Maak de metrostations van de Noord/Zuidlijn brandwerend en veilig; het lijkt een klip en klare opdracht. Was het maar zo simpel. Om te kunnen voldoen aan moderne brandveiligheidseisen moesten mensen van Metro en Tram en aannemer VIA NZL een ware zoektocht afleggen. De onderlinge samenwerking en afstemming met de buitenwacht werd op de proef gesteld. Waarom? Omdat er nieuwe, strenge eisen werden gesteld waarbij het ingewikkeld was om de juiste manier van aantonen te vinden. Maar uiteindelijk kwamen ze eruit en wisten oplossingen aan te dragen die het gewenste vertrouwen gaven. Hoe ze dat voor elkaar hebben gekregen? We spraken erover met betrokkenen.

For English, please read here.

Niels Menijn is Manager Contractbeheersing TT&A (Transporttechniek en Afbouw). ‘Op het moment dat ik betrokken raakte bij het vraagstuk van de brandwerendheid waren de vergunningsvoorwaarden al bekend. Die waren rond het jaar 2000 opgesteld. Vervolgens was het aan ons om die toe te passen op de ondergrondse stations, maar dat bleek nog niet zo eenvoudig.’ Anne Beekers is assistent contractmanager TT&A en speelde een centrale rol in de samenwerking rond brandwerendheid: ‘Het gaat hier om een vraagstuk van publieksveiligheid en daar kun je niet duidelijk genoeg in zijn. Het is een heel belangrijk onderwerp, en het is in ieders belang dat dit goed wordt ingevuld.’

Aanbrengen van brandwerende beplating

Veiligheid en exploitatie

De eisen voor brandveiligheid van de Noord-Zuidlijn zijn gebaseerd op het safe haven-principe. Dat houdt in dat een brandende metro, ook als de brand tussen de stations ontstaat, in staat is een station te bereiken. Dit geeft de beste vlucht- en ontruimingsmogelijkheden voor de reiziger. Dit principe leidt ertoe dat aan de ondergrondse stations de strengste eisen worden gesteld met betrekking tot brandwerendheid. Dit geldt voor Centraal Station, station Rokin, station Vijzelgracht, station De Pijp en station Europaplein.
Er zijn volgens Niels twee belangrijke doelen die met de brandwerende bekleding worden gediend. Allereerst is het vanuit veiligheidsoogpunt belangrijk dat de hoofddraagconstructies van de Noord/Zuidlijn worden beschermd tegen het bezwijken onder de invloed van een brand. Je kunt het je niet permitteren dat er verzakkingen ontstaan doordat delen van stations en tunnels instorten als gevolg van een brand. Je zit midden in het centrum van Amsterdam. Daarnaast is het van belang de herstelwerkzaamheden zo beperkt mogelijk te houden, zodat de exploitatie zo snel mogelijk weer op gang kan komen. Het kan immers niet zo zijn dat één station in de as ligt en daardoor de rest van de Noord/Zuidlijn onbruikbaar is geworden.

Proeven

Tijdens de ontwerpfase van dit geïntegreerde contract werd duidelijk dat het niet makkelijk werd om de juiste materialen te kiezen en de juiste aantoning te verzorgen. Aannemer VIA NZL liep tegen verschillende vragen aan. De basiseisen over de veiligheid van reizigers en herstelbaarheid van constructies waren dan misschien duidelijk, maar hoe ze te bereiken was allerminst een uitgestippeld pad. Hoe bescherm je een ondergrondse ruimte als een metrostation of tunnel tegen extreme hitte en brand? Arnoud Breunese en Leander Noordijk van Efectis ondersteunden VIA NZL als adviseur. Breunese: ‘Aanvankelijk was het idee om grote stukken beton te beschermen met spuitmortel. Het is gebruikelijk om zo’n spuitmortel op het beton vast te zetten met ankers en gaaswapening, maar in dit geval was het plan om de spuitmortel direct op het beton aan te brengen zonder verankering. Daarom waren er twijfels of het product zou blijven hangen in de afkoelfase na een brand. Een metrobrand kenmerkt zich door snel stijgende hitte aan het begin en een lange afkoelfase aan het eind. Die laatste fase is voor brandwerende producten een grotere uitdaging dan de eerste. Door de brand verdwijnt vocht uit het materiaal, waarna krimp intreedt bij het afkoelen. Bij dat krimpen ontstaan de grootste risico’s op loskomen van stukken materiaal, een effect dat uiteraard niet mag optreden. Uit brandproeven weten we dat nog ver in de afkoelfase stukken mortel naar beneden kunnen vallen. Die optie viel dus af.’

