Aandacht voor constructieve brandveiligheid is een van de belangrijke aspecten in de ontwerpfase van een bouwplan. Wanneer een bouwplan ontwikkeld wordt, moet er al vroeg in de ontwerpfase nagedacht worden over het constructieve ontwerp. Het doel van een constructief ontwerp is vooral functioneel en rationeel. Toch is construeren meer dan dat. Architectonisch, functioneel en financieel kan een constructie een gebouw maken of breken. Een goede draagstructuur helpt de architect, de opdrachtgever, de aannemer én de gebruiker. Niet de een of de ander, maar juist allemaal. Pas dan is een constructie een goede constructie.
Wij nemen deze constructieve brandveiligheid al mee in de ontwerpfase, dus als de eerste ideeën in schetsvorm worden gemaakt. Daarbij wordt het integrale brandveiligheidsconcept in overleg met de overige ontwerpteampartners van grof naar fijn verder uitgewerkt. De wijze waarop we deze optimalisatie weten te bereiken is afhankelijk van de opgave. Het kan zijn dat we met een eenvoudige standaardaanpak al voldoende kunnen bereiken, maar het kan ook zijn dat we pas het gewenste resultaat kunnen bereiken na een Fire Safety Engineering (FSE) benadering.
Gedrag van Materialen onder Hitte
Als er een brand ontstaat in een gebouw is er een grote kans dat de draagconstructie van dat gebouw door de brand opwarmt. Verschillende bouwmaterialen reageren anders op deze opwarming. Er zijn materialen, zoals hout, die zelf meebranden. Er zijn ook bouwmaterialen die ogenschijnlijk niet branden maar waar de materiaaleigenschappen door de opwarming wel wijzigen. Zo zal bij een staalconstructie de sterkte en stijfheidseigenschappen vanaf 400 graden af gaan nemen. Dit betekent dat bij een toenemende temperatuur een constructieonderdeel veel minder kracht op kan nemen dan bij kamertemperatuur.
Ontwerpstrategieën voor Constructieve Veiligheid bij Brand
Voor de toetsing op de constructieve veiligheid in een brandsituatie mogen verschillende ontwerpstrategieën toegepast worden. Een toetsing van de temperatuur gedurende een tijdsverloop volgens de standaardbrandkromme is een gebruikelijke ontwerpmethode. Er kan ook gebruikgemaakt worden van een brandkromme die beter aansluit op de projectsituatie, zoals bijvoorbeeld een natuurlijke brandkromme.
Bij de berekeningen die ten grondslag liggen aan de constructieve onderbouwing van de brandveiligheid kan uitgegaan worden van elk constructiedeel als apart element. Er zijn verschillende toetsmogelijkheden, die met een specifiek middel verricht kunnen worden. Dit kan traditioneel op componentniveau bij een standaardsbrandkromme. Een meer projectspecifieke aanpak van deze toetsing is middels Fire Safety Engineering.
Voorzieningen ter Verhoging van Brandwerendheid
Om de afname van opneembare krachten in constructiematerialen te controleren zijn verschillende voorzieningen denkbaar. Stel dat we uitgaan van een stalen kolom in een grote bedrijfsruimte. Deze kolom kan met brandwerende bekleding ingepakt worden of de kolom kan voorzien worden van een brandwerende coating. Deze voorzieningen zorgen ervoor dat de betreffende kolom niet de temperatuur bereikt waarop de toelaatbare krachten in deze kolom afnemen.
Andere voorbeelden van passieve brandwerende voorzieningen zijn bijvoorbeeld het aanbrengen van voldoende betondekking op de wapening in een betonnen element. Maar ook het vergroten van houten balken, zodat de koollaag die aan de buitenste rand ontstaat een isolerende functie heeft tegen het doorbranden in het hout.
Om zoveel mogelijk deze traditionele beschermmethode te minimaliseren, is het van belang om brandveiligheid integraal in een ontwerp van een gebouw mee te nemen. Door op een slimme wijze gebouwen integraal te ontwerpen kan materiaal en dus ook kosten bespaard worden.
