Brandveiligheid
Hallen 30 minuten brandwerend met onbeschermd staal
Met een marktaandeel van 85 à 90% is staal het belangrijkste bouwmateriaal in de hallenbouw. De bestaande praktijk was tot nog toe dat er meestal geen brandwerendheidseis voor de staalconstructie van een hal gold. Het gebeurt echter steeds vaker dat de brandweer of het bouwtoezicht toch een – vaak onterechte – eis van 30 minuten brandwerendheid stellen, daarbij soms vooruit lopend op een aanpassing van het Bouwbesluit in 2000. Dit artikel bespreekt de achtergronden van deze ontwikkeling en geeft mogelijkheden aan om met een onbeschermde staalconstructie toch aan de eis te voldoen.
dr.ir. A.F. Hamerlinck Staalbouw Instituut, Rotterdam 46
Over het gedrag van constructies bij brand is veel bekend. Terecht beschouwt de TGB 1990 brand daarom als een bijzonder belastinggeval. Toch benaderen velen dit onderwerp tot op de dag van vandaag met de nodige emotie. Iedereen kent de journaalbeelden van afgebrande industriehallen en landbouwloodsen: rokende puinhopen met tot spaghetti-slierten verwrongen stalen profielen. De nieuwslezer verklaart meestal dat er geen slachtoffers zijn te betreuren, wat een geluk bij een ongeluk lijkt! Maar zo toevallig is dat niet, omdat bij brand de aanwezige personen vaak gemakkelijk en snel het gebouw kunnen ontvluchten. En als er al slachtoffers vallen, is dat bijna nooit het gevolg van een instorting, maar vrijwel altijd van een explosie of van rookontwikkeling. De brandwerendheid van een onbeschermde staalconstructie bedraagt altijd minimaal 15 tot 20 minuten, en dat is ruimschoots voldoende om de hal veilig te kunnen ontvluchten. Overigens hebben de eisen in het Bouwbesluit uitsluitend betrekking op het voorkomen van slachtoffers en het uitbreiden van de brand. Het beperken van de materiële schade is géén taak van de overheid. Bij brand in hallen en loodsen vallen dus bijna nooit slachtoffers. Het heeft daarom weinig zin bij dergelijke gebouwen eisen te stellen aan de constructieve veiligheid bij brand: dat verhoogt de veiligheid voor mensen niet en het verlaagt ook de brandschade niet. De brandschade hangt immers voornamelijk af de aard van de gebouwinhoud en nauwelijks van de constructie. Na een hevige brand volgt vrijwel altijd sloop, onge-
acht het bouwmateriaal en de brandwerendheid van de constructie. Extra kosten om de brandwerendheid van hallen en loodsen te verhogen zijn kapitaalvernietiging. Daarom is het effectiever dergelijke gebouwen te compartimenteren of een sprinklerinstallatie aan te leggen om zo de schade bij brand te beperken.
Brandwerendheidseisen De eisen aan de brandwerendheid van de constructie voor alle niet tot bewoning bestemde gebouwen – waaronder industriële gebouwen (lees: hallen) – staan in het Bouwbesluit (zie afbeelding). Een hal is in principe niet bedoeld voor overnachting, waardoor er volgens art. 174 geen eis geldt voor de hoofddraagconstructie. Toch kan in drie gevallen een eis van 30 minuten brandwerendheid worden gesteld, namelijk: • bij brandoverslag naar andere gebouwen; • bij brandcompartimentering; • in verband met ontvluchten. Het huidige Bouwbesluit geeft geen eisen voor de grootte van brand- en rookcompartimenten (ontvluchting). Daarom is een exacte beschrijving van deze eisen (nog) niet mogelijk. De eisen aan de grootte van brandcompartimenten en vluchtafstanden liggen al wel vast in de conceptteksten voor de tweede fase van het Bouwbesluit, die mogelijk in 2000 van kracht worden. De filosofie van het Bouwbesluit is eerder besproken in Bouwen met Staal 134. In dat artikel1 is ook uiteengezet wanneer er in de drie bovengenoemde gevallen toch brandBOUWEN MET STAAL 146, januari/februari 1999
Staalconstructie buiten de hal. Dak en gevel schermen de constructie af tegen brand, waarmee via het gelijkwaardigheidsbeginsel aan de brandwerendheidseis voldaan wordt.
De standaardbrandkromme vormt de basis voor het 1000
beoordelen van de brandwerendheid van constructies. In gevallen met een geringe vuurbelasting is het moge-
temperatuur (°C)
standaardbrand
800
lijk om met een natuurlijke brandkromme aan te tonen dat de staalconstructie niet bezwijkt.
600
400 natuurlijke brand 25 kg vurenhout/m2
200
0 0
20
40
60
80
100
120
tijd t (min.)
Brandwerendheidseisen voor de hoofddraagconstructie kantoor
ziekenhuis, hotel
van ‘niet tot bewoning bestemde gebouwen’. De gegeven ≥ 13 m
hal
< 13 m
geen eis
geen eis
60 min.
werendheidseisen aan hallen en loodsen kunnen worden gesteld.
