18 september 2024 Under en brands avsvalningsfas fortsätter värmevågen inåt i konstruktionselement. Konsekvensen av detta är att lastbärande konstruktioner kan kollapsa under en brands avsvalningsfas. Artikeln beskriver ett koncept för att inkludera avsvalningsfasens inverkan på brandmotståndet på ett förenklat sätt.
Vid traditionell brandmotståndsprovning utvärderas brandmotståndet hos byggnadselement genom att man brandexponerar elementen i brandprovningsugnar och utvärderar hur lång tid vissa bestämda kriterier kan uppfyllas. Vanliga kriterier är att ett brandexponerat elelement ska kunna bära en last, R-kriteriet, kunna stänga inne en brand, E -kriteriet eller kunna isolera en brand, I – kriteriet. Baserat på dessa brandmotståndsprovningar kan sedan elementet klassificeras för att få en brandklass med en viss tid [1]. Ett exempel kan vara en lastbärande vägg som under 60 minuters brandexponering bär upp en last, förblir intakt utan att hål öppnar sig och stänger inne branden så att utsidan på konstruktioner inte blir för varm. En sådan vägg får brandklassen REI 60 där 60 betyder att kriterierna uppfylls under 60 minuters brandexponering enligt standardbrandkurvan.
Standardbrandkurvan
Vad är då standardbrandkurvan? Standardbrandkurvan är den helt dominerande brandexponeringen som används då man utvärderar brandmotståndet hos byggnadskonstruktioner, se figur 1. Den består av en standardiserad temperaturutveckling som definierades för mer än 100 år sedan i USA [2]. Ursprungligen var kopplingen till hur riktiga bränder ser ut svag, då man vid den tiden inte hade gjort några väl kontrollerade branddynamikförsök i USA. När man sedan började göra branddynamikförsök på 1920-talet insåg man att riktiga bränder varierar på två sätt. Riktiga bränder kan både ha olika tillväxthastighet och varaktighet vilket i teorin skulle leda till att man måsta prova enligt ett antal olika brandkurvor för olika förhållanden för att vara säker på att konstruktionerna klarar en riktig brand. Den rationella lösningen på problemet blev då att man bestämde att man låser den ena variabeln, tillväxthastigheten, och låter den ske enligt standardbrandkurvan. Det gjorde man enligt den så kallade ”lika area hypotesen” vilken går ut på att en brands påverkan på konstruktioner är relaterat till arean under brandexponeringskurvan (dock räknade man inte arean under en undre gränstemperatur på 150 eller 300 °C).
Med denna teoretiska bakgrund kunde man då göra temperaturmätningar från naturliga bränder med en viss area under temperaturkurvan till standardbrandexponering med samma area under brandkurvan. Baserat på en mängd branddynamikexperiment bestämde man sedan olika brandklasser i minuter, 30, 60, 90, 120 min os v, för olika brandceller med olika mängder brännbart material.
Avsvalningsfasen
Inledningsvis ingick en avsvalningsfas vid brandmotståndsprovingar men den har sedan länge tagits bort för byggprodukter. Vid ett brandprov följer man helt enkelt den ständigt växande standardbrandkurvan tills någon av kriterierna, vanligtvis REI enligt ovan, bryts. Därefter klassificeras produkten till närmaste brandklass kortare än tiden vid kriteriebrottet. Men riktiga bränder har ju alltid en avsvalningsfas? Under avsvalningsfasen vid riktiga bränder går temperaturen ned i brandcellen och värmen som redan trängt in i de yttre delarna av byggnadselement fortsätter inåt i konstruktionerna vilket kan leda till kollaps under avsvalningsfasen. Thomas Gernay och Jean-Marc Franssen har tagit fram ett relativt enkelt kompletterande koncept till den traditionella brandmotståndsprovningen där avsvalningsfasen ingår i utvärderingen [3][4]. En konstruktions ”duration of heating phase” eller ”burnout resistance”, definieras som den längsta upphettningsfas i minuter som en konstruktion kan vidmakthålla sin lastbärande förmåga om den också måste uppfylla sin funktion under den efterföljande avsvalningsfasen, se ett exempel i figur 2. Inom detta koncept, som ännu inte har ett bra svenskt namn, följer brandexponeringen standardbrandkurvan i upphettningsfasen och definitionen av avsvalning för denna typ av brand som finns i Eurokoden [5]. Liksom brandmotståndsklassificeringen används konceptet för lastbärande element innan man vet var i konstruktionerna de ska användas. Då fungerar det som ett kompletterande robusthetsmått.
