Brandveiligheid en gezondheid bij CLT-elementen

Houten elementen (Cross Laminated Timber, CLT) hebben duidelijke voordelen op het gebied van duurzaamheid, maar hoe zit het met brandveiligheid en gezondheid? De beste lijm op het gebied van brandveiligheid is de slechtste oplossing op het gebied van gezondheid. Hierdoor worden brandveiligheids- en gezondheidsadviseurs met een dilemma geconfronteerd.

Om de CO2-footprint van gebouwen te beperken, worden betonnen elementen steeds vaker door houten wand- en vloerelementen vervangen. Regelmatig wordt besloten om de natuurlijke houten elementen in het zicht te laten. Voor brandveiligheids- en gezondheidsadviseurs betekent dit wel een uitdaging:

• De elementen worden direct blootgesteld aan brand.
• Vluchtige organische stoffen uit het materiaal komen direct vrij in de binnenlucht.

CLT-vloeren (en wanden) kunnen worden gemaakt met Polyurethaanlijm (PUR) en melamine ureum-formaldehydelijm (MUF). Deze twee lijmen worden toegepast om de lamellen verticaal te verlijmen. Voor de horizontale verlijming, ook wel ‘fingerjoints’, wordt Emulsion polymer isocyanate (EPI) toegepast. Deze lijm is niet maatgevend voor brandveiligheid en gezondheid (klein oppervlak) en wordt daarom niet verder toegelicht. Hierna wordt beschreven wat de voor- en nadelen zijn van PUR- en MUF-lijmsoorten op het gebied van zowel brandveiligheid als gezondheid.

CLT-vloeren (en wanden) kunnen worden gemaakt met Polyurethaanlijm (PUR) en melamine ureum-formaldehydelijm (MUF). Deze twee lijmen worden toegepast om de lamellen verticaal te verlijmen. Voor de horizontale verlijming, ook wel ‘fingerjoints’, wordt Emulsion polymer isocyanate (EPI) toegepast. Deze lijm is niet maatgevend voor brandveiligheid en gezondheid (klein oppervlak) en wordt daarom niet verder toegelicht. Hierna wordt beschreven wat de voor- en nadelen zijn van PUR- en MUF-lijmsoorten op het gebied van zowel brandveiligheid als gezondheid.

Effect op brandgedrag

Het verschil in het presteren van de lijm zit hem in de cohesiekracht (bonding strength). Bij alle lijmsoorten zie je een afname van deze kracht bij het sterk verhogen van de temperatuur. Een belangrijke eigenschap van de lijm is het gedrag tot circa 280 °C. Bij deze temperatuur begint het hout namelijk te verkolen en verliest het haar constructieve eigenschap. Als de lijm in staat is om tot circa 280 °C voldoende cohesiekracht te houden, dan houdt de lijm het hout voldoende bij elkaar en presteert het als één blok hout tijdens brand.

Uit onderzoek van Zelinka et al [1] is gebleken dat bij een temperatuur van 280 °C een PUR-verlijming geen cohesiekracht meer heeft en een MUF-lijm nog wel. De cohesiekracht van MUF-verlijming bij een verhoogde temperatuur is dus voldoende om het verlijmde hout zich te laten gedragen als massief hout. Bij PUR-verlijming verliest de lijm haar cohesiekracht tijdens de brand en zal de lamel eraf vallen (delaminatie). Dit heeft drie nadelen:

1. Door delaminatie neemt de constructieve sterkte van de CLT-elementen af.
2. Door het afvallen van het hout wordt de brand verder gevoed, met als resultaat een langere brandduur dan zonder delaminatie.
3. Door het afvallen van het hout wordt ‘nieuw’ onverkoold hout blootgesteld aan de brand.

