‘Fire Safety Engineering’ voor betonconstructies
Het Koninklijk Besluit ‘Basisnormen’ bepaalt de wettelijke voorschriften waaraan nieuwe gebouwen moeten voldoen, wanneer het over brandveiligheid gaat. Eventuele afwijkingen op deze voorschriften worden toegestaan wanneer ze geen afbreuk doen aan het opgelegde minimale brandveiligheidsniveau. Dergelijke afwijkingen moeten goedgekeurd worden door de ‘Commissie voor Afwijking’ van de Federale Overheidsdienst (FOD) Binnenlandse Zaken.
In de staal- en houtbouw wordt regelmatig ‘Fire Safety Engineering’ of FSE toegepast om een inherent gebrek aan brandweerstand te compenseren en een economischer alternatief voor de opgelegde voorschriften aan te bieden. Betonelementen hebben zo’n alternatieve benadering meestal niet nodig, dankzij hun hoge intrinsieke brandweerstand. Toch kan FSE ook voor betonconstructies nuttig zijn. We denken dan aan zeer complexe structuren, of aan analyses die de concurrentiestrijd met de staal- en houtbouw meer kracht kunnen bijzetten. Dit artikel is een kennismaking met een belangrijk aspect van FSE, met name de beoordeling van het gedrag van constructies.
Wat is Fire Safety Engineering
Fire Safety Engineering is de toepassing van alle beschikbare wetenschappelijke en technische kennis op het vlak van brandveiligheid. Dankzij FSE kan op basis van veiligheidsdoelen, in plaats van op basis van strikte regels, voldaan worden aan de eisen inzake brandveiligheid. FSE analyseert het werkelijk gedrag van een brand en het effect ervan op de constructie en de gebruikers, alsook welke actieve brandbeschermingssystemen en evacuatievoorzieningen nodig zijn. Het komt erop neer de impact van een te verwachten brand in een gebouw zo inzichtelijk mogelijk te maken. De instandhouding van de vluchtroutes gedurende een bepaalde tijd, de brandcompartimentering en de constructie spelen een belangrijke rol bij FSE. Wie zich beperkt tot de wettelijke regels, heeft geen enkele garantie omtrent de herstelbaarheid van de constructie na brand. FSE kan ook een licht werpen op dit aspect van brandveiligheid. Dankzij FSE zijn ook prestatiegerichte alternatieven voor de gebruikelijke prescriptieve benadering mogelijk. Voorwaarde is een grote deskundigheid. Bijgevolg mogen alleen gekwalificeerde personen FSE toepassen.
ISO 24679-1 [2] voorziet een methodologie voor de beoordeling van de prestaties van structuren bij blootstelling aan brand, inclusief richtlijnen voor het praktisch ontwerp van structuren, de kwantificering van de prestaties van structuren en het gebruik van verschillende kwantificeringsmethoden. Deze internationale norm vormt ook het referentiekader voor het fib bulletin ‘Performance based fire design of concrete structures’ waar momenteel aan gewerkt wordt.
Standaardbrand
De brandweerstand van structuurelementen wordt proefondervindelijk bepaald onder de thermische belasting volgens de standaard ISO 834-curve. Deze curve geeft het temperatuurverloop weer in een oven tijdens een standaardbrand. De curve vormt een conventionele basis voor de evaluatie van de brandweerstand van een gebouw. In werkelijke ruimten komt deze standaardbrand eigenlijk niet voor, onder meer omdat deze brand gekenmerkt wordt door een verbranding van een onbeperkte hoeveelheid brandbaar materiaal (fig. 1). De standaardbrand is ook niet altijd een redelijke benadering van de werkelijkheid. Zo gedraagt bijvoorbeeld een houtconstructie met een bepaalde brandweerstand zich in werkelijkheid vaak nadeliger dan dezelfde constructie, met dezelfde brandweerstand, in beton [8][9].
