I I ISCHADEGEVELELEMENTEN VAN GVCCONSTRUCTIEVE OORZAKEN VAN SCHADEir.C. van der Plas, INTRON, instituut voor materiaal- en milieuonderzoek, SittardGlasvezelversterkt cement (GVC) is in de betrekkelijk korte tijd sinds de introductiemet wisselend succes in de belangstelling gekomen. De vrijheid in vormgeving enhet lage eigen-gewicht zijn enthousiast ontvangen. Tegenvallende duurzaamheid enonverwachte scheurvorming heeft het materiaal weer in diskrediet gebracht.Bij de TU-Delft, faculteit der Civiele Techniek, is als afstudeerwerk onderzoekverricht naar de oorzaken van scheurvorming in gevelelementen van GVC [1]. In ditonderzoek zijn op verschillende typen gevelelementen berekeningen uitgevoerd metbehulp van een eindige-elementenprogramma. Het onlangs gepubliceerdeSTUPRE-rapport (2] en eigen onderzoekresultaten zijn hierbij als uitgangspuntgenomen.gepast. Ondanks de verbeteringen blijktook PGVC gevoelig voor veroudering.Nog steeds wordt onderzoek gepleegdnaar de verbetering van de vezel eu/ofde matrix, door toevoeging van diversekunststofsoorten, vliegas en silicafume.De nieuwste ontwikkelingen zijn detoepassing van AR-vezels gecombi-neerd met polymeer gemodificeerd ce-ment(AR-PGVe), hetgebruikvanlaag-alkalisch cement (Japan) en een modifi-catie van de matrix met metakaoline.riietverouderdversneld verouderdITREKSPANNING I N/mm2 I1210G.lasvezelversterkt cement is eenrelatief jong materiaal. Dedoorbraak voor de toepassing 16van GVC werd verricht in 1967 doord14r.AJ. Majumdar, een cementtechno-loog van het Building Research Esta-blishment (BRE) in Engeland.Bij de toepassingvan normaal portland-cement met E-glasvezels werden de ve-zels aangetast door het sterke alkalischemilieu van de cementmatrix, hetgeeneen sterke achteruitgang van de materi-aaleigenschappen tot gevolg had. Ma-jumdarontwikkelde eenvezel die de al- ij 2 4 6 B 10 Gevelelementen van glasvezelver-k I h k d d I~ REK I %01a isc e reactie ster vertraag e: e a - sterkt cementkaliresistente-vezel (AR-vezel). Deze f-----~--~-~--~~-l Eigenschappenvezel werd in 1974- door PilkingtonBro- 1 Buigtrek-rek-kronune van Het verschil tussen AR-GVC en PGVCAR-GVCthers Ltd., onder de naam Cemfil 1, op komt het best tot uitdrukking 1ll dede marktgebracht, in 1979 gevolgd door trek~rek diagrammen voor zowel heteen verbeterde versie: CemfJ12. Het met 16 ITREKSPANNING I N/mm2I niet verouderde als het (kunstmatig)deze vezel vervaardigde produkt wordt niet verouderd verouderde materiaal (fig. 1en 2).Tabel 1in dit artikel verder aangeduid als AR- 14 geeft een indicatie van de gemiddeldeGVc. 12 waarden van de eigenschappen [2].versneld verouderd . .In Nederland werd door DSM onder- 10 Voor het PGVC liggen de eindwaardenzoek op dit materiaal gepleegd. Gevon- na veroudering van de breukrek op eenden werd dat door toevoeging van be- 8 aanzienlijk hoger niveau dan bij AR-paalde polymeren aan de cementmatrix 6 GVc. Dit zal van doorslaggevende in-de vezels door de polymeren worden 4 vloed blijken te zijn ten aanzien van deomgeven en op die manier worden be- kans op scheurvorming.schermd [3]. Deverbeteringis vooral hetgevolg van het verhinderen van kristal- 0 2 4 6 B 10 Onderzochtegevelelementengroei tussen de vezels. In 1979 werd on- _ REK I %01 Van de op de markt zijnde typen gevel~der de handelsnaam Forton PGVC, po- I----- ~ ~ elementen single-skin, sandwich enlymeergemodificeerd GVC opde markt composiet [2,3] zijn berekeningen uit-gebracht, waarbij E~vezels werden toe- 2 Buigtrek-rek-kronune van PGVC