Is woningbouw in CLT ‘fire resilient’? Een nadere beschouwing

In Brandveilig.com 2021, nummer 2 concludeerde Ruud van Herpen dat een CLT-woongebouw niet ‘fire resilient’ is. Afgelopen jaar is dit verder onderzocht. De resultaten van dit onderzoek kunnen worden gebruikt om de eerdere conclusies te nuanceren.

Cross Laminated Timber (CLT; kruislaaghout) wint aan populariteit, omdat hout een duurzaam bouwmateriaal is. Daarnaast kunnen houten draag- en scheidingsconstructies zonder bescherming voldoende brandwerend zijn, wanneer in de dimensionering rekening wordt gehouden met de inbranddiepte die in het hout optreedt gedurende de tijdsduur dat de constructie brandwerend moet zijn. Als de gereduceerde doorsnede na die tijdsduur in het belastinggeval ‘brand’ voldoende sterkte en thermische weerstand biedt kan het betreffende houten constructiedeel als voldoende brandwerend worden beschouwd.

CLT woongebouw niet fire resilient

In het artikel ‘Is woningbouw in CLT fire resilient?’ (Brandveilig.com 2021, nummer 2) is met een simulatie verkend wat de consequenties zijn van onbeschermd CLT in een woongebouw voor het brandscenario. Daaruit bleek dat een 60 minuten brandwerende scheidingsconstructie in een traditionele woning circa 64% betrouwbaar is, dus een faalkans voor een natuurlijke brand bezit van circa 36%. De faalkans van een 60 minuten brandwerende scheidingsconstructie in een CLT-woning bleek 93% te bedragen. Dat houdt in dat in geval van een woningbrand in een CLT-woongebouw een afbrandscenario vrijwel zeker is, wanneer niet wordt ingegrepen in het brandscenario door automatische of manuele blussing. Een CLT-woongebouw is daarmee niet fire resilient.

Experimenteel onderzoek in het brandlab

Om het nadelige effect van CLT op het brandscenario te reduceren werden als oplossingen een sprinklervoorziening of een bescherming met brandwerend plaatmateriaal (zoals gipsvezelplaten) aangedragen. Overigens werd ook opgemerkt dat de koollaag die op het CLT ontstaat het brandgedrag van CLT gunstig kan beïnvloeden. Het is denkbaar dat daardoor de koollaag een zelfdovend effect heeft wanneer de variabele vuurlast in het compartiment opgebrand is. Dat is verder onderzocht door Andrés Berdugo (Politecnico Torino), onder begeleiding van Ruud van Herpen (Technische Universiteit Eindhoven) in het brandlaboratorium van Peutz. De resultaten van dit onderzoek (Berdugon, 2022) kunnen worden gebruikt om de conclusies van het eerdere artikel te nuanceren.

Voor het experimenteel onderzoek in het brandlab is een testopstelling gebruikt conform ISO 5658-2. Daarin worden proefstukken van beperkte afmetingen blootgesteld aan een warmtestralingsflux, afkomstig van een stralingspaneel. Hoewel het doel van de experimenten anders is dan waarvoor de ISO-norm is opgesteld, is de testmethode goed bruikbaar om bij verschillende stralingsfluxen het brandgedrag van de CLT-proefstukken vast te stellen. De testopstelling is daartoe ten opzichte van ISO 5658-2 enigszins aangepast. Het stralingspaneel en het CLT-proefstuk zijn parallel aan elkaar opgesteld (zie figuur 1 en 2).

Aanvankelijk was het de bedoeling om de CLT-proefstukken bloot te stellen aan een maximale stralingsflux van 50 a 100 kW/m², overeenkomend met een post flashover compartimentsbrand. Daarbij bleek de afstand tot het stralingspaneel zo kort te zijn dat het stralingspaneel zelf vlam vatte, waardoor het experiment faalde. De maximale stralingsflux voor de CLT-proefstukken is daarom bijgesteld naar 25 kW/m². Dit is aanzienlijk lager dan in geval van een compartimentsbrand optreedt, maar voldoende hoog om verbranding van hout in stand te houden. Enkele proefstukken zijn gedurende 90 minuten aan die maximale stralingsflux blootgesteld. Bij de andere proefstukken is de maximale stralingsflux na 30 minuten gereduceerd tot 15, respectievelijk 10 en uiteindelijk 5 kW/m². Die reductie is toegepast om het brandgedrag van CLT bij een uitdovende brand in het brandcompartiment vast te leggen.

De proefstukken zijn geleverd door Derix GmbH&Co. (www.derix.de/nl/), met verschillende lameldikten en lijmsoorten:

• PU lijm, lamellen 40+40+40 mm;
• ME lijm (melamine), lamellen 30+20+30 mm.

