De onverhitte zijde. Scheurvorming bij brand in afgezonken tunnels. extra online

Transcriptie

1 1 extra online Scheurvorming bij brand in afgezonken tunnels De onverhitte zijde De buitenzijde van een afgezonken tunnel is voor reparatiedoeleinden zeer moeilijk bereikbaar. Dit gegeven bepaalt mede de technische levensduur van een tunnel. Uit een onderzoek in 2004 naar de repareerbaarheid van tunnels na blootstelling aan brand, bleek er een mogelijke kans te bestaan op scheurvorming aan de onverhitte buitenzijde. Het in die studie gebruikte model bleek echter onvoldoende verfijnd voor een nadere analyse. Daarom is dit fenomeen aan de TU Delft verder onderzocht online

2 Ben Nieman MSc Ballast Nedam Engineering 1 ) dr.ir. Kees Both Efectis Nederland dr.ir. Eddy Koenders en prof.dr.ir. Klaas van Breugel TU Delft fac. CiTG 1 Het op schaal uitgevoerde proefstuk van een tunneldoorsnede, dat in de brandproeven belast is 2 De gemodelleerde tunneldoorsnede, opgedeeld in driehoekige elementen. De rechter tunnelbuis wordt in de simulatie door brand belast; daarom is hier een fijnere elementenverdeling toegepast 3 Voorspeld patroon van de scheurvorming in de tunneldoorsnede 4 Voorspelde vervorming (sterk vergroot weergegeven) behorende bij de scheurvorming 5 Plastische rekken in het wapeningsstaal van beton is echter dermate laag, dat de verhitte zijde van een tunnelwand gemakkelijk aan temperaturen van boven de 700 ºC kan blootstaan, terwijl aan de andere zijde (de onverhitte zijde) nog een normale temperatuur van bijvoorbeeld ºC heerst. Afgezonken tunnels worden sinds het begin van de vorige eeuw toegepast bij rivieronderdoorgangen. Deze kunstwerken vormen een cruciaal onderdeel van onze infrastructuur en moeten daarom bestand zijn tegen calamiteiten waarbij brand optreedt. Vooral vrachtwagenbranden kunnen een groot gevaar vormen. De temperatuur in de tunnel kan hierbij stijgen tot ruim boven de 1000 ºC, zowel bij ongelukken met tankauto s met gevaarlijke stoffen zoals benzine, als met niet-gevaarlijke lading, zoals pallets of meubilair. Een dergelijke brand kan ook enkele uren duren. Afhankelijk van de brandduur en aanwezige brandbescherming kan in zo n geval schade aan de tunnel optreden, maar dit wordt doorgaans geaccepteerd mits er voldoende tijd is om te evacueren. Bij reparatie na een brand wordt de schade primair visueel vastgesteld. Beton dat aan temperaturen boven de 300 ºC blootgesteld is geweest, krijgt een rozige kleur. Aangezien dit bij benadering overeenkomt met het begin van het verlies van sterkte, luidt een gangbare vuistregel dat al het roze beton moet worden verwijderd en vervangen. Hoewel deze redenering op zichzelf correct is, gaat het voorbij aan de meer structurele schade die in de tunnel kan zijn ontstaan. Hierbij kan worden gedacht aan scheurvorming, met name op die plaatsen waar detectie en reparatie erg lastig kunnen zijn, zoals aan de buitenkant (de niet-verhitte zijde). In 2004 liet Rijkswaterstaat nader onderzoek uitvoeren naar de repareerbaarheid van tunnels na blootstelling aan brand [2]. De belangrijkste conclusies van het onderzoek waren dat weliswaar geen grote problemen als gevolg van scheuren aan de verhitte zijde te verwachten zijn, maar dat er mogelijk wel een kans op scheurvorming bestaat aan de onverhitte zijde ten gevolge van temperatuurgradiënten. Het in die studie gebruikte model bleek echter onvoldoende verfijnd om dit specifieke mechanisme nader te analyseren. Bij een brand in een tunnel zal het beton - zoals de meeste materialen - een uitzetting ondergaan. De thermische geleiding Door dit verschil in temperatuur, en daarmee in thermische uitzetting, zullen de wanden en het dak van een tunnel tijdens een brand naar binnen (naar het vuur toe) willen buigen. Deze vervormingen worden echter (deels) verhinderd door de aansluitingen tussen wand en dak. Dit kan bij aanhoudende brand leiden tot scheurvorming ter plaatse van deze aansluitingen, met name aan de onverhitte zijde. Dit effect kan na een brand niet eenvoudig worden geobserveerd vanuit de tunnel, en daarom ook erg lastig worden gerepareerd ) Dit artikel is een verkorte versie van het afstudeerwerk Cracking on the unheated side during a fire in an immersed tunnel van B. Nieman, uitgevoerd in augustus 2008 aan de TU Delft [1] online 2

