EXAMENSARBETE
Brand i höga byggnader med glasfasad
Lisa Broberg Rebecka Forsberg
Brandingenjörsexamen Brandingenjör
Luleå tekniska universitet
Institutionen för Samhällsbyggnad och naturresurser
Examensarbete
Brand i höga byggnader med glasfasad Fire in high-rise buildings with glass facades Luleå Tekniska Universitet
Lisa Broberg Rebecka Forsberg Luleå, 2010-12-14
Tyréns; John Hultquist och Henrik Braatz
Handledare; Lars Bernspång Institutionen för samhällsbyggnad Luleå Tekniska Universitet
i
Förord
Denna rapport är resultatet av ett examensarbete, som är en avslutande del i
brandingenjörsutbildningen vid Luleå tekniska universitet. Examensarbetet har gjorts för konsultföretaget Tyréns i Stockholm under sommaren 2010.
Vi vill rikta ett stort tack till våra handledare John Hultquist och Henrik Braatz på Tyréns. Vi vill även passa på att tacka Anders Rosqvist för hans hjälp under arbetets gång.
Ett stort tack till vår handledare och examinator på LTU, Lars Bernspång för goda råd och bra stöd under rapportskrivandet.
Tills sist vill vi tacka alla de personer som har hjälpt oss i vårt arbete genom att svara på frågor, bistå med material och läst igenom våra texter.
Lisa Broberg och Rebecka Forsberg Luleå, oktober 2010
Abstract
Today’s modern society strives to build higher and more complex buildings due to the constant increase of urban population. Several high and complex buildings have been constructed during the last decades in various parts of the world. However, this trend is relatively new and unexplored in Sweden. Another architectural trend in the construction industry is to create large window areas. The latest development of glass façade systems has made this request possible. The two most famous examples regarding these trends in Sweden are Kista Science Tower in Stockholm and Turning Torso in Malmö.
The trend and technique to build high-rise buildings with alternative façade material, like glass, is rapidly implemented in Sweden. The lack of regulations, requirements and testing regarding the combination of these trends are consequences that follow the fast development.
The requirements of today regarding fire safety design, only demand performance based design for buildings higher than sixteen floors. The Eurocode is another legislation, which contributes to more detailed guidelines regarding performance based design, and will shortly be implemented in all the affiliated countries in the European Union. Therefore a mix of current legislation and the Eurocode will be used in this thesis.
This report theoretically examines how the fire develops when the exterior walls consisting of glass in an enclosed room breaks, when the room is located in the higher parts of a high rise building. The intensity of the fire tends to depend on the size of the opening. To illustrate the development of the temperature in the room, a comparison will be made with the curve for the standardized fire, ISO 834. Some of the temperature-time curves will be investigated further, to see how the increase in temperature affects the concrete and its strength. Furthermore, the radiation to the opposite façade wall is considered by using the calculated flame temperature and FireWind.
To conclude the results, the temperature time-curves are highly affected by the size of the opening. In comparison with the ISO 834-curve, all of the scenarios with openings larger than 2,6x2,5 m2 resulted in more rapid and higher temperature developments. SAFIR showed that the curves, which exceeded the ISO 834 curve, had a large impact on the strength of the concrete at 20-30 millimetres depth. It is therefore necessary to have this in mind when deciding the thickness of the coating for the reinforced concrete. To ensure the resistance of the building’s framework, the time limit should be greater than 90 minutes, since most of the fire scenarios lasted up to 100-160 minutes.
The likelihood of fire spread due to radiation is very high according to the results from FireWind. All cases, except one, exceed the recommended radiation level. It is therefore important that the entire glass façade system meets the required integrity and isolation to decrease the likelihood of fire spread, both within and between the compartments in the
iii
Sammanfattning
Dagens moderna samhälle strävar efter att bygga högre och alltmer komplexa byggnader.
Denna trend är relativt ny i Sverige, och det är med flaggskepp som Kista Science Tower i Stockholm och Turning Torso i Malmö som bristen på krav i byggnadsreglerna har upptäckts.
I Sverige är det idag Boverkets Byggregler (BBR) som reglerar vilka regler och krav som ställs på brandskyddets dimensionering och utformning. Ett gemensamt regelverk, Eurokod, för medlemsländerna i den Europeiska Unionen har blivit introducerat, och övergången från BBR till Eurokod kommer ske under 2010/2011. På grund av detta har denna rapport kombinerat aktuella föreskrifter, allmänna råd och rekommendationer ur BBR med olika beräkningsmodeller som presenteras i Eurokoden.
Sverige är ett land vars stadsbild är relativt låg, därav är fenomenet höga byggnader,
framförallt rörande bostäder, ett relativt nytt begrepp. Kraven inom byggande är idag endast väldefinierade för byggnader upp till 16 våningar, därefter finns inga tydliga krav och riktlinjer för högre byggnader. I samband med utvecklingen av nya material och dess användningsområden, såsom glasfasad och högpresterande betong, har möjligheterna inom byggandet och dess utformning ökat explosionsartat. En följd av detta är att det förekommer stora variationer gällande brandskyddets dimensionering och utformning i varje nytt projekt som involverar en hög byggnad. Förutom höjden bidrar även bland annat materialval i ytterväggar till att nya utmaningar gällande byggnadens brandskydd uppstår.
Rapporten undersöker teoretiskt vad som händer med en brand i ett rum när två ytterväggar bestående av glas går sönder, då rummet är lokaliserat i de övre delarna av en hög byggnad.
För att illustrera temperaturutvecklingarna i rummet kommer en jämförelse göras mot standardbrand, ISO 834. Datorprogrammet SAFIR tillämpas därefter på intressanta
temperatur-tidkurvor för att undersöka hur temperaturökningen påverkar betongen och dess hållfasthet. Dessutom undersöks strålningsmängden på den motstående fasaden beräknade med hjälp av flamtemperaturen och datorprogrammet FireWind.
Brandens intensitet är starkt beroende av öppningens storlek, vilket tydligt gestaltas i de framtagna temperatur-tidkurvorna. I jämförelsen med ISO 834, i de fall öppningen överstiger 2,6x2,5 m2, visar dessa att högre maxtemperaturer uppnås snabbare och att brandutvecklingen även den är snabbare. I de fall som kurvorna översteg standardbrandkurvan undersöktes dessa närmare i SAFIR. Resultatet visar att betongen påverkas avsevärt till ett djup av 20-30
millimeter. Detta är viktigt att ha i åtanke vid bedömningar av tjocklek för den armerade betongens täckskikt. För att garantera konstruktionens bärförmåga vid brand bör tidskravet vara högre än 90 minuter då merparten av brandförloppen varar mellan 100-160 minuter.
Strålningsberäkningarna gjordes med hjälp av flamtemperaturen och FireWind och visar att strålningsnivåerna är alltför höga i alla fall utom ett, i enlighet med vad som står föreskrivet i BBR. Det är därmed viktigt att hela glasfasaden, både glas och profilsystem, uppfyller de integritets- och isoleringskrav som ställs för att förhindra spridning av branden inom och mellan brandceller i byggnaden.
