Brandveiligheid
Staal en brandveiligheid : in de perceptie van veel ontwerpers valt het moeilijk te rijmen. Nochtans is er niets zekerder dan een staalbouwontwerp dat getoetst werd op brandveiligheid. Het brede scala aan oplossingen biedt de ontwerper de mogelijkheid om een betrouwbare en econmische antwoord te vinden op maat van elk gebouw en elke verwachting.
- Staal en brand
- Bescherming van staal
- Regelgeving in België
- Regelgeving in Luxemburg
- Fire Safety Engineering
- Steel Design 2 - Fire
- Staal en brand
- Bescherming van staal
- Regelgeving in België
- Regelgeving in Luxemburg
- Fire Safety Engineering
- Steel Design 2 - Fire
Staal en brand
Staal is een onbrandbaar materiaal. Staal verbrandt niet en er komt ook geen warmte of rook vrij.
Maar bij de temperaturen die bij een brand in een gebouw kan optreden treedt wel een verlies van sterkte en stijfheid. Vanaf een staaltemperatuur van 400 °C neemt de sterkte af, aar dat is ook zo bij andere materialen.
Door de juiste maatregelen te nemen is elke brandweerstand te realiseren. En bovendien biedt staal een grote mate van veiligheid om de volgende redenen:
- Staal is een voorspelbaar constructiemateriaal. In tegenstelling tot sommige andere constructiematerialen zoals metselwerk en beton, zijn van staal de materiaaleigenschappen bij hoge temperatuur nauwkeurig bepaald en bestaan er maar kleine variaties.
- Staal is ook een vervormbaar constructiemateriaal. Alle materialen ondergaan bij verhoogde temperatuur grote thermische vervormingen. Deze vervormingen genereren extra krachten in de constructie. Om de vervormingen en krachten op te kunnen nemen moet een materiaal niet zozeer sterk zijn maar juist vervormbaar. In tegenstelling tot bijvoorbeeld een bros materiaal als beton is staal hiertoe perfect in staat.
- Staal waarschuwt met grote vervormingen voordat het eventueel bezwijkt. De brandweer en andere hulpverleners kunnen normaliter aan de ontwikkeling van de vervormingen zien of het gebouw op instorten staat. Het plotseling en bros bezwijken zoals dat bij bijvoorbeeld beton- en metselwerkconstructies kan optreden, is voor staalconstructies hoogst zeldzaam.
- Staal is een goed berekenbaar materiaal. De Eurocodes voor de berekening van de brandweerstand van staal zijn gebaseerd op decennia van uitgebreid wetenschappelijk onderzoek. Het constructieve gedrag is goed gekend en alle mogelijke fenomenen zijn nauwkeurig te voorspellen. Het risico dat een andere bezwijkvorm optreedt dan voorzien in het ontwerp is daardoor voor staalconstructies heel klein.
Bescherming van staal
Actieve maatregelen zijn alle maatregelen die ervoor zorgen dat een beginnende brand zich niet ontwikkeld tot een volledig ontwikkelde brand. De meest bekende zijn: detectie en alarmering, sprinklers, rook- en warmteafvoer (RWA)
Passieve maatregelen zijn alle maatregelen die de weerstand tegen brand van de staalconstructie verhogen. De mogelijkheden zijn
• Overdimensionering
• Plaatsing van de constructie buiten het gebouw
• Bouwkundige integratie
• Brandwerende isolatie
• Waterkoeling
Overdimensionering
Het tijdstip waarop het staal bezwijkt, hangt af van :
• de kritieke temperatuur
• de opwarmsnelheid
Door de staalconstructies zwaarder uit te voeren dan voor het koude ontwerp nodig is, zal de constructie bij een hogere temperatuur bezwijken en zal de profielfactor (en dus de opwarmsnelheid) afnemen. Beide effecten zorgen ervoor dat de constructie op een later tijdstip bezwijkt. Vooral voor eisen van 15 en 30 minuten kan overdimensioneren een zeer economische oplossing zijn.
De kritieke temperatuur is de temperatuur waarbij het staal bezwijkt. Deze hangt af van de belastinggraad. Dit is de verhouding tussen de belasting die tijdens de brand op de constructie werkt en de initiële draagkracht.
De opwarmsnelheid van de staalconstructie hangt niet alleen van het temperatuurverloop van de brand zelf af, maar ook van de verhouding tussen het verhitte buitenoppervlak (A) en het staalvolume (V). Een massief profiel met een klein buitenoppervlak dat wordt verhit, warmt langzamer op dan een licht profiel met een groot verhit buitenoppervlak. Deze verhouding wordt aangeduid met de massiviteit (V/A in mm) of omgekeerd met de profielfactor (A/V in 1/m). Deze laatste definitie wordt in de Eurocodes gebruikt.
