Toepassing van Vacuum Insulation Panels in platte daken: mechanisch gedrag, thermische prestaties en praktische uitvoeringsrichtlijnen Pieter Snoeck
Promotoren: prof. Jan Moens, prof. dr. ir. Arnold Janssens Begeleider: Nathan Van Den Bossche Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. Pieter Uyttenhove Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2011-2012
Toepassing van Vacuum Insulation Panels in platte daken: mechanisch gedrag, thermische prestaties en praktische uitvoeringsrichtlijnen Pieter Snoeck
Promotoren: prof. Jan Moens, prof. dr. ir. Arnold Janssens Begeleider: Nathan Van Den Bossche Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. Pieter Uyttenhove Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2011-2012
VOORWOORD Het onderwerp van deze scriptie leek mij interessant om volgende redenen. Gebouwen zo goed mogelijk isoleren is een actueel thema, gezien dit een belangrijke stap kan betekenen in het reduceren van het energieverbruik en bijgevolg ook het broeikasprobleem. Daarbij is ook het persoonlijk voordeel niet onbelangrijk: van een investering in voldoende isolatie kan men later de vruchten plukken. Studenten bouwkundig ingenieur aan de Universiteit van Gent krijgen het vak „Bouwfysische aspecten van gebouwen‟. Dit opleidingsonderdeel onderscheidt zich van de andere opleidingsonderdelen in de zin dat deze leerstof niet meer verruimt of toegepast wordt in de masterjaren, in tegenstelling tot de studenten ingenieur-architect. Ook mijn interesse voor dit opleidingsonderdeel heeft een invloed op mijn keuze gehad. Dit betekende wel dat voor een aantal onderwerpen extra inspanningen nodig waren om mijn kennis uit te breiden. Ten slotte spraken het concept en het innovatieve van vacuüm isolatie mij aan, zeker wat betreft de mogelijkheden die deze bieden ten opzichte van klassieke isolatiematerialen. Allereerst wil ik mijn scriptiebegeleider Nathan Van Den Bossche bedanken voor het ter beschikking stellen van zijn grote wetenschappelijke en technische kennis en intellect, het onmiddellijk beantwoorden van al mijn vragen en voor zijn steun. Ik wil ook mijn promotor prof. Jan Moens bedanken voor de opvolging van mijn scriptie en de richtinggevende voorstellen, alsook voor zijn bevindingen uit zijn grote praktijkkennis. Daarnaast zou ik ook heel graag Peggy Van De Velde en Luc Heymans van Microtherm bedanken voor het voorzien van alle testpanelen, het beantwoorden van vele vragen en hun grote hulp met de proeven. Ook Guido Verschueren en Frederik Munters van Soprema wil ik bedanken voor hun bereidwillige medewerking en advies en het ter beschikking stellen van ruimte en allerhande materialen om de proeven uit te voeren. Ten slotte zou ik mijn ouders en zus willen bedanken voor de steun, hun (niet-technisch) advies en de logistieke middelen, mijn broer voor zijn regelmatige hulp en inspringen, mijn vriendin voor haar steun en advies.
I
De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. The author gives permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this master dissertation for personal use. In the case of any other use, the limitations of the copyright have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when quoting results from this master dissertation.
20 januari 2012 Pieter Snoeck II
TOEPASSING VAN VACUUM INSULATION PANELS IN PLATTE DAKEN: MECHANISCH GEDRAG , THERMISCHE PRESTATIES EN PRAKTISCHE UITVOERINGSRICHTLIJNEN PIETER SNOECK Promotoren: prof. Jan Moens, prof. dr. ir. Arnold Janssens Begeleider: Nathan Van Den Bossche Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. Pieter Uyttenhove Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2011 – 2012
SAMENVATTING VIP‟s (Vacuüm Insulation Panels) bestaan uit een microporeus kernmateriaal dat omhuld wordt door een gas- en waterdichte folie. Binnenin de folie creërt men een onderduk die naar vacuüm toe neigt. Dit systeem zorgt er voor dat VIP‟s heel goede thermische prestaties kan leveren. Er kan dus beter of dunner geïsoleerd worden. Deze prestaties worden echter enkel in stand gehouden als de inwendige onderdruk aangehouden kan worden. Dit betekent dat het van groot belang is dat de folie niet beschadigd raakt. Daarnaast zorgen aluminiumlagen in de folie en luchtlagen tussen VIP‟s voor een verhoogd koudebrugeffect. De toepassing in platte daken, buitenschrijnwerk en vloeren hebben een behoorlijk potentieel. In dit werk wordt gekozen dieper in te gaan op de toepassing in platte daken. Zowel in nieuwbouw als in renovatie kunnen deze hyperperformante materialen oplossingen voor specifieke problemen bieden. De belangrijkste mechanische schadeverschijnselen voor de folie worden opgezocht en onderzocht. Er wordt beoordeeld of deze inderdaad een bedreiging voor vacuümverlies zijn en zo ja welke maatregelen getroffen kunnen worden om VIP‟s veilig in een dakopbouw in te passen. -
VIP‟s bieden genoeg weerstand tegen verticaal neerwaarts gerichte lasten op een plat dak. Overlappen in het dampscherm mogen verwezenlijkt worden.
III
-
-
De bevestigingstechnieken van de afdichting die hoge temperaturen gebruiken worden best vermeden alhoewel VIPs in de praktijk veel meer weerstand bieden hiertegen dan verwacht, waardoor een zeker veiligheid gegarandeerd kan worden. Uit proeven op de windzuiging blijkt dat VIP‟s een minimale windweerstand van -3000 Pa hebben (op basis van visuele controle). Deze zal vermoedelijk nog een stuk hoger liggen.
Hierna worden de thermische prestaties bestudeerd van configuraties in het platte dak die het wegvallen van het vacuüm alsook het koudebrugeffect trachten te reduceren. Er wordt ook bestudeerd wat het effect is van een paneel dat lek is en wat ingeboet moet worden aan thermische kwaliteit bij het gebruik van standaardmaten. -
-
Zo kunnen VIP‟s bedekt worden met PUR-platen (De warmtegeleiding kan tot 9,0% dalen). Deze worden best enkel boven de VIP voorzien om het dunne isolatiepakketten te behouden. Een dubbele laag VIP‟s kan de warmtegeleiding doen dalen met 6,7% tot 14% en zorgt ervoor dat niet onmiddellijk de volledige thermische kwaliteit wegvalt als een paneel faalt. Bij de faling van een VIP stijgt de warmtegeleiding met een factor 3,7 à 3,8. Het risico op inwendige condensatie is enkel groter bij een dak met een betonnen dakvloer. Risico op oppervlaktecondensatie en de temperatuursfactor vormen geen probleem. Door het aanvullen van standaardmaten (600mm x 600mm, 900mm x 600mm, 1200mm x 600mm) met PUR-isolatie blijft de warmtegeleiding na veroudering nog gemiddeld meer dan 3,3 keer lager dan een volledige bedekking met PUR.
Uit bovenstaande onderwerpen en uit de literatuur worden uitvoeringsrichtlijnen opgesteld onder de vorm van een bestektekst. In deze uitvoeringsrichtlijnen wordt het beschermen van VIP‟s met PURisolatieplaten gepromoot, alsook het degelijk controleren van de ondergrond.
TREFWOORDEN Vacuüm Insulation Panel, uitvoeringsrichtlijjnen
het
platte
dak,
IV
mechanisch
gedrag,
thermische
prestaties,
EXTENDED ABSTRACT VIPs (Vacuum Insulation Panels) consist of a microporous core material enclosed by a gastight and watertight foil. Inside the foil, an underpressure is created which tends to vacuum. This system ensures that VIPs have a very good thermal performance. An insulation value of 5 to 10 times better than conventional insulation is no exception. Consequently VIPs insulate better or thinner. These benefits are only maintained if the internal pressure can be preserved. This means that it is important that the foil doesn‟t get damaged. In addition there is an increased thermal bridge effect caused by the aluminium layers in the foil, which is also reinforced by the good insulating properties of VIPs. The application in flat roofs, joinery and floors are applications with considerable potential. In this document is chosen to investigate the application in flat roofs into detail. VIPs offer solutions to specific problems in both construction of new buildings and renovation. The main symptoms of mechanical damage to the foil are investigated and are examined. It is evaluated whether it is indeed a threat to vacuum loss and if so, what are the measures that have to be taken to safely fit VIPs in a flat roof. -
-
VIPs offer enough resistance to vertical downward loads on flat roofs, both in terms of compressive strength, compression resistance and point load resistance. An overlap in the vapour barrier can be realized, it won‟t (in the short) damage the foil of VIPs positioned above this difference in height in the vapour barrier. Sunlight on a black roofing on top of a VIP can impose a high temperature on the foil. Theoretically this could cause damage. All the techniques for fastening roofing material that make use of high temperatures could better be avoided although the experimental tests reveal that VIPs show a much higher resistance to this type of high temperature application than what is theoretically suspected. PUR insulation on top of the VIPs can provide enough protection. Experiments show that VIPs have a minimal wind resistance of -3000 Pa (based on visual inspection). This resistance will probably be much higher after specialized research.
After describing the symptoms of possible damage and the measures that can be taken, the thermal performance of configurations that try to reduce the loss of the vacuum and the thermal bridge effect is studied. Also the effect of a panel that has a leak is analyzed and what has to be sacrificed on the thermal quality when standard sizes are used. -
VIPs can be covered with polyurethane plates to protect against failure and to minify the thermal bridge effect. It is better to place the PUR panels solely above the VIPs to maintain the thin insulation layer. Also the positive thermal effect of PUR panels above and below a VIP is minimal. The thermal conductivity can decrease up to 9.0% compared to a nonprotected panel.
V
-
-
By applying a double layer of VIPs, the thermal conductivity can drop by 6.7% to 14% and this ensures that the entire thermal quality doesn‟t disappear immediately if a panel fails. When a VIP (of a single layer) fails, the equivalent thermal conductivity increases by a factor 3,7 to 3,8. When using a double layer this conductivity raises with a factor 1,6 to 1,7 if one panel fails. Generally the risk of surface condensation will not be higher when there is loss of the vacuum; this also applies to the temperature factor. The risk of internal condensation is only higher in a roof with a concrete bearing floor, which can be reduced by utilizing extra conventional insulation on top of the VIPs (or to opt for a double layer of VIPs). Standard sizes (600 mm x 600 mm, 900 mm x 600 mm, 1200 mm x 600 mm) can provide rectangular roofs (without a perforation of the roof) of an average coverage of 93.4% to 97.7%. When the insulation layer is filled up with PUR insulation, the thermal conductivity (after aging) is on average still more than 3.3 times less than a full cover with PUR.
The topics above and experience described in literature lead to directives of execution (in the form of a specification text). In this directive the protection of VIPs with PUR insulation is promoted (protection from falling objects, protection against walking on the panels, protection against high temperatures, interesting for building physics), also the proper control of the layer on which the VIPs are positioned (preventing perforations of the foil) and, in order to enhance the safety, avoiding the direct application of the techniques to fasten roofing material that use high temperatures.
VI
INHOUD 1.
INLEIDING ............................................................................................................................................... 1 1.1.
KADER .................................................................................................................................................... 1
1.2.
VRAAGSTELLING EN WERKWIJZE ................................................................................................................... 2
2.
BEGINSELEN VAN HET WARMTETRANSPORT IN BOUWCONSTRUCTIES................................................... 4
3.
VACUÜM ISOLATIE PANELEN .................................................................................................................. 6 3.1.
BESCHRIJVING .......................................................................................................................................... 6
3.2.
VACUÜM ................................................................................................................................................. 7
3.3.
KERNMATERIAAL ....................................................................................................................................... 8
3.4.
FOLIE ...................................................................................................................................................... 9
3.5.
BEREKENING VAN HET WARMTETRANSPORT BIJ VIP’S ..................................................................................... 10
4.
ONDERZOEK NAAR TOEPASSINGEN MET POTENTIEEL ........................................................................... 13
5.
DE TOEPASSING IN PLATTE DAKEN ........................................................................................................ 15
6.
MECHANISCH GEDRAG .......................................................................................................................... 19 6.1.
VERTICAAL NEERWAARTS GERICHTE LASTEN OP DE PANELEN (ALGEMEEN). .......................................................... 20
6.1.1.
Druksterkte .................................................................................................................................... 23
6.1.2.
Samendrukbaarheid ...................................................................................................................... 24
6.1.3.
Weerstand tegen puntbelastingen ................................................................................................ 24
6.1.4.
Beproevingsmethodes en resultaten ............................................................................................. 25
6.1.4.1.
Samendrukbaarheid ............................................................................................................................ 25
6.1.4.2.
Puntbelasting ....................................................................................................................................... 27
6.1.5.
Conclusie en vergelijking met traditionele isolatiematerialen ...................................................... 28
6.1.6.
Opmerkingen ................................................................................................................................. 29
6.2. 6.2.1.
Beproevingsmethode ..................................................................................................................... 32
6.2.2.
Resultaten en conclusie ................................................................................................................. 34
6.2.3.
Alternatieven ................................................................................................................................. 35
6.3.
TEMPERATUURBELASTING ......................................................................................................................... 38
6.3.1.
de temperatuurbelasting door bezonning. .................................................................................... 38
6.3.2.
De temperatuurbelasting door een bevestigingstechniek ............................................................. 40
6.3.3.
Theoretisch gedrag en grenstoestanden bij hoge temperatuur .................................................... 42
6.3.4.
Theoretische bepaling van een te hoge temperatuurbelasting ..................................................... 45
6.3.5.
Beproevingsmethodes ................................................................................................................... 48
6.3.6.
Resultaten...................................................................................................................................... 50
6.3.7.
Conclusie........................................................................................................................................ 53
6.4.
7.
TOEPASSING VAN VIP’S T.H.V. EEN OVERLAP VAN HET DAMPSCHERM (UITBREIDING BIJ 6.1.) ................................. 31
WINDZUIGING ........................................................................................................................................ 54
6.4.1.
Beproevingsmethode ..................................................................................................................... 57
6.4.2.
Resultaten en conclusie ................................................................................................................. 61
THERMISCHE PRESTATIES...................................................................................................................... 63 7.1.
EFFECT VAN DE SCHIKKING VAN DE COMBINATIE VAN VIP’S MET TRADITIONELE ISOLATIEMATERIALEN ...................... 69
7.2.
EFFECT VAN EEN DUBBELE LAAG VIP’S ......................................................................................................... 75
VII
7.3.
Warmteverlies ............................................................................................................................... 80
7.3.2.
Condensatierisico .......................................................................................................................... 81
7.3.3.
Temperatuurfactor ........................................................................................................................ 87
7.4.
8.
EFFECT VAN DE FALING VAN EEN PANEEL ...................................................................................................... 80
7.3.1.
BEDEKKING EN WARMTEVERLIEZEN BIJ HET GEBRUIK VAN STANDAARDMATEN. ..................................................... 88
7.4.1.
Werkwijze ...................................................................................................................................... 88
7.4.2.
Resultaten...................................................................................................................................... 90
7.4.3.
Conclusie........................................................................................................................................ 92
7.4.4.
Opmerking ..................................................................................................................................... 92
UITVOERINGSRICHTLIJNEN.................................................................................................................... 94 34.1X. ISOLATIEPLATEN – VACUÜM ISOLATIE PANELEN – MICROTHERM® SLIMVAC .......................................................... 95 Materiaal ..................................................................................................................................................... 95 Specificaties ................................................................................................................................................. 95 Uitvoering .................................................................................................................................................... 95
9.
CONCLUSIE ............................................................................................................................................ 99
BIJLAGEN...................................................................................................................................................... 102 BIJLAGE A: BUTGB-NOTA M.B.T. BEGAANBAARHEID PLATTE DAKEN ............................................................................... 102 BIJLAGE B: DIKTE VAN DE TESTPANELEN BIJ EEN OVERLAP IN HET DAMPSCHERM ............................................................... 103 BIJLAGE C: BEREKENINGSDETAILS I.V.M. DE TEMPERATUUR ONDERAAN EEN PANEEL BIJ EEN ZWARE TEMPERATUURBELASTING .. 104 BIJLAGE D: TEMPERATUURVERLOOP EN SPANNINGS-REK DIAGRAM ............................................................................... 105 BIJLAGE E: IR-FOTO’S VAN DE PROEVEN VAN DE AFDICHTINGSTECHNIEKEN ..................................................................... 106 BIJLAGE F: FIGUREN EN TABELLEN BIJ 6.4 WINDZUIGING. ............................................................................................ 110 BIJLAGE G: BEREKENING VAN DE RELATIEVE KRACHTOPNAME IN DE FOLIE VAN EEN VIP ALS DEZE ONDERHEVIG IS AAN EEN TREKBELASTING. .................................................................................................................................................. 112
BIJLAGE H: BEREKENING VAN HET AANTAL PULSATIES OP BASIS VAN VERMOEIING............................................................. 113 BIJLAGE I: VERSCHALING VAN DE WARMTEGELEIDINGSCOËFFICIËNT IN HET SIMULATIEMODEL ............................................. 116 BIJLAGE J: WARMTEGELEIDBAARHEID BIJ EEN DUBBELE LAAG VIP’S T.O.V. EEN ENKELE ..................................................... 117 BIJLAGE K: TABELLEN EN FIGUREN BIJ FALING VAN EEN PANEEL ..................................................................................... 118 REFERENTIES ................................................................................................................................................ 119
VIII
LIJST VAN AFKORTINGEN EN SYMBOLEN Al APP ASTM ATG BKK BUtgb CAD CEN CG COP-waarde ECBCS EOTA EPB EPB EPBD EPS IEA MW PE PET PF PIR PUR SBS TV VEA VIP WTCB XPS
Aluminium Atactisch polypropyleen (plastisch) American Society for Testing and Materials Technische goedkeuring Binnenklimaatklasse Belgische Unie voor de technische goedkeuring in de bouw Computer Aided Design Europees comité voor normalisatie Cellenglas Centre of panel – waarde Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme European Organisation of Technical Approvals Geëxpandeerd perliet of energieprestatiebesluit Energieprestatieregelgeving Energy Performance of Buildings Directive Geëxpandeerd polystyreen International Energy Agency Minerale wol Polyethyleen Polyethyleentereftalaat Fenolschuim Polyisocyanuraat Polyurethaan Styreen-butadieen-styreen (elastisch) Technische Voorlichting Vlaams Energieagentschap Vacuum Insulation Panel Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf Geëxtrudeerd polystyreen
E [MPa] F [N] p [Pa] psat [Pa] q [W/m²] R [m²K/W] U [W/m²K] α [/°C of /K] α [W/m²K] ε [-]
Elasticiteitsmodulus Kracht Dampdruk Saturatiedampdruk Warmteflux Warmteweerstand Warmtedoorgangscoëfficiënt Lineaire uitzettingscoëfficiënt Warmte-overgangscoëfficiënt Rek
IX
λ [W/mK] λCOP [W/mK] λeff [W/mK] λequi [W/mK] σ [MPa] φ [-] Φ [W] ψ [W/mK]
Warmtegeleidingscoëfficiënt Centre-Of-Panel-Warmtegeleidingscoëfficiënt Effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt (zie §7.2) Equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt (zie hoofdstuk 3) Mechanische spanning Relatieve vochtigheid Warmtestroom Lineaire warmtedoorgangscoëfficiënt
X
1. INLEIDING 1.1.
KADER
De nieuwskanalen hebben het anno 2011 over plantensoorten die te vroeg of te laat bloeien, dierensoorten die eind december nog altijd niet aan hun winterslaap begonnen zijn, poolkappen die smelten, de klimaatconferentie in Durban, … Overal leest en hoort men over de klimaatverandering. De „opwarming van de aarde‟ is dan ook een feit en is voornamelijk te wijten aan de broeikasgassen, die in België voor 87,2 % bestaan uit CO2 (zie Figuur 1). Deze zorgen niet enkel voor een opwarming van de aarde, maar ook voor een positieve feedback: De opwarming zorgt dat nog meer broeikasgassen in de atmosfeer terecht komen [16]. Als er geen maatregelen genomen worden, kan de klimaatverandering dus desastreuze gevolgen hebben voor het Figuur 1: Samenstelling van milieu. Er moet een inspanning geleverd worden om de uitstoot broeikasgassen in België [16] van deze broeikasgassen tegen te gaan. Eerst moet echter geanalyseerd worden waar de oorzaak zit van de verhoogde uitstoot van broeikasgassen. Natuurlijke bronnen als vulkaanuitbarstingen kunnen niet volledig verantwoordelijk geacht worden voor dit probleem. De stijging doet zich al voor sinds het begin van het industriële tijdperk. Volgens het Intergovernal Panel on Climate Change (IPCC) zijn menselijke handelingen dan ook voor een groot deel de oorzaak [19].
Figuur 2: Menselijke bronnen van de uitstoot van broeikasgassen [22]
De totale uitstoot moet volgens de Kyotodoelstelling (1997) met 7,5% teruggeschroefd worden (voor België). In 2009 was dit al 14,6 %, maar dit betekent nog niet dat de Kyoto-doelstelling bereikt is. De uitstoot is nog groter dan de uitstootrechten die de Belgische overheid in
haar bezit heeft [22]. Figuur 2 toont echter dat het aandeel in de verwarming van gebouwen over het algemeen wel is toegenomen sinds 1990. Andere nieuwsartikels hebben het over grote windmolenparken op zee, „zonnevelden‟ in de woestijn, aan de faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur van de UGent wordt onderzoek gedaan naar energieopwekking door getijdewerking, … Een grote oorzaak van het broeikaseffect is het verbranden van fossiele brandstoffen, maar ook deze bron raakt langzamerhand uitgeput. Er is dus nood aan 1
alternatieve energievormen zoals hiervoor vermeld. Om uitputting tegen te gaan moet het energieverbruik bovendien zoveel mogelijk geminimaliseerd worden. Door energiezuinige oplossingen aan te wenden in het ontwerp van gebouwen zet men al een stap in de goede richting. [54] Zo keurde de Europese Unie in 2002 een richtlijn betreffende de energieprestaties van gebouwen (EPBD) goed om hun uitstoot van CO2 zoveel mogelijk te beperken. Tegen 2006 moest men de 5 verplichtingen waaraan EU-lidstaten moeten voldoen, omzetten in een eigen regelgeving. Hieruit vloeide in Vlaanderen de energieprestatieregelgeving (EPB) voort (tegenwoordig opgenomen in het Energiedecreet van 8 mei 2009 en het Energiebesluit van 19 november 2010). In 2010 werd een gereviseerde EPBD-richtlijn goedgekeurd, die uiteindelijk tegen 9 juli 2012 omgezet moet zijn in de nationale regelgeving [52]. Om aan de eisen van het EPB te voldoen, moet in de bouwschil voldoende isolatie voorzien zijn, dus ook in platte daken. Deze zorgen er voor dat de geproduceerde warmte beter in de binnenomgeving vastgehouden wordt. De eisen leiden tot een zoektocht naar sterk isolerende materialen en systemen die een alternatief kunnen bieden voor de steeds dikker wordende klassieke isolatiepaketten. Hyperperformante isolatiematerialen zijn bijvoorbeeld „Gas-filled panels‟ (GFP) en Aerogels, maar ook „Vacuüm Insulation Panels‟ (VIP). Dit laatste product vormt het onderwerp van deze scriptie. [6] Ten slotte heeft de Vlaamse overheid ook het Energierenovatieprogramma 2020 opgesteld. Interessant voor deze scriptie is de richtlijn die stelt dat alle daken in Vlaanderen tegen 2020 geïsoleerd moeten zijn1. [51]
1.2.
VRAAGSTELLING EN WERKWIJZE
In voorgaand onderzoek werd al veel geschreven over de thermische prestaties van VIP‟s op zich. Ze blijken een stuk beter te scoren dan de beste klassieke isolatiematerialen, zelfs met inrekening van verouderingseffecten en koudebruggen2. Één van de zwakkere punten zit in het bewaren van het vacuüm dat bijdraagt tot de lage warmtegeleidbaarheid van het product. In dit werk wordt ingegaan op de toepassing van VIP‟s in platte daken. In hoofdstuk 2 worden enkele relevante beginselen van het warmtetransport besproken. Hoofdstuk 3 geeft een technische uiteenzetting over vacuüm isolatie panelen. In deze uiteenzetting worden alle verschillende materialen waaruit de panelen bestaan besproken, meer of minder in detail naargelang de belangrijkheid voor deze scriptie. Hoofdstuk 4 probeert de volgende vraag te beantwoorden: „Welke toepassingen van vacuüm isolatie in gebouwen hebben potentieel?‟ Hoofdstuk 5 gaat dieper in op het potentieel van de toepassing van de VIP‟s in een plat dak. Hoofdstuk 6 spitst zich toe op de mechanische aspecten van de toepassing van de panelen in een plat dak. De vraag die zich hier stelt is „Wat zijn de mogelijke belangrijke risico’s tot schade aan VIP’s die in de dakopbouw als isolatielaag voorzien worden?‟. Er wordt gefocust op de weerstand van de VIP‟s 1
Naast deze eis, moet ook overal enkel glas vervangen worden door isolerend glas en verouderde verwarmingsketels moeten vermeden worden. 2 De verouderingseffecten en de koudebruggen worden verder verduidelijkt.
2
tegen schade door sollicitaties waaraan ze onderworpen zijn. Bij de beschouwde sollicitaties waar niet onmiddellijk schade aan de VIP‟s voorkomt (en waar passend) wordt geanalyseerd wat het mechanisch gedrag van de VIP betekent op het niveau van het plat dak (voorbeeld: Als de samendrukking van een VIP te groot blijkt te zijn, moet loopverkeer geminimaliseerd worden, plaatsen waar de windbelasting te groot is moeten vermeden worden of verder onderzocht worden, …). Elk onderwerp wordt ingeleid met een theoretische uiteenzetting/redenering van het mogelijke schadeverschijnsel om dan te komen tot de beproevingsmethode en zijn details. Zij leiden dan op hun beurt tot resultaten, conclusies en aanbevelingen. Zo kan een mogelijk antwoord gegeven worden op de vraag „Welke maatregelen kunnen genomen worden om de risico’s tot op zeker hoogte in te perken?‟. Hoofdstuk 7 handelt over de thermische prestaties van configuraties in het platte dak die het koudebrugeffect en het wegvallen van het vacuüm proberen te minimaliseren alsook wat het effect is als een paneel lek is en wat ingeboet moet worden aan thermische kwaliteit bij het gebruik van standaardmaten. Door het bestuderen van fenomeem „verlies van inwendige onderdruk‟, wordt de link gelegd met hoofdstuk 6 „Mechanische aspecten‟, dat mogelijke schadeverschijnselen beschrijft, en oplossingen voorstelt. Deze link is veelal het uitgangspunt van de aangehaalde onderwerpen. Dit is belangrijk om het tot een samenhangend geheel te brengen en de onderwerpen een plaats in het verhaal te geven. De vraag die zich hier stelt is wat specifieker: „Wat is de invloed op de thermische prestaties als VIP’s in een plat dak beschermd of aangevuld worden met klassieke isolatiematerialen, als een dubbele laag gebruikt wordt of als het vacuüm wegvalt?’ Tot slot worden in Hoofdstuk 8 uitvoeringsrichtlijnen voorgesteld op basis van hoofdstuk 6 en hoofdstuk 7 onder de vorm van een bestektekst voor isolatiematerialen van een plat dak. Hoofdstuk 9 herhaalt als conclusie de belangrijkste bevindingen.
3
2. BEGINSELEN VAN HET WARMTETRANSPORT IN BOUWCONSTRUCTIES Warmte-overdracht [27] bestaat traditioneel uit twee verschillende soorten. Deze worden voelbare warmte en latente warmte genoemd. Voelbare warmte bestaat uit:
Conductie: Het warmtetransport dat optreedt in een materiaal als oorzaak van een temperatuurverschil. Δθ (°C of K) stelt het temperatuursverschil voor, q (W/m²) de warmteflux en R (m²K/W) de warmteweerstand van de constructie. (1)
Convectie is een warmtetransport ten gevolge van de stroming van fluïda.
Straling is warmtetransport ten gevolge van elektromagnetische golven die uitgestraald worden door de materiaaloppervlakken. Deze hebben geen medium nodig (kunnen dus in vacuüm voorkomen).
De laatste twee vormen van warmtetransport worden samengevat in de warmte-overgangscoëfficiënt α (W/m²K) en worden beschreven met onderstaande formule. (2) θref (°C of K) is de temperatuur van de omgeving, θs (°C of K) de temperatuur van het oppervlak van de constructie. q (W/m²) beschrijft hier de warmtestroomdichtheid naar het constructieoppervlak. Latente warmte komt voor bij toestandsveranderingen van vocht. De warmtestroomdichtheid q die hierdoor geïnduceerd wordt, is evenredig met de massastroomdichtheid g (kg/m²s) en met de latente warmte h (J/kg) van de toestandsverandering. (3) Geleiding wordt beschreven door de wetten van Fourier. Voor stationaire warmtegeleiding doorheen een constructie kan de eerste wet van Fourier als volgt geschreven worden. (4)
θsi en θse (°C of K) zijn de temperaturen aan het binnen en buitenoppervlak, di (m) is de dikte van laag in de constructie. λi (W/mK) wordt de warmtegeleidingscoëfficiënt genoemd en drukt uit hoe goed een 4
materiaal warmte geleidt. Warmte-isolatie heeft een lage λ-waarde, warmtegeleiders een hoge. R (m²K/W) is de warmteweerstand. Formule 4 kan anders geschreven worden, namelijk in functie van de referentietemperaturen van binnen- en buitenomgeving, het zijn meestal deze die gekend zijn en niet de oppervlaktetemperaturen. Dan moet de convectie en straling aan de constructieoppervlakken meegerekend worden.
(5)
Hier is U de warmtedoorgangscoëfficiënt (W/m²K). Dit is de kenmerkende eigenschap van het warmtetransport doorheen een bouwconstructie. Aan deze waarden worden eisen gesteld in de normen omtrent de energieprestatie van gebouwen (EPB). In de gebouwschil kan elke homogene zone gekenmerkt worden door een oppervlakte A en een U-waarde. Door bijvoorbeeld hoeken en aansluitingsvoegen zal een extra warmteverlies voorkomen bovenop het warmteverlies berekend als een samenstelling van homogene constructies met elk hun oppervlakte en U-waarde. Dit wordt ingerekend door de ψ-waarde (W/mK) (lineaire warmtedoorgangscoëfficiënt).
(6)
Met Φ (W) het totale warmteverlies en L (m) de lengte waarlangs de koudebrug geldt. Ψ wordt gedefinieerd als: De ψ-waarde geeft aan hoe groot het extra warmteverlies per lopende meter detail en per graad temperatuursverschil is in vergelijking met de één-dimensionale referentie, waarbij het werkelijk detail voorgesteld wordt door een aaneenschakeling van vlakke delen met gekend oppervlak A en gekende U-waarde. [27] Analoog kan bij driedimensionaal warmtetransport een punt-warmtedoorgangscoëfficiënt gedefinieerd worden. Naast deze onderwerpen van de bouwfysica die in het verder verloop van de scriptie veel aan bod komen, zullen andere bouwfysische verschijnselen en grootheden beschreven worden in het desbetreffende onderwerp.
5
3. VACUÜM ISOLATIE PANELEN Zoals in de elektriciteit geen stroom loopt door een isolator, probeert een warmte-isolatiemateriaal zoveel mogelijk warmtestroom tegen te houden. Zo worden warmteverliezen tegen gegaan en tegemoet gekomen aan de eisen van het EPB. Een klassiek isolatiemateriaal bekomt zijn weerstand tegen warmtedoorgang door stilstaande lucht die opgesloten zit in microscopische poriën. Door de opsluiting kan de lucht niet bewegen en wordt convectie tegengehouden. De kleine cellen zorgen ook voor een verminderd effect van radiatie door de verhouding tussen de grootte van een porie en de lengte van een radiatiegolf. Door de opgesloten lucht kunnen de isolatiematerialen dus geen grotere warmteweerstand hebben dan die van stilstaande lucht. Dit is dus eigenlijk de bovengrens voor op lucht gebaseerde isolatiematerialen. Dit kan nog licht verbeterd worden door in plaats van lucht fluorkoolstofgas te gebruiken. [1] Lucht bestaat uit luchtmoleculen die onderling warmte kunnen doorgeven aan elkaar en aan het poriënskelet. Dit is de reden waarom lucht een eindige warmteweerstand heeft. Als de poriën tot een (theoretisch absoluut) vacuüm gebracht worden, blijven geen moleculen meer over. Er is dus geen conductie en convectie meer binnenin de poriën. Dit is het principe dat aan de basis ligt van Vacuum Insulation Panels (VIP‟s) en zorgt dus voor een stijging van de warmteweerstand.
3.1.
BESCHRIJVING
In dit document wordt met VIP‟s folieverpakte Vacuum Insulation Panels bedoeld. Folie-VIP‟s worden in België ontworpen door Microtherm3 en kennen binnen Europa al een toepassing in de bouw
Naad Folie
in Zwitserland, Oostenrijk en Duitsland [24]. Ze bestaan uit een microporeus kernmateriaal dat omhuld wordt door een gas – en waterdichte folie. Binnen de Naad folie creëert men een onderdruk die naar vacuüm toe Kern neigt. Op deze drie kenmerken, de kern, de folie en het vacuüm van een VIP worden verder dieper ingegaan, samen met de eigenschappen die belangrijk Figuur 3: Microtherm SlimVac paneel 600 mm x 600 mm x 20 mm zijn voor het begrijpen van de thermische eigenschappen van VIP‟s alsook die belangrijk zijn voor het verdere verloop van dit onderzoek. Met de warmtegeleidingscoëfficiënt van VIP‟s wordt meestal de „centre-of-panel‟ waarde bedoeld. Deze COP-waarde is de coëfficiënt die in de het centrum (het midden) van het paneel gemeten kan worden. Delvoye [18] vermeldt verschillende waarden die bekomen werden in verschillende onderzoeken. Deze liggen allemaal tussen 0,003 W/mK en 0,005 W/mK (3 mW/mK…5 mW/mK). De panelen van Microtherm hebben een λ-waarde van 0,0042 W/mK, gemeten volgens de Amerikaanse norm ASTM C518 en ISO 8301 [33]. Daarnaast zijn ook testen uitgevoerd op de panelen van 3
Microtherm is de enige producent van VIP‟s in België, www.microthermgroup.com [34]
6
Microtherm [18]. Deze geven een COP-warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,00460 W/mK voor 20 mm dikte en 0,00456 W/mK voor een dikte van 30 mm. De equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt zal een stuk groter zijn. Dit wordt verder duidelijk. Eerst wordt aangegeven hoe deze lage warmtegeleidingscoëfficiënt bereikt kan worden. De totale warmtegeleidbaarheid (COP-waarde) van poreuze materialen kan opgesplitst worden in vier (soms vijf) componenten. Deze worden voorgesteld in onderstaande formule, die een eenvoudige benadering is van de totale warmtegeleidbaarheid. [6]. (7) Hierin staat λr voor de warmteoverdracht door straling tussen de poriënoppervlaktes, λ cd voor de conductie in het skelet van het kernmateriaal, λg voor de conductie door het gas in de poriën en λcv beschrijft de convectie in de poriën. De laatste term in vergelijking 7 stelt de interactie tussen de voornoemde termen voor. Deze interactie komt voor bij poeder en vezelmaterialen, maar wordt in de literatuur veelal verwaarloosd door de complexiteit van de term. Als nu dus term per term in vergelijking 7 geanalyseerd wordt en gezocht wordt om de beschouwde term te verlagen, zal de totale warmtegeleidbaarheid dalen. Dit is wat men bij VIP‟s tracht te verwezenlijken. De opbouw van dit isolatiemateriaal is zo dat elke term zo laag mogelijk gehouden wordt. Hierna wordt voor ieder onderdeel van de VIP besproken hoe dit onderdeel helpt de totale warmtegeleidbaarheid te verkleinen.
3.2.
VACUÜM
λg (de conductie door het gas) zo effectief mogelijk doen dalen, kan door een vacuüm op te bouwen, aangezien er dan geen gas meer is. Vacuüm trekken kan echter enkel theoretisch, praktisch probeert men de inwendige druk zo laag mogelijk te krijgen. Microtherm SlimVac panelen hebben een inwendige druk van 1 tot 5 mbar [34]. Dit is nog altijd een goede verbetering van de λg-waarde aangezien de gemiddelde vrije padlengte van de overblijvende luchtmoleculen heel lang wordt. De luchtmoleculen zullen geen warmte meer aan elkaar doorgeven gezien ze niet meer met elkaar botsen, maar enkel met het poriënoppervlak. Niet enkel de daling van de inwendige druk zorgt hiervoor, maar ook de poriëndiameter. Als deze kleiner wordt dan de gemiddelde vrije padlengte van de gasmoleculen, dan zullen deze moleculen enkel met de poriënwanden botsen. In onderstaande figuur wordt dit voorgesteld. Bij VIP‟s wordt als kernmateriaal meestal pyrogeen silicium gebruikt (fumed silica in Figuur 4). Bij een materiaal met zo‟n nanoporiën is een minder lage druk nodig, wat praktisch interessanter is. 1 mbar (1.0E+00 mbar) is al genoeg om een λ g gelijk aan nul te krijgen. Zelfs bij atmosferische druk (1000 mbar of 1.0E+03 mbar) wordt de conductie door het gas al gereduceerd. Dit maakt dat bij het wegvallen van het vacuüm nog een totale warmtegeleidingscoëfficiënt van de VIP van 0,021 W/mK kan overblijven [34]. Dit is nog altijd een goede waarde vergeleken met klassiek isolatiematerialen (zie ook de grotere poriëndiameters in Figuur 4).
7
Figuur 4: De warmtegeleidingscoëfficiënt in functie van de poriëndiameter[23]
Door het vacuüm en de kleine poriën volgt ook dat er in de poriën geen convectie voorkomt. λcv kan ook gelijk gesteld worden aan nul. Wat betreft de totale warmtegeleidingscoëfficiënt blijft nu nog enkel de warmteoverdracht door straling tussen de poriënoppervlaktes en de conductie in het skelet van het kernmateriaal over. [6]
3.3.