gevoerd op sandwichelementen en opCement 1990 nr. 2 21_~ ~~ ----,-__~__~~__~I~SC~H~AD__E ~ _rn? - bevestigingspuntGveoppervlakIe laagpolystyreen kern? bevestigingspuntdetail B-BFIGUUR 4; geveletement van het doosconst=tietj'~ j milten in film)Doosconstructie3 Sandwich-gevelelement4detail A-A12005 Gevelelement van het steel-studsysteemTabel!Aangehouden materiaaleigenschappen [2]AR-GVC AR-GVC PGVC PGVCjong verouderd jong verouderdtreksterkte (N/mm2) 12 5,5 13 11buigtreksterkte (N/mm2) 26 14 30 25breukrek (zuivere trek) (0/00) 10 0,3 5 2E-modulus (kN/mm2) 18 25 10 13dichtheid (kg/m3) 1950 1950 1850 1900lineaire uiteenzettings-co?ffici?nt CC-I) 15 x 10-6 15 X 10-6dwarscontractie 0,2 0,2reversibele vochtbeweging (0/00) 1 x 10-3 1 X 10-3irreversibele vochtbeweging (0/00) 0,5 x 10-3 0,5 X 10-3de daarvan afgeleide doosconstrllctie,aangezien deze elementen het meestworden toegepast.Bij het sandwich-gevelelement (fig. 3) be-staan de buiten- en de binnenzijde uiteen ongeveer 10 mm dikke GVC-huid,die met elkaar zijn verbonden via eenkern, doorgaans bestaande uit isolerendmateriaal. Soms is de buitenhuid voor-zien van een afvverklaag (uitgewassengrindlaagvan 2 ?4 mm ofkunststofcoa-ting).Bij de doosconstructie (fig. 4), in principeook een sandwichelement, zijn de bin~nen- en buitenzijde van GVC aan elkaargekoppeld via de boven-, onder- en zij-kanten van GVc.Hoewel er geen berekeningen zijn uit-gevoerd voor gevelelementen volgenshetsteel-studprincipe(fig. 5),kunnen con-clusies uithetonderzoekwel naarditty-pe worden ge?nterpreteerd. Bij dit ele-ment bestaat de buitenzijde uit een on-geveer 10 mm dikke GVC-huid (single~skin). De achterzijde is voorzienvan iso-latiemateriaal. Het element wordt aande draagconstructie verbonden via eenstalen draagsysteem. Ditgevelelementistot op heden nagenoeg niet toegepast inEuropa, maarvindt in deVerenigdeSta-ten en Japan een nog steeds groeiendetoepassing.BelastingenAfgezien van specifieke belastingen bijtransport en bevestiging van de elemen-ten, moet de constructeur rekenen metbelastingen die onder gebruiksomstan-digheden optreden, waarbij moet wor-den gerekend met de verouderde mate-riaaleigenschappen.GVC kan goed drukspanningen opne-men, maar in m?ndere mate trekspan-ningen. Ter voorkom?ng van schadedient het gevelelementdan ook zodanigte worden opgelegd, dat het eigen-ge-wicht en de rustende belasting (kozijnen,glas) zom?n mogelijk trekspanningeninde GVc-huid introduceren. Dit is mo-gelijk door het element aan de onderzij-de verticaal op te leggen. Door druk-spanningen te introduceren vanuit heteigen-gewicht, kan het gevelelementbeter trekspanningen ten gevolge vanandere belastingen opnemen.De volum?eke massa van GVC is onge-veer 1900 kg/m3, afhankelijk van demengselsamenstelling. Doordat een ge-velelement meestal bestaat uit een dun~ne GVC-huid (10 mm) en een relatiefdikke isolatielaag meteenlagevolum?e-ke massa, blijft de totale massa van eenelement laag: 50 ? 80 kg/m2?In de TGB 1972 (NEN 3850) wordt aan-gegeven welke windbelastinginrekeningmoet worden gebracht.Gevelelementen van GVC verzorgengeen dragende enlof stabiliserendefunctie voor het totale gebouw.De buitenzijde van het gevelelement zalworden blootgesteld aan vari?rende tem-peraturen. Op een warme zomerdag kande oppervlaktetemperaruuroplopen tot60 ? 