Brand som Designparameter

Publikationen er udarbejdet i et samarbejde mellem: InnoBYG - Innovationsnetværket for bæredygtigt byggeri www.innobyg.dk CINARK - Center for Industriel Arkitektur, Institut for Bygningskunst og Teknologi, Det Kongelige Akademi, Arkitektskolen www.cinark.dk DBI - Dansk Brand & Sikringsteknisk Institut www.brandogsikring.dk Redaktion: Pelle Munch-Petersen, CINARK Simon Sköld, DBI Udgivet 2020

INDHOLD

INTRODUKTION

4

BAGGRUNDSSTUDIE

5

WORKSHOP

8

SPÅNFACADE

10

14

YAKI SUTORŌ

LAMELLER

18

22

BRÆNDT LER, UBRÆNDT LER

SEKTIONERING

26

BRANDTESTS

30

SP105 FIRE

32

SBI TEST

42

REFERENCER

46

INTRODUKTION

Klimakrise er en grundlæggende udfordring for arkitekturen – men den er også et potentiale. Når arkitekturen vendes på hovedet, når nye teknologier opstår eller når designmetoder ændres fundamentalt, opstår muligheden for nye kunstneriske udtryk naturligt. Og der er noget der tyder på, at det ikke er små justeringer, der skal til, hvis en reel bæredygtig bygningskultur er målet.

En af de mest markante skift vi ser i dag forholdet mellem arkitekturen og dens materialitet. Klimakrisen udpeger store globale udfordringer vedrørende resurse-knaphed og drivhuseffekten og vi begynder at se politiske tiltag for at komme dem i møde.

Men hvad sker der når arkitekturen begynder at tage udfordringerne vedrørende dens materielle tilgang og løsninger på sig? Da arkitekturen er en holistisk disciplin, forsøger den (selvfølgelig) at finde en løsning på begge problemer…

Organiske materialer – er en del af løsningen. Ved at bruge træ, strå, halm, ålegræs og lignende anvendes materialer, som trækker CO2 ud af atmosfæren og binder det i fast form, samtidigt med at det er fornybare resurser. CO2 og knaphed adresseret på en gang. Kigger man rundt i byggeriet i år 2021 ser det ud til, at dette er den fælles forståelse, da der bliver afholdt konferencer, workshops og seminarer om organiske materialer i byggeri oftere og oftere. Arkitekturen grønne dagsorden er ved at blive brun – i alle træets nuancer.

Men kan vi bygge med træ? Svaret P.T. er nej. Slet ikke i det omfang det kræver hvis det skal have nogen effekt på krisen. En del af grunden er den lovgivning og de standarder arkitekturen skal leve op til. Regler, som ikke svarer på krisens forhold og som derfor står i vejen for en helt nødvendig udvikling.

Men reglerne er opstået af en grund og nogle af dem må man have en grundlæggende forståelse og sympati for. Brandlovgivning handler jo dybest set om at redde liv. Men måske gør den det så godt nu, at den ender med at kvæle os alle på den lange bane.

Derfor tager dette projekt fat netop der. I brandlovgivningens restriktive og rigide grundforståelser og stiller spørgsmålet: kan brand anskues som et kunstnerisk designparameter? Hvis der skal flere organisk materiale i byggeriet kan form og komposition så imødekomme nogle af det udfordringer som brand repræsenterer? I stedet for at sige at maksimalt 20% af facaden må være af træ, kan man så arbejdet med materialer, på en måde så deres sammenføjning modvirker materialets egen brandbarhed? Vi har alle, på et eller andet tidspunkt i vores liv, forsøgt at få ild i et bål og måtte sande, at det ikke kun er træets beskaffenhed, som er afgørende. Træk og opbygningen af bålet er vigtige elementer også og har man set en dreven spejder lave bål i regnvejr med vådt brand, så let som ingenting, bekræftes man i denne antagelse.

