Title Presentation

1
Hittewerende bekleding
Veiligheid Ondergrondse Infrastructuur
dr.ir. C. (Kees) Both TNO bedrijf Efectis
Nederland BV Rijswijk tel. [phone] e-mail
kees.both_at_efectis.nl
2
Overzicht

• Waarom hittewerende bekleding?
• Wat is hittewerende bekleding?
• Hoeveel is nodig en wanneer?
• Belangrijke details
• Alternatieven
• Conclusies
• Tenslotte

3
Waarom hittewerende bekleding?

• Bescherming mens en dier (publiekrechtelijk)
• Met name ROOK gt men moet kunnen vluchten!
• Denk aan alle levensfasen tunnel
• Bouwers!, gebruikers, hulpverleners (WST bouw
  stilgelegd!)
• Beperken schade (privaatrechtelijk)
• Indirecte schade (buiten gebruik verbinding)
• Maar ook INSTORTEN (Constructieve Integriteit)
• N.B. In NL ho(ogst)e bev.dichtheid merendeel
  beneden zee-niveau

4
Brand in een tunnel

• Brand buiten, in tunnel of in gebouw

Indicatief 900-1100 C Ref. brand boek (Drysdale)
1100-1400 C Ref. TNO / RWS proeven en Runehamar
UPTUN
800-1000 C Ref. ISO
Hitte straalt weg, rook heeft vrij spel
Wanden stralen terug, rook gevangen LET OP
brandoverslag andere voertuigen
Ander vluchten compartimentering
5
Alpen tunnels ?

• Ventilatie strategie moet wel werken

Instorting vals plafond in Gotthard tunnel
6
Waarom hittewerende bekleding?

• Constructie ontwerp uitleggen op brandscenario

• brand
• warmtestraling
• opwarming constructie
• verlies sterkte en stijfheid
• schade
• - lekkage
• - (gedeeltelijk) instorten
• - reparatie

7
Waarom hittewerende bekleding?

• 1) Afname sterkte en stijfheid

1
beton fc
beton E
0,75
staal fy
staal E
relatieve waarde -
0,5
0,25
0
0
250
500
750
1000
temperatuur gr.C
8
Waarom hittewerende bekleding?

• 2) Spatten

• Chunnel
• Betonnen lining gereduceerd
• over 40 m van 400 tot 4 mm

9
Wat is hittewerende bekleding?

• Isolatie
• Bedoeling
• Opwarming vertragen
• Absolute temperatuur T C
• Opwarmingssnelheid dT/dt C/min
• Thermische gradiënt dT/dx C/mm

10
Wat is hittewerende bekleding?

• Plaat
• Scherm
• Spuit- en gietmortel
• Fibre / cement
• Vermiculite /cement
• Mineral wool slabs
• Composite panels
• Opschuimende / reactieve coatings ongebruikelijk
• Nieuw reflecterende coating (denk aan verzinkte
  staalplaat)

11
Wat is hittewerende bekleding?

• Applicatie
• Vooraf
• M.n. plaat materiaal in bekisting
• Gietmortel (geboorde tunnelsegmenten)
• Achteraf
• Achteraf bevestigen plaat / scherm
• Spuiten mortel
• Systeem per tunnel type bekijken tegenwoordig
  ook gekromde en / of buigzame plaat mogelijk

12
Waar gebruik je hittewerende bekleding?
13
Waar gebruik je hittewerende bekleding?
14
Wat is hittewerende bekleding?

• Plaatmateriaal vs. Spuitmateriaal
• Indien adequaat, technisch prestatieniveau
  gelijkwaardig (isolatiewaarde)
• Afgezonken / cut-and-cover plaat in kist
  goedkoop en vaak toegepast
• Geboord spuiten vaak voordeliger, i.v.m.
  tunnelvorm
• Speciale aandachthechting van de spuitmortels
  (RWS verkeerstunnels altijd gaaswapening, n.a.v.
  incidenten)
• Reparatie / inspectie mogelijkheden na schade bij
  platen
• Spuiten vereist vaak extra voorbehandeling
  (stralen / stomen)
• Spuiten reeds gerobotiseerd
• Aanrijdschade bij platen vaak groter
• Vorst/dooi cycli bestandheid ?
• Esthetica?
• Logistiek?

15
Afgezonken tunnels

• (Bouw)materialen verliezen STERKTE (Tgt200-300) en
• STIJFHEID bij hogere temperaturen (Tgt100)
• Isoleer trek-wapening
• Bescherm dak stukje wand met isolatie (stort
  mee in kist)
• zonder
• met

16
Geboord vs. afgezonken

• Brand onderscheid op basis van vuurbelasting
  (weg, rail, massa)
• Constructieve integriteit OOK op basis van
  bouwwijze
• afgezonken (Oresund) geboord (Chunnel)

X
17
Hoeveel is nodig en wanneer?

