AIR INFLATED ROOFSYSTEM

AIR INFLATED ROOFSYSTEM A system inspired by the drops and molecular growsystem of water Tim Veldhuis 18-06-2011

Voorwoord Dit onderzoeksrapport gaat over een te ontwikkelen product voor een dak van een zwemparadijs. Genaamd het ‘lucht opblaasbaar dak-systeem’. Dit onderzoek is gedaan voor de mastertrack Bouwtechnologie ‘Green Product Design’ van de Faculteit bouwkunde van de Technische Universiteit Delft. Deze mastertrack is een extra specialisatie en verdieping van de mastertrack Architectural Engineering. De onderzoeksvragen zijn geformuleerd in de aanleiding van problemen die ontstaan wanneer er vanuit de architectuur een complexe productontwerpopgave ontstaat. De uitkomsten van dit rapport zullen een belangrijke rol spelen in de verdere ontwikkeling van het dakontwerp van zwemparadijs waarin dit systeem toegepast wordt.

Voor dit onderzoek wil ik onder andere graag bedanken; Dr.ir. Arjan van Timmeren, Ir. Ype .J. Cuperus en Ir. Rienk de Vries (Buitink Technology).

Samenvatting Er is een zwemparadijs ontworpen, waarop een transparante overkapping gemaakt moet worden. Er is door de architect een vrije structuur van dragende ondersteunende punten bedacht waarover een transparant- en vrij-gevormd daksysteem ontworpen moet worden. Dit onderzoek laat een totaalproces van een productontwerp zien. Er zijn bepaalde eisen gesteld door de architect en er zijn randvoorwaarden van de productontwikkelaar. Deze studie begint met een inventarisatie naar verschillende materialen en mogelijkheden hiervan. Uit deze inventarisatie is een conceptueel idee ontstaan van een opblaasbaar dubbel gekromd dakelement. Vanuit dit concept zijn materiaal, constructie, bouwfysica, energie en licht in afzonderlijk onderzocht. Dit heeft geleid tot een algeheel productontwerp van een schakelbaar element wat over de dragende punten gemaakt kan worden. Het algehele ontwerp is uiteindelijk weer uiteengerafeld om alle afzonderlijke onderdelen dieper te onderzoeken. Er is voor de constructie bijvoorbeeld bestudeerd hoeveel overspanning mogelijk is. Voor de bouwfysica berekend hoeveel energie er opgewekt kan worden en voor het licht het effect op het gebouwontwerp. Tevens zijn er verschillende modellen en prototypes gemaakt en geanalyseerd om een beter beeld van het werkelijke effect ter beschouwing te nemen. Ten slotte heeft dit alles geleid tot een toepasbaar product wat als systeem toegepast wordt voor het zwemparadijs.

Inhoud Inleiding

02

Opdracht

03

opgave 03, werkmethodiek 04, randvoorwaarden 05

Vooronderzoek Conceptuele mogelijkheden 7, Conceptkeuze 9, ETFE 10, Referenties 11, Ontwerpcriteria 14

Conceptueel ontwerp Mechanisch ontwerp 16, Bouwfysisch ontwerp 17, Vormtechnische studie 18, structuur 21, licht 27, energie 31, koppeling van elementen 33, assemblage 35

Product ontwerp Product ontwerp 36, Constructief ontwerp 37, Kederprofiel 50, Materiaalonderzoek 55 Productie 59, Opbouw element 65, Fysisch ontwerp 68, Daglicht 69, Klimaatontwerp 74, Knopen 82

Conclusie Praktiche conclusie 86, Theoretische conclusie 87, Ontwerp veranderingen 88

Literatuurlijst

07 16 36 86 92

01

Inleiding Dit verslag beschrijft het proces van de productontwikkeling van een ontworpen daksysteem. De opdracht voor ontwikkeling van zo’n systeem is voortgekomen door een ontwerpbureau te Delft. Er is namelijk een zwemparadijs ontworpen (zoals beschreven in deel 1) waarbij speciale randvoorwaarden gesteld zijn voor het ontwerp. Er is voor de productontwikkeling uitgegaan van een ontworpen zwemparadijs. Hiervoor heeft de architect de gehele technische uitwerking en studie van het dak uitbesteed aan dit productontwikkelingsbedrijf. Het rapport zal een uitgebreide beschrijving geven van het gehele proces. Beginnend met de gestelde randvoorwaarden die de architect aan dit ontwerp gesteld heeft tot en met de gedetailleerde en technische uitwerking. Tevens zal er een terugkoppeling naar het ontwerp gedaan worden. Hierbij zullen de technische ontwikkelingen en keuze mogelijkheden het dakontwerp kunnen beïnvloeden.

02

Opgave Er is voor Spaarnwoude een zwemparadijs ontworpen. Dit zwembad bestaat uit een op koraal geïnspireerde vertakkende constructie. Over deze constructie wordt een vrij-gevormd en golvend dak gemaakt wat geïnspireerd is op water. Dit alles om de bezoeker het gevoel te geven zich in een onderwater wereld te begeven. Het ontwerp zit nog in een vroeg ontwerpstadium, waardoor er nog aanpassingen gedaan kunnen worden. Vanuit dit ontwerp is er een opdracht tot stand gekomen om een product te ontwikkelen waarmee dit dak gemaakt zou kunnen worden. De randvoorwaarden die de architect gesteld heeft zullen op de volgende pagina toegelicht worden.

De werkwijze van productontwikkeling. Het ontwerpen begint met een analyse van verschillende bestaande systemen. Er wordt vanuit een bepaalde stroming een nieuw concept ontwikkeld passend bij de diverse gestelde randvoorwaarden. Daarna volgt er een technisch proces bestaande uit het maken van modellen, prototypes en tekeningen. Het uiteindelijke productontwerp wordt getoetst aan het gebouwontwerp en vervolgens doorontwikkeld middels berekeningen en werktekeningen.

Visie in bedrijfsvoering De verkregen opdrachten worden door de productontwikkelaar behandeld als een totaalproduct wat naar ontwikkeling tevens aangeboden wordt als product voor bredere toepasbaarheid. Zo kan dit product in een later stadium toepasbaar worden voor soortgelijke type daken. Verdere uitgangspunten die er vanuit de productontwikkeling gesteld worden:

03

- Brede toepasbaarheid: Een systeem ontwikkelen inzetbaar bij diverse ontwerpopgaven met een combinatie van complexe dakvormen en transparantie. - Simpelheid: Beperkte hoeveelheid onderdelen en materialen, eenvoudig maak- en te monteren - Technisch: Water- en luchtdicht, brandveilig en draagkrachtig - Systematiek: Het ontwikkelen van een logisch systeem - Innovatie: Inspelen op de innovatieve markt van lichtgewicht materialen

Werkmethodiek Productontwerp vraagt om een structurele manier van werken. Er is een brede vraag van de architect, een kort tijdsbestek en een eigen wil om een product te ontwerpen wat bredere mogelijkheden moet kennen dan alleen deze opgave. De lastigste opgave is de integratie van, constructiemateriaal-, licht- en klimaatontwerp. Deze onderdelen moeten allen afzonderlijk bestudeerd worden. Alle uitkomsten, mogelijkheden en beperkingen worden met elkaar verweven in een nieuw product. Daarom heeft dit bedrijf voor dergelijke opgaven als deze een systeem ontwikkeld wat keer op keer bij elke nieuwe opgave en voor elk nieuwe te ontwikkelen product gebruikt wordt.

en beperkingen zijn. Mochten alle keuzes passen in het productontwerp dan is er een studie of het onderzochte onderdeel afgestemd kan worden op de andere ontwerponderdelen en past in het algehele product. Als dit zo is dan wordt het getoetst en toegepast voor het dak van het desbetreffende gebouw waarvoor dit product gemaakt wordt. Het voordeel van deze werkwijze is dat er een op zichzelf staand product ontwikkeld wordt. Dit kan tevens voor andere opgaven toegepast worden en tegelijk bruikbaar zijn voor de desbetreffende opgave.

Een studie begint met een onderzoek naar wat er gevraagd wordt. In dit geval is er al een beeld meegegeven van wat de architect voor zich ziet. Toch begint dit bedrijf met een eigen bredere kijk naar verschillende mogelijkheden. Dit voornamelijk omdat andere opties soms geschikter zijn of beter passen bij een te ontwikkelen product. Er wordt een keuze gemaakt en er volgt een doorontwikkeling tot een concept. Waarbij elk afzonderlijk onderdeel (constructie, materiaal, fysica etc.) al globaal bestudeerd zijn. Na deze voorstudie begint het echte productontwerp. Er volgt constant een routine van vorm naar de werking en een analyse. Er wordt iets bedacht in een bepaald onderdeel (bijv. constructie). Dit wordt eerst getoetst aan de wensen van de architect, hierna wordt bepaald met advies hoe het kan werken. En dan een analyse van wat de mogelijkheden

04

Randvoorwaarden

RANDVOORWAARDEN

De ontwerper heeft zich voor zijn dakontwerp laten inspireren door water. De ontwerper wil dat water een heldere afleesbaarheid krijgt in zijn dakontwerp. Er zijn door de ontwerper van het zwemparadijs diverse technische en architectonische randvoorwaarden gesteld.

Vorm: Vrij gevormd, dubbel gekromde dakvlakken. Hellingshoek variërend tussen 0 - 60

Uitstraling: Waterachtig effect door: Transparantie liefst in verschillende gradaties Structuur van bubbels eventueel in diverse grootten. 0

Licht: De mogelijkheid te variëren in verschillende lichtgradaties, zodat er gespeeld kan worden met hoeveelheden lichtinval. 0

De hierdoor ontstane problematiek heeft te maken met het ontwikkelen van een enerzijds algemeen toepasbaar systeem. Wat voor het voorgestelde gebouwontwerp een waterachtig effect dient te gaan krijgen. Voor toekomstige andere projecten kan een zelfde systeem een ander architectonisch effect gaan geven. Dus eigenlijk ontstaat hierdoor het doel om een architectonisch neutraal systeem te ontwikkelen met dusdanige optionele mogelijkheden. Zodat het product voor dit zwemparadijs een watereffect uit kan stralen. De architect heeft zelf een eigen idee mee gegeven wat op de volgende pagina te zien is.

Structuur, transparantie, diepte en licht

3d bubbels en variatie

Energie en klimaattechniek: Het zwembad heeft een binnentemperatuur van 30 . Het dak moet zoveel mogelijk warmte binnenhouden. Als uitgangspunt zal er minstens HR++ beglazing geëvenaard moeten worden. Het dak zal energie moeten kunnen besparen. Bijvoorbeeld door warmteterugwinning of andere mogelijkheden. Lichtdoorlaat: Van binnenuit een troebel doorzichtig effect, zoals het kijken door water. Constructief: De architect heeft de opdracht gegeven de door hem ontworpen dragende punten te herstructureren op basis van de verdere ontwikkelingen en eisen die dit te ontwerpen systeem teweeg zullen brengen.

Waterbubbels

05

De architect heeft een concept bedacht om een membraan op te spannen over een serie ondersteunende punten. Zijn doel is een membraan over deze punten te spannen zodat er een groot transparant dakvlak gecreëerd kan worden.

Een stervormig ondersteunend punt waarop een meerlaags dakvlak van membranen gemonteerd is.

06

Het voorlopige zwembadontwerp. De gele structuur van takken en de structuur van stervormige ondersteunende punten voor het membraan.

Conceptuele mogelijkheden De architect heeft een eigen idee gegeven en aangegeven wat er gemaakt moet worden. Deze studie begint toch met een korte inventarisatie van mogelijkheden om een breder beeld te genereren. Er zijn diverse conceptuele richtingen om vanuit de gestelde eisen en randvoorwaarden in te slaan. Er bestaan verschillende folies en textielen met specifieke eigenschappen. Ook kan er gekozen worden voor glas. Er is eerst een globale inventarisatie gedaan naar welke mogelijkheden er zijn. Voor dit rapport zullen alleen de globale kenmerken omschreven worden: -

-

Glas: Glas wordt vaak toegepast als materiaal om een zwembadoverkapping of gevel te dichten. Het kent vele voordelen; de isolerende eigenschappen, transparantie, duurzaam en goed te verwerken. Nadelen zijn het gewicht, en de relatief kleine mogelijke overspanning. PVC gecoat polyester: PVC / polyester stoffen worden gebruikt als structurele membranen. Membranen gemaakt van PVC / polyester stoffen worden meestal gekozen voor daken met eisen zoals te openen daken, dakbedekking voor gesloten gebouwen alsmede intrekbare membranen. De eigenschappen van het materiaal worden voortdurend geoptimaliseerd. De duurzaamheid van dit soort materiaal is ongeveer 15 - 20 jaar. Gunstige eigenschappen zijn; het is vlamdovend, opvouwbaar en translucent. Er bestaat ongecoat PVC wat transparant is, maar deze folie is minder sterk. (bron: Skyshades, http://www.skyshades.com/pvc_ptfe.php).

-

-

PTFE gecoate glasvezel: PTFE is ook een textiele folie welke eigenlijk alle eigenschappen van PVC, maar sterker en brandveiliger is. Het nadeel van PTFE is dat het niet transparant is. Ook is PTFE duurzamer, met een levensverwachting van 35jaar. (http://www.skyshades.com/pvc_ptfe.php). ETFE folie: Is een zeer lichtgewicht membraan. Het kan als gespannen membraan of in kussenvorm toegepast worden. Het kent zeer gunstige eigenschappen voor onder andere treksterkte en isolerend vermogen. Het grote voordeel van ETFE is de hoge transparantie van 95% LTA per folie.

In de onderstaande tabel (bron: Buitink Technology), zijn alle eigenschappen kort samengevat. Er kan gezien worden, dat ETFE het meest transparant is. Daarnaast valt op dat alle materialen dikker en elastischer zijn dan ETFE. Het is wel zo dat ETFE folie de minste treksterkte op kan nemen. Op de volgende pagina zullen voorbeelden gegeven worden.

07

Geheel opblaasbaar systeem (Pneus): Opblaasbare overkappingen zijn uitermate geschikt voor bijvoorbeeld tijdelijke overkappingen. Te zien als bijvoorbeeld een overkapping van tennisbanen. De overkapping kan opgevouwen en opgeslagen worden. Materiaal is PTFE of PVC. Omdat dit gemakkelijk te bewerken, op te vouwen en een zekere elasticiteit heeft. Nadeel hiervan is de duurzaam heid van dergelijke systemen. Glazen overkapping: Glas als dak beplating is voor een groot aantal zwemparadijzen toegepast. Dit komt door de gunstige isolerende werking en de hoge mate van transparantie. De glazen platen worden in een frame van bijvoorbeeld houten of aluminium profielen geplaatst of er ` kan gekozen worden voor bijvoorbeeld een spidersysteem.

Net systeem + polyester beplating: Frei Otto heeft een systeem ontwikkeld waarin een combinatie van een gespannen net en membraanstructuren de overkapping vormen. Over het net zijn gemoduleerde polyester elementen aangebracht ter bekleding van het dak. Het Olympisch stadion te München is één van de grootste voorbeelden van een dergelijke overkapping. Frei Otto heeft een grote rol gespeeld in de ontwikkeling van lichtgewicht en organische architectuur. Gespannen Membranen: Onder trek gespannen membranen is een ontwikkeling van de laatste jaren. Er wordt een membraan van PVC coated polyester of PTFE. Kenmerkend is dat deze materialen, sterk, rekbaar maar ook wit zijn. Dit soort overkappingen worden veel enkellaags toegepast als overkapping van open ruimten. Maar het is ook mogelijk om bijvoorbeeld minerale wol tussen twee membranen aan te brengen, zodat een geïsoleerde variant ontstaat.

Voordeel: -Geen verdere constructie nodig. Geschikt als tijdelijke Overkapping. Nadeel: -Materiaal moet zekere rek en elasticiteit hebben. -Transparante materialen zijn alleen elastisch bij lage treksterkten welke onvoldoende zijn om druk op te nemen. -Brandveiligheid, duurzaamheid en geluid -Synclastische dakvormen. -Permanente luchtdruk nodig. Voordeel: Transparantie Isolatiewaarde Degelijk Nadeel: Vlakke platen (dubbel gekromd ook bestaat ook maar is duur.) Glas is zwaar. Voordeel: Geen luchtdruk nodig. Lichtgewicht, een dragend net ipv. Frame. Nadeel: -Hoge extra drukbogen of punten nodig of dakhellingen vanaf 60 graden om te kunnen weren tegen water en sneeuwval. -Dit betekend dat er vormtechnisch veel verloren gaat qua mogelijkheid. Alleen non-transparant op dit moment in folies. Voordeel: - Sterke materialen. Deze textiele folies zijn op te spannen Waardoor hele grote overspanningen zonder onderconstructie mogelijk zijn. Nadeel: -Niet transparant.

Voordeel: Luchtkussens: Het EDEN project, het olympisch zwembad in Beijing en de Allianz Arena te Munchen zijn grote voorbeelden waarin het dak opgetrokken is uit luchtkussens. Lichtgewicht, transparantie en isolerende werking maken dit een uitstekend toepasbare dakbedekking. ETFE is het materiaal wat gebruikt wordt. ETFE kussens worden aan de randen vastgezet op frames met klemprofielen. Een groot voordeel is dat ETFE brandveilig is.

Transparantie Grootte overspanningen mogelijk. Lichtgewicht. Nadeel:

08

Grootte kussens die allen hun eigen bolle vorm hebben. Grid van profielen Kussens tussen profielen op zich zelf niet dubbel gekromd. Qua isolatie is er een onbalans tussen de randen en het midden door het verschil in dikte.

Concept-keuze De mogelijkheden en beperkingen van verschillende materialen en daktypen zijn uiteengezet. Het doel van dit te ontwikkelen product is het maken van een lichtgewicht, transparant element wat als een soort gevormd zijl over alvorens gefixeerde punten heen gelegd kan worden. Dit betekent eigenlijk dat ETFE het meest geschikte materiaal is om toe te passen. ETFE is lichtgewichtig, transparant en niet minder belangrijk zeer brandveilig. Door het lichte gewicht ten opzichte van glas kan er ingespeeld worden op de innovaties binnen lichtgewichte constructie methoden. In de volgende paragraaf zal meer informatie omtrent het materiaal ETFE gegeven worden + een tweetal bestudeerde projecten.

