Steenstrips als gevelafwerking: wat is de kans op een flankerende brand?

Steeds meer moderne gevelmaterialen worden op de markt gebracht, veelal voor nieuwbouwprojecten maar ook voor veel renovatieprojecten. In Nederland zijn bijvoorbeeld steenstrips populair. Maar met deze nieuwe, moderne materialen komen ook nieuwe uitdagingen voor brandveiligheid. Een relatief nieuw fenomeen is de flankerende brand. Nora Kuiper deed hier onderzoek naar.

Bij flankerende branden verspreidt de brand zich via de gevel, dus langs de interne scheidingsconstructies waardoor kortsluiting van de WBDBO optreedt. In de afgelopen 20 jaar haalt vrijwel jaarlijks een flankerende gevelbrand het nieuws. Vaak is een thermisch lichte gevelafwerking in combinatie met een brandbare isolatielaag de boosdoener. Een thermisch lichte gevelafwerking is gedefinieerd als een gevelafwerking die maar weinig warmte kan opnemen en daardoor snel warmte doorgeeft, zoals een afwerking van aluminium composiet materiaal (ACM). De branduitwerking via de gevel van de Grenfell-toren is hiervan het bekendste voorbeeld.

Steenstrips populair in Nederland

In Nederland is een ander thermisch licht materiaal toenemend populair, namelijk steenstrips. Steenstrips geven de illusie van een gemetselde gevel, maar zijn eigenlijk niets meer dan een paar-millimeter-dikke keramiek laag. Deze is dan vaak met of zonder cementgebonden laag toegepast op een EPS-isolatielaag.

De vraag is nu hoeveel warmte deze afwerking doorgeeft naar de isolatielaag, in geval van een uitslaande vlam? Natuurlijk is het vermogen in de uitslaande vlam hiervoor een belangrijke parameter. Wanneer de kans op een uitslaande vlam met een aanzienlijk vermogen realistisch is kan die uitslaande vlam tot een zodanige warmtestroom naar de isolatielaag in de gevel dat deze verweekt en aangestoken wordt.

De casus

Als casus in het onderzoek is een nieuwbouw wooncomplex beschouwd, met een met steenstrips afgewerkte gevel toegepast op een EPS-isolatielaag. Een detail van dit systeem is te zien in figuur 1 [1, 2]. Het aanzicht wordt gekarakteriseerd door de grote ramen als gevelopeningen, van 2.3 m, 3.0 m en 2.3 m breed en alle drie 2.3 m hoog.

In het wooncomplex zijn appartementen met diverse afmetingen aanwezig. Als casus is een tussenappartement met een gebruiksoppervlakte van ongeveer 116 m² geselecteerd. Dit appartement heeft drie grote ramen als gevelopeningen, van 2.3 m (opening 1), 3.0 m (opening 2) en 2.3 m breed (opening 3) en alle drie 2.4 m hoog. Verder wordt aangenomen dat alle brandscheidingen voldoen aan de benodigde WBDBO, zodat het falen hiervan niet bepalend is in vergelijking met het falen van de gevel.

Het type gevelsysteem is beoordeeld met brandklasse A2 [2, 3], getest met onder andere de SBI-test. De bijdrage van het gevelsysteem aan de brand is bij het brandvermogen in de SBI-test (30 kW) beperkt. Echter, van keramiek is bekend dat het kan afspatten bij brand [4], en ook de cementlaag verzwakt bij temperaturen hoger dan 400 °C [5]. Dit betekent dat het gevelmateriaal mogelijk wel verzwakt of bezwijkt bij een uitslaande vlam met een vermogen dat hoger is dan 30 kW, zoals in de SBI-test wordt getest. Het gevolg is dan dat de EPS-laag aangestoken kan worden en branduitbreiding via de gevel plaats zal vinden.

Kans op een uitslaande vlam

Met behulp van een zonemodel is de kans op een uitslaande vlam met groot vermogen beschouwd. Vervolgens is het effect van de stralingsflux van de vlam op de gevelconstructie bepaald. Een samenvatting van de input data is te vinden in tabel 1.

