Heet onder de voeten

Hoe hoger het gebouw, hoe groter de problemen. Even snel een prefab-vloertje plaatsen op de twintigste verdieping is er niet bij. De gangbare kanaalplaatvloeren zijn tenslotte loeizwaar, en om deze omhoog te tillen is een potente hijskraan nodig. Een kostenpost waar iedere aannemer huizenhoog tegenop kijkt.

Ongeveer twintig jaar geleden kwam daarom de staalplaat-betonvloer in zwang. Deze bestaat uit een plateau van meterslange zigzagprofielen, die op het kale geraamte van een bouwconstructie worden vastgeklonken. Later wordt hierop een betonlaag gestort. De stalen profielen blijven na het storten zitten, en zorgen ervoor dat de vloer ook trekkrachten kan opnemen. De platen zijn zo bekisting en wapening tegelijk. Vanwege het geringe gewicht van de profielen, wordt de staalplaat-betonvloer veel gebruikt in de hoogbouw en bij renovatieprojecten. ,,Om die profielen omhoog te hijsen heb je niet zo’n zware kraan nodig”, licht ir. Kees Both toe, die werkzaam is bij het Centrum voor Brandveiligheid van TNO Bouw. ,,Je kunt dus in één keer een heel pakket platen omhooghijsen, en daarmee is letterlijk in ‘n paar minuten een profielvloer te leggen. Daar kun je dan direct overheen lopen. Zo is het dus mogelijk in korte tijd een groot aantal vloeren te leggen. Dit is vooral bij kostbare hoogbouwprojecten zeer wenselijk.”

Een kantoorgebouw met staalplaat-betonvloeren is dan wel lekker kosteneffectief, maar de aannemer heeft toch één onzekerheid. Sinds de opkomst van dit type vloer is nauwelijks bekend hoe deze zich bij brand gedraagt. En dat terwijl elk bouwwerk aan wettelijke eisen van brandwerendheid moet voldoen. Afhankelijk van het soort gebouw, moet een vloer het tijdens een brand ongeveer zestig minuten weten uit te houden.

Both: ,,Men heeft hier in het verleden wel een aantal vuistregels voor opgesteld, maar die gelden alleen voor die twee á drie typen vloeren van twintig jaar terug. Nu is de variatie veel groter, en de oude rekenregels gaan dus niet meer op.” Omdat hij al sinds zijn afstudeerproject met brandveiligheid van staal- en betonconstructies bezig is, vroeg TNO aan Both of hij een al lopend onderzoek naar deze vloeren wilde voortzetten. Daar moest hij wel even over nadenken, want een leven als aio leek hem aanvankelijk niet erg aantrekkelijk.
Benauwd

,,Ik werkte toen al bij TNO en ik had er helemaal geen zin in om vier jaar achter een computerschermpje te zitten. Maar ik ontdekte al snel dat het onderzoek breed van opzet was. Ik mocht leuke brandproeven uitvoeren, en kon aan interessante symposia deelnemen. Helemaal niet die benauwde blik die ik ervan verwacht had. Bovendien kon ik na de promotie weer bij TNO terecht, dus het was allemaal mooi geregeld.” Both zei daarom in 1991 ‘ja’ tegen de opdracht. Aanstaande maandag verdedigt hij zijn proefschrift.

Hoewel een voorganger het onderzoekspad al een beetje geëffend had, staat Boths promotie op zichzelf. ,,Ik wist wat er al gedaan was, maar ook wat er was blijven liggen. En waarom.”

Eén van de problemen tijdens het eerdere onderzoek was de scheurvorming in het beton. Om het bezwijkgedrag van een staalplaat-betonvloer te bekijken, stoken de TNO-onderzoekers het vloerdeel kapot met een oven ter grootte van een flinke huiskamer. Op een gegeven moment ontstaan er dan scheuren in het beton, maar dit is van de buitenkant niet goed te zien. Vrij onhandig als je een rekenmodel wilt opstellen.

Na een potje brainstormen vond Both een simpele maar doeltreffende oplossing. Hij duwde een reeks ‘potloodvullingen’ in de nog verse betonvloer, en mat de elektrische weerstand ervan tijdens de brandproef. ,,Als het beton scheurt, breekt zo’n grafietstaafje natuurlijk direct”, verklaart hij. ,,De weerstand wordt hierdoor hoger, en dat valt eenvoudig te meten. Ja, het lijkt inderdaad nogal recht-toe-recht-aan, maar het is eigenlijk een heel elegante methode.”