80 ?C, afhankelijk van de kleur van22 Cement 1990 nr. 2Sandwich-gevelelementBij het statisch bepaald opgelegde ele-ment zijn het voornamelijk opgelegdevervormingen, door temperatuur- en!ofvochtgehaltevariaties, die de oorzaakzijn van het optreden van ontoelaatbareuitbuigingen. De uitbuiging kan wor-den verkleind door de grootte van deopgelegde vervormingen te beperkeil:toepassen van een coating ofeen uitge-wassen grindlaag danwel het toevoegenvan een polymeerdispersie.De uitbuiging kan ook worden beperktdoor de toepassing van extra steunpun-ten (statisch onbepaalde oplegging). Ermoet dan wel worden gelet op de matewaarmee opgelegde vervormingenworden verhinderd. Vooral bij de toe-passing van stijf kernmateriaal kunnenelementenprogramma ICES-STRUDL(fig. 6).Niet-lineair-elastische berekeningen[5] hebben aangetoond dat de fout diewordt gemaakt door lineair-elastisch terekenen klein is ?S%).De materiaalei-genschappen waarvan bij de berekenin-gen is uitgegaan, zijnweergegevenin ta-bel 1. Voor de schematiseringen wordtverwezen naar [1]. Hier zal worden vol-staan met het gevenvan de belangrijksteresultaten uit de berekeningen.z ~\ \ (~~ \ \ \ ~~Yd>~~r- ~ ~ ::J'h....~ ~- - ~k----------~.-r-- ~~I - -f~----------- ~,- ~>---- -.-----.--- - f-- ...------f--...------I-- ..--{i)t=~t=~ ~Il~t=~ ~~~ ~'-::I--~_r-_'..--~~....-1-I----~.---k---------- l -k---- ~\\ \ \ \ .u~ \\ \ \F:!~\ ~..--.. .:::?~..-lt-~0------.~xResultaten uit de berekeningenIn het onderzoek naar oorzaken vanschade zijn berekeningen uitgevoerdvoor ??n sandwich-gevelelement endrie verschillende gevelelementen vanhet doosconstructie-type.Lineair-elastische berekeningen zijnuitgevoerd met behulp van het eindige-Laboratoriumproeven op een gevelele-ment van het doosconstructie-typehebbenaangetoond datde invloed op devervormingen van een extreme variatiein vochtgehalte (langdurige beregeningna eenlangeperiodevandroogte) opeenPGVC-huid met een uitgewassengrindlaag, beperkt is [1]. De gemetenopgelegde vervorming is vergelijkb?armet die van een temperatuurverschiltussen de buiten- en binnenhuid vancirca 11 ?c ( 0,170/00).gifte heel langzaam plaatsheeft, waar-door de vochtbeweging veel kleiner zalzijn dan bij AR-GVC.Tenslotte kunnen als gevolg van vervor-mingen van de hoeif?draagconstructie, in-dien het gevelelement hieraan statischonbepaald is bevestigd, spanningen en!of niet-spanningsloze rekken wordenopgelegd in het gevelelement.In de praktijk zal het vochtgehalte in deGVC-huid vari?ren met de relatievevochtigheid van de omgeving. In [4]wordtvoorgesteld om 60% van de rever-sibele krimp in rekening te brengen. Ditkomt neer op een opgelegde vochtbe-weging van 0,6%0. Gezien de kleinebreukrekvan met name verouderd AR-GVC is bij verhindering van een opge-legde vervorming van deze groottescheurvorming te verwachten.Indepraktijkzal echterdoor tijdsafhan~kelijke effecten de variatie in vochtge-halte langzaam verlopen en daardoormogelijkiets afvlakken. Daar komtvoorPGVCbij, dat doorde aanwezigheid vande polymeren de v~chtopnameen -?f-Bij verandering van het vochtgehalte in eenmateriaal zal dit willen krimpen ofzwellen, afhankelijk van een afname,respectievelijk toename van het vocht-gehalte; dit is de omkeerbare ofreversi-bele krimp. Zoals dit ook bij tempera-tuurvariaties het geval is, kunnen door I--------------------------~-----;de dunne GVC~huid de opgelegde ver- 6 Sche1Ilati~ering gevelelement voorvormingen groot zijn. berekeningTijdens de gebruiksfase zal vooral spra~ke zijn van een reversibele krimp. De ir-reversibele krimp zal, wanneer sprake isvan verouderde materiaaleigenschap-pen, niet meer optreden. Een uitzonde-ring hierop is de bijzondere omstandig-heid van zeerdroge