KERNMATERIAAL
Zoals vermeld dient het kernmateriaal ten eerste een nano-poreus materiaal te zijn om een praktisch realiseerbare onderdruk in de VIP aan te leggen. Ten tweede moet het een 100% open celstructuur hebben om elk gas te kunnen evacueren. Ten derde moet de warmteoverdracht door straling tussen de poriënoppervlaktes gereduceerd worden (λr). Als laatste vereiste, maar niet onbelangrijk bij VIP‟s, is dat het kernmateriaal een hoge weerstand moet hebben tegen samendrukking. Het kernmateriaal krijgt ongeveer een druk van 100 kN/m² te verduren door het vacuüm trekken en moet er voor zorgen dat de poriën niet ineenklappen. Een materiaal dat aan al deze eisen voldoet en daarnaast een lage warmtegeleidingscoëfficiënt heeft is pyrogeen silicium (fumed silica in het Engels). Zo zal de λcd-waarde tot 50 mbar ongeveer 3,5 mW/mK zijn en 20 mW/mK bij atmosferische druk (1000 mbar)[6]. Dit ziet men in Figuur 5.
8
Figuur 5: Warmtegeleidingscoëfficiënt van verschillende isolatiematerialen in functie van de gasdruk[23]
Aan het kernmateriaal worden zogenaamde opacifieermiddelen toegevoegd om de warmte-overdracht door straling te beperken, bijvoorbeeld ijzeroxide [17] of siliciumcarbide poeder [6].
3.4.
FOLIE
De folie is van cruciaal belang om het vacuüm in het paneel te handhaven. Faalt de folie, dan verliest een VIP zijn goede isolatiewaarde. De COP-warmtegeleidbaarheid stijgt van 0,004 W/mK à 0,005 W/mK tot 0,021 W/mK. De kwaliteit van het vacuüm zal niet gelijk blijven over de volledige levensduur. Hij zal afnemen door de drukverschillen tussen de interne gasdruk en de atmosferische druk buiten het paneel. Dit drukverschil wil een stroming creëren en zorgt zo voor het indringen van gassen van buitenaf. Dit gaat vooral om de atmosferische gassen N2, O2 en H2O. Zo zal de warmtegeleidbaarheid vergroten gedurende de levensduur door enerzijds een waterophoping in de kern omdat de folie niet perfect dampdicht is en anderzijds door de toename van de interne gasdruk binnen de bekleding doordat de folie niet perfect luchtdicht is. Deze twee verschijnselen worden de verouderingseffecten genoemd.[60]. Om deze verouderingseffecten zoveel mogelijk te reduceren bestaat de folie uit verschillende lagen waaronder een aluminiumlaag. De aluminiumlaag is heel goed tegen de indringing van gas en waterdamp, maar heeft een hoge warmtegeleidbaarheid. Dit zorgt voor een verhoogde warmteflux aan de randen van de panelen. De samenstelling van de folie wordt in onderstaande tabel gegeven, samen met de λ-waarde [18].
9
PE Al Pet Al Pet Al Pet
Dikte *μm+
λ *W/mK+
55 0,07 - 0,1 12 0,07 - 0,1 12 0,07 - 0,1 12
0,15 237 0,29 237 0,29 237 0,29
Tabel 1: Diktes en warmtegeleidingscoëfficiënten van de folie van een Microtherm SlimVac paneel (de dikte van de Allaag kan niet met volle zekerheid bepaald worden, de grenzen worden gegeven)[18].
Volgens de IEA/ECBCS Annex 39 kan de COP-warmtegeleidingscoëfficiënt na 25 jaar tot 0,008 W/mK stijgen [23]. De aluminiumlagen in de folie samen met de luchtlagen tussen de randen van VIP‟s zorgen dus voor een koudebrug. Deze is relatief groot omwille van de sterk isolerende eigenschappen van VIP‟s. Deze koudebruggen zorgen dat de equivalente λ-waarde (totale λ-waarde waarbij de koudebruggen tussen de panelen meegerekend worden) een stuk groter is dan de centre-of-panel-waarde. Een stijging met 20 % is niet ongewoon. Een analytische berekening die rekening houdt met het verouderingseffect en met de koudebrug wordt hieronder aangegeven.
3.5.
BEREKENING VAN HET WARMTETRANSPORT BIJ VIP’S
De berekening die hier gevolgd wordt, komt uit een addendum van de EPB-regelgeving en is dus een officiële berekening in België. Voor de berekening van de warmtegeleidbaarheid van VIP‟s moeten 3 stappen gevolgd worden[60]. Ten eerste moet de warmtegeleidbaarheid λcore van de kern van het VIP bepaald worden, onder vacuüm en in droge toestand (deze meting gebeurt dus op het product zonder bekleding). Hierna wordt de correctie Δλ op λcore begroot om de verouderingseffecten van het product mee te rekenen. Ten slotte moet het effect van de koudebrug gecreëerd door de bekleding van het product bepaald worden. Al deze grootheden worden aldus op de volgende manier ingerekend: (8)
Hierbij is
(W/mK) de equivalente warmtegeleidbaarheid van het paneel (na veroudering), (W/mK) de warmtegeleidbaarheid van de kern van het paneel, nà veroudering, d (m) de
dikte van het VIP in de richting van de warmtestroom, P (m) de omtrek, A (m²) de oppervlakte loodrecht op de richting van de warmtestroom en (W/mK) de lineaire warmtedoorgangscoëfficiënt die het extra warmteverlies door de bekleding voorstelt.
10
De oorspronkelijke waarde van de warmtegeleidbaarheid van de kern wordt gekarakteriseerd door λ10,core,dry,90/90. Deze wordt dus gemeten in een droge toestand met een gemiddelde temperatuur van 10 °C en stelt het 90%-fractiel met een betrouwbaarheidsgraad van 90% voor. Bij deze laatste wordt zoals vermeld nog een correctie Δλ bijgeteld om de verouderingseffecten in rekening te brengen. De verouderingseffecten worden hieronder nog eens herhaald:
Door het niet perfect dampdicht zijn van de bekleding kan water zich ophopen in de kern. Door het niet perfect luchtdicht zijn van de bekleding stijgt de interne gasdruk en verminderen de positieve effecten van het vacuüm op de warmteweerstand.
Om deze correctie te bepalen stelt het WTCB (auteur van het addendum) twee methoden voor. Bij de eerste methode wordt een versnelde veroudering gesimuleerd (voor een levensduur van 25 jaar) door het product een bepaalde periode ofwel aan een omgeving met specifiek vastgelegde relatieve vochtigheid en temperatuur te onderwerpen, ofwel aan verschillende cycli van relatieve vochtigheid en temperatuur te onderwerpen. De tweede methode splitst de correctieterm op in enerzijds het effect door de waterophoping en anderzijds het effect door de toename van de gasdruk, die men onafhankelijk van elkaar veronderstelt: (9)
Hierin stelt (mbar) de toename van de interne gasdruk tijdens de levensduur voor, afhankelijk van de temperatuur (T) en de relatieve vochtigheid (HR) van de omgeving, en (% in massa) de toename van de waterinhoud tijdens de levensduur, ook in functie van deze twee parameters. VIP‟s zullen meestal een grotere afmeting hebben dan 50 cm x 50 cm x 2 cm. Kleinere afmetingen zijn niet efficiënt om toe te passen in gebouwen door het aandeel randen t.o.v. de te isoleren oppervlakte. De koudebruggen aan de randen zouden zorgen voor een te hoge equivalente λ-waarde. Een kleinere dikte dan 2 cm is ook niet interessant. Dit wordt verder verduidelijkt voor een plat dak. Het addendum van de EPB-regelgeving vermeldt volgende waarden voor de druktoename en de waterophoping. Δλ is dus gelijk aan 0,0038 W/mK. Druktoename Variatie van de warmtegeleidbaarheid Waterophoping Variatie van de warmtegeleidbaarheid
Δp ∂λ/∂p ∂λ/∂p*Δp ΔX ∂λ/∂X ∂λ/∂X*ΔX
50 mbar 0,000035 W/m.K.mbar 0,0018 W/m.K 4% massa 0,0005 W/m.K.%massa 0,002 W/mK
Tabel 2: Waarden voor de druktoename en de waterophoping volgens het EPB voor panelen groter dan 50 cm x 50 cm x 2 cm
11
Wat betreft de ψ-waarde geeft het EPB ook waarden bij ontstentenis, maar dit is enkel voor de koudebrug gecreëerd door de folie. Er komen ook extra warmteverliezen voor door de luchtlagen zoals hiervoor al vermeldt. Nu de berekening uiteengezet is, wordt de equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt voor een SlimVac paneel van Microtherm bepaald, waar in deze scriptie mee gerekend wordt. Dit wordt uitgevoerd voor een paneel met de afmetingen 600 mm x 600 mm x 20 mm.
Overgeplooide naad
Naad in het oppervlak De ψ-waarde wordt hier gelijk gesteld aan 0,018 W/mK voor de koudebrug aan de rand waar zich een naad bevindt, en aan Figuur 6: Naden in een VIP 0,009 W/mK voor de koudebrug aan de rand waar zich geen naad bevindt (voor een aluminiumlaagdikte van 0,1 μm). Dit onderscheid wordt verduidelijkt in Figuur 6. Deze waarden komen voort uit simulaties uitgevoerd met de simulatiemodellen4 die in het deel „Thermische aspecten‟ besproken worden. Daar wordt ook nog eens het verschil in de randen verduidelijkt. Om de berekening niet op te blazen met een lange uiteenzetting over de simulatiemodellen, wordt verwezen naar het deel „Thermische aspecten‟, waar hier wel in detail op ingegaan wordt. De waarden lijken van een goede grootteorde aangezien Schwab et al. [41] vermelden dat de ψ-waarde tussen 0,003 W/mK (zonder luchtlaag) en 0,022 W/mK (voor een luchtlaag van 5 mm) liggen. De verschillende ψ-waarden worden gedeeld door twee (de ψ-waarde geldt voor de voeg tussen twee panelen) en vermenigvuldigd met hun overeenkomstige randen. Met λ10,core,dry,90/90 gelijk aan
0,0046
W/mK
[18],
Δλ
gelijk
aan
0,0038
W/mK
wordt
de
equivalente
warmtegeleidingscoëfficiënt na veroudering gelijk aan
(10)
Panelen die grotere afmetingen hebben en/of dikker zijn, zullen een lagere λ-waarde hebben. Als laatste opmerking kan vermeld worden dat de verkregen waarde een benadering is. De berekening van de λ-waarde kan moeilijk exact bepaald worden door de verouderingseffecten en de koudebrugeffecten.
4
Deze koudebrugwaarden zijn bepaald met heel hoge overgangscoëfficiciënten, anders klopt de berekening van equivalente λ-waarde niet meer. Zo nadert 1/α naar 0. Als voor αi en αe de normale waarden ingegeven worden, wordt 0,015 i.p.v. 0,018 W/mK verkregen en 0,008 i.p.v. 0,009 W/mK. Deze waarden zijn ook af te lezen in Tabel 35 onder „onbeschadigd paneel‟.
12
4. ONDERZOEK NAAR TOEPASSINGEN MET POTENTIEEL Aangezien VIP‟s verschillen van traditionele isolatiepanelen wat betreft hun opbouw, kunnen ze niet altijd zonder meer op dezelfde manier toegepast en behandeld worden. Door het fragiele karakter van de panelen (het vacuüm dat wegvalt bij schade aan de folie) kan men zich voorstellen dat het inbouwen van de panelen in gebouwen beter gebeurt met de nodige voorzorgen. Ook het aanzienlijke koudebrugeffect aan de randen van de panelen mag zeker niet verwaarloosd worden bij de toepassing ervan als isolatiemateriaal in gebouwen. In deze scriptie wordt een onderzoek gevoerd naar de toepassing van VIP‟s in de bouwwereld. Betreffende het inpassen van deze panelen zijn er nog onzekerheden. Hierbij is het belangrijk te analyseren waarop deze onzekerheden gestoeld zijn, en proefondervindelijk te bepalen of deze wel terecht zijn. Deze panelen kunnen vanzelfsprekend in vele gebouwcomponenten als isolatie toegepast worden, maar niet alle mogelijkheden kunnen binnen het kader van deze scriptie aan bod komen. Het is niet de bedoeling om in verschillende toepassingen ad-hoc problemen op te lossen, maar zoveel mogelijk coherent te werken om naar totaaloplossingen te streven. Op basis van de beschikbare literatuur (cfr. IEA/ECBCS Annex 39 [24], Baetens et al. [6]) en gesprekken met mensen uit de industrie kan besloten worden dat een aantal toepassingen op middellange termijn een behoorlijk potentieel hebben voor de bouwsector.
Toepassing van de panelen in platte daken Toepassing van de panelen in buitenschrijnwerk
Toepassing van de panelen in vloeren
De reden dat platte daken potentieel hebben, komt voort uit de mogelijke onverenigbaarheid tussen de dikterestricties van de dakopbouw en de steeds strenger wordende norm voor de warmtedoorgangscoëfficiënt (U-waarde) van het platte dak. Dit wordt uitvoerig besproken onder de uiteenzetting over deze toepassing (hoofdstuk 5). Terrassen worden in rekening gebracht als platte daken. Deze hebben namelijk meestal dezelfde opbouw. Indien in deze scriptie dus gesproken wordt over platte daken, wordt verondersteld dat de lezer terrassen onder platte daken classificeert (in het geval dat dit in het beschouwde onderzoeksonderdeel ook nuttig blijkt). In de Annex 39 van de IEA/ECBCS, waarin realisaties van toepassingen van VIP‟s in gebouwen in het buitenland beschreven staan [24], wordt vermeld dat VIP‟s het meest frequent toegepast worden als terrasisolatie. Ook wat betreft het aanbod aan bereikbare informatie zijn de platte daken interessant, aangezien de panelen al hun toepassing vonden in een nieuwbouwwoning in de Pantserschipstraat te Gent. De toepassing van vacuümisolatie in buitenschrijnwerk heeft als voordelen: de gecontroleerde omstandigheden waarbij de panelen ingebouwd kunnen worden en de reeds aanwezige koudebrug door de schrijnwerkprofielen. Uit ervaring in Zwitserland, Oostenrijk en Duitsland [24] blijkt dat VIP‟s heel geschikt zijn voor schrijnwerk (indien het niet gaat over ingewikkelde ontwerpen en er een laag risico is op schade gedurende de installatie en het gebruik). In de woning in de Pantserschipstraat in Gent zijn ook panelen ingebouwd in de voordeur. Deze toepassing wordt niet besproken in deze scriptie, maar kan interessant zijn voor verder onderzoek. 13
Het potentieel van vorige toepassingen bleek ook al uit het opleidingsonderdeel „Bijzonder Vraagstuk‟ dat gegeven wordt in de tweede master „Ingenieurswetenschappen: architectuur‟. Praktische opstellingen met VIP‟s werden voorgesteld waarbij ook hier bleek dat de toepassing in platte daken en schrijnwerk interessant kan zijn. Bij de toepassing in vloeren, kunnen analoge redenen voor het potentieel gegeven worden als bij platte daken. Ook hier heeft men te maken met dezelfde onverenigbaarheid tussen dikterestricties en de vereiste warmtedoorgangscoëfficiënt. De keuze werd gemaakt om de nadruk te leggen op platte daken, waarbij een analyse gemaakt wordt van de mogelijke problemen in functie van de toepassing. Waar mogelijk is het binnen deze scriptie de ambitie om oplossingen aan te bieden die rekening houden met alle aspecten (mechanische aspecten, thermische prestaties en uitvoering). De toepassing „platte daken‟ wordt bekeken in twee categorieën:
Nieuwbouw Renovatie
14
5. DE TOEPASSING IN PLATTE DAKEN Een plat dak moet vanzelfsprekend geïsoleerd worden. Een goed geïsoleerd dak beperkt immers de warmtedoorgang en de thermische werking van de dakvloer en vermijdt schimmelvorming en oppervlaktecondensatie. De λ-waarde (de warmtegeleidingscoëfficiënt), de dikte van het isolatiepakket, maar ook de kwaliteit van uitvoering bepalen het isolerend vermogen[58]. De traditionele opbouw van een plat dak wordt hieronder afgebeeld, in de twee verschillende aanvaarde types, namelijk het warm dak en het omkeerdak. Bij het warm dak wordt de afdichting bovenop de isolatie bevestigd, terwijl de dakopbouw bij een omkeerdak bestaat uit een isolatiepakket die zich boven de afdichting bevindt (zie Figuur 7).
Figuur 7: traditionele opbouw van een plat dak type warm dak (links) en type omkeerdak (rechts)[58]
Voor platte daken (en bij uitbreiding terrassen) kan vacuümisolatie bij nieuwbouw een interessante toepassing zijn, namelijk waar de dikte van de isolatie bepalend is voor de vormgeving van een component of bouwaansluiting. Maar vooral bij renovatie zullen VIP‟s een interessante oplossing bieden. De tegemoetkoming tussen de strenger wordende normen en de randvoorwaarden in renovatie worden steeds moeilijker. Zoals hiervoor al vermeld, blijkt dat in het buitenland (waar men al wat ervaring met VIP‟s heeft) vooral terrassen een interessante toepassing is. Dit wordt ook bevestigd in een onderzoek van Simmler en Brunner [42] waar vermeld wordt dat de vereiste U-waarde behouden kan worden als het vloerniveau binnen en buiten gelijk gehouden moet worden. Dit was ook het geval in de woning in de Pantserschipstraat. Hier loopt de dragende betonvloer door van binnen naar het terras. Met traditionele isolatiematerialen zou de isolatiedikte ervoor zorgen dat het terraspeil boven het vloerpeil binnen komt. In de IEA/ECBCS annex 39 [24] staat een voorbeeld waarbij de ramen voor een terras van een woning te groot geleverd waren. Om bijkomende kosten te drukken werden hier dan VIP‟s gebruikt in plaats van de geplande 12 cm polyurethaan. Dit zijn voorbeelden van nieuwbouwprojecten. Het potentieel van de toepassing in renovatie zit hem bijvoorbeeld in de onverenigbaarheid tussen dikke isolatiepakketten en de reeds in de muren aanwezige waterkeringmembranen. Zoals te zien is op Figuur 8 moet, volgens het WTCB, de afdichting aan de opkant tot minstens 15 cm boven het 15
afgewerkte dakvlak komen [57]. Met de strenger wordende normen voor de thermische prestaties moet met klassieke isolatiematerialen dikker en dikker geïsoleerd worden. Bij renovatie kan de eis in Figuur 8 in veel gevallen niet voldaan worden, zolang de spouwmuur niet opengebroken wordt. In sommige gevallen zou het zelfs kunnen dat het dakvlak tot boven het uiteinde van de waterkering van de spouwmuur komt, waardoor er zich een waterophoping zou kunnen voordoen. Dit moet zeker vermeden worden. Voor deze problematiek zouden de dunne VIP‟s dus een oplossing kunnen bieden.
Figuur 8: Peil van de waterkering in de spouw t.o.v. het eigenlijke draagvlak[57]
Analoog kan men hetzelfde probleem indenken bij dakranden die niet hoog genoeg zijn, aansluitingen van het plat dak aan koepels, dorpels,… Naast esthetische en bouwtechnische redenen kunnen VIP‟s in platte daken relatief eenvoudig, snel en goed beschermd worden tegen mechanische schade van buitenaf. De panelen hoeven enkel op hun plaats gelegd te worden, zoals klassieke isolatiematerialen. Bij een spouw zijn bijvoorbeeld spouwhaken nodig om de VIP‟s op hun plaats te houden, wat dan weer zorgt voor een extra koudebruggen [18]. Eens ze ingebouwd zijn, zitten ze als het ware „ingekapseld‟ in de dakopbouw. Aangezien perforaties in de afdichting vermeden moeten worden om waterlekken te voorkomen, worden de onderliggende VIP‟s automatisch ook mee beschermd tegen dergelijke sollicitaties van buitenaf. Tijdens de uitvoeringstermijn kan ook getracht worden de panelen zo snel mogelijk af te schermen, waardoor ze maar een kleine tijdspanne blootgesteld zijn aan eventuele sollicitaties van buitenaf. Verder wordt na deze opsplitsing in nieuwbouw en renovatie bepaald in welke type daken de panelen ingebouwd kunnen worden:
Warme daken
Omkeerdaken 16
Bij het inpassen van VIP‟s in omkeerdaken zijn de panelen onderhevig aan het buitenklimaat. Ze worden blootgesteld (al dan niet direct) aan zon, regen en wind. Dit komt omdat ze zich bevinden tussen de dakafdichting en de ballast. Zo kan regenwater door de ballast tot aan de panelen sijpelen. Om te onderzoeken of dit nadelig is voor de panelen, wordt een proef opgesteld. Zo worden twee panelen voor een maand in water gelegd, één in een binnenomgeving en één in een buitenomgeving. Achteraf wordt gecontroleerd of de inwendige druk in het paneel gestegen is. Dit geeft al een eerste indicatie over de eventuele schade door de aanwezigheid van regenwater. Drukverschil na 1 dag (mbar)
Drukverschil na 7 dagen (mbar)
Drukverschil na 15 dagen (mbar)
Drukverschil na 33 dagen (mbar)
Binnenomgeving
0.1
1.4
0.4
0.3
Buitenomgeving
0.1
0.9
0.1
-0.5
Tabel 3: Resultaten van de drukmeting na de test op aantasting van VIP’s door water
Tabel 3 toont aan dat de panelen op korte termijn geen invloed van water ondervinden. Hun thermische prestaties blijven gegarandeerd. De drukverschillen zijn te wijten aan de nauwkeurigheid van de meetmethode voor de inwendige druk. Naast het onderzoek van het gedrag in water, kan verder onderzoek uitwijzen of schade door UVstraling belangrijk is bij de toepassing van VIP‟s in omkeerdaken. UV-straling kan zorgen voor het bros worden van isolatiematerialen, maar wordt meestal tegengehouden door de schutlaag die altijd aanwezig is op een omkeerdak [7]. De reden waarom de specifieke sollicitaties die voorkomen bij het omkeerdak onder deze titel al besproken zijn, is omdat hierna gekozen wordt verder te werken met een warm dak. Deze opbouw voorziet de panelen tussen het dampscherm en de afdichting. Een warm dak elimineert bovenstaande sollicitaties en biedt dus meer garantie naar de bescherming van de panelen toe. Verder zal het onderzoek verschillende thema‟s behandelen, meer bepaald de mechanische aspecten en thermische prestaties van de toepassing van VIP‟s in het platte dak die dan leiden tot uitvoeringsrichtlijnen. Tot slot, voor verder ingegaan wordt op het onderzoek, wordt kort becijferd wat de efficiënte minimumdikte voor een VIP is, wat betreft de warmtedoorgang. Microtherm kan panelen produceren met diktes van 6 mm tot 40 mm, maar diktes (voor een plat dak) kleiner dan 20 mm lijken thermisch niet efficiënt te zijn voor een plat dak. Zoals verder duidelijk zal worden, worden VIP‟s in veel situaties beter gecombineerd met traditionele isolatiematerialen, en bij voorkeur met PUR (vanwege zijn goede isolatiewaarde en makkelijke plaatsing). Hoe kleiner de dikte van de VIP is, hoe dikker de bijkomende PUR-isolatie moet zijn om aan de EPB-norm (Udak ≤ 0,3 W/m²K in 2011) te voldoen [53]. In Tabel 4 wordt de berekening van de U-waarde van een plat dak met houten draagvloer5 gegeven. 5
Een houten draagvloer zorgt voor een dun vloerpakket, en zal dus een dikker isolatiepakket vereisen.
17
Hieruit blijkt dat 90 mm PUR en een totale dikte van 122 mm nodig is om aan de huidige (2011) EPBnorm te voldoen (met een isolatiewaarde voor VIP na het inrekenen van de veroudering). Wordt deze berekening gemaakt voor diktes van 6 mm tot 23 mm, dan wordt de grafiek in Figuur 9 verkregen.
afdichting PUR VIP dampscherm osb som
dikte (mm)
λ (W/mK)
U (W/(m²K))
4 90 6 4 18 122
0,23 0,035 0,0093 0,23 0,13
0,28
Tabel 4: Berekeningsvoorbeeld van de dikte van het dakpakket en van de dikte van de PUR-isolatie met een dikte van 6 mm voor de VIP.
Dikte van het totale vloerpakket en van de PUR-isolatie bij verschillende diktes van de VIP bij een houten draagvloer 130
Dikte van het vloerpakket om te voldoen aan de norm
120 110 100 90 80
y = -2,5294x + 136,07 Dikte van de nodige PURisolatie
70 60 50
y = -3,5294x + 110,07
40 30
23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
Dikte vloerpakket/PUR-platen (mm)
Zoals te zien is in Figuur 9, loopt de totale nodige dikte van het vloerpakket vlugger op dan het afnemen van de dikte van de VIP‟s (de absolute waarde van de richtingscoëfficiënt van de trendlijn is groter dan 1). Dit is logisch gezien de lagere warmtegeleidingscoëfficiënt van een VIP tegenover PUR. Bij een dikte van 20 mm voor de VIP‟s is 30 mm PUR voldoende om te voldoen aan de huidige EPBeis. 30 mm is de minimale leverbare dikte voor PUR-panelen. De combinatie dunne VIP‟s en een dikke PUR-isolatie is niet interessant gezien het diktereducerend voordeel van de VIP‟s hier geminimaliseerd wordt. Om deze reden worden verder in dit onderzoek geen panelen met een kleinere dikte dan 20 mm beschouwd voor de vacuümisolatie. Door 20 mm als ondergrens te beschouwen zullen de bijkomende PUR-panelen niet dikker hoeven te zijn dan 30 mm.
Dikte VIP-paneel (mm) Figuur 9: Dikte van het totale dakpakket en van de PUR-isolatie bij verschillende diktes van de VIP bij een houten draagvloer
18
6. MECHANISCH GEDRAG In de inleiding werd al vermeld dat een van de eigenschappen van VIP‟s die leidt tot de lage warmtegeleidbaarheid, het creëren van een vacuüm in het kernmateriaal binnen de folie is. Het is dus belangrijk dit vacuüm voldoende te beschermen. Hiervoor zorgt de folie. De kleinste doorbreking van de continuïteit van de folie kan het vacuüm doen wegvallen. Als voorbeeld worden de panelen van Microtherm beschouwd. Bij het wegvallen van het vacuüm gaat de warmtegeleidingscoëfficiënt in het midden van het paneel van 4,2 mW/mK naar 21 mW/mK, wat een stijging betekent van 400%. In dit deel worden de belangrijkste situaties besproken die mogelijks schade kunnen veroorzaken aan de folie, waardoor de warmteweerstand afneemt. De belangrijkste mogelijke schadeverschijnselen worden opgezocht op basis van de Technische Voorlichting 215 van het WTCB en de ervaring in het buitenland beschreven in de IEA/ECBCS annex 39 [24]. Deze zijn telkens het onderwerp van onderstaande titels, en worden hieronder opgesomd als overzicht.
Verticaal neerwaarts gerichte lasten op de panelen (algemeen) Toepassing van VIP‟s ter hoogte van een overlap van het dampscherm (specifiek)
Temperatuurbelasting Windzuiging
Bovenstaande verschijnselen worden in deze volgorde behandeld. De details hieromtrent komen uitgebreid aan bod onder de overeenkomstige titel waar het (theoretisch) gedrag van het paneel beschreven wordt, alsook de proefmethode, de resultaten en de conclusies hieruit. Bij elk onderwerp wordt er verder nog vermeld of het eerder om risico‟s of problemen bij installatie en/of problemen in het gebruik gaat. Buiten bij de proeven onder „Verticaal neerwaarts gerichte lasten op de panelen (algemeen)‟ worden twee verschillende afmetingen van proefpanelen gebruikt, „grote‟ panelen van 1200 mm x 600 mm x 40 mm en „kleine‟ panelen van 600 mm x 600 mm x 20 mm. Deze uniformiteit maakt de bestelling en de productie van de proefpanelen eenvoudiger en zorgt ervoor dat panelen, bij onvoorziene omstandigheden, onderling uitgewisseld kunnen worden tussen de proeven. Welke panelen („grote‟ of „kleine‟) en hoeveel panelen voor de besproken proef gebruikt worden volgt uit de vraag hoe het theoretisch worstcasescenario er vermoedelijk uit ziet. Dit scenario wordt bepaald uit (korte) berekeningen van het theoretisch gedrag van VIP‟s op basis van de eigenschappen van de samenstellende materialen en/of uit eigenschappen van andere materialen uit de dakopbouw.
19
6.1.
VERTICAAL NEERWAARTS GERICHTE LASTEN OP DE PANELEN (ALGEMEEN).
Vanzelfsprekend zullen VIP‟s in een plat dak verticaal neerwaarts gerichte belastingen ondervinden. In TV 215 [58] wordt vermeldt dat afdichtingen en isolatie van platte daken onderhevig zijn aan volgende verticaal neerwaarts gerichte belastingen6:
Verdeelde statische belastingen
Geconcentreerde statische belastingen
Geconcentreerde dynamische belastingen
De ponsbelastingen (geconcentreerde belastingen) die voorkomen bij het belopen van een plat dak zijn de belastingen die het meeste leiden tot mechanische beschadigingen [50]. Uit de geraadpleegde bronnen (TV 215, TV 239, NBN EN 13162 tot NBN EN 13171 en het vakblad Roofing Holland) blijkt dat enkel de beloopbaarheid en de ballast van een plat dak de (onder deze titel passende) mechanische eisen gesteld aan het isolatiemateriaal, bepalen. Om deze reden wordt verder vooral de beloopbaarheid en (kort) de ballast bestudeerd. Technische voorlichting 215 [58] geeft aan dat de beloopbaarheid bepaald kan worden door enkel de samendrukbaarheid van de isolatieplaat te bestuderen. Hiernaast vermeldt TV 239 [59] dat de afdichting en de isolatie aan bepaalde eisen moeten voldoen naargelang de te verwachten gebruiksbelasting. De afdichting moet weerstand kunnen bieden aan dynamische en statische ponsbelastingen, terwijl de isolatieplaten een goede druksterkte en weerstand tegen puntbelastingen moeten kunnen vertonen en in staat moeten zijn om de belastingen gelijkmatig te verdelen. De gestelde eisen in dit document zijn een goede druksterkte, aangepaste samendrukbaarheid en weerstand tegen puntbelastingen, in tegenstelling tot TV 215. Bij het bestuderen van alle specifieke Belgische normen die handelen over de traditionele isolatiematerialen (NBN EN 13162 tot NBN EN 13171) merkt men dat deze vermelden dat proeven uitgevoerd moeten worden op de samendrukbaarheid (dimensionele stabiliteit), druksterkte, treksterkte loodrecht op het paneel, puntbelastingen en eventueel kruip7 door drukbelastingen. Wat betreft de verticaal neerwaarts gerichte lasten blijkt dus ook hier dat enkel de in TV 239 gestelde mechanische eisen belangrijk zijn. Volgens van Lieshout [50] in het vakblad Roofing Holland, is de samendrukbaarheid van de isolatiematerialen niet voldoende om de beloopbaarheid te bestuderen. De eisen gesteld in TV 215 zijn dus gedateerd wat betreft dit onderwerp. Het WTCB [30] verwijst daarom naar TV 239 die de recentste eisen beschrijft en ook de puntbelastingen (of ponsbelastingen) beschouwt. Omwille van vorige redenen wordt voor dit onderwerp verder gewerkt op basis van TV 239. Voor de genoemde eisen, bestaan belastingsklassen van een plat dak. Deze belastingsklassen bepalen de toegankelijkheid (beloopbaarheid) van een dak, alsook de eisen bij een geballast dak. In Tabel 5 6
Voornoemde belastingen kunnen zich in eventueel verschillende vormen zowel in de uitvoering als in gebruiksomstandigheden voordoen. 7 Een bepaalde kruipsterkte wordt niet expliciet geëist voor een plat dak. In de ATG‟s van de meest klassieke isolatiematerialen worden dan ook geen waarden voor de kruip gegeven, voor de druksterkte, de samendrukbaarheid (en bij sommige de weerstand tegen puntbelastingen) wel.
20
staan deze klassen vermeld, samen met de eisen die gesteld worden aan PUR en EPB als voorbeeld [59]. Klasse
PUR
EPB
Niet van toepassing
Niet van toepassing
P2
Dak dat uitsluitend toegankelijk is voor voetgangers voor de uitvoering van onderhoudswerkzaamheden (met uitzondering van installaties die een frequent onderhoud vereisen)
DLT(2)5 CS(10\Y) ≥120 kPa
DLT(1)5 of DLT(2)5 CS(10\Y) ≥ 100kPa ≥ PL(2)400
P3
Dak dat toegankelijk is voor voetgangers voor de uitvoering van frequente onderhoudswerkzaamheden en dit, zowel aan het dak zelf als aan de installaties die erop geïnstalleerd zijn (met inbegrip van groendaken met extensieve vegetatie)
DLT(2)5 CS(10\Y) ≥120 kPa
DLT(1)5 of DLT(2)5 CS(10\Y) ≥ 150 kPa ≥ PL(2)1000
P4
Dak dat blootstaat aan gelijkmatige verdeelde statische belastingen van maximum 7,5 kN/m² (groendaken met intensieve vegetatie, zware ballasten,…)
DLT(3)5 CS(10\Y) ≥120 kPa
DLT(3)5 CS(10\Y) ≥ 200 kPa ≥ PL(2)1000
P1
Niet-toegankelijk dak
Tabel 5: Belastingsklassen van een plat dak en de bijhorende eisen die gesteld worden aan PUR- en EPB- platen [59].
De voorgestelde belastingsklassen in Tabel 5 beschrijven de toegankelijkheid, maar vermelden (nog) bijvoorbeeld niets over parkeerdaken. Voor deze constructies kan men zich inbeelden dat nog strengere eisen aan de isolatiematerialen gesteld worden. Officiële eisen voor het ontwerp en de uitvoering van parkeerdaken bestaan tegenwoordig nog niet [35]. Deze zijn wel in de maak en zullen gepubliceerd worden onder een technische voorlichting van het WTCB. De isolatiematerialen zullen minstens tot klasse P4 van Tabel 5 moeten horen8. De eisen voor PUR en EPB in Tabel 5 worden aangeduid met DLT(X)Y, CS(10/Y) en PL(X)Y. DLT staat voor de dimensionele stabiliteit (samendrukking) bij een verdeelde belasting, gedurende een bepaalde tijd en bij de aangegeven temperatuur. Deze wordt bepaald met proeven beschreven in EN 1605 [13]. CS (10/Y) staat voor de drukspanning bij een vervorming van 10 % of voor de drukweerstand (uitgedrukt in kPa) en wordt beschreven volgens EN 826 [14]. PL(X)Y geeft de puntbelasting weer die een bepaalde indrukking veroorzaakt en kan bepaald worden door de proefmethode beschreven in EN 12430 [10]. Deze „codes‟ en de bijhorende normen staan vermeld in een artikel van WTCB-contact nr. 28 [15]. De eisen voor andere isolatiematerialen verschillen van deze voor PUR en EPB voorgesteld in Tabel 5. In tabel 9 van TV 239 staan ook de eisen voor minerale wol, EPS en PF. In bijlage A zit de 8
Een ontwerphandleiding voor de aanleg van terrassen en parkeerdaken van een Nederlands bedrijf doet dit vermoeden [36]
21
volledige BUtgb-nota m.b.t. de begaanbaarheid van platte daken, waarin ook cellenglas en XPS vermeld worden. De eisen gesteld aan een bepaald isolatiemateriaal zijn specifieke eisen die bepaald zijn door het BUtgb samen met andere betrokken partijen. Aangezien voor VIP’s nog geen dergelijke eisen bestaan en deze van isolatiemateriaal tot isolatiemateriaal afhangen, is het dus nog niet mogelijk VIP’s met 100% zekerheid te classificeren naar belastingsklasse. De DLT-, CS, en PL-codes zelf kunnen wel toegewezen worden aan VIP‟s, en kunnen vergeleken worden met andere isolatiematerialen. Het is echter in de lijn van dit onderzoek in de eerste plaats belangrijk na te gaan of de panelen schade ondervinden door de testmethodes die leiden tot deze codes en zo ja, wanneer. Om dit te achterhalen kan de inwendige druk gemeten worden. De testmethodes simuleren namelijk de belastingen waaraan een isolatiemateriaal onderworpen wordt om dan zijn weerstand hiertegen te bepalen. Naast de voornoemde belastingsklassen, geeft TV 215 [58] een klassering voor de beloopbaarheid van isolatiematerialen volgens de EUtgb, maar zoals vermeld is dit een klassering enkel op basis van de samendrukbaarheid. De testcondities volgens TV 215 komen voor een groot deel overeen met de testcondities vermeld in EN 1605 [13] (zie 6.1.4 Beproevingsmethodes en resultaten) die leiden tot de DLT-klassering. Deze wordt hier toch kort vermeld omdat het om een eenvoudigere klassering gaat, die wel onmiddellijk toegepast zou kunnen worden op VIP‟s en omdat deze eis tegenwoordig nog altijd in bestekteksten van isolatieplaten in platte daken te vinden is. De samendrukbaarheid van de isolatiematerialen wordt bepaald, om hen daarna in samendrukbaarheidsklassen A, B, C of D onder te verdelen. Deze klassen geven aan of er veel loopverkeer (klasse D) of geen loopverkeer (klasse A) kan plaatsvinden. Ze geven dus aan of de isolatie niet te veel inzakt bij gebruiksbelastingen en er dus geen verhoogd risico is voor schade aan de dakafdichting. Zo wordt klasse C of D voor het isolatiemateriaal geëist als er loopverkeer voor onderhoud verwacht wordt (bij technische installaties op het dak worden bovendien looppaden voorzien). Onderstaande tabel komt uit TV 215 en geeft informatie over deze klassen. Klasse Vervorming (%) Temperatuur (°C) (*) Belasting (kPa) A (**) ≤ 10 23 en 80 20 ≤ 15 (60) 20 B ≤5 80 (60) 20 C ≤5 80 (60) 40 D ≤5 80 (60) 80 (*) 60 i.p.v. 80 °C op daken met een zware schutlaag. (**) Niet van toepassing op een plat dak Tabel 6: Samendrukbaarheid van de isolatie.[58]
Uit de tabel kan afgeleid worden dat een isolatiemateriaal dat bijvoorbeeld tot klasse C behoort maar 5% vervorming (samendrukking) ondergaat als het onderworpen wordt aan een drukspanning van 40 kPa bij een temperatuur van 80°C (60°C bij daken met een zware schutlaag). Klasse D is strenger: onder een drukspanning van 80 kPa en een temperatuur van 80°C (60°C bij daken met een zware schutlaag) mag het isolatiemateriaal maar 5% indrukken. Zoals hierboven vermeld, is deze tabel gedateerd omdat ze enkel rekening houdt met de samendrukbaarheid.
