Download pdf - onderzoek TU Eindhoven

5/11/2018 onderzoek TU Eindhoven

1/8

c:emenTthema

V ee l on de rz oe k n aa r b ra nd b ij k an aa lp la te n h ee ft b etr ek kin g o p b et g ed ra g in le ng te ric htin g. H et g ed ra g ind war sr ic ht in g l ijk t e ch te r v ee l b e la n gr ij ke r.l n d it a rt ik el wo rd t in d ic at ie f o n de rz oe k q ep re se n te etd n a ar h e tg ed ra g v an k an aa lp la atv lo er en in d ez e d w ar sr ic htin g e n n aa r d e in vlo ed v an e en a l d a n n ie t d oo rfo pe nd eo nd erra nd . D e h oo gte v an d e k an aa lp la at e n d e e ve ntu ele d ru kla ag w ord t in d e b esc ho uw in g b etro kk en .T ot s lo t w o rd t e en v oo rz et g eg ev en to t e en m a ge /ijk a nd er ty pe k an aa lp la at.

52011 I online Kanaalpleat in dwarsrichtlnq bij brand


2/8

oprof.ir. Cees KleinmanTU E indhoven

o

De voorgespannen kanaalplaatvloer is een veel toegepast productin de woning- en uti li teitsbouw. Het product iseenvoudig teproduceren en te monteren en zeer concurrerend ten opzichtevan andere vloersystemen. Sinds de brand in de parkeergaragevan een eppartementencomplex in de Lloydstraat teRotterdamin oktober 2007, is de brandwerendheidvan kanaalplaten onder-werp van onderzoek en gesprek. In het schrijven van de BFBNvan 16november 2009 [1] wordt gesteld: "Ook i s u it e e n a n al ys eva n in h et v er le de n u itg ev oe rd e b ra nd pr oe ve n d uid elijk g ew or de flda t de gangbare w ijze w aarop m et N EN 6071 in d e pr ak tijk v oo rk an aa lp la atv lo ere n w ord t o mg eg ann (a lle en toe tsiy jg v an d e

Kanaalplaat i n d wa rs ri cn ti ng b ij b ra nd 52011 [ onhne

1 Opsleil ing beproeving mooue2 Ben dee! v an e e n . .. .i j vervorrn-bare kanaalolaat met drie darn-rnetjes is m e t e en schijvenpro-gramm.onderzocht

veN

y=22steunpunt

dekking op het voorspanstaa l in verband m et m om entbreuk) inv ee ! g ev al ie n n ie t t oe re ik en d is . Andere bezwiikvormen, zoalsdwarskrach tbret lk, kunnen na me lijk b y b ra nd ook maatgevendz ijn . E r z ijn e chte r ge en . g esc hik ie 'r ek em ne th ode n be sc hik baa r o ma l1 de re b ezw ijk vo rm en ad eq uaa t te to ets en".

De hierboven beschreven dwarskrachtbreuk heeft betrekkingop de Iengterichting. Er is echter eveneens sprake van dwars-krachtbreuk in de dwarsr icht ing (in cornbinat ie met momenten normaalkracht), illdit artikel wordt aan de hand van eenindicat ief onderzoek op dit gedrag ingegaan.

OnderzoeksaanpakIn het onderzoek is allereers t de exacte geometr ie van dekanaalplaatvloer onderzocht met behulp van een eindige-elementenmodel (schijvenprogramma). Hiermee is de maatge-vende dwarskrachtcapacitei t van de 'dammetjes ' bepaald. Degevonden resultaten zjjn gebruikt om een staafwerkmodel tecreeren dat dezelfde eigenschappen ver toont. Ter controle is decapaciteit van de kanaalplaatdoorsnede in het laborator iumbeproefd. Vervolgens ishet staafwerkrnodel onderworpen aaneen enigszins vers impeld ternperatuursmodel , In dit modelwerd uitslu itend de onderflens over de volle dikte aan eengelijkmatige ternperatuursverhoging onderworpen.

