Modell av naturligt brandförlopp skapar möjligheter att optimera bärande konstruktioners brandmotstånd

Transkript

1 1 (7) Modell av naturligt brandförlopp skapar möjligheter att optimera bärande konstruktioners brandmotstånd I dagsläget finns möjlighet att dimensionera bärande konstruktioners bärförmåga vid brand enligt två olika huvudprinciper enligt Eurokoder och Boverkets tillämpningsföreskrifter (EKS). Anledningen till detta är att det går att karaktärisera brandförloppet i en byggnad på olika sätt. I den första principen beskrivs brandförloppet genom en standardiserad temperatur/tid kurva som benämns standardbrandkurva (ISO834). Detta dimensioneringssätt benämns dimensionering enligt klassificering. Konstruktionen dimensioneras och utformas så att den under en given tidsperiod uppfyller kraven på brandteknisk klass för byggnadsdelar vilket kopplas till en standardbrandpåverkan (R 30, R 60, R 90 etc). Detta görs vanligtvis vid en standardprovning, men kan också utföras genom beräkning eller en kombination av provning och beräkning. Dimensionering enligt klassificering är den vanligast förekommande metoden för att dimensionera bärförmåga i dagsläget. I den andra principen beskrivs brandförloppet som en funktion av de förutsättningar som finns i den specifika byggnad som studeras. En brand i en byggnad är en funktion av en mängd olika egenskaper som till exempel mängden brännbart material i byggnaden. Detta dimensioneringssätt benämns modell av naturligt brandförlopp. Dimensionering genom modell av naturligt brandförlopp medför att brandskyddet kan anpassas på ett mer nyanserat vis till verkliga förhållanden i en byggnad. Detta medför även att de funktionskrav som ställs på bärverket i vissa fall kan uppnås till en lägre kostnad än vid dimensionering enligt klassificering. Denna artikel utgör en kort beskrivning av vad modell av naturligt brandförlopp innebär samt hur dimensionering enligt modell av naturligt brandförlopp kan genomföras. Artikeln belyser även vilka för- och nackdelar som finns med att dimensionera enligt modell av naturligt brandförlopp. Modell av naturligt brandförlopp Modell av naturligt brandförlopp ska efterlikna en verklig brand och brandförloppsmodellen baseras därför på ett antal parametrar som påverkar hur en brand skulle utvecklas i den byggnad som studeras. Egenskaper som påverkar brandförloppet är till exempel mängden brännbart material i byggnaden, byggnadens storlek, termiska egenskaper för byggnadens omslutande ytor, storleken på öppningarna i byggnadens fasad samt tekniska installationer i form av sprinkler och brandgasventilation. Hänsyn tas till alla dessa egenskaper vid dimensionering enligt modell av naturligt brandförlopp. Vid dimensionering med klassificeringsmetoden är däremot temperaturexponeringen helt oberoende av dessa parametrar och densamma för alla byggnader. WSP Sverige AB Stockholm-Globen Besök: Arenavägen 7 Tel: Fax: WSP Sverige AB Org nr: Styrelsens säte: Stockholm

2 2 (7) Vid dimensionering enligt modell av naturligt brandförlopp ska byggnadsdelar dimensioneras så att de inte kollapsar under en viss del av ett fullständigt brandförlopp. Hur stor del av brandförloppet som byggnadsdelen ska motstå utan att kollapsa är kopplat till vilken brandsäkerhetsklass som byggnadsdelen tillhör. Indelning i brandsäkerhetsklass sker i sin tur utifrån risken för personskador om byggnadsdelen kollapsar vid en brand. En högre brandsäkerhetsklass medför därmed ett högre krav på den bärande konstruktionens brandmotstånd. För brandsäkerhetsklass 4 gäller exempelvis att byggnadsdelarna ska dimensioneras för ett fullständigt brandförlopp inklusive avsvalningsfasen. Vid dimensionering enligt modell av naturligt brandförlopp ska byggnadsdelar dimensioneras med den brandmotståndstid som anges i tabell 1. Tabell 1. Krav på byggnadsdelar kopplat till brandsäkerhetsklass. Brandsäkerhetsklass Del av fullständigt brandförlopp De första 15 minuterna 3 De första 30 minuterna 4 Hela brandförloppet inklusive avsvalningsfasen 5 Hela brandförloppet med 50 % ökad brandbelastning inklusive avsvalningsfasen Dimensionering av bärande konstruktioners brandmotstånd regleras i Sverige av Eurokoder och EKS. Enligt dessa regelverk kan modell av naturligt brandförlopp delas in i två undergrupper; parametrisk brand och lokal brand. Om det kan visas att övertändning inte kan ske i den byggnad som studeras får dimensionering utföras för en lokal brand. För byggnader i byggnadsteknisk klass Br2 och Br3 räcker det dock att sannolikheten för övertändning är mindre än 0,5 % för att dimensionering ska få utföras för en lokal brand. I de fall dimensionering inte får genomföras för en lokalbrand kan istället modell av parametrisk brand användas som modell av naturligt brandförlopp. I figur 1 visas en schematisk beskrivning för bestämning av dimensionerande brandförlopp vid projektering av bärande konstruktioners brandmotstånd.