Gelijkwaardigheid De eisen in het Bouwbesluit zijn niet altijd toegesneden op de situatie in de praktijk. Het is dan zinvol op basis van gelijkwaardige veiligheid tot een beoordeling te komen. Dat is bijvoorbeeld het geval wanneer het werkelijke temperatuurverloop bij brand aanzienlijk afwijkt van dat bij de standaardbrand, waarop de eisen in het Bouwbesluit zijn gebaseerd. De standaardbrand geeft immers uitsluitend een redelijke beschrijving van de werkelijkheid voor relatief kleine ruimten (cellenkantoor) bij het verbranden van een onbeperkte hoeveelheid brandbaar materiaal. De gemeente beoordeelt of er sprake is van gelijkwaardigheid. Tijdig overleg met brandweer en bouwtoezicht is in dergelijke gevallen aan te raden. Twee voorbeelden. • Geringe vuurbelasting. Bij een specifiek gebruik van de hal – bijvoorbeeld de opslag van onbrandbare materialen – is het vaak niet nodig eisen te stellen aan de brandwerendheid. Als de hal bovendien geheel of grotendeels is gebouwd met onbrandbare materialen bestaat er geen gevaar voor bezwijken van de constructie. De vuurbelasting is immers gering! Indien de totale vuurbelasting niet groter is dan 10 kg vurenhout per m2, wat overeenkomt met een (standaard) brandduur van 10 minuten, is er geen eis. Een onbeklede staalconstructie heeft minimaal een brandwerendheid van 15 à 20 minuten en bezwijkt dus niet bij een dergelijke korte brand. BOUWEN MET STAAL 146, januari/februari 1999
90 min.
eisen voor hallen en tweelaagse kantoren vallen soms hoger uit in verband met brandoverslag naar andere
<5m
120 min.
• Constructie staat buiten. Voor een hoofddraagconstructie die zich buiten het gebouw bevindt (zie foto), gelden onder bepaalde voorwaarden geen brandwerendheidseisen. De belangrijkste voorwaarde is dat de constructie niet met de vlammen in aanraking komt. In dat geval is de warmtebelasting van de constructie vele malen geringer dan bij een standaardbrand. Doordat bovendien afkoeling aan de buitenlucht optreedt, blijft de staaltemperatuur ruimschoots onder de kritieke temperatuur.
Huidige praktijk Ondanks dat het huidige Bouwbesluit geen prestatie-eisen geeft voor vluchtafstanden en de grootte van brand- en rookcompartimenten voor hallen en loodsen, wordt er natuurlijk wel gebouwd. Daarbij is de bestaande praktijk dat er meestal geen brandwerendheidseis voor de staalconstructie van een hal geldt, indien: • het gebouw op een veilige afstand staat van andere gebouwen (een afstand van 15 tot 20 m is gebruikelijk); • de hal geen compartimenteringswanden heeft; • de vluchtroute in de hal kort is (voldoende vluchtdeuren).
gebouwen, compartimentering of ontvluchting.
Tweede fase Bouwbesluit De tekst van het Bouwbesluit fase 2 is door de Raad van State goedgekeurd en gepubliceerd in november 1998. Publicatie in de Staatscourant wordt pas in 2000 verwacht, in afwachting van een redactionele aanpassing van het Bouwbesluit fase 1. Hier in het kort de eisen in het Bouwbesluit fase 2 voor industriële gebouwen (hallen). • Geen eisen hoofddraagconstructie. • Maximale grootte brandcompartimenten 1000 m2 (of gelijkwaardigheid aantonen). • Weerstand tegen branddoorslag en brandoverslag (wbdbo) tussen brandcompartimenten binnen één hal 30 minuten; wbdbo tussen hallen 60 minuten. • Uitsluitend brandoverslag naar een fictief gebouw dat spiegelsymmetrisch ligt ten opzichte van de perceelsgrens (en niet naar bestaande gebouwen op het belendende perceel). • Gebouw met een oppervlakte minder dan 1000 m2 èn een vuurbelasting (gebouw + inhoud) minder dan 25 kg vurenhout per m2 is géén brandcompartiment (dus ook geen wbdbo-eisen). • Hetzelfde geldt voor kassen of vergelijkbare gebouwen met een oppervlakte groter dan > 1000 m2 èn een vuurbelasting minder dan 8 kg vurenhout per m2. • Maximale vluchtafstanden afhankelijk van bezettingsgraad (aantal m2 per persoon). Voor hallen geldt veelal de lichtste klasse (B5: > 30 m2 per persoon), met maximale afstanden van 40 m (niet-ingedeeld) respectievelijk 60 m (wel ingedeeld).
