1 Brandforsøg med beton

C115 15. aj 2006 1 BRANDFORSØG MED BETON 1 1.1 FORMÅL 1 1.2 MATERIALER 1 1. FORSØGSBESKRIVELSE 1 1.4 RESULTATER 6 1.5 MIDDELTEMPERATUR AF BETONCYLINDER 9 1.6 FEJLKILDER 1 1 REFERENCELISTE FEJL! BOGMÆRKE ER IKKE DEFINERET. 1 Brandforsøg ed beton I forbindelse ed branddiensionering af konstruktioner, er der fra Dansk Standards side valgt en konservativ etode til besteelse af reduktionsfaktoren af betontrykstyrken. Der er i det efterfølgende beskrevet et forsøg, hvis forål er at eftervise kurverne fra DS 411 og Eurocode 2. 1.1 Forål Forålet ed forsøget er at undersøge betons trykstyrke so funktion af teperaturen under påvirkning af brand. Dette forløb er saenlignet ed styrkeudviklingen bestet ved siplificerede udtryk i [DS411, 1999] og [Eurocode 2]. Ud fra saenligningen er det slutteligt vurderet, hvorvidt forsøgets resultater er brugbare til branddiensionering i projektet. 1.2 Materialer Tabel 1.1: Anvendte aterialer og apparaturer Betonblanding Rapid-ceent Tilslag: Sand og sten Apparatur Betonblander Vægt Kogeplader ed pander Cylinderfore d = 100, h= 200 Coputer ed datalogger Ovn Trykaskine 1. Forsøgsbeskrivelse Til forsøget er der anvendt beton ed en karakteristisk trykstyrke fck = 45 MPa. Den anvendte recept er beregnet ud fra følgende punkter: Der opstilles en recept svarende til et voluen på 1 Det tilstræbes en beton i oderat iljøklasse, hvilket vil sige at vandceent-tallet skal ligge elle 0,55-0,45 [DS 2426, 2004, p. 27] 42. Udgave - 1 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 Der tilstræbes et sætål på 60 100 ud fra ønske o en bearbejdelig beton Der indblandes ikke luft i betonen, hvilket vil sige, at der regnes ed et naturligt luftindhold på 1,5% af det salede voluen Der anvendes en aksial tilslagsstørrelse på dax = 16 Ud fra de ovenstående forudsætninger og kendskabet til det anvendte tilslag kan vandindholdet i 1 beton aflæses i [Herholdt et al., 1985, p. 671]. Vandindholdet er aflæst til 178 l. Ceentindholdet er efterfølgende bestet ved Boloeys forel: hvor 1 fc K = α v c [Herholdt et al., 1985, p. 17] (0.1) f c er til ønskede trykstyrke, fc = 45MPa K er en faktor afhængig af ceenttypen, ved rapid ceent K = 29 α en konstant, so sættes til 0,5 [Herholdt et al., 1985, p. 17] Ved at isolere ceentindholdet c, er beregnet: 45 c = + 0,5 178 = 66 29 l l (0.2) Vandceent-tallet kontrolleres: v c 178 = = 0,486 (OK) (0.) 66 l l Med kendskab til det salede voluen af vand, ceent og luft (1, 5 % ) kan det salede tilslagsvoluen bestees. Sandprocenten af det salede tilslag kan aflæses ud fra den største kornstørrelse sat ceentindholdet. Denne aflæses i [Herholdt et al., 1985, p. 676] til 44% ved en største kornstørrelse på 16. Denne korrigeres efterfølgende ed 2 enheder (%), da finhedsodulet for sandet er oplyst til 2,5. Den anvendte proportionering er vist i tabel 1.2. Tabel 1.2: Proportionering af beton 45 kg Densitet kg beton Ceent 150 66 0,116 Vand 1000 178 0,178 Luft 0 0 0,015 42. Udgave - 2 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 Sand (VOT) 262 86 0,18 Sten (VOT) 2570 958 0,7 Ovenstående er beregnet ud fra at tilslaget er vandættet overfladetørt (VOT). Idet tilslaget ikke er i VOT-tilstand er der korrigeret for dette ved at indske ængden af vand og øge ængden af ceent. For at opnå det ønskede antal cylindre er der proportioneret en ængde beton svarende til 5l, da det er vurderet nødvendigt ed ca. 70l beton og betonblanderen kun er i stand til at blande50l. Recepten er listet i tabel 1.. Tabel 1.: Korrigeret ængde af aterialer til blanding af 5 L beton Recept [ kg ] Korrigeret [ kg ] Ceent 12,81 12,81 Vand 6,2,69 Sand 29,26 1,6 Sten,5,71 Inden støbningen er de to partier kontrolleret for sætål og luftindhold. Der er blevet korrigeret således, at det ønskede sætål på 60 100 er opnået ved tilsætning af enten tilslag eller vand. Opnåede sætål og luftindhold ses i tabel 1.4 Tabel 1.4: Målte sætål og luftindhold Luftindhold Sætål [ ] Tillæg af tilslag Nyt sætål [ ] Parti 1 2,7 % 10 5 % 85 Parti 2 2,5 % 170 7 % 95 Da der er tilsat yderligere tilslag og derved også vand, er ceentindholdet blevet korrigeret igen. Ved parti 1 er tilsat 0, 28kg ceent, ens der for parti 2 er tilsat 0,7 kg. Ved åling af luftindhold blev der ligeledes ålt voluen og vægt, hvoraf densiteten blev bestet. I forbindelse ed åling af luftindholdet af parti 2 blev udført to ålinger på grund af utætheder ved det anvendte apparatur under første åling. De ålte densiteter fregår af tabel 1.5 Tabel 1.5: Beregnede densiteter Luftbeholder Fyldt Beton Densitet Parti 1 5,85 kg 24, 48 kg 18, 6kg 229 kg Parti 2 5,86 kg 24, 60 kg 18, 74 kg 24 kg Parti 2 5,89 kg 24,58 kg 18, 69 kg 26 kg I idten af 2 cylindre fra hvert parti blev der indstøbt teperaturfølere til åling af kerneteperatur. Pga. ledningerne til åling af teperaturen er det ikke uligt at lukke for støbeforene, 42. Udgave - - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 hvorfor trykstyrken af disse ikke å anvendes. Teperaturen i disse er anvendt so referenceteperatur for de resterende cylindre, idet det er vurderet at vareledningsevnen for cylindrene i de lukkede fore er tilnærelsesvis den sae so for de 4 cylindre støbt i åbne fore. Figur 1.1 viser to cylindere ed teperaturålere inden afforning. Figur 1.1: Cylindre ed teperaturfølere inden afforning Cylindrene affores efter ét døgn og henlægges til hærdning. Efter afforningen blev alle cylindrene lagt i poser for at tilnære et lukket syste, hvor der ikke er ulighed for at udveksle fugt ed ogivelserne. Dette gøres for at tilnære hvorledes hærdningen vil forløbe i praksis, hvor betonen overdækkes ed en presenning eller tilsvarende. Hærdningen forløb over 28 døgn ved en konstant teperatur på 20 C. Efter endt hærdning blev der udtaget cylindre af parti 1 sat 2 cylindre af parti 2. Disse blev trykprøvet for at fastlægge den aktuelle styrke, der satidig blev anvendt so udgangspunkt til optegning af reduktionskurven for trykstyrken. Referencestyrken, der blev ålt på forsøgsdagene er listet i tabel 1.6. For parti 1 svarer det til 28 døgns odenhed iens det for parti 2 svarer til 5 døgns odenhed. Forskellen i trykstyrken for de to partier har ikke nogen indflydelse, da det er reduktion i trykstyrken, der er undersøgt. Parti 1 R1 41,47 R2 6,52 R 41,0 Parti 2 R1 44,1 R2 45,76 Tabel 1.6: Referencestyrke af betonblandingen Målte styrker [ MPa ] Referencestyrke [ MPa ] 9,67 44,94 42. Udgave - 4 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 For at sikre, at der ikke er vand i cylindrene, so kunne forårsage sprængning under opvarning, blev alle cylindrene sat i varekaer i 24 tier før forsøget ved 80 C. Der er taget højde for odenhed i forbindelse ed teperaturstigningen, da referencetrykstyrken først er ålt efter dette. Der er udført to brandforløb grundet begrænsning på antallet af cylindre, det er uligt at opvare på sae tid. Det blev placeret to af cylindrene ed teperaturfølere i idten af brandkaeret. Ved siden af disse blev placeret 8 cylindre uden teperaturfølere. Heraf er anvendt 6 til vare trykprøvninger og 2 til styrkeprøvning efter nedkøling, dvs. 20 C. Opstillingen i brandkaeret ses på figur 1.2. Figur 1.2: Opstilling af cylindre i brandkaer Teperaturen i brandkaeret blev bragt til en stigning på ca. C in. Fra forsøgets begyndelse var det planlagt, at brandkaeret skulle opvares til en teperatur på 150 C, hvorefter teperaturen holdes på dette niveau indtil teperaturålerne angiver en kerneteperatur på sae niveau. Pga. teperaturforløbet i cylinderne blev det fundet nødvendigt, at lave en større teperaturdifferens over cylinderen for hurtigere at opnå den ønskede kerneteperatur. Dette blev gjort, da forsøget ellers vil forløbe over for lang tidsperiode, hvilket der ikke var afsat ressourcer til. Ved den ønskede kerneteperatur blev der udtaget 2 cylindre fra brandkaeret. De to udtagede cylindre blev trykprøvet og styrken blev noteret. Der blev udtaget cylindre ved følgende teperaturer: 150 C 200 C 250 C 400 C 500 C 42. Udgave - 5 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 600 C Teperaturerne er valgt ud fra en betragtning af en optegning af kurver ud fra DS 411 sat Eurocode 2 vist på figur 1.. Der ser ikke undersøgt for teperaturer over 600 C, da det undervejs i forløbet blev vurderet, at der ikke vil være nogen anvendelig styrke i betonen her, trods kurverne på figur 1.. 1 Reduktionsfaktor 0.8 0.6 0.4 0.2 Opvarning DS411 Nedkøling DS411 EC2 - Sil. EC2 - Cal. 0 0 200 400 600 800 1000 Teperatur [C] Figur 1.: Siplificerede forløb ud fra DS 411 og Eurocode 2. Efter det sidste teperaturstep blev brandkaeret slukket, således de to resterende cylindre kunne køle af. Da disse nåede en kerneteperatur på ca. 20 C noteret. blev de trykprøvet og styrken blev 1.4 Resultater Ved første brandforsøg opnåede brandkaeret en aksialteperatur på 522 C og ved anden brandforsøg blev der opnået en aksialteperatur på 740 C. I første forsøg blev der brugt betoncylindre fra parti 1, hvor der blev udtaget prøveener ved følgende teperaturer: 150 C 250 C 400 C De ålte trykstyrker og beregnede reduktionsfaktorer, ξ, er listet i tabel 1.7. Reduktionsfaktoren er beregnet so iddelstyrkerne ved de forskellige teperaturer divideret ed referencestyrken ved 20 C, tabel 1.6. 42. Udgave - 6 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 Teperaturer 150 250 400 C Tabel 1.7: Målte styrker sat reduktionsfaktorer Styrke [ Mpa ] Middelstyrke [ Mpa ] 1,96 2,46 2,21 0,81 7,16 8,6 7,76 0,95 27,02 24,48 25,75 0,65 Reduktionsfaktor I forbindelse ed den registrerede forøgelse på reduktionsfaktoren fra 150 C 250 C på 14%, er det undersøgt, hvorvidt der er sket en yderligere hydratisering af ceenten og det keiskbundne vand, der frigives ved 180 C 200 C. Det blev undersøgt, hvor stor hydratisering der er op- nået efter 27 døgn, idet teperaturen har været konstant 20 C, og der derved ikke er sket en tidsskalering af odenheden. Beregning af hydratiseringsgraden er foretaget ved at sidestille hydratiseringen ed vareudviklingen, der er beregnet ved: hvor e ( ) = Q exp Q M τ M α [Rasussen, 2005] (0.4) Q er den aksiale vareudvikling, der kan opnås, Q 58 kj = kg τ e er tiden, hvor der er opnået 7% af Q, τ e = 11,7 h α er en diensionsløs kruningsparaeter, α = 0,94 M er odenheden, M = 27 dage = 648h Vareudviklingen efter 27 dage er beregnet til: 0,94 kj 11,7 h Q( 648h) = 58 kg exp = 50 648h kj kg (0.5) Hydratiseringen efter 27 dage er beregnet ved: α hydra. ( ) kj Q M 50 kg = = = 0,98 [Herholdt et al., 1985] (0.6) kj Q 58 kg Da hydratiseringgraden er beregnet til ca. 1, og prøverne er udtørret i 24h, er det vurderet. at der ikke er sket yderligere hydratisering ved opvarningen i brandkaeret. Årsagen til forøgelsen er ikke undersøgt nærere. Grundet styrkeforøgelse