O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingcement 2003 562W i n d b e l a s t i n g o pg e v e l e l e m e n t e nDe windbelasting op een gevel-element wordt bepaald door hetdrukverschil over het gevelele-ment en het oppervlak van eenelement. Voor bijvoorbeeld vlies-gevels wordt het maatgevenddrukverschil meestal bepaalddoor de externe onderdruk enoverdruk in het gebouw. Voor ge-velelementen, die als regen-scherm voor de dragende con-structie hangen, geldt dat deinterne druk in het gebouw geenrol speelt. De windbelasting opdergelijkeelementenhangtafvande externe druk en de druk in despouw tussen element en achter-constructie (fig. 1).De representatieve waarde prepvoor het drukverschil pext- p0wordt in NEN 6702 bepaald doorhet toepassen van de externevormfactor Cpe, die gedefinieerdis als:prepCindex= Cpe= ___pwhierin is pwde representatievewaarde voor de stuwdruk,conform tabel 10 in NEN 6702.In de meeste gevallen is voor hetontwerp van gevels de onderdruk(ofwel Cpe< 0) maatgevend.Onderdruk levert een van hetgevelvlak af gerichte belastingop.De representatieve waarde prepivoor het interne drukverschilpi? p0wordt bepaald door toepas-sing van de interne vormfactorCpi, die gedefinieerd is als:prepiCindex= Cpi= ____pwNEN 6702 geeft voor het bepalenvan pi- p0in spouwconstructiesgeen expliciete waarden. Hiernawordt aangegeven op welke wijzedeze keuze kan worden gemaaktvoor gevelpanelen die voor eenluchtdichteachterconstructiezijnaangebracht.Onderscheid wordt gemaakt tus-sen gevelpanelen in het middenvan de gevel en panelen die aan deranden van de gevel zijn aange-bracht.Hiervoor gelden in het algemeenverschillende uitgangspunten,voor zowel Cpeals Cpi.W i n d b e l a s t i n g o pg e v e l p a n e l e n i n h e tm i d d e n v a n d e g e v e lDe belasting op deze gevelpane-len wordt bepaald door een externdrukverschil (onderdruk) ?n dooreen intern drukverschil (pi- p0) inde spouw. De externe onderdrukis minder extreem dan in de rand-zone. Het interne drukverschilheeft hetzelfde teken als hetWindbelasting opgevelelementen met eenluchtspouwdr.ir. C.P.W. Geurts en dr.ir. M.S. de Wit, TNO BouwDe storm van 27 oktober 2002 veroorzaakte aanzienlijke schade aan gebou-wen. Het is in het geval van stormschades niet de hoofddraagconstructie diete lijden heeft, maar de problemen ontstaan meestal bij gevel- of dakelemen-ten. Als een element eenmaal is bezweken, treedt vaak een domino-effect op.Bij een nadere blik op de vigerende normen blijkt dat de regelgeving inNederland niet is toegesneden op geveldelen die voor de luchtdichte achter-constructie en luchtspouw zijn aangebracht. Voorbeelden hiervan zijn ondermeer natuurstenen gevels. In dit artikel staat welke consequenties deze gevelskunnen hebben voor het ontwerp van de elementen en hun verankeringen.1 | Schematische voorstelling van de windbelasting op een gevelpaneel dat voor eenluchtdichte achterconstructie is geplaatst (horizontale of verticale doorsnede)pext?popi?poporeferentie (atmosferische) drukpiinterne druk in de spouwpextexterne drukF resulterende krachtgevelelementFluchtdicht binnenspouwbladO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingcement 2003 5 63externedrukverschil(pext-p0),om-dat de druk in de spouw zich ver-effent met de druk buiten degevel. In figuur 2 is deze situatieschematisch weergegeven. Denetto belasting op het gevelpaneelis kleiner dan wanneer die opbasis van alleen de externe druk-co?ffici?nt wordt bepaald.Dematewaarindedrukvereffent,hangt af van een aantal factoren:? de afmetingen