Brandweerstand van betonnen constructies

"Het doel van brandveiligheid is het beperken van persoonlijke en materiële schade. Een belangrijk onderdeel van de brandveiligheid is het voorkomen dat gebouwen bezwijken. De stabiliteit van de constructie moet voldoende lang gegarandeerd zijn om evacuatie en interventie door de brandweer mogelijk te maken. Tevens moet brandoverslag vermeden worden. Beton wordt gekenmerkt door een zeer goede reactie bij brand – onbrandbaar, niet ontvlambaar, geen afstoot van rook en giftige gassen – en een goede brandweerstand – behoud van dragende functie bij brand – waardoor het bij uitstek hét materiaal is voor brandveilige constructies.

Regelgeving

De beoordeling van de brandveiligheid van een betonconstructie wordt om praktische redenen beperkt tot de bepaling van de brandweerstand van de afzonderlijke bouwelementen zoals vloeren, balken, kolommen en wanden. Het uitgangspunt van de regelgeving is dat de gehele constructie geacht wordt voldoende brandwerend te zijn als de afzonderlijke bouwelementen rekentechnisch voldoen aan de vereiste brandweerstand. De meeste betonnen verbindingen vereisen geen bijkomende maatregelen, deze zijn immers beschermd door de omringende bouwelementen. Alle verbindingen tussen prefab elementen kunnen op deze manier ontworpen worden. Bij verbindingen tussen prefab kolommen en gevelpanelen voorkomt men op deze manier dat gevels naar buiten kunnen vallen tijdens brand. Verder is het zeer belangrijk dat men ook controleert of de stabiliteit van de constructie gewaarborgd blijft bij de mogelijke vervormingen door de thermisch uitzetting bij een brand.

Voor de rekentechnische bepaling van de brandweerstand van elementen uit gewapend of voorgespannen beton geldt de NBN EN 1992-1-2 + ANB. Voor holle vloeren zijn er specifieke bepalingen opgenomen in de NBN EN 1168 + NBN B 21-605.

Gedrag van beton bij brand

Het tijdstip waarop een constructie na het uitbreken van de brand bezwijkt wordt bepaald door de belasting en de temperaturen met de daarbij horende sterkte en stijfheid. Bij betonconstructies vormt het wapeningsstaal de zwakke schakel. Door de hoge thermische diffusiviteit – maat voor de snelheid waarmee de temperatuur in een materiaal stijgt – zal het sneller opwarmen dan beton, maar het verliest ook sneller zijn sterkte. Bij 750 °C is de sterkte van staal nihil, terwijl beton op die temperatuur nog een reststerkte heeft van +/- 35%. De staaltemperatuur in een betonconstructie is afhankelijk van de duur van de brand, de brandbelasting en de betondekking op het staal. Hoe groter de betondekking, hoe langzamer de staaltemperatuur stijgt. Op die manier behoren brandweerstanden van 3 uur tot zelfs 6 uur tot de mogelijkheid!

Als de capillaire poriën van het beton te fijn zijn, kan de stijgende dampdruk trekspanningen in het beton veroorzaken, die kunnen leiden tot het explosief afspatten van beton. Het explosief afspatten is vooral afhankelijk van het vochtgehalte in het beton, de druksterkte van het beton, de afmetingen van het constructiedeel en de wijze of snelheid van opwarming. Explosief afspatten van beton is onwaarschijnlijk indien het vochtgehalte van het beton kleiner is dan 3%, wat algemeen aangenomen wordt voor elementen in omgevingsklasse EI. De kennis over het fenomeen is ondertussen zo ver ontwikkeld dat afspatten door een aangepast betonmengsel vermeden kan worden. Verder blijkt het toevoegen van minstens 2 kg/m³ monofilament polypropyleenvezels aan ZVB- en UHSB-mengsels een goede oplossing te zijn. Dankzij de hoge sterkteklasse en de lage water-cementfactor van prefab beton zijn doorgaans geen bijkomende maatregelen nodig. Explosief afspatten mag niet verward worden met het lokaal afspatten door thermische uitzetting van de granulaten, hetgeen leidt tot minder belangrijke en eenvoudig te herstellen beschadigingen.

