fib Bulletin 108 over prestatiegericht brandontwerp 1 Brand faculteit Bouwkunde TU Delft in 2008. Foto: Daniël Menno Smidt via Flickr 1 fib Bulletin 108 30? CEMENT 6 2024 In vergelijking met andere veel- gebruikte bouwmaterialen pres- teert beton goed bij brand, onder meer vanwege de lagere thermi - sche geleidbaarheid, de hogere specifieke warmte en de grotere thermische massa. Lang werd ge- dacht dat betonconstructies zelfs volledig brandveilig waren. Na de nodige incidenten en onderzoek werd echter duidelijk dat het materiaal ook kwetsbaar kan zijn bij brand en dat daar in het ontwerp rekening mee moet worden gehouden. Ontwerpmethodes Bij het ontwerpen van betonconstructies onderhevig aan brand zijn er globaal twee methodes. De eerste is een voorschrijvende methode, ook wel bekend als de deemed-to- satisfy-aanpak (wanneer een product voldoet aan vooraf vastgestelde normen, wordt ver- wacht dat aan bepaalde technische eisen wordt voldaan). Deze wordt gebruikt in de meest voorkomende constructies. De tweede benadering is gebaseerd op prestatiecriteria, en heet ook wel performance based design (PBD). Deze aanpak was lang beperkt tot de wetenschappelijke wereld. Door toenemende rekenkracht van compu - ters wordt hij echter steeds gangbaarder. De aanpak biedt meer vrijheid in het ontwerp en maakt de weg vrij voor innovatieve oplos- singen. Hij kan ook resulteren in besparin - gen op materiaalkosten. Ook de transparan - tie en betrouwbaarheid van het ontwerp nemen toe. Aan deze PBD-methode hangt echter ook een prijskaartje. Er is een hoger niveau van analyse nodig en hij is veeleisen - der voor de ontwerper. Ook is een intensieve communicatie met belanghebbenden ver- eist. fib Bulletin Om richting te geven aan de PBD-aanpak is fib Bulletin 108 'Performance-based fire design of concrete structures' opgesteld. De samensteller en redacteur van het bulletin is Thomas Gernay (John Hopkins University), een gerenommeerd expert op het gebied van computational modelling van het gedrag van constructies bij brand. Co-redacteur is Ruben Van Coile (Universiteit Gent), gespeci - aliseerd in probabilistische structural fire safety engineering (SFE). Binnen fib Working Group 2.3.2 werden zij bijgestaan door een aantal andere deskundigen, onder meer vanuit Holmes. fib Bulletin 108 bevat state-of-the-art kennis over PBD-methoden voor betoncon - structies onderhevig aan brand. Het is be- doeld als richtlijn voor ontwerpers die be- ginnen met PBD. Het rapport is een vervolg op fib Bulletins 38 en 46, uit 2007 respectie- velijk 2008 [1, 2]. Het geeft daarom ook een beeld van de ontwikkelingen en onderzoeks- resultaten van de afgelopen 15 jaar. Gedrag beton bij brand Een duidelijk begrip van het materiaalge- drag van zowel beton als staal bij brand is Medio 2023 verscheen fib Bulletin 108 'Performance-based fire design of concrete structures'. Dit rapport geeft een toelichting op ontwerpmethoden voor constructies onderhevig aan brand, die zijn gebaseerd op prestaties in plaats van concrete voorwaarden voor bijvoorbeeld de dekking. CEMENT 6 2024 ?31 onontbeerlijk voordat een prestatiegericht constructief brandontwerp voor een beton - constructie kan worden uitgevoerd. Daarom geeft het bulletin een overzicht van de gevol - gen van brand op de prestaties van beton. Daarbij wordt ingegaan op de meest rele- vante materiaal- en thermische eigenschap- pen, onder meer specifieke warmte, thermi - sche geleidbaarheid, sterkte en stijfheid, en temperatuurafhankelijkheid. Bij verhitting ondergaat zowel beton als staal een thermische uitzetting. Deze kan leiden tot thermische buiging of thermische spanning als