Brannteori

Egenskaper

Det er to kategorier branntekniske egenskaper som er vesentlige i prosjekteringen.
• Bygningsdelers brannmotstand
• Materialers egenskaper ved brannpåvirkning

Brannteknisk dokumentasjon av konstruksjoner kan skje på følgende vis:
• Anerkjente og utprøvde bygningskonstruksjoner (NBI-blad)
• Klassifiserte/sertifiserte bygningskonstruksjoner (Byggnormserien)
• Bygningskonstruksjoner som er dokumentert ved prøving (fra byggematerialleverandører)
• Bygningskonstruksjoner som er dokumentert ved beregning

I tillegg kan godkjente strukturer presenteres i håndbøker eller produsentens tekniske dokumentasjon

Standarder og retningslinjer
I Europa kalles de strukturelle designstandardene Eurocodes. Standardene er delt mellom konstruksjonsmaterialene og vanligvis omhandler del 1-2 brann. EN 1995-1-2 Eurocode 5 Part 1-2 er designstandarden for strukturell branndesign av trekonstruksjoner. Gjeldende standard er utgitt i 2004 og det er ikke gitt spesielle regler for I-bjelkene eller for de andre hulromsisolasjonene enn steinull eller glassull.

Det pågår en revisjonsprosess for alle eurokodene. Den nye generasjonen av Eurocodes vil antagelig bli publisert i 2025. Det vil også bestå av branndesignreglene for gulv og vegger laget av I-bjelkelag og laget med alle slags isolasjonsmaterialer.

Modellen av konstruksjonssystemet som er tatt i bruk for konstruksjonen, må gjenspeile ytelsen til konstruksjonen i en brannsituasjon. Det strukturelle systemet kan være annerledes i en brannsituasjon, f.eks. der et konstruksjonselement er avstivet ved omgivelsestemperatur og avstivningen svikter i brannsituasjonen, må elementet anses som uavstivet i konstruksjonsmessig branndesign. Elementer som brukes til stabilisering av bygget, f.eks. trebaserte plater eller gipsplater i vegg- eller gulvmembraner, mister ofte reolmotstanden i en brannsituasjon med mindre de er beskyttet mot brann. Denne effekten på det globale struktursystemet må derfor tas i betraktning. I redundante konstruksjonssystemer kan det være fordelaktig å tillate for tidlig svikt dersom en alternativ lastvei er mulig, f.eks. en søyle i en brannseksjon.

For beregning av motstanden til treelementer reduseres det opprinnelige tverrsnittet med forkullingsdybden og nullstyrkelaget

Materialer/overflater

Risikoklasse

Bestemmes ut fra den virksomhet bygget er plan- lagt for og de forutsetninger menneskene i bygg- verket har for å bringe seg selv i sikkerhet.

Brannklasse

Bestemmes ut fra den konsekvens en brann kan innebære for skade på liv, helse, samfunnsmessige interesser og miljø. Denne konsekvensen vil være avhengig av bruken av bygget (risikoklasse), antall etasjer og planløsning. Krav til bærende bygnings- delers brannmotstand bestemmes ut fra hvilken brannklasse byggverket skal utføres i.

Brannmotstand

Er den evne en konstruksjon har til å oppfylle påkrevde funksjoner (lastbærende og/eller brann- skillende funksjon) under en gitt brannbelastning i en gitt tidsperiode.

Krav til bærende bygningsdelers brannmotstand

R

Bærende konstruksjoner skal ha brannmotstand R for å oppnå tilstrekkelig lastbærende egenskaper og stabilitet ved brann, og slik sikre nødvendig tid til rømning og redning. I bygninger i brannklasse 3 må bærende konstruksjoner i tillegg opprettholde sin bæreevne gjennom et fullstendig brannforløp.
Dimensjonerende kapasitet må kontrolleres mot dimensjonerende verdi av lastvirkningen i grensetilstanden brann, bestemt i henhold til NS-EN 1991-1-2- og lastkombinasjoner av disse i henhold til NS-EN 1990 og NS-EN

EI

Branncellebegrensende bygningsdeler skal ha brannmotstand EI for å hindre spredning av brann og branngasser i den tid som er nødvendig for rømning og redning.