• Dutch treat
• RWS-TNO beproevingsprocedure

18
Korte historie

• 1975 VW overweegt transport gevaarlijke stoffen
  
• 1978 Velser tunnel incident (4 doden)
• foto LightCem
• N.B. tot 1980 geen hittewerende bekleding

19
Korte historie (2)

• Deterministische benadering (gelukkig onvoldoende
  statistiek?)
• Credible worst case scenario
• crash met 50 m3 benzine tanker
• plasbrand 150 m2
• 300 MW
• 90-120 min lekkage
• 12 test gt RWS-brand

1600
1200
Temperatuur 0C
800
1500L
gemeten
RWS-curve
400
2m
8m
0
0
60
120
Tijd min
20
Beproevingsprocedure isolatie

• Vocht in isolatie lt 5 (M/M)
• Interpolatie temperatuur (T) - dikte (d)
• Geboord
• 11 BELAST

Interface
T
dminmax(dminadminb) 3mm voor mortels
380 / 225
d
min
d
d
d
d
2
1
3
21
Beproevingsprocedure isolatie

• Geen spatten en voor afgezonken tunnels T_beton
  lt 380 C (T_wapening lt 250 C)
• Aantal positie roestvaste bevestigingsmiddelen
• Vochtgehalte isolatie lt 5 (M/M)
• Minimaal 2 testen

1.5x1.5m
0.15 m
isolatie
afgezonken geboord (250) - 0C 380 (225) 0C
22
Beproevingsprocedure isolatie

• Geboorde tunnels
• 11 full scale test op actueel segment
• Dus met actuele beton
• Belasting representief voor gebruiksfase
  (eigenlijk verhinderde thernische vervormingen)
• Acceptatie criteria geen spatten in twee proeven
  (rubber afd. lt 80 C)
• Indicatief acceptatie criterium T_beton lt
  150-250 C

23
Hoeveel is nodig en wanneer?

• Nominale brandcurves

24
Nominale brandcurves

• Vergelijking RWS met andere nominale brandkrommen
• N.B. boven 1200 C gewone isolatie smelt /
  desintegreert
• RWS brand zwaarste koolwaterstofbrand

• Andere bewijzen voor T gt 1300 C
• Eureka FIRETUN project
• Nationaal UK onderzoek
• Mont Blanc
• Adoptie RWS curve in B, CH, DK, Australie, HK,
• Taiwan, Singapore,
• Runehamar gt volgende lezing 21-11
• Maar discussie in PIARC

25
Runehamar tests

• N.B.
• spatten van de rots
• gt instoringsgevaar !!

26
FIT brandkrommen

• PIARC
• opgenomen in EU-directive

27
FIT brandkrommen
Ref. Lacroix, Washington 2001
28
Hoeveel is nodig en wanneer?

• Indicatieve diktes op basis RWS brand
• Indicatieve kosten
• 50-100 Euro/m2
• Afhankelijk van
• Plaat/spuit
• Dikte
• Applicatie vooraf/achteraf
• Inspectiewensen (b.v. ten aanzien van
  vocht/lekkages)
• Reparatiewensen

29
Hoeveel is nodig en wanneer?

• Berekening ?
• Differentiaal vergelijking
• Niet-lineair
• Eindige elementen methode ?
• Invloed vochtverdamping en transport
• Invloed versintering, smelten, oplossen, en
  andere fysisch/chemische processen
• Indicatieve bepaling materiaaleigenschappen
  isolatie (warmtegeleiding en capaciteit)
• Warmtegeleiding 0,1 0,2 W/mK
• Warmtecapaciteit 1000 J/kgK
• Soortelijke massa 500-1500 kg/m3

30
Onderzoek 1 Botlekspoortunnel

• Voordeel intern en pre-cast / pre-fixed extern
• in bouwfase (Storebaelt) reeds bescherming
• pre-cast (LightCem)
• test ring Botlek (handling)

31
Onderzoek 2 Westerschelde (geboord, 2x6.5 km)
Bezwijken!!

• Promatect-H 23, 27, 44 mm (belaste segmenten)

32
Onderzoek 3 ankers

• M16 gt spatten (warmtelek)
• M8 / M10 gt geen probleem bij WST beton

beton
isolatie
Stalen beugels
anker
ventilator
33
Onderzoek 4BRAWAT

• Alleen dakwand?
• Hoe zit het met spatten?
• Belast stuk wand
• Onbeschermde wanden OK
• Onbeschermd beter dan
• slecht beschermd?