De conclusies die aan het eind worden getrokken hebben alsdoe! de prefab-betonindustrie te heJpen in hun onderzoek naareen kanaalplaatvloer met een gepaste brandwerendbeid.

Capaciteit kanaalplaat in dwarsrichtingAllereerst werd een dee! van een vri j vervormbare kanaalplaatzonder druklaag gemodeUeerd met drie damrnet jes (fig. 2).Hiertoe werd uitgegaan van een bestaande kanaalplaat, type


3/8

c=mE!nT thema3 Resultaten v an ee n van de tweebeproevinqen

4 Raamwerkmodel met s taarnurn-rners waarmee de lnvloed va nbrand npde I , onderzocht

5 S ta af we rk rr od el m et d tr ne ns le s6 Dwarsk rach t i n de dammetj es b ijeen s t ij gi ng v a n ternoeratuur vande onderf lens met 30 00(

7 Trekkrachr in de bovenflens bije en s tij gi ng v an t empe r a iuo r va nde onder fl ens met 300 ' (

8 Dwarskrachr l n ce darnrnet les bijee n drllklaag van 'gO m m bij e entemperatuurst.jqinq van deonder flens van 300 O(

9 Normaalkracht inde darnrnet jesb i] een drukl aag van 90 rnrn bijeen temperatuurst ijging van deo n ds rf le n s v a n 3 0 0 O(

83 16 6 ' I I ( 166 ,~"! i i l

45 45 '"-, -----, :! 2

H

45-0

o6

ZVB 200; hoogte 200 mrn, breedte tussendarnmetjes 38 mrn,einddammetjes 33 mm (smalsre doorsnede), dikte bovenflens40 mrn en onderflens 34 mm (rninimale doorsnede).De dikte van het mootje is 150 rom. Het aldus opgestelde modelwerd met een schijvenprogramma onderzocht op de maximaalopneembare horizontale kracht, Er werd een bezwijkbelastinggevonden van 12,96 kN. Het bezwijken trad op in element x =13, Y = 22, gelegen in het middelste dammetje (fig. 2).Als bezwijkcr iter ium werd het overschri jden van de rnaximaaltoelaatbare hoofdtrekspanning in de dammetjes aangehouden,

B ij de berekening werd uitgegaan van een betonsterkteklassevan C50/65. Hierbij hoort een maximale trekspanning van 0,9(l+ 65/20) = 3,83 Nrmm-. Na bezwijken van een dammetje,trad voortschrijdende scheurvorming op, waarna ook de restbezweek. De hoofdtrekspanning is het resultaat van buiging,dwarskracht en normaalkracht. De dwarskracht in her damme-t je was daarbij 5,6 kN.

Ter controle werd de capaciteit van de in figuur 2 weergegevenkanaalplaatdoorsnede in het laboratoriurn beproefd. Er werdenrwee doorsneden beproefd, Bij de eers te proefvond bezwijkcnplaats b ij 11,4 kN (fig. 5), bij de t\....ede proefbij 12 ,4 kN.

Vervolgens werd het resul taat geprojecteerd op een f lctiefraarnwerk als weergegeven in flguur 3. Met behulp van itera tiewerden afmetingen gevonden waarbij hetzelfde vervormings-gedrag optrad en in de dammetje giobaal dezelfde dwarskrachtverdeling werd vastges teld. De hoogte van de dammetjes(staven 15 t.m. 22) was 162mm. De gevonden afmetingen b =150 mm en d = 45 mm zijn vervolgens gehandhaafd in deraamwerkmodellen.

3

17 210B 19

10 11 12 1 3 14

Brand op de onderflensOm de invloed van brand op de onderflens te onderzoekenwerd een vri j vervormbare kanaalplaat geschematiseerd als infiguur 4. De systeemlengte van de dammetjes (staven 15 t.m.22) is162 rom.

Zander druklaagEerst is een enkele kanaalplaat beschouwd zonder druklaag.Het resultaat is beschouwd bij een stijg ing van temperatuur vande onderflens met 300 C.Dit levert een dwarskrachtverloopover de dammetjes als weergegeven in figuur 6 . Bezien we debovenflens, dan vinden we een trekkrachtverloop als inf iguur 7.