Praktiska exempel på avsvalningsfasens inverkan
Det har visat sig att olika konstruktionselement är olika känsliga för kollaps under avsvalningsfasen, d vs förhållandet är olika mellan A) längden på upphettningsfasen som den kan klara utan att kollapsa under avsvalningsfasen och B) brandmotståndet i minuter enligt traditionell brandmotståndsproving. Detta förhållande kan undersökas både genom brandprovning och genom beräkningar. Vid beräkningar är det viktigt att man använder en beräkningsmetodik som i grunden är validerad mot experiment. 
I figur 3 och 4 visas förhållanden mellan brandmotståndet R och den upphettningsfas som konstruktionerna klarar om den också ska klara avsvalningen. Vi ser i figurerna att detta förhållande (A/B) är kring 0,7 för betongpelare och mellan 0,2 och 0,5 för träpelare. Betydelsen av detta är att de undersökta betongpelarna är mer robusta ur ett brandmotståndsperspektiv än de undersökta träpelarna trots samma standardiserade brandmotstånd. Experimenten på träpelare som visas i figur 4 visar att det tvärsnitt som klarat att bära lasten under 55 och 58 minuter under standardbrandpåverkan (kontinuerligt ökande enligt brandprovningsstandarden) inte klarar 15 minuters standardbrandpåverkan om de också måsta klara det efterföljande avsvalningsförloppet. Dessa slutsatser är endast giltiga för de undersökta tvärsnitten och lasterna men det illustrerar hur viktig avsvalningen kan vara för bärförmågan och robustheten hos konstruktioner. I strukturer sker ofta lastomfördelningar mellan bärande element i ramverk så konsekvenserna är inte alltid lika dramatiska i praktiken som dessa exempel på avsvalningsfasens inverkan. Men exemplen visar att det är ett viktigt område att utveckla både ur ett egendomsskyddsperspektiv och för räddningstjänstens säkerhet.
Vägen framåt
I ett nyligen avslutat Brandsforskprojekt sammanfattas litteraturen inom området och en väg framåt presenteras [11]. Detta är ett steg mot att inleda ett standardiseringsarbete inom området. Det är dock inte realistiskt att tro att man kan ersätta den standardiserade brandmotståndsutvärderingen rakt av utan det kommer främst att kunna fungera som ett komplement för element i speciellt viktiga delar av det lastbärande ramverket. Dock kan konceptet användas redan nu av brandkonsulter för att jämföra robustheten hos olika konstruktioner med samma standardiserade brandmotstånd.
Läs artikeln som pdf här:
ROBERT MCNAMEE
RISE, Avd Brand och Säkerhet
Brandteknik, LTH
Referenser
[1] Jansson R. och Strömgren M. ”Så bestäms brandmotståndet” Husbyggaren, Nr 1, 2014 [2] McNamee R. och Ödeen K. ”Standardbrandkurvan- En pigg 103-åring?” Bygg och Teknik, Nr 5, 2021 [3] Gernay T., och Franssen J-M. (2015) ”A performance indicator for structures under natural fire”, Eng Struct 2015;100:94–103. [4] McNamee R. (2022) “The coupling between fire dynamics and fire resistance – Are we on the right path?” Keynote at the Nordic Fire and Safety Days, 2022 [5] EN 1991-1-2 (2002) Eurocode 1: Actions on structures – Part 1-2: General actions – Actions on structures exposed to fire, European Committee for Standardization 2002 [6] Gernay T, Zehfuss J, Franssen J-M, Robert F, , Brunkhorst S Felicetti R, Bamonte P, , Mohaine S och McNamee R “Experimental assessment of the burnout resistance of timber and concrete columns” SiF 2022– The 12th International Conference on Structures in Fire The Hong Kong Polytechnic University, Nov 30 – Dec 2, 2022 [7] Gernay T. (2019) “Fire resistance and burnout resistance of reinforced concrete columns” Fire Safety Journal, 104, 67-78. [8] Gernay T, Franssen J-M, Robert F, McNamee R, Felicetti R, Bamonte P, Brunkhorst S, Mohaine S och Zehfuss J. (2022). “Experimental investigation of structural failure during the cooling phase of a fire: Concrete columns”, Fire Safety Journal, 134, 103691 [9] Gernay T. (2021) “Fire resistance and burnout resistance of timber columns” Fire Safety Journal, 122, 103350. [10] Gernay T., Zehfuß, J., Brunkhorst, S., Robert, F., Bamonte, P., McNamee, R., Mohaine S. and Franssen, J. M. (2023) “Experimental investigation of structural failure during the cooling phase of a fire: Timber columns” Fire and Materials, 47(4), 445-460. [11] Gernay T. och McNamee R. (2024) ”Burnout Resistance based on the Duration of Heating Phase concept – Literature review and Roadmap” Rapport 3260, ISRN: LUTVDG/TVBB–3260—SE, Brandteknik, Lunds Tekniska Högskola