Gespannen membranen

Concept: Een dubbel te krommen paneel op basis van ETFE. Dit element kan over de alvorens aangebrachte punten gemonteerd en gefixeerd worden. Een matras of aquaball is een opblaasbaar voorbeeld van een dergelijk systeem. Een aquaball is opblaasbaar, bestaat uit twee lagen transparante PVC folie (omdat het opgevouwen moet worden) met hiertussen afstandhouders.

Opgespannen membraan in een tent van Frei Otto

De aquaball

09

ETFE ETFE is een transparante folie. ETFE wordt vaak gebruikt als enkellaags gespannen membraan toegepast in een opgeblazen kussen vorm. ETFE (Ethyl Tetra Fluor Ethylenene) is een polymeer. Een gefluoriseerde ketting van chloride fluoride methaan bij een temperatuur van 700⁰C. ETFE is voornamelijk geschikt om zijn gunstige eigenschappen; ETFE is een relatief sterke folie, duurzaam (>30 jaar), ETFE is heel transparant (LTA 95%), makkelijk te repareren en ETFE is heel brandveilig. Er zijn ook nadelen namelijk; het is niet hufterproof tegen inbraak, het houdt geen UV straling tegen, het geeft een lichte blauwe gloed en is niet op te vouwen (omdat de vouwlijnen zichtbaar blijven). De eerste toepassingen van ETFE folie in de bouw hebben zo’n tien jaar na het op de markt brengen van het ETFE polymeer in 1973, plaatsgevonden in de vorm van kussenconstructies: twee lagen folie, aan de randen ingeklemd en opgespannen doormiddel van lucht die ertussen wordt geblazen. Dit opblazen kussen zorgt niet alleen voor het op spanning brengen van de folie maar ook voor een betere isolatiewaarde dan die van andere transparante bouwmaterialen zoals glas. Bovendien is het gewicht van de folie verwaarloosbaar. Met de opkomst van textiele, lichtgewicht en vrij gevormde architectuur (zoals blobs) is ook ETFE in brede belangstelling komen te staan. ETFE folie biedt vele mogelijkheden in vormgeving en kan zowel enkellaags als in kussenvorm worden toegepast voor zowel gevels als dakconstructies van gebouwen. De kussens kunnen afhankelijk van de fysische wensen van twee tot vier membranen per kussen opgebouwd worden. De ETFE membranen worden tussen klemprofielen geklemd.

De opgeblazen kussens worden opgeblazen van 200Pa tot 750Pa met een kleine pomp afhankelijk van de wind- en sneeuwcondities. Ook voor een hoeveelheid aan interieurtoepassingen vind de folie echter zijn weg. Voornamelijk toegepaste foliediktes bedragen 100μm, 150μm, 200μm, hoewel 50μm en 250μm ook verkrijgbaar zijn (Bron: Informatiefolder Buitink Technology).

ETFE kussen (bron: Buitink Technology)

10

Referenties De volgende twee studies van referenties komen mede voort uit een gedaan onderzoek door Sander van Merode, TUDelft. Voor nog meer informatie over ETFE kussens kunt u zijn rapport genaamd Klimaatbeheersing en daglichttoetreding van maximaal transparante plastic constructies met grote overspanningen raadplegen.

groei waardoor de schaduwvlakken, en dus de constructie, geminimaliseerd moest worden (LeCuyver, 2008). Met de ETFE folie technieken waren overspanningen tot 11 meter mogelijk, waarbij een stalen hex-tri-hex constructie van 193mm diameter mogelijk was.

The Eden project Het mega project wat in de lente van 2001 opende in Cornwall, England. Het Eden Project is een van de grootste millennium acties van Groot Brittannië. Het 125 miljoen euro kostende project beslaat 15 hectare en is onderverdeeld in verschillende klimaatzones die overdekt worden door een MERO space-frame systeem met ETFE folie kussens. Er worden voornamelijk planten in de domes tentoongesteld Het klimaat binnen dit gebouw loopt van subtropisch voor planten uit West Afrika, Maleisië en Azië, tot een droog warm klimaat zoals in California of de Mediterrane gebieden, welke minder warm en vochtig is dan de subtropische delen. Om dit klimaat te kunnen realiseren zijn ETFE folies toegepast op een space-frame. Vanwege het gebruik van ETFE folie kunnen grote overspanningen bereikt worden waardoor er maximaal daglichttoetreding en transparantie is. Deze maximale transparantie voor daglichttoetreding was belangrijk voor de plantframe van ETFE kussen Eden Project (LeCuyer, 2008)

11

Klimaatbeheersing en daglichttoetreding van maximaal transparante plastic constructies met grote overspanningen. Voor de ETFE folies die toegepast zijn binnen de lichte constructie, zijn 3 laags opgeblazen kussens gebruikt. Beide compartimenten zijn aangesloten op een luchtsysteem om de luchtkussens onder spanning te houden. Deze kussens zorgen ervoor dat het ETFE folie onder spanning komt te staan, waardoor de oneffenheden in het folie strak worden getrokken waardoor een zeer transparant geheel ontstaat. De luchtlaag tussen de drie lagen ETFE folie zorgt ook voor een hogere U-waarde van 2,7 w/m2K (Robinson, 2004) waardoor de warmte die door radiatie binnenkomt (ZTA = 0,95) binnenblijft. Vanwege de dome-structuur waren de kritieke lasten op het ETFE folie negatieve windlasten die op de buitenste laag van de folie werken. Deze kunnen tegengegaan worden door de dikte van het folie te vergroten. Bij folies dikker dan 250 micron wordt de ETFE broos. Vandaar dat in het Eden Project de buitenste ETFE laag eigenlijk twee vacuüm op elkaar getrokken ETFE layers zijn. Deze vangen samen de negatieve windkracht op. De folies kunnen opgeblazen worden van 250 Pa tot 400 Pa, waardoor de folies de ʻsnow-loadʼ op kunnen vangen (LeCuyver, 2008).

Eden project (bron: www.edenproject.com)

National aquatics Center, Beijing, China Het gebouw voor het Olympisch zwembad voor de Olympische spelen van 2008 is ontworpen door PTW en CSCEC Shenzen Design Institute. Het bijzondere aan dit gebouw is dat het gebouw een vrij overspanning heeft van 177 meter in twee richtingen. Om deze overspanningen te kunnen maken zijn muren van 3,6 meter dik geconstrueerd en een dakpakket van 7,2 meter dik (LeCuyer, 2008). Dit pakket wordt afgeschermd door ETFE folie aan de binnen- en buitenkant. Door dit translucente ETFE folie is de zeer gecompliceerde constructie goed zichtbaar. Door deze constructie in combinatie met het ETFE folie wordt een zogenaamde zeepbelconstructie gevormd. Door het slimme ontwerp lijkt de vorm van de gevelbekleding totaal willekeurig, terwijl er 13 vormen voor het dak en 7 vormen voor de gevel gebruikt zijn welke zich herhalen in een grid van 20 x 40 meter. Om het willekeurige effect groter te maken zijn verschillende soorten folies gebruikt in verschillende kleuren, met verschillen prints en verschillende diktes. In dit opzicht heeft de ETFE folie een zeer visuele toepassing gekregen en is het een goed voorbeeld van de verschillende coatings- en bedrukkingsmogelijkheden.

Olympic Watercube (bron: en.beijing2008.cn)

12

De structuur binnen deze zeepbellen is gemaakt van stalen elementen gelast op ronde verbindingselementen. Deze structuur zal alle belastingen door dit dikke pakket naar de grond afvoeren. Deze structuur houdt goed rekening met mogelijke aardbevingen die regelmatig voorkomen in dit gebied. Ook het effect van verlenging of verkorting van de structuur bij temperatuurverschillen wordt opgevangen in de structuur. Hier heeft de ETFE bekleding een gunstige rol. Bij het vervormen van de structuur zal de ETFE folie mee vervormen, waardoor geen flinke marges gemaakt moeten worden. Iets wat wel het geval zou zijn wanneer dit gebouw in glas uitgevoerd zou worden. Verder heeft de ETFE folie een interactieve rol in dit ontwerp. Tussen de grote ruimtes die tussen de ETFE zeepbellen ontstaan, zijn LED lampen aangebracht. Op deze manier kunnen deze LED lampen aan en uitgezet worden in verschillende kleuren. Zo zal de uitstraling van het gebouw altijd anders zijn. De uitstekende LTA en ZTA waarden van ETFE folie worden in dit project gebruikt om de binnenvallende radiatie op de vangen. Met deze radiatie wordt zowel het zwembadwater als het leidingwater verwarmd. Deze benutting van het binnenvallende licht reduceert de verwarmingskosten van het gebouw met ruim 30 procent (LeCuyer). Om het gebouw niet te warm te laten worden, zal in gemiddelde temperaturen de buitenlucht langs kieren het gebouw betreden, waarna het in het dikke gevelpakket opgewarmd wordt. Deze lucht wordt in de zwembadzalen toegevoegd. Op warme dagen, wordt de binnenste huid afgesloten. De inkomende lucht via de buitenste huid wordt afgekoeld door omliggend water rondom het gebouwd. Deze koele lucht zal het hele gevelpakket koel houden, waarna de

warme lucht aan de bovenkant het gebouw d.m.v. te openen kleppen afgevoerd wordt. Het water om het gebouw heen speelt tevens een rol tegen vandalisme. Door het water kunnen mensen namelijk niet dichtbij de gevel komen.

Geventileerde lucht wordt in de gevel en het dak opgewarmd door de zon (blauwe pijl). Deze extra opgewarmde lucht wordt aan de warme lucht binnen toegevoegd (rode pijl). In de hete zomer kan alle lucht die door de zon opgewarmd wordt in deze spouw via kleppen in het dak afgezogen worden. (bron afbeelding: www.fma.com.au)

13

Ontwerpcriteria Weersinvloeden als water, sneeuw en wind zijn veranderlijke belastingen die bij het ontwerpen van lichtgewicht dakconstructies cruciaal zijn. ETFE is geen stijf materiaal, maar een folie. Als er teveel druk op deze folie komt, blijft water en sneeuw liggen. Hierdoor ontstaat een zak, waar wateraccumulatie in optreedt. Hierdoor bezwijkt een dak onder druk van het gewicht. Het dak heeft hierom voldoende afschot en stijfheid nodig om zich hiertegen te verzetten. Er zijn met ETFE drie mogelijkheden (eventueel combinaties), om een dak constructief te ontwerpen:

-

-

Luchtkussens: Door kussens te maken van twee tot vier lagen kan er een constructie gemaakt worden, om tot 8m constructief te overspannen. Lucht gevulde kussens zijn mechanisch sterk genoeg om te weren tegen weersinvloeden. De dakhellingshoek blijft variabel. Wel is het zo dat bij grotere overspanningen de laagdikte van de folie toeneemt. Wanneer ETFE niet opgeblazen toegepast wordt, is er een dubbele kromming nodig om sterkte en stijfheid te verkrijgen. Hierbij wordt er een laag ETFE op spanning gebracht door een hoog punt, of boog. Het is mogelijk om het dak op te delen in een tal kleine geschakelde puntdakjes. Er zijn bij het opspannen van een enkele laag ETFE beperkingen qua segment grootte. ETFE is zonder meer minder sterk en niet rekbaar, waarbij PTFE en PVC folies deze

eigenschappen wel hebben en daardoor gunstiger om dit type dak te maken. Er is nog een ander probleem en dat is de isolerende werking. Er zijn namelijk meerdere lagen ETFE nodig om voldoende isolerende werking te verkrijgen. Een dikker pakket in de vorm van meerdere lagen ETFE, in een ontworpen systeem kan zowel isolerende als constructieve voordelen geven.

-

Een laatste ontwerpmanier om niet te hoeven opblazen en geen geschakelde segmenten te krijgen. En dat is door het gehele dak een helling van minimaal 600 te geven (minimale eis). Regen en sneeuw blijven dan niet liggen, maar valt naar beneden door de dakhelling. Deze ontwerpregel is dus alles bepalend voor de gehele architectuur van het dak, al hoeft dit natuurlijk zeker geen bezwaar te zijn.

14

De technische mogelijkheden om een basis te leggen zijn geïnventariseerd. Op basis van de volgende criteria zal er een keuze voor dit ontwerp gemaakt moeten worden, welk dak-concept toegepast wordt:

-

De constructie bestaat uit een serie dragende punten waarop het dak gemaakt zal worden. Dit betekent eigenlijk, dat de tweede mogelijkheid van een tal geschakelde punt- of boogvormige elementen direct voor de hand ligt. Maar de architect stelt hoge eisen aan de dakvorm en wil eigenlijk geen dakvorm bestaande uit allemaal geschakelde puntjes, maar een constant doorlopende golf.

-

Opgeblazen ETFE kussens in klemprofielen zouden een goede mogelijkheid kunnen zijn. Echter wordt er van ondersteunende punten uitgegaan en niet van een constructie die de klemprofielen volgt, zoals bijvoorbeeld het EDEN project. Het gebruik van ondersteunende punten kan juist een voordeel geven voor de vrije opdeling in elementen. Wat een architectonisch effect geeft dat het dak loskomt van de onderliggende constructie.

-

Het gebruik van kussens in wat voor vorm ook, heeft wel het voordeel dat overspanningen groter kunnen zijn. Hierdoor kunnen de ondersteunende punten verder uit elkaar liggen, daarmee kan er op de constructie bespaard worden. Tevens wordt hierdoor het dak beter zichtbaar van binnenuit en optimaler ontworpen qua systeem.

-

Het zwembad is qua isolerende werking nogal kritisch (dit zal nader toegelicht worden). Hierdoor kan een dak niet volstaan met 1 of 2 lagen ETFE.

-

Een dergelijk product zal een opblaasbaar element worden wat over de onderliggende constructieve punten gespannen kan worden. Het is opblaasbaar om het element verder te kunnen laten overspannen. Het element zal zich op een bepaalde manier dubbel moeten kunnen krommen. En er zal gekeken moeten worden naar een manier om elementen op een simpele wijze aan elkaar te verbinden.

15

Concept Mechanisch concept Ter inspiratie om een dergelijk product te ontwikkelen is er gekeken naar de werking van industriële producten die aansluiting geven op gevormde ideeën. ‘foliën op een bepaalde manier gevuld met lucht’, namelijk:

Bij het ijsklontzakje zijn de cellen dus geschakeld, de verbindingen tussen de cellen dienen om druk door te geven. Hiermee kan de veranderlijke drukbelasting opgenomen worden. Later zal er middels een berekening vastgesteld worden, hoeveel druk er opgenomen kan worden en wat de mogelijke overspanningen kunnen zijn.

Noppenfolie en ijsklontzakjes: Noppenfolie, is een folie met daarin ronde gesloten lucht-gevulde bellen. De noppen zijn geheel afzonderlijk van elkaar gesloten. De ruimte tussen deze noppen is flexibel en scharnierend. Een ijsklontzakje is een zakje wat normaal gesproken gevuld wordt met water. Dit kan ingevroren worden en vervolgens zijn er ijsklontjes. De bubbels die gevuld moeten worden zijn aan elkaar verbonden, zodat het water zich hiertussen kan verdelen. Het verschil tussen de cellen is dat die van het ijsklontzakje in open verbinding met elkaar staan. Bij de noppenfolie zijn ruimtes folie tussen de cellen geheel scharnierend. Hierdoor kan er geen drukbelasting worden opgenomen. Tenzij elk scharnierend punt ondersteund wordt (de werking van een normaal ETFE kussen). Het is niet mogelijk om een concept als de noppenfolie bij de scharnierpunten onder trek op te spannen, omdat het niet gaat over een enkele folie. Maar een in eerste instantie niet opgeblazen kussen, waarbij er achteraf een ruimtelijke druk gevormd wordt. De inwendige druk- en trekkrachten op het element krijgen dan een conflict met elkaar.

VS.

16

Bouwfysisch concept Nadat het mechanische concept ontworpen is, is er gekeken hoe de bouwfysische uitgangspunten zich hiertoe verhouden. Klimaat technisch is het uitgangspunt, het evenaren van HR++ beglazing. HR++ glas heeft een eigen R-waarde van 0,83m2K/W. Het doel is dat de warmte van het zwembad niet naar de buitenlucht verloren gaat, maar zoveel mogelijk binnen gehouden moet worden. Later zal nader bekeken moeten worden of er volstaan kan worden met deze voorlopig gestelde randvoorwaarden. Een ETFE kussen bestaande uit twee lagen ETFE heeft een R-waarde van slechts 0,34m2K/W. Dit betekent dat er voor dit productontwerp niet

volstaan kan worden met een dak bestaande uit een enkele laag van ETFE kussens. Er kan gekozen worden om een kussen op te bouwen uit meerdere lagen ETFE, tot een max. van vier membranen. Met vier lagen ETFE loopt de Rwaarde op tot 0,72 m2K/W, wat bijna de R-waarde van Hr++ beglazing evenaart. Voor het verdere klimaat technisch ontwerp is er gekeken naar de Watercube in Beijing, waarvan het klimaatconcept al toegelicht is. Door dit product op te bouwen uit twee lagen kussens, kan er een spouw in dit product geïntegreerd worden. Deze luchtspouw kan het resterende deel van isolatie opheffen. In deze spouw kan middels een zwakke ventilatie door de zon opgewarmde lucht teruggewonnen worden. Ook kan er dan tijdens oververhitting in de zomer middels deze spouw directe opgewarmde lucht door de zon afgezogen worden. Zodat het dak in de zomer een verkoelend effect kan geven. Hierdoor kan dit systeem voor zowel de zomer als winter een behaaglijk en stuurbaar klimaatconcept leveren. In het productontwerp zal dit concept verder getoetst en geanalyseerd worden op de bouwfysische werking.

