires", Joumal of Heat Transfer, Vol. 97C.

Sahota, M.S.;Pagni, P.J., 1979. "Heat and mass transfer in poreus media subject to fires", International Joumal HeatIMass Transfer, Vol. 22., No. 7.

Salto, H., 1965. "Explosive spalling of prestressed concrete in fire", HP-conferentie

1%5, Braunschweig.

Salto, H.; Seld,N., 1977. "Mass transfer and pressure rise in moist poreus material subjeered to sudden heating", Joumal of Heat Transfer, Vol. 99C.

Sarvaranta, L.; Elomaa, M.; Jarvela, 1993. "Study of spalling behavier of PAN fiber-reinforeed concrete by thermal analysis", Fire and Materials, Vol. 17, No. 5.

Sarvaranta, L.; Mikkola, Eo, 1995. "Mortarscontaining wood-based fibres under thormal exposure using cone calorimeter hearing", Fire andMaterials, Vol. 19, No. 1.

TNO-Rapport 96-CVB-R0399

Pagina 9 april 1996

A.6

Sehneider, U., 1973. "Zur Kinetik festigkeitsmindernder Reaktionen in Normalbeton bei hohen Temperaturen", Technische Universiteit Braunschweig. Schneider, U.; Nägele, E., 1989. "Repairability offire damaged structures", 16, No. 4).

cm

Dissertatie

WI4 Report, Publication 111 (Fire Safety Joumal Vol.

Shirley, S.T.; Burg, R.G.; Fiorato, A.E., 1987. "Fire endurance of high-strength concrete slabs", Construction Technology Laboratoties 8712B.

Inc., Doe.

Unoki, J.; Kimura, S, 1983. "New fire detector for raad tunnels", Fire Safety Joumal. Vol. 6, No. 3. Vries, A. De, 1987. "The theory of heat and moisture transfer in porons media revisited", International Joumal HeatJMass Transfer, Vol. 30., No. 7.

Wickström, U.; Sterner, E., 1990. "TASEF - Temperature analysis of structures exposed to fire", Swedish National Testing Institute, SP Report 1990:05.

TNO-Rapport

Pagina B.I

9 april 1996

96-CVB-R0399

BULAGE

B: GEAVANCEERDE

REKENMODELLEN

Pagina

TNO-Rapport

I

B.2

9 april 1996

96-CVB-R0399

Model van Sahota

De volgende aannamen liggen aan het model ten grondslag: er heerst lokaal thermo-dynamisch evenwicht (het vocht heeft dezelfde temperatuur als het direkt omringende poreuze materiaal); er heerst een vloeistof-damp evenwicht (de partiële dampdruk is gelijk aan de verzadigingsdruk); er vindt geen stroming van vloeistofplaats; verdamping van chemisch en fysisch gebonden water wordt verwaarloosd; de wet van Darcy geldt voor gassen; lucgt en waterdamp zijn ideale gassen. Het model is verder opgebouwd met de volgende basis vergelijkingen: 1.

Behoud van energie (warmte en massa).

aT = a a2T +( _l_-!!-(rk) at aX 2 pCpfaX 2.

_ pmc~,t pCp

l

+ 111

D(cP'-c".) Jw"l] aT - _1_( h r - ~(p R T») C ax ax pCp at fg

PIl1

Deeltjes vergelijking voor lucht. 2

a Wa,... + ( --(rp 1 a D-"'"'\ p r ax x 111

D)

a

111

L.

3.

Wet van Darcy. u = -k rn

4.

Behoud van gasfase massa.

5.

Continuïteitsvergelijking

voor vocht.

-1'

J

ap

Dax

m

m

m

TNO.Rapport

Pagina B.3

9 april 1996

96-CVB-R0399

6n.

Toestandsvergelijkingen

8.

Vloeistof-damp evenwicht (Clausius-Clapeyron).

voor damp en lucht-damp-mengsel

Pv

(gaswetten).

Psul(T)

Voor psatCT)geldt de volgende relatie:

Sahota beveelt aan de set vergelijkingen te herschrijven in termen van drukken en de verdampingstermen te elimineren. De aldus verkregen set differentiaalvergelijkingen kan worden opgelost met methoden uit de numerieke wiskunde. Sahota heeft gekozen voor een impliciete eindige differentie methode.

n

Model van Harada

De fysische basis van het model is gelijk aan het model van Sahota, met dien verstande dat voor de brontermen in vergelijking een eigen aanname wordt gedaan, en dat de volgende vergelijking voor verdamping van chemisch gebonden water (decompositie kristallijn water) is toegevoegd: R

demp

=

:l

p~

wAex·--' c.k

d.k

(-E ) dk

P~ RT