Milieubelasting van de gebouwde omgeving

Milieubelasting van de gebouwde omgeving
Om de invloed van bouwen en het gebruik van gebouwen op het milieu voor te stellen, doen we een gedachtenexperiment. De beginsituatie is een polderlandschap. Er wordt een huis gebouwd, dat achtentwintig jaar wordt bewoond. Daarna wordt het gesloopt, bijvoorbeeld omdat de vormgeving uit de mode is of omdat de woning te veel energie verbruikt. Dit complete scenario voltrekt zich in een periode van dertig jaar. In deze tijdsspanne zijn bouwmaterialen aangevoerd, is energie en water geleverd en zijn afvalwater, verbrandingsgassen en bouwmaterialen afgevoerd.
Al deze stromen hebben milieueffecten tot gevolg. Milieusparend bouwen heeft als doelstelling deze milieueffecten te beperken, dus het grondstof- en energieverbruik, emissies, hinder en bouw- en sloopafval in te dammen. De eerste stap is om de stromen gedurende de totale leversduur, van de ‘wieg tot het graf’, van een gebouw, constructive of constructiedeel te inventariseren. Vervolgens kunnen van elke stroom de milieueffecten worden bepaald.

Beperken milieubelasting
Om op de lange termijn duurzaam te kunnen bouwen heeft SBR in 1998 een aantal doelstellingen geformuleerd. Deze uitdagingen zijn zeer verschillend van aard. Hoe ontwerpers met staal aan deze uitdagingen tegemoet kunnen komen, wordt per toepassing aangegeven: hallen, verdiepingbouw, woningbouw – onderverdeeld in (laagbouw)-woningen en woongebouwen – en civiele constructies.
Copyright: Bouwkundige keuring Almere

Milieubesparend bouwen

Milieubesparend bouwen
Na de industriele revolutie hebben de technologische ontwikkelingen vanaf 1800 de maatschappij wezenlijk veranderd. Niet uitsluitend in posititeve zin: de grotere welvaart en de groei van de wereldbevolking leidden tot grote druk op het milieu. De belangrijkste factor is de omvang van de wereldbevolking, die nog steeds groeit: de huidige schattingen varieren van 8 tot 13 miljard mensen voor het jaar 2050.

De bouw is door zijn omvang een van de meeste vervuilende taken van industrie. Bovendien is de milieubelasting van gebouwen in de grbruiksfase groot. Om de mileudruk te verminderen en het verbruik van hulpbronnen grondstoffen te beperken, zijn onder de noemen ‘duurzaam bouwen’ of ‘dubo’ diverse milieusparende concepten in ontwikkeling. Onder duurzaam bouwen wordt verstaan: ‘zodanig bouwen en gebruik maken van gebouwen en de gebouwde omgeving (dus inclusief wel- en waterbouwkundige werken) dat de schade voor het milieu in alle fasen, van planontwikkeling tot ontwerp tot en met sloop (demontage), zoveel mogelijk beperkt blijft’. De drie voorwaarden voor architectuur voor Vitruvius kunnen dus worden aangevuld met een vierde: soliditeit, functionaliteit, bekoorlijkheid en duurzaamheid.
Duurzaam bouwen is een betrekkelijk nieuwe ontwikkeling die rond 1960 inzette. Daarom wisselen de inzichten nog sterk en is het nog moeilijk om aan te geven welke bouwkundige oplossing voor een bepaalde bouwopgave op mileugronden de beste is. Vanuit de actuele stand van zaken wordt bekeken op welke wijze toepassing van staal een bijdrage kan leveren aan milieusparend bouwen.

Eerst wordt gekeken welke grote milieueffecten de gebouwde omgeving en het gebruik van gebouwen hebben. Dan komen de uitdagingen van milieusparend bouwen aan de orde en wordt gefocust op de mogelijkheden die constructieconcepten in staal bieden. Deze gebouwen met dragende, scheidende en afwerkende systemen van staal moeten worden vergeleken met alternatieven in andere mataerialen. De gangbare beoordelingsmethode daarvoor is de levenscyclusanalyse. Tenslotten worden de milieuprestaties van staal met de kennis van dit moment vastgesteld.

