Rekenmodel van de beproefde constructie BRANDVEILIGHEID. Bouwfysica

Transcriptie

1 27 Inzicht in brandwerendheid met Virtuele Brandproef In de Nederlandse bouwpraktijk wordt meer en meer gebruikgemaakt van standaard oplossingen met als belangrijkste doel het reduceren van de bouwkosten. Standaardisatie brengt echter ook het gevaar met zich mee dat gebouwen hun unieke karakter verliezen. Een van de oorzaken dat unieke onderdelen in een gebouw - zoals bijvoorbeeld een gevel - duur zijn, is het feit dat wanneer eisen worden gesteld aan de brandwerendheid, aangetoond moet worden dat het onderdeel voldoende brandwerende eigenschappen heeft. De geëigende methode om dit aan te tonen is op dit moment het laten uitvoeren van brandproeven, wat vaak een kostbare aangelegenheid is. Door deze brandproeven grotendeels virtueel uit te voeren kunnen kosten gereduceerd worden en komen oplossingen die normaal gesproken afgedaan worden als onhaalbaar toch ineens binnen handbereik. ir. P. (Persijn) Brongers ir. D. (Dave) Hensen ing. A. (Art) van Lohuizen Cauberg-Huygen Raadgevende Ingenieurs BV, Zwolle Door de brandproef te simuleren met behulp van een computermodel kunnen veel voordelen worden behaald. Zo is het relatief eenvoudig diverse varianten te beproeven. Daarnaast ontstaat veel inzicht in het gedrag van de constructie en kunnen zwakke plekken worden geïdentificeerd en versterkt voordat de constructie daadwerkelijk wordt gebouwd. Met de recent in Nederland van kracht geworden (uitgebreide) Europese regelgeving is het mogelijk bouwkundige metalen (draag)constructies van gebouwen ten aanzien van het aspect brandwerendheid met betrekking tot bezwijken rekenkundig te beoordelen. Op basis van gelijkwaardigheid is het tevens mogelijk de berekeningsmethoden te gebruiken voor lichtere bouwkundige metalen (afbouw)constructies, waarmee het bezwijkgedrag ook van deze constructies rekenkundig kan worden voorspeld. De Europese regelgeving in de vorm van Eurocodes omschrijft gedetailleerd de te hanteren materiaaleigenschappen voor onder meer staal en aluminium. In dit artikel wordt de werkwijze van een virtuele brandproef in zijn algemeenheid beschreven. De gepresenteerde resultaten zijn onderdeel van een serie simulaties, die zijn uitgevoerd voor het nieuwbouwproject De Rotterdam. De zowel virtueel als in werkelijkheid beproefde constructie, bestaande uit twee beglaasde aluminium gevelelementen, is weergegeven in figuur 1. Normatief kader De Eurocodes in de serie NEN-EN 1990 tot en met NEN- EN 1999 bestaan uit twee algemene delen en een serie materiaal-specifieke delen. Binnen elke hoofdnorm wordt het aspect brandveiligheid omschreven in deel 2. NEN-EN [1] beschrijft de belastingen, die in geval van brand beschouwd moeten worden. Deze belastingen bestaan uit de thermische belastingen, waarin de diverse brandkrommen en brandmodellen beschreven worden, en de mechanische belastingen. De materiaal-specifieke delen met betrekking tot brand die voor de simulaties voor De Rotterdam zijn gebruikt, zijn de delen voor staal, NEN-EN [2] en voor aluminium, NEN-EN [3]. De berekeningsmethoden die conform de Eurocode toegepast kunnen worden zijn onderverdeeld in eenvoudige berekeningsmodellen en geavanceerde berekeningsmodellen. Bij de eenvoudige berekeningsmodellen wordt gebruikgemaakt van principes zoals classificatie van doorsneden en de kritieke staaltemperatuur. Hierbij wordt zeer nauwkeurig beschreven welke stappen genomen moeten worden om de prestatie van een constructie te bepalen. Voor geavanceerde berekeningsmethoden bestaat een dergelijk gedetailleerd stappenplan niet. De norm schrijft het volgende voor: Geavanceerde berekeningsmethoden behoren een realistische berekening op te leveren van de constructie blootgesteld aan brand. De methoden behoren zodanig te zijn gebaseerd op fundamenteel fysisch gedrag 1 Rekenmodel van de beproefde constructie