Het gebeurt steeds vaker dat de brandweer of het bouwtoezicht toch een eis van 30 minuten brandwerendheid stellen. In de discussie daarover spelen de volgende zaken een rol: • brandoverslag tussen twee hallen; • grootte van de brandcompartimenten; • brandveiligheidsconcept ‘Beheers47
Mogelijkheden om bij hallen aan
< 2,5 m
<< 2,5 m
de wbdbo-eis van 60 minuten te voldoen met een dichte gevel
30
30
30
(geen openingen). Voor de eenvoud is in de tekening geen rekening gehouden met eventuele
binnen/buiten
binnen/buiten
buiten/binnen
perceelsgrens
bestaande bebouwing.
30 buiten/binnen
60 binnen/buiten
Bij een dichte gevel is geen sprake van uitslaande vlammen. Daarom mag de afstand tot de perceelgrens minder bedragen dan 2,5 m.
60 buiten/binnen
Bij een zeer korte afstand tot de perceelgrens is er sprake van branddoorslag en is de 'sommatie-methode' van toepassing.
x binnen/buiten
baarheid van brand’ van het ministerie van Binnenlandse Zaken; • het boekje Een brandveilig gebouw bouwen van de Nederlandse Brandweer Federatie. Brandoverslag Er bestaat geen geschikte methode voor het bepalen van de brandoverslag tussen twee hallen. Weliswaar behandelt NEN 6068 dit onderwerp, maar deze norm is vooral bedoeld voor het bepalen van de brandoverslag tussen kantoorgebouwen. De methode uit NEN 6068 is niet geschikt voor gebouwen waarvan de gevel óf de draagconstructie een brandwerendheid heeft van minder dan 30 minuten. Wanneer deze methode toch wordt gebruikt voor hallen, leidt dat tot veel te grote ‘veilige’ afstanden: 40 m of meer is geen uitzondering. Deze uitkomst stemt niet overeen met de veilige afstand van 15 à 20 m die in het verleden is gehanteerd en in de praktijk acceptabel is gebleken. Het eisen van afstanden tussen hallen van ruim meer dan 20 m staat haaks op het streven van de overheid tot intensivering van het ruimtegebruik en past ook niet binnen de bestemmingsplannen van bedrijfsterreinen. Om een hal toch op de gebruikelijke afstand van 15 à 20 m te mogen bouwen, zouden gevels en de staalconstructie 30 minuten brandwerend moeten worden uitgevoerd. Deze situatie was voor het Staalbouw Instituut aanleiding een onderzoek te starten naar brandoverslag tussen hallen. De verwachting is dat kan worden aangetoond dat 20 m inderdaad een veilige afstand is tussen twee hallen. De resultaten worden medio 1999 verwacht en daarna aangeboden aan de normcommissie. Compartimentgrootte Als maximale compartimentgrootte werd en wordt nog steeds vaak een waarde van 2500 m2 gehanteerd. Met de invoe48
ring van de tweede fase Bouwbesluit – naar verwachting in 2000 (zie kader) – wordt deze grens verlaagd naar 1000 m2. Vooruitlopend op deze aanpassing, mede ingegeven door de toelichtende tekst bij art. 186 van het huidige Bouwbesluit, hanteert een toenemend aantal gemeenten al deze nieuwe verlaagde grenswaarde voor de compartimentgrootte. Dat betekent dat hallen hierdoor vaker dan in het verleden opgedeeld moeten worden in (kleinere) compartimenten, tenzij er andere maatregelen zijn getroffen zoals een sprinklerinstallatie of een rook- en warmteafvoerinstallatie. Het opdelen van een hal in twee of meer compartimenten heeft echter consequenties voor de draagconstructie. Die moet dan namelijk zo zijn ontworpen dat de brandmuur tussen de compartimenten voldoet aan een brandwerendheidseis van 30 minuten volgens het Bouwbesluit. Afgezien van de eisen aan de scheidende functie van de brandmuur zelf, kan dit betekenen dat de constructie van de hal en de brandmuur dezelfde brandwerendheid moet hebben. In de praktijk zoekt de constructeur meestal naar oplossingen waarbij het instorten van het ene compartiment binnen 30 minuten niet tot gevolg heeft dat ook het naastliggende compartiment of de brandmuur instort. Oplossingen hiervoor zijn1,6,7: • een dubbele rij kolommen ter plaatse van de brandmuur; • het toepassen van een breekverbinding (géén smeltbouten!); • het afvoeren van de maximale horizontale krachten die de instortende staalconstructie ter plaatse van de brandmuur uitoefent naar de staalconstructie in de andere compartimenten. De staalconstructie in de brandmuur moet dan worden beschermd met een isolerende bekleding of worden ‘ingemetseld’, waarmee aan de eis van 30 minuten wordt voldaan.