Tabel 1. Input data voor het zonemodel OZone.

Op dit model is een gevoeligheidsanalyse toegepast, waarbij telkens één stochastische parameter verandert ten opzichte van de basissituatie:

1. Een brandvermogensdichtheid van RHRf = 375 kW/m² in plaats van RHRf = 250 kW/m².
2. Een vuurbelasting van q_f,k = 900 MJ/m² in plaats van q_f,k = 780 MJ/m².
3. Een ontwikkelingssnelheid van 150 in plaats van 300.
4. Het bezwijken van gevelopeningen 1 en 2, in plaats van alle drie de gevelopeningen.
5. Het bezwijken van gevelopening 1, in plaats van alle drie de gevelopeningen.

Voor de basissituatie leidde brand in het appartement niet tot een uitslaande vlam. Maar uit de gevoeligheidsanalyse bleek dat er wel degelijk een kans bestaat dat een vlam zal uitslaan. Dit gebeurt wanneer niet alle gevelopeningen tegelijkertijd zouden bezwijken, of wanneer het brandvermogen hoger ligt dan in de basissituatie. Rekening houdend met deze onzekere randconditie is de kans dat een brand leidt tot een uitslaande vlam 47,1 procent. De kans dat deze uitslaande vlam meer vermogen bevat dan 30 kW, is 46,5 procent (dus in 99 procent van de gevallen bij uitslaande vlam). De vraag is dus hoe significant de brandklasse van de gevel is, aangezien deze bepaald is met de SBI-test (30 kW).

Warmtetransport in gevel door uitslaande vlam

Omdat niet uitgesloten kan worden dat brand niet zal leiden tot een uitslaande vlam, is gekeken naar wat het effect van een uitslaande vlam zou zijn op de gevel. Dit is gedaan met een dynamisch thermisch model in Comsol Multiphysics (redactie: simulatiesoftwarepakket), waarmee het warmtetransport door de constructie via geleiding wordt gesimuleerd. Het 1D model is opgemaakt uit drie lagen: 0.200 m EPS, 0.006 m cement en 0.004 m steenstrip. Een samenvatting van de verdere input data is te vinden in tabel 2.

Tabel 2. Input data voor Comsol Multiphysics.

De starttemperatuur over de gehele constructie is 20 °C. Op t=0, het moment dat de brand uitslaat, stijgt de temperatuur aan de buitenoppervlakte ter plaatse van de vlam direct naar 550 °C, de minimumtemperatuur van de uitslaande vlam. De simulatie duurt in totaal 600 s, figuur 3 geeft de resultaten per 60 s. Vanaf de eerste minuut wordt de EPS-laag al opgewarmd door de uitslaande vlam, en vanaf 9 minuten wordt de smelttemperatuur van EPS bereikt (373 K = 100 °C). Het smelten van de EPS-laag houdt in dat de gevelafwerking zijn drager verliest. Wanneer dit gebeurt ontstaan scheuren in de buitenafwerking, kunnen steenstrips afvallen en zou de EPS-isolatie direct aangestoken kunnen worden.

Figuur 3. Resultaten van de Comsol Multiphysics analyse.

Belangrijk is wel om te vermelden dat vervormingen van materialen door de blootstelling aan hitte niet gemodelleerd kunnen worden met Comsol Multiphysics. Het blijft dus raden wat het smelten van de EPS-laag betekent voor het Strikotherm systeem. Daarnaast is het niet mogelijk om een vlam te modelleren, dus in deze simulatie wordt uitgegaan van een vlam die constant blijft over de duur van de simulatie. In de realiteit is het dus mogelijk dat kritieke temperaturen (zoals de smelttemperatuur van de EPS-laag) eerder of later worden bereikt dan uit deze simulatie blijkt. Ten slotte is een dergelijk simulatiemodel minder geschikt voor gevelconstructies met spouw, aangezien warmtetransport middels convectie in de spouw niet wordt meegewogen.

