Lærebok i brannvern og brannteknikk 8251911028 [PDF]

Zitiervorschau

Nasjonalbiblioteket Depotbiblioteket

Georg Gj essen

LÆREBOK I BRANNVERN OG BRANNTEKNIKK

TAPIR 1992

© TAPIR FORLAG, 1992 Det må ikke kopieres fra denne bok ut over det som er tillatt etter bestemmelser i "Lov om opp­ havsrett til åndsverk", "Lov om rett til fotografi" og "Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet"

ISBN 82-519-1102-8 Trykk: Tapir

Bind: Julius Maske A/S Omslag ved Leif Gaustad

FORORD Brannvern og brannteknikk vies ikke tilstrekkelig oppmerksomhet i dagens undervisningsopplegg for ingeniører og sivilingeniører, noe som fører til at det ikke gis noen helhetlig undervisning i faget. Deler av fagområdet blir berørt i forbindelse med andre fag, men forståelsen for brann og brannvern blir liten. Fagområdet brann omfatter mange delemner. Hensikten med denne læreboka er å gi en helhetlig fremstilling av alle aktuelle delemner, og se disse i sammenheng. I en lærebok av denne type vil det føre for langt å gå i dybden innenfor de forskjellige problemstillinger. For de som ønsker mer informasjon henvises det derfor til litteraturoversikten bakerst i boka. Boka er først og fremst skrevet for bruk i undervisningssammenheng, med tanke på utdanning av ingeniører og sivilingeniører. Fra min praksis som rådgivende ingeniør vet jeg imidlertid at det er stort behov for ut­ videde kunnskaper om brann også blant arkitekter, rådgivende ingeniører, prosjektledere, byggeledere og byggherrer, og det er mitt håp at boka vil finne lesere også i denne gruppen. Det er ikke forutsatt at leseren har spesielle forkunnskaper innenfor fag­ området brann, men en viss kjennskap til vanlig byggetekniske begreper og terminologi vil være en fordel. For å få utbytte av kapittel 9, er det nødven­ dig med kjennskap til vanlige prinsipper for dimensjonering av bærende konstruksjoner. Vi har de senere år fått på markedet mange utmerkede bøker som om­ handler branntekniske emner. Dessverre er bare en liten del av dette materi­ alet tilgjengelig på norsk. Denne boka er et forsøk på å gi innsikt i noe av den informasjon som finnes, og vil forhåpentligvis inspirere leseren til å ta for seg andre mer utfyllende bøker innenfor de områdene som måtte være av interesse. I forbindelse med utarbeidelsen av en lærebok på norsk dukker spørs­ målet om symbolbruk opp. Jeg har i denne boka benyttet symboler som er innarbeidet i norsk regelverk i størst mulig grad. Forøvrig er det lagt vekt på en enhetlig symbolbruk i hele boka, på tross av at det i internasjonal litteratur tildels benyttes forskjellige symboler innenfor de respektive emneområder. Stavanger, mars 1992 Georg Gjessen

INNHOLD 1. Brann som fenomen

...............................

9

2. Brannlære....................................................

17

...........................

35

4. Byggeforskrift 1987 ....................................

41

5. Brannspredning ........................................

57

6. Røyk ............................................................

67

7. Brannforløp ................................................

75

8. Konstruktive materialers egenskaper ved høye temperaturer ...........................

83

9. Brannteknisk dimensjonering

95

3. Lovverk og forskrifter

...............

10. Brannalarmanlegg ................................... 109

11. Brannslukkingsanlegg

........................... 123

12. Brannventilasjon ........................................ 147

13. Rømningsveier............................................ 161 14. Rehabilitering av brannskadde bygg

15. Forsikringsmessige forhold

... 171

................... 185

16. Branntekniske krav til offshore anlegg ... 191

Referanser Stikkord

................................................ 197 .................................................... 199

1. BRANN SOM FENOMEN En vanlig påstand er at det brenner mer i Norge enn i noe annet land. Vi skal se at dette er en sannhet med modifikasjoner. Men før vi begynner å sammenligne med andre land, er det på sin plass å se litt på brannstatistikk for Norge.

TAP AV MENNESKELIV Brann medfører som regel tap av materielle verdier, i noen til­ feller også tap av menneskeliv. Antall personer som omkommer i brann i Norge, varierer noe fra år til år, men gjennomsnitt de senere år ligger på ca. 70. Statistikken viser også at antall personer som omkom i brann i 1920-årene, var under 20 pr. år. Økningen senere kan ikke alene forklares ut fra befolkningstilvekst. Kostnader til brannforebyggende tiltak og til brannberedskap var nok også mindre i 1920-årene enn idag. Forklaringen på økningen i antall om­ komne i branner må altså søkes andre steder. Det er nærliggende å anta at endrede byggeskikker spiller en betydelig rolle. Andre faktorer av betydning kan være den økende mengde tekniske in­ stallasjoner i bygninger og våre holdninger til brann og brann­ sikkerhet. Nordmenn synes å ha en utbredt tro på at “brann kan ramme andre, men ikke meg”. Statistikken forteller også at menn er mest utsatt. Omtrent dobbelt så mange menn som kvinner omkommer i brann, og noe i overkant av 10% av de omkomne er barn. En stor prosent av de menn som omkommer er eldre, og alkohol er ofte en medvirkende årsak. Røyking er den vanligste brannårsak i forbindelse med døds­ branner. Feil i elektriske anlegg, feilaktig bruk av elektrisk ut­ styr og uforsiktighet med åpen ild er også vanlige brannårsaker.

9

Brannstatistikk

De aller fleste dødsbranner skjer i hjemmet, ofte om natten. Dødsbranner i tilknytning til arbeidsplasser eller overnattings­ steder utgjør kun en mindre del (ca. 15%). Når det gjelder bygningstyper, viser statistikken at de fleste dødsbranner (ca.75 %) forekommer i trebygningen Det kan ikke uten videre tolkes dithen at trebygninger representerer en større risiko enn bygninger utført i mur eller betong, i og med at antall trebygninger i Norge utgjør en mye større del av byg­ ningsmassen enn andre typer bygninger. Sammenlignet med andre land ligger Norge på samme nivå som de øvrige nordiske land dersom vi ser på antall omkomne i forhold til folketallet. I land som USA og Canada er antall om­ komne dobbelt så stort som i Norge, mens det i f.eks. Neder­ land, Sveits og Frankrike bare omkommer halvparten så mange som i Norge sett i forhold til innbyggertallet. Disse tallene til­ sier at det er mulig å gjøre noe med antall dødsbranner, og at vi ikke bør slå oss til ro med dagens situasjon.

KOSTNADER I FORBINDELSE MED BRANNER

Skade­ utbetalingar ved brann

De fleste statistikker over kostnader i forbindelse med brann er utarbeidet av Forsikringsselskapenes informasjonskontor og ba­ sert på forsikringsselskapenes skadeutbetalinger. Utbetalingene nærmer seg 800 kr pr. innbygger pr. år. Sett i internasjonal sammenheng er dette meget høyt. Det kan imidlertid stilles et spørsmåltegn ved denne form for sammenligning, fordi geografi og befolkningsstruktur er viktige faktorer i denne sammenheng. Dessuten er forsikringspraksis forskjellig i de enkelte land. Norge skiller seg ut med lave egen­ andeler ved skade, og forsikringsselskapene har til nå vært me­ get velvillige i erstatningsoppgjør. Det kan eksempelvis nevnes at det i USA kreves 10% selvassuranse på enhver skade innen­ for industrivirksomhet, og denne selvassuransen tas ikke med i statistikken over skadeutbetalinger. Graden av forsikringsdek­ ning kan også variere fra land til land. En annen vanlig størrelse som benyttes for vurdering av kostnader relatert til brann, er skadeutbetalinger i forbindelse med de 35 største branner hvert år. I denne sammenheng kom­ mer Norge dårligere ut enn våre naboland, og det kan synes

10

som om Norge har et typisk storskadeproblem, i den forstand at når det brenner, får det ofte større konsekvenser her enn i de øvrige nordiske land. Det er primært branner i industri og næringsbygg som slår ut på denne statistikken, og det er nærlig­ gende å tro at det har sammenheng med store useksjonerte arealer, manglende stasjonær brannbeskyttelse og dårlige brannskiller. En annen medvirkende faktor kan være brannvesenets innsatstid og slukkeevne, noe som igjen til en viss grad har sammenheng med vår geografi og vårt bosetningsmønster. Kostnader relatert til brannskader kan også måles i forhold til brutto nasjonalprodukt, og her ligger Norge i verdenstoppen.

Storbranner

o

BRANNARSAKER Antall branner som intreffer i Norge, er ca. 20.000 pr. år. Dette utgjør det totale antall branner innmeldt til forsikringsselskaper, mens brannvesenet hvert år rykker ut til ca.3000 branner. Det sier seg følgelig at hovedtyngden av de nevnte 20.000 branner er besjedne i omfang. Ved sammenligning med andre land er det naturlig å se på antall branner i forhold til folketallet. Materialet er basert på an­ tall, branner registrert av forsikringsselskapene. Også her er Norge høyt oppe på statistikken. En del andre europeiske land (f.eks. England, Frankrike og Belgia) har under halvparten så mange branner pr. innbygger som Norge. Det må imidlertid an­ tas at registrering av branner ikke foregår på noen ensartet måte, og at nøyaktigheten i disse tall kan diskuteres, men de sier likevel en hel del om situasjonen. Som nevnt ovenfor er røyking den viktigste brannårsak i for­ bindelse med dødsbranner. Forsikringsselskapenes informa­ sjonskontor utarbeider imidlertid statistikk som viser brannår­ sak for alle typer branner, og den dominerende brannkilde viser seg å være elektriske maskiner, utstyr og materiell. Denne grup­ pen utgjør ca. 25% av antall branner. Andre store grupper av brannkilder er ildsteder og piper (ca. 15%) og åpen ild og varme i annen sammenheng, herunder røyking (ca.8%). Følgende liste gir en oversikt over de vanligste brannkilder og brannårsaker:

11

Stort antall branner i Norge

Brannårsaker

Elektrisk utstyr

Omfatter slitasje, feil koplinger, ureglemen­ terte sikringer, defekt utstyr og feil bruk av utstyr

Ildsteder/piper

Feil utforming, overbelastning, feil bruk, manglende feiing

Åpen ild

Sveising, røyking, stearinlys etc.

Maskiner

Friksjon/varmgang, dårlig renhold, gnister, statisk elektrisitet

Selvantennelse

Herdende olje eller maling, fuktig høy

Eksplosjoner

Dessuten utgjør påsatte branner en urovekkende stor del av brannene, og tendensen ser ut til å gå i retning av økende antall påsatte branner.

OPTIMALISERING AV BRANNVERN De totale kostnadene relatert til brannskader, brannforebyggende arbeid og beredskap er sammensatt av følgende kompo­ nenter: - Direkte skadeutbetalinger - Indirekte kostnader (effekten av driftstans, tapt markeds­ andel, tap av menneskeliv, avvikling av arbeidsplasser etc.).

- Forebyggende brannvern (herunder brannberedskap) - Tekniske sikkerhetssystemer (brannslukkingsanlegg, brannalarmanlegg, brannventilasjon etc.).

- Bygningsmessige tiltak (passive brannsikringstiltak). - Forsikringsselskapenes administrasjon.

Det finnes ikke noen entydig oversikt over de totale kostnader relatert til disse forhold. Tallmaterialet spriker fra 3 milliarder til 11 milliarder kroner, avhengig av hvordan man regner, og hvilke kostnader som inkluderes. Uansett er det imidlertid klart at det dreier seg om store summer, og at det må være et over­ ordnet mål å få mest mulig igjen for de ressurser som benyttes til brannvern og brannforebyggende tiltak. 12

Dette siktemål kan formuleres slik: - Å gi brannvernsarbeidet en slik utforming og fordeling at effekten blir optimal innenfor den gitte totale investeringsrammen. - Å velge et slikt nivå for denne investeringen at summen av brannnskadekostnader og investeringskostnader blir mini­ mal.

Dette kan illustreres som vist i fig. 1.1, hvor den nedre kurven viser direkte brannskadekostnader, inklusive forsikringsselska­ penes administrasjonsutgifter, mens det skraverte feltet mellom kurvene angir kostnader til brannvern og brannforebyggende tiltak. Den øvre kurven vil dermed uttrykke de totale kostnader.

Fig. 1.1 Sammenheng mellom kostnader relatert til brann

Figuren viser at dersom vi tar utgangspunkt i en tenkt situa­ sjon uten noen brannsikkerhetstiltak, vil økende innvesteringer til brannvern og brannforebyggende tiltak medføre at de totale kostnader relatert til brann avtar. For en gitt investering vil imidlertid de totale kostnader nå et minimumsnivå, og en økning av kostnader til brannsikkerhetstiltak vil gi liten effekt, slik at de totale kostnader igjen vil stige. 13

Samfunnsøkonomisk vil det være ønskelig å finne det nivå for kostnader til brannsikkerhet som gir minimale totale kost­ nader. Dette gjelder såvel nasjonalt som regionalt. En teoretisk analyse med tanke på bestemmelse av dette optimale nivå, vil måtte innbefatte mange variable. Eksempler på slike vil være: - Risikoen for at brann skal oppstå.

- Risikoen for at brann skal føre til overtenning innenfor branncellen. - De statistiske variasjoner i brannbelastning og ulike typer statisk last.

- Den statistiske spredning i branncelle- og brannforløpskarakteristika.

- Den statistiske variasjon i material- og produktegenskaper ved varierende temperaturer. - Praktisk uunngåelige avvik i utførelse av handlinger og operasjoner, i forhold til beskrivelser gitt i forskrifter og an­ visninger.

- Risikoen for at forskriftsmessige brannsikkerhetstiltak ikke følges opp på skikkelig måte.

- Usikkerhet i funksjonalitet for varslingsanlegg og slukkingsanlegg.

- Brannvesenets innsatstid og slukkeevne. Disse nevnte variable er hentet fra den branntekniske siden av problemet, og vi har foreløpig ikke nok kunnskaper eller egnede modeller for å kunne behandle dette beregningsmessig. Bildet kompliseres ytterligere av de økonomiske beregninger som nødvendigvis må være med i en totalvurdering, f.eks. når det gjelder økonomiske konsekvenser av de forskjellige typer brannskader. Heller ikke på dette området har vi nok bakgrunnsmateriell og statistikk å bygge på. Selv om det foregår mye brannteknisk forsknings- og utviklingsarbeide, vil det være langt frem til vi kan forvente å ha en beregningsmodell og nok bakgrunnsmateriell for en fullstendig vurdering av disse forhold.

14

Det er likevel vesentlig at den praktiske utformingen av det forebyggende og beredskapsmessige brannvern vurderes ut fra ønsket om en optimal utnyttelse av ressursene. En slik vurder­ ing må gjøres på grunnlag av de opplysninger og kunnskaper som pr. idag er tilgjengelige, og vil måtte bygge på analyser av erfaringsmateriell som etterhvert fremkommer. Dette bør igjen lede til mer nyanserte dimensjoneringsmetoder for begrensede delproblem innenfor det branntekniske området.

KONKLUSJON Sammenlignet med andre land befinner Norge seg midt på treet når det gjelder antall omkomne på grunn av brann. Vi vet imid­ lertid at i en del andre land er det betydelig færre som omkom­ mer. De økonomiske utbetalingene som følge av brannskader, er større i Norge enn i de fleste andre land som vi kan sammen­ ligne oss med. Disse forhold tilsier at vi har mye å gå på i Norge. Økt sats­ ing på brannvern og brannforebyggende arbeid bør kunne gi merkbare resultater.

15

2. BRANNLÆRE Det er nødvendig med teoretiske kunnskaper om brann for å få en best mulig forståelse av branntekniske problemstillinger. Det følgende kapittel gir de grunnleggende kunnskaper i denne forbindelse.

KORT REPETISJON AV GRUNNLEGGENDE KJEMI Kunnskap om brann, brannutvikling, deteksjon og slokking bygger på kjemiske lover, og en kort repetisjon om disse emner kan være på sin plass. All materie er som kjent bygd opp av molekyler, som er den minste delen av et stoff som kan eksistere selvstendig. I et homogent stoff, som for eksempel vann, er alle molekylene identiske. Molekylene er bygd opp av enda mindre partikler. Disse par­ tiklene kalles atomer, og er knyttet mer eller mindre fast sam­ men ved hjelp av elektriske krefter. Atomene er igjen bygd opp av elementærpartikler. Atom­ kjernen består av nøytroner og protoner. Nøytronene er nøy­ trale, mens protonene har en positiv ladning. Rundt kjernen kretser negativt ladede elektroner. Elektronenes bane danner kuleskall, såkalte elektronskall. Et stoff som består av kun én type atomer, kalles et grunn­ stoff. Grunnstoffene har i kjemien bokstavbetegnelser, som van­ ligvis er begynnelsesbokstaven(e) i det latinske eller greske navnet på grunnstoffet. Det finnes godt og vel 100 forskjellige grunnstoff, og vi skiller mellom hovedgruppene metaller (f.eks. jern, aluminium, kobber og magnesium) og ikke metaller (f.eks. oksygen, hydrogen og fosfor).

17

Molekyler

Atomer

Grunnstoff

De grunnstoffene som er mest aktuelle i brannlæren, er følgende:

H hydrogen (vannstoff) karbon (kullstoff) C N nitrogen (kvelstoff) 0 oksygen (surstoff) Na natrium Mg magnesium P fosfor svovel S Cl klor Cu kobber Br brom I jod Atomer kan slutte seg sammen til molekyler og danner da en kjemisk forbindelse. Slike kjemiske forbindelser skjer alltid i et visst mengdeforhold (vektforhold). F.eks. består vann av to hydrogenatomer og ett oksygenatom, og skrives kjemisk slik:

2H + O *=* H2O Kjemiske forbindelser

Blandinger

Det som skjer når det kommer istand en kjemisk forbindelse, kalles en kjemisk reaksjon, og under en slik reaksjon dannes ett eller flere nye stoff, med nye egenskaper. Det finnes over en million kjente kjemiske forbindelser, og nye skapes stadig i laboratorier. Karbon er hovedbestanddelen i svært mange for­ bindelser, ofte sammen med hydrogen, oksygen og nitrogen. Disse forbindelser kalles organiske, og de fleste av dem er brennbare. Typiske eksempler er metan, terpentin og alkohol. I motsetning til kjemiske forbindelser kan vi også snakke om blandinger. Karakteristisk for blandinger er at mengden av de stoffene som inngår, kan variere, og at stoffene vil beholde sine opprinnelige egenskaper. En blanding kan bestå av to eller flere gasser (f.eks. luft), to eller flere faste stoffer (f.eks. metallegeringer), to eller flere væsker (f.eks. fortynnet alkohol), fast stoff eller gass oppløst i væske (f.eks. saltoppløsning) eller blanding av gass og væskedråper eller fint støv (f.eks. røyk).

18

De fleste materialer og stoffer som vi benytter oss av, er mer eller mindre typiske blandinger av kjemiske forbindelser. Tre­ virke er f.eks. en blanding av mange organiske forbindelser. Det vi kaller materien, kan altså være rene grunnstoff (metal­ ler eller ikke metaller), kjemiske forbindelser (organiske eller uorganiske) eller blandinger. Vi vet også at et stoff kan opptre i tre forskjellige tilstander, nemlig som fast stoff, væske eller gass. Det er først og fremst temperaturen, og til en viss grad også trykket, som bestemmer hvilken aggregattilstand stoffet befinner seg i. Aggregattilstan­ den er dermed ikke en karakteristisk egenskap ved et stoff. Temperaturøkning fører til en mer energirik tilstand for et stoff, det vil si fra fast stoff via væske til gassform. Et kjent eksempel er overgangen fra is til vann og videre til damp. Vanligvis angir vi stoffer som faste, flytende eller gasser, og refererer da til værelsestemperatur. Et fast stoff har en bestemt form og et bestemt volum. Det er sterke bindingskrefter mellom molekylene, og molekylenes inn­ byrdes beliggenhet er fast. Ved påvirkning av ytre krefter kan molekylene flyttes, og stoffet kan forandre form. I et flytende stoff (væske) er volumet bestemt, mens formen bestemmes av karet som stoffet oppbevares i. Væskemolkylene er lett bevegelige, men slipper sjelden kontakt med hverandre. Den prosess som skjer når molekyler ved overflaten iblant river seg løs, kalles fordampning. I en gass (eller damp) er hverken volum eller form bestemt. Gassmolylene er lettbevegelige og nærmest uavhengige av hverandre. En gass kan derfor utvide seg og fylle det rom den er i fullstendig. Molekylavstanden er stor, og kan lett forandres ved kompresjon eller ekspansjon. Alle gasser kan blande seg med hverandre, uavhengig av mengdeforhold. I en kjemisk reaksjon dannes som nevnt et eller flere nye stoffer. Noen slike kjemiske reaksjoner krever varme for å komme igang, mens andre reaksjoner frigjør varme. Når et stoff inngår en kjemisk forbindelse med oksygen, kalles det en oksi­ dasjon.