Copyright: Bouwkundige keuring Amsterdam

Compartimenten

Compartimenten

Het opdelen van een hal in compartimenten heeft consequenties voor de draagconstructie. Het is echter goed mogelijk brandveilig en met nauwelijks meerkosten te bouwen, zonder dat de staalconstructie volledig brandwerend hoeft te worden bkleed.
De constructive moet dusdanig zijn ontworpen dat de brandmuur voldoet aan een wbdbo-eis van 30 minuten volgens het Bouwbesluit. In het geval de verzekeraar een brandmuur eist of als de maximal te bouwen compartimentsgrootte (groter dan 1000 m2) berekend is met de publicatie Beheersbaarheid van brand, ligt de wbdbo-eis vaak beduidend hoger, afhankelijk van de aanwezige vuurbelasting.
Voor de scheidingswand zelf zijn meerdere oplossingen mogelijk, afhankelijk van de brandwerendheidseis. Metal-stud wanden en sandwichpanelen voldoen aan brandwerendheidseisen van 30, 60 of soms zelfs 120 minuten. Voor hogere eisen tot 240 minuten zijn steenachtige wanden (cellenbeton, kalkzandsteen) mogelijk. Het is zeker bij hoge eisen gebruikelijk de wand 0.5-1.0 m bovendaks door te trekken. Als alternatief kan het dak doorlopen en de wand tegen de onderzijde van het dak aansluiten. Wel moten de golven van stalen dakplaten ter plaatse van de wand met een onbrandbaar isolatiemateriaal worden gevuld en moet eventuele brandbare isolatie worden onderbroken en vervangen door onbrandbaar materiaal. Bovendien moet de brandbare dakbedekking over een strook van 1 m bedekt worden met grond of tegels en moet de onderzijde van de stalen dakplaten over een breedte van 0,5 m aan weerzijden van de wand voorzien zijn van isolatiemateriaal.

Afgezien van de eisen aan de scheidende functie van de brandmuur zelf, kan dit betekenen dat de constructive van de hal dezelfde brandwerendheid moet hebben als de brandmuut. Een alternatief is het nemen van constructieve maatregelen waardoor het instorten van he ene compartiment binnen 30 minuten niet tot gevolg heeft da took het andere compartiment of de brandmuur instort.

Bij deze maatregelen kan worden gedacht aan:
– een kantelnok die ervoor zorgt dat de vervormde staalconstructie van de brandwand afkantelt;
– dubbele constructies ter plaatse van de brandwand (met smeltankers aan de wand gekoppeld);
– extra stabiliteitsverbanden iin de staalconstructie bi de brandwand. Uiteraard mag de stabiliteit van het gebouw, bij instorten van een van de compartimenten, niet in gevaar komen.

Dit betekent bijvoorbeeld het aanbrengen van extra stabiliteitsverbandn of het benutten van portaalwerking in geval van brand:
– ervoor zorgen dat de horizontale krachten van de bezwijkende staalconstructie (waarbij een deel van het dak onder een hoek van bijvoorbeeld 20 graden aan de wand hangt) via de brandwand doorgevoerd kunnen worden naar het ‘koude’ compartiment en daar met acceptabele vervormingen afgevoerd kunnen worden naar de fundering;
– een stalen breekverbinding (geen kunststof smeltboutverbinding; hiermee is geen constructief verantwoorde staalconstructie te maken). Deze verbinding breekt bij een bepaalde vervorming van de staalconstructie in het brandcompartiment, zodat het bezwijken van de constructive beperkt blijft tot het brandcompartiment. De kracht waarbij de verbinding breekt, moet nog kunnen worden opgenomen door de brandmuur of door de constructive van de andere compartimenten.

