Gedrag van gevelelementen bij brand

Sinds de tragische brand in de Londense Grenfell Tower in juni 2017 wordt er veel gepraat en gespeculeerd over het brandgedrag van gevelelementen. De brand zou immers ontstaan zijn op de vierde verdieping en op verschillende plaatsen via de gevel opnieuw het gebouw zijn binnengedrongen. Is de huidige brandwetgeving in België streng genoeg om dit soort incidenten te voorkomen? Vormen onze prefab gevelelementen ook een risico? Zijn er naast brandoverslag nog andere aandachtspunten? De technische cel van FEBE organiseerde pas een studiedag voor de leden waarbij de Belgische wetgeving inzake brandveiligheid geïnterpreteerd en toegepast werd met specifieke aandacht voor geprefabriceerde betonnen gevelelementen.

Brandoverslag via het oppervlak van de gevelbekleding

Men kan drie types brandoverslag onderscheiden: via het oppervlak van de gevelbekleding (afbeelding 1); via de aansluiting tussen de compartimentsvloer of -wand en de gevel (afbeelding 2); via brandbare onderdelen van het gevelsysteem (afbeelding 3).

Wat zegt de wetgeving over het eerste type? Het KB Basisnormen eist dat de gevelbekleding van lage gebouwen minstens beantwoordt aan brandreactieklasse D-s3,d1. Voor middelhoge en hoge gebouwen geldt klasse B-s3,d1. Voor 5 % van de zichtbare oppervlakte van de gevel gelden de eisen niet. Industriegebouwen moeten niet aan specifieke eisen voldoen, als het gaat over de vertraging of beperking van brandoverslag via geveloppervlakken.

Beton behoort tot brandreactieklasse A1. De buitenschil van bijvoorbeeld sandwichpanelen en geïsoleerde dubbele wanden voldoen dus ruimschoots aan de brandreactie-eis. Overigens: de voegen tussen de gevelelementen moeten niet voldoen aan de eis, want hun oppervlakte bedraagt minder dan 5 % van de oppervlakte van de gevel.

Let wel: de eisen zijn van toepassing op bouwproducten in hun uiteindelijke toepassing. Wat betekent dat de gevelbekleding niet afzonderlijk beschouwd mag worden, maar zoals ze is toegepast op de bouwplaats. De brandreactie-eis geldt met andere woorden ook voor de achterliggende lagen, als hun massa groter dan of gelijk is aan 1,0 kg/m², of, als de dikte groter dan of gelijk is aan 1,0 mm, zoals bijvoorbeeld isolatielagen.

De meest gebruikte isolatiematerialen in sandwichpanelen en geïsoleerde dubbele wanden bestaan uit EPS, PIR en PF en behoren tot brandreactieklasse E of F en voldoen dus niet aan de brandreactie-eis. Maar wanneer de isolatielagen beschermd worden door een bouwelement dat gedurende 10  minuten bescherming biedt tegen ontvlamming, verkoling of andere schade (brand­beschermingsvermogen K210), moeten ze niet in aanmerking worden genomen binnen de brandreactie-eisen. De buitenschil van een gevelelement in beton biedt voldoende bescherming, want volgens NBN EN 1992-1-2+ANB heeft een wand van 60 mm dik een brandweerstand EI30.

Brandoverslag via de aansluiting tussen de compartimentsvloer of -wand en de gevel

Brandoverslag tussen twee compartimenten via de gevel kan zich langs binnen of langs buiten voordoen (afbeelding 2). Om het risico op inwendige brandoverslag te beperken, moet de aansluiting tussen de compartimentsvloer en de gevel of de compartimentswand en de gevel minstens een brandweerstand EI60 vertonen. Voor lage gebouwen vervalt deze eis indien de lineaire voeg tussen de vloer en de gevel of de wand en de gevel een breedte vertoont van maximaal 20 mm. In dat geval volstaat het om de voeg af te dichten met een soepele kit, zodanig dat er geen rook kan doordringen tot het andere compartiment. In praktijk voldoen de aansluitingen meestal zonder bijkomende maatregelen, vanwege de detaillering van de opleg van de prefab vloeren, de aanwezigheid van druklagen, de zand-cement dekvloeren en de mortelvoegen tussen wanden.

