themaNieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1)5201120themaNieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1)De afgelopen jaren is uitgebreid onderzoek verricht naar hetgedrag van kanaalplaten bij brand. Uit dit onderzoek blijkt dathet nodig is enigszins anders om te gaan met kanaalplaatvloeren. In een brief van de BFBN [1], die tegelijkertijd met ditartikel verschijnt, zijn nieuwe maatregelen voorgesteld. In ditartikel wordt ingegaan op het uitgevoerde onderzoek en deoverwegingen die bij de voorgestelde maatregelen een rolhebben gespeeld 1).Door onderzoek zijn nieuwe inzichten ontstaanvoor kanaalplaatvloeren bij brandBij een brand in de parkeergarage van een appartementencom-plex in de Lloydstraat te Rotterdam in oktober 2007 is schadeontstaan aan kanaalplaatvloeren [2]. Naar aanleiding hiervan isin november 2009 door de BFBN voorgesteld bij de toepassingvan kanaalplaatvloeren in nieuwbouw aanvullende bepalingente hanteren [3] 2). Hoewel het specifiek bij die brand waargeno-men gedrag ? het vroegtijdig loskomen van de onderschil ?nog onvoldoende bekend was, was het de verwachting dat devoorgestelde maatregelen de kans op optreden ervan sterkzouden verminderen. Zoals ook was aangekondigd, is hetonderzoek naar dit specifieke gedrag van kanaalplaten bijbrand daarna voortgezet.Nieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1) 52011 210 1209030 60T(oC)01000500t (min)0 300 600k01,0T ( oC )Constructie(kanaalplaatvloer)BrandwerendheidBuiging DwarskrachtTemperatuurverdelingin constructieBelastingkant SterktekantEN 1168/A3Annex GNEN 6702Bijzondere belastingNEN 6071BrandkrommeNEN 6071- repr. waarde- = 1- f(T)De kanaalplaatvloer is een wereldwijd zeer veel toegepast vloer-systeem. Er zijn in Europa vele honderden miljoenen vierkantemeters toegepast, in Nederland naar verwachting tussen de 200en 300 miljoen. De afgelopen decennia is het in Nederland,meer dan in vele andere landen, steeds meer gebruik gewordenom met een constructieve druklaag op de kanaalplaatvloer desamenhang en de stabiliteit van het gebouw op een praktischeen eenvoudige manier in te vullen. Het is in belangrijke matedie constructieve druklaag die er voor zorgt dat het gedrag vande kanaalplaatvloer bij brand anders kan zijn dan wat altijdwerd gedacht. Dit wordt in dit artikel toegelicht. Alvorensdaarop in te gaan, zal eerst worden teruggekeken naar watvooraf ging bij de beoordeling van de brandwerendheid vankanaalplaatvloeren.Hoe het eerst wasZoals dat geldt voor meer bouwsystemen die zijn opgebouwduit losse onderdelen, is de brandwerendheid van kanaalplaat-vloeren in het verleden altijd primair beoordeeld op basis vande brandwerendheid van een afzonderlijke kanaalplaat. Hetverwaarlozen van de interactie tussen losse bouwdelen, ofwelde invloed van (constructieve) verbindingen, werd altijd als eenconservatieve aanpak beschouwd. Met brandproeven volgensNEN 6069 op losse kanaalplaten werd aangetoond dat debetreffende kanaalplaat de vereiste brandduur haalt. Eenbeschouwing van de capaciteit voor buiging was de gebruike-lijke manier om de brandwerendheid van de kanaalplaatvloeraan te tonen. Dit onder de bijzondere belasting brand en reke-ning houdend met de temperatuurafhankelijke sterkte van dematerialen [4].Uit onderzoeken begin deze eeuw (o.a. [5]) was duidelijk gewor-den dat in bepaalde omstandigheden bij brand ook bezwijken opdwarskracht maatgevend kan zijn. Bepalingen om daarmee opeen adequate manier rekening te houden, zijn opgenomen in deontwerp Annex G van EN 1168 `Hollow core slabs' [6].Maatregelen naar aanleiding van LloydstraatDe BFBN-2009-brief [3] verwijst naar de aanvullende reken-methodiek voor dwarskracht volgens ontwerp Annex G van deEN 1168 /A3. De maatregelen zijn toegelicht in [7]. Ter illustra-tie is in figuur 1 schematisch weergegeven hoe de rekenkundigebeoordeling van de brandwerendheid voor de mechanismenbuiging en dwarskracht verloopt.Met de aanvullende maatregelen ten aanzien van dwarskracht-breuk werd in 2009 weliswaar recht gedaan aan de laatstekennis op dit punt, maar daarmee was nog geen antwoordgegeven op de specifieke bevindingen in de parkeergarage vande Lloydstraat. Daarmee wordt bedoeld dat bij die brandonderschillen van kanaalplaten, of delen daarvan, na relatiefkorte tijd naar beneden zijn gekomen [2]. Dit schadebeeld konniet worden verklaard met de kennis over bezwijken opbuigend moment of dwarskrachtbreuk. Daarom waren in deBFBN-2009-brief specifiek hiervoor extra maatregelen opgeno-men in de vorm van `extra detailleringseisen'. Deze eisenhielden in:? beperking van druklaagdikte tot 70 mm in midden van over-spanning3);? beperking druklaagwapening t.p.v. oplegging tot ?6-150 mm;? beperking hoogte van koppelwapening;? eis aan te gebruiken oplegmateriaal.prof.dr.ir. Dick HordijkAdviesbureau ir. J.G. Hageman B.V. /TU Eindhovenir. Jan GijsbersTNOdr.ir. Kees BothEfectis Nederland B.V.ing. Ronald Klein-HolteVBI Ontwikkeling B.V.Bert JongsmaConsolis Service Co SA NV1 Rekenkundige beoordeling brandwerend-heid m.b.t. buiging en dwarskracht volgensNEN 6071 in combinatie met ontwerpAnnex G van EN 1168 /A3 [6]1) Het onderzoek en het voorstellenvan de maatregelen is begeleid doorde BFBN-Begeleidingscommissie`Brand', waarin VROM-Inspectie,COBc, TNO, Efectis