Examensarbete i Byggteknik
Materialpåverkan vid brand
Limträ, stål och betong
– The material impact by fire, glulam, steel and
concrete
Författare: Emil Göransson, David Runesson &
Linus Ståhl
Handledare LNU: Åsa Bolmsvik Handledare företag: Mattias Stål, BSR Examinator LNU: Johan Vessby Datum: 2015-06-09
Sammanfattning
Detta examensarbete har resulterat till ett underlag som är tänkt att användas utav nyexaminerade konstruktörer inom området brand samt övriga intressenter. De grundläggande delar som rapporten tar upp är de grova skillnaderna mellan materialen Limträ, Stål och Betong. Den behandlar brandskydd, påverkning vid brand och förenklade dimensioneringsmetoder.
Det har gjorts kvalitativ undersökning i form av intervjuer för att säkerställa rapportens innehåll, samt för att få in verklighetsanknytning inom området.
Intervjuerna har gjorts med erfarna konsulter och ingenjörer inom branschen. Detta har lett till god vägledning genom skrivandet.
Arbetet har delats in efter en mall från frågeställningen där en kartläggning av de viktigaste delarna kring materialen beskrivs. Detta har även utgjort grunden från litteraturstudien som innehåller 3 huvudsakliga avsnitt inom området för varje material.
För att sätta sig in i arbetet och få en bredare förståelse, finns det ett inledande avsnitt som beskriver vad som ligger bakom en brandskyddsdimensionering samt de lagar och regler man ska förhålla sig till. Rapporten behandlar också de olika
brandskyddsmetoder som finns för de olika konstruktionstyperna.
Summery
This bachelor thesis has led to a substrate that is meant to be used by newly graduated engineers in the field of fire and other stakeholders. The basic elements that the substrate takes up is the rough differences between the materials glulam, steel and concrete. Where it deals with fire protection, actuation in case of fire and design methods.
There have been qualitative research in the form of interviews to ensure the substrate´s content and to get the sense of reality in the field. The interviews were conducted by experienced consultans and engineers within the field. Which had led to good guidance through the writing.
The work has been divided into a template from the issue where a survey of the most important parts on the materials described. This has also been the basis of the
literature that includes three main sections in the area of each material.
In order to understand the work and get a broader understanding, there is an introductory section that describes what is behind a fire protection design and the laws and regulations to relate to. The crib sheet also deals with the various fire protection methods that is avaible for the different construction types.
Abstract
Detta examensarbete omfattar brandskydd och dimensionering för de olika
konstruktionsmaterialen limträ, stål och betong. Där målet är att utveckla ett underlag för nyutbildade ingenjörer och konsulter. Layouten på arbetet ger en enkel överblick över informationen kring de olika materialen och tar upp de viktigaste stegen man ska ta hänsyn till vid dimensionering.
Arbetet inleds med en allmän översikt på hur brandskyddet behövs i byggnader för att uppfylla de lagar och regler som ställs. För att få en större förståelse för hur de olika konstruktionsmaterialen beter sig under påverkan av brand, presenteras de olika materialegenskaperna och hur påverkningen för samtliga ser ut.
Huvuddelen av rapporten beskriver de grova skillnaderna mellan materialen och hur man går till väga för att nå samma brandklass på konstruktionen för de olika
materialen.
För att utvärdera litteraturstudier, har erfarna ingenjörer och konsulter intervjuats.
Detta har resulterat i bredare inblick kring det informationsbehov som krävs för att ta fram dimensionering vid brandskydd i konstruktioner.
Nyckelord: Påverkning vid brand trä ,Påverkning vid brand stål, Påverkning vid brand betong, Materialkomplettering trä, Materialkomplettering stål,
Dimensioneringsmetod trä, Dimensioneringsmetod stål, Dimensioneringsmetod betong, ISO834,
Förord
Detta examensarbete omfattar 15 högskolepoäng och har genomförts vid fakulteten för teknik vid Linnéuniversitetet. Examensarbetet är det avslutande arbetet på Byggingenjörsprogrammet som slutfördes i maj 2015. Bakgrunden för rapporten är grundat på tips från extern handledare som är insatt inom branschen.
Syftet till arbetet har varit att framställa ett underlag som skall ge stöd och hjälp till nyutbildade ingenjörer och konstruktörer. Utifrån en given ram har detta arbete sedan utvecklats med grund från litteratursökning och kontinuerliga möten med handledare från skolan.
Gruppen vill särskilt tacka vår interna handledare vid Linnèuniversitetet Åsa Bolmsvik samt våran externa handledare Mattias Stål på Brann- og
sikkerhetsradgivning AS. Vi vill även tacka samtliga intervjupersoner som ställt upp på den kvalitativa undersökningen.
Emil Göransson & David Runesson & Linus Ståhl Växjö, 22 Maj 2015
Innehållsförteckning
1. INTRODUKTION ... 1
1.1BAKGRUND OCH PROBLEMBESKRIVNING ... 1
1.2MÅL OCH SYFTE ... 2
1.3AVGRÄNSNINGAR ... 2
2. TEORI ... 3
2.1LAGAR OCH REGLER ... 3
2.2BRANDSÄKERHETSKLASS ... 4
2.2.1 Verksamhetsklass ... 5
2.2.2 Brandtekniska byggklasser ... 7
2.2.3 BR1 ... 7
2.3EXPERIMENTELL MÄTNING AV BRANDMOTSTÅND ... 8
2.4ATT BYGGA MED LIMTRÄ ... 8
2.4.1 Påverkan vid brand ... 9
2.4.2 Materialkomplettering ... 10
2.4.3 Eurokod 5 ... 11
2.5ATT BYGGA MED STÅL ... 14
2.5.1 Påverkan vid brand ... 14
2.5.2 Materialkomplettering ... 14
2.5.3 Eurokod 3 ... 18
2.6ATT BYGGA MED BETONG ... 21
2.6.1 Påverkan vid brand ... 21
2.6.2 Eurokod 2 ... 23
3. METOD OCH GENOMFÖRANDE ... 26
3.1METOD ... 26
3.1.1 Beräkningar ... 26
3.1.2 Kvalitativa intervjuer ... 26
3.2GENOMFÖRANDE ... 26
3.2.1 Beräkningar ... 26
3.2.2 Intervjuer ... 26
4. RESULTAT OCH ANALYS ... 28
4.1KONSTRUKTIONSLÖSNINGAR ... 28
4.1.1 Resultat av intervjuer ... 28
4.1.2 Sammanfattande jämförelse av materialen ... 28
4.2BRANDTEKNISKA REGLER ... 29
4.2.1 Resultat av intervjuer ... 29
4.2.2 Sammanfattande jämförelse av materialen ... 29
4.3DIMENSIONERING ... 29
4.3.1 Resultat av intervjuer ... 29
4.3.2 Sammanfattande jämförelse av materialen ... 30
4.4ANALYS AV PELARE MED BRANDDIMENSIONERING ... 31
5 DISKUSSION ... 33
5.1METODDISKUSSION ... 33
5.2RESULTATDISKUSSION ... 33
6. SLUTSATS ... 34
REFERENSER ... 35
BILAGOR ... 38
1. Introduktion
Sedan decennium tillbaka har större stadsbränder varit ett problem i Sveriges samhälle. Bara i Växjö har det skett flera stora bränder historiskt, senast år 1853. En stadsbrand ödelägger flertalet byggnader och gör familjer hemlösa.
Varje år larmas det ungefär 10 000 gånger till räddningstjänsten om brand i byggnader (Boverket, 2015). Bränderna i Sverige skördar ungefär 120 stycken människoliv varje år. För att undvika allvarligare bränder med dödlig utgång och personskador har ett flertal regler gällande brandkrav skapats i Sverige.
Exempel på en brand som tog många liv ägde rum i Kina under 2003, då en betongkonstruktion utsattes för en allvarlig brand. Byggnaden brann under cirka 180 minuter med följd av kollaps som drog med sig 20 brandmäns liv (Guan, 2015).
Det går inte helt och hållet att skydda en byggnad från brand, men riskerna att en brand kan starta eller spridas kan begränsas (Boverket, 2015).