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
1.1. Bakgrund ... 1
1.2. Syfte och mål ... 1
1.3. Disposition ... 2
1.4. Validitet och realitet ... 2
1.5. Avgränsningar ... 3
2. Definitioner ... 4
2.1. Beteckningar och definitioner ... 4
2.2. Symbol‐ och teckenförklaring ... 5
2.3. Lagar och förkortningar ... 7
3. Lagar och regler ... 8
3.1. Svensk lagstiftning ... 8
3.2. Eurokod ... 9
3.3. Krav och regler för höga byggnader ... 9
4. Höga byggnader ... 12
4.1. Definition av höga byggnader ... 12
4.1.1. Andra delar av världen ... 12
4.1.2. Sverige ... 12
4.2. Höga byggnader i Sverige ... 12
4.2.1. Turning Torso... 12
4.2.2. Kista Science Tower ... 13
5. Objektsbeskrivning ... 15
5.1. Materialval... 15
5.2. Problematik kring objektet ... 16
6. Teori ... 17
6.1. Brand och brandförlopp ... 17
6.2. Värme ... 19
6.2.1. Strålning ... 19
6.2.2. Konvektion ... 20
6.2.3. Konduktion ... 20
v
6.3.3. Glas ... 27
6.3.4. Glasfasad ... 29
6.3.5. Glas vid höga temperaturer ... 34
7. Metod ... 36
7.1. Beräkningsmodeller ... 36
7.1.1. Brandbelastning ... 36
7.1.2. Rumstemperatur ... 37
7.1.3. Flamhöjd ... 39
7.1.4. Flamtemperaturen ... 40
7.2. Datorprogram ... 41
7.2.1. SAFIR ... 41
7.2.2. FireWind ... 43
8. Resultat ... 45
8.1. Brandbelastning ... 45
8.2. Brandförlopp i brandrummet ... 45
8.2.1. Vägg 3 ... 46
8.2.2. Vägg 2 ... 51
8.3. Temperaturfördelning i betongen ... 56
8.3.1. Vägg 3 ... 57
8.3.2. Vägg 2 ... 60
8.4. Flamhöjd ... 62
8.5. Flamtemperatur ... 62
8.6. Strålningspåverkan ut från brandcellen ... 62
9. Analys ... 69
10. Diskussion ... 71
11. Slutsats ... 73
Referenser ... 74
Bilagor ... 76
1. Inledning
Rapporten ”Brand i höga byggnader med glasfasad” utgör examensarbete på
brandingenjörsprogrammet vid Luleå tekniska universitet. Arbetet har utförts i samarbete med avdelningen Brand & Risk på Tyréns i Stockholm, under sommaren 2010. Målgruppen för denna rapport är personer som antas ha grundläggande kunskap inom områdena brand och byggkonstruktion.
1.1. Bakgrund
Städerna runt om i världen har över de senaste decennierna vuxit mer och mer på höjden.
Tendenser till detta fenomen kan även konstateras i Sverige då närmare 85 % av befolkningen idag bor i tätorter1. Under 1800-talet då Sverige klassades som ett jordbrukssamhälle bodde endast 7 % i tätorter. Denna andel har stigit betydligt genom åren och 2005 bodde 84 % av Sveriges befolkning i tätorter på en yta som motsvarar 1,3 % av den totala landarealen.
Invånarna i Stockholm bor tätast i landet med 2554 invånare/km2. Med detta och ökande markpriser i åtanke är det inte svårt att förstå behovet av byggnader som rymmer mer människor men på en mindre markyta. [1]
I och med utvecklingen av olika byggmaterial har möjligheten att bygga på höjden blivit ett tillämpat koncept i storstäderna. Turning Torso i Malmö och Kista Science Tower i
Stockholm kan ses som tydliga exempel på denna utveckling. Trenden att använda stora glaspartier i konstruktionen kan tydligt ses under det senaste decenniet. Arkitekter väljer alltmer att inkludera stora glaspartier i fasaden för att öka bostadens attraktionsvärde.
Resultatet av olika trender, i kombination med den snabba utvecklingen inom byggbranschen, har lett till att bland annat lag- och regelverk, gällande brandskyddet i bostäder, inte hunnit anpassas. Övergången från Boverkets Byggregler till den europeiskt anpassade Eurokod medför att nya beräkningsmetoder implementeras i den svenska byggbranschen. Detta har lett till nya möjligheter och riktlinjer i att analysera byggkonstruktioners beteende vid
brandpåverkan. Då området är relativt outforskat i Sverige finns det idag ett behov av att undersöka hur denna typ av byggnader påverkas vid brand.
1.2. Syfte och mål
Syftet med rapporten är att utreda samt analysera;
‐ Utvecklingen och varaktigheten hos ett brandförlopp, samt hur det påverkas beroende på rummets fönsterarea
‐ Hur omgivande betongkonstruktion påverkas av de framtagna brandförloppen
‐ Flamspridningen längs med fasaden samt strålningspåverkan på kringliggande fasad Målet med rapporten är att klargöra hur dimensionering av höga byggnader med glasfasad
2
1.3. Disposition
Rapporten inleds med en beskrivning av problematiken och situationen rörande höga byggnader idag. I bakgrundsdelen presenteras de svenska lagar, regler och krav som främst berör byggnader över 16 våningar. I den inledande delen presenteras även olika länders, inklusive Sveriges, definition av en hög byggnad, samt två svenska exempel, Turning Torso och Kista Science Tower.
Efter den grundläggande bakgrundsdelen beskrivs objektet som denna rapport utgår ifrån.
Brandcellen samt rummets uppbyggnad presenteras geometriskt och materialmässigt för att skapa en tydlig bild av utgångspunkten. Därefter presenteras rapportens teoridel som behandlar brandförlopp, värmetransport samt de två materialen betong och glas. Betongens och glasets beteende vid höga temperaturer behandlas mer separat i de olika materialavsnitten.
I detta avsnitt presenteras även glasfasaden och dess funktion.
I metodavsnittet presenteras de beräkningsmetoder som använts för att beräkna
brandbelastningen, rumstemperaturen, flamhöjden samt flamtemperaturen. I samma avsnitt presenteras även de två datorprogrammen, SAFIR och FireWind.
Resultatet är uppdelat på liknande sätt som metoden för att skapa en förståelig följd av beräkningarna. Avsnittet innehåller resultat av beräkningarna som baserats på metoderna gällande brandbelastning, rumstemperatur, flamhöjd och flamtemperatur.
Rumstemperaturberäkningarna genererade en mängd temperatur-tidförlopp där vissa används för beräkningar i SAFIR, på temperaturfördelningen i betongen. Flamhöjden och
flamtemperaturen beräknades för att användas i FireWinds strålningsberäkningar.
Bakgrunden, teorin, metoderna samt resultatet kopplas samman och analyseras samt diskuteras i analysen, diskussionen och den avslutande slutsatsen. I bilagorna finns alla beräkningar redovisade och samtliga resultat för rumstemperatur-, SAFIR- samt
strålningsberäkningarna.
1.4. Validitet och realitet
Beräkningarna rörande temperatur-tidförloppet i rummet har gjorts grundligt och detaljerat, då dessa anses viktigast för att uppnå syftet med rapporten. Resterande beräkningar med
koppling till temperatur-tidförloppen har grundats på de resultat som ansetts vara av väsentlig betydelse.
De beräkningsmodeller som inkluderas i rapporten är baserade på de erkända ekvationer som används av brandingenjörer i Sverige vid analytisk dimensionering. Viktigt att poängtera är dock att resultatet av beräkningarna inte går att jämföra med verkliga scenarion då ett brandförlopp är betydligt mer komplext än vad som kan beräknas teoretiskt.
1.5. Avgränsningar
Endast svenska lagar, regler och förordningar kommer att tillämpas i samband med riktlinjer som presenterar i Eurokod, eftersom byggnaden avses att uppföras i Sverige.
Byggnaden befinner sig i dagsläget endast på projekteringsstadiet, vilket medför att följande avgränsningar gällande byggnaden kommer att tillämpas;
‐ Stommen antas bestå av standardbetong och fasadkonstruktionen består av ett system som liknar ett helglasfasad system
‐ Byggnaden har för avsikt att vara högre än 16 våningar, vilket medför att analytisk dimensionering krävs enligt BBR
‐ Varje enskild lägenhet antas vara en egen brandcell och branden antas ske i ett slutet rum inom brandcellen efter att byggnaden är färdigställd
‐ Rummet består av två ytterväggar med glasfasad, en bärande betongvägg och en EI60 klassad gipsvägg.
‐ Byggnaden anses vara ämnad för boende
Inga beräkningar gällande hur branden påverkas av vindförhållandena på denna höjd kommer att genomföras, men effekterna kommer att kommenteras i diskussionen. Samma resonemang gäller även för den horisontella brandspridningen, som endast förutsätts ske inom den egna brandcellen.