3 extra online Modellering Om te onderzoeken of en in welke mate de hiervoor beschreven effecten optreden, is in het onderhavige afstudeerwerk een analyse van het gedrag van de constructie gemaakt met het eindige-elementenprogramma DIANA. Hierin is een willekeurige principedoorsnede van een tunnel met twee buizen gemodelleerd als een tweedimensionaal vlakspanningsmodel (een plane stress model), opgebouwd uit driehoekige elementen (fig. 2). Met dit model zijn achtereenvolgens een thermische en een mechanische analyse uitgevoerd. In de thermische analyse is voor elk element de temperatuur als functie van de tijd bepaald. Hiertoe is op de met brand te belasten buis (de rechter tunnelbuis) een reeks randelementen aangebracht, die de oppervlaktetemperatuur van het beton nabootsen. Deze wordt berekend uit straling en convectie vanuit de luchttemperatuur, waarvoor de Rijkswaterstaatcurve is aangehouden. Dit is een brandcurve van twee uur met een maximumtemperatuur van 1350 ºC, afgeleid en geverifieerd met name voor branden met tankauto s, maar bij benadering ook bruikbaar voor andere brandscenario s. element zijn opgeslagen in een matrix om vervolgens als invoer te dienen voor de mechanische analyse. In deze analyse zijn de spanningen en rekken bepaald voor elk element als functie van de temperatuur (en daarmee indirect als functie van de tijd). De sterkte- en stijfheidseigenschappen van beton zijn ook temperatuurafhankelijk, waarmee naast de thermische analyse ook de mechanische analyse niet-lineair is. Omdat de krachten op de elementen ook tijdens de brand veranderen, is de mechanische analyse eveneens tijdsafhankelijk. Aangezien het hier een niet-lineaire analyse betreft, neemt DIANA een rek per element aan (over de gehele mesh dus een zeker rekveld), waaruit een spanningsveld moet worden berekend. De som van de spanningen maal hun oppervlakte moet uiteraard gelijk zijn aan de som van uitwendige krachten (in dit geval eigen gewicht en gronddruk), en het eindige-elementenalgoritme zal vanwege de niet-lineariteit en tijdsafhankelijkheid itereren in elk tijdsincrement totdat deze gelijkheid (met een zekere tolerantie) is bereikt. 6 8 Uit deze oppervlaktetemperaturen zijn vervolgens de eigenlijke elementtemperaturen berekend, uitgaande van de thermische geleiding en de volumieke specifieke warmte. Deze eigenschappen zijn beide ook weer afhankelijk van de temperatuur, waarmee de berekening niet-lineair wordt. Aangezien de brandbelasting niet constant is in de tijd, is de berekening ook tijdsafhankelijk. De resulterende temperaturen per tijdstip per 7 Resultaten Voor het beschouwen van de resultaten van dit model is de eerder genoemde principedoorsnede gebruikt. Deze gaat uit van een wand- en dakdikte van 1250 mm met Ø onderwapening en Ø bovenwapening. De tunnelbuizen hebben beide een breedte van 10 m. Het resultaat van deze invoer is te zien in figuur 3. Ter illustratie van het scheurvormingsproces zijn hier de plastische rekken getoond (enkel trek) na circa 40 minuten verhitting. Te zien is dat er, naast verdeelde scheuren aan de verhitte zijde, ook gelokaliseerde scheuren op drie locaties aan de onverhitte zijde optreden. De precieze vorm en grootte van deze scheuren zullen uiteraard sterk afhankelijk zijn van de geometrie, maar vanuit gelijkvormigheid kan worden aangenomen dat deze lokalisaties zich bij alle vergelijkbare