Forbedret brandmodstand med varmforzinkning

De høje udgifter til passiv brandsikring, som normalt opnås ved hjælp af forskellige malingssystemer, er en stor økonomisk ulempe for stål- og kompositkonstruktioner, når man sammenligner med andre byggematerialer. Stål varmforzinkes ofte for at opnå korrosionsbeskyttelse, og hvis zinklaget også kan bidrage til forbedret brandmodstand, er det naturligvis en stor fordel. En række studier har vist, at det er tilfældet, og i flere lande udnytter man allerede det positive bidrag fra zinklaget i forbindelse med brandklassificeringen.

Stål er ikke brændbart, men styrken mindskes, når temperaturen stiger. Stålkonstruktioner forbliver stabile, indtil den kritiske temperatur nås, hvilket sker mellem 500 og 750 ºC, alt afhængigt af belastningsforholdene. Brandsikring starter altid i planlægningsfasen, og både brandrisikoen og udgifterne til brandsikring kan ofte reduceres ved hjælp af en gennemtænkt konstruktionsudformning.

Type of steelEmission factor up to 500 CEmission factor over 500 C
Carbon steel0,700,70
Stainless steel (1)0,400,40
HDG Steel (2)0,350,70
Tabel 1. Emissionsfaktorer for nogle forskellige typer stål.

(1) I henhold til Bilag C 

(2) Stål varmforzinket iht. DS/EN ISO 1461 med en kemisk sammensætning iht. klasse A eller B iht. tabel 1 i DS/EN ISO 14713-2.

Brandmodstand

Brandmodstandstiden er den minimumstid i minutter, hvor en konstruktion kan opretholde sin funktion ved en standardbrand. Konstruktionen må således ikke kollapse i løbet af dette tidsrum. Minimumstiden er grundlaget for klassificeringen iht. tabel 1. Når der for eksempel stilles krav om en brandmodstand på mindst 30 minutter for en stålkonstruktion, skal det kunne garanteres, at konstruktionens bærende dele fortsat kan klare de statiske krav i dette tidsrum. Høje udgifter til passiv brandsikring kan undgås ved at bestemme den kritiske temperatur for en specifik konstruktion i henhold til Eurocode DS/EN 1993-1-2.

Fire resistant classFire resistant time (Minutes)Symbol in the construction inspection rules
F 30 ≥ 30Fire resistant
F 60 ≥ 60 Fire resistant
F 90 ≥ 90 Fire proof
F 120 ≥ 120Fire proof
F 180 ≥ 180Very fire proof

Tabel 2. Brandmodstandsklasser. Studier har vist, at varmforzinket stål lever op til F30 uden yderligere beskyttende behandling.

Brandscenarie og brandkurve

En brand består af flere faser. Normalt starter branden med en langsom fase, hvor materialet antændes og ulmer. Derefter følger brandfasen med en pludselig opblussen, der giver en betydelig temperaturstigning. Derefter går ilden ud, og afkølingsfasen begynder. Ved rigtige brande kan de enkelte faser variere meget, hvad angår intensitet og varighed. For at kunne sammenligne byggematerialers brandadfærd er der udarbejdet en temperaturtidskurve, som indgår i standarden DS/ISO 834 “Prøvning af brandmodstandsevne – Bygningselementer”.

Zinklagets opbygning

Når stål kommer i kontakt med smeltet zink, sker der en reaktion mellem metallerne, så der dannes en jern-zink-legering på ståloverfladen. Legeringen bygges op af forskellige jern-zink-faser med et jernindhold, der aftager mod den udvendige overflade.
 Når godset tages op af den smeltede zink, bliver et lag af ren zink siddende på den yderste legeringsfase, se billede 1. Belægningens tykkelse og overfladens udseende er bestemt af reaktionen med stålet og af, hvor hurtigt det yderste zinklag størkner. Reaktionsforløbet afhænger af flere forskellige parametre. Af disse har stålets kemiske sammensætning størst betydning, men også ståloverfladens tilstand (blandt andet struktur, kornstørrelse, spændinger og overfladeruhed) spiller ind. Desuden har den smeltede zinks sammensætning og temperatur samt den aktuelle dyppetid også en indvirkning.

Billede 1.Tværsnit gennem zinklaget hos aluminiumberoliget stål.

Effekten af varmforzinkning

Flere studier, blandt andet fra Münchens tekniske universitet, har vist, at zinklaget på varmforzinket stål har en positiv indvirkning på varmeudviklingen ved brandeksponering, og at det i mange tilfælde er muligt at opnå en brandmodstand på F30 for en varmforzinket stålkonstruktion uden nogen yderligere brandsikring.

Det indebærer, at den varmforzinkede konstruktion kan klare 30 minutters brandeksponering i henhold til standarden DS/EN 13501-2. Studiet, som er meget interessant, har blandt andet vist følgende:

»» F30 er nu muligt for ubeskyttede stålkonstruktioner.

»» Dyre, passive brandsikringsløsninger kan udelades.

»» Fordelene ved stål som konstruktionsmateriale styrkes yderligere i forhold til andre materialer.

Forskningsarbejdet har vist, at zinklag dannet ved stykvis varmforzinkning har en vigtig og gavnlig effekt ved brand, indtil det tidspunkt, hvor stålet når ca. 550 °C. Det, at der er en grænse lige omkring den temperatur, skyldes sandsynligvis, at lagets egenskaber ændrer sig, når smeltepunktet for de jern-zink-faser, laget består af, passeres. Ren zink smelter ved 419,5 °C, men jern-zink-faserne har en højere smeltetemperatur: 530 °C for zetafasen og 530-670 °C for deltafasen.

Flere fordele

Resultaterne af praktiske forsøg med brandprøvning viser, at det varmforzinkede stål har flere fordele sammenlignet med ubehandlet stål:

»» Lavere emissionsfaktor

»» Langsommere opvarmning

»» Længere tid før den kritiske temperatur opnås

En vigtig parameter, der har indvirkning på emissionsfaktoren, er lagets farve. For at opnå en lav emissionsfaktor som i tabellen nedenfor skal laget være blankt eller lysegråt.

Hvis laget er mørkegråt, bliver emissionen højere, så det er vigtigt at vælge den rette type stål, aluminiumberoliget eller siliciumberoliget med et maksimalt siliciumindhold på 0,25 %, men gerne lavere, for at være på den sikre side.

Interessant forretningscase

Den store interesse for brandsikring ved hjælp af varmforzinkning kan nemt forklares ved hjælp af figuren nedenfor. Hvis der anvendes brandhæmmende maling, er regelmæssig vedligeholdelse nødvendig. Med varmforzinkning er der intet behov for vedligeholdelse, og startomkostningerne er på samme niveau.

Billede 1. Sammenligning af levetiden for og udgifterne til henholdsvis varmforzinket stål og stål med brandhæmmende maling.

Implementering i Eurocode 3

Der er fremlagt forslag til ændringer i Eurocode 3 for at implementere resultaterne af ovennævnte studie. Allerede i dag drager man nytte af den forbedrede brandmodstand, som varmforzinkning giver, i både Tyskland, Belgien og Holland, hvor den nye viden er blevet implementeret på nationalt niveau.

For members
Dansk