Er werd een maximale rrekkracht in de bovenflensgevondcn van2,54 kN. De horizon tale t rekspanning is 2540 I (150 x 40) = 0,42N/mm1. Hierbij wordt uitgegaan van de daadwerkeli jke diktevan 40 rnm, De vert icale trekkracht in de dammetjes is gel ijk aanO.De max.irnale dwarskracht is 2,23 b'\l (fig. 6). Om aan hetcri terium van maxirnaal 5,6 kN dwarskracht te voldoen kanworden gecondudeerd dat de max.irnale gemiddelde tempera-tuurstijging van de onderflens 5,6/2,23 x 300 =750"C mag zijn.

In werkeli jk:heid verloopt de teml?eratuUl'van pakweg 1000 Caan de brandzijde tot 500 C in de keel (na iets meer dan 1uurstandaardbrandkromrne). De invloed hiervan op het gedragvan,de flenzen (buiging) en de dammetjes (extra t rekkracht)wordt in het kader van dit onderzoek nie t meegenomen.Let wei: in het getal voor de dwarskracht is impliciet de bijko-mende buiging in het damrnetje verdisconteerd. Het bezwijkenonder invloed van een dwarskracht van 5,6 kN speeltzich nie tafin het hart van de plaa t, maar op enige afstand,Met druklaagIn de huidige bouwprakt ijk is bet redeli jk gebruikel ijk eendruklaag toe te passen. Gaan we uit van een druklaag van90 1 1 1 m , dan yin den we bij een temperatuurstijging van de

52011100hne ~anaalplaat in dwarsrichting bij brand

22


4/8

-0,5 -I -1,5 -2 -2,5Or-~~--'---.---.---'---'----r---r--,0,5 -3 -3,5 -4

.' - verplaa,sin9 [rnrn]

2,62,552,5

Z 2,45~ 2,41: 2,35)il= B 2,3go : 2,25G 2,5

. - - - - - - - - " \/ \I _l/ _l/ \. ,

onderflens van 300 "C'het resultaar als in figuur 8.

Het vedoop van de norrnaalkracht aver de dammetjes is inflguur 9 aangegeven. We zien aan het verloop hiervan dar doorde druklaag de onderflens als het ware verticaal wordt onder-steund door discrete veren, Hierdoor is in de eerste en de laatstedam sprake vaneen drukkracht en in de overige dammetjes eentrekkracht, De maximale trekkracht in dammetje 2 en 7bedraagt 4,78 kN, overeenkomend met een trekspanning van4,781 (150 x 40) ~ 0,8 Nrmm-, (De afmeting inde maatgevendedoorsnede ishier 40 mm), Deze trekkracht heeft een ongunstlgeinvloed op de capacitei t van het damrnetje, De op te nemendwarskracht zal dus kleiner zijn dan het uitgangspunt van5,6kN. Uitgaande van een maxim ale trekspanning van 3,83 N 1mm' blj C50/65 moeten Wedus kijken naar (3,83 - 0,8) /3,83 x5,6~ 4,4 kN.

In tabell zien we dat bij 300C de dwarskracht in damrnetje 2(staaf zj) gelijk is aan 8,2 kN, Hierrnee wordt de rnaximaletemperatuurstijging: 4,4/8,2 x 300 ~ 160C

Om na te gaan of de waarde correct is, mnet tabel 2 wordenbeschouwd. .Hierin zijn de staatkrachten weergegeven voor desituatie waarbij er een driehoekig tempcratuurvcrloop over deonderflens wordt genomen. Aan de brandzijde een sti jging van600 'C en aan de bovenzij de van de flens een stijging gelijk aano CWe ziendan dat de trekkracht in dammetje 2 wordt: T =10.,66 kN. Dit komt overecn met een trekspanningvan 10,66 1(150 x 40 mm) ~ 1,78 Nzmrn" , De dwarskracht wordt iers

