facebook linked in
Open alles | Sluit alles

Rekentools

Brandveiligheid

4. Bepalingsmethoden

4.1. Overzicht

Nadat de eisen zijn vastgesteld voor de constructie moet de brandwerendheid van de constructie worden bepaald. Volgens de basisnormen moet de brandwerendheid op een van de volgende manieren worden aangetoond:
• door de CE markering;
• door een classificatierapport voor de desbetreffende toepassing opgemaakt door een labo of certificatieorganisme dat aan bepaalde welomschreven voorwaarden voldoet; Dit rapport is gebaseerd op
- ofwel een of meerdere proeven volgens de relevante Europese norm;
- ofwel een of meerdere proeven volgens de NBN 713.020;
- ofwel een of meerdere proeven volgens een buitenlandse norm die een gelijkwaardige graad van bescherming garandeert;
- ofwel een analyse van beproevingsresultaten.
• door de informatie bij een BENOR- en/of ATG-goedkeuring, of door een gelijkwaardige beoordeling aanvaard in een andere lidstaat van de Europese Unie of in een ander land dat deel uitmaakt van de Europese Economische Ruimte.
• door een berekeningsnota uitgewerkt volgens een methode goedgekeurd door de Minister van Binnenlandse Zaken, volgens de procedure en de voorwaarden die hij vastlegt;

4.2. Brandproeven

Een brandproef bestaat uit het plaatsen van een proefstuk op ware grootte voor een oven in een laboratorium. In België zijn twee erkende laboratoria beschikbaar, bij de universiteit van Gent en bij de universiteit van Luik. Het lab van Gent is recent verzelfstandigd en is nu onderdeel van het internationale brandonderzoekcentrum WarringtonFireGent. In een brandproef wordt de brand die in een gebouw is te verwachten geschematiseerd tot de standaardbrand.

Het spreekt vanzelf dat het onmogelijk is voor elke constructie een proef uit te voeren. Enerzijds zou dit veel te kostbaar zijn, anderzijds is het technisch onuitvoerbaar omdat de ovens waarin de brandwerendheid wordt bepaald eenvoudigweg beperkte afmetingen heeft. Wanden hoger dan 3 meter en breder dan 3-4 meter kunnen niet worden beproefd. Vloeren met overspanningen groter dan 4-6 m kunnen ook niet worden beproefd en voor kolommen langer dan 4.5 m zijn ook geen proefresultaten voorhanden. Dit betekent dat in de praktijk elk gebouw meerdere constructies bevat waarvan de brandwerendheid op basis van berekeningen is aangetoond.

4.3. Berekeningen

4.3.1. Overzicht

Het is niet altijd evident dat een geschikte berekeningsmethode van de brandwerendheid bestaat. Het hangt af van het beschouwde criterium, te weten stabiliteit, thermische isolatie of vlamdichtheid en het type constructie.

Het criterium van thermische isolatie is over het algemeen goed te berekenen, mits de constructie niet op onvoorspelbare wijze kan desintegreren. Voor staalplaatbetonvloeren en gewone betonvloeren en wanden is het goed mogelijk de thermische isolatie te berekenen. Ook kan de thermische isolatie van sandwichpanelen met brandwerende gipsplaten of calciumsilicaatplaten eenvoudig worden berekend.

Maar het criterium van vlamdichtheid is veel minder voorspelbaar. Voor sommige constructies worden berekeningen gemaakt om een proefresultaat te extrapoleren. Te denken valt bijvoorbeeld aan sandwichpanelen. De mate waarin extrapolatie mogelijk is in Europese normen vastgelegd per type bouwelement. Vaak vereist een extrapolatie aanvullende metingen in de proef van de vervormingen. Gelukkig is voor staalplaatbetonvloeren de vlamdichtheid dankzij de staalplaat gegarandeerd.

De mogelijkheden om een berekening te maken voor het criterium stabiliteit hangt sterk af van de manier waarop de constructie bezwijkt. Zo zijn materialen met geringe vervormingscapaciteit en brosse bezwijkvormen zeer moeilijk te voorspellen omdat de variaties in de thermische uitzetting en de oplegcondities van het element meestal niet nauwkeurig bekend zijn, maar wel een zeer grote rol kunnen spelen in het bezwijkgedrag.

Voor staalconstructies is het gelukkig wel heel goed mogelijk de stabiliteit te berekenen omdat staal een zeer ductiel en voorspelbaar materiaal is en de materiaaleigenschappen en bezwijkvormen goed bekend zijn. Staalconstructies kunnen grote thermische vervormingen ondergaan zonder te bezwijken dankzij de mogelijkheid tot grote plastische vervormingen. Omdat staalconstructies vroeger een matig imago hadden ten aanzien van de brandwerendheid is decennia lang uitgebreid onderzoek gedaan naar het gedrag van staalconstructies bij brand. Dit heeft geleid tot een complete set van betrouwbare en nauwkeurige methoden om de stabiliteit van staalconstructies uit te rekenen. Deze rekenmethoden zijn opgenomen in de Europese rekennormen, de zogenaamde Eurocodes. Beproevingen vinden nauwelijks nog plaats, tenzij in het kader van een wetenschappelijke studie om voor nieuwe constructietypes rekenmethodes op te stellen.