Plaatsing buiten het gebouw
Een kolomstructuur die buiten het gebouw is geplaatst wordt bij brand in een brandcompartiment slechts verhit door de straling uit het ramen en de verhitting van de eventuele vlammen uit het raam. Bovendien straalt de kolom bij opwarming veel warmte af naar de buitenlucht.
Door de kolommen niet recht voor de ramen te positioneren, blijft de verhitting beperkt. Op deze manier kan de constructie zonder brandwerende isolatie worden uitgevoerd om een weerstand tegen brand van 120 minuten te realiseren. In deel 1991-1-2 van de Eurocodes wordt een berekeningsmethode gegeven om weerstand tegen brand te toetsen. Deze oplossing kan ook economisch zijn met een constructie van roestvast staal ondanks de hogere materiaalkosten dankzij de inherente duurzaamheid en de betere mechanische eigenschappen bij verhoogde temperatuur dan gewoon staal.
Bouwkundige integratie
Bouwkundige integratie is een veel gebruikte manier om het staal economisch te beschermen tegen brand. De staalconstructie wordt geheel of gedeeltelijk opgenomen in de rest van de constructie waardoor de constructie niet of slechts beperkt door de brand wordt verhit. Door de integratie ontstaan bovendien vlakke vloeren en wanden die ruimte besparen en het plaatsen van leidingen en installaties vereenvoudigen.
Ook kunnen kolommen of liggers geheel of gedeeltelijk met beton worden omstort. Er worden in deel 1994-1-2 van de Eurocodes berekeningsmethoden gegeven voor verschillende typen liggers en kolommen. Op deze manieren is een weerstand tegen brand van 120 minuten haalbaar.
Ook kunnen kokerprofielen worden gevuld met beton. Om daarvan de brandweerstand eenvoudig te berekenen is in het kader van CIDECT het software tool POTFIRE ontwikkeld.
Brandwerende isolatie
Een veel gebruikte oplossing om staal de gewenste weerstand tegen brand te geven is het beschermen van de staalconstructie tegen brand met brandwerende isolatie. Er bestaan verschillende types isolatiemateriaal:
• Opschuimende verf
• Beplating
• Spuitmortel
Voor alle isolatiematerialen hangt de benodigde dikte af van de kritieke temperatuur en de profielfactor van de staalconstructie.
In een attest worden de diktes gegeven. De attesten van de isolatiematerialen zijn gebaseerd op een serie brandproeven waarbij zowel de isolerende werking is onderzocht als de mate waarin het materiaal bevestigd blijft aan de staalconstructie tijdens de brand. De proefresultaten zijn wiskundig bewerkt tot veilige ontwerpwaarden voor de benodigde isolatiedikte. Afhankelijk van de proefmethode en de bewerkingsmethode kunnen in de praktijk meerdere attesten voor één materiaal bestaan. Niettemin zijn de ontwerpwaarden van alle attesten altijd aan de veilige kant ten opzichte van de beproevingsresultaten.
Opschuimende verf
Een populaire manier om de constructie de gewenste weerstand tegen brand te geven en het staal toch in het zicht te laten is het aanbrengen van een brandwerende verf. De verf schuimt bij verhitting op en vormt een isolerende laag die de opwarming van het staal vertraagt.
De laagdikte hangt af van de gewenste brandwerendheid. De verf wordt in een of meerdere lagen van enkele tienden van millimeters aangebracht in het atelier of op de werf. De dikte is eenvoudig te controleren met een speciaal daartoe ontwikkelde diktemeter.
Een brandweerstand tot 120 minuten is mogelijk, maar de meest voorkomende toepassing is voor eisen van 30 en 60 minuten brandweerstand.
Beplating
Brandwerende platen worden traditioneel veel toegepast en men kan elke gewenste weerstand tegen brand te realiseren. Er zijn platen op basis van (vezelversterkt) gips, calciumsilicaat of minerale wol. De platen op basis van gips of calciumsilicaat zijn zeer geschikt voor zichtwerk.
Voor beplatingen is een goede bevestiging essentieel zodat de platen tijdens brand de vervorming van het staal kan volgen. Voor de afmetingen van de plaat, het type en de tussenafstanden van bevestigingsmiddelen dienen de voorschriften van het attest gevolgd te worden.
