Gewelfplafond in metselwerk beschermd met brandwerende pleister

Een van de problemen waarmee men in de praktijk van brandpreventie te maken krijgt, is de certificering van de brandweerstand van gewelfplafonds in metselwerk met metalen liggers en, in het algemeen, van gewelven van om het even welk type.

Of er nu passieve brandbeveiligingsmaatregelen nodig zijn of niet, om een constructief element te certificeren, zijn er – zoals bekend – volgens het Ministerieel Besluit van 16 februari 2007 drie methodologische benaderingen toegestaan:

• Tabellenmethode
• Experimentele methode
• Analytische methode

In dit specifieke geval moet de tabellenmethode bij voorbaat worden uitgesloten, aangezien dit type constructie niet voorkomt onder de in het besluit genoemde structuren. De experimentele methode zou kunnen worden overwogen, op voorwaarde dat er een passieve brandbeveiligingsoplossing op de markt beschikbaar is die getest werd in geaccrediteerde laboratoria op dit specifieke type constructie. Een dergelijke zoektocht zal echter vrijwel zeker een negatief resultaat opleveren, omdat men een oplossing zou moeten vinden die getest is op een bouwtype dat identiek of zeer vergelijkbaar is met het te analyseren geval.

De analytische methode is dan ook zonder twijfel de aangewezen methode voor dit type structuur. Deze benadering kan worden toegepast door berekeningen uit te voeren volgens de nationale bijlagen bij de Eurocodes, zoals vereist in Circulaire 5642 van 31/03/2010.

Volgens deze methode kan het element worden gecertificeerd met drie oplossingen, afhankelijk van de vereiste brandweerstandsklasse:

• Geen bescherming
• Gedeeltelijke passieve bescherming van het element
• Totale passieve bescherming van het element

PRAKTISCH VOORBEELD: EEN GEWELFPLAFOND IN BAKSTEEN BESCHERMD MET BRANDWERENDE PLEISTER

Het voorbeeld dat in dit artikel is gekozen, betreft een structuurtypologie die vaak voorkomt in havenmagazijnen en, meer in het algemeen, in de industriële en commerciële bouw van het vroegere Italië. Dergelijke structuren zijn ook vaak terug te vinden in historische en waardevolle gebouwen.

Hun structureel gedrag is duidelijk: ze bestaan uit een secundair raamwerk van bakstenen gewelfjes, geplaatst in segmenten met een lichte kromming, waardoor een zuiver drukkend gedrag ontstaat in plaats van een buigend gedrag naar de opleggingen toe. Deze opleggingen bestaan uit metalen liggers die het primaire draagraam van het vloerplafond vormen. De druk van elk gewelfje wordt gecompenseerd door een gelijke en tegengestelde kracht afkomstig van de twee aangrenzende gewelfjes.

Rekening houdend met dit structureel gedrag, is het duidelijk dat de structurele beoordeling in geval van brand zowel het gedrag van de metalen ligger die als oplegging fungeert als dat van de bakstenen gewelfjes zelf in beschouwing moet nemen.

Voor de gewelfjes steunt de beoordeling bij hoge temperatuur op de analyse van het gedrag bij omgevingstemperatuur (de zogenaamde “drukboogtheorie”) en op de meest recente studies over het thermisch gedrag van gebogen elementen bij hoge temperaturen.

Er wordt uitdrukkelijk op gewezen dat men hier een situatie beschouwt waarbij de vloer beschermd is met 1,5 cm brandwerende pleister PROTHERM LIGHT, aangezien uit eerdere analyses is gebleken dat het ongeïsoleerde gewelfje niet voldeed aan de eisen inzake brandweerstand.

BELASTINGSANALYSE

Ter illustratie wordt in Figuur 2.1 de volgende afbeelding weergegeven, die het onderzochte structuurtype toont.

Voor de berekeningen worden de werkende belastingen en de ontwerpacties op de vloer gedefinieerd, zoals gespecificeerd in de geldende technische norm (NTC2018). Er wordt benadrukt dat, in het geval van brandweerstandscontroles, de uitzonderlijke combinatieregel moet worden toegepast.

De werkende belastingen worden als volgt gedefinieerd:

• G1 (belastingen van permanente structurele elementen – NTC2018): eigen gewicht van de structurele elementen;
• G2 (belastingen van permanente niet-structurele elementen – NTC2018):
  • Opvulling: 0,4 kN/m²
  • Vloeropbouw – onderlaag: 1,0 kN/m²
  • Vloeropbouw – afwerklaag: 0,5 kN/m²
• Q (variabele belasting):
  • categorie B1: 2,0 kN/m²

BEREKENINGSMETHODE

Zoals in de inleiding van dit artikel reeds vermeld, is de geschikte berekeningsmethode de analytische methode.

De beoordeling via berekeningen wordt uitgevoerd volgens de criteria vastgelegd in EN 1996-1-2, en is gebaseerd op structurele overwegingen met betrekking tot het brandgedrag van boogvormige elementen, zoals ontwikkeld in de voorbije decennia.

De analyse van materiaaldegradatie is relatief eenvoudig dankzij de gegevens beschikbaar in de Eurocode. Voor baksteenmateriaal beveelt de norm aan om de volledige dikte van de dragende doorsnede te elimineren die temperaturen boven 600 °C bereikt, en om een reductiefactor kleiner dan 1 toe te passen op de laag die zich bevindt tussen 600 °C en 100 °C.

