De praktijk van Structural Fire Safety Engineering

De praktijk van Structural Fire Safety Engineering Ralph Hamerlinck Onderwerpen De praktijk van SFSE Wat is SFSE? SFSE met de Eurocodes SFSE simpel SFSE Thermisch: natuurlijke branden SFSE Mechanisch: systeemgedrag Praktijkcasussen Conclusie Vragen SFSE 1

29-5-2017 Wat is SFSE? Beoordelen mechanisch gedrag onder brandomstandigheden door middel van engineering P brandproeven P engineering draagvermogen doorbuiging R standaardbrand tijd tijd Wat is SFSE? Engineering van constructies onder brandomstandigheden Waarom van classificatiesysteem naar Structural Fire Safety standaard natuurlijke Engineering (SFSE)? brand brand SFSE simpel component classificatie SFSE systeem SFSE SFSE 2

SFSE met de Eurocodes normale belastinggevallen Belastingen E (wind, sneeuw, personen, enz.) bepaald met een lage overschrijdingskans: E d = γ F E k Sterkte van constructie R berekenen met een lage onderschrijdingskans: R d = R k /γ M Veiligheidsfactoren R d E d 5 SFSE met de Eurocodes Elke constructie heeft een bezwijkkans, hoe klein ook: orde van grootte 1 10-5 over levensduur Maximaal toegestane bezwijkkans is lager wanneer de effecten van bezwijken groter zijn: brug, hoogbouw of theaterzaal vs. eengezinswoning, industriehal of stal Eurocode: indeling in gevolgklassen CC1, CC2, CC3 Per hogere klasse ± 10 x lagere bezwijkkans Buitengewone belastinggeval brand: analoge benadering In deze benadering hebben we het dus niet à priori over.. minuten brandwerendheid 6 3

SFSE met de Eurocodes: Keten van gebeurtenissen belasting 1: Ontsteking tijd Staalkolommen 2: Thermische bel. 3. Mechanische bel. R 4. Thermische respons tijd 5. Mechanische respons 6. Eventueel bezwijken SFSE met de Eurocodes: EN 1991-1-2 + NB Belastingen tijdens brand W S G Q b e l a s t i n g e n belasting voor therm. respons thermische belastingen BRAND belasting voor mech. respons mechanische belastingen permanente bel. veranderlijke bel. sneeuw wind G Q S W BRAND 8 4

Onderwerpen De praktijk van SFSE Wat is SFSE? SFSE met de Eurocodes SFSE simpel SFSE Thermisch: natuurlijke branden SFSE Mechanisch: systeemgedrag Praktijkcasussen Conclusie Vragen SFSE SFSE met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB R fi,d,t ; E fi,d,t R fi,d,0 gat E fi,d R fi,d,t E fi,d t fi bezwijken voor t fi bij: R fi,d,t = E fi,d met: : weerstand bij t f : belasting bij brand : brandwerendheid t fi t fi NB: t fi afhankelijk van: - gat tussen R fi,d,0 en E fi,d - snelheid reductie R fi,d,t tijd gat bepaald door: E fi,d / R fi,d,0 = 0 (= benuttingsgraad ) 5

SFSE simpel met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB SFSE simpel met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB Invloed profielfactor op opwarming 6

SFSE simpel met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB Nomogram voor bekleed staal te gebruiken als eerste benadering voor onbekleed staal SFSE simpel met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB Brandinformatiesysteem (BiS) Tool: onbeklede statisch bepaalde ligger ^ ^ HEA240 Afb. 2.12 7

SFSE simpel met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB Brandinformatiesysteem (BiS) Tool: beklede ligger ^ ^ HEA240 Afb. 2.12 schatting bekledingsdikte SFSE simpel met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB Nieuwe tool materialendatabase op BiS Ontwerptool, geen contractstuk, leverancier/applicateur moet definitieve dikte bepalen obv ETA-rapport Schatting bekledingsdikte voor: 60 min, θ a;cr = 677 C, A m /V = 65 m -1 (plaat), bijv. 12 mm Promatect-H 90 m -1 (coating), bijv. 526 µm Sika Steel 8