Rapporten kommer inte att beakta direkt påverkan av aktiva eller passiva
brandskyddsåtgärder, såsom sprinkler eller brandskyddsklassad färg, i beräkningarna. De boendes personsäkerhet vid brand kommer endast att diskuteras. Detsamma gäller
problematiken kring räddningstjänstens insats och kapacitet vid brand i höga byggnader.
4
2. Definitioner
Detta avsnitt har för avseende att ge ökad förståelse till ord, beteckningar, symboler och förkortningar som förekommer i rapporten.
2.1. Beteckningar och definitioner
Brandbelastning – den potentiella utvecklingen av värmeenergi per golvarea som bildas under ett fullständigt brandförlopp. [MJ/m2]
Brandcell – en avgränsad del i byggnaden som är omsluten av avskiljande byggnadsdelar, vilka har som uppgift att inom ett specifikt tidsintervall förhindra spridning av branden utanför brandcellen.
Brandenergi – den potentiella utvecklingen av värmeenergi under ett fullständigt brandförlopp inom ett definierat område. [MJ]
Brandrummet – specifikt utrymme i brandcellen där branden äger rum.
Bandscenario – en kvalitativ beskrivning av hur brandförloppet utvecklas med tiden inom ett specifikt utrymme och påverkas av dess omgivning.
Brandvägg- en avskiljande del som skiljer två utrymmen, och är dimensionerad för brandmotstånd, mekanisk påverkan och stabilitet, vars uppgift är att förhindra spridning av branden.
Bärförmåga – betecknas R, och anger ett bärverks eller en konstruktionsdels förmåga att vid brand motstå angivna laster, enligt definierade kriterier.
Flamhöjd – den höjd som toppen av flamman beräknas nå över öppningens ovansida.
Fullt utvecklad brand – tillstånd då samtliga brandgaser inom brandrummet brinner.
Integritet – betecknas E, och anger förmågan hos en avskiljande byggnadsdel att förhindra spridning av flammor och brandgaser.
Isolering – betecknas I, och anger förmågan hos en avskiljande byggnadsdel att förhindra spridning av temperatur.
Parametrisk brandkurva – parameterberoende temperatur-tidförlopp, en modell som beskriver hela brandförloppet utifrån de fysiska parametrar som definierar förhållandena i brandrummet eller brandcellen.
Standardbrandkurva – ett nominell temperatur-tidförlopp, en modell som beskriver ett fullt utvecklat brandförlopp inom en brandcell utan avsvalningsfas, exempel är ISO 834.
Värmeutveckling – den energi som frigörs från en brännbar produkt som en funktion av tiden.
Öppningsfaktor – faktor som beskriver utrymmets ventilationsgrad, och beror av
öppningarnas area och höjd i brandcellsväggarna samt utrymmets totala omslutningsarea.
Övertändning – allt material inom brandrummet antänds samtidigt.
2.2. Symbol- och teckenförklaring α Värmediffusivitet [m2/s]
β Värmeutvidgningskoefficient [°C-1] Emissivitetsfaktor [enhetslös]
Stephan Boltzmanns konstant [W/m2K4] λ Värmeledningstal [W/m·K]
Rummets temperatur [°C]
Ytans temperatur [°C]
Infallande temperatur [°C]
Gastemperatur i rummet [°C]
Maximal gastemperatur [°C]
Densitet [kg/m3] Gasdensitet [kg/m3]
Tidsfaktor, som en funktion av öppningsfaktorn, , och den termiska trögheten, Tidsfaktor, som en funktion av öppningsfaktorn, och den termiska trögheten, Varaktighet för fri brand [s]
Total omslutningsarea [m2] Golvarea [m2]
6 Specifik värmekapacitet [J/kg·K]
Brandcellens djup [m]
konvektionskoefficient [W/m2K]
Viktat medelvärde för höjden på de vertikala öppningarna i väggen [m]
Flamlängd längs dess centrumlinje [m]
Flamhöjd (räknat från fönstrets ovansida) [m]
O Öppningsfaktor [m½]
O Reducerad öppningsfaktor vid bränslekontrollerad brand
" Strålningens energiflöde [J/m2]
" Konvektionens energiflöde [J/m2]
" Värmekonduktionens energiflöde [J/m2]
", Total brandbelastning per ytenhet golvarea [MJ/m2]
" Brandbelastning per kvadratmeter golvarea [MJ/m2]
" Permanent brandenergi [MJ/m2]
" Variabel brandenergi [MJ/m2]
, Dimensionerad brandbelastningsintensitet per ytenhet av golvarean [MJ/m2] Värmeutveckling från branden [MW]
Värmeutveckling då branden är bränslekontrollerad [MW]
Värmeutveckling då branden är ventilationskontrollerad [MW]
Ett skikts tjocklek [m]
Tjockleksgräns [m]
Tid [s]
Tid till maximal temperatur [s]
Tid till maximal temperatur då branden är bränslekontrollerad [s]
∗ Dimensionerad tid [s]
∗ Dimensionerad tid till maximal temperatur [s]
Flamtemperatur vid fönstret [K]
Begynnelsetemperatur [K]
Bredd på vägg som innehåller fönster [m]
Summan av bredden på alla fönster i alla väggar [m]
2.3. Lagar och förkortningar
BBR – Boverkets Byggregler (BFS 1993:57). Boverket, Karlskrona.
BKR – Boverkets Konstruktionsregler (BFS 1993:58). Boverket, Karlskrona.
BVF – Byggnadsverksförordningen (SFS 1994:1215). Miljödepartementet, Stockholm.
BVL – Byggnadsverkslagen (SFS 1994:847). Miljödepartementet, Stockholm.
EKS – Europeiska konstruktionsstandarden EU – Europeiska Unionen
ISO –International Organization for Standardization
PBL – Plan- och bygglagen (SFS 1987:10). Miljödepartementet, Stockholm.
8
3. Lagar och regler
I Sverige kan nationella regler idag tillämpas parallellt med Eurokoden, vid projektering och uppförande av nya byggnader. En övergång från dagens konstruktionsregler till Eurokod kommer ske vid årsskiftet 2010/2011. Denna rapport utgår därför främst från Boverkets Byggregler, men utvalda delar av Eurokoden tillämpas för beräkningar.
3.1. Svensk lagstiftning
Plan- och bygglagen (PBL) är den lag som reglerar byggandet och den fysiska planeringen2 i Sverige. Enligt PBL är det kommunerna som ansvarar för bland annat upprättandet av
översiktsplaner, vilka är en del av planeringsstadiet i den fysiska planeringen. Översiktsplaner ger en kartläggning över de risker som finns i kommunen, i syfte att planera hur mark- och vattenområden ska användas. I översiktsplanen ska hänsyn tas till faktorer som miljön, risker samt utvecklingen och bevarandet av byggnader. [2]
I samband med revideringen av PBL 1995, ändrades den svenska lagstiftningen beträffande byggande. Revideringen medförde att de tekniska egenskapskraven i PBL fördes över till den nya lagen, Byggnadsverkslagen (BVL) och dess förordning om tekniska egenskapskrav på byggnadsverk (BVF). Förändringen gjordes för att anpassa reglerna till EU:s byggdirektiv, förtydliga ansvarsreglerna samt göra reglerna mer logiska och lättförståeliga för användaren.
[3]
Dagens byggregler ställer krav på funktion, vilket utesluter tillvägagångssätt och enbart beskriver vad som ska uppnås. Detta är en stor skillnad jämfört med den tidigare
lagstiftningen och har skapat utrymme för innovation och nya tekniska lösningar. [4]
Byggnadsverkslagen behandlar bland annat de tekniska egenskaperna på byggnadsverk, där nio krav anses vara väsentliga gällande underhåll och verksamhet. Dessa krav har lagt
grunden för Boverkets Byggregler (BBR) och Boverkets Konstruktionsregler (BKR). Krav 1, 2 och 4 under § 2 i BVL berör konstruktionens bärförmåga, säkerhet vid brand och
användningen av byggnaden.
