Onderzoek naar het gedrag onder Rijkswaterstaat brandomstandigheden van step-barriers t.b. v. de Westersehelde tunnel

Transcriptie

1

2 TNO Bouw Nederlandse organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek I Netherlands Organisation for Applied Scientilic Research TNO-rapport 2OO1-CVB-R0472S[Rev.l] Onderzoek naar het gedrag onder Rijkswaterstaat brandomstandigheden van step-barriers t.b. v. de Westersehelde tunnel Centrum voor Brandveiligheid Lange Kleiweg 5. Rijswijk Postbus AA Delft T F Datum Auteurs 6 december 200 I P.W.M. Kortekaas Dr. Ir. C. Bath Aantal pagina's Aantal bijlagen Opdrachtgever Projectnaam Projectnummer 19 2 Kombinatie Middelplaat Westerseheldetunnel Postbus AH TERNEUZEN Brandwerendheid v.o.f. Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd eolof openbaar gemaakt door middel van druk. foto-kopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook. zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rappon in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnerner verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst Het ter inzage geven van het TNO-rappon aan direct belang-hebbenden is toegestaan. (\)2001 TNO

3 TNQ.rappon CVB-R0472S[Rev.l] IDecember I KMW Inhoudsopgave Inleiding Algemeen Doel van het brandonderzoek Opbouw van het rapport Proefopstelling Algemeen Proefstukken Thermokoppels Overige proefstukken Wijze van onderzoek Algemeen Brandproeven Uitgevoerde metingen Tijdschema Resultaten van de metingen en brandproeven Metingen en materiaaleigenschappen Druksterkte en splijt-treksterkte van het beton Vochtgehalte Brandproeven Brandproef 1 (step-barrier met PP-vezels 1 kglm 3 ) Brandproef 2 (step-barrier met PP-vezels 1 kglm3 bovenzijde) met 50 mm extra isolatie op 13 4 Eva1uati samenvatting en conclusies 17 5 Referenties 18 Bijlage(n) Bijlage A : betonsamenstelling Bijlage B : foto's

4 TNO-rapport 1200I-CYB-R04725[Rev.III December I KMW 3/19 1 Inleiding 1.1 Algemeen Op de betonnen segmenten van de Westersehelde tunnel zal, aan de binnenzijde, een hittewerende bekleding worden aangebracht die er voor moet zorgen dat de constructieve integriteit van de tunnelconstructie bij brand in de tunnel afdoende gewaarborgd is. Voor onderzoek naar deze hittewerende bekleding wordt verwezen naar [1,2,3]. Bij de aansluiting rijvloer c.q. wegdek en tunnelwand is in het ontwerp een zogenaamde step-barrier voorzien die als primaire functie heeft het beschermen van de betonnen tunnelsegmenten tegen aanrijdingen. In het ontwerp is verder voorzien dat de hittewerende bekleding niet doorloopt achter de step-barrier. Zie Figuur 1. De vraagstelling voor het onderzoek was derhalve of de step-barrier dezelfde bescherming biedt als de hittewerende bekleding ten behoeve van de constructieve integriteit van de tunnelwand bij brand. Figuur 1: Doorsnede van de tunnelbuis: locatie van de step-barriers. Op verzoek van de Kombinatie Middelplaat Westerseheldetunnel v.o.f. is daarom door TNO Bouw het Centrum voor Brandveiligheid onderzoek gedaan naar het gedrag onder Rijkswaterstaat brandomstandigheden van de step-barriers toegepast in de Westerscheldetunnel. Onder de genoemde brandomstandigheden zou de step-barrier als gevolg van afspatten voortijdig de beschermde functie kunnen verliezen. Om dit afspatten tegen te gaan zijn polypropyleen vezels aan het beton toegevoegd.

5 TNO-rapport CVB-R04725[Rev.l] IDecember KMW 4/ Doelvanhetbrandonderzoek Het onderzoek had tot doel te controleren of de step-barriers ten minste dezelfde bescherming bieden voor de betonnen tunnelsegmenten als de hittewerende bekleding, en om de optimale concentratie voor deze polyproyleenvezels te bepalen. 1.3 Opbouwvan bet rapport In hoofdstuk 2 wordt de proefopstelling summier beschreven. De resultaten van de metingen en van de brandproeven worden gepresenteerd in hoofdstuk 3. Hoofdstuk 4 bevat een korte bespreking en evaluatie van de proeven de belangrijkste conclusies uit het onderzoek.