22
6.1.1. DRUKSTERKTE De druksterkte van de VIP‟s gebruikt in dit onderzoek is al eerder bepaald door de fabrikant zelf. Dit is uitgevoerd conform de norm ASTM C-165 [3]. In België wordt de norm EN 826 [14] gebruikt om de druksterkte van een isolatiemateriaal te achterhalen. De verschillen en belangrijke gelijkenissen tussen de twee normen worden hieronder aangegeven. ASTM C 165 Er worden ronde stalen beproefd. In de uitgevoerde proef hadden deze een oppervlakte 9700 mm² wat overeenkomt met vierkante stalen van 98 mm x 98 mm.
EN 826 Er worden vierkante stalen beproefd met afmetingen van 50 mm x 50 mm tot 300 mm x 300 mm. De beproefde stalen vallen binnen deze afmetingen.
De dikte van de stalen is minimaal 12,7 mm. De beproefde dikte is 25 mm.
De dikte van de stalen is minimaal 20 mm.
Minimum aantal stalen: 4 De verplaatsingssnelheid is 0,25 tot 12,7 mm/min per 25,4 mm specimendikte. Bij de proef is 10 mm/min gebruikt
Minimum aantal stalen: 5 De verplaatsingssnelheid is d/10 ± 25% per minuut, wat hier dus 2,5 mm/min ± 0,625 zou zijn. Er wordt niet echt een effect van de grotere verplaatsingssnelheid verwacht. Er wordt een voorbelasting aangelegd van 250 ± 10 Pa Er wordt tot 10 % vervorming gegaan Idem als bij ASTM C 165, maar hier gaat de krachtvervormingscurve maar tot 10% (In de proef is gegaan tot 25%) , wat een effect kan hebben op het nulvervormingspunt.
De voorbelasting is vastgelegd op 30 N, wat overeenkomt met 3100 Pa Er wordt tot 10 % vervorming gegaan Het nulvervormingspunt wordt bepaald door het steilste rechtlijnige gedeelte van de krachtverplaatsingskromme door te trekken naar de nulas.
Tabel 7: Verschillen en belangrijke gelijkenissen tussen ASTM C 165, de uitgevoerde proef en EN 826
Bovenstaande verschillen zullen vermoedelijk niet veel invloed hebben op de resultaten. ASTM C 165 lijkt nauwkeuriger, strenger en veiliger dan EN 826. De opgemeten kracht wordt met dezelfde nauwkeurigheid bepaald (± 1%) maar ASTM C 165 meet de vervorming veel nauwkeuriger (0,1% tegenover 5%). Met een voorbelasting van 3100 Pa volgens ASTM C 165 vermeld in Tabel 7 werkt men veiliger omdat de drukplaten waartussen het staal zich bevindt met grotere zekerheid in de goede positie staan om de axiale druktest te starten (een van de drukplaten is immers voorzien van een kogelgewricht). 250 Pa, komt overeen met een gewicht van 25 gram op een staal van 100 mm x 100 mm, waardoor de kans bestaat dat de drukplaat met het kogelgewricht nog wijzigt van richting bij het begin van de test. De belangrijkste parameter die echter weerhouden wordt in beide testmethoden is de spanning die voorkomt bij 10% vervorming. Om vorige redenen, maar vooral om deze laatste reden, wordt de druksterkte overgenomen van de Amerikaanse norm. Deze is 200 kPa [34]. CS(10\Y) = 200. (Voor het kernskelet is dit 300 kPa, 200 kPa + 100 kPa door de onderdruk).
23
Voor deze proef zijn geen meetdata van de inwendige druk beschikbaar, maar deze zal niet gestegen zijn. In deze proef wordt een samendrukking van 10 % uitgeoefend, bij de puntbelasting (zie verder) wordt tot 25 % samengedrukt terwijl een gelijkblijvende inwendige druk opgemeten is.
6.1.2. SAMENDRUKBAARHEID Zoals vermeld, wordt in de eerste plaats het gedrag van een paneel in een samendrukkingtest bestudeerd, en of het paneel bezwijkt tijdens de test of niet. Daarna kan getracht worden de DLT-code van de VIP te bepalen en een vergelijking met klassieke isolatiematerialen op te stellen. De DLT-codes staan hiernaast aangegeven met de bijhorende condities en eisen.
Niveau
Conditie
Eis (%)
DLT(1)5
Belasting: 20 kPa temperatuur: (80 ± 1) °C tijd: (48 ± 1) h Belasting: 40 kPa temperatuur: (70 ± 1) °C tijd: (168 ± 1) h Belasting: 80 kPa temperatuur: (60 ± 1) °C tijd: (168 ± 1) h
≤5
DLT(2)5
DLT(3)5
≤5
≤5
Tabel 8: Niveau's van vervorming onder gespecificeerde drukbelasting en temperatuurcondities [12]
6.1.3. WEERSTAND TEGEN PUNTBELASTINGEN Na de CS(10\Y) en de DLT-code wordt als laatste eis voor de belastingsklassen de PL-code beschreven. Deze klassering geeft de weerstand tegen statische puntbelastingen. Bij PL(X)Y staat de X voor het aantal millimeter indrukking, terwijl de Y staat voor de waarde van de uitgeoefende puntbelasting uitgedrukt in N. Ook voor deze PL-klasseringen bestaan nog geen specifieke waarden voor de eisen die gesteld worden aan VIP‟s (bijvoorbeeld ≥PL(2)400). Net zoals in vorig puntje wordt de proefopstelling uitgevoerd, hier volgens norm EN 12430 [10]. Met deze norm kan een krachtvervormingskromme opgesteld worden die het gedrag van de VIP voorstelt onder een puntbelasting. Op deze kromme kan de drukkracht (F), uitgeoefend door een stempel (cirkelvormige doorsnede van 50 cm²), afgelezen worden die nodig is voor een bepaalde vervorming (ε) te veroorzaken.
Figuur 10: Krachtvervormingskrommen bij proeven op de puntbelastingen. In de linkerfiguur wordt een kritisch punt bereikt, in de rechterfiguur niet (deze gaat tot een vervorming van 20%).
24
Bovenstaande figuur geeft twee mogelijkheden van het gedrag van isolatiematerialen. Links wordt het kritisch punt Fp (punt waarbij de kromme van een rechte afwijkt) bereikt, rechts niet en wordt tot 20% vervorming beproefd. Als bijvoorbeeld voor belastingsklasse P4 de eis ≥PL(5)750 (dit is zo bij minerale wol) gesteld wordt, kan de corresponderende drukkracht bij een vervorming van 5 mm afgelezen worden van deze krachtvervormingskrommen en bepaald worden of deze kracht groter is dan 750 N en of de eis dus voldaan is of niet.
6.1.4. BEPROEVINGSMETHODES EN RESULTATEN 6.1.4.1.
Samendrukbaarheid
Bij de eerste proef die uitgevoerd wordt, wordt de relatieve vervorming gemeten bij een bepaalde verdeelde drukbelasting om dan te komen tot de vermelde DLT-code. Deze proef wordt uitgevoerd conform de norm NBN EN 1605 [13]. De relatieve vervorming wordt voorgesteld door ε. De testpanelen moeten minstens 20 mm dik zijn en bij voorkeur vierkante panelen zijn met afmetingen 50 mm x 50 mm, 100 mm x 100 mm, 150 mm x 150 mm, 200 mm x 200 mm of 300 mm x 300 mm. Er moeten voor elke test minstens drie specimen beproefd worden [13]. Hier worden drie panelen van 100 mm x 100 mm x 40 mm getest waarvan de sealnaad zich niet in het vlak bevindt. De testcondities worden in Tabel 9 gespecificeerd.
testconditie
Drukspanning (kPa)
1 2 3
20 40 80
Stap A
Stap B
Temperatuur (°C)
Tijd (u)
Temperatuur (°C)
Tijd (u)
23 ± 5 23 ± 5 23 ± 5
48 ± 1 48 ± 1 48 ± 1
80 ± 5 70 ± 5 60 ± 5
48 ± 1 168 ± 1 168 ± 1
Tabel 9: Testcondities samendrukkingsproef
De test wordt uitgevoerd volgens een van de drie testcondities (1,2 of 3). Iedere testconditie bestaat uit twee stappen, stap A gevolgd door stap B op hetzelfde staal. In stap A wordt een specimen beproefd aan 20, 40 of 80 kPa aan een temperatuur van 23 ± 5 °C voor een duurtijd van 48 ± 1 u. In stap B worden dezelfde drukspanningen toegepast op het reeds belaste proefstuk, maar aan een hogere temperatuur (60°C tot 80°C) en eenzelfde of langere tijdsduur. In deze scriptie wordt enkel stap A uitgevoerd. Bij blootstelling van de panelen aan hoge temperaturen zou er immers kans zijn dat de omhullende folie beschadigd raakt (details omtrent deze temperatuur, zie 6.3 Temperatuurbelasting), waardoor de resultaten niet representatief zouden kunnen zijn voor deze proef9. Organisatorisch is het
9
Er wordt echter vermoed dat deze kans eerder klein is, gezien de resultaten onder 6.3 Temperatuurbelasting.
25
in deze scriptie ook niet onmiddellijk mogelijk de testopstelling in een oven te plaatsen. Een vergelijking met Tabel 8 toont echter aan dat stap B uitgevoerd moet worden vooraleer een DLTklasse aan een isolatiemateriaal gegeven kan worden. In deze scriptie wordt daarom een schatting gemaakt van de DLT-klasse op basis van het gedrag van de panelen in stap A. De vermelde drukspanning die op de panelen uitgeoefend wordt, wordt bekomen door het plaatsen van gewichten (met een grotere oppervlakte dan 100 mm x 100 mm) op deze panelen. Een trekbank is immers niet zo betrouwbaar om deze 48u dezelfde spanning te laten leveren, alsook omdat de software hier niet op voorzien is. De druksterkte van de te beproeven panelen is vastgelegd op 200 kPa [34]. Dit is de spanning bij een ogenblikkelijke vervorming 10% van de dikte. Omdat geschat wordt dat een VIP een zekere weerstand zal bieden tegen samendrukking wordt testconditie 3 (stap A) toegepast op de testpanelen (80 kPa gedurende 48 uur). De samendrukking wordt opgemeten en de panelen worden getest op hun inwendige druk.
Samendrukking (%)
Samendrukkingstest (EN 1605) 5 4 Staal 1
3
Staal 2
2
Staal 3
1
48 u
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tijd (uren) Figuur 11: Resultaten van de samendrukkingstest volgens EN 1605
Zoals te zien is in Figuur 11 blijft de samendrukking na 48 uur onder de 5%, namelijk ongeveer 4,85 %. Dit is een gemiddelde van het tweede en het derde staal10. In de normale procedure moeten de testpanelen opnieuw belast worden op 80 kPa voor 168 uur onder 60°C. Zou men de waarden in Figuur 11 extrapoleren, dan kan men zich inbeelden dat een VIP na 168 uur een samendrukking groter dan 5% kan ondervinden, maar (heel) dicht zal blijven bij de grens van 5%. Door de samendrukking van stap A zal het paneel een blijvende vervorming en grotere densiteit ondervonden hebben (dit blijkt bij staal 1) bij het begin van stap B. Het is dus goed mogelijk dat de samendrukking van een paneel onder de 5% blijft. Zo kan besloten worden dat het paneel met de grens van DLT(3)5 zal flirten, maar dat DLT(2)5 zeker haalbaar moet zijn (met de veronderstelling dat de hoge temperatuur de resultaten van de samendrukking niet drastisch beïnvloedt). DLT(2)5 legt namelijk een last op die maar half zo groot is als de geteste last (40 kPa), waardoor vermoed wordt dat de grens van 5% niet overschreden zal worden. Om dit met 100% zekerheid te zeggen moet verder gespecialiseerd 10
Staal 1 stelt minder goed de vervormbaarheid voor aangezien dit paneel per ongeluk op voorhand belast is geweest en hierdoor een blijvende vervorming overgehouden heeft. De densiteit van het paneel zal wat toegenomen zijn.
26
onderzoek uitgevoerd worden waarbij een opstelling die in een oven geplaatst kan worden beschikbaar is. Als dezelfde redenering gevolgd wordt voor de klassering volgens TV 215 (zie Tabel 6) dan zal een VIP tot klasse C of D behoren. Loopverkeer voor onderhoud is toegelaten. Na de uitvoering van de proef blijkt de inwendige druk van de drie stalen niet gestegen te zijn (het verschil is te wijten aan de precisie van de meting). De druk blijft in het interval 1-5 mbar. Dit wil zeggen dat de strengste condities van de proefmethode om de samendrukking te beschrijven de panelen niet beschadigd. 6.1.4.2.
Staal 1
Onderdruk (voor – na) 1,1 mbar – 1,2 mbar
Staal 2 Staal 3
1,3 mbar – 1,3 mbar 1,3 mbar – 1,5 mbar
Tabel 10: Onderdruk voor en na de samendrukproef
Puntbelasting
De tweede proef die uitgevoerd wordt is om de weerstand tegen puntbelastingen te bepalen. Hier wordt zoals eerder genoemd een krachtvervormingskromme volgens EN 12430 [10] opgesteld om dan een PL-klassering toe te kennen aan de geteste VIP‟s. De kracht wordt voorgesteld door F en de relatieve vervorming door ε. De testpanelen moeten volgens het testprocedé 300 mm x 300 mm groot zijn en uit minstens drie stuks bestaan. Voor de dikte wordt hier 40 mm genomen. Deze worden beproefd in een drukbank waarvan een van de drukplaten bestaat uit een stalen cilinder met een diameter van 79,8 mm (50 cm² cilinder t.ov. 900 cm² testpaneel). EN 12430 vermeldt dat een voorbelasting van 2,5 N opgelegd moet worden. In de uitgevoerde proef wordt een voorbelasting aangelegd van 10 N. Dit lijkt veiliger om het staal juist te beproeven in de gebruikte drukbank. Hierna wordt het proefstuk samengedrukt met een constante verplaatsingssnelheid van 50 mm/min (in overeenstemming met de norm). De proef wordt stopgezet bij 25 % vervorming, wat meer dan voldoende is. EN 12430 vermeld dat de proef stopgezet mag worden als 20 % vervorming of het kritische punt Fp bereikt wordt (zie Figuur 10). De gemiddelde krachtvervormingskromme van de drie beproefde stalen11 wordt hieronder gegeven (Figuur 12). Uit deze figuur kan afgelezen worden dat voor een vervorming van 2 mm een kracht van 900 N nodig is, PL(2) ≥ 900. Een vervorming van 5 mm komt overeen met 2632,5 N, PL(5) ≥ 2632. Deze waarden kunnen vergeleken worden met traditionele isolatiematerialen waar puntbelastingswaarden van bekend zijn.
11
De diktes van de testpanelen zijn respectievelijk 40,83 mm, 40,50 mm en 40,80 mm
27
Gemiddeld krachtvervormingsdiagram 7000 6000
Drukkracht (N)
5000 4000 3000 2000 1000 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Vervorming (mm) Figuur 12: Gemiddelde krachtvervormingskromme van de drie testpanelen 300 mm x 300 mm
Staal 1
Onderdruk (voor – na) 0,65 mbar – 0,6 mbar
Staal 2 Staal 3
0,7 mbar – 0,71 mbar 0,65 mbar – 0,68 mbar
Na een samendrukking van 25 % (10 mm) met de cilinder bleek ook hier de inwendige druk niet gestegen te zijn. Ook wat betreft puntbelastingen is de weerstand tegen schade voldoende.
Tabel 11: Inwendige druk voor en na de puntbelastingsproef
6.1.5. CONCLUSIE EN VERGELIJKING MET TRADITIONELE ISOLATIEMATERIALEN Uit de vorige paragrafen blijkt dat zowel bij de bepaling van de druksterkte, de samendrukking en de puntbelastingsweerstand is nergens schade aan het paneel ondervonden vooraleer ze hun mechanische weerstand bereikt hebben. Dit betekent dat VIP’s zelf geen beperking vormen voor de toegankelijkheid van een plat dak. Om een idee te hebben waar VIP‟s zich bevinden tussen de traditionele isolatiematerialen wat betreft de mechanische eisen voor de beloopbaarheid en ballast wordt de vergelijking gemaakt met isolatiematerialen met een technische goedkeuring (uit Tabel 17 TV 215 [58]). De vermelde weerstanden komen uit de overeenkomstige ATG. Wat betreft de puntbelasting worden normaal enkel proeven uitgevoerd op minerale wol, cellenglas en EPB.
28
Product Merknaam PUR Eurothane Bi3, Bi3A, AL en Silver PIR Eurothane Powerdeck PF Kooltherm K1 EPS Knauf Rooftherm 100,150,200 XPS Styrodur 3035 CS, 4000 CS, 5000 CS MW Rhinox D (Rockwool)12 CG Foamglas T4+, S3, F
Druksterkte CS(10\Y) ≥ 120
Samendrukking DLT(2)5
Puntbelasting -
CS(10\Y) ≥ 150
DLT(2)5
-
CS(10\Y) ≥ 150 CS(10\Y) ≥ 100,150,200
7 d 40 kPa 80°C ≤ 5% DLT(1)5, DLT(2)5
-
CS(10\Y) ≥ 300,500,700
DLT(2)5
-
CS(10\Y) ≥ 90
7 d 40 kPa 80°C ≤ 5%
PL(5)1000
CS(10\Y) ≥ 600,900,1600
-
EPB VIP
CS(10\Y) ≥ 200 CS(10\Y) ≥ 200
DLT(3)5 DLT(2)5
PL(1,5)1000, PL(1)1000 PL(2)1400 PL(2)900, PL(5)2633
Fesco Microtherm SlimVac
Tabel 12: Vergelijking van de mechanische eisen betreffende de beloopbaarheid met traditionele isolatiematerialen
Wat de mechanische eisen voor de beloopbaarheid betreft kan uit Tabel 12 het volgende afgeleid worden: MW, PUR, PIR, PF, EPS ≤ VIP, XPS ≤ CG, EBP VIP’s hebben dus hogere mechanische weerstanden dan de meeste isolatiematerialen. Enkel isolatiematerialen (CG en EPB) waarvan de hoge druksterkte een van de belangrijke kenmerken is waarvoor ze geproduceerd worden [58], tonen duidelijk betere mechanische resultaten. Als bovenstaande tabel vergeleken wordt met de BUtgb-nota met de belastingsklassen uit bijlage A ziet men dat alle isolatiematerialen voldoen aan klasse P3 met uitzondering van XPS (Styrodur), EPB (Fesco) en CG (Foamglas S3 en F, T4+ niet) die voldoen aan klasse P4. De auteur van deze scriptie vermoedt dus sterk dat daken geïsoleerd met VIP’s ook tot klasse P3 zullen behoren en dus begaanbaar zullen zijn voor voetgangers, geschikt zullen zijn voor frequent onderhoud en geschikt zullen zijn als groendak met extensieve begroeiing.
6.1.6. OPMERKINGEN In het begin van 6.1 (p.20) werd aangeven dat isolatiematerialen op platte daken onderworpen worden aan verdeelde belastingen, statische én dynamische puntbelastingen. De verdeelde belastingen en „puntbelastingen‟ werden hiervoor besproken. Nu worden volgens de Europese normen en TV 239 [59] isolatiematerialen niet onderworpen aan proeven die de weerstand tegen dynamische impactpuntbelastingen beschrijven. Tijdens het gebruik van het platte dak zou de afdichting deze moeten opvangen (TV 239), bijvoorbeeld hagel. Voor VIP‟s kan het wel gebeuren dat impactbelastingen tijdens de uitvoering voorkomen die de folie zouden kunnen beschadigen, bijvoorbeeld als een gereedschap met scherpe kanten van een dakwerker op een paneel valt. Dit moet 12
Minerale wol van Rockwool met de hoogste druksterkte
29
in de eerste plaats vermeden worden. EN 12691 beschrijft de weerstand tegen stootbelastingen van afdichtingen. Als uitbreiding, kan men het idee hebben deze testmethode rechtstreeks op een VIP uit te voeren. Dan moet wel eerst de vraag gesteld worden of deze test de sollicitaties op VIP‟s wel goed nabootst maar vooral of achteraf daadwerkelijk wel iets anders dan „scherp materiaal vermijden‟ kan geconcludeerd worden uit de testresultaten. Voor deze proef is ook gespecialiseerd testmateriaal nodig. Voorlopig is het dus aangewezen de panelen zo snel mogelijk te beschermen en voorzichtig te werk te gaan. Dit kan bijvoorbeeld door de afdichting onmiddellijk aan te brengen, door beschermende lagen, door het bedekken met traditionele isolatiematerialen (bijvoorbeeld PUR),…. Dit komt terug in de uitvoeringsrichtlijnen. Daarnaast worden tegenwoordig voor de beloopbaarheid enkel statische testen op platte daken uitgevoerd. Door het belopen van platte daken ontstaan echter vooral dynamische belastingen die voorkomen bij de uitvoering alsook bij regelmatig onderhoud. Dit wordt aangekaart in [26] waarin de dynamische proefmethode BDA Marathon Man Test beschreven staat. Deze legt met behulp van heel gespecialiseerde toestellen belastingscycli op het isolatiemateriaal aan die het belopen van een dakwerker nabootst. De proefmethode is momenteel niet terug te vinden in de EN normen of in de technische voorlichtingen van het WTCB en wordt ook niet geëist voor de beloopbaarheid te bepalen, maar zou (volgens het artikel) in de toekomst wel nodig zijn.
30
6.2.
TOEPASSING VAN VIP’S T.H.V. EEN OVERLAP VAN HET DAMPSCHERM (UITBREIDING BIJ 6.1.)
Om het dampscherm continu te houden, het dak over zijn gehele oppervlakte te beschermen en omdat het dampscherm van een dak meestal niet uit één stuk bestaat (maar uit dakbanen), worden overlappen verwezenlijkt. Dit geldt vanzelfsprekend zowel bij renovatie als bij nieuwbouw. Deze overlappingen maken dus dat er een hoogteverschil ontstaat in de ondergrond van het isolatiemateriaal. De ene baan van het dampscherm ligt ter plaatse van de overlap op de andere baan. Figuur 13 geeft verduidelijking.
Figuur 13: Voorstelling van een overlap van een dampscherm (linkse foto komt uit de presentatie ‘Daken’ van het opleidingsonderdeel ‘bijzonder vraagstuk’)
Dit hoogteverschil varieert van dampscherm tot dampscherm aangezien verschillende types dampschermen meestal ook verschillende diktes hebben. Het grootste deel van de dampschermen hebben meestal een standaarddikte van 3mm of 4mm. Kleinere diktes kunnen uiteraard ook, zoals te zien in Tabel 13 op de volgende pagina. Deze geeft voor de meest courante dampschermmaterialen de standaarddiktes [58]. Zoals vermeld, wordt met VIP‟s best voorzichtiger omgegaan dan andere isolatiematerialen. De lokale verdikking ter plaatse van de overlap zorgt meestal niet voor veel problemen bij traditionele isolatieplaten, maar de kans bestaat dat deze overlappen een nadelig effect uitoefenen op een VIP. Door deze verdikking ter plaatse van de overlappingen kunnen er lokale spanningen geïntroduceerd worden in het membraan rond de isolatie als er lasten op de panelen uitgeoefend worden. Mogelijks zijn die spanningen zo hoog dat de folie op korte of lange termijn te veel vervorming moet ondergaan, met bijgevolg een verhoogd risico voor damp- en luchtdichtheid van het paneel. Dit werkt de veroudering van het paneel in de hand waardoor het isolerend vermogen sneller verslechtert.
31
Klasse + μd
Materiaal dampscherm
E1 (≥2 tot <5 m) E2 (≥5 tot <25 m)
E3 (≥25 tot <200 m)
E4 (≥200 m)
PE-folie PE-folie Bitumenglasvlies Bitumen-polyestervlies Gewapend bitumen
Type
V50/16 P150/16 V3 V4 P3 P4 Polymeerbitumen, glasvlies of PES V3 APP gewapend V3 SBS V4 APP V4 SBS P3 APP P3 SBS P4 APP P4 SBS Gewapende bitumina met metaalfolies (ALU 3) Meerlaagse dampschermen van polymeerbitumen
Standaarddikte (mm) 0,213 0,514 geen standaarddikte15 geen standaarddikte15 3 4 3 4 3 3 4 4 3 3 4 4 3 4
Tabel 13: Courante dampschermmaterialen met hun standaarddiktes [58][8][28]
6.2.1. BEPROEVINGSMETHODE Om dit te onderzoeken, zal het worstcasescenario experimenteel onderzocht worden. Dit zal zich naar alle waarschijnlijkheid voordoen tijdens de installatie aangezien de panelen dan nog niet beschermd zijn door de verdere opbouw van het dak en dus compleet blootgesteld zijn aan de activiteiten van dakwerkers. Waar het plat dak enkel bestaat uit een afdichting rechtstreeks op een VIP kunnen dezelfde lasten voorkomen tijdens het onderhoud. In veel gevallen zijn de VIP‟s (na de installatie) voldoende beschermd door bijvoorbeeld een extra traditioneel isolatiemateriaal (bijvoorbeeld PURplaten, zie ook verder) die onderhoudslasten al voor een stuk spreiden. Bij terrassen worden de lasten al voor een groot stuk gespreid door de ballast. In de proefmethode worden de lasten dan ook onmiddellijk aangebracht op de VIP om dit worstcasescenario na te bootsen (geen lastenspreiding door bovenliggende lagen), zie verder ter verduidelijking. Een simulatie aan de hand van eindige elementenprogramma‟s om de mechanische spanningen en rekken te berekenen is bijzonder complex en tijdrovend. Daarom wordt een experimentele proef uitgevoerd. In de beschouwde worstcaseconfiguratie wordt een korte overlap beschouwd, namelijk de
13
De dikte volgens TV 215 [58], hiervan zijn nog andere (bijvoorbeeld) kleinere diktes verkrijgbaar. Dit is geen standaarddikte (in tegenstelling to de andere waarden), maar een maximale dikte om tot de klasse E2 te blijven behoren. Dit is dus berekend op basis van de μ – waarde [8]. 15 Op basis van de afdeling Technisch Advies van het WTCB. Voor V50/16 bestaan bijvoorbeeld rollen met een dikte van 1,6 mm [28]. 14
32
minimale overlap die verzekerd moet worden. Deze is 80 mm (tabel 28 van TV215 16) [58]. De dikst mogelijke overlapping wordt gebruikt (4mm dikte). Bovenop deze overlap wordt een paneel gelegd, met het midden ter plaatste van de overlap. Aan beide kanten van de overlap wordt dan een gewicht van ongeveer 75 kg op het paneel geplaatst, die dan het gewicht voorstelt van een dakdekker die een rol dakdichting en een werkbak draagt (samen 150 kg17). Nadat dit worstcasescenario getest is, wordt overgegaan naar een overlap met een dikte van 3 mm. Dit stelt een iets minder nadelige situatie voor. De twee meest voorkomende diktes van dampschermen zijn 4 mm en 3 mm en zullen sneller tot schade leiden dan dunnere overlappen.
Figuur 14: Schets van de proefopstelling van een VIP t.p.v. een overlap van het dampscherm.
De proefopstelling wordt geschetst in bovenstaande figuur. Er worden lappen dampscherm van Soprema met een breedte van 8 cm en dikte van 4 en 3 mm op een vlakke ondergrond gelegd, waarop dan de VIP gepositioneerd wordt. Zoals te zien is op de schets, worden de krachten net naast de overlap ingeleid. Dit zal de hoogste lasten in de folie induceren. De lasten worden nagebootst met behulp van het gewicht van 6 zakken zand van ongeveer 25 kg die steunen op twee schoenen. De werkelijke proefopstelling staat hieronder afgebeeld.
Figuur 15: De proefopstelling van een VIP ter plaatse van een overlap van het dampscherm
Wat de afmetingen van de panelen betreft, wordt de test gedaan op een „klein‟ paneel (600 mm x 600 mm x 20 mm, zie eerder en in Figuur 15). Kleinere panelen dat dit zijn niet zo efficiënt voor de bouw. Deze kleine horizontale afmetingen zorgen voor een minder versterkende invloed van de delen van het paneel buiten de lasten weg van de overlap (zie Figuur 14) en zo de hoogste spanningen geïnduceerd worden. De kleinste dikte geeft de grootste spanningen in de folie (zie bijlage B). De last wordt voor 16
Dit is de minimale overlap voor een eenlaagse afdichting. Aangezien geen specifieke minima voor dampschermen vermeldt worden, wordt dit minimum aangenomen. 17 Voor de onderhoudslast wordt 1,0 kN ingerekend als geconcentreerde belasting. Dit komt overeen met 100 kg (1000N ≈ 100 kg). Voor de rekenwaarde wordt hier nog een veiligheidsfactor van 1,5 ingerekend (ongunstige uitwerking van de variabele actie)[49]. Dit betekent dus dat de VIP weerstand zou moeten kunnen bieden aan 150 kg. 150 kg lijkt ook een goede schatting van de maximale last die een dakwerker samen met zijn werkbak en rol dakafdichting teweeg kan brengen.
33
sommige testen 1 dag, voor andere 15 minuten aangehouden. Werken met 1 dag is veilig, als er geen schade optreedt bij deze tijdsduur, zal er ook geen schade optreden als een dakwerker met dit gewicht op een paneel gaat staan. 15 minuten belasten is interessant om het verschil te zien met panelen die 1 dag belast zijn. Na het uitvoeren van de test wordt de schade visueel en door middel van het meten van de inwendige druk onderzocht.
6.2.2. RESULTATEN EN CONCLUSIE De nagebootste overlap in de proefopstelling (Figuur 15) is 7,8 mm tot 8 mm breed. De onderlinge afstand tussen het midden van de schoenen is om en bij de 23,5 cm. De zakken zand wegen samen 146,9 kg. Samen met de houten plank van 3,4 kg is het volledige gewicht op de schoenen 150,3 kg. De uitgevoerde testprocedures staan samengevat in Tabel 14 samen met de visuele resultaten. Deze resultaten worden onder te tabel besproken. Overlap
Tijdsduur
Visuele controle
4 mm 4 mm 4 mm
1 dag 1 dag 15 min
3 mm
1 dag
20 mm 40 mm
15 min 15 min
Beperkte plooi van 2 à 3 mm over 27 cm, blijft vlak Beperkte plooi van 2 à 3 mm over 30 cm, blijft vlak18 Hele lichte plooi van ong. 1 mm (bijna niet zichtbaar) over ong. 20 cm, blijft vlak, de schoenafdruk is een stuk minder uitgesproken Beperkte plooi van 2 à 3 mm ter hoogte van de zool over een 7-tal cm, blijft vlak Helemaal vervormd + goed zichtbare plooi van 2 à 3 mm over 50 cm Helemaal vervormd + veel plooien ter plaatse van de overlap
Tabel 14: Visuele resultaten van de proef boven een overlap van het dampscherm
Overal is een (lichte) plooi te zien waar de randen van de lap dampscherm zich bevonden. Deze plooi is meer uitgesproken in de buurt waar de krachten ingeleid worden (de schoenen). Bij een lange belastingstijd is de plooi ook veel meer uitgesproken, zowel in lengte als in dikte, dan bij een korte belastingtijd. Na de overlapdiktes die in de praktijk voorkomen wordt getracht om de grens van een paneel in de geest van deze proef op te zoeken. Zo is een paneel 15 minuten beproefd op een overlap van 8 mm dikte, visueel onderzocht, en opnieuw beproefd op een overlap van 12 mm. Op deze manier is de dikte met stappen van 4 mm opgedreven tot 20 mm. Visueel lijkt de folie nog altijd strak rond de kern gespannen te zijn. Na een dag het paneel te laten rusten, wordt, wat betreft het vacuüm, visueel geen verschil waargenomen met een onbelast paneel. Ditzelfde paneel werd dan nog eens beproefd met een overlap van 40 mm. Opnieuw lijkt het vacuüm (visueel) niet weggevallen. Bij 20 mm en 40 mm krijgt het paneel wel een zekere blijvende vervorming. Als laatste bemerking kan vermeld worden dat alle panelen een schoenafdruk vertonen. Een visuele verduidelijking van de resultaten in Tabel 14 volgt hieronder in Figuur 16.
18
Dit paneel is omgekeerd beproefd ten opzichte van het eerste paneel (onderkant paneel 1 = bovenkant paneel 2).
34
27 cm
8 cm 1 dag op een overlap van 4 mm: 1 dag op een overlap van 4 mm: Het paneel veert terug (zie lichte plooi rechtheid in de figuur)
15 min op een overlap van 4 mm: heel lichte plooi (op foto niet zichtbaar)
8 cm 7 cm
50 cm 8 cm
1 dag op een overlap van 3 mm: beperkte plooi
15 min op een overlap tot 20 15 mm op de overlap tot 40 mm: goed zichtbare plooi mm: veel plooien en vervorming
Figuur 16: Afbeeldingen van de beproefde panelen
In de fabriek van Microtherm wordt de inwendige druk opgemeten. Deze blijkt bij alle panelen rond een waarde van 1 mbar te liggen, zelfs bij het paneel dat onderworpen is aan een overlap van 40 mm. Dit is niet groter dan de waarde die verzekerd wordt bij de levering (1 – 5 mbar) [34]. Aangezien de inwendige druk niet gestegen is, is er ook geen invloed op de thermische prestaties op korte termijn. De plooien zien er visueel onschuldig uit en blijken op korte termijn ook zo te zijn. Er kan geconcludeerd worden dat de overlap van het dampscherm de originele thermische kwaliteit van de panelen niet zal beïnvloeden. Visueel kunnen wel plooien in de folie zichtbaar worden ter hoogte van de randen van de overlap. Over de invloed (bijvoorbeeld van de plooien) op de thermische kwaliteit op lange termijn kan echter geen uitspraak gedaan worden, maar vermoed wordt dat deze geen problemen zullen leveren bij overlappen van 4 mm en 3 mm.
6.2.3. ALTERNATIEVEN Desondanks dat het gebruik van een overlap geen schade zal aanrichten aan de thermische kwaliteit op korte termijn, worden hier toch een aantal alternatieven beschreven die veiliger zijn dan dampschermen met een dikte van 4 mm of 3 mm die in overlap gelegd worden.
35
Eerst wordt de vraag gesteld of wel degelijk een dampscherm nodig is. Door de aluminiumlaag (heel hoog diffusieweerstandsgetal) in de folie zou de VIP op zich al de functie van een dampscherm kunnen uitvoeren. Als nu gekozen wordt om geen dampscherm te voorzien zijn volgende voor- en nadelen van kracht.
Voordelen Goedkopere dakopbouw
Nadelen
Snellere uitvoering
Meer risico‟s
Geen voorlopige dakvloer bij uitvoering
Geen mogelijkheid meer om het dak te compartimenteren19
Minder controle op de ondergrond
Op dit moment overwegen de nadelen op de voordelen als men veilig wil werken en wordt dus de voorkeur gegeven om een dampscherm te voorzien. Om een uitspraak te doen over het eerst genoemde nadeel, „meer risico‟s‟ moet verder onderzoek geleverd worden waarbij laboratoriumproeven en casestudies opgezet worden. Daarna kan eventueel uitgewezen worden of het weglaten van het dampscherm potentieel heeft of niet. In deze scriptie wordt verder verondersteld dat, waar nodig, een dampscherm ingebouwd wordt. Hieronder worden een aantal alternatieven opgesomd.
Dun dampscherm in overlap
Dampschermen die kops tegen elkaar gelegd worden
Een beschermende laag tussen het dampscherm en de VIP‟s
Dunne dampschermen zorgen voor een overlap met een kleine dikte. Dampschermen van 1,5 mm bestaan (Sopravap Stick A15 of C15 van Soprema [43]), maar dunner kan ook (Bijvoorbeeld Resitrix produceert dampschermen van 0,6 of 0,4 mm [40]). Een kleinere dikte zorgt voor een kleinere kans op schade aan de folie (zie bijvoorbeeld het verschil tussen de visuele resultaten voor een overlap van 4 mm en van 3 mm). Er kan ook gekozen worden de dampschermen niet te laten overlappen en ze kops tegen elkaar te leggen. Zo kunnen alle diktes toegepast worden. De voegen tussen de verschillende dakbanen worden dan samengesmolten. Er moet dan wel op toegezien worden dat ze overal dampdicht genoeg zijn. Een andere oplossing kan bijvoorbeeld bestaan uit het plaatsen van een dubbele (dunnere) dampschermlaag. Zo kunnen de voegen van de kopse dampschermbanen geschrankt geschikt worden. Hierdoor wordt een extra dampdichtheid voorzien boven de voegen van de onderste laag. Dit vergt wel meer werk. Een beschermende laag kan tussen het dampscherm en de VIP‟s voorzien worden. In Zwitserland en Duitsland, waar al een aantal vloerplaten, platte daken en terrassen geïsoleerd zijn met VIP‟s, paste 19
Daken worden gecompartimenteerd om waterinfiltraties tijdens de uitvoering tegen te gaan en om het dak in windzones op te splitsen, zie voor meer informatie TV 215 [58].