Spuitmortel
Spuitmortels worden op de werf aangebracht en men kan elke gewenste brandweerstand realiseren. Spuitmortels kunnen een zeer economische oplossing zijn maar het oppervlak van de spuitmortel is ruw en het is daarom minder geschikt voor zichtwerk.
Voor een goede hechting moet het staal meestal eerst worden gestraald en worden voorzien van een corrosiewerende laag. Aanwijzingen hieromtrent staan in het attest.
Waterkoeling
Kokerprofielen kunnen effectief tegen brand worden beschermd voor 120 minuten en meer door ze te vullen met water. De circulatie van het water is essentieel zodat de warmte wordt afgevoerd en het water niet gaat koken. De circulatie kan op natuurlijk wijze op gang worden gebracht door de lokale opstijging van het verwarmde water bij de brandhaard. Het systeem is vooral effectief voor kolommen in relatief hoge gebouwen. Op deze wijze kan een zeer ranke en aansprekende constructie worden gerealiseerd.
Regelgeving in België
De brandveiligheidseisen in de reglementering hebben de volgende doelstellingen:
- de aanwezigen de kans geven om het gebouw te ontruimen of geholpen te worden ;
- het risico op uitbreiding van de brand naar naburige constructies beperken ;
- rekening houden met de veiligheid van de interventieploegen.
Om tegemoet te komen aan die doelstellingen bevatten de verschillende reglementeringen eisen met betrekking tot:
- de stabiliteit bij brand
- de reactie van de bouwmaterialen bij brand
- de compartimentering
- de verplichte afstand tot naburige gebouwen
- de prestaties van de buitenwanden
- de actieve-beveiligingsmiddelen (detectie, alarmmelding, sprinklers, rookafvoer...)
- de eerste-interventiemiddelen (blussers, haspels)
- de evacuatiemiddelen (dimensionering, aantal)
- de bereikbaarheid voor de brandweer
- ...
Wat stalen bouwelementen betreft, moet rekening worden gehouden met twee essentiële aspecten:
- de reactie bij brand
- het draagvermogen bij brand.
De voornaamste eisen inzake draagvermogen worden hoofdzakelijk bepaald in twee prescriptieve teksten:
- de Basisnormen: het gaat om het KB van 7 juli 1994, gewijzigd door een reeks opeenvolgende KB's
- het ARAB (Algemeen Reglement voor de Arbeidsbescherming ) Het ARAB wordt deel per deel vervangen door de Codex ; op dit moment zijn echter de delen betreffende brandpreventie op de arbeidsplaatsen nog niet vervangen en blijft artikel 52 van het ARAB van toepassing.
Daarnaast bestaat er voor enkele specifieke types van projecten afzonderlijke regelgeving.
Basisnormen
De voorschriften van de Basisnormen zijn oorspronkelijk vastgelegd in het besluit van 7 juli 1994. Met betrekking tot dit besluit zijn tal van wijzigings-KB's opgesteld.
De tekst van het KB zelf past op één A4. De technische inhoud is in een set van bijlagen te vinden. Deze bijlagen zijn als volgt gestructureerd :
In de bouwsector wordt dan ook bijvoorbeeld gesproken van de “eisen volgens Bijlage 6” (in de veronderstelling dat iedereen begrijpt dat het in de context van brandveiligheid dan gaat over “Bijlage 6 bij het KB van 7/7/’94)
Een eerste opsplitsing die gemaakt wordt is tussen industriële gebouwen en niet-industriële gebouwen.
- De niet-industriële gebouwen worden vervolgens ingedeeld volgens hun hoogte. Het begrip hoogte is specifiek voor de basisnormen :
- Voor de industriële gebouwen gebeurt de indeling in functie van de te verwachten brandlast enerzijds, en het belang van het structuur-element bij instorting (door brand) anderzijds. Meer gedetailleerd wordt dit toegelicht onder Industriegebouwen (België)
Nadat de eisen zijn vastgesteld voor de constructie moet de brandwerendheid van de constructie worden bepaald. Volgens de basisnormen moet de brandwerendheid op een van de volgende manieren worden aangetoond:
- door de CE markering;
- door een classificatierapport voor de desbetreffende toepassing opgemaakt door een labo of certificatieorganisme dat aan bepaalde welomschreven voorwaarden voldoet
- door de informatie bij een BENOR- en/of ATG-goedkeuring, of door een gelijkwaardige beoordeling aanvaard in een andere lidstaat van de Europese Unie of in een ander land dat deel uitmaakt van de Europese Economische Ruimte.
