O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBouwf ysicaDe regendichtheid van een gevelwordt meestal gerealiseerd dooreen combinatie van twee technie-ken. Via de architectonische vorm-geving en detaillering zullen wezoveel mogelijk proberen te ver-hinderen dat de slagregen het ge-velvlak bevochtigt. Waar aflopendwater optreedt, proberen we via dedetaillering ervoor te zorgen datdit water zo snel en zo veel moge-lijk van de gevel wordt verwijderd(afgeworpen), in plaats van langsde gevel af te lopen. Hieruitvolgen onder meer de basisregelsvoor overkragende dorpels voor-zien van druipneus, dekstenen,dakranden, enz.Bijkomend zal de gevel van eengebouw ontworpen worden alseen regendicht scherm. Daartoe issinds een halve eeuw de traditio-nele massieve gevel ontdubbeld enworden buitenwanden in metsel-werk uitgevoerd als spouwmuur.Een spouwmuur moet gezienworden als een tweetrapsregen-dichting, waarbij regenscherm enluchtdichting gesplitst zijn (fig. 1).Daardoor ontstaat een opbouw uitdrie elementen. Het buitenspouw-blad heeft daarbij de functie vanregenscherm en regenbuffer, despouw (meestal gevuld met isola-tie) werkt als ontspanningskamer?n als capillaire snede, terwijl deluchtdichting gerealiseerd wordtaan de binnenzijde, meestal doorde binnenpleister op het binnen-spouwblad. De luchtdichting heefttot doel de winddrukverschillenover de regendichting (het voor-spouwblad) te beperken. Ditbeperkt de kans op regendoorslag.De schadegevoeligheid van eenspouwmuur ? en van een twee-trapsregendichting in het alge-meen ? zit dan ook niet zozeer ineventuele barsten of perforatiesvan het regenscherm, maar veelmeer in tekorten in de luchtdicht-heid van het luchtscherm.Toch is het vermijden van regen-doorslag bij spouwmuren nietvanzelfsprekend. Als slagregen degevel bevochtigt, zal door capil-laire wateropname het gevelmate-riaal in de massa nat worden.Zodra het buitenvlak capillair ver-zadigd is, ontstaat filmvorming ende hoeveelheid slagregen die nietlanger door het gevelmateriaal kanopgenomen worden, begint af telopen. Dit gaat meestal gepaardmet insijpeling van regenwater inde spouw via de horizontale enkopse voegen. Vooral deze laatstezijn bij onvolledige vulling metmortel voorkeurspaden voor re-gendoorslag. Als ook de achter-zijde van het voorspouwblad capil-lair verzadigd is, loopt hetdoorslagwater verder naarbeneden en wordt een correcte uit-voering van waterkeringen op alleplaatsen waar de spouw geslotenis cruciaal. Daarnaast bestaat hetrisico dat mortelresten in despouw en spouwankers met tegen-helling het doorslagwater overhe-velen naar de warmte-isolatie enhet binnenspouwblad.Algemeen kan gesteld worden dathoe groter de bufferwerking vande gebruikte stenen en hoe beterde kwaliteit van het voegwerk, hoelater regendoorslag door het voor-spouwblad zal optreden. En ditdoet vragen rijzen bij het toene-mend gebruik van gelijmd metsel-werk. Om het omslachtig aanbren-gen van lijm op de kopse zijdenvan de stenen te vermijden, wordtimmers meer en meer overgegaannaar gelijmd metselwerk metRegendoorslag bij metselwerken lijmwerkprof.dr.ir.-arch. S. Roels, KU Leuven, Department Burgerlijke Bouwkunde,Laboratorium Bouwfysicaprof.dr.ir. J. Carmeliet, KU Leuven, Department Burgerlijke Bouwkunde, La-boratorium Bouwfysica/TU Eindhoven, Faculteit Bouwkunde, Capaciteits-groep Fysische Aspecten van de Gebouwde Omgeving (FAGO)Het klimaat in onze streken met zijn vele en hevige slagregen, zorgt ervoor datberegening en regendoorslag van gevels ??n van de belangrijkste oorzaken isvan vochtschade. Regendoorslag bij metselwerkgevels wordt hoofdzakelijkbepaald door de bufferwerking van de gebruikte stenen en de kwaliteit vanhet voegwerk. Moeten we rekening houden met een verhoogde kans opregendoorslag nu steeds vaker gelijmd