Case Studies en Toepassingen
Groot Bedrijfsgebouw op de Maasvlakte
Bij een groot bedrijfsgebouw op de Maasvlakte bij Rotterdam zijn een tweetal nieuwe bouwvolumes toegevoegd. Het trainingscentrum heeft over de volle lengte een doorlopende lichtstraat. Zowel het trainingscentrum als de goederenopslag hebben een in zones verdeelde inrichting. Door te kiezen voor duidelijke compartimenten die zelfstandig mogen instorten, is de volledige constructie onbehandeld kunnen blijven. Bij beide gebouwen is dit mogelijk gemaakt door in de grote hallen losse compartimenten te positioneren die een zelfstandige functie en brandwerendheid hebben. De staalconstructie van de grote hallen is echter wel over deze compartimenten heen gebouwd. Vanuit de functie in de losse compartimenten is een constructieopbouw noodzakelijk van dragend kalkzandsteen en kanaalplaten. Bij een brand in het grote compartiment kan de lichte staalconstructie bezwijken en op de constructie van het onderliggende kleinere compartiment vallen zonder dat deze zal bezwijken.
Watertoren Utrecht
De watertoren aan de Amsterdamsestraatweg te Utrecht is getransformeerd naar een woongebouw. Daarbij is in het stalen waterreservoir een appartement gerealiseerd. Het stalen reservoir met een diameter van 10 meter bevindt zich bovenin de toren. Het reservoir is opgebouwd uit staalplaten verlopend van 4 tot 15 mm dikte. De metselwerkgevel rondom het reservoir steunt af tegen het stalen reservoir. Tussen het metselwerk en het reservoir is een ruimte van ongeveer 600 mm.
Omdat het stalen reservoir mede de stabiliteit van de vatwoning verzorgt, wordt deze aangemerkt als hoofddraagconstructie onder brandomstandigheden. Volgens het niveau bestaande bouw moet deze constructie minstens 60 minuten standzeker blijven. Bij belastinggeval brand is met een eenvoudige analyse gebleken dat een lage toelaatbare spanning optreedt. Met behulp van het FEM-programma Simula Abaqus is een simulatie gemaakt van de temperatuurontwikkeling in de staalconstructie met exo-skelet bij de meest kritische posities. Daarbij is gebruikgemaakt van de standaardbrandkromme. Na 60 minuten zijn de T-profielen van het exo-skelet in staat een belasting van 163 kN op te nemen.
Het Platform Utrecht
Het Platform in Utrecht is een voorbeeld van een gebouw waarin alles samenkomt.
Voor de vloeren van de woningen in dit gebouw bleek bij de opgegeven belastingen en brandwerendheideis van 120 minuten, een overspanning van 12 meter mogelijk in standaard kanaalplaatvloeren zonder constructieve druklaag. Dit is, in combinatie met een optimale kolomindeling, bepalend geweest voor de stramienmaat van de stalen spanten. De vloeren van de commerciële functies bestaan uit staalplaatbetonvloeren, gedragen door stalen secundaire liggers. Deze vloeren zijn daarmee langs alle vier de zijden ondersteund door stalen liggers. Dat betekent dat er een membraamwerking op kan treden. In een brandsituatie is deze zelfde vloer zelfs in staat om een dubbele overspanningslengte te overbruggen.
Door gebruik te maken van deze rekenmethode is het mogelijk gemaakt dat de helft van de vloerdragende liggers geen brandwerende bekleding nodig had om toch aan de gestelde brandwerendheidseis te kunnen voldoen.
Kalkzandsteen: Een Brandwerend Materiaal
Kalkzandsteen is een onbrandbaar materiaal, klasse A1 volgens NEN 6064. Kalkzandsteen is bij uitstek geschikt voor brandwerende en brandbestendige (hoofddraag)constructies. De dampopen structuur van kalkzandsteen zorgt ervoor dat er bij brand geen afspatten van het materiaal optreedt. Kalkzandsteen is rookwerend. De rookwerendheid van een constructieonderdeel kan volgens NEN 6075 worden gelijkgesteld aan anderhalf maal de brandwerendheid van het constructieonderdeel. Een kalkzandsteen wand van 67 mm heeft daarmee een rookwerendheid die langer is dan 60 minuten (1,5 maal de brandwerendheid van 45 minuten).
De resultaten van de brandwerendheidstesten van dragende en niet-dragende kalkzandsteen wanden van 3 meter hoogte, bepaald volgens NEN 6069, zijn in een tabel weergegeven. De laagste van de vier criteria (R, E, I en W) is als maatgevend gesteld voor de WBDO eis. I= thermische isolatie (max. gemiddelde temp. De waarden gelden voor massief kalkzandsteen, zowel gemetseld als gelijmd. Ook is er geen onderscheid tussen standaard kalkzandsteen en Hoogbouwelementen®.