Alle proefstukken zijn voor beproeving langs de randen voorzien van steenwol isolatie, om extra inbranding langs de randen te voorkomen (zie figuur 4). De proefstukken bezitten een normaal evenwichtsvochtgehalte voor kruislaaghout van circa 10% (m/m) en een soortelijke massa van circa 450 kg/m³.

Resultaten van de experimenten

Alle experimenten zijn gestart met de maximale stralingsflux van 25 kW/m². Daarbij zijn de pyrolysegassen uit het CLT-proefstuk aangestoken (piloted ignition). Er vormt zich een koollaag die na 10 minuten de vlammen aan de CLT-oppervlakte reduceert, tot na circa 30 minuten geen vlammen meer waargenomen worden en van een ‘smeulbrand’ gesproken kan worden. Wanneer de koollaag de lijmlaag bereikt, valt de verkoolde lamel van het proefstuk af en ontstaat opnieuw een vlammende brand. Bij de PU lijm is de invloed van de lijmlaag groter dan bij de ME lijm, er ontstaat dan al een vlammende brand voordat de verkoolde lamel van het proefstuk afgevallen is.

Bij alle stralingsfluxen in het experimenteel onderzoek blijkt de koollaag te groeien, zolang die stralingsflux aanwezig is. Bij een lage warmtestralingsflux van 5 kW/m² neemt de groeisnelheid visueel erg af en ook de rookproductie vermindert na 60 minuten. Daarbij bedraagt de temperatuur in de koollaag nog slechts 150 a 200 ^oC. Het is niet helemaal duidelijk of er nog van een smeulbrand gesproken kan worden, hoewel het massaverlies van het proefstuk met een vrijwel constante snelheid door gaat. Dat kan ook veroorzaakt worden door verdamping van vocht en pyrolyse van hout, zonder verbranding. Het gevolg hiervan is dat de doorsnede van het CLT proefstuk dieper aangetast is dan de visueel waarneembare koollaag doet vermoeden. De belangrijkste resultaten zijn samengevat in tabel 1.

Opvallend is de relatief lage inbrandsnelheid in CLT. Wanneer de inbranding de lijmlaag bereikt, neemt de inbrandsnelheid tijdelijk toe (niet opgenomen in tabel 1). De verwachte inbrandsnelheid ligt aanzienlijk hoger, namelijk circa 0,8 mm/min. Voor het achterblijven ven de inbrandsnelheid is de relatief lage stralingsflux (25 kW/m² in plaats van 100 kW/m²) de belangrijkste oorzaak. Daarnaast werkt de vorming van een koollaag vertragend, de vlammende brand wordt daardoor een smeulende brand. Het houtvochtgehalte kan ook invloed hebben, maar in dit geval bedroeg dat een normaal evenwichtsvochtgehalte.

Consequenties van de testresultaten

In het artikel in Brandveilig.com 2021-2 zijn voor een klein compartiment met een woonfunctie (een appartement van 70 m²) simulaties uitgevoerd op basis van het natuurlijk brandconcept (NEN 6055). Daarbij is het verschil beschouwd in de thermische belasting tussen traditionele steenachtige bouw en moderne houtbouw in CLT. Figuur 8 geeft het compartiment, met daglichtopeningen in twee gevels, in isometrie weer. In de simulatie is geen rekening gehouden met een verkaveling van het compartiment in kleine (verblijfs)ruimten, binnenwanden zijn buiten beschouwing gelaten.

Het verschil in de simulatieberekeningen tussen een traditioneel appartement en een CLT-appartement is de permanente vuurbelasting. In geval van CLT is een karakteristieke permanente vuurbelasting aan het appartement toegewezen van 500 MJ/m² gebruiksoppervlakte (gemiddelde waarde 400 MJ/m²). Een enigszins arbitraire grenswaarde, die overigens voor CLT-woongebouwen eerder te laag dan te hoog is.

De thermische belasting door de gastemperaturen ten gevolge van een natuurlijke brand in het appartement zijn in beide situaties vertaald naar een equivalente brandduur volgens de standaard brandkromme. De equivalente brandduur volgt daarbij uit de gecumuleerde interne gasenergie ten gevolge van de totale natuurlijke brand. Het verschil in thermische belasting ten gevolge van brand in een traditioneel appartement met die in een CLT-appartement is duidelijk zichtbaar in figuur 9:

• Traditioneel appartement: 54 min. SBK
• CLT appartement: 101 min. SBK

Met de experimentele resultaten van tabel 1 kan deze vergelijking genuanceerd worden. Deze nuancering houdt in dat bij gastemperaturen hoger dan 550 ^oC (25 kW/m²) een inbrandsnelheid in CLT gehanteerd wordt van 0,30 mm/min en bij lagere temperaturen (minder dan 25 kW/m²) een inbrandsnelheid van 0,15 mm/min. Na verbranding van de variabele vuurlast zal de CLT-constructie smeulend blijven branden zolang deze is blootgesteld aan een minimale stralingsflux van 5 kW/m². Bij een lagere stralingsflux kan uitdoving optreden (Crielaard et.al., 2019). Wanneer binnenwanden in het compartiment aanwezig zijn die na de brand nog intact zijn, kan uitdoving eerder optreden.