2 Bouwfysica 2 Locatie van dragende delen ten opzichte van de brand dat ze leiden tot een betrouwbare benadering van het verwachte gedrag van de van toepassing zijnde onderdelen van de constructie onder brandomstandigheden. ([2], artikel 4.3.1(1)) Daarnaast wordt gegeven dat: Geavanceerde berekeningsmethoden behoren afzonderlijke berekeningsmodellen te bevatten voor het bepalen van: de ontwikkeling en de verdeling van de temperatuur in constructie-elementen (het thermisch responsmodel); het mechanisch gedrag van de constructie of van elk gedeelte daarvan (het mechanisch responsmodel). ([2], artikel 4.3.1(3)) Methode De virtuele brandproef geeft invulling aan de in de Eurocode beschreven geavanceerde berekeningsmodellen door het gebruik van de Eindige Elementen Methode (EEM). Berekeningen met EEM worden veelvuldig toegepast door bijvoorbeeld constructeurs voor het dimensioneren van de constructie van een gebouw. De methode is echter algemeen toepasbaar in verschillende vakgebieden. De berekening van krachten en verplaatsingen ten gevolge van belastingen is slechts een van de vele toepassingen. EEM is gebaseerd op elementaire formules, waarmee het gedrag van een constructie als geheel kan worden berekend door deze op te delen in meerdere kleine elementen. Hiermee wordt het fundamenteel fysisch gedrag beschreven, zoals de Eurocode voorschrijft. Ten behoeve van een virtuele brandproef wordt een EEMmodel opgebouwd van de te beproeven constructie. Alle onderdelen, die van invloed zijn op de warmtestroom door de constructie en de vervorming en sterkte van de constructie, worden opgenomen in het model. Hierbij gaat het er niet alleen om dat aan elk onderdeel de juiste materiaaleigenschappen worden gekoppeld, maar ook dat de interactie tussen de verschillende onderdelen op zodanige wijze wordt gemodelleerd, dat de constructie zich tijdens de virtuele brandproef op dezelfde manier gedraagt, als wanneer deze in de werkelijkheid beproefd zou worden. Nadat de constructie volledig is opgebouwd in het EEM-rekenpakket, wordt de constructie opgedeeld in een groot aantal kleine elementen. Doordat het gedrag van al deze elementen op zeer eenvoudige wijze vastligt in een 3 De virtueel beproefde constructie beperkt aantal basisformules en de interactie van deze elementen onderling bekend is, is het mogelijk om het gedrag van de constructie als geheel te berekenen. Hoewel dit eenvoudig lijkt, duren dergelijke berekeningen over het algemeen echter erg lang meer dan 12 uur is eerder regel dan uitzondering omdat het aantal elementen dat nodig is om het gedrag op de juiste wijze te simuleren bijzonder groot is. Model Het EEM-model van de constructie, die onderworpen is aan zowel een virtuele als een werkelijke brandproef, is weergegeven in figuur 3. De constructie bestaat uit twee aluminium gevelelementen met een hoogte van 3,4 m en een breedte van 1,8 m. Lokaal zijn de gevelelementen versterkt met stalen profielen en verbindingen aangezien aluminium een smeltpunt heeft van 660 C en er aan het aluminium conform de Eurocode geen sterkte en stijfheid ontleend mag worden bij een temperatuur van 550 C of hoger. In figuur 2 is te zien, dat de dragende delen van de gevelconstructie zich aan de verhitte zijde bevinden. Bij het wegsmelten van de aluminium delen wordt de dragende functie, die in gebruikstoestand wordt vervuld door het aluminium, overgenomen door de stalen delen. Thermische belasting De thermische belasting wordt opgelegd conform hoofdstuk 3 van Eurocode 1-2. De opwarming aan de brandzijde en afkoeling aan de niet-brand-zijde vindt plaats via convectie en straling volgens de basis-vergelijkingen voor bouwfysica, zoals bijvoorbeeld beschreven in [4]. Aan de brandzijde van de constructie wordt een temperatuursbelasting, bestaande uit een stralingscomponent en een convectiecomponent, opgelegd conform de genormeerde brandkromme. De condities, die worden opgelegd aan de constructie, dienen overeen te komen met de condities die tijdens een brandproef in een oven plaatsvinden. In de genormeerde wijze waarop de proef dient te worden uitgevoerd zijn de lokale omstandigheden die verstorend zijn op de ideale na te streven brandkromme verwerkt in maximale afwijkingsmarges. De stralingscomponent is niet genormeerd, maar kan tevens op basis van de afwijkingsmarges worden gekwantificeerd. De verwachte

