Det er mange fordeler ved å bygge i tre, som muligheten for stor grad av prefabrikasjon, det lave klimaavtrykket, samt enkel håndtering og montering. I tillegg er det vakkert. Studier har og vist at personer opplever bedre psykisk helse av å oppholde seg i og arbeide i bygg med mye synlig tre.
På den annen side er tre et brennbart materiale. Når treoverflaten er eksponert i rommet, det vil si synlig, vil det produsere pyrolysegasser når det varmes opp. I kontakt med oksygen antenner gassene og treet brenner.
Dette vil ha en innvirkning på hvordan brannen utvikler seg, og FRIC ønsker å bidra til å utvikle mer kunnskap om dette.
Har hatt lite informasjon
I over et tiår er det gjennomført brannforsøk på eksponerte krysslaminerte treelementer, også kalt massivtreelementer. Massivtre kan også være andre typer treprodukter med store dimensjoner, men ordet benyttes her om krysslimte treelementer.
De fleste av disse forsøkene har blitt utført i relativt små rom med små ventilasjonsåpninger. Dermed er brannegenskapene til massivtre bedre forstått i små rom enn i store.
– Massivtre brukes imidlertid i en rekke ulike bygninger, inkludert åpne kontorer, lobbyer, kantiner, boliger, barnehager, skoler osv. Men vi har altså hatt lite informasjon om hvordan en brann kan utvikle seg i slike bygg, sier forsker Andreas Sæter Bøe i RISE Fire Research.
Han har skrevet sin doktoravhandling om nettopp dette temaet. Forskningen er del av FRIC og tilknyttet NTNU. Hovedfokuset har vært å øke kunnskapen om hvordan branner oppfører seg i store rom med eksponert massivtre.
Gjennomførte to storskala brannforsøk
For å finne ut dette ble det gjennomført to storskala brannforsøk i et rom på 95 m2. I det første forsøket var massivtrekonstruksjonen i taket synlig, mens i det andre var konstruksjonen synlig i både veggen og taket.
Rommet var godt ventilert, med fire åpne vinduer langs den ene veggen. Energimengden i rommet tilsvarte den i et vanlig kontorlandskap, og ble representert av en trekrybbe (lekter) på gulvet.
– Disse forsøkene hadde som mål å bedre forstå hvordan eksponert massivtre i henholdsvis tak, og tak + vegg, kan påvirke brannutviklingen i et stort rom. Dette inkluderer brannspredning inne i rommet, eksterne flammer ut av vindusåpningene, forkullingshastighet, avkjølingsfase og selvslokking av flammer, forklarer Bøe.
Rask brannspredning
I begge forsøkene endret branndynamikken seg betydelig fra det punktet taket antente. Flammer spredte seg under taket og forårsaket kraftig strålevarme mot veggen og trekrybben, noe som bidro til at brannen deretter spredte og utviklet seg raskt.
I det første forsøket var effekten av at taket antente tydeligst. Før taket antente hadde brannen spredt seg til 1,5 m av trekrybben i løpet av 32,5 minutter.
Dette tilsvarer en gjennomsnittlig spredningshastighet på 54 mm/min og er omtrent som i tilsvarende forsøk med ubrennbare overflater. Utvikling i startfasen vil variere betydelig fra brann til brann, og kan være raskere enn i dette forsøket.
Etter at taket antente, ble et nytt fenomen observert. Brannen beveget seg nesten som bølger frem og tilbake flere ganger før hele rommet ble overtent i den fjerde syklusen, etter de påfølgende 13 minuttene.
Til tross for at flammene gikk frem og tilbake på denne måten, spredte brannen seg med en hastighet på 1,2 m/min, og utviklet seg dermed betydelig raskere enn før taket antente.
I det andre forsøket med både vegg og tak eksponert, var det et tilsvarende forløp som i det første forsøket, der brannen spredte seg raskt etter at taket antente.
