Simon Van Audenhove

Vacuüm isolatie panelen in dunne gevelelementen.

Academiejaar 2012-2013Faculteit Ingenieurswetenschappen en ArchitectuurVoorzitter: prof. dr. Pieter UyttenhoveVakgroep Architectuur en Stedenbouw

Master in de ingenieurswetenschappen: architectuurMasterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: Stéphanie Mangé, Nathan Van Den BosschePromotoren: prof. Jan Moens, prof. dr. ir. Arnold Janssens

Simon Van Audenhove

Vacuüm isolatie panelen in dunne gevelelementen.

Academiejaar 2012-2013Faculteit Ingenieurswetenschappen en ArchitectuurVoorzitter: prof. dr. Pieter UyttenhoveVakgroep Architectuur en Stedenbouw

Master in de ingenieurswetenschappen: architectuurMasterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: Stéphanie Mangé, Nathan Van Den BosschePromotoren: prof. Jan Moens, prof. dr. ir. Arnold Janssens

Voorwoord

De manier van bouwen is de voorbije jaren sterk geëvolueerd en zal dit moeten blijven doen

om de gestelde klimaatdoelstellingen te behalen. Dit thesisonderwerp leek mij zeer

interessant omwille van de hedendaagse problematiek in de bouwpraktijk ten gevolge van

dikke isolatiepakketten. Dankzij nieuwe isolatiematerialen, zoals VIP's, kan een oplossing

voor de problemen gezocht worden. Om deze materialen effectief in de bouwwereld in te

voeren moet er zowel theoretische als praktische kennis opgebouwd worden. Het onderwerp

van deze thesis ligt, volgens mij, in de overgang van die theoretische kennis naar de

praktische toepassing van vacuümisolatiepanelen.

Bij de aanvang van deze masterproef zou ik graag enkele mensen willen bedanken die

bijgedragen hebben tot de realisatie van mijn eindwerk. Ik wil mijn promotoren en

begeleiders bedanken voor de uitstekende begeleiding, met in het bijzonder ir.arch Nathan

Van Den Bossche. Dankzij de snelle feedback en zijn professionele kennis kon ik dit werk tot

een goed einde brengen. Verder wil ik de mensen in mijn directe omgeving bedanken voor de

steun tijdens de stressvolle momenten. In het bijzonder wil ik mijn vriendin Jolien bedanken

voor het geduld en de aanmoediging gedurende dit laatste jaar van mijn studies.

Deze pagina is niet beschikbaar omdat ze persoonsgegevens bevat.Universiteitsbibliotheek Gent, 2021.

This page is not available because it contains personal information.Ghent University, Library, 2021.

Vacu*m isolatie panelen in dunne gevelelementen

Simon Van Audenhove

Promotoren: prof. Jan Moens, prof. dr. ir. Arnold Janssens Begeleiders: St0phanie Mang0, Nathan Van Den Bossche

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur

Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. Pieter Uyttenhove Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2012-2013

SamenvattingVacu*misolatiepanelen bestaan uit een microporeus kernmateriaal dat omhuld wordt door een barrièrefolie met een hoge lucht- en dampdichtheid. Door een vacu*m in de kern te creeren kan de conductie via gasmoleculen bijna volledig uitgesloten worden. De panelen hebben daardoor een zeer lage thermische warmtegeleidingscoefficient. De initiele λ-waarde is ongeveer 0,004 W/m.K. Dit is typisch 5 tot 10 keer lager dan traditionele isolatiematerialen als polyurethaan of minerale wol. Hierdoor kan een vacu*misolatiepaneel met een dikte van 2 cm even sterk isoleren als een laag polyurethaan van 10 cm of minerale wol van 16 cm dik. Het belangrijkste voordeel van vacu*misolatiepanelen is dus ongetwijfeld de geringe dikte.

Een belangrijk aandachtspunt bij de toepassing van VIP's is het feit dat de omhullende folie zeer kwetsbaar en gevoelig voor schade is. Bij beschadiging van de dunne folie (ongeveer 0,1 mm) gaat het vacu*m verloren en stijgt de warmtegeleidingscoefficient van het kernmateriaal van 4 mW/m.K naar 20 mW/m.K. Elk mogelijk risico op schade moet dus beperkt worden. Dit betekent dus ook dat vacu*mpanelen niet verzaagd of mechanisch bevestigd kunnen worden. Er moet gewerkt worden met standaardafmetingen, welke vaak een veelvoud van 250 of 300 mm zijn. Veelvoorkomende standaardmaten zijn 600 x 500 mm, 600 x 1000 mm en 1000 x 1200 mm. De barrièrefolie bestaat meestal uit een aantal lagen kunststoffolies met een zeer dunne opgedampte aluminium-laag. De warmtegeleidingscoefficient van de barrièrefolie ligt, omwille van deze opbouw, typisch 2000 maal hoger dan die van het kernmateriaal. Hierdoor ontstaan er aan de randen van de VIP's kleine thermische koudebruggen waardoor de effectieve λ-waarde van de panelen stijgt. Samen met de toename van de interne luchtdruk en het watergehalte in het paneel, ten gevolge van infiltraties doorheen de folie, zorgen deze koudebruggen ervoor dat de effectieve λ-waarde van VIP's ongeveer 8 mW/m.K is.