Historiskt tillbaka byggdes de flesta konstruktioner av trä i Sverige. Efter de stora stadsbränderna upplevdes trä som brandfarligt och att bygga
konstruktioner med bärande stomme av trä mer än två våningar förbjöds år 1874. Istället byggdes då konstruktioner av stål och betong. År 1994 ändrades byggreglerna till funktionskravs baserade och så länge funktionen kunde klaras i byggnaden under en viss tid kunde vilket stommaterial som helst användas (Östman, 2012). Nu börjar tekniken att bygga i trä komma ikapp och konstruktioner med bärande stomme i trä blir mer populärt i större byggnader.
1.1 Bakgrund och problembeskrivning
Stommaterial av både trä, stål och betong används idag. Det ställs därmed större krav på konstruktörer av byggnader, de måste behärska materialen ur flera olika byggnadstekniska aspekter, bl.a. brand. Alla
konstruktionsmaterial tappar sin bärförmåga vid ett brandförlopp. Trä är ett lättantändligt material samtidigt som stål och betong har ett mer naturligt motstånd mot eld och klarar höga temperaturer, däremot blir brottsförloppet plötsligare för stål än för trä och betong. Det finns ståltyper som klarar av temperaturer upp till 427℃ och betongtyper som klarar 649℃ (Bilow och Kamara, 2008).
Vid nybyggnationer idag byggs det med olika byggnadsmaterial eller
kombinationer av material. Som konstruktör är det många olika faktorer att ta hänsyn till, såsom:
• Hur reagerar de olika material vid en brand?
• Hur skiljer sig konstruktionslösningar vid brandskydd av olika material?
• Vad finns det för olika brandtekniska regler att förhålla sig till?
• Hur är skillnaden för dimensionering av de olika materialen?
1.2 Mål och Syfte
Målet med arbetet är att dokumentera hur byggnadsstommar för 3-8 våningshus skall brandskydds-konstrueras, d.v.s. hur brandkrav ser ut för olika stommarna och hur brandskyddas olika material.
Syftet med arbetet är att skapa ett samlat dokument, oavsett stommaterial, som konstruktörer kan utgå ifrån vid brandskyddsprojektering av ett 3-8 våningshus.
Arbetet skall fungera som ett underlag för dem som vill få en lättöverskådlig blick över hur branddimensionering och brandskydd går till väga för enklare konstruktionsdelar i materialen limträ, stål och betong.
1.3 Avgränsningar
Rapporten kommer behandla bostadshus på 3-8 våningar med tre olika stommaterial. Byggnadsstommarna bestående av limträ, stål eller betong kommer att behandlas. Enbart brandteknisk byggnadsklass BR1 kommer behandlas.
De bärande delarna av stommen som kommer behandlas är bärande pelare.
Arbetet kommer inte ta hänsyn till ekonomi, tid, miljö, etc utan kommer enbart fokusera på konstruktion, dvs att stommen oavsett materialval skall kunna bära under en given tid då den utsätts för brand. Arbetet kommer inte ta någon hänsyn till olika sorters förbindningar och knutpunkter som
eventuellt kan kräva mer komplicerat brandskydd än själva konstruktionsdelen.
2. Teori
2.1 Lagar och regler
Det handlar mycket om effektivitet i dagens byggnationer, att byggtiden ska bli så kort som möjligt. Men man måste hela tiden förhålla sig och bygga efter brandsäkerhetsföreskrifter (Park m.fl. 2014). Dessa föreskrifter förhåller sig till minimikrav för att skydda byggnaden och de personer som rör sig i den.
Lagar och regler som bestämmer hur en konstruktion skall dimensioneras utan kollaps, finns i Plan-och bygglagen (2010:900), 8 kap. 4§, enligt detta,”skall ett byggnadsverk ha de tekniska egenskaper som är väsentliga i fråga om”:
• bärförmåga, stadga och beständighet
• säkerhet i händelse av brand
3 kap. 7 § i plan- och byggförordningen (2011:338) tar upp, om att en konstruktions tekniska egenskaper skall vara projekterat och genomfört så det klarar krav på bärförmåga, stadga och beständighet. Det här innebär att den påverkan konstruktionen utsätts för då den byggs eller används måste klara av följande:
1. Att konstruktionen inte rasar
2. Konstruktionen skall inte erhålla större oacceptabla deformationer 3. Större deformationer i konstruktionen, skall inte leda till skada på
andra delar i byggnadsverket, dess installationer eller fasta utrustning 4. Att skada uppkommer som inte står i relation till den händelse som
orsakat skadan.
3 kap. 8 § i plan- och byggförordningen (2011:338) tar upp, hur en konstruktions egenskapskrav avseende på säkerhet i händelse av brand.
Alltså en konstruktion skall vara projekterat och genomfört på ett sätt som innebär:
1. Att vid brand, kan konstruktionen antas stå utan att rasa innan bestämd tid.
2. Att vid brand, skall eld och rök begränsas inom konstruktionens brandceller.
3. Att vid brand, skall elden begränsas så den inte sprider sig till intilliggande konstruktioner.
2.2 Brandsäkerhetsklass
Byggnadsdelarna i en konstruktion skall dimensioneras enligt Tabell 1.
Brandsäkerhetsklassen bestäms utifrån risken av att personskador uppstår vid kollaps av en konstruktionsdel vid ett brandförlopp.
Tabell 1:Visar hur brandsäkerhetsklasserna bestäms (BFS 2010:28, s.23).
Brandsäkerhetsklass Risk för personskada på grund av kollaps av konstruktionsdel
1 Ringa
2 Liten
3 Måttlig
4 Stor
5 Mycket stor
Bedömning görs i Tabell 1 med aktning till risken för hur många personer som vistas i skadeområdet. De sekundära effekter som kan uppkomma, till exempel framskridande ras till andra närliggande konstruktionsdelar i det bärande systemet. Karaktären på det befarade brottet. Hur funktionen
påverkas, som har väsentlig betydelse för utrymnings- och insatsmöjligheter vid brand (Bengtson m.fl. 2012, s.192-194).
När brandsäkerhetsklassen bestämts utifrån Tabell 1, kan även den brandtekniska klassen bestämmas för varje konstruktionsdel, se Tabell 2.
Den högra kolumnen står R för bärförmåga och siffrorna 0-90 anger antal minuter.
Tabell 2: Förhållandet mellan brandsäkerhetsklass och brandteknisk klass (Bengtson m.fl. 2012, s.192).
Brandsäkerhetsklass Krav på brandteknisk klass på konstruktionsdel
1 0
2 R 15
3 R 30
4 R 60
5 R 90
Förutom kraven i Tabell 1 och Tabell 2 bestäms även brandsäkerhetsklassen utifrån vilken verksamhetsklass och brandteknisk byggnadsklass
konstruktionen i fråga är utav.
2.2.1 Verksamhetsklass
En byggnad delas in i olika verksamhetsklasser, Vk, för och sedan kunna bestämma vilken brandteknisk byggnadsklass konstruktionen skall uppföras i. Det verksamhetsklasserna tar hänsyn till är om hur god kännedom
personer som i en byggnad har om själva byggnaden och dess
utrymningsvägar. Om personerna kan utrymma till största del själva, och om personerna kan förväntas vara vakna. Tabell 3 visar hur de olika
verksamhetsklasserna delas in.
Tabell 3: De förutsättningar som gäller för verksamhetsklasserna (Bengtson m.fl. s.46, 2012).
Har personerna kännedom om byggnaden och dess
utrymmningsvägar
Kan personerna utrymma till största
del på egen hand
Kan personerna förväntas vara
vakna
Vk1 Ja Ja Ja
Vk2 - - -
Vk2A Nej Ja Ja
Vk2B Nej Ja Ja
Vk2C Nej Ja Ja
Vk3 Ja Ja Nej
Vk4 Nej Ja Nej
Vk5 - - -
Vk5A - Nej Nej
Vk5B - Nej Nej
Vk5C - Nej Nej
Vk5D - Nej Nej
Vk6 - - -
Vk6 kännetecknas av en förhöjd risk av brand, i så som olika industrier. Där en brand kan få ett hastigt och omfattande förlopp. Alternativt kan
byggnader delas in utifrån verksamhet, se Tabell 4.
Tabell 4: Exempel på hur verksamheter delas in i olika verksamhetsklasser (Bengtson m.fl. s.46,50.
2012).
