Brandveilig in HAUT

Iconisch voor de toenemende vraag naar omvangrijke houten gebouwen in Nederland is de woontoren HAUT in het Amstelkwartier in Amsterdam. Met 73 meter wordt het de hoogste hout-hybride woontoren van Nederland en Europa. Maar hoe is het gesteld met de brandveiligheid?

Hout is ‘hot’. Bouwen in hout biedt namelijk vele voordelen: hout is hernieuwbaar en op ons continent beschikbaar, mensen beleven het als een prettig materiaal, en hout heeft een grote opslagcapaciteit van CO₂ waarmee het bijdraagt aan de uitstootambities van het klimaatakkoord.

Brandveiligheidsrisico’s

De laatste tijd is er ook steeds meer aandacht voor de brandveiligheid van houten gebouwen. In de media, bij NEN, en zelfs in de Tweede Kamer. De groeiende interesse voor het onderwerp bleek bijvoorbeeld tijdens het recente webinar ‘Bouwen met hout: bewust omgaan met brandveiligheid’ van Brandveilig Bouwen Nederland (BBN) en NEN met ruim 500 deelnemers met uiteenlopende achtergronden (1). Door de ontwikkeling van nieuwe houtsoorten zoals CLT (Cross Laminated Timber) ontstaat de mogelijkheid om hoger dan ooit te bouwen in hout. Dit brengt nieuwe brandveiligheidsrisico’s met zich mee voor ontwerpende partijen, gebouweigenaren en verzekeraars. Zowel tijdens het ontwerpen als de realisatie, maar ook in onderhoud en gebruik van het gebouw moet hiermee rekening worden gehouden.

Als multidisciplinair ingenieursbureau zijn wij een groot voorstander van bouwen in hout en engineered timber (2). Wereldwijd hebben wij bijgedragen aan de engineering van onder andere het nieuwe hoofdkantoor voor DPG-media in Amsterdam, Sky’s ‘Believe in Better’ in Londen, en nu de woontoren HAUT in het Amstelkwartier in Amsterdam. Maar ondanks dat hout prachtig is, is het niet altijd de beste keuze. ‘Hout waar het kan, beton en staal waar het moet’, is onze filosofie. Een ontwerp voor een houten gebouw moet naast duurzaam namelijk ook kwalitatief hoogwaardig, haalbaar en bovenal veilig zijn. Kan dat? Zeker. Maar wel met een risicogebaseerde ontwerpaanpak en een aanscherping van de prestatie-eisen uit het Bouwbesluit voor brandveilige houten hoogbouw.

Project HAUT

In Amsterdam is het project HAUT van ontwikkelaar Lingotto, architectenbureau Team V, aannemer JP van Eesteren en internationaal ingenieursbureau Arup bijna klaar voor oplevering. Een bijzonder moment, want hiermee komt de hoogste houten woontoren van Europa echt tot leven. In dit gebouw is drie miljoen kilogram CO₂ in de constructie opgeslagen door het gebruik van CLT als constructiemateriaal.

Het project HAUT is vanwege onder andere de hoogte, bouwmethode en hogere (brand)risico’s ingedeeld in consequentieklasse 3. Er is gekozen voor een risicogebaseerde ontwerpaanpak, waarbij de aanwezige risico’s zijn ingeschat en vervolgens zijn vertaald naar de benodigde brandveiligheidsmaatregelen om de risico’s te mitigeren.

De brandrisico- en gevoeligheidsanalyses hebben geleid tot de toepassing van onder andere een watermistsprinklerinstallatie, het brandwerend beschermen van CLT-wanden, woningscheidende hybride houten vloeren en een melamine verlijming van al het CLT.

Bouwbesluit en risicogebaseerde ontwerpaanpak

In Nederland moeten alle gebouwen voldoen aan de functionele eisen uit het Bouwbesluit door het opvolgen van de prestatie-eisen uit onderliggende artikelen, of door invulling te geven aan de gelijkwaardigheidsbepaling.

Om brandveilige houten (hoog)bouw te kunnen realiseren, zien wij een groeiende noodzaak voor een risicogebaseerde ontwerpaanpak ter invulling van zo’n gelijkwaardigheid. Deze aanpak wordt wereldwijd veel toegepast en leidt tot pragmatische en efficiënte ontwerpoplossingen, waarbij het gebouw aantoonbaar kan voldoen aan de gestelde functionele eisen en er ook delen van de houten constructie in het zicht kunnen blijven.