17

Vormtechnisch concept De vrijevormgeving van het dak vormt een grote uitdaging. Het doel van dit product is een zo goed mogelijke evenaring van deze dakvorm door systematisering van dit te ontwikkelen product. Er zijn twee mogelijkheden om dit te doen. Het verschil zit in de panelen en aansluitingen. De eerste mogelijkheid is het toepassen van vlakke panelen. De panelen kunnen variëren in grootte, bijvoorbeeld op een manier dat de panelen kleiner zijn naarmate de dakvorm krommer is. Op deze manier ontstaat een gesegmenteerd dak. De aansluitingen tussen de panelen zijn dan verschillend, omdat de panelen zich constant onder een verschillende hoek ontmoeten. De tweede mogelijkheid is de panelen dubbel te laten krommen. Waarbij de aansluitingen tussen de panelen constant parallel lopen en dus hetzelfde zijn. Een paneel dubbel laten krommen kan door de onderste laag (binnenbocht) met kussens kleiner te maken dan de bovenste laag (buitenbocht). Zie verschil rood en blauw. Tussen de geschakelde kussens komen dan afstandhouders die de kussens op afstand houden. De vraag is geweest of het mogelijk zou zijn de bovenste laag met kussens dezelfde afmeting te geven als de onderste laag. Dan zouden alle kussens gelijkvormig kunnen zijn, waarbij een element simpelweg dubbel zou krommen door verschil in luchtdruk tussen beide lagen. Dit blijkt echter niet mogelijk. Er is dan bij een bolle kromming dusdanig veel materiaal (ETFE) overschot in de onderste laag, dat dit gaat plooien en eigenlijk niet op spanning gebracht kan worden.

18

Vanuit verschillende oogpunten is er een keuze gemaakt het dubbel gekromde paneel door te ontwikkelen, namelijk: Maakbaarheid: De consequenties voor verschillende aansluitingen tussen de panelen zijn dusdanig groter. Een repeterend aansluitingsprofiel kan betekent dat er bijvoorbeeld door extrusie een profiel gemaakt kan worden, waarvan zonder teveel moeite meters gemaakt kunnen worden. Verschillende aansluitingsprofielen betekent allemaal verschillende mallen en eigenlijk een puzzel van verschillende aansluitingen. ETFE is een materiaal dat juist geschikt is vanwege zijn bewerkelijkheid. ETFE sheets worden doormiddel van een laser uitgesneden en zijn vervolgens makkelijk aan elkaar te vulkaniseren of lijmen. De puzzel is dan gedeeltelijk voor de fabriek, waar erop gelet moet worden dat wel de juiste sheets op elkaar gemaakt worden. Voor de rest kunnen de grote elementen op de bouwplaats op de juiste plek neergelegd en gemonteerd worden.

Vorm: Dubbel gekromde panelen benaderen allereerst de vrije dakvorm meer. Daarnaast is het zo dat vlakke panelen altijd het probleem hebben dat als ze elkaar al in een 3D verschillende hoek ontmoeten. Niet alleen in de verticale richting verschuiven, maar dat dit ook in de horizontale richting gebeurd. Er ontstaan dus in de omtrekrichting kieren of overlappingen die ook nog eens aan elkaar trekken. Kortom een niet repeterende verbinding is haast niet te ontwerpen. En hoe groter de panelen hoe groter dit gevolg.

Constructief: Op een ETFE kussen komen horizontale spatkrachten. Met andere woorden er moet aan de kussens getrokken worden om de goede vorm te behouden. Het idee is dat de elementen aan elkaar verbonden worden, zodat ze nadat ze opgeblazen zijn aan elkaar trekken. Bij de vlakke panelen, ontstaat er een hoek tussen deze panelen. Dit betekent dat de spatkrachten niet parallel naar buiten komen en de kussens niet aan elkaar kunnen trekken. Waardoor dit constructieve aspect niet mogelijk is. Bij toepassing van dubbel gekromde elementen komen deze spatkrachten wel parallel aan elkaar naar buiten, omdat de aansluitingen ook parallel aan elkaar lopen. Dit betekent dat de elementen aan elkaar kunnen trekken.

19

Het vormen van de elementen gebeurt door verschil in grootte van de kussen onder- en bovenlaag. Als de onderlaag kleiner is dan de bovenlaag wordt de vorm van het element bol. Is de bovenlaag groter dan de onderlaag wordt de vorm van het element hol. Door te variëren in grote van de kussens t.o.v. elkaar kunnen verschillende vormen gemaakt worden. Een groot vraagstuk voor dit onderzoek is, hoe de constructieve takkenstructuur zich aan kan sluiten op een dergelijke bedachte dakstructuur van panelen. Er zijn verschillende mogelijkheden qua paneelvorm en opdeling in vlakken. De panelen moeten vervoerbaar zijn, op elkaar aan kunnen sluiten en een architectonisch watereffect is een pre. Er zijn een aantal stappen ondergaan waarbij diverse structuren ontworpen en getest zijn. Een structuur van hexagonen, rechthoekige- of driehoekige platen en een vrije structuur. Deze structuren zullen allen nader toegelicht worden in dit rapport. Deze structuren zullen direct getest worden op het gebouwontwerp waarvoor deze opdracht verleent is.

20

Voor de omtrekvorm van de panelen is onderzocht op mogelijkheden, op basis van de volgende uitgangspunten:

-

Een zo groot mogelijk paneel wat wel vervoerbaar en monteerbaar blijft. Een zekere molariteit, in de vorm van onderdelen of elementen. Een waterachtig bubbeleffect.

Modulaire hexagonen structuur Een zevental verschillende hexagonen die constant gekopieerd en gespiegeld worden. De hexagonen zijn ontworpen op een grid van driehoeken, wat de onderlegger is voor de verticale afstandhouders tussen het ETFE folie in het element. Door dit systeem zou er op basis van zeven verschillende elementen het hele dak gemaakt kunnen worden. Het zevental verschillende elementen geven een soort randomachtig bubbelwatereffect. Het doel van dit systeem is de basis constant te herhalen om een soort repetitie door het hele gebouw te krijgen. Elk paneel krijgt een stel aansluitpunten die verbonden kunnen worden aan de onderliggende dragende constructie. De hexagonale panelen zijn divers qua vorm en ca. 3,5 tot 6,5m qua afmeting om vervoer naar de bouwplaats mogelijk te houden.

21

De ontworpen hexagonale structuur van panelen is als eerste getest op het gebouw ontwerp. Belangrijk is dus eigenlijk dat de panelen eigenlijk een tertiaire structuur vormen. De constructieve structuur vormt de primaire en secundaire structuur. Deze structuur is vanuit de elementvormen ontworpen. Op basis van deze structuur zijn de constructieve takken structuur ontworpen. Hierbij werd verwacht dat de constructie van takken eenvoudig het patroon van de dakelementen kon volgen (zie volgende pagina).

Er is als test uitgegaan van een stuk dakvorm van het zwembad. Eerst is er een studie in 2d tekenwerk gedaan om globaal de diverse structuren te ontwerpen en over elkaar te leggen. Daarna zijn de hexagonale panelen over de 3d dakvorm gelegd, om hier vervolgens de constructieve structuur onder te ontwerpen.

Hexagonale dakpanelen

Secundaire tak (optie 2 ‘elementvorm’)*

Het idee is dat de secundaire takkenstructuur een brug kan vormen tussen de primaire constructie en de structuur van dakpanelen. Dit kan op twee manieren: - Een modulaire secundaire tak die zich constant over het hele dakvlak met de structuur van dakpanelen mee kopieert en daardoor hetzelfde blijft.* - Een structuur van allemaal secundaire takjes die allemaal verschillend zijn.

Primaire constructieve structuur

22

Het probleem is dat wanneer de elementen van te voren een vaste ontworpen vorm heeft, deze als basis moet dienen voor het constructieve ontwerp. De constructieve structuur moet hierdoor onnodig complex en vertakkend worden om alle dak-elementen te kunnen ondersteunen. Er is getest met twee verschillende secundaire systemen. Het blijkt dat als elke secundaire tak compleet anders is, er teveel variatie in ontstaat. De secundaire takken moeten soms al opzich zo complex zijn dat dit qua kosten en ontwerp efficiëntie totaal niet rendabel is. Een herhalend secundair takelement heeft tevens hetzelfde probleem, hoewel er hier geen variatie in zit. Dit zal beter werken, maar het is tevens niet zuiver om een dusdanige complexe secundaire tak over de primaire constructie te moeten maken. Dit element moet namelijk constant op een verschillende hoek of afstand aan kunnen sluiten. Waarna dit ook moeten passen op de primaire constructieve structuur dat dit systeem bijzonder ingewikkeld en onhaalbaar wordt.

- De elementen zijn relatief breed ten opzichte van de lengte. Dit maakt vervoer erg lastig, waardoor de panelen klein van stuk moeten blijven. Een rechthoekige vorm geeft de voorkeur. - Dat de constructieve structuur ontworpen moet worden op basis van deze driedimensionale dakstructuur.

Conclusie Een systeem van vooraf gevormde panelen is niet geschikt voor een complexe vertakkende structuur. Tevens worden alle dak elementen sowieso wel verschillend, omdat ze allen een verschillende kromheid hebben. Dit heeft tot gevolg dat de ETFE folie per laag in elk element groter of kleiner wordt.

Geconstateerde problemen: - Het probleem is dat de aansluitingen tussen de elementen niet meer parallel lopen, maar in zekere zin gaan twisten door verschillende rotaties in hetzelfde element. - De elementen lijken gelijkvormig, maar in de praktijk is dit niet het geval. Ze hebben allen een eigen kromming dus ook een andere opbouw en laaggrootte. Dit zal voor de plaats van constructie niet alleen een puzzel zijn, maar alle puzzelstukken lijken ook nog eens hetzelfde, wat voor grote chaos kan zorgen.

23

Vrije vormstructuur van panelen Deze structuur heeft een vrijer concept geïnspireerd op de golflijnstructuur van een wateroppervlak. De structuur is getest door een zo vrij mogelijk patroon van vlakken te ontwerpen in de dakvorm. Een dergelijk systeem van dakvlakken wat in dit onderzoek ontworpen wordt zou zich hier uitstekend voor kunnen lenen. Door een systeem als dit zouden de onderliggende constructief ondersteunende punten vooraf ontworpen en gepositioneerd worden. Dit op basis van de primaire vertakkende constructie. Hierna kan daar handmatig een gunstige vlakkenverdeling van dak-elementen ontworpen worden. Technisch gezien lijkt dit een goede oplossing. De architect is echter van mening dat er niet voldoende contrast gecreëerd wordt ten opzichte van de dakvorm en heuvel locatie. Tevens werkt het schaduw effect storend in de belangrijke schaduwwerking van de constructie. Conclusie Dit zou een gunstige basis kunnen zijn en zou goed de technische mogelijkheden van dit te ontwikkelen systeem naar boven kunnen halen. Alleen wordt er voor het zwembad een andere stijl van architectuur gezocht.

24

Structuur van rechthoekige of driehoekige vlakken Voor een derde mogelijke structuur is gekeken naar een patroon van rechthoekige of driehoekige elementen. Rechthoekige panelen hebben het voordeel dat ze smal kunnen zijn, maar tegelijk erg lang kunnen zijn. Dit betekent zo weinig mogelijk elementen en een gunstige manier van uitvoeren. Uit de vorige twee studies is gebleken dat een driehoekig vormige vlakken structuur zich uitstekend kan lenen als verdeling boven de constructieve structuur. De reden hiervan is dat de vertakkende constructieve structuur een basis heeft van Y-splitsingen welke ook voortkomt uit een structuur van driehoeken. Door de op deze vertakkende structuur dragende punten met elkaar te verbinden ontstaat er een structuur van driehoeken. De driehoeken hebben als nadeel dat ze kleiner zijn, omdat de breedte automatisch toeneemt ten opzichte van de lengte. Te brede driehoeken zullen onvervoerbaar worden.

Ondersteunende dragende punten Rechthoekig Dubbel gekromd element Bubbel die ontstaat

De studie van rechthoekige panelen is gedaan op basis van een tevoren ontworpen constructieve tak. Om te kunnen testen hoe deze structuren op elkaar aan kunnen sluiten. Verschillende testen hebben een resultaat gehad. Waarvan het beste resultaat te zien is op de afbeelding rechts op de pagina. Er is een groot voor- en nadeel uit deze studie voortgekomen. Het voordeel is dat er een architectonisch idee van bubbelachtige vormen ontstaan is (wat later verhelderd zal worden). Het nadeel is dat de vlakken structuur zich niet goed kan verdelen over de ondersteunende punten. Dit komt doordat de vlakken steeds dezelfde lengterichting aannemen en daardoor niet altijd punten van de onderliggende structuur tegenkomen.

Hoge drukpunten in het centrum van de bubbel

Trek- montagepunten Rondom de panelen

25

Driehoekige elementen verdelen zich optimaler over de takkenstructuur. De lengte-breedte verhouding van deze vlakvormen kan zich makkelijker anticiperen over de vertakkende constructieve structuur. Dit is te zien op de bovenstaande afbeelding. Een nadeel is dat de elementen kleiner van afmeting zullen worden, om deze in de breedte transportabel te houden. Tevens zou het als een nadeel gezien kunnen worden dat alle elementen een verschillende afmeting zullen gaan krijgen. Dit komt omdat de tussenliggende afstand tussen de ondersteunende punten niet gelijk kan zijn en deze tevens een verschillende hoogte ten opzichte van elkaar hebben. Architectonisch is er voor het gebouweffect wat het dak teweeg moet gaan brengen al gekeken naar een bubbeleffect.

Het idee is ontstaan om binnen het dakvlak een soort licht doorlatende bubbels te maken. Om zo een soort lichtdoorlatende punten in diverse grootte te maken welke ruimtelijke effecten teweeg kunnen brengen. Daarnaast geeft de vlakverdeling niet te veel storing in de schaduw, maar ook een soort variatie en waterachtige lijnenstructuur die niet te aanwezig is. Een waar licht- en golfachtig watereffect voor het zwemparadijs Jengu Sawa. De bubbels zijn opgedeeld in driehoeken (radiaal vanuit het centrum). Er is een hoogste punt in het centrum en dragende punten rondom. De restvlakverdeling tussen de bubbels is tevens opgedeeld in driehoeken. Er is een belangrijk criterium waar rekening mee gehouden is bij het vormontwerp. Namelijk de waterafvoer. Om water af te voeren zijn de bubbels op verschillende hoogten ten opzichte van elkaar ontworpen. Waarbij er altijd een helling naar de gebouwranden ontstaat. Constructief zal er later in dit onderzoek aandacht besteedt worden aan de belasting en maximale grootte van de elementen.

26

Conclusies door architectuurstudie In deze impressie is een ruimte weergegeven van het zwemparadijs. De constructie overkoepeld de ruimte. De dakvlakken zijn secundair gebleven. Centraal in de ruimte zijn twee grote bubbels gepositioneerd. De structuur van driehoeken is zichtbaar, maar het is wel de bedoeling dat vanuit de detaillering de omlijningen zo slank en onzichtbaar mogelijk blijven. De bubbels zijn in deze impressie nog vrij letterlijk naar voren gebracht. In het echt zal het verschil in aanzicht van binnenuit qua materialisering nauwelijks zichtbaar worden. Hierdoor blijft de abstractie behouden. Technisch gezien zijn er een aantal zijtakken als een secundaire structuur aan de primaire takken toegevoegd. De reden is dat de primaire takkenstructuur niet overal het bereik heeft om de dakvlakkenstructuur op te vangen. Er zal nog nader gekeken worden hoe deze lichte uitkragingen constructief gaan werken. Voor de rest kan er aan de hand van deze impressie geconcludeerd worden dat de stervormige dak ondersteuningen erg groot zijn en dus veel dakoppervlak wegnemen. Hierdoor zal er een nadere studie gedaan moeten worden naar deze aansluiting ondersteuningen. En daarbij ook aandacht te besteden aan de vorm en slankheid van deze elementen. De dakvorm is een soort golfachtig geheel geworden. Een combinatie van glad- en ruwheid. Een niet direct heldere vormentaal, zoals de onvoorspelbaarheid van water ook eigenlijk kan zijn. De lichtheid als een laken van water en dit gespannen over de zware structuur van koraaltakken.

27

28

Lichtconcept Om grip te krijgen op de lichtstudie voor dit type te ontwikkelen dakproduct. Er is eerst gekeken naar de lichtanalyse gedaan door de architect. Om zo te ontdekken wat er verlangt wordt qua effecten en verschillende lichtinvallen voor het zwembad wat ontworpen is (zie volgende pagina). De architect heeft op basis van dit technische concept een studie gedaan naar punten in zijn ontwerp waar de architect een soort daglichtinvallen wil hebben. Gevarieerd in grootte en afwisselend per ruimte. Het dak moet van binnenuit een zekere vormuitstraling hebben die qua transparantie niet teveel verschillend lijkt, maar eigenlijk het uiterlijk van een wateroppervlak. Het architectonische doel met het licht is, bezoekers naar het licht laten zwemmen en met licht verschillende sferen op te roepen. Dit zal een onderwatergevoel voor het gebouw gaan geven. Voor deze studie is het voor de productontwikkelaar de opdracht hierbij een passend systeem te ontwikkelen.

29

Als technicus is er gekeken naar een analogie van waterbubbels. Bubbels die als een soort lichtkoepels punten creëren om licht door te laten. Het voordeel van bubbels is dat ze vrijwel rond zijn en daardoor simpel kunnen worden opgebouwd uit een serie kunnen worden uit pizzapuntvormige vlakken. Ofwel driehoeken. Passend bij de vlakken structuur van driehoeken. De bubbels laten daglicht door en de rest van het dakvlak weer daglicht zoveel mogelijk. Het voordeel is dat de bubbels een hoogste punt in het centrum hebben, wat weer gunstig is voor de dakhelling en afwatering. De variatie van bubbelgrootte geeft speelse ruimtelijke lichteffecten. Een bijkomend voordeel is dat de bubbels bijvoorbeeld tegen de avond opgelicht kunnen worden, waardoor het gebouw als een soort tapijt van bellen oplicht in het donker. Hiermee kan door techniek, architectonisch een groot voordeel voor het gebouw en landschap verkregen worden. Wat nog duidelijk gemaakt moet worden is dat de bubbels niet te letterlijk in het dakvlak zichtbaar worden. Het is een technisch hulpmiddel, wat variatie in het dakvlak creëert qua transparantie, licht, structuur en vlakheid.

