Kantoren
Draagconstructies
Gevels
Wanden
Tools BmS
Hallen
Draagconstructies
Gevels
Wanden
Tools BmS
Woningen
Draagconstructies
Gevels
Wanden
Tools BmS
Hoogbouw
Draagconstructies
Gevels
Wanden
Tools BmS
Parkeergarages
Draagconstructies
Gevels
Wanden
Tools BmS

FSE componentenbenadering volgens natuurlijke brand

Airbus A380 Assemblagehallen S7X en S5X, Toulouse

  • S7X: hal voor assemblage vliegtuigconstructie, max. inpandige hoogte: 32,3 m, max. uitwendige hoogte 46 m, grondvlak 115x250 m;
  • S5X: hal voor assemblage hydraulica en elektrische installaties, max. inpandige hoogte: 32,3 m, max. uitwendige hoogte: 46 m, grondvlak: 95x100 m
  • 2000-2004
  • FSE – componentenbenadering met natuurlijke brand

Begin deze eeuw was het assemblagecomplex Airbus A380 een van de belangrijkste industriële bouwprojecten in Frankrijk. In juli 2006 werd hier de eerste A380 opgeleverd. Het complex beslaat zo'n 300 ha. De gebouwen zijn geplaatst aan een noord-zuid as, in afstemming met de verschillende stadia van de vliegtuigfabricage. Dit proces start in het noorden met de assemblage van de vliegtuigconstructie in hal S7X. Daarna gaat het vliegtuig door naar de naburige hal S5X voor de hydraulische en electrische uitrusting.

Constructie

Alle gebouwen van het complex hebben een stalen draagconstructie. De meeste, waaronder S7X en S5X, zijn identiek uitgevoerd als vakwerkconstructie met slanke gebouwhoge kolommen en vakwerkliggers. De schaaldaken zijn – net als de gevels – bekleed met dunne staalplaat. De stabiliteit komt uit windverbanden in de gevels en twee vakwerkportalen in breedterichting, in het midden van de hal. Eén portaal staat op eenderde van de langsoverspanning, de tweede op tweederde.

Brandveiligheid

Uitgangspunten

Voor S7X en S5X waren de gangbare brandveiligheidseisen en -oplossingen niet geschikt. Met de ervaring en (experimentele) gegevens van vergelijkbare constructies en in overleg met brandweer en verzekeraar, werd besloten tot een sprinklerinstallatie in elke hal en een brandwerende scheidingswand van beton tussen beide. De vervolgvraag 'wat gebeurt er met de ene hal als de andere hal door brand bezwijkt'? werd onderwerp van FSE-studie met natuurlijke brand.

Aanpak

Bij de studie heeft adviseur CTICM drie brandscenario's onder de loep genomen.

  • brand in een vrachtwagen met vliegtuigonderdelen, direct naast een kolom;
  • brand in een vliegtuig in aanbouw, nog zonder benzine, hydraulica en elektra, verder van de kolommen verwijderd;
  • brand in een vliegtuig mét benzine en uitrusting, wederom op afstand van de kolommen.

Hierbij is vooraf aangenomen dat bij brand de kolommen de meest kwestbare onderdelen van de staalconstructie zijn. Het gedrag van de kolommen bij brand is vervolgens 'vertaald' naar de constructie als geheel.

Resultaat

Bij alle drie scenario's blijkt een groot gevaar op bezwijken van de kolommen (zónder passieve bescherming in de vorm van bekleding of coating). Als dit gebeurt, dan ontstaan grote krachten in de vakwerkliggers (schokbelasting) en raakt de betonnen brandwand ernstig beschadigd. Als extra maatregel volstond het verhogen van de wateropbrengst van de sprinklers nabij de kolommen. Passieve bescherming van de constructie kon achterwege blijven.

  • Brandveiligheidsadvies: CTICM (Centre Technique de la Construction Métallique)
  • Architectuur: Cardette-Huet and ADPi Architectes et Ingénieurs
  • Constructief ontwerp: Technip-Coflexip, Jaillet-Rouby
  • Info en video staalbouw: www.constructalia.com
  • Toelichting brandveiligheid

Düsseldorfer Stadttor, Duitsland

  • 72,55 m hoog, 19 bouwlagen (kantoor), grondvlak: 51x68 m
  • start bouw: 1995, oplevering: 1997
  • FSE – componentenbenadering met natuurlijke brand

De Düsseldorfer Stadstor rust op de wanden van de snelwegtunnel die toegang verleent tot een nieuw stedelijk promenadegebied aan een oever van de Rijn. Het poortgebouw telt twee torens van 16 lagen met een gezamenlijke drielaagse bovenbouw, ‘de zolder’.