SFSE simpel met de Eurocodes: EN 1993-1-2 + NB Veilige waarden kritieke staaltemperatuur Gelijk speelveld bij tendering Bij werkvoorbereiding verder optimalisatie mogelijk Uitgangspunten: Eurocodes 1990, 1991-1-2, 1993-1-2 + NB Ligger en trekstraaf: uc = 1,0 Kolom: twee vloeren extreem en rest Ψ 0 en l buc;θ = 0,7 3,6 = 2,45 m Kolommen hogere belastinggraad én effect knik: θ a;cr lager Onderwerpen De praktijk van SFSE Wat is SFSE? SFSE met de Eurocodes SFSE simpel SFSE Thermisch: natuurlijke branden SFSE Mechanisch: systeemgedrag Praktijkcasussen Conclusie Vragen SFSE 9

SFSE Thermisch: natuurlijke branden Keuze bij de berekening van de constructie bij brand Natuurlijke brand Natuurlijke brand + systeemgedrag Thermische belasting op basis van standaardbrandkromme Thermische belasting op basis van de fysica (natuurlijke brandkromme) 1 9 SFSE Thermisch: natuurlijke branden niet - volledig ontwikkelde brand volledig ontwikkelde brand Brandveiligheidontwerp Thermische belasting op basis van de fysica temperatuur 1000-1200 o C standaardbrandkromme (conventie) vlamoverslag natuurlijke brandkrommen (realiteit): soms grote verschillen! begin van brand tijd 2 0 10

29-5-2017 SFSE Thermisch: natuurlijke branden Natuurlijke brand (EN 1991-1-2) compartimentsbrand standaard brand component systeem natuurlijke brand classificatie FSE FSE FSE 21 SFSE Thermisch: natuurlijke branden LOKALE BRAND θ (x, y, z, t) VOLLEDIG ONTWIKKELDE BRAND θ (t) gelijkmatig verdeeld 11

SFSE Thermisch: het natuurlijk brandconcept Zonemodel als basis Vóór flashover: twee zones Ná flashover: één gemengde zone flashover overgangsvoorwaarden 2 3 SFSE Thermisch: het natuurlijk brandconcept Natuurlijke brand met Eurocode / NEN 6055 RHR [MW] RHR [MW] 10 9 8 RHR [MW] 7 6 5 10 9 ultrasnel 8 7 6 5 4 groeifase stationaire fase A f x RHR f snel) brandstof-beheerst matig) Groeisnelheid brand A f x RHR f 4 3 3 2 traag ventilatie-beheerst 70% (qf,d Afi) 2 1 75'' Decay phase 150'' 300'' 600'' dooffase t [min] 1 0 t [min] 0 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 0 t dooffase RHR: afbrandsnelheid of brandvermogensdichtheid tijd [min] 12

SFSE Thermisch: het natuurlijk brandconcept Veiligheidsfactoren in Eurocode vloeroppervlak brandruimte Af [m²] 25 250 1,10 1,50 activeringsrisico q1 activeringsrisico q2 2500 1,90 1,22 machinefabriek chemische fabriek, 5000 2,00 1,44 verfwinkel vuurwerkfabriek, 10000 2,13 1,66 verffabriek q ni functie voor actieve brandveiligheid-maatregelen f, d = dq 1 dq2. dni. m. qf,. 0,78 1,00 museum, zwembad voorbeelden van gebruik woning, hotel, kantoor k automatische blussing automatische melding handmatige blussing automatisch waterblussysteem 0 1 2 automatische melding & alarm door hitte door rook automatische doormelding naar de brandweer onafhankelijke watertoevoer bedrijfsbrandweer gemeente brandweer veilige brandblusmiddelen toegang rookafvoer n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 n10 0,61 1,0 0,87 0,7 0,87 or 0,73 0,87 0,61 or 0,78 0,9 or 1 1,5 1,0 1,5 1,0 1,5 2 5 SFSE Thermisch: het natuurlijk brandconcept Karakteristieken brandruimte Brandwerendheid omhullende constructiedelen, overeenkomstig nationale regelgeving Thermische eigenschappen omhullende constructiedelen c,, Definitie openingen 13

