Waarom structuurelementen in beton van nature goed bestand zijn tegen brand?

Structuurelementen in beton bieden de vereiste brandweerstand op een economische wijze: het volstaat meestal om de betondekking op de wapening, en de minimum afmetingen die in tabellen van berekeningsnormen opgenomen zijn, te respecteren. Door het toepassen van deze eenvoudige methode met tabellen moet men geen beroep doen op de ingewikkelde technieken van de Fire Safety Engineering. (Meer info op site van WTCB).

Dankzij hun thermische inertie en hun massiviteit kunnen betonelementen, in tegenstelling tot staalprofielen, zeer lang weerstand bieden aan hoge temperaturen, met een minimum aan vervormingen. Wapeningsstaal, gelegen op een diepte van 3,5 cm, bereikt slechts na 2 uur de kritische temperatuur van 500 °C. Beton met lichte granulaten kan aan nog strengere eisen beantwoorden en vormt aldus een efficiënte afscherming tegen branduitbreiding.

De hoge thermische inertie van betonwanden is ook bijzonder interessant om de vlamoverslag (‘flashover’) te vertragen.

Fysische eigenschappen van beton gerelateerd aan brandweerstand

Onderstaande tabel geeft een overzicht van de thermische eigenschappen van enkele (constructieve) bouwmaterialen. Elk van die eigenschappen heeft haar invloed bij brand van deze elementen en elke keer spelen ze in het voordeel van beton.

Smelttemperatuur

Men staat er niet dikwijls bij stil, maar beton – of toch de cementsteen – kan wel degelijk smelten. Alleen ligt de smelttemperatuur boven de 1.200 °C, een temperatuur die bij brand zeer zelden voorkomt. Alleen staal doet beter, met zijn smelttemperatuur van boven de 1500 °C, maar het grote nadeel is dat staal zijn sterkte al verliest bij veel lagere temperaturen. Hout smelt niet, maar begint te branden vanaf 300 °C. Beton scoort het best op vlak van structurele stabiliteit.

α = thermische uitzettingscoëfficiënt

De thermische uitzettingscoëfficiënt van beton en staal zijn identiek. Gelukkig maar, anders is gewapend beton of voorgespannen beton maken onmogelijk. En toch zal bij brand een stalen constructie meer en sneller uitzetten dan één van beton. Dat komt door de zeer hoge warmtegeleidbaarheid van staal. Zie verder: warmtegeleidbaarheid.

p = volumemasse

De volumemassa van een materiaal op zich heeft geen rechtstreekse invloed op de brandweerstand van een materiaal. De totale massa van de constructie speelt echter wel een grote rol. Hoe meer massa opgewarmd moet worden, hoe trager de opwarming zal verlopen. Dat gaat samen met de effusi viteit en diffusiviteit en zal bij deze parameters toegelicht worden.

λ = warmtegeleidbaarheid

Beton is een relatief slechte geleider en dat werkt tweemaal in zijn voordeel. Eerst en vooral verloopt hierdoor de opwarming in de massa langzaam (transversale voortplanting), waardoor het geruime tijd duurt vooraleer het wapeningsstaal zijn kritische bezwijktemperatuur bereikt. Dit is een belangrijke parameter in de bepaling van de brandweerstand van een betonnen structuurelement. Ten tweede zal, door de lage warmtegeleiding, de warmtevoortzetting in de betonstructuur zelf (longitudinale voortplanting) ook traag verlopen. De constructie zal dus

1) ter plaatse van de brandhaard langzaam opwarmen en
2) deze warmte ook traag doorgeven aan de delen buiten de brandhaard.

Deze delen gaan dus minder snel onderhevig zijn aan de thermische uitzetting, maar de eigenschappen zullen ook niet reduceren onder invloed van de warmte. De negatieve effecten van de brand op de draagkracht van het beton blijven beperkt tot de locatie van de brandhaard. Daarom zal een betonstructuur het doorgaans enkel bij zeer langdurige branden begeven.

Door de hoge warmtegeleidingscoëfficiënt van staal, zal de warmte van de brand zich razendsnel in de staalconstructie voortzetten, met een grote thermische uitzetting van de hele structuur tot gevolg, en een snelle reductie van de karakteristieke eigenschappen – lees draagkracht.

c = warmtecapaciteit

De warmtecapaciteit is een parameter die bepaalt hoeveel warmte toegevoegd moet worden aan 1 kg materiaal om de temperatuur ervan met 1 °C te verhogen. Deze ligt op zich al tweemaal hoger bij beton dan bij staal. Voeg daar nog bij dat voor eenzelfde draagkracht de betonsectie (en dus de massa) veel groter is dan bij staal en het zal duidelijk zijn dat de opwarming bij brand bij een betonconstructie veel trager verloopt. Met andere woorden, beton heeft een gunstige zogenaamde effusiviteit en diffusiviteit waardoor de constructie een veel betere brandweerstand heeft. Deze twee parameters bundelen voorgaande eigenschappen.

