Circulariteit of brandveiligheid?

Siri Qvist ontwikkelde op basis van diepgaand literatuuronderzoek naar het brandverloop in houten compartimenten een nieuwe ontwerptool, waarin de milieu-effecten en brandrisico’s inzichtelijk en vergelijkbaar zijn gemaakt. Een baanbrekend en NIPV award-winning onderzoek, omdat de spagaat van de brandveiligheidsadviseur niet eerder zo is benaderd. Het onderzoek opent ogen en is een belangrijke stap in de doorvoering van circulariteit in de bouwpraktijk.

Duurzaamheid en circulariteit komen steeds meer op de voorgrond in bouwprojecten. Een goed teken, want het behalen van de klimaatdoelstellingen is belangrijk voor het in stand houden van de leefbaarheid op onze planeet. Zo is er in de bouwwereld steeds meer aandacht voor het bouwen met circulaire bouwmaterialen om verspilling en uitputting van grondstoffen terug te dringen.

Circulaire bouwmaterialen

‘Circulaire bouwmaterialen’ is een breed begrip: het omvat materialen die zonder (teveel) verlies van waarde opnieuw gebruikt kunnen worden. Ook kan materiaal circulair worden hergebruikt door hoogwaardige recycling. Een andere hoogstaande manier om circulair te bouwen, is door gebruik te maken van bouwmaterialen van hernieuwbare grondstoffen. Voorbeelden hiervan zijn uiteenlopend, van schapenwolisolatie, mycelium bouwproducten tot natuurlijk hout en ‘engineered timber’ zoals kruislaaghout (CLT). Deze materialen hebben naast hun hernieuwbare karakter, ook de mogelijkheid om CO₂ op te slaan, wat bijdraagt aan het verminderen van de CO₂-emissies van de bouw.

Arup streeft naar meer hout in de bouw: ‘Hout waar het kan, beton en staal waar het moet’. Voorbeelden zijn de engineering van HAUT (Amsterdam) en Believe in Better (Londen). Super, maar ook onze engineers lopen tegen uitdagingen aan bij de toepassing van nieuwe, circulaire bouwmaterialen. In dit artikel lees je meer over de spagaat van de brandveiligheidsadviseur. Meer hout betekent namelijk over het algemeen meer brandrisico’s, zeker bij hoge houtbouwprojecten. Daar kun je een passend maatregelenpakket voor ontwerpen, maar hoe weet je zeker dat deze beplating of sprinkler niet alle positieve effecten van het bio-based bouwen opheft?

Onderzoek

Een uitdaging waarvoor ik met ondersteuning van mijn afstudeerbegeleiders Geert Ravenshorst, Henk Jonkers en Hoessein Alkisaei van de TU Delft en Yvonne Wattez en Pascal Steenbakkers van Arup een oplossing bedacht. Op basis van diepgaand literatuuronderzoek naar het brandverloop in houten compartimenten resulteerde dit in een nieuwe ontwerptool waarin de milieueffecten en brandrisico’s inzichtelijk en vergelijkbaar zijn gemaakt. Door juiste toepassing van de tool kun je nu dus zien – na invulling van de compartimentsparameters – vanaf welke gebouwhoogte, welke beschermingsmaatregel het meest circulair is.

Een baanbrekend en NIPV award-winning onderzoek, omdat de spagaat van de brandveiligheidsadviseur niet eerder zo is benaderd. Het onderzoek opent ogen en is een belangrijke stap in de doorvoering van circulariteit in de bouwpraktijk. Wel is het belangrijk dat de focus lag op het creëren van een methodiek voor circulariteit en brandveiligheid in houtbouw en minder op de aspecten vluchtveiligheid en integraliteit van alle overige brandveiligheidsmaatregelen.

Het doel van het onderzoek was om te ontdekken of er een balans is tussen de impact van het brandveiligheidsontwerp op materiaalgebruik en brandbestendigheid, en dit inzichtelijk te maken door kwantificering, voor massief houten gebouwen.

Tegenstelling duurzaamheid en brandveiligheid

Duurzaamheid was de leidraad tijdens mijn studie, zo ook voor mijn afstudeeronderzoek voor de Master Building Engineering aan de TU Delft. Tijdens een multidisciplinair masterproject, waarin ik verantwoordelijk was voor het brandveiligheidsontwerp, stootte ik op tegenstellingen tussen duurzaamheid en brandveiligheid, in dit geval gerelateerd aan materiaalgebruik. In het ontwerp was de ambitie om de constructie van te hout maken met gevel-PV panelen en een groene façade om zo circulariteit, energieprestatie en biodiversiteit te bevorderen. Al deze keuzes hebben invloed op de brandveiligheid, waardoor extra maatregelen getroffen moeten worden om de veiligheid te waarborgen. Zo begon ik na te denken over de raakvlakken en integratie van duurzaamheid en brandveiligheid, namelijk: hoe duurzaam is een ontwerpkeuze als het risico op afbranden van een gebouw vergroot, en is er een balans tussen het extra risico en de impact van de mitigerende brandveiligheidsmaatregelen die worden ingezet om dit extra risico te minimaliseren?