Constructie

De draagconstructies van de torens bestaan uit betonnen vloeren (15 cm dik) met overspanningen van 2,5 tot 4,6 m. Ze dragen de verticale belastingen af op staal-betonliggers die 7,5 tot 7,6 m overspannen. De kolommen zijn vervaardigd uit stalen buizen: 40, 50 of 90 cm in diameter en gevuld met beton. De zwaarst belaste kolommen krijgen extra steun van een staalprofiel in de buis. De afvoer van horizontale krachten komt voor rekening van een Z-vormig staalskelet: drie verdiepinghoge vakwerkliggers in combinatie met 70 m hoge vakwerktorens. Dit systeem wordt bijgestaan door twee U-vormige trappenhuizen uit gestort beton, onderling verbonden met stalen vakwerkportalen. De portalen in de gezamelijke bovenbouw sturen de horizontale krachten uit het midden van het gebouw.

Brandveiligheid

Uitgangspunten

Het brandveiligheidsconcept voor de hoogbouw stoelt op behoud van de gewenste transparantie, niet verstoord door dichte gevelwanden. Gekozen is voor een sprinklerinstallatie met de koppen vlakbij de gevels en een beveiligde rookafvoersysteem. De routes naar de U-vormige vluchttrappenhuizen zijn kort gehouden. Door deze actieve beveiligingsmaatregelen werd een eis van 90 minuten brandwerendheid voor de hoofddraagconstructie bedongen.

Aanpak

Aan de hand van de Eurocode 4 – Staal-betonconstructies (EN 1994) zijn de opwarming en het gedrag van de constructiecomponenten bij een natuurlijke brand bepaald. Hierbij zijn de effecten van de sprinkler- en rookafvoerinstallatie meegewogen en vluchtwegen en –voorzieningen meegewogen. De analyses werden verzorgd door het Instituut voor Staalconstructies aan de Universiteit van Hannover, aangevoerd door Prof.dr.ing. W. Klingsch.

Resultaat

Op grond van de natuurlijke brandanalyses zijn alle buiskolommen gevuld met beton. De liggers die tot de hoofddraagconstructie behoren, zijn toegerust met beton tussen de flenzen.   De secundaire liggers zijn voorzien van (profielvolgend) spuitpleister óf omtimmerd met gipsplaat. De verticalen in de vakwerken zijn gevuld met beton, omdat ze zowel horizontale als verticale belastingen opnemen. De horizontalen en diagonalen hebben tót de vierde eveneens een betonvulling, daarboven blijven ze onbeschermd.

De galerijen die naar de liften leiden, spelen geen rol bij het vluchten tijdens brand en zijn daarom onbeschermd uitgevoerd. Hetzelfde geldt voor de staalconstructie die de lobbyverdieping draagt. Op de 19e verdieping blijft de staalconstructie zonder bescherming, omdat hier uitsluitend installaties aanwezig zijn.

  • Brandveiligheidsadvies: Instituut voor Staalconstructies, Universiteit van Hannover (Prof.dr.ing. W. Klingsch)
  • Architectuur: Overdiek, Petzinka und Partner
  • Constructief ontwerp: Stahlbau Lavis
  • Toelichting FSE

‘Stabilio’: stalen hallen met Ozone – studievoorbeeld

  • 10 m hoog, 1 bouwlaag (bedrijfshal – opslag en gebruik tentoonstellingsmateriaal), grondvlak: 54x30 m
  • FSE – componentenbenadering met natuurlijke brand

Constructie

De draagconstructie van de opslaghal bestaat uit een staalskelet met een begane grondvloer van 15 cm beton. Het dak is opgebouwd uit 0,75 mm staal, 100 mm steenwol en 1,2 mm kunststof. In het dak zijn polycarbonaat daklichten aangebracht. Twee gevels zijn van 140 mm beton, de twee andere van sandwichpanelen: 130 mm steenwol tussen een 0,75 mm dunne stalen binnen- en buitenplaat. Een van de langsgevels bezit twee loopdeuren, elk 1x2,3m. De kopgevel telt twee overheaddeuren, elk 4x4,5 m.

 

Brandveiligheid

Uitgangspunten

In dit praktijkvoorbeeld zijn de temperatuurontwikkeling bij brand en de thermische response van de staalconstructie bepaald via FSE volgens het natuurlijk-brandconcept en met een componentenbenadering. Uitgangspunten voor de berekeningen zijn:

  • de bedrijfshal dient voor opslag van tentoonstellingsmateriaal en de opbouw van bijvoorbeeld stands;
  • de brandwerendheidseis voor de constructie bedraagt 30 minuten in verband met brandoverslag naar het buurtperceel. De gevel van de hal staat namelijk vlakbij de perceelgrens.
  • de karakteristieke vuurbelasting is – in het kader van de methode Beheersbaarheid van Brand voor grote brandcompartimenten – vastgesteld op 760MJ/m2;
  • bij de daklichten ontstaat een opening, als de temperatuur van de warme rooklaag tussen 150 ºC en 200 ºC is.

