SKYSKRAPAN BRINNER - brandförsök med glasfasader

Transkript

1 SKYSKRAPAN BRINNER - brandförsök med glasfasader Vid projekteringen av brandskyddet i Kista Science Tower åt NCC i Stockholm ställdes vi inför frågan om storleken på risken för brandspridning via fasad. Den 31 våningar höga byggnaden (Sveriges hittills högsta hus) ska utföras med glasfasader, ett par av dem dubbla. BBR:s krav att begränsa risken för brandspridning och tillhörande råd såg vi inte som tillräckligt. I den här byggnaden skulle konsekvensen av brandspridning via fasaden vara alldeles för stor för att det skulle vara tillräckligt att begränsa risken. De fullskaleförsök vi genomförde i samarbete med Försvarets Forskningsanstalt, FOA, gav oss beslutsunderlag för fastställande av fasadens konstruktion och val av glas. Kista Science Tower är ett trekantigt 31 våningar högt (34 våningar inklusive teknikplan) kontorshus som håller på att uppföras i Kista utanför Stockholm. Hyresgästerna är huvudsakligen High Tech företag, såväl svenska som utländska. Brandskyddet måste således möta kraven från såväl svensk bygglagstiftning som hyresgästers Risk Management-policys. Huset är helsprinklat med sprinkler enligt de amerikanska NFPA-reglerna, har heltäckande brandlarm och är utrustat med en brandhiss och trycksatt stigarledning som räddningstjänsten ska kunna använda vid brand i huset. Trapphuset, brandslussar till trapphuset och brandhissens schakt är trycksatta för att hindra spridning av brandgaser till dessa. Kista Science Tower. Det högsta huset, Hus B, är det som behandlas i artikeln. Bild: White Arkitekter

2 Det aktiva skyddssystem av de ovan nämnda som spelar störst enskild roll för risknivån i byggnaden är sprinklern, men vad händer om den av någon anledning inte fungerar? Sprinklerns uppgift är att: Begränsa brandspridning inom den brandcell i vilken branden startat. Bidra till att skydda byggnadens bärande konstruktion. Bidra till att hindra brandspridning till omkringliggande brandceller via - väggar - bjälklag - fasad - ventilationssystem. Om sprinklern inte skulle fungera får det inte innebära att skyddet mot brandspridning till andra brandceller fallerar eller att bärande konstruktioner kollapsar. I ett normalt hus tillgodoräknar man sig vanligtvis räddningstjänstens närvaro som reservfunktion. Kista Science Tower är alldeles för högt för att det skall vara möjligt. För att möta detta delade vi upp huset i ytterligare brandceller som vi valde att kalla storbrandceller. Dessa brandcellsgränser är inte beroende av sprinklern eller andra aktiva system. Kravnivån är att hindra brandspridning mellan storbrandcellerna även om aktiva system skulle fallera. Nedan beskrivs hur det kravet efterlevs om sprinklern skulle fallera och främst behandlas de svårigheter som fanns med fasaden. De bärande konstruktionerna utförs aldrig i lägre klass än R 60 och väggar och bjälklag håller i alla brandcellsgränser aldrig lägre klass än EI 60 för att kunna klara ett fullständigt brandförlopp även utan sprinklerns hjälp. Ventilationssystemet utförs så att storbrandcellerna försörjs med separata aggregat varför spridning av brand eller brandgaser mellan storbrandceller är omöjligt denna väg oavsett om sprinklern fungerar. Fasaden: Hur skulle vi klara att förhindra brandspridning via fasaden om sprinklern inte fungerar? Fasaden På två sidor har huset en dubbel glasfasad med 70 centimeters mellanrum. Den tredje fasaden (huset är trekantigt) är en enkel glasfasad. Den dubbla fasaden delas in i sektioner om ett visst antal våningar. Sektionerna ventileras naturligt termiskt, via ventilationsgaller placerade i sektionernas topp och botten, för att reglera temperatur och fukt. I dubbelfasaden ligger klimatskalet i den inre fasaden med tvåglas, varav det inre är härdat av personskyddsskäl.

3 Dubbelglasfasaden i sektion. Bild: White Arkitekter Risken Risken för brandspridning via fasaden ligger i om - flammor skulle kunna ta sig upp utmed fasaden och spräcka glaset (i den inre fasaden eller enkelfasaden) och på så sätt ta sig in i planet ovanför. - värmestrålning från flamman eller de heta brandgaserna går igenom glaset och antänder material innanför fasaden. Med en fungerande sprinkler uppstår inget av de problemen.