3 3 (7) Modell för parametrisk brand Figur 1. Schematisk beskrivning för bestämning av dimensionerande brandförlopp vid projektering av bärande konstruktioners brandmotstånd. Modell av naturligt brandförlopp för parametrisk brand Naturligt brandförlopp vid fullt utvecklad brand kan enligt eurokoden beräknas med förenklade eller avancerade brandförloppsmodeller. Tillämpning av de förenklade modellerna är begränsat till brandceller upp till 500 kvadratmeter med en takhöjd på maximalt fyra meter. Hur de förenklade modellerna används finns beskrivet i eurokod SS-EN Om dessa förutsättningar inte uppfylls kan modell av naturligt brandförlopp istället genomföras med hjälp av avancerade beräkningsmodeller som tar hänsyn till gasegenskaper, massutbyte och energiutbyte i den aktuella byggnaden. En av de avancerade modellerna som kan användas är en så kallad CFD-modell (Computation Fluid Dynamic) som ger en tids- och rumsberoende temperaturutveckling i byggnaden. Enligt eurokoden är det alltså tillåtet att använda CFD-modeller för att modellera naturligt brandförlopp även för det fall då branden leder till övertändning. Invändningar mot att göra detta är att osäkerheterna vid CFD-modellering är många, att dimensioneringssituationen är överförenklad samt att brister finns i valideringen av modellerna mot fullt utvecklade bränder. Att använda CFD-modeller för att modellera naturligt brandförlopp ställer därmed stora krav på projektörens kompetens både när det gäller modellering och när det gäller temperaturpåverkan av bärande konstruktioner. CFDmodellering måste göras med stor försiktighet samt i kombination med flertalet osäkerhetsanalyser.

4 Temperatur (C) 4 (7) Vid dimensionering enligt modell av naturligt brandförlopp för parametrisk brand är det en fördel om brandsäkerhetsklassen är låg. Det är även en fördel med stora lokaler med hög takhöjd, att det brännbara materialet är jämnt fördelat i byggnaden samt att ventilationsförhållandena i form av öppningar och läckage i fasader är välkända. WSP har nyligen genomför ett projekt där avancerade beräkningsmodeller av naturligt brandförlopp för parametrisk brand användes. De byggnadsdelar som studerades i detta projekt var ett antal fackverksbalkar som utgjorde den bärande konstruktionen för byggnadens tak. Fackverksbalkarna tillhörde brandsäkerhetsklass 3 vilket medförde att de första 30 minuterna av ett fullständigt brandförlopp studerades. Brandbelastningen i aktuell byggnad var väldigt hög vilket medförde att brandens tillväxthastighet blev dimensionerande för brandeffekten under de 30 första minuterna av branden. Beräkningar av den temperatur som brandeffekten medförde på fackverksbalkarna genomfördes med hjälp av en CFD-modell. Den beräknade temperaturen vid en mätpunkt på den fackverksbalk som uppnådde högst temperatur visas i figur Fackverksbalkens yttemperatur C Yttemp Tid (s) Figur 2. Simuleringsresultat från CFD-modell av yttemperatur som funktion av tiden vid en fackverksbalk. När brandeffekten och den temperatur som branden ger upphov till vid fackverksbalkarna var fastställd genomfördes en temperaturanalys av samtliga stålprofiler som ingick i fackverksbalkarna. I temperaturanalysen studeras hur temperaturen vid stålprofilernas yta påverkar temperaturen inuti stålprofilen. Temperaturanalyserna genomfördes i beräkningsprogrammet SAFIR, som klarar av att analysera värmeflöde i tre dimensioner i konstruktionselement. Resultatet av temperaturanalysen för en av stålprofilerna i fackverksbalken visas i figur 3.

