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 F 30 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 varmforsinking

Flere studier, blant annet ved Münchens tekniske universitet, har vist at sinklaget i varmforsinket stål har en positiv effekt på varmeutviklingen ved branneksponering, og at man i mange tilfeller kan oppnå brannmotstand F30 i en varmforsinket stålkonstruksjon uten ytterligere brannbeskyttelse.

Det betyr at den varmforsinkede konstruksjonen tåler branneksponering i 30 minutter i samsvar med standarden NS-EN 13501-2. Studien, som er svært interessant, har blant annet vist følgende:

»» Nå er F30 mulig med ubeskyttede stålkonstruksjoner.

»» Man kan unngå kostbare, passive brannvernløsninger.

»» Fordelene med stål som konstruksjonsmateriale forsterkes ytterligere i konkurranse med andre materialer.

Forskningsarbeidet har vist at sinklag som dannes ved varmforsinking, har en viktig og positiv effekt ved brann frem til stålet oppnår en temperatur på 550 °C. Den temperaturgrensen skyldes sannsynligvis at lagets egenskaper endres når man passerer smeltepunktet for jern-sinkfasene som laget består av. Ren sink smelter ved 419,5 °C, men jern-sinkfasene har høyere smeltetemperaturer – 530 °C for zetafasen og 530–670 °C for deltafasen.

Flere fordeler

Resultatene fra praktiske forsøk med branntester viste at det varmforsinkede stålet hadde flere fordeler sammenlignet med ubehandlet stål:

»» Lavere utslippsfaktor

»» Langsommere oppvarming

»» Lengre tid før den kritiske temperaturen ble oppnådd

En viktig parameter for utslippsfaktoren er fargen på laget. For å oppnå så lav utslippsfaktor som i tabellen under, må laget være blankt eller lysegrått.

StålUtslippsfaktor opptil 500 ℃Utslippsfaktor over 500 ℃
Karbonstål0,700,70
Rustfritt stål (1)0,400,40
Varmforsinket stål (2)0,350,70

(1.) Ifølge vedlegg C .

(2.) Stål varmforsinket i samsvar med NS-EN ISO 1461 med en kjemisk sammensetning i samsvar med klasse A eller B ifølge tabell 1 i NS-EN ISO 14713-2.

Tabell 2. Utslippsfaktorer for forskjellige typer stål.

Hvis laget er mørkegrått, blir utslippet høyere. Derfor er det viktig å velge riktig type stål, aluminiumstettet eller silisiumtettet med høyeste silisiuminnhold på 0,25 %, men gjerne lavere, for å være på den sikre siden.

Interessant business case

Det er enkelt å forstå den store interessen for brannvern ved hjelp av varmforsinking hvis man ser på figuren under. Hvis det brukes brannhemmende maling, må det gjennomføres regelmessig vedlikehold. Med varmforsinking slipper man vedlikehold, og innkjøpskostnadene ligger på samme nivå.

Bilde 2. Sammenligning av levetiden og kostnadene for varmforsinket stål og stål som er malt med brannhemmende maling.

Implementering i Eurocode 3

Det er lagt frem forslag til endringer i Eurocode 3 for å implementere resultatene fra studiene som er nevnt tidligere. Allerede i dag drar man nytte av den forbedrede brannmotstanden som varmforsinking gjør i både Tyskland, Belgia og Nederland, der den nye kunnskapen brukes på nasjonalt nivå.

For members
Norsk bokmål