Her var det imidlertid ingen bølger frem og tilbake, og brannen spredte seg til nesten hele rommet i løpet av 1,5 minutter etter antennelsen av taket. Dette tilsvarer en brannspredning på 15 m/min i taket og 11,7 m/min langs gulvet.
– I dag er det svært få – om ingen – vanlige bygg som har en brannstrategi der det er tatt høyde for at en så rask brannutvikling kan finne sted. I bygg som har et automatisk slokkeanlegg installert vil man imidlertid, gitt at anlegget fungerer som tiltenkt, ikke få en slik brann som beskrevet her. For usprinklede bygg, eller bygg der sprinkler ikke fungerer, vil en brann kunne utvikle seg betydelig før brannvesenet er på plass, forklarer Bøe.
– Et konkret eksempel på dette er brannen i gymsalen på Lambertseter skole i 2023 der en liten brann i en søppelbøtte utviklet seg til at hele gymsalen var overtent idet brannvesen begynte slokking, til tross for direkte varsling til brannvesenet.
Det er verdt å merke seg at gymsalen var tom og ikke i bruk da brannen startet. Den raske spredningen og kraftige brannen skyldtes blant annet at det var store mengder treoverflater i rommet.
Store eksterne flammer
Branner i rom med eksponerte treoverflater kan gi store eksterne flammer, altså flammer ut av vinduene når de har knust. Forsøk nummer to viste dette tydelig, der det i den mest intense fasen av brannen oppstod eksterne flammer som var mer enn fem meter høye og dekket hele fasadeveggen over.
– Slike store flammer kan øke risikoen for at brannen sprer seg til etasjen over eller til nabobygg, forklarer Bøe.
Selvslokking av brann i massivtre
I begge forsøkene sloknet flammene i massivtreet av seg selv innen 15 minutter etter at rommet var overtent. Dette skyldes blant annet at temperaturen i rommet avtar når trekrybben begynner å bli brent opp, og at det dannes et stadig tykkere kullag på overflaten til massivtreet som beskytter det friske treverket innenfor.
Når varmestrålingen mot de eksponerte overflatene faller under en viss grense, produseres ikke tilstrekkelig mengder pyrolysegasser til at en brann kan bli opprettholdt. Dermed slokner brannen.
– Dette har blitt observert i mange andre forsøk tidligere. Det er imidlertid flere eksempler på rombranner som ikke har slokket av seg selv på denne måten, men bare har fortsatt å brenne i flere timer uten betydelig reduksjon i temperaturer. Dette kan skje om flere eksponerte overflater avgir varmestråling til hverandre, sier Bøe.
Delaminering og ny overtenning
Massivtreelementer består av flere lag med treplanker som er limt sammen. Noen limtyper mykner ved oppvarming, noe som kan føre til delaminering, dvs. at det ytterste laget med treplanker i elementet løsner og faller av før forkullingen av treet når limsjiktet.
Ved delaminering vil friskt trevirke i neste lag av treplanker eksponeres for brannen, og dermed føre til økt temperatur og varighet av brannen.
Denne effekten ble tydelig i det andre forsøket der flammene hadde sloknet, og temperaturen i rommet hadde vært nedadgående i omtrent 50 minutter. Men etter 66 minutter oppstod plutselig flere små flammer både i tak og vegg, og i løpet av rundt ti minutter var hele rommet overtent igjen.
I løpet av de neste 100 minuttene varierte intensiteten til brannen kraftig, men det var ingen tegn til at den skulle slokne helt som i det første forsøket. Da brannen manuelt ble slokket med vann etter nesten tre timer, var intensiteten og temperaturene økende.
– Årsaken til at brannen tok seg opp etter en så lang avkjølingsperiode er at varmen fortsatte å spre seg innover i treet lenge etter at brannen i seg selv hadde avtatt. Til slutt ble limet mellom det første og andre laget med treplanker varmt nok til at det ytterste laget falt av, og friskt trevirke ble eksponert for høy varme og begynte å brenne, forklarer Bøe.