Eff = effusiteit

De effusiviteit van een materiaal is het vermogen om thermische energie met de omgeving uit te wisselen:

Eff = ( λ .p.c)0,5

Door berekeningen kan aangetoond worden dat, door een bekleding aan te brengen op een betonwand en op een wand bedekt met een isolatielaag met lage dichtheid, de verhouding tussen de tijden waarop vlamoverslag (‘flashover’) plaatsvindt gelijk is aan 10, terwijl de verhouding van de effusiviteiten in de buurt van 30 ligt. De hoge thermische effusiviteit van betonwanden blijkt bijzonder interessant, zowel voor het thermisch comfort als voor de vertraging van de flashover.

a = thermische diffusiviteit

De thermische diffusiviteit is een maat voor de snelheid waarmee de temperatuur in een materiaal evolueert:

a = ë / (ñ.c)

De lage diffusiviteit van beton vertraagt de temperatuurstijging door het materiaal aanzienlijk. Schade blijft oppervlakkig, de thermische dilatatie van het geheel van de constructie-elementen blijft beperkt. Onder een thermische belasting die verloopt volgens de standaard ISO-curve, bedraagt de temperatuur in een betonnen vloerplaat na 2 uur nog maar 350 °C op 3,5 cm diepte, en slechts 100 °C op 8 cm. Staal daarentegen heeft een thermische diffusiviteit die 15 maal hoger is dan deze van beton, met als gevolg een zeer snelle longitudinale en transversale opwarming.

Fysicochemische wijzigingen van beton bij brand

De zeer sterke temperatuurtoename bij brand heeft fysicochemische wijzigingen in het beton tot gevolg, zoals dehydratatie door uitdroging en decarbonatatie. Deze verschijnselen veroorzaken verkortingen en sterkte- en stijfheidsverliezen van het materiaal. De dehydratatie en decarbonatatie zijn endotherme reacties.

Zij nemen energie op en vertragen zodoende de opwarming van het betonelement, bovenop de al gunstige fysische parameters. Vertrekkend van het opgewarmde oppervlak vormt zich een dehydra tatie- en verdampingsfront waar de temperatuur rond de 100 °C blijft hangen.

Het dehydratatie- en verdampingsfront verplaatst zich steeds verder van de beton oppervlakte. Een deel van het verdampte water verplaatst zich naar de koude zone, waar het opnieuw condenseert en later weer kan verdampen. De rest van het water verdampt via de poriën.

Indien de capillaire poriën te fijn zijn, kunnen door de toenemende dampdruk trekspanningen in het beton ontstaan die de plaatselijke treksterkte van het beton overschrijden. Dit verschijnsel is des te meer uitgesproken naarmate het vochtgehalte van het beton groter is en de opwarming sneller verloopt. Betonfragmenten kunnen op min of meer explosieve wijze weggeslingerd worden vanaf het betonoppervlak, ook wel spatten van beton genoemd.

Wat het beton betreft, wordt het sterkteverlies vooral veroorzaakt door interne scheurvorming en degradatie en desintegratie van de cementsteen. De cementsteen krimpt, terwijl de granulaten uitzetten. Naast de interne scheuren stelt men bij zeer hoge temperaturen ook de vorming van scheuren vast in de interface tussen de granulaten en de cementsteen. Zoals hiervoor beschreven treden door de belangrijke temperatuurstijging verschillende transformaties op in de cementsteen die zorgen voor een afname van de cohesie.

De nadelige effecten van de warmte, zoals hiervoor vermeld, treden over het algemeen enkel op in de buitenste laag met een dikte van 3 tot 5 cm. Zelfs in beschadigde toestand werkt het beton nog als een isolerende laag en hitteschild, de buitenste laag beschermt de dragende kern van de doorsnede tegen het volle effect van de hoge temperaturen.

• Onder 100 °C is er eerst een lichte uitzetting van de cementsteen terwijl het beton zijn vrije water verliest. Het verdampt uit de capillaire poriën. Deze blootstelling aan de warmte is over het algemeen onschadelijk voor het beton.