Omdat brandproeven duur zijn en beperkt voor wat de lengte van de proefelementen betreft, werden rekenmethoden ontwikkeld om de brandweerstand te bepalen. Volgens het Ministerieel Besluit van 17 mei 2013 moeten enerzijds de vereenvoudigde berekeningsmethode of de gegevens in tabelvorm van de NBN EN 1992-1-2+ANB [5] en anderzijds de standaardbrandkromme (ISO 834) van NBN EN 1991-1-2+ANB [4] gebruikt worden om de brandweerstand van de verschillende constructiedelen (balk, kolom, vloer, …) te bepalen. Een brandweerstand (bijvoorbeeld R60) is in feite niet meer dan een label en zegt weinig over het gedrag in een werkelijke brand. Een alternatieve, meer realistische, benadering gebaseerd op een geavanceerde berekeningsmethode is toegelaten mits goedkeuring van de Commissie voor Afwijking van de FOD Binnenlandse Zaken. Het toepassen van zo’n alternatieve berekeningsmethode is onderdeel van FSE.
Op www.febefast.be vindt u technische documenten die de vereenvoudigde berekeningsmethode en de methode op basis van gegevens in tabelvorm toelichten voor balken en kolommen. Deze documenten geven de verschillende stappen die noodzakelijk zijn bij de bepaling van de brandweerstand, inclusief de parameters die hierbij toegepast moeten worden. Naast de verwijzing naar de artikelen uit de NBN EN 1991-1-2+ANB [4] en NBN EN 1992-1-2+ANB [5] zijn ook enkele kritische opmerkingen ter verduidelijking toegevoegd. De documenten werden opgesteld door de Technische Commissie van FEBE na een grondige analyse van de voornoemde normen.
Natuurlijke branden
Bij toepassing van FSE wordt, in plaats van de standaardbrand toe te passen, gebruik gemaakt van natuurlijke branden om het brandgedrag van volledige constructies (of delen ervan) te beoordelen. Onder een natuurlijke brand verstaat men het temperatuurverloop in een ruimte in een werkelijke situatie. Dit verloop verschilt per situatie en hangt bijvoorbeeld af van de geometrie van de ruimte, de thermische eigenschappen van de scheidingsconstructies, de hoeveelheid en het soort brandbaar materiaal en de ventilatiecondities (toetreding van zuurstof en afvoer van verbrandingsgassen via openingen). Daar waar de standaardbrand uitsluitend rekening houdt met een volledig ontwikkelde brand (compartimentsbrand) kent de natuurlijke brand ook een groei- en een dooffase waarbij de brandtemperatuur relatief snel afneemt (fig. 1).
Brandmodellen verschaffen inzicht in het brandverloop in specifieke omstandigheden. De NBN EN 1991-1-2+ANB [4] onderscheidt vereenvoudigde en geavanceerde natuurlijke-brandmodellen. De laatste worden onderverdeeld in één-zonemodellen, twee-zonemodellen en numerieke stromingsmodellen. Bij een één-zonemodel is er sprake van een gelijkmatige temperatuurverdeling in de ruimte. Bij een twee-zonemodel wordt uitgegaan van een horizontale scheiding tussen een hete bovenlaag, de rooklaag, en een koude onderlaag, de rookvrije laag. Bij verdere ontwikkeling van de brand wordt de rooklaag dikker en stijgt de temperatuur in de rooklaag. De rookvrije laag wordt kleiner. Wanneer vlamoverslag optreedt, gaat een twee-zonemodel over in een één-zonemodel. De zonemodellen worden gebruikt voor kleinere ruimten, zoals kantoren en scholen. Ze kunnen gesimuleerd worden door het softwarepakket OZONE1, ontwikkeld door de Universiteit van Luik. Met numerieke stromingsmodellen (Computational Fluid Dynamics = CFD) is het mogelijk om lucht- en rookstromingen inzichtelijk te maken (fig. 6). Door het volume van de ruimte te verdelen in een groot aantal kleine volume-elementjes kan op elk willekeurig punt in de ruimte de temperatuur bepaald worden. Het numerieke stromingsmodel, ook wel veldmodel genoemd, kan gesimuleerd worden door geavanceerde software zoals FDS, SMARTFIRE en FLUENT 2. Het veldmodel wordt gebruikt voor grotere ruimten, zoals industriehallen en parkeergarages.
