Betonnen constructie

Wat de brandbestendigheid betreft, behoort beton tot de relatief veilige bouwmaterialen. Bij extreme verhitting kan schade aan de constructie ontstaan. In geval van brand ontstaan spanningen door thermische uitzettingen. De mate waarin dit tot scheurvorming kan leiden, is sterk afhankelijk van de vorm en afmetingen van de constructie en de wijze en aard van wapenen (gewapend of voorgespannen beton, wapeningsdichtheid, dekking, etc.).

In de Europese normen staan alle bouwmaterialen gerangschikt volgens hun brandgedrag en brandweerstand. Deze rangschikking bepaalt of een materiaal dient te worden gebruikt met of zonder bijkomende brandbescherming.

Op basis van de Europese Bouwproductenrichtlijn (EN 13501-1) zijn de materialen naar brandgedrag in zeven klassen ondergebracht (A1, A2, B, C, D, E en F.)
De hoogst mogelijke classificatie is A1 (onbrandbare materialen). De Europese Commissie heeft een bindende lijst van goedgekeurde materialen gepubliceerd. Hierop staan ook de verschillende types beton en de minerale bestanddelen ervan, zoals zand en grind. Beton behoort tot klasse A1, omdat de minerale bestanddelen effectief onbrandbaar zijn (niet ontvlammen bij de temperaturen die normaal gesproken optreden bij brand).

Brand kan bij beton leiden tot de volgende schade-mechanismen:

• Het afspatten van beton;

• Het afnemen van de sterkte van beton en staal;

• Het ontstaan van temperatuurgradiënten.

Beton heeft de volgende eigenschappen in geval van brand:

1. Beton brandt niet en verhoogt evenmin de vuurbelasting;

2. Beton heeft een hoge brandweerstand;

3. Beton laat geen gesmolten materiaal druppelen dat vuur kan verspreiden. Dit in tegenstelling tot sommige plastics en metalen;

4. Beton produceert geen rook of toxische (giftige) gassen;

5. Beton is een (hitte) isolerend materiaal;

6. Beton beschermt ingestorte materialen tegen brand.

7. Beton draagt daarom niet bij aan het uitbreken en verspreiden van brand.

De brandbestendigheid van betonconstructies met betrekking tot bezwijken is onder meer afhankelijk van de afmetingen van het bouwdeel en de betondekking, c.q. de ligging van de wapening. Een hoogwaardiger staal en kleine dekking werken nadelig bij het optreden van brand. Naarmate de staalkwaliteit hoger is begint de afname van de sterkte bij een lagere temperatuur en loopt de sterkte sneller terug. Naast het vochtgehalte is ook de dichtheid van het beton een belangrijke invloedfactor.

Afspatten van beton

Het altijd in het beton aanwezige vocht zet zich boven 100 graden Celsius om in stoom, waarbij het volume circa 1700 x toeneemt. Hoe hoger de brandtemperaturen, des te sneller dit proces verloopt. De stoom baant zich een weg naar buiten via de poriën in het beton. Hoe kleiner de poriën (bijv. bij hoge sterkte beton) des te groter de interne drukopbouw (spanningen) in de poriën en daardoor ook de trek in het beton met als uiteindelijk gevolg het destructief afspatten van beton (de buitenlaag kan worden afgedrukt). Het volume neemt sterk en heel snel toe. Hierbij kan de constructie bezwijken. De temperatuurverhoging in het beton en de wapening zorgt tevens voor afname van het oorspronkelijk draagvermogen, met name slanke constructies hebben hier last van.

Beton met een dichte structuur, wat enigszins samenhangt met de betondruksterkte, zoals hogesterktebeton, is hiervoor gevoeliger dan normaal beton.

Verder versterkt de aanwezigheid van een normaaldrukspanning het afspatten. Uiteraard heeft de aard van de gehanteerde brandkromme ook invloed, vooral de snelheid waarmee de temperatuur in het begin stijgt, is van belang. Het afspatten van beton is een continu proces.

Bij het afspatten van de buitenhuid vermindert de dekking op de wapening. Om die reden zijn in CUR-aanbeveling 95 “Rekenkundige bepaling van de brandwerendheid van bouwdelen in hogesterktebeton” aanvullende richtlijnen opgenomen ter vermijding van het risico op spatten. Deze richtlijnen komen globaal neer op een beperking van het aandeel aan zeer fijne vulstoffen (zoals silica fume), grenswaarden voor de toegestane afmetingen van de constructie en een maximum aan het evenwichtsvochtgehalte in de constructie.