36
men deze beschermlaag in veel gevallen al toe om de folie tegen onregelmatigheden van de vloerplaat of dampscherm te beschermen. Meestal wordt een flexibele laag polyethyleenschuim gebruikt [24]. Vorige beschermingsmaatregelen kunnen vanzelfsprekend ook gecombineerd worden. Dit werd gedaan in de Pantserschipstraat te Gent. Hier werden de dampschermbanen kops geplaatst, waarop dan nog een laag van polyethyleenschuim werd gelegd als extra bescherming tegen eventuele oneffenheden in het dampscherm die de folie zouden kunnen beschadigen.
Figuur 17: Plat dak in de Pantserschipstraat te Gent. Links: kops gelaste dampschermbanen, Rechts: polyethyleenfolie ter bescherming voor oneffenheden (hier niet ter bescherming tegen de overlap)
37
6.3.
TEMPERATUURBELASTING
Isolatiepanelen die in een plat dak ingebouwd worden, krijgen (in België) te maken met lage temperaturen in de winter. Deze zijn meestal niet extreem vergeleken met de hoge temperaturen die de panelen te verduren kunnen krijgen. Ze zijn enerzijds te wijten aan bezonning tijdens het gebruik, en anderzijds aan bevestigingstechnieken die gebruik maken van hoge temperaturen tijdens de uitvoering. De afdichting kan namelijk bevestigd worden aan de dakisolatie door het aanleggen van een hoge temperatuur. Analoog kunnen ook isolatieplaten m.b.v. hoge temperaturen bevestigd worden aan het dampscherm (of dakvloer). De folie van de VIP‟s zou op deze manier op een hoge temperatuur kunnen komen, waardoor ze beschadigd raakt en zo het vacuüm niet meer in stand kan houden. De twee vormen van temperatuurbelasting (bezonning en bevestiging) worden eerst verduidelijkt. Daarna wordt dieper ingegaan op het theoretisch gedrag en de grenstoestanden van de folie van een VIP bij hogere temperaturen. Hieruit kunnen, na een vergelijking met gebruikelijke temperaturen, theoretische grenzen opgesteld worden om schade te voorkomen. Op basis van deze grenzen kan dan de keuze gemaakt worden welke experimentele proefopstellingen interessant zijn om te onderzoeken.
6.3.1. DE TEMPERATUURBELASTING DOOR BEZONNING. In de zomer kan de temperatuur van een zwarte afdichting door bezonning oplopen tot iets boven 80°C. Bij lichtgrijze materialen loopt de temperatuur op tot iets boven 70°C. Een lichtkleurige grindballast kan de temperatuur beperken tot ongeveer 55°C. [58]. Deze temperatuurbelasting doet zich voor tijdens het gebruik van het plat dak, wanneer de afdichting dus reeds bevestigd is. Bij een rechtstreekse bevestiging van de afdichting op een VIP wordt deze temperatuursbelasting rechtreeks doorgegeven aan de folie aan de bovenkant van het paneel. Er ontstaat een temperatuursverschil over het paneel dat voorgesteld wordt op onderstaande figuur.
Figuur 18: Schets van een paneel onder temperatuursbelasting. De temperatuur komt uit een berekening waar een stationaire warmtegeleiding verondersteld is.
Figuur 18 toont een VIP (als enige isolatielaag) in een plat dak onderworpen aan een temperatuurbelasting door bezonning. De temperatuur van de folie aan bovenzijde van de VIP is bij benadering 80°C. De temperatuur van de folie aan de onderzijde is afhankelijk van de draagvloer en van de dikte van het paneel. Zo wordt op Figuur 18 onder de eigenlijke figuur de temperatuur die
38
voorkomt bij stationaire warmtegeleiding aan de onderkant van de folie gegeven (dit is een bovengrens, zie verder). De bovenste temperatuur heeft telkens betrekking op een VIP met een dikte van 40 mm, terwijl de onderste de temperatuur voorstelt voor een paneel met een dikte van 20 mm. Voor de binnentemperatuur is 20°C aangenomen. Bij deze cijfers dient vermeld te worden dat deze temperaturen gelden voor het centrum van een paneel. De berekening is dan ook gemaakt met een „centre-of-panel warmtegeleidingscoëfficiënt‟ van 4,2 mW/mK [34]. Aan de randen van de panelen zullen deze temperaturen een stuk hoger zijn omwille van het koudebrugeffect. Zoals in de figuur te zien is, is het temperatuurverschil tussen de folie aan de bovenkant en de onderkant groot (tot 60°C). Door de hoge temperatuur aan de bovenkant kan de folie daar beschadigd raken, dit wordt verder onderzocht. Details over de berekening van deze temperaturen kan teruggevonden worden in bijlage C. Uiteraard is er in realiteit geen constante bezonning. Na een dag met veel bezonning koelt het afdichtingsmateriaal weer af tot een temperatuur die lager ligt dan de binnentemperatuur. De temperatuur van het afdichtingsmateriaal (en de temperatuur van de bovenzijde van het paneel) zal dus cycli ondergaan. Op die manier kunnen cyclische vervormingen of spanningen (zie verder) met een veranderlijke amplitude (afhankelijk van de weersvoorspelling) en een periode van een dag in de bovenkant van de folie ingeleid worden. Naast deze cycli zullen ook lokale schommelingen voorkomen die afhangen van de bezonning tijdens de beschouwde dag. Deze schommelingen kunnen soms zeer bruusk zijn, denkt men zich bijvoorbeeld een plotse regenbui in na een heel zonnige periode. De temperatuurschommelingen kunnen voor vermoeiing van de folie zorgen, wat na een groot aantal cycli tot schade zou kunnen leiden.
Figuur 19: Temperaturen op een plat dak tijdens de eerste helft van de maand juli[58]
De cyclische temperatuur van de afdichting zorgt voor een niet-stationaire warmtegeleiding doorheen het dak, waardoor de temperaturen vermeld in Figuur 18 bovengrenzen zijn en deze schommelingen met een veel kleinere amplitude maken dan deze van de afdichting. Een verschil van 60°C tussen de boven- en onderkant van de VIP is dus geen uitzondering. Daarnaast kan nog kort opgemerkt worden dat door de hoge temperatuur de afdichting wil uitzetten waardoor mechanische spanningen opgewekt worden die opgevangen kunnen worden door de inlage, 39
door het visco-elastisch gedrag van bitumen of beperkt kunnen worden door het toepassen van lichte kleur of weerkaatsende verf gebruikt bij kunststofafdichtingen [45].
6.3.2. DE TEMPERATUURBELASTING DOOR EEN BEVESTIGINGSTECHNIEK Niet enkel het klimaat, ook het rechtstreeks aanbrengen van de dakafdichting op een VIP kan zorgen voor hoge temperaturen ter hoogte van de folie. Deze temperatuurbelasting doet zich enkel tijdens de uitvoering voor. Verkleven met warm bitumen, vlamlassen en lassen met warme lucht zorgen voor tijdelijke hoge temperaturen, soms tot meer dan 300°C. De laatste techniek wordt vrijwel uitsluitend toegepast voor het lassen van overlappingen (of het lassen van lokale aansluitingen) aangezien de energie nodig om afdichtingen (of dampschermen) over de volledige breedte te lassen te hoog is voor deze techniek [58]. Ter illustratie wordt in Figuur 20 een schets van de techniek waarbij een afdichting rechtstreeks op een VIP wordt gevlamlast afgebeeld. In dit onderzoek wordt eerst uitgegaan van een afdichting die rechtstreeks op een VIP aangebracht wordt.
Figuur 20: Schets van het vlamlassen van een zwarte afdichting op een VIP
De temperaturen waarop de afdichting wordt gebracht voor de meest courante bevestigingstechnieken waarbij hoge temperaturen vereist zijn, worden in Tabel 15 weergegeven [58]. Een gebruikstemperatuur van 210°C is niet ongebruikelijk. Bij het vlamlassen van bitumineuze afdichtingen vermeldt TV 215 van het WTCB [58] enkel intervallen en minima van de afdruiptemperatuur van de verschillende materialen (zie ook Tabel 15). Tabel 16 gaat in detail in op de afdruiptemperatuur voor elk type bitumineuze afdichting. Deze waarden zijn opgesteld op basis van de technische fiches van enkele (grotere en erkende) fabrikanten [43][2][4][5]. Ze komen het best overeen met de afdruiptemperatuur van de producten van Soprema.
40
Type bitumen
Bitumineuze dakafdichting warm bitumen vlamlassen warme-luchtlassen
85/25 110/30 Geblazen bitumen gewapend met glasvlies Polymeerbitumen gewapend met polyester Enkel toegepast voor overlappen en aansluitingen
Kunststofafdichtingen Elastomeren EPDM
CSM, IRR CR, NBR
Aangewende T(°C) 185 210 70 - 110 110 - 150 Afh.v.mat.20 Aangewende T(°C)
warm bitumen21
85/25 110/30 22 SBS-bitumen vlamlassen Warm procedé is niet gebruikelijk 85/25 warm bitumen 110/30
Thermoplastische elastomeren TPV Bevestigingstechnieken idem aan EPDM TPO Bevestigingstechnieken idem aan PVC Plastomeren 85/25 PVC warm bitumen23 110/30 24 85/25 CPE warm bitumen 110/30 25 85/25 PIB warm bitumen 110/30 85/25 ECB, EVA warm bitumen 110/30
185 210 110 185 210
185 210 185 210 185 210 185 210
De overlappen van (de meeste) kunststofafdichtingen worden met warme-luchtlassen verwezenlijkt. De lastoestellen kunnen hete lucht tot een temperatuur van meer dan 600°C leveren, en zijn meestal regelbaar in temperatuur. De aangewende temperatuur zal waarschijnlijk beperkt worden tot 300°C, aangezien boven deze temperatuur alle types kunststofafdichtingen branden.
Tabel 15: Temperatuur die het afdichtingsmateriaal heeft bij de meest courante bevestigingstechnieken die gebruik maken van hoge temperaturen. De afkortingen kunnen teruggevonden worden in TV 215[58]
20
De hete lucht kan temperaturen tot 600°C hebben [58]. Welke temperatuur de afdichting heeft hangt af van het materiaal. 21 De types Ec en Eb van EPDM kunnen bevestigd worden met warm bitumen. De opbouw van deze types is vermeld in TV 215 p.66, 67 [58] 22 Het type Eb van EPDM kan bevestigd worden d.m.v. vlamlassen. De opbouw van deze types is vermeld in TV 215 p.66 [58] 23 De types Pci en Pi van PVC kunnen met warm bitumen bevestigd worden. De opbouw van deze types is vermeld in TV 215 p.70 [58] 24 PVC met een polyestervliescachering kan partieel verkleefd worden met warm bitumen. [58] 25 PIB kan partieel verkleefd worden met warm bitumen. [58]
41
Bitumineuze dakafdichtingen
Type
Afdruiptemperatuur (°C)
Geperforeerd bitumenglasvlies
VP 45/30 VP 40/15 V3 V4 P3 P4 V3 APP V3 SBS V4 APP V4 SBS P3 APP P3 SBS P4 APP P4 SBS APP SBS ALU 3 EP2
80 80 80 80 80 70 140 - 145 100 140 -145 100 140 100 140 100 140 110 100 80
Geblazen bitumen gewapend met een glasvlies/polyester
Polymeerbitumen gewapend met een glasvlies/polyester
Polymeerbitumen als eindlaag (gew. met polyester) Geblazen bitumen gewapend met een aluminiuminlage Eenzijdig gebitumineerde polyestermat
Tabel 16: Afdruiptemperatuur van de verschillende types bitumineuze afdichtingen (onderlagen, tussenlagen en eindlagen) [2][4][43][5]
Ook de bevestiging van de isolatiepanelen aan het dampscherm gebeurt met technieken die gebruik maken van hoge temperaturen. Naast het kleven met bitumineuze koudlijm, het kleven met synthetische lijmen, de mechanische bevestiging en de losliggende plaatsing, kunnen isolatiematerialen ook bevestigd worden met warm bitumen. Dit is het meest gebruikte kleefmiddel volgens TV 215 [58]. Opnieuw kan gekozen worden tussen bitumen 85/25 en 110/30 met een verwerkingstemperatuur van respectievelijk 185°C en 210°C.
6.3.3. THEORETISCH GEDRAG EN GRENSTOESTANDEN BIJ HOGE TEMPERATUUR Het is algemeen bekend dat materialen faseveranderingen doorlopen bij een variërende temperatuur. Dit verschijnsel zou de folie van een VIP, als eerste reden, in een toestand kunnen brengen waarbij een voldoende lage inwendige druk niet meer gegarandeerd is. In het temperatuurbereik van de folie zijn vooral de smelttemperatuur en eventueel de glastemperatuur belangrijk. De glastemperatuur is de temperatuur waarbij polymeren overgaan van een amorfe26 vaste toestand naar een zachtere „rubberachtige‟ toestand. Boven deze temperatuur neemt de stijfheid op een plotse manier af, waardoor de materialen als het ware verweken. De smelttemperatuur spreekt voor zich. De figuren in bijlage D illustreren dit. 26
Vaste toestand zonder vorming van een geordend kristalrooster
42
Daarnaast weet men uit de materiaalkunde dat de meeste materialen bij stijgende temperaturen uitzetten. Dit zou een tweede verschijnsel kunnen zijn dat leidt tot een grenstoestand. Hoeveel de materialen uitzetten wordt beschreven door de lineaire uitzettingscoëfficiënt α (/°C of /K). De rek waarmee een materiaal zal uitzetten, verkrijgt men door α te vermenigvuldigen met het temperatuurverschil. De lineaire uitzettingscoëfficiënt van de verschillende materialen is belangrijk voor de verdere uiteenzetting. De folie van de in dit onderzoek gebruikte panelen bestaat uit een afwisseling van PET-lagen en aluminiumlagen met aan de binnenkant een PE-laag [18]. De diktes en opeenvolging van de verschillende lagen staan in onderstaande tabel weergegeven, samen met de lineaire uitzettingscoëfficiënt waarvan de waarde in de volgende alinea verduidelijkt wordt.
PE Al PET Al PET Al PET
Dikte (μm)
Lineaire uitzettingscoëfficiënt (10-6/°C)
55 0,03 – 0,1 12 0,03 – 0,1 12 0,03 – 0,1 12
180 - 400 21,5 - 23,6 117 21,5 - 23,6 117 21,5 - 23,6 117
Tabel 17: Samenstelling, dikte en lineaire uitzettingscoëfficiënt van de folie[18] [56]
De lineaire uitzettingscoëfficiënt van aluminium ligt tussen 21,5 en 23,6.10-6/°C, afhankelijk van de legering, terwijl deze van polyethyleenteraftalaat (PET) 117.10-6/°C is [56]. Polyethyleen (PE) heeft een lineaire uitzettingscoëfficiënt van ongeveer 200.10-6/°C volgens The Engineering Toolbox [46], maar hangt eigenlijk af van de densiteit van de stof. Er vanuit gaand dat de PE-folielaag van VIP‟s uit LDPE bestaat (low density polyethylene, het meest gebruikte type polyethyleen), ligt de lineaire uitzettingscoëfficiënt tussen 180.10-6/°C en 400.10-6/°C [56]. De waarde van 200.10-6/°C is dus optimistische benadering. Experimenteel werd een lineaire uitzettingscoëfficiënt van de kern bepaald die 10 à 15.10-6/°C bedraagt [23]. De kern in dit experiment bestond ook uit „fumed silica27‟, net als de panelen van Microtherm. Er wordt wel vermeldt dat deze waarden niet nauwkeurig zijn. Uit bovenstaande blijkt dus dat de kern bij eenzelfde temperatuurverschil ongeveer de helft zoveel zal uitzetten als het aluminium en respectievelijk ongeveer 10 keer en 23 keer minder dan PET en PE. Door de warmteweerstand van een VIP zal het kernmateriaal gemiddeld gezien op een lagere temperatuur staan dan de folie die de hoge temperatuur ontvangt. Om de twee voorgaande redenen zal de folie meer willen uitzetten dan het kernmateriaal. De folie zit stevig rond het kernmateriaal door het vacuüm en wil door het verschil in thermische rek het paneel „kromtrekken‟. Dit is voorgesteld in Figuur 21. Omdat de dikte van de folie heel klein is in vergelijking met de dikte van de hele VIP, zal 27
Kiezelzuur (waaruit de kern gemaakt is) heeft echter een lineaire uitzettingscoëfficiënt van 0,4.10 -6/°C [56].
43
het paneel niet kromtrekken. Bij een vereenvoudigde elastische berekening blijkt dat de folie een paneel met een dikte van 20 mm en een langste afmeting van 1200 mm het midden van het paneel maximaal met 0,56 mm zou kunnen oplichten, ofwel 1/2133 van de lengte28.
Figuur 21: Schets ter verduidelijking van het verwachte gedrag van de VIP’s
Omwille van de mechanische buigingsweerstand van de VIP zal de thermische uitrekking van de folie dus tegengehouden worden. Daarom wordt nu verder uitgegaan van de veronderstelling dat de folie volledig verhinderd wordt uit te rekken. Dit betekent dat er thermische „drukspanningen‟ in de folie ingeleid zullen worden. Bij de minste drukspanning, plooit een losstaande folie uit. In het geval van een VIP wordt de folie tegen het kernmateriaal gedrukt door de hoge onderdruk door het vacuüm binnenin de folie. Om deze reden is het waarschijnlijk dat dit plooien zich niet onmiddellijk voordoet, waardoor een bepaalde drukspanning zich kan voordoen in de folie. Het vacuüm zal dus werken als een „verstijver‟ wat betreft de drukspanning in de folie. Ook door de bevestigingen van de isolatieplaten in de opbouw van een plat dak kan deze rek voor een deel verhinderd worden (bevestiging van de folie aan de afdichting en aan het dampscherm). Een volledige verhindering van uitzetting zal zich waarschijnlijk niet 100% voordoen. Hier wordt echter verder mee gewerkt om eenvoudig een keuze te kunnen maken welke temperatuurbelasting theoretisch problemen zou kunnen geven en welke niet. De spanningen die uit de volledige verhindering van het uitzetten van de folie volgen, zullen dus te groot geschat worden. Nu beide verschijnselen (faseveranderingen en spanningen door de verhinderde rek) beschreven zijn, worden enkele (grens)eigenschappen van de materialen waaruit de folie bestaat, aangegeven. Deze eigenschappen kunnen belangrijk zijn bij het onderzoek naar het gevaar voor de folie bij een hoge 28
Als de folie geen rek zou kunnen ondergaan, zou deze een kracht van 3323 N/m (gesommeerde kracht van de folielagen: Σ σ x dikte folielaag, σ volgens Tabel 19) uitoefenen bij een temperatuur van 210°C. Deze zou een buigingsmoment van 66,5 Nm/m (0,02 * 3323 Nm) induceren t.o.v. de onderkant van het paneel. De doorbuiging is dan gelijk aan . E is 63,8 MN/m² [24].
44
temperatuursbelasting. De glastemperatuur en de smelttemperatuur zijn overgangswaarden in het temperatuursverloop (zie eerder). De vloeispanning is een karakteristiek punt in het spanning-rek diagram en stelt de overgang van elastisch naar plastisch gedrag voor. In het plastisch gebied houdt het materiaal een blijvende vervorming over, wat te vermijden is. In bijlage D worden figuren gegeven die de begrippen glastemperatuur, smelttemperatuur en vloeispanning verduidelijken. De vloeispanning zal nooit bereikt worden, de folie zou normaal gezien al (veel) eerder moeten uitplooien. Deze worden in onderstaande tabel samengevat [56].
PE Al29 Pet
glastemperatuur (°C)
smelttemperatuur (°C)
vloeispanning (Mpa)
-90 69
137 660 265
26,2 - 33,1 Afh. v. legering: gem. 78,2 59,3
Tabel 18: De glastemperatuur, de smelttemperatuur en de vloeispanning van de verschillende folielagen [56].
Uit de materiaaleigenschappen vermeld in bovenstaande tabel is af te leiden welke temperatuurbelasting (zowel door bezonning als door bevestigingstechnieken) theoretisch gezien voor problemen in de folie zorgt.
6.3.4. THEORETISCHE BEPALING VAN EEN TE HOGE TEMPERATUURBELASTING Eerst worden de temperaturen die kunnen voorkomen in de folie door temperatuurbelasting (zowel door bezonning als door bevestigingstechnieken) vergeleken met temperaturen waarbij een faseverandering voorkomt. In Tabel 18 is te zien dat de glastemperatuur van PET 69°C is. Bij een hogere temperatuur dan deze neemt de stijfheid van de PET-lagen een stuk af [56]. Dit zou nadelig kunnen zijn voor de folie. Door deze verweking wordt de buitenste PET-laag, die tevens als krasbestendige laag dient [6], immers mogelijk beschadigd. Als dit vermeden moet worden, dan kan geen enkele bevestigingstechniek die gebruik maakt van hoge temperaturen rechtstreeks toegepast worden op VIP‟s. De temperatuurbelasting door bezonning op een zwarte afdichting die rechtstreeks op een paneel bevestigd is, moet dan ook vermeden worden (69°C < 80°C). Belangrijker dan de glastemperatuur, is de smelttemperatuur van een folielaag, de temperatuur van de folie mag zeker niet hoger zijn. Aangezien de smelttemperatuur van polyethyleen (PE) 137°C bedraagt, past men best geen rechtstreekse bevestiging met warm bitumen (185°C of 210°C) toe. Warme-luchtlassen (ongeveer 300°C à 400°C) maakt evenzeer gebruik van te hoge temperaturen (zie Tabel 15). Ook alle APPafdichtingen (zie Tabel 16) worden best vermeden. Deze hebben een afdruiptemperatuur van 140°C of meer.
Analoog met de 6.3.3, worden ook de mechanische spanningen geïnduceerd door verhinderde uitzetting getoetst aan hun grenswaarden. Tabel 19 geeft voor elke gangbare temperatuur (zie 6.3.1) de thermische spanningen die in de verschillende folielagen voorkomen als de folie volledig
29
Deze waarden gelden voor gewone aluminiumlegeringen, niet voor hittebehandelde aluminiumlegeringen
45
verhinderd wordt van te verlengen (tot 210°C). De veronderstelling van de verhindering werd eerder al verantwoord. De mechanische (thermische) spanning wordt berekend op onderstaande manier. (11) Met σT de thermische spanning, E de elasticiteitsmodulus, α de lineaire uitzettingscoëfficiënt, ΔT het temperatuursverschil en αΔT de (hier verhinderde) rek. Vergelijking 11 toont dat deze spanning enkel afhankelijk is van de rek en niet van de afmetingen van een VIP, wat verder interessant zal blijken bij het bepalen van de proefafmetingen.
PE Al PET PE Al PET PE Al PET PE Al PET PE Al PET PE Al PET PE Al PET PE Al PET
Rek
Verlenging (L0=700 mm) (mm)
Elasticiteitsmodulus (Mpa)
Thermische spanning (Mpa)
210
200 22,2 117
0,0380 0,0042 0,0222
26,60 2,95 15,56
227 69000 3450
8,63 291,04 76,69
185
200 22,2 117
0,0330 0,0037 0,0193
23,10 2,56 13,51
227 69000 3450
7,49 252,75 66,60
145
200 22,2 117
0,0250 0,0028 0,0146
17,50 1,94 10,24
227 69000 3450
5,68 191,48 50,46
140
200 22,2 117
0,0240 0,0027 0,0140
16,80 1,86 9,83
227 69000 3450
5,45 183,82 48,44
110
200 22,2 117
0,0180 0,0020 0,0105
12,60 1,40 7,37
227 69000 3450
4,09 137,86 36,33
100
200 22,2 117
0,0160 0,0018 0,0094
11,20 1,24 6,55
227 69000 3450
3,63 122,54 32,29
80
200 22,2 117
0,0120 0,0013 0,0070
8,40 0,93 4,91
227 69000 3450
2,72 91,91 24,22
70
200 22,2 117
0,0100 0,0011 0,0059
7,00 0,78 4,10
227 69000 3450
2,27 76,59 20,18
Temperatuur (°C)
Lineaire uitzettingscoëfficiënt (10-6/°C)
Tabel 19: De thermische spanningen opgewekt bij een volledige verhindering van de verlenging bij de verschillende gangbare temperaturen. Materiaaleigenschappen volgens [56]
46
De kolom „Verlenging‟ in Tabel 19Tabel 19 is de verlenging die zou voorkomen bij de verschillende folielagen van een paneel met als langste afmeting L0 als deze folielagen ongehinderd zouden kunnen uitzetten. Dit is ter informatie, maar toont mooi hoeveel verschil er zit tussen de aluminiumlaag en de PE-laag. Om de theoretische grens te bepalen worden de spanningen in de polymeerlagen (PE en PET) vermeld in Tabel 19 vergeleken met de vloeispanning van deze materialen. Hierbij moet wel ingedacht worden dat de hier bepaalde spanningen, drukspanningen zijn. Zoals vermeld zal de folie bij de minste drukspanning de plooispanning30 bereiken, maar het vermoeden is er dat deze plooispanning hogere waarden (voor een folie met deze dikte) kan bereiken door de verstijvende werking van het vacuüm op de folie. Hierdoor zou de folie eventueel kleine drukspanningen kunnen opvangen. In ieder geval kan de vloeispanning als absolute bovengrens beschouwd worden. Een temperatuur die een „drukspanning‟ in de folie inleidt die hoger is dan de vloeispanning is dus theoretisch zeker te vermijden. Om de mechanische spanningen, bepaald in Tabel 19, onder de vloeispanning te houden (zie Tabel 18), kan men afleiden dat het falen van de folie kan voorkomen voor de temperaturen 185°C en 210°C wat betreft de PET-laag. Bij deze temperaturen komt de spanning die heerst in het PET namelijk in de gevarenzone (de vloeispanning voor PET is 59,3 Mpa, bij 185°C of meer is de heersende spanning 66,6 Mpa of hoger). De PE-laag levert geen problemen (de thermische spanning blijft een stuk onder de minimale vloeispanning). Daarnaast ziet men in Tabel 19 dat de spanning in de aluminiumlaag nog 76,59 Mpa is bij 70°C. De verschillende (niet hittebehandelde) gebruikelijke aluminiumlegeringen hebben een gemiddelde vloeispanning van 78,2 Mpa (zie Tabel 18). Dit is dus maar net hoger dan de heersende spanning bij 70°C. Sommige aluminiumlegeringen vloeien zelfs al bij 55 Mpa of zelfs bij 34 Mpa. Uiteindelijk kan geconcludeerd worden:
Bij een rechtstreekse bevestiging van een zwarte afdichting op een VIP zal, theoretisch gezien, bezonning zorgen voor temperaturen die schade aan de folie zullen berokkenen (max. 80°C).
Ook elke bevestigingstechniek die gebruik maakt van hoge temperaturen zal in theorie de folie beschadigen bij het rechtstreeks aanbrengen van de afdichting op de VIP.
Naast deze uiteenzetting geeft Microtherm op hun website limieten aan voor de temperatuur van de folie. Het paneel kan gebruikt worden voor temperaturen van -30°C tot 70°C [34]. De door Microtherm vermelde bovenlimiet komt zeer goed overeen met de bovenlimiet die uit de bovenstaande uiteenzetting volgt. Uit het vorige volgt de aanbeveling dat men best geen afdichting rechtstreeks op een VIP aanbrengt waarbij hogere temperaturen worden gebruikt, wil men geen schade veroorzaken aan de folie. Ook de bevestiging van VIP‟s met warm bitumen aan het dampscherm kan men beter vergeten. Er moet wel nog altijd opgepast worden voor de temperatuurbelasting door bezonning bij zwarte afdichtingen rechtstreeks aangebracht door andere technieken. Theoretisch is dit te vermijden. Dit betekent dat 30
De drukspanning waarbij een materiaal plooit. Deze is voor slanke en smalle materialen (een stuk) kleiner dan de vloeispanning.
47
tussen de afdichtingen en de VIP‟s bij voorkeur een bescherming aangebracht dient te worden. Dit kan eventueel ook tussen de VIP‟s en het dampscherm. De bescherming kan best voorzien worden met traditionele isolatieplaten die gebruikt worden bij platte daken (PUR/PIR, EPS, XPS, PF, …). Aangezien het hoofddoel van VIP‟s bestaat uit weerstand bieden tegen warmtedoorgang, worden VIP‟s bij voorkeur gecombineerd met PUR/PIR-isolatie omdat deze de laagste warmtegeleidingscoëfficiënt van de traditionele isolatieplaten heeft. Bij een isolatieplaat als bescherming tussen het dampscherm en de VIP‟s lijkt het wel interessanter om voor een andere bevestigingstechniek te kiezen dan warm bitumen in plaats van een extra isolatie als bescherming. Anders wordt de belangrijke eigenschap van de VIP‟s, een hoge warmteweerstand bij een kleine dikte, teniet gedaan. Het is namelijk belangrijker VIP‟s te beschermen aan de buitenzijde dan aan zijn binnenzijde (door de zonbelasting, onmiddellijke bescherming tijdens de uitvoering, …). Bij een dubbele bescherming zullen de VIP‟s omgeven worden door twee PUR-platen, waardoor de dikte heel vlug stijgt. De bescherming aan de binnenzijde wordt om deze reden niet verder bestudeerd. Naast de warmte afkomstig van de afdichtingtechniek die zich door de traditionele isolatieplaat wil dringen, kan deze warmte vermoedelijk ook vlot tussen de voegen doorstromen naar de VIP‟s. Om deze reden zou het kunnen voorkomen dat de folie op deze plaats beschadigd raakt. Als dit zo zou zijn, stelt Soprema voor de PUR-platen eerst te bedekken met zelfklevende onderlaag waardoor de voegen afgeschermd zijn. Een zelfklevende onderlaag wordt in de praktijk courant toegepast, waardoor dit mogelijk een eenvoudige oplossing kan zijn.
6.3.5. BEPROEVINGSMETHODES Theoretisch zou een rechtstreekse zwarte afdichting op een VIP schade door bezonning berokkenen aan het paneel. Dit kan experimenteel getest worden. Blijken de resultaten hierop te wijzen, dan kan de test eventueel opnieuw gedaan worden, maar deze keer met een PUR-isolatieplaat van 30 mm bovenop de VIP (30 mm is de minimale dikte van standaard PUR-platen). Opnieuw wordt bestudeerd of de folie intact blijft of niet. De panelen zullen bij voorkeur een lange tijd (bijvoorbeeld een maand) op een constructie die zo goed mogelijk de realiteit beschrijft, aangebracht moeten worden (bijvoorbeeld een ongeïsoleerd plat dak). Gezien de lange productietermijn van VIP‟s en de lange beproevingstermijn in de zomermaanden, is dit een onderwerp voor verder onderzoek. Onder het puntje resultaten wordt nog eens kort ingegaan op de verwachting van de uitkomst van deze test. Voor de beproevingsmethode voor het aanbrengen van een afdichting met behulp van hoge temperaturen zou theoretisch enkel de situatie waarbij een 30 mm dikke PUR-plaat op een VIP gelegd wordt, beschouwd moeten worden. Op deze PUR-plaat wordt dan een afdichting aangebracht door middel van een techniek die hogere temperaturen gebruikt, om te onderzoeken of deze voldoende bescherming biedt. Dit is het uitgangspunt voor de proef, maar een rechtstreekse aanbrenging op de VIP‟s wordt toch niet gemeden, om de volgende reden: het kan zeker interessant zijn om de werkelijke grenzen van de VIP‟s op te zoeken, wat ook duidelijk zal worden bij de resultaten. Er worden afdichtingen aangebracht op de PUR-platen/VIP‟s door middel van:
Hete-lucht: op de IR – foto‟s heeft de lucht zelf ongeveer 360°C
Warm bitumen: tot 240°C, 210°C of 185°C volgens Tabel 15 48
Vlamlassen: 100°C tot 140°C (afdichting: Tabel 16), de vlam is een stuk heter.
Afbeeldingen van de drie technieken staan voorgesteld op Figuur 22. Het hete-luchtlassen wordt enkel toegepast op een overlap van dampschermen of afdichtingen. Warm bitumen en vlamlassen worden toegepast over het hele oppervlak van de afdichting. Er worden proeven uitgevoerd waarbij de hoge temperatuur zich over de gehele oppervlakte van de VIP zal voordoen. Deze proeven bestaan uit het uitgieten van warm bitumen of het branden van een afdichting op een volle PUR-plaat op een VIP, of rechtstreeks op een VIP. Ook proeven waarbij de folie enkel lokaal een hoge temperatuur te verduren krijgt, worden opgesteld. Hete-luchtlassen gebeurt enkel lokaal, maar daarnaast wordt ook de warmtestroom (door vlamlassen, hete-lucht, inlopende bitumen) tussen voegen in de PUR-laag onderzocht. Een uitgebreider overzicht van de uitgevoerde proeven wordt verder gegeven.
Figuur 22: Afbeeldingen van de drie beproefde technieken. Links: hete-luchtlassen. Midden: Warm bitumen, Rechts: Vlamlassen
In de theoretische beschouwingen werd de folie gezien als volledig verhinderd tegen uitzetten. Zoals aangehaald bij vergelijking 11 hangt de ingeleide spanning enkel af van de verhinderde rek en niet van de afmetingen. Dit zou willen zeggen dat de afmetingen van de panelen niet van belang zijn bij deze proef. Er zal zich waarschijnlijk geen 100 % verhindering van de rek zal voordoen, de folie aan de warme kant wil meer verlengen bij langere panelen en bij grote panelen zullen zich in een dakopbouw minder voegen31 voordoen. Om deze redenen wordt voor de proeven waarbij (bijna) het hele oppervlak op een hogere temperatuur komt, toch voor de grootste leverbare panelen gekozen (1200 mm x 600 mm x 40 mm), met de grootste dikte. Deze dikte wordt verantwoordt doordat de stijfheid tegen vervormen zo veel groter is (grotere buigweerstand tegen kromtrekken) en zo de folie veel meer verhinderd zal zijn om te verlengen waardoor de spanning in de folie vlugger zal oplopen. Vermoedelijk zullen de afmetingen niet veel invloed hebben, maar aangezien in deze scriptie voor de eenvoudigheid twee verschillende afmetingen van panelen gebruikt worden, wordt ook om deze reden voor dergelijke afmetingen gekozen. Zo wordt opnieuw een worstcasescenario opgesteld. In de andere proeven krijgt enkel een lokaal deel van de VIP een hoge temperatuur te verduren. Om deze reden maken de afmetingen niet veel uit. Hiervoor worden panelen 600 mm x 600 mm x 20 mm (de „kleine‟ panelen van uit de inleiding) gebruikt. 31
Als er in de dakopbouw minder voegen zijn, zoals bij panelen die grote oppervlaktes bedekken, is er ook minder bewegingsvrijheid voor de panelen om uit te zetten.
49
Onderstaande tabel geeft een overzicht van de proeven die uitgevoerd worden. De PUR-panelen zijn Eurothane Bi-3 panelen. Ventiglass 3 is een onderlaag bestaande uit een geblazen bitumen en is voorzien van een SBS-bitumenstroken afgewisseld met anti-kleefstroken (afdruiptemperatuur is 70°C) [44]. Nr.
Opstelling
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Hete - luchtlassen boven PUR-paneel op VIP Hete - luchtlassen rechtstreeks op VIP (overlap 15 cm, 10 cm wordt gelast) Hete - luchtlassen boven voeg tussen PUR-panelen op VIP Vlamlassen van Ventiglass 3 op PUR boven VIP Vlamlassen van SBS op zelfklevende onderlaag (Soprastick SI) rechtstreeks op VIP Vlamlassen van APP (Sopragum Techno) op zelfklevende onderlaag (Soprastick SI) op VIP Vlamlassen van Ventiglass 3 boven voeg tussen PUR-panelen op VIP Warm bitumen rechtstreeks op VIP Warm bitumen boven open voeg tussen PUR-panelen op VIP Vlamlassen van Ventiglass 3 rechtstreeks op VIP Vlamlassen van APP (Sopragum Techno) rechtstreeks op VIP Vlamlasser rechtstreeks op VIP gericht gedurende 8 s Vlamlasser rechtstreeks op VIP gericht gedurende 2min 15 s
Tabel 20: Overzichtstabel van de proeven op de temperatuursbelasting door het aanbrengen van een afdichting met een warme techniek
6.3.6. RESULTATEN Hier worden de belangrijkste resultaten samengevat. De IR-foto‟s die bij elke proef horen, zijn in bijlage E opgenomen, waar ook onderstaande resultaten herhaald worden. Microtherm vermeldt bij de levering dat hun SlimVac panelen een inwendige druk hebben van 1 tot 5 mbar. Proefnr. 1: Hete-luchtlassen op een VIP beschermd door een PUR-plaat De hete lucht bereikt hier temperaturen van 380°C. De onderkant van de PUR-plaat blijft op een temperatuur van ongeveer 17,5°C, wat betekent dat de warmte niet door de PUR-plaat gaat. Proefnr. 2: Hete-luchtlassen rechtstreeks op een VIP (Overlap 15 cm breed, 10 cm wordt gelast) De hete lucht bereikt opnieuw temperaturen tot 380°C. De hete lucht lijkt echter niet door te stromen tot op de VIP. De overlap zelf bereikt een temperatuur van 126°C, maar dit wordt maar een aantal seconden aangehouden. Na deze proef is de temperatuur aan de onderkant van de afdichting al gezakt naar maximaal 70°C. Het paneel behoudt zijn inwendige druk (0,64 mbar). 50
Proefnr. 3: Hete-luchtlassen boven een voeg tussen de PUR-platen boven een VIP De hete lucht stroomt tussen de voeg door naar de VIP. Na een aantal seconden is er lokaal een temperatuur van 80°C merkbaar op de VIP. Een lokale beschadiging is zichtbaar. Net na de test heeft het paneel nog een inwendige druk van 0,5 mbar. Na een maand is de inwendige druk gestegen tot 1 mbar, het paneel behoudt dus nog zijn thermische kwaliteit. Proefnr. 4: Vlamlassen van Ventiglass 3 op VIP beschermd door PUR-plaat Tijdens het vlamlassen ondervindt de PUR-plaat een temperatuur tot 300°C. De PUR-plaat beschermt de VIP tegen de warmte. De inwendige druk bedraagt nog 0,48 mbar. Proefnr. 5: Vlamlassen van SBS op zelfklevende onderlaag (Soprastick SI) gekleefd op VIP’s Tijdens het vlamlassen komt de onderlaag (Soprastick) tot op een temperatuur van 340°C à 360°C. Na de test staat de buitenzijde van de afdichting op een temperatuur tot 70°C. Dit testpaneel is zijn inwendige druk verloren (1000 mbar). Deze techniek moet dus vermeden worden. Proefnr. 6: Vlamlassen van APP op zelfklevende onderlaag (Soprastick SI) gekleefd op VIP’s Tijdens het vlamlassen komt de onderlaag (Soprastick) opnieuw tot op een temperatuur van 340°C à 360°C. Het vlamlastoestel moet langer op de rol gericht worden aangezien APP pas smelt bij 140°C. Dit testpaneel is echter zijn inwendige druk niet verloren (0,55 mbar). Proefnr. 7: Vlamlassen van Ventiglass 3 (onderlaag) boven voegen tussen PUR-platen op VIP’s Door de voegen kan de vlam tot op de VIP doordringen. Zoals in de vorige proeven kan deze vlam temperaturen hoger dan 300°C bezitten ter plaatse van het oppervlak van de PUR-platen. Dit zorgt dan ook voor beschadiging aan de folie aangezien de VIP zijn inwendige druk verloren is (1000 mbar).