Dette projekt vil undersøge om vi kan lave ’dårlige bål’ med ’godt brænde’. Vi vil forstå de grundlæggende ideer som indbrænding, nedfald, skorstenseffekt. Vi beder arkitektstuderende lave facadeudsnit der modvirker disse effekter. Vi laver brandtest af en udvalgt løsning og formidler den nødvendige viden i forhåbningen om at det er muligt og kunstnerisk interessant at forstå brand som et designparameter.

4

BAGGRUNDSSTUDIE

Facader udmærker sig som en særlig interessant bygningsdel for arkitekter, i det den udgør bygningens ansigt. Som bygningens mest synlige del, er det her både arkitekt og bygherre har en chance at markere og markedsføre sig. På samme tid er det en bygningsdel som skal leve op til en lang række tekniske krav. Facaden er typisk en bærende konstruktion, som både skal isolere og være gennemslippelig for lys. Derudover tilkommer krav om vandtæthed, vindtæthed, akustik og brand.

Disse krav kan imødekommes ved at arkitekter kender hvilke design-parametrer der findes at skrue på, og integrerer dem i tidlige design-faser.

Designparametre kan i bedste tilfælde overlappe og i værste tilfælde fungere modstridigt. De krav som ikke imødekommes tidligt i arkitektens design, overlades til senere faser, hvor de typisk løses ved at lægge ekstra lag til konstruktionen. Ændringer i senere faser kan ændre væsentlig ved projektets fremtræden, men også have en negativ indflydelse på økonomi og bæredygtighed.

Brandkrav kan ikke fuldt ud imødekommes mha de designparametre der findes til rådighed i tidlige designfaser, men at kende til dem kan begrænse unødvendige tillæg og ændringer.

I projektet er designparametre begrænset til geometri og materialevalg. En afsøgning af forskningsresultater der vedrører brand som designparameter peger på et arkitektonisk potential i et felt der idag er tilvaretaget af ingeniører.

Følgende er blot nogle eksempler på dokumenterede designparametrer som har en væsentlig inflydelse på brandspredning over facade.

5

1

2

3

Brystningshøjde (1)

Horisontal forhindring (2)

Brystningshøjden er den vertikale afstand mellem to vinduer, på engelsk refereret til som “spandrel-height”.

Højden på brystningen er en parameter, som nævnes i flere landes bygningsreglementer (dog ikke i den danske), og som har til formål at forhindre at brandspredning mellem to vinduer.

Horisontale fremspring skubber flammen væk fra facaden, og mindsker derved varmeeksponering.

Gennem simuleringer har man fundet ud af, at et fremspring på 60cm er nok for at påvirke flammen, men at 80cm er nødvendigt for se en betydelig effekt på brandspredning.3 Et andet studie viser, at et fremspring på 30cm giver beskyttelse for brandspredning, der tilsvarer en brystningshøjde på 2.5m.

Oleszkiewicz konkluderer efter fuldskala eksperimenter, at der kræves en brystningshøjde på 2.5 m for at halvere varmeeksponeringen fra et vindue til det næste.1 I et senere projekt undersøges effekten af åbningens størrelse og form, således at højden på brystning kan tilpasses efter åbningens geometri.2

6

I rapporten “Fire performance of multi-storey wooden facades” fra RISE i Sverige bruges facadetesten SP Fire 105 for at undersøge brandspredning i træfacader. En konklusion viser, at hvis vinduer udstyres med en “fire shield”(3) på 0.8m foroven, kan brandspredningen nedsættes så meget, at hele facaden kan beklædes med træ uden risiko for brandspredning.4

Facadegeometri (4 & 5) Et studie viser gennem brandtests, at en u-formet facade fører til hurtigere brandspredning. Sidevægge mellem 0 og 80cm afprøves mod en bagvæg på 60cm, og det viser sig, at jo dybere U-geometrien er, desto hurtigere spreder branden sig. Dette skyldes den såkaldte skorstenseffekt.5 Et andet studie viser, at afstanden mellem sidevægge har en betydende effekt. Her formindskes højden på flammen hurtigt med øget afstand.6 At udføre facaden med en hældning kan have en positiv indvirkning på flammespredning, især i kombination med horisontale fremspring, men emnet er ikke endnu tilstrækkeligt undersøgt.3 Vinduer (6) Vinduers form og størrelse kan have en stor indflydelse på brandspredning.