60 – x buiten/binnen
Brandbeveiligingsconcept Voor het ontwerpen van brandcompartimenten groter dan 1000 m2 heeft het ministerie van Binnenlandse Zaken het brandbeveiligingsconcept Beheersbaarheid van brand ontwikkeld4. Met dit concept is het mogelijk de maximale compartimentgrootte te bepalen, afhankelijk van de vuurbelasting, de aanwezigheid van sprinklers en de mogelijkheid van een binnenaanval door de brandweer. Voor sommige (productie)hallen met een lage vuurbelasting leidt deze methode tot het toelaten van grote (en soms zelfs onbeperkt grote) compartimenten. In de meeste (opslag)hallen is de vuurbelasting echter hoog of ten tijde van de bouw nog niet bekend. Voor deze hallen is de toegestane compartimentgrootte vaak aanzienlijk kleiner dan de ‘oude’ 2500 m2. De brandwerendheidseis (in minuten) aan de brandmuren ligt voor deze hallen dan in de orde van grootte van de vuurbelasting (in kg vurenhout per m2) en bedraagt meestal 120 minuten of zelfs meer. Een brandveilig gebouw bouwen De toetsende en ontwerpende praktijk maakt veelvuldig gebruik van de handige tabellen met brandveiligheidseisen uit het boekje Een brandveilig gebouw bouwen8. Maar in dit boek – zowel in de eerste als in de tweede druk – staan echter storende fouten voor wat betreft de eisen aan de hoofddraagconstructie. Niet elke gebruiker weet dat de Vereniging Nederlandse Gemeenten (de uitgever) een erratum9 heeft uitgebracht, waarin deze fouten zijn hersteld. Het toezenden van het erratum aan de brandweer of het bouwtoezicht is vaak voldoende om de (onterechte) eisen bij te stellen. Het erratum is vorig jaar als bijlage verzonden met Bouwen met Staal 141 en gratis te verkrijgen bij de Helpdesk van het Staalbouw Instituut.
BOUWEN MET STAAL 146, januari/februari 1999
brandcompartiment = rookcompartiment
Breng in een hal voldoende deuren aan, zodat de vluchtafstand beperkt blijft en de hal niet in rookcompartimenten hoeft te worden opgedeeld. Er is dan geen sprake van ‘vluchtmogelijkheid’, zodat er geen brandwerendheidseisen worden gesteld.
brandcompartiment vm
rookcomp. 1
rookcomp. 2
(vm = vluchtmogelijkheid)
30 minuten onbeschermd Bij een brandwerendheidseis van 30 minuten (terecht of onterecht!) is het interessant te onderzoeken of de staalconstructie onbeschermd kan blijven. Bij hallen bestaan hiervoor goede mogelijkheden, omdat de belasting bij brand relatief laag is. Volgens NEN 6702 mag bij het bijzondere belastinggeval brand de veranderlijke dakbelasting buiten beschouwing blijven. Bovendien hoeft de windbelasting uitsluitend voor onderdelen van de hoofddraagconstructie in rekening te worden gebracht, terwijl de grootte van de windbelasting slechts 20% van de maximale waarde bedraagt. ‘Hoofddraagconstructie’ is echter een lastig begrip dat volgens het Bouwbesluit te maken heeft met voortschrijdende instorting10. Voor hallen gelden bij brand geen eisen voor de hoofddraagconstructie. Aan de constructie – wat veel constructeurs overigens vaak hoofddraagconstructie noemen – kunnen uitsluitend eisen worden gesteld in verband met de drie eerder genoemde aspecten: brandoverslag naar andere gebouwen, compartimentering en ontvluchting. Aan de constructie worden geen eisen gesteld in verband met voortschrijdende instorting: daarom hoeft de windbelasting niet in de brandberekening te worden meegenomen. Het ontbreken van veranderlijke dak- en windbelasting betekent dat er bij brand uitsluitend met het eigen gewicht wordt gerekend. Bovendien zijn de belastingfactoren γf;g en γf;q bij brand niet 1,2 respectievelijk 1,5, maar 1,0. Voor een lichte stalen hal betekent dit dat de belastinggraad van de staalconstructie laag is (η = 0,10 à 0,15). De kritieke staaltemperatuur ligt daarbij in de orde van 800 ˚C of zelfs hoger. In veel gevallen ligt de staaltemperatuur na 30 minuten in dezelfde orde van grootte. Zeker voor dakliggers bedraagt de brandwerendheid daardoor vaak 30 minuten. BOUWEN MET STAAL 146, januari/februari 1999
Als dat niet het geval is, dan is vaak met beperkt overdimensioneren (één profiel zwaarder nemen) aan de eisen te voldoen. Een andere mogelijkheid is om staal met een hogere vloeigrens te kiezen (S355 in plaats van S235). Daardoor stijgen de materiaalkosten weliswaar met 10%, maar neemt de belastinggraad met 33% af, waardoor de kritieke staaltemperatuur nog verder stijgt. Soms is het ook mogelijk de dakliggers doorgaand uit te voeren en zo de brandwerendheid te vergroten. Kolommen zijn vaak in te klemmen in de fundering (meer ankers en een dikkere voetplaat), waardoor de kniklengte bij brand vermindert en daardoor ook de belastinggraad. Hierdoor stijgt de kritieke temperatuur ongeveer 50 ˚C en neemt de brandwerendheid toe met enkele minuten. Een andere goede mogelijkheid is om de staalconstructie buiten de hal te plaatsen. Het dak en de gevel schermen de staalconstructie dan van de brand af. De constructie blijft koel en voldoet dan automatisch aan de brandwerendheidseis. Om te bepalen of een staalconstructie onbeschermd kan blijven, kan gebruik worden gemaakt van ontwerpgrafieken die hierna worden toegelicht.
