Brandveiligheid van staalconstructies

Staal is een heel voorspelbaar
materiaal. Daardoor kan een staalconstructie niet alleen nauwkeurig
maar ook zeer veilig ontworpen en
gebouwd worden. En dat geldt evenzeer op het vlak van brandveiligheid.
Brandveiligheid van staalconstructies
Een goede brand-weerstand is één van de
eisen die worden gesteld aan een brandveilig gebouw, met als doel dat de mensen
veilig kunnen vluchten en de hulpverleners
veilig kunnen tussenkomen.
Om de brand-weerstand te bepalen wordt
de natuurlijke brand gewoonlijk vereenvoudigd tot de standaardbrand, zie figuur
1. De constructie mag niet bezwijken wanneer het aan deze brand wordt blootgesteld gedurende 30, 60, 90 of 120 minuten.
In combinatie met eisen van 60-120 minuten is de standaardbrand meestal overdreven. Een werkelijke brand dooft immers
uit wanneer de brandstof opraakt. Dat
gebeurt tussen de 20 en de 50 minuten,
uiteraard afhankelijk van het gebruik en de
inhoud van het compartiment.
Betrouwbaarheid staalconstructies
Hoge eisen aan de brand-weerstand garanderen nog geen hoog veiligheidsniveau. De verhitte constructie zet uit
waardoor enorme krachten uitgeoefend
kunnen worden op constructies in omliggende compartimenten. Om het ontwerp
van een constructie te evalueren, moeten
er aannamen gedaan worden over de
brand en moet het gedrag van de constructie geschematiseerd worden. Deze
noodzakelijke vereenvoudigingen brengen belangrijke onzekerheden met zich
mee.
Maar in tegenstelling tot andere bouwmaterialen zoals beton en hout, is de onzekerheid voor staalconstructies relatief klein.
Staal is immers een zeer voorspelbaar
materiaal. De eigenschappen bij hoge
temperaturen zijn nauwkeurig bepaald en
bovendien bestaan er goed gevalideerde
modellen om alle bezwijkvormen te berekenen. Ook bestaan er betrouwbare modellen om te garanderen dat de omliggende compartimenten niet bezwijken door
het uitzetten van de verhitte constructie
bij het begin van de brand of door het bezwijken van de verhitte constructie in het
verdere verloop van de brand. Bovendien
kan staal grote plastische vervormingen
ondergaan zonder te scheuren. Voordat
een staalconstructie bezwijkt, zorgen de
snel toenemende vervormingen voor een
soort van waarschuwing aan de gebruikers
en hulpverleners. Zo worden zij niet verrast
door een plotselinge instorting.
Dankzij dit voorspelbare en robuuste gedrag zijn de risico’s voor de gebruikers en
hulpverleners minimaal in gebouwen van
staal.
1. Evolutie van een natuurlijke brand in
vergelijking met de standaardbrand.
44
DIMENSION
Praktische oplossingen
Dimensioneren op brand
Staal warmt op in functie van de verhitting, de profielfactor (1/massiviteit) van het
staalprofiel en de eventuele bescherming.
De temperatuur waarbij de constructie bezwijkt (de zgn. kritieke temperatuur) is afhankelijk van de mate waarin de constructie wordt belast (de zgn. belastingsgraad).
Met de gratis software ELEFIR (zie www.
infosteel.be) is het mogelijk de brandweerstand snel en eenvoudig te berekenen. Indien blijkt dat zonder maatregelen de gewenste brand-weerstand niet
wordt behaald, kan men voor eisen tot
30 minuten de brand-weerstand bereiken
door een zwaarder staalprofiel te kiezen.
Enerzijds wordt de belastingsgraad zo
verlaagd en wordt de kritieke temperatuur dus verhoogd en anderzijds neemt de
massiviteit toe waardoor de opwarming
wordt vertraagd.
Passieve middelen
Traditioneel beschermt men staalconstructies tegen brand met beplating of spuitmateriaal. Elke gewenste brand-weerstand
is haalbaar door de dikte van de isolatie
hieraan aan te passen. Ook is het tegenwoordig mogelijk het staal brandwerend
te beschermen met een dunne laag verf
van meestal slechts enkele tienden van
millimeters dik die bij brand opschuimt en
het staal beschermt. De staalconstructie
blijft zo zeer transparant en in het zicht. De
verf kan in de fabriek worden aangebracht.