Aanbevelingen

Uit het voorgaande blijkt een aanzienlijk brandrisico voor een brandbare gevel met een thermisch lichte buitenafwerking. Drie aanbevelingen worden gedaan op basis van de bevindingen.

De eerste aanbeveling gaat over het materiaal waaraan de steenstrips bevestigd zijn. Voor de casus is dit de cementlaag: deze leidt tot een middelhoog risico [6]. Het toepassen van een cementgebonden plaat of een stalen plaat achter de cementlaag zou dit risico verlagen. De stalen plaat is beter bestand tegen de hoge temperaturen en voert de lokale warmte af naar een groter geveloppervlak vanwege de hoge warmtegeleidingscoëfficiënt.

De tweede aanbeveling gaat over de onderliggende isolatielaag. Om twee redenen zou het beter zijn om te kiezen voor een onbrandbaar isolatiemateriaal. Ten eerste omdat een onbrandbare isolatielaag minder snel vervormd bij hitte en daardoor plaatsvast is. Ten tweede omdat wanneer de steenstrips en de cementlaag scheuren, het isolatiemateriaal in elk geval niet aangestoken wordt.  

Mocht er gekozen worden voor een stalen plaat en/of een cementgebonden plaat, dan zou het risico van brandverspreiding via de gevel ook verlaagd worden. Voor het laagste risico, wordt mechanische montage van de drager van de steenstrips aanbevolen in plaats van het vastlijmen hiervan [7]. Wanneer de draagconstructie van de steenstrips blijft zitten bij blootstelling aan een uitslaande vlam, kan het gebruik van brandbare isolatiematerialen overwogen worden.

Indien de bovenstaande aanpassingen niet mogelijk zijn, dan is het van belang dat brand beperkt blijft tot één compartiment. Het belangrijkste is dan dat de gevel de brandcompartimentering niet kortsluit. Dit kan bijvoorbeeld door het implementeren van firestops ter plaatse van de aansluitende compartimentswanden en compartimentsvloeren.

Conclusie

In de beschouwde casus is de kans dat een brand in het complex leidt tot een uitslaande vlam met een hoger vermogen dan de 30 kW waarop de gevel is getest circa 46,5 procent. In dat geval is een snelle branduitbreiding via de gevel waarschijnlijk, zelfs wanneer de gevel voldoet aan brandklasse B of beter. Hierdoor wordt de compartimentering kortgesloten. Om dat de voorkomen, zijn firestops noodzakelijk in de gevel ter plaatse van aansluitende compartimentswanden en compartimentsvloeren. Het voldoen aan brandklasse B maakt firestops dus niet overbodig.

Literatuur

1. Van Egmond Architecten (2020), Bijlage 7 Geveldetails gewijzigd naar Strikolith. Noordwijk: Van Egmond Architecten BV.
2. COMFORT – Steenstrips FLEX. Beschikbaar: https://www.strikolith.com/gevelisolatiesystemen/steenstrips-flex. Geraadpleegd op 18 februari 2022.
3. Strikotherm Steenstrips FLEX. Beschikbaar: https://www.strikolith.com/product/generate_information/?id=67. Geraadpleegd op 16 december 2022.
4. Nguyen T.D., Meftah, F., Chammas, R., and Mebarki, A. (2009). The behaviour of masonry walls subjected to fire: Modelling and parametrical studies in the case of hollow burnt-clay bricks. In: Fire Safety Journal, 44-4, 629-641.
5. Szymków, M. (2018). Identification of the degree of destruction of fibre cement boards under the influence of high temperature. Politechnika Wrocławska.
6. D. Alves and L. Bravo, Cladding for surveyors, London, Mar. 2021.
7. K. Schabowicz, P. Sulik, and Ł. Zawiślak, Identification of the destruction model of ventilated facade under the influence of fire, In: Materials (Basel), vol. 13, no. 10, pp. 1-14, 2020.

Nora Kuiper, masterstudente TU Eindhoven