29-5-2017 SFSE Thermisch: Natuurlijke brand Effect actieve brandveiligheidmaatregelen 1000 kantoor : Af = 291,2 m² opp. = 0,04 m½ ; vuurbel.= q f,k = 511 MJ/m² 900 geen actieve maatregelen 800 brandtemperatuur [ C] gemeente- brandweer 700 automatische brandmelding & rookalarm 600 500 automatische doormelding naar de brandweer sprinklerinstallatie 400 ontwerp vuurbel. q f,d [ MJ/m² ] 625 356 310 189 300 200 q f,d= m δ q1 δ q2 δ ni q f,k 100 i 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 tijd [min] SFSE Thermisch: Natuurlijke brand Wijziging in NB t.o.v. NEN-EN 1991-1-2: Rekenwaarde voor de vuurbelasting & brandvermogen Globale risicofactor δqf op basis van partiële kansen p1, p2 en pni, overeenkomstig de partiële δqf risicofactoren δq1, δq2 en δni uit EN (met schrap factor 0,1 brandweer) NB (normatief): 2017 met factor pcc volgens gevolgklasse: 0,005 (CC1), 0,03 (CC2), 0,2(CC3) ptot = p1. p2. pni. pcc dqf Statistisch onderzoek, Validatie met proeven NB met aansluiting op Nederlands veiligheidsniveau 2 8 14

SFSE Thermisch: Natuurlijke brand: casus met software Ozone Hal met staalconstructiebedrijf 41x20 m 2 (822 m 2 ), 10 m hoog CC2 Dak: staal + steenwol + bitumen + polycarbonaat lichtstroken (verweking 145 C) Wanden: sandwich met isolatie, oh-deuren 10x3 Vloer: beton Vuurbelasting 15 kg/m 2 = 285 MJ/m 2 (deterministisch bepaald cf. NEN 6060) RHR (brandvermogensdichtheid) 250 kw/m 2 (tabel NB E.5b) tijdsconstante t a = 600 s (traag, tabel NB E.5a) IPE 450 dakligger met θ a,cr = 665 C SFSE Thermisch: Natuurlijke brand: casus met software Ozone Rate of Heat Release Gas Temperature 350,0 1200 300,0 1000 250,0 800 200,0 150,0 100,0 RHR Data RHR Computed 600 400 Hot Zone Cold Zone 50,0 200 0,0 0 20 40 60 80 100 120 Time [min] 0 0 20 40 60 80 100 120 Time [min] Analysis Name: cursus casus staalconstructiehal NB Analysis Name: cursus casus staalconstructiehal NB Zones Interface Elevation Steel Temperature 9,9 1200 8,0 1000 800 6,0 4,0 Elevation 600 400 Hot Zone Steel 2,0 200 0,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 Time [min] 0 0 20 40 60 80 100 120 Time [min] Analysis Name: cursus casus staalconstructiehal NB Analysis Name: cursus casus staalconstructiehal NB 15

SFSE Thermisch: Natuurlijke brand: casus met software Ozone Ligger IPE 450, q a,cr = 665 C θ fi;max = 901 C met NB (na 75 minuten) θ a;30 = 236 C en θ a;60 = 632 C met natuurlijke brand bezwijken na 68 natuurlijke brand vs. 18 minuten bij standaard brand (θ a;30 = 789 C en θ a;60 = 939 C) Nog wel gevoeligheidsanalyse (m.n. openingen (deuren open/dicht) en glasbreukscenario s) SFSE Thermisch: natuurlijke branden Natuurlijke brand (EN 1991-1-2) - lokale brand standaard brand natuurlijke brand component classificatie FSE systeem FSE FSE 16