Bij een eis van 30 minuten kan zelfs de staalconstructie in de wand (kolommen met een steenachtige wand tussen de flenzen ‘gemetsel’) onbekleed blijven, mits de juiste detaillering (vulmateriaal) gekozen wordt.
Als de eis voor de brandwand 60 minuten of meer is, zal de staalconstructie in de wand brandwerend bekleed of van een brandwerende verf voorzien moeten worden. Alleen wanneer er een dubbele constructive wordt toegepast, is dit niet nodig.

Copyright: Bouwkundige keuring Alkmaar

Ontwerpen van hallen bij brand

Ontwerpen van hallen bij brand
Meestal geldt er geen brandwerendheidseis voor de staalconstructie van een hal.
Dat is het geval wanneer:
– Het gebouw op veilige afstand van andere gebouwen staat, een afstand van 14 m is doorgaans voldoende.
– De hal geen compartimenteringswanden heeft.
– De vluchtroute in de hal kort is (voldoende vluchtdeuren).

Wordt niet aan deze drie voorwaarden voldaan, dan is de eis vanuit het Bouwbesluit 30 minuten. Om aan deze eis te voldoen, zijn bouwkundige of installatietechnische oplossingen voorhanden.
Installatietechnische oplossingen (op basis van gelijkwaardige veiligheid), zoals een sprinklerinstallatie, worden bij hallen in het algemeen geaccepteerd als alternatief voor brandwerende maatregelen voor de constructive. Een rwa (rook- en warmteafvoer) wordt met name bij ontvluchting (rook) als gelijkwaardig gezien. Omdat een rwa tevens warmte afvoert, is het in bepaalde gevallen ook een alternatief voor de brandwerendheid van de constructive.

Onbeschermd staal
Bouwkundige oplossingen voor die gevallen waarin een eis van 30 minuten van toepassing is, zijn er in eerste instantie op gericht de staalconstructie onbeschermd te laten. 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 heft 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. Aan de hoofddraagconstructie van hallen worden echter geen eisen gesteld in verband met voortschrijdende instorting: daarom hoeft de windbelasting niet in de brandberekening te worden meegenomen. Het ontbreken van een veranderlijke dak- en windbelasting betekent date r bij brand uitsluitend met het eigen gewicht wordt gerekend. Bovendien zijn de belastingfactoren bij brand 1.0. Voor een lichte stalen hal betekent dit dat de belastinggraad van de staalconstructie laag is. De kritieke staalttemperatuur ligt daarbij in de orde van 800 graden Celcium 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 inuten. Als dat niet het geval is, dan is vaak met beperkt overdimensioneren (een profile 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 graden Celcius en meent de brandwerendheid toe met enkele minute. Een andere goede mogelijkheid is om de staalconstructie buiten de hal te plaatsen. Het da ken 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 bij een eis van 30 minuten, kan gebruik worden gemaakt van ontwerpgrafieken.

Copyright: Bouwkundige keuring Utrecht

Watergekoelde buiskolommen

Watergekoelde buiskolommen
Door stalen buizen met water te vullen, wordt de warmte die tijdens brand aan de stalen kolom wordt overgedragen afgevoerd via het stromende water. Door de stroming blijft de staaltemperatuur lager dan 200 graden Celcius; een temperatuur waarbij het staal zijn volledige sterkte behoudt. Hierdoor is elke gewenste brandwerendheid mogelijk. De stroming kan op natuurlijke wijze tot stand komen via een stelsel van communicerende vaten (de buizen).
Het warme water stroomt automatisch naar boven en wordt aangevuld met koud water. Dit systeem is toegepast bij het hoofdkantoor Unidek in Gemert. Om het water dat uit het systeem verdampt aan te vullen is hier gebruik gemaakt van een voorraadvat boven in het gebouw. Een ander mogelijkheid is de stroming te reguleren met pompen, zoals bij de brandweerkzaerne in Breda. Hierbij is gezorgd voor voldoende drukopbouw in de kolommen waardoor er verdamping in het systeem plaatsvindt. Deze verdamping vergt relatief veel energie, hetgeen de keeling van de buiten ten goede komt. Verdampt water wordt aangevuld vanuit een opslagvat onder de fundering.