Verksamhetsklass Exempel på verksamhet
Vk1 Industri, Lager
Vk2A Lokaler < 150 personer
Vk2B Samlingslokaler > 150 personer Vk2C Samlingslokaler > 150 personer med
alkoholservering
Vk3 Bostad, Internat
Vk4 Hotell, Korttidsboenden
Vk5A Förskola, fritidshem
Vk5B Ungdomshem, särskilt boende för
människor med vårdbehov
Vk5C Vårdanläggningar, sjukhus
Vk5B Arrestlokal, häkte, fängelse
Vk6 Pappersindustri, textilindustri
2.2.2 Brandtekniska byggklasser
Det finns tre brandtekniska byggnadsklasser, BR1, BR2 och BR3 (BBR, 2011). Vilken klass en byggnad skall indelas i bestäms utav
utrymningsmöjligheterna, och risken för personskador vid en eventuell byggnadskollaps. Dessa krav bestäms av följande faktorer:
• Antal våningsplan
• Byggnadens area
• Verksamhet som utgörs i byggnaden
2.2.3 BR1
Då denna rapport inriktar sig på bostadshus på mellan 3-8 våningar, blir det antal våningsplan som styr den brandtekniska byggnadsklassen. BR1 råder för konstruktionsdelarna i byggnadsverket. Det vill säga en byggnad med stort skyddsbehov (BFS 2011:26). Brandsäkerhetsklass för dessa
byggnadsverk blir R 60 och upp till R 90 på vissa byggnadsdelar, eftersom konsekvenserna kan bli större då en högre byggnad kollapsar.
2.3 Experimentell mätning av brandmotstånd
ISO-834 är en tid-temperaturkurva som används vid prövning av brandmotstånd för material, se Figur 1. Konstruktionens brandmotstånd testas för att se hur länge konstruktionen kan stå emot temperatur i förhållande med varaktigheten.
Olika tid-temperaturkurvor kan användas vid olika granskningar. Vilken typ av kurva som används beror på vilken typ av brand som det skall
dimensionera mot (Science partner, 2010). ISO 834 är den kurva som är framtagen för en normal rumsbrand, och den kurva som kommer behandlas i rapporten. Kurvan anger brandens temperatur, 𝜃! i grader celsius, och dess ekvation är följande,
𝜃𝛼 = 345 ∗ 𝑙𝑜𝑔 8 ∗ 𝑡 + 1 + 20 ( 1 )
där 𝑡 är tiden och anges i minuter.
Figur 1: Standardbrandkurva ISO 834. Som visar förhållandet mellan temperaturen av branden och brandens varaktighet, (Structfire, 2012).
2.4 Att bygga med limträ
Byggnader kan byggas av olika typer av trä, t.ex. limträ. En limträbalk består av hoplimmat sågat virke, som i sin tur gör det till ett starkt material. I och med denna teknik kan pelare och balkar göras i grövre dimensioner och i längre spännvidder, som i sin tur lett till ökad användning av trä i den bärande konstruktionen i dagens byggnader (Te-Hsin, m.fl. 2008).
Eftersom limträ förekommer i större dimensioner och samtidigt bärande i konstruktioner måste det ha en hög brandstabilitet. Trä är brännbart, men inträngningshastigheten för brand i limträ är långsammare än i en lättare trästomme med lägre densitet (Gerard & Barber, 2013). Hus med bärande konstruktion av trä med flertalet våningar har ökat under det senaste decenniet, på grund av nyutvecklade träprodukter och den ekonomiska fördelen med prefabricerade träprodukter.
Limträ är brandklassificerat enligt BBR (Carling, 2001). Vilket i sin tur innebär att vid en brandteknisk dimensionering av limträkonstruktioner skall hänsyn tas till dimensionen av elementen, samt utformningen av kopplingar och knutpunkter. Det vanligaste alternativet är infällda infästningar i
limträelementet.
2.4.1 Påverkan vid brand
Tyngre träkonstruktioner är uppbyggda med grövre svärsnitt i pelare och balkar. I och med grövre tvärsnitt har pelarna och balkarna en reducerad förkolningstid, i jämförelse med en lätt trästomme som har mindre tvärsnitt (Gerard & Barber, 2013).
När limträ utsätts för en brand, reduceras styvheten och bärförmågan. Vid förbränning av trä, lämnar det efter sig ett förkolnande lager som skyddar det friska träet, se Figur 2. Detta förkolnande stycke av virket kommer i sin tur behålla de snarlika egenskaper som virket hade innan branden (Erchinger m.fl. 2010)
Figur 2: Brandförlopp med förkolnat ytskikt för limträbalk (svenskt trä, 2014).
2.4.1.1 Termisk nedbrytningsförlopp av trä
För att en brand ska uppkomma i en träkonstruktion, krävs det att fukthalten reduceras (Glasø, 2012).När virket uppnår en temperatur på 100- 105 °C avdunstar fukten. När fukten är tillräckligt reducerad kommer träets
temperatur öka ytterligare och den termiska nedbrytningen som beskrivs i följande fyra steg påbörjas.
• Vid ca 110 - 230 °C påbörjas den termiska nedbrytningen. Vilket innebär att träets uppbyggnad omvandlas till gaser, såsom koldioxid, kolmonoxid och syror. Dock är det inte förrän vid 150 °C nedbrytningen sker med följd av att träet får en mörk färg som är början till förkolningen.
• Vid ca 230 - 260 °C uppnås flampunkten, vilket innebär att lätta gaser bland annat metanol kommer i kontakt med luft och det sker en antändning av träet.
• Vid ca 260 - 290 °C uppkommer brandpunkten, detta betyder att virket brinner med en successiv värmeökning. Gaserna från det tidigare stadiet får en ökad sammansättning och därmed ökad temperatur, ända upp till ca 1000 °C.
• Vid ca 350 - 450 °C självantändningsstadiet. De frigjorda gaserna som är i kontakt med luft fattar eld utan att behöva vara i konkat med elden.
2.4.2 Materialkomplettering
För att uppnå de krav som ställs för en träkonstruktion vid en brand kan man antingen överdimensionera träet så att man tar hänsyn till det minskade tvärsnittet eller så applicerar man brandskyddsmedel I form av
impregnering. Ett annat alternative är att man installerar brandskyddande beklädnad på de exponerande sidorna. De vanligaste materialen som används för brandskydd är gipsskivor (Kolaitis m.fl. 2014)
2.4.2.1 Sprinkler
Boendesprinkler utvecklades först i USA under 1970-talet där man införde att alla nya byggnader skulle utrustas med sprinklers (Glasø, 2012).Därefter detta har det registrerats att materialskadan på byggnaderna har reducerats med mer än 90 % mot byggnader som inte utrustats med sprinklers.
Installering av sprinkleranläggningar har lett till att man kan använda synligt trä i större utsträckning. Vid användning med sprinklers förhindrar man eller försenar man tiden för en övertändning i byggnaden. Även genom
användning med sprinklers anser man att man uppfyller flera krav som ställs för brandsäkerheten.
2.4.3 Eurokod 5
Eurokod 5 ger de riktlinjer och parametrar som behövs för och dimensionera och verifiera en träkonstruktion vid brand. Standarden behandlar
konstruktionens bärförmåga, stadga, beständighet samt dess
funktionsduglighet. En rad olika parametrar bestämmer hur dimensionering skall utföras vid ett byggnadsverk med en trästomme för att stommen skall uppfylla brandkraven, t.ex. hur balkar och pelare skyddas. Beroende vad för slags trä det är i stommen. Figur 3 visar hur dimensioneringsproceduren för träkonstruktioner går till vid brandpåverkan.
Figur 3: Dimensioneringsprocedur för trä (SS-EN 1995-1-2:2004).
Vid branddimensionering av bärverksdelar ses det först över om balkar och pelare behöver någon form av brandskydd. Då brandskydd behövs, beräknas
först varaktigheten för hur lång tid brandskyddet skyddar materialet. Efter att brandskyddet upphört, beräknas förkolning av trästycket och ett nytt mindre tvärsnitt kommer med tiden, då det brinner. Det nya tvärsnittet skall fortfarande klara av de laster som påverkar trästycket.
Vid oskyddat material beräknar man förkolningsdjupet med tiden. Ett nytt mindre tvärsnitt kommer gälla. Även här skall det nya tvärsnittet klara av den påverkande kraften. Om inte tvärsnittet skulle klara av kraften, skall tvärsnittet överdimensioneras och byggas med ett grövre tvärsnitt.