29-5-2017 SFSE Thermisch: natuurlijke branden VOLLEDIG ONTWIKKELDE BRAND LOKALE BRAND θ (t) gelijkmatig verdeeld θ (x, y, z, t) SFSE Thermisch: lokaal brandscenario Methode van HASEMI EN 1991-1-2, bijlage C: Vlam bereikt het plafond (Lf > H) betonvloer ligger θg θ = luchttemperatuur t.p.v. ligger Y = hoogte van de rookvrije zone berekend met CaPaFi x 17

SFSE Thermisch: lokaal brandscenario Toepassing CaPaFire (Europees onderzoek) downloaden van http://www.brandveiligmetstaal.nl/pag/410/pagina.html in combinatie met BmS TC3-richtlijn: Verdere uitwerking van de Eurocodes Raamwerk voor veilige, realistische analyse Op basis van state of the art en onderzoek Consensus over de te beschouwen scenario s http://www.brandveiligmetstaal.nl/pag/269/richtlijn_brandveiligheid_stalen_parkeergarages.html SFSE Thermisch: lokaal brandscenario met richtlijn van Bouwen met Staal 30 60 90 120 18

SFSE Thermisch: lokaal brandscenario θ a afhankelijk van positie tov brandende auto s Onderwerpen De praktijk van SFSE Wat is SFSE? SFSE met de Eurocodes SFSE simpel SFSE Thermisch: natuurlijke branden SFSE Mechanisch: systeemgedrag Praktijkcasussen Conclusie Vragen SFSE 19

SFSE met systeemgedrag van de constructie Tool MACS+: gebruik membraanwerking in staalplaat-betonvloer, waardoor deel van de liggers onbekleed kan blijven mindset: brand in Broadgate, Londen 1 : 1 testfaciliteit in Zeppelinhangar constructie als een systeem veel sterker liggers hangen aan de vloer! standaard brandkromme Metz: 6,6 x 8,7 m vloerveld 2 liggers onbekleed > 120 minuten brandwerend ontwerptool en achtergronddocumenten www.macsfire.eu (18 talen) en http://www.brandveiligmetstaal.nl/pag/863/7a10_ontwerptool_m acs.html Systeem-gedrag vloer + liggers 3 9 SFSE met systeemgedrag van de constructie Tool MACS+: gebruik membraanwerking in staalplaat-betonvloer, waardoor deel van de liggers onbekleed kan blijven Systeem-gedrag vloer + liggers 20

Onderwerpen De praktijk van SFSE Wat is SFSE? SFSE met de Eurocodes SFSE simpel SFSE Thermisch: natuurlijke branden SFSE Mechanisch: systeemgedrag Praktijkcasussen Conclusie Vragen SFSE Praktijkcasussen Thermisch /lokaal brandscenario: Open parkeergarage Eindhoven Airport Thermisch / Compartimentsbrand Industriegebouw Huisman, Schiedam KLM Hangars, Schiphol Woongebouw Anna van Bueren, Den Haag Noorderlicht, Utrecht Mechanisch / Systeemgedrag Woongebouw Timmerhuis, Rotterdam 21

Thermisch /lokaal: P Eindhoven Airport Toepassing BmS-richtlijn 4 verdiepingen + dek op12 m; 88 x 96 m TT-vloerplaten 320 mm, l= 16 m. Randliggers IPE 360, l= 5 m Vierkante kokerkolommen 250x10 @ 5 m 60 Thermisch /lokaal: P Eindhoven Airport Resultaten liggers: Standaard randligger IPE 360: θ a = 548 C < θ cr = 643 C IPE 360 boven rijbaan: θ a = 689 C > θ cr = 643 C, oplossingen: S 355 (ipv S 235): θ a = 689 C < θ cr = 705 C Doorgaande ligger: momentenherverdeling IPE 360 boven parkeerplaatsen: θ a = 753 C > θ cr = 643 C, oplossingen: S 355 (ipv S 235): θ a = 753 C > θ cr = 705 C IPE 450 in S 355: θ a = 751 C < θ cr = 783 C Doorgaande ligger: momentenherverdeling 22