5 5 (7) Figur 3. Simuleringsresultat från SAFIR av temperaturfördelning i en stålprofil efter 30 minuters brand. Då temperaturen i balken var känd genomfördes en strukturanalys av fackverksbalken. I denna analys studerades hur infästningar, lastfördelningen över balken samt temperaturökningen i profilerna påverkar fackverksbalkens stabilitet och struktur. I strukturanalysen studerades även de linkrafter som uppstår och påverka infästningarna i det tidiga skedet av branden. Detta glöms oftast bort vid verifieringar men är viktigt för att kunna dimensionera infästningarna rätt. Även strukturanalysen genomfördes i beräkningsprogrammet SAFIR. Erhållet resultat visar tydligt att fackverksbalken bärförmåga efter 30 minuters brandpåverkan är tillräcklig för att klara av den lasteffekt som belastar balken. I figur 4 visas längdutvidgning hos fackverksbalken efter 30 minuters brand vilket är en del av resultat från strukturanalysen i SAFIR. Figur 4. Simuleringsresultat från SAFIR av längdutvidgning (x5) hos fackverksbalk efter 30 minuters brand. I detta projekt visades att fackverksbalkarna som bar upp taket i byggnaden kunde utföras utan skyddsbeklädnad eller brandskyddsmålning trots att brandbelastningen var så stor att övertändning kunde ske i byggnaden. Om dimensionering istället skett enligt klassificeringsmetoden skulle fackverksbalkarna behövt förses med brandmotstånd motsvarande R 30. Detta innebar en besparing på flera hundratusen. Modell av naturligt brandförlopp vid lokal brand Lokal brand är ett specialfall av naturligt brandförlopp och används för att bestämma temperaturpåverkan för ett brandförlopp som endast omfattar en begränsad del av

6 6 (7) en brandcell. För att bestämma temperaturpåverkan enligt dagens regelverk ska hänsyn tas till bränslets höjd och placering i utrymmet, samt till de förhållanden som kan förväntas uppstå i utrymmet. Dessa kan bestämmas enligt den metod som beskrivs i bilaga C till eurokod standard SS-EN I EKS anges att bärande byggnadsdelar får dimensioneras utifrån lokal brand. I de fall det går att visa att övertändning inte inträffar vid en full utvecklad brand tillåter EKS att bärande byggnadsdelars bärförmåga vid brand enbart dimensioneras utifrån lokal brand. Dock kan det finnas situationer där den lokala branden kan bli dimensionerande trots att övertändning inträffar vid en fullt utvecklad brand. Ett exempel på detta är mindre förvaringsutrymmen av brännbart material i en större lokal. För att visa att övertändning inte kan inträffa tillåter EKS att effekten hos fast installerade tekniska system tillgodoses så länge driftsäkerheten är säkerställd. Dock saknas en närmare precisering av vad detta innebär i praktiken, vilket medför svårigheter för projektören att veta om kravet även efterlevs i bruksskedet. Denna dimensioneringsmetod är därför generellt väldigt tilltalande att tillämpa vid brandteknisk dimensionering av bärande byggnadsdelar, eftersom den ofta medför att regelverkens krav uppfylls till mer kostnadseffektiv lösningar. Kriterierna för när och hur lokal brand får tillämpas eller inte är tydligt i dagens regelverk, dock saknas vägledning för hur projektören ska gå tillväga avseende val av beräkningsmetod och val av indata för att påvisa huruvida övertändning kan inträffa eller inte. Avsaknaden på vägledning medför att projektören måste göra ett flertal egna antaganden, vilket kan medföra att en ojämn skyddsnivå erhålls till följd av valet av indata samt teknisk lösning och verifiering av denna. För att undvika en osund konkurrenssituation på grund av skillnader i tillämpning av regelverken är det viktigt att Boverket fortsätter sitt arbete med att tydliggöra och ta fram en vägledning för att påvisas huruvida övertändning kan inträffa eller inte. Detta behov har även identifierats i en förstudie som WSP genomfört åt Boverket under våren WSP har tacklats med svårigheten att dimensionera bärande byggnadsdelar utifrån lokal brand i ett flertal projekt. I ett av projekten utreddes möjligheten att utföra specifika delar av takkonstruktion i en större byggnad försedd med sprinkler, belägen på 9 meters höjd, oskyddad, se Figur 5. Takkonstruktionen utgjordes av en fackverkskonstruktion som hänfördes till brandsäkerhetsklass 4, vilket enligt dagens regelverk innebär att de bärande byggnadsdelarna ska dimensioneras utifrån ett fullständigt brandförlopp inklusive avsvalning. För att utreda om övertändning kunde inträffa eller inte vid en fullt utvecklad brand genomfördes temperaturberäkningar baserat på en två-zonsmodell. En känslighetsanalys där storleken på öppningarna och brandeffekten varierades gav att maximal medeltemperatur inom utrymmet ej skulle överstiga 420 C. Detta resulterar i att övertändning ej kommer att inträffa eftersom temperaturen i utrymmet ej överstiger 500 C, vilket utgör ett konservativt temperaturkriterium för när övertändning inträffar. Detta innebär att takkonstruktionens bärförmåga vid brand kan dimensioneras utifrån lokal brand. Takkonstruktionen dimensioneras därför efter de brandscenarion som kan tänkas uppstå till följd av byggnadens utformning och den verksamhet som bedrivs i byggnaden. Detta resulterade i att takkonstruktionen kunde utföras oskyddad, vilket medförde en besparingar på upp mot en miljon