baksteenmetselwerk met open stoot-voegen wordt toegepast?1 |De spouwmuur als twee-trapsregendichting: hetvoorspouwblad werkt alsregenscherm en regen-buffer, de spouw gedeel-telijk of volledig gevuldmet isolatie doet dienstals ontspanningskamer?n capillaire snede, ter-wijl de luchtdichtheidmeestal gerealiseerdwordt door de binnen-pleister op het binnen-metselwerk. Van hetvoorspouwblad wordtverwacht dat het regen-dicht is maar niet water-dicht. Onder extremeomstandigheden kanwater doordringen totaan de achterzijde vanhet voorspouwblad. Opdat moment wordt hettweede drainagevlakaangesproken. Overalwaar de spouw geslotenis moeten waterkeringenhet doorgeslagen regen-water terug naar buitenvoeren. Ontbreken dezewaterkeringen of zijn zeonvakkundig uitgevoerd,dan kan dit leiden tot natworden van de isolatie ofbevochtiging van hetbinnenspouwblad. Opdat moment spreken wevan schade ten gevolgevan regendoorslagcement 2004 5 75O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBouwf ysicaopen stootvoegen. Dit artikel gaatna of we rekening moeten houdenmet een verhoogde kans op regen-doorslag in gelijmd baksteenmet-selwerk met open stootvoegen.Regendoorslag via open stootvoe-gen kan optreden als gevolg vanregendruppels die rechtstreeksdoor de open stootvoegen vliegen,of als gevolg van een waterfilmaan het buitenoppervlak die door-slaat onder invloed van winddruk-ken, zwaartekracht of capillairekrachten. Een directe inslag vanregendruppels is nagenoeg ver-waarloosbaar, aangezien de geo-metrie van de open stootvoegenhiertoe nauwelijks kans laat. Bo-vendien zou dit hoge windsnelhe-den vragen, wat eerder uitzonder-lijk is bij zware slagregen. Deopen stootvoegen zorgen verdervoor een nagenoeg perfecte druk-vereffening over het voorspouw-blad. Alleen als een continue aflo-pende regenwaterfilm zouontstaan over de open stootvoe-gen, kan zich een drukverschilover het voorspouwblad opbou-wen.Aflopend regenwater aan het bui-tenoppervlak blijkt dus de belang-rijkste vereiste te zijn opdat regen-doorslag zou kunnen optreden.Het voorkomen en de intensiteitvan een aflopende waterfilmworden onderzocht door een ge-combineerde modellering vanwindstroming rond het gebouw,slagregenbelasting op de gevels enwarmte- en vochttransport in hetgevelmetselwerk, en dit voorenkele verschillende gebouwtypo-logie?n (fig. 2). Type `a' is eeneerder smal en hoog gebouw; type`b' een lang en eerder laaggebouw; type `c' is vergelijkbaarmet type `b', maar bevat een verti-cale opening in het midden vanhet gebouw; type `d' op zijn beurtkomt overeen met type `a', maar isnu onderaan open. Types `c' en `d'zijn toegevoegd om de impact vanopeningen en onderdoorgangen teonderzoeken op de slagregenbe-lasting van het gebouw.S l a g r e g e n b e l a s t i n go p g e v e l sDe slagregenbelasting op eengevel kan op twee wijzen wordenbegroot: via een empirischemethode of via numerieke simula-ties. Een empirische methode kanworden teruggevonden in deBritse norm en de nieuwe Euro-pese norm. Beide leiden de slagre-genintensiteit op een gevel Rdrafuit de slagregenindex, het productvan de windsnelheid U en de re-genintensiteit op een horizontaalvlak in het vrije veld Rh. Daarbijwordt rekening gehouden met deruwheid van het terrein en de af-scherming en de geometrie van dewand.Voor het probleem dat we hier be-kijken - de verdeling van de slagre-genbelasting op de gevel en dekans en intensiteit van regenaf-loop - zijn deze empirische metho-den te algemeen. Daarom zullenwe de slagregenbelasting nume-riek begroten met behulp vanCFD (Computational Fluid Dyna-mics), volgens de methodologieontwikkeld door Blocken [1]. Deslagregenintensiteit op een gevelRdrwordt daarbij gerelateerd aande regenintensiteit op een hori-zontaal vlak in het vrije veld Rhviade `catch ratio' :Rdr(t)(t) = ???????Rh(t)In