2.4.3.1 Tillämpning av Eurokod 5
En förenklad modell för att beräkna bärförmågan i pelare och balkar är att räkna ut förkolningsdjupet. Det vill säga, en balk eller pelare med ett visst tvärsnitt klarar en viss dimensionerande kraft.
Då förkolningsdjupet ökar med tiden, minskar det effektiva tvärsnittet, och pelaren eller balken får reducerande egenskaper och därmed sämre
bärförmåga. Förkolningsdjupet för oskyddade balkar och pelare fås enligt,
𝑑𝑐ℎ𝑎𝑟,0= 𝛽0∗ 𝑡 ( 2 )
där 𝑑!!!",! är förkolningsdjupet i 𝑚𝑚 , 𝛽! fås ur Tabell 5 och 𝑡 är brandexponeringstiden i minuter. Ekvation ( 1) gäller för endimensionell förkolning, se Figur 4.
Figur 4: Endimensionell förkolning.
Förkolningsdjupet vid tvådimensionell förkolning fås enligt,
𝑑!"= 𝑑!!!",!+ 𝑘!∗ 𝑑! ( 3 )
𝑑𝑐ℎ𝑎𝑟,𝑛= 𝛽𝑛∗ 𝑡 ( 4 )
där 𝑑!!!",! förkolningsdjupet i 𝑚𝑚 , 𝛽! fås ur Tabell 5 där 𝑡 är brandexponeringstiden i minuter.
Tabell 5: Förkolningshastigheter för trä (EN 1995-1-2).
𝛽! mm/min
𝛽! mm/min Barrträ och bok
Limträ med en karakteristisk densitet ≥ 290 𝑘𝑔 𝑚! 0.65 0.70 Massivt trä med karakteristisk densitet ≥ 290 𝑘𝑔 𝑚! 0.65 0.70
Lövträ
Massivt trä eller limträ med en karaktäeristisk densitet ≥ 290 𝑘𝑔 𝑚! 0.65 0.70 Massivt trä eller limträ med en karaktäeristisk densitet ≥ 450 𝑘𝑔 𝑚! 0.50 0.55
Tvådimensionell förkolning, se Figur 5.
Figur 5: Tvådimensionell förkolning.
2.5 Att bygga med stål
I SBI's, stålbyggnadsinstitutets, produktblad om stålets egenskaper, står det om stålets historia, dess uppbyggnad och egenskaper. Materialet stål är en legering av järn som innehåller bland annat ca 2% kol och en del andra grundämnen. Detta har gett stålets egenskaper, hållfasthet, seghet och svetsbarhet (Åstedt, 2009). Att använda stål som ett konstruktionsmaterial tog sin fart i de senare åren. Det var Iron Bridge som blev en av de första konstruktionerna, den uppfördes år 1779 i England. Innan dess har stålet endast använts som förbindare och taktäckning. För stålkonstruktioner finns det olika grupper av stål att använda sig av. Olika stålsorter kan bland annat vara kolstål, finkornigstål, höghållfasta och kallformningsstål (Sehlå, 2002).
Valet av stålsort beror helt på kraven som ställs på konstruktionen. Vid användning av höghållfasta stål kan man klara längre dimensioner eftersom stålet behandlas så att det klarar av större sträckgränser.
2.5.1 Påverkan vid brand
Stålets påverkan vid brand kan bero på typen av konstruktion samt konstruktionens statiska utnyttjandegrad. Brottslastdimensionering vid lastfallet brand är alltid högre än utnyttjandegraden, det här beror på att man förutsätter att belastningen från brand är lägre. Stålet börjar tappa sin
bärförmåga redan vid temperaturer över 300°C och smälter vid ca 1500°C (Hurley m.fl, 2010). Stålets mekaniska egenskaper påverkas vid 450°C, vilket medför deformationer som kan leda till kollaps.
Eftersom stål inte är ett organiskt material, klassificeras det som ett
obrännbart byggnadsmaterial utan prövning. Som tidigare nämnts, påverkas stålet vid en temperatur på 450°C. Vid simulering av brand med hjälp av standardbrandkurvan ISO834 kan man se hur temperaturen ökar med
brandförloppet (Promat, 2006). Branden når en temperatur på 550°C efter ca 5 minuter, 800°C efter 30 minuter och 1000°C efter 90 minuter. Eftersom stålet förlorar sin bärförmåga redan vid 500°C behövs det göras åtgärder för att konstruktionen inte skall kollapsa vid brand.
2.5.2 Materialkomplettering
För att uppnå det önskade brandskyddet för en stålkonstruktion finns det olika alternativ att använda sig av (Isaksson m.fl. 2010). Det vanligaste alternativet i bostadshus är att man bygger in pelare och balkar i väggar och tak och på så sätt uppfyller brandkrav på konstruktionen. Eftersom de bärande väggarna också är avskiljande väggar så ställs det krav på väggen att den ska klara en viss brand som till exempel 60 minuters brand. Då finns det redan ett bra brandskydd på väggen och pelarna behöver inte skyddas.
Om stålet inte byggs in, kan stålet överdimensioneras och på så sätt klara
brandskyddsfärg, sprutisolering och olika typer av skrivmaterial som till exempel gips och stenull. Nedanstående avsnitt beskriver några av de alternativen som finns för att brandskydda stålet.
2.5.2.1 Brandskyddsfärg
Ett vanligt alternativ att skydda en stålkonstruktion är genom
brandskyddsfärg (Isaksson m.fl. 2010). Brandskyddsfärg är ett alternativt av skydd då en konstruktion inte behöver öka i dimensionen. Eller om det är komplicerat att montera något annat brandskydd. Brandskyddsfärg är ett klassificerat brandskydd, eftersom det står emot brand och isolerar stålet genom att det sväller upp som ett isolerande skumskikt, se Figur 6, för att uppnå brandklassen för konstruktionen, appliceras färgen flera omgångar (Thor, 2012), till dess en total tjocklek på 0,5 - 2 mm uppnåtts. Stålprofilen måste först för målas med så kallat häftprimer, primern fungerar som en underfärg och ger brandskyddsfärgen ett bättre fäste på stålet.
Figur 6: Stålpelare med svällande brandskyddsfärg, (Byggbasen, 2001).
2.5.2.2 Stenullsskiva
Stenullsskiva är ett väl förekommande material i dagens konstruktioner och används inte endast för stålkonstruktioner (Isaksson m.fl. 2010). Det finns tre olika typer av ullen: lösull, mattor och isoleringsskivor. Vid isolering av en stålkonstruktion är det vanligast att använda sig av stenullsskivor. Där skivan monteras fast med hjälp av låsbrickor som i sin tur svetsas på stålet, se Figur 7. Detta gör att stålet får ett bra brandskydd eftersom stenullsskivan har goda brandskyddsegenskaper och klarar av temperaturer upp till 1000°C.
Figur 7: Stenullsskiva fäst vid stålpelare, (Paroc, 2012).
2.5.2.3 Sprutisolering
Sprutisolering kan antingen bestå av en blandning från fibersilikat och cement eller bara stenullsfiber (Isaksson m.fl, 2010). Skillnaden mellan dessa är att blandningen med fibersilikat och cement ger en putsliknande yta på stålet, medan stenullsfibern ger en grövre yta. De båda olika alternativen appliceras genom en spruta eller tryckluftsspruta. Mängden varierar vanligen mellan 5 - 50 mm och det beror på vilket krav som ställs för konstruktionen.
Fördelarna med sprutisolering är att det inte krävs någon förbehandling vid användning och att man kan komma åt ytor som är svåra att skydda med andra material (Anderson, 1992).
2.5.2.4 Gipsskivor
Gipsskivan är ett vanligt beklädnadsmaterial i inomhusmiljöer på väggar och tak (Burström, 2007). Den vanligaste gipstypen är den med en kärna av gips som är omsluten med papper på båda sidor. För konstruktioner som är utsatta av fukt, som tillexempel utomhusmiljöer kan man skydda dessa med specialtillverkade gipsskivor som är vattenavvisande.
På grund av det omslutande pappret ger detta gipsskivan bidrag till en viss brandbelastning (Burström, 2007). I huvuddel är gipset klassificerat som ett obrännbart material. Dock bör inte en gipsskiva utsättas för högre
temperatur än 45°C under användning. Skivan förlorar sin hållfasthet på grund av kristallvattnet (kemiskt bundet vatten) förångas.