van de nadentussen de elementen;? de diepte van de spouw;? de mate waarin de spouwgecompartimenteerd is.Dit alles bepaalt de mate waarmeein de ruimte achter het gevelele-ment de druk zich kan aanpassenaan de externe druk. Deze snel-heidisvanbelangomdathetdruk-verschil aan de buitenzijde voort-durend verandert, immers dewindbelasting is een fluctuerendverschijnsel. Als nu een extremesituatie optreedt aan de buitenzij-de (die zich in minder dan 1seconde kan voordoen en boven-dieneenlokaalkarakterheeft),zalbij een ondiepe, gecompartimen-teerde spouw een snelle aanpas-sing van het drukverschil in despouw mogelijk zijn. In dat gevalkan met een zekere drukvereffe-ning worden gerekend.Bij natuurstenen gevels is ditzelden het geval. De spouwcon-structies zijn doorgaans open uit-gevoerd, waardoor een lokaleexterne drukverandering zich inde spouw over een groter volumezal moeten vereffenen, wat uiter-aard tijd kost. Dit kan betekenendat in het extreme geval, dus hetgeval waarop wordt ontworpen,minder of wellicht geen drukver-effening is opgetreden. Het reke-nen op drukvereffening is dus ge-bonden aan voorwaarden aan hetontwerp en de uitvoering van degevelbekleding. Deze voorwaar-den zijn voor gevelsystemen nietprecies bekend, mede door hetgebrek aan goede onderzoeksda-ta hierover [2, 3].G e v e l e l e m e n t e n d i c h t b i je e n h o e kHet tweede geval betreft gevelele-menten dichtbij een hoek van eengebouw. In dergelijke gevallen isde externe drukco?ffici?nt vooronderdruk lager, wat in absolutezin een grotere belasting bete-kent. De interne druk in de spouwwordtbepaalddoordedetailleringvan de gebouwhoek. In veel ge-vallen is die hoek uitgevoerd meteen open naad, waardoor deexterne druk direct in de spouwkan doorlopen. In die gevallenwaarbij een dergelijke naad nietaanwezig is, blijkt dat de spouwover het algemeen doorloopt omde hoek. In beide situaties kan hetvoorkomen dat het interne en hetexterne drukverschil een tegenge-steld teken hebben. In dat gevalmoet het gevelelement wordengedimensioneerd op een groteretotale vormfactor dan wanneeralleendeexternevormfactorinre-kening zou worden gebracht. Hetvoorbeeld van figuur 3 en 4 kandat verduidelijken.De interne drukco?ffici?nt in despouw hangt af van de matewaarin de lucht door de naden inde spouw kan stromen en van demate waarin de drukopbouw zichin de spouw voortzet.Voor gevelpanelen vlakbij hoekenhangt de waarde voor Cpiaf van:2 | Schematische voorstelling van effect van drukvereffening op de belasting op eengevelelement: zowel aan de buitenzijde als aan de binnenzijde van het gevelelementheerst onderdruk3 | Voorbeeld van de druk-co?ffici?nten extern enin de spouw bij eengebouwhoek; buitensteschil op de hoek dicht,spouw open4 | Voorbeeld van de drukco?ffici?nten extern en in de spouw bij eengebouwhoek; buitenste schil open, spouw openpext?popi?popi?po < opext?po < oF = kracht a.g.v. pext?poF' = kracht a.g.v. pext?pigevelelementFF'luchtdicht binnenspouwbladCpe0windwindStroming van lucht inde spouw, waardoordruk in spouw wordtbe?nvloedStroming van luchtvan buiten in despouw, waardoor drukin spouw wordt aange-pastO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingcement 2003 564? de geometrie van het gebouw;? de vorm en afmetingen van hetgevelelement;? de maat van de spouw;? de maat van de kieren tussen deelementen.Er is weinig bekend over de druk-ken in deze spouw. In het meestongunstige geval zou deze kun-nen oplopen tot de waarde voorCpeaan de windzijde, die dichtbijde randen ongeveer + 0,4 be-draagt.D e N e d e r l