Indien niet aan alle voorwaarden in de aanbeveling kan worden voldaan moet ervan worden uitgegaan dat afspatten kan optreden.

Aangezien het uiterst complexe gedrag bij het afspatten van beton bij een brand en dit mechanisme van afspatten tot op heden niet met voldoende nauwkeurigheid voor berekeningen toegankelijk is, dienen brandproeven te worden uitgevoerd.

Conform de ROK [27] paragraaf 6.2 moeten, tenzij anders is voorgeschreven in de vraagspecificatie, maatregelen worden genomen tegen afspatten van beton. De maatregelen bestaan uit het beschermen van het beton of door het toepassen van een betonmengsel dat ongevoelig is voor afspatten (eventueel met polypropyleenvezels). Door het uitvoeren van brandproeven moet de gevoeligheid voor afspatten onder gebruiksomstandigheden worden aangetoond.

De beproevingen dienen te worden uitgevoerd volgens de werkwijze beschreven in het ”. Eventueel mag gebruik worden gemaakt van eerder uitgevoerde proeven. Daarbij moeten dezelfde uitgangspunten zijn gehanteerd voor bijvoorbeeld de mengselsamenstelling, gehanteerde brandkromme en de aanwezige drukspanningen als afgeleide van de krachtswerking in de betreffende constructie.

Het afnemen van de sterkte van beton en staal

Uit NEN-EN 1992 [31] figuur 4.1 volgt dat de sterkte van beton bij verhitting boven 100 °C afneemt en bij circa 800 °C is de sterkte gereduceerd tot circa 20% van de beginsterkte. Uit NEN-EN 1993-1-2:2005+C1:2006 [32] figuur 3.2 volgt dat de sterkte van staal bij verhitting boven 400 °C afneemt en bij circa 750 °C is de sterkte gereduceerd tot circa 20% van de beginsterkte.

Voor beton wordt een grenswaarde van 380 °C aangehouden vanwege de in de historie gehanteerde grenswaarde en omdat het gewenst is te voorkomen dat na de brand het beton zodanig is aangetast dat het gedeeltelijk moet worden vervangen. De afname van de sterkte van beton bij deze temperatuur is circa 20% en veelal niet maatgevend.

Voor staal wordt een grenswaarde van 250 °C aangehouden. De sterkte van staal is bij 250 °C weliswaar nog niet afgenomen, maar bij hogere temperaturen treedt wel een stijfheidsverlies en extra doorbuiging van de constructie op. Door permanente belasting op het dak is de kans groot dat deze extra doorbuiging blijvend is.

Volgens NEN-EN 1992 [31] figuur 5.1 dient voor voorspanstaal (staven, draden en strengen) lagere waarden te worden aangehouden. In ROK [27] 1.2 volgt in paragraaf 6.2 voor koud vervormd (cw) voorspanstaal een is van 150 °C en voor veredeld (q&t) voorspanstaal een eis van 75 °C. Boven de gestelde temperaturen neemt de elasticiteitsmodulus van staal zover af dat het de voorspanfunctie verliest.

Voor de betonconstructie dient rekening te worden gehouden met het na-ijl effect.

Het ontstaan van temperatuurgradiënten

Ten gevolge van de warmtestroom ontstaat er over de dikte van de constructie een tijdsafhankelijke temperatuurgradiënt. Als het dak aan de binnenzijde warm wordt heeft dit tot gevolg dat er een zekere extra doorbuiging optreedt en de inklemmingsmomenten toenemen. Mits er voldoende herverdelend vermogen beschikbaar is (vloeigebieden als gevolg van het taai gedrag van gescheurd gewapend beton) wordt de veiligheidsfactor door de aanwezigheid van temperatuurgradiënten niet nadelig beïnvloed. De extra optredende doorbuiging is echter als gevolg van het plastische gedrag van de constructie bij afkoelen niet volledig omkeerbaar (blijvende vervorming) en kan daarmee eventueel een niet te accepteren schade vormen. Tevens vormt het geringe verschil in uitzettingscoëfficiënt tussen de samenstellende bestanddelen bij hoge temperatuur eveneens trekspanningen.

Als op een bepaalde plaats in het beton de stijging van de temperatuur als functie van de tijd beneden een zekere waarde blijft zal er voldoende tijd zijn voor de gevormde waterdamp om te ontsnappen zonder dat grote trekspanningen ontstaan. Dit verschijnsel is echter lastig te voorspellen.