Ontwerpgrafieken De grafieken zijn een hulpmiddel om voor een kolom of een ligger in een geschoorde hal5 snel te bepalen wat de maximaal opneembare belasting is na 30 minuten standaardbrand. Ze zijn gebaseerd op de rekennorm voor de brandwerendheid van staalconstructies NEN 6072. Voor standaard H- en I-profielen kan uit de grafieken worden afgelezen wat de opneembare gelijkmatig verdeelde belasting is voor gebruik als dakligger of als kolom, afhankelijk van: • het statisch systeem: tweezijdig scharnierend of aan één zijde ingeklemd en aan de andere zijde scharnierend; • de staalsoort: S235 of S355.
Werkwijze In beide gevallen wordt verondersteld dat het staalprofiel vierzijdig door brand wordt opgewarmd. (Voor de kolom die tegen de gevel staat en de dakligger met zijn bovenflens het dak ondersteunt is deze veronderstelling iets te ongunstig.) Voor het opgewarmde profiel is de profielfactor bekend en daardoor ook de temperatuur van het staalprofiel na 30 minuten blootstellen aan de standaardbrand (tabel 1). Bij deze temperatuur hoort een reductiefactor ψ voor de vloeigrens (tabel 2). Afhankelijk van het mechanica-schema wordt deze reductiefactor gecorrigeerd om de maximale belastinggraad te krijgen. Deze correctiefactoren staan in NEN 6072 en zijn κ = 0,85 voor statisch onbepaalde liggers en κ = 1,2 voor kolommen. Door de belastinggraad te vermenigvuldigen met de draagkracht bij kamertemperatuur, wordt de draagkracht na 30 minuten brand gevonden. • Liggers. Voor liggers is de momentcapaciteit na 30 minuten brand de belastinggraad vermenigvuldigd met de vloeigrens en het plastisch weerstandsmoment: Mθ = ηfyWy;pl. Via M = 1/8ql2 (voor tweezijdig scharnierende liggers) respectievelijk M = 1/11,6ql2 (voor einvelden van niet kipgevoelige doorgaande liggers (één zijde scharnierend en de andere zijde ingeklemd) zijn de verschillende combinaties van q en l in een tabel uitgezet5. Overigens beperkt dit artikel zich uitsluitend tot scharnierend opgelegde liggers. • Kolommen. Voor kolommen is de centrische kniklast na 30 minuten brand de belastinggraad vermenigvuldigd met de vloeigrens, de doorsnede en met de knikfactor (volgens knikkromme c): Nθ = ηfyAωbuc. De knikfactor wordt bepaald voor knik om de zwakke as (verondersteld is dat de kolom niet wordt gesteund tegen knik om de zwakke as), waarbij in bepaalde gevallen rekening mag worden gehouden met een gere49
5,0
Draagkracht van IPE-liggers na
liggers IPE
30 minuten brand (statisch
4,5
statisch bepaald
S235). Voor eindvelden van doorgaande liggers mag de draagkracht met 1,71 en voor S355 met 1,51 vermenigvuldigd worden). Voor kipgevoelige liggers moet de draagkracht vermenigvuldigd worden met de kipfactor.
opneembare belasting qu; na 30 min. brand (kN/m)
bepaalde liggers van staalsoort
S235 4,0 3,5 3,0 600
2,5 2,0
550
1,5
500
1,0 220
200
0,5
240
270
330
300
450
400
360
0 6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
overspanning (m)
Brandwerendheid van staalconstructies NEN 6072 geeft een methode om de brandwerendheid van staalconstructies te berekenen. Deze methode staat uitvoerig beschreven in een eerder artikel in Bouwen met Staal11. Samengevat komt deze methode op het volgende neer. • Brand is een bijzonder belastinggeval met een belastingfactor γ = 1,0. Daarnaast wordt slechts gerekend met de permanente en het momentane deel van de veranderlijke belasting. De thermische belasting volgt uit de standaardbrandkromme. • De opwarming van een onbeschermde staalconstructie hangt af de profielfactor P: dat is de verhouding tussen de aan brand blootgestelde omtrek en de oppervlakte van het staalprofiel. Hoe hoger de profielfactor, des te sneller warmt het profiel op (tabel 1). Bij een beschermde staalconstructie is, naast de profielfactor, de bekleding (type, dikte en eigenschappen) van belang voor de opwarming. • Bij opwarming boven 400 ˚C neemt de vloeigrens van staal af (tabel 2). Bij een bepaalde staaltemperatuur is het constructiedeel niet meer in staat is de belasting te dragen en bezwijkt. Deze (bezwijk)temperatuur heet de kritieke staaltemperatuur θkr en hangt af van de belastinggraad η: dat is de verhouding tussen de bij het bijzondere belastinggeval brand aanwezige belasting en de bezwijkbelasting bij kamertemperatuur. Het verband tussen θkr en η komt overeen met de afname van de vloeigrens van staal bij een temperatuurstijging. • De brandwerendheid hangt af van het tijdstip waarop de staaltemperatuur gelijk wordt aan de kritieke staaltemperatuur.
