Förstärkt brandbeständighet med varmförzinkning

De höga kostnaderna för passivt brandskydd, vanligtvis med hjälp av olika målningssystem, är en stor ekonomisk nackdel för stål- och kompositkonstruktioner i jämförelse med vissa andra byggmaterial. Stål varmförzinkas ofta i korrosionsskyddande syfte och om det bildade zinkskiktet även skulle kunna bidra till förbättrat brandmotstånd är det självklart en stor fördel. Ett antal studier har visat att så är fallet och i flera länder utnyttjas redan det positiva bidraget från zinkskiktet vid brandklassningen.

Stål brinner inte men hållfastheten minskar när temperaturen stiger. Stålkonstruktioner förblir stabila tills den kritiska temperaturen nås, vilket sker mellan 500 och 750 ºC, beroende på belastningsförhållandena. Brandskyddet börjar alltid på planeringsstadiet och både brandrisk och kostnader för brandskydd kan ofta reduceras med hjälp av en genomtänkt konstruktionsutformning.

Brandbeständighet

Eldmotståndstiden är den minimitid i minuter som en konstruktion fullföljer sin uppgift vid en standardbrand. Konstruktionen får således inte kollapsa under denna tid. Minimitiden ligger till grund för klassificeringen enligt tabell 1. När en brandbeständighet på till exempel minst 30 minuter krävs för en stålkonstruktion måste det kunna säkerställas att konstruktionens bärande delar fortfarande klarar de statiska kraven under denna tid. Höga kostnader för passivt brandskydd kan undvikas genom att bestämma den kritiska temperaturen för en specifik konstruktion enligt Eurocoden EN 1993-1-2.

EldmotståndsklassEldmotståndstid (Minuter)Beteckning i bygginspektionsreglerna
F 30 ≥ 30Eldresistant
F 60 ≥ 60 Eldresistant
F 90 ≥ 90 Eldfast
F 120 ≥ 120Eldfast
F 180 ≥ 180Mycket eldfast

Tabell 1. Eldmotståndsklasser. Studier har visat att varmförzinkat stål klarar F30 utan ytterligare skyddsbehandling.

Brandcenario och brandkurva

En brand består av flera faser. Vanligtvis inleds branden med en långsam fas då materialet antänds och pyr. Sedan kommer brandfasen med ett plötsligt uppflammande som ger en ordentlig temperaturökning. Därefter slocknar elden och kylfasen inleds. Vid riktiga bränder kan varje fas variera starkt när det gäller intensitet och varaktighet. För att kunna jämföra brandbeteendet hos byggmaterial har en temperatur-tidskurva utarbetats, vilken ingår i standarden ISO 834 ”Fire resistance tests – Elements of building construction”.

Zinkskiktets uppbyggnad

När stål kommer i kontakt med smält zink sker en reaktion mellan metallerna så att en järn-zinklegering bildas på stålytan. Denna legering byggs upp av olika järn-zinkfaser med mot
ytterytan avtagande järnhalt. Vid upptagningen ur zinksmältan fastnar ett lager av ren zink på den yttersta legeringsfasen, se bild 1. Beläggningens tjocklek och ytans utseende bestäms av reaktionen med stålet och hur snabbt det yttre zinkskiktet stelnar. Reaktionsförloppet är beroende av ett antal parametrar. Av dessa har stålets kemiska sammansättning störst betydelse men även stålytans tillstånd (bland annat struktur, kornstorlek, spänningar samt ytråhet) spelar in. Vidare inverkar zinksmältans sammansättning och temperatur samt den aktuella dopptiden.

Bild 1.Tvärsnitt genom zinkskiktet hos aluminiumtätat 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
Svenska