Sterkte bij Brand (WBDBO)
De gegarandeerde tijdsduur dat wanden hun draagkracht bij brand behouden waardoor het gebouw niet kan instorten voordat alle mensen het gebouw veilig hebben verlaten en de brandweer veilig hun werk kan doen. Dit is met name belangrijk bij hoge gebouwen. Hoe hoger het gebouw, hoe hoger de eis. Voor woongebouwen zijn de eisen 60 min (hoogte vanaf 5 meter), 90 minuten (vanaf 7 meter) en 120 minuten (hoger dan 13 meter). Voor de hoogte geldt het hoogste verblijfsgebied in het gebouw als maatgevend.
Brandcompartimentering
Om de uitbreiding van een brand zoveel mogelijk te beperken wordt een gebouw in compartimenten verdeelt van ca 1000 m². Op de scheiding van deze compartimenten staan brandwerende wanden met een brandwerendheid van ten minste 60 minuten. Als deze wanden ook onderdeel zijn van de hoofdraagconstructie kan de eis hoger worden door de eis “sterkte bij brand”.
Volgens het Bouwbesluit (artikelen 2.105 en 2.106) zijn bedrijfsverzamelgebouwen op hetzelfde perceel op te delen in brandcompartimenten van 1000 m². In elk compartiment kunnen zich meerdere bedrijfsunits bevinden met verschillende gebruikers. In gebouwen met verdiepingen mag de oppervlakte van beide bouwlagen opgeteld niet groter zijn dan 1000 m². Wanneer in een gebouw de brandcompartimenten en besloten ruimten op hetzelfde perceel liggen en de maximale hoogte van de vloer van een verblijfsgebied 5 m bedraagt, is de vereiste WBDBO (Weerstand tegen BrandDoorslag en BrandOverslag) van de compartimentscheidende wand minimaal 30 minuten. Is dit niet het geval dan is dit 60 minuten.
Zelfs als je voldoet aan de WBDBO-eis, kunnen tijdens een brand alle units in hetzelfde brandcompartiment verloren gaan. Om dat te voorkomen adviseren wij alle unitscheidende wanden uit te voeren met een WBDBO van ten minste 30 minuten. Verder raden we u aan te kiezen voor een eenvoudige detaillering en voor betonnen verdieping- en dakvloeren.
Beton: Eigenschappen en Brandgedrag
Beton is onbrandbaar, veroorzaakt geen rookontwikkeling en er komen geen giftige gassen vrij bij hoge temperaturen. Omdat beton ook in zekere mate hitteisolerend is en bij brand lang z'n draagvermogen behoudt, zijn betonconstructies van zichzelf in hoge mate bestand tegen een forse brand. Toch worden in situaties waarbij een extreme vuurbelasting kan optreden vaak extra voorzieningen getroffen. De sterkte en stijfheid van beton en wapening nemen namelijk wel af bij hoge temperaturen. Ook kan spatten van het beton optreden.
Als brand uitbreekt in de buurt van een betonconstructie zal deze constructie vanaf het betonoppervlak opwarmen. De mechanische eigenschappen, en daarmee het dragend vermogen van zowel het beton zelf als van de wapening veranderen bij oplopende temperaturen. Het risico bestaat dat de betonconstructie bezwijkt als deze te lang aan hoge temperaturen wordt blootgesteld. Het is belangrijk dat er voldoende tijd is om te kunnen vluchten, de constructie te kunnen doorzoeken en de brand te bestrijden. Rekening houdend met allerlei invloedsfactoren kan een constructie daarop worden ontworpen, bijvoorbeeld door de dikte van de betondekking aan te passen.
Brandkrommen
Om inzicht te krijgen in het verloop van de temperatuur bij een brand zijn er zogenoemde brandkrommen opgesteld. Er zijn verschillende soorten brandkrommen, zoals de standaard brandkromme (ISO 834) voor woning- en utiliteitsbouw, en de RWS-brandkromme (tunnelbrandkromme) en de koolwaterstofkromme voor tunnels.
De RWS-brandkromme, ontwikkeld door Rijkswaterstaat, is gebaseerd op onderzoek naar een worst-case scenario met een brandende tankwagen. Deze kromme geeft een realistisch temperatuurverloop weer, al is het werkelijke temperatuurverloop in de praktijk uiteraard ook afhankelijk van de dimensies van de tunnel. Voor de open toeritten wordt de koolwaterstofkromme voorgeschreven omdat de warmte hier beter weg kan.