Nederland B.V.,Adviesbureau Hageman, ERB en dekanaalplatenindustrie zijn vertegen-woordigd. Verder zijn bijdragengeleverd door prof.ir. A.C.W.M.Vrouwenvelder van TNO, ing. A.van den Bos van ABT en prof.ir.P.H.E. van de Leur van DGMR.2) Om duidelijk onderscheid te makentussen de BFBN-brieven van respec-tievelijk 2009 en 2011, wordt in ditartikel gesproken over respectievelijkBFBN-2009-brief [3] en BFBN-2011-brief [1].3) Opgemerkt wordt dat in [2] en [7]nog werd gesproken over een beper-king van de druklaagdikte tot 50mm, maar in de naderhand uitge-brachte BFBN-2009-brief is daar 70mm voor aangehouden.1themaNieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1)5201122constructieNEESterkteafname als functievan temperatuuropgelegde vervormingvervormingmogelijkvervorming vervorming + spanning spanningdeelsJA2 Effecten van brand op een constructie3 Kanaalplaat met`onvervormbare'bovenflenswordt boven de oven gehangen4 Gedrag in dwarsrichting bij opgelegde tem-peratuurvervorming bij vrij vervormbarekanaalplaat (links) en aan de bovenzijdevastgehouden kanaalplaat (rechts)5 Schematische weergave brandproefErvaringen met de tijdelijke maatregelenAl snel na de BFBN-2009-brief [3] rezen vanuit de bouwprak-tijk vragen over de effectiviteit van de detailleringseisen.Vooral de wapeningsbeperking in de druklaag werd als(onnodig) beperkend ervaren. Een zwaardere wapening in dedruklaag is vaak wenselijk om te kunnen voldoen aan eisen inverband met de samenhang van het gebouw en met duur-zaamheid en scheurwijdtebeperking. Daarnaast zal bij eenzwaarder gewapende druklaag de kans dat de schade beperktblijft tot alleen het bezwijken van de onderschil (en dus hetniet bezwijken van de vloer als geheel) alleen maar groterDe basisgedachte achter de detailleringseisen bij de opleggingwas het beperken van drukspanningen in langsrichting in deonderflens [7], die het gevolg zijn van verhinderde opgelegde(thermische) vervormingen (fig. 2). Door brand wil de verhitteonderzijde uitzetten en de kanaalplaat doorbuigen. Een verhin-dering van deze (thermische) doorbuiging door een steunpunt-wapening of een zeer dikke en stijve druklaag, kan resulteren ineen hoge drukspanning in de onderflens [2]. De detailleringseisvoor de druklaagdikte was ingegeven door de effecten die eendruklaag heeft voor het gedrag in zowel de langs- als dwars-richting van de kanaalplaten.23Nieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1) 52011 23ven dat de scheurtjes te wijten zouden zijn aan een verschiluit-zetting van de bovenflens ten opzichte van de onderflens en dathet vooral bij vloeren met gewapende druklaag was waargeno-men. Alle resultaten van beschikbare brandproeven zijnnogmaals geanalyseerd, waarmee hetgeen in [7] was gerappor-teerd kon worden bevestigd. Opgemerkt moet wel worden datbrandproeven in het verleden niet waren gericht op het onder-zoeken van het fenomeen van scheuren in dammetjes. Feitelijkging het er bij de proeven om te onderzoeken of de constructiede gewenste brandduur haalde. Als deze voortijdig bezweekwas niet te achterhalen wat precies de oorzaak was. Daarnaastwas er, als de benodigde brandduur werd gehaald en de proefgestopt, veelal geen aanleiding aanwezige scheurvorming gede-tailleerd in kaart te brengen en te rapporteren. Toch zijn enkelebrandproeven gevonden waar werd gerapporteerd over hori-zontale scheurvorming in dammetjes. Inderdaad bleek er danaltijd sprake te zijn van verhinderde vervorming van de boven-flens door de aanwezigheid van een druklaag. Waargenomenscheurvorming in dammen bij enkele proeven zonder druk-laag, bleek te kunnen worden verklaard met een verhinderingdoor in dwarsrichting toegepaste zware stalen balken voor hetaanbrengen van een bovenbelasting. In geen van debeschouwde brandproeven was sprake van loskomen van deonderschil, zoals in de Lloydstraat. Opgemerkt moet wordendat bij brandproeven, ook als een samenstel van een aantalkanaalplaten naast elkaar wordt beproefd, vrijwel nooit sprakezal zijn geweest van eenzelfde opsluiting bij de randen als bijdezelfde kanaalplaten als onderdeel van een totaal vloerveld.Verkennende brandproevenOm de hypothese te verifi?ren en inzicht in het mechanisme tevergroten, zijn medio 2010 enkele brandproeven uitgevoerd.Om snel proeven uit te kunnen voeren is gebruikgemaakt vaneen kleine oven (verwarmd oppervlak van ca. 1,2 m x 1,2 m) bijEfectis Nederland B.V. Allereerst was het de bedoeling na tegaan of inderdaad de onderschil snel losscheurt als de boven-schil geheel wordt verhinderd te vervormen. Daartoe is een1,2 m brede kanaalplaat met een lengte van 1,2 m en eenhoogte van 260 mm voorzien van een extreem dikke en zwaargewapende bovenlaag. Deze laag was ook nog via ingeboordeankers aan de bovenflens verbonden (foto 3 / fig. 5). Zoalsmocht worden verwacht op basis van eenvoudige mechanica,maken. Al met al genoeg extra redenen om het werkelijkegedrag van kanaalplaten met een druklaag bij brand beter inbeeld te krijgen.HypotheseMet het doel de onderzoekrichting voor vervolgonderzoek vastte stellen, vond in april 2010 een `expertmeeting' plaats metbetrekking tot het gedrag van kanaalplaten en brand. Bij dezemeeting was een aantal specialisten aanwezig, onder wie deauteurs van dit artikel. Hier kwam naar voren dat de