Waarom kabels van tuibruggen voorzien moeten worden van brandwerende isolatie

Tuibruggen zijn bij veel recente brugconstructieprojecten als populaire bouwvorm ontstaan ​​en een voertuigbrand op het brugdek vormt een aanzienlijke bedreiging voor de integriteit van de bekabeling. Het worst-case brandscenario dat zich kan voordoen op een brug gaat uit van een brand die ontstaat naar aanleiding van een lek in een tankwagen die brandbare vloeistoffen vervoerd. Het lek kan ontstaan door bijvoorbeeld een verkeersongeluk of door sabotage.

Als we kijken naar gebeurtenissen waarbij bruggen zijn ingestort naar aanleiding van een tankwagenbrand, dan gaat het meestal om een viaduct. Recente gebeurtenissen hebben echter aangetoond dat bruggen met lange overspanningen ook vaak gevoelig zijn geweest voor voertuigbranden. Vuur vormt een groter gevaar voor een brug met een lange overspanning dan een viaduct vanwege het verhoogde instortingsgevaar en het feit dat dit type bruggen moeilijker te bereiken zijn voor hulptroepen. Onderstaande tabel geeft een aantal incidenten weer die hebben plaatsgevonden op tuibruggen in Noord-Amerika waarbij een voertuig vlam vatte;

Nederland telt zo’n 15 tuibruggen van middel tot groot formaat. Ondanks dat er zich nog geen grote incidenten hebben plaatsgevonden op een van deze bruggen, het spreekt voor zich dat er kritisch moet worden nagedacht over het potentiële instortingsgevaar van onze bestaande én nieuw te bouwen bruggen indien zich er een dergelijk scenario voordoet.

In deze blog geven wij van Forfyre een inhoudelijke, maar vereenvoudige samenvatting van een onderzoek dat is uitgevoerd door diverse engineers van de afdeling Civil & Environmetnal Engineering aan de universiteit van Lehigh. Dit onderzoek richt zich op de berekening en simulering van temperatuurstijgingen op de bekabeling van een tuibrug waarbij een modelleringsprogramma is toegepast genaamd FLaME (Flame Loading & Mitigation Evaluation). Deze 3D software, ontwikkeld door Hinnman Consulting Engineers en onderzoekers van de Lehigh universiteit, werd bekend nadat deze in 2007 succesvol werd ingezet om de instorting van de MacArthur Maze snelweg in Oakland te simuleren. Hierna is FLaME verschillende keren geïmplementeerd voor het ontwerp van verschillende internationale bruggen om de brandveilige eisen te bepalen voor de bekabeling en andere stalen brug elementen.

Het ontwerp van een tuikabelbrug

In onderstaande afbeelding is de doorsnede van elk element weergegeven met drie geconcentreerde massa’s;

• Het gedeelte van de HDPE buis dat is blootgesteld aan de brand
• Het gedeelte van de HDPE buis dat niet in direct vlam contact komt
• De bundeling van kabels

In dit scenario gaan we er vanuit dat massa 1 en 2 elk een gelijk half deel van de buis beslaan.

In figuur 1a raakt massa 1 verhit door de straling van de brand waardoor de temperatuur van de massa toeneemt.

Warmtegeleiding via conductie door de buis, maar ook intern via de bundeling van kabels, zorgt ervoor dat de temperatuur van massa 2 ook geleidelijk toeneemt. Er wordt veronderstelt dat 20% van de radiatie van massa 1 doorstraalt naar massa 2, de ‘koele’ helft van de buis, via de ruimte aan lucht tussen de bekabeling en de HPDE buis. Massa 2 wordt ook gekoeld via natuurlijke convectie en straling naar de omgevingstemperatuur. Massa 3, de bundeling van kabels, wordt opgewarmd door 80% van de totale straling die wordt uitgestraald door massa 1 en 2.

Doordat de bekabeling afgesloten zit in de HPDE buis, zal deze niet kunnen afkoelen aan de omgeving. Wanneer de brand stopt zal de radiatie zijn weg terug naar buiten vinden.  HPDE is brandbaar materiaal en zal, bij verhitting, gaan smelten wanneer de temperatuur van 400 C wordt overschreden. Het materiaal zal een kritische heatflux ervaren groter dan 15 kW/m2, volgens de technische eigenschappen van het materiaal zoals omschreven staat in het SFPE handboek.

Op dit punt zullen beide zijden van de buis, massa 1 en 2, gelijktijdig ontbranden. Gedurende de brand zullen massa 1 en 2 een extra heatflux van 61 kW/m2 ondervinden door het directe vlamcontact. Hierop volgend stijgt de temperatuur van massa 3, de bekabeling, zeer snel binnen korte tijd. Deze hoge temperatuurstijging creëert uiteindelijk de omstandigheden die nodig zijn om tot volledige ontbranding te komen van de HPDE buis, zoals weergegeven in figuur 1c.

