Brandontwerp van beton in de 2e generatie van Eurocode 2

Eerst lichten we de nieuwe editie toe, zodat u er met vertrouwen mee aan de slag kunt. Daarna passen we de tweede optie toe op een echte prefab ligger en laten we zien hoe eenvoudig het proces te automatiseren is. (Artikelnummers verwijzen naar EN 1992-1-2:2023, tenzij aangegeven als 2004.)

Wat is er veranderd in de normen - Brandwerendheid

1. De tabellen blijven – maar de regels eromheen worden strenger.

Tabelwaarden blijven de snelle en conservatieve route, terwijl rekenmethoden bedoeld zijn voor staven die de tabellen niet dekken. De editie van 2023 behoudt deze aanpak, maar verduidelijkt de grenzen: tabelresultaten worden over het algemeen beschouwd als veilig ten opzichte van proeven en van vereenvoudigde of geavanceerde methoden, en extrapolatie buiten het opgegeven bereik is niet toegestaan (art. 6.1(2)).

Het doel is ook om de drie benaderingen consistenter op elkaar af te stemmen. Het voorwoord bevestigt dat de bepalingen voor tabelwaarden zijn bijgewerkt om de tabel-, vereenvoudigde en geavanceerde methoden op elkaar af te stemmen.

Waarop zijn de tabellen gekalibreerd?

De minimale afmetingen in de tabellen zijn gebaseerd op vaste aannames. De belangrijkste referentiewaarden blijven grotendeels ongewijzigd:

• ηfi = 0,7 — het referentie-belastingniveau (2004, art. 5.2(3); 2023, art. 6.2(1)).
• 500 °C — de kritieke wapeningstemperatuur voor op buiging belaste, vrij opgelegde staven, overeenkomend met circa 0,60 fyk bij ηfi = 0,7 en γS = 1,15 (2004, 5.2(4); 2023, art. 6.2(3), Noot 1).

Er zijn echter twee opvallende wijzigingen:

1. Thermische geleidbaarheid: de editie van 2004 stond toe de gegevens te gebruiken binnen het toegestane bereik van de thermische geleidbaarheid. De editie van 2023 geeft één enkele functie voor de thermische geleidbaarheid.
2. ηfi: in 2004 kon een Nationale Bijlage deze waarde wijzigen (2004, 5.2(3), Noot). In 2023 ligt ηfi = 0,7 vast in art. 6.2(1).

Hetzelfde artikel vereist ook dat tabelwaarden worden gecorrigeerd wanneer de basisaannames niet van toepassing zijn, en sluit het gebruik ervan uit wanneer materiaalfactoren zijn aangepast volgens Bijlage A van EN 1992-1-1.

2. Het vochtgehalte is niet langer slechts een percentage – het maakt nu deel uit van het beslissingsproces.

Het basisprincipe blijft in beide edities hetzelfde: ernstig afspatten moet worden voorkomen, of het effect ervan op het gedrag moet in rekening worden gebracht.

Maar de manier waarop met vocht wordt omgegaan, is veranderd:

• 2004: explosief afspatten was gekoppeld aan een vochtgrens, uitgedrukt als gewichtspercentage, waarbij de aanbevolen waarde door de Nationale Bijlage werd vastgesteld.
• 2023: het vaste percentage is vervallen. Het vochtgehalte wordt nu beschouwd samen met andere factoren die afspatten kunnen beïnvloeden, waaronder blootstelling, belasting, randvoorwaarden, geometrie, toeslagmateriaal, toevoegingen, luchtgehalte, vezels, doorlatendheid en sterkte.

De editie van 2023 introduceert ook een speciale beslissingstabel (Tabel 10.1). Deze koppelt de beoordeling aan vier belangrijke invoergegevens: brandwerendheidsduur, vochtconditie, betonsterkte en silicastofgehalte.

Met andere woorden: vocht is niet langer één enkel getal om te toetsen — het is één onderdeel van een bredere beoordeling van afspatten.

3. De 500 °C-isotherm is vervallen – en temperatuurgrafieken maken plaats voor formules.

De editie van 2004 bood twee methoden met gereduceerde doorsnede in informatieve Bijlage B, de 500 °C-isothermmethode en de zonemethode (2004, 4.2.3, B.1.1(3) tot (4), B.2(3)). De tekst van 2023 bevat geen 500 °C-isothermmethode, en art. 7.3.2 gebruikt uitsluitend de logica van de zonemethode.

Waarom resultaten veranderen via Deel 1-1 – EN 1992-1-2 is geschreven als aanvulling op het ontwerp bij normale temperatuur. De norm benoemt de verschillen met of aanvullingen op EN 1992-1-1 en verwijst naar de editie van 2023 van die norm als gedateerde normatieve verwijzing (art. 1.1(1)).

Dit verband is vooral duidelijk bij de vereenvoudigde buigingstoets:

• MRd,fi is geldig tenzij As,prov/As,req > 1,3 (art. 7.3.3.2, Formule 7.18).
• Zowel MEd als As,req komen uit EN 1992-1-1.
• De methode van 2023 middelt de temperatuurgereduceerde sterkte over de afzonderlijke trekstaven.