gevolg van verhinderde vervor- ming. Bovendien verslechteren de eigen - schappen van beton wanneer het wordt blootgesteld aan hoge temperaturen. De mate waarin dat gebeurt, wordt beïnvloed door vochtgehalte, type toeslagmateriaal, de betonmengselsamenstelling en de ont- wikkelingssnelheid van de temperatuur. Deze degradatie is onomkeerbaar na afkoe- ling, omdat ze het gevolg is van chemische veranderingen in het betonmengsel. Ook de mechanische eigenschappen van wapening bij verhoogde temperaturen zijn kritische factoren, zoals vloeigrens, elasticiteitsmodu - lus en spanning-rek-relaties. Hierbij geldt dat voorspanstaal anders reageert dan tra - ditionele wapening. Voorspanstaal heeft een hogere toelaatbare spanning en verliest sneller sterkte wanneer het wordt blootge- steld aan hitte en krijgt ook minder sterkte terug tijdens en na het afkoelen. In het rapport wordt speciale aandacht be- steed aan afspatten van beton als gevolg van de interactie tussen interne poriëndruk, thermische en mechanische spanningen. Dit fenomeen kan worden voorkomen door meer aandacht te besteden aan de betonsa - menstelling, maar is nog steeds onderwerp van onderzoek. Het rapport vat ook andere kennishiaten samen, zoals het gedrag van verbindingen onder brandexplosie of de in - vloed van brand op faalmechanismen door bijvoorbeeld afschuiving, torsie of verlies van aanhechting. Voor de berekening van de thermi - sche spanning en de vervorming van een constructie-element tijdens een brand zijn meestal gespecialiseerde structural fire engineering computerprogramma's nodig, aangezien eenvoudige methoden hoogst- waarschijnlijk geen nauwkeurige resultaten opleveren voor ontwerpers. Opgemerkt wordt verder dat brand geen beschouwing van de bruikbaarheidsgrenstoestand (BGT) is. Zodra een brand volledig ontwikkeld is, zal er onomkeerbare schade aan de con - structie ontstaan, waarna de constructie gerepareerd of vervangen moet worden. Ontwerpproces De essentie van een prestatiegericht con - structief brandontwerp ligt in een welover - wogen en grondige overweging van verschil - lende factoren. Hierbij moet elke ruimte (compartiment) in een gebouw worden 2 Samengestelde vloer vervormd in membraanwerking na afloop van de Ulster-brandtest 2 fib Bulletin 108 DR. JEREMY CHANG Technical Director Holmes NZ (Christchurch) IR. PASCAL SCHROIJEN Project Director Holmes NZ (Auckland) DR.IR. MAURO POLIOTTI Constructief Ontwerper Witteveen+Bos /Lid Stufib vaste commissie fib IR. THIJS PIERIK OntwerpleiderNepocon / Lid Stufib vaste commissie fib auteurs 32? CEMENT 6 2024 beoordeeld, rekening houdend met bijvoor - beeld aanwezige brandbelasting en ventilatie. Daarbij zijn ook de invloed van oppervlakte - afwerkingen op de intensiteit van de brand, de locatie van de brand binnen het comparti - ment en de temperatuurontwikkeling facto - ren om rekening mee te houden. Het belangrijkste onderdeel van het bulletin beschrijft de workflow van presta - tiegericht ontwerpen bij brand (fig. 5). Dit stappenplan is in lijn met de internationale richtlijnen in voor fire safety engineering: ISO 23932-2018 'General Principles' en ISO 24679-1:2019 'Performance of structures on fire'. De stappen in het proces zijn over het algemeen toepasbaar voor alle typen gebouwen. Stap I: Scope van het project? De eerste stap omvat het identificeren van de context en het doel van het ontwerp. De belangrijk - ste aspecten daarbij zijn de kenmerken van het gebouw, de definitie van de brandbelas- tingen en mechanische belastingen. Stap II: Identificeren van doelstellingen, functionele eisen, prestatie-criteria en risicoanalysebenadering? In de tweede stap