6 TNO-rapport eVB-R04725[Rev.l] IDecember KMW 5/19 2 Proefopstelling 2.1 Algemeen De proefstukken zijn opgesteld op de oven vloer en schuin tegen een ovenwand. In de ruimte tussen de achterzijde van de step-barrier en de oven wand werd gestabiliseerd zand aangebracht. Zie Figuur 2. De proefstukken werden aan de voor- en bovenzijde gedurende twee uur blootgesteld aan de Rijkswaterstaat curve. afdekplaat ovenwand proefstuk zandbed Figuur 2: Schets van de proefopstelling in de oven De brandproeven zijn uitgevoerd op step-barriers op ware grootte.en met een lengte van ca. 1,9 meter, welke zijn vervaardigd volgens het productieproces (betonmengsel, wapening, storten, conditioneren zoals zal worden toegepast bij de in de Westerseheldetunnel te vervaardigen step-barriers. 2.2 Proefstukken De volgende proefstukken werden door KMW vervaardigd volgens het zogenaamde slipformpaver principe. - 2 proefstukken met 1 kg PP-vezels per m 3 beton; - 2 proefstukken met 2 kg PP vezels per m 3 beton; - 2 proefstukken met 3 kg PP vezels per m 3 beton. De polyproyleenvezels zijn van het type Monofilament, type 23 (lengte 12 mm, doorsnede 18 urn) van de firma A.B.G. Bouw- en Handelsond. B.V. te Almelo (merk: Confiber "23"). In ieder van de proefstukken is een PVC buis opgenomen. Medewerkers van TNO waren niet bij het storten aanwezig. Zie onderstaand figuur voor een schematische weergave van de step-barrier.

7 TNO-rapport 1200I-CYB-R0472S[Rev.l] IDecember IKMW A--j o HOC PVC DI.As ua f"iii" Figuur 3: Step-harrier """"'./ Thermokoppels Op de achterzijde van de step-harriers zijn door medewerkers van TNO thermokoppels aangebracht. Deze thermokoppels dienden ter controle van de temperaturen waarmee de tunnellining in de praktijk onder Rijkswaterstaat brandomstandigheden in aanraking zal komen. Zie figuur Overige proefstukken Ten behoeve van de bepaling van het vochtgehalte en de druksterkte van het beton zijn een aantal kubussen met afmetingen 150 x 150 x 150 mm vervaardigd. 2.3 Wijzevan onderzoek Algemeen De proefstukken zijn vervaardigd op het terrein van KMW en daarna naar TNO getransporteerd. De proefstukken zijn bij TNO opgeslagen in de beproevingshal van het Centrum voor Brandveiligheid met omgevingscondities ca. 20 C en 50 % RV Brandproeven Het onderzoek is uitgevoerd bij het Centrum voor Brandveiligheid van TNO Bouw. De brandproeven zijn uitgevoerd op 1 en 4 april 2001.

8 TNO-rapport CVB-R0472S[Rev.l] IDecember KMW 7119 In overleg met de opdrachtgever zijn de volgende step-bamers werden beproefd: - step-barriet met 1 kg/m 3 PP vezels; _ step-barrier met 1 kg/m 3 PP vezels. bovenzijde step-banier bij de wand over een breedte van 50 mm voorzien van isolatie. De proefstukken zijn in de horizontale oven van het Centrum voor Brandveiligheid geplaatst. De ovenruimte was ca. 4 x.2 x.2 (lx. b x.h) meter. In de ovenruimte werd de RWS brandkromme gestookt. Na afkoelen zijn de proefstukken visueel geïnspecteerd door de betrokken partijen (de opdrachtgevers. de bouwdienst en TNO). Zie onderstaand figuur voor een schematische weergave van de beproevingsopstelling. PrOMQtect. dikte CQ. 50 MM step-\:)qrrier nog nqder uitwerken R 5.05 zqndbed tot bovenkqnt peil Figuur 4: Overzicht beproevingsopstelling Uitgevoerdemetingen De gastemperaturen in de oven zijn gemeten met vier thermokoppels (zogenaamde mantelthermokoppels) gemonteerd op ca. 100 mm van de voorzijde van de proefstukken. Met deze koppels is de sturing van de oven afgesteld op de RWS brandkromme. De temperatuurontwikkeling op de achterzijde van de proefstukken is gemeten met de door medewerkers van TNO gemonteerde thermokoppels. de posities van de thermokoppels staan in de figuur op de volgende pagina weergegeven.