Interessant aan FSE is dat het effect van actieve brandbeveiligingsmaatregelen op de thermische belasting kan bepaald worden. Bij een goed ontworpen en onderhouden sprinklerinstallatie bijvoorbeeld, kan rekening worden gehouden met een kleinere brandgrootte en dus lagere temperaturen. De staalbouw maakt hier regelmatig gebruik van om zijn competitiviteit te verbeteren. Opgelet, bij een bestemmingsverandering van het gebouw kan de thermische belasting veranderen ten opzichte van het oorspronkelijke concept. In dat geval kan de keuze van een andere curve dan de ISO-curve een aanpassing van de constructie noodzakelijk maken om het vereiste veiligheidsniveau te bereiken.
Thermische en mechanische respons van de constructie
Het brandmodel levert de thermische belasting waaraan de constructie wordt blootgesteld. Op basis hiervan kan de thermische en mechanische respons van de constructie bepaald worden. De eerste is de ontwikkeling en de verdeling van de temperatuur in de constructie (fig. 2). De tweede is het mechanische gedrag van de constructie tijdens brand, waarbij beoordeeld wordt of de draagkracht van de constructie tijdens brand (en dus de brandweerstand) voldoende is.
De NBN EN 1992-1-2+ANB [5] geeft de mogelijkheid om een geavanceerde berekeningsmethode toe te passen om de mechanische respons van de constructie te bepalen. De methode moet volgens de norm gebaseerd zijn op fundamenteel fysisch gedrag, dat leidt tot een betrouwbare benadering van het verwachte gedrag van de constructie. De Université de Liège heeft het softwarepakket SAFIR3 ontwikkeld. Daarmee kan zowel de thermische als de mechanische respons van een constructie bepaald worden. Andere pakketten zijn bijvoorbeeld ANSYS en DIANA3. In vergelijking met een brandproef en de vereenvoudigde berekeningsmethode wordt hiermee dus het werkelijk gedrag van een constructie gesimuleerd. Dit kan namelijk afwijken van het gedrag tijdens de brandproef. Tijdens de brandproef wordt het beproefde constructiedeel namelijk niet verhinderd om uit te zetten en te vervormen. Dit zijn ook uitgangspunten in de vereenvoudigde berekeningen. Bovendien is het beproefde constructiedeel niet in interactie met de constructiedelen waarmee het in werkelijkheid is verbonden, waardoor men geen inzicht krijgt in de wijzigende krachtswerking in de constructie tijdens de brand. Soms is het werkelijke gedrag gunstiger, soms ook ongunstiger.
Op vraag van FEBE heeft de Université de Liège een thermische studie uitgevoerd op 12 I-liggers. Telkens werd op basis van de standaardbrand de thermische respons van de liggers bepaald met het softwarepakket SAFIR. Het verslag van dit rapport kan gedownload worden op www.febefast.be.
Case: Analyse van een betonnen kantoorgebouw
De Université de Liège en CERIB (Het onderzoekscentrum van de prefab betonindustrie in Frankrijk) hebben in 2015 een paper voorgesteld op een congres in Kroatië [6]. Daarin wordt een analyse toegelicht van een betonnen gebouw dat blootgesteld wordt aan een natuurlijke brand. Deze analyse werd in 2017 gebruikt als basis voor het technisch rapport ISO/TR 24679-6 [7]. Het bestudeerde gebouw is een open kantoorgebouw met 6 bovengrondse verdiepingen en 2 ondergrondse parkeerverdiepingen. Het bestaat uit een skelet met doorlopende balken en kolommen in gewapend beton, die de in twee richtingen dragende vloeren in gewapend beton ondersteunen. Het gebouw werd ontworpen op een raster van 6 m x 7,15 m (fig. 3).
Met behulp van OZONE werd de kritische temperatuur-tijdkromme bepaald. De maximale temperatuur bedraagt 990 °C na 116 minuten. De thermische en mechanische respons werd geanalyseerd met SAFIR. Na 600 minuten blootstelling aan brand treden geen bezwijken op. De doorbuiging van de vloeren bereikt een maximale waarde van 200 mm in de afkoelfase na +/- 160 minuten waarna deze terug afneemt tot een residuele doorbuiging van +/- 140 mm na +/- 400 minuten. De balken buigen maximaal 134 mm door na +/- 160 minuten met een residuele waarde van +/- 105 mm na +/- 300 minuten. De langskracht in de centrale kolommen neemt toe en bereikt een maximale waarde na +/- 60 minuten. Deze toename is het gevolg van de verhindering van de thermische uitzetting van de kolommen door de omringende balken. Na +/- 120 minuten wordt de langskracht kleiner dan de initiële waarde. Verder zien we dat bij blootstelling aan brand het buitenste deel van de kolom uitzet, terwijl het binnenste deel nog koud is. Hierdoor zullen de drukspanningen in het binnenste deel veranderen in trekspanningen. Zelfs in de afkoelfase beweegt de thermische gradiënt zich verder naar binnen en verwarmt het binnenste deel, terwijl het buitenste deel begint af te koelen. Hierdoor wordt trek geïntroduceerd in het buitenste deel, terwijl het binnenste deel terug onder druk komt te staan. De hoekstaven worden na +/- 300 minuten op trek belast terwijl de andere staven op druk blijven werken (fig. 4).