In Nederland is de eis voor brandwerendheid met betrekking tot bezwijken afhankelijk van de functie van het bouwwerk en het hoogste verblijfsgebied. Versimpeld geldt er voor een gebouw met een slaapfunctie een hogere eis (gebouw hoger dan 13 meter = 120 minuten) dan voor gebouwen zonder een slaapfunctie (maximaal 90 minuten). In theorie kan er zowel met MUF- als met PUR-verlijming aan de 120 minuten eis worden voldaan, al ligt MUF-verlijming bij hoge brandwerendheidseisen wel meer voor de hand. Bij PUR-verlijming zal het CLT-element dikker moeten worden om (het risico op) extra delaminatie tijdens brand te compenseren.

Voor gebouwen waar een lagere brandwerendheidseis aan de draagconstructie wordt gesteld (30/60 minuten), kan worden overwogen om wel een PUR-verlijming toe te passen. Om de brandwerendheid te vergroten, kunnen de eerste lamellen (die blootgesteld zijn aan de binnenruimte) bijvoorbeeld overgedimensioneerd worden. Hiermee wordt het delamineren in de eerste fase van de brand vertraagd.
Andere opties om de brandwerendheid van CLT-constructies te verhogen, is door de houten constructie te bekleden met een brandwerend materiaal zoals gipsplaat. Uiteraard gaat hiermee wel het uiterlijk van de houten constructie verloren.

Effect op gezondheid

Qua brandprestaties heeft de toepassing van MUF-lijm dus duidelijk de voorkeur. Figuur 1 laat zien dat er aan deze lijm wel één duidelijk nadeel kleeft: uit de houten elementen die met MUF-lijm zijn verlijmd, komt formaldehyde vrij. En in tegenstelling tot veel andere stoffen, neemt de uitdamping van formaldehyde uit formaldehydehoudende lijmen niet af in de tijd. Een CLT-element dat bij oplevering formaldehyde uitstoot, zal dit in de gebruiksfase ook blijven doen.

In figuur 1 wordt de formaldehyde-emissie van MUF-verlijmde vloeren vergeleken met de formaldehyde-emissie van vloeren die met PUR-lijm zijn verlijmd. De grafiek laat zowel de resultaten van metingen van DGMR in de praktijk zien als resultaten uit laboratoriumonderzoek van Pauk et al [4]. Ter referentie is ook de formaldehydeconcentratie weergegeven in de binnenlucht van een gebouw met een casco van beton (op basis van metingen van DGMR). Tot slot zijn de gemeten concentraties vergeleken met de gezondheidskundige advieswaarde voor formaldehyde van de Belgische Hoge Gezondheidsraad die specifiek heeft gekeken naar de gezondheidsrisico’s van stoffen in het binnenmilieu.

Figuur 1 illustreert dat er uit PUR-verlijmde houtelementen beduidend minder formaldehyde vrijkomt dan uit de MUF-verlijmde elementen. De formaldehyde-emissie van PUR-verlijmde houtelementen ligt op een vergelijkbaar niveau als bij een betonnen casco wat ruimschoots onder de advieswaarde van de Belgische Hoge Gezondheidsraad ligt. Daarom heeft vanuit gezondheidsoogpunt het gebruik van PUR-verlijming de voorkeur boven het gebruik van lijmen met formaldehydebasis.

Alternatieve integrale oplossingen

Het aanpassen van de lijm van CLT-vloer- en wandelementen is één manier om de brandveiligheids- en gezondheidsprestaties te beïnvloeden. Een andere manier is om de vloer- en wandelementen te voorzien van een extra afwerking die de prestaties van de CLT-elementen verbetert. Zo kan een gipsplaat voorzetwand ervoor zorgen dat zowel de brand- als de gezondheidsprestaties worden verbeterd, doordat het voorkomt dat de houtelementen aan de binnenlucht (en brand) worden blootgesteld.
Als er gebruik wordt gemaakt van MUF-verlijmde elementen, dan kan er ook voor gekozen worden om de ventilatie van het gebouw permanent te verhogen. Zo kan de hogere formaldehyde-emissie direct worden afgevoerd. Nadeel van deze oplossing is wel dat het verhogen van de ventilatiehoeveelheid zorgt voor een hoger energiegebruik en, daarmee, hogere CO2-uitstoot.
Een derde optie is het verbinden van de houten onderdelen met grote houten schroeven. Op het moment van schrijven zijn er voor CLT-elementen met deze verbindingsmethode nog niet voldoende brandproeven uitgevoerd. Daarom worden deze producten nog niet meegenomen in ons advies, maar volgen we de ontwikkelingen wel op de voet.