19

Blandinger av kjemiske forbindelser

Aggregattilstander

Fast stoff

Væske

Gass

Oksidasjon

BRANNTEORI

Endoterm og eksoterm reaksjon

Lysfenomen

Red-oks par

En kjemisk reaksjon medfører forandring i molekylenes ytre elektronskall. En oksidasjon foregår ved at ett eller flere elek­ troner avgis. Disse elektronene opptas som regel av et annet stoff som dermed får flere elektroner i sitt elektronskall. Vi sier at dette stoffet får en reduksjon. Det som skjer når noe brenner, er et resultat av to forskjel­ lige kjemiske prosesser. I den første prosessen nedbrytes det brennbare stoffet til enklere bestanddeler, eller det omformes til gass. I den andre prosessen forener de enkelte bestanddeler eller de avgitte gasser seg med oksygen og danner nye stoffer (oksidasjon). Nedbrytingsprosessen krever varme og kalles en endoterm reaksjon, mens oksidasjonsprosessen frigjør varme og kalles en eksoterm reaksjon. Dette vil igjen si at det kreves en viss varmetilførsel for at en forbrenning skal komme igang. For at forbrenningen skal fort­ sette uten fortsatt tilført varme, må den varmemengden som fri­ gjøres ved oksidering, være større enn den som kreves for ned­ brytingsprosessen. Ved enhver oksidasjon frigjøres varme, men ved langsom reaksjon vil varmen vanligvis ledes vekk, slik at ingen fare opp­ står. Dette skjer f.eks. når maling tørker. Men dersom oksida­ sjonen foregår hurtig, vil brannfare kunne oppstå. Ved stor oksidasjonshastighet og temperatur på ca 500-600°C oppstår lys­ fenomen. Dette kalles i dagligtale ild eller flamme. Ild kan altså defineres som oksidasjon som skjer under ut­ vikling av lys og varme. Et brennbart stoff kan også kalles et reduksjonsmiddel. Med det menes at det avgir elektroner fra sitt ytre skall. Eksempler på slike reduksjonsmiddler er karbon og hydrogen. For å kunne starte en oksidasjonsprosess må det være oksy­ gen tilstede. Oksygenet eller oksidasjonsmiddelet mottar elek­ troner i sitt ytre skall. Kombinasjonen karbon og oksygen eller hydrogen og oksy­ gen kalles et red-oks par. Et red-oks par er en generell forutset­ ning for å få igang en oksidasjon, og dermed også en forbren­ ning.

20

Eksempel: C + 02 (

> C02 + varme

Varme frigjøres

Når et karbonmolekyl og et oksygen molekyl forenes, dannes et karbondioksidmolekyl og varme frigjøres. Grunnen til at varme figjøres er at karbonmolekylet inneholder større energimengde enn karbondioksidmolekylet. Denne energidifferansen frigjøres ved at temperaturen i CO2 stiger, og det dannes varme forbrenningsgasser. Denne prosessen er reversibel. Dersom karbondioksid til­ føres stor varmemengde, vil den spaltes til karbon og oksygen igjen. I den sistnevnte prosessen er altså varmemengden en energiform som utfører et årbeid, nemlig spalting av karbondi­ oksid. Som nevnt er en kjemisk reaksjon en sammenkopling av ytre elektronskall. Dette innebærer at det kreves nærkontakt mellom stoffene. Men heldigvis fører ikke all nærkontakt mellom mole­ kyler til kjemiske reaksjoner. For at en kjemisk reaksjon skal komme igang, kreves det at minst et av de to molekylene som “kolliderer” har en viss minimumsenergi. Slike molelyler med mer energi enn de fleste andre i stoffet, kalles aktive. Ved økende temperatur, stiger antallet aktive molekyler, i og med at molekylenes hastighet øker. Hovedbestanddelen i de fleste brennbare stoffer er karbon og hydrogen, og forbrenningsgassene vil derfor i hovedsak bestå av karbonmonoksid (CO), karbondioksid(CO2) og vann (H2O). Dessuten inneholder forbrenningsgassene ofte oksygen(O2) som ikke er forbrukt, og nitrogen(N2) som kommer fra forbrenningsluften, men som ikke deltar i forbrenningsprosessen. Sluttproduktene ved forbrenning er varme, forbrenningsgasser og aske. Noen stoffer gir kun forbrenningsprodukter i gassform. De forbrenner derfor uten synlige rester, men ved de fleste forbrenningsprosesser vil det danne seg rester i fast form, dvs. aske i varierende mengder. Asken kan inneholde ubrennbare bestanddeler fra det brenn­ bare stoffet. Dessuten inneholder den oksider og andre forbin­ delser fra forbrenningen, samt uforbrent karbon.

21

Forbrennings­ produkter

Fullstendig forbrenning

Ufullstendig forbrenning

Røyk

Katalysator påvirker reaksjonshastigheten

Brannteknisk skilles det mellom fullstendig og ufullstendig forbrenning. Fullstendig forbrenning krever gunstige betingel­ ser, og vil derfor ofte hindres på grunn av utilstrekkelig tilgang på luft. Ved en fullstendig forbrenning dannes karbondioksid og vann. Asken og forbrenningsproduktene inneholder ikke noe brennbart. Ved en ufullstendig forbrenning dannes også karbonmonoksid, og av og til kan karboninnholdet være uforbrent pga. for liten lufttilførsel. Slik uforbrent karbon finnes i asken eller som sot og tjære i forbrenningsgassene. Røyken fra en brann vil altså vannligvis bestå av CO, CO2, H2O, O2 som ikke er forbrukt, og N2 som kommer fra forbrenningsluften, men ikke deltar i selve forbrenningsprosessen. I til­ legg kan røyken inneholde sot og andre faste partikler. Svart røyk inneholder mye sot eller tjære, og dannes f.eks. ved brann i stoffer som krever stor lufttilførsel ved fullstendig forbrenning. Typiske eksempler er olje og gummi. Hvit røyk inneholder små væskepartikler. Partiklene dannes av væsker, vanligvis vann, som fordamper. Ved avkjøling kon­ denserer dampen til væske igjen. Den lyse fargen oppstår når lyset brytes i de små væskepartiklene. Når små faste eller flytende partikler oppblandes med en gass, kalles det en aerosol. En aerosol som inneholder væske­ partikler kalles en tåke, mens en aerosol som inneholder faste partikler kalles røyk. Vi skal imidlertid være klar over at be­ grepet røyk ofte brukes om både røyk og tåke. Visse stoffer kan, selv i svært små mengder, påvirke reaksjonshastigheten. Det skjer ved at de deltar i reaksjonen og dan­ ner mellomprodukter, men når reaksjonen er avsluttet, er de fortsatt uforbrukt. Slike stoffer kalles katalysatorer. Som en illustrasjon på en katalysator, kan vi tenke oss hvordan smøre fett i et hjullager bidrar til at hjulet går lett. Det er imidlertid ikke smørefettet som drar hjulet, og smørefettet forbrukes ikke. Noen katalysatorer kan dannes som ledd i den kjemiske reaksjonen, og derved bidra til å forandre reaksjonshastigheten. Disse katalysatorene kalles autokatalysatorer. En katalysator som øker reaksjonshastigheten, kalles en posi­ tiv katalysator, mens en katalysator som reduserer reaksjons­ hastigheten, kalles en negativ katalysator eller en inhibitor. Positive katalysatorer og inhibitorer har stor betydning i forbin­ delse med brannvern. 22

En positiv katalysator kan være opphav til en brann, eller den kan øke brannens intensitet. Inhibitoreffekten utnyttes i for­ skjellige brannslokkemidler og til å forebygge brann. Brennbare stoffer kan brenne på tre forskjellige måter, nemlig ved glødebrann, flammebrann eller en kombinasjon av begge. Glødebrann forekommer i faste stoffer og det er kun noen få stoffer som gir ren glødebrann. Glødingen fremkommer når stoffet varmes opp til en høy temperatur og sender ut lys. Dette skjer ved ca. 500°C for de fleste faste stoffer. Etterhvert som temperaturen stiger, blir fargen lysere. Eksempelvis vil vi for stål få følgende tilnærmede skala for glødetemperaturer:

525°C 700°C 1100°C 1500°C 3000°C

Glødebrann

Begynnende rødgløding Mørk gløding Gulrød gløding Hvitgløding Elektrisk lysbue

I faste organiske stoffer, hvor de gassdannende bestanddeler er drevet ut, skjer forbrenningen ved glødebrann, uten lysende flamme. Eksempelvis vil de flyktige bestanddeler i trevirke først gå over til flytende form. Deretter vil de gå over til gass og forbrenne med flamme utenfor ildstedet, mens det faste restpro­ duktet gløder. Typisk for en ren glødebrann er liten eller ingen temperatur­ økning i omgivelsene, selv om temperaturen lokalt kan bli høy. Vanlig temperatur i brannområdet vil være fra 300°C til 800°C. En glødebrann vil ofte være knyttet til porøse materialer, og selve forbrenningen kan foregå på overflaten av materialet eller inne i materialet. Flamme har vi ved brann i gass, væsker og i enkelte faste stoffer som smelter og forgasses før de antennes. En flamme er altså en glødende gassmasse. Vi skiller mellom lysende og ikke lysende flammer. Det vi vanligvis forbinder med flammer, er lysende flammer. Grunnen til at disse sender ut lys, er at det ved forbrenningen skilles ut fast stoff i form av små partikler. På grunn av den høye temperaturen vil partiklene gløde og sende ut lys. Lysende

23

Flammebrann

Brann i trevirke

Pyrolyse

flammer får vi ved brann i karbonrike stoffer, og de små partik­ lene som skilles ut, vil da være karbon. Visse stoffer forbrenner med ikke lysende flamme, f. eks. alkohol og aceton. Ved kombinasjon av glødebrann og flammebrann, foregår vanligvis forbrenningsprosessen i to eller tre trinn. Ved oppvar­ ming vil stoffet spaltes termisk og gå over til gass som brenner med flamme. Deretter fortsetter forbrenningen som kombina­ sjon av flamme- og glødebrann. Etter at de brennbare gassene er drevet ut, skjer den videre forbrenningen som glødebrann. Trevirke er et godt eksempel på materiale som brenner med både gløding og flamme. Vanligvis forbrenner tre slik at ca. 80% av den brennbare vekten vil brenne som gasser med flamme, mens ca.20% vil brenne ved gløding. Enkelte faste og halvfaste stoff smelter ved oppvarming. Eksempler på dette er asfalt, stearin, gummi og fett. Denne type stoffer vil ved oppvarming først gå over til flytende form, og deretter til gassform, og gassene kan forbrenne over smeiten. Brennbare væsker brenner ikke direkte, men går ved oppvar­ ming over til gassform. Flammene består av brennende gasser. Ved forbrenning av brennbare gasser, får vi derimot ingen faseovergang. Gassene forbinder seg direkte med oksygen og brenner med flamme. Skjematisk kan en brann fremstilles som i fig.2.1. Begrepet pyrolyse er også knyttet til forbrenningen. I mot­ setning til prosessene flammebrann og glødebrann som under­ holder seg selv, er pyrolyse avhengig av ytre tilført varme, f.eks. i form av stråling. Pyrolyse er en prosess som foregår i overflaten av et materiale, som et resultat av forhøyet tempera­ tur. Vanligvis er temperaturen i et materiale som pyrolyserer i området fra 300°C til 600°C, altså betydelig lavere enn i en flammebrann. Oppvarmingen medfører at det dannes gasser i overflaten. Disse vil stige, og kan eventuelt kondensere og dan­ ne røykpartikler som opptrer som lys røyk. Pyrolyseprosessen er karakteristisk ved f.eks. forbrenning av trevirke.

24

Varme forbrenningsgasser

BRANNFIRKANTEN For at en brann skal kunne oppstå, må fire faktorer forekomme samtidig:

-

Brennbart stoff (reduksjonsmiddel) Oksygen (stoff som kan avgi oksidasjonsmiddel) Tennkilde/temperatur Ubrutt kjedereaksjon (ingen negativ katalysator tilstede)

Dette forhold blir ofte fremstilt som en firkant som vist i figur 2.2.

25

oksygen

brennbart stoff

kjedereaksjon

/ /

temperatur

Fig. 2.2 Brannfirkanten

Brann vil ikke oppstå hvis en unngår at det dannes en slik firkant, og den vil slokkes ved at én eller flere av sidene i fir­ kanten fjernes. Betingelsen for at en brann skal kunne fortsette, er at de termiske egenskapene i systemet er slik at temperaturen ikke synker under tenntemperaturen.

NOEN VIKTIGE DEFINISJONER En del branntekniske uttrykk bør defineres nærmere.

Brennbarhet Et brennbart stoff kan defineres som et stoff som gir overskudd av varme ved oksidasjon. Det vil si at det utvikles mer varme enn det som kreves for å holde kjedereaksjonen igang. Stoffer med høyt innhold av karbon og hydrogen er meget brennbare, mens høyt nitrogeninnhold nedsetter brennbarheten. Det skilles mellom brennbare og ikke brennbare stoffer.

Tennbarhet Tennbarhet er et uttrykk for hvor brannfarlig et stoff er. Det skilles mellom selvantennelige, lettantennelige og tungantennelige stoffer. Selvantennelige stoffer kan begynne å brenne uten medvirk­ ning av ytre varmekilder, dersom varmen ikke blir ledet fort nok bort. Stoffet må følgelig ha en rask oksidasjonsprosess. Lettantennelige stoffer kan tennes med en vanlig fyrstikk, og de vil fortsette å brenne i vanlig luft.

26

Tungantennelige stoffer må vannes opp før de kan brenne, og vil i vanlig luft slutte å brenne straks oppvarmingen opphører. Et stoff antennes lettere hvis molekylene lett kan komme i kontakt med oksygenmolekyler. Derfor er gasser vanligvis lettantennelige, fordi molekylene i en gass har stor bevegelighet. Flytende stoffer antennes først etter at de har gått over til dampform. Faste stoffer kan, med få unntak, heller ikke bli antent før de har gått over i dampform. Dette skjer vanligvis ved at stoffet smelter. Ved videre oppvarming begynner det å koke og en kraftig fordampning starter. Det faste stoffet kan også noen ganger, pga. oppvarming, bli spaltet kjemisk til nye stoffer, i gassfase, væskefase eller fast fase. Direkte overgang fra fast fase til gassfase kalles sublimering.

Tenntemperatur Dersom temperaturen i et brennbart stoff omgitt av luft, stiger opp til en gitt temperatur, starter en hurtig forbrenning. Denne temperaturen kalles tenntemperaturen, og defineres som den laveste temperatur hvor et stoff kan antennes under optimale betingelser. Tenntemperaturen er vanskelig å bestemme, idet den av­ henger av stoffets overflate, fuktighetsinnhold, oksygeninnhold, de atmosfæriske forhold osv. For å øke temperaturen kreves det tilførsel av energi. Denne enegitilførselen kan skje på følgende måter: - Påvirkning av varme, varme forbrenningsgasser eller varme­ stråling. F.eks. åpen varme.

- Kontakt med oppvarmet legeme. F.eks. strykejern. - Optisk fenomen. F.eks. strålebrytning gjennom brennglass.

- Atmosfæriske eller elektriske fenomen. F.eks. lynnedslag og statisk elektrisitet.

- Friksjon. F.eks. varmgang. - Kompresjon. F.eks. sammenpressing av en blanding av brennbar gass og luft. - Slag og støt. F.eks. fenghette.

- Kjemisk reaksjon. F.eks. selvtenning. 27

Energitilførsel

Flammepunkt Flammepunkt defineres som den laveste temperatur hvor en væske utvikler så mye damp at blandingen av luft og damp over væsken kan antennes. Det er altså blandingen av luft og damp over væskeoverflaten som brenner, selv om det utvikles damp inne i væsken. Ved blanding av forskellige væsker vil den væsken som har det laveste flammepunktet, være bestemmende for blandingens flammepunkt, men dette er ikke nødvendigvis identisk med den laveste komponentens flammepunkt.

Brennpunkt For en væske defineres brennpunktet som den temperaturen hvor fordampingshastigheten er så stor at forbrenningen vil fortsette, også etter at antennelseskilden er fjernet. Brennpunk­ tet vil alltid ligge høyere enn flammepunktet, men står ikke i noe bestemt forhold til dette.

Eksplosjonsområde Med eksplosjonsområde menes det blandingsforhold mellom brennbar gass og luft som gjør en forbrenning eller eksplosjon mulig. Dette oppgis vanligvis i volumprosent av den brennbare gassen i luft. Grensene kalles for øvre og nedre eksplosjonsgrense, forkortet til UEL(upper explosion limit) og LEL(lower explosion level). Lav eksplosjonsgrense eller stort eksplosjons­ område øker risikoen for å få en brennbar blanding.

Branntemperatur Temperaturen i en brann vil variere etterhvert som brannen ut­ vikler seg. I vanlige branner vil maksimaltemperaturen komme opp i 800-1000°C, men kan under spesielle forhold komme adskillig høyere. De faktorer som påvirker temperaturen, er stoffenes brennverdi, stoffenes forbrenningshastighet, lufttilførsel og mengden av forbrenningsgasser som utvikles av de aktuelle stoffene. Branntemperaturen øker med økende brennverdi og med økende forbrenningshastighet.

28

Luftilførselen vil påvirke forbrenningshastigheten og spiller derfor en stor rolle for branntemperaturen. Dessuten vil lufttilførselen direkte påvirke branntemperaturen, fordi mye overskuddsluft fører til at en del varme medgår til oppvarming av denne og dermed stjeler varme fra forbrenningen. Ved meget stor lufttilførsel vil det dessuten skje en avkjøling av brannen. Temperaturen på den tilførte luften er naturligvis også av be­ tydning, idet branntemperaturen øker med økende temperatur på lufttilførselen. I materialer som ved forbrenning gir store gassmengder, vil branntemperaturen senkes, fordi det medgår energi til frigjøring og oppvarming av gassene. En brann gjennomgår forskjellige utviklingsfaser, og brann­ temperaturen vil avhenge av hvilken fase brannen befinner seg i. Følgende faser vil som regel opptre:

-

Tennfasen Utviklingsfasen (flammebrann) Full brann (flamme og glødebrann) Utbrenningsfasen

Temperaturforløpet vil da kunne utvikle seg som vist i figur 2.3.

Kurven i figur 2.3 viser en brann som relativt raskt utvikles til full brann, dvs. en flammebrann. I andre situasjoner kan vi få en langsommere brannutvikling. Eksempelvis vil en typisk ulmebrann kunne utvikle seg som vist i figur 2.4.

