Constructeurs kunnen gedrag aluminium bij brand voorspellen

Aluminiumlegeringen worden toegepast in dragende constructies zoals helikopterdekken, personeelsverblijven op boorplatforms, gebouwen en schepen. Voor een aantal van deze constructies worden in de wetgeving eisen gesteld aan de tijd dat de dragende of scheidende functie behouden blijft bij blootstelling aan brand (de brandwerendheid). Ten gevolge van de relatief snelle opwarming van aluminiumlegeringen, in combinatie met de snelle afname van de sterkte bij toenemende temperatuur, zijn aluminium constructies meestal relatief gevoelig voor blootstelling aan brand. Daarom is het ontwerp voor brandwerendheid relatief belangrijk in het totale ontwerp van bovengenoemde constructies. De set van ontwerpmodellen om de draagkracht onder brandomstandigheden te bepalen, was echter tot voor kort incompleet.


Door: Jelle Vaartjes & Johan Maljaars


Een ontwerpmodel voor plooi ontbrak. “Mijn proefschrift draagt bij aan de kennis omtrent het toepassen van aluminium in constructies waaraan brandwerendheidseisen worden gesteld”, zegt Johan Maljaars van TNO Bouw en Ondergrond in Delft, die 20 maart promoveerde aan de Technische Universiteit Eindhoven. “Constructeurs kunnen nu draagkracht van plooigevoelige profielen tijdens brand voorspellen.” Promotor is Frans Soetens, die de leerstoel aluminiumconstructies bekleedt aan de TU Eindhoven. In die functie levert hij een grote bijdrage aan het ontwikkelen en toepassen van kennis van aluminiumdragende constructies Aanleiding tot het onderzoek waren vragen uit de markt. “TNO heeft een ruime ervaring op het gebied van advisering over aluminium constructies. We merkten dat de geringe kennis op het gebied van brandwerendheid van aluminium een beperking was voor het toepassen van aluminium in constructies. Er was dus onderzoek nodig.” Het onderwerp van het onderzoek heeft betrekking op plooi van slanke aluminium profielen bij brand. Het is voor aluminium één van de belangrijkste bezwijkmechanismen. Maljaars: “Plooi is een bezwijkmechanisme van platen (of van profielen bestaande uit platen), waarbij deze platen uit het vlak vervormen terwijl ze in het vlak op druk worden belast. Vanwege het feit dat plooi één van de voornaamste bezwijkmechanismen van aluminiumlegeringen is, bestond de behoefte om een ontwerpmodel te ontwikkelen voor plooi van aluminium profielen blootgesteld aan brand. Dit is het hoofddoel van het proefschrift.”



 

Kruip

Maljaars vertelt hoe hij het onderzoek heeft aangepakt. “Als eerste is het van belang om de mechanische eigenschappen van het materiaal te bepalen. Daarbij bleek al snel dat kruip bij verhoogde temperatuur dominant is, zelfs voor een korte brand.” Kruip is het fenomeen van toenemende vervorming in de loop van de tijd onder invloed van een constante belasting. Bij kamertemperatuur hoeft dat voor aluminium normaliter niet in rekening gebracht te worden, bij brand dus wel. Maljaars: “Dit compliceert het gedrag aanzienlijk, omdat de mechanische eigenschappen bij brand afhankelijk blijken te zijn van de combinatie van temperatuurverloop, belastingverloop en blootstellingstijd.” Om het mechanisch gedrag te kunnen bepalen is een groot aantal kruipproeven uitgevoerd in een elektrische oven. Daarbij werden uniaxiale trekstaven onder constante temperatuur en constante kracht beproefd, waarbij de vervorming werd gemeten. Ook zijn zogenoemde ‘uniaxiale transient state proeven’ uitgevoerd. Dat zijn proeven waarin de brandcondities zo goed mogelijk gesimuleerd worden: de temperatuur van de oven wordt zodanig aangestuurd dat de aluminium temperatuur in de proef overeenkomt met de temperatuur van een geïsoleerd profiel blootgesteld aan een brand.