Några av kraven gällande brand, specificeras i BVF § 4 och utvecklas i BBR avsnitt 5. I BVF
§ 4 anges att ”Byggnadsverk skall vara projekterade och utfärda på sådant sätt att;
1. byggnadsverkets bärförmåga vid brand kan antas bestå under en bestämd tid.
2. utveckling och spridning av brand och rök inom byggnadsverket begränsas.
3. spridning av brand till närliggande byggnadsverk begränsas.”
Den svenska lagstiftningen kan med sina funktionskrav ses som otydlig och svårtolkad. Med vaga, tolkningsbara formulering som ”… spridning av brand… begränsas” eller ”… kan antas bestå…”, ställs inga konkreta krav på vad som anses var en godtagbar lösning. De otydliga
2 Definition av fysisk planering hänvisas till ”Riskhantering i ett samhällsperspektiv” utgiven av Räddningsverket, ISBN 91‐88891‐22‐4
och svårtolkade funktionskraven hamnar därför i konflikt med de tydliga verifieringskrav som finns gällande dimensionering av bärförmåga och brandskydd.
Funktionskraven skapar utrymme att undersöka nya lösningsmetoder, jämfört med de som tidigare använts för att uppfylla en skälig säkerhetsnivå. Vid projektering av brandskydd finns viss vägledning att tillgå i form av två dimensioneringsmetoder, förenklad och analytisk dimensionering. Vid förenklad dimensionering används tabeller i BBR och den branschpraxis som finns, detta appliceras på byggnader där brand inte beräknas medföra en mycket stor risk för personskada. För brandskyddsprojekteringar av mer komplexa objekt, som exempelvis höga byggnader eller byggnader där ett mycket stort antal personer vistas, används i enlighet med BBR 5:13 alltid analytisk dimensionering, eller en kombination av de båda metoderna.
Därmed krävs analytisk dimensionering och en kompletterande riskanalys vid brandskyddsprojekteringen för byggnader med fler än 16 våningar. [4]
3.2. Eurokod
I Europeiska unionen (EU) har medlemsländerna länge eftersträvat gemensamma regler gällande konstruktionsprodukter och ingenjörstjänster. Arbetet med Eurokoderna påbörjades i mitten av 70-talet, på uppdrag av EG-kommissionen och European Free Trade Association (EFTA). Utvecklingen inom EU har medfört att European Committee of Standardization (CEN) har övertagit arbetet rörande Eurokoderna. [5]
Målet med Eurokoderna är att de ska underlätta den fria handeln av varor och tjänster, genom att ersätta de olika medlemsländernas nationella konstruktionsregler [5]. De ska fungera som gemensamma standarder i Europa, genom att innehålla beräkningsregler vid dimensionering av bärverk för byggnader och anläggningar samt för förtillverkade bygg- och
anläggningsprodukter. I Sverige ansvarar Swedish Standard Institute (SIS) för översättningen av Eurokoderna och är CENs svenska motsvarighet. SIS kompletterar standarderna med en nationell bilaga som redogör de specifika nationella krav som gäller i Sverige. [5]
De standarder som främst berörs i detta arbete är följande;
‐ Laster kopplade till brand (SS-EN 1991-1-2),
‐ Brandteknisk dimensionering i betongkonstruktioner (SS-EN 1992-1-2).
Eurokoderna kommer under 2010 implementeras successivt i den svenska lagstiftelsen genom Boverkets revidering av BBR samt föreskriften Europeiska konstruktionsstandarder (EKS).
Arbetet beräknas vara klart vid årsskiftet 2010/2011, vilket medför att BKR kommer upphöra att gälla. [6]
10
Byggnader delas generellt in i tre brandklasser; Br1, Br2 och Br3. Klassningen är beroende av verksamhet, utformning och risken för personskador. Alla byggnader avsedda för boende, med tre våningar eller fler, klassas som Br1, den högsta brandklassen [4]. De tre
brandklasserna innebär olika krav på ytskikt och beklädnaden av väggar, golv, tak och så vidare. Exempel på material som uppfyller de krav som ställs för de olika brandklasserna finns tabellerade i underavsnitten 5:511 och 5:512 i BBR. [4]
I BBR avsnitt 5:63 ställs krav på fasad- och fönstermaterial, vilka vid brand inte får försvåra utrymning, släckning eller bidra till stor risk för personskador. I underavsnittet 5:631 fastslås att ytterväggarna ska utformas så att brandspridning via fönster begränsas, och att väggen vid brand inte riskerar att falla ned. [4] Gällande risken för spridning av branden mellan
byggnader regleras avstånd och acceptansnivåer i avsnittet 5:72 i BBR. I det allmänna rådet rekommenderas det även att strålningsnivåerna bör understiga 15 kW/m2 i minst 30 minuter, för att strålningen ska anses försvårad.
De krav som finns i BBR gällande höga byggnader refererar till alla byggnader som är över 8 våningar. Kraven gällande dessa byggnaders bärförmåga redovisas i Tabell 1.
Tabell 1: Utdrag från Tabell 5:821a, BBR; krav på bärförmåga gällande byggnader i klass Br1.
Byggnadsdel
Brandteknisk klass vid brandbelastning f (MJ/m2)
f≤200 f≤400 f>400
1.d) Vertikalt bärverk samt stomstabiliserande
horisontellt bärverk i byggnad med fler än 8 vån.
R90 R180 R240
2. Horisontellt ej
stomstabiliserande bärverk R60 R120 R240 3. Trapplopp och trapplan i
trapphus R30 R30 R30
Bärförmågan (R) i en konstruktion klassas med hjälp av ett tidskrav. Kraven är olika beroende på typ av byggnad, verksamhet och brandbelastning. Vid förenklad dimensionering anses R90 uppfylla de krav som finns för bostäder över 8 våningar. Då byggnadskonstruktioner blir alltmer komplicerade och frångår schablonen krävs analytisk dimensionering i allt fler fall.
Problemen som uppstår med höga byggnader är främst Räddningstjänstens tillgänglighet. Då Räddningstjänstens fordon inte når högre än 23-30 meter (8 våningar), medför detta en ökad risk för vertikal brandspridning eftersom brandförloppet inte kan bekämpas från utsidan.
Enligt det allmänna rådet i BBR 5:631 ska det vara ett vertikalt avstånd mellan fönster på 1,2
meter, såvida fönstren i det området inte är brandskyddsklassade i minst E15. Det har dock visats på att avståndet endast fungerar effektivt om byggnaden är lägre än 8 våningar och Räddningstjänsten har möjlighet att utföra utvändig släckning. [4]
I BKR 10:1 ställs följande krav på bärverkets förmåga vid brand; ”Bärverkets delar, inklusive upplag, fogar, förband och dylikt, ska utföras antingen så att kollaps inte inträffar…
- under en given tidsperiod enligt kraven på brandteknisk klass för byggnadsdelar i avsnitt 5:82 i BBR,
- under ett fullständigt brandförlopp, eller
- under del av ett fullständigt brandförlopp, se avsnitt 10:22, om det genom särskild utredning kan påvisas … att riskerna för räddningstjänstpersonalen och påverkan på omgivningen inte ökar.”
Svensk lagstiftning har som syfte att vid brandpåverkan eliminera risken för kollaps av byggnaden, under en föreskriven tid. Det är även en av de viktigaste delarna vid analytisk dimensionering.
12
4. Höga byggnader
4.1. Definition av höga byggnader
Internationellt finns det ingen generellt accepterad definition av hur hög en byggnad ska vara för att klassificeras som en hög byggnad. Varje land har sin egen definition, som i många fall är beroende av hur städernas stadsplanering i övrigt ser ut.