Voor de brandkarakteristieken uitbreidingssnelheid en brandvermogensdichtheid zijn de volgende, veilige aannamen gedaan:

  • uitbreidingssnelheid is ‘snel’ = 150 sec.
    (De uitbreidingssnelheid is de snelheid waarmee een brand na zijn ontstaan, op een bepaalde plaats een vermogen van 1 MW bereikt.);
  • brandvermogensdichtheid: 500 kW/m2.
    (De brandvermogensdichtheid (kW/m2) is de hoeveel energie (J) die per m2 en per seconde vrijkomt, zodra de brand zich op een bepaalde plaats volledig heeft ontwikkeld. Ook wel: Rate of Heat Release (RHR)).

De hal is toegerust met een automatische brandalarminstallatie (zónder automatische doormelding aan de brandweer). Dit geeft de volgende partiële veiligheidsfactoren:

  • brandalarminstallatie: γn,3 = 0,87;
  • inzet gemeentelijke brandweer: γn,7 = 0,78. 

Aanpak

De natuurlijke brandberekeningen zijn uitgevoerd volgens de Eurocode EN 1991-1-2, met behulp van Ozone. Met dit computerprogramma is:

  1. de ontwikkeling van de brandvermogensdichtheid in de tijd berekend;
  2. de ontwikkeling van de temperatuur in de warme en koude laag (en na vlamoverslag (flashover) in de gemengde zone) bij een natuurlijke brand geregistreerd;
  3. de temperatuur van het staal tijdens de brand bepaald.

De berekeningen zijn gemaakt voor de liggers. Deze IPE-300 profielen zijn representatief onderdeel van de hoofddraagconstructie (componentenbenadering). De berekeningsresultaten voor de liggers zijn vervolgens doorvertaald naar de gehele constructie.

Bij de berekeningen zijn twee maatgevende scenario’s van natuurlijke brand gehanteerd:

  1. Met alle deuren open.
  2. Met alle deuren dicht.

 

Scenario 1 – Met alle deuren open – voor IPE 300 liggers


A. Temperatuurontwikkeling. 
Na ongeveer 10 minuten brand wordt flashover bereikt. Vanaf dat moment is er sprake van een volledig ontwikkelde brand. Het twee-zone model (hete zone boven en koude zone onder) gaat over in een één-zonemodel, waarin nog slechts één temperatuur wordt gemeten. Na ongeveer 55 minuten bij een temperatuur van iets meer dan 1200 ºC start de dooffase.


B. Brandvermogen. 
Voorafgaand aan de berekening wordt ervan uitgegaan dat het brandvermogens gestaag oploopt tot een maximum van ongeveer 650 MW bij 65 minuten. Daarna zet een snel verval in (zie rode lijn). De berekening (groene lijn) toont een abrupte stijging van het vermogen: na ongeveer 35 is het maximum bereikt. Dit maximum ligt echter ver onder het uitgangspunt: zo’n 520 MW in plaats van 650. Na ongeveer 55 minuten gaat het brandvermogen met vergelijkbare snelheid omlaag.


C. Staaltemperatuur. 
Na 30 minuten – de brandwerendheidseis – bedraagt de temperatuur van de liggers 283 ºC. Dat is ruim onder de kritieke staaltemperatuur van 505 ºC (die na zo’n 37 minuten wordt bereikt).

 

Scenario 2 – Met alle deuren dicht – voor IPE 300 liggers


A. Temperatuurontwikkeling. 
In vergelijking met het scenario met alle deuren open, loopt de temperatuur aanzienlijk minder hoog op; tot maximaal 650 ºC na ongeveer 50 minuten). Het temperatuuverloop vertoont duidelijke verschillen met het eerste scenario: een dip tussen de 25e en 55e minuut en minder snelle daling nadat de maximale temperatuur is bereikt. De flashover heeft – net als in het eerste scenario – plaats na ongeveer 10 minuten.

B. Brandvermogen.
De ‘input’ is dezelfde als bij scenario 1: vooraf wordt uitgegaan van een maximum brandvermogen van ongeveer 650 MW bij 65 minuten (rode lijn). De berekening (groene lijn) geeft bij dit scenario een maximale vermogensdichtheid van 100 MW na ongeveer 25 minuten. Dit maximum houdt stand tot de 55e minuut en zakt daarna snel naar nihil. Met 100 MW blijft het maximale brandvermogen – vergeleken met scenario 1 – nog verder verwijderd van het uitgangspunt van 650 MW.

C. Staaltemperatuur. 
Na 30 minuten – de brandwerendheidseis – bedraagt de temperatuur van de liggers 437 ºC. Wederom ruim onder de kritieke staaltemperatuur van 505 ºC. Deze temperatuur wordt bereikt na ongeveer 50 minuten.