51
Proefnr. 8: Gieten van warm bitumen rechtstreeks op VIP Het warm bitumen heeft ongeveer 240°C, en wordt rechtstreeks op de VIP gegoten. Hier wordt Ventiglass 3 ingerold. Na een maand is de inwendige druk nog altijd 0,4 mbar. Dit is meer dan laag genoeg. Proefnr. 9: Gieten van warm bitumen boven open voegen tussen PUR-platen die de VIP beschermen Het warm bitumen heeft 230 à 240 °C en wordt bovenop een PUR-plaat gegoten die van voegen voorzien is. Hier wordt opnieuw Ventiglass 3 ingerold. Hier is de inwendige druk na twee weken nog voldoende laag: 0,31 mbar. Proefnr. 10: Vlamlassen van Ventiglass 3 rechtstreeks op VIP Analoog met proefnr. 4 zal hier de VIP een temperatuur van 300 °C ondervinden. Deze temperatuur zorgt er voor dat de folie beschadigd raakt. De inwendige onderdruk is namelijk weggevallen (niet onmiddellijk, na een bepaalde tijdsperiode). Proefnr. 11: Vlamlassen van APP (Sopragum Techno) rechtstreeks op VIP Analoog met proefnr. 6 zal de VIP hier een temperatuur van ongeveer 340 à 360°C ondervinden. Er vormen zich kleine „belletjes‟ in de folie. De folie wil zich dus uitplooien. De inwendige druk stijgt hier tot 45 mbar (na een maand). Dit paneel verliest dus een deel van zijn isolerende kwaliteit. Proefnr. 12: Vlamlasser rechtstreeks op een VIP gericht gedurende 8 s 8 seconden de vlamlasser op een VIP houden zorgt voor een beschadiging die in de figuur voorgesteld wordt. Het vacuüm valt niet onmiddellijk weg. Het paneel blijft niet branden. Proefnr. 13: Vlamlasser rechtstreeks op een VIP gericht gedurende 2 min 15 s Na 2 min 15 s de vlamlasser op de VIP gehouden te hebben is de VIP zo goed als helemaal vernietigd. Het vacuüm valt hier wel onmiddellijk weg. Het paneel blijft niet verder branden nadat het vlamlastoestel weggenomen wordt.
52
6.3.7. CONCLUSIE Er kan besloten worden dat het rechtstreeks vlamlassen van een afdichting op een VIP vermeden moet worden, alsook als deze VIP beschermd wordt door een zelfklevende onderlaag. Bij een APPafdichting met een zelfklevende onderlaag bleek het paneel niet beschadigd te zijn, terwijl dit bij SBSbitumen wel het geval was. Een eventuele verklaring kan zijn dat door het langer aanhouden van de vlam (APP-bitumen heeft een hogere smelttemperatuur, zie eerder) het bitumen van de onderlaag samensmelt met de folie en zo mogelijke perforaties dicht. Toch is het veilig van dit te vermijden. Hete-luchtlassen van een overlap bovenop een VIP gaf geen problemen. Ook het gieten van warm bitumen deed de inwendige druk niet stijgen (dit kan eventueel ook komen door het samensmelten van de folie en het bitumen). De VIP‟s tonen dus een stuk hogere weerstand tegen temperatuurbelasting dan verwacht uit theoretisch oogpunt, waarbij 70°C als bovengrens gesteld werd. Dit betekent niet dat deze technieken in ieder geval rechtreeks op een VIP gebruikt kunnen worden, maar toont wel aan dat er een zekere veiligheid is als de technieken toegepast worden op VIP‟s beschermd door PUR-platen. Om veilig te werken worden dus alle afdichtingtechnieken die hoge temperaturen gebruiken bij voorkeur niet rechtstreeks aangebracht op VIP’s. Een PUR-plaat van 30 mm dik waarbij de voegen tussen de platen afgedicht worden is een goede bescherming voor vacuümisolatie. Worden de voegen niet afgedicht, dan ondervindt de folie (eventueel) schade door hete lucht of door de vlam bij het lassen. Warm bitumen die tussen de voegen loopt zorgt niet onmiddellijk voor een beschadiging, maar wordt bij voorkeur toch vermeden om de veiligheid te garanderen. Een snelle en eenvoudige oplossing wordt hieronder gegeven: Afdichting Zelfklevende Onderlaag PUR-plaat VIP
Figuur 23: Een snelle, eenvoudige en veilige configuratie waarbij afdichtingtechnieken met hoge temperaturen toegepast kunnen worden.
Een zelfklevende onderlaag (bijvoorbeeld Soprastick SI die in de proeven gebruikt werden) wordt in de praktijk courant toegepast. Op deze onderlaag kan dan gelijk welke afdichtingtechniek toegepast worden die hoge temperaturen gebruikt.
53
6.4.
WINDZUIGING
Windzuiging is een verticale mechanische belasting, maar dan in opwaartse zin, die zich voordoet tijdens het gebruik van het dak. Dit maakt het een verschillende belasting dan deze die behandeld werden in 6.1. Door de windstroming rond een gebouw wordt een plat dak vaak blootgesteld aan onderdruk (negatieve Cp-waarde). Windzuiging hangt af van de ligging en de hoogte van het gebouw, en soms van de overdruk in het gebouw. Als we het dak beschouwen, heerst niet overal eenzelfde waarde voor de windzuigdruk. Vooral aan de dakranden is deze druk groot, en dan in het bijzonder aan de dakhoeken omwille van de wervelingen van de wind [58]. De windzuiging wordt opgenomen door de meest luchtdichte laag, wat doorgaans de afdichting is. Deze afdichting mag vanzelfsprekend niet weggezogen worden. Om die reden moet de afdichting voldoende degelijk bevestigd worden aan de onderliggende isolatieplaten of moet een ballast zodanig gedimensioneerd worden dat de onderliggende lagen van het platte dak op hun plaats blijven. Bij een dak dat geballast wordt, zorgt de ballast voor een tegengewicht groter dan de kracht van de maximale windzuigkracht. De verschillende lagen in de dakopbouw kunnen dan losliggend op elkaar geplaatst worden. Dit betekent dus dat de windzuigdruk niet doordringt tot aan de isolatieplaten. Deze bevestigingstechniek wordt aldus niet verder beschouwd aangezien verwacht wordt dat deze geen problemen zal geven. Ingeval de afdichting bevestigd wordt aan het isolatiemateriaal, wordt de windzuiging doorgegeven aan de isolatieplaten (4). Deze moeten dan op hun beurt voldoende bevestigd zijn aan het al dan niet aanwezige dampscherm (3). Hetzelfde geldt voor de bevestiging van het dampscherm aan de onderliggende draagstructuur (2,1). Op deze manier wordt de windzuiging doorgegeven aan de dragende vloer. Een Figuur 24: Opbouw van een warm dak [58] overzicht van de verschillende lagen in de opbouw van het platte (warme) dak wordt in Figuur 24 gegeven, waaruit duidelijk de onderlinge bevestigingen volgen. Deze bevestiging (geballaste opbouw buiten beschouwing gelaten) kan op de verschillende manieren uitgevoerd worden. Deze worden vermeldt in TV 215 [58]. Wat betreft de bevestiging van VIP‟s aan het dampscherm en de bevestiging van de afdichting aan de VIP‟s zullen niet alle manieren gebruikt kunnen worden om beschadiging van het paneel tegen te gaan. Zo worden de bevestigingssystemen die gebruik maken van hogere temperaturen beter niet rechtstreeks toegepast. Deze werden reeds besproken onder „6.3 Temperatuurbelasting‟. Andere bevestigingsmethodes van (traditionele) isolatieplaten (4) aan het dampscherm (3) bestaan uit: kleven met bitumineuze koudlijm, kleven met synthetische lijmen en mechanische bevestiging. Het bevestigen van de bitumineuze afdichtingen (5) aan de isolatieplaten (4) kan, naast deze waar hogere temperaturen worden gebruikt, ook met 54
bitumineuze koudlijm, of mechanisch met schroeven of nagels. Bij kunststofafdichtingen kan dit gebeuren door middel van verschillende soorten gekleefde uitvoeringen (PUR-lijm, polymeerlijm, bitumineuze koudlijm, ...) of opnieuw op een mechanische manier. De mechanische bevestiging van VIP‟s aan het dampscherm alsook de mechanische bevestiging van de afdichting aan een VIP lijkt hier geen interessante optie te zijn32. Een gekleefde bevestiging zal waarschijnlijk veel meer potentieel hebben. Uit de vorige paragraaf blijkt dus dat de afdichting bij voorkeur gekleefd zal worden op VIP‟s alsook dat de VIP‟s gekleefd zullen worden op het dampscherm. Wat de windzuiging betreft vermeldt TV 215: Bij afdichtingen gekleefd op een isolatielaag wordt vooral het isolatiemateriaal op proef gesteld; de mechanische sterkte (cohesie) ervan wordt dan vaak maatgevend [58]. Dit is waar in dit onderzoek op gefocust wordt. Net als in de andere onderwerpen wordt de weerstand van de panelen zelf bepaald. Er wordt dus gekozen niet in detail in te gaan op het onderzoek naar de compatibiliteit van lijmsoorten met VIP‟s en de sterkte van deze lijmen. Dit zou ook te veel aandacht opeisen ten koste van de andere onderwerpen. Een eerste aanzet hieromtrent is al gebeurd in het opleidingsonderdeel „Bijzonder Vraagstuk‟ onderwezen aan de studenten tweede master Ingenieurswetenschappen: architectuur. De waarde van de windbelasting op een plat dak kan teruggevonden worden in de 4 tabellen in bijlage 5 van TV 239 [59] en is bepaald volgens de geldende Europese normen (Eurocode 1). Deze worden samengevat in één tabel in bijlage F (van dit document). De weerstand die VIP‟s bieden kan vergeleken worden met deze tabellen. Naast deze tabellen, wordt ook een (beperktere en eenvoudigere) tabel voor de windbelasting gegeven in TV 215. Deze tabel is echter gebaseerd op NBN B 03-002-1 die vervangen is door de Europese norm. Luchtopen gevels en/of luchtopen dakvloeren worden hier niet beschouwd aangezien gebouwen winddicht gemaakt dienen te worden33. Door het vacuüm zuigen van een paneel oefent de folie op het kernmateriaal een drukbelasting van ongeveer 100 kN/m² [6] uit. Anders gezegd wordt de folie tegen de kern aangedrukt met een spanning van 100 kN/m². Figuur 25 geeft verduidelijking. Eventueel zou de onderdruk die door de windzuiging geïnduceerd wordt, het paneel kunnen beschadigen. Omwille van de relatief kleine waarde van de onderdruk door de windzuiging (maximum -4,198 kN/m² volgens Tabel B 3 in bijlage F tegenover 100 kN/m² die de drukbelasting op de kern voorstelt) rijst het vermoeden dat de folie stevig het kernmateriaal zal blijven omhullen, en dus niet losgetrokken zal worden (zie Figuur 25). Windzuiging lijkt dus vooral de bevestiging van de VIP‟s en de sterkte van de folie zelf tegen deze windzuiging te testen.
32
Doorboringen van de VIP‟s zijn vanzelfsprekend te vermijden. Worden de panelen mechanisch bevestigd tussen hun voegen, dan zal dit het koudebrugprobleem enkel maar versterken. 33 Dit is waarom de vier tabellen van TV 239 samengevat kunnen worden in één tabel in bijlage F.
55
Uit Figuur 25 zou men kunnen afleiden dat de folie van de bovenrand dwars op zijn vlak uit elkaar getrokken zou kunnen worden (delamineren). Dit is de eerste soort schade die zich eventueel zou kunnen voordoen.
Figuur 25: Windzuigbelasting tegenover de drukbelasting die de folie tegen de kern drukt door het vacuüm.
Door de zuigbelasting zou er in de omhullende folie een trekkracht kunnen ontstaan. Vermoedelijk zal de treklast het meest te vrezen zijn ter plaatse van de randen van een paneel (zie Figuur 26 ter verduidelijking) en ter plaatse van de hoeken waar de folie zich plooit, gezien de laatste zwakke punten in de folie induceren.
Figuur 26: Voorstelling van de trekbelasting die in de folie t.p.v. de zijkanten van het paneel wordt ingeleid.
Algemeen kan een trekbelasting nadelig zijn voor de erg dunne aluminiumlaag. Door zijn hoge elasticiteitsmodulus en zijn heel kleine dikte relatief ten opzichte van de volledige dikte van de folie, zal deze aluminiumlaag een relatief groot deel van de trekkracht opnemen. Hierdoor zal hij veel vlugger de vloeispanning (en trekbreukspanning) bereiken dan de rest van de folielagen. Bij een trekkracht in de folie toont Tabel 21 dat de aluminiumlaag minimaal 9,58 % van deze kracht opneemt, terwijl hij maar maximaal 0,33 % van de dikte vertegenwoordigt. Gemiddeld gezien heeft aluminium een vloeispanning en breukspanning die iets meer dan het dubbele van PE en PET kunnen zijn (maximaal een factor 4). De derde kolom van Tabel 21 toont de verhouding van de (elastische) spanning van de aluminiumlaag op de heersende (elastische) spanning in de beschouwde laag. Dit toont aan dat aluminium veel sneller zijn vloeispanning zal bereiken. Details betreffende de berekening van de waarden in Tabel 21 worden verduidelijkt in bijlage G.
Al - laag PE - laag PET - laag
relatieve dikte (%)
relatieve krachtopname (%)
σAl/σ (Mpa/Mpa)
0,23 - 0,33 60,3 39,47
9,58 - 13,15 8,25 - 7,93 82,16 - 78,91
1 304 20
Tabel 21: De procentuele relatieve dikte, de procentuele relatieve krachtopname en de verhouding van spanning in de aluminiumlaag t.o.v. de heersende spanning bij een trekkracht (links staat de waarde bij een aluminiumdikte van 70 nm, rechts deze bij 100 nm)
56
De kans bestaat dus dat de aluminiumlaag bij trekbelastingen schade ondervindt (permanente vervormingen, eventueel niet continu blijven), waardoor gas en waterdamp doorheen de folie de kern kan binnendringen. Dit zorgt, zoals eerder vermeld, voor het dalen van de thermische prestaties. Dit is de tweede soort mogelijke schade bij windzuiging. Daarnaast is het zeker belangrijk te onthouden dat windbelasting een dynamische belasting is. Hij zou de folie dus kunnen onderwerpen aan spanningen die ongevaarlijk zijn bij een statische zuigbelasting, maar als wisselende spanning wel tot schade leiden. Een gewone trekproef in een trekbank zou dus geen representatieve resultaten geven.
6.4.1. BEPROEVINGSMETHODE De proefopstelling is voorgesteld in onderstaande figuur. Dit paneel wordt aan zijn onderzijde (streepsgewijs) verlijmd aan de ondergrond, met High Tack van Simson Bostik, waar Microtherm ervaring mee heeft.
Figuur 27: Schets van de proefopstelling van de windzuigproef
De afmetingen van het paneel hebben vermoedelijk niet echt een invloed op de eerste soort schade (delamineren) aangezien het gaat om een verdeelde belasting. Voor de tweede soort schade geldt: Hoe groter de (horizontale) afmetingen van het paneel, hoe groter de resulterende kracht op het paneel, dus hoe groter de trekkrachten in de folie aan de randen, in de hoeken,… zullen zijn. Zij F de totale kracht die de windzuiging op het paneel uitoefent. (12) pwinzuiging stelt de absolute waarde van de windzuigonderdruk (N/m²) voor. Apaneel is de horizontale oppervlakte van een VIP. De trekkracht zal een fractie van deze totale zuigkracht opnemen (Het grootste deel van de windzuigkracht zal opgenomen worden door de inwendige onderdruk in het paneel). Dus hoe groter Apaneel is, hoe groter F zal zijn, alsook hoe groter de trekkracht zal zijn (de oppervlakte stijgt sneller dan de omtrek). Om deze reden hebben de proefpanelen beter een zo groot mogelijke oppervlakte. Zo worden panelen met afmetingen 1200 mm x 600 mm x 40 mm beproefd. Dit zijn de grootste horizontale afmetingen [34]. Het paneel wordt verlijmd op een spaanplaat met afmetingen 1250 mm x 650 mm x 18 mm die met schroeven bevestigd wordt aan een houten (multiplex) omkadering 34. Deze 34
Om de drukverhoging in het paneel te kunnen meten, wordt de spaanplaat losgeschroefd van het houten kader. Dit kader heeft te grote dimensies om in de „klok‟ te brengen die de drukverhoging kan meten. Dit is de reden waarom het paneel aan een spaanplaat, kops geschroefd op het multiplexkader, verlijmd is.
57
proefopstelling wordt dan in een windkast gebracht, die zorgt voor een nabootsing van een windbelasting door een onderdruk te genereren. Zo wordt rechtstreeks windzuiging aangebracht op de panelen. Figuur 28 geeft een schets van het kader waarin de VIP gekleefd wordt om daarna te beproeven.
Figuur 28: Schets van het vooraanzicht van de proefopstelling bij windzuiging (afmetingen in cm). Tussen de VIP en het kader zit nog een speling van 0,7 cm.
De testopstelling wordt ook nog eens afgebeeld in Figuur 29. De kast met de verkleefde VIP wordt verder nog luchtdicht gehouden door kunststofslabben die verkleefd worden aan de kast zelf en aan de VIP. Om het afpellen van deze slabben tegen te gaan, worden ze verstevigd met houten latjes die in de kast vast gevezen worden. Op deze manier zal de windzuiging vooral op het paneel aangrijpen. De kast wordt daarna tegen een wand met een uitsparing voor Figuur 29: Testopstelling voor de windzuiging een ventilator bevestigd. Deze ventilator zorgt voor de onderdruk (of overdruk). De testmethode is gebaseerd op het Technical Report 005 van de EOTA [21] en op de beproevingsmethode van het laboratorium „Dak- en gevelelementen‟ van het WTCB [32]. Deze werken met verschillende „stormen‟ die bestaan uit verschillende onderdrukcycli. De onderdrukcycli hebben bij benadering het verloop dat voorgesteld wordt in Figuur 30.
58
Figuur 30: Onderdrukcyclus[21]
De stormen bestaan uit een samenstelling van verschillende onderdrukcycli en worden voorgesteld in Figuur 31.
Figuur 31: Opeenvolging van onderdrukcycli in de loop van een storm [32].
In bovenstaande figuur staan twee stormen afgebeeld die elkaar opvolgen. Storm 1 begint met 500 onderdrukcycli die een kracht hebben van 40% van de maximale onderdruk die in die storm zal voorkomen. Daarna komen 200 onderdrukcycli van 60%, enz.… Als er geen schade optreedt na de storm, wordt een nieuwe storm gesimuleerd met een gelijke of grotere maximale onderdruk. De opeenvolgende stormen die uitgevoerd worden als geen breuk optreedt in de panelen staan vermeld in Tabel 22.
Aantal stormcycli
De toegepaste maximale druk (kPa) '100%' in de figuur met de stormcycli
4 1 1 1 1 1 1
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Tabel 22: De toegepaste maximale druk voor de opeenvolgende stormcycli [21]
59
De stormcycli worden stopgezet wanneer er schade aan het testmateriaal wordt waargenomen. De piekdruk van de vorige stormcyclus wordt weerhouden. Nu blijkt dat deze testmethode enkel uitgevoerd kan worden in gespecialiseerde proefkasten die pulsaties van enkel onderdruk kunnen genereren. De installatie met ventilatoren die ter beschikking staat voor deze scriptie is speciaal afgesteld voor het meten van de windweerstand van ramen en deuren volgens EN 12211 [9]. Om deze reden kunnen enkel pulsaties uitgevoerd worden waarbij afwisselend een constante onder- en overdruk aangelegd wordt. Het tijdsverloop van de pulsaties wordt opgemeten en hieronder geschetst.
Figuur 32: Vereenvoudigd tijdsverloop van de pulsaties die de testopstelling uitvoert
Voor de proef in deze scriptie wordt echter zoveel mogelijk de filosofie van de geldende normen voor windzuiging op een plat dak gevolgd (volgens EOTA en het WTCB). Zoals te zien is de tijdsspanne tussen twee nulpunten 8 s. De overgang tussen 0 Pa en onderdruk duurt 1 s. De helft van een pulsatie (de halve cyclus waar onderdruk aangelegd wordt) voldoet dus aan het tijdsverloop dat geschetst werd in Figuur 30. De pulsaties bestaan in tegenstelling tot de vermelde stormen in Figuur 31 uit een constante over- en onderdruk. Om deze reden worden de eerder vermelde stormen omgezet in constante pulsaties die tot dezelfde of hogere schade leiden. Zo wordt de proef toch representatief ondanks het verschil in de opeenvolging van de verschillende cycli. De constante over- en onderdruk die aangelegd wordt, is iedere keer de maximum druk die in een storm voorkomt (zie Tabel 22). Zo wordt dus begonnen met een aantal cycli van 1000 Pa (-1000 Pa) en verder gegaan volgens Tabel 22. In EN 12211 [9] worden standaard 50 pulsaties op ramen of deuren uitgeoefend. Dit aantal wordt aangepast zodat de constante cycli leiden tot dezelfde of hogere theoretische schade als de stormen in Figuur 31. Om een getal te plakken op dit aantal, wordt dieper ingegaan op vermoeiing in bijlage H. De genoemde „stormen‟ zorgen voor een vermoeiing van de onderworpen materialen aangezien de belastingscycli zullen zorgen voor spanningscycli in (de folie van) de VIP. Door het bepalen van een equivalente spanningsvariatie Δσe kan men benaderend (en met een aantal veronderstellingen) tot een aantal pulsaties komen. Als 160 pulsaties op de maximum druk uitgevoerd worden zal de VIP theoretisch meer schade ondervinden dan de 1415 pulsaties (500 + 200 + 5…) van de gedefinieerde stormen met veranderlijke onderdruk. De berekening van dit aantal kan teruggevonden worden in bijlage H. Naast deze hogere schade zorgen 160 pulsaties ook voor snellere resultaten. 60
Het benaderend karakter van de berekening mag wel niet uit het oog verloren worden (zie aannames en het eerder lage aantal pulsaties in bijlage H). De benadering kan aanvaard worden als men het volgende in beschouwing neemt. Als een storm, waar 1 pulsatie op de maximum onderdruk uitgevoerd wordt, vergeleken wordt met 160 pulsaties op de maximum onderdruk, kan al vermoed worden dat het tweede nadeliger zal zijn. Hierbij komt dan nog dat elke onderdrukfase gevolgd wordt door een overdrukfase, 160 keer lang (zie Figuur 32). Dit kan het paneel ook extra belasten, waardoor de uitgevoerde test in deze scriptie nadeliger zal zijn dan de standaardtest.
6.4.2. RESULTATEN EN CONCLUSIE Zoals in Tabel 22 wordt het paneel eerst gedurende 160 cycli (volgens Figuur 32) onderworpen aan een over- en onderdruk van 1000 Pa. Dit wordt vier keer herhaald. Aangezien visueel na iedere „storm‟ geen schade aan het paneel blijkt te zijn, wordt de druk opgedreven. Eerst naar 1500 Pa, wat opnieuw niet zorgt voor visuele schade. Omwille van toesteltechnische redenen35 worden de proeven met 2000 Pa, 2500 Pa en 3000 Pa met een iets ander verloop van de cycli uitgevoerd. Ook na 160 cycli wordt geen schade vastgesteld met het blote oog. Een onderdruk groter dan 3000 Pa (of -3000 Pa) kan enkel met gespecialiseerde testopstellingen uitgevoerd worden, zoals in het laboratorium „dak – en gevelelementen‟ van het WTCB [32]. De inwendige druk van het beproefde paneel kan achteraf niet meer gecontroleerd worden, de spaanplaat zou de vacuümklok beschadigen waarin de inwendige druk gemeten wordt. Na een maand lijkt het testpaneel zijn vacuüm niet te hebben verloren, maar dit is enkel op basis van visuele controle.
Figuur 33: Bepaling van de randzones, hoekzones en middenzones van een plat dak 35
Omwille van luchtlekken t.h.v. de ventilator van de testopstelling kan geen lagere druk dan -1600 Pa bereikt worden. Om deze reden wordt overgeschakeld op een krachtigere testopstelling. Deze kan uiteindelijk maximaal een onderdruk van -3015 Pa bereiken, houdt de onderdruk ongeveer 4 à 5 seconden aan en legt kort een overdruk aan die kleiner is dan helft van de absolute waarde van de onderdruk. De overgang tussen de onder en overdruk duurt ongeveer 2 seconden. Het geschetste tijdsverloop is dus wat veranderd, maar voldoet nog.
61
Uit alle waarden in Tabel B 3 (bijlage F) komt de maximale windzuiging voor ter plaatse van de hoekzone van een plat dak zonder opstand. Deze kan waarden bereiken tot - 4198 Pa. Veronderstellend dat -3000 Pa geen probleem vormt, kunnen toch enkele conclusies getrokken worden op basis van deze Tabel B 3. Bovenstaande figuur stelt de zones op een plat dak voor waar een verschillende windzuiging voorkomt. De omkadering in Tabel B 3 stelt de gevallen voor waarvoor nog verder gespecialiseerd onderzoek nodig is. Voorlopig geldt:
VIP‟s mogen overal in België op alle platte daken toegepast worden in de middenzone (Middenzone 1 en 2 op Figuur 33) alsook in de randzone als de dakopstand minstens 0,05 keer de hoogte van het gebouw is.
In gebouwen die beantwoorden aan de eisen (zones worden verduidelijkt in bijlage F): - Bevindt zich in zone I en is niet hoger dan 4,8 m - Bevindt zich in zone II en is niet hoger dan 9,9 m - Bevindt zich in zone III en is niet hoger dan 25,0 m - Bevindt zich in zone IV en is niet hoger dan 50,0 m mogen VIP‟s zowel gebruikt worden in de middenzones, de randzone als in de hoekzone.
Afhankelijk van de ruwheidscategorie en de referentiewindsnelheid (zie kaart van België in bijlage F) kan van Tabel B 3 afgelezen worden of een plat dak in de hoekzones en randzones geïsoleerd mag worden met VIP‟s op basis van dit onderzoek (delen buiten de omkadering).
Er kan nu vooral besloten worden dat verder onderzoek met een gespecialiseerde proefkast nodig is om de uiteindelijke windweerstand van de VIP’s te bepalen. De details omtrent de uitvoering van de proef werden hier al besproken, alsook de resultaten van een eerste poging tot het meten van de windweerstand. Een krachtige proefkast die hoge onderdrukwaarden kan halen is nodig. Daarnaast zou onderzocht moeten worden op welke manier achteraf de inwendige druk bepaald kan worden zonder de vacuümklok (het meettoestel) te beschadigen. De visuele controle kan immers het verschil bepalen tussen het behouden van een inwendige druk en het wegvallen van de inwendige druk, maar niet of de inwendige druk gestegen is.
62
7. THERMISCHE PRESTATIES De thermische prestatie van een VIP op zich hangt af van een aantal parameters. Zoals vermeld in de inleiding zal de warmtegeleidbaarheid stijgen gedurende de levensduur door enerzijds een waterdampophoping in de kern omdat de folie niet perfect dampdicht is en anderzijds door de toename van de interne gasdruk binnen de bekleding doordat de folie niet perfect luchtdicht is. Deze twee verschijnselen worden de verouderingseffecten genoemd [60] en treden op bij normaal gebruik tijdens de levensduur van een paneel. De (equivalente) warmtegeleidbaarheid stijgt daarentegen ook door twee andere fenomenen waar onder deze titel dieper op ingegaan wordt. Ten eerste stijgt de equivalente warmtegeleidbaarheid door het koudebrugeffect, dat twee oorzaken heeft. Enerzijds ontstaat er een koudebrug door de aluminiumlagen in de folie en anderzijds kan er een koudebrug optreden door de luchtspleten tussen de panelen [18] [60]. Ten tweede kan de warmtegeleidbaarheid mogelijk met 400% (0,0042 W/mK naar 0,021 W/mK) stijgen bij het wegvallen van het vacuüm [34]. Onderstaande onderwerpen vloeien vooral voort uit de laatste twee genoemde problemen die voorkomen bij VIP‟s: het koudebrugeffect en het wegvallen van het vacuüm. De thermische prestaties van configuraties die deze twee problemen proberen te minimaliseren worden onderzocht. Hierbij wordt vooral de dakopbouw beschouwd. Door het bestuderen van configuraties die het wegvallen van het vacuüm minimaliseren, wordt de link gelegd met het deel ‘Mechanische aspecten’, dat mogelijke schadeverschijnselen beschrijft, en oplossingen voorstelt. Deze link is veelal de uitvalsbasis van de onderwerpen en wordt daar verder verduidelijkt. De volgende onderwerpen worden behandeld:
Effect van de schikking van de combinatie van VIP‟s met traditionele isolatiematerialen (PUR)
Effect van een dubbele laag VIP‟s
Effect van de faling van een paneel
De meest efficiënte standaardmaten
Het onderzoek naar de thermische prestaties zal zoveel mogelijk gedaan worden in het perspectief van de huidige regelgeving. Bij uitbreiding kan er ook gekeken worden naar wat de regelgeving ons in de toekomst oplegt. Hieronder staat in een tabel aangegeven wat de maximale U-waarden voor platte daken zijn wat de regelgeving nu (2011), in 2012 en in 2014 betreft [53]. Norm EPB
Umax 2011 (W/m²K) 0,3
Umax 2012 (W/m²K) 0,27
Umax 2014 (W/m²K) 0,24
Tabel 23: Regelgeving i.v.m. warmtedoorgangscoëfficiënten voor platte daken[53]
In dit deel worden de thermische prestaties bepaald met behulp van een simulatieprogramma, namelijk Bisco versie 9.0w. Dit is computersoftware om steady-state warmte transport in objecten met een vrije 63
vorm te simuleren. Alle tweedimensionale tekeningen kunnen in theorie in het programma ingeladen worden. CAD-tekeningen kunnen mits omzetting naar een bitmap eenvoudig in het programma gebruikt worden (de omzetting gebeurt door BiscoDxf). De driedimensionale tegenhanger Trisco wordt niet gebruikt wegens het mindere gebruiksgemak (hier kunnen enkel rechthoekige objecten ingeladen worden) en het feit dat tweedimensionale simulaties in dit geval voldoende informatie kunnen leveren. Bij het construeren van een bitmap die leesbaar is voor Bisco, moet een pixelgrootte ingegeven worden. Hoe kleiner de pixel, hoe nauwkeuriger de CAD-tekening omgezet wordt in een bitmap, maar dit betekent ook dat de bitmap zwaarder wordt aangezien veel meer pixels nodig zijn (de hele bitmap gebruikt vanzelfsprekend overal even grote pixels). Als de bitmap in Bisco ingelezen wordt, moet dan een elementennet aangemaakt worden. Dit is een net met (in het geval van Bisco) driehoekige elementen. In deze elementen zitten de theoretische fysische vergelijkingen voor warmtetransport en de bijhorende randvoorwaarden die één voor één door de computer uitgerekend worden. Dit betekent dat hoe kleiner de elementen in het net zijn, hoe nauwkeuriger de berekening voor de hele bitmap wordt. Kleine elementen zorgen daarentegen wel voor veel elementen, waardoor de rekentijd vlug oploopt. Per materiaal in de bitmap kan de grootte in aantal pixels van de bitmap van de elementen van het net ingegeven worden. Dit is belangrijk om nauwkeurig genoeg te werken. Zo kunnen dunne (geleidende) materiaallagen met veel fijnere elementen gesimuleerd worden. Een voorbeeld hiervan wordt in onderstaande figuur verduidelijkt. De elementen in de dunne folielagen van een VIP zijn veel kleiner dan de elementen van de kern (1) alsook van het materiaal boven de VIP (2). Zo wordt rekening gehouden met de geleidende folielagen die een (grote) invloed hebben op de warmtedoorgang. Het aanpassen van de elementengrootte van de grotere elementen heeft maar een heel kleine invloed op de warmtedoorgang.
2
1
1
Tabel 24: Voorbeeld van verschillende elementengroottes t.p.v. de voeg tussen twee VIP’s
VIP‟s hebben een hele dunne folie. Om nauwkeurig genoeg te rekenen moeten alle lagen in Bisco ingegeven kunnen worden. De dunste laag (in de orde van tientallen nanometer) moet minstens 1 pixel dik zijn, anders wordt geen onderscheid gemaakt tussen de verschillende lagen in de bitmap. Dit betekent wel dat de tekening (in de orde van tientallen millimeters) uit heel veel pixels zal bestaan en de berekening veel te zwaar wordt voor een standaardcomputer. Om deze reden wordt de folie dikker 64
gemodelleerd dan hij in werkelijkheid is. Dit is geoorloofd als de warmtegeleidingscoëfficiënten verschaald worden. Hoe deze verschaling in zijn werk gaat, staat uitgelegd in bijlage I. De resultaten staan vermeld in onderstaande tabel. De diktes van alle lagen zijn opgeteld aangezien in de simulaties alle folielagen van hetzelfde materiaal als één laag met de totale dikte gemodelleerd wordt. Werkelijk dikte PE (mm)
dikte Al (mm)
dikte PET (mm)
λ PE (W/mK)
λ Al (W/mK)
λ PET (W/mK)
0,055
0,0003
0,036
0,15 Product 0,008
237 Product 0,071
0,29 Product 0,010
dikte PE (mm)
dikte Al (mm)
dikte PET (mm)
λ PE (W/mK)
λ Al (W/mK)
λ PET (W/mK)
0,55
0,1
0,35
0,015 Product 0,008
0,711 Product 0,071
0,030 Product 0,010
Gesimuleerd
Tabel 25: Berekening van de verschaalde wartegeleidingscoëfficiënten volgens Bijlage I: Verschaling van de warmtegeleidingscoëfficiënt in het simulatiemodel. Product staat voor het product van de dikte met de λ-waarde die bij beide gelijk moet zijn. Hier is voor de dikte van de aluminiumlaag 100 nm gebruikt.
Het model dat gebruikt wordt in de simulaties wordt afgeleid uit de modellen opgesteld voor een VIP van 20 mm dikte uit de scriptie van Elke Delvoye [18]. In deze scriptie is de auteur op zoek gegaan naar een simulatiemodel in Bisco dat zo goed mogelijk beantwoordt aan experimentele waarden. De experimenten werden uitgevoerd op panelen van Microtherm, maar de panelen werden nog over hun volledige omtrek afgedicht ter plaatste van de rand. Tegenwoordig wordt de folie gedicht met een naad die zich ter plaatse van een van de oppervlakken bevindt en een naad die zich ter plaatse van de rand bevindt. Figuur 34 geeft verduidelijking. Dit betekent dat het model niet meer geldt voor alle randen. Om deze reden wordt gerekend met twee modellen. Ten eerste wordt het op twee na
Overgeplooide naad Naad in het oppervlak Figuur 34: Naden in het VIP
beste model van Delvoye [18] („simulatiemodel 4‟ in de scriptie Elke Delvoye) gebruikt voor de naad aan de rand (simulatiemodel 1, Figuur 35) en een model dat hiervan afgeleidt wordt (simulatiemodel 2, Figuur 36). Hieronder wordt dit „op twee na beste model‟ afgebeeld (Het „beste‟ model heeft een iets bredere luchtlaag en extra luchtlaag tussen de omgeplooide folie en de VIP).
65
Figuur 35: Simulatiemodel 4 uit de Scriptie van Elke Delvoye, het simulatiemodel dat het best de experimentele waarden beschrijft (afmetingen in mm). In deze scriptie is dit simulatiemodel 1.
Om een (benaderend) tweede simulatiemodel op te stellen, wordt hetzelfde gedaan zoals in het productieproces van VIP‟s gedaan wordt. Tijdens dit productieproces wordt de folie wat verschoven tot de naad zich in het oppervlak bevindt in plaats van aan de rand. Zo wordt onderstaand simulatiemodel bekomen. De resultaten die dit tweede model zal reproduceren, zullen benaderend zijn omdat ze niet aan experimentele testen zijn getoetst. Maar aangezien bij de hier besproken onderwerpen eerder de vergelijking tussen de verschillende toepassingen en/of schikkingen van VIP‟s in de opbouw van een plat dak van belang is, en minder de exacte waarden, wordt met dit model verder gewerkt.
