Forbedret brannmotstand med varmforsinking

De høye kostnadene ved passiv brannbeskyttelse, som vanligvis utføres ved hjelp av forskjellige malesystemer, er en stor økonomisk ulempe for stål- og komposittkonstruksjoner sammenlignet med noen andre byggematerialer. Stål varmforsinkes ofte som beskyttelse mot korrosjon, og hvis det dannede sinklaget også kan bidra til forbedret brannmotstand, er det selvfølgelig en stor fordel. En rekke studier har vist at dette er tilfelle, og i flere land utnyttes allerede det positive bidraget fra sinklaget i brannklassifiseringen.

Stål brenner ikke, men styrken reduseres når temperaturen stiger. Stålkonstruksjoner forblir stabile til den kritiske temperaturen er nådd, som oppstår mellom 500 og 750 ºC, avhengig av belastningsforholdene. Brannvern starter alltid på planleggingsstadiet, og både brannrisiko og brannvernkostnader kan ofte reduseres ved hjelp av en gjennomtenkt design.

Brannmotstand

Brannmotstandstiden er den tid, angitt i minutter, som en bygningsdel eller konstruksjon motstår oppvarming i en brannsituasjon og beholder nærmere spesifiserte egenskaper (bæreevne, tetthet og overflatetemperatur). Minimumsperioden er grunnlaget for klassifiseringen som angitt i tabell 1. For eksempel, når en brannmotstand på minst 30 minutter er nødvendig for en stålkonstruksjon, må det sikres at konstruksjonens bærende deler fortsatt oppfyller de statiske kravene i løpet av denne tiden. Høye kostnader for passivt brannvern kan unngås ved å bestemme den kritiske temperaturen for en bestemt konstruksjon i henhold til Eurocoden EN 1993-1-2.

BrannmotstandsklasseBrannmotstandstid (Minutter)
F 30 ≥ 30
F 60 ≥ 60
F 90 ≥ 90
F 120 ≥ 120
F 180 ≥ 180

Tabell 1. Brannmotstandsklasser. Studier har vist at varmforsinket stål tåler R30 uten ytterligere beskyttelsesbehandling.

Brannscenario og brannkurve

En brann består av flere faser. Vanligvis starter brannen med en langsom fase når materialet antennes og ulmer. Deretter kommer brannfasen med en plutselig oppblussing som gir en reell temperaturøkning. Så slukkes brannen og kjølefasen begynner. Ved reelle branner kan hver fase variere sterkt når det gjelder intensitet og varighet. For å sammenligne brannatferden til byggematerialer er det utviklet en temperaturkurve, som inngår i standarden ISO 834 «Brannmotstandstester – Elementer av bygningskonstruksjon».

Sinklaget oppbygning

Når stål kommer i kontakt med smeltet sink, oppstår det en reaksjon mellom metallene slik at en jern-sink-legering dannes på ståloverflaten. Denne legeringen er bygget opp av ulike jern-sink faser medavtagende jerninnhold mot overflaten. Ved oppheising fra sinksmelten er et lag med ren sink liggendes igjen på den ytterste legeringsfasen, se figur 1. Tykkelsen på belegget og overflatens utseende bestemmes av reaksjonen med stålet og hvor raskt det ytre sinklaget stivner. Reaksjonsprosessen avhenger av en rekke parametere. Av disse er den kjemiske sammensetningen av stålet viktigst, men også tilstanden til ståloverflaten (blant annet struktur, kornstørrelse, spenning og overflaterenhet) spiller en rolle. Videre har sinksmeltens sammensetning og temperatur samt den aktuelle dyppetiden en innvirkning.

Figur 1.Tverrsnitt gjennom sinklaget på aluminumstettet stål.

Effekten av varmförzinkning

Flera studier, bland annat vid Münchens Tekniska Universitet, har visat att zinkskiktet hos varmförzinkat stål har en positiv effekt på värmeutvecklingen vid brandexponering, och att det i många fall är möjligt att klara F30 i eldmotstånd hos en varmförzinkad stålkonstruktion, utan något ytterligare brandskydd.

Detta innebär att den varmförzinkade konstruktionen klarar 30 minuters brandexponering enligt standarden EN 13501-2. Studien, som är mycket intressant, har bland annat visat följande:

»» F30 är nu möjligt med oskyddade stålkonstruktioner.

»» Dyra, passiva brandskyddslösningar kan utelämnas.

»» Fördelarna med stål som konstruktionsmaterial förstärks ytterligare i konkurrens med andra material.

Forskningsarbetet har visat att zinkskikt bildade vid styckvis varmförzinkning har en viktig och gynnsam effekt vid brand upp till det att stålet når cirka 550 °C. Att det går en gräns runt den temperaturen beror sannolikt på att skiktets egenskaper förändras då smältpunkten för järn-zinkfaserna som skiktet består av passerats. Ren zink smälter vid 419,5 °C men järn-zinkfaserna har högre smälttemperaturer, 530 °C för zetafasen och 530–670 °C för deltafasen.

Flera fördelar

Resultaten från praktiska försök med brandtest visade att det varmförzinkade stålet hade flera fördelar jämfört med det obehandlade ;

»» Lägre emissionsfaktor

»» Långsammare uppvärmning

»» Längre tid till det att den kritiska temperaturen nåddes

En viktig parameter för inverkan på emissionsfaktorn är skiktets färg. För att få en låg emissionsfaktor som i tabellen nedan ska skiktet vara blankt eller ljusgrått.

StålEmissionsfaktor upp till 500 ºCEmissionsfaktor över 500 ºC
Kolstål0,700,70
Rostfritt stål (1)0,400,40
Varmförzinkat stål (2)0,350,70

(1.) Enligt Annex C (2) Stål varmförzinkat enligt EN ISO 1461 med en kemisk sammansättning enligt klass A eller B enligt tabell 1 i EN ISO 14713-2.

Tabell 2. Emissionsfaktorer för några olika typer av stål.

Om skiktet är mörkgrått blir emissionen högre, så det är viktigt att välja rätt typ av stål, aluminiumtätat eller kiseltätat med en högsta kiselhalt av 0,25 %, men gärna lägre, för att vara på den säkra sidan.

Intressant business case

Det stora intresset för brandskydd med hjälp av varmförzinkning kan lätt förstås med hjälp av figuren nedan. Om brandskyddsmålning används så behöver regelbundet underhåll utföras. Med varmförzinkning behövs inget underhåll och de initiala kostnaderna är på samma nivå.

Bild 2. Jämförelse av livslängden och kostnaderna för varmförzinkat stål respektive brandskyddsmålat stål .

Implementering i Eurocode 3

Förslag på förändringar i Eurocode 3 för att implementera resultaten ifrån ovan beskrivna studier har lagts fram. Redan idag drar man nytta av den förbättrade brandbeständigheten som varmförzinkning ger i både Tyskland, Belgien och Holland, där den nya kunskapen tillämpas på nationell nivå.

For members
Norsk bokmål