Forskningsresultater viser, at en liggende rektangel giver højere varmeeksponering på overliggende facade end en kvadrat, som giver lidt højere eksponering end en stående rektangel. De tre geometrier har samme areal, men forskellige højde/bredde forhold og testes med hjælp af digitale simuleringsverktøjer.

Når to kvadratiske vinduer sammenlignes, viser det sig at et mindre vindue (0.96X0.96m) giver højere varme-eksponering på overliggende facade end et større vindue (1.465X1.465m).7

4

5

Overliggere Afstanden fra vindues overkant til loft, overliggeren, kan holde på uforbrændte gasser i brandrummet, og derved mindske energien i flammen udenfor vinduet.

Altaner En altan fungerer som tidligere nævnte horisontale udspring, og kan derved effektivt nedsætte varmeeksponering på facade. Hvis man udstyrer altanen med gelænder, giver en åben udgave bedre beskyttelse end en lukket, da denne kan fange brandgasser i stedet for at aflede dem. Denne effekt forøges, hvis der er lukkede sider på altanen.8

6 7

WORKSHOP

SOCIALT DISTANSERET GRUPPEARBEJDE OG SEMINAR

I Maj 2020 blev der afholdt en workshop med studerende fra kandidatprogrammet BØT, Bosætning, Økologi, Tektonik, fra Arkitektskolen KADK. Workshoppen startede med et mini-seminar, hvor byggebranchen var inviteret til at deltage. Her blev både grundlæggende viden om holistisk bæredygtighed i facader og designparametre for brandsikkert design præsenteret.

Efter denne introduktion blev de studerende stillet opgaven, som ses på næste side.

De fem grupper samarbejdede over video og telefon og fik produceret et idérigt materiale, som viser et bæredygtigt og æstetisk potentiale i brand som designparameter.

Til præsentation af deres projekter var virksomheder igen inviteret og brandrådgivere fra DBI kom med feedback på potentialet for brandbeskyttelse.

8

Opgaven i korthed Forudsætninger • Bygningen har bærende konstruktion i træ • Laveste gulv i udsnittet er på 4. etage • Facadeudsnit er 6 meter i højden (2 etageadskillelse) og 4 meter i bredden.

• Bagvid liggende rum er 20kvm • Dagslys overholder BR18 “10% regeln” med korrektion for “Reduktion for fremspring over vinduet” • Materialer vælges ud fra materialepyramiden

Kriterier for vurdering af opgaven • Co2 aftryk • Brandsikkerhed 1. “Højdespring” (leap frogging) 2. Flammespredning, overflade/regnskærm 3. Nedfald af elementer

9

SPÅNFACADE

Alexandra Marie, Lutte Andreas Schultz Orht, Marie Flensborg, Kenneth Hviid Larsen, Kristine Pernille Tveit, Tim Viktorsson, Tuva Bø Lyng

Trærammer monteret på en limtræskonstruktion bærer isoleringen af halm. Rammerne bryder gennem beklædningen af træspån og bidrager med sin geometri til en forsinkelse af brandspredning. Stålprofiler dækker over trærammerne for at beskytte dem mod flammer. Franske altaner er strategisk placeret for at for at forhindre flammespredning fra et vindue til næste. Vinduer placeret dybt i facader gør det vanskeligere for flammen at nå ind.

Træspån9 10

Limtræ10

Halm11

11

12

13

YAKI SUTORŌ vejledningsgruppe lin + søren

Yakisugi, eller shou sugi ban, er en gammel japansk metode til at beskytte træ gennem at let brænde overfladen. Behandlingen gør træet mindre modtageligt for svamp, råd og insegtangreb. Dette skyldes, at dét sukker, som disse organismer lever af, bliver brandt væk i processen. I samme omgang gøres overfladen angiveligt mindre brandfarlig. Projektet leger med tanken om at beskytte en halmkonstruktion med den samme metode.