Tweede draagweg
Door het introduceren van een tweede draagweg wordt de belasting op aan brand blootgestelde constructiedelen verlaagd en kunnen onbeschermde staalconstructies soms aan hoge brandwerendheidseisen voldoen. Een voorbeeld is een stalen liggen die via deuvels is verbonden met een staalplaat-betonvloer. Uit Engelse proeven blijkt dat de vloer bij brand al seen membraan gaat werken. Daardoor is de draagkracht van de vloer veel hoger dan tot nog toe werd verondersteld op basis van buiging. Het blijkt zelfs zo te zijn dat de vloer de onbeschermde stalen ligger gaat dragen in plaats van andersom. De gehele staal-beton constructis is in staat de bij brand aanwezige belasting te dragen tot temperature in de stalen ligger van zelfs hoger dan 800 graden Celcium. Overigens is het wel noodzakelijk de kolommen brandwerend te beschermen.
Een ander mogelijkheid van een tweede draagweg is het afvoeren van de belasting van een aan brand blootgestelde kolom via doorgaande liggers naar naburige kolommen of naar een vakwerkconstructie in het dak. In deze gevallen is de kolom feitelijk geen onderdeel van de hoofddraagconstructie (er is immers geen sprake van ‘voortschrijnende instorting’ bij bezwijken van de kolom) en is de brandwerendheidseis hooguit 60 minuten in verband met de eisen voor compartimentering.

Dubbel stabiliteitssysteem
Door extra verbanden aan te brengen en de verdiepingsvloer in twee brandcompartimenten te verdelen, is het mogelijk de stabiliteit tijdens brand (onder invloed van lagere windbelastingen) te kunnen waarborgen. De verbanden die in het zicht blijven kunnen tijdens brand in een van de compartimenten wegvallen zonder dat de stabiliteit verloren gaat.

Copyright: Bouwkundige keuring Amersfoort

Brandwerende verf

Brandwerende verf
Productontwikkeling op het gebied van brandwerende verven (‘opschuimende coatings’) maakt het mogelijk staalconstructies tot 90 minuten te beschermen. De werking berust op een chemische verandering, waardoor de dunnen verflaag opschuimt tot een dikke isolerende laag. De coating kan zowel op de bouwplaats als in de werkplaats worden aangebracht. In het laatste geval moet rekening worden gehouden met reparative van beschadigingen door transport. De coating wordt aangebracht met een spuit of kwast op gestraalde oppervlakken die van een primer zijn voorzien.

De meeste coatings zijn geschikt voor toepassing in een niet-agressief binnenmilieu. Er bestaan echter ook coatings voor buitentoepassingen. Erkende beproevingsrapporten op basis van een eenduidig via het Bouwbesluit aangestuurde testmethode en een breed geaccepteerde kwaliteitsrichtlijn spelen een belangrijke rol bij de acceptatie door bouwtoezicht en brandweer.
Naarmate de brandwerendheidseis en de profielfactor van het staalprofiel hoger zijn (en de kritieke staaltemperatuur lager), is er een grotere verflaagdikte nodig. Het is dan zaak de profieldoorsnede zo te ontwerpen dat men een minimale laagdikte kan worden volstaan.
De kosten blijven dan beperkt en het is ook visueel aantrekkelijker. Over het algemeen oogt een brandwerende verf iets minder strak dan een gewone verf. De esthetische mogelijkheden van brandwerende verf, in combinatie met een dalende prijs, maakt deze oplossing aantrekkelijk.