aandachtvooral zou moeten worden gericht op hetgeen zich in dwars-richting van de kanaalplaten afspeelt. De verwachting was datin de ongewapende dwarsdoorsnede van de kanaalplaten eenmechanisme op zou kunnen treden dat tot losscheuren van deonderschil leidt. Dit ruim voordat zich in langsrichting grotedrukspanningen in de onderflens opbouwen. De basisgedachtedaarbij was dat bij een `vastgehouden' bovenschil, bijvoorbeelddoor een dikke, stijve druklaag, de thermische uitzetting van deonderschil zou kunnen leiden tot afschuiving van de lijven endaardoor het losscheuren van de onderschil (fig. 3). In lijn metde grondgedachte voor de detailleringseisen, is ook hier degedachte dat de effecten van opgelegde (thermische) vervor-mingen belangrijker zijn dan reductie van materiaalsterkte.Wat anders is, is dat de aandacht nu primair is gericht op dedwarsrichting en de afschuif-/treksterkte van `dammetjes'.Om de hypothese te verifi?ren dat `vervormingsverhinderingvan de bovenflens' primair de oorzaak is voor doorscheurenvan dammen en loskomen van de onderschil, is een aantalonderzoeken uitgevoerd. Met deze bril op is nog eens heel goedgekeken naar resultaten van beschikbare brandproeven. Daar-naast zijn verkennende brandproeven en numerieke analysesuitgevoerd en is geprobeerd het gedrag in een simpel rekenmo-del te vatten. Navolgend wordt een aantal bevindingengetoond.Analyse brandproevenIn [7] was al gerapporteerd dat bij brandproeven soms horizon-tale scheurtjes zijn vastgesteld op de halve hoogte van deplaten, maar dat het in geen van de gevallen heeft geleid totbezwijken van de testvloer. Daar was overigens ook al aangege-45Nieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1)5201124themaeen iets langer stuk kanaalplaat gebruikt, zodat deze op deovenranden kon worden opgelegd. Als verwacht, trad krom-ming van de kanaalplaat en scheurvorming in de flenzen op(foto 10) en kon de plaat in deze toestand met gemak eenbrandduur van 2 uur doorstaan.Ook al lijken de brandproeven te laten zien dat het gedrag indwarsrichting dominant is, met de toegepaste lengte van dekanaalplaat van 1,2 m was er bij de proeven natuurlijk ook inlangsrichting een vervormingsverschil tussen de onder- enbovenflens. Daarom zijn aanvullende verkennende brandproe-ven uitgevoerd op proefstukken met een lengte van slechts 150mm. Met uitzondering van de lengte was de opzet van deproeven gelijk aan de overige proeven. Hoewel bij dergelijkeproefstukken in theorie warmteverlies op de kopvlakken eeninvloed kan hebben, zal dat in de proeven beperkt zijn.Immers, de scheuren treden op een tijdstip op dat de warmte-indringing in de kanaalplaat nog beperkt is tot de onderschil.Er zijn proeven uitgevoerd op zes `schijfjes' kanaalplaat met eenhoogte van respectievelijk 260 mm en 400 mm, terwijl voor dedruklaagdikte respectievelijk 50, 75 en 100 mm is toegepast(foto 9). Tijdens de brandproeven ontwikkelde zich opnieuw ineen vroeg stadium een scheurenpatroon. De opgetreden scheu-renpatronen waren vergelijkbaar met de in de eerdere proevengevonden resultaten met vooral bij de dikkere druklagen ookscheuren in dammetjes. De scheuren in dwarsrichting blekendus ook op te kunnen treden in een situatie waarin mechani-sche effecten in de langsrichting verwaarloosbaar zijn.leidt de (thermische) uitzetting van de onderschil, onder eenbrandbelasting overeenkomstig de standaard brandcurve, rela-tief snel (circa 10 minuten) tot scheuren in de dammetjes metals gevolg het losscheuren van de onderschil (foto 6).Het is duidelijk dat de uitzetting van de onderschil niet kanworden tegengehouden door de dammetjes. In werkelijkheidechter, zal de onderschil tot op zekere hoogte worden verhinderduit te zetten door de aanwezigheid van een naastgelegen plaat envoegvulling. Ook al is er normaliter een kleine spleet over deonderste circa 20 mm, ter plaatse van de vellingkanten, zou ditkunnen betekenen dat zich weliswaar drukspanningen in deonderflens opbouwen, maar dat afschuiving van de dammetjesniet optreedt of wordt uitgesteld. Met de intentie na te gaan welkeffect de voeg heeft, als nog steeds de bovenzijde volledig verhin-derd is te vervormen, is een tweede proef met twee volledig opge-sloten halve kanaalplaten uitgevoerd (foto 8). Ondanks deverwachting dat in het geval van zijdelingse opsluiting de hori-zontale scheurvorming zou kunnen uitblijven of later zou optre-den, bleek ook nu door scheuren in de dammetjes de onderschilsnel (nu iets meer dan 10 minuten) los te komen (foto 7).Omdat beide proeven werden uitgevoerd met een relatief kortstuk kanaalplaat (1,2 m lang), werd het wenselijk geacht omook nog een losse kanaalplaat met deze lengte aan een brand-proef te onderwerpen. Hiermee moest worden bezien ofdaarmee ook het gedrag zou worden gevonden, zoals datbekend is van brandproeven op hele kanaalplaten. Daartoe is67Nieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1) 52011 256 Losgescheurde onderschil in proef met vast-gehouden bovenflens7 Scheurvorming in proefstuk van figuur 88 Proefstuk met twee halve kanaalplaten,voeg en aan bovenzijde en zijkanten verhin-derde vervorming9 Twee proefstukken (schijfkanaalplaat met lengtevan 150 mm) achterelkaar op de oven10 Scheurvorming in kanaal-plaat zonder druklaagVoor alle