CRC og brand - test af understøttet plade i fuld skala

I dette indlæg deler vi nogle af resultaterne af en fuldskala-brandtest af UHPC elementer. Resultaterne er fra en test af en en understøttet plade. Vi håber, i har lyst til at læse med! 

Brandmodstand er bestemt en udfordring for UHPC - dette har vi behandlet i en af ​vores tidligere blogindlæg: Brandmodstand - er det et problem for UHPC? Hvis indholdet af fine partikler i betonen er højt (hvilket fører til relativt uigennemtrængelig beton) kan det endda være et problem ved trykstyrker så lave som 55 MPa som behandlet i Eurocode-systemet.

Som beskrevet i vores tidligere indlæg har vi opnået omfattende dokumentation vedrørende afskalning og brandmodstand - inklusiv test på plader, bjælker, søjler og vægelementer - men kun én fuldskala test under brandbelastning er blevet udført på et altanelement. Dette var et udkraget altanelement, der blev testet ved Tampera Universitet i Finland - opsætningen er vist i figur 1 nedenfor.

Figur 1. En udkraget CRC-altanplade installeret i ovnen inden test.

Imens de udkragede altaner repræsenterer størstedelen af vores altanprojekter, besluttede vi også at udføre en test i fuld skala på en simpel understøttet plade, da vi kunne forvente mindre gunstige resultater for denne type test - Det vil jeg forklare nedenfor: 

1. Opvarmning af armering

I begge typer brandtest var toppen af pladen ueksponeret, mens bunden af pladen blev udsat for en standardbrand. Dette betyder, at trækstængerne i den udkragede plade er relativt godt beskyttet mod ilden, da de har et 15 mm dæklag fra toppen af pladen, og pladen havde en tykkelse fra 85 til 75 mm. Til den understøttede plade er trækstængerne på bunden og dermed kun beskyttet mod branden med deres 15 mm dæklag. Dette vil naturligvis resultere i en hurtigere opvarmning af armeringsjernene på den understøttede plade og dermed et fald i styrke i en tidligere fase af brandtesten.

2. Deformationer

På begge typer plader er belastningen placeret oven på pladen, hvilket fører til nedbøjninger. Efterhånden som pladerne bliver varmet op, vil nedbøjninger forøges, dels fordi stivheden reduceres for både beton og stål, dels på grund af termisk krybning. Der er dog en anden effekt, der skal tages i betragtning: Da den nederste del af pladen opvarmes, mens den øverste del er relativ kold, vil bunden udvide sig hurtigt, mens toppen forbliver relativ uforstyrret. Dette tilfører en krøllende effekt, som i dette tilfælde vil få kanten af pladen til at gå opad - og i de tidligere stadier af branden, vil denne effekt tilføre en større komponent end den nedadgående afbøjning, forårsaget af belastningen - for den udkragede altan, bevægede altankanten sig ikke ned efter den indledende nedbøjning før den havde været udsat for brand i 90 minutter. For den simple understøttede plade vil både effekten af belastningen og den differentierede opvarmning øge nedbøjningen, hvilket betyder, at afbøjningen på midten af pladen kan blive ret stor. 

3. Afskalning*

Hvis fugtindholdet i CRC er tilstrækkeligt lavt, vil vi typisk ikke opleve eksplosiv afskalning, men der kan forventes afskalning af dæklaget på den eksponerede side. Nedenfor vises et billede af den udkragede plade efter 2 timers brandeksponering. 

Figur 2. Udkraget plade efter testen.

For den udkragede plade er den førnævnte afskalning igen væk fra overfladen, tættest på trækarmeringen, så afskalningen vil ikke føre til en hurtig temperaturstigning i armeringsjernet.