Naad van het linkerpaneel
Voeg tussen de twee panelen
Naad van het rechterpaneel
Figuur 36: Simulatiemodel 2 (De folie en de voeg hebben dezelfde afmetingen als simulatiemodel 1)
De λ-waarde van de kern wordt vastgelegd op 0,00463 W/mK [18]. De luchtlagen tussen de twee panelen wordt gemodelleerd als een ongeventileerde luchtholte met een warmtestroom in de richting van de dikte. Voor de overgangscoëfficiënten worden waarden aangenomen die gelden voor een plat dak: αi = 10 W/m²K en αe = 25 W/m²K [27], maar worden aangepast als die voor het besproken onderwerp de berekening eenvoudiger maken. Waarom het „op twee na beste‟ model gebruikt wordt, volgt hieronder. De gesimuleerde koudebrug in het beste simulatiemodel van de scriptie van Delvoye [18] onderschat de werkelijke koudebrug met 66
20,79 % voor een VIP van 20 mm dikte. Dit is in tegenstelling tot de vermelde 0,5% overschatting in de genoemde scriptie. Dit komt omdat de mazen van het elementennet niet fijn genoeg genomen zijn. In de simulaties wordt overal een aluminiumlaag van 30 nm gebruikt. De producenten van de folie van de VIP‟s van Microtherm (de geteste panelen in de scriptie van Elke Delvoye) vermelden dat de Aluminiumlaag 70 nm tot 100 nm dik is. Aangezien aluminium heel goed warmtegeleidend is, heeft dit een niet te verwaarlozen effect op de warmtedoorgang. Delvoye simuleert in de simulatiemodellen een VIP in een guarded hot plate die aan zijn onder- en bovenkant omgeven is door XPS platen. De simulatieresultaten worden daar vergeleken met de experimentele resultaten uit de guarded hot plate. De details betreffende dit model worden uitvoerig besproken in de scriptie [18]. „Simulatiemodel 4‟ wordt verfijnd en geeft de waarden vermeld in onderstaande tabel. De dikte van de aluminiumlaag kan eenvoudig gevarieerd worden door de warmtegeleidingscoëfficiënt van de aluminiumlaag aan te passen. Dit komt door het verschalingseffect (zie bijlage I). De resultaten van „Simulatiemodel 4‟ komen beter overeen met de experimentele waarden. Dikte (nm)
λ (W/mK)
Q (W/m)
30 70 77 100
0,213 0,498 0,547 0,711
1,001 1,029 1,035 1,049
Procentuele stijging van Q (%)
ψ (berekening)36 (W/mK)
Procentuele stijging van ψ (%)
2,80 3,40 4,80
0,0051 0,0065 0,0068 0,0075
27,5 33,3 47,1
Tabel 26: Koudebrug van een VIP van 20 mm dikte (volgens simulatiemodel 4 van Elke Delvoye) bij variërende dikte van de aluminiumlaag
In bovenstaande tabel is te zien hoeveel de koudebrug van een VIP veranderd met een stijgende dikte van de aluminiumlaag berekend met het simulatiemodel van Figuur 36 (begrepen tussen twee XPS panelen in een guarded hot plate). Deze stijging van de koudebrug is niet onnoemenswaardig. Zo zal bij een dikte van 100 nm per laag aluminium de koudebrug met (ongeveer, zie voetnoot 36) 47,1% stijgen in vergelijking met een dikte van 30 nm. Dit betekent dat de simulatiemodellen de werkelijkheid niet zo nauwkeurig kunnen beschrijven door de variatie in de aluminiumlaag (tussen 70 nm en 100 nm). De dikte van de aluminiumlaag wordt bepaald door het meten van de optische densiteit, maar bij onzuiverheden kan de dikte te laag ingeschat worden. De laagdikte van aluminium is dus een parameter in de simulaties. Simulatiemodel 1 (van deze scriptie) komt het best overeen met de werkelijke koudebrug als de aluminiumlaag 77 nm dik is (voor een paneel van 20 mm dik). De gemeten koudebrug is namelijk 0,0068 W/mK. Simulatiemodel 1 geeft dus een interval waartussen de koudebrug zal liggen. Zo wordt de werkelijke koudebrug bij een aluminiumlaag van 70 nm met 4,65 % onderschat (0,0065 W/mK, zie Tabel 26) en bij een aluminiumlaag van 100 nm met 10,02% overschat (0,0075 W/mK).
36
Ψ wordt hier bepaald op basis van resultaten uit Bisco. Ψ = Q/ΔT – U.L met U de warmtedoorgangscoëfficiënt t.p.v. het midden en L de volledige lengte van het simulatiemodel („distance‟ in Bisco). Let op, deze is niet nauwkeuriger, enkel de eerste drie cijfers na de komma zijn zeker, aangezien Bisco nauwkeurig is tot op drie cijfers na de komma. Het is eerder een schatting van het vierde cijfer na de komma!
67
Voor de simulaties wordt verder gerekend met een aluminiumlaag met een dikte van 70 nm en met een dikte van 100 nm zowel bij simulatiemodel 1 als bij simulatiemodel 2. Dit zijn de extreme waarden. 100 nm is de meest nadelige waarde, waardoor veilig gerekend wordt (tegenover de koudebrug in de praktijk) en waardoor bij vergelijking verschillen duidelijker worden. Ter herinnering worden in onderstaande onderwepen de resultaten gebruikt om aanbevelingen voor de praktijk te geven. De λwaarden, ψ-waarden en U-waarden kunnen in de praktijk wat afwijken van de simulaties. Uiteraard wordt waar kan zo nauwkeurig mogelijk gewerkt. Waar „equivalente warmtegeleidbaarheid‟ genoemd wordt in dit deel, wordt de equivalente λ-waarde bedoeld zonder veroudering, dus op korte termijn na de installatie.
68
7.1.
EFFECT VAN DE SCHIKKING VAN DE COMBINATIE VAN VIP’S MET TRADITIONELE ISOLATIEMATERIALEN
Na de aanbevelingen in het deel „Mechanische aspecten‟ is het heel waarschijnlijk dat VIP‟s gebruikt zullen worden in combinatie met de gekende isolatiematerialen. Deze extra isolatieplaten zorgen voor bescherming tegen vallende voorwerpen (zie 6.1), tegen temperatuursbelasting door zowel bezonning als afdichtingstechnieken (zie 6.3), kunnen het lopen rechtstreeks op VIP‟s voorkomen,….Zo kan het interessant zijn om te onderzoeken wat het effect is van de plaats van de traditionele isolatiematerialen in de opbouw van het dak, en of er dus een wezenlijk verschil is in de koudebrugwerking aan de randen van een paneel. Daarnaast wordt nog kort het verschil in koudebrugwerking tussen onbeschermde VIP‟s en beschermde VIP‟s bestudeerd. Het voorbeeld in onderstaande afbeelding is een plat dak met een isolatiedikte van 8 cm. Deze bestaat uit 2 cm VIP en 6 cm PUR. In de linkerfiguur ligt de 6 cm PUR op de 2 cm VIP, terwijl in de rechterfiguur het PUR-paneel opgedeeld is in twee delen, met elk een dikte van 3 cm, waarvan een deel boven en een deel onder de VIP gepositioneerd is. Er wordt gekeken welke configuratie in onderstaande figuur het meest aan te raden is op thermisch gebied.
Figuur 37: Verschillende te onderzoeken combinaties van VIP’s en PUR-panelen
De rechter configuratie in Figuur 37 is de configuratie met de kleinste isolatiedikte als men de VIP aan de boven- en onderkant wil beschermen. PUR-platen zijn minimaal 30 mm dik, VIP‟s zijn niet interessant dunner dan 20 mm. Beide combinaties geven een (oorspronkelijke) U-waarde van 0,156 W/m²K voor een plat dak met OSB-platen van 18 λ (W/mK) mm dik als draagvloer (i.p.v. de betonnen draagvloer in afdichting 4 0,23 Figuur 37), ter plaatse van het midden van een VIP (λkern = PUR 60 0,035 0,00463 W/mK). Dit betekent dat deze dakopbouw volgens VIP 20 0,0046 of Tabel 23 voldoet aan de hedendaagse eisen alsook aan deze 0,0093 in de toekomst. Met veroudering en koudebrugwerking dampscherm 4 0,23 ingerekend (λVIP = 0,093 W/mK volgens EPB, zie hoofdstuk osb 18 0,13 3) stijgt de U-waarde naar 0,238 W/m²K. Dit voldoet aan de som 106 Tabel 27: Diktes en λ-waarden voor een plat hedendaagse eisen alsook aan die van 2012 en 2014. Een dak met houten draagvloer configuratie met een dikkere VIP zal natuurlijk betere resultaten boeken, maar dan is enkel de linkse combinatie in Figuur 37 interessant (8 cm kan bijvoorbeeld behouden worden met 4 cm VIP en 4 cm PUR). De rechtse combinatie wordt enkel maar dikker bij een dikker wordende VIP door de minimumdikte van de PUR-platen. dikte (mm)
69
In de simulaties worden enkel de VIP- en de PUR-laag gesimuleerd om te focussen op de koudebrug die de VIP‟s veroorzaken. Daarnaast kan met de koudebrug die uit deze configuratie komt, een equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt geldig voor het volledige isolatiepakket berekend en vergeleken worden. De simulatiemodellen staan afgebeeld in Figuur 38. Hier worden de materialen van de folie opgesplitst in materiaal en materiaal_boven_onder om de voegen zo nauwkeurig mogelijk te simuleren, maar daarnaast de rekentijd te beperken door verder weg van de voeg een andere nauwkeurigheid te gebruiken (en dus een ander „materiaal‟ in te voeren met exact dezelfde waarden). Dit geldt ook voor de simulatiemodellen in de andere onderwerpen onder hoofdstuk 7.
70
Figuur 38: Simulatiemodellen combinatie VIP-PUR
De equivalente warmtegeleidbaarheid van het isolatiepakket (VIP en PUR) volgt uit de bouwfysica [27]: (13) Met Φ (W) de warmtestroom, A (m²) de oppervlakte waardoor de warmte stroomt, Uequi (W/m²K) de equivalente warmtedoorgangscoëfficiënt, ΔT (°C of °K) het temperatuursverschil, U (W/m²K) de warmtedoorgangscoëfficiënt ter plaatste van het midden van een VIP, ψ (W/mK) de lineaire warmtedoorgangscoëfficiënt die de koudebrug voorstelt en L (m) de lengte waarlangs de koudebrug zich voordoet. Hieruit kan dan de equivalente warmtegeleidbaarheid berekend worden door volgende vergelijking om te rekenen naar λequi. (14)
Waarbij αi en αe (W/m²K) de overgangscoëfficiënten en d (m) de dikte van het gecombineerde isolatiepakket voorstellen. In het hier beschouwde geval wordt L in vergelijking 13 gelijk gesteld aan de omtrek van een isolatiepaneel, terwijl de ψ-waarde die Bisco weergeeft gedeeld wordt door twee. Dit omdat deze ψ-waarde geldt voor de hele voeg van twee panelen. Een deel van de omtrek wordt met de koudebrugwaarde van simulatiemodel 1 vermenigvuldigd, een deel met deze van simulatiemodel 2 vanwege de verschillende voegen aan de randen. Deze berekening is analoog met deze uitgezet in hoofdstuk 3 (vergelijking 8), met het verschil dat vergelijking 14 algemener is omdat de overgangscoëfficiënten meegerekend worden. In vergelijking 8 zijn die stilzwijgend oneindig groot, wat in deze simulaties meestal niet zo is (zie Figuur 38). Eerst wordt nog de afhankelijkheid van de horizontale afmetingen van de gesimuleerde VIP‟s op de koudebrug onderzocht. Tabel 28 geeft de berekening van het verschil als de afmetingen veranderd worden voor het geval waar 60 mm PUR op 20 mm VIP voorzien wordt voor zowel simulatiemodel 1 als 2. ψ (berekend) wordt bepaald op basis van de warmtestroom en de warmtedoorgangscoëfficiënt (U-waarde) t.p.v. het midden van een VIP (zie ook voetnoot 36).
71
ψ model 1 (bisco) (W/mK)
ψ (berekend) (W/mK)
Al-laag: 70 nm VIP 700mm VIP 1200 mm
0,006 0,006
0,0056 0,0057
Al-laag: 100 nm VIP 700mm VIP 1200 mm
0,006 0,006
0,0064 0,0064
Procentueel groter
ψ model 2 (bisco) (W/mK)
ψ (berekend) (W/mK)
Procentueel groter
2,6%
0,003 0,003
0,0029 0,0028
-1,8%
0,8%
0,003 0,003
0,0034 0,0034
0%
Tabel 28: Afhankelijkheid van de afmetingen bij de simulatiemodellen met 60 mm PUR op 20 mm VIP
Zo blijkt het dat de horizontale afmetingen niet veel invloed zullen hebben op de koudebrugwaarden. Dit kan ook gezien worden in de kolom „Procentueel groter‟, waar staat hoeveel de ψ-waarde afwijkt van een paneel waarvan een van de afmetingen 700 mm is37. Aangezien het vierde cijfer na de komma een schatting is, en enkel de eerste drie cijfers van de koudebrug zeker zijn, valt de afwijking zelf binnen de nauwkeurigheid van de ψ-waarden gegenereerd door Bisco. Om deze reden kan verder gerekend worden met één afmeting voor de simulaties, waardoor de simulaties niet opnieuw moeten uitgevoerd worden voor andere afmetingen, wat ten goede komt aan de overzichtelijkheid en de eenvoudigheid. Hierna kunnen de twee combinaties PUR - VIP met elkaar vergeleken worden. Dit wordt weergegeven in Tabel 29 en Tabel 30. ψ model 1 (bisco) (W/mK)
ψ (berekend) (W/mK)
Al-laag: 70 nm 60 mm PUR op VIP 30 mm PUR boven en onder VIP
0,006 0,005
0,0056 0,0052
Al-laag: 100 nm 60 mm PUR op VIP 30 mm PUR boven en onder VIP
0,006 0,006
0,0064 0,0059
% kleiner
7,2% (16,7%)
7,9%
ψ model 2 (bisco) (W/mK)
ψ (berekend) (W/mK)
0,003 0,003
0,0029 0,0028
1,7%
0,003 0,003
0,0034 0,0033
2,9%
% kleiner
Tabel 29: Verschil in koudebrugwaarden en equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt bij de combinatie 20 mm VIP en 60 mm PUR
Tabel 29 geeft het verschil in koudebrug bij de combinatie van 60 mm PUR met 20 mm VIP. Zoals te zien is het verschil klein voor model 2, maar is al niet meer verwaarloosbaar voor model 1. 30 mm 37
De simulaties zijn verder uitgevoerd met 700 mm, omdat dit volgens de website van Microtherm [34] ongeveer een gemiddelde afmeting is. Voor de bouw blijkt Microtherm vooral panelen van 600 mm tot 1200 mm te produceren.
72
PUR boven en onder de VIP blijkt dus het warmteverlies meer tegen te gaan dan 60 mm PUR op VIP (Q is groter bij 60 mm PUR op VIP en U blijft constant, waardoor Ψ groter is). Dit blijkt zowel bij een 70 nm dikke aluminiumlaag, als bij een van 100 nm. Bij 70 nm is de koudebrug van 30 mm PUR boven en onder de VIP benaderend 7,2 % (16,7 % op basis van bisco) kleiner. In Tabel 30 wordt de equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt gegeven berekend volgens vergelijkingen 13 en 14 voor panelen 600 mm x 600 mm (dit zijn de kleinste afmetingen en zullen dus zorgen voor de hoogste λequi en zo voor het grootste verschil tussen de waarden). De verschillen in Tabel 30 zijn te verwaarlozen, zeker als men weet dat de nauwkeurigheid van bisco tot 3 cijfers na de komma is. Uequi (W/m²K)
λequi (W/mK)
Procentueel kleiner
Al-laag: 70 nm 60 mm PUR op VIP 30 mm PUR boven en onder VIP
0,1741 0,1733
0,0143 0,0142
0,4%
Al-laag: 100 nm 60 mm PUR op VIP 30 mm PUR boven en onder VIP
0,1763 0,1753
0,0145 0,0144
0,6%
Tabel 30: Verschil in equivalente warmtegeleidingcoëfficiënt bij de combinatie 20 mm VIP en 60 mm PUR voor panelen 600 mm x 600 mm
Als de mogelijkheid bestaat om te kiezen tussen deze twee configuraties kiest de ontwerper van het platte dak op basis van de koudebrugwaarden beter voor PUR boven en onder een VIP. Globaal gezien zal dit niet veel uitmaken als men kijkt naar λequi, waaruit kan geconcludeerd worden dat best gekozen wordt voor de combinatie PUR enkel boven VIP (linkse combinatie in Figuur 37) omdat bij PUR aan beide zijde van de VIP minimaal 60 mm PUR gebruikt moet worden en zo al redelijk dikke isolatiepakketten opgebouwd worden. Ten slotte wordt de vergelijking gemaakt met simulatiemodel 1 zonder PUR-isolatie (Tabel 31 en 32). ψ model 1 (bisco) (W/mK)
ψ (berekend) (W/mK)
Procentueel kleiner
Al-laag: 70 nm 60 mm PUR op VIP 30 mm PUR boven en onder VIP 20 mm VIP zonder PUR
0,006 0,005 0,013
0,0056 0,0052 0,0126
55,9% 59,1%
Al-laag: 100 nm 60 mm PUR op VIP 30 mm PUR boven en onder VIP 20 mm VIP zonder PUR
0,006 0,006 0,015
0,0064 0,0059 0,0149
56,5% 59,9%
Tabel 31: Verschil tussen de koudebrugwerking bij VIP's beschermd door PUR-panelen en zonder
73
De PUR-platen kunnen de koudebrug tot maximaal ongeveer 60% doen dalen t.o.v. even dikke VIP‟s die niet beschermd zijn door PUR-platen. Simulatiemodel 2 geeft dezelfde daling van de ψ- waarden (allemaal rond 57% tot 59% kleiner) en wordt daarom niet meer herhaald in Tabel 31. Uequi (W/m²K)
λequi (W/mK)
Procentueel kleiner
Al-laag: 70 nm Combinatie PUR-VIP VIP zonder PUR
0,2333 0,2521
0,0048 0,0052
7,7%
Al-laag: 100 nm Combinatie PUR-VIP VIP zonder PUR
0,2353 0,2577
0,0049 0,0053
9,0%
Tabel 32: Verschil in equivalente warmtegeleidbaarheid voor een VIP van 20 mm (600 mm x 600 mm)
Tabel 32 toont dat de equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt tot 9,0% kleiner kan zijn bij de combinatie PUR-VIP. De waarden in deze tabel komen uit het inrekenen van de koudebrugwaarden uit Tabel 31 in de equivalente λ-waarde van een VIP van 20 mm dik. Niet alleen kan de PUR-isolatie bescherming bieden tegen mechanische schade, maar dus ook op thermisch vlak is een verbetering merkbaar.
74
7.2.
EFFECT VAN EEN DUBBELE LAAG VIP’S
Het WTCB vermeld in zijn technische voorlichting over het platte dak, TV 215, [58] dat het toepassen van isolatieplaten in twee lagen met geschrankte voegen de koudebrugwerking van de voegen (en van de mechanische bevestigingen) beperkt. In annex 39 van de IEA/ECBCS stippen de auteurs aan dat een dubbele laag VIP‟s interessant kan zijn om de consequenties bij de faling van de VIP‟s te reduceren. Als de bovenste (of eventueel onderste) platen beschadigd raken, valt niet onmiddellijk het hele isolerende vermogen weg [24]. Niet alleen warmteverliezen worden beperkt, dit heeft ook een positief effect op het condensatierisico en de temperatuursfactor. Om de overzichtelijkheid te behouden, worden de gevolgen van de faling van een van de twee panelen onder 7.3 behandeld. In recent onderzoek wordt de effectieve warmtegeleiding bij een dubbele laag VIP‟s onderzocht. Met behulp van experimenteel onderzoek (met een guarded hot plate) en simulaties met Trisco [38] wordt de invloed van de paneeldikte en van de geometrie van de voegen op de „effectieve warmtegeleidbaarheid‟38 onderzocht. Dit wordt uitgevoerd bij verschillende soorten voegen die bij een dubbele stapeling kunnen voorkomen. Hiervoor wordt dan een simulatiemodel opgesteld die getoetst wordt aan de experimentele waarden [25]. Het onderzoek van Ghazi Wakili, Stahl en Brunner beproeft VIP‟s die in Europa veel gebruikt worden. Deze bestaan uit een nanoporeus kernmateriaal („fumed silica‟) omgeven door een gemetalliseerde folie. De kern en de folie zijn identiek als deze van de panelen van Microtherm, maar de dikte van elke aluminiumlaag wordt vastgelegd op 100 nm. De auteurs vermelden dat in het geval de compositie van de folie verandert en in het bijzonder wanneer de dikte van de aluminiumlaag verandert, de testen opnieuw moeten uitgevoerd worden. Aangezien 100 nm volgens de leveranciers van folie van de VIP‟s van Microtherm de grootste voorkomende dikte van de aluminiumlaag is, wordt voor de toepassing in België veilig gewerkt. Bij het experimenteel deel van het onderzoek worden er vijf verschillende configuraties beproefd, eens met een naadloze voeg en eens met twee omgeplooide naden ter hoogte van de voeg. De verschillende configuraties worden op onderstaande figuur verduidelijkt.
38
De effectieve warmtegeleidbaarheid is de waarde na het inrekenen van alle warmteverliezen bijkomend bij de centre-of-panel waarde in het onderzoek, maar verschilt van de eerder gedefinieerde equivalente warmtegeleidbaarheid, meer uitleg volgt verder.
75
Figuur 39: Verschillende geteste configuraties bij een dubbele laag VIP’s. De configuraties A tot E worden twee keer getest volgens de opstellingen in de rechterfiguur[25].
Het experimenteel onderzoek spitst zich vooral toe op de effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt (zie verder in vergelijking 15) en de koudebrug van de verschillende geteste configuraties. De centre-ofpanel λ-waarde en de λ-waarde ter hoogte van een voeg worden gemeten. Hieruit wordt dan de koudebrugwaarde berekend. Het verschil in de thermische prestaties tussen een enkele laag en een dubbele laag wordt echter niet besproken in het onderzoek. Daarom wordt hier een simulatiemodel opgebouwd en met de experimentele waarden van type B van het onderzoek van Ghazi Wakili, Stahl en Brunner [25] vergeleken. Simulatiemodel 2 wordt gebruikt voor de eenvoudigheid en omdat dit het best lijkt op het simulatiemodel dat in dit onderzoek gebruikt is. Dit blijkt ook verder uit de resultaten. De aluminiumlaag in simulatiemodel 2 wordt als een laag van 3 x 100 nm gesimuleerd. De afmetingen van het model worden even groot genomen als het meetoppervlak in het onderzoek, namelijk 250 mm x 250 mm (in Bisco 250 mm). De λ-waarde van het kernmateriaal wordt gelijkgesteld aan de door de auteurs gemeten waarden (tabel 1 in het onderzoek [25]) en wordt hier herhaald in Tabel 33. Een afbeelding van het simulatiemodel met VIP‟s met een dikte van 20 mm staat in Figuur 40 (rechts). Dikte proefstuk (mm)
Warmtegeleidingscoëfficiënt λcop (W/mK)
15 20 25 30 40 gemiddelde
0,0041 ± 0,0002 0,0040 ± 0,0002 0,0044 ± 0,0002 0,0039 ± 0,0002 0,0040 ± 0,0002 0,0041 ± 0,0002
Tabel 33: Centre-of-panel warmtegeleidingscoëfficiënten van een dubbele laag VIP’s bij 10°C [25]
76
Figuur 40: Simulatiemodel gebruikt in het onderzoek van Ghazi Wakili, Stahl en Brunner[25] (links) en het hier gebruikte simulatiemodel voor een dubbele laag VIP’s (rechts).
Dit simulatiemodel wordt vijf keer opnieuw opgebouwd, telkens met een andere dikte. Bisco geeft de warmtedoorgang, waarvan dan een „effectieve‟ warmtegeleidingscoëfficiënt kan berekend worden, analoog met de berekeningen39 van het onderzoek [25]: (15) Hier is Φ (W/m) de warmteflux, A (m²/m) de oppervlakte (hier gelijk aan 0,25 m²/m), ΔT (K of °C) het temperatuursverschil en d (m) de totale dikte. Deze mag niet verward worden met de eerder gedefinieerde „equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt‟ gezien bij de effectieve enkel één koudebrug tussen twee panelen meegerekend wordt, terwijl bij de equivalente de koudebrug aan alle randen ingerekend wordt. In het onderzoek van Ghazi Wakili, Stahl en Brunner [25] wordt de effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt uit de simulaties vergeleken met de experimentele waarden, beide berekend volgens vergelijking 15. Hetzelfde wordt hier ook gedaan voor het hier opgestelde simulatiemodel. Dit is voorgesteld is op Figuur 41, samen met de fout op de meetresultaten uit het onderzoek.
Warmtegeleidingscoëfficiënt λeff,B (W/mK)
Toetsen van de simulatiewaarden aan de experimentele waarden Experimentele waarden volgens Ghazi Wakili, Stahl en Brunner Simulatiewaarden met Bisco
0,0052 0,005 0,0048 0,0046 0,0044 0,0042 0,004 0,0038
Positieve fout (+0,0002 W/mK)
15
20
25
30
35
40
Negatieve fout (-0,0002 W/mK)
Dikte van een enkel paneel (mm) Figuur 41: Toetsen van de simulatiewaarden aan de experimentele waarden
39
Bij de berekening van de effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt worden voor de warmteoverdrachtscoëfficiënten in het simulatiemodel heel grote waarden ingesteld, anders geldt vergelijking 15 niet, dit wordt duidelijk als deze vergeleken wordt met vergelijkingen 13 en 14.
77
Zoals te zien is, komen de waarden redelijk goed overeen. Er is een maximale afwijking van 7 à 8 %. Bij bijna alle diktes wordt de λ-waarde overschat, buiten bij 30 mm. Deze simulatiewaarden komen beter overeen met de experimentele waarden dan de simulatiewaarden vermeld in het onderzoek van Ghazi Wakili, Stahl en Brunner. Als hetzelfde gedaan wordt met simulatiemodel 1 worden λ-waardes verkregen die groter zullen zijn en meer zullen afwijken van de experimentele resultaten voor voegen zonder naad alsook voor voegen met een naad. Ook daarom wordt gekozen enkel verder te werken met simulatiemodel 2. De effectieve warmtegeleidingscoëfficiënten voor de dubbele laag kunnen nu vergeleken worden met deze van een enkele laag met een zelfde totale dikte. Zo wordt een dubbele laag VIP‟s van 20 mm vergeleken met een enkele laag VIP‟s van 40 mm. Hiervoor wordt in het voorgestelde model (Figuur 40) de onderste VIP weggenomen en dubbel zo dik gesimuleerd in Bisco. De resultaten worden hieronder voorgesteld.
Procentuele daling van λeff bij een dubbele laag t.o.v. een enkele laag 16,0
Daling λeff (%)
14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 30
40
50
60
80
Totale dikte van de VIP in mm (enkele of dubbele dikte) Figuur 42: Procentuele stijging van λeff van een enkele laag t.o.v. een dubbele laag
In Figuur 42 is te zien dat bij alle totale diktes de effectieve λ-waarde kleiner is bij een dubbele laag t.o.v. een equivalente enkele laag. Dit wil zeggen dat het thermisch gezien beter is een dubbele laag te gebruiken in plaats van een enkele laag. Bij dikkere panelen wordt deze daling steeds groter. Een daling van 10 % is vlug bereikt. De koudebrug in het onderzoek wordt berekend warmtegeleidingscoëfficiënten volgens vergelijking 16.
uit
de
experimenteel
gemeten
(16)
78
De koudebrugwaarden uit de simulaties komen slecht overeen40 met de experimentele (berekende) koudebruggen. Desondanks worden toch kort de gesimuleerde koudebrugwaarden van een enkele laag en van een dubbele laag vergeleken om een idee te hebben van het verschil in koudebrugwerking. Er werd gekozen om de waarden van een dubbele laag ook eens te vermenigvuldigen met 5/2 om de reden die volgt uit onderstaande figuur. In Figuur 43 komt de koudebrug van een dubbele laag 5/2 keer zoveel voor als bij een enkele laag. Als 4 panelen beschouwd worden bij de enkele schikking, dan is deze verhouding 9/4. Dit gaat zo door bij 5 panelen met 11/5, tot bij een oneindig aantal panelen 2 bereikt wordt. 5/2 is dus de grootste verhouding.
Figuur 43: Aantal voegen bij enkele en dubbele toepassing van VIP’s
Totale dikte (mm)
ψ enkele laag (W/mK)
ψ dubbele laag (W/mK)
Procentueel kleiner
ψ dubbele laag (W/mK) x 2,5
Procentueel kleiner
30 40 50 60 80
0,0073 0,0060 0,0052 0,0046 0,0039
0,0026 0,0018 0,0016 0,0015 0,0011
64,0 % 69,5 % 68,7 % 67,1 % 71,0 %
0,0065 0,0046 0,0041 0,0038 0,0028
9,9 % 23,7 % 21,9 % 17,7 % 27,4 %
Tabel 34: Verschil in koudebrug tussen een dubbele laag en een enkele laag
Zoals te zien zijn de koudebrugwaarden een stuk kleiner bij een dubbele laag tegenover een enkele laag. Ook bij een vermenigvuldiging met 2,5 blijven deze van de dubbele laag kleiner. Ook hier luidt de conclusie dat thermisch gezien de dubbele laag betere resultaten geeft dan een enkele laag. Finaal kan nu geconcludeerd worden dat het voor de thermische prestaties een voordeel is een dubbele laag VIP’s te voorzien.
40
Een kleine afwijking van de effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt geeft een grote afwijking in de koudebrugwaarden, vandaar de slechte overeenkomst in koudebrugwaarden tussen de simulaties en de experimenten. Uit vergelijking 16 blijkt de fout op de meetresultaten van λeff (± 0,0002 W/mK) bij een totale dikte van 30 mm een fout op de ψ-waarde van 0,00166 W/mK te geven als λcop constant genomen wordt: Δλeff . (0,25.0,25/0,25.0,03) = Δψ, zie vergelijking 16.
79
7.3.
EFFECT VAN DE FALING VAN EEN PANEEL
Bij de mechanische aspecten wordt getracht het gedrag van VIP‟s te beschrijven onder verschillende mechanische sollicitaties. Zo wordt er van uitgegaan het verlies van het vacuüm te vermijden. Het is zeker niet ondenkbaar dat in een opbouw van een dak het vacuüm wegvalt door beschadiging van de folie. Daarom kunnen met behulp van het simulatieprogramma Bisco [37] de consequenties opgezocht worden van een paneel dat schade ondervindt en hierdoor zijn vacuüm verliest. Dit zal een effect hebben op de warmteverliezen, op het condensatierisico alsook op de temperatuursfactor. Als het vacuüm wegvalt, stijgt de cop-waarde van de warmtegeleidbaarheid tot 0,021 W/mK [33]. Dit wordt weerhouden als de waarde voor het kernmateriaal in de simulaties. Deze waarde zal waarschijnlijk iets te hoog zijn aangezien de folie ook meespeelt bij het meten van de cop-waarde.
7.3.1. WARMTEVERLIES Opnieuw kunnen met vergelijking 13 en 14 op p.71 de koudebrugwaarden en hieruit de equivalente λwaarden berekend worden. ψ model 1 (bisco) (W/mK)
ψ (berekend) (W/mK)
Al-laag: 70 nm Onbeschadigd 1 paneel beschadigd 2 panelen beschadigd
0,013 0,009 0,005
0,0129 0,0088 0,0049
Al-laag: 100 nm Onbeschadigd 1 paneel beschadigd 2 panelen beschadigd
0,015 0,011 0,007
0,0149 0,0107 0,0066
ψ model 2 (bisco) (W/mK)
ψ (berekend) (W/mK)
31,4% 61,6%
0,006 0,004 0,001
0,0066 0,0036 0,0006
45,8% 91,6%
27,9% 55,8%
0,008 0,005 0,002
0,0080 0,0049 0,0018
38,7% 78,0%
% kleiner
% kleiner
Tabel 35: Koudebrugwaarden door de voeg tussen twee panelen die ofwel beschadigd of onbeschadigd zijn.
In bovenstaande tabel ziet men dat de koudebrugwaarden sterk dalen wanneer een of twee panelen lek blijken te zijn. Dit kan wel verwacht worden aangezien de cop-λ-waarde stijgt. Uit onderstaande tabel volgt dat de equivalente lambda-waarde met ongeveer een factor 3,7 à 3,8 stijgt bij het wegvallen van het vacuüm t.o.v. een (niet-verouderd) paneel. “1 paneel beschadigd” in deze tabel betekent dat een van de twee panelen bij de gesimuleerde voeg zijn vacuüm verloren is.
80
Uequi λequi (W/m²K) (W/mK)
factor groter
Al-laag: 70 nm Onbeschadigd 1 paneel beschadigd 2 panelen beschadigd
0,2525 0,8687 0,8571
0,0057 0,0216 0,0213
3,8 3,7
Al-laag: 100 nm Onbeschadigd 1 paneel beschadigd 2 panelen beschadigd
0,2581 0,8740 0,8619
0,0058 0,0217 0,0214
3,7 3,7
Tabel 36: Equivalente lambda-waarde van niet-beschadigde en beschadigde panelen
Daarnaast is ook de dubbele laag van panelen van 20 mm uit 7.2 gesimuleerd met beschadigde panelen, zie Tabel 37. De ψ-waarde daalt als de bovenste panelen het laten afweten (analoog met hiervoor), maar stijgt sterk als enkel het onderste paneel beschadigd is. Dit komt omdat in het model de warmte die door de voeg wegstroomt gemakkelijker door het onderstaande paneel geraakt, de warmteflux is daar plaatselijk hoger. Dit heeft wel niet zoveel invloed op de equivalente λ-waarden. De equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt van het hele pakket stijgt met een factor 1,6 à 1,7 als een van de panelen beschadigd geraakt. Dit is een grote verbetering tegenover de 3,7 à 3,8 bij een enkele laag (Tabel 36). ψ (bisco) (W/mK) Onbeschadigd 1 v.d. bovenste beschadigd 2 bovenste beschadigd Enkel onderste beschadigd Alles beschadigd
Uequi
λequi
factor
(W/m²K) (W/mK) groter
0,002
0,1200
0,0052
0,002
0,1901
0,0083
1,6
0,001
0,1871
0,0082
1,6
0,005
0,1998
0,0087
1,7
0,001
0,4831
0,0211
4,0
Figuur 44: Model van de dubbele laag die gesimuleerd wordt
Tabel 37 : ψ-waarden en equivalente lambda-waarden bij een dubbele laag wanneer beschadiging aan een of meerdere panelen voorkomt
7.3.2. CONDENSATIERISICO Aangezien de hoeveelheid waterdamp die in lucht opgenomen wordt beperkt is, zal bijkomende waterdamp neergeslagen worden. Zo kan condensaat op een oppervlak of inwendig in een dakopbouw voorkomen. Dit kan direct en indirect tot bouwschade leiden. De verzadigingsdampdruk wordt enkel
81
bepaald door de temperatuur van het luchtmengsel. Een benaderende analytische uitdrukking is de volgende [27]. (17)
Met θ de temperatuur in °C en Psat in Pa. Bij een gelijkblijvende temperatuur kan de dampdruk stijgen tot de verzadigingsdampdruk bereikt wordt. Zonder verandering van de dampdruk kan lucht ook (isobaar) afkoelen en op deze manier de verzadigingsdampdruk bereiken. Beide verschijnselen leiden tot condensatie. Onder deze titel wordt de tweede toestandsverandering bekeken. Door de faling van een paneel zouden te lage temperaturen kunnen voorkomen op bepaalde vlakken in de dakopbouw en zo leiden tot oppervlaktecondensatie of inwendige condensatie. In het model in Bisco (om het temperatuursverloop te bepalen) wordt een volledige dakopbouw gesimuleerd, maar er wordt abstractie gemaakt van de draagvloer (model zie bijlage K). Deze heeft geen invloed op de conclusies verder en geldt zo voor alle dakvloeren. De VIP-laag is 20 mm dik. Voor de aluminiumdikte wordt gerekend met 100 nm. Eerst worden de binnenklimaatklassen gegeven, wat het uitgangspunt is in dit onderwerp. Binnenklimaat klasse (BKK) 1
Pi*(Pa)
Pi-Pe**(Pa)
Beschrijving
Functie
<1165
<159-10.θe
Zeer lage dampproductie
Loods, werkplaats, sporthal
2
<1370
<436-22.θe
3
<1500
<713-22.θe
4
>1500
>713-22.θe
Kleine dampproductie of Grote woning, kantoor, ventilatiesysteem school, restaurant,… Matige dampproductie of Kleine woning, flats, beperkte ventilatie ziekenhuis,… Grote dampproductie Zwembad, wasplaats,…
*Jaargemiddelde waarde ** Weekgemiddelde meetwaarden Tabel 38: Binnenklimaatklassen [27]
Naast deze binnenklimaatklassen moet nog een buitendampdruk opgegeven worden waarmee gewerkt wordt. Volgens het KMI komt de hoogste relatieve vochtigheid in december voor (88,8%) en is de laagste gemiddelde minimumtemperatuur 0,7 °C (in januari en februari). Er wordt voor de eenvoudigheid verder gerekend met 0°C als buitentemperatuur. Zo wordt voor Pe 542 Pa. Oppervlaktecondensatie kan zorgen voor een groeibodem voor schimmels. Dit dient dus vermeden te worden. Voor bouwfysische toepassingen eist men echter dat de relatieve vochtigheid kleiner blijft dan 80% van de maximaal toegelaten waarden. (18)
82
Onbeschadigd 1 paneel beschadigd 2 panelen beschadigd
Oppervlakte T(°C)
Psat (Pa)
0,8.Psat (Pa)
18,41 18,01 17,71
2117,6 2065,2 2026,6
1694,1 1652,1 1621,2
Tabel 39: Saturatiedampdruk t.h.v. het binnenoppervlak
Als de bovenstaande tabel vergeleken wordt met Tabel 38 ziet men dat deze eis overal voldaan is voor BKK 1 tot BKK 3. In deze binnenklimaatklassen zal de jaargemiddelde binnendampdruk p i maximaal 1500 Pa zijn. Weekgemiddeld kan deze waarde in de zomer soms groter zijn dan 1500 Pa, maar dan is de oppervlaktetemperatuur een stuk hoger waardoor geen condensatie te vrezen is. De oppervlaktetemperaturen vermeld in Tabel 39 zijn de laagste waarden die over de lengte van het model voorkomen, zie hiervoor bijlage K waar het temperatuursverloop over de dikte voorgesteld staat. De oppervlaktetemperatuur zal bij het beschouwen van een dakvloer in de simulaties hoger zijn, waardoor hier nadeliger gerekend wordt. Dit komt omdat de U-waarde dan (en de som van de weerstandswaarden) hoger is41. Wat betreft oppervlaktecondensatie worden dus geen problemen verwacht, ook niet als een paneel zijn vacuüm verliest. Zelfs bij een extreme buitentemperatuur van -10°C komt de minimale oppervlaktetemperatuur van twee beschadigde panelen op 16,5°C, waarbij 0,8.Psat nog net boven 1500 Pa blijft. Voor BKK 4 moet vanzelfsprekend de condensatieberekening gemaakt worden en eventuele maatregelen genomen worden. Op onderstaande figuur wordt het verloop van de saturatiedampdruk (Psat) over de dakopbouw van een plat dak zonder draagvloer voorgesteld. Dit is bepaald op basis van de temperatuur ter plaatse van de scheidingsoppervlakken die uit de grafische output van Bisco afgelezen kunnen worden (zie ook bijlage K). Figuur 45 toont dit saturatiedampdrukverloop eens ter hoogte van het midden van een paneel en eens ter hoogte van een voeg tussen twee panelen. Buiten is het 0°C en binnen 20°C. Er is bijna geen verschil tussen het verloop van een origineel paneel en een paneel dat zijn vacuüm verloren heeft. Dit komt omdat het temperatuursverloop over de dakopbouw niet drastisch verandert, zie Bijlage K: tabellen en figuren bij Faling van een paneel.
