Brandprovade produkters prestation i brandförlopp

29 maj 2024 För att bestämma en viss kvalitetsnivå på de material och de konstruktioner vi använder när vi bygger har provningsstandarder utvecklats. Framtagandet av dessa har utgått från verkligheten med ambitionen att metoden att fastställa en prestanda också är rationell. Men när materialval och byggmetoder förändras, hur väl fungerar då dessa provningsstandarder och hur ser brandförloppen ut?

Brandforsk har nyligen varit med och finansierat två forskningsprojekt som undersökt hur material och konstruktioner, hos några populära lösningar i byggande och som uppfyller vissa standarder, presterar vid ett givet brandförlopp. Den studie vi först beskriver här, utförd av RISE, undersökte hur brandförloppet i ett stort rum med synligt trä i taket påverkades av att man brandskyddade trät så att det uppfyllde ytskiktsklassen B-s1,d0. Rumsbranden är det scenario vi har anpassat mycket av vårt brandskydd efter. Hur en byggnad beter sig då är av stor betydelse för utrymmande människor, räddningstjänstens insats och vilken skadeomfattning man kan få i slutändan.

Den andra studien i texten är utförd av forskare vid Lunds universitet respektive vid John Hopkins University och undersökte hur bärande konstruktioner som uppfyllde bärandeklassen R höll om man inkluderade en avsvalningsfas, vilket normalt finns efter en verklig brand.

Brandskyddat trä i tak
Trä är ett byggnadsmaterial på frammarsch och det efterfrågas ofta att ha synligt trä i exempelvis tak, trots att brandkraven för större byggnader inte medger obehandlat trä där. I vissa fall installerar man sprinkler för att begränsa brandrisken, men i andra fall använder man behandlingar av olika slag. Dessa krav är kopplade till en standardprovning, men hur stor skillnad gör de egentligen på brandförloppet? Det ville en forskargrupp undersöka, och eftersom frågan är av stort intresse för fler länder än Sverige så skedde en samfinansiering mellan flera länder, där Brandforsk var den svenska parten. De storskaliga experimenten inom projektet genomfördes på räddningstjänstens övningsanläggning vid Guttasjön utanför Borås [1]. Försöken utfördes i ett specialbyggt rum placerat utomhus, med stora öppna fönster till det fria. För att väder och vind inte skulle påverka försöken inväntade man lugnt väder, vilket påverkade tidplanen för arbetet. Månadsskiftet maj-juni 2023 bjöd på några potentiellt passande dagar. Två slag av otur inträffade dock. Det första när det kom en vindpust under ett försök (försök R) som påverkade försöket efter en viss tid och gav en störning i datainsamlingen. Det andra när det blev så torrt i markerna att man inte kunde genomföra försöken på grund av risken för att flygande gnistor kunde starta skogsbränder. Därefter fick man vänta länge innan rätt förhållanden infann sig igen för att slutföra försöksserien.

Forskarna byggde upp ett 18 meter långt rum med bredden 2,3 meter och takhöjden 2,2 meter. Takhöjden motsvarade egentligen ett högre rum men man beaktade att startbranden ofta är en bit över golvet, och slopade utrymmet under det. I ena änden av rummet anlade man en brand och sen undersökte man hur taket antändes och hur branden spreds i taket. När en brand sprids i ett tak så skapas kraftig värmestrålning nedåt i rummet som antänder föremål där och på så sätt kan brandspridning i tak ha mycket stor betydelse för hur en rumsbrand utvecklar sig. Taket varierades från helt obehandlat trä till en obrännbar beklädnad. Däremellan provade man olika brandskyddsbehandlingar av trä, både impregnering och målning. Alla de provade behandlingarna uppfyllde klassen B-s1,d0.

Startbranden var en träribbstapel med en maximal brandeffekt på 3,0-3,7 MW. Det är en relativt kraftig brand och kan tänkas motsvara en stoppad soffa. Branden var så kraftig att flammorna nådde taket. De stora öppna fönstren skapade välventilerade förhållanden och den släta takytan skapade vare sig hinder för flammorna eller lokala ansamlingar av heta brandgaser. Försöksuppställningen var på så sätt enkel och gav förlopp som påverkades av relativt få faktorer. Det är bra för att ge en grundläggande förståelse. För att tillämpa den förståelsen på specifika fall behöver designern värdera hur de specifika förutsättningarna står sig i förhållande till de här försöken.

Behandlat motsvarar inte obrännbart
Försöken visade att behandlingen ger ett visst skydd men att det inte motsvarar ett obrännbart ytskikt. Forskarna påtalar att det är viktigt att designers inte tror att behandlat trä är detsamma som obrännbar beklädnad vid dimensionering. De behandlade trätaken uppvisade endast små skillnader mot det obehandlade taket inom de närmaste meterna från startbranden, medan det obrännbara taket uppvisade klart reducerad spridning och temperaturer. Skillnaden i resultat mellan de olika testerna blev större ju längre från startbranden man kom, och där blev det också tydligare att brandskyddet av trä hade en effekt.

Försök E och F, där taket klätts med panel, visade på stor krympning av panelen vilket ledde till genombränning till KL-trät. Skillnaderna dem emellan antyder att mängden impregnering har betydelse, men man vet inte om det gäller alla sorters impregnering. Viktigt i sammanhanget är att vara medveten om att krympning inte utvecklar sig på samma sätt vid standardtestet som används idag för att fastställa ytskiktsklass.