Med dagens utveckling har det tagits fram ett speciellt härdat gips som ska klara av en brand ännu bättre (Isaksson m.fl. 2010). Denna skiva blir lite
grövre i tjockleken, istället för pappbeklädnad så är den armerad med glasfiber. Detta innebär att när kristallvattnet har avdunstat så kommer skivan fortfarande bibehålla sin bärförmåga.
2.5.2.5 Fibersilikatskivor
Fibersilikatskivor är tillverkade av kalciumsilikat, glimmer och vermiculit men kan även vara andra råmaterial, beroende på vad producenten är specialiserad på (Burström, 2007). Dessa skivor härdas vid en hög fuktighet och hög temperatur vilket ger deras goda brandskyddsegenskaper och vissa produkter kan tåla temperaturer upp till ca 1400 °C. Skivorna kan användas till olika beklädnader bland annat fasader, skärmtak och balkongfronter.
Skivorna finns i storlekar från 6-40 mm och som de andra
brandskyddsmaterialen bestäms detta efter stålprofil och brandkravet (Thor, 2012). Till skillnad från gipsskivan, behövs det endast ett lager
fibersilikatskiva på grund av sin breda tjocklek. För montering av produkten fästs hörnen ihop i varandra och bildar så ett skal runt stålprofilen,
se-Figur-8.
Figur 8: Stålpelare beklädd med fibersilikatskiva, (Byggkatalogen, 2015).
2.5.3 Eurokod 3
Eurokod 3 ger de riktlinjer och parametrar som behövs för att dimensionera och verifiera en stålkonstruktion mot brand. Standarden behandlar
konstruktionens bärförmåga, funktion, beständighet samt dess
motståndsförmåga. En rad olika parametrar bestämmer hur dimensionering skall utföras vid ett byggnadsverk med en stålstomme för att stommen skall uppfylla brandkraven. Så som hur balkar och pelare skyddas. Vad för slags stålsort det är i stommen. Figur 9, visar hur dimensioneringsproceduren för stålkonstruktioner kan se ut med hänsyn till brandpåverkan.
Figur 9: Dimensioneringsprocedur för stålkonstruktioner (SS-EN-1993-1-2:2005).
2.5.3.1 Tillämpning av Eurokod 3
Vid bestämning av tryckta tvärsnitt i enskilda bärverksdelar av stål i tvärsnittsklass 1,2 eller 3 gäller,
𝐸𝑓𝑖,𝑑 ≤ 𝑁𝑏,𝑓𝑖,𝜃,𝑅𝑑 ( 5 )
där 𝐸!",! är stålets dimensionerande lasteffekt vid brandlastfallet i 𝑁 (EN 1991-1-2). 𝑁!,!",!,!" är den dimensionerande tryckkraftsbärförmågan i 𝑁 , med hänsyn till instabilitet vid tiden 𝑡, och fås enligt (SS-EN 1993-1-2).
𝑁!,!",!,!"=!!"∗!∗!! !,!∗!!
!,!" ( 6 )
där 𝐴 är stålprofilens tvärsnittsarea i 𝑚𝑚! , och 𝛾!,!" = 1,0 enligt EKS.
𝜒!" är reduktionsfaktorn för böjknäckning i brandlastfallet och beräknas
enligt,
𝜒𝑓𝑖 = 1
𝜑𝜃+ 𝜑𝜃2−𝜆𝜃2
( 7 )
Resterande parametrar i ekvation ( 5 ) bestäms enligt,
𝜑𝜃 = 0,5 ∗ 1 + 𝛼 ∗ 𝜆𝜃+ 𝜆𝜃2 ( 8 )
där imperfektionsfaktorn 𝛼 fås enligt, 𝛼 = 0,65 ∗ !"#!
! ( 9 )
där 𝑓! är stålets sträckgräns i 𝑃𝑎 vid normaltemperatur på 20°C.
Slankhetstalet 𝜆! fås vid ståltemperatur 𝜃! och beräknas enligt, 𝜆! = 𝜆 ∗ !!,!
!!,! ( 10 )
där 𝑘!,! är reduktionsfaktor för effektiv sträckgräns och 𝑘!,! är
reduktionsfaktor för lutningen inom det linjära elastiska området, faktorerna fås ur Tabell 6, och ståltemperaturen 𝜃! fås ur ekvation ( 1 ).
Tabell 6: Reduktionsfaktorer för töjnings- spänningsförhållande för stål vid förhöjd temperatur.
Ståltemperatur 𝜽𝜶 𝒌𝒚,𝜽 𝒌𝑬,𝜽
20 °C 1,000 1,000
100 °C 1,000 1,000
200 °C 1,000 0,900
300 °C 1,000 0,800
400 °C 1,000 0,700
500 °C 0,780 0,600
600 °C 0,470 0,310
700 °C 0,230 0,130
800 °C 0,110 0,090
900 °C 0,060 0,0675
1000 °C 0,040 0,0450
1100 °C 0,020 0,0225
1200 °C 0,000 0,0000
𝜆 är slankhetstalet vid normal rumstemperatur och fås enligt, 𝜆 = 𝐴∗𝑓𝑦
𝑁𝑐𝑟 ( 11 )
där 𝐴 är tvärsnittsarean i 𝑚𝑚! på stålprofilen och 𝑁!" är den kritiska knäcklasten i 𝑁 vid normal rumstemperatur och fås enligt,
𝑁!" =!!!∗!∗!
!"! ( 12 )
där 𝐸 är elasticitetsmodulen i 𝑃𝑎 , 𝐼 är tröghetsmomentet i 𝑚𝑚! och 𝑙!"
är stålprofilens knäcklängd i 𝑚 , som reduceras i vissa fall, (SS-EN-1993-1-2)
2.6 Att bygga med betong
Betong som byggnadsmaterial har används i mer än 100 år och detta har gjort att utvecklingen för materialet har gått framåt (Lin, 2007). På grund av den goda kvalitén av betongen som finns idag, kan konstruktionen klara av hög påfrestning från laster samt påverkan av brand.
Betong består i huvudsak av cement, ballast och vatten (Burström, 2007).
För att ändra betongens egenskaper tillsätter man ibland olika tillsatsmedel eller tillsatsmaterial. Blandar man vattnet och cementen bildas vad som brukar kallas cementpasta. Detta funkar som ett lim mellan stenarna och gruset i ballasten. När betongen härdar reagerar vattnet med cementen som stelnar.
Karakteristiska för betong är att den innehar goda
tryckspänningsegenskaper. Vilket gör materialet lämpligt att använda vid tillverkning av pelare. Däremot är betong sämre i drag,
dragspänningsegenskaperna motsvarar ca 10 % av tryckhållfastheten (Isaksson m.fl, 2010). För att kunna ta upp de dragspänningskrafter som uppstår vid momentpåverkan lägger man i armering i betongen.
2.6.1 Påverkan vid brand
Eftersom betongens struktur är en inhomogen sammansättning av ballast och cement blir temperaturens utbredning olika för de olika materialen
(Anderberg & Pettersson, 1992). Detta beror på de olika materialens värmeledningsförmåga, värmekapacitet och densitet. Att utföra exakta beräkningar på betongkonstruktioner utsatta för brand kräver kunskaper om termiska egenskaper vid varje temperaturnivå. På grund av brister på data och komplexiteten av en sådan beräkning används approximationer.
Längdutvidgningskoefficient är ett mått på hur mycket ett materials volym ökar då det värms upp (Anderberg & Pettersson, 1992). Betong är ett inhomogent material där cement, ballast och armering har olika
längdutvidgningskoefficienter. Vid uppvärmning ökar materialens volym med olika hastighet. Detta medför till att vidhäftningen mellan materialen upphör och betongen förlorar sin hållfasthet.
Betong förlorar stor del av sin hållfasthet av funktion av temperaturen, mer än exempelvis stål (Thor, 2012). På grund av att betong har högre
värmekapacitet och större massa tar det lång tid för hela tvärsnittet att värmas upp. Detta bidrar till att det finns en zon i tvärsnittets centrala delar där temperaturen är lägre och hållfastheten fortfarande är hög.