Effecten van Hitte op Beton en Wapening
Beton en staal verliezen beide bij hoge temperaturen hun sterkte. Gelukkig is beton een tamelijk slechte warmtegeleider, waardoor het lang duurt voordat het draagvermogen van de constructie wezenlijk afneemt. Hoe snel de warmte in het beton dringt, kan worden berekend op basis van de materiaaleigenschappen van beton, met name de thermische geleidbaarheid, de soortelijke warmte en de dichtheid.
Soortelijke warmte (c) geeft het vermogen weer van een materiaal om warmte op te slaan. De soortelijke warmte van beton wordt vooral bepaald door het vochtgehalte. De invloed van de temperatuur op de soortelijke warmte is beperkt.
De thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingscoëfficiënt (λ) geeft weer hoe goed materialen warmte kunnen geleiden. De thermische geleidbaarheid van beton is sterk afhankelijk van de temperatuur.
De dichtheid (ρ) van beton neemt eveneens af bij stijgende temperatuur, voornamelijk door het verdampen van water. Dit resulteert in een geleidelijke daling van de dichtheid.
Door interne scheurvorming en degradatie van de cementsteen neemt bij oplopende temperatuur de sterkte en stijfheid van het beton af. Het sterkteverlies van het beton is afhankelijk van het type bindmiddel, de hoogte en duur van de hoge temperatuur, en het type toeslagmateriaal. Bij opwarming expandeert het toeslagmateriaal, terwijl de cementsteen krimpt, met inwendige spanningen, scheurvorming en sterkteverlies tot gevolg.
Ook het wapeningsstaal verliest sterkte bij oplopende temperatuur. Wapeningsstaal behoudt zijn treksterkte tot circa 350 °C; daarna treedt sterkteverlies op. Bij circa 550 °C is de sterkte gehalveerd. Bij voorspanstaal begint het sterkteverlies al bij circa 100 °C.
Spatten van Beton
Onder spatten van beton verstaan we het al dan niet explosief afspringen van grote of kleine stukken beton uit het betonoppervlak door blootstelling aan hoge en snel oplopende temperaturen. Dit spatten is een grillig fenomeen, dat zowel plaatselijk als over het gehele verhitte oppervlak kan optreden. Door het spatten neemt de betondekking snel af en kan de wapening bloot komen te liggen, waardoor deze direct opwarmt.
Er worden hoofdzakelijk twee mechanismen beschreven voor het optreden van explosief spatten: spatten als gevolg van hoge poriedrukken door het verdampen van water en spatten als gevolg van het optreden van thermische spanningen. Bij een snelle verhitting van beton wordt het aanwezige vocht in korte tijd omgezet in stoom, waardoor het volume snel en sterk toeneemt. Afhankelijk van de permeabiliteit van het beton kan de waterdamp niet snel naar buiten. Hierdoor neemt de druk toe. Als deze druk plaatselijk de treksterkte van het beton overstijgt, kan de buitenlaag worden afgedrukt.
De belangrijkste factoren voor het wel of niet optreden van spatten als gevolg van hoge poriedrukken, zijn het initiële vochtgehalte, de permeabiliteit van het beton, de aanwezigheid van drukspanningen en de opwarmsnelheid. De kans op het optreden van spatten is bij regulier beton laag bij een vochtgehalte van circa 3 à 4% m/m of lager.
Eisen aan Brandwerendheid en Rookontwikkeling
Om mensen in een gebouw bij uitslaande brand de kans te geven het pand te verlaten, moet een bouwconstructie gedurende een bepaalde tijd overeind blijven. Een scheidingsconstructie, meestal een wand of een vloer, moet minimaal 30 minuten weerstand bieden tegen te houden. Om de kans te beperken dat een brand zich over een groot deel van de woning of woongebouw uitbreidt, moet de scheidingsconstructie tussen brandcompartimenten in staat zijn de brand minimaal 60 minuten tegen te houden.
Brandwerendheid is afhankelijk van de functie van de draagconstructie, het aantal mensen dat in het gebouw kan verblijven en de hoogte van het bouwwerk. Geprefabriceerde betonvloeren en -wanden met een minimale dikte van 80 mm voldoen aan de gestelde eis van 60 minuten brandwerendheid. Bij een dikte van 100 of 120 mm bedraagt de brandwerendheid 90 en 120 minuten.
Wapeningsdekking en Oppervlakte-eisen
Een hogere dekking van de wapening zorgt ervoor dat de temperatuur van de wapening minder snel toeneemt. Een betonconstructie kan dus op een eenvoudige wijze een hoge brandwerendheid krijgen. Of een betonconstructie aan de gestelde eisen voldoet, kan aan de hand van detailleringsregels worden getoetst.