7 7 (7) kronor jämfört med om takkonstruktionen hade brandskyddsmålas för att säkerställa att erfordrat krav på bärförmåga vid brand erhölls. Figur 5. Delar av takkonstruktionen i en Br1-byggnad där bärande byggnadsdelars bärförmåga vid brand dimensionerats utifrån lokal brand till följd av att övertändning ej beräknas inträffa i byggnaden. Fördelar med modell av naturligt brandförlopp Dimensionering enlig modell av naturligt brandförlopp kan medföra att mängden skyddsbeklädnad på bärverk skräddarsys utifrån de förutsättningar som gäller i just den byggnad som studeras. Denna dimensioneringsmetod uppfyller föreskrifternas säkerhetkrav samtidigt som en betydande kostnadsreducering för det passiva brandskyddet kan uppnås. Detta beror på att dimensionering med naturligt brandförlopp som grund kan ge ett gynnsammare brandförlopp än vid jämförelse med en standardbrand. Begränsningar med modell av naturligt brandförlopp Dimensionering enligt modell av naturligt brandförlopp har även en del begränsningar. Som tidigare nämnts finns fortfarande ett antal osäkerheter och begränsningar i de modeller som används för att utreda och simulera den fullt utveckade branden. Vissa osäkerheter finns även kring de verifieringsmetoder som påvisar om övertändning kan ske i en byggnad. På grund av de osäkerheter som råder kring modell av naturligt brandförlopp är det viktigt att alltid genomföra en känslighetsanalys och vara konservativ vid val av indata till beräkningarna av både ett fullständigt brandförlopp och lokal brand. Vilka modeller, metoder och datorprogram som används för att modellera ett naturligt brandförlopp måste göras med stor försiktighet. Vid rätt förutsättningar finns det dock goda förutsättningar att dimensionera enligt naturligt brandförlopp och möjlighet att reducera kostnader i projekten. Slutsats Dimensionering enlig modell av naturligt brandförlopp tillåter att brandskyddet skräddarsys till att uppnå brandkraven med optimal skyddsbeklädnad på bärverket utifrån de förutsättningar som gäller i just den byggnad som studeras. Denna dimensionerings metod uppfyller ställda krav samtidigt som en betydande kostnadsreducering för det passiva brandskyddet kan uppnås. Detta beror på att dimensionering med naturligt brandförlopp som grund kan ge ett gynnsammare brandförlopp jämfört med en standardbrand.