duidelijkheid: de voorgaand beschreven proevenrepresenteren niet direct de situatie van de kanaalplaatvloerenin de praktijk. Maar ze hebben wel bevestigd dat vervormings-verhindering van de bovenflens de oorzaak is voor het mecha-nisme van scheuren van dammetjes. De vraag is vervolgens totwelke druklaagdikte de verticale scheuren nog optreden, waar-door tijdens de brand min of meer I-vormige liggers ontstaandie de belasting gewoon kunnen blijven dragen, en in hoeverrede detaillering van de voeg hier invloed op heeft.Numerieke berekeningenMet behulp van berekeningen op basis van de eindige-elemen-tenmethode (EEM) kan het gedrag van kanaalplaten wordenbestudeerd [8]. In het kader van het onderhavige onderzoekzijn door een aantal betrokkenen berekeningen gemaakt methet programma DIANA4). Enkele resultaten van door ABTuitgevoerde simulaties van de verkennende brandproeven zijnnavolgend weergegeven.4) EEM-berekeningen zijngemaakt door ing. A. vanden Bos en ing. O. Joostenzvan ABT en ir. A.B.M. vanOverbeek van TNO.8910themaNieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1)520112611 2D-model (links) en 3D-model(rechts) voor de brandproefmet de verhinderde vervor-ming van de bovenflens12 Vergelijking DIANA-berekeningmet proefresultaat:Scheurrekken in het DIANA-model en vervormingen ver-groot weergegevendat de scheuren in de onderflens optreden als de vervormingvan de bovenflens wel mogelijk is. In de simulatie van de opge-sloten twee halve kanaalplaten met voeg werd niet de scheur-vorming gevonden, zoals die in de proef was waargenomen(foto 7). Mogelijk dat dit te maken heeft met het feit dat daarbijop druk en instabiliteit bezwijken waarschijnlijk een rol speelt,hetgeen vooralsnog moeilijker in EEM-modelleringen is tesimuleren.Analyses met eenvoudig modelHet gedrag van de kanaalplaat in dwarsrichting, met enerzijdsde opgelegde thermische vervorming aan de onderzijde enanderzijds de randcondities aan de bovenzijde (al dan nietverhinderde vervorming), wordt primair bepaald door mecha-nismen die met eenvoudige mechanica zijn te beschouwen. DitIn de EEM-berekeningen zijn de temperatuursafhankelijkemateriaaleigenschappen volgens Eurocode 2 [9] toegepast inzowel 2D- als 3D-modellen. De gebruikte modellering voor debrandproef op de kanaalplaat die aan de bovenzijde is verhin-derd te vervormen, is weergegeven in figuur 11. Omdat de3D-berekeningen zeer veel rekentijd vergen, is daar gebruikge-maakt van symmetrie en de helft van het proefstuk gemodel-leerd.Simulatie van de brandproef op de kanaalplaat met vastgehou-den bovenflens liet resultaten zien, die zeer goed overeenko-men met hetgeen in de proef is waargenomen (fig. 12). Ook bijde kanaalplaat zonder opstort sloten de resultaten heel goedaan bij de brandproef (fig. 14). De DIANA-berekeningenbevestigen daarmee dat bij een kanaalplaat, waarvan de boven-flens wordt verhinderd te vervormen, de dammen scheuren en1112Nieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1) 52011 2714 Scheurrekken in het DIANA-model bij dekanaalplaat zonder opstort15 Scheurenpatroon, zoals gevonden met heteenvoudige model13 Eenvoudig model op basis van staafwerkenen toegepaste opgelegde temperaturen inde onderschilMet het staafwerkmodel is onderzocht welke normaalkrachtenen buigende momenten in de flenzen en dammetjes ontstaanbij verschillende randvoorwaarden voor de bovenschil (vast ofvrije vervorming). De opgelegde thermische vervorming(kromming) van de kanaalplaat blijkt hoofdzakelijk het gevolgvan een gemiddelde opwarming van de onderschil. De tempe-ratuurgradi?nt over de onderschil draagt daar slechts inbeperkte mate aan bij. Voor de dammetjes geldt dat de tempe-ratuurgradi?nt alleen voor de buitenste dam resulteert in eenbuigend moment. Dit is tegengesteld aan het buigend momentten gevolge van de uniforme opwarming van de onderschil. Hetresultaat is dat het grootste buigend moment in de op een-na-laatste dam optreedt en niet in de laatste. Naast buigendemomenten ontwikkelen zich ook normaalkrachten in dedammetjes. Een drukkracht in de buitenste dam maakt even-wicht met trekkrachten (naar het midden van de kanaalplaattoe afnemend) in de overige dammetjes. Voor een kanaalplaatmet een dikke druklaag is een scheurenpatroon gevonden datovereenkomt met de proeven en de EEM-berekeningen(fig. 15). Hierbij wordt opgemerkt dat de tijdstippen waarop descheuren ontstaan zo dicht bij elkaar liggen dat die vrijwelgelijktijdig optreden.Het is ook goed mogelijk gebleken voor de krachtswerking indwarsrichting van de kanaalplaat een analytisch model op tezetten. Hiermee worden dezelfde resultaten gevonden als methet staafwerkmodel.maakt het mogelijk ook met een eenvoudig model het gedragen de invloed van bepaalde factoren te onderzoeken. Dit heeftals voordeel dat direct inzicht wordt verkregen in de mechanis-men, zonder mogelijk verstorende andere effecten. Analysesmet eenvoudige modellen zijn uitgewerkt door Efectis Neder-land B.V.5).Er is gewerkt met een tweedimensionaal lineair elastisch staaf-werkmodel met een constante doorsnede voor de staven entemperatuursonafhankelijke materiaaleigenschappen (fig. 14).Dit is een vergelijkbare aanpak, zoals is toegepast door prof.Kleinman [10]. De doorsnede van de staafelementen is gekozenop basis van een