Gedrag van staalconstructies bij brand

^{Kantoor- en laboratoriumgebouw Matrix ONE, Amsterdam (MVRDV, IMd, © Daria Scagliola).}

Bij brand wordt een staalconstructie warmer en nemen de sterkte en stijfheid van staal af.

Afname van de vloeigrens van staal bij brand.

Kritieke staaltemperatuur
Als de vloeigrens afneemt tot het spanningsniveau dat in de constructie heerst bij de aanwezige belastingen, dan bezwijkt de constructie. De staaltemperatuur waarbij dit gebeurt, heet de kritieke staaltemperatuur.
Om aan een bepaalde eis voor brandwerendheid te voldoen, moet de staaltemperatuur lager of gelijk zijn aan de kritieke staaltemperatuur. Of dit zo is, hangt af van de opwarmsnelheid van het staal.

Brandwerendheid van onbeklede staalconstructies, bepaald door de kritieke temperatuur en de opwarmsnelheid. In deze grafiek wordt een eis van 30 minuten gehaald, omdat de staaltemperatuur na 30 minuten (630 ˚C) lager is dan de kritieke temperatuur (700 ˚C).

De kritieke temperatuur wordt bepaald door de belastingen bij brand en door de manier waarop de constructie is ontworpen bij kamertemperatuur (normale gebruikstemperatuur).

Belastinggraad
De belastinggraad is de verhouding tussen de optredende belasting bij brand en de maximaal opneembare belasting bij kamertemperatuur. De belastinggraad heeft een directe relatie met de kritieke temperatuur.

Een correctiefactor brengt bij liggers op buiging de invloed in rekening van de manier waarop het profiel onder een betonvloer wordt verhit (en van de eventuele afscherming bij de opleggingen).

Wanneer knik of kip een rol speelt bij een kolom of ligger, wordt gekeken of de opneembare kracht in de opgewarmde constructie (rekening houdend met afgenomen sterkte en stijfheid) groter is dan de erop werkende kracht in het buitengewone belastinggeval brand. Ook op deze wijze is de kritieke staaltemperatuur af te leiden. Dat gaat echter niet rechtstreeks, omdat de E-modulus (stijfheid) hier een belangrijke rol speelt en sneller terugloopt bij opwarming dan de sterkte.

Profielfactor
Bij de opwarmsnelheid van onbeschermde staalconstructies speelt de massa per eenheid van lengte een belangrijke rol. Naarmate deze massa groter is, is meer energie nodig om het profiel op te warmen.
Daarnaast is het oppervlak van belang. Een gedrongen profiel warmt langzamer op dan een slank profiel. De geometrische factor die de opwarming bepaalt, wordt de profielfactor genoemd.

Invloed van de profielfactor P op de opwarmsnelheid en brandwerendheid.

De profielfactor P (of A_m/V) wordt gevonden door de aan brand blootgestelde omtrek te delen door het oppervlakte van de doorsnede van het profiel. Hoe hoger P, des te sneller het profiel opwarmt. In de grafiek heeft het gedrongen driezijdig verhitte profiel (HE300M) een lage P (39 m-¹), het slanke profiel (IPE120) een hoge P (251 m-¹)
De waarden van P zijn gegeven in tabellenboekjes. Voor buizen is de profielfactor gelijk aan 1000 gedeeld door de wanddikte (in mm).
Bij I- en H-profielen zónder brandwerende bescherming, is sprake van het ‘schaduweffect’. Hierbij wordt de warmtestraling naar de profieldelen tussen de flenzen deels afgeschermd. De profielfactor van I- en H-profielen wordt daarom bepaald door de profielfactor van een boxvormig omkleed profiel te nemen en te vermenigvuldigen met 0,9.

Bruggebouwen Oost en West, Den Haag (ZJA Architects & Engineers): de dragende vakwerken zijn opgebouwd uit gedrongen HD 440x422 profielen met hoge vloeigrens. De constructies bevinden zich buiten het gebouw, op afstand van de gevel, waardoor ze niet direct en niet aan alle zijden worden verhit. Met de computer is de opwarming van de staalconstructies berekend, volgens het natuurlijk verloop van brand. Na 120 minuten (de vereiste brandwerendheid volgens Bouwbesluit 1992) bedraagt de staaltemperatuur maximaal 320ºC, ver onder de kritieke staaltemperatuur van 550ºC. Hierdoor mogen de vakwerken onbekleed blijven.

Bij beklede staalconstructies bepalen de dikte en de thermische eigenschappen van het bekledingsmateriaal samen met de profielfactor de opwarmsnelheid van het staalprofiel.

Warm aanbevolen Ontwerpen Ontwikkeling van een brand Bepalingsmethoden Dimensioneren Eisen 4a Kritieke staaltemperatuur van kolommen (tabel) 5a. kritieke staaltemperatuur van liggers Benuttingsgraad Veilige benadering benuttingsgraad Materiaalgedrag Profielfactor Staaltemperatuur onbeschermde profielen Staaltemperatuur beschermde profielen Fire Safety Engineering (FSE) Fire Safety Engineering (FSE) Regelgeving NEN 6069 Beproeving en klassering van de brandwerendheid van bouwdelen en bouwproducten, 2020 NEN-EN 1991-1-2 Eurocode 1. Belastingen op constructies. Deel 1-2. Algemene belastingen. Belasting bij brand, 2011 + C3, 2019 en Nationale Bijlage, 2019 NEN-EN 2 Brandklassen, 1994, + A1, 2004 Publicaties Fire (Eurocode 3) boek, Bouwen met Staal, 2021 Artikelen Grote brandproef demonstreert brandveiligheid staalplaat-betonvloer, Bouwen met Staal 201, p. 46-47 Nauwkeurige berekening maakt bekleding overbodig – Brandveiligheid Bruggebouwen West en Oost, Den Haag Bouwen met Staal 149 (1999), p. 52-56 Werkelijk gedrag van een staalconstructie bij brand onderzocht, Bouwen met Staal 141 (1998), p. 27-31 Brandwerendheid van staalconstructies, Bouwen met Staal 110 (1993), p. 9-15 Evaluatie van een brand in een stalen verdiepinggebouw in Broadgate, Bouwen met Staal 104 (1992), p. 11-15