moeten doelstellingen worden vastgesteld. Het gaat hierbij om eisen uit voorschriften of eisen die zijn gedefinieerd door gebouwei - genaren. Enkele voorbeelden zijn veiligheid van mensenlevens, bescherming van gebouw - onderdelen, continuïteit van de activiteiten, bescherming van het milieu of behoud 3 The Ribbon in de Darling Harbour in Sydney Australië, een voorbeeld van de toepassing van prestatiegericht brandontwerp. Foto: Wikimedia 4 Betongevulde stalen kolommen hebben vaak een uitstekende brandwerendheid, indien een belastingafdracht door de betonkern kan worden aangetoond Een duidelijk begrip van het materiaalgedrag van zowel beton als staal bij brand is onontbeerlijk FIB BULLETINS Een aantal maal per jaar publiceert fib international een fib Bulletin. Dit zijn verschillende rapporten met bijvoor- beeld aanbevelingen, ontwerphandlei- dingen of state-of-the-art kennis over een specifiek onderwerp. Van de voor Cement-lezers meest relevante rappor- ten publiceren we een samenvatting, in samenwerking met de vaste commissie fib van Stufib. 3 4 CEMENT 6 2024 ?33 5 Het bulletin anticipeert op een probabilistische benadering 5 Ontwerpproces prestatiegericht brandontwerp betonconstructies. Bron: fib Bulletin 108. VASTE COMMISSIE FIB Om de link tussen Stufib en fib te stimuleren is binnen Stufib in 2022 de vaste commissie fib opgericht. Deze commissie volgt de ontwikkelingen binnen fib en informeert de Stufib-leden daarover. Ze inventariseert en selecteert onderwerpen waar- voor samenwerking kan worden opgezocht. Ook bewaakt ze de samenwerking tussen Stufib- studiecellen en fib Task Groups. Zitting in de commissie hebben: - dr.ir. Agnieszka Bigaj-Van Vliet - ing. Ab van den Bos - ir. Henco Burggraaf (namens ? ? ? bestuur Stufib) - ir. Jasper Doorgeest (secretaris) - ing. Ronald Klein-Holte - ir. Thijs Pierik - dr.ir. Mauro Poliotti - ir. Rob Vergoossen (voorzitter) fib Bulletin 108 34? CEMENT 6 2024 van erfgoed. Deze doelen moeten als functi- onele eisen kwalitatief worden toegelicht. Zo zou bij bescherming van gebouwonderdelen kunnen gelden: "De constructie moet na brand herstelbaar zijn". De prestatie-criteria zijn kwantitatieve gegevens waarmee wordt beoordeeld of aan de functionele eisen is voldaan. Voor hetzelfde voorbeeld kan een specifieke drempel worden vastgesteld voor de maximale temperatuur van de wapening of het beton om vast te stellen of een con - structie daarna kan worden hersteld of niet. De risicoanalysebenadering verwijst ten slotte naar hoe de onzekerheden binnen het project worden behandeld. Er ontstaan twee alternatieven bij de toepassing van PBD: (1) deterministische benadering op basis van geloofwaardige worst-case-scenario's; of (2) probabilistische benaderingen. Stap III: Proefontwerp? De PBD-strategie is een iteratief proces en vereist daarom een voorlopig constructief ontwerp, meestal bij normale temperatuur. Stap V: Ontwerpbranden? Op basis van het potentiële gebruik van het gebouw formu - leert de brandveiligheidsadviseur ontwerp - branden, uitgedrukt in temperatuur-tijd- of tijd-warmteafgifte-relaties. Dit is een van de belangrijkste aspecten van het ontwerp - proces. Het wordt niet aanbevolen om ge - standaardiseerde curven te gebruiken, omdat realistische of 'fysisch gebaseerde' branden een beter beeld geven van het wer - kelijke gedrag. De ontwerpbranden kunnen variëren in grootte en locatie en moeten rekening hou - den met factoren als aanwezige brandbare materialen, locaties van scheidingswanden en de mogelijkheid van meerdere gelijk- tijdige branden. Het is noodzakelijk om een eindig aantal brandscenario's te overwegen met geloofwaardige worst