50
duceerde kniklengte. De kniklengte mag met 30% worden gereduceerd wanneer aannemelijk kan worden gemaakt dat de voetplaatverbinding bij brand als inklemming werkt. Het deel van de verbinding dat in het beton zit is zelfs bij een eenvoudige voetplaatverbinding met vier bouten relatief stijf ten opzichte van de stalen kolom die na 30 minuten brand nog slechts 10 à 20% van zijn oorspronkelijke stijfheid heeft. Hoewel een dergelijke voetplaat bij normale omstandigheden als scharnier wordt geschematiseerd, kan deze bij brand als inklemming worden gerekend. Ontwerpkeuzen De draagkracht van een constructie bij brand is uiteraard te verhogen door een zwaarder te profiel te kiezen. Efficiënter is meestal: – hogere staalsoort nemen; – liggers doorgaand uitvoeren; – kolomvoet inklemmen. • Staalsoort. De draagkracht bij brand is te verhogen door een hogere staalsoort te nemen: S355 in plaats van S235. Voor liggers neemt de draagkracht toe met 51% (= 355/235; de doorbuiging speelt bij brand immers geen rol) en bij kolommen in de orde van grootte 10 à 25%, afhankelijk van de slankheid van de kolom. • Doorgaande ligger. Door een doorgaande ligger te kiezen in plaats van een ingehangen ligger (ligger op twee steunpunten) neemt de draagkracht toe met 71% (= 11,6/(8·0,85)). Dit effect is minder duidelijk bij kipgevoelige liggers. De correctiefactor van 0,85 is dan nog wel van toepassing, maar de herverde-
ling van momenten bij een plastische momentenverdeling is bij kip natuurlijk niet toegestaan. Anderzijds neemt de kipfactor bij een doorgaande ligger toe in vergelijking met een ingehangen ligger bij kamertemperatuur. • Ingeklemde kolomvoet. Door een ingeklemde kolomvoet te kiezen neemt de draagkracht bij de gebruikelijke slankheden toe met 40 tot 70%, afhankelijk van de slankheid. Literatuur 1. A.F. Hamerlinck, N.P.M. Scholten en L. Twilt, ‘Bouwbesluit staat meer toe dan men denkt (1)’, Bouwen met Staal 134 (1997), p. 16-23. 2. A.F. Hamerlinck en L. Twilt, ‘Brandwerendheid van staalconstructies. Berekeningsmethode volgens NEN 6072’, Bouwen met Staal 110 (1993), p. 9-15. 3. Staal en brandveiligheid. Een geïntegreerde aanpak, Eurofer, Brussel 1993. 4. C.D.J. Cieraad, Brandbeveiligingsconcept Beheersbaarheid van brand, uitgave Ministerie van Binnenlandse Zaken, Den Haag 1995. 5. A.F. Hamerlinck, ‘Een ontwerphulpmiddel voor onbeschermde staalconstructies in hallen met een brandwerendheidseis van 30 minuten’, (SbI-rapport 99-01), uitgave Staalbouw Instituut, Rotterdam 1999. 6. V.M.J.M. van Gorp en H.J.P. van Stipdonk, ‘Slimme nok’, Bouwen met Staal 139 (1997), p. 40-41. 7. ‘Construeren met brand’, Bouwen met Staal 133 (1996), p. 24-26. 8. Commissie voor de brandpreventie van de Nederlandse Brandweer Federatie, Een brandveilig gebouw bouwen, Den Haag 1997 (2e gewijzigde druk). 9. Erratum bij ‘Een brandveilig gebouw bouwen’, Den Haag 1997, uitgave VNG en CCRB, bijlage bij Bouwen met Staal 141 (1998). 10. A.F. Hamerlinck, N.P.M. Scholten, T. Nicolai en L. Twilt, (On)begrippen Bouwbesluit. Vragen en antwoorden over brandveiligheid van staalconstructies (SbI-rapport 97.005), Rotterdam 1997. 11. A.F. Hamerlinck en L. Twilt, ‘BrandweBOUWEN MET STAAL 146, januari/februari 1999
10
Draagkracht van HE-liggers
liggers HEA
opneembare belasting qu; na 30 min. brand (kN/m)
9
na 30 minuten brand (sta-
statisch bepaald
tisch bepaalde liggers van
S235
staalsoort S235). Voor eind-
8
velden van doorgaande liggers mag de draagkracht met 1,71
7
en voor S355 met 1,51 verme6
nigvuldigd worden). Voor kipgevoelige liggers moet de
5
draagkracht vermenigvuldigd
600
4
worden met de kipfactor.
