Het gedrag van staal bij brand: Bouwkundig detailleren

Bouwkundig detailleren voor tekenaar en ontwerper:

Het gedrag van staal bij brand.

Voor de volgende onderwerpen ga naar:

algemeen;
zonder beschermingssystemen;
indirecte bescherming;
directe beschermingssystemen;

Algemeen:

Staal is onbrandbaar, doch de sterkte neemt zeer snel af als de temperatuur stijgt en de constructie zal bezwijken, of door de temperatuurverandering zo sterk uitzetten dat muren, etc. worden ontzet. In een aantal gevallen is het daarom wenselijk maatregelen te nemen om te voorkomen dat de staaltemperatuur te hoog oploopt.
De gevolgen van een brand, ook in verband met het gedrag van de staalconstructie, zijn vooral afhankelijk van de optredende temperatuur en de brandduur. Deze twee factoren zijn afhankelijk van de hoeveelheid brandbaar materiaal en de mate van brandbaarheid.

Bij een hoge vuurbelasting en om te voldoen aan de eisen en voorschriften voor de brandveiligheid, moet men een staalconstructie soms voorzien van een bescherming.
Men kan onderscheid maken tussen een directe (isolerende bekleding, brandwerende verflagen, etc.) en een indirecte (brandwerende plafonds, etc.) bescherming.

De brandwerendheid van staalconstructie zelf hangt af van een aantal factoren, zoals:

de grootte
de vorm
de aanwezige belasting tijdens de brand
de positie van het profiel t.o.v. andere onbrandbare elementen, ofwel het detail

Profielfactor:

Een belangrijk begrip waarin de grootte en de vorm van een profiel zijn samengebracht is de profielfactor.

De profielfactor is de verhouding tussen de oppervlakte en de inhoud van het profiel en is van invloed op zijn opwarmingssnelheid. Een profiel met een lage A/V –factor warmt langzamer op dan een profiel met een hogere factor en heeft daardoor een hoger brandwerendheid.

De profielfactor wordt in tabellen gebruikt om aan te geven of een constructie onbeschermd kan blijven of niet.

Zonder beschermingssystemen:

Als de geëiste brandwerendheid laag is kan onbeschermd staal worden toegepast.
Te denken hierbij aan gebouwen waar het risico van slachtoffers cq kans op brand klein is of aan gebouwen waaraan andere brand bestrijdingsmaatregelen zijn aangebracht.

Onbeschermd staal kan ook worden toegepast bij bepaalde mate van overdimensionering van de constructie.

Dimensioneren met brand:

Voldoen aan een brandwerendheidseis van 30 minuten is soms mogelijk door toepassing van meer massievere profielen (hogere A/V-factor) die minder snel opwarmen of door toepassing van staal met een hogere sterkte eigenschappen.
Bij een eis van 60 minuten is dimensioneren met brand voor onbeklede staalconstructies meestal economisch niet meer interessant.

Bouwkundige integratie:

Bouwkundige integratie zorgt ervoor dat de in de vloer of wand opgenomen staalconstructie slechts gedeeltelijk aan brand wordt bloot gesteld waardoor de opwarming langzamer verloopt en de kritieke temperatuur later wordt bereikt.

Sprinklers:

Bij toepassing van een sprinkler installatie kunnen de constructieve brandwerendheidseisen met 30 of 60 minuten omlaag.
De gemeente moet hiervoor toestemming verlenen op basis van gelijkwaardige veiligheid.

Staal buiten het gebouw:

Staalconstructies aan de buitenzijde van een gebouw warmen bij brand minder snel op dan als ze in het gebouw staan. Het draagvermogen van de constructie neemt daardoor veel langzamer af dan wat volgt uit berekeningen volgens de standaard-brandkromme. In veel gevallen kan de 'externe' staalconstructie op basis van gelijkwaardigheid onbekleed blijven.

Indirecte bescherming:

voor brandwerende plafonds bij "Brandveiligheid van vloeren" van het onderdeel "Vloeren divers".