Gescheiden contracten

De knip die was gelegd tussen de ruwbouw- en de afbouwcontracten, leverde een extra uitdaging op. VIA Projectleider Marcel Smeets: ‘Het aanbrengen van brandwerende bekleding is onderdeel van ons design & construct afbouwcontract. Het beton waarop de bekleding moet worden aangebracht was echter onderdeel van de ruwbouwcontracten. De ruwbouwcontracten hebben verschillende betonmengsels toegepast. Het mengsel, de samenstelling van het beton, speelt samen met de druksterkte en het vochtgehalte van de beton en de spanningen in de betonconstructie een cruciale rol in het gedrag van het beton tijdens een brand. Hoe snel warmt het op? Bij welke temperatuur spat het beton eraf? Allemaal zaken die je moet weten om te bepalen wat de juiste brandwerende bekleding is. Maar doordat het in verschillende contracten was ondergebracht kregen we te maken met versnippering van informatie. Bijvoorbeeld over welke precieze betonmengsels op welke plek waren toegepast en welke spanningen daar aanwezig zijn. Dat maakte het ingewikkeld.’

Brandcurves en brandproeven

Niels Menijn: ‘De ruwbouwcontracten zijn door verschillende aannemerscombinaties uitgevoerd. Binnen een station zijn verschillende betonmengsels toepast verspreid over verschillende seizoenen. Allemaal zaken die invloed hebben op de wijze waarop beton zich gedraagt tijdens een brand. Bij de verschillende ruwbouwcontracten was voldoende informatie beschikbaar over de toegepaste betonmengsels en de locaties waar deze zijn toegepast.’

Met deze informatie kom je een heel eind, maar het is nog niet voldoende om een betrouwbare uitspraak te doen over het gedrag van het beton tijdens een brand. Je zult ook inzicht moeten hebben in variabelen als het aanwezige vochtgehalte en de in de constructie aanwezige spanningen, de trek- en drukkrachten. Op basis van ervaring en waarneming uit het verleden kan met al deze informatie normaal gesproken worden vastgesteld welke brandwerende maatregelen nodig zijn om de constructie te beschermen. Maar ook hier waren wij nog niet klaar.
De ervaringen uit het verleden, empirische data, zijn gestoeld op het toepassen van een bekende brandcurves zoals de zogenaamde. ISO-curve. Een brandcurve beschrijft hoe de temperatuur zich in de tijd ontwikkelt gedurende een brand, en waar de brandwerende bekleding dus tegen bestand moet zijn. Voor de ondergrondse stations is in de vergunning een andere brandcurve van toepassing verklaard, de Eureka-curve. Deze is in bepaalde opzichten strenger dan de gebruikelijke brandcurves. Van deze brandcurve is nog onvoldoende empirische data beschikbaar om direct de brandwerende maatregelen te kunnen vaststellen.
Om dus helemaal zeker te zijn van het gedrag van het beton tijdens een brand was het onvermijdelijk dat er brandproeven uitgevoerd moesten worden op de bestaande constructies. Dit terwijl de ruwbouwfase toen op veel plaatsen nog niet eens was afgerond. Brandproeven uitvoeren betekent met mobiele ovens op locatie testen hoe de verschillende betonmengsels het volhouden bij brand.’

Hieronder zijn de verschillende brandcurves in een grafiek weergegeven. Hierbij is inzichtelijk dat de temperatuur zich bij de Eureka-curve sneller en verder ontwikkelt dan de andere curves.

Afbeelding 1. Verschillende brandcurves met de te verwachten temperatuurverloop bij brand.