omgevingsconditiesoverlangereduur,waaraanhetgevelele-ment nog niet eerder blootgesteld is ge-weest.In tabel 1zijn waarden gegeven voor dereversibele krimp op basis van labo~ratoriumproeven, die gelden voor dekrimp van volledig verzadigd tot volle-dig droog materiaal.het oppervlak. In de winter zijn tempe-raturen van -20?C niet uitgesloten.Deopgelegdelengteveranderingtenge-volge van temperatuurvariaties is bijGVC-elementengroot, omdatde GVC-huid dun is en daardoor de tempe-ratuurverandering over de volle door-snede ondergaat. Bij verhindering vandeze opgelegde vervormingen wordenspanningen in de elementen ge?ntrodu-ceerd. Gezien de lage treksterkte en lagebreukrek van het verouderde GVC kandan schade 0p!Teden.Daarbij komt nog dat de tempe-ratuurvariaties, mede door de dunneGVC-huid, snel kunnen optreden endat daarom niet kan worden gerekendop eventuele spanningsrelaxatie. Maat-gevend zijn daarom niet de variatiesover een groot tijdsbestek, maar de wel-iswaar iets kleinere dagvariaties, zoalsbijvoorbeeld een koude onweersbui opeen warme zomerdag.Cement 1990 nr. 2 23______________________I_S_C_HADE _7 Scheurvorming bij dedoosconstructie bij overschrijdingvan de breukrek ten gevolge vanopgelegde vervormingena.krachtsvverkingb. scheur in bovenrandc. scheur in onderrand doorgezet inbuitenbladd. scheur in bovenrand (dakrand)doorgezet in buitenblad (voorzien vanafvverklaag)door de verhindering van opgelegdevervormingenhogespanningenwordenge?ntroduceerd, waardoor de grens-waarden van de mechanische eigen-schappen van de GVC-huid kunnenworden overschreden.Doo$constructie1. Ook bij de doosconstructie zijnopge-legde vervormingen oorzaak van veelschade. Het is echter niet de uitbuiging,maar de overschrijdingvan de breukrekdoor niet-spanningsloze rekken diescheurvorming veroorzaakt.Vooral de zijwanden van de dooscon~structie kunnen worden belast op groteniet-spanningsloze rekken. Dit kan alsvolgt worden ingezien (fig. 7a).Door uitzetting van de buitenhuid, tengevolge van bijvoorbeeld een tempera-tuurverhoging, worden de zijwandenbelast op trek wanneer deze zijwandenniet dezelfde temperatuurverhogingkrijgen opgelegd. Door het grote ver-schil in traagheidsmoment tussen debuitenhuid en de zijwanden verhinde-ren de zijwanden de opgelegde vervor~mingen maar ten dele. Hierdoor krijgende zijwanden niet-spanningsloze rek-ken opgelegd (scheurvorming lood-recht op de zijwanden).Wanneer de buitenhuid wil verkortenten opzichte van de zijwanden wordendeze belast op druk. De maatgevendeniet-spanningsloze rekken treden nu op24BINNENscheurv:I II II II II II II II II I: JI I--- --"i--J- - - j...--DETAIL A:DOORSNEDE,R'l't2it1 > t28Scheurvorming ter plaatse vanhoeken ten gevolge van eenverkorting van het buitenoppervlak10 Scheurvorming bij toepassing van stijfkernmateriaalen een buitenhuid die aanmerkelijk dikker is dan dezijwandent-l~?~//// temperatuurverhcging In GVC- materiaal9 Temperatuurverdeling over eendoorsnede van een gevelelementvan het doosconstructie-type- te grote uitbuiging bij statisch bepaaldopgelegde sandwich-gevelelementen;- scheurvorming ter plaatse van opleg-punten bij statisch onbepaald opge-legde sandwich-gevelelementen;- scheurvorming in zyvlakken vandoosconstructies (fig. 7).De conclusies en aanbevelingen die hierworden gegevenhebben tot doel het op-treden van schade bij gevelelementenvan GVC als gevolg van een verkeerdontwerp te voorkomen en zijn geba-seerd op [1]. Daarnaast is ook gebruikgemaaktvan onderzoekresultaten uitdeliteratuur.Sandwich-gevelelementBij