29

Brannens utviklingsfaser

Intensitet

Forbrenningshastighet Forbrenningshastigheten beror på flere faktorer: -

Temperaturen Stoffets overflate, konsistens og tetthet Lufttilførsel Mengdeforhold mellom de reagerende stoffer Katalysatorer Størrelse på kontaktflate

Temperaturen er meget viktig, idet forbrenningshastigheten for­ dobles for hver 10° temperaturen stiger. Stoffets konsistens eller fintfordeling er også viktig. Vi vet fra erfaring at massivt trevirke brenner langsommere enn treflis. Dette har sammenheng med at overflaten øker ved finere forde­ ling av stoffet. Eksempelvis vil 1 kg tre i terningform ha en overflate på 0,08 m2, mens 1 kg trevirke i pulverisert form har en overflate på 800 m2. Større overflate medfører større kon­ taktflate mellom oksygen og brennbart materiale, og dermed økt forbrenningshastighet. Også lagringstettheten har betydning. Dersom materialet er for tett lagret vil lufttilførselen hindres, og forbrenningshastig­ heten blir langsommere. Ved glissen lagring får vi også lang­ sommere forbrenning, fordi spredningen går tregere. I mellom disse ytterpunktene finnes det en optimal lagringstetthet som vil gi størst forbrenningshastighet for et gitt stoff. 30

I praksis er det ofte oksygentilførselen som bestemmer forbrenningshastigheten. Også her kan det tenkes en optimal situa­ sjon, som gir maksimal forbrenningshastighet for et gitt materi­ ale. Blir lufttilførselen stor, kan det føre til avkjøling, og der­ med en langsommere reaksjon. Meget stor lufttilførsel kan føre til at brannen slokkes. For liten lufttilførsel gir også dårlig for­ brenning. Oksygenet forbrukes, og det vil etterhvert være færre oksygenmolekyler tilstede. Dermed blir det færre kollisjoner mellom oksygenmolekyler og det brennbare stoffet, og reak­ sjonshastigheten avtar. Etter forbrenningshastigheten skiller en mellom følgende: Langsom forbrenning

F.eks. gløding i trekull.

“Normal” forbrenning

F.eks. brann i tre eller papir.

Forpuffing

Langsom, svak eksplosjon. F.eks. filmbrann.

Eksplosjon

Hurtig forbrenning med kraftig og hurtig trykkstigning. I gass blandet med luft vil f.eks. kontaktflaten til oksygenmolyler være stor, og forut­ setningene for en meget hurtig for­ brenning være tilstede.

Detonasjon

Uvanlig hurtig forbrenning, med kraftig og meget hurtig trykkøkning. I stoffer som selv inneholder de oksygenmengder som trenges for forbren­ ning, er det gode forutstninger for en hurtig reaksjon, idet oksygenet kan reagere momentant. Typiske eksemp­ ler er forskjellige typer sprengstoff.

Brannspredning Ved brann oppstår det temperaturforskjeller, og det vil medføre en varmetransport som forsøker å utligne disse temperaturfor­ skjellene. Varmetransporten foregår ved stråling, ledning eller strømning.

31

Varmetransport

Varmestråling oppstår ved at molekylene i et varmt legeme er i hurtig bevegelse og produserer strålingsenergi. Størstedelen av varmestrålingen skjer i det infrarøde området. Varmeledning er varmetransport fra molekyl til molekyl og foregår i faste stoffer og i stillestående gasser og væsker. Varmestrømning skjer ved at gasser eller væsker beveger seg pga. temperaturforskjeller. Varmeledning og brann spredning omtales nærmere i kap. 5.

Røyk Røyk er altså et forbrenningsprodukt og består av luft som inneholder branngasser og røykpartikler. Partiklene er i størrel­ sesorden 0.005 til 5 pm, og partikkelstørrelsen avhenger av hvilket materiale det er som brenner, forbrenningsprossesen, temperaturen, oksygentilgang og branntypen (åpen flamme/ ulmebrann). Små partikler opptil 0.1 pm vil etterhvert agglutinere, dvs. klumpe seg sammen til større partikler. Denne effekten er av­ hengig av konsentrasjonen og partiklenes bevegelse. Partikler større enn 1 pm vil påvirkes merkbart av tyngdekraften og skil­ les ut ved avsetning. Konsentrasjonen av partikler avhenger av massen som fri­ gjøres pr. tidsenhet og mulighetene for spredning. Den kan komme opp i 1O10 partikler pr. cm3. Røykens kjemiske sammensetning er avhengig av hvilket materiale som brenner og forbrenningsforløpet. Røykutvikling og røykspredning vil bli nærmere omtalt i kapittel 6.

Selvtenning Enkelte stoffer kan under visse betingelser tenne av seg selv og det er dette som ligger i begrepet selvtenning. Prosessen starter fordi stoffet reagerer langsomt med luft eller luftfuktighet og en viss varmemengde frigjøres. Denne tendensen forsterkes ved fmfordelt materiale. Dersom varmen ikke ledes bort, vil tempe­ raturen stige og vi får selvtenning.

32

Vi kan skille mellom tre årsaker til selvtenning.

- Selvtenning på grunn av kjemisk årsak oppstår f.eks. som følge av oksidasjonsprosessen i tørkende olje eller fett sugd opp i tekstiler eller sagspon. - Eksempel på fysisk årsak er absorpsjon av oksygen i trekull som er langvarig oppvarmet. - Biologisk årsak får vi når betingelsene for tilvekst av bakte­ rier som fremkaller en oppvarmingsprosess er oppfylt. Bak­ terienes aktivitet er avhengig av fuktighet og eksempler er fuktig høy og fuktige filler.

33

Kjemisk, fysisk eller biologisk årsak

3. LOVVERK OG FORSKRIFTER Branntekniske forhold i bygg og anlegg blir i Norge i dag hovedsakelig ivaretatt av Plan- og bygningslov av 1985 og Lov om Brannvern av 1987. Forenklet kan en si at sikkerhet med hensyn til brann i for­ bindelse med nybygg og større ombygninger kommer inn under Plan- og bygningsloven, mens Lov om Brannvern skal ivareta branntekniske forhold i eksisterende bygg. Til de respektive lover er det utarbeidet utfyllende bestem­ melser i henholdsvis Byggeforskrift av 1987 (og tilhørende vei­ ledning) og Forskrift om brannvern og Forskrift om brannforebyggende tiltak og brannsyn. Brann kan medføre: Tap av menneskeliv Diverse skader Psykiske lidelser Tap av materielle verdier Avbrudd eller evt. opphør av virksomhet Tap av husdyr

Tap av kulturelle verdier Det er viktig å være klar over at dagens norske lovverk primært er utarbeidet for å ivareta person sikkerheten, og at sikring av materielle verdier kommer i annen rekke. Det er følgelig i stor grad opp til byggherre eller eier/bruker å sørge for at sikrings­ nivået er tilfredsstillende med tanke på f.eks. materielle verdier, lagerbeholdning, avbrudd osv.

35

Personsikkerhet

PLAN- OG BYGNINGSLOVEN Den første form for bygningslovgivning i Norge var bestem­ melser som sikret mot brann. De større byene fikk sine første bygningslover i henholdsvis 1827 (Christiania), 1830 (Bergen) og 1845 (Trondhjem). Allerede før den tid var byplanmessige tiltak for å hindre brannkatastrofer tatt i bruk, f.eks. regulering av gatebredder. Disse tiltak var imidlertid ikke hjemlet i noen bygningslov. I 1845 ble det også vedtatt en alminnelig bygningslov med gyldighet for alle tettsteder som ikke hadde egen lov, og med gyldighet for et byggebelte på 75 alen utenfor bygrensen. Disse lovene ble fra tid til annen endret ettersom utvikling og forholdene tilsa behov for det, men etterhvert meldte behovet seg for en felles lov med gyldighet for hele landet. Denne kom i 1924 i form av Bygningslov og hadde gyldighet for landets byer og et 200 m bredt byggebelte utenfor bygrensen. Loven ble etterhvert også gjort gjeldende for tettsteder og kommuner. Den teknologiske utvikling og befolkningsstrukturen med vekstøkning i byer og tettsteder gjorde at også loven av 1924 ble moden for revisjon, og i 1965 ble den erstattet med ny byg­ ningslov. Bygningslov av 1965 omhandler kun i liten grad branntek­ niske forhold. I de utfyllende Byggeforskrifter av 1969 (og Vei­ ledning til Byggeforskrift av 1969) er branntekniske krav i ho­ vedsak medtatt i kap.55 Brannvern, men er også delvis behand­ let i flere andre kapitler, bl.a. kap.34 Kontor og industrilokale, kap.49 Røykpipe, varmeanlegg og ildsted og kap.32 Skole. Dagens Plan- og bygningslov erstatter tidligere Bygningslov av 1965, som altså i sin tid erstattet Bygningslov av 1924. Dagens lovverk Branntekniske forhold er heller ikke omhandlet i særlig grad i Plan- og bygningslov av 1985,[men finnes i Byggeforskrift av 1987 og tilhørende veiledning. De branntekniske krav er her stort sett samlet i del 3 Brannvern. cDe branntekniske krav i forskriftene er hovedsakelig gitt som funksjonskrav, mens det i veiledningen finnes forslag til detaljløsninger. De aktuelle lover og forskrifter skal sørge for at de brann­ tekniske forhold i enhver bygning er på et nivå som ivaretar sikkerhet for menneskeliv på en forsvarlig måte, og som verner Litt historikk

36

materielle verdi er i rimelig grad utifrå en sammfunnsøkonomisk betraktning. Kravene er derfor å oppfatte som minimums­ krav, og det er opp til den enkelte byggherre eller -eier å sørge for eventuell økning av sikkerhetsnivået i bygningen dersom dette er ønskelig. Dette gjelder både med hensyn til personsikkerhet, og med tanke på sikring av materielle verdier i større grad. —- Etter Plan- og bygningslov av 1985, §7, gis det anledning til såkalt “teknisk bytte”. Det vil si at når særlige grunner foreligger kan det søkes om dispensasjon ifra krav i lover og forskrifter, mot at kompenserende tiltak gjennomføres. Det tekniske ipnhold i Byggeforskrift av 1987 og tilhørende veiledning vil bli gjennomgått i kap.4.

Lovverkets krav er minimumskrav

i

HOTELLBRANNLOVEN Lov om vern mot brann i hotell og annet herberge, pleieanstalt m.v. av 1963 ble for enkelhets skyld kalt Hotellbrannloven. Til­ hørende forskrifter kom ikke før i 1970. Lov og forskrifter om­ handlet virksomhet med minst 10 senger i vedkommende byg­ ning, og skulle ivareta de spesielle brannmessige forhold som slike bygninger representerer. I forskriftene gis relativt detal­ jerte bestemmelser som ivaretar de branntekniske forhold. De forholdene som hotellbrannloven skulle ivareta, ble fra 1985 innarbeidet i den nye Plan- og Bygningsloven, og Hotell­ brannloven utgikk dermed.

LOV OM BRANNVERN Lov om brannvern m.v. av 1987 erstatter tilsvarende lov av 1970. Denne loven har, i motsetning til Plan- og bygningsloven, betydning for bygninger som er i drift. Den er en av de få norske lover som har tilbakevirkende kraft, idet den kan få konsekven­ ser for bygninger som er oppført før loven trådte i kraft. Som utfyllende forskrifter til loven har vi Forskrift om brannvern som ble revidert i 1987. Revisjonen bestod i at gamle forskrifter ble tilpasset den nye brannvernloven, og det var forutsetningen at nye omarbeidede forskrifter skulle følge. Forskrift om brann­ forebyggende tiltak og brannsyn ble utgitt i 1990, og erstatter deler av de gamle forskriftene.

37

Tilbake­ virkende kraft

Brannvernloven omhandler bl.a. almen aktsomhet, huseiers ansvar, brannvesenets organisering og oppgaver. De nye for­ skriftene om brannforebyggende tiltak og brannsyn stiller krav til organisering, drift og tekniske sikkerhetsinstallasjoner i eksi­ sterende bygg, med særlig vekt på særskilte brannobjekter, dvs. byggninger med spesiell brannrisiko. Bygg som er oppført etter dagens byggeforskrifter, vil til­ fredsstille kravene i Lov om brannvern og tilhørende forskrifter. Gamle bygninger som ikke tilfredsstiller dagens krav, kan for­ langes brannteknisk oppdatert mot det nivået som kreves for nye bygg.

REGLER FOR AUTOMATISKE BRANNALARMANLEGG (FG-REGLENE) I mangel på offentlige regler/retningslinjer for brannalarmanlegg i Norge, har regelverket utarbeidet av Forsikringsselskape­ nes Godkjennelsesnevnd (FG) i samarbeid med Norsk Brannvernforening (NBF) og Noralarm, blitt brukt som rettesnor ved prosjektering, installering og drift av slike anlegg. Bak FG står skadeforsikringsselskapene i Norge. FG-reglene er i første rekke myntet på brannalarmanlegg som installeres for å få rabatt i forsikringspremien, men har i praksis vært normgivende for de fleste alarminstallasjoner i Norge.

REGLER FOR AUTOMATISKE SPRINKLERANLEGG (FG-REGLENE) Disse reglene er utarbeidet av FG i samarbeid med NBF, og har på samme måte som reglene for brannalarmanlegg hatt en frem­ tredende plass i forbindelse med installasjoner av sprinkleranleggEngland har vært et foregangsland i Europa når det gjelder sprinkleranlegg, og regelverket bygger i stor grad på engelske regler.

38

REGLER FOR AUTOMATISKE HALONSLUKKINGSANLEGG (FG-REGLENE) De samme forhold som er omtalt under de to foregående punk­ ter, gjør seg også gjeldende for dette regelverk.

RETNINGSLINJER FOR OFFENTLIG PÅBUDTE BRANNALARMANLEGG Disse retningslinjer er utarbeidet av Statens Bygningstekniske Etat (SBE) og Direktoratet for Brann- og Eksplosjonsvern (DBE), og ble utgitt i 1990. Meldingen er ment som et hjelpemiddel for byggherrer, eiere og prosjekterende, samt bygnings- og brannmyndigheter. Grunn­ lag for disse retningslinjer er behovet for nøytrale retningslinjer i samsvar med Plan- og bygningslov og Byggeforskriftene. Retningslinjene bygger i stor grad på FG-reglene, og hen­ viser til dels til disse, men avviker på en del punkter.

RETNINGSLINJER FOR OFFENTLIG o PÅBUDTE SPRINKLERANLEGG Disse retningslinjene ble utgitt i 1990, og er utarbeidet av SBE og DBE. Også disse retningslinjene bygger på FG-reglene, men avviker på noen punkter.

VEILEDNING FOR DIMENSJONERING AV TERMISK OG MEKANISK BRANNVENTILASJON Veiledningen er utgitt av SBE i 1989, og erstatter tidligere Ret­ ningslinjer for dimensjonering og utførelse av termisk røykventilasjon utgitt av tidligere Statens branninnspeksjon i 1977. Den nye veiledningen omhandler i tillegg til termisk brannventilasjon, basert på naturlig oppdrift av varme gasser, også mekanisk brannventilasjon. Veiledningen bygger på nyere forsk­ ning og erfaringer innen området, og omhandler brannventila­ sjon i forbindelse med trapperom, forsamlingslokaler, scener, industrilokaler, garasjer og salgslokaler.

39

VEILEDNING FOR BRANNVERN AVo BYGNINGER MED OVERBYGDE GARDER ELLER GATER Denne veiledningen ble utgitt av SBE i 1988, og det var utvik­ lingen med stadig større bruk av glassoverbygde utearealer som skapte behov for den, idet det foreliggende lovverk ikke ga noen rettledning om slike forhold. Veiledningen bygger i stor grad på svenske regler.

ANDRE LOVER OG FORSKRIFTER I tillegg til de som her er nevnt, finnes det en rekke andre of­ fentlige lover, forskrifter og veiledninger som skal ivareta den branntekniske sikkerhet i bygg og anlegg. Disse omhandler bl.a. elektriske installasjoner, eksplosive varer, gass, brann­ farlige varer, brannventilasjon, piper og ildsteder etc.

4. BYGGEFORSKRIFT 1987 I dette kapittel gjennomgås oppbygning og bruk av Byggefor­ skrift av 1987, med endringer av 21.12.1988. De branntekniske bestemmelser i byggeforskriftene finnes hovedsakelig i del 3 Brannvern, men det er viktig å være opp­ merksom på pkt. 23:11 som definerer etasjeantall for bygninger. I det følgende er sitater fra Byggeforskrift 1987, heretter for­ kortet til BF, skrevet i kursiv.

Etasjeantall

BYGGEFORSKRIFTENES DEL 3 BRANNVERN Det generelle krav til brannvern i bygninger finner vi i forskrif­ tenes pkt. 30:31, hvor det står:

Bygning skal gi tilfredsstillende sikkerhet mot brann og spred­ ning av brann. Den skal være utført med sikte på rask rømning og effektiv slokking. Med spredning av brann menes i dette tilfellet både intern spredning og spredning til nabobygninger. Forskriftene er utarbeidet med tanke på dagens byggeskikk. Utviklingen går tildels i retning av større og høyere bygninger enn det forskriftene er tilpasset. I slike bygninger som blir “unormale” etter dagens forskrifter, må det sørges for at sikker­ hetsnivået blir tilfredsstillende, dvs. på lik linje med det som kreves for bygg som er i samsvar med forskriftene. For særlig store bygninger kan bygningsrådet skjerpe enkelte av forskriftenes bestemmelser, slik at forskriftenes nivå for person sikkerhet opprettholdes. Dette er blant annet aktuelt for bygninger der størrelsen kan gjøre ordinær bruk av rømningsveier vanskelig. I forbindelse med endring av eksisterende bygning gir Byggeforskrift 1987 bygningsrådet adgang til å kreve at også 41

Oppgradering av bygninger

Særkapittei (kap. 31-39)

Felleskapittel (kap. 30)

Bruk, grunnflate og etasjeantall kjent

særkap.

30:41 Bygn. brannklasse Maks. seksjoneringsareal

Brannteknisk klasse på bærekonstruksjoner

30:41 Branncelleinndeling

Rømningsavstander Bredde Trappetype Belysning

Brannteknisk klasse på branncellebegrensede konstruksjoner (avh. av bygn. brannklasse)

30:42

’

Kledningers klasse Overflaters klasse (avh. av bygningsbrannklasse)

30:7

Tekniske installasjoner - sprinkleranlegg - alarmanlegg

Kledninger Overflater Dører Slagretning Selvlukker Himling Brannventilasjon Markeringsbelysning Ledelys

Fig. 4.1. Sammenheng mellom hovedkapittel og særkapitler i Byggefor­ skrift 1987. Figuren er hentet fra “Rett og slett - en veiledning til Byggeforskrift 1987”.

de deler av bygningen som ikke omfattes av endringsarbeidene, skal oppgraderes med hensyn til brannsikkerhet. Byggeforskriftenes del 3 er delt opp i ett hovedkapittel, kapittel 30, som inneholder fellesbestemmelser, mens de etter­ følgende ni særkapitlene, kapitlene 31 til 39, inneholder spesi­ elle bestemmelser for de enkelte typer bygg.

42

Hovedkapitlet angir de kravene som i utgangspunktet er fel­ les for alle bygninger, samt hvordan de fleste av kravene som fremgår av særkapitlene skal oppfylles. Særkapitlene angir de kravene som kommer i tillegg til hovedkapitlet. Disse bestemmelsene gjelder for de respektive bygningskategorier, og er tilpasset risiko i de forskjellige byg­ ningstyper og virksomheter. Kravene i særkapitlene kan derfor avvike noe fra hovedkapitlet, både i skjerpende og i lempende retning. Når vi skal finne de aktuelle kravene til en bygning, må det tas utgangspunkt i bygningens bruksområde. Særkravene for det aktuelle bruksområdet finnes i det tilhørende særkapitlet. Disse kravene vil som regel være utfylt eller detaljert i hoved­ kapitlet. Det er derfor nødvendig å kombinere bruk av særkapittel og hovedkapittel. Figur 4.1 gir en oversikt over sam­ menhengen mellom hovedkapittel og særkapitler.

Definisjoner Før den videre gjennomgåelse er det på sin plass å gjennomgå en del viktige definisjoner.

Branncelle - avgrenset del av en bygning hvor en brann fritt kan utvikle seg uten å spre seg til andre deler av bygningen i lø­ pet av fastsatt tid.