For en plade der ikke er belastet ved test forventes spallingen at være moderat - som det er blevet observeret i et par virkelige hændelser med brand: Se CRC i faktiske brande del 1 og del 2)

For den simple understøttede plade vil enhver afskalning være fra overfladen tæt på trækarmeringen, hvilket fører til en hurtig stigning i temperatur og efterfølgende tab i armeringsjernene. For en ulastet testprøve forventes afskalningen at være moderat - som det er blevet observeret i et par faktiske brande (CRC i faktiske brande del 1 og del 2) - men på grund af de store deformationer blev dæklaget også udsat for relativt store trækbelastninger, der øgede risikoen for afskalning af dæklaget.

Fig.3 (nedenfor) viser et billede taget efter testen af ​​den simple understøttede plade - og som vist er stortset hele det 15 mm dæklag skallet af. Fig. 4 viser 3 cylindere, der også blev anbragt - uden belastning - i ovnen under testen (og indtil ovnen blev åbnet dagen efter, da den var kølet af). Cylinderne havde mange revner, men kun mindre afskalning og den resterende trykstyrke, da de blev testet efter et par uger, var fra 12 til 15 MPa.

Eksponeret side af pladen efter testen

Figur 4: Cylinder efter brandeksponering og før test.

*(afskalning er et resultat af vand der trænger ind i betonen og får overfladen til at skrælle eller flage af)

Testresultater

Som nævnt ovenfor var der en række grunde til, at vi kunne forvente en værre reaktion for den understøttede plade sammenlignet med den udkragede plade. Den udkragede plade havde understøttet den fulde belastning i to timers brandeksponering. Da testen blev stoppet, var det fordi testopsætningen ikke var i stand til at håndtere deformationerne.

Den understøttede plade blev testet på Dansk Institut for Brand- og Sikkerhedsteknologi - og vi opnåede en REI60-klassifikation.

Pladen havde en tykkelse på 100 mm, en spændvidde på 4140 mm og en bredde på 3000 mm med en fri kant på begge sider. Pladen blev belastet på to punkter som vist i fig. 5 med en samlet belastning på 31 kN. Under hensyntagen til dødvægt resulterer dette i et maksimalt øjeblik på 5,89 kNm/m og en maksimal forskydningskraft på 5,69 kN/m.

Figur 5:

Figur 5: Last oven på pladen.

Vi havde ikke forventet, at deformationerne ville være helt så store, som de viste sig at være, så belastningen her var ikke rigtig egnet til de store nedbøjninger. Da pladen buede, blev der opbygget spænding under lastepunkterne, og da disse spændinger blev frigivet et par gange under testen, "sprang" pladen næsten.
Til sidst blev testen stoppet - efter en time - da nedbøjningerne blev så store (233 mm midterafbøjning), at belastningen ikke længere kunne påføres pladen. Dette var en lignende situation som den udkragede plade - at pladen stort set var intakt, men opsætningen kunne ikke længere håndtere de store afbøjninger, selvom fejlkriterierne baseret på afbøjningerne endnu ikke var opfyldt. Et billede taget ved testens 60-minutters punkt er vist på billede 6, hvor den store afbøjning - og en vandpøl - kan observeres. Den maksimale gennemsnitlige temperaturstigning på den ikke-eksponerede side af pladen var 64°C, og vandindholdet i pladen på eksponeringstidspunktet var 1,6%.

En masse termoelementer var indlejret i pladen, så vi igen opnåede en masse information for at forbedre vores branddesign - hvilket er lige så vigtigt som klassificeringen af ​​pladen, vi opnåede til dokumentationsformål. Vi har dog stadig nogle vanskeligheder - især med at forudsige deformationer nøjagtigt (hvilket ganske vist ikke er så let på grund af de mange faktorer - herunder afskalning - der påvirker dette), så hvis nogen af ​​jer har spørgsmål, kommentarer eller information, som i gerne vil dele, må i meget gerne kontakte vores udviklingschef, Bendt Aarup.

Figur 6. Den Ikke-eksponerede side af pladen 60 minutter efter testen. Testen blev stoppet efter 63 minutter.

På vores Hi-Con blog bliver flere forskellige og interessante emner indenfor ultra højstyrkebeton stillet op til diskussion. Den kan du se lige her