Dit maakt het mogelijk – zelfs zonder de warmtetransportvergelijking te integreren of een thermisch model op te stellen via niet-lineaire berekeningssoftware – om inzicht te krijgen in de temperaturen die binnen de doorsnede bereikt worden na 30, 60, 90 of 120 minuten blootstelling.

In dit specifieke geval was het niet mogelijk om gebruik te maken van de gegevens in Figuur 2.2, aangezien het bakstenen gewelf aan de intrados – dus aan de zijde blootgesteld aan brand – voorzien is van een laag Protherm Light pleister, die een bescherming tegen de brandbelasting vormt.

Om die reden werd een thermische analyse uitgevoerd onder niet-lineaire materiaalomstandigheden, met behulp van eindige-elementensoftware.

THERMISCHE ANALYSE

De thermische analyse werd uitgevoerd volgens de richtlijnen van de Eurocode EC1 Deel 1-2.

In Figuur 2.3 wordt de ISO 834-curve weergegeven die voor de analyse werd gebruikt, terwijl Figuur 2.4 de evolutie toont van de warmtegeleiding, soortelijke warmte en dichtheid als functie van de temperatuur.

Er wordt benadrukt dat de validatie van het voorgestelde thermische model is bevestigd door een vergelijking van de resultaten uit Eurocode 6 Deel 1-2, figuur C.3(a) met die van het eindige-elementenmodel zonder beschermende bijdrage van de pleisterlaag.

In Figuur 2.5 wordt het wiskundige model weergegeven zoals ingevoerd in de FEM-software, en in Figuur 2.6 de randvoorwaarden aan de intradoszijde van het model.

De resultaten worden weergegeven voor de tijdsstap t = 5400 seconden (90 minuten) van blootstelling aan de ISO 834 tijd/temperatuur-curve.

Om de visualisatie van de zones met temperaturen boven respectievelijk 100 °C en 600 °C te vergemakkelijken, werd in de resultaten een temperatuurlimiet ingesteld. Deze limiet zorgt ervoor dat alle delen die een hogere temperatuur dan de ingestelde drempel bereiken, wit worden weergegeven.

Met andere woorden: in Figuur 2.7 worden alle zones die temperaturen boven 100 °C bereiken in wit getoond, terwijl in Figuur 2.8 de zones boven 600 °C wit zijn weergegeven.

STRUCTURELE ANALYSE

Na voltooiing van de thermische analyse is het noodzakelijk om het onderzoek en de analyse te ontwikkelen van de effecten van niet-homogene uitzetting en de interne spanningen binnen het dragende gedeelte van de doorsnede. Dit fenomeen is te wijten aan de differentiële opwarming van de dwarsdoorsnede, die in de structuur inductiespanningen veroorzaakt. De berekening van de druklijnen en de breuklasten van baksteenmateriaal, met als doel de brandweerstand van de gewelfjes aan te tonen, valt buiten het bestek van dit artikel.

Op basis van de uitgevoerde berekeningen kan worden vastgesteld dat de gewelfjes van de vloer, zoals ze in de bestaande toestand zijn beschermd met 1,5 cm Protherm Light pleister, voldoen aan het REI 60-criterium.

Om echter de volledige vloer als conform het REI 60-vereiste te kunnen certificeren, moeten ook de metalen liggers dezelfde brandweerstand bezitten. Voor deze elementen is een experimenteel certificeringstraject gevolgd.

Een analytische berekening had ook voor deze onderdelen kunnen worden uitgevoerd, maar de experimentele methode bleek sneller en veiliger.

De toepassing van PROTHERM LIGHT pleister werd uitgevoerd op het enige deel dat blootgesteld is aan brand, namelijk de onderzijde van de onderste flens. Zoals zichtbaar is, wordt het overige deel van het metalen profiel beschermd door de bakstenen gewelfjes die op de onderste flens rusten.

De experimentele methode voor het gekozen beschermingsmiddel maakt gebruik van de testrapporten van het product zelf. Aangezien het om een brandwerend pleisterproduct gaat, is de geldende norm EN 13381-4.

Door gebruik te maken van het testrapport van het product, kan de benodigde laagdikte worden bepaald en kan ditzelfde rapport worden gebruikt als referentie om de vereiste brandweerstand te waarborgen.

Voor dit specifieke geval en het geïdentificeerde beschermingsproduct toont Tabel 2.1 de benodigde pleisterdikte.

CONCLUSIES

Op basis van het bovenstaande was het mogelijk om een brandweerstandscertificaat REI 90 te verkrijgen voor het onderzochte gewelfplafond. Dit werd bereikt dankzij de behandeling van de volledige intrados met brandwerende pleister Protherm Light. Verder wordt geconcludeerd dat de toegepaste analytische methode de meest geschikte oplossing is voor dit type vloerconstructie, aangezien er geen specifieke tests bestaan voor deze bouwtechnische configuratie.

Er wordt aan herinnerd dat er altijd de mogelijkheid bestaat om een specifieke brandtest uit te voeren voor een bepaald constructiesysteem, maar het is duidelijk dat hieraan toepassingsbeperkingen verbonden zijn. Er wordt benadrukt dat bij het gebruik van deze methode hoogwaardige brandwerende pleisters moeten worden toegepast — zowel om overmatige diktes te vermijden, als omdat dit soort producten bij gelijke dikte minder gewicht per m² toevoegt. In Figuur 3.1 en Figuur 3.2 worden twee afbeeldingen getoond van de thermische analyse uitgevoerd met FEM-software.