Betongevulde buiskolommen
Het vullen van stalen buizen met beton is een gangbare method om de brandwerendheid te verhogen met relatief geringe kosten en behoud van de expressieve mogelijkheden van staal. Betongevulde buiskolommen bezitten standaard een brandwerendheid van 30 minuten, zelfs als het beton ongewapend en de kolom relatief slank is.
Voor een eis van 60, 90 en 120 minuten zijn ontwerpgrafieken beschikbaar voor buizen gevuld met gewapend beton. De benodigde afmetingen, betonkwaliteit en wapensingspercentage hangen van de brandwerendheidseis, de kniklengte en de aanwezige belasting bij brand.
Deze grafieken zijn gebaseerd  op een omvangrijke serie Franse proeven. Vanwegde de uitvoerbaarheid van de proeven bedroeg de minimale afmeting van de buizen vierkant 180 mm en rond 219,1 mm. Deze beperking geldt dus tevens voor de toepasbaarheid van de ontwerpgrafieken.
In bepaalde gevallen is het mogelijk 60 minuten brandwerendheid te halen met een betongevulde buiskolom zonder wapening. Het is dan van belang een niet te slanke buis (met geringe wanddikte en lage vloeigrans) te nemen Verder is de betonkwaliteit van invloed op de brandwerendheid. Uitsluitend voor vierkante kokers zijn ontwerpgrafieken gegeven. Voor rond buizen kan worden geinterpoleerd tussen de grafieken voor vierkante kokers.

Sprinklers
Een sprinklerinstallatie zorgt ervoor dat de brand in een vroeg stadium wordt geblust, waardoor de brandschade beperkt blijft. De brandtemperaturen blijven relatief laag en de staaltemperatuur wordt niet hoger dan 200 graden Celcius. Bezwijken van de constructive is dan niet aan de orde en het gebouw kan snel en met relatief lage kosten worden gerepareerd.
Het is gebruikelijk bij sprinklers de brandwerendheidseisen van de constructive te verlagen met 30 of 60 minuten of de eisen zelfs geheel te laten vervallen. Vaste regels bestaan hiervoor niet en de toestemming om de eisen te verlagen op basis van gelijkwaardige veiligheid berust bij de gemeente. Het is verstandig de mogelijkheden in een vroeg stadium te bespreken met de gemeente en de brandweer.
In gesprinklerde verdiepingsgebouwen is men in Nederland niet altijd bereid de eisen geheel te laten vervallen en hanteren gemeenten een minimale brandwerendheid van 30 minuten of soms zelf 60 minuten. Hierbij ontstaan toch mogelijkheden om staal onbeschermd toe te passen en om (flink) te besparen op de kosten van de brandwerende voorzieningen.
Daarnaast is er bij een gecertificeerde sprinkler een aanzienlijke koring op de brandverzekeringspremie mogelijk tot maximal ongeveer 50% en is de brandschadeverwachting vele malen lager dan bij een ongesprinklerd gebouw. Een en ander dient men af te wegen tegen de stichtingskosten en de onderhoudskosten van een sprinklerinstallatie.

Copyright: Bouwkundige keuring Arnhem

Ontwerpen van verdiepinggebouwen bij brand

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

Gedrag van staalconstructies bij brand

Bij brand wordt een staalconstructie warmer en nemen de sterkte en stijfheid van staal af.
Als bij brand de vloeigrens afneemt tot het spanningsniveau dat in de constructie heerst bij de aanwezige belastingen, dan bezwijkt de construcite. De staaltemperatuur waarbij dit gebeurt heet de kritieke temperatuur.
Om aan een bepaalde eis voor brandwerendheid te voldoen, moet de staaltemperatuur lager of gelijk zijn aan de kritieke temperatuur. Of dit het geval is hangt af van de opwarmsnelheid van het staal.
De kritieke temperatuur wordt bepaald door de belastingen bij brand en door de wijze waarop de constructie ontworpen bij kamertemperatuur (normale gebruikstemperatuur).