Overigens moet ook worden opgemerkt dat de inbrandsnelheid in CLT tijdens de compartimentbrand groter zal zijn dan op basis van de experimenten door Andrés Berdugo is vastgesteld. Hier is dus sprake van enige onderschatting van het brandvermogen in de post flashover brand.

Figuur 10 geeft het volgende aan:

• Tradioneel appartement: 54 min. SBK
• CLT-appartement: 88 min. SBK

De totale natuurlijk brandduur van het CLT-appartement bedraagt circa 130 minuten. Gedurende die brandduur is de thermische belasting groter dan 5 kW/m². Dat houdt in dat de smeulbrand in de CLT-constructie niet uitdooft nadat de variabele vuurlast in het appartement is verbrand. Hoewel de thermische belasting in het CLT-appartement ten opzichte van het artikel in Brandveilig.com 2021-2 is gereduceerd, moet zonder ingrijpen in het brandscenario nog steeds worden gevreesd voor een afbrandscenario.

Conclusie

De conclusie van het artikel in Brandveilig.com 2021-2 was dat een 60 minuten brandwerende scheidingsconstructie in een traditionele woning circa 64% betrouwbaar is. De faalkans voor de natuurlijke brand bedraagt dus circa 36%. De faalkans van een 60 minuten brandwerende scheidingsconstructie in een CLT-woning bleek circa 93% te bedragen. Daardoor is een afbrandscenario van een woongebouw in onbeschermd CLT ten gevolge van een woningbrand vrijwel zeker, wanneer niet wordt ingegrepen in het brandscenario.

Met de experimenten die door Andrés Berdugo in het brandlaboratorium van Peutz zijn uitgevoerd, kan deze conclusie enigszins worden genuanceerd. Daarbij moet in acht genomen worden dat de experimenten mogelijk een te gunstig resultaat leveren, vanwege de beperking aan de maximale warmtestralingsflux in de meetopstelling. De simulaties die op basis van deze experimenten zijn uitgevoerd leiden voor het CLT-appartement tot een lagere thermische belasting dan werd verondersteld in het artikel in Brandveilig.com 2021-2, maar nog steeds aanzienlijk hoger dan voor het traditionele appartement het geval is. Daarnaast blijkt dat het waarschijnlijk is dat de onbeschermde CLT-constructie smeulend blijft branden wanneer de variabele vuurlast verbrand is. In elk geval duurt het lang voordat de stralingsflux zodanig is afgenomen dat de CLT-constructie vanzelf dooft. Er kan dan ook niet worden gesteld dat een CLT-woongebouw zonder aanvullende voorzieningen fire resilient is.

Aanvullende voorzieningen zijn zeker voor woongebouwen met meer verdiepingen noodzakelijk:

• Passief beschermen van de CLT-constructie met brandwerend plaatmateriaal; of
• Actief ingrijpen in het brandscenario met behulp van een automatische blusinstallatie.

Wellicht zijn ook meer innovatieve voorzieningen mogelijk, zoals een beschermende coating die de koollaag aan de oppervlakte tijdens de brand intact houdt (Schmidt, 2020). Het is denkbaar dat daardoor de inbrandsnelheid na verloop van tijd tot stilstand komt. Dergelijke innovaties staan nog in de kinderschoenen.

Literatuur

• ISO 5658-2:2006 – Reaction to fire tests – Spread of flame – Lateral spread on building and transport products in vertical configuration – ISO TC92 SC1, Geneva
• NEN 6055:2011 nl – Thermische belasting op basis van het natuurlijk brandconcept – Bepalingsmethode – NNI, Delft
• NEN-EN 1991-1-2+C1+C2+C3+NB:2019 – Eurocode 1: Belastingen op constructies – Deel 1-2: Algemene belastingen – Belasting bij brand – NNI, Delft
• NEN-EN 1995-1-2+C1+C2+NB:2011 – Eurocode 5: Ontwerp en berekening van houconstructies – Deel 1-2: Ontwerp en berekening van constructies bij brand – NNI, Delft
• Crielaard, R., Van der Kuilen, J.W., Terwel, K., Ravenshorst, G., Steenbakkers, P. (2019) – Self extinguishment of cross-laminated timer – Fire Safety Journal 105, pp 244-260
• Schmidt, L. (2020) – Experimenal study on the effect of char fall off on the heat transfer within loaded cross-laminated timber columns exposed to radiant heating – University of Edinburgh, Science & Engineering
• Berdugo, A.F. (2022) – Fire resilience of cross laminated timber in residential buildings – Politecnico Torino, Architecture-Construction-City

Ruud van Herpen, TU Eindhoven – Fellow Fire Engineering