I betong finns alltid fukt lagrad (Thor, 2012). Fukten kan vid uppvärmning skapa ett fenomen som kallas spjälkning, se Figur 10.
Figur 10: Hur spjälkning uppkommer i betong vid brand, (Evas brandblogg, 2011).
Detta uppstår när fukt instängd i betongen värms upp. Eftersom att inte fukten kan transporteras bort ökar trycket vilket kan leda till att delar av betongen trycks ut från konstruktionen. Detta medför att konstruktionen försvagas (Thor, 2012).
2.6.2 Eurokod 2
Eurokod 2 ger de riktlinjer och parametrar som behövs för och dimensionera och verifiera betongkonstruktioner vid brand. Standarden behandlar konstruktionens bärförmåga, stadga, beständighet samt dess funktionsduglighet. En rad olika parametrar bestämmer hur dimensionering skall utföras vid ett byggnadsverk med en betongstomme för att stommen skall uppfylla brandkraven. Så som användningsområde, typ av betongkvalité och stålkvalité på armeringen. Se Figur 10 för hur dimensioneringsproceduren går till med hänsyn för brand på betongkonstruktioner.
Figur 11: Dimensioneringsprocedur för betongkonstruktioner, (SS-EN 1992-1-2, 2004).
Den finns tre olika beräkningsmetoder att använda sig av. Tabellerande värden och data, förenklade beräkningsmetoder och avancerade
beräkningsmetoder.
I dagsläget är det vanligaste dimensioneringssättet bland konstruktörer att använda sig av tabellerande värden och data (Thor, 2012). Tabell 7 visar minsta pelarbredd och centrumavstånd mellan de längsgående stängerna som behövs för att uppfylla standardbrandmotståndet.
Vid dimensionering av armerade pelare utsatta för normalbrand anses det tillräckligt om värdarna i Tabell 7 uppfyller utnyttjandegraden vid brand, utnyttjandegraden µμ!", fås ur ekvation (15).
Tabell 7: Hur standardmotstånd förhåller sig till pelarbredd/centrumavstånd för huvudarmering, (SS- EN 1992-1-2, 2004).
2.6.2.1 Tillämpning av Eurokod 2
Vid dimensionering av befintlig betongpelare, kan följande ekvation tillämpas för att beräkna hur lång tid betongpelaren står sig mot brand.
𝑅 = 120∗ 𝑅!"#+ 𝑅!+ 𝑅!+ 𝑅!+ 𝑅! 120 !,! ( 13 ) där
𝑅𝜂𝑓𝑖 = 83 ∗ 1,00 − 𝜇𝑓𝑖 1+𝜔
0,85 𝛼𝑐𝑐 +𝜔 ( 14 )
där 𝜇!" är utnyttjandegraden vid brand och fås enligt,
𝜇𝑓𝑖 = 𝑁𝐸𝑑.𝑓𝑖 𝑁𝑅𝑑 ( 15 )
𝑁!".!" är dimensionerande normalkraft vid brand i 𝑁 och 𝑁!" är
dimensionerande bärförmåga vid normal temperatur i 𝑁 . 𝜔 står för det mekaniska armeringsinnehållet vid normala temperaturförhållanden och fås enligt,
𝜔 =!!!∗!!"
!∗!!" ( 16 )
𝛼!! är en koefficient för tryckhållfastheten, se (SS-EN 1992-1-1, 2005).
𝑅𝑎 = 1,60 ∗ 𝑎 − 30 ( 17 )
där 𝑎 är centrumavståndet mellan de längsgående armeringsjärnen inuti pelaren, 25 𝑚𝑚 ≤ 𝑎 ≤ 80 𝑚𝑚
𝑅! = 9,60 ∗ 5 − 𝑙!,!" ( 18 )
där 𝑙!,!" är pelarens knäckningslängd vid brand, 2 𝑚 ≤ 𝑙!,!" ≤ 6 𝑚
𝑅𝑏 = 0.09 ∗ 𝑏′ ( 19 )
𝑏′ är diametern för cirkulära tvärsnitt, 200 𝑚𝑚 ≤ 𝑏! ≤ 450 𝑚𝑚, och 2 ∗ 𝐴! 𝑏 + ℎ för rektangulära tvärsnitt, där ℎ ≤ 1,5 ∗ 𝑏
𝑅! fås av antal armeringsjärn i pelaren, med 4 armeringsjärn ett i varje hörn, eller färre antal är 𝑅! = 0, annars är 𝑅! = 12.
3. Metod och Genomförande
3.1 Metod
3.1.1 Beräkningar
Arbetet inleddes med att undersöka vilka lagar och regler som finns angående branddimensionering för de tre studerade materialen. En samanställning av beräkningsunderlag som gäller vid
brandskyddsdimensionering sammanställdes.
3.1.2 Kvalitativa intervjuer
Kvalitativa intervjuer genomfördes med tre parter, alla insatta i
branddimensioneringsprocessen. De personer som intervjuats kommer all från olika konstruktions/konsultföretag. Anledningen till intervjuerna var att få ökad förståelse om hur dimensioneringen går till och av vem den utförs på konstruktionskontoren. Att använda sig av kvalitativa intervjuer ger en bra bild hur arbetet med branddimensionering utförs i verkligheten. Antalet intervjuade personer kan bidra till viss missvisning då det ger den intervjuades personliga syn på situationen. Hade istället en
enkätundersökning utförts bland fler ingenjörer hade resultatet stämt bättre överens med vad en ingenjör i allmänhet tycker, men svaren hade blivit mer kortfattade och de öppna beskrivande förklaringarna hade uteblivit, därför ansågs kvalitativa intervjuer ge mer.
3.2 Genomförande
3.2.1 Beräkningar
Exempelberäkningar utfördes för en pelare i limträ, en pelare i betong samt en pelare i stål. Detta för att ge läsaren en bättre förståelse av hur
beräkningsgången går till och vad som skiljer de olika materialen åt när det kommer till omfattning osv för brandskyddsdimensionering.
3.2.2 Intervjuer
Två av intervjuerna genomfördes på respektive parters arbetsplats. Under intervjun användes inspelningsutrustning för att lätt kunna sammanfatta intervjun efter besöket.
Första intervjun gjordes med Håkan Sanglen1 som har erfarenhet inom branddimensionering. I intervjun låg fokus på hans roll i
dimensioneringsprocessen och hur arbetet med branddimensionering går till.
Den andra intervjun gjordes med Erik Ramström2. Fokus på intervjun med Erik var att få förståelse för hur konstruktörer arbetar med brand och hur samarbetet mellan konstruktör, brandingenjör och entreprenör fungerar.
Ytterligare en intervju gjordes med Mattias Stål3som arbetar som brandkonsult i Norge.
1 Håkan Sanglen, brandingenjör på Brand och Riskanalys i Växjö, muntlig intervju 23 april 2015.
2 Erik Ramström, VD för Pehrsco byggkonsult i Växjö, muntlig intervju 4 maj 2015.
3 Mattias Stål, brandkonsult på BSR, muntlig intervju 6 maj 2015.
4. Resultat och analys
Under kommande avsnitt sammanställs de intervjuer som gjorts med berörda personer inom yrket. Samtidigt görs det analys av intervjusvaren mot svaren i frågeställningen. En intervjuguide till intervjuerna finns i Bilaga 1, där finns med de frågor som ställts och ett första utkast av
innehållsförteckningen.
4.1 Konstruktionslösningar
4.1.1 Resultat av intervjuer
Vid val av konstruktionsmaterial är det ofta ekonomin som bestämmer i slutändan, men kan även vara politiska beslut som avgör vilket material konstruktionen skall byggas av. Samtliga respondenter tyckte att ekonomin spelade en stor roll och att det oftast var det som styrde materialval.
På grund av stålets låga bärförmåga vid brand, så måste det skyddas och det innebär extra kostnader. Det finns flera olika alternativ för att skydda stålkonstruktionen. Konstruktören väljer brandskyddsmaterial utifrån det som är lämpligast för konstruktionen.
Samtliga respondenter såg positivt på användning av limträ och att det kommer användas mer och mer i framtiden på grund av goda möjligheter till hög prefabriceringsgrad och de ökade miljökrav som ställs.
"Med dagens miljökrav, gör att man använder trä mer och mer i
byggnationer. Med det sagt så tror jag att trä kommer bli allt mer populärt och detta bygger jag på prefabriceringen som blir mer vanligt."- Enligt Mattias Ståhl.