34
Onbeschermd beter dan slecht beschermd?

• Hypothese
• onbeschermd gt grote therm.grad. gt veel
  (micro)scheuren gt permeabiliteitgtgt
• slecht beschermd (te dun, smelten, geen hechting)
  gt geen grote therm.grad. temp loopt op tot
  boven 200 C, zonder grote toename permeab.
  dampdrukken ontwikkelen en SPATTEN

35
Belangrijke details

• Effect op andere maatregelen
• Rook koelt minder snel af
• Effect op brandontwikkeling (secundair)
• Effect op verlichting (m.n. voor onderscheid
  andere voertuigen)

36
Belangrijke details

• Beschermen in de bouwfase?

37
Alternatieven

• Bedoeling was T, dT/dt en dT/dx beheersen
• Alternatieven
• Waterkoeling
• Grondwater
• Sprinklers
• (Combinaties van) materialen die bestand zijn
  tegen hogere niveaus
• Beton met pp- en/of staalvezels
• Staalbetontunnels
• Eerst meer weten over spatten ?!

38
Spatten
(1) Ontwikkeling stoomdrukken (1L water 1500 L
stoom)
Externe krachten / r.v.w.
vocht
(permeabileit)
Explosief scheuren (trek sterkte Gf)
T
T, dT/dx, dT/dt
_
s
(2) Ontwikkeling additionele thermische spanningen

damp
vocht
39
Spatten thermo-fysisch-chemischdampdruk op T
40
SpattenThermo-mechanischMicro niveau

• Spatten is
• Gecombineerd warmte- en vocht transport in poreus
  medium
• Scheurvorming !

41
Onbelast, opwarming tot 500 C
NB bij 150 C, microscheurvomring
42
Belast, T400 Ctrek
Spanning MPa
20 C
400 C
Rek -
43
Spatten voorKOMEN

• Maatregelen
• niets spatten acceptabel
• intern
• permeabiliteit (PP)
• trek sterkte (breukenergie)
• staal vezels of wapening
• grove toeslag met lage th.uitz.
• extern vertraag T, dT/dx, dT/dt
• gietmortel / pre-fixed plaat
• post-fixed en spuiten
• sprinkler?

44
Onderzoek 5 ITM (Hubertusduin)

• Staal vezels
• indicatieve proeven op belaste 500 mm cilinders
• B45/65 staal vezels (fibrillated) pp vezels
• belaste tunnel segmenten
• grove pp vezels helpen NIET

100
orig. massa
B65
B45 staal vezels
B65 staal vezels
0
0
60
120
Tiid min
Bezwijken !?
45
Onderzoek 6 ITM (Hubertusduin) pp-vezels

• Full scale (2x2x0.5) belaste (10 Mpa) SCC C50
• ZTV-RABT-brand curve tests
• 2 kg/m3 monofilament pp-vezels
• Spat diepte gem. 67, karakteristiek"121
• vocht 4,1-5,4 M/M
• splijt trek sterkte 5,1 - 5,3 - 5,4 MPa (vol.
  mass 2270 kg/m3).

46
Onderzoek 7 pp-vezels

• Belaste WST tunnelsegmenten ZTV-auto brand
  (1200 C)
• Monofilament (kleine diameter)
• Gemeten afgespat beton (verloren dikte)
• 1 2 3 kg/m3
• N.B. zonder vezels INSTORTEN / LEKKAGE
• verwerkbaarheid 3 kg/m3?

47
Onderzoek 8 Sprinkler in Betuweroute

• Primair doel
• beheersen brand (brandoverslag van ene naar
  andere wagon)
• Secundair
• waterkoeling wanden en voorKOMEN spatten

48
Onderzoek 8 Betuweroute - sprinkler
Een falende sprinklerkop? Vergelijk met schade
bij een enkel M16
49
Scheurvorming constructieEEM model (Diana)
2h RWS met isolatie
zonder isolatie
50
Scheurvorming constructie Vervormingen en rekken
51
Scheurvorming constructie spanningen
52
Conclusies

• Constructieve integriteit is een hot issue
• Spatten van beton verdient aandacht
• Hittewerende bekleding
• Beproevingsprocedure voor plaat en spuitmateriaal
• Indicatief rekenen mogelijk
• Onderscheid (constructie)type (afgezonken
  geboord)
• Let op details (ankers, )
• Alternatieven pp-vezels, staalvezels,
• Aanbeveling
• RWS-curve bestand (d.w.z. 1350 C)
• Dikte op relevant geacht brandscenario met
  bijbehorende T-t curve, inclusief afkoelen