kanaalplaat met een hoogte van 260 mm,waarbij voor de aanwezigheid van een druklaag de doorsnedevan de bovenste staafelementen conform is aangepast. Voor detemperatuurbelasting op de onderschil is gerekend met eenuniforme temperatuurstijging in de onderschil (verschil tussenonder- en bovenschil 100 ?C), een gradi?nt over de onderschil(verschil tussen onder- en bovenzijde van de onderschil100 ?C) en een combinatie van temperatuursstijging en gradi-ent in de onderschil (fig. 14).Alvorens enkele resultaten te laten zien, eerst kort aandacht voorde situatie van volledige opsluiting. Hierbij gaat het vooral omhet feit dat de onderschil wordt verhinderd te verlengen. In dieomstandigheid wordt de opgelegde thermische ververvormingdirect omgezet in thermische spanningen (fig. 2). Met = E = E T is direct te zien dat bij een elasticiteitsmodu-lus E van 35 000 MPa en een thermische uitzettingsco?fficient van 10-5een drukspanning van 45 MPa al bij 130 ?C wordtbereikt. Bij een brand conform de standaardbrandkromme, diewordt gehanteerd bij berekening of beproeving volgens NEN- enEN-standaarden, wordt dit al na enkele minuten bereikt.T T5050 100TT in ?C1 3240,5TT1,5T1315145) De analyses op basis van eenvoudige model-len zijn opgesteld door ir. A. Breunese vanEfectis Nederland B.V.themaNieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1)5201128De trekspanning is (boven)in de onderschil relatief groot. Dit isprimair het gevolg van de opgelegde temperatuurgradi?nt.Doordat de onderschil in dwarsrichting gemiddeld onder drukstaat, zal deze niet in zijn geheel doorscheuren. De spanning inde bovenschil neemt in eerste instantie toe met toenemendedruklaagdikte en vervolgens af. Dit kan worden begrepen, alswordt bedacht dat bij dunne druklaag de bovenschil met druk-laag de opgelegde vervorming volgt, waarbij een grotere dikteresulteert in een hogere trekspanning. Anderzijds resulteert eengrotere druklaagdikte in meer verhindering van de vervormingen daardoor een geringere spanning. Bij toenemende druklaag-dikte is er een geleidelijke overgang van het ene naar het anderemechanisme. Verondersteld wordt dat als de grootste trekspan-ning in de bovenschil (groene lijn) groter is dan de grootstetrekspanning in de tweede dam (blauwe lijn), het eerst scheu-ren van de bovenschil (en dan ook onderschil) ertoe leidt dat ervrijheid is om te vervormen. Hierdoor zullen de dammen naarverwachting niet meer scheuren. Voor de verschillende plaat-hoogten is een overgang gevonden die ligt bij waarden vancirca 55 tot 75 mm druklaagdikte.De hier beschreven aanpak beschrijft de locatie van de maxi-male spanning in de doorsnede, oftewel de `eerste scheur' in dedoorsnede. Bij het optreden van de eerste scheur in een damzijn de overige dammen nog ongescheurd, zodat er nog geensprake is van een doorgaande breuk van de gehele plaat.Daarom is met het model tevens gekeken in hoeverre hetoptreden van de eerste scheur de spanningsverdeling be?n-vloedt, en waar dus de volgende scheur ontstaat. Hiertoe is inhet model een stapsgewijze aanpak gevolgd, waarbij steeds hetelementje met maximale spanning als `doorgescheurd' wordtbeschouwd en uit het model wordt verwijderd. Dit kan wordenherhaald totdat een doorgaand scheurpatroon (van welke vormdan ook) is gevonden. Daarbij blijkt dat het uiteindelijkescheurpatroon combinaties bevat van horizontale en verticalescheuren en sterk afhankelijk is van de doorsnedegeometrievan de plaat.ParameterstudieDe bevindingen, zoals die voorgaand zijn beschreven, latenzien dat voor de krachtswerking in dwarsrichting de vervor-mingsvrijheid van de kanaalplaat bepalend is voor het al danniet losscheuren van de onderschil. Als die vervormingsvrij-heid er is, zullen als eerste, en relatief snel, verticale scheuren inde flenzen onder en boven kanalen optreden, waarna dedammetjes niet meer scheuren. Er is dan min of meer een`balkenvloer' van naast elkaar gelegen I-vormige liggertjesontstaan, die nog goed in staat is belasting te dragen. Als daar-entegen de kanaalplaat wordt verhinderd te vervormen dooreen verbinding van de bovenflens met een stijve druklaag, danscheuren de dammetjes en resteert na bezwijken van de onder-flens alleen de bijna ongewapende bovenflens met de gewa-pende druklaag. Het scheuren van de dammetjes is bij eenflexibele voeg, waarbij de onderflens zijdelings kan uitzetten,het gevolg van buiging in de dammetjes. Indien de zijdelingserandconditie een stijve voeg is, dan zijn de scheuren in dedammetjes het gevolg van hoge drukspanningen in de onder-flens, mogelijk in combinatie met tweede-orde-effecten (naaronder uitknikken). Feitelijk komt dit mechanisme van de hogedrukspanning in dwarsrichting overeen met de beschouwingenvoor de langsrichting die mede ten grondslag hebben gelegenaan de detailleringsregels in de BFBN-2009-brief [3].Voor de beoordeling van de brandwerendheid van een kanaal-plaatvloer zou het fijn zijn als bekend is bij welke druklaagdiktede overgang ligt van scheuren in flenzen naar scheuren indammetjes. Naast het feit dat daarbij het totale samenspel vande verschillende kanaalplaten in de vloer mogelijk een rolspeelt, is een eerste vraag waar die overgang ligt bij de gebruiktemodellen. Om te proberen daar inzicht in te krijgen, is met heteenvoudige staafwerkmodel