statisch bepaald opgelegde sand-wich-gevelelementen, moet ervoorworden gezorgd dat de opgelegde ver-vormingen worden beperkt.Dit kan het meest effectief gebeurendoor de vochtbeweging te beperkendoor een uitgewassen grindlaag, eenkunststofcoating ofmodificatie van hetGVC met behulp van polymeren. Deuitgewassen grindlaag heeft naastde be-perking van de vochtbeweging ook hetvoordeel dat de oppervlakte-temperatuur minder hoog oploopt,dankzij de reflectie van het zonlichtCement 1990 nr. 2door de grindkorrels. Dit is ook het ge-val bij bepaalde typen coatings.Bij statisch onbepaald opgelegde gevel-elementenmoetwordenverhinderd datscheurvorming optreedt ten gevolgevan de overschrijding van de breukrekdoor niet-spanningsloze rekken. Op de-zelfde manier als bij het statisch bepaaldopgelegde gevelelement kunnen de op-gelegde vervormingen worden beperkt.De toepassing van stijf kernmateriaalmoet worden afgeraden bij toepassingvan een huidmateriaal met een kleinebreukrek (AR-GVe). Het is waarschijn-lijk dat de grootte van de optredendeniet-spanningsloze rekken afhankelijkis van de grootte van de tussen-overspanningen. Onderzoek hiernaarheeft niet plaatsgehad.DoosconstructieBij de toepassingvan de doosconstructieals gevelelement moet worden gere-kend op het optreden van grote niet-spanningsloze rekken ten gevolge vanopgelegde vervormingen. De breukrekvan het huidmateriaal dient als belang-rijkste ontwerpparameterteworden be-schouwd. Op dit momentis het nog nietmogelijkprecieste zeggenwelke breuk-rek minimaal noodzakelijk is omscheurvorming te voorkomen. Geziende berekeningsresultaten is echter metvoldoende zekerheid te zeggen datPGVC, met de eigenschappen gegevenin tabel 1, kan worden toegepast alshuidmateriaal van doosconstructies.Het gebruik van AR-GVC als huidma-teriaal van een doosconstructie moetworden afgeraden. Door de zijwandenvan de doosconstructie zo breed moge-lijk te dimensioneren en de voegen tus-sen de panelen bij voorkeur halverwegede zijkanten aan te brengen, kan eengunstiger maatgevende belasting optre-den dan bij de toepassing van smalle zij-wanden en aan het buitenoppervlak ge-legen voegen. In de pr~.ktijk is bij scher-pe inspringende hoeken van raamkozij-nen veel scheurvorming opgetreden.Daarom moeten gevelelementen vanGVC worden gedimensioneerd met af-geronde inspringende hoeken. De op-gelegde vervormingen kunnen op de-zelfde manierworden beperktals bij hetsandwich-gevelelement.Omdat een doosconstructie vrij moetkunnen bewegen, moet aandacht wor-den besteed aan de bevestigingen. Hetstatisch onbepaald opleggen van doos-constructies moet worden afgeraden.Diepe geometrische vormen, krom-mingen eninkepingenvergroten ookdekans op overschrijding van de breukrek.Daarom gaat de voorkeur uit naar detoepassing van vlakke doosconstructies.Literatuur1. Van derPlas, e., Oorzakenvan schadebij gevelelementenvan GVC (glasvezel-versterkt cement). Afstudeerverslag,TU-Delft, afdeling Civiele Techniek,mei 1988.2. Stupr?-rapport 'Glasvezelversterktcement GVC, Ontwerpregels voor ge-velelementen'. Betonvereniging, Gou-da, mei 1988.3. Reinders, Je., Glasvezelversterkt ce-ment als materiaal voor gevelbekleding.Cement 1984, nr. 5.4. Cem-Pil Bulletin nr. 51, Pilkington,1986.5.Wismans, JH.W, Onderzoek naarverhinderde vervormingen in gevelele-menten van glasvezelversterkt cement.Afstudeerverslag, TU-Eindhoven, 1987.6.Haferland, Ee.A. enJNJ.A.Vambers-ky, Temperatuurspanningen en scheur-vorming in sandwichgevelelementen.Cement 1984, nr. 6.25