3 29 4 Principe van straling in een holte emissiviteit van de hete verbrandingsrookgassen in de oven is ten aanzien van de stralingscomponent opgelegd aan de constructie [5, 6]. Hiermee kan voor zowel de convectie- als de stralingscomponent het minimum en maximum worden ingevoerd in het EEM en kunnen de verwachte uitkomsten van de brandproef bij benadering worden gesimuleerd. Materiaaleigenschappen De diverse materiaaleigenschappen, waarmee de opwarming en vervorming berekend worden, zijn in [2] en [3] exact voorgeschreven. Doordat deze eigenschappen afhankelijk zijn van de temperatuur, gedraagt de constructie zich niet-lineair. Dit maakt de berekeningsprocedure aanzienlijk complexer en de rekentijd langer. Figuur 5 geeft de reductiefactoren weer voor de mechanische eigenschappen van staal, die gehanteerd worden in het berekeningsmodel. Voor het glas wordt uitgegaan van de thermische output van metingen van diverse beproevingen. De mechanische eigenschappen worden zodanig gekozen, dat het glas een verwaarloosbare invloed heeft op de stijfheid van de constructie als geheel. De puien zijn voorzien van onbrandbare of bewezen brandwerende materialen. Van de brandwerende materialen zijn de eigenschappen bekend en overeenkomstig ingevoerd. De overige (niet metaalachtige) materialen zijn op vergelijkbare wijze als het brandwerend glas ingevoerd, waarbij ze geen invloed hebben op de globale stijfheid van de constructie. Simulatie De simulatie op basis van EEM vormt het hart van de Virtuele Brandproef. Er is gebruikgemaakt van het rekenpakket Abaqus van Simulia, waarmee twee gekoppelde thermische/mechanische simulaties zijn uitgevoerd voor de duur van de vereiste brandwerendheid zoals de Eurocode voorschrijft. Thermische simulatie De eerste stap in de simulatie van de brandproef bestaat uit het bepalen van de temperatuur in elk onderdeel van de constructie op elk moment tijdens de te simuleren brandproef. Aan de brandzijde warmt de constructie op, in de constructie wordt de warmte verdeeld en aan de buitenzijde koelt de constructie af. Op basis van de relatie tussen alle elementen van het model wordt het verloop van de temperatuur in elk element van de constructie berekend. Als een brandwerendheid van 30 minuten vereist is, wordt door de computer 5 Reductiefactor voor mechanische eigenschappen van staal bij verhoogde temperatuur [2] de opwarming van elk element van het model gedurende deze 30 minuten berekend, door in kleine tijdstappen alle vergelijkingen op te lossen die het (thermische) gedrag van de constructie beschrijven. Hiermee is voor de gehele periode van de vereiste brandwerendheid de temperatuur van elk onderdeel van de constructie bekend. Het ontwerp van de gevel voorziet in grote open aluminium profielen aan de niet-verhitte zijde. In deze profielen vindt de overdracht van warmte niet alleen plaats via geleiding door het aluminium en geleiding door de lucht in de holte, maar ook via straling in het profiel. Binnen Abaqus wordt deze straling gemodelleerd met behulp van cavity radiation oftewel straling in een holte. Figuur 4 geeft dit principe weer. Mechanische simulatie De volgende stap in de simulatie bestaat uit het bepalen van de vervormingen van de constructie. Bij te grote vervormingen bezwijkt het materiaal en is de constructie niet meer brandwerend. Ook kan het gebeuren, dat de constructie ongelijkmatig opwarmt en daardoor ongelijkmatig vervormt, wat resulteert in kieren. Afhankelijk van de grootte en de locatie van de kieren, in combinatie met de aanwezigheid van aanvullende maatregelen om deze kieren te dichten (bijvoorbeeld opschuimende strips), zal ook dit ervoor kunnen zorgen dat de constructie zijn brandwerende functie niet meer vervult. Het bepalen van de vervormingen van de constructie gebeurt op vergelijkbare wijze als bij de bepaling van de temperatuurverdeling. In elke tijdstap wordt de vervorming van elk element ten gevolge van de krachten die er op werken berekend en door de relatie tussen alle elementen wordt hiermee de vervorming van de constructie als geheel in elke tijdstap berekend. De basis wordt hierbij gevormd door de temperaturen, zoals bepaald in de eerste stap van de simulatie. Door de grote vervormingen en sterk gereduceerde vloeigrens ontstaan in grote delen van de constructie plastische vervormingen. Figuur 7 geeft de plastische vervorming weer van het bovenste deel van het gevelelement, dat bestaat uit een stalen plaat die met popnagels is bevestigd aan de stalen versterking in het achterliggende aluminiumprofiel. Met behulp van de simulatie kon de