er der ved parti 2 udtaget prøver ved 200 C, for at undersøge styrken nærere i dette oråde. Ved parti 2 er der desuden udtaget prøver ved 500 C og 600 C og de ålte styrker er listet i tabel 1.8 42. Udgave - 7 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 Teperaturer 200 500 600 C Tabel 1.8: Målte styrker ved forsøg 2 Styrke [ Mpa ] Middelstyrke [ Mpa ] 1,42 28,91 0,17 0,67 7,71 9,77 8,74 0,19,88 4,60 4,24 0,09 Reduktionsfaktor Efter begge forsøg blev styrken af de nedkølede cylindere ligeledes ålt efter en afkølingstid på -4 dage. Reduktionsfaktorerne er beregnet for begge forsøg og listet i tabel 1.9. Teperaturer 400 600 C Tabel 1.9: Målte styrker efter nedkøling Styrke [ Mpa ] Middelstyrke [ Mpa ] 22,81 20,26 21,54 0,54,74 4,0,89 0,09 Reduktionsfaktor Reduktionsfaktoren so funktion af teperaturen er afbilledet på figur 1.4. Reduktionskurve for trykstyrke 1 Reduktionsfaktor 0.8 0.6 0.4 0.2 Opvarning Nedkøling 0 0 200 400 600 800 1000 Teperatur [C] Figur 1.4: Forsøgsresultater refererende til tabel 1.7 - tabel 1.9 42. Udgave - 8 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 Ved saenligning ed kurverne i figur 1., ses det, at forsøgsresultaterne for opvarning ligger på den sikre side af norernes kurver, ens nedkølingskurven ligger tilnærelsesvis tæt på norens kurve. Forskellen er illustreret på figur 1.5 Figur 1.5: Saenligning af forsøg og norer Resultaternes placering i forhold til norernes kurver gør, at der ved en endelig diensionering ed anvendelse af egne forsøgsresultater vil blive regnet på den sikre side. Det er i det efterfølgende undersøgt, o det er teperaturforløbet i cylindrene, der er udslagsgivende for placering af egne resultater i forhold til norernes. 1.5 Middelteperatur af betoncylinder I forbindelse ed brandforsøget er der undervejs ålt ovnteperatur sat teperatur i centeret af 2 betoncylindre. Figur 1.6 viser teperaturforløbet fra de ålinger ved begge brandforløb. 42. Udgave - 9 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 Tep (C) Teperaturforløb 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 00.0 200.0 100.0 0.0 Ovntep. ved forsøg 2 ----> <---- Cylindertep. forsøg 2 <---- Cylindertep. forsøg 1 <---- Ovntep. ved forsøg 1 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 00.0 Tid (in) Figur 1.6: Målte teperaturer ved forsøg 1 og 2 Idet der er store udsving, er der indlagt en tendenslinje til besteelse af teperaturdifferensen ielle ovnen og betoncylinderne. Figur 1.7 illustrere tendenslinjerne og viser, at der er en tilnæret kontant teperaturdifferens på ca. 15 C. Tep (C) 900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 00.0 200.0 100.0 0.0 Teperaturforløb 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 00.0 Tid (in) T=2,89*in + 126,46 T=2,89*in - 8,2 Figur 1.7: Tilnærede kurver for teperaturålinger Da trykprøvning blev udført ud fra centerteperaturen, er der i det efterfølgende beregnet en iddelteperatur over betontværsnittet, ud fra en tilnæret forel, givet ved: 42. Udgave - 10 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 hvor θ θr Bi = θ θ Bi + 2 L [Herholdt et al., 1985] (0.7) θ er teperaturen idt i cylinderen [ C] θ r er randteperaturen [ C] θ L er luftteperaturen [ C] Bi er Biottallet der er givet ved [ ] hvor k δ Bi = (0.8) λ k er transissionstallet [ ] δ er et tværsnitsål, δ = 0.05 [ ] W λ er vareledningstallet C Transissionstallet, k, er beregnet ud fra en skønnet lufthastighed på 4 s givet ved: og er tilnærelsesvis k 20 + 14 v= 20 + 14 4 = 76 (0.9) kj s 2 h C Vareledningstallet er afhængig af betonteperaturen og er i [DS411, 