cases. Als alterna - tief moet in een probabilistische analyse een volledig scala aan potentiële branden worden gegenereerd. Stap V: Thermische respons? Er wordt een thermische analyse uitgevoerd om de niet- lineaire temperatuurverdeling te bepalen. Hierbij moet rekening worden gehouden met de locatie van de brand, de afmetingen van de compartimenten, de afmetingen en locatie van openingen, de aanwezigheid van een brandbestrijdingssysteem en met tem - peratuurafhankelijke eigenschappen van de materialen. Meer specifiek moet de onomkeer- baarheid van thermische eigenschappen worden meegenomen om het thermische gedrag tijdens de afkoelingsfase te kunnen vastleggen. De analyse moet de thermische randvoorwaarde in alle oppervlakken om - vatten. Meestal is hiervoor een 1D- of 2D- thermische analyse voldoende, wat meestal wordt gedaan door middel van eindige- elementenanalyse. Stap VI: Mechanische respons? Vervolgens moet de mechanische respons worden be- paald, rekening houdend met de tempe- 6 6 Verschillende temperatuur-tijd-relaties EERDER IN CEMENT In Cement wordt regelmatig over brandwerendheid gepubliceerd. In 2009 verscheen zelfs een heel themanummer: Brandwerendheid onderzocht (Cement 2009/7), met onder andere aandacht voor Fire Safety Engineering (het toepassen van een brandfysisch model in een probabilistische benadering). Noemenswaardig is ook het artikel 'Performance based fire enginee- ring' uit 2017. Alle artikelen over brandwerend- heid zijn online gebundeld. CEMENT 6 2024 ?35 ratuurverdeling verkregen in de vorige stap, en de mechanische belastingen. Deze res- pons moet rekening houden met de effecten van brand en temperatuur op de mechani - sche materiaaleigenschappen onder ver- schillende temperaturen, zoals thermische uitzetting, sterkte en stijfheid. Ook moeten typen constructieve elementen, geometrie van de elementen, verbindingen en rand - voorwaarden en aanwezige reservecapaciteit in de gehele constructie worden beschouwd. Deze analyse moet inzicht geven in het draagvermogen en de stabiliteit van de constructie tijdens de gehele duur van de brand (verwarmings- en afkoelingsfasen). Daarom moet rekening worden gehouden met de temperatuurafhankelijkheid van de materiaaleigenschappen en de onomkeer- baarheid tijdens de afkoelingsfase. Zowel de thermische als de mechani - sche responsanalyse moet worden uitge- voerd totdat de constructie weer volledig is afgekoeld. De belangrijkste reden hiervoor zijn de verdere degradatieprocessen die kunnen optreden, zoals verdere afname van de sterkte of onomkeerbaarheid van tijdelijke kruipspanningen. Er worden globaal twee methoden ge- bruikt voor de analyse van de mechanische respons: een doorsnedeberekening en een geavanceerde niet-lineaire eindige elemen - tenberekening. In een bijlage van het bulle- tin worden richtlijnen gegeven over hoe deze geavanceerde berekeningen kunnen worden toegepast. Het kiezen van de juiste methode is cruciaal en vereist kennis van de mogelijk - heden en beperkingen van de methode. Eenvoudige spreadsheetberekeningen, zoals die zijn ontwikkeld op basis van de vloeilij- nentheorie, kunnen ontoereikend zijn bij onregelmatige vloervormen of lokale bran - den. En sommige eindige-elementenanalyse- programma's kunnen onomkeerbare schade beter in rekening brengen dan andere. Stap VII: Vergelijking doelstellingen? Nadat de thermische en mechanische respons is FIB BULLETIN 108 fib bulletin 108 'Performance- based fire design of concrete structures' (mei 2023, 115 p.) is geschreven door fib Working Group 2.3.2 'Performance- based fire design'. Het bulletin is, zowel in pdf als in print, te koop op de website van fib: 8 7 Verdeling temperatuur en spanning in gewapend betonnen ligger, aan drie zijden onderworpen aan brand. Bron: fib Bulletin 108. 