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

FSE systeembenadering volgens natuurlijke brand

Brandweerkazerne Berkel en Rodenrijs

De geometrie in combinatie met de lage vuurbelasting, maakt dat een brand in deze brandweerkazerne zich in werkelijkheid traag ontwikkelt.  Een serie tests volgens het natuurlijk-brandconcept heeft aangetoond dat de staalconstructie geen brandwerende bekleding nodig heeft. De geometrie van het gebouw en de vuurbelasting die bij brand werkelijk optreedt, maken dat de hoofddraagconstructie ten minste 90 minuten standhoudt. Bij een eis van 60 minuten brandwerendheid (na aftrek van 30 minuten vanwege de geringe permanente vuurbelasting), blijft de staalconstructie onbehandeld in het zicht. Een deel van de constructie – een portaal met vakwerken – staat buiten het gebouw.

Bruggebouwen West en Oost, Den Haag

West:

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

Oost:

  • zes tot negen bouwlagen
  • start bouw: juni 1999, oplevering: juni 2000

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.

Rembrandttoren, Amsterdam FSE-studie

  • 135 m hoog, 35 bouwlagen w.v. 20 kantoor, 52.000 m2, w.v. 30.000 m2 kantoor
  • start bouw: november 1991 (start staalconstructie: september 1993), oplevering: juni 1995
  • FSE – systeembenadering met natuurlijke brand

In de jaren ’90 was de Rembrandttoren het eerste gebouw met een staalskelet dat in Nederland de 100 m-grens passeerde. Aanleiding voor staalskeletbouw waren de korte bouwtijd, het geringe constructiegewicht en de beperkte constructiehoogte.

Constructie

Het staalskelet bestaat uit verdiepinghoge kolommen in de gevelzone (HE- en HD-profielen) en liggers (HE 280AA) met staalplaat-betonvloeren. Op de kantoorverdiepingen overspannen de liggers 9 m van kern tot gevel. De kern is van gestort beton.

Brandveiligheid

Uitgangspunten

Voor gebouwen boven 70 m gaf (en geeft) het Bouwbesluit geen prestatie-eisen. Bovendien ontbraken richtlijnen als ‘Brandveiligheid in hoge gebouwen’ (SBR, 2005). =. Om bezwijken van de toren te voorkomen, werd 120 minuten brandwerendheid geëist voor de hoofddraagconstructie en 60 minuten voor de vloeren, in combinatie met onder meer sprinklers, brandmelding (volledige detectie door rookmelders), brandslaghaspels, blussysteem voor brandweer, brandweerliften en noodverlichting. De kolommen en liggers zijn bekleed met 20 mm brandwerende plaat. In de cannalures van de vloeren is om de 0,6 m een wapeningsstaaf gelegd.

Aanpak

Als onderdeel van zijn afstudeeronderzoek ‘Brandveilig ontwerpen van hoogbouwconstructies’ aan de TU Delft in 2001, ontwikkelde Pascal Steenbakkers een alternatieve aanpak van de brandveiligheid, volgens het natuurlijk-brandconcept.

Met het computerprogramma DIANA is een FE-model van het constructiesysteem ontwikkeld. Hierin is een volledig ontwikkelde, natuurlijke brand in een representatief brandcompartiment gesimuleerd. Als brandcompartiment is de 21ste verdiepingsvloer van de Rembranddtoren gemodelleerd: een ononderbroken kantoorruimte van 32,4x32,4 m, exclusief kern en inclusief gevelkolommen. Juist op deze verdieping zouden de kolommen het meest onder brand te lijden hebben.

De brandontwikkeling is gemodelleerd in het programma Ozone. De resultaten hiervan vormden de input voor het FE-model.

Resultaten

Uit de berekeningen blijkt dat de vloeren en liggers de vereiste 120 minuten brandwerendheid óók halen zonder aanvullende brandwerende bescherming. Dat brengt een kostenbesparing van naar schatting 540.000 Euro met zich (prijspeil 2001). Het beschermen van de gevelkolommen (via 20 mm Promatect) blijft echter nodig.

Ook is aangetoond dat bij brand – als gevolg van de herverdeling van belastingen – extra hoge spanningen ontstaan in het betondek van de vloerdelen bij de hoekkolommen. Om bezwijken, maar ook afspatten van beton te voorkomen, zijn hier extra voorzieningen noodzakelijk, bijvoorbeeld door ter plaatse van de aansluitingen extra wapening in cannelures van de vloer aan te brengen . Bij een analyse op componentenniveau zou dit nooit boven water zijn gekomen.