Belangrijk om te melden is dat de ontbranding van eventuele vlambare vetten op en tussen de bekabeling hierbij niet in overweging is genomen. De verbranding van HPDE vordert snel (normaliter binnen 10-15 minuten) totdat alleen de bekabeling over blijft zoals te zien is in figuur 1d.

Het verschil in temperatuur van de stalen kabels kan worden gebruikt om het verlies van materiaalsterkte, stijfheid en thermische expansie te berekenen. Dit in combinatie met data verkregen uit het verleden, kan worden gebruikt om het structurele gedrag van de constructie te evalueren in geval van brand. In dit voorbeeld is een ontwerp onderzocht met behulp van de berekende afname van de vloeisterkte, die als een vereenvoudigde indicator kan worden beschouwd voor potentiële instorting.

In figuur 2 onderstaand is een algemeen prototype weergegeven van een tuibrug. De brug is 183 meter lang vanaf de hartlijn van de betonnen toren tot het einde van de langste kabel. Slechts één toren van de brug is weergegeven voor eenvoud en de overspanningen en layout van de bekabeling zijn symmetrisch. Het dek is 30,5 meter breed en heeft twee rijstroken met aan beide zijden een vluchtstrook. Verder heeft het dek een longitudinale helling van 1% en een laterale helling van 2%.

Het aantal 7-dradige kabels loopt op van de kortste kabel op tot de langste in 30, 40 en 65 draden in groepen van 5. De buitenste HDPE pijp heeft een iets grotere diameter voor grotere aantallen strengen, variërend van 209 mm (9 inches) tot 305 mm (12 inch). De buitenste HDPE-buis heeft een dikte van 8 mm (5/16 inches), en de HDPE-kabel sleeves 2 mm (1/16 inche) dik.

Brandscenario bepaling

De branddreiging in dit voorbeeld vormt een tanker vrachtwagen die 34000 liter benzine vervoert. In dit scenario ontstaat de dreiging doordat de tanker betrokken is geraakt bij een verkeersongeluk of op een andere wijze schade oploopt waardoor de inhoud begint te branden.

In dit voorbeeld worden er 2 risico scenario’s overwogen die de omvang en impact van de brand bepalen:

• De brandstof blijft in de tankwagen, resulterend in een verbruik van 100% in een gebied dat ongeveer gelijk is aan de grootte van de tanker. Dit scenario veronderstelt wel dat de tanker zich op de vluchtstrook bevindt, dichtbij de kabels.
• Een lek in de tankwagen op de linkse rijstrook zorgt ervoor dat de brandstof op de rechter rijbaan komt. De brandstof zal alle richtingen op stromen, maar het meeste zal richting de rand van de rechter rijbaan lopen. De brandstof lekt sneller uit de tank dan dat het verbruikt wordt door de brand en 25% van het totale volume zal de rand van de rechter rijbaan bereiken.

Scenario 1 zal een brand langer voeden dan scenario 2 vanwege de langere en dunnere voetafdruk. Scenario 2 zal  korter duren maar daarentegen een hogere brandhaard produceren en een hevigere HRR (heat release rate). De intensiteit van scenario 2 zal hoger zijn en daarom ook meer schade veroorzaken aan de kabels.

Hedendaagse tuibruggen zijn zo ontworpen dat het verlies van integriteit en stabiliteit van tenminste 1 kabel kan worden opgevangen door de andere kabels zonder instortingsgevaar. In dit voorbeeld wordt er veronderstelt dat hulptroepen binnen 50 minuten na ontbranding ter plekke kunnen zijn. Indien er binnen de 50 minuten niet meer dan 1 kabel is verbrand, dan kan worden gesteld dat de constructie het brandscenario succesvol heeft doorstaan.

Modellering van de brand op verschillende locaties van de brug

Om de hoeveelheid benodigde brandwerende isolatie te bepalen, zijn de twee bovengenoemde scenario’s geanalyseerd op verschillende punten over de lengte van de brug. Voor de eerste fase van de analyse zijn de kabels gemodelleerd zonder enige bescherming. De onderlinge afstand tussen de verschillende brandhaarden in over de lengte van de brug werd ingesteld op 7.6 meter. Een kritieke brand locatie is vervolgens geselecteerd op basis van de verdeling van de heatflux en het verlies aan mechanische sterkte ten gevolge hiervan. Voor zowel scenario 1 en 2 werd bepaald dat de meest kritische locatie zich bevond op respectievelijk 137 meter en  130 meter vanaf de toren van de brug.

Van de 8 meest beschadigde kabels zijn de temperatuurstijgingen en daarbij ook de afname van sterkte weergegeven in figuur 6. Deze grafieken vertonen per scenario een andere ruimtelijke verdeling van de intensiteit en de effecten van de brandhaard. Een snelle uitbarsting van temperatuurstijgingen is in beide scenario’s goed zichtbaar gedurende de ontbranding van de HDPE buis (figuur 1b en 1c).

