Projekt 13100 – Avslutat Småskalig metod för rangordning av brandspjälkningsbenägenhet hos betong
Fördjupningsmaterial
Slutrapport
Sammanfattning
Betong anses av de flesta vara motståndskraftigt mot brandpåverkan. Men eftersom många olika material ryms under begreppet "betong" finns också stora variationer på hur materialet beter sig under och efter brandexponering.
En av de största osäkerheterna gäller brandspjälkning vilket är ett fenomen då flagor eller större bitar av betongen på ett explosivt sätt skjuts bort från ytan. Detta resulterar i ett mindre tvärsnitt och därmed en sämre bärförmåga hos betongelementen, vilket i sin tur ökar rasrisk och möjligheten för räddningstjänst att göra insatser.
Flera exempel finns där betongen spjälkat så långt att armering exponeras mot branden, något som är kritiskt för modern byggteknik såsom spännarmerade betongelement. Dessutom visar studier på att moderna material såsom högpresterande eller självkompakterande betong är mer spjälkningsbenägen än klassisk betong.
I dag finns inget standardiserat sätt att mäta spjälkningsbenägenhet. I de allmänna kraven för provning av brandmotstånd nämns bara att fenomenet ska observeras. Eftersom själva applikationen av betongen, såsom inspänning, geometri, laster och även brandscenariot märkbart påverkar benägenheten till att spjälka går det inte heller att göra enkla materialtest för att avgöra den optimala säkra lösningen. Det enda som i dag finns att tillgå är fullskaliga tester på betongelement där pelare, balkar, bjälklag och liknande element exponeras för brandpåverkan i brandmotståndsugnar. Eftersom fullskaliga brandmotståndstester är mycket kostsamma så är det vanligt att utföra så kallade screeningtester där rätt typ av betongmix sorteras ut för att sedan testa den mest lovande lösningen. Det finns en uppsjö av småskaliga tester som används på olika ställen i världen men det finns ingen direkt översyn av hur väl de faktiskt korrelerar mot spjälkningsbeteendet i riktig eller fullskalig miljö.
Det finns alltså ett stort behov av en testmetod där korrelation mot spjälkningsbeteende vid fullskaliga tester kan påvisas. Detta innebär att fler tester och bättre sållning kan göras för att undvika osäkerheter, överdimensionering eller ökad risk spjälkningsbenägna lösningar vid nybyggnation av hus, tunnlar, broar eller andra konstruktioner.
I denna studie valdes ett antal små- och medelstora testmetoder ut och utvärderades för två serier av betongmixar med tre olika recept var. Dessa valdes för att försöka täcka in betong som inte spjälkar, betong som spjälkar i liten utsträckning och sådan som är kraftigt spjälkningsbenägen.
För kraftigt spjälkningsbenägen betong påvisar alla medelskaliga försöksmetoderna spjälkning oberoende av andra omständigheter så länge brandbelastningen är tillräcklig. För de fallen då provet ligger i gränsfallet till spjälkning spelar andra faktorer större roll. Dessa kan grovt delas upp i tre grupper:
(1) randvillkor (vilket innefattar både brandexponeringen och mekaniska randvillkor såsom belastning
(2) tvärsnitt och geometri
(3) materialfaktorer.
Det har exempelvis visats att snabb upphettning och yttre kompressionslaster ökar risken för spjälkning. Likaså innebär dubbelsidig brandpåverkan en ökad risk för explosiv spjälkning medan armering innebär att spjälkningsrisken minskar. Faktorer som högre hållfastighet och högre fuktinnehåll ökar även de risken för spjälkning. Det går inte att förutsäga hur spjälkningsbeteendet hos ett betongelement blir i fullskala utifrån små eller medelstora testmetoder. Anledningen är att randvillkoren
(1) och tvärsnittet
(2) oundvikligen kommer att vara annorlunda vid större skala.
Däremot visar resultaten från denna studie att det går att använda vissa medelstora testmetoder för att genomföra screeningtester för att sålla fram de betongrecept som verkar vara bäst optimerade för att klara ett storskaligt test.
Slutredovisningen utgörs av RISE Rapport "Screening test methods for determination of fire spalling of concrete", Lars Boström, Joakim Albrektsson och Pär Johansson, samtliga RISE, och Robert McNamee, Brandskyddslaget (192 sidor med bilagor samt en svensk sammanfattning).