Om de uitwendige brandoverslag te beperken of te vermijden, moet het gevelelement ter hoogte van de compartimentsvloer of -wand een zekere brandweerstand vertonen. Voor lage gebouwen bestaan hiervoor geen voorschriften. Bij middelhoge of hoge gebouwen moet het gevelelement een vlamdichtheid E60 vertonen over een lengte van 1 m ter hoogte van compartimentsvloer en -wand (afbeelding 4). De wetgeving voorziet nog andere oplossingen, maar daar wordt hier niet dieper op ingegaan.

Ook voor industriegebouwen legt het KB Basisnormen eisen op voor brandoverslag tussen twee compartimenten. Ofwel moet de compartimentswand minstens 0,5 m uit het gevelvlak steken (afbeelding 6), ofwel moet de compartimentswand aansluiten met de gevel die aan weerszijden van de wand over een horizontale afstand van minstens 1 m een brandweerstand E60 (voor gebouwen van klasse A) of E120 (voor gebouwen van klasse B of C) heeft en opgebouwd is uit onbrandbare materialen (brandreactieklasse A1 of A2-s1,d0) (afbeelding 7).

Brandoverslag via brandbare onderdelen van het gevelsysteem

In het geval van aanpalende compartimenten in industriegebouwen, waarvan de gevels niet in hetzelfde vlak liggen, moet de compartimentswand 1 m uit één van de gevels uitsteken. Een van de gevels moet voldoen aan het criterium EI60(o‹–›i)* tot op een afstand ‘x’, die overeenstemt met het maximaal toelaatbare stralingscriterium van 15 kW/m². Men kan ook beide gevels die de hoek vormen, uitvoeren met een brandweerstand EI60-ef(o–›i)**tot op dezelfde afstand ‘x’ (afbeelding 8).

Brandoverslag via brandbare onderdelen van het gevelsysteem

In de huidige brandwetgeving worden geen expliciete eisen opgelegd voor de brandoverslag via brandbare onderdelen van een gevelsysteem (afbeelding 3). Brandweerdiensten kunnen wel aanbevelingen formuleren in het kader van hun advies bij bouwaanvragen. Een werkgroep binnen de Hoge Raad voor beveiliging tegen brand en ontploffing buigt zich momenteel over nieuwe brandveiligheidsregels voor de gevels van gebouwen, met bijzondere aandacht voor brandoverslag via brandbare onderdelen. In februari 2017 werden de voorlopige aanbevelingen van de werkgroep gecommuniceerd. Deze werden nog niet goedgekeurd door de Hoge Raad. We geven ze hier al mee.

Voor lage gebouwen blijven de huidige eisen zo goed als ongewijzigd. Nieuw is dat de lagen achter de gevelbekleding minstens een brandreactieklasse E moeten vertonen. Opletten dus met isolatiematerialen die behoren tot brandreactieklasse F.

Naast de huidige regels met betrekking tot inwendige en uitwendige brandoverslag zou men voor middelhoge en hoge gebouwen een gevelbekleding moeten toepassen die voldoet aan brandreactieklasse B-s3,d1, terwijl de achterliggende lagen onbrandbaar moeten zijn (brandreactieklasse A2-s3,d0). Als de gevelbekleding over een brandbeschermingsvermogen K210 beschikt, mogen de achterliggende lagen brandbaar zijn op voorwaarde dat een type-oplossing met branddammen toegepast wordt, om brandoverslag via de brandbare onderdelen van de gevel te vermijden. Deze type-oplossingen zijn uitgewerkt voor ETICS-systemen en zijn gebaseerd op regelgeving die in Duitsland en Frankrijk van kracht is. Toch kan de ontwerper, in overleg met de fabrikant van de betonnen gevelpanelen, overwegen om dezelfde type­oplossingen te integreren. De isolatie in sandwichpanelen en geïsoleerde dubbele wanden bevindt zich trouwens in een luchtvrije ruimte tussen de twee betonpanelen, waardoor eventuele brandoverslag vertraagd wordt.

Het principe bestaat erin om de brandbare isolatie te onderbreken met ononderbroken onbrandbare isolatiestroken en dit op elke bouwlaag voor smeltbare brandbare isolatiematerialen (EPS, XPS) en om de andere bouwlaag voor niet-smeltbare brandbare isolatiematerialen (PUR, PIR) (afbeelding 9). Een andere oplossing bestaat erin de brandbare isolatie rondom alle vensteropeningen te beschermen met een onbrandbare isolatie (afbeelding 10). Dit is ofwel rotswolisolatie (brandreactieklasse A1) of een andere isolatie die voldoet aan brand­reactieklasse A2-s3,d0. De densiteit van de onbrandbare isolatie is minstens 90 kg/m³.