At brannen fortsatte uten å slokke fullstendig etter dette kan forklares med oppbyggingen til massivtreelementene, der det første laget var nokså tykt (40 mm) og de indre lagene tynne (20 mm). Med tynne lag tok det kort tid før delaminering skjedde på nytt, og dermed fikk brannen stadig tilgang til nytt trevirke som holdt brannen i gang.
– Muligheten for delaminering og vedvarende brann bør inkluderes og vurderes i last- og styrkeberegninger for å sikre at bygg ikke kollapser, understreker Bøe.
Ulmebrann og re-antenning etter slokking
Sju til åtte timer etter at brannen var antatt slokket, oppstod det en ny brann i taket av rommet i det andre forsøket.
– Dette kan forklares ved at det i skjøter og områder dekket av isolasjon har forekommet ulming, som i dette tilfellet etter flere timer brant seg helt gjennom taket og utviklet seg til en flammebrann oppe på taket, sier Bøe.
Brannen ble slokket manuelt, men ble det av sikkerhetsmessige hensyn valgt å ikke gå inn i selve bygget å slokke. Slokking ble dermed kun utført fra utsiden. Dette førte sannsynligvis til at et område i mindre grad ble fuktet og avkjølt med vann, og dermed klarte man ikke å slokke ulmingen som foregikk der.
– At slik ulming kan oppstå etter en brann i massivtrebygg er viktig å være klar over for brannmannskaper, sier Bøe.
Viktig kunnskap
Resultatene fra disse forsøkene viser mange viktige forhold knyttet til bruk av massivtre. De understreker hvor viktig det er å forstå hvordan oppbyggingen av treet, mengden eksponerte treoverflater, størrelse på vindusåpninger og mengde brennbart materiale i rommet kan påvirke brannspredning i og utenfor bygningen, delaminering og mulighet for en vedvarende brann.
Forskningen er utført i Fire Research and Innovation Centre (FRIC), som er et forskningssenter som startet i 2019, som et svar på at brann hvert år fører til store skader – både i form av omkomne og skadde mennesker, og i form av tapte verdier.
FRIC ledes av RISE Fire Research, med SINTEF og NTNU som forskningspartnere. Senteret er finansiert av partnerne, Gjensidigestiftelsen og Forskningsrådet.
– Ingen branner er like, så resultatene fra disse to forsøkene gir ingen fasit for hvordan en brann i et gitt bygg vil utvikle seg. De gir likevel viktig kunnskap som kan benyttes i brannprosjekteringen av bygninger med krysslimte treelementer, sier SINTEF-forsker Kathinka Leikanger, som sitter i senterledelsen i FRIC.
– Forskningen på brannutvikling i bygninger med store trekonstruksjoner fortsetter i FRIC, blant annet med en ny doktorgradskandidat på plass ved NTNU. Vi skal blant annet se nærmere på hvordan endringer i ventilasjonsforholdene påvirker utviklingen, og om småskalaforsøk kan oppskaleres, forteller hun.
Referanser:
A.S. Bøe: Experimental investigations on fire performance of the engineered wood products cross-laminated timber and I-joists. Doktoravhandling 2024:135, Norwegian University of Science and Technology (NTNU). https://ntnuopen.ntnu.no/ntnu-xmlui/handle/11250/3125216
A.S. Bøe, K.L. Friquin, D. Brandon, A. Steen-Hansen, I.S. Ertesvåg: Fire spread in a large compartment with exposed cross-laminated timber and open ventilation conditions: #FRIC-01 - exposed ceiling. Fire Safety Journal (2023), Artikkel 103869. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2023.103869
A.S. Bøe, K.L. Friquin, D. Brandon, A. Steen-Hansen, I.S. Ertesvåg: Fire spread in a large compartment with exposed cross-laminated timber and open ventilation conditions: #FRIC-02 - exposed wall and ceiling. Fire Safety Journal (2023), Artikkel 103986. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2023.103986