Som oftest vil det også være knyttet krav til tetthet og isolasjonsevne til konstruksjoner (f.eks. REI 60).
Hensikten med å dele bygninger opp i brannceller er å forhindre brann- og røykspredning til andre deler av bygningen, i den tid som ansees som nødvendig for rømming. Konstruksjoner som omslutter en branncelle må ha tilfredsstillende branntekniske egenskaper for å hindre spredning av brann- og røykgasser fra en branncelle til en annen (min. EI30).

Brannmotstand på skillende konstruksjoner

1) Begrenset brennbare materialer eller bedre
2) Om den branncellebegrensende veggen også skal være bærende er kravet REI30, REI60 osv.
Hensikten med å dele bygninger opp i brannceller er å forhindre brann- og røykspredning til andre deler av bygningen som anses nødvendig for rømming. Konstruksjoner som omslutter en branncelle må ha tilfredsstillende branntekniske egenskaper for å forhindre spredning av brann- og røykgasser fra en branncelle til en annen
(min. EI30).

Noen betegnelser benyttet i den branntekniske klassifiseringen

R Bæreevne
E Integritet/tetthet
I Isolasjonsevne
M Mekanisk motstandsevne

Evt. bruk av ubrennbare materialer må angis spesielt.

Each load-bearing (R) or separating (EI) structure has its own fire resistance properties, regardless of the reaction to fire classification.

Once a contained building fire has reached the point of flashover you need to rely on building elements, including insulation or insulated panels, with high fire resistance properties to protect the rest of the building from fire spread and/or to carry the loads in fire situation.

Fire resistance is classified in the EN 13501-2.

• Integrity (E) is the ability to withstand fire exposure on one side whilst stopping the passage of flames and hot gases through to the unexposed side for a period of time.
• Insulation (I) is the ability of the building element to stop the passage of heat through to the unexposed side. The period of time certified for insulation is the time it takes to produce an average increase in temperature of 140°C above the initial temperature or an increase in temperature at one point of 180°C above the initial temperature on the unexposed side of the system.
• Load-bearing ability (R), is the ability of the building element to carry the loads required in the fire situation throughout the declared period of time.
  Different factors, such as jurisdiction and application, determine the level of fire resistance required by different building regulations in different countries.
  
  Assessment of fire resistance
  Fire resistance of structures can be assessed by fire testing or by calculations. Calculation methods give always more conservative results compared to fire testing. For calculation methods the design parameters for wood and protective materials are needed. If there is no necessary parameters available, the fire testing will be the only option for verification of fire resistance. European standard for fire design is EN 1995-1-2. European fire test standards are given in Table 1.

Fire tests

Testing is done in full scale. For example, wall assemblies have to be tested with dimensions at least 3 x 3 meters and floor assemblies with dimensions 3 x 4 meters, while 4 m is the span. See the test standards in Table 1. In the fire tests the temperature and pressure are followed in the furnace. Temperature must follow the standard time-temperature curve and have to stay within the allowed limits. There shall be small overpressure in the furnace to allow the gases and smoke to come out.

Fire testing is done according to many different standards depending on the type of the structure.

Additionally, approved structures may be presented in handbooks or producers’ technical documentation.

Standards and guidelines

In Europe the structural design standards are called the Eurocodes. The standards are divided between the structural materials and usually Part 1-2 deals with fire. EN 1995-1-2 Eurocode 5 Part 1-2 is the design standard for structural fire design of timber structures. The current standard is published in 2004 and there are no special rules given for the I-joists or for the other cavity insulations than stone wool or glass wool.

There is revision process ongoing for all the Eurocodes. The new generation of Eurocodes will be presumably published on 2025. That will also consist the fire design rules for floors and walls made of I-joists and made with all kind of insulation materials.

The model of the structural system adopted for the design must reflect the performance of the structure in a fire situation. The structural system may be different in a fire situation, e.g. where a structural member is braced at ambient temperature and the bracing fails in the fire situation, the member must be regarded as unbraced in the structural fire design. Elements that are used for the stabilisation of the building, e.g. wood-based panels or gypsum plasterboard in wall or floor diaphragms, often lose their racking resistance in a fire situation unless they are protected from the fire. This effect on the global structural system must therefore be taken into account. In redundant structural systems it may be advantageous to allow for premature failure if an alternative load path is possible, e.g. a column in a fire compartment.

For calculation of the resistance of timber members, the original cross-section is reduced by the charring depth and the zero-strength layer.