Staaltemperatuur beschermde profielen
Stadskantoor Delft (Mecanoo Architecten, ABT, BAM Advies & Engineering, Hollandia).
Bij beschermde profielen hangt de ontwikkeling van de temperatuur in het staalprofiel – behalve van de profielfactor P – vooral af van de dikte en het isolerend vermogen van het bekledingsmateriaal.
Het isolerend vermogen van een bekleding wordt bepaald door de dikte én door de thermische eigenschappen van het bekledingsmateriaal en dan met name de warmtegeleidingscoëfficiënt λi.
Deze coëfficiënt hangt in het algemeen sterk af van de temperatuur en wijzigt dus tijdens de brand. Het constructieonderdeel waarop de bekleding is bevestigd, kan vervormen of doorbuigen. In dat geval is het mechanisch gedrag van het bekledingsmateriaal van belang, omdat door vervorming scheuren en/of kieren in de bekleding kunnen ontstaan.
Een belangrijke invloed hebben ook de uitvoeringsdetails, zoals het aantal en het type van de verbindingsmiddelen, naast de vormgeving en de afscherming van de naden. Deze uitvoeringsaspecten zijn langs theoretische weg niet te beoordelen.
Daarom schrijven de normen EN 13381-4 (platen en mortels) en EN 13381-8 (opschuimende coating) proeven voor op zowel belaste als onbelaste staalprofielen. Hiermee zijn de bij brand maatgevende thermische eigenschappen van de bekleding te bepalen, rekening houdend met de bij de relevante uitvoering behorende vervormingen en wijziging van eigenschappen.
Op basis hiervan hebben leveranciers rapporten laten opstellen door testinstituten, waaruit de benodigde bekledingsdikten volgen voor een gegeven brandwerendheid, profielfactor en kritieke staaltemperatuur. Doorgaans zijn dit ETA-rapporten op basis van vrijwillige CE-markering. Rapporten met testen op basis van andere (oudere) normen zijn niet geldig.
Voor elk materiaal geldt een specifiek toepassingsgebied met bekledingsdikten en profielfactoren.
De berekening van de staaltemperatuur θa berust op een tijdstapmethode; een berekening die met de hand niet goed mogelijk is. Met een geschikt computerprogramma is de staaltemperatuur echter eenvoudig te berekenen.
Handberekening
Met een eenvoudige handberekening is het mogelijk een indruk te krijgen van de benodigde bekledingsdikte. Daartoe wordt gebruik gemaakt van de conservatieve waarden van de materiaaleigenschappen volgens de onderstaande tabel. Deze waarden gelden binnen het temperatuurbereik waarvoor brandproeven zijn uitgevoerd. De handberekening staat niet aangegeven in NEN-EN 1993-1-2, maar geeft in het algemeen een veilige benadering van de benodigde bekledingsdikte.
| materiaal |
λi |
ρi |
ci |
|
(W/mK) |
(kg/m3) |
(J/kgK) |
| kokervormige beplating |
|
| vezelversterkte gipsplaat |
0,20 |
800 |
1700 |
| silicaatplaat |
0,15 |
600 |
1200 |
| vermiculietplaat |
0,15 |
800 |
1200 |
| steenwolplaat |
0,20 |
150 |
1200 |
| profielvolgende bespuiting |
|
| mineraalvezels |
0,12 |
300 |
1200 |
| vermiculiet |
0,12 |
550 |
1100 |
Materiaaleigenschappen van enkele bekledingsmaterialen
Afhankelijk van de kritieke temperatuur, de brandwerendheidseis en de profielfactor is met bovenstaande grafieken de benodigde warmteweerstand van het isolatiemateriaal R=d/λi af te lezen. Hieruit volgt de benodigde dikte d van het gekozen isolatiemateriaal met de materiaaleigenschappen (warmtegeleidingscoëfficiënt λi) uit de bovenstaande tabel.
In de grafieken is de invloed van de warmtecapaciteit en van het vochtgehalte van het bekledingsmateriaal niet verwerkt, zodat de benadering een veilige uitkomst oplevert.
De ECCS (European Convention for Constructional Steelwork) heeft Nomogrammen uitgegeven, waarmee in het kader van een ontwerpberekening rechtstreeks een benadering van de benodigde bekledingsdikte kan worden verkregen.
In de Nomogrammen geven de zwarte lijnen voor beschemde profielen het verband tussen de temperatuur en de tijd als functie van de ‘gemodificeerde’ profielfactor. Dit is de profielfactor waarin het effect van de bescherming verdisconteerd is.
Uit deze gemodificeerde profielfactor is de benodigde bekledingsdikte te bepalen:
Deze met de nomogram bepaalde dikte mag nog gereduceerd worden met een reductiefactor:
 |
met |
 |
(i = isolatie; a = staal) |
Deze reductiefactor brengt het warmte-accumulerend effect in rekening, dat met name bij dikkere bekledingen een rol speelt.