Wat is er verder veranderd?

EN 1992-1-1 zelf is gewijzigd. De tweede generatie brengt herziene regels voor afschuiving en torsie, een bredere reikwijdte met bruggen, vloeistofkerende constructies en insluitingsconstructies, versterking met CFRP en staalvezelbeton, plus nieuwe bijlagen voor het beoordelen en versterken van bestaande constructies.

Afschuiving en torsie verhuizen van een informatieve bijlage naar de hoofdtekst. In 2004 stond de rekenmethode voor afschuiving, torsie en verankering in informatieve Bijlage D, met een noot dat bezwijken op afschuiving door brand zeer zelden voorkomt en dat de gegeven methoden niet volledig geverifieerd waren (2004, Bijlage D). De editie van 2023 plaatst afschuiving en torsie in art. 7.3.5, binnen de vereenvoudigde ontwerpmethoden, en verplaatst verankering naar de detailleringsregels, waar verankerings- en overlappingslengtes bij brand gelijk aan de waarden bij normale temperatuur mogen worden genomen (art. 9.2(1)).

De tabelroute is in dit opzicht ongewijzigd. Wanneer de minimale afmetingen van artikel 6 worden aangehouden, mogen verdere toetsingen voor afschuiving, torsie en verankering achterwege blijven (art. 6.1(7); 2004, 5.1(3)). De wijziging betreft staven die door berekening worden getoetst. Art. 7.3.5 onderscheidt twee gevallen:

• Staven met afschuifwapening (art. 7.3.5.3). De gereduceerde doorsnede van art. 7.3.2 is van toepassing en de betonsterkte wordt genomen in punt M. De sterkte van de beugels wordt gereduceerd met de temperatuur in punt P, het snijpunt van de beugel met de doorsnede op halve hoogte van het lijf. (Zie de afbeelding hieronder) De afschuifmethoden van EN 1992-1-1 worden vervolgens toegepast op de gereduceerde doorsnede. Bij plaatvloeren op kolommen tellen verticale beugels of deuvels alleen mee waar zij het kritieke bezwijkvlak in de gereduceerde geometrie snijden, en torsie volgt dezelfde logica (art. 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• Staven waarvan de afschuifsterkte afhangt van de treksterkte van het beton (art. 7.3.5.2). Voorgespannen staven en ongewapende of licht gewapende staven vereisen bijzondere aandacht voor de trekspanningen als gevolg van niet-lineaire temperatuurverdelingen, bijvoorbeeld in plaatvloeren met holle ruimten en dikke liggers. De treksterkte wordt verder verwaarloosd, en waar deze wordt gebruikt, volgt de reductie Formules (5.21) en (5.22) (art. 5.3.1.2).

Nieuwe editie, nieuwe structuur: waar vindt u wat u nodig hebt

En dan is er nog het nieuwe

• Minder nationale keuzes – Het voorwoord van 2004 noemt zestien artikelen die openstaan voor nationale keuze. Het voorwoord van 2023 noemt drie artikelen. Geen nationale keuzes meer: het bereik van de geleidbaarheid, de vochtgrens, de excentriciteitsgrens van Methode A, het referentie-belastingniveau ηfi en de beslissing of geavanceerde methoden mogen worden gebruikt. (2023 0.5; 2004 voorwoord, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Methode A, excentriciteit – De eerste-orde-excentriciteit bij brand is beperkt tot een kwart van de doorsnedeafmeting en ligt vast in de norm. De aanbevolen waarde in 2004 was 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Afkoelfase – Formules geven de sterkte van beton dat is verhit tot een piektemperatuur en weer is afgekoeld tot 20 °C. De tekst van 2004 stelde alleen dat een mogelijke sterktetoename tijdens het afkoelen niet in rekening mag worden gebracht. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

De aanpak van IDEA StatiCa: doorsnedetoetsing nu en in de toekomst

Wat RCS omvat

De IDEA StatiCa RCS applicatie beantwoordt snel één vraag: voldoet een doorsnede aan de tabelwaarden? Die grens is het waard om precies te benoemen, omdat de tweede generatie hier de tabelroute scheidt van de rekenroutes. Brandwerendheid is in RCS beschikbaar voor vloeren, wanden, liggers, kolommen en slanke kolommen. De functionaliteit wordt in de projectwizard geselecteerd als Fire resistance EN 1992-1-2:2006-11.

• Kolommen – Methode A en Methode B
• Liggers – Alleen rechthoekige, T-vormige en I-vormige doorsneden. Er moet onderscheid worden gemaakt tussen liggers met één overspanning en doorgaande liggers. Bij een doorgaande ligger moet de positie van de doorsnede langs de ligger worden ingesteld, wat een aanzienlijke invloed heeft op de toetsing. De getoetste waarden zijn de lijfbreedte en de afstand van de buitenste wapeningslaag tot het dichtstbijzijnde blootgestelde oppervlak.
• Vloeren – Enkelvoudig en tweezijdig gespannen vloeren, een doorgaande plaat ondersteund door wanden en een doorgaande plaat ondersteund door kolommen.
• Wanden – Dragende wanden en niet-dragende wanden

Waarom op tabellen vertrouwen als u de werkelijke temperatuur kunt berekenen?