Kanaalpl.aatin dwarsnrht tnq bij brand

7

25

1,5

0, 5

2' IS 16 17 I B 19 20 22'" -0 ,5L -I~ -1,5~-c -2

01 -2.5

15

10

15 16 17 20 < I 22~ -5- 5 .. :,~ -10"o0 1 -15

18 19

-2Z.:.~ -4'""'e -61 '1

0 1 -8

groter, nameli jk 8,95 kN. Hierrnee zou de maximale dwars-kracht niet groter mogen worden dan (3,83 - 1,78)/3,83 x 5,6 ~3,0kN. Dit komt overeen met een maximaal toegelaten gemid-delde temperatuursti jging van 3,0(8,95 x 300 ~ 100"C

De horizon tale trekkracht in de bovenflens, nlet in een figuurweergegeven, is24,86 kN. Bi] een doorsnede van (90 + 45) x150 mnf komt dit overeen met een trekspanning van 24 860 1(135 x 150)~ 1,22 Nrrnrn? (dikte op die positie 45 mm).

Verwaarlozen we echter de invloed van trek- en drukkracht inde dammetjes en kijkenwe aileen naar het criterium dwars-kracht (~5;6 kN), dan kunnen we concluderen dat de maxi-male gemiddelde temperntuurst ijging van de onderflens in dit

52011 I online


5/8

c=menT thema10 Temperetuur versus dikte druklaag bij hetbezwi jken van een dammetje op dwars-kracht van 5 ,6 k N

I I Velgell jkdwaf lkracl1t in de cammeriesrussen enkel. kanaalplaat en geschakeldekana a lp l a a t

1 2 T h e or e ti sc h rnaximale s rijg in g v an d egemlddeldetemperawurvan de onder-Hens berekend op besis van b et d w ar s-krachtprlncipe bl] var li /fende dlkte en plaaren druklaag

geval gel ijkmag zijn aan 5,6/12,07 X 300 =139 DC (uitgaandevan een maximale dwarskracht van 12,07 kN, zie . fig . 8). Dezewaarde l igt tussen de hierboven gevonden waarden bij respec-tievelijk driehoekig temperatuurverloop en constante tempera-tuur met inachtnarne van de trekspanningen.Hierbovenwerd 160 DC gevonden in damrnetje 2 bij eenconstante tempera tuur over de onderflens en 100 D C bij eentemperatuurverschi l van 600 D C . De waarheid zal er ergenstussenin liggen,

Aangezien het een kwali tatief onderzoek betref t en alleentendensen worden gesignaleerd, wordt er in het verdereverloop van deze publicat ie geen onderscheid gernaakt tussende dammetjes met of zonder trek- of drukkrachten. Het crite-r ium van 5,6 KN wordt s teeds gehanteerd,

Extra aandacht wordt gevraagd voor de mornenten in deonder- en bovenflens , Beschouwen we in tabel l bijvoorbeeldde bovenflens (staaf 4) dan zien we dat het maximum moment

800

\\\\-~ - - - - - - -

70060050Q400300200100

a a 100 150 2000- di k te druklaag Imml

gelijk is aan 3,87 kNm. Betrokken op een doorsnede van 135mm (90 + 45) levert dit buigspanningen op van 3,87 x 10' I(1/6 X 135'x 150) = 8,5 N/mm'. Scheuren treden op aan debinnenzijde,In de onderflens (s taafS en 14) is de buigspanning 0,79 106 /(1/6 x 45' x 150) = 15,6 N/mm'. Ook hier treedt dus scheurvor-ruing op. In tabel 2 zien we dat deze mamenten nog eens 10%groter zijn.

We constateren aldus bij een gemiddelde temperatuurstijgingvan de onderflens van 300C te grote dwarskrachten en tegrote buigende momenten in de flenzen ontstaan met, alsgevolg scheuren. Ondanks deze constater ing zul len de mornen-ten inde onder- en bovenflens niet in de hiernavolgendegevoeligheidsanalyse worden betrokken. Er wordt alleengekeken naar de dwarskracbt in de dammetjes .