30

Energetisch concept Er zijn verschillende mogelijkheden om door middel van een ETFE kussen dakconstructie voor een gebouw energie te besparen. ETFE folies kunnen in getinte kleuren geproduceerd worden. Wat veel gedaan wordt is het ETFE folie bedrukken met stippen, om de zon te weren. Hierdoor hoeft er in de zomer niet overmatig gekoeld te worden. Zwarte stippen kunnen licht absorberen om warmte binnen te halen, witte of zilveren stippen kunnen licht reflecteren en juist buiten houden. Er kan ook een niet transparante coating toegepast worden, zodat al het opvallende zonlicht geweerd wordt. Een vrij recente ontwikkeling is het integreren van photovoltaische cellen in ETFE folie structuren. Dan kan er nog gekozen worden voor ontwikkeling met energie systemen die geen directe integratie met ETFE hebben. Hiervoor kan gedacht worden aan luchtopwarming en terugwinning via een spouw. Er kan gewerkt worden met een leiding systeem als zonnecollectoren geïntegreerd in panelen. Zonnecollectoren kunnen doordat ze op het dak richting de zon georiënteerd zijn zorgen voor opwarming van vloeistof. Deze vloeistof kan vervolgens lucht- of zwemwater na verwarmen. Ook kan er warmte- of koude via een aquifer in de grond opgeslagen worden.

Een nog andere nieuwe ontwikkeling zijn de phase changing materials. PCM staat voor Phase Change Material, ofwel faseovergangsmateriaal. Pcm's zijn materialen waarvan de faseverandering, van vast naar vloeibaar en v.v., wordt gebruikt om warmte op te slaan en af te staan. In pcm's wordt warmte opgeslagen voor gebruik op een later moment. Het principe van faseovergangsmaterialen als warmteaccumulerende materialen is als volgt: - Bij een bepaalde temperatuur smelt het materiaal - Tijdens het smelten absorbeert het materiaal grote hoeveelheden warmte uit de omgeving (de ruimte wordt hierdoor koeler).

- Wanneer de temperatuur zakt, stolt het materiaal en komt warmte vrij (de ruimte wordt warmer, eventueel door ventilatie warmte laten verdwijnen). - Door de pcm's in geïsoleerde buffers op te slaan kan de "latente warmte of koude" op een later moment worden benut. (bron: www.joostdevree.nl) Fase overgangsmaterialen zijn voor een zwembad niet direct nuttig. Het probleem is dat er eigenlijk een hogere dagtemperatuur (30graden C) nodig is dan de buitentemperatuur. Er blijft daarom te weinig warmte over om ‘s nachts terug te kunnen geven (te weinig thermische schommelingen). Daarom kan er voor een zwembad beter gewerkt worden met andere duurzame systematische oplossingen i.p.v. fase overgangsmaterialen.

31

Op basis van de energetische mogelijkheden is er naar een integraal concept gezocht om niet alleen energie op te wekken, maar ook de transparantie en lichtdoorlaat van het dak te beïnvloeden. In de bubbels (lichtdoorlaten) moet de transparantie zoveel mogelijk behouden blijven. In de dichte vlakken moet er ook transparantie zijn, om het wateroppervlak door te zetten, maar hierbij moet het zonlicht zoveel mogelijk geblokkeerd worden. Door stippen op de dichte vlakken toe te passen, wordt licht teruggekaatst. Stippen kunnen wit, zwart of bijvoorbeeld zilver op het ETFE geprint worden. De stippen kunnen tevens gebruikt worden om bijvoorbeeld zonlicht te reflecteren op een laag van zonnecollectoren. Zodat zonnecollectoren van twee kanten onder invloed kunnen komen van zonlicht. Dit maakt de collectoren efficiënter, want er wordt meer warmte gegenereerd. Deze warmte kan worden gebruikt om het zwemwater te verwarmen. Er is gekozen voor zilveren stippen die zonlicht direct reflecteren, zonder dat ze warmte absorberen. De buizen van de zonnecollectoren zullen zwart gemaakt worden, om deze zoveel mogelijk warmte te laten absorberen. Een nog efficiëntere werking kan verkregen worden, door buiten de zonnecollectoren een transparante beschermlaag te maken, die koude en windinvloeden tegenhoudt wat de op te wekken warmte anders verloren laten gaan. Door een geventileerde luchtspouw in het daksysteem te maken kan het binnenklimaat gecontroleerd worden. In de winter wordt zonlicht op het binnen spouw kussen terug gereflecteerd in de spouw. Hierdoor ontstaat er binnen een schaduweffect, terwijl de nuttige zonnewarmte toch ventilatie lucht in de spouw opwarmt. Hiervoor kan koude buitenlucht gebruikt worden. Deze lucht koelt de binnentemperatuur nauwelijks af omdat het gedeeltelijk buiten de klimaatscheiding gebeurd. De koude lucht stijgt op door opwarming van de zon tot in de hoogste dakpunten

(de bubbels). Vanuit hier kan deze lucht weer afgezogen worden. De warme lucht kan met een warmteterugwinningssysteem, koude in te blazen lucht voorverwarmen. In de zomer is het mogelijk sterk te koelen. Zonlicht wordt op het binnen kussen blad gereflecteerd en buiten de klimaatscheiding gehouden. Deze opgewarmde lucht kan door mechanische afzuiging het gebouw uitgezogen worden. Tevens kan de opstijgende warme binnenlucht hier tevens mee afgezogen worden. Hierdoor kan het zwembad in de winter behaaglijk zijn, om binnen zwemmen in de zomer beter mogelijk te maken. Licht doorlatend dak element Buiten ca. -5⁰C tot 20⁰C Opvallend zonlicht

Zonnecollectoren die dubbel warmte opvangen door lichtreflectie

Binnen ca. 30⁰C (winter)

ETFE laag met zilveren stippen om licht te reflecteren.

K

Luchtopwarming in een geventileerde spouw Licht reflecterend dak element

32

Koppeling kussenelementen Er is een brede studie gedaan naar de manier van koppelen van de kussenelementen. Op onderstaande afbeelding staan de diverse varianten. Er kan gekozen worden om de elementen te laten overlappen, schakelen los van elkaar te bevestigen, of te fixeren. Elke afzonderlijke manier van schakelen heeft zijn voor- en nadelen. Uit onderzoek is gebleken dat de kussens in ieder geval aan elkaar moeten trekken, omdat elk kussenlement horizontale spatkrachten heeft. Voor is de water- en luchtdichtheid enorm bepalend voor welke manier van bevestigen

wel of niet mogelijk is. Bij het laten overlappen van de kussens ontstaat er een naad waar water in kan lopen. Als de kussens niet aan elkaar bevestigd zijn, is er geen mogelijk de horizontale spatkrachten kwijt te kunnen. Als productontwikkelaar wil ik een systeem wat zorgt dat de kussens aan elkaar geschakeld zijn. Een water- en luchtdichte verbinding. En een universele oplossing als systeem die voor elke vorm toepasbaar is.

Luchtdruk / aansluitingen

Waterdichtheid Geen fixatie randen

waterdichtheid

33

Uit de studie naar mogelijkheden zijn een drietal varianten naar voren gekomen. Een zogenaamd kederprofiel (zie foto). Dit is een profiel wat als het ware over randpezen van de kussens geschoven kan worden. Hierdoor zijn de elementen aan elkaar verbonden. Als de kederprofielen flexibel zijn kunnen deze bij elke dakvorm toepasbaar zijn. Er moet wel op gelet worden dat het kederprofiel dan lucht- en waterdicht afsluit.

Om deze redenen is er een keuze gemaakt verder onderzoek te gaan doen in de kederprofiel variant. Een flexibel kederprofiel bestaat nog niet en kan interessant zijn om een rol te laten spelen in een innovatief nieuw product.

De tweede variant is een opgeblazen tube tussen de kussens. Het probleem is dat hierbij de spatkrachten van de kussens niet kwijt kunnen. De derde variant is de kussenranden te laten overlappen. Dit is technisch goed mogelijk. Alleen is er het probleem dat water door de kier naar binnen kan lopen.

Koppel strip (gefixeerde verbinding) + Waterdicht +Eenvoudig te schuiven ? Verbinding van strippen in de knopen ? Duurzaamheid strippen ? Transparant mogelijk ? 3D

Lucht vullende tube - Groot element wat zuiverheid systeem aantast - Spouw is afgesloten + Innovatief

Links: Dubbel kederprofiel (bron: Buitink Technology) Rechts: Opblaasbare tube bron: www.derijker.be)

Overlappen (gefixeerde verbinding / armadillo) + Waterdicht en luchtdicht? - Verhoging nodig +Past in het systeem + Verbinding is ook goed mogelijk ? Plooivorming bij de naden ? Wijze van overlapping ? 3D

34

Assemblage kussenelementen In een vroeg ontwerpstadium zijn ook de assemblage mogelijkheden onderzocht. Elk onderdeel komt vaak voor. Als er een slimme manier van assembleren en een slimme manier van repeteren (onderdelen) toegepast kan worden, kan een dergelijk nieuw product goed in de markt komen te liggen. In dit stadium is onderzocht dat ETFE een geschikt materiaal is om simpel en goedkoop alle complexe en verschillende vormen te kunnen maken. Afstandhouders, dus de verticale tussen de membranen, zijn gemaakt van hard materiaal en dus duur. Daarbij is het verstandig zoveel mogelijk repetitie toe te passen. Dan kunnen bij wijze van spreken 10.000 dezelfde onderdelen met dezelfde mal gegoten worden.

In dit stadium kan gezegd worden dat het ETFE uitgesneden wordt middels digitale tekeningen. Ter plaatse van de afstandhouders worden gaten in het ETFE gesneden. Hier worden manchetten ter waterdichting in gedaan. Vervolgens kunnen de gestandaardiseerde afstandhouders met het ETFE verbonden worden. Als laatste kunnen de randen van de kussens met pezen in de fabriek gesloten worden. Op een dergelijke manier kan een element als geheel in de fabriek gemaakt worden, zonder dat er teveel denkwerk op de werkvloer nodig is.

35

Productontwerp De architect heeft meegedacht over het concept en heeft in overleg besloten de gedane keuzes verder uit te laten werken in een product ontwerp. Op deze pagina zal nog even kort geconcludeerd worden hoe een dakelement in opgebouwd zal worden. Hierna zullen in afzonderlijke hoofdstukken, de constructie werking, de materialisering, het klimaat energetische concept en licht uitgewerkt worden. Het element is driehoekig van vorm en wordt in de hoeken ondersteund. De kussen worden opgebouwd uit drie of vier ETFE membranen. In deze afbeelding zijn de bovenste twee membranen aan de randen gesloten waardoor dit een constructief of blaasbare laag is. De onderste membraan is enkel. Tussen het kussen en het onderste membraan vormt zich een te ventileren luchtspouw. Langs de randen van het kussen wordt van bocht tot bocht een randpees gemaakt. Een flexibel kederprofiel wordt over de randpezen geschoven om het kussen te dichten. In het werk worden eerst de constructieve dragende punten in de juiste positie gebracht. Daarover worden door pen en gat verbindingen onopgeblazen kussens gemonteerd. Vervolgens worden de elementen met elkaar verbonden door de lichte flexibele kederprofielen. De knopen worden afgedicht en de kussens worden als laatste opgeblazen zodat ze in de goede vorm komen te staan en kracht op kunnen nemen.

36

Constructief ontwerp Er is een constructief onderzoek gedaan voor dit product om de elementen op vorm en afmeting te dimensioneren. Aan de hand van deze studie zal er resultaat gevonden worden van: -

De mogelijke overspanning, om de elementgrootte te kunnen bepalen. De benodigde kussenhoogte om de modulematen te bepalen. De systeemopbouw, om de plaats van de membranen ten opzichte van elkaar te bepalen. De constructieve werking van de aansluitingen.

De constructieve verschillen tussen het beschreven standaard ETFE kussen en het ETFE product dat hier ontwikkeld wordt zijn hier alvorens opgesomd en zullen nader uitgelegd worden: -

-

Deze studie zal beginnen met een onderzoek naar de constructieve werking van een normaal ETFE kussen.

Een normaal ETFE kussen wordt rondom gedragen, in deze studie wordt uitgegaan van elementen dat op de hoekpunten gedragen wordt. Bij een ETFE kussen worden de randen ingeklemd door klemprofielen. In deze studie worden de elementen aan elkaar verbonden zodat de kussens aan elkaar trekken. Dit type element is opgebouwd uit één laag of twee lagen onder druk gebrachte kussens, met daartussen een geventileerde luchtspouw. De constructieve luchtkussens boven- en onder kunnen door de hoogte gaan werken als een vakwerk. Het bovenste kussen neemt drukkrachten op en de onderste laag trekkrachten. Tenzij de vorm of windkrachten verandering van krachtwerking geven.

37

Krachtwerking ETFE kussen Deze paragraaf zal kort en bondig omschreven worden hoe een ETFE kussen kracht-technisch werkt en hoe hier mee gerekend kan worden. Een ETFE kussen valt onder de pneumatische constructies. Pneumatische constructies zijn constructies waarbij het soepele omhulsel, een membraan of folie, onder spanning gebracht wordt door een interne over- of onderdruk. Naargelang deze interne druk, de spanningen in het membraan en de eigenschappen ervan, is een opblaasbare constructie in staat krachten over te dragen. Bij pneumatische constructies creëert de interne luchtdruk spanning op de membranen. Dit maakt het mogelijk om een kussen externe krachten op te laten vangen, zonder dat het kussen teveel vervormt. De algemene regel is dat er altijd trek op een membraan moet zijn. En dat als er externe drukkrachten op een membraan komen er altijd trek in het membraan over moet blijven (anders valt de spanning op het membraan weg, zoals een niet opgeblazen slappe ballon). Door de trekspanning op het membraan is het mogelijk dit te laten dragen.

luchtkussen opgeblazen wordt ontstaat er een dubbele kromming en maakt dit het mogelijk om draagkracht te geven. Het grootste deel van een luchtkussen is synclastisch. Bij een kussen in een vierkante omtrekvorm is dit in de hoeken niet het geval. Om daar een anticlastische vorm te voorkomen moet de folie in de goede vorm gesneden of voorgespannen worden. Anders ontstaat er door deze anticlastische vorm trekkracht in de ene richting en drukkracht in de andere.

Dit betekent dat er kleine plooien in het kussen ontstaan. De maximale spanning ontstaat op het hoogste punt in de bolling van een kussen. Hier is de radius van de kromming het grootst (zal later toegelicht worden).

De kussenvorm is heel erg afhankelijk van het verschil tussen interne en externe luchtdrukken. Deze vorm verschilt constant door temperatuurverschillen en de hierop verschillende variabele belastingen. Om deze trek op het membraan in een kussen te krijgen blaast men deze kussens op. De werking van een luchtkussen is erg afhankelijk van de vorm. Vlakken met een dubbele kromming die beide positief is wordt een synclastisch vlak genoemd. Koepels en opgeblazen membranen (ballonnen) zijn hier voorbeelden van. Is dit niet het geval, twee krommingen in verschillende richtingen, dan spreekt men van een anticlastisch vlak. Doordat een

http://www.meridian-e.com/technical.asp

38

Krachten Een ETFE luchtkussen kan bestaan uit meerdere lagen aan de randen ingeklemde folie waartussen lucht wordt geblazen. Een kussen kan, afhankelijk van de eisen aan de constructie, bestaan uit één of meerdere luchtkamers en dus uit twee of meerdere lagen folie. De inklemming van de kussens aan de randen wordt verzorgd door aluminium profielen, vervaardigd uit corrosiebestendige aluminiumlegeringen. De afdichting tussen de twee delen van dit klemprofiel vindt plaats met behulp van UVen weerbestendige EPDM profielstrips. Hoe boller het kussen, des te kleiner de horizontale spatkracht Fh (bron: Buitink Technology).

``

Vorm De afmetingen van een ETFE kussen hebben een interrelatie. De hoogte vanaf de centrumlijn neemt toe naarmate de belasting groter wordt of de overspanning toeneemt. De werking van een kussen wordt mede bepaald door de vormverhoudingen hiervan. Door de breedte (r) en hoogte (H) vanaf de centerlijn kan deze verhouding bepaald worden. Hiermee kan de radius van kromming (R) berekend worden. Een ETFE folie heeft een maximale rekbaarheid. De hoogte van het kussen vanaf de centrumlijn (H) bedraagt theoretisch 10% van de kussen overspanning. Deze peilhoogte wordt mede mogelijk gemaakt door de elastische rek van het materiaal. Wanneer hogere afmetingen nodig zijn, moet de ETFE laag verdeelt worden in vlakken. Voor dit onderzoek wordt H op 10% gehouden. Dit omdat het systeem wat zich in deze studie ontwikkeld niet leent voor opdeling in allemaal kleine vlakjes ETFE folie die aan elkaar gemaakt moeten worden. Dit zou teveel arbeid kosten, waardoor dit product niet meer concurreerbaar zal zijn. Radius van kromming:  







39

(1.1)

Een ETFE kussenberekening begint met het berekenen van de interne luchtdruk (P) met behulp van formule (1.2). De luchtdruk wordt bepaald door de belasting, overspanning en de lengte- / hoogte verhouding van het kussen. Hoe groter het kussen, des te meer intern luchtvolume nodig is om het kussen op spanning te houden. De interne luchtdruk voor een ETFE kussen moet liggen tussen de 200 en 750 Pa (Buitink Technology). Is deze druk te laag dan kan het membraan niet voldoende op trekspanning gehouden worden, is de druk te groot zal het membraan bezwijken door teveel druk. De kussenhoogte is in dit stadium een variabele. Dit betekent dat bekeken kan worden hoe hoog het kussen moet zijn, om bij een degelijke overspanning en belasting binnen de luchtdruk grenzen te blijven. De luchtdruk (P) kan vervolgens gebruikt worden om de krachten op een membraan te berekenen (formule 1.5). De verticale en horizontale spatkracht (1.3 / 1.4). Waarna vervolgens uitgerekend kan worden wat de trekkracht in het membraan zal zijn (1.5). De horizontale reactiekrachten kunnen tevens berekend worden om te kunnen bepalen hoeveel horizontale trekkracht er op de klemprofielen komt. Het luchtkussen wil namelijk boller worden, waardoor de randen naar binnen trekken. Er moet dus een tegenwerkende trekkracht ontwikkeld worden om dit te voorkomen.