4 Bouwfysica 6 Detail aansluiting onderregel/bovenregel; links: onvervormde constructrie; rechts: vervormde constructie na 30 minuten verhitting invloed van het aantal verbindingsmiddelen op de sterkte van de constructie duidelijk in beeld gebracht worden. In figuur 6 is het detail weergegeven van de vervormde constructie ter plaatse van de aansluiting van de onderregel van het element op de bovenregel van het onderliggende element. De aluminium onderdelen van de constructie leveren door de temperatuursafhankelijke materiaaleigenschappen geen bijdrage meer aan de stijfheid van de constructie, maar zijn nog wel aanwezig in de visuele output. 7 Detail linkerbovenhoek puiconstructie na 30 minuten verhitting Beoordeling De laatste stap in het proces van de Virtuele Brandproef is de interpretatie van de resultaten van de simulatie. Hoewel de computer bij uitstek geschikt is om de opwarming en vervorming van de constructie te berekenen, is de computer niet in staat om deze resultaten te interpreteren. Een brandveiligheidsspecialist analyseert uitgebreid de resultaten van de simulatie die kunnen bestaan uit vele gigabytes aan data. Door in te zoomen op elk onderdeel in de constructie op alle tijdstippen gedurende de simulatie, kan de specialist beoordelen of de constructie in staat is om afdoende weerstand te bieden tegen brand. De meest relevante criteria vanuit de brandproeven - REI - dienen te worden beschouwd: R (resistance): Deze beoordeling is gebaseerd op een afweging in standzekerheid van de totale constructie en onderdelen daarvan in combinatie met het verwachte effect na het bezwijken van het betreffende onderdeel. De Eurocodes hanteren een afdoende veilige marge ten aanzien van het plastisch vervormen van de metalen, waardoor altijd een grotere mate van veiligheid wordt aangehouden dan uit de brandproef zal volgen; E (integrity): De naden en kieren die ontstaan, kunnen vanuit het EEM worden bepaald door de wijkingen tussen de afzonderlijke constructies te meten. Aanvullend kunnen de vervormingen van de totale constructie met het EEM sterk worden gechargeerd en op ieder denkbare doorsnede worden uitvergroot waarmee de meest aannemelijke locatie van de ontstane wijking te achterhalen is; - I (insulation): EEM geeft thermisch ongunstigere rekenresultaten dan uit een brandproef volgt, vanwege de eerder genoemde lokale omstandigheden (boven in de oven is het warmer dan onderin de oven). De gehanteerde brandkromme wordt in EEM echter over het gehele vlak uniform opgelegd. Aangezien de brandkromme tevens de hieruit afgeleide stralingsomvang bepaalt, volgen er dus uit EEM-beschouwingen altijd ongunstiger oppervlaktetemperaturen dan uit de brandproef zullen volgen. Praktijk Cauberg-Huygen voerde in opdracht van De Rotterdam C.V., een joint venture van MAB Development en OVG Projectontwikkeling, een serie virtuele brandproeven uit voor het nieuwbouwproject De Rotterdam. Het project is het grootste bouwproject dat momenteel in ons land in uitvoering is, gelegen aan de voet van de Erasmusbrug. In het gebouw, met als bijnaam de Verticale Stad, worden woon-, werk- en ontspanningsfuncties gecombineerd. De constructie, waarvoor een serie virtuele brandproeven is uitgevoerd, bestond uit een beglaasde aluminium gevelconstructie, lokaal versterkt met stalen onderdelen om de standzekerheid bij brand te waarborgen. De simulaties zijn gevalideerd door middel van één werkelijke brandproef. De simulaties zijn nauwlettend gecontroleerd door de vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding en de Vakgroep Bouwkundige Constructies van de Universiteit Gent in het kader van een contra-expertise op verzoek van de Brandpreventiecommissie van de gemeente Rotterdam. Voor het project De Rotterdam is het aantal brandproeven dat door het bevoegd gezag geëist werd, gereduceerd van drie tot één, aangevuld met een aantal virtuele brandproeven. De brandproef die is uitgevoerd, nadat eerst de simulatie had plaatsgevonden, betrof een scenario brand van binnen naar buiten waarvoor de standaard-brandkromme is toegepast. De brandproeven die uitsluitend virtueel zijn uitgevoerd, betroffen het scenario brand van buiten naar binnen, zowel met een gereduceerde brandkromme, als met de standaardbrandkromme. Overige toepassingsmogelijkheden Voor het project De Rotterdam had de Virtuele Brandproef een toepassing met als doel het aantal benodigde werkelijke brandproeven te verkleinen en hiermee kosten te reduceren.