Daarom besloot ik te focussen op de combinatie circulariteit en brandveiligheid en zocht contact met Yvonne Wattez uit het brandveiligheidsteam van Arup Amsterdam. Yvonne had eerder dat jaar een wereldwijd, intern onderzoek gedaan naar de integratie van circulariteit en brandveiligheid, waardoor mijn ideeën perfect aansloten bij dit team.

Circular fire resilience lifecycle

In het eerste deel van het onderzoek is een ontwerpmethode gecreëerd die een relatie legt tussen circulair gebouwontwerp en brandveiligheidsontwerp. In de methode wordt een circulaire ontwerplevenscyclus geïntegreerd met een fire-resilience (brandbestendigheid) levenscyclus (zie figuur 1). De groene pijlen beschrijven het materiaalgebruik van de brandveiligheidsmaatregelen gedurende de circulaire levenscyclus van een gebouw en de circulaire restwaarde aan het einde van de levensduur in normale, niet-brandomstandigheden. De gele pijlen beschrijven de invloed van het brandveiligheidsontwerp op het brandrisico, waarbij de kans dat er brand optreedt tijdens de gebruiksfase van een gebouw wordt meegenomen, de gerelateerde impact op brandschade en het materiaal dat nodig is om na een brand te herstellen. De twee outputs zijn gerelateerd aan materiaal, waardoor de impact uitgedrukt kan worden in economische- en milieukosten in euro’s.

Bepalingsmethode voor massief houten gebouwen

In het tweede deel van het onderzoek zijn methoden ontwikkeld voor de kwantificatie van zowel materiaalgebruik als brandbestendigheid van het brandveiligheidsontwerp in massief houten gebouwen, uitgedrukt in indicatieve economische- en milieukosten. Dit is gedaan aan de hand van de conclusies van een uitgebreide literatuurstudie over het brandgedrag en brandverloop en met de geïntegreerde ‘circular fire resilience lifecycle’ als leidraad.

In de methode wordt het ontwerp van het gebouw gesimplificeerd tot identiek, gestapelde, massief houten compartimenten, met wanden en vloeren opgebouwd uit CLT.  Er wordt rekening gehouden met de invloed van verschillende gebouwkenmerken en de impact van brandveiligheidsmaatregelen uitgaande van CLT, gipsbeplating en een sprinklersysteem.

De bepaling van de impact op het materiaalgebruik wordt gedaan op basis van een circulaire levenscyclusanalyse volgens methoden beschreven door het Platform CB’23. De risicoberekening (uitgedrukt in schade) bestaat uit een foutenboom, waar in vier stappen de kans van vijf brandscenario’s en de bijbehorende schade wordt bepaald. Het totale brandrisico van het gebouw wordt berekend als de som van de risico’s van de beschouwde brandscenario’s. Deze bepaling is gebaseerd op methoden uit NEN 6079, met aanpassingen voor het bepalen van het risico in massief houten gebouwen aan de hand van de literatuurstudie.

Door de impact op materiaalgebruik en het brandrisico bij elkaar op te tellen, wordt één waarde berekend. Hierdoor kan de impact van verschillende brandveiligheidsontwerpen worden vergeleken. Het meest optimale ontwerp vanuit een circulariteitsoogpunt wordt bepaald door het ontwerp met de laagste totale impact.

Ontwerptool

De bepalingsmethoden zijn geïntegreerd in een ontwerptool in Excel. Hier kunnen gebouwspecifieke parameters en brandveiligheidsmaatregelen gefocust op CLT, gips en sprinkler worden ingevoerd, waarna het programma de resultaten berekend. Zowel de ontwerp input parameters als de belangrijkste resultaten worden weergeven in een ‘user interface’. Een voorbeeld van invoer en resultaten is zichtbaar in figuur 2.

Door de ontwerpparameters te veranderen, kunnen verschillende brandveiligheidsontwerpen met elkaar worden vergeleken. De meest optimale ontwerpvariant kan worden bepaald door te kiezen voor de variant met de laagste totale impactwaarde, uitgedrukt in ofwel economische ofwel milieukosten (indicatief).

Nieuwe ontwerptool doorbreekt spanningsveld tussen brandveiligheidsmaatregelen en bio-based bouwen

Resultaten variantenstudie en analyse

De bruikbaarheid van de methode achter de tool is getest op basis van een variantenstudie, waar verschillende gebouwontwerpen en brandveiligheidsontwerpen getoetst zijn. De nadruk van dit onderdeel ligt hiermee op de bepalingsmethoden, de resultaten zijn indicatief. De variantenstudie is gedaan voor gebouwen van 1 tot en met 25 verdiepingen. Figuur 3 geeft de resultaten van de milieukostenberekening voor vier brandveiligheidsvarianten voor een gebouw bestaande uit kleine, op elkaar gestapelde compartimenten van circa 50m².