een CFD-berekening wordteerst het windpatroon rond het be-schouwde gebouw berekend.Hiertoe wordt een domein gedefi-nieerd waarin de geometrie vanhet gebouw en zijn ruime omge-ving worden ingegeven, met spe-ciale aandacht voor alle details dievan invloed kunnen zijn op dewindstroming. Zodra alle gege-vens zijn ingevoerd, wordt het vol-ledige domein systematisch opge-vuld met een raster vancontrolevolumes. Omwille vanhun flexibiliteit wordt veelal ge-bruikgemaakt van driehoeken (bijcement 2004 5763 |Windsnelheidsvectorenin een verticaal vlak doorhet midden van elkgebouw. De referentie-windsnelheid op 10 mhoogte (U10) is 5 m/sa bc d2 |De vier gebouwtypenwaarvoor de slagregenbe-lasting en de kans op re-genafloop onderzocht is:a. een smal en hooggebouwb. een lang laag gebouwc. een lang laag gebouwmet centraal een openingd. een smal hoog gebouwmet onderdoorgangO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBouwf ysicatweedimensionale simulaties) oftetra?ders (bij driedimensionalesimulaties). Aan ??n van deranden van het domein wordt eenwindprofiel opgelegd, meestal eenwindsnelheid die vanaf de grondlogaritmisch toeneemt met dehoogte.Met deze gegevens wordt nu hetwindveld rond het gebouw bere-kend. Hiertoe worden de continu?-teitsvergelijkingen en de gemid-delde Reynolds-vergelijkingen inelk controlevolume opgelost. Tur-bulentie wordt beschreven doorgeschikte turbulentiemodellen.Als de berekeningen zijn gedaan,kunnen snelheidscontouren, druk-contouren of snelheidsvectoren inelk willekeurig vlak worden opge-vraagd.Figuur 3 toont de windsnelheids-vectoren voor de vier gebouwen ineen verticaal vlak door het middenvan elk gebouw. In figuur 3a isduidelijk de `wind blocking' zicht-baar: het gebouw treedt op als ob-stakel en doet de globale windsnel-heid aan de voorzijde van hetgebouw afnemen. Op hetzelfdemoment is er wel een belangrijkewindsnelheidstoename aan dedakrand van de windzijde van hetgebouw. Hoge windsnelhedenkomen ook voor in de verticaleopening in type `c' en in de onder-doorgang van type `d'. Deze hogewaarden zijn het gevolg van dekortsluiting tussen de zone vanoverdruk aan de voorzijde van hetgebouw en de onderdrukzone aande achterzijde.Op basis van de windpatronenkunnen de regendruppelbanenworden berekend. Hiertoe wordenregendruppels van een bepaaldediameter losgelaten vanuit een ho-rizontaal vlak hoog boven hetgrondniveau: de startlocatie moettoelaten dat de regendruppels hunterminale valsnelheid (verticaal)en windsnelheid (horizontaal)bereikt hebben voor ze terechtko-men in het stromingsveld ver-stoord door het gebouw en zijnomgeving. Dan wordt nagegaan inwelke mate en waar de regendrup-pels de gevel raken (fig. 4). Opbasis van deze gegevens kan voorelke positie op de gevel en perdruppeldiameter de specifieke`catch ratio' (d) worden bepaald:Rdr(d)(d) = ???????Rh(d)De globale `catch ratio' op eenplaats op de gevel wordt verkregendoor de `catch ratio' voor elkedruppeldiameter op die plaats tevermenigvuldigen met de fractievan deze druppeldiameter in deregenbui f(d) en dit te integrerenover alle druppeldiameters [2].Dit betekent dat voor een zekerewindrichting en een vaste positieop de gevel de `catch ratio' ondub-belzinnig wordt bepaald door dewindsnelheid en de horizontale re-genintensiteit. Figuur 5a toontdeze afhankelijkheid voor de bo-venhoek en het midden van ge-bouwtype `a' bij een windrichtingloodrecht op de gevel. Figuur 5bgeeft de verdeling van de `catch-ratio' over de gevel van hetzelfdegebouw voor een horizontale re-genintensiteit Rhvan 5 l/m2h enwindsnelheid in het vrije veld op10 m hoogte van 5 m/s. Defiguren tonen dat de slagregenbe-lasting veel hoger is aan de boven-randen en hoeken van hetgebouw. Op deze plaatsen vindenwe de grootste waarden voor de`catch ratio' terug voor de