Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Brandveilig ontwerpen, dimensioneren en beoordelen van staalconstructies

Kantoren

Hallen

Woningen

Hoogbouw

Parkeergarages

FSE

Kantoren

Bruggebouwen West en Oost, Den Haag

West:

  • zes bouwlagen
  • start bouw: mei 1996, oplevering: augustus 1997

Oost:

Constructie

Beide bruggebouwen worden 'in de lucht gehouden' door slanke stalen vakwerkconstructies aan beide langszijden, op 2,8 en 0,3 m buiten de gevels. Elke vakwerkconstructie bestaat uit twee verticale vakwerken (portalen) bij de kernen met daartussen een vakwerkligger. Alle staven zijn HD 440x422 profielen met een hoge vloeigrens. De constructie dient als tafel voor de kantoorverdiepingen: dragende prefab betonnen binnenspouwbladen en kanaalplaatvloeren. De vloeren dragen de  horizontale belastingen af naar de kernen (schrijfwerking). De verticale vakwerken verzorgen de stabiliteit in langsrichting. Voor stabiliteit in dwarsrichting werken de vakwerkstijlen constructief samen met de vloerschijven.

Brandveiligheid

Uitgangspunten

De standaard-brandkromme is doorgaans geen realistische methode voor het bepalen van de brandwerendheid van staalconstructies buiten een gebouw. Bij brand worden deze constructies meestal niet aan alle zijden verhit. Door de relatief koele buitenlucht geeft de constructie de warmte bovendien snel af via convectie en straling én door de verhoogde luchtsnelheden bij een brand. Deze verzameling factoren maakt dat de temperatuur van de constructie – zónder brandwerende bescherming – veel minder hoog oploopt dan de standaard-brandkromme veronderstelt. De brandwerendheid van de constructie is daarmee ook hoger.

Vanuit deze filosofie is de brandwerendheid van de stalen vakwerkconstructies buiten de langsgevels van de Bruggebouwen West en Oost in Den Haag bepaald met een natuurlijke brandberekening.

Uitgangspunt hierbij was de wens van de architect voor onbeklede constructies, ingegeven door esthetische overwegingen en een mogelijk forse kostenbesparing op brandwerende bekleding. De eis volgens het toen geldende Bouwbesluit 1992 was 120 minuten brandwerendheid voor de hoofddraagconstructie, waarvan de vakwerken deel uitmaken.

Aanpak

Om de brandwerendheid van de vakwerken te bepalen, zijn bij beide projecten deze vijf stappen doorlopen:

  1. modelleren van een volledig ontwikkelde brand in een representatief brandcompartiment;
  2. berekenen van de maximum temperatuur in de brandruimte én berekenen van de temperatuur en grootte van vlammen die uit de gevelopeningen slaan;
  3. berekenen van de warmtelast (straling en eventuele convectie) op het vakwerk door de brand in het compartiment én door de uitslaande vlammen;
  4. berekenen van de opwarming gedurende de vereiste 120 minuten en de maximum temperatuur van het staal voor een representatief deel van het vakwerk;
  5. beoordelen of de maximum staaltemperatuur (na 120 minuten) lager is dan de kritieke staaltemperatuur.

Na 120 minuten bedroeg de temperatuur van het staal (HD 400-profielen met hoge vloeigrens) 320 ºC, ver onder de kritieke temparatuur van 550 ºC. 

Resultaat

Hiermee mochten de vakwerkliggers onbeschermd worden uitgevoerd. De vakwerkportalen (onderdeel van de stabiliteitsconstructie) buiten de kernen mochten onbeschermd blijven, vanwege de aanwezigheid van een tweede draagweg (namelijk de andere kern) en de gereduceerde windbelasting bij brand.

De berekende temperatuurverdeling in het beschouwde, representatieve deel van de vakwerkconstructie na 120 minuten natuurlijke brand. De diagonale staaf van het vakwerk is hierbij gemodelleerd in een Z-vorm.