De analyse toont ook aan dat in de draagvloeren druk- en trekmembraanwerking geactiveerd worden door de thermische uitzetting van de vloeren die verhinderd worden door de omringende balken. Maar ook de gedeeltelijk verhinderde hoekrotatie van de vloerranden, vanwege het doorbuigen van de vloeren, activeert membraanwerkingen. In het midden van de vloeroverspanningen ontstaan trekmembraankrachten die worden weerstaan door drukmembraankrachten langs de balken. De verdeling van de membraankrachten wordt weergegeven in fig. 5. De drukkrachten worden weergegeven door donkere dikke lijnen, de trekkrachten door lichte dunne lijnen. De membraanwerking heeft een positief effect op het draagvermogen van de vloer dat niet kan aangetoond worden met een vereenvoudigde berekeningsmethode. De membraanwerking zorgt voor een herverdeling van de krachten en resulteert in een tweede draagweg. Dit is ook mogelijk door bijvoorbeeld de belasting op een kolom die blootgesteld wordt aan brand af te voeren via een doorgaande ligger naar naburige kolommen. Op die manier wordt voortschrijdende instorting vermeden.
We kunnen besluiten dat Fire Safety Engineering toepasbaar is op betonconstructies. FSE kan vooral interessant zijn voor gebouwen met grote open ruimtes, gebouwen die blootgesteld worden aan een lage thermische belasting, gebouwen met open gevels – zoals parkeergarages – en voor gebouwen met een complexe draagstructuur. Verwacht wordt dat FSE meer en meer gebruikt zal worden om de brandveiligheid van dit soort gebouwen te beoordelen. (BHE)
Referenties/bronnen:
[1] FEBELCEM, Brandveiligheid en betonconstructies, 2007
[2] ISO 24679-1:2019, Fire safety engineering – Performance of structures in fire – Part 1: General
[3] Performance criteria for performance based fire design of concrete and composite structures, Proceedings of the International Conference of Applications of Structural Fire Engineering, 9-11 June 2021, Ljubljana, Ruben Van Coile et al.
[4] NBN EN 1991-1-2:2003+ANB:2008
[5] NBN EN 1992-1-2005+ANB:2010 4
[6] Analysis of a concrete building exposed to natural fire, Proceedings of the International Conference of Applications of Structural Fire Engineering, 15-16 October 2015, Dubrovnik, Jean-Marc Franssen et al.
[7] ISO/TR 24679-6:2017, Fire safety engineering – Performance of structures in fire – Part 6: Example of an eight-storey office concrete building
[8] Fire resistance and burnout resistance of reinforced concrete columns, Elsevier Fire Safety Journal 104 (2019), Thomas Gernay
[9] Fire resistance and burnout resistance of timber columns, Elsevier Fire Safety Journal 122 (2021), Thomas Gernay
1 Voor OZONE, zie https://www.uee.uliege.be/cms/c_2383494/fr/ozone-v2
2 Voor FDS, zie https://fdstutorial.com/ Voor Smartfire, zie https://fseg.gre.ac.uk/smartfire/ Voor Fluent, zie https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent
3 Voor SAFIR, https://www.uee.uliege.be/cms/c_6331644/en/safir Voor ANSYS, https://www.ansys.com/ Voor DIANA, https://dianafea.com/
4 Ondertussen is NBN EN 1992-1-2 ANB:2021 door het NBN gepubliceerd als norm. Deze zal binnenkort ook opgenomen worden in de brandwetgeving.
