![Page 1: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/1.jpg)
Dr. ir. B.B.G. Lottman
Kennisplatform TunnelveiligheidBijeenkomst Brandwerendheid Betonnen (Ondergrondse) Bouwwerken
Houten, 16 November 2017
Spatmechanisme nader geanalyseerd
![Page 2: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/2.jpg)
Spatmechanisme nader geanalyseerd
˗ Spatten heeft grote consequenties voor de
constructieve veiligheid
˗ Poriedruk is slechts deel van het verhaal
˗ Interactie brand, constructie en beton bepalen impact
˗ Spatten treedt op door complexe set van processen
(chemisch, fysisch en mechanisch)
2
Lottman, 2017
![Page 3: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/3.jpg)
Overzicht
˗ Impact van brand op constructies
˗ Introductie spatten van beton ten gevolge van brand
˗ Invloed van brand, constructie en beton
˗ Fundamentele processen bij het verhitten van beton
˗ Onderzoeksproject TU Eindhoven en TU Delft
· Ontwikkeld EEM-spatmodel
· Onderzoeksresultaten
˗ Relevantie voor de praktijk
3
![Page 4: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/4.jpg)
Impact van brand op constructies (geschiedenis)
4
Gebouw in Dresden13 augustus 1911
Gebouw in Wenen8 januari 1913
Velsertunnel14 augustus 1978
Emperger, 1921
RWS beeldbank
Emperger, 1921 Brandweer Hamburg
Brandweer Hamburg
RWS beeldbank
Moorfleettunnel31 augustus 1968
![Page 5: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/5.jpg)
5
Kanaaltunnel18 november 1996
Gotthardtunnel24 oktober 2001
Bouwkunde Delft13 mei 2008
Parkeergarage Rotterdam1 oktober 2007Eurotunnel
ANP
Efectis
EPA
Ti-Press
Impact van brand op constructies (geschiedenis)
Eurotunnel
![Page 6: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/6.jpg)
Verschijningsvormen van het afspatten
6
˗ Gelijkmatig in de tijd
· Afspatten van dunne lagen
· Continuerend proces (5 tot 30 min)
· Doorsnede reductie
˗ Plotseling optredend
· Afspatten van grote stukken
· Explosief karakter
· Gehele betondekking
Swicofil SP, 1997
![Page 7: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/7.jpg)
Gevolgen spatten van beton verschillen
Matige impact
˗ Oppervlakkige schade
˗ Indringing van warmte in de doorsnede
˗ Constructieve veiligheid geborgd
7
Extreme impact
˗ Ernstige schade aan de doorsnede
˗ Wapening blootgesteld aan de brand
˗ Constructieve veiligheid niet langer geborgd
SP, 2008 MFPA, 2009
![Page 8: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/8.jpg)
Bepalende factoren in het spatproces
8
Brand▪ Bron▪ Omstandigheden▪ Brandbelasting
Beton▪ Cement▪ Toeslagmateriaal▪ Thermische processen
Constructie▪ Geometrie▪ Belasting▪ Krachtswerking
Spatten
![Page 9: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/9.jpg)
Invloed van de brand
˗ Bron
· Potentieel aanwezig brandvermogen
· Tijdsduur
· Locatie
˗ Omstandigheden
· Geometrie (2 tot 6 rijstroken)
· Ventilatie (natuurlijk, mechanisch)
· Evt. repressie (watermistsysteem = bronaanpak)
˗ Brandbelasting
· Snelle temperatuurstijging / straling
· Hoge temperaturen (T>1000 oC)
· Lang aanhoudend (60 min, 120 min)
9
SINTEF, 2008
SINTEF, 2008
![Page 10: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/10.jpg)
Invloed van de brand
˗ Bron
· Potentieel aanwezig brandvermogen
· Tijdsduur
· Locatie
˗ Omstandigheden
· Geometrie (2 tot 6 rijstroken)
· Ventilatie (natuurlijk, mechanisch)