met DIANA een parameterstudieuitgevoerd. Voor verschillende dikten van de druklaag isgekeken naar de grootste (buig)trekspanning in respectievelijkde onderschil, de dammen en de bovenschil. Voor verschil-lende kanaalplaatafmetingen bleek een zelfde tendens teworden gevonden. Het resultaat voor de 260 mm hoge kanaal-plaat is in figuur 16 weergegeven.051015202530350 100 200 300 400 500 600buigtrekspanning in de tweede dambuigtrekspanning bovenin de onderschilbuigtrekspanning onderin bovenschilspanning[MPa]druklaagdikte [mm]051015202530350 100 200 300 400 500 600buigtrekspanning in de tweede dambuigtrekspanning bovenin de onderschilbuigtrekspanning onderin bovenschilspanning[MPa]druklaagdikte [mm]1616 Buigtrekspanningen als functie vandruklaagdikteNieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1) 52011 29Kanaalplaatvloer met dikke toplaagBeoordeling consequentiesvan losscheuren onderschilVoorkomen van losscheurenonderschil door beperking temperatuurRisicoanalyseAnderetemperatuurbeperkendemaatregelenToepassen sprinklerTweede draagwegEen mogelijke aanpak is om zodanig te ontwerpen dat bijbrand de vloer het zonder de onderschil houdt. Omdat in diesituatie mag worden gerekend zonder parti?le factoren en metslechts de momentane belasting, is het mogelijk om met niet alte veel wapening in de druklaag te laten zien dat de vloer nietbezwijkt zonder de onderschil. In [11] is een uitwerkinggetoond.Nieuwe maatregelenOp basis van de inzichten in het gedrag van kanaalplaatvloerenbij brand heeft de begeleidingscommissie ervoor gekozen dedikte van de toplaag als belangrijkste parameter te kiezen vooraanvullende maatregelen in verband met losscheuren van deonderschil. Navolgend wordt toegelicht wat onder de dikte vande toplaag wordt verstaan. Voor de twee uitersten was het duide-lijk. Bij kanaalplaatvloeren zonder toplaag zijn geen aanvullendemaatregelen benodigd en bij aanwezigheid van een dikke toplaagwel. Alvorens in te gaan op de wijze waarop de overgang tussendeze uitersten is ingevuld, wordt eerst ingegaan op de voorge-stelde maatregelen voor kanaalplaatvloeren met dikke toplagen.Bij het opstellen van de maatregelen is een aanpak gevolgd dieaansluit op NEN-EN 1991-1-7 [12]. Daarin zijn strategie?nbeschreven voor het omgaan met `buitengewone ontwerpsitua-ties'. Het losscheuren van de onderschil kan in dit verbandworden beschouwd als buitengewone ontwerpsituatie met eenbekende buitengewone belasting. De aanpak is gebaseerd op risi-coniveaus, ofwel betrouwbaarheidsniveaus. Met een risicoana-lyse kan worden bepaald wat het risiconiveau is en als dat nietkan worden aanvaard, dan zijn aanvullende maatregelen noodza-kelijk. Maatregelen kunnen zijn gebaseerd op het cre?ren vanvoldoende robuustheid van de rest van de constructie bij hetoptreden van lokaal bezwijken of het voorkomen van lokaalbezwijken. In analogie met NEN-EN 1991-1-7 [12] is dat in deBFBN-2011-brief [1] uitgewerkt naar vier mogelijke maatrege-len. In figuur 17 is dat schematisch weergegeven. Hierbij zijnrisicoanalyse en tweede draagweg arbitrair gerangschikt onderhet kopje `beoordeling consequenties'.OverwegingenHet onderzoek heeft het inzicht in het gedrag in dwarsrichtingbij kanaalplaten en brand aanzienlijk vergroot. Maar watmoeten die bevindingen nu betekenen voor het construerenmet kanaalplaatvloeren? Dat is een belangrijke vraag, waar deBFBN-begeleidingscommissie `Brand' zich het hoofd over heeftgebogen. Daarbij is ook het feit in ogenschouw genomen dat ergeen expliciete gevallen bekend zijn waarbij de horizontalescheuren vroegtijdig tot ernstige schade aan de totale draag-constructie of ongevallen hebben geleid. Bedacht moet ookworden dat in de verkennende proeven en de toegepastemodellen slechts een klein ge?soleerd deel van een kanaalplaatis beschouwd. Hoe een kanaalplaatvloer als geheel reageert, isnog niet goed bekend en ongetwijfeld spelen de randconditiesvan het vloerveld ook een rol. Anderzijds is het zo dat nabij deopleggingen van de kanaalplaat ook de vervorming in dwars-richting wordt verhinderd. Ook is het zo dat in werkelijkheidnooit direct onder het gehele vloerveld een brandbelastingovereenkomstig de standaard brandkromme optreedt, ook almoet daar op basis van de voorschriften wel mee worden gere-kend. Al met al genoeg reden om onderzoek naar het gedragvan kanaalplaten bij brand voort te zetten. Er is dan ookvervolgonderzoek in gang gezet om de inzichten in het gedragbinnen twee ? drie jaar verder te vergroten [1]. De BFBN-bege-leidingscommissie `Brand' adviseert op basis van de voor-gaande overwegingen om voor kanaalplaatvloeren de maatre-gelen volgens [1] toe te passen. Deze maatregelen wordennavolgend kort toegelicht.Naast analyses van het bezwijkgedrag, zoals voorgaand uitge-breid is besproken, is gekeken naar de mogelijkheden van risi-cobeschouwingen en tweede-draagwegprincipes. Het bezwij-ken van de onderschil is op zichzelf geen probleem. Dit is eenlokale schade en als dit niet leidt tot het bezwijken van de vloerdan is dit geen vraagstuk in het kader van de bouwregelgeving.1717 Voorgestelde aanpak voor kanaalplaatvloe-ren met dikke toplaag [1] (gelijktijdiggehanteerde combinaties van de rechteren linkerhelft zijn ook mogelijk)themaNieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1)5201130cre?ren