tunnelontwerpen voor zullen doen. De onderlinge relatie tussen de scheuren wordt duidelijker indien de vervormingen in dezelfde figuur geplot worden (fig. 4). Uiteraard zijn de vervormingen hier sterk overdreven weergegeven. De berekende zakking in het midden van de overspanning bedraagt hier slechts 10 mm. Aangezien in deze modellering de scheurvorming is verdisconteerd in de plastische rekken (het zogeheten smeared cracking ) kan de werkelijke scheurwijdte enkel worden afgeschat door de plastische rekken met de elementgroottes te vermenigvuldigen, en het resultaat hiervan te sommeren. Dit is echter slechts een ruwe benadering van de werkelijkheid. De resultaten zijn daarnaast ook sterk afhankelijk van de gekozen elementenverdeling. De scheurwijdte in het dak ter plaatse van de middenwand blijkt dan na 40 minuten circa 1,8 mm breed; de scheuren in het hoekpunt bedragen respectievelijk circa 1,0 en 0,6 mm. In online

4 6 Temperatuursverdeling bij brand in een tunnel (aangenomen dikte 1250 mm) 7 Temperatuursverdeling bij brand in het proefstuk (geschaalde dikte 125 mm) 8 Voorspeld patroon van de scheurvorming in het proefstuk 9 Bovenaanzicht van het proefstuk tijdens de brandproef. Direct naast de middenwand is de grootste scheur te zien 10 Scheurvorming in de zijwand tijdens de brandproef na 20 minuten verhitting. Direct onder het dak is de grootste scheur te zien 9 een plot van de spanningen in de wapening (fig. 5) is te zien dat ter plaatse van deze scheuren ook de grootste spanningen in de wapening optreden, hetgeen overeenkomt met de verwachtingen. Merk op dat in de onderwapening geen trekspanningen ontstaan. Door de thermische uitzetting is zowel het beton als het staal hier in druk. Dit komt overeen met het beeld in figuur 3, waarin de verdeelde scheuren in het veld niet tot het wapeningsstaal rijken. Ze treden enkel op in de tussenliggende laag, die wél een vervorming moet ondergaan, maar waarin de temperaturen nog niet voldoende zijn doorgedrongen om de bijbehorende thermische uitzetting teweeg te brengen. Schaalproeven Om te verifiëren of de uitkomsten van het model realistisch zijn, zijn bij Efectis proeven op tunnelelementen uitgevoerd. Om praktische redenen zijn deze elementen op een schaal van 10 1:10 nagebouwd, dus met een dak- en wanddikte van 125 mm bij een overspanning van 1 m). Aangezien de verhouding tussen de wanddikte en de thermische geleiding een maatgevende factor is in dit mechanisme, kan niet worden verwacht dat de scheurvorming hierbij lineair zal meeschalen. De opwarming van de wand heeft hier immers veel geleidelijker plaats (vergelijk fig. 6 met fig. 7). Om het gedrag van het proefstuk goed te kunnen voorspellen, is een aangepast model gemaakt, waarin de precieze afmetingen en eigenschappen van het proefstuk zijn ingevoerd. Het resultaat is te zien in figuur 8. De scheurvorming zou nu veel sneller moeten optreden (binnen twee minuten na aanvang verhitting), en ook de voorspelde scheurwijdtes wijken af. Berekend wordt nu een kleinere scheurwijdte van circa 0,9 mm. De scheuren zouden nog wel op dezelfde locaties moeten optreden. Tijdens de proeven is inderdaad gebleken dat na enkele minuten een scheur zichtbaar wordt in het dak parallel aan de middenwand (foto 9). Daarnaast ontstonden scheuren in de hoekpunten (foto 10). Naarmate de proef vorderde, ontsnapte er steeds meer vocht uit het proefstuk, hetgeen de scheuren duidelijker markeerde. Te zien zijn ook radiale scheuren bij de randen van het proefstuk, alsmede dwarsscheuren op regelmatige afstand, die met een tweedimensionaal model uiteraard niet worden voorspeld. In tabel 1 zijn de voorspelde en geobserveerde waarden vergeleken. Zoals te zien is liggen de voorspelde waarden vrij dicht in de buurt van de geobserveerde waarden. Alleen de tijd totdat scheurvorming optreedt lijkt te worden onderschat. Daarbij moet echter worden bedacht dat het moeilijk is een scheur visueel te observeren, totdat deze een bepaalde grootte heeft bereikt (strikt genomen begint de scheur als microscheur). Het is dus eerder waarschijnlijk dat de geobserveerde tijd een overschatting is online 4