∙

∙ 



Interne luchtdruk (P):  





(1.2)

Horizontale membraankrach (nh):   5 ∙   ∙   ∙    

(1.3)

Verticale membraankracht (nv):  

∙ ∙ 

(1.4)

Resulterende membraankracht (n)  

∙ ∙



(1.5)

Horizontale reactiekracht (Fh):  

∙  ∙   

Verticale reactiekracht (Fv):  

∙∙ 

 

∙ ∙     

(1.6)

40 (1.7)

Nadat bepaald is wat de kussenafmetingen zijn, moet gekeken worden naar de ETFE folie dikte die nodig is. Er bestaan een aantal standaard laagdikten oplopend van 100 tot 250 micron. De folie dikte kan berekend worden door de spanning te berekenen waarin de laagdikte als variabele voorkomt. Deze spanning komt voort uit de E-modulus van ETFE (807000000 - 848000000 Pa). Het ETFE heeft een bepaalde uitrekking en materiaalspanning, welke gerelateerd zijn aan elkaar. Door aan de hand van de belasting en luchtdruk deze twee getallen door te rekenen en te testen aan de maximale E-modulus kan bekeken worden welke folie toegepast moet worden. Het kan ook zijn dat de E-modulus overschreden wordt. Dat zou betekenen dat het ETFE materiaal de trekkracht niet op kan nemen. Er kan dan bekeken worden of een dikkere kussendikte wel voldoet. In deze methode is beschreven wat de volgorde van rekenen is. Welke parameters bepalend zijn. Er moet dus eerst uitgerekend worden hoeveel luchtdruk er nodig is en of dit toelaatbaar is. Daarna wordt middels de maximale E-modulus berekend welke ETFE folie dikte gebruikt moet worden. Er is vanuit deze basismethode verder onderzoek gedaan om te kijken hoe de krachtswerking werkt op het in deze studie te ontwikkelen product. En daarmee te berekenen welke module afmetingen geschikt zijn en welke minder. Tevens moet onderzocht worden welke ETFE folie dikte dan toegepast moet worden. Ten slotte is het de bedoeling dat het te ontwikkelen product qua mechanische werking te gaan vergelijken met een standaard ETFE kussen. Er kan dan gekeken worden of er minder of meer lucht nodig is om dezelfde overspanning te halen.

Booglengte origineel (l0): 
       ∙   Extensie booglengte (∆l):

∙∙





 

(2.1)  


Δl  2 ∙ R ∙ sin   2 ∙  ∙  1  

Totale membraanlengte (nv):   0  Δl

Uitrekking membraan ( ɛ):



(2.3)

ɛ  

Spanning membraan ( σ): 



Elasticiteitsmodulus (E): E 

(2.4)


∙∙

(2.5)

∙
ɛ

(2.2)

(2.6)

41

ETFE kussen element Het systeem van dit element is een dubbel gekromd sandwich paneel met interne luchtspouw. De laagopbouw hiervan is alvorens omschreven. Het doel is een systematisch product te ontwikkelen wat bruikbaar is voor complexe driedimensionale dakvormen. En hierbij te streven naar vormvrijheid. Het element bestaat uit lagen ETFE die aan de randen met elkaar verbonden zijn. Daarbinnen worden punten bij elkaar gebracht om een repeterende synclastische dubbele kromming binnen het element te hebben. Daardoor kan het kussen relatief platter zijn dan een normaal ETFE kussen. Tevens kan het element dubbel krommen, doordat de lagen verschillend van grootte zijn. Dit betekent dat het element als geheel anticlastisch van vorm kan zijn, doordat het element al eigen interne dubbele synclastische krommingen heeft. De laagopbouw van de kussens komt deels voort uit constructieve overwegingen, maar voornamelijk uit bouwfysische en duurzame randvoorwaarden. De laagopbouw van het element zal nader toegelicht worden. Het doel is om doormiddel van een universeel systeem een niet alleen vrije vorm mogelijkheid te creëren. Maar dit te combineren met energetische en klimaat technische integratie binnen het systeem. Dit brengt constructieve- en technische randvoorwaarden met zich mee. Namelijk dat er door integratie van een geventileerde luchtspouw verloop van lucht tussen de elementen mogelijk moet zijn. Daarnaast moet er architectonisch gestreefd worden naar een vlak en dun element wat technisch simpel aan elkaar verbonden moet worden.

De constructieve uitdaging zit in de manier in het dragen (ondersteunen) van de elementen. De kussens worden op de hoekpunten gedragen i.p.v. langs de randprofielen, doormiddel van dragende ondersteunende punten. Bij de ETFE kussens zoals deze toegepast worden, gebeurt het afdragen onder de randprofielen welke de kussens rondom insluiten. Door afdracht in de hoeken hoeven de kussens rondom niet ingesloten te worden, waardoor een geventileerde luchtspouw (van kussen naar kussen) door kan lopen (4).

1.

2. De spatkrachten aan de kussenranden worden opgevangen door de kussens met elkaar te verbinden (2). Als de kussenranden niet met elkaar verbonden zijn, of ingeklemd door een randprofiel trekt de kussenrand naar binnen (1). Dit komt omdat een kussen eigenlijk op wil bollen, door de rand in te klemmen wordt het kussen hiervan weerhouden. Door de afstandhouders tussen de lagen ETFE worden deze op afstand van elkaar gehouden. Tevens worden deze afstandhouders (4) gebruikt om de hoofdvorm platter te maken i.p.v. ellipsvormig.

3.

4.

43

Een golvende dakvorm gedragen door ondersteunende drukpunten. De dakvorm is als geheel constant dubbel gekromd. Door deze dubbele kromming kunnen de elementen aan elkaar trekken, waardoor er een stabiel en stijf geheel wordt gevormd. Dit maakt het mogelijk overspanningen groter te maken. Tevens treedt er geen instabiliteit in de elementen zelf op (dit wordt nader duidelijker gemaakt). De holle stukken hebben meer afstandhouders, omdat hier minder transparantie nodig is en hier worden zonnecollectoren in gemaakt. De bolvormige gedeelten zijn zo transparant mogelijk, als grote lichtinlaten voor het gebouw. Het dak wordt verticaal belast door sneeuw, water en mensen. Horizontaal door windkrachten. De plaatsen waar het dak ondersteund worden zijn allereerst van belang: Ondersteuningen in de holle- en bolle gedeelten hebben als nadeel dat zijdelingse windkrachten grote druk uitoefenen op de tussenliggende vlakken. Deze vlakken zijn S-vormig waardoor knik in het gekromde vlak door zijdelingse druk kan optreden. Het is mogelijk, maar hierdoor zal de overspanning heel beperkt blijven.

Bolle vlakken

Holle vlakken

Een andere mogelijkheid is te ondersteunen in de zijvlakken i.p.v. de uiterste holle- en bolle gedeelten. Echter heeft dit wel als consequentie dat er een dubbele spatkracht (vanuit de bolling en de holling) op de ondersteuning terecht komt. Deze ondersteuning moet dan sterk genoeg worden om hiertegen bestand te zijn. Tevens blijft de overspanning met name in de holle vlakken beperkt, met name door sneeuwlast. Door van onder de uiterste holle / bolle gedeelten en van op zij ondersteuning te geven, kunnen de dakvlakken relatief ver van punt tot punt overspannen. De zijdelingse steunen (blauw) kunnen volledig scharnierend gemaakt worden, omdat ze geen dubbele spatkracht te verduren krijgen. De top ondersteuningen kunnen wel vast zijn, omdat deze niet onder invloed zijn van deze dubbele spatkracht en daarmee het dak stabiel maken tegen wind- en verticale druk.

44

Vorm

De bolle vlakken zijn opgebouwd uit een enkel membraan onder, een geventileerde luchtspouw in het centrum en een opgeblazen kussen boven. Het enkele ETFE membraan kan de trek aan de onderzijde opnemen. Het kussen aan de bovenzijde de druk + trek bij windzuiging. De holle panelen bestaan uit een luchtkussen boven en onder met daartussen een geventileerde luchtspouw. Zowel onder als boven moet druk en trek opgenomen kunnen worden. Er kan namelijk sneeuw op de holle panelen blijven liggen, waardoor het luchtkussen tegen de helling naar buiten wil uitbuigen. Hierdoor kan er in de onderlaag trek ontstaan in plaats van druk. Tevens geven vier lagen ETFE meer isolatie en kan het geheel meer drukbelasting opvangen.

45

Bovenstaand studiemodel bestaat uit een enkele folie aan de onderzijde en een opgeblazen kussen boven. Doordat de membranen verschillende afmetingen hebben vormt zich een dubbele kromming. Dit is goed te zien aan de afstandhouders die zich naar buiten richten. Hierdoor krijgt het element stijfheid en kan het grotere drukkrachten opnemen. De knoopaansluitingen tussen de membranen en afstandhouders zijn door de dubbele kromming min of meer ingeklemd. Het model had opzich weinig last van de horizontale spatkrachten die ervoor kunnen zorgen dat de rand naar binnen wil trekken. Het model is niet helemaal reëel vergelijkbaar met de werkelijkheid, maar geeft een beeld van de krachtswerking.

Het kussen is ondersteund door vier scharnierende opleggingen in de hoeken en een vast steunpunt in het centrum. Geen enkele oplegging is vastgemaakt aan het kussen. De elastieken in de hoeken trekken aan het kussen, om de horizontale spatkracht op te vangen. In het echt zijn de kussenelementen aan elkaar verbonden, waardoor dezen aan elkaar trekken. Het model is getest onder een drukbelasting en bleek relatief sterk. Al hoewel dit een vertekend beeld kan geven door het schaalverschil. Tevens blijkt het dat er eigenlijk aan de zijkant ook elastieken moeten zitten om te zorgen dat er volledige spanning op het membraan blijft. De dubbele bolling blijkt qua kromming erg gunstig te zijn voor de vorm en krachtswerking.

45

Krachtswerking In deze studie wordt eerst gerekend met een luchtkussen van het te ontwerpen kussenelement. Om te bepalen hoeveel afstand de afstandhouders van elkaar moeten krijgen, hoe dik een luchtkussen zal worden en hoeveel overspanning er mogelijk is. De gehele proef is gedaan onder een gelijkmatig verdeelde belasting. Dit is gedaan om verschillende elementen onafhankelijk van vorm en oriëntatie t.o.v. bijvoorbeeld wind met elkaar te kunnen vergelijken. Er is rekening gehouden met een veranderlijke belasting van 175kg/m2 (standaard last voor daken) en een veiligheidsfactor voor veranderlijke belasting van γ f = 1,5 voor openbare gebouwen. Een ETFE kussenelement wordt berekend middels een genomen doorsnede als balk over twee opleggingen met hierop de gelijkmatig verdeelde belasting (Q). Elke oplegging heeft een verticale en horizontale spatkracht. De horizontale spatkracht bepaalt met hoeveel kracht de geschakelde elementen aan elkaar gaan trekken. De overspanning bepaalt hoe groot het maximale moment (Mmax) is. Hierin zit ook de element hoogte (a) opgenomen. De afstand van de afstandhouders en de kussenafmetingen volgen uit de berekening van een kussenmodule. Een kussenmodule is een segment uit het totale element bestaande uit twee afstandhouders en de dubbel gekromde ETFE folies daartussen. De hoeveelheid draagkracht wordt voornamelijk bepaald door de verhouding tussen de kussenbreedte t.o.v. de centrumlijn (r) en de modulehoogte (a).

46

Ten gevolge van de blauwe kracht Q ontstaan er in alle richtingen horizontale spatkrachten. Eerst wordt berekent middels formule (3.3) de interne luchtdruk P berekent. De input hiervoor zijn de overspanning, belasting Q, Mmax (3.1) en de moduleafmetingen. De interne luchtdruk P is een harde uitkomst en dient te liggen tussen de 200 en 750Pa. Dit is namelijk een spanning waarbij het kussen in staat is te dragen. De spatkrachten nh kunnen berekend worden met formule (3.2). Deze horizontale trekkracht is van cruciaal belang bij het ontwerp van het kederprofiel. Deze kracht bepaalt namelijk hoeveel kracht hierop komt te staan en of dit dus zal voldoen. Hierop wordt later in het speciale kederprofiel hoofdstuk meer aandacht besteed. Het tweede deel van de berekening is te kijken welke dikte ETFE nodig is. Dit wordt zoals eerder besproken berekend middels de elasticiteits van het materiaal (formule 2.1 tot 2.7). Op de volgende pagina is gerekend aan de elementen.

Maximale moment

 

Membraan spanning: 

Interne luchtdruk:



∙∙

∙
∙




∙




∙ ∙ ∙








(3.1)



∙







∙

∙

 0

(3.2)

(3.3)

47

Om diverse modulen te berekenen op constructieve werking en deze met elkaar te vergelijken is er in MS Excel een spreadsheet ontwikkeld. Op deze manier kan er bepaald worden welke overspanningen en kussenhoogten benodigd zijn. Er is onderzoek gedaan naar modulen bij een overspanning van 4,5 – 6 en 8m. De verschillende modulen zijn eerst getest op Air pressure (P). De groene waarden bevinden zich tussen de toelaatbare marge van 200-750Pa en voldoen hierom. De modulen die hier een rode waarde hebben voldoen niet, dit komt omdat de kussenhoogte ten opzichte van de breedte te hoog of te laag is. De kussenvorm bepaalt of er voldoende luchtdruk opgebouwd kan worden. De meeste toelaatbare modulen op luchtdruk bevinden zich bij een overspanning van 4,5m. Een overspanning van 6m is mogelijk mits de

modulebreedte niet te groot wordt ten opzichte van de hoogte. De modulen die voldoen zijn getest op toelaatbare elasticiteitsmodules. Middels deze berekening kan er uitgerekend worden of er bij bepaalde modulen het ETFE membraan niet bezwijkt onder de luchtdrukspanning. Uit deze berekening wordt de membraandikte berekend en afgerond op standaard verkrijgbare ETFE soorten (100-250mµ).

48

Conclusies voortkomend uit de berekening: -

-

-

Grotere modulematen werken beter en hebben naar verhouding minder luchtdruk nodig. Waarschijnlijk zijn kleinere kussens qua afmeting te klein om bestand te zijn tegen de externe krachten Naar mate de hoogte van een kussen toeneemt, neemt de spanning op de module af en kan er volstaan worden met een dunnere sheetdikte. Wanneer modules naar verhouding te hoog worden ten opzichte van de breedte is er teveel luchtdruk nodig en voldoen de modules niet.

Ontwerpconclusies: Er is uit de berekening gebleken dat een afstand van 4,5 tot ca. 6m toelaatbaar is bij een maximale belasting van Q=2250N/m2. Dit is een reële uitkomst. Een normaal ETFE kussen is verhoudingsgewijs hoger vanaf het centrum t.o.v. dit ETFE element. Dus puur qua overspanning is een normaal ETFE luchtkussen efficiënter. Tenzij het kussenelement die hier ontworpen worden een verhoudingsgewijs heel hoog zijn. Alleen is er dan geen plaats meer voor extra klimaattechnische- en energetische toevoegingen die bij dit ontwerp geïntegreerd worden. Afmetingen: In het architectonische ontwerp van het zwemparadijs worden twee verschillende elementen toegepast. Er is een transparant element bestaande uit een op drukbelast kussen boven en onder een enkel membraan. Dit luchtkussen is ontworpen op zoveel mogelijk transparantie en doorgelaten zonlicht. Constructief is het de bedoeling dat er zo weinig mogelijk afstandhouders in deze elementen komen, wat betekent zo groot mogelijke moduleafmetingen. Het semi-transparante

element moet juist weinig zonlicht doorlaten en een gesloten effect geven. Het bestaat uit een luchtgevuld kussen boven en onder met hiertussen de luchtspouw. Dit betekent zoveel mogelijk afstandhouders en kleine moduleafmetingen. Aan de afstandhouders worden de zonnecollector-slangen verbonden. Dus hoe meer afstandhouders, hoe meer zonnecollector er binnen een element gemaakt kan worden. Transparant element: Uit de berekening is gekomen dat er het beste een module met een op druk belast kussen van 0,4m hoog en een afstandhouder afstand van h.o.h. 0,9m toegepast kan worden bij een overspanning van 4,5m. Voor een overspanning bij 6m blijft de kussendikte en dus de afstandhouder hetzelfde maar krijgen de afstandhouders een h.o.h. maat van 0,9m. De toe te passen membraandikte is 150mµ. Semi-transparant element: Uit de berekening is gekomen dat er het beste een module met een op druk belast kussen van 0,2m hoog en een afstandhouderafstand van h.o.h. 0,3m toegepast kan worden bij een overspanning van 4,5m. Bij een grotere overspanning wordt de h.o.h. maat van de afstandhouders ook drastisch groter. Vandaar dat er voor deze elementen een maximum grootte van 4,5m aangehouden wordt. De zonnecollectorbuizen krijgen dan een h.o.h. maat van 300mm. De lage luchtkussendikte is gunstig omdat dit element twee kussens bevat, zodoende blijft er meer ruimte over voor de geventileerde luchtspouw. De toe te passen membraandikte is gelijk aan de transparante elementen namelijk 150mµ. Dit betekent dat het hele dak opgebouwd kan worden uit dezelfde typen ETFE membraan.