· Evt. repressie (watermistsysteem = bronaanpak)
˗ Brandbelasting
· Snelle temperatuurstijging / straling
· Hoge temperaturen (T>1000 oC)
· Lang aanhoudend (60 min, 120 min)
10
UPTUN WP 2, 2008
UPTUN WP 2, 2008
![Page 11: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/11.jpg)
Invloed van de constructie
˗ Geometrie
· Type (landtunnels, zinktunnels, boortunnels, viaducten)
· Vorm en afmetingen (langs- en dwarsdoorsnede)
˗ Belasting
· Gronddruk en waterdruk
· Bebouwing (krachtsafdracht)
· Thermische uitzetting en degradatie beton (mengsels)
˗ Krachtswerking
· Verhindering van vervormingen
· Herverdeling van krachten en spanningen (vervormingen)
· (Rest)sterkte wapening / voorspanning
11
UPTUN WP 4, 2005
![Page 12: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/12.jpg)
Invloed van de betoneigenschappen
˗ Cement
· Soort en gehalte cement
· W/C factor
· Hulp- en toeslagstoffen
· Leeftijd (dichtheid poriënstructuur)
˗ Toeslagmateriaal
· Soort en gradering grind
· Ontstaan (geologie)
˗ Thermische processen
· Dehydratatie (uitdrogen) poriënstructuur
· Toename permeabiliteit en porositeit
· Afname sterkte en stijfheid
· Verschil in thermische uitzetting
12
Khoury, 2006
Mindeguia, 2009
Khoury, 2006
![Page 13: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/13.jpg)
Fundamentele processen bij het verhitten van beton
˗ Opbouw van de poriedruk veroorzaakt spatten?
˗ Theorie: poriedruk
· Indringing warmte in doorsnede temperatuurverhoging
· Verdamping van water bij hoge temperaturen
· Gasdrukontwikkeling door vorming van waterdamp
· Stroming van water-fasen door poreus beton
˗ Bepalend:
· Dichtheid poriënstructuur
· Verzadigingsgraad met water (Relatieve Vochtigheid)
· Scheurvorming matigt opbouw poriedrukken
· Poriedrukken ontwikkelen in de verhitte oppervlaktelaag (lokaal)
13
Harmathy, 1965
![Page 14: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/14.jpg)
Fundamentele processen bij het verhitten van beton
˗ Verlies thermische stabiliteit veroorzaakt spatten?
˗ Theorie: thermische spanningen
· Verhindering van uitzetting bij hoge temperaturen
· Trekspanningen groter dan betonsterkte
· Scheurvorming onder drukbelasting in de verhitte laag
· Opgelegde vervorming in het onverhitte deel doorsnede
˗ Bepalend:
· Sterkte en stijfheid beton
· Uitzetting en verhindering in de doorsnede
· Scheurvorming relaxeert spanningen
· Samendrukking verhitte oppervlaktelaag
14
Zhukov, 1976
![Page 15: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/15.jpg)
Onderzoeksproject naar spatten van beton
˗ NWO (STW) gefinancierd onderzoeksproject van de TU Eindhoven en de TU Delft
· Doel: onderzoek naar de fundamentele processen van spatten van beton
˗ Drie promovendi:
· TU Delft, Civiele Techniek en Geowetenschappen Microlab
· TU Eindhoven, Technische Natuurkunde Transport in Permeable Media
· TU Delft, Civiele Techniek en Geowetenschappen Betonconstructies
15
![Page 16: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/16.jpg)
Ontwikkeling EEM-spatmodel
16
Model 1temperatuur en poriedruk
TemperatuurPoriedruk
Patroon van scheuren
Model 2breukmechanica
Toeslagmateriaal, mortel en tussenliggende grensvlakken
Oplegging (constructief)
Oplegging (constructief)
Brand
Doorgaand materiaal
Doorgaand materiaal
Lottman, 2017
![Page 17: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/17.jpg)
Onderzoeksresultaten