a n d s ev o o r s c h r i f t e nVoor de berekening van de wind-belasting wordt, conform NEN6702, gerekend met de formule:F = gwpwCindexCeqAF is de kracht op het elementof anker.gwis de parti?le veiligheids-factor, afhankelijk van deveiligheidsklasse.Vaakwordt op basis van NEN6702 veiligheidsklasse 1gekozen, behalve in hetgeval van zware elemen-ten, waarbij veiligheids-klasse 2 of zelfs 3 van toe-passing is.pwis de stuwdruk, te bepalenuit tabel 10 van NEN 6702.Deze stuwdruk is afgeleiduit de statistiek van dewindsnelheid, zoals diedoor het KNMI wordt ge-registreerd. In het achter-grondrapport bij NEN6702 [1] is uitgebreid be-schreven hoe deze stuw-druk tot stand is gekomen.Cindexis de vormfactor, waarvoorverschillende definities ingebruik zijn. Vormfactorenkunnen worden gebruiktvoor het bepalen van de ex-terne druk op een gebouw,de interne druk in een ge-bouw, of voor directe bepa-ling van de totale belastingop onderdelen van gebou-wen. De vormfactor hangtaf van de vorm van de con-structie en van het opper-vlak dat moet worden mee-gerekend voor het bepalenvan het belastingseffect opde constructie. Bij gevelele-menten is over het alge-meen de lokale vormfactorCpe;locvan belang, waarvoorin figuur 28 van NEN 6702waarden zijn gegeven.Deze factoren zijn externevormfactoren, waarvoorNEN 6702 uitsluitendwaarden voor onderdruk(ofwel zuiging) geeft. Vooroverdruk worden geenlokale waarden gegeven.A is het oppervlak dat mee-werkt in de bepaling vande kracht F. Voor eenpaneel is dat het belasteoppervlak van een paneel.Bij berekening van dekracht in een anker is dezewaarde afhankelijk van hetaantal ankers per paneel.Bij twee ankers per paneelis dit oppervlak de helftvan het paneeloppervlak.Ceqis de drukvereffeningsco-effici?nt. Deze co?ffici?ntwordt toegepast voor syste-men waarbij drukvereffe-ning de windbelastingbe?nvloedt. Ceqzet de exter-ne vormfactor om in eentotale vormfactor, waarmeede (lokale) belasting op hetelement direct is vastge-legd. Voor gevelelementengeeft de Nederlandse regel-geving geen explicietewaarden. Voor dakbedek-kingen is in NEN 6707aangegeven welke waardenvoor Ceqgehanteerdkunnen worden. Aan diewaarden ligt uitgebreid on-derzoek ten grondslag datis uitgevoerd naar aanlei-ding van de zware stormenvan 1990. In de Eurocode,ENV 1991-2-4, zijn regelsvoor gevels gegeven, maardeze worden door hetNationaal Applicatie Docu-ment voor Nederlandbuiten werking gesteld.V o o r b e e l d e nOm te illustreren welk effectkeuzes voor de interne druk in despouw kunnen hebben op hetontwerp van gevelpanelen en ver-ankeringen, beschouwen we tweegebouwen, 20 en 60 m hoog. Webepalen hiervoor de lokale wind-belasting. We gaan uit van eenonbebouwde omgeving in wind-gebied II, een klein paneel vanmaximaal1m2metCpe;locconformfiguur 28 van NEN 6702, gelijkaan ? 1,2 in het gebied met on-derdruk dicht bij de gebouwranden we kiezen Cpe;loc= 0,8 in hetgebied met overdruk. We be-schouwen drie varianten:A): De buitenste schil is lucht-dicht uitgevoerd. Er is geendrukvereffening. Het gevel-systeem wordt ontworpenaan de hand van Cpe;loc, ergeldt dus Ceq= 1.B): De buitenste schil kentkieren en naden. Hierdoortreedt drukvereffening op(fig. 2). De hoeken zijn dichtuitgevoerd en de spouw iszodanig gecompartimen-teerd dat een goede drukver-effening mogelijk is. Het ge-velpaneel wordt ontworpenaan de hand van NEN 6702met Cindex= Cpe;loc, waarbijdrukvereffening in rekeningwordt gebracht. Gekozenwordt voor een waarde voorCeq= 0,4, ofwel het drukver-schil pi- p0in de spouw isgelijk aan 0,6 (pext- p0). In