49

Flexibel kederprofiel Uit vooronderzoek is gebleken dat de kussenelementen het beste doormiddel van kederprofielen aan elkaar verbonden kunnen worden. Kederprofielen worden in huidige toepassing vaak als metalen variant toegepast. Ze dienen om folies of textielen met elkaar te verbinden. Dit gebeurd door de twee gleuven van het profiel die over de aan het membraan bevestigde pezen heen geschoven wordt (zie afbeelding). Het bestaande kederprofiel wordt geëxtrudeerd en is gemaakt van roestvrij staal of aluminium. De profielen kunnen in de fabriek gekromd worden. Nu is het zo dat er voor het systeem van dubbel gekromde kussens wat in dit onderzoek als product ontwikkeld wordt heel veel vormvrijheid vrij komt in de omrandingen. Hier kan een erg groot voordeel mee ontstaan wanneer de kederprofielen niet in de fabriek gekromd worden, maar dat deze zich aanpassen en mee vormen met de kromming van de kussens.

Daarmee is het idee ontstaan een kederprofiel te ontwikkelen wat onderdeel wordt van dit daksysteem. Een flexibele slang die op de bouw simpel over de randpezen van de kussens heen geschoven wordt. Vervolgens worden de kussens opgeblazen en de kederprofielen buigen met de kromming mee. De functie van de kederprofielen, is de kussens met elkaar te verbinden om zo de horizontale spatkrachten op te vangen. De kederprofielen zullen een waterdichte aansluiting garanderen. De kederprofielen moeten licht van gewicht zijn om ze makkelijk hanteerbaar te houden. Er zullen enkele waterholen in de profielen opgenomen moeten worden om waterverloop van dakvlak naar dakvlak mogelijk te maken. In het materialenonderzoek is gekeken naar welk materiaal geschikt is om een dergelijk profiel van te maken. Hieruit blijkt dat het profiel het beste van polyethyleen rubber gemaakt kan worden.

50

Het kederprofiel is ontworpen op basis van afmetingen die voortkomen uit standaard peesafmetingen van 9 tot 10mm in diameter. De vormafmetingen komen verder voort uit verhouding naar eigen inzicht, omdat er voor deze test nog geen vergelijkbare studies gedaan zijn. Als testrubber is PMC – 790 industrial liquid rubber compound gebruikt. Deze rubber bestaat uit twee gemixte componenten. Het rubber heeft een eigen treksterkte van 2000 Psi. Er is alvorens bekeken in hoeverre een testrubber flexibel is. Hieruit bleek dat dit deze vrij stugge en sterke rubbervariant het meest geschikt is om deze test op uit te voeren.

Er zullen met deze studie drie zaken getest worden:

-

Of de pees niet uit het rubberen profiel getrokken wordt. En hoeveel kracht er voor nodig is om dit voor elkaar te krijgen. Daaruit blijkt hoeveel spatkracht een kussen mag leveren om niet uit het profiel getrokken te worden.

-

De kans bestaat dat niet de pezen uit het profiel getrokken worden, maar dat het rubber scheurt. Dan blijkt het rubber niet sterk genoeg te zijn om als geschikt materiaal te fungeren.

-

De flexibileit van het profiel. Hieruit zal blijken of een rubberen profiel voldoende mee kan vormen met de kussenkrommingen.

-

De waterdichtheid. Als bij weinig kracht het rubberen profiel rondom de pees naar buiten uit buigt, kan dit lekkage gaan veroorzaken.

51

Als testmonster is er een kederprofiel van 43cm lengte gegoten. In de mal zijn twee metalen stangen opgenomen die vast gelast zijn aan stalen platen. De stangen stellen de pezen van de kussens voor, de platen het hieraan bevestigde ETFE. Het metaal is alvorens ingevet zodat dit in principe geen verbinding aangaat met het rubber. In de werkelijke situatie zijn deze delen ook niet met elkaar verlijmt.

De test is gedaan met een Zwick-Roell trekbank. Hierin zijn de stalen platen bij de klemmen vastgeklemd. Door aan de platen te trekken wordt het testmonster beproefd en zal er gekeken worden hoeveel kracht er op het profiel komt te staan naarmate de verlenging groter wordt. Om de test zo zuiver mogelijk uit te voeren is bij voorbaat uitgegaan van een zo breed mogelijk proefmonster.

52

Op de bovenstaande foto’s is van links naar rechts te zien wat er tijdens de trekproef gebeurde. Tot een kracht van ca. 900N ging waren er nauwelijks veranderingen aan de vorm van het profiel zichtbaar. Bij ca. 1000N begon het profiel aardig uit te buigen, wat zou kunnen leiden tot lekkage. Daarna werd er meer kracht geleverd tot 1300N. In deze zone bleek het profiel teveel te vervormen waardoor het niet meer bestand is tegen de opwerkende krachten. Het was interessant om te zien dat het

profiel wigvormig uit elkaar getrokken werd. Dit zou veroorzaakt kunnen worden door onnauwkeurigheid in de gehele proef. Maar door met eigen mankracht aan een pees te trekken is alvorens geconcludeerd dat de connectie tussen pees en profiel aan de randen het zwakst is. Dit komt omdat het rubber hier geen weerstand krijgt tegen uitbuiging naar buiten. Hoe meer naar het centrum hoe meer extra profiel lengte (body) er is om te zorgen dat de randen niet vervormen.

53

Op de rechter grafiek is de kracht verlenging van de trekproef uiteengezet (groene lijn). Bij 1000N ontstaat er een kleine knik, dit was het punt waar de pees echt het eerste contact met het profiel verloor. Maar omdat er op dit punt al uitbuiging van het rubber te zien was, wordt de uiteindelijke toelaatbare trekkracht op 900N gehouden. Dit betekend dat er op een meter profiellengte ca. 2000N (200kg) kan komen te staan. Dit is exclusief veiligheidsmarge. Verder kan er vanuit gegaan worden dat een fabrieksmatig profiel betere kwaliteiten heeft dan dit testprofiel. Er zal verdere studie verricht kunnen worden om betere testresultaten te krijgen op basis van een beter geoptimaliseerd profiel. Voor deze studie wordt vooralsnog rekening gehouden met een trekkracht van 2000N op het rubberen profiel. Conclusies voortkomend uit deze test: Na deze test is er bekeken of er vanuit de krachtsberekening van een luchtkussen volstaan kan worden met dit geteste profiel. In deze luchtkussen berekening is er een horizontale spatkracht berekend op basis van een maximale drukkracht (Q) van 2250N/m2 en een inwendige luchtkussendruk (P) van 201Pa. Het kussen heeft een horintale trekkracht nodig van 1383N/m. Het profiel zou theoretisch 2000N/m aan kunnen. Dit zou betekenen dat het mogelijk kan zijn de luchtkussens van dit systeem aan elkaar te koppelen doormiddel van het ontworpen rubberen kederprofiel.

-

-

-

-

Het profiel zou in de breedte slanker ontworpen kunnen worden, zodat de pezen dichter bij elkaar komen te liggen. Dit komt omdat het rubber niet scheurt, maar de pezen uit het profiel getrokken worden. Een slanker profiel geeft een transparanter en betere uitstraling. De trekkracht is getest, hieruit blijkt dat een rubberen kederprofiel een geschikte oplossing voor dit probleem kan zijn. De waterdichtheid kan nog niet helemaal gegarandeerd worden. Dit is beter te testen met een fabrieksmatig geëxtrudeerd profiel. Wel was tijdens de test zichtbaar dat de vervorming van het profiel pas na veel kracht ca. 800N optreedt. Waardoor het een waterdichte aansluiting zou kunnen zijn. De flexibiliteit is sterk afhankelijk van het echte rubber. Dit model bleek in eerste instantie niet erg elastisch. Maar in echte lengte (ca. 5m) wel elastisch genoeg om te kunnen toepassen. Als de uiteinden van de kederprofielen rondom ingeklemd worden t.p.v. de knopen kan dit de krachtswerking in de profielen zeer ten gunste zijn. De uiteinden buigen dan niet naar buiten uit.

54

Materialisering Voor de productie van de verschillende systeem onderdelen zijn alvorens de materialen vastgesteld. Het hoofduitgangspunt is: Duurzaamheid. Voor productontwikkeling is dat in dit geval de levensduur van een materiaal. Bij dit productontwerp wordt een paneel wat jarenlang onderhevig is aan de zon ontworpen. Dit betekend dat alle materialen die toegepast worden en directe invloed van de zon hebben, hiertegen bestand moeten kunnen zijn. Daarbij is de zwakste schakel, het materiaal wat de kortste levensduur heeft. Dit bepaald dus de levensduur van het gehele product. De brandveiligheid een belangrijk ontwerp issue. Elk individueel onderdeel of materiaal moet opzich zo brandvertragend mogelijk zijn. Bepaalde typen folies kunnen gaan vloeien bij brand. Daarnaast heeft elk onderdeel zijn eigen individuele eigenschappen, zoals gewicht transparantie en flexibiliteit. Dit dakproduct is opgedeeld in drie onderdelen, deze zullen alle drie op de volgende pagina’s behandeld worden: -

De folies van de elementen. De afstandhouders die binnen de elementen zitten om de folies te verbinden. De aansluitingsprofielen die de elementen aan elkaar kunnen schakelen.

CES Edupack software pakket is gebruikt om materiaalspecificaties met elkaar te vergelijken.

55

Folies Door eerder gedane keuzes op basis van transparantie blijkt ETFE eigenlijk de enige optie. Nu zal gekeken worden of ETFE ook gunstig is op basis van duurzaamheid, bestandheid tegen weersinvloeden en brandveiligheid t.o.v. PTFE fiberglass en PCV coated polyester. Of dat er op basis van andere eigenschappen gekozen moet worden voor een ander materiaal i.p.v. ETFE.

PVC coated polyester

Gezien resultaten kan geconcludeerd worden dat:

-

-

ETFE is zelfdovend en heeft hierdoor op een gunstig effect op de brandveiligheid. ETFE folie wordt omschreven als moeilijk ontvlambaar en niet-afdruipend. In het geval van brand zal het materiaal zeer snel wegbranden. Dit heeft als voordeel dat het niet perse noodzakelijk hoeft te zijn om in rookafvoer of –compartimentering te voorzien omdat het in de kussens gebrandde gat al voor directe rookafvoer zorgt (bron: Buitink technology). PTFE is niet brandbaar en PVC folie langzaam brandend. PVC folie heeft een lage weerstand tegen UV radiatie invloeden. De bestandheid tegen UV radiatie van ETFE en PTFE zijn goed. De levensduur van ETFE is volgens Buitink Technology groter dan 25 jaar, waardoor er geen veroudering van het materiaal optreedt.

PTFE coated fiberglass

ETFE Folie

56

Afstandhouders De afstandhouders moeten lichtgewicht en bestand zijn tegen mechanische krachtswerking binnenin de kussen elementen. Mogelijkheden zijn aluminium en kunststof. Kunststof heeft het voordeel dat het transparant uitgevoerd kan worden. Er zijn twee verschillende typen kunststof met elkaar vergeleken. PVC polyester en PC polycarbonaat. Uit deze resultaten blijkt dat aluminium zeer goed bestand is tegen UV-radiatie in tegenstelling tot kunststof. Kunststof wordt onder invloed van de zon bros en zal hierdoor veel minder lang mee kunnen gaan. Een ander voordeel van aluminium is dat het zeer lichtgewicht is, en als buisvorm veel mechanische trekspanningen op kan nemen. De verschillen tussen PVC en PC kunststof zullen nauwelijks schelen. ARBOonline heeft een onderzoek gedaan naar verouderingstermijnen van deze kunststoffen. Hieruit blijkt dat deze naar vijf jaar al verouderen. (bron: www.arbo-online.nl)

PVC polyester

PC polycarbonaat

Uit deze resultaten blijkt dat aluminium gunstigere brandtechnische eigenschappen heeft ter opzichte van het kunststof. Er kan geconcludeerd worden dat de afstandhouders het beste van aluminium gemaakt kunnen worden. Dit houdt wel in dat deze niet transparant zullen zijn binnen het systeem. Aluminium

57

Flexibel kederprofiel De kederprofielen moeten qua materiaal in de lengterichting een zekere flexibiliteit hebben om mee te kunnen krommen met de dakvorm. Dit kan opgedaan worden door een elastomeer toe te passen als materiaal. Er zijn drie typen elastomeren met elkaar vergeleken; PVC, EPDM rubber en polychloroprene rubber. Deze typen elastomeren kunnen hoge treksterkten opnemen om de trekkrachten van de kussenelementen op te kunnen vangen. De profielen moeten daarnaast brandveilig en bestand zijn tegen zonsinvloeden. Uit deze studie is gebleken dat de EPDM rubber het sterktst is, maar tegelijk ook zeer vlambaar. Daarom zou een net iets minder sterke (zie hoofdstuk krachtswerking) polychloroprene rubber die zelfdovend is het meest geschikt zijn. Een PVC elastomeer is slecht bestand tegen zonsinvloeden en daarom ook geen geschikte keuze. De vraag die open blijft is of de kederprofielen flexibel genoeg zijn en of ze de trekkrachten op kunnen nemen.

PVC elastomeer

EPDM rubber elastomeer (CR, 30-50% carbon black)

Polychloroprene rubber (CR, 17-50% carbon black)

58

Productie Een goed product kan zich in de markt onderscheiden door complexiteit simpel maakbaar en goedkoop te laten zijn. Hierdoor kan dit ETFE product concurreerbaar blijven met andere typen ETFE kussens. Naar mijn eigen mening het belangrijkste criterium bij productontwerp. Bij het ontwerp van dit product is gezocht naar een soort standaardisatie in de vorm van een systeem. Dit ontwerpaspect heeft verschillende stadia doorlopen. In dit hoofdstuk wordt gezocht naar hoe het ontworpen product fabriek technisch maakbaar kan zijn. En welke onderdelen van dit product het efficiënts gefabriceerd kunnen worden. Waarbij het kostenaspect het hoofduitgangspunt en meest bepaalbaar zal zijn. Hoe groter het aantal dezelfde onderdelen, des te goedkoper het onderdeel markttechnisch zal zijn.

Die cutting table: (Bron: http://www.detail.de/artikel_photovoltaics-membrane-structures-jancremers_23673_En.htm)

Er is een verschil tussen assemblage van een onderdeel in een fabriek of seriematige productie van onderdelen zoals eerder besproken.

ETFE folie ETFE kan gesneden worden met een zogenaamde Diecutting table. ETFE is verkrijgbaar op rollen van 1,2m breedt. Dit betekend dat ETFE membranen binnen een paneel met elkaar verbonden worden. Dit is goed te doen en gebeurd eigenlijk in elk proces waarbij met ETFE folie gewerkt wordt.

59

ETFE van rol tot membraan (Bron: www.etfemembranes.com)

Afstandhouders Om de hoge aantallen van aluminium onderdelen te maken is er gekeken naar productietechnieken waarbij dit fabrieksmatig efficiënt gedaan kan worden. Er kan gekozen worden uit assemblage of een seriematige machinale productiemethode. Omdat de onderdelen qua vorm complex zijn, is assemblage door het lassen van diverse subonderdelen niet voordehand liggend. Er moet gestreefd worden naar een machinale manier, waarin grote hoeveelheden aan de lopende band geproduceerd worden. Voor aluminium of andere staalsoorten, kan dit voor relatief kleine onderdelen goed gedaan worden door deze te gieten. Hierom is er een onderzoek gedaan naar verschillende gietmethoden. En dan wel de gietmethoden die geschikt zijn voor het maken van onderdelen met ronde vormen, hol / bol, een contravorm en aluminium. Eerst zal er per gietmethode een korte omschrijving gegeven worden welke afkomstig zijn uit het programma CES Edupack. Alle resultaten zijn tevens afkomstig uit dit softwarepakket. Niet alle gegevens van diverse methoden zijn volledig beschikbaar geweest. Vergeleken zal worden:

productiesnelheid -

-

Seriematige productie Of de methode geschikt en efficiënt is De kostprijs per onderdeel

60

Squeeze casting Een van tevoren gemeten gesmolten metaal wordt in een matrijs gegoten. De matrijs wordt gesloten en er wordt druk op gezet totdat het metaal gesolideerd is. Doordat de metaalhoeveelheid precies gemeten wordt kan er geen krimp ontstaan. Het voordeel van deze methode is dat de dimensies en toleranties van complexe te gieten onderdelen heel precies is. Massief en hol is in 3D mogelijk.

Low pressure die casting Bij deze manier van gieten wordt er onder lage druk verticaal vloeibare metaal in een matrijs gespoten. Gematigde complexiteit van vormen is mogelijk, wordt het complexer dan stijgen de productiekosten enorm. De kostprijs van de benodigde gereedschappen zijn de helft van die gebruikt worden bij high pressure die casting. Deze methode is uitsluitend geschikt voor metalen met lage smeltpunten zoals aluminium. En het meest geschikt voor lage oppervlak / volume ratio. De methode kent geen continue productie, waardoor het een relatief lage methode is. Centrifugally-aided casting Bij deze gietmethode wordt er gebruik gemaakt van een draaiende molen. In het centrum wordt het vloeibare metaal gegoten. Daaromheen draaien meerdere van dezelfde mallen rond, welke allen gevuld worden. De productiemethode is geschikt voor permanente of niet-permanente mallen. De kwaliteit van het te gieten product is erg afhankelijk van de molenarm afstand ter opzichte van het gietpunt in het centrum. Deze methode is erg groots en hierom het meest voorkomend en geschikt voor extreme productiehoeveelheden van dezelfde onderdelen. Shell casting Een mix van thermohardende hars en fijn zand wordt verhit op een metalen mal. Totdat het zand een patroon aanneemt wat een mal maakt van 10mm dik. Twee losse helften worden samengevoegd. Hierdoor zijn de kosten voor benodigdheden om een goede mal te maken relatief duur. Deze mal is dan wel geschikt om maximaal vijfduizend onderdelen mee te maken. De mallen kunnen vrij complex gemaakt worden. Hierbij kunnen gaten, uitsparing en details prima opgenomen worden. Deze methode is relatief goedkoop. High pressure die casting Een gesmolten metaal wordt bij High Pressure Die Casting onder hoge druk in een mal geïnjecteerd. Waarna twee malhelften geopend worden en het gegoten onderdeel daaruit gehaald wordt. Deze twee malhelften worden doormiddel van klemmen tijdens het gietproces bij elkaar gehouden. Omdat deze manier van gieten contact maakt met een stalen mal, is het niet geschikt voor zinklegeringen. Deze manier van gieten onderscheid zich doordat zeer dunne wanddikten gegoten kunnen worden.