Supermarkt, Esch surAlzette (Luxemburg)

  • eenlaagse hal winkelfunctie, hoogte 9,13 m, grondvlak 28,51x48,16 m
  • 2003
  • FSE – systeembenadering met natuurlijke brand

Deze middelgrote supermarkt is onderdeel van winkelcentrum Cactus en markeert de overgang van hoge gebouwen naar eengezinswoningen in het stadscentrum van Esch sur Alzette. De wens van de eigenaar – een a-typische markthal – is vertaald in een ruimtelijke staalconstructie met glaswanden in de kopgevels.

Constructie

De halconstructie bestaat uit zes stalen portalen met een totale overspanning van 20 m en een maximale hoogte van 9,13 m. Elk portaal is opgebouwd uit 7,55 m hoge HE500 B kolommen (in staalkwaliteit S235) en max. 590 mm hoge gebogen raatliggers van HEB 450 profielen (S235). De gaten in de ligger zijn 400 mm diameter en liggen 600 mm h.o.h. Op de portalen rusten gordingen (IPE 200) met een geïsoleerde stalen dakbeplating.
De stabiliteit in langsrichting wordt verzorgd door de portalen. In dwarsrichting komt de stabiliteit voor rekening van een schoor in beide kopgevels.

Brandveiligheid

Uitgangspunten

Vanwege de hoogte (meer dan 9 m), de winkelfunctie en de direct omliggende (winkel)bebouwing werd een eis van 90 minuten brandwerendheid aan de constructie gesteld. Na goedkeuring door de gemeente ging adviseur ProfilArbed-Research aan de slag met het natuurlijk brandconcept om de brandwerendheid van de constructie vast te stellen. Dit gebeurde volgens EN 1991-1-2 en op basis van een karakteristieke vuurbelasting van 730 MJ/m2.
Rekening werd gehouden met de effecten van een rookafvoerinstallatie en een automatische brandmeldinstallatie met doormelding aan de brandweer. Vanwege de beperkte gebouwomvang was een sprinkler geen logische optie.

Aanpak

De temperatuurontwikkeling en de staaltemperatuur bij natuurlijke brand zijn berekend met het computerprogramma Ozone. Lokale temperatuurstijgingen zijn geregistreerd volgens de Hasemi-methode. De analyse van brekend glas in de kopgevels is uitgevoerd aan de hand van simulaties. De staaltemperatuur van de kolommen bleek lokaal op te lopen tot 880 ºC. Via een 3D eindige-elementenanalyse is de thermische response van de staalconstructie als geheel bepaald. Hierbij is een volledig driedimensionaal model van het gebouw in het programma SAFIR ingezet.

Resultaat

Door FSE met natuurlijke brand is aangetoond dat de kolommen en liggers zonder brandwerende bekleding 90 minuten natuurlijke brand kunnen weerstaan. Wel zijn de lassen in de raatliggers verzwaard van 3 tot 5 mm.

  • Brandveiligheidsadvies: ProfilArbed-Research
  • Architectuur: Paczowski Fritsch Associés
  • Constructief ontwerp: Schroeder & Associés
  • Toelichting brandveiligheid

Parkeergarage Ziekenhuis Rijnstate, Arnhem

  • 11.500 m2, vier bouwlagen
  • start bouw: september 2004, oplevering: juli 2005

Voor het bepalen van de brandwerendheid van het vrijwel geheel open staalskelet is een brand gesimuleerd, waarbij drie auto’s zijn betrokken. Na 30 minuten bedroeg het brandvermogen slechts 12 MW. Daarna nam het brandvermogen nog nauwelijks toe, omdat de brand tot de drie auto’s beperkt bleef. Bovendien wordt de hitte via de open gevels op een natuurlijke manier afgevoerd (convectie), waardoor de thermische belasting van de constructie door brand laag uitvalt. De temperatuur van het staal zal minder snel stijgen, dan volgens de standaard-brandkromme. Op grond van dit realistische scenario heeft de gemeente de brandwerendheidseis gesteld op 30 minuten (in plaats van 60 minuten). Bij deze eis is de staalconstructie onbehandeld gebleven.