Naast lage, middelhoge en hoge gebouwen wordt een volgende categorie in het leven geroepen: ‘zeer hoge gebouwen’, gebouwen hoger dan 36 m. Voor deze gebouwen zouden alle gevelonderdelen onbrandbaar moeten zijn. Dit betekent brandreactieklasse A2-s3,d1 voor de gevelbekleding en A2-s3,d0 voor de achterliggende lagen. Gevelmaterialen die volledig beschermd worden door een materiaal met een brand­beschermingsvermogen K230 (bescher­ming gedurende 30 minuten), moeten in principe niet aan deze eis voldoen. Op welke manier brandoverslag in dat geval via de brandbare isolatie voorkomen moet worden, is op dit moment niet duidelijk. De type-oplossingen voor middelhoge en hoge gebouwen zouden in principe ook hier toegepast kunnen worden. De regels met betrekking tot inwendige en uitwendige brandoverslag blijven bovendien van toepassing.

Bevestiging van gevelelementen

Hoe zit het met de bevestiging van gevelelementen in prefab beton? Volgens het KB Basisnormen vallen ze onder enkelwandige gevels en moeten ze ter hoogte van elke bouwlaag bevestigd worden aan de draagstructuur. Dit geldt zowel voor lage, middelhoge als hoge gebouwen. In lage gebouwen moet de bevestiging bovendien een brandweerstand R60 hebben. Voor middelhoge en hoge gebouwen wordt de vereiste brandweerstand niet op eenduidige wijze gespecificeerd. Naar analogie met de brandweerstand voor structurele elementen zou men kunnen stellen dat bevestigingen bij middelhoge gebouwen een brandweerstand van R60 moet hebben, en bij hoge gebouwen R120. Voor industriegebouwen wordt de brandweerstands­duur van de bevestiging ook niet op eenduidige wijze vastgelegd. Logischerwijze kan men hier ook stellen dat deze gelijk is aan de brandweerstand van de structurele elementen. Deze laatste hangt af van het type structureel element en de klasse van het gebouw. Hiervoor verwijzen we naar TV 256 van het WTCB. De brandweerstand van de bevestiging kan aangetoond worden door middel van berekeningen of proeven. Een alternatief bestaat erin om de bevestiging te beschermen tegen brand gedurende de vereiste brandweerstandsduur.

Structurele gevelelementen worden zodanig verankerd aan andere structurele elementen, dat geen bijkomende maatregelen nodig zijn om aan de vereiste brandweerstand te voldoen. Niet-structurele gevelelementen kunnen op verschillende manieren bevestigd worden aan de draagstructuur. Afhankelijk van de bevestigingswijze zijn eventueel wel bijkomende maatregelen nodig om de brandweerstand te garanderen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen zichtbare en verborgen bevestigingen.

Zichtbare bevestigingen kunnen onder meer gerealiseerd worden door middel van L-profielen of ankerrails (afbeelding 11). Verborgen bevestigingen kunnen bestaan uit ankerrails, consoles of verstiftingen (afbeelding 12).

Bij zichtbare bevestigingen zijn zowel de bevestigings- als de verankeringselementen onderhevig aan brand. De dimensionering van stalen L-profielen bij brand kan gebeuren op basis van de NBN EN 1993-1-2+ANB. Voor de dimensionering van de verankeringselementen kan men zich baseren op de CEN/TS 1992-4-reeks, het EOTA Technical Report 020 en de ETA’s van de fabrikanten van verankeringselementen.

In plaats van de brandweerstand te berekenen kan men de bevestiging ook beschermen tegen brand door middel van bijvoorbeeld een brandwerende coating. Het is overigens de vraag of deze bescherming altijd nodig is. Staal in contact met beton blijft lang onder de kritische temperatuur van 500 °C, omdat de warmte van het snel opwarmende staal wordt afgegeven aan het traag opwarmende beton. Dit betekent dat voor deze toepassing staal met een dikte van minstens 10 mm ook onbeschermd een zekere brandweerstand heeft.

