Passieve brandbeveiliging en het belang van temperatuurbegrenzing voor staalconstructies
Alle materialen worden zwakker als ze heet worden, en constructiestaal is hierop geen uitzondering. Afhankelijk van het ontwerp van de constructie zal het staal een kritische temperatuur hebben. Wat betekent dit, en waarom is het belangrijk? Welke invloed heeft dit op de hoeveelheid bescherming die nodig is?
Wat is de kritische temperatuur van een staalconstructie?
De sterkte van staal bij hoge temperaturen is uitvoerig onderzocht en gedocumenteerd. Het is bekend dat warmgewalst constructiestaal bij een temperatuur boven de +500°C een aanzienlijk deel van zijn belastbaarheid verliest.
Stalen frameconstructies kunnen zo worden ontworpen dat de maximale spanning op de stalen onderdelen beperkt is tot 60% van hun individuele maximale capaciteit bij normale omgevingstemperaturen. Deze extra 40% redundantie geeft het frame sterkte in bijzondere situaties, zoals bijvoorbeeld bij brand.
Afhankelijk van de grootte, vorm en oriëntatie, kan deze extra capaciteit gelijk zijn aan een berekende instortingstemperatuur van +550°C, in plaats van net boven de normale omgevingstemperatuur. Dit betekent dat boven +550°C het structurele stalen onderdeel niet voldoende sterkte heeft om de structuur die het in stand houdt te ondersteunen. Dit is de kritische temperatuur.
Als het staal meer dan 60% wordt gebruikt, daalt de grenstemperatuur.
Als het staal minder dan 60% wordt gebruikt, neemt de grenstemperatuur toe.
Bekijk deze infographic voor meer informatie.
Hoe reageert opschuimende staalcoating op vuur?
Zie het bovenstaande voorbeeld, als 550°C de grenstemperatuur is voordat de constructie instort, toont de onderstaande grafiek de typische temperatuurprofielen:
BS EN 1363-1 verwarmingscurve,
een stalen constructie beschermd door een opschuimende coating, in het groen
een onbeschermde stalen constructie, in het rood.
De opschuimende staalcoating begint pas echt significant te beschermen bij +250 - +270°C, wat gewoonlijk ongeveer 10 minuten is nadat de brand is begonnen. Hier zien we voor het eerst een reactie. Dat is gekoppeld aan de chemische reactie van de opschuimende coating, die verandert van een verflaag in een isolerende verkoling.
Zodra de verkoling op zijn plaats zit, begint deze te isoleren met een lagere snelheid, waardoor de opbouw van warmte in de stalen kern wordt vertraagd. De lichte kromming heeft over het algemeen dezelfde vorm, ongeacht de dikte van de opzwellende coating, maar hoe dikker de coating, hoe langer de groene kromming. Dit komt overeen de extra tijd om de grenstemperatuur te bereiken. De extra tijd die nodig is gedeeld door het verschil met de kritische kerntemperatuur (CCT) is een factor in de vereiste beschermingsdikte.
Bijvoorbeeld:
- Voor 60 minuten bescherming met een grenstemperatuur van +350°C:
- 50 minuten toevoegen om een extra 80°C temperatuur te beschermen (gebaseerd op 270°C voltooide reactie) = 50/80 = 0,625 laagdikte
Een ander voorbeeld:
- Voor 60 minuten bescherming met een grenstemperatuur van +750°C:
- 50 minuten toevoegen om een extra 480°C te beschermen (gebaseerd op 270°C) = 50/480 = 0,104 laagdikte
Waarom is de benodigde dikte lager bij een hogere temperatuur?
Dit is geen absolute waarde, maar een demonstratie dat ongeveer 6x meer opschuimende coating nodig is om hetzelfde stuk staal gedurende 60 minuten te beschermen als de grenstemperatuur 350°C is, in vergelijking met 750°C. Dit is beschermen met dezelfde coating.
Op alle ETA's van Nullifire opschuimende coatings staan tabellen om u de juiste beoordeelde beschermingseisen te geven. De tabellen tonen niet altijd deze factor 6 zoals hierboven aangetoond, omdat de prestatie niet altijd lineair is zoals het voorbeeld suggereert.
Prestaties variëren voor elk product, over verschillende ondergronden en over verschillende brandweerstandsperioden - daarom kunnen prestaties niet worden gemodelleerd. Prestaties moeten altijd worden getest en beoordeeld.
Waarom is de kritische temperatuur belangrijk bij staalbescherming?
Om te begrijpen dat de kritische temperatuur belangrijk is, moet u deze informatie in gedachten houden:
- +350°C kan de faaltemperatuur zijn als het staal zeer intensief, tot bijna de limiet van zijn vermogen wordt gebruikt. Er is niet veel extra sterkte om verwarming boven omgevingstemperatuur te weerstaan.
- +750 °C zou de faaltemperatuur kunnen zijn wanneer het staal erg onderbenut is. Er is veel extra kracht om de extra warmtetoename te weerstaan.
- Het eigenlijke ontwerp van het gebouw en de gehanteerde principes bepalen de eigenlijke grens- of kritische temperatuur van de staalconstructie. Als het staalverbruik bekend is, kan het worden berekend. Als dit niet bekend is, moet de standaardbegrenzing of kritische temperatuur van het land worden gebruikt. In veel gevallen in Europa is dit +500°C.
Alleen een goed opgeleide persoon, zoals een constructie- en/of brandingenieur, kan de grens- of kritische temperatuur van de stalen constructie bepalen op basis van de staalafmetingen, lengte, sterkte, belasting en oriëntatie, enz.
- Gebruik van de beschermingsdiktes voor een begrenzing temperatuur van +650°C en hoger, zonder inzicht in het feitelijke gebruik of de belasting van staal, kan het structurele stalen frame aanzienlijk onderbeschermen. De brandbeveiliging wordt niet op het vereiste niveau geïnstalleerd.
