Brandwerendheid toegelicht (deel 1)

Ede, 20 maart 2018

Als je gevaarlijke stoffen opslaat, dan moet je dat in Nederland vaak doen volgens de richtlijnen van de PGS 15. In deze richtlijn wordt gesproken over de brandwerendheid van zulke opslagvoorzieningen. Maar hoe maak je iets brandwerend? En hoe kan je controleren of een opslagvoorziening (nog steeds) brandwerend is?

Theorie (brand)

Brand is een reactie waarbij relatief veel energie vrij komt. Deze energie wordt voornamelijk omgezet in licht en warmte. De vlammen bij brand zijn vaak rood/geel-gloeiend. De kleur van een vlam hangt af van de temperatuur en het materiaal. Misschien weet je nog van de natuur- en scheikunde lessen van vroeger, dat een gele vlam relatief koud is (en daarom een waakvlam genoemd wordt) en dat de blauwe vlam relatief heet is (en daarom gebruikt wordt om dingen te verwarmen). De warmte die uitgestraald wordt, hangt ook af van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer warmte uitgestraald wordt. In de tabel zie je de relatie tussen de temperatuur van een theoretische vlam (zwarte straler) en warmtestraling die erbij hoort.

 

Temperatuur (°C)

Warmtestraling (kW · m-2)

375

10,0

444

15,0

671

45,0

800

75,2

1000

148,9

1100

201,5

1200

266,9

 

Theorie (warmte overdracht)

De warmte-energie kan overgedragen worden van het ene naar het andere object via drie processen:

  1. Aanstraling: het door de vlam uitgestraalde licht bereikt een object dat het absorbeert en daardoor opwarmt;
  2. Convectie: de warme verbrandingsgassen komen in aanraking met een object, waardoor het opwarmt (ook mogelijk voor vloeistoffen);
  3. Geleiding: de warmte wordt binnen één stof (intern) verspreid.

Voorbeelden

Aanstraling

Een infraroodlamp is een apparaat dat elektrische energie omzet in licht. Het grootste gedeelte van dit licht is onzichtbaar voor het menselijk oog (infrarood). Het uitgestraalde licht van deze lamp wordt gebruikt om een bepaald gedeelte (bijv. spieren) van het menselijk lichaam te verwarmen.

Convectie

Als er gekookt wordt op gas, dan stromen de verbrandingsgassen langs de pan. Hierdoor wordt de pan verwarmd. Je kun dit merken als de handvatten warm worden. Zij worden niet direct aangeraakt door de “vlam”, maar toch stromen hier warme gassen langs.

Geleiding

Een kookpan wordt verwarmd aan de buitenkant. Toch wordt de binnenkant van de pan na verloop van tijd ook warm. Dit komt doordat de pan warmte geleidt: de warmte wordt verspreid door de hele pan.

 

De snelheid waarmee warmte wordt verspreid door een materiaal, verschilt per materiaal. Het wordt bepaald door de warmtegeleidingscoëfficient. Als dit gecombineerd wordt met vloeistoffen of gassen, wordt vaak gesproken van een warmteoverdrachtscoëfficient.

Brandwerendheid

In het kader van brandveiligheid en brandwerendheid, speelt deze warmteoverdrachtscoëfficient een belangrijke rol. Denk bijvoorbeeld aan de brandwerende kledij die gedragen wordt door de brandweer. Vaak is het pak gemaakt van een luchtig, wol-achtig  materiaal. Deze combinatie van “vaste stof” met “gas” heeft een zeer lage warmteoverdrachtscoëfficient, waardoor de persoon in het pak beschermd wordt tegen de hitte. Het vizier van de helm, of de nek-lap zijn vaak van een reflecterend materiaal gemaakt. Hierdoor wordt de warmtestraling gereflecteerd. Ook bij bouwwerken, of brandveilige kasten zijn dezelfde natuurkundige principes van toepassing bij het brandveilig maken: de NEN 6068 beschrijft een aanstralingsmodel, zodat in geval van brand in een gebouw geen brandoverslag zal plaatsvinden naar nabijgelegen panden. De NEN 6069 beschrijft welke isolerende eigenschappen bouwdelen en bouwproducten kunnen hebben.