 

Resultaat

In beide scenario’s – alle deuren open en alle deuren dicht – mogen de stalen liggers onbekleed blijven. Aangezien de liggers hier maatgevend zijn voor de gehele staalconstructie, mogen passieve voorzieningen voor álle onderdelen van de constructie achterwege blijven.

  • Auteur: dr.ir. Ralph Hamerlink (Bouwen met Staal en Adviesbureau Hamerlinck)

State Street Building Kirchberg, Luxemburg-stad

  • 21,6 m hoog, vier bouwlagen (kantoor) + drie ondergrondse lagen (parkeren), grondvlak: 63x38,8 m
  • start bouw: 2000, oplevering: 2001
  • FSE – componentenbenadering met natuurlijke brand

Het State Street Building maakt deel uit van het nieuwe zakencentrum op de Kirchberg, een heuvel bij het centrum van Luxemburg stad. In het vierlaagse gebouw houdt onder meer de State Street Bank van Luxemburg kantoor.

Constructie

De staalconstructie van het kantoorgebouw bestaat uit verdiepinghoge portalen. Van begane grond tot eerste verdieping wordt 4,5 m overspannen, daarna volgt 4,2 m per bouwlaag. In de breedte bedragen de overspanningen 15,15 m, 8,5 m en weer 15,15 m. De portalen staan op een onderlinge afstand van 4,5 m.

De 36 cm dikke verdiepingvloeren zijn gemaakt van gestort beton (kwaliteit C30/37) met een afwerklaag. De vloeren rusten op staal-betonliggers. De staalprofielen bezitten staalkwaliteit S355, waar de vloer 8,5 m overspant en S460 voor de overspanningen van 15,5 m. De profielen werken via deuvels samen met het beton. De kolommen zijn eveneens van staal-beton: staalprofielen (S355) met beton tussen de flenzen. De kolommen beslaan steeds twee bouwlagen.

De horizontale stabliteit van het geheel wordt verzorgd door betonnen kernen, waarin de trappenhuizen en liften zijn ondergebracht.

Brandveiligheid

Uitgangspunten

Voor de hoofddraagconstructie van het vierlaagse kantoorgebouw gold een brandwerendheidseis van 90 minuten. Dezelfde eis werd gesteld aan de ondergrondse drielaagse parkeergarage.

Na goedkeuring door de plaatselijke autoriteiten, paste de researchafdeling ProfilArbed – brandveiligheidsadviseur in het project – het natuurlijk-brandconcept toe voor het bepalen van de constructieve brandwerendheid. Dit gebeurde aan de hand van de EN 1991-1-2 en rekening houdend met een karakteristieke vuurbelasting in het kantoor van 511 MJ/m2. Daarnaast werden de effecten van actieve brandbeveiligingsmaatregelen meegenomen: automatische alarmering en doormelding naar de brandweer en rookafvoer. Een sprinklerinstallatie bleef achterwege.

Aanpak

De temperatuurontwikkeling tijdens natuurlijke brand werd berekend met het programma OZone. Een serie simulaties werd uitgevoerd binnen verschillende compartimenten en bij verschillende maatgevende scenario’s van branddoorslag door de glasgevels. Hierbij bereikten de IPE-600 profielen een staaltemperatuur van maximaal 850 °C. Een 2D eindige elementen analyse bracht de uitwerking op de constructie als geheel in kaart. Ceficoss – een brandberekeningsprogramma van de Universiteit van Luik – werd ingezet om het bij brand zwaarst belaste raamwerk te simuleren.

Resultaat

De natuurlijke brand-aanpak leidde tot enkele aanvullende constructieve maatregelen. De liggers zijn voorzien van een verlengde eindplaat met een rij boutverbindingen aan de staal-betonkolommen. Dit verzekert de overdracht van de (gereduceerde) schuifkrachten tijdens brand. De negatieve momentcapaciteit kan worden geactiveerd door de extra vloerwapening ter plaatse van het middensteunpunt. Dankzij deze constructieve extra’s zijn de liggers geheel onbekleed gebleven. De kolommen kunnen toe met een gedeeltelijke bekleding. In de parkeergarage zijn de kolommen en liggers deels ingestort.

  • Brandveiligheidsadvies: ProfilArbed (nu: ArcelorMittal) Research
  • Architectuur: Atelier a=u
  • Constructief ontwerp: Schroeder & Associés en TR-Engineering
  • Toelichting FSE
Louis Braillelaan 80      2719 EK  Zoetermeer      Tel: +31(0)88 353 12 12      Contact      Disclaimer      Sitemap
Bouwen met Staal  © 2017      Uitvoering: Bruikman Reclame  +  LinkmasterMonkey