5 extra online 11 Het proefstuk in de oven voor aanvang van de proef. De rechter tunnelbuis is gedurende de proef verhit 12 Tijdens de brandproef ontsnapt veel water uit het proefstuk literatuur 1 Nieman, B., Cracking on the unheated side during a fire in an immersed tunnel. Afstudeerwerk, TU Delft, TNO, Repareerbaarheid van afgezonken tunnels na blootstelling aan de RWS-brandkromme. Rapport 2004-CVB- R0362, Materiaalmodel De centrale opgave in deze niet-lineaire en tijdsafhankelijke mechanische analyse is het berekenen van het spanningsveld uit het aangenomen rekveld. Om de spanning-rekrelatie met de juiste temparatuursafhankelijkheid te kunnen beschrijven (en om een latere uitbreiding van het model naar de afkoelfase mogelijk te maken) is hiervoor een speciaal materiaalmodel in de module USRMAT (user-supplied material model) geschreven. Deze omvat zowel het beton als het wapeningsstaal (dat in de thermische analyse zoals gebruikelijk nog buiten beschouwing was gelaten). In het materiaalmodel worden eerst de thermische rekken berekend vanuit de thermische uitzetting, gecorrigeerd voor zogeheten load-induced thermal strains (LITS): het verschijnsel dat de thermische uitzetting kleiner is naarmate de belasting groter wordt. Bij een grote drukbelasting kan dit zelfs leiden tot een netto krimp. Het verschil tussen de aangenomen rek van een element en de berekende thermische rek op dat punt kan worden opgevat als de mechanische rek; d.w.z. de rek die direct correspondeert met een spanning via een spanning-rekrelatie (in dit geval de wet van Hooke plus een plastische tak). De precieze vorm van de spanning-rekcurve is daarbij afhankelijk gesteld van de temperatuur en de belastinggeschiedenis. Indien de berekende thermische rek groter is dan de aangenomen totale rek, is sprake van verhinderde uitzetting, hetgeen uiteraard correspondeert met een drukspanning Conclusies Uit de vergelijking van de resultaten blijkt dat het model voor dit proefstuk een redelijk accurate beschrijving van de scheurvorming aan de onverhitte zijde geeft. Op grond hiervan valt aan te nemen dat de voorspellingen die het model geeft voor echte tunnels dan ook realistisch zijn. Hoewel de precieze getalswaarden sterk afhangen van de invoer (in het bijzonder van de gekozen bovenwapening), is de algemene conclusie dat scheurvorming aan de onverhitte zijde en lokalisaties op karakteristieke plaatsen, tijdens een brand realistische fenomenen zijn. De volgende vraag is nu echter hoe problematisch dergelijke scheurvorming is: De dwarskrachtcapaciteit zal door een scheur worden gereduceerd, wat tot voortijdig bezwijken van de constructie bij een brand zou kunnen leiden. Daarbuiten is de structurele integriteit van de tunnel echter niet in gevaar. De scheurvorming zou kunnen leiden tot corrosie van de wapening en daarmee tot bezwijken op langere termijn. Het is daarbij de vraag of de scheur tijdens de afkoelfase open blijft staan, wellicht zelfs groter wordt, of juist weer dichtgaat. Een vervolgonderzoek, op basis van schaalmodellen en verder ontwikkelde numerieke modellen, zal moeten worden gestart om deze effecten nader te kunnen voorspellen, alsook om tot maatregelen en adviezen te komen hoe deze problematiek te voorkomen dan wel te verhelpen is. Tabel 1 Vergelijking van de door het model voorspelde waardes met de observaties tijdens de experimenten tijd scheurwijdte zakking dak t.p.v. middenwand dak t.p.v. zijwand zijwand midden voorspeld <1,5 min 0,9 mm 0,7 mm 0,9 mm 2,4 mm geobserveerd ~5 min 0,9 mm 0,5 mm 0,7 mm 1,9 mm 5