Criteria volgens NEN 6069

De NEN 6069 maakt onderscheid in soorten brandwerendheid.

  • R: Weerstand tegen bezwijken. Onderdelen die voldoen aan dit criterium kunnen bij brand dezelfde belasting dragen (draagkracht leveren).
  • E: Vlamdicht. Onderdelen die voldoen aan dit criterium zullen bij brand de vlammen (grotendeels) tegenhouden.
  • I: Temperatuursisolatie. Onderdelen die voldoen aan dit criterium zullen bij brand de temperatuur aan de andere (niet-brand) zijde gemiddeld niet meer laten stijgen dan met 140 °C; en een uitschieter is niet meer dan 180 °C.
  • W: Warmtestralingsisolatie. Onderdelen die voldoen aan dit criterium zullen bij brand op 1 m afstand aan de andere (niet-brand) zijde niet meer warmtestraling geven dan 15 kW/m2.

Voorbeelden

Stalen constructie

Staal is een zeer goede warmte-geleider, dus zal het W- en I-criterium waarschijnlijk niet halen. Staal is gasdicht, dus zal makkelijk het E-criterium halen. De smelttemperatuur van staal ligt rond de 1400 °C. De meeste branden hebben een vlamtemperatuur tussen de 700 °C en 1100 °C, dus er zal geen gat smelten in het staal. Echter, de stevigheid van staal wordt wel aangetast bij deze temperaturen. Tot ongeveer 400 °C blijft de stijfte van het staal onaangetast. Bij ongeveer 600 °C is staal ongeveer de helft van zijn stevigheid verloren, en bij ongeveer 800 °C heeft staal 90% van zijn stevigheid verloren. Het R-criterium kan nog steeds gehaald worden, als hierop ontworpen wordt: de staalconstructie wordt ontworpen om twee maal zoveel te kunnen dragen als nodig. Het R-criterium wordt dus tot 600 °C behaalt. Als het 30 minuten duurt om de staalconstructie op te warmen tot deze temperatuur (bij een standaard brand), kan de constructie een RE-30 minuten beoordeling krijgen.

Sandwichpanelen in aluminium-frame

De sandwichpanelen hebben een classificatie REI-60. Deze sandwichpanelen worden op hun plaats gehouden door een aluminium frame. De smelttemperatuur van aluminium is ongeveer 650 °C. Binnen 10 minuten is het hele aluminium frame gesmolten, waardoor de sandwichpanelen hun functie verliezen. Ondanks dat onderdelen van de constructie REI-60 zijn, heeft de totale constructie een brandwerendheid van minder dan 15 minuten. (Volgens de NEN 6069 wordt een onderdeel pas vanaf 15 minuten geclassificeerd.)

Waar moet je op letten?

Bij het ontwerpen, of beoordelen van een brandwerende constructie is het zaak om op twee dingen te letten. Allereerst moeten de onderdelen van de constructie een brandwerende classificatie hebben. Een leverancier kan vaak aantonen aan welke criteria is voldaan en onder welke omstandigheden. Het tweede waar je op moet letten is de constructie-methode(n). Als je een spijker slaat door een brandwerende muur, zorg je ervoor dat er een gat zit in de muur. Metaal is een goede geleider van warmte, dus zal deze spijker de warmte veel beter geleiden dan de brandwerende muur. Dit soort warmte-bruggen zijn bijna onvermijdelijk. Een brandwerende plaat zal op een manier vastgemaakt moeten worden. Lijm laat bij brand erg snel los, dus wordt er vaak gekozen voor schroeven of spijkers. Deze zetten bij warmte iets uit, waardoor ze het materiaal stevig vast blijven houden, maar zorgen ook voor een warmte-brug. De hoeveelheid warmte die doorgelaten wordt, zal afhangen van de diameter van het gat, en de hoeveelheid gaten.

De lastige punten bij elke constructie zijn de randen, de hoeken en de doorvoeren. Gelukkig zijn er voor doorvoeren voor kabels, ventilatiekanalen, en deuren standaard oplossingen. Voorbeelden van deze oplossingen zijn vlinderkleppen en opschuimend materiaal.

Klik hier voor deel 2, waarbij de constructie-methode van Anlag wordt vergeleken met traditionele constructie-methoden.