Werkgroep

De brandwerende bekleding wordt direct op de ruwbouwconstructie bevestigd. Pas daarna kan de afbouwconstructie worden aangebracht zoals wanden, plafonds en installaties. Naast de inhoudelijke uitdaging om de relevante informatie te vergaren en de juiste brandwerende bekleding uit te werken lag er dus ook een uitdaging ten aanzien van de planning.
‘Dat was het moment dat we hierover contact hebben gezocht met de Omgevingsdienst als vergunningverlener’, aldus Anne Beekers. ‘Zij weten hoe de vergunning is bedoeld en kunnen helpen bij het toetsen van ontwerpoplossingen aan de uitgangspunten. We hebben er bewust voor gekozen om op dit dossier nauw te gaan samenwerken met de Omgevingsdienst, aannemer VIA NZL, de ruwbouwaannemers en verschillende adviseurs, constructeurs en specialisten. Ook omdat we wilden voorkomen dat deze activiteiten op het kritieke pad van de planning zouden komen.’ Om de uitdagingen voortvarend aan te kunnen gaan,  werd een werkgroep ingesteld waarin de verschillende partijen deelnamen: de werkgroep Brandwerendheid. Volgens Niels Menijn was dit de enige manier om goed en snel voldoende informatie te kunnen ontsluiten en te voldoen aan de vraag van de Omgevingsdienst. ‘Zij wilden weten hoe wij gingen aantonen dat we aan de eisen voldoen. Dus niet alleen het eindresultaat laten zien, maar vooral ook de hele weg daar naartoe.’

Spatgedrag

Beton bevat vocht dat bij brand uitzet en spanning binnen het beton veroorzaakt. Zodra het beton de spanning niet meer kan weerstaan spat een laag van het beton af. Het jargon hiervoor is “spatten” of “spalling”. Als een laag is afgespat is de kans groot dat na verloop van tijd een volgende laag afspat. Dit principe gaat door totdat de invloed van de brand afneemt of totdat de constructie bezwijkt. Om dit laatste te voorkomen heeft de werkgroep geprobeerd een model op te stellen om spatgedrag bij een Eureka-curve is te voorspellen. Als dit wordt afgezet tot de grenstoestanden van de betonconstructies kan de minimaal benodigde brandwerende bekleding worden vastgesteld. Dit is het veiligheidsdoel. Vervolgens is het mogelijk om extra bekleding toe te passen voor het eerder genoemde exploitatiedoel.
Omdat dit een nieuwe aanpak is, zijn ook buiten de werkgroep experts geraadpleegd. Daarbij kwam aan het licht dat Rijkswaterstaat hier ook onderzoek naar heeft gedaan, zonder het gewenste resultaat. Verschillende promovendi zijn er met RWS niet in geslaagd een theoretisch model te creëren om spatgedrag te kunnen voorspellen.

Een belangrijke bevinding was het optreden van zogenaamd “progressive spalling”. Als onvoldoende bekleed beton te heet wordt spat het op een gegeven moment af, inclusief de daarop aangebrachte bekleding. Het dan ontblote beton heeft, doordat er wel bekleding op heeft gezeten, een lagere temperatuur dan wanneer het in eerste instantie niet was bekleed. De temperatuurschok is daardoor groter, en juist dat effect kan de volgende afspatting versnellen.
Vanwege al deze onzekerheden heeft de werkgroep als uitgangspunt gekozen dat, waar de Eureka-curve van toepassing is, het spatten hoe dan ook dient te worden voorkomen.

Redeneerlijn

Het werd al snel duidelijk dat er een zgn. redeneerlijn ontwikkeld moest worden waarin alle informatie en afwegingen konden worden ondergebracht die leiden tot het eindresultaat; de brandwerende bekleding. Vanaf de basisinformatie uit de vergunningen naar ruwbouwinformatie, eisen, brandcurves, testresultaten, materiaaleigenschappen en ontwerpkeuzes. ‘Dat hele verhaal hebben we visueel gemaakt en met de Omgevingsdienst afgestemd. En die redeneerlijn zijn we als werkgroep per station gaan uitvoeren.’

Processtap 1: de redeneerlijn beschrijft de opbouw van de aantoning.