Dunne gevelsystemen kunnen worden opgesplitst in drie types: gevels met sandwichpanelen, elementengevels en gordijngevels. Een eerste dunne gevelsysteem bestaat uit geprefabriceerde sandwichpanelen die typisch opgebouwd zijn uit een dikke isolerende kern met aan beide zijden een dun plaatmateriaal. De materialen die het meest gebruikt worden zijn polyurethaan isolatie en staal of aluminium binnen- en buitenplaten. De drie lagen werken

A

samen als 00n geheel door de platen en de kern te verbinden. De interne krachtenverdeling in een sandwichpaneel kan vergeleken worden met de werking van een I-ligger. De buitenplaten nemen de normaalkrachten en momenten in de doorsnede op. De kern, die als een soort afstandshouder werkt, neemt de schuifkrachten op. Wanneer VIP's de kern van een sandwichpaneel zouden uitmaken moet de barrièrefolie aan de plaatmaterialen verbonden worden door middel van een adhesief. Deze verbinding is problematisch door falen van het adhesief. Er wordt geconcludeerd dat de toepassing van VIP's in verdiepingshoge sandwichpanelen voor buitengevels niet aan te raden is. Dit omwille van de zwakke verbinding tussen de barrièrefolie en het plaatmateriaal. Ook kan er delaminatie van de folie optreden en wordt de buigstijfheid van de VIP's bij verlies van het vacu*m ongeveer gehalveerd.

Het tweede gevelsysteem dat onderzocht wordt in het kader van deze thesis is een elementengevel. Dit systeem bestaat uit grote geprefabriceerde, verdiepingshoge elementen die aan de draagstructuur van het gebouw worden opgehangen. Dankzij de prefabricatie en het unieke bevestigingssysteem kan er met just-in-time leveringen gewerkt worden en is er een steigerloze montage mogelijk. De onderlinge aansluiting van de elementen vraagt een aandachtige detaillering en plaatsing om de lucht- en waterdichtheid van de gevel te verzekeren. De dichting van de naden worden typisch met een aantal rubberprofielen uitgevoerd. Water dat toch voorbij de eerste rubber geraakt wordt via een drainageholte opnieuw naar buiten afgevoerd. De toename van de U-waarde ten gevolge van de extra warmteverliezen ter hoogte van de aansluitingen varieert sterk. Specifiek voor de uitgevoerde thermische simulaties stijgt de oorspronkelijke U-waarde met 33,3 tot 82,8 %. VIP's kunnen onder bepaalde omstandigheden de kern van invulpanelen vormen. Er moet uiteraard aandachtig naar de thermische aansluitingen van deze invulpanelen gekeken worden maar ook naar de interne spanningen ten gevolge van de aangrijpende belastingen. Het belangrijkste voordeel van de toepassing van VIP's in gevelelementen is voornamelijk de hoge graad van bescherming door prefabricatie van de elementen.

Een derde en laatste gevelsysteem is de gordijngevel. Dit type gevel wordt, in vergelijking met elementengevels, in situ met losse onderdelen tot 00n geheel opgebouwd. Er wordt gebruik gemaakt van standaardprofielen om een grid van verticale stijlen en horizontale regels te vormen. De stijlen lopen over verschillende verdiepingen door en worden aan de vloerrand bevestigd. Deze stijlen dragen het eigengewicht van de gevel en vangen de windbelasting op. Tussen de stijlen worden op bepaalde afstanden regels geplaatst zodat er een grid ontstaat waarin invulpanelen geplaatst kunnen worden. Vergeleken met de aansluitingen van de gevelelementen is de gemiddelde effectieve U-waarde van de aluminium gordijngevel-aansluitingen 15 % lager. Na meerdere jaren onderzoek zijn de eerste toepassingen van VIP's in gordijngevels reeds een feit. Hierbij worden de VIP's als kernmateriaal van opake invulpanelen gebruikt. Aangezien de plaatsing van deze invulpanelen in situ gebeurt moeten ze op de werf gestockeerd en gehanteerd worden. De nodige voorzichtigheid om beschadiging van de panelen te vermijden is dus nodig. Een tweede nadeel is de beperkte paneeldikte die met de profielen ingeklemd kan worden. Hierdoor is de haalbare minimale U-waarde van vacu*m geïsoleerde gordijngevels beperkt.