61

Squeeze casting Productiesnelheid: Efficiëntie: Relatieve kosten:

15-60 per uur 1000 stuks 21 - 23 Euro per stuk

Low pressure die casting Productiesnelheid: 3-15 per uur Efficiëntie: 1000 stuks Relatieve kosten: 24 - 48 Euro per stuk

Centrifugally-aided casting Productiesnelheid: 1-200 per uur Efficiëntie: 100 stuks Relatieve kosten: 17 - 93 Euro per stuk

Shell casting Productiesnelheid: Efficiëntie: Relatieve kosten:

5-50 per uur 19 - 35 Euro per stuk

High pressure die casting Productiesnelheid: 20-600 per uur Efficiëntie: 5000-10000 stuks Relatieve kosten: 18-23 Euro per stuk

62

Conclusie Uit dit onderzoek is gebleken dat de high pressure methode pas efficiënt wordt bij hele grote hoeveelheden. Dit komt hoofdzakelijk door de dure benodigde matrijs. Centrifugally casting is ook niet direct een geschikte methode. Deze methode is snel, maar er moeten meerdere mallen gemaakt worden, waardoor de stuksprijs ook hoger ligt. Er is tevens geen noodzaak om voor een dergelijk product als dit meerdere mallen te maken. De overige drie methoden; spueeze casting, low pressure casting en shell casting zijn geschikt. Squeeze casting is het meest goedkoop en het snelst. Een methode wat vaak toegepast wordt voor lichte en relatief kleine objecten. Echter kan deze methode geen wanddikten dunner dan 6mm produceren. Voor dit product moet er gestreefd worden naar dunnere wanddikten, wat het productonderdeel efficiënt en licht van gewicht houden. Shell casting is mogelijk vanaf 2mm dikte en is goedkoper en sneller als low pressure casting. Hierdoor kan er voor het fabriceren het best uitgegaan worden van deze gietmethode. Economisch is shell casting rendabel bij ca. achthonderd stuks. Wat redelijk in de buurt komt bij het aantal te maken afstandhouders voor het zwembad Jengu Sawa. Shell casting kan daarnaast 3d complexe buisvormen in aluminium goedkoop en snel produceren.

Bron: www.custompartnet.com

Bron: http://www.qmmc-wisdom.com/products_metal_castings.html

63

Kederprofielen De kederprofielen kunnen gegoten worden van het materiaal polychloroprene rubber. Deze rubber is geschikt voor extrusie. Het profielen kan op deze manier seriematig in kilometers gegoten en geëxtrudeerd worden. Hiermee blijft dit een rendabel subproduct.

Materiaal polochloroprene rubber Bron: http://www.polychloroprene rubber/tveldhuis

64

Opbouw Nu de materialen en productiemethodieken onderzocht zijn kan gekeken worden naar de opbouw van een element. Dit begint bij het geperforeerde ETFE folie waar rubberen manchetten in gedaan worden. Om de sluiting van membraan en afstandhouders waterdicht te maken.

65

De aluminium afstandhouder bestaat uit een serie onderdelen. Een binnenbuis met een draaidop en een serie buitenbuizen die de ETFE membranen op afstand ter opzichte van elkaar houden. Door een enkele schroefverbinding in kan het systeem op een bepaald punt in elkaar gezet worden. Alle onderdelen zijn zo ontworpen dat de manchetten als het ware in een sponning vallen. Hierdoor kunnen de membranen niet gaan schuiven en is luchtdichtheid gegarandeerd.

66

Binnenbuis + buitenbuizen +Schroefdop

Binnenbuis + beidde buitenzuizen

Binnenbuis + ondersten buitenbuis

Binnenbuis

De opbouw van het element. Doordat de ETFE membranen verschillende afmetingen hebben kan het element dubbel krommen. De randen worden gedicht door vulkaniseren. Er moet gelet worden dat de pezen onder de kracht niet uit het element getrokken kunnen worden.

67

Fysisch ontwerp Het fysische ontwerp geeft een grote relatie tussen de werking van dit te ontwikkelen systeem en het zwemparadijs waarvoor het gebruikt wordt. Natuurlijk licht brengt sfeer voor een ruimte, het dak moet zo opgebouwd zijn dat de juiste hoeveelheden licht op verschillende plaatsen doorgelaten worden of juist niet. Het is daarnaast ook belangrijk hoe de technische output, praktisch en in het echt zal werken. Qua hoeveelheid lichtinvallen moeten er contrasten gerealiseerd worden. Het is belangrijk dat deze contrasten ook gerealiseerd kunnen worden, reëel zijn en invloed krijgen op een ruimte. Qua klimaat en energie is er vanuit het architectonisch ontwerp een vraag gedaan naar bijdrage aan behaaglijkheid en energiebesparing doormiddel van het dak. Er zijn een tal klimaatconcepten tot stand gekomen welke behandeld worden. Deze concepten vormen een integratie met het daglichtconcept en zullen daarom samen geïntegreerd behandeld gaan worden. Het klimaatsysteem is doorgerekend om te onderzoeken hoe rendabel het daadwerkelijk is. Daarnaast vormt deze studie een output, in de vorm van de benodigde dimensies, hoeveelheid benodigde ventilatie en warmtewinst. De output van dit hoofdstuk vormt een integratie met de andere ontwerponderdelen uit de totale studie. Hiermee wordt de constructieopbouw, materiaal en mechanische werking bedoeld.

68

Daglicht Vanuit het lichtontwerp van lichtbubbels is er een technische studie gedaan om deze lichtbubbels te ontwikkelen. Het dakvlak bestaat uit twee delen, de licht doorlatende bubbels en het resterende duistere dakvlak. De lichtbubbels zullen zoveel mogelijk direct daglicht door het dakvlak moeten laten en het resterende dakvlak zal licht tegen houden om de lichtcontrasten binnen het gebouw te ervaren. Er zijn verschillende technieken om deze licht contrasten te ontwikkelen. Er kan gedacht worden aan een verschil in materialisering, kleur of opbouw. De architectuur en het technisch te ontwikkelen product streeft naar een materialisering die zich over het hele dak doorzet, namelijk ETFE. Zouden we denken aan een contrast in materialen, dan geeft dit technisch veel problematieken met zich mee. ETFE heeft technische mogelijkheden die afgestemd zijn op dit product en is niet direct geschikt voor verbinding met andere materialen. De architectuur vraagt om een zuiver

‘wateroppervlak’, wat zich over het gehele dakvlak visueel doorzet en toch een lichtcontrast opleverend. Een geschikte mogelijkheid om licht tegen te houden is de toepassing van stippen die geprint zijn op een ETFE folie. Deze stippen reflecteren het licht terug naar buiten in plaats van dat het licht doorgelaten wordt. Deze techniek is technisch goed realiseerbaar, relatief goedkoop en voornamelijk effectief om licht tegen te houden. Daarbij gaat de gewilde aaneenschakeling van transparant ETFE materiaal (wat water voor stelt) niet verloren en vormen er technisch geen onnodige problematieken. ETFE kan daarnaast ook in verschillende kleuren verkregen worden, zodat er helemaal geen licht meer toetreedt, maar dit is in deze studie geen gewenste eis.

Lichte ruimte

Duistere ruimte

Bubbels - (3 lagen transparant ETFE) LTA = 95% - Bolle panelen

69

Overige dakvlak: - Stippen op ETFE!

Bij een studie naar blindering door stippen is het van belang te kijken naar hoeveelheid en grootte van de stippen per vierkante meter. Er is gebleken dat de grootte van de stippen weinig invloed heeft. Dit kan gezien worden in de eerste en de tweede variant op bovenstaande afbeelding. De verhouding tussen stippen en onderlinge afstand is hetzelfde waardoor het aantal stippen veranderd maar de hoeveelheid lichtdoorlaat verandert procentueel niet. Vervolgens kan er in de laatste drie varianten door stippen van zes centimeter in diameter toe te passen gevarieerd met onderlinge afstand.

Respectievelijk levert dit een lichtdoorlaat van 71, 51 en 30% op. Dit betekend dat het resterende lichtdeel tegengehouden wordt. Voor deze studie is er tevens rekening gehouden met de LTA factor van 95% in een ETFE membraan. Dit betekend dat als licht door een ETFE laag moet gaan, 5% van het licht geabsorbeerd wordt. In verhouding tot glas is ETFE dus erg transparant. Op basis van deze gegevens is er een studie gedaan die op het te ontwikkelen product, dit zal op de volgende pagina verder toegelicht worden.

Het daglicht contrast wordt verzorgd door de stippen die op het ETFE folie geprint zijn. Voor de ontwikkeling van dit product is er een sub-studie gedaan naar de hoeveelheid stippen om voldoende daglicht contrast binnenin een gebouw op te wekken. Er is getest met een stipafstand van h.o.h. 50 – 90 en 130mm. Daarbij is er van een stipdiameter van 40mm uitgegaan. Er is een analyse gedaan door de verschillende stippatronen te testen in Autodesk Ecotect. Een studie van gemaakte modellen visualiseert het te verkrijgen effect op ware grootte.

70

Het duistere dakvlak (A) is uitgerust met vier lagen ETFE waarvan een stippen-laag als derde membraan van buiten. De reden hiervan is klimaattechnisch en zal in de volgende paragraaf besproken worden. De lichtbubbel bestaat uit drie membranen zonder laag folie met een geprinte stippenlaag. De lichtbubbels laten in totaal 85% van het daklicht door. De duistere panelen laten afhankelijk van de stippenverdeling respectievelijk 59,8 , 40,9 en 22% van het licht door. Dit houdt wel in dat het paneel naar mate er meer stippen zijn minder transparant is. Om te kunnen bepalen of een paneel met 22% lichtdoorlaat niet te wit is i.p.v. waterachtig transparant zijn er modellen gemaakt om dit te testen. Het voordeel is dat deze stippenlaag niet helemaal aan de buitenkant ligt, maar als derde laag binnenin het paneel zit. Uit de gedane studie van gemaakte modellen blijkt dat de hoeveelheid stippen bij 22% lichtdoorlaat aardig groot is, maar dat dit wel het beste werkt om binnen dit gebouw het beste lichteffect te verkrijgen. Er is een mogelijkheid om qua kleur modificaties te doen om de stippen rustiger en beter over te laten komen binnen de panelen. Hierbij is aluminium wat spiegelt een goed werkende optie. Ook kan kleurmodificatie voordelen bieden dit op andere vlakken.

71

Locatie: Nederland Amsterdam

Summer solar study Day: 01-06-2011 Time: 11.00

Summer solar study Day: 01-06-2011 Time: 14.45

Summer solar study Day: 01-06-2011 Time: 22.00

Om in te kunnen schatten hoeveel effect de lichtbubbels in het te ontwerpen zwemparadijs gaan hebben is er een digitaal studiemodel gebouwd. Het model houdt rekening met de locatiegegevens van Amsterdam, maar wel de goede oriëntatie ter opzichte van de zon. De positie van de bubbels zijn middels een ruimtelijke architectuur studie alvorens in dit model bepaald. Er kan technisch bekeken worden hoe het licht op verschillende dagen en tijdstippen binnen valt. Daarnaast kunnen de verschillende transparantiewaarden per materiaal ingevoerd worden zodat de output uit de berekening doorgevoerd kan worden naar architectonisch ontwerp. Op deze wijze is er voor deze studie een herhalende schakeling geweest tussen architectonisch ontwerp en de techniek die als adviesbureau ontwikkeld wordt.

72

Dit zijn twee voorbeelden van ruimtes die getest zijn binnen het zwembad. De linker afbeelding geeft een ruimte met grote lichtbubbels weer. Hier wil de architect grote architectonische bubbels met veel licht. De positie van de bubbels is geoptimaliseerd zodat het licht gedeeltelijk op de betonnen achterwand en vloer valt, maar ook het water mooi oplicht. De rechter afbeelding laat een andere ruimte zien. Deze ruimte ligt hoger in het gebouw, heeft daardoor een lager dak en ondiep water voor een spannend waterspeeltoestel. De ruimte moet spannend gemaakt worden door een tal kleine lichtbubbels. De bubbels zijn voldoende uitgespreid om een mooi patroon van natuurlijk licht over de ruimte te vormen. Het natuurlijke licht wordt gecombineerd met kleurrijke kunstlichten die reflecteren in het niet transparante deel en de koraalachtige constructieve structuur. Om zo een integratie van licht constructie en ruimte te maken voor een ware beleving van een koraalrif.

73

Klimaatontwerp

Ventilatie binnen de zwak geventileerde spouw zorgt voor afzuiging van warme lucht tijdens de warme maanden in het jaar. Hierdoor krijgt het gebouw een natuurlijke koeling en kan er ook in de warme maanden een behaaglijk klimaat verkregen worden. De warme lucht binnenin het gebouw stijgt op en verzamelt zich door openingen in het dak in de luchtspouw. Doordat kleppen aan de buitenkant mechanisch kunnen openen kan de warme lucht natuurlijk afgezogen worden.

In de koude maanden stijgt de warme lucht ook op en het verzamelt zich in de luchtspouw. Deze lucht wordt door de zon binnen de spouw extra opgewarmd door de zon. In de hoogste punten waar zich tevens de te openen kleppen bevinden, komt een mechanische afzuiging die deze lucht afzuigen. De warmte van deze afgezogen lucht wordt door warmteterugwinning hergebruikt om de aanvoer ventilatielucht extra op te warmen.

Licht Ventilatie

De studie naar licht en stippen heeft geleid tot een toevoeging van een membraan met stippen. De stippen reflecteren zonlicht terug op een zwak geventileerde luchtspouw in het dak. Tevens reflecteert het zonlicht op geïntegreerde zonnecollectoren die zich in het dak bevinden. Op deze wijze wordt de energie van het zonlicht wat bewust buiten het ontwerp gehouden wordt, toch dubbel gebruikt.

Concept: Er wordt in dit zwembad gestreefd naar een behaaglijk tropisch zwemklimaat. Het dak helpt om het gebouw op te warmen middels de zon en energie terug te winnen. Het dak omvat een combinatie van een geventileerde luchtspouw en zonnecollectoren. Opstijgende lucht die door de zon opgewarmd wordt, wordt teruggewonnen. Zonnecollectoren zorgen voor na-verwarming van zwemwater.

WTW

De klimaattechniek is een belangrijke schakel binnen het productontwerp en is als geheel geïntegreerd met de studie naar licht, constructie en mechanica. De doelstellingen en de concepten zijn reeds behandeld. De drie concepten die energetisch en klimaat technisch ontwikkeld zijn voor dit product zijn:

74

De klimaatconcepten zijn doorgevoerd in een detailschema van bouwkundige aansluiting. Dit schema geeft weer hoe dit technisch werkt. Door de klimaat- en energie studie is er gekozen te werken met twee verschillende knopen (de punten waar de kussens samen komen en worden gedragen). Dit komt omdat de toe- en afvoersystemen van water en lucht niet overal nodig zijn en tezamen teveel onnodige complexiteit teweeg brengen. Knoop A is kleiner van formaat, minder complex, maar komt vaker in het ontwerp voor. Knoop B is speciaal en komt alleen voor op de toppen van de lichtbubbels.

Knoop B: Is een grotere knoop. De knoop is uitgerust met een automatisch te openen klep, een ventilator voor luchtafzuiging naar buiten en een afzuigingskanaal van de warmteterugwinning. De klep draait zich automatisch langs een spiraal met een wig omhoog, zodat erbij het openen en sluiten geen wrijving is met harde winden. Doordat de knoop groot is, is er ruimte voor het afzuigingskanaal.

Knoop A: Verzorgt de luchttoevoer naar de luchtkussens. Elk kussen heeft een afzonderlijke toevoer van lucht. Knoop A verzorgt de toevoer van glycol aan het zonnecollectorensystem. Deze knoop is van onderen open zodat de opstijgende lucht de luchtspouw binnen kan treden.

B

A

Er is een studie gedaan naar de hoeveelheid energie er daadwerkelijk opgewekt wordt. Er zijn een tal dingen van belang namelijk, de hoeveelheid zonne-energie om te weten hoeveel de lucht zal opwarmen, de dak grootte met bubbelverdeling, de ventilatiespouw grootte om te bepalen hoeveel lucht er opgewarmd wordt. Om te kunnen bestuderen hoeveel energie het dak door luchtopwarming terug gaat winnen is er eerst een zonstudie gedaan. Hieruit kan bekeken worden met hoeveel Watt per vierkante meter de zon bij bepaalde jaargetijden zal verwarmen. Er is gekozen om te rekenen in drie verschillende seizoenen met telkens andere zonnesterktes, dit kan gezien worden in een grafiekvoorbeeld (17maart) links op de afbeelding. Hieruit blijkt dat november 140W/m2, februari 200W/m2 en juli 600W/m2 warmte-energie oplevert. Het nadeel is dus eigenlijk dat de meeste energie in de zomerperiode opgewekt wordt, wanneer de warmte juist niet nodig is. Dit betekend dat de energieopbrengst in de winter minder is. Er kan gekozen worden om de zomerwarmte in de bodem op te slaan en in de winter her te gebruiken. Procentueel is de hoeveelheid opslag relatief klein dat er voor gekozen is de warmte in de zomer verloren te laten gaan. Dit gebeurd door deze lucht af te voeren via de kleppen naar buiten. Het totale dakoppervlak is ca. 5000m2, hiervan is 4200m2 niet transparant en 800m2 transparante lichtbubbel. De grote lichtbubbels voeren de lucht af en zijn daarom niet alleen op basis van het lichtconcept, maar ook klimaat-technisch zoveel mogelijk over het zwembad uitgespreid. Een ventilatieberekening heeft bepaald hoeveel lucht er geventileerd moet worden.

