Kanaalplaten, gemaakt van beton met strengen van voorgerekt staal, zijn populair als vloerconstructies in woningen en kantoorgebouwen. Tijdens een brand moeten deze platen hun dragende en scheidende functie enige tijd behouden, zodat mensen het gebouw veilig kunnen verlaten. In de wetgeving zijn daarom eisen gesteld aan het moment waarop de platen als gevolg van de brand zover zijn doorgebogen dat ze bezwijken. Uit het onderzoek van Joost Fellinger, die op 5 april bij de Technische Universiteit Delft promoveerde, blijkt echter dat buiging niet het meest voor de hand liggende faalmechanisme is.
Kanaalplaten zijn prefab dragende vloerdelen die veel gebruikt worden bij de nieuwbouw van woningen en kantoren. Beeld: Betonson
Fellinger, in het dagelijks leven medewerker van het Centrum voor Brandveiligheid van TNO, ontwikkelde een computermodel om temperatuurafhankelijk de scheurvorming en het bezwijken van de kanaalplaten te kunnen voorspellen. Hij toetste zijn model aan de hand van een groot aantal brand- en temperatuurtests.
27 brandproeven
In de computerstudie modelleerde Fellinger scheurvorming en afname van de sterkte van de platen met de zogenaamde eindige elementen methode. Hij combineerde daarbij materiaaleigenschappen van beton met kennis van de constructieve aspecten van de staalstrengen die de plaat op spanning brengen. In de ontwikkeling van het model voerde hij zestig experimenten uit met behulp van schaalmodellen en tenslotte bewees hij met 27 brandproeven op echte kanaalplaten de realiteitswaarde van zijn model.
Een vloer van kanaalplaten kan in principe op verschillende manieren bezwijken: buiging, verankering, en afschuiving. De laatste twee aspecten hangen nauw samen met de treksterkte van beton en de scheurvorming. Scheurvorming door thermische vervormingen kan daarom volgens de onderzoeker tot een grote vermindering van de weerstand tegen deze bezwijkvormen leiden.
Uit de brandproeven met kanaalplaten op ware grootte bleek inderdaad dat de platen in rap tempo minder konden dragen als ze door de warmte uitzetten. Na veertien tot zestien minuten ontstonden verticale scheuren in de plaat, zelfs als Fellinger de thermische uitzetting gedeeltelijk verhinderde. In het eerste uur daalde het draagvermogen van de platen snel, daarna werd de afname gering.
Een kanaalplaat nadat deze aan de onderkant 20 minuten werd blootgesteld aan een ‘standaardbrand’. De scheuren in het lijf van de kanaalplaat, zichtbaar als donkere strepen, zijn het gevolg van het verschil in uitzetting tussen de warme – uitzettende- onderkant en de koude – niet uitzettende – rest van de kanaalplaat. Boven een foto na de proef, onder het resultaat van de modelberekeningen. Beeld: TNO
Brandvoorschriften voldoen niet
De gevoeligheidsstudie die Fellinger met het computermodel uitvoerde liet zien dat de verhindering van de uitzetting door de omringende koude constructie en de eigenschappen van het zogenaamde toeslagmateriaal in het beton, zoals grind of kalksteen, van groot belang zijn. Hij beveelt aan om – met de kennis uit zijn model – de kanaalplaat zo te ontwerpen en fabriceren dat deze bezwijkvormen eenvoudigweg volledig worden vermeden, zodat bezwijken op buiging altijd maatgevend is.
Opmerkelijk is dat in de brandvoorschriften alleen getoetst wordt op bezwijken op buiging terwijl Fellinger nu heeft aangetoond dat de andere bezwijkvormen zeker zo relevant zijn. Het is daarom mogelijk dat de brandwerendheid van vloeren met kanaalplaten in de regelgeving wordt overschat. Fellinger maakt de kanttekening dat de uitgevoerde proeven in de meeste gevallen zwaarder zijn dan de praktijk, maar is toch van mening dat de huidige brandvoorschriften geen basis zijn voor een ontwerp dat optimaal recht doet aan zowel de veiligheid als de economie. Met het nieuwe model kunnen volgens hem zowel het ontwerp van de platen als de wetgeving verbeterd worden.