4.1.2 Sammanfattande jämförelse av materialen
För dessa tre material är det endast betong som inte behöver skyddas vid normala brandkrav. Det beror på att betongen har hög värmekapacitet och klarar av normalbränder med brandkrav R60 utan extra skydd. Stål och limträ däremot måste skyddas på något sätt, det många olika sätt att skydda dem.
Limträ förekommer ofta i större dimensioner på grund av dimensionerande vind och snö laster, därför har de redan så pass stort tvärsnitt att det klarar av en normalbrand. På så sätt är limträ per automatik brandskyddat.
Stålkonstruktion står sig dåligt vid brand och måste skyddas. Här finns det många olika alternativ, det vanligaste i bostadshus är att man bygger in stålet
i väggarna. Andra varianter som kan användas är brandskyddsfärg, stenullsskiva, sprutisolering, gips eller fibersilikatskiva. Valet av brandskydd varierar med vad det är för sorts byggnad och med vilket brandkrav som ställs på byggnaden.
4.2 Brandtekniska regler
4.2.1 Resultat av intervjuer
Enligt de regler som brandkonsulter och konstruktörer skall förhålla sig till vid branddimensionering, upplever de inte några speciella problem med något av materialen. Dock är det lättare att projektera en betongkonstruktion jämfört mot en stålkonstruktion som nästan alltid behöver skyddas.
4.2.2 Sammanfattande jämförelse av materialen
Det som ligger till grund för brandsäkerhetsklass, verksamhetsklass och brandteknisk byggnadsklass är de lagar och regler som finns i Plan- och bygglagen, och samt i Plan- och byggförordningen.
De regler som finns att förhålla sig till i BBR, Plan- och bygglagen samt Plan- och byggförordningar, skiljer inte sig mellan de olika
konstruktionsmaterialen. Dock skiljer de sig åt för de olika
dimensioneringsprocedurer i de Svenska standarderna. Där finns det olika procedurer för att klara de krav som ställs på konstruktionen.
4.3 Dimensionering
4.3.1 Resultat av intervjuer
Angående att bygga med betong anser samtliga respondenter att det är enkelt att arbeta med och att det i normala fall klarar de brandkrav som ställs för konstruktionen. Vid specialfall som till exempel vid dimensionering av arkiv, som ställer högt brandkrav krävs det en större
brandtekniskdimensionering för att se att betongen klarar sig. Detta görs oftast med hjälp av en lätt tabell där konstruktören enkelt ser vilket tvärsnitt och centrumavstånd på armering som krävs för att komma upp i brandkravet som ställs för arkivet.
Vid dimensionering av konstruktioner i limträ ser samtliga respondenter positivt på. Det beror på att det är ett stark material och har kortare inbrinningstid än en lättare träkonstruktion.
"Limträ är ett bra stommaterial som har så hög dimension på grund av vind och snö last, att det klarar av en brand bra." –Enligt Håkan Sanglén.
Samma positiva svar kring materialen gällde inte för stålet som har dålig resistans mot värme och därmed påverkas tidigt vid en brand. Detta innebar att stålet måste brandskyddas för att klara av de brandkrav som ställs.
4.3.2 Sammanfattande jämförelse av materialen
Det som står till grund för dimensioneringarna är temperaturen för branden.
Detta kan man ta fram genom tester eller genom att använda sig av ISO834.
För ISO834 finns det olika kurvor för bränder, där hänsyn togs till standardbrandkurvan som är för normalbrand i bostad. Vid beräkning för standardbrandkurvan ser man att en brand når 500°C efter ca. 5 minuter och 800°C efter 30 minuter.
För samtliga dimensioneringar finns de ekvationer för att ta fram om
konstruktionsdelen behåller in bärförmåga efter brand. Dessa uträkningar är väldigt olika då materialen påverkas olika vid en brand. För till exempel en limträpelare räknar man fram ett förkolningsdjup efter dess påverkan av brand under en viss tidsperiod.
Stålkonstruktionen är något svårare att dimensionera eftersom det gäller att bärförmågan är större än lasteffekten med hänsyn till brand. Där man räknar fram ett slankhetstal vid en viss kritisk temperatur för stålpelare. Därefter med hänsyn till reduktionsfaktorn, tvärsnittsarean och sträckgränsen för både normal temperatur och stålets kritiska temperatur. Med detta kan man sedan beräkna den dimensionerande tryckkraftsförmågan hos stålet när det är utsatt för brand.
På grund av att betong är ett väl beprövat material i dagens byggnationer, är det vanligaste dimensioneringssättet för konstruktörer att kolla i tabeller där man enkelt kan se vilket tvärsnitt som krävs för att konstruktionen skall uppfylla det ställda brandkravet.
4.4 Analys av pelare med branddimensionering
Här analyseras de tre olika dimensioneringsmetoderna för att komma fram till om en pelare i ett 6-8 våningshus klarar av en 60 minuters brand. Det finns olika dimensioneringsmetoder att använda sig av för de olika materialen och beräkningarna finns i följande:
• Limträ à Bilaga 2
• Stål à Bilaga 3
• Betong à Bilaga 4
De olika tvärsnitten, egenskaper och laster från materialen har antagits med hjälp av tidigare arbeten och exempel på beräkningar.
En jämförelse mellan materialen visar att det är endast betongen som behöll sin bärförmåga efter en 60 minuters brand, medan både limträ- och
stålpelaren inte klarade av lasten och därför knäcktes eller vek sig.
För betongpelaren valdes dimensioner som skulle klara en 60 minuters brand enligt Tabell 7 med utnyttjandegraden 0.7. Efter beräkningen såg man att betongen klarade en brand på cirka 63 minuter vilket innebar att tabellen stämde bra överens med dimensioneringsmetoden. Se Figur 12 för
tvärsnittet för betongpelaren.
Figur 12: Tvärsnitt för befintlig betongpelare
Limträpelaren valdes till att vara tillverkad av furu med standardmått för limträpelare 165x360 mm, se Figur 13. Där den centriska lasten antogs vara 100 kN. Beräkning tog fram ett nytt effektivt tvärsnitt efter att limträpelaren yta hade förkolnat. Pelaren knäcktes då i den veka riktningen.
Figur 13: Limträpelarens nya effektiva tvärsnitt 67x262 mm.
Beräkningen för stålpelaren gjordes på en VKR-profil 200x200 med godstjocklek 10 mm, se Figur 14. Dessa mått gjordes efter antagande från tidigare arbeten där även lasten antogs till 100 kN. Efter beräkning på 60 minuters brand framgick det att pelaren klarade en bärförmåga på ca 90 kN vilket innebar knäckning då lasten var 100 kN.
Figur 16: VKR-rör 200x200.
5 Diskussion
5.1 Metoddiskussion
I planeringsstadiet för rapporten var tanken att bara använda litteraturstudie, men för att få in en verklighetsanknytning till området har intervjuer gjorts med berörda personer inom yrket, så som byggnadsingenjörer, konstruktörer och brandingenjörer. Det medförde att rapporten kunde knytas ihop med den teori som samlats in genom litteraturstudie med de svar som intervjuerna gav. Intervjuerna gav även tips på punkter som de tyckte rapporten kunde behandla. Detta resulterade i att rapporten ger ytterligare relevans som ett underlag.
För att få ytterligare tyngd i resultatet skulle man kunnat intervjua fler personer som varit med länge inom området, samt tagit in hur entreprenörer tänker vid valet stommaterial.
Ett annat alternativ till metod hade varit att skicka ut en enkätundersökning.
Med en sådan undersökning hade man kunnat få svar från fler parter inom området. Dock hade kanske inte svaren blivit lika kvalitativa som vid intervjuer.
Fler typexempel på beräkningar av byggnadsdelar hade kunnat göras för att få mer tydlighet. Men svaren från intervjuerna gav information om att det i verkligheten inte görs några komplicerade beräkningar.
5.2 Resultatdiskussion
Resultatet av rapporten blev intressant och lärorik. Där man får en bra översikt hur materialen förhåller sig till varandra i brandsynpunkt. Vilket material som kunde stå mot en brand bäst, beräkningar för samtliga material samt vilka alternativ som finns för att brandskydda konstruktionen.