Directe beschermingssystemen:

Brandwerende bespuiting:
Niet-zichtwerk als vloerbalken, etc. en elementen met ingewikkelde verbindingsdetails, zoals vakwerkliggers.

voordelen:
- relatief goedkoop
- eenvoudig en snel aan te brengen op complexe details
nadelen:
- uiterlijk vaak niet geschikt voor zichtwerk
- de bekledingsdikte moet tijdens het spuiten gecontroleerd worden
- niet alle systemen zijn geschikt voor buiten toepassing en/of hoge vochtigheid

Opschuimende coatings:
Voor in het zicht blijvende staalconstructies bij gematigde brandeisen.
(kan ook worden toegepast bij restauratiewerken op gietijzeren constructies)
voordelen:
- geen toename van de constructieafmetingen
- eenvoudig en snel aan te brengen, ook bij complexe details
nadelen:
- het staaloppervlak moet meestal worden gestraald en worden voorzien van een primer
- bij sommige coatings is een topcoating noodzakelijk
- niet alle systemen zijn geschikt voor buiten toepassing en/of hoge vochtigheid

brandwerende beplating
In verband met de constructieve vorm kan men onderscheiden: een profiel volgende bekleding, een kokervormige bekleding en een massieve bekleding.

brandwerende beplating (verderop).

Beton omstorte staalprofielen en beton gevulde buiskolommen:
Door staalprofielen deels in te storten, volledig te omstorten met beton en bij kolommen volledig te vullen met beton wordt door de samenwerking van beton en staal een hogere draagkracht verkregen en afhankelijk van de dekking, voor het staal een hogere brandwerendheid.
- een sterkere constructie met een hoge brandwerendheid
- geen corrosiewerende behandeling nodig voor de omstorte staaldelen
- esthetisch aantrekkelijk indien staal in ‘t zicht gewenst is
nadelen:
- hogere eigen gewicht
- de verbindingen moeten zo ontworpen worden dat het beton deze onderdelen volledig omsluit
- door het instorten van liggers cq volstorten van kolommen neemt de montagetijd toe
- voor een praktische uitvoering is bij beton gevulde buiskolommen een minimale buiskolom afmeting van 140 mm noodzakelijk
opmerkingen:
Bij beton gevulde buiskolommen moet i.v.m. stoomvorming bij brand op elke verdieping kleine gaten in de buiskolom worden aangebracht.

Staalplaat-betonvloeren:
De geprofileerde staalplaat dient niet alleen als bekisting tijdens het beton storten, maar dient ook als wapening.
De voor het normale ontwerp benodigde krimpwapening verhoogt als drukwapening tevens de brandwerendheid.
"Staalplaat-betonvloeren" van het onderdeel "Vloeren algemeen".

Watergevulde constructies:
Het vullen van een stalen kolom constructie met water geeft in feite een ongelimiteerde brandwerendheid, Het water absorbeert de warmte en voert deze af naar een koelunit of koeltank. Waterverlies door verdamping etc. moet worden aangevuld.
Als systeem is een dergelijk systeem economisch gezien alleen geschikt voor grote en/of gebouwen met een specialistische functie.

Brandwerende beplating:

Toepassingsgebied: www.promat.nl
Wordt veelal toegepast voor in het zicht blijvende niet architectonische staalconstructies.

voordelen:

schone en droge montage
gegarandeerde beplatingdikte en geschikt voor zichtwerk

nadelen:

niet geschikt voor complexe staaldetails, tenzij deze als een onderdeel worden omkleed
relatief lange montagetijd en daardoor duurder dan brandwerende bespuiting
niet alle systemen zijn geschikt voor buiten toepassing en/of hoge vochtigheid

Bron informatie: Promat (zie verwijzing externe sites van derden)
Promat platen zijn speciale bouwplaten welke door hun samenstelling en productie wijze onbrandbaar volgens NEN 3881 zijn en zodoende dus niet bij dragen aan de ontwikkeling of voortplanting van brand.
Bij blootstelling aan vuur ontwikkelen zij geen rook of schadelijke gassen.
Promat platen zijn even gemakkelijk te bewerken en te verwerken als hout.

plaatafmetingen promatect H 1250x2500 1250x3000 mm dikte 6, 8, 10, 12, 15, 20 mm
plaatafmetingen promatect L 1200x2500 1200x3000 mm dikte 20, 25, 30, 40, 50 mm
plaatafmetingen promabest H 1250x2500 1250x3000 mm dikte 5, 8, 10, 12, 15, 20, 25 mm (documentatie 1980 - bevat asbestvezels)(zie tabel bij brandgedrag gipsplaat, etc.)

Promat H bekledingsdikte tabel