Afdichting
VIP Dampscherm
41
83
Afdichting
VIP Dampscherm
Figuur 45: (Saturatie)dampdrukverloop over een plat dak waarbij abstractie gemaakt wordt van de dakvloer (met dakvloer van hout bekomt men ongeveer hetzelfde verloop)(VIP is 20 mm dik)
Buiten de saturatiedampdrukken is ook als voorbeeld een reëel dampdrukverloop voorgesteld waarbij de dampdruk binnen 1500 Pa bedraagt, en buiten 542 Pa (relatieve vochtigheid van 88,8% bij 0°C). Hiervoor is een keuze gemaakt voor het diffusieweerstandsgetal van een VIP (∞, in analogie met de μ-waarde van aluminium) [11] aangezien dit nog niet bekend is. De μ-waarden voor de andere materialen komen uit NBN EN 12524 [11]. Dit is een dampdrukverloop dat nog net tot BKK 3 behoort. Het gevaarlijkste punt voor condensatie is het scheidingsoppervlak tussen het dampscherm en de VIP. Als de VIP geen hele hoge μ-waarde zou hebben, dan zou hier condensatie kunnen voorkomen (Pvoorbeeld komt dan hoger dan Psat). Eventueel kan ook damp met een te hoge dampdruk langs de voegen naar het scheidingsoppervlak afdichting-VIP stromen en daar zorgen voor condensatie. Maar dit geldt zowel voor de opstelling met onbeschadigde panelen alsook met deze mét beschadigde panelen. Als bij de berekening van het vochttransport in de dakconstructie condensatie vermeden wordt, dan zal het risico op condensatie bij het wegvallen van het vacuüm ook heel klein zijn. Een belangrijke bemerking is dat dit geldt voor een dakpakket waarbij abstractie gemaakt wordt van de dakvloer. Voor stalen plooiplaten en houten draagvloeren (18 mm OSB) gelden de bevindingen uit Figuur 45, het verloop benadert het verloop in Figuur 45 goed. Bij een houten draagvloer is enkel het verschil tussen de Psat-waarden van een onbeschadigd en een beschadigd paneel t.h.v. het scheidingsvlak VIP-dampscherm iets groter, maar niet groot genoeg om tot condensatie te leiden. Voor een betonnen draagvloer wijkt het saturatiedampdrukverloop over de dakopbouw wél af van het verloop in Figuur 45. In Figuur 46 wordt het verloop t.h.v. het midden van een paneel voorgesteld (opnieuw 0°C buiten en 20°C binnen). Zoals te zien is, kan hier wel degelijk condensatie voorkomen als een VIP van 20 mm zijn vacuüm verliest. Deze condensatie zal zich vooral voordoen op het scheidingsvlak VIP-dampscherm. Pvoorbeeld is hetzelfde voorbeeld als in Figuur 45, maar toegepast op een betonnen draagvloer (behoort nog net tot BKK 3).
84
Hellingsbeton
Betonvloer
VIP
Figuur 46: (Saturatie)dampdrukverloop over een plat dak met een betonnen draagvloer t.h.v. het midden van een paneel (van links naar rechts: afdichting – VIP – dampscherm – hellingsbeton – draagvloer – bepleistering) (VIP is 20 mm dik).
Bij een gebouw behorend tot BKK 4 wordt best altijd een gedetailleerde berekening van de vochthuishouding uitgevoerd, hier kan wel condensatie voorkomen bij het falen van een paneel bij gelijk welke dakvloer. Er kan geconcludeerd worden:
Stalen plooiplaten en houten draagvloer: Het risico op inwendige condensatie wordt niet groter bij de faling van een VIP in een plat dak (van een gebouw met binnenklimaatklasse 1 tot 3).
Betonnen draagvloer: Het risico op inwendige condensatie wordt wél groter bij het verliezen van het vacuüm. Daken van gebouwen met een binnenklimaatklasse 2 kunnen zelfs tot inwendige condensatie leiden bij faling.
Hierna wordt nog kort bestudeerd of dit condensatierisico verdwijnt bij het toepassen van een dubbele laag VIP‟s d.m.v. een berekening met de hand. Als een dubbele laag VIP‟s van 10 mm dik vergeleken wordt met een enkel paneel van 20 mm dik verdwijnt het condensatierisico als het onderste paneel faalt. Als het bovenste paneel faalt, komt het scheidingsvlak tussen de twee panelen op een te lage temperatuur te staan. Dit is te zien op Figuur 47. Als het damptransport doorheen de voegen tot op dit scheidingsoppervlak geraakt, kan zich hier condensatie voordoen. Als de temperatuur t.h.v. het scheidingsoppervlak VIP-dampscherm met 1,6 °C daalt42, wat zich ter plaatse van een voeg tussen twee VIP‟s kan voordoen, blijft de dampdruk hier nog altijd hoger dan 1500 Pa.
42
1,6°C is het maximale temperatuursverschil tussen het midden van een paneel en de voeg tussen twee VIP‟s t.h.v. het scheidingsoppervlak VIP-dampscherm bij niet-beschadigde panelen in het model voorgesteld in bijlage K. Dit is nog een stuk kleiner bij beschadigde panelen en bij een dikke dakvloer. Hier wordt dus veilig gerekend.
85
Hellingsbeton
Betonvloer
dubbele laag VIP‟s
Figuur 47: (Saturatie)dampdrukverloop over een plat dak met een dubbele laag VIP’s en een betonnen draagvloer t.h.v. het midden van een paneel (van links naar rechts: afdichting – VIP (10 mm) – VIP (10 mm) – dampscherm – hellingsbeton – draagvloer – bepleistering) .
De VIP‟s opnieuw „beschermen‟ met PUR-platen kan ook een oplossing zijn om het condensatierisico te reduceren bij betonnen vloeren. 30 mm is de minimale dikte van PUR-platen en houdt condensatie voldoende tegen. Dit is te zien op Figuur 48 (λPUR is gelijkgesteld aan 0,035 W/mK, een conservatieve waarde). Aan het scheidingsoppervlak VIP-dampscherm komt net geen condensatie voor, wat te maken heeft met het eindig diffusieweerstandsgetal van PUR. Op alle scheidingsvlakken is de temperatuur hoog genoeg. Ter hoogte van de voegen tussen VIP‟s kan de temperatuur van het scheidingsoppervlak VIP-dampscherm (bij VIP‟s zonder vacuüm) iets lager zijn (het verschil is maximaal 0,6 °C volgens het simulatiemodel 1 gebruikt in 7.1). Om deze reden kan daar eventueel condensatie voorkomen43. PUR VIP
Hellingsbeton
Betonvloer
Figuur 48: (Saturatie)dampdrukverloop over een plat dak met 30 mm PUR en 20 mm VIP en een betonnen draagvloer t.h.v. het midden van een paneel (van links naar rechts: afdichting – PUR (30 mm) – VIP (20 mm) – dampscherm – hellingsbeton – draagvloer – bepleistering). 43
Als voor λpur 0,028 W/mK (zoals de panelen van Recticel[39]) ingevuld wordt, blijft de saturatiedampdruk t.h.v. het oppervlak VIP-dampscherm boven de 1500 Pa.
86
Om het condensatierisico bij betonnen dakvloeren te reduceren, kan dus een dubbele laag VIP’s voorzien worden, of extra klassieke isolatie voorzien worden (bij voorkeur PUR). Er moet wel extra aandacht besteed worden aan de voegen tussen de VIP‟s, die kunnen zorgen voor plaatselijke condensatie. Gebouwen met een hoge dampproductie kunnen het best iets dikker aangevuld worden met klassieke isolatiematerialen met een eindig diffusieweerstandsgetal.
7.3.3. TEMPERATUURFACTOR De ontwerper van een gebouw kan een beperkte invloed uitoefenen op de schimmelvorming. Dit doet hij door de thermische kwaliteit van de gebouwschil voldoende hoog te houden en wordt beschreven door de temperatuurfactor f. Dit is een soort van dimensieloze binnenoppervlaktetemperatuur die een algemene parameter, onafhankelijk van de exacte randvoorwaarden, is. Deze parameter houdt als het ware rekening met het plaatselijk sterk verminderen van de oppervlaktetemperatuur door lokale effecten [27].
(19)
De eis die gesteld wordt aan deze temperatuurfactor is de volgende (20) waarbij 0,2 staat voor de overgangsweerstand waarbij de f0,2 (-) temperatuurfactor uitgerekend moet worden. Opnieuw wordt Onbeschadigd 0,874 hier gewerkt met de dakopbouw zonder draagvloer. Met de 1 paneel beschadigd 0,836 draagvloer zal θsi hoger zijn, waardoor de temperatuurfactor 2 panelen beschadigd 0,806 altijd groter (of gelijk bij plooiplaten) zal zijn. Zoals uit Tabel 40: Temperatuurfactor van een dakopbouw zonder draagvloer nevenstaande tabel volgt, blijft de temperatuurfactor overal boven 0,7 wat dus wil zeggen dat elke soort dakvloer zal voldoen. Wat betreft de thermische kwaliteit blijkt het wegvallen van het vacuüm geen problemen te geven.
87
7.4.
BEDEKKING EN WARMTEVERLIEZEN BIJ HET GEBRUIK VAN STANDAARDMATEN.
Op dit moment bestaan (in België) nog geen standaardmaten voor VIP‟s. Aangezien de panelen onversnijdbaar zijn, wil dit zeggen dat bij een dak met specifieke afmetingen, op maat gemaakte panelen aangevraagd moeten worden. Standaardmaten zijn belangrijk om bijvoorbeeld een grotere productie op te zetten en de prijs wat te drukken. Er kan een analyse gemaakt worden van de warmteverliezen van een plat dak geïsoleerd met drie verschillende standaardafmetingen, waarbij de overblijvende ongeïsoleerde delen opgevuld worden met traditionele (versnijdbare) isolatiematerialen. Eerst wordt bestudeerd hoeveel procent van het platte dak bedekt kan worden, en dit voor zoveel mogelijk daken. Daarna wordt voor de bestudeerde daken telkens het extra warmteverlies bepaald in de vorm van een oppervlaktegewogen warmtegeleidingcoëfficiënt. Als standaardmaten worden panelen met de volgende afmetingen gekozen44: 600 mm x 600 mm, 900 mm x 600 mm en 1200 mm x 600 mm. Onder deze titel wordt uitgegaan van rechthoekige daken waar geen constructies de dakopbouw doorsnijden, m.a.w. de oppervlakte tussen alle zijden van de rechthoek kan bedekt worden met isolatiematerialen. Daken waar veel doorsnijdingen voorkomen zijn minder interessant voor VIP‟s. Andere vormen van daken en het beschouwen van willekeurige doorsnijdingen zou het aantal berekeningen ook opblazen. Aangezien de afvoer van water essentieel is en tapbuizen in het dakvlak soms niet te vermijden zijn, wordt op het einde kort dieper ingegaan op deze soort doorsnijding.
7.4.1. WERKWIJZE De werkwijze voor het bepalen van de maximale bedekking bij willekeurige daken wordt hieronder voorgesteld. -
Eerste stap:
Eerst wordt getracht het dak zoveel mogelijk te bedekken met panelen 1200 mm x 600 mm aangezien deze zullen zorgen voor de beste thermische prestaties. Bij grote panelen komen er immers minder voegen voor dan bij kleinere panelen voor dezelfde oppervlakte, waardoor de koudebrugwerking minder invloed uitoefent op de thermische prestaties. Uit onderstaande schets kan een formule opgesteld worden om dit aantal panelen 1200 mm x 600 mm te bepalen.
Figuur 49: Schets ter bepaling van de standaardmaten 44
Voorgesteld door Microtherm
88
In Figuur 49 staat L voor de lengte, terwijl B voor de breedte van het te isoleren dak staat. L 1 is de lengte van een VIP (1200 mm), B1 (600 mm) de breedte. Nu kunnen de lengte en breedte van het dak als volgt geschreven worden: (21)
Hierin zijn n en m gehele getallen, d1 en d2 zijn rationale getallen. Als de L gedeeld wordt door L1 dan stelt n het gehele deel van de verhouding voor, d1 het decimale deel. Dit is analoog voor de breedte. De gehele delen n en m worden weerhouden. Als L en B een veelvoud zijn van respectievelijk L1 en B1 dan kan de oppervlakte van het plat dak 100 % bedekt worden met VIP‟s. -
Tweede stap:
Hierna wordt gekeken naar de oppervlakte die nog overschiet. Zoals in Figuur 49 worden de breedtezijde van een VIP evenwijdig gelegd aan een van de twee zijden van een plat dak. Het stuk dat „overschiet‟ aan deze zijde van het dak wordt voorgesteld op Figuur 50. o
Is B0 > 300 mm dan wordt het onderste paneel vervangen door twee panelen van 900 mm x 600 mm zoals voorgesteld in de figuur (hier is maar één paneel voorgesteld).
De zijde van het platte dak dat evenwijdig is met de lengtezijde van de VIP‟s van 1200 mm x 600 mm wordt voorgesteld in Figuur 51. o o o
o
Is L0 ≥ 900 mm dan wordt een extra paneel voorzien van 900 mm x 600 mm. Is L0 ≥ 600 mm dan wordt een extra paneel voorzien van 600 mm x 600 mm. Is L0 ≥ 300 mm dan wordt het meest rechtse paneel vervangen door een paneel van 900 mm x 600 mm en wordt er een extra paneel van 600 mm x 600 mm voorzien. Dit wordt voorgesteld in Figuur 51. Is L0 ≥ 300 mm dan wordt geen extra paneel toegevoegd.
Figuur 50: Schets van de niet-bedekte oppervlakte na de eerste stap
Figuur 51: Schets van de niet-bedekte oppervlakte na de eerste stap (lengte)
Om het extra warmteverlies te becijferen wordt een oppervlaktegewogen gemiddelde van de warmtegeleidingscoëfficiënt berekend. Dit kan verantwoord worden als bestudeerd wordt hoe het warmteverlies van heterogene constructies berekend wordt. Uit de syllabus „Bouwfysische Aspecten 89
van Gebouwen‟[27] blijkt dat de U-waarde van heterogene constructies benaderend gelijk is aan het gemiddelde van een „parallelschakeling‟-berekening (Het warmtetransport in de ene zone beïnvloed het warmtetransport in de andere zone niet) en een „serieschakeling‟-berekening (Alle vlakken die parallel zijn met de constructievlakken zijn isotherm). De laatstgenoemde maakt gebruik van volgende formule en is een pessimistische benadering van de werkelijkheid.
(22)
Waarbij de totale warmteweerstand, Ri de warmteweerstand van elke afzonderlijke zone en Ai de oppervlakte van de zone voorstelt. Voor twee verschillende materialen in eenzelfde laag, wat hier het geval is (VIP en PUR), wordt deze vergelijking: (23)
Met d de dikte van de isolatielaag, die hier weggedeeld kan worden. Vergelijking 23 toon dus aan dat de totale warmtegeleidingscoëfficiënt in een pessimistische benadering gelijk is aan de oppervlaktegewogen warmtegeleidingscoëfficiënt. Een groot voordeel van deze benadering is dat ze onafhankelijk is van de rest van de dakopbouw en eenvoudig becijferd kan worden.
7.4.2. RESULTATEN De λ-waarde die gebruikt wordt voor de VIP‟s is 0,0090 W/mK, berekend volgens het addendum van het EPB [60], zie hiervoor hoofdstuk 3. Dit is de gemiddelde waarde na veroudering van de hier gebruikte afmetingen van de panelen voor een dikte van 20 mm (zonder veroudering ongeveer 0,0052 à 0,0055 W/mK). De onbedekte delen worden opgevuld met PUR passtukken met een λ-waarde van 0,035 W/mK, dit is een pessimistische waarde (volgens transmissiereferentiedocument [27]). Het warmteverlies zal dus te hoog ingeschat worden. De berekening wordt opgezet waarbij de lengte en de breedte van het dak met stappen van 1 cm groter worden. Zo worden eens alle daken beschouwd van 2 m x 2 m tot 10 m x 10 m, eens tot 20 m x 20 m en eens tot 40 m x 40 m. Een deel van de berekeningstabel staat hieronder ter verduidelijking. Dit is het deel van de daken met afmetingen: 2…2,05 m x 2… 2,05 m, in totaal al 16 daken.
L (m)
2 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05
B (m) 2 19,00 19,40 19,80 20,20 20,59 20,98
2,01 19,40 19,80 20,20 20,59 20,98 21,37
2,02 19,80 20,20 20,60 20,99 21,37 21,76
2,03 20,20 20,59 20,99 21,38 21,76 22,14
2,04 20,59 20,98 21,37 21,76 22,15 22,53
Figuur 52: Deel van de berekeningstabel
90
2,05 20,98 21,37 21,76 22,14 22,53 22,90
Voor elk dak stelt het getal in Figuur 52 het percentage van het dak dat niet bedekt blijft voor. Zo zal bijvoorbeeld een dak van 2,02 m x 2,0 m voor 19,8 % niet bedekt kunnen worden met VIP‟s. De percentages in Figuur 52 zijn hoge percentages aangezien het hier gaat om kleine daken, dit wordt verder duidelijk. Als deze berekeningstabel doorgetrokken wordt naar daken tot 10 m lengte en breedte, worden 641 601 daken beschouwd. Bij de uitbreiding tot 20 m lengte en breedte worden 3 243 601 daken beschouwd. Bij maximaal 40 m lengte en breedte wordt het percentage berekend voor 14 409 591 daken.
Tot 10 m x 10 m Maximum Minimum Pct groter dan 10% 10 % overschot Gemiddelde Mediaan Tot 20 m x 20 m Maximum Minimum Pct groter dan 10% 10 % overschot Gemiddelde Mediaan Tot 40 m x 40 m Maximum Minimum Pct groter dan 10% 10 % overschot Gemiddelde Mediaan
Pct. Niet bedekt (%)
λ (W/mK) met veroudering
stijging (%)
λ (W/mK) zonder veroudering
stijging (%)
27,52 0,00
0,0162 0,0090
79,51 0,00
0,0135 0,0053
154,23 0,00
13,55 10,00 6,06 5,36
0,0116 0,0106 0,0104
28,89 17,50 15,49
0,0083 0,0071 0,0069
56,04 33,94 30,04
27,52 0,00
0,0162 0,0090
79,51 0,00
0,0135 0,0053
154,23 0,00
4,55 10,00 3,88 3,10
0,0116 0,0100 0,0098
28,89 11,20 8,95
0,0083 0,0065 0,0062
56,04 21,72 17,37
27,52 0,00
0,0000 0,0000
79,51 0,00
0,0135 0,0053
154,23 0,00
1,41 10,00 2,33 1,66
0,0116 0,0096 0,0094
28,89 6,73 4,78
0,0083 0,0060 0,0058
56,04 13,06 9,28
Tabel 41: Resultaten van de berekening met daken waarbij de lengte en de breedte altijd 1 cm van elkaar verschillen. (Pct groter dan 10% is het percentage van alle daken waarvan meer dan 10% niet bedekt kan worden)
In Tabel 41 staan de belangrijke resultaten uit de berekening. Bij alle daken zal er maximaal 27,52 % niet bedekt kunnen worden met VIP‟s. Gemiddeld is de onbedekte oppervlakte 6,06 % bij de daken tot 10 m x 10 m, 3,88 % bij de daken tot 20 m x 20 m en 2,33 % bij daken tot 40 m x 40 m. Deze daling bij het beschouwen van meer en grotere daken is logisch aangezien de oppervlakte die niet bedekt kan worden niet even snel stijgt als de totale oppervlakte van het dak bij groter wordende daken. Om deze reden is de opsplitsing gemaakt. De berekening tot 40 m x 40 m is niet representatief voor een dak van bijvoorbeeld 7 m x 6 m. Op korte termijn na de bouw (als nog geen veroudering opgetreden is) kan er maximaal een stijging van de λ-waarde van 154,23 % voorkomen. Dit is evenwel een uitzondering, 91
aangezien gemiddeld gezien de λ-waarde zal stijgen met 13 tot 34 % op korte termijn en met 6 tot 18 % na veroudering. Om deze stijging te beoordelen kan de vergelijking met PUR gemaakt worden: de warmtegeleidingscoëfficiënt na veroudering is gemiddeld nog 3,3 keer kleiner dan een volledige bedekking met PUR (λVIP = 0,0106 W/mK en λPUR = 0,035 W/mK). Deze factor is minimaal 2,64 (λVIP = 0,0106 W/mK en λPUR = 0,028 W/mK)45. Hij varieert van dak tot dak en kan tot 6,6 gaan (op korte termijn bij een volledige bedekking: λVIP = 0,0053 W/mK en λPUR = 0,035 W/mK). Hiernaast kan nog vermeld worden dat het aantal daken dat meer dan 10% restoppervlakte heeft maar 13,55 % (4,55 % voor daken tot 20 m x 20 m en 1,41 % voor daken tot 40 m x 40 m) voorstelt. 13,55 % (4,55 %, 1,41%) van de daken hebben dus een totale λ-waarde (na veroudering) groter dan 0,0116 W/mK, wat een stijging van 28,89 % voorstelt. Dit is nog 3 keer beter dan een volledige bedekking met PUR (2,41 bij λPUR = 0,028 W/mK).
7.4.3. CONCLUSIE Wanneer standaardmaten van VIP‟s (600 mm x 600 mm, 900 mm x 600 mm, 1200 mm x 600 mm) aangevuld worden met (versnijdbare) PUR-panelen kan geconcludeerd worden dat de gemiddelde thermische kwaliteit daalt (13 tot 34% net na de uitvoering, 6 tot 18 % na veroudering), maar deze gemiddeld nog 3,3 (min. 2,64) keer beter is dan een volledige bedekking met PUR. Dit kan zelfs tot maximaal 6,6 keer gaan. Gemiddeld kan een dak voor 93,4 % (6,6 % onbedekt) tot 97,7 % (2,3 % onbedekt) bedekt worden met VIP‟s.
7.4.4. OPMERKING Ter plaatste van een afvoer met een tapbuis in het dakvlak moet de isolatielaag doorboord worden. Dit werd, zoals vermeld, niet beschouwd in bovenstaande berekening, maar kan soms onvermijdelijk zijn als het hemelwater niet of onvoldoende afgevoerd kan worden m.b.v. tapbuizen doorheen een opkant. Om deze doorsnijding voor de afvoer te verwezenlijken zijn drie mogelijkheden: 1. Een VIP vervaardigen met een uitsparing. 2. Een gat boren in de VIP. 3. VIP ter plaatse vervangen door het versnijdbare PUR. De eerste optie zal naar alle waarschijnlijk heel duur zijn en is bij Microtherm praktisch nog niet mogelijk. De tweede optie is ook af te raden. Bij het doorboren van de VIP gaat ten eerste het vacuüm verloren, wat in principe geen onoverkoombaar probleem is, er is nog altijd een warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,021 W/mK beschikbaar. Maar het pyrogeen kiezelzuur komt vrij en is niet meer afgeschermd door de folie. Zo zou vocht het kiezelzuur eventueel kunnen aantasten. Voorlopig is de derde optie het meest aan te raden. Deze optie zal een extra warmteverlies met zich meebrengen dat hieronder kort becijferd wordt.
45
Volgens het transmissiereferentiedocument is de λ-waarde voor PUR 0,035 W/mK. 0,028 W/mK is een optimistische waarde, die geldt voor de PUR-platen van Recticel [39].
92
In TV 191 [57] staat volgende praktijkregel beschreven: er is 1 cm² afvoer per m² horizontale projectie van het dak nodig. Deze regel zorgt echter wel voor overdimensionering. Hiernaast vermeldt Dyka dat er één afvoer per 100 m² plat dak voorzien moet worden [20] (volgens de NEN 3215 en NPR 3216). Deze waarde blijft als praktijkregel ook terugkeren op verschillende websites (bijvoorbeeld Livios.be). Volgens TV 191 komt dit overeen met een afvoerbuis met een diameter van 112,8 mm. Voor de VIP‟s wordt de λ-waarde opnieuw gelijk gesteld aan 0,0090 W/mK. Voor PUR wordt een goede waarde, 0,028 W/mK aangenomen. Een PUR-plaat isoleert dus 3,11 keer minder goed dan VIP. Stel nu dat een dakafvoer in het dakvlak een uitsparing in de VIP-laag veroorzaakt van 600 mm x 600 mm (oppervlakte van de kleinste maat), dan stelt dit 0,36 % (0,6 x 0,6 / 100) voor van een dak van 100 m², 0,72 % voor een dak van 50 m² en 1,44 % voor een dak van 25 m² voor. Het warmteverlies voor het dak is dan respectievelijk 0,76 %, 1,52 % en 3,04 %. Vanuit thermisch standpunt is dit een klein warmteverlies. Voor daken groter dan 100 m² blijft het warmteverlies 0,65 %. Voor daken kleiner dan 25 m² moet echter opgelet worden. Een dakafvoer in het dakvlak kan hier de thermische kwaliteit naar beneden halen. Hier wordt best geopteerd voor een dakafvoer doorheen de opkant.
93
8. UITVOERINGSRICHTLIJNEN De uitvoeringsrichtlijnen krijgen de vorm van een bestektekst voor isolatiematerialen van een plat dak. Deze vorm is gebaseerd op de standaardbestekken van de Vlaamse Maatschappij voor Sociaal Wonen [55]. Hierbij wordt ook gekeken naar de bestekteksten van traditionele isolatiematerialen. De gegevens komen vooral uit hoofdstuk 6 en 7, uit de IEA/ECBCS Annex 39 [24] en van Microtherm [34]. Om af te sluiten wordt een goed voorbeeld gegeven van een gerealiseerd terras met VIP‟s in België.
94
34.1X. ISOLATIEPLATEN – VACUÜM ISOLATIE PANELEN – MICROTHERM® SLIMVAC MATERIAAL Vacuüm isolatie panelen (VIP) bestaan uit een microporeuze kern (pyrogeen silicium) omgeven door een gas – en waterdichte folie (bestaande uit PET, PE en Al) waarbinnen een onderdruk van 1 tot 5 mbar gecreëerd wordt. VIP‟s hebben nog geen CE-markering. Ze zijn ook nog niet gedekt door het Europees Comité voor Normalisatie (CEN) alsook niet door de European Organisation for Technical Approvals (EOTA). Ze zijn wel al opgenomen in een addendum van de EPB-regelgeving [60]. Het kernmateriaal voldoet wel aan de Amerikaanse norm ASTM C1484-10 Standard Specification for Vacuum Insulation Panels. [34]
SPECIFICATIES -
-
Volumemassa: 150 – 180 kg/m³ Brandgedrag: Is niet ontvlambaar en voldoet aan DIN 4102 De equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt λequ volgens het addendum van EPB: 0,0093 W/mK na veroudering (voor panelen 600 mm x 600 mm, zal kleiner zijn bij grote panelen), 0,0055 W/mK origineel (600 mm x 600 mm). Waterdampdiffusieweerstandsgetal: vermoedelijk oneindig groot door de aluminiuminlage in de folie, maar kan onderzocht worden. De druksterkte bij 10% vervorming: 200 kPa (volgens ASTM C165 en NBN EN 826) Samendrukbaarheid bij 80 kPa gedurende 48u op kamertemperatuur: ≤ 5% (volgens NBN EN 1605) Beloopbaarheid volgens UEAtc: klasse C (eventueel klasse D) (bij kamertemperatuur, onderzoek kan 100% uitsluitsel geven) Puntweerstand bij 2 mm vervorming: 900 N (Volgens EN 12430) Beloopbaarheidsklasse volgens TV 239: klasse P3 (de eisen voor VIP‟s moeten nog opgesteld worden om 100 % uitsluitsel te geven) Windweerstand: minimaal - 3000 Pa. Vermoedelijk zal dit een stuk hoger liggen, verder gespecialiseerd onderzoek is nodig om dit uit te wijzen. Plaatdiktes: 6 mm tot 40 mm (onder 20 mm is bouwfysisch minder interessant, buiten in een dubbele laag) Afmetingen: maximaal 1400 mm x 800 m. Bij gebruik van standaardafmetingen 600 mm x 600 mm, 600 mm x 900 mm en 600 mm x 1200 mm: Door de aanvulling met PUR stijgt λ met 13 tot 34% net na de uitvoering, met 6 tot 18% na veroudering.
UITVOERING VIP‟s bestaan uit een complex en gevoelig systeem van materialen. Daarom is het interessant als alle betrokken partijen voldoende geïnformeerd zijn omtrent de eigenschappen en de toepassing van VIP‟s en nauw samenwerken met de leverancier van de panelen gedurende de planning en installatie. Zo kan men voldoende informatie uitwisselen en problemen voorkomen, zeker omdat het gaat om een nog relatief onbekende toepassing. Een VIP en de constructies waar ze ingebouwd worden, kunnen ook
95
voorzien worden van een waarschuwing, zoals het voorstel van de IEA/ECBCS annex 39 [24] wat voorgesteld wordt op Figuur 53. Op korte termijn (een maand) tast water VIP‟s niet aan. Dit zou kunnen betekenen dat VIP‟s in een omkeerdak gebruikt kunnen worden, maar dit kan nog niet met 100% zekerheid gesteld worden. Op dit moment biedt een warm dak echter meer bescherming voor VIP‟s.
Figuur 53: Waarschuwingslabel voor VIP's en constructies waarin VIP's toegepast worden [24]
De ondergrond dient vooraf (grondig) gezuiverd en ontdaan te worden van alle oneffenheden. Een klein steentje kan immers in de folie dringen en voor een perforatie zorgen. Om deze reden kan het veilig zijn op de ondergrond een beschermmat aan te brengen (bijvoorbeeld polyethyleenschuim of rubber). De VIP kan verder bevestigd worden aan zijn ondergrond door middel van bitumineuze koudlijm en synthetische lijmen (overeenkomstig met TV 215 § 7.3). Verder onderzoek kan de verenigbaarheid van deze lijmen met VIP‟s onderzoeken, alsook de windweerstand van deze bevestigingmethoden. Er kan ook gekozen worden om de VIP‟s losliggend te plaatsen, wat een snelle en veilige oplossing kan bieden. Dan moet de afdichting wel geballast worden. VIP‟s kleven met warm bitumen wordt om veilig te werken best vermeden. Als een dampscherm in de dakopbouw toegepast wordt, mag een overlap voorzien worden voor de aansluiting van de verschillende dakbanen. In de folie van een VIP die bovenop een overlap geplaatst wordt kan zich, door lasten op de VIP‟s, wel een (heel) lichte plooi voordoen t.h.v. de overlap, wat geen effect heeft op korte termijn. Een dunner dampscherm kan, als alternatief, er voor zorgen dat de plooien nog minder uitgesproken of niet meer aanwezig zijn. Daarnaast kan ook gekozen worden de aansluiting van de dampschembanen kops uit te voeren. Een VIP onmiddellijk bedekken met een traditioneel isolatiemateriaal (bij voorkeur PUR-panelen) heeft een aantal voordelen en wordt daarom gepromoot. De eerste twee puntjes kunnen ook verwezenlijkt worden door onmiddellijk een afdichtingslaag in plaats van een extra isolatielaag aan te brengen: Tijdens de uitvoering worden de panelen onmiddellijk beschermd tegen de impactbelastingen van vallend (scherp) gereedschap.
Tijdens de uitvoering is het veiliger om niet rechtstreeks op de VIP‟s te lopen (partikels die in schoenen blijven steken, bewegingen van de schoenen die de folie kunnen beschadigen,…). Door ze onmiddellijk te bedekken kunnen dakwerkers zich toch verplaatsen ter hoogte van de al geïnstalleerde VIP‟s. Om te knielen op de VIP‟s kunnen ook beschermmatten gebruikt worden. Als het toch noodzakelijk is rechtreeks op de panelen te kunnen lopen, kunnen aangepaste overschoenen gebruikt worden. IEA/ECBCS Annex 39 stelt vilt voor als materiaal voor de beschermmatten en de overschoenen [24].
Tijdens het gebruik kan een klassiek isolatiemateriaal een VIP beschermen tegen hoge temperaturen door bezonning op een zwarte afdichting (tot 80°C). Dit kan ook tegengegaan worden door afdichtingen te gebruiken met een lichtere kleur of door een schutlaag te voorzien. 96
Een traditioneel isolatiemateriaal kan gebruikt worden als bescherming tegen bevestigingstechnieken van de afdichting die hoge temperaturen gebruiken. Hierop wordt verder nog in detail ingegaan.
De combinatie met andere isolatielagen (hier PUR) beperkt de koudebrug ontstaan door de aluminiumlagen en de luchtlagen noemenswaardig.
Als laatste heeft een bedekking met een extra klassieke isolatielaag positieve effecten op het risico op inwendige condensatie bij faling van een VIP (Vooral belangrijk bij betonnen draagvloeren omwille van het eindig diffusieweerstandsgetal van PUR).
Hiernaast kan ook geopteerd worden om een dubbele VIP-laag te voorzien. Als een paneel beschadigd raakt, valt zo nog niet het volledige isolerende vermogen weg. Deze schikking zorgt er ook voor dat koudebruggen gereduceerd worden waardoor betere thermische prestaties bereikt kunnen worden. De afdichting kan rechtstreeks op een VIP verkleefd worden met bitumineuze koudlijm voor bitumineuze dakafdichtingen of met verschillende soorten koudlijm voor kunstofafdichtingen. De verenigbaarheid en hechtsterkte moeten nog aangetoond worden. Een afdichting rechtstreeks aanbrengen door middel van vlamlassen moet vermeden worden. Een bevestiging met warm bitumen wordt best ook gemeden om veilig te werken, alhoewel deze niet onmiddellijk tot schade aan de VIP leidt. Deze twee technieken kunnen daarentegen wel zonder problemen toegepast worden op een PURlaag bovenop de VIP-laag. Hierbij wordt eerst een onderlaag aangebracht (bijvoorbeeld een zelfklevende onderlaag) omdat de voegen tussen de PUR-platen afgeschermd moeten zijn. Overlappen in de dakafdichting bovenop een VIP-laag kunnen met hete lucht samen gelast worden, maar dan mag zeker geen hete lucht de VIP‟s bereiken. Het voorzien van een voldoende grote overlap zorgt niet onmiddellijk voor schade aan de folie, maar dan moet met grote voorzichtigheid gewerkt worden. Omwille van de veiligheid kan opnieuw gekozen worden de VIP‟s te beschermen met een PUR-plaat. De kans dat de VIP‟s beschadigd raken is veel kleiner.
97
Tot slot wordt nog een voorbeeld van goede praktijk gegeven. Een veilige dakopbouw is gerealiseerd in een passieve nieuwbouwwoning in de Pantserschipstraat te Gent [48]. Hier wordt een terras geïnstalleerd op een plat dak op de eerste verdieping. Dit terras komt op dezelfde hoogte als het vloerniveau binnen, maar de dragende betonvloer loopt gewoon door van binnen naar het terras, zonder een sprong te maken. De dakopbouw wordt losliggend geplaatst en ziet er als volgt uit (in volgorde van buiten naar binnen): 1. 2. 3. 4.
Zelfklevende dakafdichting (Resitrix SKW) PUR-isolatie van 40 mm dik (Recticel Bi-3) VIP-laag van 40 mm dik (Microtherm SlimVac) Polyethyleenschuim van 3 mm dik als bescherming. 5. Bitumineus dampscherm (V3). De banen liggen kops tegen elkaar en waar ze aansluiten is het bitumen in elkaar gesmolten. 6. Hellingsbeton en dragende betonvloer Figuur 54: Dakopbouw plat dak Pantserschipstraat te Gent
Figuur 55: Onmiddellijke bedekking met PUR-platen
De ondergrond van de VIP‟s (hier het dampscherm) is gecontroleerd op zijn vlakheid. De VIP‟s zijn onmiddellijk bedekt met PUR-platen zodat deze maar een (hele) korte tijd bloot stonden aan sollicitaties. Dit is te zien op Figuur 55. De dakafdichting is verkleefd op de PUR-platen, er zijn dus geen hoge temperaturen gebruikt nadat de VIP‟s geïnstalleerd zijn.
Op basis van de conclusies en de uitvoeringsrichtlijnen in deze scriptie zal deze dakopbouw het minst tot schade leiden alsook bouwfysisch het interessants zijn voor terrassen.