Tabellen zijn een snelle manier om de brandwerendheid te toetsen, maar ze dekken alleen specifieke doorsnedevormen, afmetingen, asafstanden en brandcondities. 

Dat werkt voor nieuwe ontwerpen, waarbij u de doorsnede kunt aanpassen als deze niet voldoet. Maar bij bestaande staven ligt de geometrie al vast — en een doorsnede die slechts enkele millimeters buiten de tabel valt, heeft geen oplossing op basis van tabellen.

Hier maakt het berekenen van het werkelijke temperatuurveld het verschil. In plaats van te vertrouwen op vooraf gedefinieerde waarden, kunt u berekenen hoe warmte zich door de werkelijke doorsnede verspreidt en die temperaturen gebruiken om de capaciteit te toetsen. De Section app doet precies dat — de werkelijke doorsnede en wapeningsindeling analyseren en vervolgens de brandwerendheid toetsen op basis van de berekende temperaturen.

Wat de nieuwe Section applicatie toevoegt

Bekijk een voorbeeld van een dakligger in Section. Een tabeltoetsing geeft een ja-of-nee voor één asafstand. Met de Section app levert dezelfde doorsnede een benuttingsgraad op. Om te zien hoe de geavanceerde methode eruitziet op een echte staaf, hebben we een dakligger door de Section app (BETA) gehaald. De brandsituatie wordt ingeschakeld in hetzelfde project als de toetsingen bij normale temperatuur, dus er is geen tweede model nodig. De belastingseffecten bij brand worden ingevoerd als een aparte groep, los van de effecten voor UGT en BGT, omdat de snedekrachten bij brand verschillen van die bij normale temperatuur.

De gemodelleerde doorsnede is een 1140 mm hoge prefab I-ligger met meerdere staafdiameters en een indeling die is geoptimaliseerd voor de behoeften van de fabrikant. De brandwerendheidsklasse is R60, de brandkromme is de standaard brandkromme uit EN 1991-1-2 en de aan brand blootgestelde zijden zijn de onderzijde, de linkerzijde en de rechterzijde. De gebruiker kiest de blootgestelde zijden uit vier opties (boven, onder, links, rechts – zie de afbeeldingen hieronder). De applicatie leidt vervolgens de werkelijk blootgestelde randen af, rood weergegeven, inclusief bij inwendige hoeken zoals de overgangen tussen lijf en flens. De doorsnede is de doorsnede in het midden en de belasting ervan in de showcase bestaat uitsluitend uit een buigend moment.

Temperatuurverdeling – De applicatie verdeelt de doorsnede in een fijnere mesh en berekent het temperatuurveld in tijdstappen tot 60 minuten (in dit geval 60 minuten, in totaal tot 240 minuten). In de heatmap zijn de onderzijde en de onderste hoeken het heetst, en de temperatuur daalt steil naar het midden van het lijf. De gegevensweergave toont de temperatuur van de betonelementen en van elke afzonderlijke wapeningsstaaf. Zo bereikt de staaf in de onderste hoek 480 °C, terwijl de staven in het midden van de bovenflens bijna kamertemperatuur hebben. Een tabel kan deze spreiding niet tonen; die werkt met één nominale asafstand.

Uit deze temperaturen leidt de applicatie de gereduceerde materiaaleigenschappen af met reductiefactoren voor de betonsterkte, de vloeigrens en evenredigheidsgrens van de wapening en de elasticiteitsmodulus. Hierbij worden de reductiefactoren van EN 1992-1-2 gebruikt. De factorenkaart laat zien wat de toetsing daadwerkelijk bepaalt. In deze ligger behoudt de onderste wapeningsstaaf 60% van zijn vloeigrens en behoudt het beton in de hoeken van de onderflens ongeveer 6% van zijn sterkte. Als laatste gebruikt de Section app formules om het resultaat eenvoudig te kunnen doorgronden. De buigingstoets is bijvoorbeeld dezelfde respons als bij normale temperatuur, nu beoordeeld met de gereduceerde sterktes.

Conclusie

Of een ingenieur de tweede generatie van EN 1992-1-2 rechtstreeks leest of de software het werk laat doen, het uitgangspunt is hetzelfde. Tabelwaarden blijven de snelle, veilige toetsing voor nieuwe, regelmatige staven. Voor wie de norm doorwerkt, laten de hierboven behandelde wijzigingen zien waar de regels van 2023 afwijken van de editie van 2004. Wanneer de tabel niet voldoet of niet van toepassing is, verwijst de norm naar geavanceerde rekenmethoden, en de Section app volgt die route: deze leidt de temperatuur van elke wapeningsstaaf en elk betonelement af, past de gereduceerde materiaaleigenschappen toe en levert een benuttingsgraad op in plaats van voldoet/voldoet niet. Omdat de app het werkelijke gedrag van de doorsnede weergeeft, is het een handig, snel en nauwkeurig alternatief voor de tabelroute.