9 TND-rapport 12OOI-CYB-R0472S[Rev.l) IDecember IKMW 8/ OOOOI i350---r-isoî L, so -+ï r 4.16 t L I O step-barrier aanzicht rechte llchte,..kqnt "'et the,.,.,okoppels koppeols 4,9 eon14 OP,..ecnte llchte"'k"nt t.p.v. pvc buis koppels 16 tin 18 luchttenp.,.."tu,..pn in PVC buis Figuur 5: Posities van de thermokoppels. Voor resultaten wordt verwezen naar het volgende hoofdstuk. 2.4 Tijdschema Ti' dsindicatie

10 TNO-rappon CVB-R0472S[Rev.ll IDecember KMW Resultaten van de metingen en brandproeven 3.1 Metingenen materiaaleigenschappen Druksterkteen splijt-treksterkte van het beton Proefstuk Druksterkte (N/lllIIt2) Tabel 2: Druksterkte Proefstuk Splijt-treksterkte (N/J1UI12) 1 5,7 2 5,9 3 5,8 Tabel 3: Splijt-treksterkte Het beproefde mengsel heeft dezelfde samenstelling als dat wat voor de barriers in de tunnel gebruikt gaat worden. Met dit mengsel worden duidelijk hogere betondruksterktes bereikt dan de oorspronkelijk bedoelde B35. Hierdoor is de beton in principe gevoeliger voor afspatten Vochtgehalte Het gemiddeld gemeten vochtgehalte van het beton bedroeg 3,2 % (m1m). Dit vochtgehalte is bepaald op basis van het gemiddelde gewichtsverlies door een vijftal (brok) stukken te drogen gedurende 24 uur op 105 oe.

11 TNQ-rapport evB.R04725[Rev.lJ IDecember IKMW 10/ Brandproeven Brandproef 1(step-harrier met Ph-vezels 1kg/m 3 ) Metingen : 1000 li 100 i!600 I :--- -TOVI -TOV2 _TOV3 _TOV4 -RWS :zoo I o o 'njdiilllldi-=> 140 Figuur 4: Gemeten gastemperaturen in de oven bij proef 1. 1\400 E li300 a i!:zoo T\Id[lIIial_ Figuur 5: Oppervlaktetemperaturen achterzijde step-barrier bij proef 1.

12 TNO-rapport 1200I-CVB-R0472S[Rev.ll IDecember IKMW 11/ UlO " 10 : Ẹ... a '" i! 40 --Tlt6 -e--rx» Tltl --Tlt9 ---TIt '" 10 Tijd (mld) > Figuur 6: Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef ,1 --TIt I1 -o-tic12 -+-TIC13 --TIC TIC " o o Figuur 7: Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef 1.

13 TNQ-rapport evB-R0472S[Rev.l] IDecember IKMW Waarnemingen tijdens de proef (proef 1) Tijd VVennng [min.] o Aanvang verhitting Licht spatten hoorbaar Spatten niet meer hoorbaar Einde verhitting Evaluatie proef 1 Het schadeniveau van de step-barrier blijft op een aanvaardbaar niveau met uitzondering van de bovenzijde van de step-barrier, De hoek t.p.v. het punt waar de step-barrier tegen de wand rust lijkt onvoldoende beschermd.. Dit lijkt te worden veroorzaakt doordat de bekleding op de bovenzijde van de step-barrier tegen de wand de step-barrier niet over voldoende breedte beschermd. Het voorstel was om in proef 2 de bescherming over een extra breedte van ca. 50 mm aan de bovenzijde van de stepbarrier ter plaatse van de wand door te trekken. De gekozen concentratie polypropyleenvezels van 1 kg/m 3 is voldoende om het schadeniveau binnen de perken te houden. --..,1

14 TNQ-rapport CVB-R0472S[Rev.l] IOecember KMW 13/ Brandproef 2 (step-harrier met PP-vezels 1 kg/m3 met 50 mm extra isolatie op bovenzijde) Metingen " : 1000 Ẹ. 800 "a e K.! r --TOVI -TOV2 TOV3 --TOV4 RWS 200 o o Tijd(1IIIa1_ Figuur 8: Gemeten gastemperaturen in de oven bij proef 2 -r-, I rt«lo 11 )300 ek.! \ClO T\IlI(IIIIDJ Figuur 9: Oppervlakte-temperaturen op achterzijde van step-barriet bij proef 2