Deze belastinggraad heeft een directie relatie tot de kritieke temperatuur. Een correctiefactor brengt de invloed in rekening van het type constructie, bijvoorbeeld een ligger of een kolom en de wijze waarop het profiel wordt verhit (drie- of vierzijdig). De belastinggraad kan ook worden afgeleid door de staaltemperatuur te vervangen door de kritieke temperatuur en de reductie van de vloeigrans door de (gecorrigeerde) belastinggraad.
Bij de opwarmsnelheid van onbeschermde staalconstructies speelt de massa per eenheid van lengte een belangrijke rol. Naarmate deze massa groter is, is er meer energie nodig om het profiel op te warmen. Daarnaast is het opervlak van belang: een gedrongen profiel warmt langzamer op dan een slang profiel. De geometrische factor die de opwarming bepaalt wordt de profielfactor genoemd. de profielfactor P wordt gevonden door de aan brand blootgestelde omtrek te delen door de oppervlakte van de doorsnede van het profiel. Hoe hoger P, des te sneller het profiel opwarmt.
Het gedrongen profiel (HEM 300) heeft een lage P (50m-1), het slanke profiel (IPE 120) een hoge P (310 m-1). Bij beklede staalconstructies bepalen de dikte en de thermische eigenschappen van het bekledingsmateriaal de vertraging voor de warmtestroom naar het staalprofiel. Hierdoor warmt het profiel minder snel op.
Met een staalconstructie kan aan elke geeiste brandwerendheid worden voldaan.

Ontwerpen van staalconstructies bij brand
Dankzij de beschikbare technieken en de mogelijkheden die de huidige normen bieden, is elke brandwerendheid met een staalconstructie haalbaar. Brandwerendheid is, naast sterkte, stijfheid en stabiliteit, een van de functionele eisen die aan een constructie worden gesteld.
De keuze van de draagconstructie wordt bepaald door andere zaken zoals esthetica, aanpasbaarheid, milieu, bouwsnelheid en kosten. Hierbij dienen uiteraard de kosten van eventuele brandwerende voorzieningen in de prijsvergelijking te worden meegenomen.
Optimaal daarbij is de brandwerendheidseis integraal in het (constructief) ontwerpproces mee te nemen. Dit leidt in een groot aantal gevallen tot een kostenbesparing in vergelijking met de traditionele werkwijze, waarbji de constructie voor kamertemperatuur is ontworpen en pas daarna, vaak in overleg met de brandweer, de brandwerende voorzieningen worden ‘toegevoegd’. Een ander belangrijk aspect bij het ontwerpen van staalconstructies bij brand is in hoeverre de architectonische randvoorwaarden een brandveilige oplossing met ‘staal in het zicht’ vereisen.

Copyright: Bouwkundige keuring Alkmaar

Het bijzondere belastinggeval brand

Het Bouwbesluit geeft bepalingsmethoden om aan te kunnen tonen dat aan de eisen voor brandwerendheid wordt voldaan. Een experimentele bepalingsmethide is beschreven in NEN 6069. Het Bouwbesluit verwijst voor de rekenkundige bepalingsmethoden voor de verschillende constructiematerialen naar aparte normen. Voor staal is dit NEN 6072.
De belastingen die de constructie tijdens brand moet kunnen dragen, zijn vastgelegd in NEN 6702. Brand is hiermee een apart belastinggeval, waarmee de constructeur bij het ontwerp en de dimensionering rekening moet houden.

Componentbenadering
De brandwerendheid met betrekking tot bezwijken is gerelateerd aan constructieonderdelen en niet aan de constructie als geheel. Er is dus sprake van een componentbenadering en niet van een systeembenadering.
Met de rekenkundige bepalingsmethoden in het Bouwbesluit is het in beginsel mogelijk het gedrag van gehele constructies bij brand te analyseren en bijvoorbeeld het positieve effect van een ‘tweede draagweg’ mee te nemen. Dit is echter nog geen dagelijkse praktijk.