4.1.1. Andra delar av världen
I Hong Kong har de höga markkostnaderna resulterat i att den största delen av befolkningen bor i höghus. Baserat på Emma Lindstens rapport ”Säkerhet i höga byggnader” definieras ett höghus i Hong Kong som en byggnad högre än 30 meter. I USA har National Fire Protection Association (NFPA) definierat ett höghus som en byggnad som överstiger 25 meter och detsamma gäller enligt australiensisk bygglag. [7]
4.1.2. Sverige
I Sverige är en hög byggnad, enligt BBR, en byggnad som är över 16 våningar, eftersom det då ställs krav på tillvägagångssättet vid dimensionering. Definitionen kommer sig även av att då en byggnad är högre än 16 våningar ställs ytterligare krav på bärverket, brandskyddet och dylikt. Gällande bärverket och brandskyddet i Sverige finns det inga tabellerade värden för byggnader med fler än 16 våningar och därmed ställs det krav på analytisk dimensionering. I det här arbetet definieras en hög byggnad enligt den svenska definitionen, som en byggnad med fler än 16 våningar. [4]
4.2. Höga byggnader i Sverige
Under 2000-talet är det främst två höga byggnader som har satt Sverige på kartan, Turning Torso och Kista Science Tower. Uppmärksamheten kring dem internationellt är inte främst beroende av höjden, utan även deras utformning.
4.2.1. Turning Torso
Turning Torso, se Figur 1, är idag Sveriges högsta byggnad. Det är en 190 meter hög stål- och betongbyggnad med 54 våningar, inklusive mellanvåningarna. Nio kuber är placerade på varandra, där den översta kuben är vriden 90° i förhållande till den nedersta. [8]
Byggandet påbörjades 2001 och avslutades 2005. Verksamheten i Turning Torso är främst bostadslägenheter med gemensamma utrymmen såsom bastu, vinkällare och
övernattningsrum för gäster. Det finns även 2 våningar med konferenslokaler och de två nedersta kuberna (10 våningar) erbjuder 4 000 m2 kontorslokaler. [8]
Turning Torso har en kärna som kan liknas vid ett betongrör. Bjälklagen är formade som tårtbitar som utgör våningsplanen och utanpå byggnaden syns det jättelika bärverket i stål som är sammanbundet med stommen och bjälklaget. Fasaden består av aluminiumpaneler och vanliga glasfönster, där panelerna är böjda medan glasen är plana för att förstärka byggnadens vridning. [8]
Figur 1:
vridande kuberna.
Brandsk inkluder enda slu system brandsp är sektio mellan k en sekti kub till uppfylle Räddnin vertikal 4.2.
Kista Sc Science dessa är denna ra
Turning Tor e arkitektur o . [8] och [9]
kyddet och rar bland an ussen genom
som inte är pridning om
oneringen d kuberna är u ionering. På
en annan, v er de genere ngstjänsten brandsprid .2. Kista S cience Tow e Tower är e r 117 meter apport kom
rso sett under och på bilden
den brandte nnat; brandh m hela bygg beroende a m de aktiva s det dominera
utformad an å grund av d väldigt liten ella rekomm
inte kan nå dning inom e
Science To wer, se Figur
egentligen e med 34 vån mmer benäm
rifrån och frå n till höger ka
ekniska utru hiss, sprinkl gnaden, i öv av varandra.
systemen sk ande passiv nnorlunda jä dess utformn . Den vertik mendationer
högre än 8 en kub relat ower r 2, började ett komplex ningar (inkl nas Kista S
ån sidan. På b an mellanplan
ustningen i T ler, stigarled vrigt är varje . Separation kulle fallera va brandsky ämfört med ning är riske kala separat rna i BBR. P
våningar fö tivt stor. [10
byggas i Ki som består lusive teknik Science Tow
bilden till vän nen urskiljas
Turning Tor dningar med e kub en ege nen är ett pa
. Gällande d ddet för byg d de vanliga
en för vertik tionen mella
På grund av ör utvändig 0]
ista 2000 oc r av sex styc
kvåningarn wer. Om höj
nster syns tyd som separati
rso är omfa d mera. Bra en sektion m assivt system den vertikal
ggnaden. Te våningarna kal brandsp an fönstren p v byggnaden
släckning,
ch stod klar cken byggna
a), och är d den på ante
dligt byggnad ionen mellan
attande och andhissen är
med separat m som begrä
la brandspri eknikvåning a och utgör pridning, frå på 1,2 mete ns höjd och är risken fö
rt 2003. Kis ader. Den h den byggnad
ennen inklud
dens n
r den ta änsar idningen
garna därmed ån en
er att ör
ta högsta av
d som i deras
Kista Sc uppseen en kärna främst t med byg dubbels Inför up undersö Experim att säker Brandsk stålkons skikt. Fö fjärde v
Figur 2:
cience Tow ndeväckand a i betong o till för att ha
ggnadens sp skalfasad me ppförandet a öka vilken ty mentet geno
rställa att ve kyddets akti struktionen ör att förhin våning dels a
Kista Science
wer har en tri de glasbeklä
och ett stötta antera de vr peciella geo edan den lå av Kista Sci yp av glas s omfördes av ertikal bran iva system b
som sväller ndra brandg
avskiljande
e Tower, Stoc
iangulär for dda fasad, b ande stålfac ridande kraf ometriska fo
nga fasadvä ience Towe som skulle a v brandskydd ndspridning
består av sp r vid kontak gasspridning balkongpla
14 ckholm sett f
rm och har, blivit ett lan ckverk. De d fterna som u orm. Den sö äggen är i e er gjordes ex
användas i f dsprojektör via fasaden prinkler, bra kt med höga g i den dubb attor och de
från sidan och
mycket tac ndskapsmärk
diagonala st uppstår på g ödra och väs nkelglas. [1 xperiment m fasaden sam rerna och Fö n ej kan ske.
andhiss sam a temperatur belglasade g
ls separata v
h inifrån. [12
k vare dess ke för Kista tålbalkarna grund av vin
stra fasaden 11]
med olika fa mt hur den sk
örsvarets Fo . [14]
mt brandskyd rer och bild glasfasaden ventilations
2] och [13]
a. Byggnade i fackverke nden i komb n har en
asadglas, för kulle utform orskningsan
ddsfärg på dar ett skydd
finns det på ssystem. [14
en har et är
bination
r att mas.
nstalt för
dande å var 4]
5. O
Byggna projekte 140 met snöfling represen lägenhe Fokusen påverka 45e vån någon ö stängd u
5.1.
En följd byggnad finns att involver anges ru Ytterfas Glasfasa komplex
Objekts
aden som st eringen. Vis ter hög. Set ga. I Figur 3
nterar en fjä et uppföras s n i rapporten an inom ett r ningsplanet, öppen förbin under hela b
Figur
. Mater d av att bygg
dsfysikalisk t tillgå. Där ra ett fåtal m ummets dim saden antas
adens utform xa system s
beskrivn
tuderas i den sionen är att tt från ovan 3 visas ett tä ärdedel av h som egen br n kommer f rum i brand det vill säg ndelse till re brandförlop
r 3: Ritning ö
rialval gnaden befi ka dimensio rmed komm material, sam mensioner sa
enbart best mande anta ses ur ett me
ning
nna rapport t uppföra en
kan byggna änkbart förs hela vånings randcell.
främst att rik dcellen, vilk ga en höjd av
esterande de pet. Därmed
över brandce
inner sig på oneringsförs mer byggnad mt bestå av amt materia å av stora g as likna utfo er generellt
t befinns i d n byggnad r adens arkite slag på utfor splanet. Lik
ktas mot att ket visas i Fi av cirka 135 el av lägenh
d bortses de
ellen där rum
å ett tidigt st slag beträffa dens stomko en ytterst o alval.
glaspartier s ormandet av och förenkl
dagsläget en runt 50 våni ektoniska ut rmningen en kt allmänna
t studera bra igur 3. Läge meter. Väg heten, utan d
enna från sa
mmet är märk
tadium i byg ande teknisk onstruktion o okomplicera
amt omkrin v helglasfasa lat perspekt
nbart på ett t ingar hög, d tformning li n lägenhet i råd i BBR f
andförloppe enheten anta gg 4 i rumm
dörren antas amtliga berä
kt med en röd
ggprocessen ka lösningar
och ytterfas ad teknisk lö
ngliggande a ad, samt att tiv.
tidigt stadiu det vill säga iknas vid en i byggnaden förutsetts va
et och dess as vara belä met antas ej h
s sluta tät o äkningar.
d ring.
n, är att inga r och mater sad enbart a ösning. I Ta
aluminiump glasfasaden
um i a cirka
n n, den
arje
ägen på ha ch förbli
a ialval att antas
abell 2
profiler.
ns
16
Tabell 2: Beskrivning av dimensioner samt materialval för väggarna.