15 TNO-rapport CVB-R0472S[Rev.ll IDecember KMW 14/ I I -f * --TK6 -TK7 TK. _TK9 -TKIO,., - / L---" /' o o lJd ( J -=0 1:10 I Figuur 10: Oppervlakte-temperaturen op achterzijde van step-barrier bij proef 2. """'\ I 330 1\300 >'O.. a 1!:lOO 1 I / /./ V JlV --TKII -TK12 TK13 t> _TK14./ V./'./ V -<>-TK1$ I-" wauomlooppd I Y aietduiddijk. is o o :10 1lJd ) -=> Figuur 11: Oppervlakte-temperaturen op achterzijde van step-barrier bij proef 2.

16 TNO-rapport 1200I-CVB-R0472S[Rev.l] 1December KMW 15/ ) i EP j {600! I J "r..,..,.../ I ITItll -TIt11 nc; ç- --/...-. o o UlO T\id ( )..., Figuur 12: Gemeten luchttemperaturen in de PVC buis Waarnemingen tijdens de proef Tijd VVawmenUng [min] o Aanvang verhitting 5 Spatten hoorbaar 120 Einde verhitting,i Evaluatie Het globale schadeniveau van de step-barrier is overeenkomstig de eerste proef. Hoewel de tweede proef 180 minuten heeft geduurd en de eerste. proef 120 minuten, is het schadeniveau dus niet sterk toegenomen. Dit is in overeenstemming met de temperatuurmetingen (zie bovenstaande figuren), waaruit blijkt dat de temperaturen achterop de step-barrier gemiddeld slechts weinig toenemen tussen 120 minuten en 180 minuten, Thermokoppel Temp. na 120 min. Temp. na 120 min. Proef 1 Proef 2 (bovenrand niet extra beldeecll (bovenrand extra bekleed) oe 97 C C 263 oe oe 269 C 4 (t.p.v. buis) 567 C 429 C oe 206 C Tabel 4: Vergelijking temperaturen aan de bovenrand op t=120 min.

17 TNO-rappon 1200I-CVB-R04725[Rev.l] IDecember KMW 16/19 De conclusie is dat de proef reproduceerbare resultaten oplevert. Het schadeniveau blijft wederom op een aanvaardbaar niveau. Het doorzetten van de hittewerende bekleding op de bovenzijde van de step-banier blijkt een duidelijke reductie van de warmteindringing aan de bovenrand te geven. De gekozen concentratie polypropyleenvezels van 1 kg/m' is derhalve voldoende om het schadeniveau acceptabel te houden. De temperatuur in de PVC-buis volgt bovenin de buis nagenoeg de Rijkswaterstaat temperatuurcurve, terwijl in het midden en onderin de temperatuur beduidend lager is. Een vergelijking met proef 1 is niet mogelijk, omdat in proef 1 deze temperaturen niet gemeten zijn. '. I

18 TNQ-rappon 1200I-CVB-R0472S[Rev.l] IDecember KMW 17/19 4 Evaluatie,samenvattingen conclusies Betonconstructies die aan sterke temperatuurstijging worden onderworpen, zoals bij een brand, kunnen ernstig beschadigd raken door afspatten. Het optreden van afspatten is afhankelijk van verschillende factoren zoals de snelheid van de temperatuurstijging, vochtgehalte van het beton, de grootte en de richting van de op de constructie aangrijpende krachten en de beton samenstelling en daarmee samenhangend de massatransport parameters zoals de permeabiliteit. Teneinde afspatten te voorkomen of het schadeniveau bij brand op een aanvaardbaar niveau te houden kunnen aan het beton polypropyleenvezels worden toegevoegd. Voor de bepaling van het schadeniveau voor al dan niet van polypropyleenvezels voorziene betonnen constructies in tunnels die gedurende hun levensduur aan zogenaamde koolwaterstofbranden kunnen worden blootgesteld bestaan geen rekenmodellen enlof dimensioneringsregels. In het uitgevoerde onderzoek is op experimentele wijze onderzocht of onder de gegeven randvoorwaarden het schadeniveau van de aan brand blootgestelde step-barriers op een aanvaardbaar niveau blijft. Dit is het geval als een concentratie van 1 kglm 3 gebruikt wordt tevens zal de bovenzijde van de step-barriet over een breedte van tenminste 50 mm wordt voorzien van het isolatiemateriaal van de tunnellining (fendolite MD) in een dikte van 45 mmo De brandproeven zijn uitgevoerd in opdracht van de aannemerscombinatie van de Westersehelde tunnel (KMW) en stonden mede onder toezicht van de Bouwdienst (Rijkswaterstaat).,! De belangrijkste conclusies uit het brandonderzoek luiden: - een concentratie van 1 kglm 3 polypropyleenvezels biedt een afdoende bescherming van het beton van de step-barriers onder Rijkswaterstaat brandomstandigheden; - de isolatie van de tunnellining (Fendolite MIL dikte 45 mm) dient over een breedte van tenminste 50 DUn op de bovenzijde van de step-barrier ter plaatse van de aansluiting met de tunnelling te worden doorgezet. Voor andere situaties (ander brandscenario, ander betonmengsel enz) zal in principe op basis van experimenteel onderzoek moeten worden beoordeeld of de constructieve integriteit afdoende gehandhaafd blijft. Voor een kwantitatieve aanduiding van het afspatgedrag verdient het aanbeveling om bij toekomstige onderzoeken na de proef het spatprofiel in kaart te brengen. Voor een bepaling van het afspatgedrag tijdens de proef dient het gewicht van het proefstuk tijdens de proef gemeten te worden. P.W.M. Kortekaas Dr. Ir. C. Both