Op de werf moeten dan slechts eventuele
Bouwkundige integratie
Als alternatief voor de isolatiematerialen
is het ook heel goed mogelijk de staalconstructie te integreren in de rest van
de constructie. Te denken valt aan liggers
die niet onder de vloerconstructie worden geplaatst maar worden verzonken in
de vloer, de zogenaamde geïntegreerde
liggers. Tijdens brand wordt alleen de
onderzijde van de ligger verhit. De opwarming verloopt hierdoor aanzienlijk trager,
waardoor zonder bescherming 60 minuten
en meer haalbaar is. Gratis berekenings-
2. Opslaghal bandenfabrikant Bridgestone
in Zeebrugge (architect Antoine Dugardyn).
De vakwerken zijn 30 minuten brandwerend
dankzij een dunne laag brandwerende verf.
programma’s zijn beschikbaar (zie www.
infosteel.be).
Natuurlijk brandconcept
Naast de standaardbrand biedt de Eurocode de mogelijkheid om een brand
genuanceerd te beschrijven volgens de
natuurlijke brand. Het verloop van de
brandtemperatuur in de tijd hangt af van
de geometrie van het brandcompartiment, de ventilatieopeningen en het te
verwachten gebruik. Met het gratis computerprogramma OZONE (zie www.info
steel.be) is het brandverloop eenvoudig te
berekenen. In een aantal gevallen kan het
staal zo onbeschermd worden toegepast,
zie figuur 3.
Buiten de gevel geplaatste staalconstructie
Staalconstructies die buiten de gevel zijn
geplaatst zullen niet aan een volledig ontwikkelde brand worden blootgesteld. Buiten kan de warmte snel weg en hierdoor is
de intensiteit van de verhitting van de constructie veel lager dan van een staalconstructie in een compartiment. Eurocode 1
biedt hiervoor een rekenmethode. Door
de afstand en positie van de constructie
ten opzichte van de raamopeningen zorgvuldig te kiezen is het mogelijk de staaltemperaturen zodanig laag te houden dat
de staalconstructie zonder isolatie aan de
brandeisen voldoet.
Valorisatie actieve maatregelen
De brandtemperaturen in compartimenten kunnen ook laag blijven mits vlamoverslag wordt voorkomen met behulp van
actieve maatregelen zoals een sprinkler of
rook- en warmteafvoer (RWA) installatie.
De staalconstructie kan eventueel onbeschermd worden uitgevoerd. Het natuurlijk brandconcept beschrijft hoe het effect
van installaties en het ingrijpen door de
brandweer kan worden verdisconteerd op
de brand-weerstand van staalconstructies.
Besluit: optimale veiligheid met
staalconstructies
Staalconstructies bieden optimale veiligheid aan brandweer en gebruiker dankzij
de voorspelbaarheid en vervormbaarheid
van het materiaal. De rekenmethodes van
de Eurocodes laten voor een groot aantal
situaties slanke staalconstructie toe die
onbeschermd of met een dunne laag opschuimende verf de perfecte architectonische oplossing zijn met een optimum aan
economie én brandveiligheid. Als van een
zwaardere brand uitgegaan moet worden,
is met integratie of isolatie elke gewenste
brand-weerstand eenvoudig te realiseren.«
Dr. ir. Joris H.H. Fellinger
Project Manager Fire | Staalinfocentrum
© Vincent Schroeder
beschadigingen en aanvullende boutverbindingen worden aangestipt. Zo wordt
de bouwtijd verkort en de kwaliteit van de
applicatie gegarandeerd.
Alle isolatiematerialen worden geattesteerd op basis van brandproeven in België of het buitenland. De attesten geven
veilige ontwerpdiktes voor de isolatie aan
in functie van de brand-weerstand, de profielfactor en de kritieke temperatuur. Een
combinatie van dimensioneren op brand
en isolatiemateriaal is soms de meest economische oplossing.
3. Onbeschermd stalen dak van een supermarkt te Alzette in Luxemburg 30 minuten
brandwerend dankzij de toepassing van
het natuurlijk brandconcept.
DIMENSION
45