Brannmotstand - den tid, angitt i minutter, som en bygningsdel motstår oppheting, med bibehold av de branntekniske egen­ skaper som kreves av den. Brannmotstanden bestemmes ved normert prøving eller beregning. Branndekke - horisontal, bærende bygningsdel, minst A120, opplagt på konstruksjon med minst samme brannmotstand. Ved spesifikk brannbelastning over 400 MJ/m2 kreves høyere brann­ motstand, slik at dekket bibeholder de egenskaper som kreves av det under en brann. Brannvegg - stabil vegg minst A120 på fundament med minst samme brannmotstand. Ved spesifikk brannbelastning over 400 MJ/m2 kreves høyere brannmotstand, slik at veggen bibeholder de egenskaper som kreves av den under en brann.

43

Felles krav og særkrav

Bruksområde

Bruksenhet - en samling bygninger, rom eller lokaler som sam­ men anvendes i en bestemt hensikt (f.eks. bolig, kontor). Bruks­ enhet kan bestå av en eller flere brannceller. Bygningsbrannklasse - et sett av krav til brannmotstand hos en bygnings bærende og skillende konstruksjoner.

Klassifisering NS 3919

Bygningsdeler og materialer

ISO 1716 og ISO 1182

Bæreevne og/eller adskillende egenskaper

BF forutsetter bruk av bygningsdeler og bygningsmaterialer som tilfredsstiller bestemte krav. Disse kravene finner vi i NS 3919 Brannteknisk klassifisering av bygningsdeler, kledninger, overflater og materialer. Vanligvis påvises det at kravene er tilfredsstilt ved normert brannteknisk prøving, men påvisning kan også skje ved brann­ tekniske beregningen Bygningsdeler klassifiseres etter materialbruk og den tid, an­ gitt i minutter, som bygningsdelen ved normert prøving, eller beregning, motstår brann med bibehold av de branntekniske egenskaper som kreves av den. Bygningsdeler og materialer plasseres i følgende tre hoved­ klasser: Klasse A

Består av praktisk talt bare ubrennbare materialer

Klasse B

Kan bestå i sin helhet av brennbare materialer

Klasse F

Flammestoppende og røykbegrensende bygnings­ deler som kan bestå av brennbare materialer. Van­ ligvis vil bygningsdelen bestå helt eller delvis av glass.

For å bedømme ved prøvning om et materiale er brennbart eller ikke, benyttes normert prøving etter de internasjonale standard­ ene ISO 1716 og ISO 1182. Materialer som tilfredsstiller prøvekriteriene er ubrennbare, mens alle andre materialer anses som brennbare. Av de vanlige konstruktive bygningsmaterialer, vil både stål, betong og tegl være i klasse A, mens tre kommer i klasse B. De branntekniske egenskaper som er aktuelle for en bygningsdel, er enten bæreevne eller adskillende egenskaper eller begge disse.

44

I forbindelse med bæreevne vil klassifiseringen fortelle hvor lenge bygningsdelen skal kunne opprettholde sin bærende funk­ sjon med en gitt ytre belastning (belastning i ulykkesgrensetilstanden). Adskillende egenskaper betyr her bygningsdelens integritet og isolasjonsevne. Med førstnevnte menes at det ikke skal opp­ stå sprekker, huller etc. i bygningsdelen, slik at dens røyk- og flammestoppende egenskaper forringes. Isolasjonsevne betyr at temperaturen på ikke brannutsatt side i gjennomsnitt ikke skal overstige en gitt grense (140°C), og at maksimalverdien ikke på noe punkt skal overstige 180°C i løpet av prøvningstiden. Bygningsdeler betegnes som f.eks. A10, B30, F60 osv., hvor tallet angir motstandstid i minutter. Det kan alltid benyttes en høyere klasse enn det BF krever. Det vil si at klasse A kan erstatte klasse B og F, og klasse B kan erstatte klasse F. Forutsetningen er at brannmotstandstiden er den samme eller bedre. Kledninger klassifiseres etter sin evne til å beskytte baken­ forliggende materiale og sin egen bakside mot antennelse. Det opereres med tre klasser, alle med 10 minutters brannmotstand, men klassifisert etter mengden av brennbart innhold. Klassene betegnes som Kl-A, Kl og K2, hvor Kl-A har minst brennbart materiale. Kl-A er en kledning som tilfredsstiller kravene til Kl etter NS 3919, og som samtidig tilfredsstiller kravene til ubrennbarhet etter NS 1501. Gipsplater er et typisk eksempel på kledning som tilfredsstiller kravene til Kl-A. Kl er en kledning som tilfredsstiller NS 3919, og kan bestå av brennbart materiale tilsatt brannhemmende midler. Klednin­ ger kan bestå av flere materialer som er slik fordelt gjennom hele kledningens tykkelse, at kledningen rent brannteknisk blir å anse som homogen. Eksempler på Kl kledning er sementbundne sponplater og brannimpregnerte sponplater. Kledning i klasse K2 er den vanlige brennbare kledningen i plateform, og i spesielle tilfeller også trepanel. Innvendige overflater klassifiseres etter sin evne til å hindre antennelse og begrense brann- og røykutvikling, og gis beteg­ nelsene Inl og In2. Med overflate forstås her det ytre tynne sjiktet på en kledning eller en bygningsdel, dvs. maling, lakk, beis, olje, tapet, strie eller malt glassfiberstrie. Inl omfatter 45

Kledninger

Overflater

Tak- og gulvbelegg

ubrennbare materialer og kledninger klassifisert som Kl-A og Kl. Det tillates også at en del vanlig brukte overflatebehand­ linger brukes der kravet er Inl, selv om disse ikke fullt ut til­ fredsstiller kravet (f.eks. maling, papirtapet og malt glassfiberstrie). Klasse In2 omfatter andre overflatematerialer enn de som er klassifisert som Inl, og som har egenskaper tilsvarende nåletres overflate eller bedre. Utvendige overflater klassifiseres tilsvarende som Uti og Ut2, hvor Uti skal tilfredsstille de strengeste kravene. Brannklassifisert takbelegg benevnes Ta. Vedrørende bruk kfr. BF 30:52. Brannklassifiserte gulvbelegg benevnes G. Viktigste bruks­ område er i rømningsveier (BF 30:74). Fortegnelse over brannklassifiserte bygningsdeler og byg­ ningsmaterialer finnes i Norsk Byggtjenestes Byggenormserie, perm 2. Dessuten gis det i NBI Byggdetalj blad A 520.013 Brannklassifiserte bygningsdeler eksempler på bygningsdeler som kan tilfredsstille forskjellige krav til brannmotstand. Også i Rett og slett - en veiledning til Byggeforskrift 1987 er det gjen­ gitt en del konstruksjonsløsninger som tilfredsstiller forskjel­ lige krav til brannmotstand.

Bygningsbrannklasse Krav knyttet til bygningsbrannklasse er minimumskrav

BF opererer med fire bygningsbrannklasser, benevnt 1 til 4, hvorav klasse 1 er den strengeste. Til hver av disse klassene knytter det seg bestemte minimumskrav som skal oppfylles. Disse kravene finner vi bl.a. i pkt. 30:41, 30:42, 30:512 og 30:75 i BF. Alle bygg inndeles i bygningsbrannklasser avhengig av gitte forhold som f.eks. areal, etasjeantall, brannbelastning og sek­ sjonering. Hvilken bygningsbrannklasse et bygg hører til av­ henger også av bygningskategori (bestemt utifrå bygningens bruksområde), og klassifisering bestemmes ut fra tabeller gitt for de respektive bygningstyper i særkapitlene 31 til 39. Etter at bygningsbrannklasse er bestemt, kan krav til bærende konstruksjoner, branncellebegrensende bygningsdel etc. tas ut fra tabell 30:41 i BF. På bakgrunn av bygningsbrannklasse bestemmes også krav til kledninger og overflatematerialer iflg, tabell 30:42.

46

Tabell 30:41 Bygningers brannmotstand. Tabellen er hentet fra BF.

1

2

3

4

A 902

A 60

A 10/B 30

B 15

A 60

B 60

A 10/B 30

B 15

B ranncellebegrensende bygningsdel (unntatt yttervegg)

A 60

B 60

B30

B 30

Bygningsdel som omgir trapperom eller heisesjakt som forbinder flere brannceller

A 60

A 60

B 30

B 30

Trappeløp

A 30

A 30

Bygningsdel under øverste kjellergolv3

A 120

A 90

Bygningsbrannklasse

Bærende hovedsystem1 Sekundære bærende deler, etasjeskiller som ikke er stabiliserende1

A 10/B 30 Ingen krav A 60

A 60

1 I bygning uten loft eller med loft som ikke kan nyttes til formål som nevnt i kap. 31-39, behøver kravene ikke å oppfylles for takkonstruksjoner: - når konstruksjonene er beskyttet mot brann nedenfra med branncellebegrensende bygningsdel og isolasjonen er ubrennbar, eller - i bygninger i bygningsbrannklasse 3 og 4 år når takkonstruksjonene er ubrenn­ bare, eller - i bygninger i bygningsbrannklasse 3 og 4 når takkonstruksjonene er beskyttet mot brann nedenfra med kledning Kl og isolasjonen er ubrennbar. 2 I bygning inntil 8 etasjer kan etasjeskiller være A 60. 3 Gjelder bygningner med flere enn en kjelleretasje.

Tabell 30:42 Kledningers og overflaters branntekniske klasse. Tabellen er hentet fra BF.

Bygningsbrannklasse Innvendig overflate Utvendig overflate Kledning Særkrav for rømningsveg: Innvendig overflate Innvendig kledning

1

2

3

4

Inl1 Uti Kl

In2 Uti Kl

In2 Ut2 K22

In2 — —

Inl Kl-A

Inl Kl-A

Inl Kl

Inl Kl

1 Vegger kan ha overflate In2. 2 Innvendig kledning i sykehus og pleianstalter skal være Kl.

47

Brannvegg og branndekke

o

Åpninger skal ha minst halvparten av veggens eller dekkets brannmotstand

Overgang mellom tak og brannvegg

Særbestemmelsene i kapitlene 31 til 39 gir begrensninger for største tillatte bruttoareal for de respektive bygningskategorier. Ved å seksjonere bygningen med brannvegg kan imidlertid arealet økes (BF 30:61). Branndekke er først og fremst aktuelt hvor det er ønskelig å etablere et brannteknisk skille mellom forskjellige bruksfunksjoner, f.eks. mellom garasjeanlegg og overliggende etasjer med annet bruksformål. Det er av stor betydning at brannvegg og branndekke utføres slik at de oppfyller de funksjonskrav som de pr. definisjon gjør. Nærmere regler for dette er gitt i BF 30:6. Branndekke og brannvegg skal fra grunnen av bæres av byg­ ningsdel med minst samme brannklasse som brannveggen eller branndekket. Det tillates at det etableres enkelte åpninger som er nødvendige for bygningens drift, men disse skal være slik at de ved brann eller røykutvikling automatisk lukkes med kon­ struksjoner som har minst halvparten av veggens eller dekkets brannmotstand. Det er også viktig å merke seg at konstruksjoner på eller inn­ til branndekke eller brannvegg må ha slik bevegelsesfrihet at deformasjoner under brann ikke skader branndekket eller brannveggen. Spesielle regler gjelder for overgang mellom takkonstruk­ sjon og brannvegg. Dersom taket har brannklasse A60 eller bedre, føres brannveggen opp under taket slik at det blir en røyktett forbindelse. Er taket utført i dårligere brannklasse, skal veggen føres gjennom taket og minst 0,5 m over høyeste tilstøt­ ende takflate. Det henvises til veiledningen til BF som gir utfyl­ lende informasjon om dette. Ved føring av rør, kabler og kanaler gjennom brannvegg eller branndekke må det sikres en utførelse som ivaretar at byg­ ningsdelens brannskillende funksjon opprettholdes. Veiledning­ en til BF gir ytterligere opplysninger.

Branncelle Hensiktsmessig inndeling i brannceller

Enhver bygning skal inndeles i brannceller på en hensiktsmes­ sig måte. Krav til branncellens bygningsbrannklasse er gitt i tabell 30:41 i BF. Branncellene skal utformes på en slik måte at form og innredning ikke vanskeliggjør varsling og rømning.

48

Dører i branncellebegrensende vegger skal minst ha halvpar­ ten av veggens brannmotstand. Krav til branncelleinndeling for de respektive bygningstyper er gitt i særkapitlene 31 til 39. En del rom skal imidlertid alltid utføres som egne brannceller. Dette gjelder sjakter som ikke lig­ ger i tilknytning til trapperom (BF 30:63), spesielle rom som heismaskinrom, søppelrom, fyrrom, rom i tilknytning til fyr­ ingsanlegg (BF 30:66), rømningsvei (BF 30:7) og i noen tilfel­ ler rom på loft og i kjeller (BF 30:65) og rom for ventilasjonsaggregat.

Rømningsveier Sikker rømning er en av hovedmålsetningene med brannkravene i BF, og det stilles relativt detaljerte krav til rømningsveier. Disse kravene finnes delvis som særkrav for de enkelte byg­ ningstyper, og delvis som generelle krav. Det henvises også til Veiledning til BF som inneholder rela­ tivt omfattende kommentarer på dette området. Forøvrig er rømningsveier mer omfattende behandlet i eget kapittel senere i boka. De generelle krav finnes i BF 30:7, hvor det fastslås at røm­ ningsvei skal være en egen branncelle som er tilrettelagt for sik­ ker rømning, og som på en oversiktlig måte fører til det fri. Heis og rulletrapp skal ikke regnes som rømningsvei. Antall rømningsveier er avhengig av bygningens bruk, antall etasjer og antall personer, og bestemmelser om dette er gitt i særbestemmelsene. Dersom en branncelle består av flere etasjer, skal hver etasje ha direkte utgang til rømningsvei. Det stilles et generelt krav om at avstand fra dør i branncelle til nærmeste trapp eller direkte utgang til det fri ikke skal være mer enn 15 m dersom det bare finnes én trapp eller én utgang, og ikke mer enn 30 m dersom det finnes flere trapper/utganger. Bredde på rømningsvei skal tilsvare minst 1 cm pr. person og ikke være mindre enn 90 cm. Dersom bygningen har flere eta­ sjer, skal rømningsveiene dimensjoneres for samtidig rømning av to etasjer. Det stilles detaljerte krav til dører i rømningsvei når det gjel­ der slagretning (30:75), automatisk lukking (30:75) og utførelse (tabell 30:75). 49

Rømningsvei skal være egen branncelle

Dører i rømningsvei

I spesielle tilfeller kan vindu benyttes som rømningsvei (30:76). Det gis også krav og bestemmelser om utførelse av brannventilasjon i rømningsvei i gitte tilfeller (30:78), og bestemmel­ ser om ledelys, markeringslys etc.(30:77 og 30:78).

Avstand mellom bygninger

8 m avstand mellom bygninger

Dersom bygninger er skilt med brannvegg, stilles det i utgangs­ punktet ingen krav til avstand mellom bygninger, med mindre spesielle krav er gitt i særbestemmelsene. Brannvegg anses altså som tilfredsstillende vern mot brannsmitte fra evt. bren­ nende nabobygning. Dersom det ikke er benyttet brannvegg, skal det som hoved­ regel være minimum 8 m avstand mellom bygningene. I visse tilfeller kan det likevel være kortere avstand. Vilkår for dette er gitt i BF 30:322 og er ytterligere utdypet i Veiledning til BF.

Bygninger for flere bruksområder Flerbruksbygg

Strengeste krav er bestemmende

De respektive kapitler gir regler for hvordan de branntekniske forhold skal ivaretas for de forskjellige bygningskategorier. For bygninger med flere bruksområder kommer flere særkapitler til anvendelse, og situasjonen blir mer komplisert. Som generell regel gjelder at de strengeste krav er bestem­ mende. Det vil si at f.eks. skillet mellom to brannceller med ulike bruksområder må utføres i henhold til bestemmelsene for den branncellen som har de strengeste kravene. I en bygning med flere etasjer vil etasjen med de strengeste krav til bærende hovedsystem og rømningsveier være bestem­ mende for underliggende etasjer. Dette er illustrert i figur 4.2 (hentet fra Rett og slett - veiled­ ning til Byggeforskrift 1987). Eksempelet viser en bygning i fire etasjer, som inneholder forsamlingslokale og kontorer. I figur a) er forsamlingslokalet plassert i øvre etasje, mens de underliggende etasjer inneholder kontorer. Fra tabell 33:2 i BF finner vi at forsamlingslokale i en bygning med fire etasjer skal være i bygningsbrannklasse 1. Tilsvarende finner vi i tabell 34:31 at kontor i fire etasjers bygning kan utføres i bygnings­ brannklasse 2. Ut fra bestemmelsen om at det strengeste kravet

50

Fig. 4.2 Eksempel på flerbruksbygg

er dimensjonerende, må bygningens hovedbæresystem og felles rømningsveier utføres i bygningsbrannklasse 1. Forsamlings­ lokalet plassert i øvre etasje blir her bestemmende også for underliggende etasjer. Figur b) viser samme bygning, men forsamlingslokalet er nå plassert i nedre etasje. Fremdeles finner vi at forskriftenes krav er bygningsbrannklasse 1 og 2 for henholdsvis forsamlingsloka­ let og kontorene. I og med at det strengeste kravet nå omfatter nedre etasje, må denne utføres i bygningsbrannklasse 1, mens de øvrige etasjer kan være i klasse 2.

BYGGEFORSKRIFTENES KAP. 46, 47 OG 49 I tillegg til branntekniske bestemmelser gitt i del 3, inneholder også BF branntekniske bestemmelser i tilknytning til tekniske installasjoner.

Branntekniske krav til sanitæranlegg Kravene er gitt i kap.46, og sier kort og greit at rørledninger som bryter gjennom brannbegrensende bygningsdel, skal ut­ føres slik at bygningsdelens brannskillende funksjon opprett­ holdes og slik at det oppnås tilstrekkelig beskyttelse mot spred­ ning av røyk. Mer utfyllende informasjon om hvordan disse krav kan tilfredsstilles finnes i Veiledning til BF.

51

Branntekniske krav til ventilasjonsanlegg Ikke økt risiko for brann eller brannspredning

Kravene finnes i kap.47. Som generelt krav gjelder at anlegget skal være utført slik at det ikke medfører økt risiko for brann eller brann- og røykspredning. Det stilles krav om at kanaler som bryter gjennom branncellebegrensende bygningsdel, skal utføres slik at bygnings­ delens brannskillebegrensende funksjon opprettholdes, og slik at det oppnås tilstrekkelig beskyttelse mot spredning av røyk. I motsetning til forskriftenes knappe branntekniske krav inneholder veiledningen mer omfattende stoff. Følgende emner blir omtalt:

- Sikring mot branntilløp i anlegget. - Sikring mot spredning av brann ved gjennomføring i brannskillende bygningsdel. - Sikring mot spredning av branngasser i bygningen.

Branntekniske krav til piper (røykkanaler) og varmeanlegg Kravene er gitt i kap.49. Som generelt krav gjelder at det skal etableres forsvarlig sikkerhet mot brann, eksplosjon, forgiftning og forurensning. Detaljerte krav gis i punkt 49:32, 49:33 og 49:4. Også til dette kapittelet finnes det relativt omfattende kom­ mentarer i Veiledning til BF.

VEILEDNING TIL BYGGEFORSKRIFT 1987

Veiledningen er ikke en forskrift

Veiledningen gir utfyllende kommentarer og informasjon til byggeforskriftenes bestemmelser. Det gis henvisninger til pub­ likasjoner som gir detaljløsninger, retningslinjer, bakgrunns­ materiale og ytterligere suppleringer til forskriftsarbeidet. I en del tilfeller gis det også eksempler på metoder og utførelser som vil tilfredsstille forskriftenes krav. Veiledningen er imidlertid ikke en forskrift, og det kan følgelig ikke stilles krav til byggearbeidet med hjemmel eller henvisning til veiledningen.

52

De løsninger og anvisninger som er beskrevet i veiledning­ ens eksempler, er i samsvar med forskriftenes krav, men de er ikke bindende. Det vil være mange alternative måter å tilfreds­ stille forskriftenes krav på. Andre løsninger vil f.eks. kunne fin­ nes i NBI Byggdetaljblader og annen litteratur. Den siste utgaven av Veiledning til Byggeforskrift 1987 kom i 1990 og har fått tittelen “Rett og slett - en veiledning til Byg­ geforskrift 1987”. Veiledningen er meget omfattende og infor­ mativ, ikke minst innenfor området brannvern.