4 Den teoretisk lösningen Den lösning vi först valde, utifrån litteratur och beräkningar, var följande: Dubbelfasadens sektionering fick följa storbrandcellsgränserna så att mellanrummet mellan fasaderna på så sätt kunde avskiljas vertikalt i klass EI 60. Glaset i den yttre fasaden samt i den enkla fasaden utfördes i klass E 60 nedhängt från storbrandcellsgränsen. Ventilationsgallren i dubbelfasaden försågs i tilluftsöppningarna med brandtåliga spjäll. Den här lösningen kunde vi på teoretisk väg bedöma uppfylla vårt ställda krav: att hindra brandspridning mellan storbrandcellerna även om aktiva system skulle fallera, (med undantag för spjällen som är ett aktivt system). Men det var en kostsam konstruktion! Fanns det en mindre kostsam lösning? Vi såg inte några möjligheter att på analytisk väg finna en sådan, men visst hade vi en del idéer Den teoretiska lösningen av fasadkonstruktionen för att hindra brandspridning förbi storbrandcellsgränserna även om aktiva brandskyddssystem skulle fallera. Den empiriska lösningen Fullskaleförsök skulle kunna ge svar på om följande var möjligt: 1. Kunde spjällen i ventilationsgallren ersättas av svällande lister på gallerlamellerna? 2. Kunde ett härdat glas, så kallat 300/30 glas, ersätta det brandklassade glaset på något sätt? (300/30 avser 300 C i 30 minuter). 3. Kunde den horisontella konstruktionen, balkongplattan, i dubbelfasaden förbättra situationen märkbart? I samarbete med FOA utförde vi ett antal försök i deras försöksbyggnad i Rosersberg norr om Stockholm.

5 Försöken Det första försöket vi utförde var ett småskaligt försök för att se om det skulle fungera att ha lister på ventilationsgallren som svällde upp vid brandpåverkan och på så sätt tätade gallret och hindrade flammor eller heta brandgaser från att ta sig in i mellanrummet mellan fasaderna. Resultatet var mycket bra, och vi bestämde oss för att använda den konstruktionen vid fullskaleförsöken. Till fullskaleförsöken byggdes en holkliknande konstruktion som hängdes utanpå försöksbyggnaden. Branden och rummet där branden skulle placeras anpassades så att flammorna på bästa sätt skulle efterlikna den påverkan som vi bedömde att den verkliga konstruktionen skulle kunna utsättas för. Brandhärden utgjordes av 400 kg trä i ribbstaplar. Ribborna hade måtten mm. På rummets bakre vägg monterades dubbla träfiberskivor med tjockleken 11 mm (totalt 4 stycken). Försöksuppställningen instrumenterades för att kunna mäta följande: Temperaturen i ett antal punkter kring fasaden, på glasen, i brandrummet och i rummet innanför den inre fasaden. Värmestrålningen utanför och innanför fasaderna. (Dessutom mättes ett antal andra saker av försökstekniska skäl.) Först gjordes ett försök utan det yttre fasadglaset monterat. Detta för att se vad som skulle hända om den yttre fasaden rasat. I den inre fasaden monterades två isolerrutor bredvid varandra, den ena med härdat glas ytterst, den andra utan härdat glas. Där det yttre fasadglaset och ventilationsgallret sedan skulle sitta placerades en strålningsmätare för att mäta värmestrålningen i flammorna. Det andra försöket gjordes med det yttre fasadglaset och ventilationsgallret monterat.

6 Sektion Planvy Försöksuppställningen till försök 1, utan den yttre glasfasaden. Bilder: Per Walmerdahl, FOA

7 Sektion Planvy Försöksuppställningen till försök 2, med den yttre glasfasaden och ventilationsgallret monterade. Bilder: Per Walmerdahl, FOA

8 Resultaten Resultaten i det första försöket var mycket positiva. Den utskjutande balkongplattan höll ut flammorna så att de inte nådde den inre fasaden. I den inre fasaden höll det härdade glaset emedan det ohärdade floatglaset sprack, (dock utan att falla ur sin ram). Mätningen av värmestrålningen visade på att ingen strålning gick direkt genom den inre fasaden. Glasen i den inre fasaden absorberade värmestrålningen och det konvektiva bidraget, värmdes upp och självstrålade sedan inåt 1. Nivån på värmestrålningen innanför den inre fasaden var inte sådan att risk för antändning förelåg. BILD RAKT FRAMIFRÅN (Bild 11) Försök 1. Bilden till vänster är tagen strax före övertändning. Bilden till höger är tagen strax efter övertändning. Foto: Per Walmerdahl, FOA. BILD: DETALJBILD AV GLASEN EFTER FÖRSÖK 1 Glasen i den inre fasaden efter försök 1. Det vänstra är floatglaset som har spruckit. Det högra är det oskadda härdglaset. 1 Netherlands Organization for Applied Scientific Research, TNO, har i liknande försök konstaterat samma sak. Enligt deras studie transmitterades endast värmestrålning med våglängd i det synliga spektret, vilket kräver flamtemperaturer över 1000 C.

