Ontwerpen van verdiepingsgebouwen bij brand.
De oplossingen voor verdiepingsgebouwen hangen af van de hoogte van het gebouw, van de aan de hoogte gerelateerde brandveiligheidseisen en van de ontwerpuitgangspunten (optimaliseren naar kosten of juist naar architectonische uitstraling).
Twee bouwlagen (eis: 20/30 minuten)
Bij lage brandwerendheidseisen kan staal vaak onbeschermd blijven. Bij kolommen ligt de kritieke temperatuur meestal boven 550 graden Celcius en bij liggers boven 650 graden Celcius. Bij niet al te slanke profielen wordt de eis van 20 minuten dan onbeschermd gehaald. Voor een eis van 30 minuten is het vaak nodig (fors) over te dimensioneren. De staaltemperatuur bij brand ligt dan namelijk in de orde van 800 graden Celcius, waarbij de vloeigrens van staal nog maar 12% bedraagt van die bij 20 graden Celcius. Een dergelijk geval van overdimensioneren doet zich automatisch voor bij stabiliteitsverbanden. Deze worden immers gedimensioeerd op wind. Bij brand wordt volgens NEN 6702 slechts 20% van de extreme windbelasting in rekening gebracht, terwijl bij het bijzondere belastinggeval brand de belastingfactor 1,0 bedraagt in plaats van 1,5.
Het stabiliteitsverband is bij brand dus maximaal tot 13% belast en vaak nog minder vanwege de vervormingseisen die onder normale omstandigheden vaak maatgevend zijn, maar bij brand niet van toepassing zijn.
Bij het overdimensioneren is het handig gebruik te maken van staal met een hoge vloeigrens, zo mogelijk te kiezen voor doorgaande liggers en kolommen (met deze maatregelen stijgt de kritieke temperatuur) en voor meer massieve profielen (met een lage profielfactor), waarmee de opwarming minder snel verloopt.
Een andere mogelijkheid is bouwkundige integratie: het opnemen van stalen kolommen in metal-stud wanden of het binnenspouwblad van de gevel, of van stalen liggers in de vloer (geintegreerde liggers). Bouwkundige integratie zorgt ervoor dat de constructie nog maar gedeeltelijk aan brand blootstaat. De opwarming geschiedt daardoor een stuk trager, waardoor de kritieke temperatuur later wordt bereikt. Hierdoor is de brandwerendheid zonder bescherming standaard 30 minuten en soms 60 minuten.
Ook bij staal-beton constructies zoals staalplaat-betonvloeren en betongevulde buiskolommen is de brandwerendheid minimaal 30 minuten.
Drie of meer bouwlagen (eis: 60/90/120 minuten)
Bij eisen van 60 minuten of meer is overdimensionering geen relevante optie. De staaltemperatuur bedraagt na 60 minuten meer dan 900 graden Celcius en de sterkte is dan een factor twintig afgenomen. Bij deze hoe eisen wordt staal daarom vaak bekleed met een isolerende beplating of bespuiting. Wordt nu een traditionele staalconstructie met vrijstaande stalen kolommen en met liggers onder de vloer op deze wijze beschermd, dan betekent dit een vaak aanzienlijke verhoging van de kosten.
Sinds 1995 is er een stijging te zien in het gebruik van staal in de drie- en meerlaagse bouw. Dit is voor een deel het gevolg van bouwkundige integratie (geintegreerde liggers, kolommen opgenomen in wanden en gevels). De kosten van het 60, 90 of 120 minuten brandwerend maken zijn hierbij vele malen lager (tot een factor vijf toe) dan bij een ‘traditionele’ staalconstructie. Bij het aanbrengen van een minimale bekledingsplaat van 15 mm (steenwol, vezelsverstrekt, gips of silicaat) stijgt de brandwerendheid van een geintegreerde ligger of kolom in een binnenspouwblad van 30 naar 120 minuten. Omdat de bekledingsdikte en de te bekleden oppervlakte (alleen de onderzijde) minder zijn en het aanbrengen bovendien gemakkelijker gaat dan bij een drie- of vierzijdig verhitte kolom of ligger, is de besparing aanzienlijk.
Alternatieven voor een beplating zijn een bespuiting met mineraalvezels of vermiculiet (geen zichtwerk) of een opschuimende coating (brandwerende verf voor zichtwerk).
De toepassing van brandwerende verf bij geintegreerde constructies is zelfs interessant als de eis 90 minuten is.
Door het belastinggeval brand in het ontwerpstadium mee te nemen, is een optimalisatie op kosten voor de constructive mogelijk. Staal wordt dan gezien al seen economisch bouwmateriaal, dat voor een belangrijk deel aan het zicht wordt onttrokken. Maar ook als de ontwerper staal expressief wil benutten, is met beperkte meerkosten aan de brandeisen te voldoen. Een greep uit de mogelijkheden, brandwerende verf, betongevulde buiskolommen, sprinklers, watergekoelde buiskolommen en ‘tweede draagweg’.
Copyright: Bouwkundige keuring Hilversum