550 500
3 2 260
340
320
300
280
450
400
360
240 220
1
200
0 6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
overspanning (m)
rendheid van staalconstructies. Berekeningsmethode volgens NEN 6072’, Bouwen met Staal 110 (1993), p. 9-15.
Voorbeeld 1 (dakligger) Gegeven is een in twee richtingen geschoorde hal met spanten in dwarsrichting op afstanden van 5 m. De hal heeft twee beuken met elk een overspanning van 14 m. De spanten bestaan uit kolommen met ingehangen dakliggers IPE 450 in de staalsoort S235. De liggers dragen een licht stalen dak met een eigen gewicht van 0,25 kN/m2; de liggers zelf wegen 0,78 kN/m. De dakplaten fungeren als kipsteun voor de liggers (waarop de verbindingsmiddelen zijn ontworpen volgens de RSPS 1980). De opneembare belasting na 30 minuten brand voor een onbeklede ligger IPE 450 bij een overspanning van 14 m is af te lezen uit de grafiek voor IPE-liggers en bedraagt qu;θ = 2,1 kN/m. De optredende belasting bij brand bedraagt qs;θ = 5·0,25 + 0,78 = 2,0 kN/m en dat is lager is dan de opneembare belasting bij brand. De dakligger is dus 30 minuten brandwerend. Het volledig uitgewerkte voorbeeld volgens NEN 6072 luidt: • De profielfactor van een vierzijdig verhitte ligger IPE 450 staat in een profielenboekje en bedraagt P = 162 m–1. • Voor deze profielfactor is de staaltemperatuur na 30 minuten brand θa = 797 °C (tabel 1). • Voor een kritieke staaltemperatuur θkr = 797 °C bedraagt de belastinggraad η = 0,128 (dit is een maat voor de reductie van de sterkte) (tabel 2). • Voor een vierzijdig verhitte, statisch bepaalde ligger is de correctiefactor κ = BOUWEN MET STAAL 146, januari/februari 1999
Tabel 1. Staaltemperatuur θa na 30 minuten standaardbrand als functie van de profielfactor P. P 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00
θa
P
θa
P
θa
P
θa
125,04 215,20 294,92 365,56 427,59 481,46 527,79 567,39 601,14 630,08 654,86 675,76 693,05 706,97 717,77
80,00 85,00 90,00 95,00 100,00 105,00 110,00 115,00 120,00 125,00 130,00 135,00 140,00 145,00 150,00
725,66 731,00 734,28 736,40 739,09 742,54 746,74 751,49 756,67 762,09 767,52 772,85 777,94 782,81 787,36
155,00 160,00 165,00 170,00 175,00 180,00 185,00 190,00 195,00 200,00 205,00 210,00 215,00 220,00 225,00
791,59 795,51 799,07 802,33 805,30 808,00 810,43 812,65 814,66 816,47 818,11 819,59 820,94 822,15 823,26
230,00 235,00 240,00 245,00 250,00 255,00 260,00 265,00 270,00 275,00 280,00 285,00 290,00 295,00 300,00
824,26 825,17 826,01 826,77 827,46 828,10 828,68 829,21 829,71 830,16 830,58 830,97 831,34 831,67 831,98
Tabel 2. Reductiefactor op de vloeigrens ψ als functie van de staaltemperatuur θa θa
ψ
θa
ψ
θa
ψ
θa
ψ
0 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560
1,000 1,000 0,991 0,981 0,969 0,954 0,936 0,916 0,892 0,866 0,836 0,805 0,771 0,736 0,701 0,665 0,629 0,594
570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740
0,560 0,527 0,495 0,465 0,436 0,409 0,384 0,360 0,337 0,315 0,295 0,277 0,259 0,242 0,227 0,212 0,199 0,186
750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 920
0,174 0,163 0,152 0,143 0,134 0,125 0,117 0,109 0,102 0,096 0,090 0,084 0,079 0,074 0,069 0,064 0,060 0,056
930 940 950 960 970 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100
0,053 0,049 0,046 0,043 0,040 0,038 0,035 0,033 0,031 0,029 0,027 0,025 0,024 0,022 0,021 0,020 0,018 0,017
51
100
Draagkracht van HEbrand (tweezijdig scharnierend opgelegde kolommen van staalsoort S235).
kolommen HEA 90 opneembare centrische belasting Nu; na 30 min. brand (kN)
kolommen na 30 minuten
statisch bepaald S235
80 300
70 60 280
50 260
40
240
30
220
20 200 180
10
160 140
0 5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
kolomhoogte (m)
1, zodat de belastinggraad η niet hoeft te worden gecorrigeerd. • Het opneembare moment na 30 minuten brand volgt uit: Mu;θ = ηfyWy;pl = 0,128·235·1702·10–3 = 51,2 kNm. • De opneembare belasting na 30 minuten brand voor deze ligger volgt uit: qu;θ = 8Mu;θ/l2 = 8·51,2/142 = 2,1 kN/m.