Verborgen bevestigingen worden in principe voldoende beschermd door omringend beton. Bij gebruik van ankerrails staat de bevestiging via dunne voegen alsnog in contact met de brandhaard. De opwarming van de bevestiging zal evenwel dermate traag verlopen waardoor meestal geen bijkomende maatregelen nodig zijn. Bij strenge brandweerstandseisen kunnen de voegen tussen de draagstructuur en de gevelelementen brandwerend afgedicht worden om de bevestiging te beschermen.

Aandachtspunt bij het ontwerp van bevestigingen in industriegebouwen

Het KB Basisnormen eist dat buitenwanden van industriegebouwen zo ontworpen en uitgevoerd zijn dat deze in geval van brand naar de vuurhaard toe bezwijken. Niet alleen het bezwijken van de portieken naar buiten toe moet vermeden worden. Men moet ook garanderen dat de gevelelementen bij brand bevestigd blijven tegen de kolommen van de portieken. Bij het dimensioneren van de bevestigingsmiddelen moet men rekening houden met de zijwaartse verplaatsing van de kolomkop naar buiten toe, die bij brand wordt veroorzaakt door de thermische uitzetting van de ligger (afbeelding 13).

Bevestiging van buitenschil aan binnenschil

Niet alleen de gevelelementen op zich moeten correct bevestigd worden tegen de draagstructuur. Ook de bevestiging van de buitenschil van sandwichpanelen en geïsoleerde dubbele wanden tegen de binnenschil ervan moet degelijk zijn. Er bestaan verschillende bevestigingssystemen: cilinders, platen, beugels en spelden in roestvast staal, glasvezelstaven (connectoren) of netten in koolstofvezel versterkte polymeren. De buitenschil kan opgehangen worden aan de binnenschil (vrij hangend), maar beide kunnen ook op elkaar steunen op de fundering. Bij toepassing van betonnen bekledingspanelen, ook wel gevelplaten genoemd, gebeurt de bevestiging tegen de draagmuur door mid­del van gevelplaatankers, L-profielen of windankers. Ook deze panelen kunnen vrij hangend of gestapeld bevestigd worden.

Het KB Basisnormen eist niet expliciet een brandweerstand voor deze bevestigingen. Logischerwijs worden hiervoor dezelfde eisen gehanteerd als de bevestiging van de gevelelementen aan de draagstructuur, dus R60 of R120. Brandproeven uitgevoerd op sandwichpanelen met glasvezelstaven van Schöck en Thermomass enerzijds, en gevelplaten opgehangen met gevelplaatankers van Halfen anderzijds, tonen aan dat zeer hoge brandweerstanden haalbaar zijn. Hiervoor moet brandoverslag via de brandbare isolatie of via de eventuele luchtspouw achter de gevelplaten vermeden worden of moeten de bevestigingselementen voldoende beschermd worden met onbrandbare materialen.

Zoals duidelijk wordt uit dit artikel hebben geprefabriceerde betonnen gevelelementen goede kaarten om aan de huidige eisen van de brandwetgeving te voldoen. Maar ook de in voorbereiding zijnde toekomstige wetgeving stelt geen problemen. Brandoverslag via een brandbare isolatie kan namelijk eenvoudig voorkomen worden door het integreren van onbrandbare isolatiestroken. (BHE)

Referenties:

• “Brandveiligheid van gevels van gebouwen met meerdere verdiepingen”, WTCB, juli 2017
• TV 256 ‘Ontwerp en uitvoering van industriegebouwen in overeenstemming met de brandveiligheidseisen’, WTCB, maart 2016
• Koninklijk Besluit van 12 juli 2012 “Basisnormen brandpreventie”
• NBN EN 1992-1-2:2005 + ANB:2010
• Rapport Y 1422-1-RA-002, 3 december 2015, Peutz, opdrachtgever Schelfhout
• Rapport YA 1422-1-RA-001, 14 november 2012, Peutz, opdrachtgever Schelfhout
• Prüfbericht 07040314, 15 juli 2009, IBS, opdrachtgever Halfen
• Report 17055MH/14_4, 29 november 2017, Technische Universität Kaiserslautern, opdrachtgever Schöck
• Test report 157832 Ausgabe 2, 15 december 2006, Warringtonfire, opdachtgever Construction Systems Marketing (Thermomass)