Op de horizontale as van figuur 3 wordt het aantal bouwlagen weergegeven. De verticale as geeft de indicatieve milieukosten weer. Uit de figuur volgt dat de impact van de ontwerpvarianten toeneemt naarmate de gebouwhoogte toeneemt. Dit komt door een combinatie van toenemend materiaal en toenemend brandrisico. Uit de grafiek blijkt dat de snelheid waarmee de impact toeneemt verschilt voor de verschillende ontwerpvarianten. Dit komt door verschil in de verhouding tussen materiaalgebruik en risico. 

Omslagpunt

Vanuit een circulariteitsoogpunt is de ontwerpvariant met de laagste totale impact meest optimaal. De figuur geeft, afhankelijk van de gebouwhoogte, een omslagpunt waarvoor het meest optimale ontwerp verandert. Voor het gegeven voorbeeld volgt dat de variant met 70% gips resulteert in de laagste impact tot zeven bouwlagen, boven deze hoogte is de variant met alleen een sprinkler de meest optimale keuze.

Toch komt de variant met alleen een sprinkler, met 0% beplating in de praktijk niet veel voor. Enerzijds omdat er in de advieswerkzaamheden wordt beoordeeld vanuit een integrale, ‘total fire engineering’ aanpak, dus inclusief bijvoorbeeld het aspect ‘life safety’ (wat in de theoretische studie nog onderbelicht is gebleven). Ook wordt er in de adviespraktijk rekening gehouden met de kleine kans dat de sprinkler niet werkt en de impact die dit heeft, meer dan alleen schade. Het brandrisico is in geval van 0% beplating aanzienlijk door de flinke hoeveelheid permanente vuurlast en kans op krachtige uitslaande vlammen. Ook is de kans op zelfdovendheid kleiner door de aanwezigheid van meerdere, elkaar aanstralende vlakken. Deze restrisico’s van het falen van een sprinklerinstallatie komen in zo’n geval bij de brandweer, verzekeraar en de gebouweigenaar te liggen, waarvoor mitigerende maatregelen moeten worden getroffen die in overleg worden geïntegreerd en afgestemd.

Anderzijds is het beplaten van de CLT-wanden vaak om esthetische redenen door de bewoners, maar ook voor de akoestiek gewenst. Kortom, de afweging tussen de variant ‘100% encapsulation’ en ‘70% encapsulation & sprinkler’ komt in de praktijk vaker voor. Op de resultaten van de deze twee scenario’s wordt in dit artikel echter niet verder ingegaan, omdat de tool een resultaat is van een studie naar de bruikbaarheid van de methode. De tool (methode en data) is nog niet uitgebreid genoeg om in de dagelijkse ontwerppraktijk te gebruiken, maar de methode is wel veelbelovend voor de toekomst.

Daarnaast volgt uit de variantenstudie dat andere ontwerpaspecten, zoals de compartimentsgrootte, een grote invloed hebben op het omslagpunt van de varianten. Dit betekent dat de methode niet geëxtrapoleerd kan worden naar algemene rekenregels maar ontwerpspecifiek moet worden toegepast.

Conclusie en discussie

Circulair materiaalgebruik in de bouw, zoals hout, kan bijdragen in het behalen van de duurzaamheidsdoelen. Maar deze materialen kunnen invloed hebben op het brandrisico en de kans op schade en afbranden vergroten. Brandveiligheidsmaatregelen kunnen de kans op schade beperken, maar het is wel van belang dat hierbij rekening wordt gehouden met de impact van het extra materiaalgebruik. Tot nu toe was er geen specifieke methode beschikbaar die de impact van brandveiligheidsmaatregelen op materiaalgebruik en bestendigheid in massief houten gebouwen inzichtelijk maakte. Dit beperkte de mogelijkheden om op een duurzame manier het brandveiligheidsontwerp in houten gebouwen te bepalen.

Uit dit onderzoek volgt dat door materiaalgebruik voor brandveiligheidsmaatregelen en het brandrisico te vertalen naar economische en milieukosten (indicatief), het mogelijk is om verschillende brandveiligheidsontwerpen te kwantificeren en de impact met elkaar te vergelijken. Door de kosten voor materiaalgebruik en risico bij elkaar op te tellen, wordt de balans tussen materiaalgebruik en risico inzichtelijk en kan het brandveiligheidsontwerp met de laagste totale impact vanuit een circulariteitsoogpunt worden bepaald.

Het onderzoek is een belangrijke stap voorwaarts naar een circulaire brandveiligheidsadvisering, maar vergt ook vervolgonderzoek. De integratie van ‘life safety’ aspecten in de tool en de reparabiliteit van houtbouw na een brand zijn hiervan twee belangrijke voorbeelden.

Siri Qvist is Fire & Sustainability Engineer bij Arup

Yvonne Wattez is senior engineer brandveiligheid bij Arup