Vertrouwen

In het ontwerpproces zijn gezamenlijk ontwerpkeuzes gemaakt. Volgens Marcel Smeets is transparantie een van de belangrijkste succesfactoren geweest. ‘We zijn volledig open tegen elkaar geweest zijn over kosten en effecten van materialen en hebben alle afwegingen gemaakt op basis van trade-off matrices. De financiële afspraken tussen opdrachtgever en opdrachtnemer zijn we in een parallel spoor gaan afwikkelen om de inhoud niet te laten verstoren door contractjuridische kwesties. Dat vraagt om veel vertrouwen over en weer, en ook vanuit het management.’

Processtap 2: De afwegingen in het ontwerpproces zijn transparant gemaakt.

Demarcatie

Zoals eerder aangegeven waren er verschillende brandcurves voorgeschreven. Met de ISO-brandcurve bestond al veel ervaring omdat deze al sinds lange tijd wordt gebruikt voor het brandveilig ontwerpen van gebouwen. De toepassing van de Eureka-brandcurve was echter nieuw. Deze laatste curve houdt er rekening mee dat het op enig moment weer gaat afkoelen, en dat trekt een extra zware wissel op de constructie die intact moet blijven. Volgens Niels was het belangrijk om de demarcatie inzichtelijk te maken. ‘We hebben die demarcatie in een soort stripboek uitgewerkt. Je kunt daarmee in het bovenaanzicht van een station precies zien welke curves en eisen op welke onderdelen van de verschillende stations van toepassing zijn. Met het vlammodel dat speciaal door Efectis werd ontwikkeld hebben we tot in detail kunnen vaststellen welke brandcurve op de verschillende constructieonderdelen binnen het station van toepassing is. Zo wordt bijvoorbeeld duidelijk waar de zwaarste eis, het 120 minuten doorstaan van de Eureka-curve, van toepassing is. Op de andere delen in de stations is de ISO-curve van toepassing.’

Visuele demarcatie uit het zogenaamde stripboek, waarin is aangegeven welke eisen op welke locaties van toepassing zijn.

Het vlammodel maakt in dwarsdoorsnedes inzichtelijk waar de Eureka-curve te verwachten zijn.

Mobiele oven

Uiteindelijk is voor station Europaplein gekozen voor het aanbrengen van brandwerende beplating. Om de benodigde plaatdikte te bepalen was het cruciaal om door middel van een brandproef met een mobiele oven vast te stellen hoe het beton zich houdt tijdens een ‘Eureka-brand’. Steekproefsgewijs werden representatieve proeflocaties aangewezen waar werd getest bij welke temperatuur het beton begint met spatten. De spatgrens is bepalend voor de temperatuur waartegen de beton dient te worden beschermd. Aan de hand van de spattemperatuur kon worden vastgesteld welke totale plaatdikte vereist was..
De mobiele oven is klein en licht en bestaat uit gasflessen en een bak met branders. De bak kan tegen een willekeurig stuk beton geplaatst worden, waarna het verhitten kan beginnen en de adviseurs observeren wanneer de spatgrens is bereikt.

Om te bepalen hoe representatief een proef voor en locatie was, werd vooraf onderzocht welk betonmengsel op welke locaties in de vloeren, wanden en plafonds is toegepast. Hiervoor is informatie uit de verschillende archieven onderzocht. Dit ging om ontwerp- en uitvoeringsgegevens zoals berekeningen en stortbonnen. In totaal zijn 36 proeven uitgevoerd, soms meerdere proeven per locatie. In totaal zijn tussen de tien en vijftien locaties onderzocht, waaronder alle ondergrondse stations en de zinktunnel.

Brandproef met mobiele over op station Europaplein.

Voorbeeld

De aanpak van veiligheid op het gebied van brand bij de Noord/Zuidlijn, heeft internationaal de aandacht. Noordijk: ‘Dat we het hier zo gestructureerd aangepakt hebben, dat elk scenario is uitgedacht, elk risico tot effect van verankeringen op de isolatiewaarde in kaart is gebracht – dat is ook wel uitzonderlijk. Dat heeft natuurlijk ook een historie; we kunnen ons geen problemen veroorloven, het moet gewoon goed.’ Beekers: ‘Hoe complex het ook werd, we hebben steeds de samenwerking gezocht. Ik vind dit een voorbeeld voor hoe belangrijke issues kunnen worden opgepakt. De mate van de samenwerking en de openheid en het vertrouwen vanuit het management waren doorslaggevend in het succes van de werkgroep.’