laagsteregenintensiteiten, wat betekentdat kleine regendruppels snellerworden meegesleurd in het gewij-zigd windveld rond het gebouw.In het midden van het gebouw isde `catch ratio' veel lager en onder-aan in het midden van het gebouwbevindt zich zelfs een volledige be-schutte zone.R e g e n o p n a m e e nr e g e n a f l o o p v a n g e v e l sRegenafloop bij metselwerkgevelswordt niet enkel bepaald door deslagregenbelasting op de gevel,cement 2004 5 77a b01 5103001351000.511.522.5Rh(mm/h)U10(m/s)01 5103001351000.511.522.5Rh(mm/h)U10(m/s)4 |Voorbeeld van de regen-druppelbanen rondgebouw `a' voor drup-pels met een diametervan 0,6 mm (links) en 2mm (rechts) bij een refe-rentiewindsnelheid U10van 5 m/s5a | Catch ratio's uitgezetals functie van wind-snelheid en horizontaleregenintensiteit (Rh)voor twee posities opgebouw `a'. De wind-richting is loodrecht opde gevel5b | Contouren van de catchratio's over de gevelvan gebouw `a' (Rh= 5mm/h, U10= 5 m/s)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBouwf ysicamaar ook door de opnamecapaci-teit en opnamesnelheid van hetgevelmateriaal. Afhankelijk vanhet gevelmateriaal en de begin-voorwaarden zal de slagregen vol-ledig kunnen worden opgenomendoor het materiaal of zorgen voorregenafloop. Om de frequentie enintensiteit van regenafloop tekwantificeren voor de verschil-lende gebouwtypen, is de catch-ratio-verdeling zoals verkregenmet de CFD-simulaties ge?mple-menteerd in een numeriek modelvoor de voorspelling van warmte-en vochttransport in bouwdelen.De kans op regenafloop is voor devier gebouwtypen berekend voorde hoek bovenaan en voor hetmidden van de gevel. De gevel ishierbij een spouwmuur met eenvoorspouwblad in baksteenmetsel-werk. Het vochtgedrag van dewand wordt ??ndimensionaal be-rekend, wat inhoudt dat het effectvan mortelvoegen op het vochtge-drag van de wand als verwaarloos-baar wordt verondersteld. Tweetypes baksteen worden be-schouwd: de eerste met een hogeopnamesnelheid en capaciteit (wa-terabsorptieco?ffici?nt 0,59kg/m2s1/2; capillair vochtgehaltewcap= 225 kg/m3), de tweede meteen lagere opnamesnelheid en be-perkte capaciteit (waterabsorptie-co?ffici?nt 0,14 kg/m2s1/2; capillairvochtgehalte wcap= 82 kg/m3).Figuur 6 toont de evolutie van hetgemiddelde vochtgehalte in hetvoorspouwblad, het vochtgehalteaan de buitenrand en de slagrege-nindex voor de bovenhoek vangebouw `a', zuidwest-geori?nteerd.Regenafloop treedt op als aan derand het capillaire vochtgehaltewcapis bereikt. De figuur linkstoont de vochtrespons in dewinter. Zowel de steen met hogeals met lage opnamecapaciteit ver-toont regenafloop, maar telkensals ook de totale steen capillair ver-zadigd is. Dit zal gebeuren na hetbufferen van vroegere slagregen? lichtjes verhoogd door onderkoe-lingscondensatie ? waarbij dedroging te beperkt is om na eenregenbui het vochtgehalte snel tedoen dalen. Gedurende de zomer(figuur rechts) buffert de steenmet hoge opnamecapaciteit alleslagregen voor de getoondeperiode. De steen met lagerebuffercapaciteit vertoont ??nmoment van regenafloop. De lagegemiddelde vochtgehaltes in dezomer zijn het gevolg van het in-tensief drogen gedurende zonnigeen warme dagen.Figuur 7 toont voor het gevelmate-riaal met de hoge opslagcapaciteithet percentage van de tijd dat erzich jaarlijks regenafloop voordoeten de totale hoeveelheid regenaf-loop per jaar en dit voor verschil-lende ori?ntaties van de gevel enverschillende locaties op de ver-schillende gebouwtypes. De ver-schillende windpatronen tengevolge van de hoogte van hetgebouw en de aanwezigheid vaneen opening of onderdoorgang,be?nvloeden enigszins de regenaf-loop op de bovenhoeken. Hetmidden van alle gebouwen is z?goed beschut voor slagregen datregenafloop niet voorkomt, metcement 2004 5786 |Verloop van het gemid-delde