Material Specificering av material Dimensioner (bredd x höjd)
Vägg 1 Betong Standardbetong 13,5 x 2,5 m2 Vägg 2 Glas Stora glaspartier 5,3 x 2,5 m2 Vägg 3 Glas Stora glaspartier 13,5 x 2,5 m2 Vägg 4 Gips EI60-klassad gipsvägg 5,3 x 2,5 m2
Tak/golv Betong Standardbetong 71,55 m2 (total golv- /takarea)
5.2. Problematik kring objektet
I och med att byggnaden ej uppfyller de krav som anges i BBR för att schablonmässiga lösningar ska kunna tillämpas, måste en analytisk dimensionering genomföras. På grund av de stora glaspartierna i byggnadens utformning är det ej lämpligt att basera den analytiska dimensioneringen på standardbranden. Möjligheten till uppkomsten av stora öppningar i fasaden anses ha en väsentlig påverkan på brandförloppet och dess utveckling.
Byggnadens unika utformning medför höga krav gällande bland annat brandklassning av glasfasaden, då risken för både vertikal och horisontell brandspridning föreligger.
Utformningen möjliggör även att värmestrålning kan bidra till en snabbare brandspridning inom och mellan brandceller. Objektets höga placering ovan mark innebär att endast invändig släckning är möjlig.
Det schablonmässiga tidskravet gällande en byggnad över 8 våningar upplevs som icke tillämpbart på en byggnad av denna höjd. Att likställa en 10-vånings byggnad med
exempelvis en 40-våningars byggnad känns oresonabelt då konstruktionernas komplexitet ofta skiljer sig åt.
6. T
6.1.
En bran paramet paramet två kate
Figur 4:
ett rum.
Generel inledand branden fullt utv till syre anses br Enligt In
”the rap within a tillämpa eller fle
- b
T
Teori
. Brand nd är ett kom
trar; syre, b trar och kan egorier; de r
Generell bes
llt kan brand de fasen, äv n både i stor vecklad. Utv
, samspel m ränder vara nternationa pid transitio an enclosure as, inom bla era av följan brandgasern
Temperatur
Antändnin
Tillväxt
d och bran mplext fenom
ränsle och v n därför ske rörande brän
krivning av h
dförloppet i ven kallad ti rlek och i in vecklingsha med rummet bränslekon l Organizat on to a state e” [15]. Då and annat te nde kriterier na i rummet
g
Övertänd tfas
ndförlopp men som til värme. Bran
på en mäng nslet och de
hur temperat
i ett rum bes illväxtfasen ntensitet tills astigheten un
ts omgivnin ntrollerade u ion for Stan e of total sur detta är en emperatur oc r är uppfylld
t uppnår en
Fullt utve brand dning
p
ll största de ndutvecklin gd olika sät e rörande ru
turen variera
skrivas med n, påbörjas v s övertändn
nder den in ng samt typ under denna ndardization
rface involv relativt vag ch stålning.
da [15];
temperatur
cklad d
el beror på s ngen inom e t. Dessa par ummet.
ar med tiden u
d hjälp av en vid antändni ning sker och
ledande fas av bränsle o a fas.
n definieras vement in a f g beskrivnin
. Övertändn r på 500-600
Avsv
amverkan m tt rum påve rametrar kan
under ett nat
n fasmodell ing. Under d h branden ö en beror på och förbränn
övertändnin fire of comb ng, brukar o ning brukar a
0°C
valningsfas
mellan tre erkas av ett
n grovt dela
turligt brand
l, se Figur 4 denna fas ö övergår till a å brandens ti nning [15]. O
ing enligt fö bustible ma olika riktlinj antas inträf
Tid
flertal as in i
förlopp i
4. Den kar att vara
illgång Oftast
öljande aterial
er ffa då ett
d
18
I samband med att branden övergår till att vara fullt utvecklad, övergår den även till att vara ventilationskontrollerad. Det är inte ovanligt med en väldigt hög medeltemperatur på 700- 1200°C under denna fas [15].
I och med att bränslet i rummet reduceras, sjunker brandens effektutveckling och
gastemperatur. Detta innebär att den fullt utvecklade fasen övergår till avsvalningsfasen.
För att undersöka hur delar av konstruktionen och föremål i rummet påverkas under ett brandförlopp kan både nominella och/eller parametriska brandkurvor tillämpas. Nominella brandkurvor, även kallade standardbrandkurvor, kännetecknas främst av att de inte tar hänsyn till någon avsvalning under dess temperatur-tidförlopp. [15] Det finns dessutom olika
klassificeringssystem som är anpassade till de nominella brandkurvorna. ISO 834, även kallad standardbranden, se Figur 5, är den mest tillämpade nominella brandkurvan. Exempel på andra nominella brandkurvor är ”external fire curve” och ”hydrocarbon curve”, vilka är utgivna av CEN, men dessa tillämpas endast i specifika fall.
Figur 5: Gestaltning av standard temperatur-tidkurvan, ISO 834, enligt Tg=20+345log10(8t+1)
Parametriska brandförlopp, se Figur 4, även kallade naturliga brandförlopp, kännetecknas av att de tar hänsyn till temperaturtillväxt och avsvalning likt ett verkligt brandförlopp. Det finns idag ett flertal olika metoder som skildrar temperaturutvecklingen för ett naturligt
brandförlopp, där Magnusson och Thelanderssons brandkurvor samt Eurokod-metoden är två exempel. I denna rapport kommer enbart metoden som presenteras i Eurokod att användas.
0 200 400 600 800 1000 1200
0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatur [C°]
Tid [min]
ISO 834‐kurvan
ISO 834
6.2.
Värme ä Överför olika vä värmefö i enhete Det finn tempera dessa m förutsät vilket in Värmen kringlig annat på konstruk eftersom 6.2.
Strålnin i behov dess för absorbe dessa ut
. Värme är en form a ringen av vä ärmetranspo örlusten per en watt. Vär ns idag ett fl aturer som u modeller är a tter att medi nte skildrar n som bildas ggande kons å materialen ktionens yta m de beror a .1. Strålni ng är elektro av medverk rmåga att re erade och em
tgör även st e
av energi so ärmeenergi ortmekanism r tidsenhet k rmeflödestät flertal mode
uppstår i sam att de oftast ier och mate en korrekt b s av en bran struktion i ru ns värmeled
a bör bidrag av olika par ing
omagnetisk kan från någ eflektera, ab mitterande s trålningens v
Inkomma strålnin Ref
st
om överförs brukar, gen mer; strålnin kallas oftast theten besk ller för att a mband med
bygger på e erial antas v
bild av verk nd i ett rum ummet. Hur dningsförmå get från båd
ametrar. [15
energiöverf got medium bsorbera, tra strålningen s
våglängd en
ande ng flekterad
rålning
Emitterad strålning
s på grund a nom olika m
ng, ledning t värmeflöde kriver värme
analysera sa d värmetrans en förutsatt vara homoge kligheten.
överförs frä r denna sed åga. För att de strålninge
5]
föring, där ö m. Hur ett m
ansmittera o som påverk n påverkand
A
av temperatu medium och
och konvek e istället för eflödet geno amt beräkna sporten. Gem
energibalan ena och ha k
ämst genom dan påverkas bestämma d en och konv
överföringe material påve
och emittera kar temperat de faktor. [1
Absorberad strålning
Transm strå
urskillnader material, sä ktion. Den to r värmetran om en ytenh a värmeflöd
mensamt fö ns. Denna e konstanta m
m strålning o s av temper det totala vä vektionen be
n känneteck erkas av strå a, se Figur 6
turen i mate 15]
mitterad ålning
r i omgivnin ärskiljas som otala
nsport, och b het.
det och de ör merparten energibalans materialegen
och konvekt raturen bero ärmeflödet ehandlas sep
knas av att i ålning beror 6. Det är enb erialet. Utöv
ngen.
m tre beräknas
n av s
nskaper,
tion till or bland
vid parat,
inte vara r av bart den ver
20
Vid uppskattning av bidraget från enbart strålningens energiflöde tillämpas vanligtvis Ekv.1.