Thermische belasting
Het verloop van de brandtemperatuur bepaalt de thermische belasting. Hiervoor wordt de standaardbrandkromme aangehouden. Bedacht moet worden dat de werkelijke situatie bij brand belangrijk kan afwijken van een standaardbrand. De standaardbrand is een afspraak, een internationaal geaccepteerde standaard, waarop constructies worden beoordeeld en geclassificeerd. Het werkelijke gedrag van een brand wordt nauwkeuriger beschreven met een natuurlijke brand. Eurocode 1 biedt de mogelijkheid hiermee te rekenen. Deze meer geavanceerd optie is vooral voor staalconstructies interessant.

Mechanische belasting
NEN 6702, art. 6.4.2.2. beschouwt brand als een bijzondere belastingcombinatie, waarbij de belastingfactoren gelijk aan 1 worden gesteld. De bijzondere belasting F is 0.

Copyright: bouwkundige keuring Zaandam

Gelijkwaardigheid

Soms zijn de eisen in het Bouwbesluit niet toegesneden op de situatie in de praktijk en is het zinvol op basis van gelijkwaardige veiligheid tot een beoordeling te komen. Dat is het geval wanneer het werkelijke temperatuurverloop bij brand geheel 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 verbranding 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.

Enkele voorbeelden:
Parkeergarage
Bij bovengrondse parkeergarages waarvan minstens een derde van de gevel open is, is bij brand sprake van een grote afvoer van warmte en rook via natuurlijke ventilatie. Daardoor kunnen hoge temperaturen, die voor constructies bedreigend zijn, niet optreden.
Door ventilatie en de relatief beperkte vuurbelasting van een brandende auto lijkt de temperatuurontwikkeling op geen enkele wijze op die van de standaardkromme.
Op basis van gelijkwaardigheid kan in open parkeergarages daarom met onbeschermd staal worden gebouw.

Hal met geringe vuurbelasting
Bij een specifiek gebruik, bijvoorbeeld de opslag van onbrandbare materialen, is het vaak niet nodig eisen te stellen. Als de hal is gebouwd met onbrandbare materialen en de inhoud eveneens onbrandbaar is, bestaat er geen gevaar voor bezwijken gezien de geringe vuurbelasting. De totale vuurbelasting is dan niet groter dan 10 kg vurenhout per m2, wat overeenkomst met een (standaard)brandduur van 10 minuten. Een beklede staalconstructie heeft minimaal een brandwerendheid van 15-20 minuten en bezwijkt niet bij een dergelijke korte brand.

Constructie buiten het gebouw
Constructies die zich buiten het gebouw bevinden, zeker als ze behoren tot de hoofddraagconstructie, moeten voldoen aan bepaalde brandwerendheidseisen.
Op voorwaarde dat ze niet met vlammen zelf in aanraking komen, is de warmtebelasting van deze constructies vele malen geringer dan bij een standaardbrand. Doordat bovendien afkoeling aan de buitenlucht optreedt, blijft de staaltemperatuur meestal ruimschoots onder de kritieke temperatuur.

Grote open ruimte
In grote open ruimten is eveneens geen sprake van een standaardbrand. Het punt van vlamoverslag (waarna de gehele ruimte in lichterlaaie staat, wordt hier vaak niet bereikt.
Een brand kan zich wel ontwikkelen en verspreiden, maar vormt geen gevaar voor de constructie die zich op vaak grote hoogte bevindt. Reden hiervoor is het grote volume van de ruimte, vaak in combinatie met een geringe vuurbelasting. Denk in dit verband aan atria, (stations)overkappingen en tentoonstellingsgebouwen. Rook- en warmteafvoer door ventilatie is dan een effectieve maatregel.

Copyright: Bouwkundige keuring Almere