4.3.2. Eurocodes

Met het gereed komen van de Eurocodes is een groot aantal gestandaardiseerde Europese normen beschikbaar gekomen met rekenmethoden per type constructiemateriaal. Een berekening van de brandwerendheid bestaat uit drie stappen:
• Modellering van de brand
• Modellering van de thermische respons
• Modellering van de mechanische respons
De Eurocode bieden verschillende mogelijkheden om een brand te modelleren, elk met hun eigen toepassingsgebied. Een overzicht van de brandmodellen in Eurocode 1 (EN 1991-1-2: 2002,  Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-2: General actions - Actions on structures exposed to fire, CEN, Brussel) is gegeven in tabel hieronder.

Overzicht van de brandmodellen in Eurocode 1 en hun kenmerken.

Door de Universiteit van Luik is het eenvoudig te gebruiken computerprogramma OZone ontwikkeld waarmee de natuurlijke brand kan worden uitgerekend op basis van fundamentele fysische wetten.

De standaardbrand is de bekendste conventionele brandcurve om de brandwerendheid mee te bepalen. Deze nominale curve hangt niet af van parameters die de werkelijke brand in het brandcompartiment beïnvloeden zoals de brandbelasting, de ventilatiecondities en de actieve brandpreventieve maatregelen als sprinklerinstallaties. De standaardbrandkromme is met andere nominale brandkrommen in figuur hieronder. Ter vergelijking is er ook een arbitrair voorbeeld van een natuurlijke brandkromme gegeven. Een natuurlijke brandkromme is een curve die is berekend op basis van de belangrijkste parameters die het brandverloop in het compartiment bepalen. Een natuurlijke brandcurve wordt gekenmerkt door de groeifase, de brandfase en de dooffase. In de groeifase is de brand nog lokaal. Er bestaan dan grote temperatuursverschillen in het compartiment. In de overgang van de groeifase naar de brandfase breidt de brand zich snel uit naar het gehele compartiment. Dit wordt flash-over of vlamoverslag genoemd. In de brandfase kan worden aangenomen dat de temperatuur in het compartiment uniform is verdeeld. Als de brandbelasting grotendeels is verbrand dooft het vuur. Dit is de dooffase welke kenmerkend is voor de natuurlijke brand. Een berekening van de natuurlijke brand is bewerkelijker dan de standaardbrand.

Een natuurlijke brand leidt echter niet tot een lager veiligheidsniveau dan de standaardbrand. In tegendeel, een natuurlijke brand kan zowel een lichtere als een zwaardere belasting zijn voor een constructie dan de standaardbrand. Enerzijds kan de natuurlijke brand lichter zijn omdat het vuur op een gegeven moment dooft, waardoor de duur van de brand beperkt is. Anderzijds kan de bereikte temperatuur zelfs in die kortere duur beduidend hoger zijn dan in de standaardbrand. Bovendien is vaak de snelheid waarmee de temperatuur toeneemt in de natuurlijke brand beduidend hoger dan in de standaardbrand. Dit laatste veroorzaakt grotere thermische spanningen in de constructie die juist tot een vervroegd bezwijken kunnen leiden. In een analyse op basis van een standaardbrand hoeft dit niet naar voren te komen. Gelukkig hebben staalconstructies weinig last van deze thermische spanningen omdat staal een goed geleidend en vervormbaar materiaal is. Maar voor andere bouwmaterialen kan een snelle temperatuurstijging van een natuurlijke brand wel leiden tot een aanzienlijk lagere brandwerendheid dan volgens de standaardbrand.
Belangrijk is dat de natuurlijke brand de werkelijkheid beter benaderd dan de standaardbrand. Doordat de brandparameters van het compartiment niet worden verrekend in de standaardbrand, is het voor elk ontwerp onzeker of de standaardbrand een veilige of onveilige benadering is. De natuurlijke brand heeft deze onzekerheid niet, omdat de brandcurve kenmerkend is voor het beschouwde compartiment.

Per brandmodel, natuurlijk of conventioneel, geeft de Eurocode aan hoe men komt tot een ontwerpscenario en worden richtwaarden gegeven voor de benodigde invoer parameters. Voor de thermische en mechanische respons geven de Eurocodes rekenmodellen en de materiaaleigenschappen van het staal en de andere bouwmaterialen. Van elk model is het toepassingsgebied duidelijk omschreven. Voor de mechanische modellen geven de Eurocodes bovendien de belastingen die in rekening moeten worden gebracht op een constructie (wind, sneeuw, et cetera) en de bezwijkcriteria. Hiermee geven de Eurocodes een complete set van gegevens om een eenduidige berekening te kunnen maken.