52011 I online K an aa lp la at in d wa rs ri ch tin g b ij b ra nd


6/8

4500_""h:2S0, _ h=300\ _ h=35Q___ h = 40 0....... 120min

\ _60min-+- 30 min\\ ISmin.\\\\\- .\\~'\. \


7/8

c:emer1T thema13 Optoss inq met het midden van de

kanaa tp laa t mass ie f1 4 Op l os s in g waarbl] de t we e u it et st a

k a na le n v e rv e b en , g ec om b' in ee rd m ethet aanbrenqen van een smeltprofrel inhet m idden van deonder ~en$

.1000 0001krachten in de dammetjes, zijn niet in de beschouwing meege-nomen.

Het resultaat van de analyse staat in f iguur 12.Ter toelichting op de grafiek: voor de waarden in minuten stan-daardbrandkromme, werden volgende gemiddelde ternperatu-ren voor de onderf lens aangehouden:- voor 120 minuten 800 "C- voor 60 minuten- voor 30 minuten- voor 15 minuten

680"C550"C400"C

We kunnen hieruit concluderen dat het toepassen van geendrukJaag en het tcepassen van een hoger profie l gunstig zijnvoor het gedrag van de kanaalplaa t b ij brand.

NB: De grafiek is niet bedoeld om van hieruit de brandwerend-heid van een kanaalplaat als functie van de druklaag af te Iezen,Het betreft immers fic tieve kanaalplaten met een lijfvan circa38 rnm. Andere mechanism en, opt redend in de flenzen zijnniet beschouwd, Het client a ileen als indica tie om aan te gevenwat de invloed van hoogte en druklaag kwalitatie f op de brand-werendheid is.

OplossingsalternatievenGezien het bovenstaande moeten vooral de volgende alterna-tieven nader worden onderzocht.- Het la ten vervallen van een ofmeer kanalen en handhavingvan de bestaande geometrie van de kanaalplaten.

- Aanbrengen van snede(n) in de Iengterichting , waarmee deuitzetting wordt beperkt. Het aantal sneden is hierbij afhan-kelijk van de belasting en de vereiste brandwerendheid.

7

Het laten verval len van het middelste kanaalAls we het midden van de kanaalplaa t (fig . 13) massief zoudenuitvoeren en de voorspanning hieraan zouden aanpassen,onts taat een kanaalplaat die bij uitzet ting vanui t het middenonder invloed van temperatuur, leldt tot bezwijken van dedammetjes. De overbli jvende voorgespannen middenbalk bli jf techter in tact, Door de hoeveelheid voorspanning zodanig teconcentreren dat de momentane belasting kan worden opgeno-men, daarbij de rnateriaalfactoren reducerend voor de si tuat iebrand, bliift er een constructie over die de benodigde brand we-rendheid kan geven. De druklaag spant vervolgens van balkjenaar balk je en heeft een gegarandeerde dekking op de wape-ning van ten minste de dikte van de bovenflens.

Het laten vervallen van de uiterste kanaler en hetaanbrengen van een smeltprofielEen tweede mogelijkheid bestaa t u it he t laten vervallen van detwee uiterste kanalen gecombineerd met het aanbrengen vaneen smeltprofiel in het midden van de onderflens (fig. 14).Deze si tuatie is doorgerekend. De uitzet ting van.de onderrandvindt in dit geval p laats naar het midden vanuit de zijkanten.De dammetjes van de kanaalplaat bezwijken terwijl he trnassieve deel in tac t b lijft. Door de voorspanning anders teverdelen dan gebruikel ijk, dat wil zeggen meer in het massievedeel, ishet mogeli jk bij brandsi tuat ies voorgespannen balkenover te houden, De brandwerendheidvan deze balk jes kanvervolgens volgens reeds bestaande methoden worden bepaald.