Toen deze moeilijkheid uit de weg was geruimd, kon Both zich op de kernvraag van het onderzoek storten. ,,Bij een brand wordt de stalen onderzijde van zo’n vloer erg snel zeer warm, en hierdoor verliest de constructie aan stijfheid en sterkte. De vraag is nu: hoe snel gaat dat nou? Bovendien wilde ik rekenregels opstellen voor vloeren die op meerdere steunpunten rusten.”
Verrast

Om tot een rekenmodel te komen moest Both eerst de temperatuurverdeling van een vloer in kaart brengen. Tijdens brandproeven bij zeshonderd graden Celsius bleek dat het temperatuurverschil tussen twee vlak naast elkaar liggende delen behoorlijk kan oplopen. ,,Die profielen zijn van gegalvaniseerd staal, maar boven de driehonderd graden Celsius wordt de zinklaag er finaal afgebrand”, vertelt hij. ,,Maar het deel van de vloer dat op het steunpunt rust is dan nog wel verzinkt. Daar kun je dus uit afleiden dat het temperatuurverschil minstens driehonderd graden moet zijn geweest.”

Dit enorme temperatuurverloop moest ook in het rekenmodel verwerkt worden. Een moeilijkheid hierbij was dat de staalplaat zigt en zagt: de hoger gelegen vlakken hebben het tijdens een fik minder zwaar te verduren dan de lage vlakken. Om zijn model kloppend te krijgen, bracht Both op het niveau van de laaggelegen vlakken een denkbeeldig oppervlak aan met een bekende ‘warmtedichtheid’.

,,Nu hoef je alleen nog maar de wisselwerking tussen dewarmtestraling en de profielwanden te beschrijven. Het mooie is dat daar al een veelgebruikt natuurkundig model voor bestaat dat zich makkelijk laat aanpassen. Daardoor kun je het uiteindelijke rekenmodel eenvoudig op een veelheid van staalplaat-betonvloeren toepassen. Ideaal.”

Wat Both aangenaam verraste was dat het staalprofiel zoveel invloed op de brandwerendheid van de vloer heeft. ,,Vroeger dacht men dat het profiel geen gewicht in de schaal legde, maar de brandwerende werking blijkt heel gunstig te zijn. Bij een standaard brand, kan dit type vloer het daardoor wel zestig minuten uithouden voor hij in elkaar zakt. En dat is een heel gangbare wettelijke eis.”

Na nog een aantal proeven en het vaststellen van de juiste parameters, waren Boths rekenregels af. Over een paar jaar krijgt elke Europese bouwer ermee te maken, want ze vormen het fundament van de nieuwe regelgeving. ,,Het is nu al honderd procent zeker dat deze rekenregels zullen worden overgenomen”, zegt Both niet zonder trots. ,,Het is de bedoeling dat iedereen er binnen drie jaar mee gaat werken. Toch leuk om je werk zo terug te zien.”

,

Hoe hoger het gebouw, hoe groter de problemen. Even snel een prefab-vloertje plaatsen op de twintigste verdieping is er niet bij. De gangbare kanaalplaatvloeren zijn tenslotte loeizwaar, en om deze omhoog te tillen is een potente hijskraan nodig. Een kostenpost waar iedere aannemer huizenhoog tegenop kijkt.

Ongeveer twintig jaar geleden kwam daarom de staalplaat-betonvloer in zwang. Deze bestaat uit een plateau van meterslange zigzagprofielen, die op het kale geraamte van een bouwconstructie worden vastgeklonken. Later wordt hierop een betonlaag gestort. De stalen profielen blijven na het storten zitten, en zorgen ervoor dat de vloer ook trekkrachten kan opnemen. De platen zijn zo bekisting en wapening tegelijk. Vanwege het geringe gewicht van de profielen, wordt de staalplaat-betonvloer veel gebruikt in de hoogbouw en bij renovatieprojecten. ,,Om die profielen omhoog te hijsen heb je niet zo’n zware kraan nodig”, licht ir. Kees Both toe, die werkzaam is bij het Centrum voor Brandveiligheid van TNO Bouw. ,,Je kunt dus in één keer een heel pakket platen omhooghijsen, en daarmee is letterlijk in ‘n paar minuten een profielvloer te leggen. Daar kun je dan direct overheen lopen. Zo is het dus mogelijk in korte tijd een groot aantal vloeren te leggen. Dit is vooral bij kostbare hoogbouwprojecten zeer wenselijk.”

Een kantoorgebouw met staalplaat-betonvloeren is dan wel lekker kosteneffectief, maar de aannemer heeft toch één onzekerheid. Sinds de opkomst van dit type vloer is nauwelijks bekend hoe deze zich bij brand gedraagt. En dat terwijl elk bouwwerk aan wettelijke eisen van brandwerendheid moet voldoen. Afhankelijk van het soort gebouw, moet een vloer het tijdens een brand ongeveer zestig minuten weten uit te houden.