Hur påverkar ekonomin materialvalet, hade varit intressant då det ofta är det som påverkar valet av stomsystem vid högre bostadshus med cirka åtta våningar.
I resultatdelen i rapporten har det gjorts en jämförelse mellan materialen, kring de frågor som ställdes under frågeställningen. Vilket gav rapporten sitt slutresultat. All information som samlats in och den information som
intervjuerna har gett, har jämförts och stämt överens med varandra.
Tidigare hade det gjorts liknande rapporter inom området, dessa rapporter har mestadels varit inriktade på ett material och inte jämförts med varandra.
Resultatet från denna rapport ger en snabb överblick om hur materialen reagerar och vad som händer med dem vid brand.
6. Slutsats
Syftet med detta examensarbete var att ta fram ett underlag för
nyexaminerade ingenjörer och berörda personer inom arbetet som behöver enkel överblick för materialen vid brandpåverkan. Där man enkelt skulle se skillnader och välja det material som passar konstruktionen bäst.
En byggnads brandklass på konstruktionen, bestäms utifrån storlek och verksamhet. Så även om materialet skiljer sig mellan limträ, stål eller betong så skall byggnaden klara den brandklass som byggnaden är indelad efter, i fallet ett 6-8 våningars bostadshus BR1. Det som skiljer de olika
konstruktionerna åt, är hur de på olika sätt behöver brandskyddas.
Limträkonstruktioner används mer och mer. Vid branddimensionering är det egentligen bara och överdimensionera limträets tvärsnitt, men man kan även skydda limträet med någon form av brandskyddsskiva som skyddar limträets yta, t.ex. om det inte finns utrymme för att överdimensionera. Brandskyddet kan också uppfyllas om byggnaden utrustas med sprinklers eller om man applicerar brandskyddsfärg.
Med en stålkonstruktion i ett bostadshus med 3-8 våningar måste stålet på något sätt brandskyddas, på grund sin värmeledningsförmåga. Då stålet börjar bli tillräckligt varmt börjar det tappa sin bärförmåga, och detta sker redan vid temperaturer runt 450°C. Det vanligaste är att bygga in pelare och balkar i väggar och tak som på så sätt skyddar stålet från att komma i kontakt med branden. Det finns också andra lösningar som att klä in balkar och pelare med någon form av brandskyddsskivor eller applicera
brandskyddsfärg på de utsatta ställena där branden kan komma åt stålet.
Ur brandsynpunkt är betong det enklaste att använda sig av till en bärande konstruktionen vid ett större bostadshus. Det på grund av sin resistans emot brand, vilket betyder att inget speciellt brandskydd behövs för att bibehålla materialets bärförmåga vid brand. Dock förlorar även betongen sin
bärförmåga vid en längre brand och spjälkning kan uppstå, om konstruktionen inte har en tillräckligt grov dimension.
Intervjuerna har gett en ökad förståelse för hur berörda människor jobbar och tänker vid brandskydd vid olika konstruktionslösningar. Med hjälp av svaren från intervjuerna, har den fakta vi funnit genom litteratur och artiklar kunnat knytas samman. Dessa har stämt bra överens med varandra. Valet av brandskydd hos de berörda parter som intervjuats väljs ofta på erfarenhet och rutin, material de vet fungerar sen innan.
De intervjuade såg även positivt på en sådan här rapport som kan användas som ett enklare underlag för och se vad som händer med de olika materialen vid brand.
Referenser
2010:900. Byggnadsverks tekniska egenskaper. Stockholm.
Socialdepartementet
2011:338. Krav på byggnadsverk. Stockholm. Socialdepartementet
Anderberg, Yngve. Pettersson, Ove. 1992. Brandteknisk dimensionering av betongkonstruktioner. Stockholm. Statens råd för byggnadsforskning.
Anderson, Johan. 1992. Brandisoleringsmaterial: Brandskydd av stålkonstruktioner. Volym 129. Stockholm. Stålbyggnadsinstitutet BBR, Boverkets byggregler. 2011. Brandskydd, avsnitt 5.
http://www.boverket.se/globalassets/vagledningar/kunskapsbanken/bbr/bbr- 22/bbr-avsnitt-5 (Hämtat 2015-03-30)
Bengston, Staffan. Frantzich, Håkan. Jönsson, Robert. Marberg, Per-Anders.
2012. Brandskyddshandboken: En handbok för projektering av brandskydd i byggnader. Lund. Lunds universitet/Brandskyddslaget
BFS 2010:28. EKS 7. Boverkets författningssamling. Svensson, Lars T.
BFS 2011:26. BBR 19. Boverkets författningssamling. Svensson, Yvonne.
Bilow, David N och Kamara, Mahmoud E. 2008. Fire and concrete
structures. Crossing borders. http://www.cement.org/docs/default-source/th- buildings-structures-pdfs/fire-concrete-struc-sei-08.pdf (Hämtat 2015-03-30) Boverket. 2015. Brandskydd. http://www.boverket.se/brandskydd (Hämtat 2015-03-30)
Burström, Per-Gunnar. 2007. Byggnadsmaterial – Uppbyggnad, tillverkning och egenskaper. Lund. Studentlitteratur AB.
Byggbasen. 2001.
http://www.byggbasen.com/prod/brandskyddsfarg/2144.html (Hämtat 2015-04-20)
Byggkatalogen. 2015. http://byggkatalogen.byggtjanst.se/produkt/skivor- ovriga/promatect-h-brandskyddsskiva/25392 (Hämtat 04-20-2015) Carling, Olle. 2001. Limträhandbok. Stockholm. Svenskt limträ AB
Erchinger, Carsten. Frang, Andrea och Fontana, Mario. 2010. Fire design of steel-to timber dowelled connections. Engineering structures. 32 (2): 580- 589.
Evas brandblogg. 2011.
http://evasbrandblogg.se/2011/11/sjalvkompakterande-betong/ (Hämtat 2015-05-11)
Gerard, Robert och Barber, David. 2013. Fire safety challenges of tall wood buildings.
http://www.google.se/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved
=0CFcQFjAG&url=http%3A%2F%2Fwww.nfpa.org%2F~%2Fmedia%2Ffi les%2Fresearch%2Fresearch-foundation%2Fresearch-foundation-
reports%2Fbuilding-and-life-
safety%2Ffiresafetychallengestallwoodbldgs.pdf%3Fla%3Den&ei=bb1HVd jsEcONsgHXh4CADQ&usg=AFQjCNF7bXX66bZytabmH_8w-
9QV2gKg5A&bvm=bv.92291466,d.bGg (Hämtat 2015-05-05) Glasø Geir. 2012. Fokus paa tre. Tre og brann.
Guan, Hong. Li, Yi. Lu, Xinzheng. Ying, Mingjian och Yan Weiming. 2015.
A case study on a fire-induced collapse accident of a reinforced concrete frame-supported masonry structure. Fire Technology. 51 (3).
Hurley, Morgan J. Gross, John L. McAllister, Therese P. Phan, Long T.
2010. Best Practice Guidelines for Structural Fire Resistance Design of Concrate and Steel Buildings.
http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/TechnicalNotes/NIST.TN.1681.pdf (Hämtat 2015-05-05)
Isaksson, Tord. Mårtensson, Annika. Thelandersson, Sven. 2010.
Byggnadskonstruktion. Upplaga 2:3. Lund. Studentlitteratur AB.
Kolaitis, Dionysios I. Asimakopoulou, Eleni K och Founti, Maria A. 2014.
Fire protection of lihjt and massive timber elements using gypsum
plasterboards and wood based panels: A large-scale compartment fire test.
Construction & Building Materials. Vol 73: 163-170
Lin, Shyh-Chyang. 2007. Monitoring of concrete building construction.
Canadian Journal of civil Engineering. 34 (10): 1334-1352.
Park, Haejun. Meacham, Brian J. Dembsay, Nicholas A och Goulthope Mark. 2014. Intergration of fire safety and building design. Building research & information. 42 (6): 696-706.
Paroc. 2012. http://www.paroc.se/~/media/files/brochures/sweden/paroc- protection-firesafe-constructions-se.ashx (Hämtat 2015-04-20)
Promat. 2006. Brandisolering av bärande stålkonstruktioner med promatect.
http://www.brandex.se/bdh_filearea/Skivmaterial/Promatec.pdf (Hämtat 2015-04.20)