vochtgehalte, hetvochtgehalte aan de bui-tenrand en de slagregen-index voor de bovenhoekvan gebouw `a' met degevel zuidwest-ge?ri?n-teerd: links de vochtre-spons voor de wintersi-tuatie, rechts voor dezomer. De figuren boven-aan zijn voor de steenmet hoge opnamecapaci-teit, de figuren onderaanvoor de steen met lageopnamecapaciteit0501001502002501-jan 6-jan 11-jan 16-jan 21-jan 26-jan 31-janvochtgehalte(kg/m)0510152025slagregenindex(m/sl/mh)oppervlakgemiddeldindexwcap2305010015020025030-jul 1-aug 3-aug 5-aug 7-aug 9-aug 11-augoppervlakgemiddeldwcapvochtgehalte(kg/m)301020304050607080901-jan 6-jan 11-jan 16-jan 21-jan 26-jan 31-janoppervlakgemiddeldwcapvochtgehalte(kg/m)3010203040506070809030-jul 1-aug 3-aug 5-aug 7-aug 9-aug 11-augoppervlakgemiddeldwcapvochtgehalte(kg/m)3a bc dO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBouwf ysicauitzondering van het gebouw metde opening. De meeste regenaf-loop doet zich voor op de boven-randen van zuidwest-ge?rien-teerde gevels, maar eendetailstudie toont dat het meestalgaat om kleine intensiteiten,minder dan 2 l/m2h [3].K a n s o p r e g e n d o o r s l a gVoor de materialen die hierwerden bekeken tonen de bereke-ningen dat de grootste delen vande gevel relatief beschut zijn voorslagregen en dat ze voldoendebuffercapaciteit hebben om regen-afloop te voorkomen. Aan dezwaarbelaste punten van de gevel,zoals hoeken bovenaan en rondopeningen, doet zich wel af en toeregenafloop voor, maar met be-perkte intensiteit. Laboratoriumex-perimenten hebben aangetoonddat een aflopende waterfilm metzo'n lage intensiteit geen continuewaterfilm vormt over de openstootvoegen van gelijmd metsel-werk, wat de kans op regendoor-slag onder invloed van winddruk-ken aanzienlijk verkleint. Zolangde stootvoegen open blijven treedtimmers een nagenoeg perfectedrukvereffening op over het voor-spouwblad. Wel kan aflopendwater door adhesie en capillairezuiging (bij open stootvoegen metbeperkte breedte) voor een deel te-rechtkomen in de open stootvoe-gen. Dan zal de plaatselijke geo-metrie van de lijmvoeg bepalen ofhet water vanuit de open stootvoegopnieuw wordt afgevoerd naar debuitenzijde of doorslaat tot aan deachterzijde van het voorspouw-blad. Maar gezien de lage afloop-intensiteiten mag dit - mits eencorrecte uitvoering - geen proble-men geven, omdat de onderlig-gende, minder aan slagregenblootgestelde en dus drogere delenvan de gevel nog voldoende buffer-capaciteit overhebben om zowelaan de voor- als aan de achterzijdeaflopend water te absorberen. Dekans op schade ten gevolge van re-gendoorslag door gelijmd metsel-werk met open stootvoegen is ?mits een correcte detaillering ?dan ook eerder gering als het gaatom gevelstenen met vergelijkbareeigenschappen als in deze studie.Wel moet worden opgemerkt datvoor voorspouwbladen in beton-blokken de absorptieco?ffici?ntdoorgaans een grootte-ordekleiner is, wat aanleiding zalgeven tot veelvuldiger afloop engrotere afloopdebieten, en dus eenveel grotere kans op regendoor-slag. L i t e r a t u u r1. Blocken, B., Wind driven rainon buildings. Doctoraatsthesis.KU Leuven, LaboratoriumBouwfysica, 2004.2. Best, A.C., The size distribu-tion of raindrops. QuarterlyJournal of the Royal Meteoro-logical Society 76, 1950.3. Janssen, H., W. Desadeleer, B.Blocken en J. Carmeliet, Rainpenetration through thin layermortar brick facades with openvertical joints. 13thInterna-tional Brick and BlockMasonry Conference, Amster-dam, July 4-7th 2004.cement 2004 5 797 |Jaarlijks percentage vande tijd (T) dat er zichregenafloop voordoet ende totale hoeveelheidregenafloop per jaar (Q)T%QL/m yrT%QL/m yrT%QL/m yr?zuidwest4,2 245?zuidwest0 0?noordoost0,01 0,3zuidwest3,4 201zuidwest0 0?zuidoost0,6 44zuidwest3,2 188zuidwest0,6 23?zuidwest4,2 245zuidwest3,6 211zuidwest0 0?noordwest1,9 1642 2 2