17
˗ Basis EEM-model:
· Grindkorrels met omringend mortel
· Brandbelasting
· Constructieve randvoorwaarden
Lottman, 2017
0
200
400
600
800
1000
1200
0 300 600 900 1200 1500 1800
Tem
per
ature
[oC
]
Time [sec]
ISO 834
HC
Eurocode 1, deel 1-2
![Page 18: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/18.jpg)
Scheurpatroon verandert door verhindering (standaardbrand)
18
Normale sterkte betonStandaardbrand, alleen temperatuurbelasting
Vrije vervorming Gedeeltelijk verhinderde vervorming
Lottman, 2017 Lottman, 2017
![Page 19: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/19.jpg)
Ernstige schade aan betondoorsnede (koolwaterstofbrand)
19
Vrije vervorming Gedeeltelijk verhinderde vervormingNormale sterkte beton
Koolwaterstofbrand, alleen temperatuurbelasting
Lottman, 2017 Lottman, 2017
![Page 20: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/20.jpg)
Scheurpatroon matigt gasdrukontwikkeling
20
Hoge sterkte betonTemperatuurbelasting en poriedrukken
Koolwaterstofbrand
Lottman, 2017
StandaardbrandLottman, 2017 Lottman, 2017
![Page 21: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/21.jpg)
Drukbelasting in de constructie
21
Normale sterkte betonAlleen temperatuurbelasting
Voor de brand KoolwaterstofbrandLottman, 2017 Lottman, 2017
![Page 22: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/22.jpg)
Conclusies
˗ Geringe toevoeging poriedrukken
· Scheurvorming matigt drukopbouw
· Spanningen voornamelijk bepaald door temperatuurgradiënt
˗ Spatten treedt op door een thermisch knikmechanisme
· Samendrukking van verhitte laag aan het oppervlak
· Verlies stabiliteit door bereiken specifieke knikkracht
· Vrijkomen van elastische energie
˗ Impact spatproces bepaald door:
· Ontwerpbrand / brandkromme
· Verhindering (constructie / doorsnede) en belasting
· Toeslagmateriaal (korrelgrootte / uitzetting) en breukgedrag (scheurontwikkeling)
22
Lottman, 2017
𝑤
𝑀𝑇
𝑙𝑏𝑢𝑐𝑇
𝐹𝑇𝑦′
𝐹𝑇𝑦′
𝐹𝑇𝑥′
𝐹𝑇𝑥′
Brand
𝑀𝑇
Instabiele
vervorming
Breukvlak
![Page 23: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/23.jpg)
Relevantie voor de praktijk
˗ Brandveilig ontwerpen
· Meer kennis door analyse spatmechanisme
· Interactie van brand, constructie en beton bepalen impact
· Gerichtere brandproeven
˗ Bronaanpak door middel van watermistsysteem
˗ Betrek spatten in het ontwerp
· Brandbelasting (temperatuurstijging)
· Betonsamenstelling (toeslagmateriaal)
· Constructie (krachtswerking)
˗ Nader onderzoek
23
Horvath, 2004
Horvath, 2004 Horvath, 2004
![Page 24: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/24.jpg)
‘Design by Testing’
˗ Integrale benadering brandveiligheid (boor)tunnels
˗ Brand (bron)
· CFD-berekeningen ter bepaling brandkromme (projectspecifiek)
˗ Constructie (krachtswerking)
· EEM-berekeningen sterkte en stabiliteit boortunnels
· Robuustheid-berekeningen in-situ tunnels (incl. testen)
˗ Beton (tijdens en na brand)
· Betoneigenschappen na brand
· Brandproeven (representatief)
24
Adviesbureau Noord-Zuidlijn, 2011
Adviesbureau Noord-Zuidlijn, 2011
![Page 25: Spatmechanisme nader geanalyseerd · 2018-03-13 · Spatmechanisme nader geanalyseerd ˗ Spatten heeft grote consequenties voor de constructieve veiligheid ˗ Poriedruk is slechts](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022043011/5fa35023e63fdc0f20381750/html5/thumbnails/25.jpg)
www.witteveenbos.comtec-tunnel.com