TEKNISK BYTTE Når særlige grunner foreligger, kan det etter søknad gis dispen­ sasjon fra kravene i Plan- og bygningsloven og Byggeforskrift 1987. Dette er hjemlet i Plan- og bygningslovens § 7. Det kan settes vilkår for en dispensasjon, og ettersom krav­ ene i lovverket er å oppfatte som minimumskrav, må en dispen­ sasjon følges opp med gjennomføring av andre kompenserende tiltak. Dette kalles “teknisk bytte”. I brannteknisk sammenheng vil teknisk bytte og kompenser­ ende tiltak oftest omfatte følgende områder: Automatisk slukkeanlegg (f.eks. sprinkleranlegg). Et slikt slukkeanlegg kan f.eks. kompensere for utilstrekkelig brannmotstand i konstruksjoner eller bygningsdeler, eller for bruk av brennbare materialer i større grad enn forutsatt.

Brannventilasjon Kan f.eks. brukes som kompenserende tiltak dersom det ønskes større useksjonerte arealer enn forskriftene tillater, eller for å bedre situasjonen i rømningsveier dersom disse ikke oppfyller forskriftenes krav. Automatisk brannalarmanlegg Dersom f.eks. rømningsveier eller bruk av brennbar innredning ikke samsvarer med forskriftenes krav, kan alarmanlegg være et aktuelt kompenserende tiltak.

Andre aktuelle kompenserende tiltak kan være brannberedskap i umiddelbar nærhet (f.eks. industribrannvesen), flere og bedre rømningsveier enn forskriftene forlanger eller organisatoriske tiltak. 53

Kompenserende tiltak

Opprettholde sikkerhetsnivå

Bruk av teknisk bytte må vurderes nøye i det enkelte tilfelle, og det overordnede krav må være at sikkerhetsnivået ikke svek­ kes gjennom teknisk bytte. I og med at lovverk og forskrifter aldri raskt nok vil kunne følge opp den utvikling som foregår i byggebransjen når det gjelder ny teknologi, nye produkter osv., vil teknisk bytte være en mulighet til i praksis å innføre nye løsninger som i utgangs­ punktet ikke var omfattet av lovverket.

BRANNTEKNISK PROSJEKTERING Ved brannteknisk prosjektering av bygninger vil det være natur­ lig å nytte en prosedyre med følgende hovedpunkter:

Bestemme bygningsbrannklasse Bestemmes ut fra særbestemmelser i kapitlene 31 til 39. Bestemme krav til brannteknisk oppdeling!seksjonering Herunder krav både til seksjonering med brannvegg eller brann­ dekke og til branncelleinndeling. I tillegg til særbestemmelser i kapitlene 31 til 39 vil også følgende punkter være aktuelle: 30:61, 30:62, 30:63, 30:64, 30:65, 30:66 og 30:71. Bestemme krav til bygningsdelers brannmotstand Kravene er hovedsakelig gitt i tabell 30:41.

Bestemme krav til kledninger og overflate Det henvises til tabell 30:42, samt punkt 30:512, 30:52 og 30:74.

Bestemme krav til rømningsveier Kravene er dels gitt i punkt 30:7, og dels i særbestemmelsene. Krav til antall rømningsveier, bredde i rømningsveier, avstand til rømningsveier og ledelys/markeringslys i rømningsveier er grunnleggende. Bestemme krav til dører Disse finnes primært i tabell 30:75 (utførelse) og i punkt 30:73 (bredde). Bestemme krav til slokkingsanlegg Bestemmelsene finnes hovedsakelig i særbestemmelsene og omfatter både stasjonært utstyr og håndslokkingsapparater. 54

Bestemme krav til brannalarmanlegg Kravene er gitt for de respektive bygningstyper i særkapitlene.

Bestemme krav til brannventilasjon Disse er gitt i særbestemmelsene og i punkt 30:78. Bestemme branntekniske krav til det ventilasjonstekniske anlegget Kravene er gitt i punktene 47:2, 47:42 og 47:43. Bestemme branntekniske krav til piper og ildsteder Kravene er gitt i punktene 49:2, 49:3 og 49:4.

Etter en slik gjennomgang etter forskriftene bør det foretas en helhetsvurdering, hvor det vurderes om den branntekniske sikkerhet er i samsvar med byggherrens ønske. Videre må ønske om teknisk bytte tas opp til vurdering dersom spesielle forhold tilsier det, og grunngitt søknad evt. utarbeides. Den prosedyre som her er gitt, bygger i store trekk på “Prosedyre for brannteknisk prosjektering og dimensjonering av bygninger” utarbeidet av Narve Strandskogen [40].

55

Helhetsvurdering viktig

5. BRANNSPREDNING Ved en brann oppstår temperaturforskjeller og det vil oppstå en varmetransport som forsøker å utligne disse temperaturforskjel­ lene. En varmetransport vil si overføring av energi, og i branntek­ nisk sammenheng er det av interesse å vite ikke bare hvordan energioverføringen foregår, men også hastigheten for denne prosessen. Varmetransport foregår ved ledning, strømning eller stråling, og disse tre prosessene skal gjennomgås. Først må imidlertid visse størrelser defineres. Som enheter brukes meter (m) om lengde, sekund (s) om tid, kelvin (K) om temperaturdifferanser eller absolutt temperatur, og joule (J) om energi.

c er spesifikk varmekapasitet for et materiale og får benev­ ningen J/kgK. Den spesifikke varmekapasitet angir hvor mye energi som trenges for å få en bestemt temperaturøkning i en gitt mengde av materialet.

Overføring av energi

Spesifikk varmekapasitet

p er materialets tetthet (kg/m3).

pc er termisk varmekapasitet for et materiale, benevnt J/m3K, og angir hvor mye energi som trenges for å få en be­ stemt temperaturøkning i et gitt volum av materialet.

Termisk varmekapasitet

VARMETRANSPORT VED LEDNING Varmeoverføring ved ledning kalles også for konduksjon. Når det er en temperaturgradient i et legeme, vil det foregå en energioverføring fra det varme området til det kalde om­ rådet. Vi skal se på situasjonen ved en-dimensjonal varmeover­ føring ved konduksjon, og betrakter en skive av materialet med tykkelse dx. Kfr. figur 5.1. 57

Temperatur­ gradient fører til energitransport

Fig. 5.1 Modell for en-dimensjonal varmeledning

Matematisk kan energioverføringen uttrykkes som følger: Varmeoverføringshastighet ved ledning

dQ . A dT = - k A —q = — dt dx

k er termisk konduktivitet, varmeledningstallet, for materialet (J/msK) q er varmeoverføringshastigheten (J/s) dQ er overført energi (J) i løpet av tidsintervallet dt (s) dT er temperaturdifferansen (K) over lengden dx (m) Uttrykket dT/dx kalles også for temperaturgradienten. Minustegnet i formelen kommer av at varme transporteres nedover på temperaturskalaen. Dette er den enkleste form for varmeoverføring ved konduksjon. En mer fullstendig betraktning vil omfatte varmetransport i et tredimensjonalt system, og vil også ta hensyn til energi som eventuelt lagres eller genereres i materialet. Det er viktig å merke seg at størrelsen k, termisk konduktivi­ tet, sier noe om hvor raskt varme transporteres gjennom materi­ alet. En annen størrelse som sier noe om det er den termiske diffusivitet for et materiale, som matematisk uttrykkes som følger:

58

a

k pc

Termisk diffusivitet

a er termisk diffusivitet (m2/s) En høy verdi for termisk diffusivitet indikerer rask transport av varme gjennom et materiale. Dette kan vi se ut fra de størrel­ sene som bestemmer den termiske diffusiviteten. Høy termisk konduktivitet, k, vil bety stor varmeoverføringshastighet, mens lav termisk varmekapasitet, pc, betyr at en mindre del av var­ men som transporteres gjennom materialet, blir absorbert og ut­ nyttet til å heve temperaturen i materialet. Dermed er mer energi tilgjengelig for videre transport. Varmeoverføring ved konduksjon kan skje i en væske, en gass eller et fast stoff. Den mekanismen som foregår ved kon­ duksjon i en gass er lettest å forklare. Alle molekyler har en viss kinetisk energi som har sammenheng med temperaturen. I områder med høy temperatur har molekylene større hastighet enn i områder med lavere temperatur. Molekylene er i kontinu­ erlig, uregelmessig bevegelse og kolliderer med hverandre, og dermed utveksles energi. Slik bevegelse foregår i gassmolekylene uavhengig av om det er en temperaturgradient tilstede. Dersom det er en temperaturgradient i gassen, vil et molekyl som beveger seg fra et område med høy temperatur til et om­ råde med lavere temperatur, bringe med seg kinetisk energi og denne energien vil avgis til molekyler med lavere energi gjen­ nom kollisjoner. Dermed oppstår en varmetransport og even­ tuelt en temperaturutgjevning. I en gass vil høyere temperatur medføre større hastighet for molekylene, og dermed raskere varmeoverføring. Det medfører at den termiske konduktivitet varierer med temperaturen, i den forstand at økende temperatur gir økende termisk konduktivitet. En tilsvarende mekanisme som den som er beskrevet for gas­ ser, gjør seg gjeldende ved termisk konduktivitet i væsker. For­ holdene er imidlertid mer komplekse i og med at molekylene ligger tettere lagret. I faste stoffer er det to mekanismer som fører til varmeover­ føring. I gode elektriske ledere vil varme kunne overføres på samme måte som elektrisk energi overføres. På samme måte som frie elektroner kan transportere elektriske ladninger, kan de

59

Varmeledning i gass

Varmeledning i væske og fast stoff

også overføre elektrisk energi. Energioverføring i faste stoffer vil også foregå ved vibrasjoner i gitterstrukturer. Vanligvis er imidlertid denne overføringen av mindre betydning.

VARMEOVERFØRING VED STRØMNING

Modell for varmeoverføring ved strømning

Denne prosessen kalles også for varmeoverføring ved konveksjon. Vi vet at når luft eller væske passerer over en varm overflate, vil det overføres varme fra den varme overflaten til den passe­ rende massen. Den fysiske mekanisme for en slik varme­ overføring kan skisseres som følger: Den varme flaten har temperaturen Tw, og temperaturen i det passerende medium (gass eller væske) er T^. Hastigheten på det passerende medium vil variere med avstanden fra over­ flaten, og vil ved grenseflaten reduseres til 0. Dette er vist i figur 5.2.

Fig. 5.2 Modell for varmeoverføring ved strømning

Ettersom det ikke foregår noen bevegelse ved grenseflatene mellom de to medier, vil varmeoverføring i dette sjiktet foregå ved konduksjon og overføringen kan uttrykkes ved den passer­ ende massens termiske konduktivitet og temperaturgradienten i grenseflaten. Selv om den prosessen som foregår kan betraktes som var­ meoverføring ved ledning, snakker vi likevel om konveksjon, det vil si varmeoverføring ved strømning, i forbindelse med slike prosesser. Det har sammenheng med at temperaturgra­ dienten er avhengig av den passerende massens hastighet og

60

varmekapasitet, altså hvor fort varmen borttransporteres. Stor hastighet gir større temperaturgradient og raskere varmetrans­ port. Matematisk kan varmeoverføring ved konveksjon uttrykkes som følger: q = hA(Tw — TJ

Varmeoverføringshastighet ved strømning

h er varmeovergangskoeffisienten for konveksjon (J/sm2K) q er varmeoverføringshastigheten (J/s) A er arealet (m2) I denne formelen er varmeoverføringshastigheten uttrykt ved temperaturdifferansen. Vi skal imidlertid huske på at tempera­ turdifferansen på sin side vil være avhengig av det passerende mediums evne til å borttransportere varme, altså avhengig av hastighet og varmekapasitet. o

VARMETRANSPORT VED STRÅLING I motsetning til konduksjon og konveksjon, som omhandler energitransport gjennom et medium, kan varmetransport ved stråling foregå i et vakum. Den mekanisme som gjør seg gjeldende, er elektromagnetisk stråling. Elektromagnetisk stråling på grunn av temperaturfor­ skjeller mellom legemer, kalles termisk stråling. De matematiske formler for stråling tar som utgangspunkt at strålingen fra et “ideelt svart legeme” er proporsjonal med fjerde potens av legemets absolutte temperatur. To legemer som er plassert ovenfor hverandre, vil utveksle strålingsenergi. Netto energiutveksling vil da være proporsjonal med differensen av T4, og kan uttrykkes med formelen: q = OA(T t - TØ

o er Stefan-Boltzmanns konstant (5.67 • 10-8J/sm2K4) q er varmeoverføringshastigheten (J/s) Tj og T2 er den absolutte temperaturen for de to legemene (K)

Dette uttrykket kalles Stefan-Boltzmanns lov for termisk strål­ ing, etter Josef Stefan som påviste loven og Ludwig Boltzmann 61

Elektro­ magnetisk stråling

Varme­ overførings­ hastigheten ved stråling

Ideelt svart legeme

som utledet den, og er gyldig bare for “svarte legemer”. Et “svart legeme” er et ideelt legeme, og kan defineres som et legeme som absorberer all innkommende stråling. De fleste legemer vil ikke ha egenskaper som et “svart legeme”, men ut­ strålingen vil likevel være proporsjonal med T4. Det tas hensyn til at utstrålingen og strålingsabsorbsjonen fra “grå” flater er mindre enn fra et “svart legeme” ved å inn­ føre emisjonstallet e som setter strålingen fra en “grå” overflate i relasjon til strålingen fra en “svart” overflate. Vi må også ta hensyn til at ikke all strålingen fra den ene overflaten vil treffe den andre overflaten. Dette gjøres ved å innføre en geometrisk faktor. Det matematiske uttrykket for stråling blir dermed: q = F£FgoA(tJ - Tj)

Fe er emisivitetsfaktor Fg er geometrisk faktor

ANTENNELSE

Brennpunktet

Begrepene flammepunkt og brennpunkt er omtalt tidligere. Disse fenomenene kan observeres ved oppvarming av over­ flaten på faste legemer. Det er imidlertid ikke mulig å definere flammepunkt og brennpunkt ut fra et legemes temperatur. Brannutviklingen har sammenheng med at det dannes flyk­ tige, brennbare gasser gjennom kjemisk dekomponering av det faste stoffet, noe som igjen har sammenheng med temperaturen. Utviklingen vil også være avhengig av om den varmestrømmen som fører til en temperaturøkning i overflaten er konstant over tid, eller om det er varme som blir tilført i form av en puls, som raskt avtar etter antennelse. I det siste tilfellet vil flammens stabilitet ved overflaten og varmetapet fra overflaten bestemme om flammen vil bli opprettholdt. Dersom varmestrømmen er kontinuerlig over en viss tid, kan brennpunktet karakteriseres som den minimums overflatetem­ peraturen som er nødvendig for at strømmen av flyktige gasser er tilstrekkelig til å opprettholde flammen ved overflaten. Dette vil igjen avhenge av de kjemiske reaksjoner som foregår ved og under overflaten, og bevegelsen av gasser gjennom lagene. 62

Det viser seg at i tynne materialer oppvarmet på begge sider, er tiden før antennelse proporsjonal med vekt pr. flateenhet og med spesifikk varmekapasitet, og omvendt proporsjonal med varmeovergangskoeffisienten for konveksjon. Med tiden frem til antennelse benevnt t (s), kan dette uttryk­ kes:

Antennelse av “tynne” materialer

h

tp er vekt pr. flateenhet (kg/m2) t er tykkelsen (m) p er tetthet (kg/m3) c er spesifikk varmekapasitet (J/kgK) h er varmeovergangskoeffisient for konveksjon (J/sm2K)

Denne sammenheng gjelder altså “tynne” materialer, men vil ikke være gyldig for tykkere materialer. Vi vil her få en assymptotisk overgang, i og med at tiden frem til antennelse vil øke med økende tykkelse opp til en grenseverdi. For tykkere materialer vil antennelsestiden være uavhengig av materialets tykkelse. Det vil da være temperaturen i overflaten som er be­ stemmende for antennelse, dersom tilført varmemengde er kon­ tinuerlig.

FLAMMESPREDNING Brannutvikling vil avhenge av hvor fort flammer kan spre seg fra antennelsespunktet til et stadig økende område av brennbart materiale er innvolvert. I en lukket enhet, f.eks. en leilighet, vil fullt utviklet brann kreve at energiutviklingen kommer over en kritisk størrelse som gir høye temperaturer ved taket (t > 600°C). Det viser seg at det er det økende arealet som er invol­ vert i brannen, som har størst innvirkning på flammeutviklingen og forbrenningshastigheten. Flammespredningshastigheten vil være avhengig av mange faktorer. Brennstoffets kjemiske sammensetning og eventuelle brannhemmende stoffer vil være av betydning. Opprinnelig temperatur i de brennbare materialene, materialenes orienter­ ing, tykkelse, termiske varmekapasitet, termiske konduktivitet,

63

Fl ammespredningshastighet

Raskest flammespredning oppover

Tettheten er en viktig parameter

tetthet og geometri, og flammenes utbredelsesretning vil også være viktige faktorer. Også omgivelsenes tilstand med hensyn til temperatur, oksygentilførsel, lufttrykk, vindhastighet og til­ ført varmestrøm vil påvirke spredningen. Forsøk viser, som ventet, at vi får raskest flammespredning vertikalt oppover. Hastigheten avtar meget raskt dersom ret­ ningen er mer horisontal, og avtar ytterligere dersom spred­ ningen foregår nedover. Dette har sammenheng med at flam­ men varmer opp brennstoff foran flammefronten og at dette skjer raskere oppover, i og med at spredningsretningen da faller sammen med flammens orientering. Spredningshastigheten vil til en viss grad avhenge av materi­ alets tykkelse, i den forstand at hastigheten vil være størst i tynne materialer og avta med økende tykkelse, for så assymptotisk å nærme seg en grenseverdi som er uavhengig av tykkelsen. Også materialets tetthet, spesifikke varmekapasitet og ter­ miske konduktivitet har betydning for spredningshastigheten, i og med at hastigheten viser seg å være tilnærmet omvendt pro­ porsjonal med disse størrelsene. Når vi så vet at den termiske konduktivitet ofte er proporsjonal med tettheten for et materi­ ale, sier det seg selv at tettheten er en viktig parameter. Flam­ mer vil følgelig utvikles og spre seg raskt i lette materialer, f.eks. lette ekspanderte plastmaterialer. Materialets geometri vil også være av betydning. Det viser seg at ved vertikal spredning oppover vil hastigheten øke med økende bredde på materialet. Derimot vil bredden ha liten inn­ flytelse på spredningshastigheten nedover. Kanter og hjørner vil også medføre økt spredningshastighet, noe som delvis henger sammen med at materialet varmes raskere opp, på grunn av varmepåvirkning fra to sider. Øket oksygenkonsentrasjon vil medføre raskere antennelse og raskere brannspredning, fordi flammen blir varmere, og der­ med kan avgi mer varme til materialet. Økning av oksygenkonsentrasjonen kan skje på grunn av lekkasje fra f.eks. oksygenbeholdere, men kan også skyldes høyere atmosfærisk trykk. En påført varmestråling vil også føre til øket sprednings­ hastighet, fordi strålingen vil varme opp materialet foran flam­ mefronten. Det tar imidlertid en viss tid for å oppnå en tempe­ raturøkning på grunn av den påførte strålingen, og best effekt oppnås derfor dersom strålingen virker over lengre tid.