5 31 Een tweede toepassingsmogelijkheid is het geval van een uitzonderlijk ontwerp van een architect, dat sterk afwijkt van alle andere constructies die ooit beproefd zijn. Ook in dit geval kan de in dit artikel beschreven simulatie-methode uitkomst bieden. Alvorens een werkelijke brandproef uit te voeren kan het ontwerp namelijk uitvoerig virtueel beproefd worden. Door deze resultaten te analyseren kunnen zwakke plekken worden geïdentificeerd en kan het ontwerp worden verbeterd, voordat de stap gezet wordt om een werkelijke brandproef uit te laten voeren. De kans dat de werkelijke brandproef (meerdere malen) faalt, wordt daardoor vrijwel uitgesloten. Een derde toepassingsmogelijkheid voor de virtuele brandproef ligt bij constructies die simpelweg te groot zijn om in conventionele testovens te worden beproefd. Door het uitvoeren van computersimulaties kan de brandwerendheid van dergelijke constructies toch aangetoond worden. n Bronnen [1] NEN-EN , Eurocode 1: Belastingen op constructies Deel 1-2: Algemene belastingen Belasting bij brand, NEN, 2011 [2] NEN-EN , Eurocode 3: Ontwerp en berekening van staalconstructies - Deel 1-2: Algemene regels - Ontwerp en berekening van constructies bij brand, NEN, 2011 [3] NEN-EN , Eurocode 9: Ontwerp en berekening van aluminiumconstructies - Deel 1-2: Ontwerp en berekening van constructies bij brand, NEN, 2011 [4] Long, C.,e.a., Heat Transfer, Chris Long, Naser Sayma & Ventus Publishing ApS, 2009 [5] Drysdale, D., An Introduction to Fire Dynamics, Wiley, 1988 [6] Edwards, D.K., Handbook of heat transfer fundamentals, 1985 De afbeelding en citaten uit NEN-EN zijn overgenomen met toestemming van NEN te delft, Vraag redactie: Een belangrijk onderdeel bij de beoordeling van de brandwerendheid van constructies is het criterium vlamdichtheid. Op welke wijze kan dit criterium objectief worden beoordeeld in een EEM model in het algemeen? En meer specifiek: op welke wijze wordt in een EEM model rekening gehouden met het gegeven dat de overdruk tijdens een beproeving in de praktijk 20 Pa bedraagt (hetgeen mede aanleiding kan zijn tot het falen van de constructie op vlamdichtheid)? Antwoord auteurs: De metalen constructieonderdelen van de pui zijn voorspelbaar in hun vervormingen bij verhitting op basis van de uitgangspunten zoals verwoord in de Eurocodes. Van de brandwerende materialen zijn de materiaaleigenschappen bekend en ingevoerd conform het beproefde gedrag volgens opgave van de leveranciers op basis van brandproeven. Het brandwerende glas en de overige toegepaste materialen zijn zodanig ingevoerd, dat ze geen invloed hebben op de globale stijfheid van de constructie. De kieren en naden zijn op een aantal locaties voorzien van endotherme materialen, waarvan de verwachte adequate brandwerende dichting bij diverse kierbreedten kan worden voorspeld conform opgave leverancier op basis van brandproeven. De startsituatie van de EEM-berekening is een gesloten constructie zonder kieren en naden. De endotherme materialen worden verondersteld de holtes vanaf de startsituatie van de berekening te hebben uitgevuld, maar vertegenwoordigen nog een verwaarloosbare warmteweerstand. De eigenschappen van het endotherme materiaal vertegenwoordigen bij het bereiken van de reactietemperatuur van de holte de daadwerkelijke warmteweerstand van het endotherme materiaal. Door de vervormingen te berekenen van de metalen constructieonderdelen ten gevolge van de opgelegde standaard brandkromme aan verhitte zijde van de pui als geheel, kunnen verplaatsingen worden gemeten. Er zijn tientallen meetlocaties over alle aanwezige kieren en naden ingevoerd. Zodra de wijkingen ten gevolge van de thermische vervormingen in de metalen constructieonderdelen van de gevel ter plaatse van kieren en naden, uitgaande van de start situatie leiden tot kieren > 1 mm wordt verondersteld dat het criterium vlamdichtheid mogelijk wordt overschreden. De mogelijke locaties waar falen van de afdichting wordt verwacht, kunnen hiermee worden vastgesteld (= feitelijk zwakke punten van de gevelconstructie). Voor de locaties met kieren > 1 mm zijn vervolgens per type kier/ naad op basis van de diepte/ lengte/ traject van het labyrint en ter plekke toegepaste brandwerende materiaal beoordeeld of het E criterium daadwerkelijk zal worden overschreden.