Fire safety engineering creëert ontwerpvrijheid

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.