64

Luftbevegelse er også en parameter som påvirker flammespredningen. Økt luftbevegelse fører til økt spredningshastighet, dersom luftens bevegelse er i samme retning som flammespredningen. Dette har sammenheng med at det tilføres mer ok­ sygen, og at flammen “styres” mer forover og dermed raskere varmer opp foranliggende materiale. Denne sammenhengen vil gjelde opp til en kritisk verdi, hvor luftbevegelsen vil være så stor at det skjer en utblåsning av flammen. Dersom luftbevegelsen er motsatt rettet, vil effekten avhenge av luftens hastighet. Det er her viktig å være klar over at ved horisontal flammespredning vil det naturlig dannes en luftstrøm mot flammefronten, altså en luftstrøm som suger luft inn i flam­ men. Dersom det påføres en ytre luftstrøm i samme retning, vil det ha to virkningen På den ene side vil det føre til bedre oksygentilførsel og bedre forbrenning, og dermed raskere flamme­ spredning. På den annen side vil det medføre at materialet foran flammefronten avkjøles, noe som vil senke spredningshastigheten. Som et resultat vil økende luftbevegelse mot flamme­ fronten dermed føre til en økning i spredningshastigheten, men ved en viss grenseverdi opphører denne virkningen, og en fort­ satt økning av luftens hastighet medfører avtagende spredningshastighet.

Virkningen av luftbevegelse

BRANNSPREDNING De foregående avsnitt i dette kapittel har gitt en forklaring på de prosesser som foregår ved varmeoverføring, antennelse og flammespredning lokalt. Når en brann får utvikle seg i en byg­ ning, vil alle disse prosesser sammen medvirke til at brannen sprer seg. Den første spredningen vil foregå innenfor det rommet hvor brannen startet. Brannutviklingen innenfor en branncelle er nærmere omtalt i kapittel 7, og skal derfor ikke gjennomgås her. Etter at brannen har utviklet seg en viss tid innenfor branncellen, vil varmeutviklingen, og dermed drivkreftene som fører til spredning av brann, være så store at brannen kan spre seg til resten av bygningen.

65

Sterke driv­ krefter kan føre til at brannen sprer seg utover branncellen

Brannspredning fra en branncelle kan skje på følgende måter: - Gjennom åpninger i rommets begrensningsflater (åpne dører og vinduer, vinduer som sprenges, utette gjennomføringer, kabelbroer, ventilasjonskanaler etc.). - Gjennom svakere bygningsdeler (dører, vanligvis med halv brannklasse, gjennomføringer, fuger).

- Gjennombrenning (vegger, etasjeskillere).

Brannteknisk sikring av åpninger og gjennomføringer i branncellebegrensende flater er viktig

De brannforebyggende tiltak som kreves etter byggeforskrift­ ene, tar sikte på rask deteksjon og varsling av brann, effektiv rømning, eventuelt slukking ved hjelp av automatiske slukkingsanlegg og begrensning av brannens utbredelse. Sistnevnte punkt er blant annet knyttet til materialbruk i bygningen, men viktigste virkemiddel er riktig utførelse av be­ grensningsflatene rundt hver branncelle. De branncellebegrensende bygningsdelers egenskaper er avgjørende for hvor raskt brannen sprer seg til naborommene, og det er her viktig å være klar over at de branncellebegrensende konstruksjoners brannmotstand ikke bare er knyttet til selve flatenes egenskaper. Like viktig er det at alle åpninger og gjennomføringer er utformet og utført slik at tilfredsstillende brannmotstand ivaretas. Dessverre finnes det mange eksempler på at branner har fått unødvendig stor utbredelse fordi detaljer ikke var skikkelig ivaretatt rent brannteknisk.

66

6. RØYK Vi vet at få mennesker dør i brann som følge av brannskader eller høye temperaturer. Det er røyken som er farlig, både på grunn av giftige bestanddeler i røyken og på grunn av redusert sikt. Dødsårsak ved brann er vanligvis innhalering av giftig gass, varme gasser eller oksygenfattig luft. Dette kapitlet om­ handler røykutvikling og røykspredning. Dessuten er det tatt med et avsnitt om brannskader på mennesker.

RØYKUTVIKLING Noen få rene væsker brenner uten røykutvikling, men bortsett fra disse vil brann i alle stoffer medføre røykdannelse.

En grov formel for røykutviklingen er følgende: røykutviklingshastighet ~ forbrenningshastighet • røykpotensialet Røykutviklingshastigheten får benevning m3/s, mens forbrenningshastigheten uttrykkes i g/s og røykpotensialet gis i m3/g. Størrelsen m3 må her oppfattes som volum av røyk med en viss optisk tetthet, og røykpotensialet er altså den mengde røyk av en slik tetthet som utvikles ved forbrenning av et gitt materiale. Røykpotensialet er avhengig av hvordan forbrenningen foregår, og vil for de fleste materialer være større ved ufullstendig enn ved fullstendig forbrenning. Den angitte formelen uttrykker at røykutviklingen følger energiutviklingen. I praksis vil ofte røykutviklingen være mer agressiv på grunn av følgende to forhold:

- Mange av de moderne kunststoffmaterialer som brukes idag, medfører kraftigere røykutvikling enn de tradisjonelle byg­ gematerialene. 67

Røykutviklingshastighet

Røykutvikling i praksis

- Mange av dagens byggematerialer gir rask brannutvikling, og dette fører til underskudd av oksygen og delvis forbren­ ning, som igjen gir en kraftigere røykutvikling.

Røykens sammensetning bestemmes av brennstoffet og tilgangen på oksygen

Det som vi i dagligtale kaller for røyk, består av oppvarmet luft, uforbrente gasser og partikler fra forbrenningsprosessen. Mengden av forbrenningsgasser vil variere, avhengig av brenn­ stoffet og forbrenningsbetingelsene. Vanligvis utgjør de imid­ lertid en liten del av den totale røykmassen (5-10%). Ved å neglisjere mengden av forbrenningsgasser, kan røykutviklingen eller røykproduksjonen uttrykkes som mengden av medrevet luft. En slik betraktningsmåte fører til mer nøyaktige matema­ tiske uttrykk for røykutviklingen, og formler for beregning av røykproduksjon i de forskjellige brannsituasjoner kan finnes i spesiallitteratur, f.eks.[12]. Under en brann dannes en rekke kjemiske forbindelser på en ukontrollert måte. Som et resultat av fullstendig forbrenning får vi H2O og CO2, mens vi som følge av ufullstendig forbrenning får CO, sot og gass- og væskeformige hydrokarboner. Antall gassprodukter som dannes ved forbrenning, og deres fordeling vil variere. Selv små forandringer i brannforutsetningene kan føre til store endringer i røyken. CO2 og CO er altså de vanligste branngassene. Andre gasser som dannes er hydrogensulfid, sulfurdioksid, ammoniakk, hydrogencyanid og hydrogenklorid. Hvilke gasser som dannes avhenger først og fremst av brennstoffets kjemiske sammensetning, tilgangen på oksygen og temperaturen. Det er imidlertid vanskelig å forutsi røykut­ viklingen ved en brann bare på grunnlag av forbrenningsbetingelser og materialenes kjemiske sammensetning.

RØYKSPREDNING

Røykteppe

I en branns tidlige fase vil røyk utvikles kontinuerlig. Etterhvert som den stiger vertikalt vil den blandes med luft og fortynnes. Dersom brannen foregår innenfor et begrenset rom, vil røyken treffe himlingen og spres horisontalt utover. Den horisontale spredningen fortsetter inntil røyken finner en åpning og kan fortsette sin vertikale stigning, eller til den treffer en vertikal barriere (vegg) som stopper bevegelsen og får røykteppets tyk­ kelse til å øke. 68

Røykens bevegelse og spredning i en bygning skyldes på­ virkning av trykkforskjeller, og røykmengden som spres vil være bestemt av størrelsen på disse drivkreftene og dimensjoner på strømningsveiene. Drivkreftene kan være trykkforskjeller skapt av brannen eller trykkforskjeller som normalt eksisterer i bygningen. Trykkforskjeller på grunn av brannen er følgende:

Oppdrift

På grunn av røykens høyere temperatur i forhold til omgivelsene vil vi få opp­ drift. Dette resulterer i at røyken samler seg oppunder himling i et røykteppe som etterhvert vokser i tykkelse.

Termisk ekspansjon

Det trykk som bygger seg opp i en branncelle på grunn av at de varme gas­ sene ekspanderer, vil føre til at røyken spres for eksempel til andre rom. Dette kan skje gjennom åpne dører, ventilasjonskanaler og utettheter i skillevegger, f.eks. manglende tetting rundt tekniske gjennomføringer.

Skorsteinseffekt

I høye bygninger kan vi få skorsteinseffekt på grunn av temperaturforskjeller mellom uteluft og varme branngasser inne i bygningen. Det innebærer at branngasser ventileres ut i toppen av bygningen og frisk luft suges inn mot brannen nede.

Normalt eksisterende drivkrefter i bygningen vil være:

Vind

Ytre påvirkninger som vind kan føre til at røyken spres inne i bygningen. Vind­ styrke, vindretning, nabobyggenes be­ liggenhet, bygningens geometri og utett­ heter i fasader er viktige faktorer i denne forbindelse.

69

Røykspredning skyldes trykkforskjeller

Ventilasjons­ anleggets rolle

Avansert bruk av ventilasjons­ anlegg

Skorsteinseffekt

Vanligvis vil luften være varmere inne i en bygning enn utenfor. Det vil føre til trykkforskjeller og transport av luftmengder oppover i bygningen.

Ventilasjonsanlegg

Også ventilasjonssystemet kan bidra til spredning av røyk og branngasser.

Drivkreftene som skyldes selve brannen, vil være dominerende etter at brannen har fått et visst omfang. I den tidlige fasen, og i områder lenger borte fra brannstedet, vil de naturlige drivkref­ tene være av størst betydning for røykspredningen. Spørsmålet om et ventilasjonsanlegg skal være i drift eller stoppes under en brann har vært diskutert. Svaret vil naturligvis avhenge av hvordan ventilasjonssystemet er utformet med hen­ syn til kanalføring, bruk av omluft osv. Med omluft menes her at brukt luft renses og brukes omigjen for å spare oppvarmingsutgifter. I de senere år har det å vært enighet om at et ventilasjonssystem skal gå som normalt under en brann, forutsatt at systemet ikke gjør bruk av omluft eller at omluftspjell stenges ved brann. Stengning av ventilasjonsanlegget ved brann var tid­ ligere ansett som den beste løsningen. Erfaring fra branner viste imidlertid at dette kunne ha uheldige følger, idet trykkforskjel­ ler mellom de forskjellige rommene kunne føre til at røyk ble spredd gjennom ventilasjonskanalene. Det kan også tenkes en mer avansert bruk av ventilasjons­ systemet, ved at dette benyttes til avsug av branngasser i en brann situasjon. Dette vil imidlertid kreve et mer omfattende ventilasjonsanlegg med større kapasitet og med mulighet til å styre luftstrømmens retning etter behov. o

BRANNSKADER PA MENNESKER Ved en brann utvikles brannprodukter. Disse kan defineres som varme, røyk, branngasser og flamme. Røyk omfatter her fine små partikler og kondensert fuktighet, mens branngasser defi­ neres som de gasser som er igjen når brannproduktene er av­ kjølt til normal temperatur. En brann vil påvirke mennesker på forskjellig måte, av­ hengig av brannstadiet. Vi kan tenke oss tre forskjellige faser for et menneske i en brann situasjon. 70

I den første fasen er brannen under utvikling, men personen er ikke eksponert for røyk, varme og gasser. I denne fasen er mulighetene for rømning gode. Avgjørende er personens reak­ sjonsmønster med hensyn til psykologiske og logiske faktorer. I annen fase er personen eksponert for brannproduktene. Mulighetene for rømning avhenger av temperatur, siktforhold og av røykens og branngassenes giftighet og dannelseshastighet. Foruten psykologiske forhold, vil personens fysiologiske egenskaper være av betydning. I tredje fase intreffer døden, vanligvis som følge av påvirk­ ningen av røyk og branngasser. De tidligere nevnte brannprodukter vil ha forskjellig virkning. I tillegg vil oksygenmangel være en risikofaktor ved brann.

Tre faser i en brannsituasjon

Branngasser De branngasser som utvikles ved en brann vil ofte være giftige. For en person som blir eksponert for branngasser, vil giftigheten avhenge av gassenes konsentrasjon, varigheten og perso­ nens fysiske egenskaper. Vanligvis vil det være snakk om flere gasser, men det er uklart om samlet virkning av flere gasser fører til en synergieffekt, slik at den samlede virkningen blir sterkere enn summen av virkningen av hver enkel gass. Imidlertid synes det klart at selv gasser som i en normal situasjon ville være harmløse, kan føre til skader i en brannsituasjon. Dette skyldes at personer i en brannsituasjon vil puste raskere som følge av anfektelse, varme og overskudd av CO2. Mens brannskader som følge av varme, flamme og oksygen­ mangel vil være knyttet til området nær brannstedet, vil giftige branngasser kunne føre til skader selv i områder som ligger langt borte. Den vanligste av de farlige gasser ved en brann, er CO. Denne gassen vil i de fleste branner være hovedfaren. CO er ikke den giftigste gassen, men den opptrer vanligvis i rikelige mengder. Gassen virker kvelende, og selv små konsentrasjoner kan være farlige. CO2 er også vanligvis til stede i store mengder. Store kon­ sentrasjoner av CO2 overstimulerer åndedrettet. I kombinasjon med lavere oksygentilgang og tilstedeværelsen av irriterende røykpartikler, kan dette føre til livstruende tilstander, selv etter kort tid. 71

Branngasser er ofte giftige

Skader på grunn av gasser kan oppstå langt fra brannstedet

Hydrogenklorid skader både mennesker og materiell

Ved ufullstendig forbrenning av organiske materialer som inneholder svovel, f.eks. ull eller gummi, dannes hydrogensul­ fid. Gassen er lett gjenkjennelig med sin spesielle lukt (råtne egg). Lavere konsentrasjoner av hydrogensulfid fører til svim­ melhet, mens større konsentrasjoner påvirker nervesystemet. Svoveldioksid dannes ved fullstendig forbrenning av svovelholdige materialer. Gassen virker irriterende på øynene og åndedrettet. Selv kortvarig påvirkning kan være farlig. Ammoniakk forekommer ved brann i materialer som inne­ holder nitrogen, f.eks. ull og diverse plastmaterialer. Gassen er meget irriterende for øyne, nese, hals og lunger. Hydrogencyanid er en meget giftig gass, som heldigvis i de fleste branner bare dannes i små mengder. Ved forbrenning av kloridholdige plastmaterialer, som PVC, dannes hydrogenklorid. Gassen har en karakteristisk skarp og ubehagelig lukt. Inhalering kan være dødelig. Foruten skade på mennesker, fører HC1 ofte til store materielle skader, f.eks. ved korrosjon.

Røyk Røyk fører til dårlig sikt

Røykutviklingen under en brann medfører fare. Allerede tidlig i brannutviklingen vil røykdannelse kunne føre til at sikten redu­ seres og lokalene blir mørkere. Videre kan røykpartiklene virke irriterende. Tårer i øynene, hosting osv. er de første reaksjoner. Ved innhalering kan røyken også føre til skade på åndedrettet.

Varme Fysiske skader fra varmepåvirkning varierer fra små brannsår til dødsfall. Varm luft som pustes inn kan føre til uttørking, ut­ matting, brannsår og blokkering av pust. Påvirkning av høy temperatur kan også føre til økt hjertefrekvens. Når tempera­ turen overskrider menneskets tålegrense inntrer døden.

Flamme Flamme kan føre til brannsår, enten som følge av direkte kon­ takt med flamme, eller som følge av strålingsvarme fra flamme. Brannsår inndeles i l.grads forbrenning (ytre hudlag), 2.gradsforbrenning (dypere inntrengning) og 3.grads forbrenning (tørre, eventuelt forkullede sår, som er smertefrie fordi nerve­ trådene er ødelagt).

72

Oksygenmangel Nær brannstedet vil oksygeninnholdet i luften avta. Dette skjer fordi det vanligvis er utilstrekkelig tilgang på oksygen til å opp­ rettholde en fullstendig forbrenning, og brannen forbruker så mye oksygen at det oppstår et underskudd. Oksygenmangel kan også skyldes at oksygenfattige gasser fortrenger luft. Vanlig luft inneholder 21% oksygen. Allerede ved reduksjon av oksygeninnholdet til 15% påvirkes mennesker ved at muskelkraft og ferdigheter reduseres. Ved ytterligere reduksjon av oksygeninnholdet nedsettes dømmekraften og utmatting inntrer. Ved meget lave konsentrasjoner vil vi få fullstendig kollaps.

73

7. BRANNFORLØP I forbindelse med brannteknisk dimensjonering er det viktig å ha kjennskap til brannforløpet i en branncelle. Med brannforløp menes i denne sammenheng hvordan temperaturen utvikler seg med tiden. Temperaturutviklingen vil være avhengig av en rekke fakto­ rer. De viktigste vil være brennstoffets karakteristika, dvs. mengde og forbrenningshastighet, og branncellens karakteris­ tika, dvs. størrelse, form, materialer, ventilasjonsforhold etc. For å kunne beregne temperaturforløpet må det lages en be­ skrivelse eller modell av brannsituasjonen. En slik modell må bygge på matematiske uttrykk for de de fysiske prosesser som foregår ved en brann, og er defor en idealisering av situasjonen. En vanlig måte å betrakte fenomenet på er følgende: En brann vil utvikle energi og forbrenningsprodukter. For­ brenningshastigheten, og dermed energiutviklingen og utvik­ lingen av forbrenningsprodukter, vil variere med tiden. De varme forbrenningsgassene vil danne en røykplume som på grunn av oppdrift vil bevege seg mot taket. Denne røykplumen vil underveis suge til seg frisk luft fra omgivelsene, slik at tem­ peraturen senkes, mens volumet økes. Ved taket vil røyken spre seg utover, og det dannes et varmt gasslag. Tykkelsen på dette varme laget vil etterhvert øke, og høyde fra gulv til underkant av gasslaget avtar dermed med tiden. Skillet mellom det varme gasslaget og underliggende luft vil være relativt skarpt. Det antas forenklet at den eneste utveksling av masser mellom de to lagene skjer via røykplumen. Etterhvert vil det varme laget nå ned til åpninger i veggen, f.eks. dører og vinduer, og varm gass vil passere ut åpningene, samtidig som frisk luft strømmer inn. Skjematisk kan modellen fremstilles som vist i figur 7.1.

75

Modell av brann­ situasjonen

Røykteppe under taket

Fig. 7.1 To-lags modell

To-Iags modell

En slik modell for beskrivelse av brannutviklingen i en branncelle kalles en to-lags modell eller en sone modell, [5]. Modellen forutsetter at de respektive lag er uniforme, i den forstand at temperatur og andre egenskaper er de samme i hele laget. Den videre behandling av modellen bygger på to prinsipper, nemlig prinsippet om energikonservering og prinsippet om massekonservering.

ENERGIKONSERVERING Prinsippet om konservering av energi kan benyttes på hele branncellen, eller f.eks. på det øvre laget. En energibetraktning for den øvre sonen vil matematisk kunne uttrykkes som følger: Ligning for energi­ konservering

Q = qc + qg + qi + qr Q er energi som pr. tidsenhet frigjøres ved forbrenningen, og enhet vil være W = J/s. qc er energi som pr. tidsenhet borttransporteres fra den varme sonen ved konveksjon qr er energi som pr. tidsenhet borttransporteres fra den varme sonen ved stråling cp er energi som pr. tidsenhet går tapt ved at varm gass fra den varme sonen erstattes med kald uteluft via åpninger qg er energi som pr. tidsenhet lagres i den varme sonen

76

I det følgende drøftes leddene som inngår i ligningen for energikon servering.

Energi som frigjøres ved forbrenning Energien som frigjøres ved forbrenningen er den viktigste para­ meter for temperaturutviklingen i biaancellen. Den energi som frigjøres pr. tidsenhet vil være proporsjonal med det brennbare materialets effektive brennverdi og forbrenningshastigheten.