- door een berekeningsnota uitgewerkt volgens een methode goedgekeurd door de Minister van Binnenlandse Zaken ; concreet geldt de Eurocode (beperkt tot de ISO-brandcurve) als enige geldige methode.
ARAB (artikel 52)
Het ARAB is van toepassing op alle gebouwen waarin personen tewerkgesteld zijn in het kader van hun werk.
Het niveau van de eisen verschilt:
- op basis van een classificatie van de lokalen in drie groepen:
- lokalen van de eerste groep, met het hoogste brandrisico (opslag van grote hoeveelheden ontvlambare materialen en winkels voor de kleinhandel groter dan 2.000 m²)
- lokalen van de tweede groep, met een minder hoog brandrisico (opslag van minder grote hoeveelheden ontvlambare materialen)
- lokalen van de derde groep, met het minst hoge brandrisico.
- naargelang het gebouw op 1 juni 1972 al dan niet al bestond.
Op de webiste van FOD Werkgelegenheid, Arbeid en Sociaal Overleg, die bevoegd is voor de toepassing van het ARAB, is nuttige aanvullende informatie samengebracht.
Afwijkingen
Soms is het quasi onmogelijk om te voldoen aan de eisen uit de Basisnormen of gelden er bij een specifiek project met weinig risico’s toch bepaalde strenge eisen. Afwijkingen zijn toegestaan indien ten minste een gelijk veiligheidsniveau wordt geboden als vereist in de voorschriften.
Om de afwijkingen op de basisnormen te beoordelen heeft de FOD Binnenlandse Zaken een commissie voor afwijking opgericht.
De procedure voor de afwijkingen op de basisnormen werd in 2018 gemoderniseerd om het indienen en beoordelen van een afwijkingsdossier vlotter te doen verlopen.
Projecten met specifieke eisen
Voor een reeks specifieke bestemmingen, bestaan er bijkomende of andere regels, zowel op federaal, regionaal als europees niveau. De belangrijkste daarvan zijn :
- Ziekenhuizen
- Gesloten parkeergebouwen (bestemd voor LPG-voertuigen)
- Sportstadions
- Dancings
- Toeristische logies
- Hotels
- Kinderopvang
- Rustoorden, serviceflat, ... voor bejaarden
- Geestelijke gezondheidszorg
Het WTCB heeft een pagina ontwikkeld waarop in functie van de bestemming enerzijds, en de regio anderzijds, de relevante wetgeving wordt weergegeven.
Bovendien moet ook in het achterhoofd gehouden worden, dat het steeds mogelijk is dat er ook nog gemeentelijke regelgeving is.
Regelgeving in Luxemburg
In Luxemburg worden de brandveiligheidsvereisten voor gebouwen bepaald door de voorschriften van de wet op de veiligheid in openbare gebouwen van het "Règlement Grand-Ducal" en van de ITM (Inspection du Travail et des Mines), die zijn gedocumenteerd in de ITM-SST 1500 en volgende:
- 1500 Définitions générales (Algemene definities)
- 1501 Bâtiments bas (Laagbouw)
- 1502 Bâtiments moyens (Middelhoogbouw)
- 1503 Bâtiments élevès (Hoogbouw)
- 1504 Bâtiments administratifs (Administratieve gebouwen)
- 1505 Salles de restauration (Restaurants ; nota : voor meer dan 50 personen)
- 1506 Parkings couverts de plus de 20 véhicules (Parkeergebouwen voor meer dan 20 voertuigen)
- 1507 Salles recevant du public (Publiekslocaties ; nota : theaters en dergelijke)
- 1508 Etablissements de vente - Centres commerciaux (Commerciële gebouwen - Winkelcentra)
- 1509 Etablissements d’hébergement (Hotels)
- 1510 Hôpitaux – Centres intégrés pour Personnes Agées (Ziekenhuizen en rusthuizen)
- 1511 Etablissements artisanaux et industriels < 10.000m² (Industriële gebouwen < 10000m²)
- 1512 Installations de natation (Zwembaden)
- 1513 Logements encadrés (Internaten)
- 1514 Services d’éducation et d’accueil pour enfants non-scolarisés et structures d’accueil de nuit pour enfants en bas âge (Kinderopvang)
- 1515 Chantiers (Bouwplaatsen)
- 1524 Écoles (Scholen)
De officiële titel van het « Règlement Grand Ducal » luidt: "Texte coordonné du 3 novembre 1995 du règlement grand-ducal modifié du 13 juin 1979 concernant les directives en matière de sécurité dans la fonction publique" en kan gedownload worden (in het Frans) op de website van het Journal Officiel. De voorschriften van het ITM zijn hier te raadplegen.