HAUT bestaat uit een brandbare bouwconstructie met zichtbaar hout. Dit leidt tot andere en mogelijk grotere risico’s die bij het louter naleven van de prestatie-eisen over het hoofd kunnen worden gezien, waardoor het totaalpakket aan maatregelen kan resulteren in een te laag veiligheidsniveau. Voor hoge houten gebouwen achten wij een aantal van de nog op staal en beton gerichte prestatie-eisen dan ook niet voldoende omvattend om aan de functionele eisen te kunnen voldoen.

De prestatie-eisen uit het Bouwbesluit zijn nog niet voldoende uitgerust voor het gebruik in hoge houten gebouwen

Bijvoorbeeld, het Bouwbesluit stelt dat de kans op een snelle uitbreiding van brand voldoende kan worden beperkt door onder andere de toepassing van 60 minuten brandwerende scheidingsconstructies tussen woningen. In gebouwontwerpen met veel zichtbaar hout kan de brandduur echter oplopen tot boven de 90 minuten. De vraag is dan of met een 60 minuten brandwerende scheiding voldaan kan worden aan de functionele eis om een snelle uitbreiding van brand voldoende te beperken.

Risicofactoren en kenmerken

De stelling dat de prestatie-eisen uit het Bouwbesluit nog niet voldoende zijn uitgerust voor het gebruik in hoge houten gebouwen, relateren wij aan de theorie van brandrisico’s en kenmerken zoals deze door het Instituut Fysieke Veiligheid (IFV) is opgesteld. Risicofactoren voor brand komen voort uit vijf kenmerken. Deze beïnvloeden tevens het doel en de manier van optreden van de repressieve dienst volgens de brandweerdoctrine (3, 5):

1. Menskenmerken: kenmerken gebouwgebruikers.
2. Gebouwkenmerken: bouwtechnische- en gebruikskenmerken van de fysieke omgeving.
3. Brandkenmerken: fysische kenmerken van brand- en rookontwikkeling.
4. Interventiekenmerken van de BHV-organisatie en de brandweer.
5. Omgevingskenmerken: geografische ligging van het gebouw in relatie tot de brandveiligheid in het gebouw.

Bij het gebruik van hout als bouwmateriaal voor hoge gebouwen veranderen drie van de kenmerken uit het schema van figuur 1: de gebouwkenmerken, de brandkenmerken en de interventiekenmerken. De daaruit volgende brandrisico’s kunnen significant veranderen ten opzichte van de situatie in staal of beton. Ten minste onderstaande aspecten moeten daarom onderdeel uitmaken van de risico-inventarisatie:

Gebouwkenmerken

1. type en omvang van het gebouw;
2. afmetingen van de brandcompartimenten;
3. doel van de toepassing van het hout (constructief ja/nee, opbouw, functie);
4. afmetingen van het compartiment;
5. vlucht- en ontruimingsconcept;
6. gevelopeningen en de ventilatiegraad;
7. hoeveelheid zichtbaar hout en waar locatie ervan;
8. eventuele aanwezigheid van een sprinklerinstallatie.

Brandkenmerken

De brandrisico’s bij houtbouw hangen vooral samen met het brandgedrag van het materiaal en het brandverloop in het compartiment. Volgens onderzoek (6) ondergaat het brandgedrag van een houten element drie fases, afhankelijk van de temperatuur waaraan het wordt blootgesteld. Vanaf 100 ℃ verdampt water in het hout. Vanaf 200 ℃ zal het hout door de temperatuur mechanisch ontleden (pyrolyseren), waardoor de sterkte van het materiaal verandert. Bij dit proces komen gassen vrij die vlam kunnen vatten. Het is daarbij niet het hout zelf dat brandt, maar de gassen die ontstaan door de thermische ontleding van het materiaal. Bij temperaturen boven de 270-300 ℃ brandt het hout in en ontstaat er een koollaag. De koollaag heeft een sterk isolerende werking. Dit betekent dat een deel van het hout nog de oorspronkelijke mechanische en fysische eigenschappen heeft en dus een reststerkte en scheidingsfunctie. De snelheid waarmee de koollaag wordt gevormd (de inbrandsnelheid) heeft direct effect op de sterkte en de scheidingsfunctie van het materiaal doordat gedurende de tijd dat hout blootgesteld wordt aan hoge temperaturen, de effectieve doorsnede van het materiaal geleidelijk afneemt en daarmee de sterkte en scheidingsfunctie. Het in acht nemen van het brandgedrag van het materiaal is dus van belang voor het ontwerpen van constructieve sterkte en scheidingen. De aspecten die het brandgedrag en daarmee onder andere de inbrandsnelheid van hout beïnvloeden zijn volgens Barlett et al.: (7) dichtheid van het hout, houtsoort, houtnerfrichting, verwarmingsscenario, vochtgehalte, zuurstofconcentratie, doorlaatbaarheid, bescherming, oriëntatie en afmeting van het element.