is bijvoorbeeld het toepassen van voldoende wapeningin de constructieve druklaag [11].Er is voor gekozen naast de toplaagdikte, de gevolgklasse voorgebouwen volgens NEN-EN 1991-1-7 [12] te gebruiken vooreen differentiatie in toepassingen waarvoor extra maatregelenworden aanbevolen. In tabel 1 is de indeling in gevolgklassenvoor gebouwen weergegeven. Voor de gevolgklassen zijn inNEN-EN 1991-1-7 [12] strategie?n aangegeven, die er toemoeten leiden dat een gebouw een aanvaardbaar niveau vanrobuustheid heeft om lokaal bezwijken te doorstaan zonder eendisproportioneel niveau van instorting. Met betrekking tot deaanbevolen strategie?n geldt volgens de informatieve bijlage Avan NEN-EN 1991-1-7 [12] onder andere voor gebouwen in:? gevolgklasse 1 dat geen specifieke beschouwing noodzakelijkis voor buitengewone belastingen, als het is ontworpen, bere-kend en gebouwd volgens de normen voor voldoende stabili-teit bij normaal gebruik;? gevolgklasse 2a dat maatregelen behoren te worden toege-past, waarbij het aanbrengen van effectieve horizontale trek-banden ??n van de aangegeven mogelijkheden is;? gevolgklasse 2b dat het controleren op de situatie van eendenkbeeldig verwijderd dragend element een mogelijke stra-tegie is als alternatief voor het toepassen van trekbanden;? gevolgklasse 3 dat een systematische risicoanalyse van hetgebouw behoort te zijn uitgevoerd.In de BFBN-2011-brief [1] is met een tabel aangegeven inwelke omstandigheden het nodig is ??n van de vier mogelijkemaatregelen (fig. 17) toe te passen, aangeduid met `A' en onderwelke omstandigheden dat niet noodzakelijk wordt geacht. Metde aanpak is aangesloten bij de systematiek voor buitengewonebelastingen in NEN-EN 1991-1-7 [12]. De grondgedachteachter de aanpak in de tabel is dat het al dan niet optreden vanlosscheuren van de onderschil onafhankelijk is van het typegebouw (gevolgklasse) of de vereiste brandwerendheid, uitge-drukt in 30, 60, 90 of 120 minuten. Hierdoor is feitelijk alleende dikte van de toplaag onderscheidend voor het al dan nietmoeten toepassen van maatregelen (A). Echter, voor gevolg-klasse 1 en voor gevolgklasse 2a tot een toplaagdikte van 70mm wordt de kans op persoonlijk letsel, die uit een risicoana-lyse volgt, voldoende klein geacht, zodat automatisch is voldaanaan de eis. Men zou ook kunnen zeggen dat er in de gevolgdeaanpak voor is gekozen dat het eerder nodig wordt geachtmaatregelen te nemen als (zie ook tabel 2):? de kans van losscheuren van de onderschil groter wordt(dikkere toplaag);? de gevolgen, ofwel risico's, van het losscheuren van de onder-schil groter worden (hogere gevolgklasse).Bij toepassing van een kanaalplaatvloer met een dikke druklaagkan men er dus voor kiezen een risicoanalyse uit te voeren.Hoe dat moet worden gedaan is beschreven in NEN-EN 1991-1-7 [12]. Als het risiconiveau aanvaardbaar laag is, dan zijngeen maatregelen nodig. Als dat wel zo is, dan zal dus toch ??nvan de andere drie maatregelen nodig zijn. Omgekeerd is hetzo dat, als er al voor wordt gekozen met brandbeschermendemaatregelen de temperatuur van het betonoppervlak gedu-rende de wettelijk ge?iste tijdsduur te beperken tot maximaal200 ?C, een risicoanalyse of andere maatregelen niet meernodig zijn. Gaat het echter om een bouwwerk van gevolgklasse2b of 3 volgens NEN-EN 1991-1-7 dan zijn aanvullendebeschouwingen nog wel steeds noodzakelijk. Voor de tweededraagweg beschouwing geldt dat bij de kanaalplaatvloer met dedikke toplaag er vanuit moet worden gegaan dat de onderschilontbreekt. Een mogelijkheid om een tweede draagweg teTabel 1 Indeling in gevolgklassen volgens NEN-EN 1991-1-7 [12] met voorgestelde aanpassingenvoor de Nationale Bijlage in NederlandGevolgklasse Voorbeeld van indeling van soorten gebouwen en het gebruiksdoel1 ? Woonhuizen van maximaal vier bouwlagen? Gebouwen met agrarische bestemming? Gebouwen waarin zich niet veel personen ophouden, mits geen enkeldeel van het gebouw zich dichter dan een afstand van 1 ? maal degebouwhoogte bij een ander gebouw, of een gebied waar zich wel per-sonen ophouden, bevindt2arisicogroep laag? Woonhuizen van vijf bouwlagen? Hotels van maximaal vier bouwlagen? Flats, appartementen en andere woongebouwen van maximaal vierbouwlagen.? Kantoren van maximaal vier bouwlagen? Industri?le gebouwen van maximaal drie bouwlagen? Parkeergarages van maximaal drie bouwlagen6)? Winkels van maximaal drie bouwlagen met een vloeroppervlak kleinerdan 1000 m2per bouwlaag? Onderwijsgebouwen van ??n bouwlaag? Alle openbare gebouwen van maximaal twee bouwlagen en met vloer-oppervlakten van niet meer dan 2000 m2per bouwlaag2brisicogroep hoog? Hotels, flats, appartementen en andere woongebouwen van meer danvier bouwlagen maar met een maximale hoogte van de voor verblijf vanmensen bestemde vloer van 70 m 7)? Onderwijsgebouwen van meer dan ??n bouwlaag maar met een maxi-male hoogte van de voor verblijf van mensen bestemde vloer van 70m7)? Winkels van meer dan drie bouwlagen, maar met een maximale hoogtevan de voor verblijf van mensen bestemde vloer van 70 m 7)? Ziekenhuizen van maximaal drie bouwlagen? Kantoren van meer dan vier bouwlagen, maar met een maximale hoog-te van de voor verblijf van mensen bestemde vloer van 70 m 7)? Alle openbare gebouwen met