In deze Luxemburgse regelgeving is de belangrijkste indeling gebaseerd op de hoogte van het gebouw, wat leidt tot regels voor laagbouw, middelhoogbouw en hoogbouw. Dan zijn er nog aanvullende regels voor specifieke bestemminge zoals administratieve gebouwen, restaurants, parkings, theaters, commerciële centra, hotels, ziekenhuizen, zwembaden, scholen, kinderdagverblijven en werkplaatsen.
Voor industriële gebouwen zijn er de ITL-SST 1511.2 voorschriften voor industriële hallen kleiner dan 10.000 m².
Vier specifieke documenten zijn speciaal gewijd aan de prestatiebenadering en hebben betrekking op de structurele stabiliteit, rookafvoer en evacuatie van personen en gevels:
- 1551 Etude de stabilité au feu à l’aide d’une approche performancielle (Berekening van de stabiliteit bij brand met een performantiële benadering)
- 1552 Conception du désenfumage - Calcul des installations d’évacuation de fumées et de chaleur (EFC) (Ontrokingsconcept – berekening van de installaties)
- 1553 Simulation d’évacuation de personnes (SEP) à l’aide d’une approche performancielle - Instruction technique (Performatiële aanpak voor de simulatie van evacuatie)
- 1554 Spécifications techniques pour les façades - Instruction technique (Technische specificaties voor gevels)
Niet-industriële gebouwen
Voor niet-industriële gebouwen is de brandwerendheidseis hoofdzakelijk gebaseerd op de hoogte van het gebouw :
Industriële gebouwen
Fire Safety Engineering
De traditionele manier om aan te tonen dat een structuur veilig is in het geval van brand, bestaat er in om een specifieke temperatuurscurve “op te leggen” aan de componenten van een structuur, en dan op basis van één van de 4 volgende manieren aan te tonen dat er een voldoende weerstand behaald wordt :
- door de CE markering;
- door een classificatierapport voor de desbetreffende toepassing opgemaakt door een labo of certificatieorganisme dat aan bepaalde welomschreven voorwaarden voldoet
- door de informatie bij een BENOR- en/of ATG-goedkeuring, of door een gelijkwaardige beoordeling aanvaard in een andere lidstaat van de Europese Unie of in een ander land dat deel uitmaakt van de Europese Economische Ruimte.
- door een berekeningsnota uitgewerkt volgens een methode goedgekeurd door de Minister van Binnenlandse Zaken ; concreet geldt de Eurocode (beperkt tot de ISO-brandcurve) als enige geldige methode.
Die 2 vereenvoudigde uitgangspunten (standaardbrand en component-aanpak) kunnen echter precieser benaderd worden, respectievelijk met een een natuurlijke brand, en met een systeem-benadering. Dit verstaan we dan onder Fire Safety Engineering.
Fire Safety Engineering wordt heel vaak samen gezien met staalbouw. Maar ook voor andere materialen kan een benadering met Fire Safety Engineering.
Hoe komt het dan dat FSE toch vaak samengaat met staalbouw ? De verklaring is vrij eenvoudig :
- Staal is een voorspelbaar constructiemateriaal. In tegenstelling tot sommige andere constructiematerialen zoals metselwerk en beton, zijn van staal de materiaaleigenschappen bij hoge temperatuur nauwkeurig bepaald en bestaan er maar kleine variaties.
Staal is een goed berekenbaar materiaal. De Eurocodes voor de berekening van de brandweerstand van staal zijn gebaseerd op decennia van uitgebreid wetenschappelijk onderzoek. Het constructieve gedrag is goed gekend en alle mogelijke fenomenen zijn nauwkeurig te voorspellen. Het risico dat een andere bezwijkvorm optreedt dan voorzien in het ontwerp is daardoor voor staalconstructies heel klein.
Steel Design 2 - Fire
Het goed ontwerpen van een brandveilige staalstructuur is een onderwerp dat vaak (in opleidingen) onderbelicht blijft. Daarom hebben Bouwen met Staal, Infosteel, Worldsteel, Bauforumstahl en SZS de handen in elkaar geslagen om een boek te publiceren dat elke ontwerpen (junior of senior) bij de hand zou moeten hebben als er gerekend wordt aan staalstructuren : Steel Design 2 – Fire.
Er bestaat dus ook een Steel Design 1 indeze serie, namelijk “Structural Basics” dat de beginselen van het ontwerp van staalstructuren bij normale toestand behandelt.