1999, p. 85] aflæst for de 150 C til: λ = (0.10) 150 1 kj h C Biottallet er ved forel (0.8) beregnet til: Bi 150 76 0,05 = =,8 kj 2 h C kj 1 h C (0.11) Ud fra forel (0.7) er randteperaturen beregnet til: ( C ( C C) ),8 150 + 150 + 15 θr = + 150 C = 28, 4 C,8 + 2 (0.12) Ud fra randteperaturen er iddelteperaturen beregnet til: 42. Udgave - 11 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 θ 28, 4 C 150 C = 150 C+ = 194, 2 C (0.1) 2 De sae beregninger er udført for de øvrige trykprøvninger og resultatet er listet i tabel 1.10. Tabel 1.10: Beregnede iddelteperaturer Kernetep. [ C] W λ C r [ C] θ θ [ C] iddel 150 1,00 28,4 194,2 200 0,95 290,0 245,0 250 0,90 41,6 295,8 400 0,75 496,8 448,4 500 0,70 598,7 549,4 600 0,60 702,6 651, Vha. beregning blev ålingerne, so tidligere præsenteret, flyttet ud til iddelværdien af teperaturen. Figur 1.8 viser den nye kurve for forsøgsresultaterne. Reduktionskurve for trykstyrke 1 Reduktionsfaktor 0.8 0.6 0.4 0.2 Opvarning DS411 Nedkøling DS411 EC2 - Sil. EC2 - Cal. Opvarning Nedkøling 0 0 200 400 600 800 1000 Teperatur [C] Figur 1.8: Forskudte forsøgsresultater Idet forsøgsresultaterne stadig ligger på den sikre side af norens kurve, er det valgt at benytte resultaterne til branddiensionering. Af angel på flere forsøgsresultater er der indlagt en tendenslinie for reduktionsfaktoren, so har forskriften: 42. Udgave - 12 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 c 9 6 2 ( ) 4 10 5 10 0,000 1 for ( ) [ 0;1] ξ θ = θ θ + θ + ξ θ (0.14) c Den valgte reduktionskurve er afbilledet på figur 1.9. Reduktionskurve for trykstyrke 1 Reduktionsfaktor 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 200 400 600 800 1000 Teperatur [C] Figur 1.9: Tendenslinie for reduktionsfaktor so funktion af teperaturen 1.6 Fejlkilder Det er vurderet at største fejlkilde i forbindelse ed forsøget er antallet af prøveeleenter. Øges antallet af prøveeleenter vil referencestyrken kunne beregnes ud fra en noralfordeling af de fundne styrker. Sae vil være gældende for prøvelegeerne so opvares. Der er under forsøget ikke anvendt en noralfordeling til besteelse 5 % fraktil. Teperaturålingerne i cylindrene er baseret på en referenceteperatur, hvilket bevirker, at det ikke kan vides ed sikkerhed o den ønskede teperatur er den faktiske teperatur i prøveeleenterne. Dette bevirker, at punkterne på figur 1.9 vil blive flyttet langs x-aksen. Da beton er et blandingsateriale vil vareledningsevnen af betonen afhænge af hvordan aterialerne er lejret i betonen. Det er derfor ed en indre usikkerhed, at der er antaget sae vareledningsevne for alle cylindrene. Forsøget er udført ed en stor teperaturdifferens over prøvelegeerne. Ved besteelse af kurverne i DS411 holdes ovnteperaturen konstant indtil at prøvelegeerne har sae teperatur so ovnen. Den store teperaturdifferens i forsøget kan forsage ændringer i betonens struktur og derfor edføre større reduktion i styrken. 42. Udgave - 1 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule

Brandforsøg ed beton C115 15. aj 2006 1 Referenceliste [DS 2426, 2004]: Beton - Materialer - Regler for anvendelse af EN 206-1 i Danark Dansk Standard Dansk Standard, 2004, 1. udgave 1 [DS411, 1999]: Nor for betonkonstruktion Dansk Standard Dansk Standard, 1999 1;12 [Eurocode 2]: Design of concrete structures BSI BSI, 2004 1 [Herholdt et al., 1985]: Beton-Bogen Herholdt, Aage D et al. Aalborg Portland, 1985, udgave 2 ISBN: 87-980916-0-8 7;11;15 [Rasussen, 2005]: Ceents vareudvikling Rasussen, Thorkild Dansk Beton, 2005, nr. 1 7 42. Udgave - 14 - Senest get d. 15. aj 2006 af Fedtule