Q = mfq rhf er forbrenningshastigheten (kg/s) q er effektiv brennverdi (J/kg) Den effektive brennverdi for et materiale er den energi som vil frigjøres i en brann, og vil som regel være mindre enn teoretisk forbrenningsverdi, som er den energi som vil frigjøres ved en fullstendig forbrenning. Dette har sammenheng med hvilken forbrenningsgrad som kan forventes for det aktuelle materialet, noe som igjen er nøye knyttet til ventilasjonsforholdene. Det er vanlig å skille mellom ventilasjonskontrollerte bran­ ner og brennstoffkontrollerte branner. En brennstoffkontrollert brann defineres som en brann hvor forbrenningshastigheten og energifrigjøringen bare er bestemt av materialets egen forbrenning, og ikke av omgivelsene. Dette kan sammenlignes med en brann i friluft på en stille dag. I en slik brann vil den effektive brennverdi nærme seg den teoretiske brennverdi. En ventilasjonskontrollert brann er en brann hvor energiut­ viklingen er begrenset av tilgangen på oksygen. Det viser seg at energiutviklingen er tilnærmet proporsjonal med den luftmengde som forbrukes, og energien fra en brann kan derfor beregnes ut­ ifrå luftinnstrømningen gjennom dør og vinduer. En brann i en branncelle vil vanligvis være ventilasjonskon­ trollert, og den effektive brennverdi vil være mindre enn den teoretiske. Det antas at all energi som frigjøres ved brannen blir trans­ portert opp til den varme sonen. Dette er en forenkling, i og med at noe energi frigjøres som stråling, og følgelig overføres til omgivelsene.

77

Ventilasjons­ kontrollert eller brennstoffkontrollert brann

Energi som borttransporteres ved konveksjon En komplisert prosess

Energitap fra den øvre sonen ved konveksjon er en komplisert prosess. Parametre som inngår her vil være de respektive overflaters arealer, varmeovergangskoeffisienter, varmekapasitet, isolasjon segen skaper og temperatur. Når vi vet at en del av disse egenskapene varierer med varierende temperatur, sier det seg selv at en fullstendig beregning må bli meget omfattende. Varmetapet ved konveksjon vil også avhenge av gassens tempe­ ratur, og også denne vil variere med tiden. Forenklet kan imidlertid energitapet ved konveksjon uttrykkes:

qc = hAw(T„ - Tw) h er varmeovergangskoeffisienten for konveksjon (J/sm2K) Aw er arealet av vegger og tak i den varme sonen (m2) Tg er temperaturen på gassen i den varme sonen (K) Tw er temperaturen på vegger og tak (K)

Energi som borttransporteres ved stråling Fra den varme sonen vil det foregå energioverføring ved strål­ ing til vegger og tak tak i den varme sonen, og gjennom grense­ flaten mellom varm og kald sone til øvrige omgivelser. Også dette vil være komplekse prosesser med mange variable. Netto stråling fra den varme sonen vil hovedsakelig bestå av to kom­ ponenter, nemlig qru og qrl som uttrykker stråling til henholds­ vis vegger og tak i varm sone, og vegger og gulv i kald sone, og som matematisk kan uttrykkes: Stråling til varm og til kald sone

q„,/Aw = egaTg4 + y(l - eg)oTf4 - [1 - (1 -y)(l -eg)]aTw4 qr|/Af = eøTg4 + (1 - eg)oTw4 - aTf4 Eg er emisivitet for den varme gassen i øvre sone o er Stefan-Boltzmanns konstant Tg er temperaturen i den varme gassen (K) Tw er temperaturen på vegger og tak i varm sone (K) Tf er temperaturen på vegger og gulv i kald sone (K) yer forholdet mellom vegger og tak i øvre sone (Aw), og vegger og gulv i nedre sone (Af) 78

Det totale energitapet ved stråling kan dermed uttrykkes: Qr

Samlet energitap ved stråling

Qni + Qrl

Energitap som følge av utstrømning gjennom o • åpninger Varm gass som strømmer ut gjennom åpninger, vil bli erstattet med kaldere uteluft, og dette representerer et energitap som kan uttrykkes: qi = mgc(Tg - Too) mg er strømningsitensiteten for gass ut gjennom åpninger (kg/s) c er den varme gassens spesifikke varmekapasitet (J/kgK) er uteluftens temperatur (K)

Videre behandling av energitapet gjennom åpninger forutsetter at massebalanse trekkes inn. Dette er diskutert i et senere av­ snitt.

Energiøkning i varm sone Ettersom brannen utvikler seg, vil temperaturen øke i den varme sonen, og dette representerer en energiøkning for denne massen. Sammenlignet med de øvrige bidragene i ligningen for energibalanse er imidlertid dette en neglisjerbar størrelse, og i forenklede beregner settes qg lik null.

MASSEKONSERVERING I forbindelse med energitap ved strømning ut og inn gjennom åpninger, vil massebalanse være et sentralt begrep. Etter hvert som grenseflaten mellom varm og kald sone flyttes nedover vil varme gasser begynne å strømme ut gjennom åpningene, og er­ stattes med frisk luft som strømmer inn. Den totale massen i branncellen må være konstant under hele prossessen. Matematisk uttrykkes dette: mg = ma + mf

Massebalanse

(kg/s)

79

rhg er strømningsintensiteten for gass ut gjennom åpninger rha er strømningsintensiteten for luft inn gjennom åpninger rhf er forbrenningshastigheten for brennstoffet i brancellen Nøytralplanet

Mengden av gass som strømmer ut av branncellen vil avhenge av åpningenes geometriske form og størrelse, temperaturen i den varme gassen, uteluftens temperatur og tetthet, og høyden til nøytralplanet, Xn. Nøytralplanet defineres som grenselinjen mellom utadstrømmende varm gass og innadstrømmende ute­ luft. Luftstrømmen inn gjennom åpninger vil avhenge av de samme parametre, samt av høyden opp til grenseflaten mellom varm og kald sone, Xd. Kfr. figur 7.1. Dersom forbrenningshastigheten er liten sammenlignet med de andre størrelsene i ligningen for massebalanse, kan strøm­ ningsintensiteten ut åpninger forenklet settes lik strømnings­ intensiteten inn gjennom åpninger.

rhg ~ ma

I fasen før overtenning kan det ved brann i en branncelle med vanlige åpninger antas at nøytralplanet og grenseflaten mellom varm og kald sone er i høyde med midten av åpningene. Denne tilnærmingen gjelder etter at øvre del av branncellen er fylt med røyk og strømning inn og ut av åpninger er kommet i gang. Senere i brannutviklingen vil grenseflaten mellom varm og kald sone befinne seg nær gulvet, og strømningen gjennom åpningene når en maksimumsverdi for en gitt temperatur i den varme gassen. Det viser seg at ved gasstemperaturer over 150°C er strømningsintensiteten lite avhengig av gassens tem­ peratur, og strømningsintensiteten kan antas proporsjonal med ventilasjonsfaktoren som defineres på følgende måte: Ventilasjonsfaktoren

Ventilasjonsfaktor = Ao^/H7

Ao er størrelse på åpning(ene) (m2) Ho er høyde på åpning(ene) (m)

Ved flere åpninger er Ho en arealveiet middelverdi.

80

Som en gjennomsnittsverdi settes ofte: ma — 0.5 Ao ^Ho

Dette uttrykket forteller altså at luftstrømmen inn gjennom åpninger kun er avhengig av branncellens ventilasjonsforhold. Ventilasjonsforholdene ved en brann kan også uttrykkes ved åpningsfaktoren.

Åpningsfaktor = Ao

Åpningsfaktoren

Hp

Atot

Atot er totalt areal av gulv, tak og vegger i branncellen uttrykt

Åpningsfaktoren gir et mer nyansert uttrykk for ventilasjonsfor­ holdene under en brann.

FORENKLEDE BEREGNINGER Som vi har sett, kan vi ved å anta visse forenklinger sette opp en del matematiske uttrykk for energi- og massebalanse i en branncelle. En løsning av disse ligningene vil på tross av forenklingene være vanskelig å utføre for hånd. Forskere har ar­ beidet med dette og har med utgangspunkt i de nevnte uttrykk for energi- og massebalanse kommet frem til enklere bereg­ ningsmodeller. Det finnes relativt enkle metoder for beregning av hvilken temperatur som kan forventes i en branncelle i fasen før full overtenning, dvs. i utviklingsfasen. Likeledes er det utarbeidet metoder som kan brukes til å beregne temperaturer i fasen etter full overtenning, altså i utbrenningsfasen [4]. Metoden kan også benyttes til å beregne den energiutvikling som er nødvendig for å få full overtenning i en gitt branncelle. I tillegg til disse metoder som er matematisk utledet og be­ kreftet ved forsøk, finnes det også metoder som er basert på prøvningsresultater, og som følgelig baserer seg på tabellverk fremkommet ved forsøk og supplerende beregninger [14].

81

Temperaturberegninger

EDB-BASERTE BEREGNINGSMODELLER

Sannsynlighetsmodeller

Deterministiske modeller

Sonemodell eller elementmodell

En fullstendig beregning av brannforløpet i en branncelle vil kreve løsning av en rekke differensialligninger, idet de proses­ ser som foregår varierer med tid. Ved å ta i bruk EDB-baserte beregningsmodeller kan vi få et nøyaktigere bilde av f.eks. temperaturutviklingen. Det foregår en stadig utvikling på dette området og forståelsen for de pro­ sesser som foregår ved en brannutvikling blir stadig bedre. I til­ legg utvikles det stadig mer avansert computer teknologi. EDBbaserte beregningsmodeller forbedres følgelig stadig. De modeller som benyttes kan grupperes i sannsynlighetsmodeller og deterministiske modeller. I sannsynlighetsmodeller, også kalt tilstandsforandringsmodeller, behandles brann som en serie av etterfølgende hen­ delser eller tilstander. Det etableres matematiske uttrykk for overgangen fra en fase/tilstand til en annen, og sannsynlighet, basert på forsøk og erfaringsdata, blir knyttet til hver overgang. En slik modell gjør vanligvis ikke direkte bruk av de matema­ tiske uttrykk for kjemiske og fysiske prossesser som foregår i en brann. Deterministiske modeller tar derimot utgangspunkt i slike prosesser og de matematiske sammenhenger som gjelder. Ideelt skulle en slik modell kunne uttrykke matematisk alle de sam­ menhenger som gjør seg gjeldende og dermed gi et fullstendig bilde av brannutviklingen. Pr. idag har vi imidlertid ikke nok kunnskaper og grunnlagsmateriell for en slik fullstendig modell, og tilnærminger og forenklinger må foretas. En vanlig måte å betrakte brann på i denne sammenheng er å dele inn branncellen i soner, og den to-sone modellen som er beskrevet tidligere i dette kapittel er den vanligste. En annen variant er å dele inn hele branncellen i en mengde avgrensede elementer, og knytte ligninger for massebalanse, energibalanse osv. til hvert enkelt element.

82

8. KONSTRUKTIVE MATERIALERS EGENSKAPER VED HØYE TEMPERATURER Før vi går inn på brannteknisk dimensjonering av konstruksjo­ ner, er det nødvendig med kunnskap om materialenes egen­ skaper ved høye temperaturer. Viktige egenskaper i denne for­ bindelse er mekaniske egenskaper som fasthet, elastisitetsmodul, svinn og kryp, og termiske egenskaper som utvidelse, spesifikk varmekapasitet og termisk konduktivitet. Tre, betong og stål er de viktigste konstruktive byggemateri­ aler i Norge, og vil bli behandlet her. For andre materialer hen­ vises det til spesiallitteratur.

TRE Tre er et uensartet materiale og dets egenskaper viser store variasjoner, ikke bare fra treslag til treslag, men også for et be­ stemt treslag. Ut fra de forskjellige vekstforhold og vekstforut­ setninger for trevirke er dette forståelig. Som konstruktivt mate­ riale i Norge brukes hovedsakelig gran og furu, enten som mas­ sivt trevirke eller som laminerte konstruksjonselementer. Brann i trevirke karakteriseres ved at overflaten forkulles. Ved oppvarming av trevirke vil det foregå en kjemisk nedbryt­ ing av materialet. Denne kjemiske nedbrytingen fører til at det dannes flyktige gasser. Ved lave temperaturer vil ikke-brennbare gasser dominere, men ettehvert som temperaturen stiger, vil det i økende grad dannes brennbare gasser. De prosesser som foregår når trevirke nedbrytes på grunn av varme, kalles med et samlebegrep for pyrolyse. Ved økende temperatur vil gassutviklingen foregå stadig raskere, og de brennbare gasser som drives ut til overflaten og kommer i kontakt med oksygen vil forbrenne. 83

Pyrolyse

Etterhvert som brannen utvikler seg, vil det dannes trekull i overflaten av trevirket. Dette trekullet dannes ved ufullstendig forbrenning, og vil fortsette å brenne ved gløding. Et snitt gjennom en brennende trekonstruksjon vil vise at vi ytterst har et lag med trekull og innenfor dette en pyrolysesone (brannsone). Den resterende delen av trevirket vil være frisk ved.

Fig. 8.1 Tverrsnitt med forkulling

ForkuIIingshastighet

Det er av stor interesse å vite hvor dypt inn i trevirket forkul­ ling har foregått, idet forkullet virke ikke vil ha noen bæreevne. Forsøk har vist at forkullingshastigheten er avhengig av ventilasjonsforholdene, og med åpningsfaktoren som variabel frem­ kommer kurven som er vist i figur 8.2.

Fig. 8.2 Forkullingshastighet som funksjon av åpningsfaktor

84

Av interesse er også temperaturutviklingen i trevirket. Figur 8.3 viser resultater fra forsøk med en limtrebjelke utsatt for en brann med standard tid/temperaturkurve i henhold til NS 3904. Den øvre kurven viser temperaturen ved forkullingssonen, mens den nedre kurven viser temperaturen i tverrsnittets senter.

Temperatur i trevirket

Fig. 8.3 Temperaturutvikling i laminert bjelke

Mekaniske egenskaper Som det fremgår av figur 8.3 vil det gå lang tid før temperatu­ ren i det friske trevirket overstiger 100°C, og det er derfor mekaniske egenskaper opp til dette temperaturområdet som er av interesse. Både styrke og elastisitetsmodul vil avta med økende tempe­ ratur. Verdier oppgitt i forskjellige publikasjoner varierer noe. Fasthetsegenskapene reduseres med 10 til 40% når tempera­ turen i trevirket kommer opp i 100°C. Den tilsvarende reduk­ sjonen for E-modulen er av størrelsesorden 10%.

Termiske egenskaper Den termiske lengdeutvidelse for tre (langs fiberretningen) viser seg i temperaturområdet mellom -50°C og +50°C å være til­ nærmet uavhengig av trevirkets temperatur og av treslag. I lit­ teraturen oppgis noe varierende verdier. Al/1 = 0.35 • 10"5AT til 0.5 ■ 10’5AT

AT er temperaturdifferanse (K).

For termisk utvidelse på tvers av fiberretningen vil verdien være ca. 10 ganger større. 85

Opptil 40% reduksjon av fasthet

Ved videre oppvarming blir den termiske lengdeutvidelsen mindre på grunn av en motvirkende effekt som følge av uttørk­ ing i trevirket. Også termisk konduktivitet kan antas å være temperaturuavhengig, men varierer for de respektive treslag. Følgende verdier kan benyttes: k = 0.13 J/msK for trevirke fra nåle- og bartrær og for laminert trevirke. k = 0.19 J/msK for trevirke fra lauvtrær.

Trevirkets spesifikke varmekapasitet vil variere med temperatu­ ren, og kan for laminert trevirke og trevirke fra nåle- og bartrær uttrykkes ved formelen: c = 1110 + 4.2T (J/kgK)

T er temperaturen (°C).

STÅL

Varmvalset konstruksjonsstål

Stål er en fellesbetegnelse på materialer fremkommet ved for­ skjellige produksjonsprosesser med råjern som utgangspunkt. Dette medfører til dels varierende egenskaper for de forskjel­ lige stålkvaliteter. De verdier som oppgis i det følgende vil i første rekke være knyttet til varmvalset konstruksjonsstål, dvs. St37, St44 og St52. De alvorligste skader som påføres en stålkonstruksjon i en brannsituasjon skyldes stålets svekkede fasthets- og deforma­ sjon segen skaper ved høye temperaturer. Dette vil kunne føre til store deformasjoner og eventuelt sammenbrudd i konstruk­ sjonen. Andre konstruktive skader vil kunne oppstå ved at stålet ut­ vides ved oppvarming og dermed forårsaker skader eller defor­ masjoner på tilliggende konstruksjoner. Varme fra en brann vil dessuten kunne skade overflatebelegget på stål og det kan også utvikles korrosive gasser som vil an­ gripe stålet.

86

Mekaniske egenskaper Både flytespenningen og E-modulen for stål avtar raskt med økende temperatur. Kurvene i figur 8.4 er hentet fra NS 3478 og må antas som en utglattet middelverdi fra flere forsøksserier. Det er viktig å merke seg at allerede ved 500°C er fasthetsegenskapene halvert. I figur 8.4. er fy og E henholdsvis stålets flytegrense og Emodul ved vanlig romtemperatur, mens fyf og Ef er tilsvarende størrelser ved høyere temperaturer.

Fastheten halvert ved 500°C

Termiske egenskaper Når stål varmes opp til høye temperaturer, skjer det ved ca. 7OO-8OO°C en faseforandring i materialet ved at perlitt omdan­ nes til austenitt. Det medfører en endring i atomstrukturen. For­ andringen er en endoterm prosess, det vil si en prosess som krever varme, og vil ha betydning for materialets termiske egenskaper. Ved oppvarming av stål vil en ved forsøk få en kurve som vist i figur 8.5 for sammenhengen mellom lengdeforandring (tøyning) og temperatur. Kurvens helning vil avhenge noe av oppvarmingshastigheten (K/min), og av stålets sammensetning. Typisk for alle stål er imidlertid at kurven vil få et markert av­ vik fra den rettlinjede utviklingen ved temperaturer i området som gir nevnte faseforandring. Stålets sammenssetning, spesielt

87

Faseforandring gir endring i atomstrukturen

Al/1

Fig. 8.5 Sammenheng mellom temperatur og lengdeutvidelse i stål

karboninnholdet, vil til en viss grad bestemme ved hvilken tem­ peratur dette skjer. I brannteknisk sammenheng vil det være den første delen av kurven som er av størst interesse, idet stålets bæreevne ved temperaturer over 700°C er så liten at den ikke vil ha noen praktisk betydning. For det rettlinjede området gjelder:

Al/1 = 14 • 10’6AT Også stålets spesifikke varmekapasitet vil påvirkes sterkt av de faseforandringer som finner sted i materialet ved høye tempera­ turer. Som nevnt er disse prosessene endoterme, noe som med­ fører at den spesifikke varmekapasitet vil få ekstremt høye ver­ dier ved målinger i dette området. Dette er illustrert i figur 8.6. For de temperaturer som er aktuelle i forbindelse med brann­ teknisk dimensjonering av stål, dvs. temperaturer under 600°C, kan vi bruke følgende verdi:

c = 520 J/kgK

Termisk konduktivitet for stål vil også variere med tempera­ turen, og en forenklet kurve vil se ut som vist i figur 8.7. For temperaturer under 800°C kan k uttrykkes:

k = 54 - 3.33 • 10’2T (J/msK)

88

Fig. 8.6 Sammenheng mellom temperatur og spesifikk varmekapasitet for stål

Eventuelt kan følgende gjennomsnittsverdi brukes: k = 45 J/msK

Stålets tetthet antas å være uavhengig av temperaturen: p = 7850 kg/m3

89

BETONG Egenskapene avhenger av sammen­ setningen

Avskalling

Betongens egenskaper vil være nøye knyttet til sammenset­ ningen, dvs. blandingsforholdet, og til delmaterialenes egenska­ per. Spesielt tilslagets karakteristika er av stor betydning. Det er derfor ikke mulig å angi generelle verdier for betongens egen­ skaper i alle tilfeller. Betongens og armeringens egenskaper endres ved høye tem­ peraturer, og en betongkonstruksjons bæreevne, og dermed også faren for sammenbrudd, vil være nøye knyttet til temperaturen i armeringsstålet. Ved brann i forbindelse med betongkonstruk­ sjoner kan også avskalling oppstå. Med det menes at et ytre betongskall løsner og armering blottlegges. Avskalling kan skyl­ des damptrykk (i fersk betong eller i betong med stort fuktinnhold) eller spenninger (på grunn av ujevn oppvarming eller som følge av slukkevann som gir en brå avkjøling).