Daarnaast is een belasting aangebracht die ook representatief is voor een brandsituatie. Vervolgens is de vervorming gemeten. De experimentele gegevens uit de kruipproeven zijn gebruikt om een bestaand kruipmodel van Dorn en Harmathy te kalibreren. Maljaars: “Dit constitutieve model is aangepast om het geschikt te maken voor aluminiumlegeringen en voor brandomstandigheden, dat wil zeggen voor een constante of variërende belasting en voor een toenemende temperatuur in de tijd.” Het constitutieve model is met succes gevalideerd aan de genoemde transient state proeven. Het model is geprogrammeerd in het eindige-elementenprogramma DIANA. Maljaars: “Middels het aangepaste constitutieve model is het nu mogelijk om de invloed van kruip mee te nemen in het bepalen van het gedrag van aan brand blootgestelde aluminium constructies. Dit maakt een nauwkeurige bepaling van de brandwerendheid mogelijk.”



 

Plooi

Nadat de mechanische eigenschappen bepaald waren, kon verder gegaan worden met het voorspellen van het constructieve gedrag. In het onderzoek is een proefopstelling ontwikkeld om het plooigedrag van aluminium kolommen bij verhoogde temperatuur te kunnen bepalen. Vervolgens is een uitgebreid proevenprogramma uitgevoerd. Deze proeven zijn gebruikt om eindige-elementenmodellen te valideren. Daarbij zijn de geometrie, de geometrische imperfecties en de restspanningen van de proefstukken zo nauwkeurig mogelijk gemodelleerd, en is gebruik gemaakt van het ontwikkelde constitutieve model. De bezwijktemperatuur van de proeven bleek uitstekend gesimuleerd te kunnen worden met het eindige-elementenmodel. Hierdoor is de link gelegd tussen het materiaalgedrag en de constructieve respons van aan brand blootgestelde componenten van aluminiumlegeringen.


De ontwikkelde eindige-elementenmodellen met gebruikmaking van het aangepaste constitutieve model vormen een krachtig hulpmiddel voor het bepalen van de constructieve respons van aan brand blootgestelde aluminium constructies. Op basis van een parameterstudie met de gevalideerde eindige-elementenmodellen is een eenvoudig ontwerpmodel ontwikkeld. Maljaars: “Dat model kan toegepast worden in de praktijk door constructeurs. Het ontwerpmodel geeft de draagkracht van plooigevoelige aluminium kolommen als functie van de temperatuur.” De constructeur kan daarmee de bezwijktemperatuur berekenen, en vervolgens toetsen of de vereiste brandwerendheid wordt gehaald. De rekenmethode en het toetsingsmodel voorzien in een eerste en essentiële stap in het brandontwerp van slanke componenten van aluminiumlegeringen. Ze zijn geschikt om als basis te dienen voor het ontwikkelen van toetsingsmodellen in normen.



 

Conclusies

Maljaars somt tot slot een aantal belangrijke conclusies van zijn onderzoek op. “Het is gebleken dat de 0,2 procent rekgrens van aluminium legeringen reduceert tussen ongeveer 150 en 350 graden Celsius. Aluminium constructies zijn dus relatief gevoelig voor hogere temperaturen. Daar kunnen we echter tegenoverstellen dat door afdoende maatregelen, bijvoorbeeld door het toepassen van isolatie of het extern toepassen van aluminium (buiten de gevel), we aluminium wel kunnen toepassen als er eisen gesteld worden aan de brandwerendheid.” Daarnaast is gebleken dat kruip zo belangrijk is, dat het niet genegeerd kan worden bij brand “Er is een model ontwikkeld om de invloed van kruip te kunnen meenemen.” Een andere belangrijke conclusie is dat de relatieve gevoeligheid voor plooi onder brandomstandigheden minder groot is dan bij kamertemperatuur. “Dat wil zeggen dat een profiel bij brand minder snel zal plooien dan bij kamertemperatuur. De plastische capaciteit neemt uiteraard wel af. Bij brand zal een aluminium constructie dan eerder bezwijken door andere bezwijkmechanismen, zoals vloeien van de doorsnede. Echter, de belangrijkste conclusie is, dat we nu in staat zijn om met de ontwikkelde modellen het gedrag van aluminium constructies onder brandomstandigheden goed te voorspellen.”