State Street Building Kirchberg, Luxemburg-stad

  • 21,6 m hoog, vier bouwlagen (kantoor) + drie ondergrondse lagen (parkeren), grondvlak: 63x38,8 m
  • start bouw: 2000, oplevering: 2001
  • FSE – componentenbenadering met natuurlijke brand

Het State Street Building maakt deel uit van het nieuwe zakencentrum op de Kirchberg, een heuvel bij het centrum van Luxemburg stad. In het vierlaagse gebouw houdt onder meer de State Street Bank van Luxemburg kantoor.

Constructie

De staalconstructie van het kantoorgebouw bestaat uit verdiepinghoge portalen. Van begane grond tot eerste verdieping wordt 4,5 m overspannen, daarna volgt 4,2 m per bouwlaag. In de breedte bedragen de overspanningen 15,15 m, 8,5 m en weer 15,15 m. De portalen staan op een onderlinge afstand van 4,5 m.

De 36 cm dikke verdiepingvloeren zijn gemaakt van gestort beton (kwaliteit C30/37) met een afwerklaag. De vloeren rusten op staal-betonliggers. De staalprofielen bezitten staalkwaliteit S355, waar de vloer 8,5 m overspant en S460 voor de overspanningen van 15,5 m. De profielen werken via deuvels samen met het beton. De kolommen zijn eveneens van staal-beton: staalprofielen (S355) met beton tussen de flenzen. De kolommen beslaan steeds twee bouwlagen.

De horizontale stabliteit van het geheel wordt verzorgd door betonnen kernen, waarin de trappenhuizen en liften zijn ondergebracht.

Brandveiligheid

Uitgangspunten

Voor de hoofddraagconstructie van het vierlaagse kantoorgebouw gold een brandwerendheidseis van 90 minuten. Dezelfde eis werd gesteld aan de ondergrondse drielaagse parkeergarage.

Na goedkeuring door de plaatselijke autoriteiten, paste de researchafdeling ProfilArbed – brandveiligheidsadviseur in het project – het natuurlijk-brandconcept toe voor het bepalen van de constructieve brandwerendheid. Dit gebeurde aan de hand van de EN 1991-1-2 en rekening houdend met een karakteristieke vuurbelasting in het kantoor van 511 MJ/m2. Daarnaast werden de effecten van actieve brandbeveiligingsmaatregelen meegenomen: automatische alarmering en doormelding naar de brandweer en rookafvoer. Een sprinklerinstallatie bleef achterwege.

Aanpak

De temperatuurontwikkeling tijdens natuurlijke brand werd berekend met het programma OZone. Een serie simulaties werd uitgevoerd binnen verschillende compartimenten en bij verschillende maatgevende scenario’s van branddoorslag door de glasgevels. Hierbij bereikten de IPE-600 profielen een staaltemperatuur van maximaal 850 °C. Een 2D eindige elementen analyse bracht de uitwerking op de constructie als geheel in kaart. Ceficoss – een brandberekeningsprogramma van de Universiteit van Luik – werd ingezet om het bij brand zwaarst belaste raamwerk te simuleren.

Resultaat

De natuurlijke brand-aanpak leidde tot enkele aanvullende constructieve maatregelen. De liggers zijn voorzien van een verlengde eindplaat met een rij boutverbindingen aan de staal-betonkolommen. Dit verzekert de overdracht van de (gereduceerde) schuifkrachten tijdens brand. De negatieve momentcapaciteit kan worden geactiveerd door de extra vloerwapening ter plaatse van het middensteunpunt. Dankzij deze constructieve extra’s zijn de liggers geheel onbekleed gebleven. De kolommen kunnen toe met een gedeeltelijke bekleding. In de parkeergarage zijn de kolommen en liggers deels ingestort.

  • Brandveiligheidsadvies: ProfilArbed (nu: ArcelorMittal) Research
  • Architectuur: Atelier a=u
  • Constructief ontwerp: Schroeder & Associés en TR-Engineering
  • Toelichting FSE