Thermisch /lokaal: P Eindhoven Airport Resultaten kolommen: Standaard middenas 250x250 3 e t=6,3: θ a = 541 C < θ cr = 681 C 2 e t=6,3: θ a = 541 C < θ cr = 585 C 1 e t=8: θ a = 505 C < θ cr = 552 C bg: t=10: θ a = 472 C < θ cr = 535 C Standaard gevel 250x250 3 e t=6,3: θ a = 541 C < θ cr = 585 C 2 e t=6,3: θ a = 541 C < θ cr = 545 C 1 e t=8: θ a = 505 C < θ cr = 566 C bg: t=8: θ a = 505 C < θ cr = 532 C Geen maatregelen behalve bij doorgaande liggers: Begane grond t=10 > 12 mm 1 e t=8 > 10 mm 2 e t=6,3 > 8 mm Thermisch/compartimentsbrand: Huisman, Schiedam Productiehal voor kranen en offshore installaties 58x57 m; h = 63 m Zware constructie (HD, etc.) FSE met Ozone Gevoeligheidsanalyse met ventilatie: Openingen 8x1 m (8x) Overheaddeuren (45x5) Grote hefdeur (westgevel): 5 m Vuurbelasting 300 MJ/m 2 Tijdconstante 150 sec (snel) RHR = 250 kw/m 2 q1 = 1,94, q2 = 1,0, n7 = 0,78 23

Thermisch/compartimentsbrand: Huisman, Schiedam Brandwerendheid > 30 minuten (eis). Constructie doorstaat de gehele brand. Extra krachten door ongelijke opwarming randen vakwerken leiden niet tot globale instabiliteit Thermisch/compartimentsbrand: KLM Hangars, Schiphol 4 gesprinklerde hangars; dak op 32 m; 90 x 106 m Certificatie (NFPA) eist nu extra sprinklerkoppen halverwege de kolom (deluge) Kolommen doorstaan 21 minutes standaard brand, meer dan vereist voor de deluge installatie (5 min.) 24

Thermisch/compartimentsbrand: KLM Hangars, Schiphol FSE voor de dakconstructie Vuurbelasting 30 kg hout/m 2 Tijdconstante 150 sec (snel) RHR = 500 kw/m 2 Geen reductie δ qn Geen flashover gedurende 30 min. θ a;max = 110 C Gevoeligheidsanalyse Geen aanpassing van de sprinklerinstallatie nodig Thermisch/compartimentsbrand: Anna van Bueren, Den Haag Hoogte 70 m; appartementen (studenten) > de 4 e verdieping met FSE Publieke functies tot de 4 e verdieping (berekeningen van de θ cr ; spuitmortel en plaatbekleding) Staalplaat-betonvloeren; geïntegreerde vloerliggers SFB. Vierkante kokerkolommen in metal stud wanden 25

Thermisch/compartimentsbrand: Anna van Bueren, Den Haag FSE van appartementen 120 minuten brandwerend Sprinkler meegenomen EN 1991-1-2 + NB (Ozone) Unit 8 x 3,5 m, h = 2,7 m Variatie van ventilatie (ventilatierooster, voordeur, ramen h = 2,05/2,35 m) met verschillende scenario s van ruitbreuk Gevoeligheidsanalyse Slechts een paar liggers moesten worden overgedimensioneerd of beschermd Thermisch/compartimentsbrand: Anna van Bueren, Den Haag Maatgevende scenario D2: h gevel = 2,05 m; schuifpui én gesloten deel 10% open bij 500 C tot 100 % bij 700 C; Voordeur gesloten en ventilatierooster(3x0,05 m) open θ a;max = 629 C na t = 72 θ a;cr = 600 C, 633 C en 656 C (SFB typen) en 644 en 654 C (THQ typen) Kolommen: Zonder bescherming: θ a;max = 629 C > θ a;cr;min = 481 C 2x12,5 mm gipswand: θ a;cr;min = 428 C 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 20 40 60 80 100 120 ysis Name: AvBa berekening D2 NB 700 600 500 400 300 200 100 Rate of Heat Release Time [min] 0 0 20 40 60 80 100 120 ysis Name: AvBa berekening D2 NB Steel Temperature Time [min] RHR Data RHR Computed Hot Zone Steel 26