" (Ekv.1)
Ekvationen bygger främst på tillämpning av Plancks lag. Denna lag förutsätter att föremålen är svarta kroppar, det vill säga emitterar all strålning som absorberats. Då detta inte är tillämpbart i verkligheten tillämpas en emissivitetsfaktor ( ) mellan noll och ett, för ytmaterialet. För att ange hur stor andel av den emitterade strålningen som når fram till materialets yta tillämpas synfaktorer. Tillämpningen av detta visas i Ekv.2, där i betecknar den inkommande strålningen.
∑ (Ekv.2)
Värmestrålningen som genereras under ett brandförlopp bildas främst av branden och dess lågor samt det varma gaslagret. Strålningen från det varma gaslagret är främst riktad mot golvet och de delar av rummets väggar som befinner sig under det varma gaslagret. För ytterligare förståelse för hur strålningen påverkar under ett brandförlopp hänvisas till [15].
6.2.2. Konvektion
Konvektion kännetecknas av rörelsen hos gaser eller vätskor som orsakas av skillnader i densiteten. Vid en brand sätts luften i rummet i rörelse på grund av temperaturökningen. Detta medför att brandgaser och den uppvärmda luften stiger, det vill säga att ett varmt gaslager bildas i rummets övre del. Värmeflödet som uppstår genom konvektion beror främst av mediets rörelsehastighet och egenskaper. Värmetransporten som sker genom konvektion beskrivs generellt av Ekv.3, där h betecknar en konvektionskoefficient som tar hänsyn till mediets egenskaper och beteende. [15]
" (Ekv.3)
För ytterligare förståelse för hur konvektionen påverkar under ett brandförlopp hänvisas till [15].
6.2.3. Konduktion
Konduktion, även kallat värmeledning, kännetecknas av att värme leds genom materialet utan att materialet förflyttas. Temperaturen hos ett material är ett mått på hur pass oordnat
molekylerna i materialet rör sig. Ett materials förmåga att leda värme beror främst av dess värmeledningsförmåga (λ). Generellt tillämpas Ekv.4 för att uppskatta endimensionell värmeflödestäthet genom ett materialskikt.
" (Ekv.4)
Denna ekvation kan utvecklas vidare och tillämpas för mer exakta beräkningar rörande värmeledning genom finita element metoder. För ytterligare förståelse för denna vidareutveckling hänvisas till litteratur som berör området, exempelvis [16].
6.3. Byggnadsmaterial
Byggmaterialet som ingår i en byggnad kan grovt delas upp i två kategorier; stommaterial samt beklädnads- och beläggningsmaterial. Stommaterial har som uppgift att föra ner både horisontella och vertikala laster till grunden. I en byggnad sker detta genom ett samspel mellan tak, bjälklag, väggar och pelare. Hur pass lämpat ett material är att använda i en stomkonstruktion beror bland annat av följande egenskaper; hållfasthet,
deformationsegenskaper, volymbeständighet och beteende i samband med brand [17]. Några av de mest förekommande stommaterialen är betong, stål och trä.
Fasadmaterial tillhör kategorin beklädnads- och beläggningsmaterial [17]. Förutom att vara estetiskt tilltalande, bör fasaden även effektivt skydda mot yttre påverkan såsom väder och vind. Det finns idag en mängd olika fasadmaterial på marknaden, dessa kombineras oftast i olika fasadsystem. Glas är ett material som integreras allt mer i dagens byggnader och utgör ofta en betydelsefull del av byggnadens helhetsintryck. Att glas upptar en större del av fasadens totala yta blir allt vanligare och allt mer efterfrågat i olika typer av byggprojekt.
Hur ett material beter sig vid höga temperaturer är av väsentlig betydelse för att förstå hur en konstruktion kan komma att uppföra sig vid exempelvis en brand. Detta gäller då särskilt vid dimensionering av stomsystemet i en byggnad. Följande termiska egenskaper hos ett material är av stor betydelse för hur materialet beter sig under brandpåverkan.
Värmeledningsförmåga
Ett materials värmeledningsförmåga (λ), även kallat värmeledningstal, se Ekv. 4, beskriver hur bra energi leds genom materialet och är beroende av dess tjocklek och omgivande temperaturskillnad. Typiska värden för värmeledningsförmågan hos olika
konstruktionsmaterial visas i Tabell 3.
Tabell 3: Typiska värden för λ, hämtade ur [17] & [18]
Värmeledningstal [W/m·K]
Glas 0,76 Stål 45,8 Betong 0,8-1,4 Trä (16-18 % fukt) 0,35
Aluminium 210
Värmekapacitet
Ett materials specifika värmekapacitet (cp) beskriver dess förmåga att lagra värme samt den energimängd som behövs för att värma upp ett kilo av materialet en grad. Typiska värden för specifika värmekapaciteten hos olika konstruktionsmaterial visas i Tabell 4.
22
Tabell 4:Typiska värden för cp, hämtade ur [17] & [18]
Specifik
värmekapacitivitet
[J/kg·K]
Glas 840 Stål 460 Betong 880 Trä 1680-2510
Aluminium 880
Värmeutvidgningskoefficient
Ett materials värmeutvidgningskoefficient (β) beskriver hur mycket ett material utvidgas under uppvärmning. Typiska värden för värmeutvidgningskoefficienten hos olika
konstruktionsmaterial visas i Tabell 5.
Tabell 5: Typiska värden för β, hämtade ur [17] & [19]
Värmeutvidgningskoefficient [°C-1] ·10-6
Glas 8,0 - 8,5
Stål 12 Betong 12 Trä 5 Aluminium 24
Värmediffusivitet
Ett materials värmediffusivitet (α) beskriver hur pass bra temperaturen leds ut eller in i ett material. Det som skiljer ett materials värmediffusivitet från dess värmeledningsförmåga är att hänsyn även tas till värmekapacitet och densitet. Typiska värden för värmediffusiviteten hos olika konstruktionsmaterial visas i Tabell 6.
Tabell 6: Typiska värden för α, hämtade ur [18]
Värmediffusivitet [m2/s]
Glas 3,3·10-7
Stål 1,26·10-5
Betong 5,7·10-7
Tegel 5,2·10-7
Aluminium 8,8·10-5
6.3.1. Betong
Betong är ett formbart byggnadsmaterial vars främsta huvudkomponenter är cement, ballast och vatten. Cement är ett hydrauliskt bindemedel som blandat med vatten ofta kallas
cementpasta, medan ballast är ett samlingsnamn för stenmaterial i varierande kornstorlek.
Cementpastan har som uppgift att binda samman ballasten i betongen. Vid tillverkning av betong är det viktigt att undvika separation av de olika delmaterialen i betongen för att erhålla en hög stabilitet. Det är därför inte ovanligt att betongen tillsätts olika tillsatsmedel, som exempel silikastoft. [17] Förutom vanlig standardbetong finns en mängd olika betongtyper med varierande egenskaper, som exempelvis högpresterande eller självkompakterande betong.
Material egenskaper
Betong är ett material med god hållfasthet, formbarhet och beständighet, vilket gör det lämpligt att använda i bärande konstruktioner och som stommaterial. I fast tillstånd har byggbetong en densitet mellan 1 900-2 300 kg/m3[18].
Det är främst betongens porositet och vattencementtal som påverkar dess egenskaper [20]. All form av porositet medför en försämring av betongens hållfasthet och värmeledningsförmåga.
