Met steeds geavanceerdere methoden hebben we nu veel meer mogelijkheden om een voorgesteld ontwerp te verifiëren onder andere omstandigheden dan normaal, zoals bij brand. Het is niet langer nodig om gebruik te maken van vereenvoudigde methoden of tabelmethoden die vroeger onnauwkeurige en te conservatieve resultaten opleverden. Het is nu mogelijk om een ontwerp, inclusief de details, aan een geavanceerde analyse te onderwerpen. IDEA StatiCa Connection biedt u de berekening van brandwerendheid voor normen, inclusief brandberekening (EN/AISC). 

Bovendien is het niet zo ingewikkeld. Laten we wat duidelijkheid scheppen over het onderwerp.

Hoe brandontwerp aan te pakken

Als we het hebben over brandontwerp, zijn er verschillende methoden die we kunnen gebruiken:

• Tabelmethode
• Vereenvoudigd ontwerp (verificatie van afzonderlijke elementen bij normale temperatuur)
• Geavanceerd ontwerp (verificatie inclusief numerieke berekening van brandwerendheid voor verbindingen)

Tot nu toe werden vereenvoudigde methoden gebruikt, ofwel de Tabelmethode of het Vereenvoudigd ontwerp met een analytische of numerieke aanpak, maar alleen voor afzonderlijke staven blootgesteld aan standaardtemperaturen. De berekening van brandwerendheid voor staalverbindingen werd helemaal niet toegepast. Vereenvoudigd ontwerp werd gebruikt met de basisoverweging dat de verbindingen meer materiaal bevatten en langzamer opwarmen dan de andere elementen. Dit heeft geleid tot veiligheidstekorten en ook economische inefficiënties.

Hoe gaan we daarmee om? Er is een eenvoudige oplossing – een goede normtoetsing uitvoeren. Geavanceerd ontwerp bij verhoogde temperaturen kan deze zwakheden ondervangen. Dat is essentieel, vooral voor gebouwen van groter belang, zoals luchthavens, stadions, ziekenhuizen, enz. En bovendien hebben we de mogelijkheid om een numerieke berekening uit te voeren voor verhoogde temperatuur, niet alleen voor de staven maar ook voor de verbindingen!

Laten we eens kijken naar het berekeningsprincipe dat wordt gebruikt in IDEA StatiCa en de procedure voor het ontwerpen van staalverbindingen in het algemeen.

De kern van de berekening 

De berekening van brandwerendheid is gebaseerd op brandklasse (ook wel brandweerstandsklasse genoemd) en brandkromme.

De eerste invoer is bekend uit de projectspecificatie. Brandklasse is een uitvoer die gewoonlijk deel uitmaakt van de branddocumentatie die door de brandweer wordt goedgekeurd. Het geeft de tijdsduur aan gedurende welke de constructie stand moet houden zodat iedereen het gebouw veilig kan verlaten vóór instorting. De tijd kan variëren van 15 tot 240 minuten (R15 tot R240) en wordt beïnvloed door vele parameters, zoals de functie en omvang van het gebouw, het aantal verdiepingen, de locatie van uitgangen en nog veel meer. In de praktijk betekent dit dat u een gebouw kunt ontwerpen dat moeilijker te verlaten is maar tot vier uur stand moet houden, of dat de constructie na 15 minuten mag instorten als het snel genoeg verlaten kan worden. Maar onthoud: dat is niet aan u als constructeur, maar aan de bouw- en brandweer.

Als volgende parameter moet u een brandkromme kiezen, die het verbrandingsproces weergeeft. Met andere woorden, de opwarming van de lucht in de tijd. In werkelijkheid zou de kromme beginnen te dalen zodra er niets meer te verbranden is. Maar voor ontwerpdoeleinden werd een kunstmatige kromme gecreëerd op basis van tests en opgehoogd om conservatieve resultaten te geven. In IDEA StatiCa kunt u kiezen uit verschillende krommen volgens de Eurocode (ISO 834/standaardbrand) of AISC (ASTM E119), maar ook speciale krommen voor snellere brandverspreiding, zoals koolwaterstof gebruikt voor olieplatforms, schepen of industriële installaties.

Op basis van het type brandkromme en andere materiaalparameters en afmetingen berekent de software de temperatuur van afzonderlijke elementen (platen) op een specifiek tijdstip, overeenkomstig de brandklasse, met behulp van een incrementele methode. De temperatuur van bouten en lassen wordt bepaald op basis van de warmste verbonden plaat. De automatische berekening van de plaat wordt uitgevoerd volgens geldende normen, en het is mogelijk om aan te geven of brandbeveiliging wordt toegepast of niet. Tegelijkertijd blijft de mogelijkheid behouden om de temperatuur van afzonderlijke elementen handmatig in te voeren.

Op basis van de temperatuur van de componenten worden vervolgens de degradatie van het materiaal en daarmee de coëfficiënt die de materiaaleigenschappen reduceert bepaald. De normtoetsing van platen, bouten en lassen is vervolgens gelijk aan die voor de klassieke spanning-rek analyse, maar maakt gebruik van gereduceerde waarden.

Bekijk wat u krijgt

Bekijk de volgende korte demonstratie van de resultaten van de brandwerendheidsanalyse in IDEA StatiCa Connection om een idee te krijgen van hoe de verbinding zich gedraagt onder verschillende omstandigheden en hoe de theorie wordt toegepast.

Eerst controleer ik met een spanning-rek analyse of de verbinding voldoet. 

Vervolgens maak ik een kopie en stel ik een brandwerendheidsanalyse in. In de instellingen kies ik de laagste brandklasse, R15, en een standaardbrandkromme volgens de Eurocode. Ik stel bewust een verbinding in zonder brandbeveiliging.

In de weergegeven resultaten kunnen we zien hoe de afzonderlijke componenten zonder brandbeveiliging binnen 15 minuten opwarmen en hoe dit de materiaaleigenschappen en daarmee de draagkracht van de geteste verbinding beïnvloedt. Het is te zien dat sommige componenten in slechts 15 minuten een temperatuur van meer dan 700 °C bereiken. 

Door brandbeveiliging toe te voegen, bereiken we onmiddellijk volledig andere waarden, vooral voor zo'n korte tijd. De platen hebben geen tijd om op te warmen, en de degradatie van het materiaal vormt geen probleem.

Wanneer de klasse wordt verhoogd naar R90, en daarmee de verlenging van de tijd gedurende welke de constructie brand moet weerstaan, bereiken we opnieuw temperaturen rond de 700 °C. Met brandbeveiliging is er echter voldoende tijd voor evacuatie in het eerste geval.

Met behulp van een numeriek model konden we deze eenvoudige vergelijking van verschillende gevallen in een paar minuten uitvoeren. Het is ook eenvoudig af te lezen uit de resultaten welk component waarschijnlijk het zwakste punt van het ontwerp is.

Tot slot

Zoals hierboven te zien is, hoeft het ontwerpen voor de effecten van brand geen grote uitdaging te zijn. IDEA StatiCa helpt u een constructie te ontwerpen die veilig in gebruik is en tegelijkertijd economisch. Het is niet nodig om verouderde conservatieve methoden te gebruiken of berekeningen volledig te vermijden.

Naast brandwerendheid in IDEA StatiCa Connection bieden we ook een oplossing voor het verifiëren van alle staven in IDEA StatiCa Member.

Voor meer theorie, lees het kennisbankartikel Brandontwerp of bekijk de verificatiegevallen uitgevoerd door Professor Wald van CTU.