Thermisch/compartimentsbrand: Noorderlicht, Utrecht Externe stalen kolommen ø 139,7 x 6,3 op 1,6 m van de gevel van de appartementen (4 verdiepingen + toren 17 verdiepingen) Thermisch/compartimentsbrand: Noorderlicht, Utrecht Externe stalen kolommen ø 139,7 x 6,3 dragen betonplaten: 30 minuten brandwerend ivm vluchten EN 1991-1-2 annex B en EN 1993-1-2 annex B 15 typen appartementen Maximum θ a;max = 486 C op 1,6 m van de gevel van appartment B4.1 (8,2x5,8 m) met 2 ramen van 2,0 en 1,6 m breedte en 2,4 m hoogte Vuurbelasting 875 MJ/m 2 θ a;max θ a;cr = 600 C Geen bescherming nodig 27

Mechanisch / Systeemgedrag: Timmerhuis, Rotterdam Hoogte 55 m; woningen boven 5 e verdieping tot de 5 e : stadskantoor en publieke functies Staalconstructie beschermd deels met opschuimende coating en deels met beplating Staalplaat-betonvloeren: wapening Mechanisch / Systeemgedrag: Timmerhuis, Rotterdam eis 120 minuten (woningen), gereduceerd naar 90 in gesprinklerde gebieden definitie hoofd draagconstructie membraanwerking vloeren met MACS+: 50% secundaire liggers onbeschermd 28

Mechanisch / Systeemgedrag: Timmerhuis, Rotterdam definitie hoofd draagconstructie Kolommen Liggers // spanten cijferassen Niet: daktuindragend en onderste hangliggers en groot deel liggers letterassen; vloeren 1 e, 3 e, 5 e Mechanisch / Systeemgedrag: Timmerhuis, Rotterdam per ligger / kolom berekeningen kritieke staaltemperatuur θ cr Bepaling laagdikte coating Tot laat in proces: 2 opties kantoren 90-120 2 opties1 e, 3 e, 5 e 29

Mechanisch / Systeemgedrag: Timmerhuis, Rotterdam Bepaling laagdikte coating EN 13381-8 Inspectierapport met metingen Lessen uit Timmerhuis Eisen voor hoofd draagconstructie helder, maar: Reductie niet vastgelegd (in combinatie met ) > Richtlijn nodig! > verschijnt in 2017 Niet alles is hoofddraagconstructie! Eis + T cr in bestek Membraanwerking vloeren gratis brandwerendheid benutten Ca. 50% secundaire liggers onbeschermd (constructief) ca. 1/4 hiervan (in woningen) toch beschermen (bouwkundig) Brandwerende coating Aantrekkelijk, maar wel meer aandacht in voorbereiding en uitvoering (specificatie, controle, reparaties, bouwkundig, beheer) 30

Onderwerpen De praktijk van SFSE Wat is SFSE? SFSE met de Eurocodes SFSE simpel SFSE Thermisch: natuurlijke branden SFSE Mechanisch: systeemgedrag Praktijkcasussen Conclusie Vragen SFSE Conclusie SFSE met de Eurocodes: twee sporen thermisch en twee sporen mechanisch SFSE simpel met eenvoudige modellen en beschikbare tools (BiS) eitje SFSE binnen handbereik voor de praktijk: Thermisch: met Ozone en CaPaFire Mechanisch: met MACS+ Ontwerpen van staalconstructies worden efficiënter door belastinggeval brand integraal mee te nemen 31

Onderwerpen De praktijk van SFSE Wat is SFSE? SFSE met de Eurocodes SFSE simpel SFSE Thermisch: natuurlijke branden SFSE Mechanisch: systeemgedrag Praktijkcasussen Conclusie Vragen SFSE Dank voor jullie aandacht 32