Forskarna föreslår att beaktande av brandspridning i trätak bör göras genom ett nytt indikativt test med större brandexponering än den hos SBI-testet, som utgör standardtestet idag (SBI = Single Burning Item). Det bör även utredas om krympning kan fångas upp av en ny testmetod.

Bärande konstruktioner när avsvalning beaktas
Konstruktioners bärighet vid bränder påverkas både av värmen i materialet och av att material förstörs och försvinner. Det senare brukar normalt upphöra efter att man släckt en brand, men det tar tid innan värmen har slutat att påverka materialet. De inre delarna av konstruktionen fortsätter oftast att värmas upp efter släckning när värme från upphettade delar långt ut i konstruktionen sprider sig inåt i den. Kan en konstruktion gå till kollaps även efter att branden är släckt, och kan det i sådant fall finnas sätt att beakta den risken när vi dimensionerar? När passerar konstruktionen ”point of no return”? Kan vår bärighetsklass R kompletteras med en bärighetsklass B som tar hänsyn till ”burnout resistance” det vill säga om konstruktioner klarar ett nytt standardiserat fullständigt förlopp? Kan detta hjälpa designers att jämföra prestanda på ett mer representativt sätt? Det ville två forskare från Lunds universitet och John Hopkins University fördjupa sig kring genom att sammanställa data och beräkningar från ett antal tidigare studier in om området [2]. Studien omfattade pelare av stål, betong och trä och konceptet kallas för DHP (Duration of Heating Phase).

Vid försöken fastställdes först pelarnas R-värde. Därefter genomfördes test enligt standardbrandkurvan för R men som avbröts tidigare för att se om pelarna skulle klara avsvalningstiden också. Förberedande beräkningar hade ringat in lämpliga intervall att prova inom. En svårighet var att upprepa avsvalningen likadant varje gång då avsvalningsfasen vanligtvis inte ingår vid brandprovningar i ugnar. Att styra uppvärmningen är betydligt lättare än att styra avsvalningen. Försöken som sammanställts i studien omfattade beräkningar och brandprover av både betongpelare och träpelare. Resultaten som sammanställts kring stålpelarna var endast teoretiska beräkningar. Alla beräkningar gjordes i finita elementprogrammet SAFIR. Resultaten visar att relationen mellan B och R varierar för olika konstruktioner och material. Störst var skillnaden för träpelare, där B visade sig ligga på 25-30% av R. För stål låg B på 65-75% av R och för betong låg B på omkring 70% av R. Konstruktioner som kunde klara samma provning gällande R (där endast ett upphettningsförlopp ingår) kunde således uppvisa stora skillnader vad det gäller risken för kollaps under avsvalningstiden.

På frågan om hur räddningstjänsten kan arbeta för att bedöma och påverka risken för kollaps när de arbetar i en byggnad, även om de har släckt branden, svarade forskarna att vi saknar enkla lösningar idag. För att bedöma värme i konstruktioner använder räddningstjänsten ofta värmekamera, men temperaturen på djupet kan vara allvarligare än vad som syns på ytan med kameran. Att kyla en konstruktion med vatten kan vara verksamt men det är svårt att bedöma hur stor nyttan är, plus att man ofta vill arbeta med begränsad mängd vatten för att inte orsaka större vattenskador än nödvändigt. Det medel som bedöms mest lämpat i dagsläget är att sprinkla byggnader för att minska den ursprungliga uppvärmningen.

Forskarna ser gärna en utveckling där vi kan prova och deklarera konstruktioner med avseende både på R och på B. Genom att utveckla konceptet kring burnout resistance B har man möjlighet att kravställa ett mer robust utförande redan i projekteringsskedet. Forskarna tror inte på att ersätta R-klassen med endast B utan den föreslagna klassningen bör inledningsvis ses som ett kompletterande och mer robust sätt att utvärdera funktionen hos särskilt viktiga konstruktionsdelar. Då kan designers och beställare få mer information och göra val som är bättre anpassade till de designmål de sätter. En provningsstandard för att fastställa B behöver då tas fram och man behöver hitta vägar att hantera att avsvalningen dels är svår att styra, dels kan ta väldigt lång tid. Där ser forskarna flera möjliga alternativ att ta ställning till. Vår nuvarande provningsmetodik för att utvärdera R-klassen är delvis en konsekvens av att man ville skapa en rationell metod som inte tog alltför lång tid, men det blev på bekostnad av kunskap om avsvalningsfasen. Om man vill skapa ytterligare en metod som kan kompensera för det är det förstås viktigt att man inte upprepar historien och återigen går miste om viktig information i ivern att nå rationella metoder.

Sammanfattningsvis visar båda dessa studier att vår omställning i hur vi bygger ger oss anledning att omvärdera våra processer, från kravställning till fastställande av prestanda. Här finns stora möjligheter till utveckling av metoder för informerade val och optimerad design i vårt framtida byggande. ”Så här har vi alltid gjort” är kanske inte ett hållbart argument.

Läs artikeln som pdf här:

Mattias Delin
Forskningsdirektör vid Brandforsk