Het brandgedrag van het hout in de permanente bouwconstructie heeft gevolgen voor het brandverloop in een compartiment. Bij onbrandbare bouwmaterialen is het brandverloop in een compartiment vooral afhankelijk van de inhoud van het brandcompartiment (en daarmee van de variabele vuurlast). Dit brandverloop is redelijk eenduidig: een groeifase tot een volledig ontwikkelde brand, waarna de dooffase begint zodra de variabele vuurlast in het compartiment is verbruikt. In een compartiment met zichtbaar hout is het brandverloop echter minder vanzelfsprekend. Doordat het hout bijdraagt aan de vuurlast in het compartiment zullen de temperaturen in het compartiment over het algemeen hoger worden en zal de volledig ontwikkelde brandfase langer duren. Dit betekent dat de materialen in en rondom het compartiment blootgesteld kunnen worden aan langere brandduren en hogere temperaturen. Voor HAUT is hiermee rekening gehouden bij de bepaling van de minimaal benodigde brandveiligheidsmaatregelen.

Naast de hogere brandrisico’s ten aanzien van de temperaturen en brandduur, is het verloop en de voorspelbaarheid van de dooffase een belangrijke parameter voor de veiligheid in het gebouw. In compartimenten met onbrandbare bouwmaterialen zal het vuur doven zodra de variabele vuurlast op is. In geval van bouwen in hout is dit niet zo eenduidig te stellen:

• Hout is brandbaar en het draagt bij aan de vuurlast waardoor het compartiment kan blijven doorbranden, ook wanneer de variabele vuurlast is opgebrand. Het brandscenario dat uiteindelijk zal optreden, is afhankelijk van de hoeveelheid en de positie van zichtbaar hout. Er is namelijk een bepaalde warmtestraling nodig om de brand gaande te houden wanneer er geen andere vuurlast meer aanwezig is. Meer hout in het zicht en hout dat elkaar kan aanstralen vanaf meerdere zijden betekent meer risico op een brandverloop zonder dooffase.
• Tijdens de dooffase bestaat de kans op een tweede flashover. Deze kan optreden wanneer een beschermend materiaal bezwijkt of, in geval van elementen die opgebouwd zijn uit meerdere lamellen zoals CLT, door delaminatie van de buitenste (verkoolde) lamellen. Hierbij wordt nieuw hout blootgesteld aan de temperaturen in het compartiment, dat vlam kan vatten bij temperaturen boven de 200 ℃. Een brand kan in deze situaties weer oplaaien totdat de aanwezige vuurlast geconsumeerd is door de brand.

De mate en het risico van delamineren is voor een groot deel afhankelijk van de wijze van verlijming en het type houtlijm. Delaminatie kan voor een groot deel beperkt worden door te kiezen voor houten elementen die zich meer gedragen als massief hout, bijvoorbeeld met een brandresistente lijmsoort zoals een melamine-ureum-formaldehyde lijm (MUF). Het CLT in HAUT is hiermee verlijmd.

Risicogebaseerde aanpak in de praktijk

Zoals uit het voorgaande blijkt, spelen vele aspecten een rol bij het inschatten van de brandrisico’s van een houten gebouw zoals HAUT. Ondanks het groeiend aantal onderzoeken en (grootschalige) praktijktesten wereldwijd (zoals bijvoorbeeld: www.arup.com/perspectives/large-compartment-fire-experiments-expanding-knowledge-of-building-safely-with-timber), is er nog veel onduidelijk over het brandgedrag van hout en de gevolgen van toepassing van hout in compartimenten. Vanuit de rol van brandveiligheidsadviseur in een multidisciplinair ontwerpteam is het daarom belangrijk om een zo goed mogelijke inschatting te maken van het brandverloop en de bijbehorende risico’s.