Voordelen en aandachtspunten van betonconstructies

Met een beperkte meerkost van enkel euro’s bij klassieke doorsnedes, tot maximaal 20 % bij I-profielen, kan de brandweerstand van een betonconstructie bij het ontwerp gevoelig verhoogd worden door het verhogen van de betondekking, de betonsectie, de wapeningssectie en/of de nuttige hoogte. Dit geldt zowel voor gewapend beton als voor voorgespannen beton. Prefab elementen beschikken op die manier altijd over hun volledige brandweerstand bij het verlaten van de fabriek. Dit betekent dat de brandweerstand van de constructie niet afhankelijk is van de plaatsing en afwerking op de werf. Sterker nog, onderhoud van beton is niet nodig, zelfs niet na jarenlange dienst, waardoor de brandweerstand gedurende de volledige levensperiode van het gebouw gegarandeerd is. Verder is herstelling van de betonconstructie na brand in veel gevallen technisch haalbaar. Economische motieven kunnen echter leiden tot een andere beslissing.

Betonconstructies hebben niet alleen een grote brandweerstand maar ook een groot incasseringsvermogen dankzij hun robuustheid en de mogelijkheid tot belastingherverdeling. Instortingen door brand komen daarom zelden voor. De ontwerper dient wel de nodige aandacht te besteden aan de algemene stabiliteit tijdens een mogelijke brand. Vooral de thermische uitzettingsmogelijkheden, vervormingen en blokkeringskrachten moeten nagezien worden. De vorm en afmetingen van een gebouw en het statisch systeem zijn belangrijk voor het gedrag van een gebouw tijdens brand. De beste oplossing is om de horizontale verstijvingen centraal te plaatsen en alle andere elementen er scharnierend mee te verbinden. Prefab constructies lenen zich hier uitstekend toe. Met dit ontwerp is er bovendien geen gevaar voor dwarskrachtbreuk van de kolommen, omdat deze kunnen scharnieren. Op die manier zal de constructie ook niet naar buiten toe bezwijken, waardoor de brandweer het brandend gebouw veilig kan benaderen. Verder zal plots bezwijken van de constructie ook niet optreden, omdat de vervorming van de constructie eerst zichtbare scheurvorming zal veroorzaken in de elementen en de verbindingen.

Tijdens afkoeling van de betonconstructie met bluswater kan het voorkomen dat beton afspat. Dit komt niet door de thermische inertie van het beton, maar is te wijten aan de grote volumevermeerdering door de reactie van ongebluste kalk met het bluswater. De ongebluste kalk wordt tijdens de brand gevormd in het beton door de ontbinding van kalksteen, aanwezig in de granulaten en de cementsteen. De brandweer kan dus best een betonconstructie na de brand langzaam laten afkoelen om een temperatuurschok te vermijden.

Bij ondergrondse parkeergarages, waarbij de betonvloeren enkel rusten op kolommen, dient men tijdens het ontwerp rekening te houden met een verhoging van de ponskrachten bij brand door de verhindering van de thermische uitzetting. In geval van slecht ontwerp kan dit leiden tot instorting, zoals deze van het dak in een ondergrondse parkeergarage in het Zwitserse Grentzenbach in 2004. Uit onderzoek bleek echter dat dit niet de enige oorzaak was van de instorting. Zo werd de grondlaag op het dak dikker uitgevoerd dan voorzien en werden de wapeningsdetails ter hoogte van de kolommen niet correct gerealiseerd. Verder was er ook geen sprake van bezwijken door temperatuurschokken veroorzaakt door bluswater.

Er zijn slechts weinig gevallen bekend waarbij de betonconstructie bezweek door brand. Dit toont aan dat betonnen constructies brandveilige structuren zijn. Mits goed ontworpen en uitgevoerd zijn betonconstructies zelfs tegen extreme en langdurige brandsituaties bestand. Met beton kan niet alleen op eenvoudige wijze voldaan worden aan de eisen inzake brandveiligheid, ook herstel na brand is mogelijk."

Literatuur

• Dossier Cement nr. 37, Brandbescherming door betonconstructies, FEBELCEM, april 2006
• Modelcursus Ontwerpen van constructies in prefabbeton, FEBE, mei 2012
• Planning and design handbook on precast building structures, bulletin 74, fib, September 2014
• Thermo-mechanical analysis of an underground car park structure exposed to fire, E. Annerel, L. Taerwe, B. Merci, D. Jansen, P. Bamonte, R. Felicetti, Augustus 2012
• Brandveilig ontwerpen in beton, ir. G. Chr. Bouquet, MICT, ENCI B.V, Cement 2006, 7