vloeroppervlakten van meer dan 2000 m2maar van niet meer dan 5000 m2per bouwlaag? Parkeergarages van maximaal zes bouwlagen3 ? Alle gebouwen hierboven vermeld als gevolgklasse 2 laag en hoog, diebuiten de grenzen van oppervlakte of aantal bouwlagen vallen? Alle gebouwen waarin publiek in grote aantallen is toegelaten? Stadions voor meer dan 5000 toeschouwers? Gebouwen met gevaarlijke stoffen en/of processen6) Dit is een aanvulling op [12], die ter vaststelling voorligt bij de normcommissie.7) In [12] wordt gesproken over maximaal 15 bouwlagen. Deze aanpassing ligt voor ter vaststellingdoor de normcommissie.Nieuwe maatregelen kanaalplaatvloeren (1) 52011 31ook een eventueel toegepaste afwerklaag. Voor de bepaling vande dikte van de toplaag, moet de dikte van de afwerklaag bij dedikte van de druklaag worden opgeteld, tenzij er maatregelenzijn genomen om de afwerklaag los te houden van de druklaag.Als de kwaliteit van de afwerklaag erg laag is, zal de bijdrageaan de verhindering van de vervorming relatief beperkt zijn.Hierbij moet wel worden opgemerkt dat stijfheid (elasticiteits-modulus) niet rechtevenredig is met de sterkte (bij een lagesterkte kan nog steeds sprake zijn van een relatief grote stijf-heid). Het advies is daarom afwerklagen tot een druksterkte-klasse van maximaal D15 voor de helft mee te rekenen in deberekening van de toplaagdikte. Voor sterktes hoger dan degedefinieerde sterkte bij D15 wordt de gehele dikte van decementgebonden afwerklaag meegenomen voor de bepalingvan de toplaagdikte.Tot besluitDe bij het onderzoek betrokken organisaties zijn van meningdat met de voorgestelde nieuwe maatregelen in voldoende matetegemoet wordt gekomen aan de huidige inzichten over hetgedrag van kanaalplaatvloeren bij brand. Er is vervolgonder-zoek in gang gezet om de inzichten in het gedrag binnen twee ?drie jaar nog weer verder te vergroten. Voor gevolgklasse 2b moet bij toepassing van de Eurocodesvolgens NEN-EN 1991-1-7 zijn aangetoond dat de risico'svoldoende klein zijn. Dat geldt voor elke constructie en dusook voor een kanaalplaatvloer met een toplaagdikte tot en met50 mm. Bij een tweededraagwegberekening mag er in dit gevalvanuit worden gegaan dat de onderschil niet is losgescheurd.Als echter een tweededraagwegberekening wordt gekozen alsinvulling van maatregel A voor een kanaalplaatvloer met eentoplaagdikte groter dan 50 mm, dan moet er vanuit wordengegaan dat de onderschil is bezweken. Met een berekening opbasis van zeil(membraan)werking, waarbij eventueel ook debovenschil van de kanaalplaat met wapening wordt meegere-kend, zal dan mogelijk kunnen worden aangetoond dat devloer onder brandomstandigheden gedurende de ge?iste tijds-duur niet bezwijkt. Het feit dat grote doorbuigingen kunnenoptreden, is niet belangrijk, als de buitengewone belastings-combinatie nog maar kan worden weerstaan. Een aandachts-punt daarbij is wel dat de randkrachten moeten kunnenworden opgenomen door de aansluitende constructie. Ookvoor de verplichte risicoanalyse volgens NEN-EN 1991-1-7voor gevolgklasse 3 geldt dat voor toplagen tot en met 50 mmmag worden aangenomen dat de onderschil niet bezwijkt, ookals geen maatregelen in de vorm van temperatuurbeperking oftoepassing van een sprinklerinstallatie, worden genomen.Hoewel het in de praktijk gebruikelijk is te spreken van(constructieve) druklaag, is bij het opstellen van de maatrege-len bewust gekozen voor de term `toplaag'. De reden is dat nietalleen een constructieve druklaag bijdraagt aan de vervor-mingsverhindering van de bovenflens van de kanaalplaat, maarTabel 2 Toepassen van maatregelen A als functie van toplaagdikte en gevolgklasse [1]t 50 mm 50 mm < t 70 mm t > 70 mm1 - - -2a - - A2b - A A3 - A A LiteRatuuR1 BFBN-brief van A.P. Pielkenrood d.d. juni2011. Betreft: Beoordeling van kanaal-plaatvloeren bij brand. In bijlage:Aanbevolen bepalingsmethode voor debrandwerendheid van kanaalplaat-vloeren.2 Welling, W. & Paassen, A. van, Brand inparkeergarage. Cement 2009/7.3 BFBN-brief van A.P. Pielkenrood metkenmerk 09.055.16269.WWE/YHE, d.d. 16november 2009. Betreft: nader onderzoekbrand Lloydstraat te Rotterdam. Bijlagen:Bijlage 1: Managementsamenvatting;Bijlage 2: Schema voor de bepaling vande brandwerendheid van kanaalplaat-vloeren.4 NEN 6071, Rekenkundige bepaling vande brandwerendheid van bouwdelen ?Betonconstructies. Nederlands Normali-satie-Instituut (NEN), december 2001.5 Fellinger, J.H.H., Shear and anchoragebehaviour of fire exposed hollow coreslabs. Proefschrift TU Delft, 2004.6 EN 1168:2005 Precast concrete products? Hollow core slabs. Proposal foramendment 3 (inclusief de informatieveAnnex G`Resistance to fire '), Approvedby TC229 on 2010/06/17.7 Acker, A. van, Brandveiligheid kanaal-plaatvloeren. Cement 2009/7.8 Bos, A. van den & Joostenz, O.,Brandsimulatie op beton. Cement2009/7.9 EN1992-1-2 Eurocode 2 deel 1-2:`Ontwerp en berekening van construc-ties bij brand'. 2005.10 Kleinman, C.S., Kanaalplaatvloer indwarsrichting bij brand. Cement2011/5.11 Kl?sters, G., Klein-Holte, R., VanDongen, A.J., Nieuwe maatregelenkanaalplaatvloeren (2). Cement 2011/5.12 NEN-EN 1991-1-7 Eurocode 1 ? Belas-tingen op constructies, deel 1-7: Alge-mene belastingen ? Buitengewonebelastingen: stootbelastingen enontploffingen, september 2006.