19 TNO-rapport CVB-R04725(Rev.l11 December KMW 18/19 5 Referenties [I] Both, C., "Experimenteel onderzoek naar passieve brandveililgheidsvoorzieningen voor de Westerschelde tunnel uitgaande van de RWS brandkromme: deell Promatect-H", TNO rapport 99-CVB-ROOOl. [2] Both, C. "Experimenteel onderzoek naar passieve brandveiligheidsvoorzieningen voor de Westerschelde tunnel uitgaande van de RWS brandkromme: deel 2 Fendolite MIr', TNO rapport 99-CVB- R1478. [3] Both, C. "Experimenteel onderzoek naar passieve brandveiligheids-voorzieningen voor de Westerschelde tunnel uitgaande van de RWS brandkromme: deel 3: Vervolgproeven met Fendolite MIr', TNO rapport 2000-CVB-ROl967.,I

20 TNO-rapport CVB-R0472S(Rev.l) IDecember KMW 19/19 Lijst van faguren, tabellen en foto's Figuren (in lopende tekst) Figuur 1 Figuur 2 Figuur 3 Figuur 4 Figuur 5 Figuur 6 Figuur 7 Figuur 8 Figuur 9 Figuur 10 : Figuur 11 : Figuur 12 : Aanzicht en doorsnede van de step-barrier Overzicht van de beproevingsopstelling Posities van de thermokoppels Gemeten gastemperaturen in de oven bij proef 1. Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef 1. Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef 1. Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef 1. Gemeten gastemperaturen in de oven bij proef 2. Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef 2. Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef 2. Oppervlakte-temperaturen op de achterzijde van de step-barrier bij proef 2. Luchttemperaturen in de PVC buis bij proef 2. Tabellen (in lopende tekst) Tabel 1: Tabel 2: Tabel 3: Tabel 4: Tijdschema Druksterkte Splijt-treksterkte Vergelijking temperaturen aan de bovenrand op t=120 min.,,' Foto's (bijlage 2) Foto 1 Foto 2 Foto 3 Foto 4 Foto 5 Foto 6 Aanzicht step-barrier voor proef 1. Aanzicht step-barrier na afloop van proef 1. Detail bovenzijde step-barrier na afloop van proef 1. Aanzicht step-barrier voor proef 2. Aanzicht step-barrier na afloop van proef 2. Detail bovenzijde step-barrier na afloop van proef 2.

21 TNO-rapport CVB-R0472S[Rev.ll IDecember KMW. Bijlage A.1I1 A Betonsamenstelling De betonsamenstelling was als volgt : 350 kglm 3 CEM IJIB-V 32,5 Portland vliegas cement, producent cement ENeI, alkaligehalte in cement 0,7 %, aandeel vliegas 28 ± 7 %; 150 liter water (wie factor = 0,43), waarvan reeds 50 liter in zand en steenslag aanwezig; 250 kg zand 0/2; 650 kg zand 0/4; 200 kg steenslag 418; 850 kg steenslag 8/22. Materiaaleigenschappen: sterkteklasse B35 consistentiegebied 1-2; milieuklasse 3.