Het integrale advies

Vanuit gezondheidsoogpunt is het advies om waar mogelijk gebruik te maken van houtelementen die niet met formaldehydehoudende (MUF-)lijm zijn gemaakt. Vanuit brandveiligheid is dit goed mogelijk bij constructies met een brandwerendheidseis tot 30/60 minuten.
Bij een brandwerendheidseis van 90 minuten kan men alleen gebruikmaken van PUR-verlijmde elementen, mits er maatregelen worden genomen om de brandwerendheid te vergroten. Denk hierbij aan het gebruik van dikkere houtlamellen aan de binnenzijde van de elementen en/of het gebruik van een voorzetwand van gipsplaat. Als deze maatregelen niet mogelijk zijn, dan kunnen alleen MUF-verlijmde elementen worden toegepast.
Bij een brandwerendheidseis van 120 minuten project adviseren wij in basis om een MUF-verlijming aan te houden.Als er bij 90/120 minuten brandwerendheid voor MUF-verlijmde elementen wordt gekozen, dan zullen er aanvullende maatregelen genomen moeten worden om de emissie van formaldehyde in de binnenlucht te beperken. Denk hierbij aan het plaatsen van een voorzetwand/verlaagd plafond bij elementen met een groot oppervlak en het verhogen van de ventilatiehoeveelheid.
Het stroomdiagram laat zien welke oplossing wordt aangeraden.

Tot slot

De productie van houtelementen is volop in ontwikkeling. In dit artikel is de nadruk gelegd op de meest voorkomende lijmsoorten bij houtelementen. De verwachting is dat het in dit artikel beschreven dilemma voor verdere ontwikkeling zal zorgen en in de toekomst tot brandveilige én gezonde houtelementen zal leiden. Houd de ogen dus open voor nieuwe lijm- of verbindingssoorten die in dit artikel (nog) niet genoemd zijn en laat deze nieuwe CLT-elementen integraal op brandveiligheid, duurzaamheid en gezondheid beoordelen.

Tim Beuker, WELL AP en Indoor Climate Specialist bij bba binnenmilieu

Kevin Terlouw, Adviseur Brandveiligheid bij DGMR

Met medewerking van: Merlijn Huijbers (Kennis-en Innovatiemanager Bouwfysica en Duurzaam Bouwen, DGMR), Patries Robijn-Meijers (Adviseur Brandveiligheid, DGMR), Erik Meijerink (Adviseur Bouwfysica en Duurzaamheid, DGMR), Jean Frantzen (Adviseur Duurzaamheid en Gezondheid, DGMR)

Referenties
[1] Zelinka et al (2019) Small scale tests on the performance of adhesives used in cross laminated timber (CLT) at elevated temperatures, International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 95.
[2] Hoge Gezondheidsraad (2012) Advies van de hoge gezondheidsraad nr. 8796 – Koninklijk Besluit tot vaststelling van de drempelniveaus voor de emissies naar het binnenmilieu van bouwproducten voor bepaalde beoogde gebruiken, https://www.health.belgium.be/sites/default/files/uploads/fields/fpshealth_theme_file/hgr_8796_advies_drempelniveaus.pdf
[3] Europese Commissie (2023) Verordening (EU) 2023/1464, Verordening (EU) 2023/… van de Commissie van 14 juli 2023 tot wijziging van bijlage XVII bij Verordening (EG) nr. 1907/2006 van het Europees Parlement en de Raad wat betreft formaldehyde en formaldehydebronnen.
[4] Pauk et al (2020) Evaluating Volatile Organic Compound Emissions from Cross-Laminated Timber Bonded with a Soy-Based Adhesive, Buildings, Vol. 10, 191, doi:10.3390.