De simulatie laat ook zien tot aan welke hoogte de bekabeling nog 50% van haar sterkte over heeft. Tot aan deze hoogte zou de bekabeling dus moeten worden voorzien van een brandwerende beschermlaag. Voor beide scenario’s bevindt dit punt zich op respectievelijk  12.2 meter en 14.3 meter boven het wegdek.

Spuitbare brandwerende mortel als referentiekader voor het bepalen van de brandwerende isolatie

Daaropvolgende reeksen van analyses werden vervolgens uitgevoerd om de schadelijke effecten van de brand concreet aan te tonen. Voor deze analyses werd op de buitenkant van de buitenste HDPE-buis een laag brandwerende isolatie toegepast tot aan de kritische hoogte van elke kabel (opwaarts van het wegdek) zoals eerder vastgesteld. De brandwerende isolatie betreft een verspuitbare brandwerende mortel (productgroep SFRM – spray-applied fire resistive material) zoals bijvoorbeeld de Forfyre FB135 (een intensief geteste oplossing voor (ondergrondse) betonnen tunnnelconstructies en parkeergarages). Om de simulatie te vereenvoudigen is uitgegaan van de constante materiaaleigenschappen waarbij de officieel gepubliceerde waarden bij kamertemperatuur zijn gebruikt. Een belangrijke kanttekening is dat SFRM in de praktijk geen geschikte oplossing is voor de bescherming van kabels op tuibruggen – dit vanwege de grote kwetsbaarheid voor weersinvloeden en trillingen. SFRM is uitsluitend gekozen voor het vormen van een benchmark.

MarineFlex microproeuze isolatie als effectieve brandwerende beschermlaag voor kabels op bruggen

Een materiaal dat wel kan worden overwogen als geschikte oplossing, en inmiddels ook in de praktijk zich succesvol heeft bewezen, is de Forfyre MarineFlex. Dit materiaal, wat oorspronkelijk ontwikkeld is als lichtgewicht brandwerend isolatiepaneel voor het beschermen van (super)jacht constructiedelen binnen de maritieme sector, biedt zeer goede thermische en brandwerende eigenschappen in extreme brandscenario’s. MarineFlex is een flexibel paneel wat vervaardigd is uit hoge temperatuur bestendig glasdoek. Het paneel is in zowel horizontale als verticale richting gestikt waardoor het gehele paneel bestaat uit kleine pockets. Deze pockets zijn gevuld met microporeus Silica poeder. De compositie matrix van dit microproeuze product heeft een warmtegeleidingscoëfficiënt die lager ligt dan stilstaande lucht waardoor het ook wel het dunst mogelijke isolatiemateriaal ter wereld wordt genoemd voor het afbouwen van hoge temperaturen (tot 1200 °C). In vergelijkging met brandwerend beton biedt MarineFlex aanzienlijke besparingen op gewicht (~ 900 – 1050 kg/m3 t.o.v. 210 kg/m3) en ruimte.

Verloop van heatflux en afname van mechanische sterkte

De UL1709 hydrocarbon brandkromme

De UL 1709 hydrocarbon brandkromme wordt meestal gebruikt om brandwerendheidsclassificaties te verkrijgen voor een verscheidenheid aan producten, met name bestemd voor de petrochemie, offshore en specifieke (ondergrondse) bouw zoals tunnelconstucties en parkeergarages. In de bruggenbouw wordt vaak naar de UL1709 curve gerefereerd als de worst case benadering  voor potentiele brandbelasting. Een nadeel bij het gebruik van de hydrocarbon brandcurve is dat deze niet gebruikt kan worden om de ruimtelijke verdeling van de brand te berekenen, noch de fluctuerende grootte van warmteoverdracht naar de constructie.

Conclusie: 25 mm brandwerende isolatie benodigd voor een veilige constuctie

In dit onderzoek is het effect van een tankwagenbrand aangetoond op de bekabeling van een tuibrug middels MDSF (moddeling decision and support framework). Vanwege de efficientie van deze vorm van moddeleren, werd deze aanpak gebruikt om meer dan 50 brandscenario’s vast te leggen (2 scenario’s, 25 verschillende brandlocaties). Nadat de effecten van de brand waren inzichtelijk waren gemaakt en de mogelijke brandscenario’s vastgesteld, werd de ruimtelijke verdeling en de dikte van de brandwerende isolatie ontworpen op basis van een reeks prestatiecriteria. Er is gekozen voor 0 mm aan brandwerende isolatie en 25 mm, om het verschil tussen beschermd en onbeschermd aan te tonen. Het verlies aan integriteit van de onbeschermde kabels in scenario 2, op basis van de UL1709 brandkromme, bereikt na 18 minuten het kritische punt van falen. Met een isolatiedikte van 25 mm aan SFRM, zoals Forfyre FireBarrier 135, wordt het punt van falen vertraagd tot na de 50 minuten grens.