8 Brandwerende bespuiting stalen liggers in The Ribbon, Sydney Australië. Middels prestatiegericht SFE is aangetoond dat de secondaire liggers geen brandwerende bescherming nodig hebben fib Bulletin 108 7 36? CEMENT 6 2024 bepaald voor alle overwogen brandscenario's, worden de beoordelingsresultaten vergele- ken met de prestatiecriteria. Deze criteria hebben meestal betrekking op het borgen van de stabiliteit van de constructie gedu - rende een vooraf bepaalde periode tijdens een brand, inclusief een periode na afkoe- ling. Aanvullend criterium kan bijvoorbeeld zijn het beperken van vervorming om scheuren in beton te voorkomen. Als aan de branddoelstellingen is vol - daan, kan het ontwerp verder worden gedo- cumenteerd en geïmplementeerd. Als het ontwerp niet voldoet, moet het worden aan - gepast (terug naar stap III). Een andere mogelijkheid is een heroverweging van de functionele eisen. Stap VIII: Documentatie? Als laatste stap volgt de documentatie van het gehele ont- werpproces. Het bulletin bevat een para - graaf met de aanbevolen documentatie voor prestatiegericht constructief brandontwerp voor betonnen gebouwen. Deze documenta - tie die aannames, beperkingen, prestatie- criteria en beoordelingsresultaten omvat, is belangrijk voor het verkrijgen van goedkeu - ring en dient als documentatie voor mogelij - ke toekomstige wijzigingen aan het gebouw. Details van indieningsvereisten kunnen ver - schillen, afhankelijk van de lokale bouwtoe - zicht, echter de informatie die moet worden verstrekt is in principe vergelijkbaar. Probabilistisch ontwerp Het bulletin anticipeert op toekomstige trends in prestatiegericht constructief brand ontwerp, waarbij een probabilistische benadering wordt geïntegreerd. Deze ont- wikkeling is het gevolg van de vooruitgang in rekencapaciteit van computers, die het mogelijk maakt om een veelheid aan simu - laties uit te voeren binnen een haalbaar tijdsbestek. Bij probabilistisch ontwerpen wordt rekening gehouden met de waarschijnlijk - heid van gebeurtenissen, waardoor de mo- gelijke gevolgen kunnen worden beoordeeld met behulp van uitgebreide computersimu - laties. Deze benadering maakt verdere opti - malisatie van brandbeveiligingsstrategieën mogelijk. Het bulletin gaat in op de imple- mentatie van deze benadering en geeft in - zichten in de beoogde uitvoering. Nuttige richtlijn Het bulletin dient als een uitgebreide intro- ductie tot prestatiegericht constructief brandontwerp. Hoewel het gericht is op betonconstructies, kan het concept ook worden toegepast op andere typen con - structies, zoals beton-staalbetonconstruc- ties of zelfs houtconstructies. Het bulletin is geschreven door een groep experts op dit gebied en geeft de state-of-the-art weer in de kennis van constructief brandont- werp. Het is een nuttige richtlijn voor ontwerpers, ongeacht de mate waarin ze bekend zijn met prestatiegericht construc- tief brandontwerp. Een nadeel is dat het document toepassingsvoorbeelden mist die de lezer verder zouden helpen bij het implementeren van de aanbevelingen. Toch zal het document zeker hulp bieden bij de toepassing van de prestatiegerichte benadering. 9 9 Simulatie van de vervormingen van de betonconstructie van een parkeergarage onderhevig aan een autobrand door SFE-modellering LITERATUUR 1?fib Bulletin No. 38: Fire design of concrete structures - materials, structures and modelling, 2007. 2?fib Bulletin No. 46: Fire design of concrete structures - structural behavior and assessment, 2008. CEMENT 6 2024 ?37