Hiervoor bestaan uiteenlopende methoden, waaronder de parametrische methode en het natuurlijk brandverloop zoals beschreven in de Eurocode, CFD-methoden en zonemodellen. Het is belangrijk om te benadrukken dat veel van deze methoden niet zijn opgezet voor houten draagconstructies en de bijdrage van het hout aan de vuurlast in het compartiment op dit moment nog sterk vereenvoudigen of niet meenemen. Bij een verkeerd gebruik kan dit leiden tot onderschattingen van de temperaturen en brandduur en dus voor onnauwkeurige voorspellingen. Om tot een realistischer voorspelling van de bijdrage van het hout aan het verloop te komen, werken wij aan nieuwe iteratieve methoden en voeren we gevoeligheidsanalyses uit.

Daarnaast is validatie door brandproeven van groot belang. Voor HAUT zijn de brandwerende voorzetwanden uitvoerig getest door leveranciers van de producten (9). Ook hebben wij intensief samengewerkt met internationale onderzoeksinstellingen en universiteiten om kennis en ervaring op te doen en te blijven delen (10, 11).

Maatwerk

Met de ontwikkeling van CLT is er een nieuwe bouwmethode ontstaan voor hoge gebouwen. Dit brengt een aantal risico’s met zich mee die nog niet door de prestatie-eisen in de bouwregelgeving worden ondervangen. Voor hoge houten gebouwen zoals HAUT streven wij daarom naar een risicogebaseerde ontwerpaanpak waarbij passende brandveiligheidsmaatregelen worden afgewogen om de optredende risico’s te verminderen en het restrisico voor alle stakeholders te minimaliseren.

Bij goede toepassing en multidisciplinaire afstemming leidt deze ontwerpaanpak per project tot een maatpak aan brandveiligheidsvoorzieningen. Er wordt bewust gekozen om risico’s wel of niet te mitigeren waardoor eventuele restrisico’s inzichtelijk zijn die in de praktijk vaak voor rekening van de eigenaar, gebruiker, verzekeraar of repressieve dienst komen. De risicogebaseerde aanpak draagt ook bij aan het voorkomen van overbodige maatregelen, wat vanuit het oogpunt van duurzaamheid, materiaalgebruik en circulariteit de voorkeur geniet.

Siri Qvist MSc. is afstudeerder bij Arup, Pascal Steenbakkers is Associate Director en Senior Brandveiligheidsadviseur bij Arup, Yvonne Wattez is Senior Brandveiligheidsadviseur bij Arup

Referenties

1. Webinar BBN en NEN: https://youtu.be/gLbyNbpCUE8, 2021
2. Rethinking Timber Buildings, Arup, 2019
3. Basis voor Brandveiligheid, IFV, 2017
4. Kenmerkenschema (illustratie, 2014): https://www.ifv.nl/kennisplein/Documents/201409-brandpreventie-voor-repressief-leidinggevenden.pdf
5. Kwadrantenmodel voor gebouwbrandbestrijding, Brandweer Nederland en IFV, 2014
6. Schaffer, E. (1967). Brandgedrag hout (illustratie). In: ‘Charring rate of selected woods-transverse to grain’. Madison, Wisconsin, USA: USDA Forest Product Laboratory
7. Bartlett A.I., Hadden R.M., Bisby L.A. (2019), A Review of Factors Affecting the Burning Behaviour of Timber for Application to Tall Timber Construction. In: Fire Technology 55, 1–49, 2019. https://doi.org/10.1007/s10694-018-0787-y
8. Barber, D., Dixon, R., Rackauskaite, E., & Looi, K. (2020, november). A method for determining time equivalence for compartments with exposed mass timber, using iterative parametric fire curves. Proceedings of the 11th International Conference on Structures in Fire (SiF2020). https://doi.org/10.14264/f53607f
9. HAUT aan de Amstel, Amsterdam, Nederland – Promat. (2019). https://www.promat.com/nl-nl/bouw/project/referentieprojecten/HAUT-aan-de-Amstel-Amsterdam-Nederland/108544/
10. Crielaard, R. (2015) Self-extinguishment of Cross-Laminated Timber (masterscriptie), Delft University of Technology, Arup
11. Olivier, G. (2019) Fire Performance of Cross-Laminated Timber (masterscriptie), Delft University of Technology, Arup