• Boven 100 °C krimpt de cementpasta merkbaar, omdat zowel het vrije als het chemisch gebonden water ontsnapt uit het beton.

• Boven 300 °C ontbindt de tobermorietgel (CSH) verder, de in de cementsteen aanwezige ijzerhoudende verbindingen oxideren (zie tabel 2). De kleur verandert van grijs naar rozerood. De cementsteen trekt samen, terwijl de granulaten verder uitzetten.

• Bij 400 °C begint de calciumhydroxide Ca(OH)2 (of afgekort CH), ook portlandiet genoemd, te ontbinden in kalk (CaO) en in water (H2O). De ontbindingssnelheid is nul bij 400 °C, bereikt een hoogtepunt bij ongeveer 500 °C en keert terug tot 0 bij 600 °C.

• Bij 575 °C ondergaan de siliciumhoudende granulaten (zand en grof grind) een endotherme kristallijne omzetting van kwarts in kwarts. Dit gaat gepaard met een bruuske vermeerdering van hun volume met ongeveer 5,7 %. Deze vermeerdering kan schade veroorzaken aan het beton. Dergelijke granulaten zijn riviergrind, zandsteen en kwartshoudende rotsen.Kalkhoudende granulaten zoals kalksteen en dolomiet daarentegen zijn stabiel tot ongeveer 700 °C.

• Boven 700 °C begint de decarbonatatie van de kalksteen (CaCO3) in calciumoxide (CaO) of ‘ongebluste kalk’ en kooldioxide (CO2). Deze endotherme reactie leidt tot een vertraging van de temperatuurverhoging in het beton en maakt een belangrijke hoeveelheid CO2 vrij.

Bij afkoeling verbindt de ongebluste kalk die geproduceerd wordt door de dehydratatie van Ca(OH)2 (boven 400 °C) en de decarbonatatie van CaCO3 (boven 700 °C) zich met de omgevingsvochtigheid om Ca(OH)2 te vormen.

Deze reactie gaat gepaard met een belangrijke volumevermeerdering (44 %) die het uiteenvallen van het
beton met zich meebrengt. Na een brand wordt daarom het beton gelegen in zones die zijn blootgesteld
aan temperaturen hoger dan 300 °C verwijderd en vervangen.

• Boven 1100°C begint de cementsteen (naargelang van zijn chemische samenstelling) te smelten. Over het algemeen begint portlandcementsteen te smelten bij ongeveer 1350 °C.

integriteit van betonstructuren bij brand

Het zijn vooral de fysische eigenschappen van beton die voor zijn hoge brandweerstand zorgen. De combinatie van de lage warmtegeleiding, de hoge volumemassa en hoge warmtecapaciteit hebben een gunstige invloed op het gedrag bij brand van de constructieve elementen.

Daarbovenop komt de vorming van het dehydratatie- en verdampingsfront, dat de opwarming van het beton tegenhoudt en ervoor zorgt dat de temperatuur van de kern zeer lange tijd onder de 100 ° C blijft.

De negatieve invloeden van de brand blijven bij niet-langdurige branden beperkt tot de plaats van de brandhaard.
De beschadigde elementen kunnen dikwijls hersteld worden, maar worden meestal vervangen indien ze blootgesteld geweest zijn aan een temperatuur hoger dan 300 °C.

Dankzij de fysische eigenschappen van beton is het eenvoudig om de brandweerstand van de elementen te verhogen. Een grotere asafstand zal het wapeningsstaal langer onder de kritische temperatuur houden en zodoende de weerstand van het element verhogen.

Het vergroten van het volume heeft een dubbel effect. Eerst en vooral wordt hierdoor het constructief element ook langzamer warm, waardoor de wapening het langer uithoudt. Tegelijkertijd verwarmt het compartiment waarin de brandhaard zich bevindt langzamer op, waardoor de “flashover” later plaatsgrijpt en de brand zich minder snel uitbreidt.

Indien de afmetingen van de elementen, om welke reden dan ook, beperkt zijn, zijn er andere eenvoudige methodes om de brandweerstand te verhogen. We denken onder meer aan de vermindering van de belastingsgraad en een verhoging van het wapeningpercentage. De brandexperten van de betonindustrie staan ter beschikking om de ontwerper hierin bij te staan.

Samen met FEBE en FEBELARCH publiceert Architectura een whitepaper over architectonisch beton. Je kan dit boeiende document gratis aanvragen door simpelweg een mail te sturen naar info@architectura.be. Kort daarna ontvang je de digitale whitepaper in jouw mailbox.