Mekaniske egenskaper Betongens fasthet avtar med økende temperatur. For temperatu­ rer opp til ca. 400°C er fasthetsreduksjonen relativt liten, men for høyere temperaturer avtar fastheten raskt. Figur 8.8 viser en typisk kurve.

I figur 8.8 betyr fc og fc>f betongens fasthet ved henholdvis romtemperatur og høyere temperatur.

90

Ved mindre branner som kun resulterer i lavere temperaturer, vil fasthetsreduksjonen i betong være midlertidig. Ved høyere temperaturer vil det foregå endringer i sementlimet. Betongen dehydrerer (mister en del av fuktigheten) og gjennomgår store forandringer, og fasthetstapet kan bli permanent. Også elastisitetsmodulen vil avta med økende temperatur, og en typisk kurve vil være som vist i figur 8.9.

Midlertidig eller pemanent fasthetstap

Fig. 8.9 Sammenheng mellom temperatur og elastisitetsmodul i betong

Termiske egenskaper Betongens termiske utvidelse vil være økende opp til en viss temperatur, ca.7OO-8OO°C, og kan deretter antas konstant som vist i figur 8.10.

Termisk utvidelse er sterkt avhengig av tilslagstypen

91

Verdier for termisk utvidelse avhenger i stor grad av tilslagstypen og det henvises derfor til spesiallitteratur. For forenklede beregninger med konstant utvidelseskoeffisient, anbefaler Eurocode No.2, part 10 følgende:

Al/1 = 18 • lO^AT for betong med sandholdige tilslag Al/1 = 12 • 10-6AT for betong med kalkholdige tilslag

Den spesifikke varmekapasiteten vil variere med temperaturen. Omkring 100°C vil kurven være uregelmessig, idet fordamping av fuktighet vil kreve store varmemengder.

Fig. 8.11 Sammenheng mellom temperatur og spesifikk varmekapasitet for betong

Verdier for spesifikk varmekapasitet varierer med betongens blandingsforhold og fuktinnhold. Som forenklet verdi anbefaler Eurocode No. 3, part 10:

c = 1000 J/kgK Betongens termiske konduktivitet avhenger av komponentenes konduktivitet, og varierer med fuktighetsinnhold, tilslagstype og blandingsforhold. En typisk utglattet kurve er vist i figur 8.12.

92

k (J/msK)

temperatur

0

200

400

600

800

1000

1200°C

Fig. 8.12 Sammenheng mellom temperatur og termisk konduktivitet for betong

Armering Betongens oppførsel og bæreevne ved høye temperaturer er nøye knyttet til armeringens egenskaper. Armeringen vil i store trekk ha de samme egenskaper som er beskrevet for vanlig konstruksjonsstål.

93

9. BRANNTEKNISK DIMENSJONERING Når nødvendig brannmotstand for en konstruksjon eller et kon­ struksjonselement er bestemt, kan den branntekniske dimensjo­ neringen foretas. I begrepet brannmotstand ligger det at en bygningsdel innen­ for et gitt tidsrom skal kunne motstå oppheting med bibehold av dens forutsatte branntekniske egenskaper. Branntekniske egen­ skaper i denne sammenheng vil være bæreevne, isolasjonsevne eller integritet, dvs. tetthet mot gass- og røykgjennomgang. I dette kapittel omhandles bæreevne. Skjematisk kan bæresystemets oppførsel under en brann an­ gis som vist på figur 9.1.

Normal bruk

Temp. °C

Ulykkestilstand brann start slut

Normal bruk

Rehabiliterings, periode

Temp, branncelle Temp, konstruksjon

Tid Konstruktiv bæreevne m

1 b

Tid > Formell belastning 7f P ^Vanlig 7f i Redusert |J | — Vind o.a.

1

Vanlig TF

?

Fase I

Fase II

Fase III

Fase IV

Tid

Fig. 9.1 Brannteknisk utvikling - bæresystem. Figuren er hentet fra [7].

95

Dimensjonerende belastning beregnes etter NS 3479

Norsk standard eller Eurocode?

Figur 9.1 viser utviklingen i fire faser, nemlig i normal bruk, fase I, under ulykkesgren se tilstanden brann, fase n, under re­ habiliteringsperioden, fase III, og ved eventuell normal bruk igjen etter brannen, fase IV. Øvre del av figur 9.1 viser temperaturutviklingen, og vi mer­ ker oss at temperaturen i bærekonstruksjonen stort sett er lavere enn temperaturen i branncellen. Den midterste figuren angir bæreevnen, og denne vil avta etterhvert som temperaturen øker. Etter avkjøling vil konstruk­ sjonen enten gjenvinne bæreevnen eller stå igjen med redusert bæreevne. Den resterende bæreevne kan i verste fall være lik null, hvilket innebærer at konstruksjonen har brutt sammen. I figuren angir linje bl situasjonen dersom bæreevnen gjenvin­ nes. Dersom deformasjonene ikke er uakseptable, vil situasjo­ nen for det konstrukstive systemet være som før brannen. Linje b2 viser utviklingen dersom konstruksjonen er påført perma­ nent redusert bæreevne. Konstruksjonen må i så fall rehabilite­ res før videre bruk. Linje b3 antyder at det ikke er funnet for­ nuftig å rehabilitere og konstruksjonen blir følgelig revet. Den beregningsmessige belastningen vil iflg. NS 3479 ha en utvikling som vist i den nedre figuren. Dimensjonerende belast­ ning i ulykkesgrensetilstanden brann er vesentlig lavere enn i bruddgrensetilstanden (fase I). I fase III, under rehabiliteringen, kan situasjonen sammenlignes med byggeperioden. En fullstendig brannteknisk beregning av en konstruksjons bæreevne ville bl.a. innbefatte beregning av tid/temperaturforløpet i den aktuelle branncellen. Som vi har sett i tidligere kapitler er dette en komplisert beregning. I de respektive stan­ darder er det derfor gitt forenklede metoder for brannteknisk dimensjonering. Bæreevne bestemmes ut fra tabeller og beregningsregler gitt i diverse standarder, eller etter prøving i henhold til NS 3904 Brannteknisk prøving av bygningskonstruksjoner. I Norge brukes idag Norsk Standard som grunnlag for dimensjonering. Norge har imidlertid forpliktet seg til å innføre Euronormene når disse foreligger. Det betyr sannsynligvis at i en overgangsperiode vil både Norsk Standard og Eurocode være gyldige, mens Eurocode senere vil bli enerådende.

96

BRANNUTVIKLING OG BRANNTID Brannutviklingen og branntiden er viktige parametre ved brann­ teknisk dimensjonering. Branntiden kan beregnes eller bestem­ mes ut fra forskriftskrav.

Foreskrevet branntid I Byggeforskrift 1987 angis krav til konstruksjoners motstands­ evne på grunnlag av bygningsbrannklasse. Kravene uttrykkes f.eks. som minst A30, B60, A120 etc. Disse kravene er i de fleste tilfeller gitt uten referanse til brannbelastning eller beregninger, men er knyttet til parametre som bygningskategori, etasjetall, seksjonering og grunnflate. Kravet A60 vil f.eks. tilsi at konstruksjonen skal motstå en brann i 60 minutter etter den standardiserte (formelle) tid/temperaturkurven, ofte kalt ISO-kurven. Denne kurven er vist i fig. 9.2.

Krav til motstandsevne

ISO-kurven gir “standard” brannutvikling

Fig. 9.2 ISO-kurven (International Standard ISO 834 -1975)

ISO-kurven er en internasjonalt akseptert normkurve, og kan matematisk uttrykkes: T - To = 345 • log10(8t + 1) T er temperaturen (°C) etter tiden t (minutter). To er starttemperaturen (°C).

97

1000

t i minutter

Fig. 9.3 Brannutvikling for normert brann og for to naturlige branner

Naturlig brannutvikling

I virkeligheten vil ingen branner brenne etter denne standard brannkurven. Eksempelvis kan brannutviklingen for en lang­ som og en hurtig brann være som vist i figur 9.3. ISO-kurven har formelt ingen kurve for avkjølingsfasen, men i praksis brukes -10K pr. minutt.

Beregnet brannutvikling

Forenklet beregning av brannutvikling etter NS 3478

Nøyaktigere beregning av brannutvikling

Brannutviklingen kan også beregnes og to metoder for bereg­ ning er aktuelle. Forenklet kan brannutviklingen beregnes ved at tid/temperaturutviklingen antas å følge ISO-kurven, og branntiden, i betyd­ ningen oppvarmingstiden, bestemmes ut fra brannbelastningen. Denne metoden er angitt i NS 3478. Alternativt kan det foretas en mer nyansert beregning av brannutviklingen, basert på branncellens og brannbelastningens karakteristika. Det vanlige er beregninger med utgangspunkt i modeller basert på konservering av energi og masse i branncellen (kfr. kapittel 7). Dette kan være håndberegninger basert på for­ enklede metoder eller mer omfattende EDB-baserte beregninger.

DIMENSJONERINGSMETODER Flere metoder for brannteknisk dimensjonering

Avhengig av hvilket utgangspunkt som velges for angivelse av brannutviklingen, og dermed branntiden, vil det være flere metoder for brannteknisk dimensjonering. Verifikasjon av kon98

Inngangsverdi krav til motstandstid

Inngangsverdi brannbelastningen

Fig. 9.4 Brannteknisk dimensjonering. Figuren er hentet fra [7],

struksjonens bæreevne vil kunne bestå i valg av klassifisert konstruksjon, prøving av konstruksjon eller brannteknisk bereg­ ning av konstruksjonen. Dette er skjematisk fremstilt i fig. 9.4. I de fleste tilfeller vil det være kravet til motstandstid angitt etter Byggeforskrift 1987 som benyttes som utgangspunkt for den branntekniske dimensjoneringen, og motstandstid settes lik branntid. Det er da brannutvikling etter ISO-kurven som er ak­ tuell, og verifikasjon av en konstruksjons bæreevne foretas ut fra valg av klassifisert konstruksjon eller etter beregning.

NS 3479 PROSJEKTERING AV BYGNINGSKON­ STRUKSJONER. DIMENSJONERENDE LASTER Norsk Standard for prosjektering av konstruksjoner i stål, tre og betong forutsetter at grensetilstandsmetoden med partialkoeffisienter blir brukt. De tilhørende lastkoeffisienter er gitt i NS 3479.

99

Grensetilstandsmetode benyttes i NS

Ulykkesgrensetilstanden brann

NS 3479 utkom i 1979, og erstattet da NS 3052 Beregninger av belastninger. En konstruksjon, eller en del av en konstruksjon, oppfyller ikke lenger de krav som den ble dimensjonert for, når den har nådd en bestemt tilstand som betegnes grensetilstand. Brann defineres som en ulykkesgrensetilstand, og lastkoeffisienter for ulykkesgrensetilstanden brann er:

yf = 0.8 for snølast Yf = 1.0 for egenlast, jordtrykk, permanent væsketrykk og andre laster

Disse lastkoeffisientene er betydelig lavere enn de som benyttes ved dimensjonering i bruddgrensetilstand. I ulykkesgrensetil­ standen brann kan vindlast sløyfes, og nyttelasten kan reduseres med inntil 50% i lokaler hvor personer utgjør en vesentlig del av forutsatt nyttelast.

NS3478 BRANNTEKNISK DIMENSJONERING AV BYGNINGSKONSTRUKSJONER

Aktuell for beregning av brannbelastning og branntid

NS 3478 utkom i 1979 og dekket behovet for beregningsregler for de viktigste konstruksjonsmaterialene under en brann. I nyere utgaver av konstruksjonsstandardene inngår imidlertid dimesjonering i ulykkesgrensetilstanden brann i de respektive standarder, og NS 3478 vil dermed kun være aktuell for bereg­ ning av brannbelastning og branntid. Brannbelastningen kan beregnes etter følgende formel:

ZkHvm

qb = ^r qb er spesifikk brannbelastning (MJ/m2) k er forbrenningsgrad (dimensjonsløs) Hv er spesifikk varmeverdi (MJ/kg) m er masse av brennbare stoffer (kg) At er omhyllingsflate (m2)

100

Spesifikk varmeverdi for de respektive materialer er angitt i ta­ bell i standarden. Forbrenningsgraden settes lik 1,0 dersom ikke andre verdier kan påvises. I praksis vil det si at i enkelte gitte tilfeller settes k lik 0,5 og forøvrig regnes k lik 1,0. Omhyllingsflaten er summen av vegg-, gulv- og takareal i branncellen. Alternativt kan brannbelastningen baseres på statistiske data. Slike data er angitt i standarden for en del bygningstyper. Når brannbelastning er kjent, kan branntiden etter NS3478 beregnes etter følgende formler: t = 0.3qb

for

qb < 840 MJ/m2

t = 0.6(qb - 420)

for

qb > 840 MJ/m2

NS 3470 PROSJEKTERING AV TREKONSTRUK­ SJONER Branntekniske krav er i NS 3470 samlet i kapittel 15 Brannmot­ stand. Som nevnt er det karakteristisk for trekonstruksjoner at det ved en brann foregår en forkulling av det ytre trevirket. Forkullingshastigheten kan for de fleste branntilfeller antas konstant, og etter NS 3470 settes den lik 35 mm pr. time. Nyere forkning har imidlertid vist at dette er for lavt, og det må forventes en oppjustering av denne verdien. Reglene i NS 3470 gjelder ikke for trevirke som er beskyttet mot brann med kledninger, brannbeskyttende maling eller brannimpregnering. I ulykkesgrensetilstanden skal materialkoeffisienten settes lik 1.0, og dimensjoneringen kan utføres i lastvarighetsklasse C. Prinsippet for den branntekniske dimensjonering av trekon­ struksjoner er enkelt. Det forutsettes at uforbrent tverrsnitt er uforandret og uskadd, og med opprinnelige mekaniske egen­ skaper inntakt. I dette ligger det at forkullingsonen også inklu­ derer trevirket i en sone under overflaten som på grunn av høye temperaturer er svekket. Når branntiden er kjent, kan forkullingsdybden bestemmes og dermed kan resterende friskt tverrsnitt beregnes. Med ut­ gangspunkt i dette reduserte tverrsnittet, kan konstruksjonens bæreevne beregnes på vanlig måte.

101

Forkullingshastigheten antas konstant

Uforbrent tverrsnitt har uendrede mekaniske egenskaper

Forbindelsesmidler

I statisk ubestemte konstruksjoner kan forkulling føre til for­ andring i forholdet mellom stivhetene, og det må tas hensyn til forandring av bæresystemets virkemåte. Det gis også bestemmelser for hvordan forholdene ved for­ bindelser og metalldeler skal behandles. I utgangspunktet skal det sørges for at temperaturen i metalldeler som står i direkte kontakt med tre, ikke overskrider 300°C. o

NS 3472 PROSJEKTERING AV STÅL­ KONSTRUKSJONER De branntekniske bestemmelser i NS 3472 finnes i Tillegg B Dimensjonering mot brann og i kapittel 6 Ulykkesgrensetilstanden. Materialkoeffisienten settes lik 1.0 i ulykkesgrensetilstanden. Reglene i standarden er basert på konstruksjonenes materialtemperatur, som forenklet forutsettes lik gjennom hele kon­ struksjonen. Dette gjelder både isolerte og uisolerte konstruk­ sjoner. Brannutviklingen i branncellen antas å følge ISO-kurven.

Uisolerte konstruksjoner

As/Vs-forholdet

Varmeovergangen til konstruksjonen avhenger i stor grad av emisjonstallet e^ I NS 3472 betraktes tre tilfeller, idet emisjons­ tallet settes lik 0.7 for søyler, 0.5 for bjelker, og 0.3 for søyler utvendig. En annen sentral parameter er forholdet A/V,. (m-1), som ofte kalles profilfaktoren. As er stålprofilets brannutsatte overflate pr. lengdeenhet (m2/m) Vs er stålprofilets volum pr. lengdeenhet (m3/m)

Med emisjonstallet, branntid og A/Vs som inngangsparametre, bestemmes ståltemperatur ut fra kurver. Eksempel på to slike kurver er gitt i figur 9.5. Når ståltemperaturen er bestemt, kan redusert fasthet og elastisitetsmodul bestemmes fra diagram som vist i figur 8.4. Stålkonstruksjonen beregnes deretter på vanlig måte.

102

Fig. 9.5 Kurve B6.Ia og B6.1b fra NS3472

Isolerte konstruksjoner For isolerte stålkonstruksjoner vil isolasjonens egenskaper, tyk­ kelse og utforming være av betydning. Utformingen kommer til uttrykk gjennom forholdet A/Vs (m-1), hvor Aj (m2/m) er isolasjonens indre areal pr. lengde­ enhet. Figur 9.6 viser noen eksempler på utregning av Ab

Aj = 2h+4b-2s

Aj /Vs-forholdet

Aj = 2h+2b

Fig. 9.6 Isolasjonens indre areal

Isolasjonsmaterialets tykkelse og isolasjonsevne kommer til uttrykk i forholdet

dj/Yi (m2K/W)

di er isolasjonsmaterialets tykkelse (m) 103

Isolasjons­ materialets egenskaper

Yi er isolasjonsmaterialets gjennomsnittlige varmeledningsevne i temperaturområdet fra 0°C til maksimal temperatur under brannen. Benevning for varmeledningsevne er W/mK, og denne størrelsen er tidligere i kapittel 5 kalt termisk konduktivitet og angitt med k. Med branntid, Ai/Vs og di/y- som inngangsdata, bestemmes ståltemperatur etter tabell i NS 3472, og den videre prosedyre blir som beskrevet for uisolerte konstruksjoner.

NS 3473 PROSJEKTERING AV BETONG­ KONSTRUKSJONER

Lavere materialkoeffisient Brannmotstand påvises eller beregnes

Branntekniske bestemmelser i denne standarden finnes i Tillegg B Brannteknisk dimensjonering og i kapittel 14 Ulykkesgrensetilstanden. Materialkoeffisienten bestemmes etter standardens tabell 4 og er betydelig lavere i ulykkesgrensetilstanden brann enn i vanlig bruddgrensetilstand. Verifikasjon av en konstruksjons brannmotstand kan foretas etter forenklede påvisningsregler gitt i Tillegg B, eller beregnes på grunnlag av nærmere bestemte forutsetninger gitt i standar­ dens punkt 14.3.3 og/eller punkt B.2 i Tillegg B. Beregning av kapasitet bygger på forutsetninger om temperaturutvikling i konstruksjonen og gitte sammenhenger mellom temperatur og fasthet/elastisitetsmodul i betong og armering. I de fleste tilfeller vil påvisning av kapasitet etter forenklede regler være tilstrekkelig.

Forenklet påvisning av brannmotstand Temperatur i armeringen er avgjørende

Armert betongs bæreevne ved brann vil i stor grad være knyttet til armeringens oppførsel, og temperaturen i armeringen er der­ for en avgjørende faktor. Utgangspunkt for de forenklede regler som gis i Tillegg B, er at temperaturen i armeringsstålet skal være mindre enn 500°C. Dette oppnås ved å sørge for tilstrekkelig overdekning. Ved en temperatur på 500°C vil flytegrensen for armeringsstål være redusert til ca.65% av flytegrensen ved romtemperatur. Valg av denne temperatur har sammenheng med at ved dimen­ sjonering med de lastkoeffisienter og materialkoeffisienter som 104

er foreskrevet i ulykkesgrensetilstanden brann, vil opptredende spenninger i stålet være mindre enn 65% av vanlig flytegrense. Begrepet armeringsdybde benyttes. Med det menes avstan­ den fra betongoverflaten til senter av armeringsstang. For de forskjellige konstruksjonstyper er det utarbeidet tabeller for minste tverrsnitt og minste armeringsdybde. Det vil føre for langt å gå inn på alle komponenttyper her, men som eksempel gjengis tabell for fritt opplagte plater og for søyler. Bran nmotsta nd i mi nutter 30

60

90

120

180

240

Platetykkelse d(mm)

60

80

100

120

150

175

Enveisplater

armeringsdybde a (mm)

10

25

35

45

60

70

V4 1,5 armeringsdybde a (mm)

10

10

15

20

30

40

V4 2,0 armeringsdybde a (mm)

10

25

35

45

60

70

Toveisplater

’> For 1,5