En av de största osäkerheterna gäller brandspjälkning vilket är ett fenomen då flagor eller större bitar av betongen på ett explosivt sätt skjuts bort från ytan. Detta resulterar i ett mindre tvärsnitt och därmed en sämre bärförmåga hos betongelementen, vilket i sin tur ökar rasrisk och möjligheten för räddningstjänst att göra insatser.
Flera exempel finns där betongen spjälkat så långt att armering exponeras mot branden, något som är kritiskt för modern byggteknik såsom spännarmerade betongelement. Dessutom visar studier på att moderna material såsom högpresterande eller självkompakterande betong är mer spjälkningsbenägen än klassisk betong.
I dag finns inget standardiserat sätt att mäta spjälkningsbenägenhet. I de allmänna kraven för provning av brandmotstånd nämns bara att fenomenet ska observeras. Eftersom själva applikationen av betongen, såsom inspänning, geometri, laster och även brandscenariot märkbart påverkar benägenheten till att spjälka går det inte heller att göra enkla materialtest för att avgöra den optimala säkra lösningen. Det enda som i dag finns att tillgå är fullskaliga tester på betongelement där pelare, balkar, bjälklag och liknande element exponeras för brandpåverkan i brandmotståndsugnar. Eftersom fullskaliga brandmotståndstester är mycket kostsamma så är det vanligt att utföra så kallade screeningtester där rätt typ av betongmix sorteras ut för att sedan testa den mest lovande lösningen. Det finns en uppsjö av småskaliga tester som används på olika ställen i världen men det finns ingen direkt översyn av hur väl de faktiskt korrelerar mot spjälkningsbeteendet i riktig eller fullskalig miljö.
Det finns alltså ett stort behov av en testmetod där korrelation mot spjälkningsbeteende vid fullskaliga tester kan påvisas. Detta innebär att fler tester och bättre sållning kan göras för att undvika osäkerheter, överdimensionering eller ökad risk spjälkningsbenägna lösningar vid nybyggnation av hus, tunnlar, broar eller andra konstruktioner.
I denna studie valdes ett antal små- och medelstora testmetoder ut och utvärderades för två serier av betongmixar med tre olika recept var. Dessa valdes för att försöka täcka in betong som inte spjälkar, betong som spjälkar i liten utsträckning och sådan som är kraftigt spjälkningsbenägen.
För kraftigt spjälkningsbenägen betong påvisar alla medelskaliga försöksmetoderna spjälkning oberoende av andra omständigheter så länge brandbelastningen är tillräcklig. För de fallen då provet ligger i gränsfallet till spjälkning spelar andra faktorer större roll. Dessa kan grovt delas upp i tre grupper:
(1) randvillkor (vilket innefattar både brandexponeringen och mekaniska randvillkor såsom belastning
(2) tvärsnitt och geometri
(3) materialfaktorer.
Det har exempelvis visats att snabb upphettning och yttre kompressionslaster ökar risken för spjälkning. Likaså innebär dubbelsidig brandpåverkan en ökad risk för explosiv spjälkning medan armering innebär att spjälkningsrisken minskar. Faktorer som högre hållfastighet och högre fuktinnehåll ökar även de risken för spjälkning. Det går inte att förutsäga hur spjälkningsbeteendet hos ett betongelement blir i fullskala utifrån små eller medelstora testmetoder. Anledningen är att randvillkoren
(1) och tvärsnittet
(2) oundvikligen kommer att vara annorlunda vid större skala.
Däremot visar resultaten från denna studie att det går att använda vissa medelstora testmetoder för att genomföra screeningtester för att sålla fram de betongrecept som verkar vara bäst optimerade för att klara ett storskaligt test.
Slutredovisningen utgörs av RISE Rapport "Screening test methods for determination of fire spalling of concrete", Lars Boström, Joakim Albrektsson och Pär Johansson, samtliga RISE, och Robert McNamee, Brandskyddslaget (192 sidor med bilagor samt en svensk sammanfattning).
Projektansvarig
- Skanska Sverige AB
Projektledare
- Lars Boström lars.bostrom@ri.se