Both: ,,Men heeft hier in het verleden wel een aantal vuistregels voor opgesteld, maar die gelden alleen voor die twee á drie typen vloeren van twintig jaar terug. Nu is de variatie veel groter, en de oude rekenregels gaan dus niet meer op.” Omdat hij al sinds zijn afstudeerproject met brandveiligheid van staal- en betonconstructies bezig is, vroeg TNO aan Both of hij een al lopend onderzoek naar deze vloeren wilde voortzetten. Daar moest hij wel even over nadenken, want een leven als aio leek hem aanvankelijk niet erg aantrekkelijk.
Benauwd

,,Ik werkte toen al bij TNO en ik had er helemaal geen zin in om vier jaar achter een computerschermpje te zitten. Maar ik ontdekte al snel dat het onderzoek breed van opzet was. Ik mocht leuke brandproeven uitvoeren, en kon aan interessante symposia deelnemen. Helemaal niet die benauwde blik die ik ervan verwacht had. Bovendien kon ik na de promotie weer bij TNO terecht, dus het was allemaal mooi geregeld.” Both zei daarom in 1991 ‘ja’ tegen de opdracht. Aanstaande maandag verdedigt hij zijn proefschrift.

Hoewel een voorganger het onderzoekspad al een beetje geëffend had, staat Boths promotie op zichzelf. ,,Ik wist wat er al gedaan was, maar ook wat er was blijven liggen. En waarom.”

Eén van de problemen tijdens het eerdere onderzoek was de scheurvorming in het beton. Om het bezwijkgedrag van een staalplaat-betonvloer te bekijken, stoken de TNO-onderzoekers het vloerdeel kapot met een oven ter grootte van een flinke huiskamer. Op een gegeven moment ontstaan er dan scheuren in het beton, maar dit is van de buitenkant niet goed te zien. Vrij onhandig als je een rekenmodel wilt opstellen.

Na een potje brainstormen vond Both een simpele maar doeltreffende oplossing. Hij duwde een reeks ‘potloodvullingen’ in de nog verse betonvloer, en mat de elektrische weerstand ervan tijdens de brandproef. ,,Als het beton scheurt, breekt zo’n grafietstaafje natuurlijk direct”, verklaart hij. ,,De weerstand wordt hierdoor hoger, en dat valt eenvoudig te meten. Ja, het lijkt inderdaad nogal recht-toe-recht-aan, maar het is eigenlijk een heel elegante methode.”

Toen deze moeilijkheid uit de weg was geruimd, kon Both zich op de kernvraag van het onderzoek storten. ,,Bij een brand wordt de stalen onderzijde van zo’n vloer erg snel zeer warm, en hierdoor verliest de constructie aan stijfheid en sterkte. De vraag is nu: hoe snel gaat dat nou? Bovendien wilde ik rekenregels opstellen voor vloeren die op meerdere steunpunten rusten.”
Verrast

Om tot een rekenmodel te komen moest Both eerst de temperatuurverdeling van een vloer in kaart brengen. Tijdens brandproeven bij zeshonderd graden Celsius bleek dat het temperatuurverschil tussen twee vlak naast elkaar liggende delen behoorlijk kan oplopen. ,,Die profielen zijn van gegalvaniseerd staal, maar boven de driehonderd graden Celsius wordt de zinklaag er finaal afgebrand”, vertelt hij. ,,Maar het deel van de vloer dat op het steunpunt rust is dan nog wel verzinkt. Daar kun je dus uit afleiden dat het temperatuurverschil minstens driehonderd graden moet zijn geweest.”

Dit enorme temperatuurverloop moest ook in het rekenmodel verwerkt worden. Een moeilijkheid hierbij was dat de staalplaat zigt en zagt: de hoger gelegen vlakken hebben het tijdens een fik minder zwaar te verduren dan de lage vlakken. Om zijn model kloppend te krijgen, bracht Both op het niveau van de laaggelegen vlakken een denkbeeldig oppervlak aan met een bekende ‘warmtedichtheid’.

,,Nu hoef je alleen nog maar de wisselwerking tussen dewarmtestraling en de profielwanden te beschrijven. Het mooie is dat daar al een veelgebruikt natuurkundig model voor bestaat dat zich makkelijk laat aanpassen. Daardoor kun je het uiteindelijke rekenmodel eenvoudig op een veelheid van staalplaat-betonvloeren toepassen. Ideaal.”

Wat Both aangenaam verraste was dat het staalprofiel zoveel invloed op de brandwerendheid van de vloer heeft. ,,Vroeger dacht men dat het profiel geen gewicht in de schaal legde, maar de brandwerende werking blijkt heel gunstig te zijn. Bij een standaard brand, kan dit type vloer het daardoor wel zestig minuten uithouden voor hij in elkaar zakt. En dat is een heel gangbare wettelijke eis.”

Na nog een aantal proeven en het vaststellen van de juiste parameters, waren Boths rekenregels af. Over een paar jaar krijgt elke Europese bouwer ermee te maken, want ze vormen het fundament van de nieuwe regelgeving. ,,Het is nu al honderd procent zeker dat deze rekenregels zullen worden overgenomen”, zegt Both niet zonder trots. ,,Het is de bedoeling dat iedereen er binnen drie jaar mee gaat werken. Toch leuk om je werk zo terug te zien.”