Om snelle branduitbreiding langs het oppervlak van constructieonderdelen te voorkomen, stelt het Bouwbesluit eisen aan branduitbreiding van de gebruikte materialen. Als aan deze eisen wordt voldaan, hebben mensen in geval van brand voldoende tijd het gebouw veilig te verlaten. Ook aan het onderste deel van de gevels van woongebouwen worden eisen gesteld met betrekking tot de ontwikkeling van brand; de eerste 2,5 meter boven het maaiveld is namelijk extra gevoelig voor brandstichting en brandoverslag.
Sparingen, Schachten, Kanalen en Kruipruimten
Sparingen in wanden en vloeren, anders dan de openingen voor kozijnen, zoals sparingen voor doorvoeringen van leidingen, moeten met het oog op branddoorslag vakkundig worden gedicht.
Op de plek of in de nabijheid van een stookplaats moet onbrandbaar materiaal worden gebruikt; de eis van onbrandbaarheid geldt ook voor materiaal aan de binnenzijde van een schacht, koker of kanaal.
Omdat in een kruipruimte niet permanent mensen verblijven, worden aan een begane grondvloer boven een kruipruimte geen eisen gesteld voor beperking van uitbreiding van brand.
Isolatiematerialen en Rookontwikkeling
Het beton in de prefab elementen is onbrandbaar, maar vaak bestaan de elementen niet alleen uit beton en zijn ze met isolatiemateriaal bekleed. Het toepassen van brandbare materialen in geprefabriceerde betonelementen is alleen toegestaan voor isolatiemateriaal dat wordt gebruikt voor begane grondvloeren boven kruipruimten en als spouwmuurisolatie voor binnenspouwbladen en gevelelementen.
Personen moeten zich ondanks de rookontwikkeling die bij een brand ontstaat, kunnen blijven oriënteren. De mate van rookontwikkeling moet dus beperkt blijven. Daarom stelt het Bouwbesluit eisen aan de rookproductie van de toegepaste materialen. Deze gelden voor materialen die worden gebruikt aan de binnenkant van bijvoorbeeld prefab wanden of -vloeren. Betonnen elementen voldoen aan deze eisen.
De eisen die gesteld worden aan isolatiematerialen voor wat betreft de rookontwikkeling, gelden niet voor het isolatiemateriaal dat gebruikt wordt voor het aan de onderkant isoleren van begane grondvloeren boven een kruipruimte.
Het kan gebeuren dat tijdens een brand de rook zich door de woning of het woongebouw verspreidt en de mensen in het gebouw moeilijk een vluchtweg kunnen vinden. Daarom moet om tijd te winnen de scheidingsconstructie van de vluchtweg de rook minimaal 30 minuten kunnen tegenhouden. Prefab betonelementen voldoen aan deze eis. Wel moet tijdens de montage van de elementen in het werk er op worden toegezien dat de afdichting van sparingen en van openingen bij aansluitingen vakkundig gebeurt.
Toetsingsmethoden en Bouwbesluit
In de praktijk zal een betonconstructie meestal aan detailleringsregels worden getoetst. Hiermee kan op een eenvoudige wijze de brandwerendheid voor wanden, vloeren, kolommen en balken worden bepaald. De toetsing betreft de controle van de randvoorwaarden van het constructiedeel en het toepassen van minimale wapeningsafstanden. Met wapeningsafstanden wordt de afstand van het hart van de wapening tot aan de dichtstbijzijnde buitenzijde van de betonconstructie bedoeld. Ook bij openingen in vloeren en wanden zal aan de gestelde eis van de wapeningsafstand moeten worden voldaan.
Alleen in speciale gevallen wordt de brandwerendheid berekend. In het uiterste geval zal deze door beproeving worden bepaald.
Wanneer een bouwwerk is samengesteld uit materialen die niet of nauwelijks kunnen branden, mag de hoofddraagconstructie aan lagere brandwerende eisen voldoen. De brandwerendheid van de hoofddraagconstructie kan dan met 30 minuten worden verminderd. Dit betekent dat bijvoorbeeld een betonnen hoofddraagconstructie van een woning of woongebouw aan lagere brandwerende eisen hoeft te voldoen. Bij gebruik van beton zijn de voorzieningen hiervoor daarom aanzienlijk minder kostbaar.
tags: #sterkte #bij #brand #metselwerk