9 20 18 Strålning (kw/m2) Yttre fasad Inre fasad 70 cm innanför inre fasad Tid (min) Värmestrålningen vid försök 1.Observera att det inte fanns något glas mellan yttre och inre fasad i det här försöket. Skillnaden i strålningsnivå beror således endast på avståndet mellan mätpunkterna Temperatur [ C] Glas utsida Glas insida Härdglas utsida Härdglas insida Tid [min] Temperaturen i den inre fasaden vid försök 1. Observera att utsida och insida inte är utrespektive insida på samma glas utan på tvåglaskonstruktionen.

10 Det andra försöket gjordes med det yttre fasadglaset och ventilationsgallret monterat. Spjället med svällande lister var till en början något av ett misslyckande. Listerna hade inte fäst ordentligt vid lamellerna utan föll ner efter en kort tids värmepåverkan, vilket resulterade i att de aldrig svällde upp och tätade spjället. Misslyckandet visade sig dock mycket intressant; flammorna trängde inte in genom spjället, och brandgaser gick in den vägen i mycket liten omfattning. Det yttre glaset, som var av typ 300/30, brast efter cirka 6 minuters direkt flampåverkan. Temperaturen hade i ingen av mätpunkterna då nått 300 C, men temperaturgradienten i glaset var sannolikt så stor att glaset kan ha spruckit vid lägre temperatur. (En gradient av storleken C/m är tillräcklig för att spräcka glaset). Det härdade glaset granulerade då det sprack och lämnade genast hela den yttre fasaden öppen. Glasen i den inre fasaden avvek inte i sitt beteende från det första försöket. Vi var mycket nöjda med försöken. Resultaten gav oss besked om konstruktionens och glasens brandkaraktäristik och utgjorde därmed ett utmärkt beslutsunderlag för dimensioneringen. De mest intressanta delarna av resultaten var: Balkongplattan om 70 cm räckte för att hålla ut flamman. Andra försök på området, där man studerat hur flamman från ett fönster strömmar runt en balkongplatta, har visat att det krävs en något djupare platta. En viktig skillnad i våra försök är att öppningen inte är ett fönster utan hela väggen, vilket medför att strömningen sker direkt från takytan, vilket i sin tur kan ge större strömningshastigheter vid balkongplattan. Den höga strömningshastigheten gjorde att flammor och heta brandgaser inte trängde in genom ventilationsgallren. Värmestrålningen gick inte direkt genom glasen (varken det härdade eller det ohärdade). De ohärdade floatglasen föll inte ur sina ramar när de sprack vilket ledde till att de skyddade mot värmeflöde direkt mot det innanförliggande glaset även efter att de börjat spricka sönder. (Något man i och för sig knappast kan tillgodoräkna sig vid dimensionering, men som kan vara av intresse vid en riskanalys). De härdade glasen av typ 300/30 klarade inte direkt flampåverkan och när de gick sönder granulerade de genast och föll till marken. Även om resultatet inte var helt oväntat är det intressant eftersom man sedan ett par år tillbaka använt härdat glas i fasader i stället för brandklassat E 15-glas där schablonavståndet 1,20 m inte uppfyllts. Den slutliga konstruktionen Efter försöken beslutades att dubbelfasaden ska utföras utan brandklassat glas och utan spjäll eller svällande lister i ventilationsgallren. Den utskjutande balkongplattan samt härdglasen i den inre fasaden utgör ett tillräckligt skydd mot brandspridning. Den tredje fasaden, vilken är en enkelfasad, utförs med ett brandklassat glas i klass E 60 nedhängt från storbrandcellsgränserna så som den analytiska lösningen (samman med jämförelser med försöksresultaten) visade tillräckligt.

11 Den slutliga lösningen av fasadkonstruktionen för att hindra brandspridning förbi storbrandcellsgränserna även om aktiva brandskyddssystem skulle fallera. Fördelarna med den här konstruktionen var många. Förutom att produktionskostnaden sjönk så sjönk också de framtida kostnaderna för kontroll och underhåll. Det minskade behovet av kontroll och underhåll, för att försäkra sig om att systemet fungerar, har också fördelen med sig att felsannolikheten för systemet sjunker.