Tim_Fire Safety_banner_basis
14 november 2017

Fire safety engineering creëert ontwerpvrijheid

Fire safety engineering (FSE) is in te zetten voor het realistisch beschouwen van in principe alle aspecten die met brandveiligheid te maken hebben. Dit kan veel invloed hebben op een ontwerp!  

Standaardbrandkromme
Van oudsher worden constructies beoordeeld op basis van de zogenaamde ‘standaardbrandkromme’. In werkelijkheid is het verloop van een brand alles behalve standaard:

-    In het begin is een brand vaak juist heviger dan het veronderstelde standaard verloop van de temperatuur;
-    Later neemt het brandvermogen en daarmee de temperatuur van een brand veelal snel af, afhankelijk van de hoeveelheid en typen brandbare materialen. 

FSE
Fire Safety Engineering (FSE) van constructies verschilt op twee vlakken met de standaard beschouwing:

-    Thermisch – door geen ‘universele’ standaard brandkromme toe te passen, maar meer realistische brandomstandigheden voor de specifieke situatie;
-    Mechanisch – door het betreffende constructieonderdeel niet als op zichzelf staande component te benaderen, maar als onderdeel van de hele constructie. 

Tegenwoordig zijn er methoden, zoals vermeld in de Eurocode, die een meer realistische benadering mogelijk maken op basis van een natuurlijke brand.

Gevelkolom
In veel gebouwen is een open en transparant karakter gewenst. Dit vertaalt zich vaak in gevels met veel glas en vides, waar nagenoeg geen objecten aan liggen. Bij een eventuele brand bevindt de brandhaard zich dus altijd op enige afstand van de gevel, wat de gevelkolom bijzonder geschikt maakt voor een beschouwing met FSE. De in werkelijkheid te verwachten thermische belasting op de kolom wijkt tenslotte aanzienlijk af van de ‘standaard’ brand. Een voorbeeld van de constructieve brandveiligheid van een denkbeeldige gevelkolom!

Afbeelding: Grafiek Tim FSE blog

Voorbeeld: brandende vergaderzaal
Eén mogelijk brandscenario betreft een aan de gevel gelegen brandende vergaderzaal met een totale vuurlast van circa 13.000 MJ. De grafiek hierboven toont de bij de kolom heersende thermische condities volgens een natuurlijke brand en ter vergelijk ook de standaard brandkromme. Om het verschil met een gebruikelijke berekening beter te laten zien, is een gevel beschouwd waarin stalen gevelkolommen grotendeels buiten het gebouw vallen en voor een klein deel daarbinnen. Dit zorgt bij verhitting door brand voor een temperatuurverdeling over de doorsnede van de kolom die niet uniform is. Hiervoor is de staaltemperatuur over de doorsnede van de gevelkolom voor elk tijdstip bepaald, waarbij rekening is gehouden met de thermische condities uit de grafieken: 

-    zichtfactor van de gevelkolom naar de brandhaard;
-    emissiefactor van het staaloppervlak;
-    emissiefactor van de vlammen;
-    constante van Stephan Boltzmann;
-    warmteoverdrachtscoëfficiënt voor convectie;
-    geleidingscoëfficiënt van het staal.

De temperatuur aan de binnenzijde is logischerwijs hoger dan die aan de buitenzijde van de kolom. Deze resultaten zijn gebruikt als input voor de bepaling van de mechanische respons.

Vervorming
Als gevolg van de niet-uniforme temperatuur is ook de afname van sterkte en stijfheid niet uniform over de doorsnede. De verschillende stukjes van de doorsnede leveren per tijdstip dus elk een verschillende bijdrage aan de sterkte en stabiliteit van de kolom. Met de veel gebruikte software Ozone, geschikt voor rekenen met natuurlijke branden, is het niet mogelijk een doorsnede met een niet-uniforme temperatuur te beschouwen. De weerstand tegen bezwijken van de kolom als geheel is voor de relevante bezwijkmechanismen getoetst met een eigen model. De zogenaamde ‘unity check’ van de combinatie buiging en axiale druk bleek maatgevend. Als gevolg van de opwarming verliest het staal niet alleen aan sterkte en stijfheid, het zet ook uit. Omdat de temperatuurverdeling niet uniform is, zullen in de doorsnede verhinderde of juist gedwongen vervormingen optreden met mechanische spanningen tot gevolg. Daarnaast zal uitzetting van de kolom leiden tot interactie met de aangrenzende constructieonderdelen. Maar omdat de staaltemperatuur zo laag blijft, kan worden volstaan met onbeschermde kolommen en is het niet nodig extra eisen aan het geveldetail te stellen.

Resultaat onder de streep
Met behulp van FSE kan zo een gevelontwerp worden gemaakt dat past binnen de randvoorwaarden van de verschillende disciplines en bovendien aanzienlijk goedkoper is dan het standaard ontwerp. Zo is er geen brandwerende coating en geen brandwerende kit en rugvulling meer nodig voor de gevelkolommen en hoeven er vanuit brandveiligheid geen aanvullende eisen aan het geveldetail gesteld te worden. Daarbij kunnen diverse toekomstige inspectiekosten worden voorkomen. Het toepassen van FSE geeft zowel thermisch als mechanisch meer inzicht in de situatie bij brand, wat een stimulans creëert voor verdere ontwikkeling van rekentechnieken en producten. Het mogelijk maken van een eenvoudiger ontwerp is niet alleen gunstig voor de portemonnee, het geeft ook flexibiliteit. De grootste winst is wellicht dat de architect meer ontwerpvrijheid heeft en beter aan de wensen van de opdrachtgever kan voldoen.

Reacties (1)

17-11-2017 20:20:09 Uw naam Robin van der Hoeven
Zeer interessante invalshoek. Mijns inziens zijn er, afgezien van gevelkolommen, meerdere situaties waarbij maatwerk m.b.v. FSE tot een realistischer beschouwing leidt.
Hoe overtuig je echter als adviseur het bevoegd gezag of concullega's dat hiermee een gelijkwaardige mate van veiligheid wordt geboden? De methodiek is niet gebruikelijk en niet voor iedereen te volgen. Op basis waarvan dient de beoordeling dan plaats te vinden? Vakinhoudelijke kennis en objectiviteit van de zijde van de beoordelende partij zijn essentiële randvoorwaarden.Wat als bij de beoordelende partij de vakinhoudelijke kennis en objectiviteit echter wordt overschaduwd door de onbekendheid met de toepaste methode? Maakt onbekend dan onbemind? Wordt het advies van de gelijkwaardigheid dan alleen maar langs de lat gelegd van de eigen ervaringen van de toetser? Net zoals FSE adviseurs hun kennis bijhouden en zich blijven ontwikkelen op dit vakgebied, dienen de toetsers van of namens het bevoegd gezag dit ook blijven doen.

Uw reactie

Deel dit bericht