Den går dock inte att eliminera på grund av betongens heterogena struktur. I de flesta fall är betongens hållfasthet helt beroende av cementpastans hållfasthet, eftersom ballastpartiklarna i allmänhet är starkare än cementpastan. Cementpastans egenskaper påverkas främst av
betongens vattencementtal, vilket beskriver förhållandet mellan mängden vatten och cement i betongen, där ett högt vattencementtal leder till att betongen blir mer porös [17]. Ytterligare en faktor som påverkar betongens hållfasthet är ballastens kornstorlek, vilken bör vara varierande för att effektivt fylla ut tomrummen i betongen.
Betong klassas som ett relativt sprött material och har en högre tryckhållfasthet är
draghållfasthet. Under normala förhållanden varierar betongens tryckhållfasthet mellan 10-70 MPa [17], medan draghållfastheten bedöms vara runt en tiondel av tryckhållfastheten [21]. I och med att betongens hållfasthet är starkt kopplad till vattencementtalet påverkar detta även dess elasticitetsmodul. Vanlig husbyggnadsbetong har en elasticitetsmodul på cirka 25 GPa [17].
Betongens relativt låga värmeledningsförmåga, se Tabell 3, och specifika värmekapacitet, se Tabell 4, medför att förändringar i materialets egenskaper på grund av temperaförändring sker långsamt [17]. Värmeutvidgningskoefficienten för betong är, likt för många andra
byggmaterial, relativt låg. Typiska värden för värmeutvidgningskoefficienten hos olika konstruktionsmaterial visas i Tabell 5. Betongens låga värmediffusivitet är också en bidragande faktor till att egenskapsförändringen vid temperaturändringar sker långsamt, se Tabell 6.
24
armeringen av stänger, trådar, nät eller linor av stål, men den kan även utgöras av fibrer av stål eller organiskt material [17]. Armeringen i betongen fästs med hjälp av vidhäftning, vilket kan ske på olika sätt.
6.3.2. Betong vid höga temperaturer
Det finns främst två orsaker till att armerade betongkonstruktioner är känsliga för
brandpåverkan. Den ena är sprickbildning som kan uppstå i betongen, genom en kombination av inre vattentryck och höga termiska spänningar. Den andra är att hållfastheten minskar i samband med att armeringen mjuknar då temperaturen gradvis ökar [22]. Armeringens beteende vid höga temperaturer påverkas av om stålet är kallbearbetat eller varmvalsat. Den karaktäristiska sträckgränsen för varmvalsat stål börjar försvinna runt 250°C, medan den hållfasthetshöjande effekten för kallbearbetat stål är nästintill borta vid cirka 400°C [19].
Oavsett armeringstyp resulterar en ökad temperatur i en reducering av både hållfasthet och beständighet hos den armerade konstruktionen.
När betong värms upp sker en uppluckring mellan cementpastan och ballasten, vilket leder till att betongens egenskaper försämras. Försämringen beror på att betongens materialstruktur bryts ner, vilket uppstår på grund av olika dilatationsegenskaper hos materialen i betongen.
När cementpastan utsätts för en temperaturökning, ökar dess volym inledningsvis för att därefter minska i samband med att temperaturen ökar. Ballastens volym växer däremot kontinuerligt i samband med en temperaturökning. [19] Detta i samspel med betongens termiska egenskaper utgör en väsentlig faktor för hur pass benägen betongen är att spjälkas vid brand. [23] Redan vid temperaturer över 573°C är risken för sprickbildning i betongen stor. [17] Vid temperaturer över 600°C har betongen förlorat ungefär 50 % av sin hållfasthet, och vid 1000°C är den helt borta [17].
Kombinationen av betongens termiska egenskaper och dess höga densitet, medför att materialet erhåller en god isoleringsförmåga. Detta bidrar till att stora temperaturgradienter uppstår i materialet, vilket leder till att stora tryckspänningar bildas. Spänningen är som störst mellan den uppvärmda betongytan och dess kalla inre, vilket kan leda till att spröda brott uppstår. Detta anses också vara en faktor som påverkar hur pass benägen betongen är att spjälkas vid brand. [23]
Följden av att betong är ett kompositmaterial är att värmeledningsförmågan varierar med temperaturen. Oavsett sammansättning minskar betongens värmeledningsförmåga i samband med ökad temperatur [24], se Figur 7.
Med un faktorer Den ena spjälkni vidhäftn generera mer elle snabbar medför Vid bran dekar av leder de är därfö påverka
‐ h
‐ t
‐ n
‐ h
‐ s
‐ t
‐ h Tät beto mekanis
Figur 7:
ndantag från r som påver a är förankr ingsbenägen ning samt än ar en större er mindre vi re än betong detta att vid ndpåverkan v betongens etta till att ar ör viktigt att ar sönderspj hög fukthal tät betong närvaro av t hastig temp starkt osym tvärsnitt me hög armerin ong och beto
smer kan en
Samband me
n betongens rkar brottrisk ringen mella
nhet vid upp ndankare. I
förankring id ökande te gens tryckhå dhäftningsb n spjälkas be
s yta succes rmeringen v t täcksiktet a älkningshas lt
tryckpåkänn peraturstigni mmetrisk tem
ed tunna sek ngstäthet
ong med hö nskilt eller i
ellan betonge
och armerin ken hos en an betongen
pvärmning.
praktiken ä skraft. Oavs emperatur.
ållfasthet vi brott lättare u
etongen sön sivt försvin värms upp f av betong o stigheten ho
ningar från ing
mperaturförd ktionsdelar
ög fukthalt ä samverkan
ens värmeledn
ngens meka armerad be n och armeri
Det finns f är det vanlig
sett förankr Dessutom m id ökad tem
uppstår.
nder i varier nner. Då arm
fortare vilke ovan armerin
os betong [1
yttre last el delning
är speciellt k n orsaka spjä
ningsförmåga
aniska egen tongkonstru ingen, den a främst två o gt att dessa m ringsmetod m minskar vid mperatur [19]
rande utsträ meringens tä
et bidrar till ngen inte är 19];
ller förspänn
känslig för älkning i va
a och temper
skaper finn uktions und andra är bet
lika förankr metoder kom minskar för dhäftningshå
]. I samband
ckning, vilk äckskikt av
en minskad r för tunt. Fö
ningar
spjälkning arierande gr
ratur [24].
ns ytterligare der brandpåv
tongens ringsmetode
mbineras, d rankringskra
ållfastheten d med spjäl
ket innebär betong redu d bärförmåg öljande fakt
[23]. Följan rad [19]:
e två verkan.
er;
då detta afterna n mycket
lkning
att uceras, ga. Det
torer
nde
26
Ångtrycket är vanligtvis den primära orsaken till att spjälkning sker vid brand. När temperaturen når över vattnets kokpunkt övergår det fria vattnet i fuktiga material till vattenånga efterhand som temperaturen stiger. Då betong har relativt låg permeabilitet, hindras transporten av vattenånga, vilket medför att ett övertryck uppstår inne i betongen.
Spjälkning inträffar i materialet vid tryck i kombination med termiska och statiska
dragpåkänningar [19]. Transporten av ånga sker främst i samma riktning som övertrycket, och övertrycket är som störst vid förångningsfronten.
Att ångtrycket blir tillräckligt stort för att spjälkning ska kunna ske, beror bland annat på betongens komposition samt mängden fukt som ursprungligen finns i betongkonstruktionen.
Om spjälkning inträffar i en grövre pelare blir det i allmänhet en mindre påverkan på bärförmågan än i en mindre pelare.
Följande åtgärder brukar vidtas för att minska benägenheten för betongspjälkning vid brand [19]:
‐ vidta åtgärder för att reducera betongens fukthalt till minsta möjliga
‐ öka betongens permeabilitet genom att tillsätta luftporsbildande medel
‐ sträva efter en lämplig geometrisk utformning av bärverket genom att undvika tunna sektionsdelar och skarpa hörn
‐ nätarmering om betongens ytskikt om täckskiktet för armeringen är större än 40 mm
‐ isolera bärverket med ett skyddande skikt som har till uppgift att reducera temperaturpåverkan hos betongen
‐ tillsätta polypropenfiber i betongen
