Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

Holz erlebt eine stille, aber kraftvolle Rückkehr in die Skylines moderner Städte. Jahrzehntelang bevorzugte die Bauindustrie Stahl und Beton – Materialien, die nicht brennen, während Holz auf kleinere Strukturen beschränkt blieb. Heute jedoch wenden sich Ingenieure zunehmend dem Brettschichtholz (Mass Timber) zu, einem Material, das durch das Schichten massiver Holzpaneele entsteht, um Balken und Wände zu schaffen, die stark genug sind, um hohe Gebäude zu stützen. Dieser Wandel wird durch den Wunsch vorangetrieben, den CO2-Fußabdruck des Bauwesens zu senken, da Holz Kohlenstoff speichert, anstatt ihn während der Produktion auszustoßen. Doch eine grundlegende Frage bleibt: Wenn ein Gebäude aus Holz Feuer fängt, wie verhält es sich? Im Gegensatz zu Stahl, der sich bei Hitze schwächt, brennt Holz auf eine vorhersehbare Weise, indem es eine verkohlte Schicht auf seiner Oberfläche bildet, die den inneren Kern isolieren und die Struktur über lange Zeit stabil halten kann. Die Herausforderung für Sicherheitsregulierer besteht darin, genau zu bestimmen, wie viel dieses Holzes der Luft im Raum ausgesetzt bleiben darf, ohne die Sicherheit der Menschen im Inneren oder der umliegenden Gebäude zu gefährden.

Ein Team von Forschern aus Frankreich, Kanada und Schweden hat diese Frage angegangen, indem sie einen neuen Weg zur Berechnung der Brandsicherheit für diese Holzstrukturen entwickelt haben. Anstatt sich auf starre „Einheitsregeln“ zu verlassen, die oft eine vollständige Abdeckung des Holzes mit feuerfestem Putz erfordern, nutzten sie eine Computersimulation, um tausende verschiedene Feuerszenarien zu modellieren. Sie betrachteten das Feuer nicht als ein einzelnes Ereignis, sondern als ein zufälliges Vorkommnis, das von vielen Variablen abhängt: wie viel Mobiliar und Papier sich im Raum befinden, wie groß die Fenster sind, ob die Feuerwehr schnell eintrifft und wie viel des Holzes unbedeckt bleibt versus bedeckt ist. Durch das wiederholte Durchspielen dieser Simulationen konnten sie die statistische Wahrscheinlichkeit berechnen, mit der ein Gebäude ein Feuer übersteht, ohne einzustürzen oder Flammen nach außen zu übertragen. Ihre Arbeit konzentriert sich speziell auf Bürogebäude, einen gängigen Gebäudetyp, bei dem das Gleichgewicht zwischen Sicherheit und dem Wunsch nach ästhetisch freiliegendem Holz am stärksten debattiert wird.

Die Forscher entwickelten ein digitales Werkzeug, das die Physik eines Feuers in einem Raum nachbildet. Sie begannen mit der Erkenntnis, dass Feuer unvorhersehbar ist. In ihren Simulationen variierten sie die Menge des Brennstoffs, die Größe des Raumes und die Zeit, die es bis zum Eintreffen der Feuerwehr dauert. Sie berücksichtigten auch das einzigartige Verhalten von Massivholz. Wenn Holz brennt, verkohlt es, und diese Kohleschicht wirkt wie ein Schutzschild. Wenn das Holz jedoch mit Schutzplatten wie Gipskarton bedeckt ist, kann dieser Schutz versagen, wenn die Platten durch die Hitze abfallen. Das Modell des Teams verfolgt dies sorgfältig und berechnet, wann die Schutzschicht versagen könnte und wie viel das freigelegte Holz dann zur Intensität des Feuers beitragen würde. Sie bezogen auch die Rolle von Sprinkleranlagen ein, die das Feuer kontrollieren können, bevor es zu groß wird, sowie das Handeln der Feuerwehr, deren Fähigkeit, ein Feuer zu löschen, abnimmt, je heißer und intensiver das Feuer wird.

Um ihre Methode zu testen, wandten die Forscher sie auf ein Standard-Bürocompartiment an. Sie führten 15.000 separate Simulationen für jedes Szenario durch – im Grunde bat sie den Computer, sich 15.000 verschiedene Brände vorzustellen, die während der Lebensdauer des Gebäudes in diesem Raum stattfinden könnten. Sie legten ein strenges Sicherheitsziel fest: Die Wahrscheinlichkeit, dass das Gebäude versagt, muss unter einem spezifischen Schwellenwert liegen, der als akzeptabel für die öffentliche Sicherheit gilt. Dieser Schwellenwert entspricht einem Sicherheitsniveau, das in ganz Europa für Gebäude gilt, in denen sich Menschen versammeln. Sie testeten drei verschiedene Ebenen der strukturellen Feuerbeständigkeit, die darstellen, wie lange das Gebäude während eines Brandes stehen bleiben muss: 60 Minuten, 90 Minuten und 120 Minuten. Für jede Ebene testeten sie unterschiedliche Anteile an freiliegendem Holz, die von 30 Prozent bis 90 Prozent der Wandfläche reichten, sowohl mit als auch ohne Sprinkler.