Der er tænkt over vinduers placering og størrelse i forhold til “højdespring” mellem lejligheder.

Rammerne som holder halmelenterne på plads fungerer som horisontale udspring, der forsinker flammerne.

14

© Ecococon

© Ecococon

15

16

25

40 0

10 0

Stå lbe sla g

Br æ ndt tr æ

Pr e sset halm over fla de br æ ndt Ecococon ele ment Le r puds

V i n due

E tage dæ k

17 Faca de

LAMELLER

Signe Clevin, Katrine Aastrup, Sabina Ross, Rebekka Pettersen, Frederik Paarup & Johannes Bonde

Med inspiration fra både traditionelt brug af træspån og moderne arkitektur beklædt med teglspån er der tegnet en hybrid, som prøver imødekomme både ønsket om brandsikkerhed og en facade med lavt CO2 aftryk. Spån af træ og tegl varieres over facaden, sådan at de steder der er kritiske i forhold til brandspredning har en højere andel af ubrændbart materiale.

18

19

20

21

BRÆNDT LER, UBRÆNDT LER Aleksander Rodahl, Emma Grynge, Jesper Vallebo Von Staffeldt, Olivia Nygaard-Nielsen, Karl-Magnus Boaason, Johannes L. Platz

En halmkonstruktion pudset med ler kan normalt ikke modstå vejr og vind. De horisontale udspring, udført i glaseret tegl, forhindrer derfor ikke kun brandspredning, men også forvitring af facaden.

Halm

22

Glaseret tegl12

GLASSERET LER

23

24

25

SEKTIONERING Kristoffer Ilse Nina Julie Viggo

En facade af træspån er er delt op i sektioner, som forsinker brandspredning. Horisontale udspring i beton forhindrer branden i at spredes vertikalt og vertikale “finner” af limtræ forhindrer spredning horisontalt over facaden.

CLT-SKIVER HALM MODUL VENTILERET TRÆBEKLÆDNING (CLT-SKIVER) BALKONPLADE

26

Skitser til horisontell forhindring i ubrændbart materiale.

opstalt 5000

5000

3000 3000

3000 3000

5000

3000

3000 3000

snit

4000

3000

3000 3000

5000

snit 5000

4000

5000

3000

3000

3000

3000

3000

4000

plan

snit

opstalt 5000

3000

3000

3000

3000

3000

plan

snit 5000

Fire variationer af limtræ-”finner” Udformning af vertikal sektionering påvirker både brandspredning og lysinfald.

4000

27

BEST CASE

3000

3000

4000

28

opstalt

3000

3000

5000

snit

29

5000

BRANDTESTS

TILPASNING, OPFØRELSE, TEST OG OPTIMERING AF UDVALGT DESIGN

30

31

SP 105 Fire

Testmetoden SP 105 Fire blev udviklet i 1985 og simulerer en brand i en tre etagers bygning.

Brandeksponeringen repræsenterer en fuldt udviklet brand i et rum med ventilationsåbning (e.g. et vindue), som udsætter beklædningen for flammer.

Metoden er godkendt for klassifikation i Skandinavien, men er ikke en fælles Europæisk metode.

6m

Der er stor forskel på de Skandinaviske landes bygningsreglement og kun i Sverige kan metoden bruges til at dokumentere sikkerhed mod brandspredning på facade.

I Danmark bruges metoden typisk til at dokumentere brandmodstand i systemer til efterisolering, der indholder materialer, som alene ikke ville bestå en brandtest (f.eks. et lag puds på brændbar isolering). Det er her et krav at bagvæggen er ubrændbar.

Testen vurderes både instrumentelt og visuelt.

Temperatur måles i toppen af elementet og det fiktive vindue. Nedfald af materiale og hvor højt flammerne spreder sig, vurderes visuelt.