Voorbeeld 2 (dakligger) Gegeven is de hal uit voorbeeld 1, maar nu zijn de dakplaten niet als kipsteun te beschouwen. De bovenzijde van de liggers worden tegen kip gesteund door gordingen op afstanden van 3,5 m. Uit een berekening volgens formule (12.24) van NEN 6770 bedraagt de relatieve slankheid voor de dakligger λrel = 1,28, zodat ωkip = 0,485. De opneembare belasting na 30 minuten brand bedraagt nu dus slechts qu;θ = 0,485·2,1 = 1,0 kN/m, en dat is minder dan de optredende belasting van 2,0 kN/m. De ligger voldoet dus niet. Wat zijn de mogelijkheden om toch onbeschermd aan een eis van 30 minuten brandwerendheid te voldoen? • De keuze voor een hogere staalsoort S355, met een vloeigrens tot 355 N/mm2, biedt hier weinig soelaas. De sterkte neemt wel toe met 51%, maar dit effect wordt grotendeels teniet gedaan door de lagere kipfactor bij S355 (ωkip = 0,343), waardoor de opneembare belasting slechts toeneemt van qu;θ = 1,0 naar qu;θ = 1,1 kN/m. • Een tweede mogelijkheid is de liggers IPE 450 doorgaand uit te voeren. Een berekening volgens NEN 6771 geeft λrel = 0,77 en ωkip = 0,815. De opneembare belasting na 30 minuten brand is dan 52
qu;θ = (0,815·2,1)/0,85 = 2,0 kN/m, en dat is gelijk is aan de aanwezige belasting bij brand. De doorgaande ligger is 30 minuten brandwerend. • Een derde mogelijkheid is overdimensioneren. Het ingehangen IPE-profiel wordt verzwaard tot een IPE 550, met λrel = 1,24 en ωkip = 0,51. De opneembare belasting volgt uit de grafiek voor IPE-profielen: qu;θ = 3,9 kN/m. Deze waarde reduceert in verband met kip tot qu;θ = 0,51·3,9 = 2,0 kN/m. Een andere mogelijkheid is bijvoorbeeld een verzwaring tot een HE 340A, met λrel = 0,82 en ωkip = 0,78. De opneembare belasting volgt uit de grafiek voor HEA-profielen: qu;θ = 2,7 kN/m. Deze waarde reduceert in verband met kip tot qu;θ = 0,78·2,7 = 2,1 kN/m. Beide liggers zijn 36% zwaarder dan een IPE 450.
Voorbeeld 3 (gevelkolom) Gegeven is de hal uit voorbeeld 1, met kolommen HE 160A in de staalsoort S235. De scharnierende kolommen zijn 5 m hoog en dragen een dakvlak van 5·7 = 35 m2 en een gevelvlak van 5·5 = 25 m2. De permanente dakbelasting (inclusief de dakliggers) bedraagt qg = 0,4 kN/m2, evenals de permanente gevelbelasting. Aangenomen wordt dat de gevelbelasting voor de helft als centrische nomaalkracht ter plaatse van de kolomkop aangrijpt. De aanwezige belasting bij brand bedraagt Ns;θ = (35 + 25/2)·0,4 = 19 kN. De opneembare belasting na 30 minuten brand voor een onbeklede kolom HE 160A met een kniklengte van 5 m is af te lezen uit de grafiek voor kolommen en bedraagt Nu;θ = 30 kN. De onbeklede
kolom is dus 30 minuten brandwerend. Het volledig uitgewerkte voorbeeld volgens NEN 6072 luidt: • De profielfactor van een vierzijdig verhitte kolom HE 160A staat in een profielenboekje en bedraagt P = 234 m–1. • Voor deze profielfactor is de staaltemperatuur na 30 minuten brand θa = 825 °C (tabel 1). • Voor een kritieke staaltemperatuur θkr = 825 °C bedraagt de belastinggraad η = 0,106 (tabel 2). • Voor een (vierzijdig verhitte) kolom is de correctiefactor κ = 1,2 zodat de belastinggraad wordt gecorrigeerd tot η = 0,106/1,2 = 0,088. • De opneembare (knik)belasting van een kolom HE 160A bij kamertemperatuur is bij een kniklengte van 5 m en knik om de zwakke as bedraagt volgens een berekening met NEN 6770: Nu;20 = ωbucfyA = 0,37·235·3877·10–3 =340,7 kN. • De opneembare (knik)belasting bij brand bedraagt dan: Nu;θ = ηNu;20 = 0,088·340,7 = 30 kN. Nu hangt de opneembare belasting bij brand Nu;θ af van de staalsoort en het statisch systeem5. De gevonden waarde van 30 kN is daarom desgewenst te verhogen tot 33 kN (neem S355 in plaats van S235), tot 46 kN (detailleer bij brand een inklemming van de kolomvoet in plaats van een scharnier) en tot 56 kN (bij een combinatie van beide maatregelen). Uit dit voorbeeld blijkt dat de capaciteit van kolommen bij brand met relatief eenvoudige maatregelen is te verhogen met bijna een factor 2, indien hiermee in het ontwerp rekening wordt gehouden. BOUWEN MET STAAL 146, januari/februari 1999