Die Ergebnisse boten den Planern einen klaren Weg. Für Gebäude, die eine 60-minütige Feuerbeständigkeit erfordern, zeigten die Simulationen, dass es sicher war, 30 Prozent der Wandfläche als freiliegendes Holz zu lassen, selbst ohne Sprinkler. Wenn Sprinkler hinzugefügt wurden, konnte dieser Prozentsatz auf 60 Prozent erhöht werden. Für Gebäude, die 90 Minuten Beständigkeit erfordern, stieg die Grenze für freiliegendes Holz auf 60 Prozent ohne Sprinkler und 75 Prozent mit ihnen. Der komplexeste Fall war die 120-Minuten-Anforderung, die typisch für sehr hohe Gebäude ist. Hier fanden die Forscher heraus, dass es sicher war, 75 Prozent der Wandfläche freizulegen, sofern Sprinkler vorhanden waren. Ohne Sprinkler wurde das Risiko, dass das Feuer auf das Gebäude übergreift, zu einem Problem, aber mit Sprinklern hielt das System den Sicherheitszielen stand.

Ein entscheidender Befund der Studie war, dass das Risiko eines Brandüberschlags auf benachbarte Gebäude oder die Außenseite des Gebäudes generell gering war, sofern die Menge des freiliegenden Holzes innerhalb dieser berechneten Grenzen blieb. In den Simulationen für die höchsten Gebäude erreichte die Strahlungswärme von den Fenstern gelegentlich ein Niveau, das benachbarte Strukturen entzünden konnte, aber dies geschah nur in extremen, seltenen Szenarien, in denen das Feuer außergewöhnlich groß war und die Sprinkler es nicht kontrollieren konnten. Als die Forscher den Abstand auf die realistischeren 15 Meter für hohe Gebäude anpassten, sank das Risiko auf ein akzeptables Niveau. Dies deutet darauf hin, dass die derzeitigen strengen Regeln, die oft verlangen, dass das gesamte Holz abgedeckt sein muss, möglicherweise unnötig konservativ sind. Die Studie zeigt, dass Hochhäuser aus Holz mit der richtigen Kombination aus Sprinklern und einem berechneten Anteil an freiliegendem Holz dieselben hohen Sicherheitsstandards erfüllen können wie traditionelle Strukturen.

Die Forscher betonten vorsorglich, dass ihre Arbeit auf Computermodellen basiert und nicht auf physischen Brandtests in jedem einzelnen Szenario. Sie validierten ihr Werkzeug anhand von 54 realen Feuerexperimenten aus der ganzen Welt, und die Computervorhersagen stimmten eng mit den realen Ergebnissen überein, wobei sie oft auf der sicheren Seite blieben. Dies gibt Vertrauen in ihre Ergebnisse, aber sie identifizierten auch Bereiche für zukünftige Verbesserungen. Beispielsweise merkten sie an, dass das Verhalten der Schutzplatten und die Art und Weise, wie Wärme während der Abkühlphase eines Feuers durch das Holz fließt, noch präziser modelliert werden könnten. Sie schlugen auch vor, dass zukünftige Regeln Faktoren wie Windgeschwindigkeit und den spezifischen Ort des Feuers innerhalb eines Gebäudes berücksichtigen sollten, da diese beeinflussen können, wie schnell die Feuerwehr eingreifen kann.

Letztlich bietet diese Studie eine wissenschaftliche Grundlage für einen flexibleren Umgang mit dem Bauen mit Holz. Sie zeigt, dass Sicherheit nicht bedeutet, das Material zu verstecken, sondern zu verstehen, wie es unter Belastung reagiert. Durch die Nutzung probabilistischer Methoden können Ingenieure nun Gebäude entwerfen, die mehr des schönen, nachhaltigen Holzes zeigen und dennoch garantieren, dass die Struktur nicht versagt und das Feuer nicht übergreift. Die Arbeit legt nahe, dass es für Bürogebäude möglich ist, einen erheblichen Teil der Holzfassaden und -decken freizulegen, solange aktive Sicherheitsmaßnahmen wie Sprinkler vorhanden sind und das Design den spezifischen, berechneten Grenzen folgt. Dies öffnet die Tür für Architekten, Räume zu gestalten, die sich wärmer und natürlicher anfühlen, ohne die strengen Sicherheitsstandards zu opfern, die die Öffentlichkeit schützen.