depraktijk zal een dergelijkekeuze altijd gebaseerdmoeten zijn op gevalideerdegegevens uit literatuur ofpraktijkonderzoek.C): Het gevelsysteem bestaat uitnatuurstenen platen die voorde gevel worden gehangen.De spouw is open met eennaad op de hoek van hetgebouw. In de berekeningvan het gevelpaneel wordtrekening gehouden met heteffect dat de druk in deO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingcement 2003 5 65spouw wordt be?nvloed doorde externe druk aan beidezijden van de gebouwhoek(fig. 4). Aangenomen wordtdat het drukverschil in despouw door Cpi= 0,4 kanworden gerepresenteerd.Dit is een veilig geachteaanname.In het voorbeeld wordt de gevelberekend op een naar buiten ge-richte belasting. De externe drukop het paneel betreft dus een on-derdruk, ofwel Cpe;loc< 0. VoorCpe;locwordtNEN6702gevolgd,ditlevert bij de randen de maatge-vende belasting Cpe;loc= ?1,2.Bovenstaande keuzes leiden totrepresentatieve waarden voor debelasting.Voorhetbepalenvanderekenwaarde wordt de belastings-factor g in rekening gebracht. Af-hankelijk van de massa van de ge-veldelen wordt deze ingedeeld inveiligheidsklasse 1, 2 of 3. In ditvoorbeeld is veiligheidsklasse 1aangehouden en er wordt gere-kend met een referentieperiodevan 15 jaar.In tabel 1 zijn waarden vermeldvoor lokale windbelasting op hetelement.Als NEN 6702 wordt gevolgd, zaldoorgaans alleen variant A bere-kend worden. Een ontwerpermoet zich altijd ervan bewust zijnof situatie C op kan treden enmoet een verantwoorde keuzevoor de interne druk in de spouwmaken. Om dit verschijnsel tevoorkomen kan ervoor gekozenworden de hoeken in de spouwluchtdicht uit te voeren, opdatgeen stroming kan plaatsvindenin de spouw.Als dit niet mogelijk is zit er nietsanders op de verankeringen teontwerpen op de verhoogde be-lastingen, zoals die op basis vanbovengenoemde overwegingenworden gevonden.InCement2002,nr.7[4]iseentabelgepresenteerd van de windbelas-ting die op natuurstenen gevelpa-nelen in rekening gebracht moetworden. In deze tabel zijn aan-zienlijk lagere waarden gegevendan die op basis van bovenge-noemde uitgangspunten. Ondui-delijk is welke uitgangspunten in[4] zijn gebruikt, maar de ver-schillen maken duidelijk dat aanduidelijkheid hierover behoeftebestaat.Dit is in het belang van een iederdie te maken heeft met het ont-werp en de dimensionering vangevelelementen en hun veranke-ringen. Wellicht zou dit in de toe-komst kunnen leiden tot minderschade aan gevels.Een voorbeeld hiervan is de ont-wikkeling van NEN 6707. Dezenorm heeft binnen de dakbedek-kingsbranche gezorgd voor dui-delijkheid in de rekenmethoden.De stormen van oktober jl. heb-ben aangetoond dat toepassingvan deze norm de schadekansaanzienlijk heeft beperkt. L i t e r a t u u r1. Van Staalduinen, Achter-grond bij de windbelastingvolgens NEN 6702; TGB be-lastingen en vervormingen,TNO rapport B90-482,TNO Bouw.2. Suresh Kumar, K., Stathopou-los T., Wisse, J.A., Wind loadson rainscreen walls, Proceed-ings van 3EACWE, Eindho-ven, 2001.3. Gerhardt, H.J., Janser,F., Kramer, C., Windbean-spruchung bel?fteter Aus-senw?nde, In: Windkanal-anwendungen f?r dieBaupraxis, WTG BerichteNr. 4.4. Cornelis, R.J., Verankeringvan natuurstenen gevelbekle-ding, Cement 2002, nr.7.Tabel 1 | Rekenwaarden voor de kracht (in N) op paneel met A = 1 m2hoogte stuwdrukm N/m2situatie A situatie B situatie Cmet drukvereffening stroming door hoek,Cpe;loc= -1,2 Cpe;loc= -1,2 Cpe;loc= -1,2Ceq= 1,0 Ceq= 0,4 of Ceq= 1,0Cpi= 0,0 Cpi= 0,6 Cpe;loc=-0,72 Cpi= +0,420 1100 -1400 -550 -185060 1500 -1900 -750 -2500