I vores projekt bruges metoden eksperimentelt til at vurdere, hvor stor en påvirkning geometrien har på brandspredningen. Testen giver et1.5 udgangm spunkt, hvorefter designet kan optimeres. Det forventedes ikke at facaden ville kunne bestå en m regulær SP 105 Fire, da den indholder en4stor andel eksponeret træ.

32

Testrig fra side

MĂĽlepunkt tagfod

6m

MĂĽlepunkt vindue

MĂĽlepunkt brandrum

Brandrum

Testrig forfra

1.5 m 4m 33

Test design

Fra facade-design til test-design

Facaden valgtes som udgangspunkt (1) for tests, fordi den både var bygbar indenfor rammerne, og fordi der ikke fandtes tidligere eksempler på, hvordan sådan en geometri ville påvirke brand egenskaber.

Når et facadedesign ikke er velkendt og tidligere testet, er det meget vanskeligt at sige noget om brandegenskaberne. Geometrien tager udgangspunkt i horisontale udspring, men mange parametre påvirker brandudviklingen, såsom afstand mellem lameller, dybde af lameller og organisering af lameller.

For at kunne bygge facaden, blev et antal forenklinger af det oprindelige design (2) foretaget.

Antallet af lameller blev skåret ned, og dybden halveret. Materialet til testen er lameller af fibergips fra Fermacell, bæredygtigt hårdtræ fra Keflico og almindelige fyrretræ-lister at bære lamellerne.

Efter rådgivning af brandingeniør, ændredes designet sig således, at organisering af lameller repræsenterer et gennemsnit af brændbare materialer (3). At placere de ubrændbare lameller under vinduer giver god mening i virkeligheden, men i testen kan det siges være misvisende.

Siden flammen kun rammer midten, vil det ikke sige noget om, hvordan facaden ville påvirkes hvis branden opstår et andet sted på facaden.

34

1. Oprindeligt design, valgt til brandtest

2. Design, forenklet for bygbarhed og tilpasset standardmĂĽl for SP 105 Fire

3. Endeligt design, tilpasset for at reprĂŚsentere en gennemsnitlig lamelgeometri

35

Opførelse

Facadetest under opbygning i store testhallen

36

Principsnit

37 Facadetest, klar til optĂŚndning

Resultat

Observation

De første minutter af testen er det primært heptan, der brænder og afgiver en hel del røg. Når temperaturen i brandrummet bliver tilstrækkeligt høj, antænder røg-gasserne, og flammen strækker sig højere op over facaden.

Efter cirka 8 minutter når flammerne vinduet på anden etage. Efter 12 minutter når varmestrålingen i vinduet på 1.sal 80kW/m2. Efter 15 minutter når temperaturen i tagfod 450ºC. Efter 18 minutter slukkes facaden.

Det ser ud til, at energien øges kraftigt når ilden får fat i fyrretræslægterne, der bærer lamellerne af gips og hårdtræ. Dybere lameller ville sandsyndligvis forsinke effekten. Lægter kunne også udføres i materiale med højere brandmodstand.

Ilden spredes horisontalt i mellemrummet mellem lameller, især fra åbningen ved det første vindue.

Spredning via vindueshullet kunne dæmpes ved en ubrændbar vindueskarm.

38

39

I starten ser man mest røg fra heptan

Flammerne for fat i lammeler

Et FLIR kamera kan give mere information om spredning, da den “ser” gennem røgen.

40

Branspredning til anden etage

Facade efter slukning

41

SINGLE BURNING ITEM

Opfølgende tests på geometrins inflydelse på brandegenskaber

Efter facadetesten blev to opfølgende tests foretaget for at se, om der fandtes et optimeringspotentiale i geometrien. To opstillinger med forskellige organiseringer fra facadetesten blev bygget i mindre skala for SBI-tests. Den samlede mængde træ er den samme, den eneste forskel er organiseringen af lamellerne, som tegningen forneden viser.

Om SBI-testen For at komme på det Europæiske marked med et byggemateriale kræves en materialeklasse, som opnås gennem SBI-test.