Aanbrengen van een snede in lengterichting in deonderflensDoor de onderflens in tweeen te delen is het mogelijk debrandwerendheld te verhogen. Invoering in het model waarbijstaaf nummer 12werd verwijderd (fig . 2) gaf als globaal resul-taat een verdu.bbel ing van de maximaal toegestane tempera-tuurverhoging. Opgemerkt moet worden dat het aanbrengenvan een snede in verband met de gevoeligheid voor buiging in

52011 [onhne Kanaa lp l aa r i n dW0 '3 f Sr ic h ti ng b ij b ra nd


8/8

de darnrnetjes zou rnueten plaatsvinden met een smeltprofieldat is verankerd in de onderflens,

Conclusie en aanbevelingBetrokken op de dwarsrichting heeft de kan aalplaat sec, eenredeli jk gedrag bij brand, mits er geen druklagen wordenaangebracht. De prakti jk laat echter zien dat er steeds dikkeredruklagen worden aangebracht, Hierdoor is de kanaalplaatonderdeel gaan uitrnaken van de hoofddraageonstructie . Inonderhavig onderzoek word! me! behulp van een raarnwerk-model de gevoeligheid van de kanaalplaat voor deze druklagenbeschreven. Tevens is uit de modelleringen af te lezen dat ernog wat parameters overblijven om de brandwerendheid vande kanaalplaatvloer teverhogen. Opgemerkt moet worden dater de nodige voorzichtigheid moet worden betracht. Hetonderzoek heeft immers alleen betrekking op de dwarskracht-capaciteit van de dammetjes onder verwaarlozing van de optre-dende normaalkrachten. Daarnaast spelen (als funetie van dedikte van de druklaag) andere mechanismen een rol, zoals deoptredende momenten in de flenzen. Voor een definitiefoordeel ishet dan ook noodzakelijk voor aUe combinatiesgedetailleerde eindige-elementenberekeningen te maken van dedaadwerkelijke gcomctricen. Dit kan overigens oak geschiedenmet staafwerkmodellen met verlopende doorsnede, mits gecor-releerd met een aantal eindige-elementenmodellen. Tevensmoet er eel] verillcatie plaatsvinden met brandproeven.

WeI kan worden geconcludeerd dat het verhinderen van devervorming van de bovenf lens van de kanaa lp laa t . bij uitzettingvan de onderflens, een zeer negatief effect heeft op de brandwe-rendheid van de kanaalplaat,

NabeschouwingBovenstaand onderzoek heeft uitsluitend betrekking op hetgedrag van de kanaalplaat in dwarsrichting. Dit betekent nietdat daarmee de brandwerendheid van een constructie met

Kanaa lp l aa t in d wa rs nr httn q b lJ brand

srneltprofiel

kanaalplaten wordt beschreven, Om conclusies te kunnentrekken over het al dan niet bezwijken moeten veel rneer facto-reo in ogenschouw worden genomen.

Zo moet onder andere de grootte van het brandoppervlakworden beschouwd, Is deze over de hell ' Lengtevan de Liggerofslechts gedeelteli jk? Over hoeveel platen kan de brand zichuitstrekken? Is dan de gewapende druklaag in staat de belastingmar nabijgelegen platen over te brengen? Wat is de belastingtijdens brand? Kunnen de overblijvende darnmeties dezedragen? Wat is de daadwerkelijke brandbelast ing? Wat isdeontruimingstijd van een gebouw waar kanaalplaren zijn toege-past? Hierbij mag men zeker het gedrag van de kanaalplaat inde verankeringszone niet vergeten [2).

lk hoop met deze publicatie de prefab-betonindustrie eenaantal handvatten aangereikt te hebben om hun studie naar debrandwerendheid van kanaalplaatvlocren een nieuwe impuls tegeven.0

L 1T ER A TU UR1 N ad er on de rzo ek bra nd Llo yds tra at te R otterda m, B F8 N,

Woerden 16 november 2009, pag, 1,3e alinea.2 F ellin ge r, J .H .H ., S he ar a nd A nc ho ra ge b eh av io r o f F ire E xp os edHollow Co re S labs . P roef sch ri ft dd, 5 apri l 2004,Delft UniversityP re IS , I SBN 90 -407 -2482 2 .

52011 I online