De Eurocodes bieden de mogelijkheid de constructie op het niveau van een enkel element te beoordelen of op het niveau van een deel van de constructies of op het niveau van de gehele constructie.
Bovendien geven Eurocodes drie niveaus van complexiteit om de brandweerstand van constructies te berekenen:

Tabellen en grafieken

Voor staalconstructies worden enkele grafieken gebruikt die zijn afgeleid van de eenvoudige rekenmethodes in de Eurocodes. Zo is in ECCS publicatie 89 een grafische methode opgenomen om snel de eventueel benodigde isolatie te bepalen in functie van de belastinggraad.
Voor staalconstructies zijn geen tabellen beschikbaar. Wel worden tabellen gegeven voor de benodigde dikte van isolatiematerialen in functie van de profielfactor en de kritieke temperatuur. Ook zijn er tabellen beschikbaar voor het bepalen van de profielfactor van standaard profielen in functie van de verhittingswijze.

Eenvoudige rekenmethodes

De Eurocodes geven eenvoudige rekenregels om de brandweerstand te bepalen van stalen constructieonderdelen. Eerst moet met deel 1991-1-2 de mechanische belasting worden bepaald die bij brand aanwezig moet worden verondersteld. Vervolgens kan met deel 1993-1-2 op basis van deze belasting de kritieke temperatuur worden bepaald. Tot slot kan men met eenvoudige spreadsheet bepalen na welke tijd deze temperatuur wordt bereikt in functie van de eventueel aanwezige isolatie.
Om de gebruiker al het rekenwerk uit handen te nemen is er door de Universiteit van Luik en de Universiteit van Aveiro in Portugal het programma ELEFIR ontwikkeld. Dit programma is gratis beschikbaar en rekent de weerstand tegen brand uit volgens de regels van de Eurocodes. Een must voor elk studiebureau !

Geavanceerde modellen

Met de geavanceerde modellen worden computermodellen bedoeld die gebaseerd zijn op fundamentele fysische wetten. In het algemeen moeten een of meerdere evenwichtsvergelijkingen worden opgelost. Deze modellen bestaan zowel voor het berekenen van het gedrag van de constructie, zoals bijvoorbeeld met behulp van de eindige elementen methode (EEM), als voor het berekenen van het verloop van de natuurlijke brand, zoals bijvoorbeeld met OZone.
Dankzij de voorspelbaarheid van staalconstructies kan met grote betrouwbaarheid het gedrag van de draagconstructie worden bepaald. De betrouwbaarheid is aangetoond in de jaren negentig met uitgebreide validatie aan de hand van brandproeven op ware grootte in Cardinton. (FIRE SAFE DESIGN A new approach to multi-storey steel framed buildings).
Een berekening met geavanceerde modellen kost meer tijd dan met eenvoudige rekenmethodes maar men kan een beter inzicht krijgen in het gedrag van de constructie. Zo berekent een EEM model niet alleen of een constructie bezwijkt maar ook welke vervormingen optreden. Het effect van vervormingen op de herverdeling van krachten wordt inzichtelijk gemaakt en men kan controleren of de constructie voldoende vervormingcapaciteit heeft. Dit betekent dat de constructie soms moet worden versterkt ten opzichte van een eenvoudige beoordeling, dankzij het feit dat de modellen de zwakke plekken kunnen blootleggen. Maar vaak kan er aanzienlijk op de kosten worden bespaard omdat niet alle liggers van isolatie hoeven te worden voorzien. Ondanks de hoge temperaturen inde ongeïsoleerde liggers, bezwijkt de vloer niet dankzij herverdeling van krachten en de membraanwerking van de vloer. Aan de Universiteit van Manchester is een eenvoudig spreadsheetprogramma met handleiding ontwikkeld om de vloer te ontwerpen.
In tegenstelling tot bijvoorbeeld Engeland zijn dit soort modellen zijn nog niet erg gangbaar in de Belgische praktijk. In het buitenland hebben deze modellen de laatste jaren echter een grote vlucht genomen omdat de staalconstructie kan worden ontworpen met een optimum aan veiligheid én economie.

In principe moeten tabellen conservatievere antwoorden opleveren dan de simpele rekenregels om net zo veilige oplossingen te geven ondanks de vereenvoudigingen. Op hun beurt moeten de eenvoudige rekelregels conservatiever zijn dan de geavanceerde modellen om dezelfde reden. Het betekent dus dat niet elke berekening tot hetzelfde ontwerp leidt. Omgekeerd geldt dat verschillende oplossingen echter wel hetzelfde veiligheidsniveau kunnen bieden.

 

inhoud - hoofdstuk1 - hoofdstuk2 - hoofdstuk3 - hoofdstuk4 - hoofdstuk5 - hoofdstuk6