SBI testen er en metode til at bestemme byggematerialer og konstruktioners reaktion på brand, når de eksponeres for varme fra en enkelt brændende genstand. I metoden bruges en sandkasse-brænder med gas som varmekilde. Elemenm 0m

Testen giver en såkalt “end-use” klassifikation, dvs at konstruktionen skal udføres i praktiken, sådan som den er udført i testen for være gyldig.

Resultat To parametrers udvikling i testen vises til højre.

THR står for Total Heat Release, hvilket er den samlede afgivne energi (MJ).

I testen viser det sig at opstillingen 1+1 ligger cirka 25% under opstillingen 2+2.

Med FIGRA værdien måles hvor hurtigt energiafgivelsen øger (W/s), og her ligger opstillingen 1+1 ca 20% under 2+2.

0m

m

1500mm

0 10

50

tet, der testet monteres på en vogn, som placeres under en emhætte. Varmeudvikling, antændelighed og røg måles med instrumenter og fysiske forandringer, som forkulning, og dråber vurderes gennem observation.

42

SBI-Test opstilling

Test opstilling 1+1

Test opstilling 2+2

Det ville være nødvendigt at foretage flere tests for at styrke resultaterne, men eksperimentet indikerer, at i denne opstilling har lamellernes organisering en væsentlig inflydelse på facadens brandegenskaber.

T.h. På skærmen i testlabbet kan man følge med i målingerne

43

SBI test af opstilling 1+1

44

SBI test af opstillin 2+2

Opstilling efter afsluttet test, klar til slukning.

45

REFERENCER 1 Oleszkiewicz, I., Vertical separation of windows using spandrel walls and horizontal projections, Fire Technology, Vol. 27 No. 4, NFPA, 1991.

2 Delichatsios, Michael & Ryan, Joe & Tian, Ning & Zhang, Jianping. (2016). Vertical safe separation distance between openings in multi-storey buildings having a fire resistant spandrel. MATEC Web of Conferences. 46. 04003. 10.1051/matecconf/20164604003.

3 Giraldo, María & Rodríguez-Trujillo, Vladimir & Burgos, Camila. (2012). Computer-Simulation Research on Building-Façade Geometry for Fire-Spread Control in Buildings with Wood Claddings.

4 Östman, Birgit & Tsantaridis, Lazaros. (2013). Fire performance of multi-storey wooden facades.

MATEC Web of Conferences. 9. 06001. 10.1051/matecconf/20130906001.

5 Yan, Weigang & Jiang, Lin & An, Weiguang & Zhou, Yang & Sun, Jinhua. (2017). Large scale experimental study on the fire hazard of buildings’ U-shape façade wall geometry. Journal of Civil Engineering and Management. 23. 455-463. 10.3846/13923730.2016.1210671.

6 Duny, M. & Dhima, Dhionis & Garo, J.P. & Wang, H.Y.. (2016). Numerical investigation on window ejected facade flames. Journal of Building Engineering. 8. 10.1016/j.jobe.2016.05.002.

7 Ibrahim, Mohamed & Sharaf eldin, Abdelsalam & Abdrabbo, Mohamed & Ayoub, Mostafa. (2013).

Effect of Window Configurations on Fire Spread in Buildings. 11th International Energy Conversion Engineering Conference. 10.2514/6.2013-3947.

8 Mammoser III, J.H., & Battaglia, F. (2004). A computational study on the use of balconies to reduce flame spread in high-rise apartment fires. Fire Safety Journal, Vol. 39, pp. 277-296.

Billedreferencer: 9 “Wood Shingles” by reidab is licensed under CC BY-NC-SA 2.0 10 “BRDF CLT construction -credit Don Earhardt” by UBC Bioenergy Research is licensed under CC BY-NC 2.0 11 “Stacked Straw Bales - Strawbale House Build in Redmond Western Australia” by Red Moon Sanctuary is licensed under CC BY-ND 2.0 12 “Green Glazed Brick” by pasa47 is licensed under CC BY 2.0

46

47