98
9. CONCLUSIE De belangrijkste conclusies van elk onderwerp worden in het vet aangeduid of expliciet aangegeven zodat ze eenvoudig teruggevonden worden in de tekst. Hieronder volgt de algemene conclusie. VIP‟s bestaan uit een microporeus kernmateriaal dat omhuld wordt door een gas– en waterdichte folie. Binnenin de folie creëert men een onderdruk die naar vacuüm toe neigt. Omdat dit vacuüm zo goed mogelijk bewaard moet blijven, is het van groot belang dat de folie niet beschadigd raakt. Dit gegeven, samen met het verhoogde koudebrugeffect door de aanwezige aluminiumlaag in de folie, dat bovendien versterkt wordt door zijn goed isolerende eigenschappen van het paneel, zorgt ervoor dat VIP‟s niet op dezelfde manier toegepast en behandeld kunnen worden als klassieke isolatiematerialen. In dit kader zijn de toepassingen met potentieel de volgende (zie hoofdstuk 4): Toepassing van de panelen in platte daken Toepassing van de panelen in buitenschrijnwerk Toepassing van de panelen in vloeren De specifieke keuze voor platte daken in nieuwbouw is vooral interessant wanneer de dikte van de isolatie bepalend is voor de vormgeving van een component of bouwaansluiting. In renovatie zouden VIP‟s de tegemoetkoming tussen de steeds strenger wordende normen en de randvoorwaarden in renovatie kunnen vervullen (waterkeringsmembranen die uitgebroken moeten worden, dakranden die te laag zijn, aansluitingen aan dorpels, …). Daarnaast worden VIP‟s in een plat dak relatief eenvoudig, snel en degelijk beschermd tegen schade van buitenaf; ze zijn als het ware ingepakt in de dakopbouw. Wat betreft omkeerdaken tast water een VIP op korte termijn niet aan, maar een warm dak biedt op dit moment meer garantie voor de bescherming van de VIP‟s. Op basis van het mogelijk wegvallen van de inwendige onderdruk worden mogelijke mechanische schadeverschijnselen voorgesteld en bestudeerd. Deze staan onderlijnd in de tekst aangegeven. -
Er werden proeven uitgevoerd om de druksterkte, de weerstand tegen samendrukking en tegen puntbelasting te bepalen. Deze karakteriseren de verticaal neerwaarts gerichte lasten op isolatiematerialen. Bij geen enkele beproevingsmethoden werd vacuümverlies opgemeten. Dit betekent dat de thermische prestatie van VIP‟s niet zal afnemen vooraleer hun volle weerstand (en eventueel verder) bereikt is. De vermelde mechanische weerstanden zijn relatief hoog vergeleken met klassieke isolatiematerialen (hoger dan MW, PUR, PIR, PF, EPS). Er wordt ook vermoed dat VIP‟s gebruikt zullen kunnen worden in platte daken die tot belastingsklasse 3 horen.
-
De toepassing van VIP‟s ter hoogte van een overlap van het dampscherm leidt tot mechanische spanningen in de folie. Deze zijn niet van die grootte dat de folie schade ondervindt waarbij het vacuüm wegvalt, zelfs niet bij de dikste dampschermmaterialen of zelfs een stuk dikker. Visueel merkt men enkel dunne plooien op t.h.v. de randen van de overlap.
99
-
Theoretisch gezien zal de folie van een VIP waarop rechtstreeks een zwarte afdichting voorzien is, beschadiging ondervinden door bezonning in de zomer. Ook alle bevestigingstechnieken van een afdichting die gebruik maken van hoge temperaturen rechtstreeks toegepast op een VIP zorgen in theorie voor een hoog risico op het verlies van het vacuüm. Deze temperatuurbelasting werd in de praktijk bestudeerd door experimentele testen. De VIP‟s tonen een stuk hogere weerstand tegen deze belasting dan verwacht uit theoretisch oogpunt. Warme bitumen alsook het lassen van een overlap met hete lucht rechtstreeks toegepast op een VIP deed de inwendige druk niet stijgen. Vlamlassen daarentegen wel. Om de veiligheid te garanderen, wordt bij voorkeur wel geopteerd om alle bevestigingstechnieken die hoge temperaturen gebruiken niet rechtstreeks aan te brengen op VIP‟s. De VIP‟s kunnen beschermd worden met PUR-panelen en een zelfklevende onderlaag.
-
Als een afdichting op een isolatielaag gekleefd wordt, dan belast windzuiging vooral het isolatiemateriaal. Uit een proef waarbij windstormen gesimuleerd worden blijkt (op basis van visuele controle) dat de windweerstand van VIP‟s minimaal -3000 Pa is. Dit betekent dat VIP‟s veilig ingebouwd kunnen worden in een groot aantal daken als deze windweerstand vergeleken wordt met de tabellen met windzuigingswaarden uit TV 239. De windweerstand zal vermoedelijk nog een stuk groter zijn, maar om die te achterhalen zijn gespecialiseerde testopstellingen nodig.
Na de beschrijving van de mogelijke schadeverschijnselen en de maatregelen om deze in te perken, worden de thermische prestaties bestudeerd van configuraties in het platte dak die het wegvallen van het vacuüm alsook het koudebrugeffect trachten te reduceren. Er wordt ook bestudeerd wat het effect is van een paneel dat lek is en wat ingeboet moet worden aan thermische kwaliteit bij het gebruik van standaardmaten. -
Wat betreft het effect van schikking van de combinatie van VIP‟s met traditionele isolatiematerialen (bij voorkeur PUR) wordt het koudebrugeffect maximaal beperkt door PUR-isolatie boven en onder de VIP te voorzien. Op basis van de equivalente warmtegeleidingscoëfficiënt is het verschil met enkel PUR boven de VIP‟s miniem. Zo wordt beter gekozen enkel een PUR-laag boven een VIP-laag te voorzien, om het isolatiepakket dun te houden. De bescherming met PUR-platen op zich kan de λequi tot 9,0% doen dalen.
-
Een dubbele laag VIP‟s doet de koudebrugwaarden (globaal) met minstens 9,9 % dalen, maar kan een stuk groter zijn. De effectieve λ-waarde (zie 7.2) daalt met minstens 6,7 % tot 14 %. Tevens zorgt een dubbele laag dat bij de faling van een paneel niet onmiddellijk de volledige thermische kwaliteit wegvalt
-
Bij de faling van een paneel stijgt de equivalente warmtegeleidingscoëfficient met een factor 3,7 à 3,8, terwijl bij een dubbele laag λequi stijgt met een factor 1,6 à 1,7 als één van de twee panelen faalt. Het risico op oppervlaktecondensatie (BKK 1 tot 3) is miniem en de temperatuursfactor is voldoende hoog. Het risico op inwendige condensatie wordt niet groter bij de faling van een VIP in een dakopbouw met een houten draagvloer of stalen plooiplaten, maar kan wél groter zijn bij een dak met een betonnen draagvloer. Dit laatste kan gereduceerd 100
worden door VIP‟s aan te vullen met klassieke isolatie (dit verdient de voorkeur) of een dubbele laag VIP‟s te voorzien. -
De bedekking bij het gebruik van standaardmaten (600 mm x 600 mm, 900 mm x 600 mm, 1200 mm x 600 mm) is gemiddeld 93,4 % tot 97,7 %. Als de niet-bedekte oppervlakte aangevuld wordt met PUR, dan daalt de thermische kwaliteit (gemiddeld tot maximaal 34 %), maar blijft hij gemiddeld ongeveer 3,3 keer beter dan een volledige bedekking met PUR.
Tot slot worden uitvoeringsrichtlijnen opgesteld op basis van vorige bevindingen alsook op basis van aanbevelingen uit de literatuur. Deze hebben de vorm van een bestektekst voor isolatiematerialen in een plat dak. In deze uitvoeringsrichtlijnen wordt het beschermen van VIP‟s met PUR-isolatieplaten gepromoot, alsook het degelijk controleren van de ondergrond. Er wordt afgesloten met een voorbeeld van goede praktijk voor terrassen.
101
BIJLAGEN BIJLAGE A: BUTGB-NOTA M.B.T. BEGAANBAARHEID PLATTE DAKEN
Figuur B 1: BUtgb-nota m.b.t. begaanbaarheid platte daken
102
BIJLAGE B: DIKTE VAN DE TESTPANELEN BIJ EEN OVERLAP IN HET DAMPSCHERM Hier wordt kort ingegaan waarom de kleinste dikte voor de VIP nodig is bij het testen van een paneel ter plaatse van een overlap om een worstcasescenario te hebben. Door de lasten van de dakwerker op het paneel ondergaat het paneel een buiging, waardoor een buigend moment opgewekt wordt. Dit buigend moment zal op zijn beurt zorgen voor buigspanningen in de folie. Wordt de elasticiteitstheorie verondersteld dan volgen de buigspanningen op de volgende manier uit het heersende moment. (24) Hierbij is σbuiging de heersende buigspanning op de afstand y boven de neutrale vezel. I is het traagheidsmoment van de doorsnede. Aangezien de folie zich op de halve hoogte bevindt van de neutrale vezel en het traagheidsmoment van een rechthoekige doorsnede
(25)
bedraagt (b is de breedte van het paneel in de richting loodrecht op de richtingsas waarrond het paneel buigt, h is de dikte van het paneel), kan de buigspanning geschreven worden als:
(26)
Dit betekent dat hoe lager de dikte (h) is, hoe groter de buigspanningen in de folie zal zijn. [49]
103
BIJLAGE C: BEREKENINGSDETAILS I.V.M. DE TEMPERATUUR ONDERAAN EEN PANEEL BIJ EEN ZWARE TEMPERATUURBELASTING In deze berekeningsmethode wordt voor de warmtegeleidingscoëfficiënt de COP-value gebruikt. Microtherm geeft voor hun leverbare panelen een λ-waarde van 4,2 mW/mK (bepaald volgens ASTM C 518 & ISO 8301 op 10°C). De berekening is uitgevoerd volgens een stationaire warmteberekening. Aangezien bezonning de afdichting cyclisch opwarmt en afkoelt zal een stationaire warmtegeleiding zich waarschijnlijk niet voordoen door de kleine periode van de temperatuurschommeling. De berekende temperaturen zijn dus bovengrenzen voor de temperatuur aan de onderkant van de folie. houten draagvloer dikte (mm) λ (W/mK) afdichting VIP dampscherm osb
4 40 4 18
betonnen draagvloer dikte (mm) λ (W/mK)
0,23 0,0042 0,23 0,13
afdichting VIP dampscherm hellingsbeton beton bepleistering
4 40 4 150 200 15
0,23 0,0042 0,23 0,22 1,7 0,52
αi
8 W/m²K
αi
8 W/m²K
αe
25 W/m²K
αe
25 W/m²K
U
0,10 W/m²K
U
0,09 W/m²K
R
9,82 m²K/W
R
10,51 m²K/W
q
6,11 W/m²
q
5,71 W/m²
80,00 °C
80,00 °C
θ1
79,89 °C
θ1
79,90 °C
θ2
21,72 °C
θ2
25,54 °C
θ3
21,61 °C
θ3
25,44 °C
θ4
20,76 °C
θ4
21,55 °C
θi
20,00 °C
θ5
20,88 °C
θ6
20,71 °C
θi
20,00 °C
Tabel B 1: Stationaire warmteberekening van een plat dak met een houten draagvloer en een betonnen draagvloer als de afdichting 80°C heeft
Bij een dikte van de VIP van 20 mm zijn deze temperaturen 23,33 °C voor de houten draagvloer en 30,13°C voor de betonnen draagvloer. De werkelijke temperatuur zal in de zomerperiode dus altijd ergens liggen tussen een ondergrens van 16°C à 18°C (‟s nachts) en de vermelde bovengrenzen, maar ze nooit bereiken. 104
BIJLAGE D: TEMPERATUURVERLOOP EN SPANNINGS-REK DIAGRAM
Figuur B 2: Typisch temperatuurverloop en spannings-rek diagram van een polymeer. Tg is de glastemperatuur, Tm is de smelttemperatuur (dit is de grafiek voor polystyreen). σy is de vloeispanning .[56]
Figuur B 3: Typisch temperatuurverloop en spannings-rek diagram van een metaal. Metalen hebben geen glastemperatuur. Rechts wordt de permanente vervorming voorgesteld (σy stelt hier de vloeispanning voor).[56]
105
BIJLAGE E: IR-FOTO’S VAN DE PROEVEN VAN DE AFDICHTINGSTECHNIEKEN Proefnr 1: Hete-luchtlassen op een VIP beschermd door een PUR-plaat De hete lucht bereikt hier temperaturen van 380°C. De onderkant van de PURplaat heeft een temperatuur van ongeveer 17,5°C, wat betekent dat de warmte niet door de PUR-plaat gaat.
Proefnr 2: Hete-luchtlassen rechtstreeks op een VIP (Overlap 15 cm breed, 10 cm wordt gelast) De hete lucht bereikt opnieuw temperaturen tot 380°C. De hete lucht lijkt niet door te stromen tot op de VIP. De overlap zelf bereikt een temperatuur van 126°C, maar dit wordt maar enkele seconden aangehouden. Na deze proef is de temperatuur aan de onderkant van de afdichting al gezakt naar maximaal 70°C. Het paneel behoudt zijn inwendige druk (0,64 mbar). Proefnr 3: Hete-luchtlassen boven een voeg tussen de PUR-platen boven een VIP De hete lucht stroomt tussen de voeg door naar de VIP. Na een aantal seconden is er lokaal een temperatuur van 80°C merkbaar op de VIP. Een lokale beschadiging is zichtbaar. Net na de test heeft het paneel nog een inwendige druk van 0,5 mbar. Na een maand is de inwendige druk gestegen tot 1 mbar, het paneel behoudt dus nog zijn thermische kwaliteit. 106
Proefnr 4: Vlamlassen van Ventiglass 3 op VIP beschermd door PUR-plaat Tijdens het vlamlassen ondervindt de PURplaat een temperatuur tot 300°C. De PUR-plaat beschermt de VIP tegen de warmte. De inwendige druk bedraagt nog 0,48 mbar.
Proefnr 5: Vlamlassen van SBS op zelfklevende onderlaag (Soprastick SI) gekleefd op VIP’s Tijdens het vlamlassen komt de onderlaag (Soprastick) tot op een temperatuur van 340°C à 360°C. Na de test staat de buitenkant van de afdichting op een temperatuur tot 70°C. Dit testpaneel is zijn inwendige druk verloren (1000 mbar). Deze techniek moet dus vermeden worden. Proefnr 6: Vlamlassen van APP op zelfklevende (Soprastick SI) gekleefd op VIP’s Tijdens het vlamlassen komt de onderlaag (Soprastick) opnieuw tot op een temperatuur van 340°C à 360°C. Het vlamlastoestel moet langer op de rol gericht worden aangezien APP pas smelt bij 140°C. Dit testpaneel is echter zijn inwendige druk niet verloren (0,55 mbar). Een mogelijke verklaring kan zijn dat het bitumen van de onderlaag mogelijke perforaties dichtsmelt, door de hogere aangelegde temperatuur.
107
Proefnr 7: Vlamlassen van Ventiglass 3 (onderlaag) boven voegen tussen PUR-platen op VIP’s Geen IR-foto beschikbaar. Door de voegen kan de vlam tot op de VIP doordringen. Zoals in de vorige proeven kan deze vlam temperaturen hoger dan 300°C bezitten ter plaatse van het oppervlak van PUR-platen. Dit zorgt dan ook voor beschadiging aan de folie aangezien de VIP zijn inwendige druk verloren is (1000 mbar). Proefnr 8: Gieten van warm bitumen rechtstreeks op VIP Het warm bitumen heeft ongeveer 230 à 240°C, en wordt rechtstreeks op de VIP gegoten. Hier wordt Ventiglass 3 ingerold. Na een maand is de inwendige druk nog altijd 0,4 mbar. Dit is meer dan laag genoeg.
Proefnr 9: Gieten van warm bitumen boven open voegen tussen PUR-platen die de VIP beschermen Het warm bitumen heeft 230 à 240 °C en wordt bovenop een PUR-plaat gegoten die van voegen voorzien is. Hier wordt opnieuw Ventiglass 3 ingerold. Hier is de inwendige druk na twee weken nog voldoende laag: 0,31 mbar.
Proefnr 10: Vlamlassen van Ventiglass 3 rechtstreeks op VIP Geen IR-foto beschikbaar Analoog met proefnr. 4 zal hier de VIP een temperatuur van 300 °C ondervinden. Deze temperatuur zorgt er voor dat de folie beschadigd raakt. De inwendige onderdruk is namelijk weggevallen (niet onmiddellijk, na een bepaalde tijdsperiode).
108
Proefnr 11: Vlamlassen van APP (Sopragum Techno) rechtstreeks op VIP Geen IR-foto beschikbaar Analoog met proefnr. 6 zal de VIP hier een temperatuur van ongeveer 340 à 360°C ondervinden. Er vormen zich kleine ‘belletjes’ in de folie. De folie wil zich dus uitplooien. De inwendige druk stijgt hier tot 45 mbar (na een maand). Dit paneel verliest dus een deel van zijn isolerende kwaliteit.
Proefnr 12: Vlamlasser rechtstreeks op een VIP gericht gedurende 8s Geen IR-foto beschikbaar 8 seconden de vlamlasser op een VIP houden zorgt voor een beschadiging die in de figuur voorgesteld wordt. Het vacuüm valt niet onmiddellijk weg.
Proefnr 13: Vlamlasser rechtstreeks op een VIP gericht gedurende 2 min 15s Na 2 min 15 s de vlamlasser op de VIP gehouden te hebben is de VIP zo goed als helemaal vernietigd. Het vacuüm valt hier wel onmiddellijk weg. Het paneel blijft niet verder branden nadat het vlamlastoestel weggenomen wordt.
109
BIJLAGE F: FIGUREN EN TABELLEN BIJ 6.4 WINDZUIGING.
Figuur B 4: Referentiewindsnelheid vb,0 in België[59]
Terreinruwheidscategorieën Beschrijving Zone 0 Zone I Zone II
Zone III
Zone IV
Zee of kuststreek die blootstaat aan zeewinden Meer of zone met uiterst weinig vegetatie die vrij is van obstakels Zone met lage vegetatie (zoals gras), met of zonder alleenstaande obstakels (bomen, gebouwen) op een onderlinge afstand van minstens 20 keer hun hoogte Zone met een regelmatige begroeiing, met alleenstaande gebouwen of obstakels op een onderlinge afstand van maximum 20 keer hun hoogte (bv. Dorpen, voorsteden, permanente bossen) Stedelijke zone waar minstens 15% van het oppervlak ingenomen wordt door gebouwen met een gemiddelde hoogte van meer dan 15 m Tabel B 2: Terreinruwheidscategorieën
110
Tabel B 3: Windbelasting (terugkeerperiode van 50 jaar) op een plat dak met een maximale helling van 5° berekend volgens Eurocode 1 en NBN EN 1991-1-4-ANB [59]
111
BIJLAGE G: BEREKENING VAN DE RELATIEVE KRACHTOPNAME IN DE FOLIE VAN EEN VIP ALS DEZE ONDERHEVIG IS AAN EEN TREKBELASTING. Hier wordt uitgegaan van een vereenvoudigde elastische berekening. In het spannings-rekdiagram betekent dit dat de spanning maximaal tot aan de vloeispanning gaat. Uit het krachtenevenwicht en de wet van Hooke volgt: (27) Waarbij Ftrek staat voor de trekkracht, σ voor de heersende spanning in de laag, A voor de oppervlakte waarop de kracht werkt en E de elasticiteitsmodulus van de laag voorstelt. ε is de vervorming in de folie en is voor alle lagen gelijk. Deze vergelijking wordt omgerekend ε:
ε = 6,615 Ftrek als de aluminiumlaag 70 nm dik is
ε = 6,354 Ftrek als de aluminiumlaag 100 nm dik is
Fal stelt de krachtopname van de aluminiumlaag voor en is (28)
Zo is de krachtopname door de aluminiumlaag 9,58 % bij 70 nm dikte en 13,15% als hij 100 nm dik is. Analoog aan de aluminiumlaag kan dit ook opgesteld worden voor de PE-laag en de PET-laag.
112
BIJLAGE H: BEREKENING VAN HET AANTAL PULSATIES OP BASIS VAN VERMOEIING In deze bijlage wordt dieper ingegaan op het aantal constante pulsaties die tot dezelfde of hogere schade leiden dan de stormen gedefinieerd door het laboratorium „Dak- en gevelelementen‟ van het WTCB [32] en het Technical Report 005 van de EOTA [21]. De genoemde „stormen‟ zorgen voor een vermoeiing van de onderworpen materialen aangezien de belastingscycli zullen zorgen voor spanningscycli in (de folie van) het VIP. Vermoeiing is een vorm van falen van een materiaal door het te onderwerpen aan verschillende dynamische, fluctuerende mechanische spanningen. De grootte van de spanning kan betrekkelijk laag zijn in vergelijking met bijvoorbeeld de elasticiteitsgrens of breuksterkte. Men noemt dit soms ook „metaalmoeheid‟, maar ook polymeren en keramische materiaal zijn er vatbaar voor. Vermoeiing wordt beschreven door S-N krommen (of Wöhler-krommen). Deze curve zet de spanningsvariatie van constante cycli (S) uit tegenover het aantal cycli (N). Zo kan bepaald worden bij hoeveel cycli het materiaal zal bezwijken aan een constante spanningsvariatie. Een voorbeeld is te vinden in onderstaande figuur. Zo zal het materiaal na N1 cycli bezwijken als het onderworpen wordt aan een spanningsamplitude S1. Analoog met S2 en N2. [56]
Figuur B 5: S - N diagram in log - log schaal[29]
Zoals te zien is in de figuur benadert de S-N-kromme in log-log schaal een rechte. Deze rechte wordt beschreven volgens de wet van Basquin [29]: (29) Hierin is Δσ de spanningsamplitude, C een constante, N het aantal cycli en -1/m de exponent van Basquin. Voor staal is m voor het aantal cycli kleiner dan 5.106 gelijk aan 3. m bepaalt dus de helling van de rechte in Figuur B 5. Hoe groter m, hoe zwakker de helling van de rechte, of dus hoe trager het materiaal zal bezwijken.
113
Met behulp van de regel van Palmgren-Miner46 kan een equivalente spanningsvariatie Δσe gedefinieerd worden. Zo wordt het spectrum van de spanningsvariaties van de genoemde stormen gereduceerd tot een aantal spanningswisselingen van een constante amplitude Δσe dat tot dezelfde gecumuleerde schade zal leiden als het aantal spanningswisselingen van de veranderlijke amplitudes in de stormen [47]. Het aantal cycli dat bij deze Δσe hoort is de som van alle cycli in de stormen, of dus 1415 cycli (500 + 200 + 5 + 2 + 1 + 2 + 5 + 200 + 500).
(30)
Hierin is Δσi de spanningsvariatie die ni cycli volgehouden wordt in een storm. In deze formule wordt de spanningsvariatie vervangen door de drukvariatie die opgelegd worden door de cycli volgens Figuur 30 (p.59). Zo is in storm 1 (zie Figuur 31 op p.59 en Tabel 22 op p.59) Δσ1 gelijk aan 400 Pa, terwijl n1 gelijk is aan 500, Δσ2 gelijk aan 600 Pa en n2 gelijk aan 200,…. m hangt af van de S-Nkromme van het onderworpen materiaal. Aangezien m niet met zekerheid bepaald kan worden (dit zou proefondervindelijk moeten gebeuren) wordt deze equivalente spanning voor m-waarden van 3 tot 6 uitgerekend (m is 3 voor staal en voor bepaalde aluminiumverbindingen wordt 4,5 of 5 genoemd) [31]. Als voorbeeld voor de verdere berekening wordt voor m de waarde 3 aangenomen.
m
Δσe (Pa) 1000 Pa
Δσe (Pa) 2000 Pa
Δσe (Pa) 3000 Pa
3 4 5 6
483,0 495,3 508,2 521,6
966,0 990,6 1016,5 1043,3
1449,0 1485,9 1524,7 1564,9
Tabel B 4: Equivalente spanningen van stormen met maximale onderdrukken van 1000 Pa, 2000 Pa, 3000 Pa
Bij de storm die als maximale onderdruk 1000 Pa oplegt, is de equivalente spanning 483,0 Pa bij m=3. Als nu gesteld wordt dat het VIP bezwijkt bij deze spanning (Δσ = 483,0) na 1415 cycli (N), dan kan de constante C uit vergelijking 29 bepaald worden (C=5422,4). Als nu in dezelfde vergelijking vergelijking N=160 ingegeven wordt (C is bekend), dan wordt Δσ 998,8 Pa. Dit betekent dat als een constante cyclische spanning van 1000 Pa aangelegd wordt, het materiaal zou bezwijken na 160 pulsaties. Bij minder pulsaties zou de VIP nog niet bezweken zijn. Bij de andere m-waarden en bij de andere spanningen (die eigenlijk een constante maal de storm van 1000 Pa zijn) blijken 160 pulsaties ook dezelfde of een hogere schade dan de overeenkomstige stormen aan te richten. Dit betekent dat als een paneel na 160 pulsaties geen schade ondervindt, het ook geen schade zal ondervinden als het onderworpen wordt aan de gedefinieerde stormen.
46
De regel van Palmgren-Miner luidt dat de vermoeiingsschade te wijten aan een nieuwe cyclus van belastingswisselingen gewoon moet worden opgeteld bij de reeds bestaande schade. Er is dus een lineaire accumulatie van de schade. [47]
114
Ten slotte wordt nog aangegeven dat deze methode benaderend is, en enkel uitgevoerd is om een getal te kunnen plakken op het aantal pulsaties dat theoretisch nodig zou zijn bij het uitvoeren van de test met constante spanningscycli. De aannames die het benaderend karakter bepalen zijn hieronder nog eens opgesomd.
Er wordt aangenomen dat er ten eerste vermoeiing optreedt, alsook dat deze optreedt bij een klein aantal pulsaties.
Voor m worden een aantal waarden verondersteld.
115
BIJLAGE I: VERSCHALING VAN DE WARMTEGELEIDINGSCOËFFICIËNT IN HET SIMULATIEMODEL Om de warmtegeleidingscoëfficiënten die in het simulatiemodel ingevoerd moeten worden te berekenen wordt gebruik gemaakt van „dimensionele analyse‟. λ staat voor de warmtegeleidingscoëfficiënt, d voor de dikte van de laag. De vierkante haakjes stellen de dimensies voor. (31)
(32) α stelt een verschalingsfactor voor, λw stelt de werkelijke warmtegeleidingscoëfficiënt voor, λm deze van het model. dw stelt de werkelijke dikte voor, dm de dikte van het model. (33)
(34)
Aangezien de warmteflux [W/K] constant moet blijven van de werkelijkheid naar het model, moet (35) Of dus (36)
Als dus de dikte bijvoorbeeld met een factor 10 verhoogt, moet de warmtegeleidingscoëfficiënt 10 keer zo klein gemodelleerd worden.
116
BIJLAGE J: WARMTEGELEIDBAARHEID BIJ EEN DUBBELE LAAG VIP’S T.O.V. EEN ENKELE De berekende waarden voor λeff onder 7.2 staan hieronder nog eens aangegeven. Dit is berekend volgens vergelijking 15:
die hier ingevuld wordt als volgt:
voor een dubbele laag panelen van 15 mm dik en
voor een enkele laag met
een dikte van 30 mm. De oppervlakte 0,2536 m²/m en de diktes 0,03364 m of 0,3182 m zijn de afmetingen van het simulatiemodel. Bij dikkere totale diktes wordt d = 0,04364 m of 0,04182 m voor 40 mm en zo verder voor 50, 60 en 80 mm totale dikte. Totale dikte (mm)
Q (W/m)
λeff enkele laag (W/mK)
Q (W/m)
λeff dubbele laag (W/mK)
Procentueel kleiner
30 40 50 60 80
0,830 0,623 0,546 0,421 0,331
0,0052 0,0051 0,0056 0,0051 0,0053
0,732 0,539 0,474 0,355 0,275
0,0049 0,0047 0,0050 0,0045 0,0046
6,7 % 9,5 % 9,9 % 12,9 % 14,6 %
Tabel B 5: Effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt bij een dubbele laag en een enkele laag
117
BIJLAGE K: TABELLEN EN FIGUREN BIJ FALING VAN EEN PANEEL Voor het model wordt simulatiemodel 1 gebruikt vanwege het nadeliger temperatuursverloop voor condensatie (er is meer warmtedoorgang in simulatiemodel 1).
Figuur B 6: Model voor het bepalen van de thermische prestaties bij faling van (een) pane(e)l(en). Dit bestaat uit een afdichting, twee VIP’s een dampscherm. Er wordt abstractie gemaakt van de draagvloer.
Midden van een paneel, onbeschadigd
Midden van een paneel, beschadigd
Voeg tussen 2 panelen, onbeschadigd
Voeg tussen twee panelen, linker paneel beschadigd
Voeg van een paneel, alle twee vacuüm verloren Figuur B 7: Temperatuurverloop in een plat dak t.h.v. een voeg en het midden bij faling van (een) pane(e)l(en)
118
REFERENTIES [1]
M. S. AL-HOMOUD, Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials, Building and Environment Volume 40, (Maart 2005), pp. 353-366.
[2]
ASPHALTCO, Asphaltco. http://www.asphaltco.be/ (2011)
[3]
ASTM INTERNATIONAL, C165 - 07 Standard Test Method for Measuring Compressive Properties of Thermal Insulations, (2007).
[4]
ATAB, Polygum Belgium. http://www.polygum.be/ (2011)
[5]
AXTER BENELUX, Axter Benelux. http://www.axter-benelux.be/ (2011)
[6]
R. BAETENS, Properties, Requirements and Possibilities for Highly Thermal Insulating Materials and Solutions in Buildings - State-of-The-Art and Beyond, Leuven, Noorwegen, (2009)
[7]
J. BULLAERT, P. SPEHL, E. MEERT, EN P. VITSE, Uitvoering van omkeerdaken, WTCB tijdschrift nr 1995/4, pp. 21-32, (Winter 1995).
[8]
Catalogue of Building Materials, IEA Annex 14 "Condensation and energy", Bouwfysische aspecten van gebouwen, (2009).
[9]
CEN, BS EN 12211: Windows and doors - Resistance to wind loads - Test method, (2000).
[10]
CEN, NBN EN 12430 Materialen voor warmte-isolatie van gebouwen - Bepaling van het gedrag bij puntbelasting, (1998).
[11]
CEN, NBN EN 12524 Bouwmaterialen en bouwproducten - Warmte - en vochtwerende eigenschappen - Getabelleerde ontwerpwaarden, (2000).
[12]
CEN, NBN EN 13163 Materialen voor de warmte-isolatie van gebouwen - Fabrieksmatig vervaardigde van geëxpandeerd polystyreenschuim (EPS) - Specificatie (+ AC:2005), (2001).
[13]
CEN, NBN EN 1605 Thermal insulating products for building applications - Determination of deformation under specified compressive load and temperature conditions, (1996).
[14]
CEN, NBN EN 826 Materialen voor de thermische isolatie van gebouwen - Bepaling van het gedrag bij samendrukking, (1996).
[15]
F. DE BARQUIN, M. JAMOULLE, Isolatiematerialen voor zwevende dekvloeren: vervormingscriteria, WTCB-contact nr.28, (juli 2011).
[16]
C. DE WAGTER, Technologie en Milieu, Universiteit Gent, (2010).
[17]
J. DE WOLF, De impact van hyperperformante materialen: Analyse aan de hand van case studies, Gent, (2010).
[18]
E. DELVOYE, Thermische prestaties van VIP's: Bepaling van het randeffect door numerieke en experimentele analyse, Gent, (2010).
[19]
DEPARTEMENT LEEFMILIEU, NATUUR EN ENERGIE VAN DE VLAAMSE OVERHEID, www.lne.be (2011)
[20]
DYKA, Technische Documentatie hemelwaterafvoer, http://www.dyka.nl/nl/binaries/2010%20TD%20HWA%20200303%20nwe%20omslag_tcm29-6932.pdf (2003)
119
[21]
EOTA, Technical Report 005 Determination of the resistance to wind loads of partially bonded roof waterproofing membranes, (2004).
[22]
FEDERALE OVERHEID, Klimaatverandering, www.klimaat.be (2011)
[23]
FHBB - Switzerland, EMPA - Switzerland, ZAE-Bayern - Germany, TU DELFT Netherlands, KTH Stockholm - Sweden, Dr.Eicher+Pauli AG - Switzerland, Annex 39, final report for the IEA/ECBCS. Vacuum Insulation in the Building Sector. Systems and Applications (Subtask A), IEA/ECBCS, (2005)
[24]
FHBB - Switzerland, EMPA - Switzerland, ZAE-Bayern - Germany, TU DELFT Netherlands, KTH Stockholm - Sweden, Dr.Eicher+Pauli AG - Switzerland, Annex 39, final report for the IEA/ECBCS. Vacuum Insulation in the Building Sector. Systems and Applications (Subtask B), IEA/ECBCS, (2005)
[25]
K. GHAZI WAKILI, T. STAHL, S. BRUNNER, Effective thermal conductivity of a staggered double layer of vacuum insulation panels, Energy and Buildings (2011), 1241-1246.
[26]
N. HENDRIKS, De beloopbaarheid van daken opnieuw bekeken, Dakenraad nr. 26, (2004), 1719
[27]
A. JANSSENS, Bouwfysische Aspecten van Gebouwen, Universiteit Gent, (2009)
[28]
LAD, Glasvlies V50/16, (2011)
[29]
H. LEMU, S-N Diagram, http://www.ux.uis.no/~hirpa/KdB/ME/S-N%20diagram.pdf
[30]
E. MAHIEU, Adviseur bij afdeling technisch advies WTCB, (7 Juni 2011)
[31]
T. MANN, B.W. TVEITEN, G. HÄRKEGÂRD, Fatigue crack growth analysis of welded aluminium RHS T-joints with manipulated residual stress level, (2006)
[32]
B. MICHAUX, Windwerking op platte daken, WTCB-contact nr. 24, (2009)
[33]
MICROTHERM, DataSheet-Slimvac_EN_v7, http://www.microthermgroup.com, (2011)
[34]
MICROTHERM NV., Microtherm Slimvac - Product characteristics and properties, http://www.microthermgroup.com/low/EXEN/site/vip-characteristics.aspx (2011)
[35]
E. NOIRFALISSE, Parkeerdaken: een TV in voorbereiding, WTCB-contact nr. 20, (2008)
[36]
NOPHADRAIN BV, Terras en parkeerdaken: handleiding voor het ontwerp en de aanleg, (2009)
[37]
PHYSIBEL, Manual BISCO v9.0w, Maldegem, (2008)
[38]
PHYSIBEL, TRISCO Version 10.0w, Maldegem, (2003).
[39]
RECTICEL INSULATION, Eurothane Bi-3, http://www.recticelinsulation.be/product/eurothanebi-3, (2011)
[40]
RESITRIX, Resitrix dakafdichting, http://www.resitrix.be, (2011)
[41]
H. SCHWAB, C. STARK, J. WACHTEL, H.P. EBERT, J. FRICKE, Thermal Bridges in VacuumInsulated Building Facades, Journal of Thermal Envelope and Building Science 28, (2005), 345-355
[42]
H. SIMMLER AND S. BRUNNER, In situ performance assessment of vacuum insulation panels in a flat roof construction, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Testing, Research Laboratory for Building Thechnologies, CH-8600 Duebendorf, Switzerland, (2007)
[43]
SOPREMA, Soprema Belgique, http://www.soprema.be, (2011)
120
[44]
SOPREMA, Ventiglass 3, (2009)
[45]
R. TER STEHE, De zwakste schakel van de ketting, Roofing Holland, http://www.dakweb.nl/rh/97-6/97-6-8.htm, (1997)
[46]
THE ENGINEERING TOOLBOX, The Engineering Toolbox, http://www.engineeringtoolbox.com/linear-expansion-coefficients-d_95.html (2011)
[47]
PH. VAN BOGAERT, Bruggenbouw ontwerp en constructie: volume II - Stalen bruggen, Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent, (2005)
[48]
N. VAN DEN BOSSCHE, Eerste dak in België met vacuümisolatie, Roof Belgium, (Augustus 2011), 16-19
[49]
R. VAN IMPE, Berekening van bouwkundige constructies I, Gent, Universiteit Gent, (2008)
[50]
M. VAN LIESHOUT. Ponsweerstand: De maat voor beloopbaarheid, http://www.dakweb.nl/rh/99-3/99-3-14.htm (April 1999)
[51]
VEA, Energiesparen.be, http://www.energiesparen.be/2020 (2011)
[52]
VEA, Revisie van de EPBD-richtlijn, http://www2.vlaanderen.be/economie/energiesparen/epb/doc/epbdrichtlijnrevisie.pdf (September 2010)
[53]
VEA, U- en R-waarden, www.energiesparen.be (2011)
[54]
VLAAMS PARLEMENT, Beleidsnota Energie 2009 - 2014, (2009).
[55]
VLAAMSE MAATSCHAPPIJ VOOR SOCIAAL WONEN, http://www.vmsw.be/nl/professionelen/abc/b2005/deel-3/dakwerken/34.10.-isolatieplaten, (2011)
[56]
JR. W. D. CALLISTER, Materials science and engineering. An Introduction - Seventh Edition, John Wiley & Sons, Inc., Utah, USA, (2007)
[57]
WTCB, TV 191 Het platte dak, aansluitingen en afwerking, WTCB, (1994)
[58]
WTCB, TV 215: Het platte dak: Opbouw, materialen, uitvoering, onderhoud, WTCB, (2000)
[59]
WTCB, TV 239: Mechanische bevestiging van de isolatie en de afdichting op geprofileerde staalplaten, WTCB, (2010)
[60]
WTCB, AFDELING ENERGIE EN KLIMAAT, Materiaal voor thermische isolatie, Addendum 1 : vacuum isolatie paneel, WTCB, (2009)
121