76

Warmte op stip Warmte door ETFE

Lichtbubbel

Seizoen (zonne-energie):

Duister paneel

De ZTA waarde van ETFE is 85%, dit betekend dat 85% warmte door een membraan gelaten wordt. Voor deze berekening is er een dubbel onderscheidt gemaakt (zie rode tekst in afbeelding). Het eerste verschil is het paneel. Dit verschil ligt tussen duister en licht. Het duistere paneel bevat stippen welke de warmte terug reflecteren in de spouw, de lichtbubbels zijn volledig transparant. Daarnaast moet het duistere paneel opgesplitst worden in de stippen en het membraan waar zich geen stip bevind. Het effect van de stippen levert dus een nieuwe parameter voor deze berekening. De andere parameter is de hoeveelheid zonne-energie zoals reeds besproken gerekend in nov., febr., en juli. De twee verschillende panelen zijn doorgerekend op hoeveelheid warmte die procentueel het gebouw direct binnentreedt en de hoeveelheid warmte die achterblijft in de luchtspouw. Het blijkt dat hoe meer stippen het ETFE bevat, hoe meer warmte er in de spouw blijft. Dit verschil is in november 40 W/m2 bij een stippen verschil tussen van ca. 40%. Bij de lichtstudie is ook gebleken dat een grote stiphoeveelheid een gunstig resultaat biedt. De lichtbubbels houden weinig warmte tegen in de spouw (25W/m2), ca. 83% treedt het gebouw binnen. Bij de duistere panelen is dit afhankelijk van de hoeveelheid stippen. Dit ca. 84W/m2 bij een maximaal aantal stippen. Deze studie heeft bepaald hoeveel warmte er totaal opgevangen wordt in de luchtspouw. Met deze gegevens kunnen de totale warmtehoeveelheden omgezet worden in energetische winst.

77

De totale warmtehoeveelheid is over het gehele dakvlak opgeteld en komt neer op; 372800W in de winterperiode en 831600W in de zomerperiode. Daaruit is berekend hoeveel de lucht op kan warmen in tien, twintig en dertig minuten. Dit heeft te maken met hoe vaak de lucht in de spouw ververst gaat worden . Door zes keer per uur te verversen kan er een grotere hoeveelheid lucht afgezogen worden, dan wanneer dit bijvoorbeeld twee keer per uur zou gebeuren. Er is berekend dat wanneer de geventileerde lucht 10min. zal opwarmen dit een warmte zal bereiken van zo’n 95oC in februari (dit is exclusief de transmissie). Het zwembad waarvoor dit daksysteem ontworpen wordt is groot en heeft een grote hoeveelheid ventilatie nodig. De lucht wordt mechanisch door luchtkanalen rechtstreeks uit het gebouw afgezogen, een resterend deel via kanalen naar de luchtspouw van het dak. Procentueel is het niet realistisch als deze luchtspouw maar twee keer qua lucht ververst wordt. Dit is dan zo weinig lucht ter opzichte van de totale ventilatiebehoefte dat het effect van warmte terugwinnen nauwelijks zal werken. Zes keer ventileren van de luchtspouw geeft een totale luchthoeveelheid van ca. 18% van alle ventilatiebehoefte. De totale warmtehoeveelheid is groot en meer dan voldoende om dit systeem door zonopwarming te laten werken. In de zomer is er zoveel zonopwarming dat de luchtspouw gebruikt wordt om de lucht via de kleppen af te zuigen. Er is nog een gedeelte warmteverlies (transmissie) naar binnen waar het 300C is en naar buiten ca. 50C rond februari. De formule om de transmissie te berekenen bevat bij de spouwopwarming een variabele voor het volume van de lucht. Hieruit is doorgerekend hoe hoog de luchtspouw zal worden. Dit komt neer op zo’n 43cm hoogte. Wat reëel is als maat om toe te passen voor het kussen systeem. Omdat de daarboven liggende constructieve laag ook al hoogte heeft, wordt het totale dakpakket zo’n 95cm hoog.

78

Deze studie heeft tot een viertal licht- en klimaatconcepten geleid die met elkaar geïntegreerd zijn in een daksysteem. Het essentiële voordeel wat dit systeem opgeleverd heeft zijn: -

-

Energie winst doormiddel van ventilatie en zonnecollectoren. Lichtinvloeden kunnen per ruimte geregeld gaan worden, middels de lichtbubbels. Zonnewarmte en licht kunnen buiten de ruimte gehouden worden, terwijl de energie hiervan toch zo optimaal mogelijk gebruikt kan worden. Stippen op ETFE worden driedubbel gebruikt. Allereerst om licht te weren, daarnaast om zonlicht te reflecteren op de zonnecollectoren. Als laatste wordt warmte van de zon niet het gebouw binnengelaten maar zoveel mogelijk in de luchtspouw gehouden.

Essentieel nadeel: -

Het systeem kost veel geld. Naar verwachting zou het qua energiewinst meer opleveren, dan de cijfers uit de resultaten van deze studie.

Om een conclusie te kunnen trekken uit dit systeem is er een grove berekening gemaakt naar energie winst. Deze berekening bepaalt hoeveel kWh er per jaar opgeleverd wordt door de extra warmteterugwinning vanuit de geventileerde luchtspouw. Uit de berekening komt een geldbedrag van 1880Euro per jaar aan winst. Dit staat gelijk aan ca. 500 zwemtickets. Oftewel vier dagen extra open per jaar. Het resultaat van geldwinst wat op deze wijze berekend is, is niet heel groot. Maar dit is alleen een globale output op basis van getallen, terwijl er natuurlijk ook gekoeld wordt, extra warmte en lichtinvloeden geregeld worden vanuit dit geïntegreerde systeem. Daaruit kan geconcludeerd worden dat de winst naar eigen mening veel groter zal zijn. Hier zou meer en dieper onderzoek naar gedaan kunnen worden.

79

leidingen worden verbonden aan de afstandhouders zodat de vloeistof (glycol) langzaam naar beneden stroomt. Met een pompje wordt de vloeistof constant gecirculeerd door de panelen. Dit zodat de vloeistof constant rond stroomt en steeds meer kan opwarmen. Er is voor vijf of zes panelen een centrale warmtewisselaar, waar een retour en aanvoer leiding aan zit. Deze leidingen kunnen inwendig via de constructie naar de installatieruimte lopen. Er moeten speciale klemmetjes gemaakt worden om de zonnecollectoren aan de afstandhouders te monteren.

Zonnecollectoren De zonnecollectoren is een ander issue dan het ventilatiesysteem. De zonnecollectoren worden in de duistere panelen toegepast zodat het buizensysteem invloed krijgt op het natuurlijke licht. De stippen op de panelen laten zonlicht terug reflecteren op de zonnecollectoren. Dit zorgt dat de leidingen eigenlijk dubbel door de zon beschenen worden en dus efficiënter kunnen werken. De leidingen moeten zwart zijn om zonnewarmte te absorberen. De zonnecollectoren worden ook alleen toegepast op punten waar vijf of zes holle panelen samenkomen. De

80

Koudebruggen in de afstandhouder Als er geen rekening gehouden wordt met koudebruggen dan zou dit betekenen dat alle warmte en energie verloren zal gaan via de afstandhouder. Er zijn een drietal mogelijkheden om te zorgen dat deze koudebrug onderbroken wordt. Een inwendige kunststof schroefhuls, een isolerende sluiting bovenop de afstandhouder gemonteerd, of een kunststof onderbreking in de afstandhouder.

Een dergelijke oplossing moet duurzaam zijn, in de zin van dat niet om de vijf jaar een afsluiting kapot gaat door de zon. Vandaar dat optie twee eigenlijk afvalt. Het geeft teveel moeilijkheden met water wat zich op kan hopen of de zon. Oplossing 1 en 3 zijn beide mogelijk. Maar oplossing twee geeft krachttechnisch minder problemen. Als de hele afstandhouder onderbroken moet worden komt hier teveel kracht op te staan.

81

Knopen De echte problematiek draait eigenlijk om de knooppunten. Er komen in de knoop kederprofielen en kussens bij elkaar. Dit kan fysische en op het gebied van waterdichtheid een zwak punt zijn. Voor dit systeem is er een speciaal element bedacht om te zorgen dat het knooppunt waterdicht en gemakkelijk te monteren is. Dit betreft een dubbele deksels als een soort bubbel rondom de kederprofielen. De knoopelementen moeten gegoten worden en zullen van aluminium gemaakt worden. De kederprofielen vallen in sponningen en de ETFE membranen welke tussen de kederprofielen zitten worden tussen de twee deksels geklemd. Door de twee deksel tegen elkaar te klemmen, is de knoop waterdicht en kunnen de kederprofielen niet gaan schuiven. Er is ook een ander voordeel. In de studie naar het kederprofiel is gebleken dat deze aan de uiteinden kunnen ritsen. Door de spatkracht wordt de pees aan het uiteinde uit het profiel getrokken. Dit knoopelement gaat dit effect tegen, omdat het kederprofiel rondom ingeklemd wordt.

82

Er is een opsplitsing gemaakt tussen de grote en kleine knopen. De afbeelding op deze pagina is omtrent de kleine knoop (B).

De stapsgewijze opbouw van knoop B. De kederprofielen komen met de luchtkussen elementen tezamen.

Er is voor deze knoop een stervormige drager ontwikkeld (volgens de architect een poliep). Aan de buitenzijde een stel tubes waar de kostenelementen met uitstekende pennen opgelegd worden. In het centrum een tube waar een staaf opgedraaid kan worden. Deze staaf fungeert als drager voor het knoopelement (waar de kederprofielen elkaar ontmoeten. De kederprofielen aan de onderzijde worden op een andere wijze aan de dakdrager verbonden. Dit gebeurt met een soort open armen waarin de kederprofielen omsloten worden (2). Dit heeft te maken dat hier geen waterdichtheid geëist wordt, maar wel een ventilatieopening voor de luchtspouw verwacht wordt.

1.: De dakdrager waarop de kussenelementen door een pen gat verbinding worden verbonden.

Er moet opgelet worden dat er verschillende hoeveelheden kussens bij elkaar komen, waardoor er zowel stervormige dragers met vier, vijf, zes en zeven armen gemaakt moeten worden. Een toevoeging voor een toekomstige opdracht is te werken met een universele drager.

4.: De kederprofielen zijn samengebracht in een ellips vormig element (1) wat de kederprofielen en membranen samendrukt en hierdoor waterdicht afsluit.

2.: De enkele membranen worden via de kederprofielen aan de dakdrager verbonden (2). Dit is een open verbinding om ventilatie lucht toevoer richting de luchtspouw mogelijk te maken. 3.: Een verticale staander wordt op de dakdrager geschroefd. Hierop wordt het water dichtende knoopelement (1) verbonden .

Knoop B: 1.

2.

3.

4.

83

Dit is een detail waar de kleine dakdrager verbonden is aan de dragende constructieve structuur. De kleine knoop heeft een viertal functies: A Bij elkaar brengen luchtkussens opgebouwd uit 4 membranen ETFE

A

D

B

Water toe - of afvoer naar zonnecollectoren

C

Aanvoer lucht naar ETFE kussens

D

Ventilatietoevoer aan de luchtspouw

De verschillende toe- en afvoeren zijn bewust van elkaar gescheiden (knoop A en B). Dit zodat er niet teveel systemen door relatief klein punt getrokken hoeven te worden. De stervormige dakdrager is in drie richtingen verdraaibaar om de goede richting ten opzichte van de kussens in te stellen (zie pijlen). Op de bovenzijde van de knoop is een oog gemaakt om een monteur zich aan te laten bevestigen bij reparatie van het dak.

C B

84

5.

5. 1.

2. 3.

4. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Automatische klep om spiraal ETFE paneel Waterdichting Luchtafvoer spouw Grote dakdrager als visueel element Lamp

Knoop A is het knooppunt op de toppen van de bubbels. Deze knoop is complexer, maar komt slechts acht keer voor in het gehele gebouw. Het ontwerp van deze knoop is visueler en groter van opzet, door de ventilator en de te openen klep die het bevat. Eigenlijk is de opzet hetzelfde als knoop B, maar is het element wat de kederprofielen insluit groter. Hierin wordt een motor en ventilator opgenomen. De klep wordt tegengehouden met een wig en opent zich langs een spiraal (1). De luchtkussen hoeven in deze knoop niet voorzien te worden van luchttoevoer (dit gebeurd in knoop B). Verder bevat dit knooppunt wel een afvoer van de ventilatielucht uit de spouw. Er wordt tenslotte een lamp gemonteerd om ‘s avonds spannende gekleurde lichteffecten uit het gebouw te geven.

85

Conclusie Praktische conclusie Een echte conclusie kan getrokken worden door het maken van een model. Dit geeft praktisch de proef op de som en laat zien of alles wat voorgesteld is daadwerkelijk zou kunnen werken. Uit dit bouwproces is gebleken dat het systeem van afstandhouders en folie goed te maken is. Hieruit is wel gebleken dat de pezen lastig te bevestigen zijn, hoewel dit in een fabriek hoogstwaarschijnlijk makkelijker werkt.

Er moet ook op gelet worden dat de pezen niet van het kussen afscheuren. Er is nog geen test gedaan of het kussen in de juiste vorm blijft door het op te pompen. De reden is dat er in dit model geen horizontale spatkrachten geleverd kunnen worden die het kussen in de juiste vorm kunnen trekken. Deze conclusie geeft praktisch weer wat er zoal bij kan komen kijken. Het beste is dat er in een fabriek een echt model 1:1 gebouwd zal worden.

86

Theoretische conclusie Voor deze studie was de vraag een daksysteem te ontwikkelen voor het Jengu Sawa zwemparadijs wat gebouwd zal worden in Schoteroog Spaarnwoude. Er is in deze studie gekomen tot een opblaasbaar dakpaneel gemaakt van ETFE folies en aluminium afstandhouders. Een vernieuwde variant van het ETFE luchtkussen systeem, geïnspireerd op de aquaball. Constructie, licht, klimaat en materialen zijn op wens van de architect integraal op elkaar afgestemd binnen dit systeem. Per onderdeel zijn er binnen dit rapport al conclusies getrokken welke hieronder kort opgesomd zullen worden: -Structuur: Een studie naar de constructie en lichtspeling van het kussenpaneel heeft geconcludeerd dat driehoekige panelen het beste werken.

bubbels toegepast terwijl het resterende dakvlak juist licht tegenhoudt. Gedaan door stippen op het ETFE membraan te printen. Een techniek welke vaak toegepast wordt. Dit geeft een soort lichtspots in het zwembad. De bubbels laten ca. 80% van het licht door het resterende dakvlak ca. 35%. Uit de diverse deelstudies is gebleken dat het mogelijk is deze met elkaar te integreren in een ETFE kussenelement met een dikte van ca. 90cm. Er zijn voordelen en nadelen van dit systeem: -

-Constructie: Mogelijk een dakpaneel te maken van max. 6m overspanning. 4,5m Overspanning is voor dit systeem het beste toepasbaar wegens een te beperken constructieve kussenhoogte van 4,5m. -Klimaat: Een geventileerde luchtspouw is toegepast om lucht door de zon extra op te warmen. Het bleek dat het een goed toepasbaar systeem is, maar de rendabiliteit valt tegen. Er zijn zonnecollectoren toegepast om het zwemwater extra te verwarmen. -Licht: De architect vroeg te gaan spelen met variatie in natuurlijke lichtdoorlaat. In dit systeem is er een structuur van lichtdoorlatende

-

Nadelen: o Er zijn veel constructief dragende punten nodig om alle kussenelementen telkens onder de hoeken te kunnen ondersteunen. Dit komt omdat mogelijke grootte van het kussenelement minder groot mogelijk is dan vooraf verwacht. o Knopen zijn complex en bevatten vele verschillende onderdelen. o De energie die de geventileerde spouw oplevert is minder dan verwacht. Voordelen: o Dit systeem is slim, duurzaam en een vernieuwend systeem voor complexe opgaven zoals in deze gesteld. o Het systeem is dubbel gekromd en in voor verschillende vormopgaven toepasbaar. Wel is dit afhankelijk van de constructie waarover dit daksysteem toegepast wordt.

87

De hoofdvraag: Wat heeft dit systeem voor invloed gehad op het ontwerp?

Veranderingen Structuur van vlakken en bubbels: Deze studie heeft het dakvlak een spel van bubbel s gemaakt. Duurzaamheid: Slimme duurzame systemen zijn toegevoegd. Een ventilerende luchtspouw en zonnecollectoren. Vergroting constructie door belasting: De constructie is visueler geworden door de extra dikte. Ruimtelijke effecten en spanning door licht: Spannende lichteffecten geven extra gevoel van beleving door licht.

Voorlopig ontwerp

Invloed door techniek

88

Verdeling in vlakken: De verdeling van vlakken en kederprofielen geeft meer spanning en waterachtig effect.

Versterking door productontwikkeling.

JenguSawa

Tim Veldhuis juni 2011

Literatuurlijst Saarinen, V.; Karesoja, M.; Kallio, T.; Paronen, M.; Kontturi, K., 2006-09-01, Characterization of the novel ETFE-based membrane Merode, S. van; 2010, Kimaatbeheersing en daglichttoetreding van maximaal transparante plastic constructies met grote overspanningen. Vries, J.W.J de, 2003, Tensile foil Ir. Ham, E. van der; Dr. Ir. Timmeren A. van; Turrin Arch. M.; ETFE - Solar energy and daylight transmittance, 1st Preliminary Report

LeCuyer A.; 2008 Birkhauser Verlag AG, ETFE Technology and Design, Berlin