Uit de literatuurstudie en voorgaande systeemonderzoeken blijkt dat de toepassing van vacu*misolatiepanelen in dunne gevels een groot potentieel heeft. Er wordt daarom een nieuw gevelsysteem ontworpen dat gebruik maakt van VIP's. Bij het ontwerpen van dit eigen gevelsysteem wordt met verdiepingshoge elementen gewerkt van 3,5 meter. De gestelde

B

richtwaarden voor de warmtedoorgangscoefficient en de n50 luchtdichtheidswaarde zijn respectievelijk 0,15 W/m2.K en 0,6 /u. Om de bouwkost en -tijd te beperken is de buitenzijde van de gevel meteen na plaatsing afgewerkt en is een steigerloze montage mogelijk. Het binnenblad is ook bijna volledig afgewerkt zodat er geen of slechts beperkte handelingen in situ nodig zijn.

Om een rationele materiaalkeuze te kunnen maken worden eerst een reeks materialen vergeleken. Zo worden de eigenschappen van onder andere vezelcement, volkern, glas, ultra hoge sterkte beton en multiplex besproken. Ook de keuze van het materiaal van de randprofielen is zeer belangrijk. Hier worden aluminium, roestvast staal, PVC en glasvezelversterkte kunststoffen vergeleken. Uiteindelijk wordt er, voor het ontwerpen van het gevelsysteem, gekozen voor geemailleerd glas aan de buitenzijde en gelamineerd fineerhout aan de binnenzijde verbonden met GFRP-profielen. Gelamineerd fineerhout heeft een uitstekend sterkte-gewicht ratio, een hoge maatvastheid en een lage thermische uitzettingscoefficient. Een belangrijk voordeel van geemailleerd gehard glas is de hoge weervastheid en eveneens de lage thermische uitzettingscoefficient. GFRP-profielen combineren dan weer een hoge sterkte met een relatief lage warmtegeleidingscoefficient.

De ontworpen aansluitingen worden thermische geanalyseerd aan de hand van Bisco en vervolgens een aantal keer geoptimaliseerd. Zo werd onderzocht wat het effect is van de plaatsing van een dubbele laag vacu*mpanelen zodat de panelen aan de randen onderling kunnen verspringen. De lineaire warmtedoorgangscoefficient Ψ kon gemiddeld van 0,0685 naar 0,054 gebracht worden. Ook werd de invloed van de dikte van het randprofiel op de Ψ-waarde van de aansluiting onderzocht. Zoals verwacht dalen de warmteverliezen ten gevolge van de aansluiting naarmate het randprofiel dunner wordt. Vergeleken met 2,5 mm dikke randprofielen liggen de Ψ-waarden bij 1,5 mm dikke profielen gemiddeld 12,3 % lager. Een derde ingreep, waarbij er met VIP's van ongelijke dikte wordt gewerkt, kan de warmteverliezen doorheen de aansluiting nog verder minimaliseren. Maar aangezien er sterk moet ingeboet worden aan flexibiliteit wordt hiermee niet verder gewerkt. Het uiteindelijke gevelsysteem haalt een U-waarde van 0,148 W/m2.K met slechts een dikte van 95,5 mm.

Vergeleken met traditionele passiefbouw is het nieuwe vacu*m geïsoleerde gevelsysteem 539 % dunner. Dit levert een aanzienlijke extra hoeveelheid nuttige vloeroppervlakte op. Bovendien zijn de gevelpanelen 1,5 tot 6 keer lichter dan traditionele gevelsystemen met gelijke isolatiegraad. Een derde belangrijk voordeel van het nieuwe passieve gevelsysteem ten opzichte van de traditionele bouwpraktijk is de mogelijkheid snel te bouwen, wat de kostprijs extra kan drukken.

Uit de systeemonderzoeken in combinatie met de literatuurstudie kan geconcludeerd worden dat de toepassing van vacu*misolatiepanelen vooral interessant is in geprefabriceerde gevelelementen. Aangezien de vacu*misolatiepanelen hierbij enkel in de fabriek onder gecontroleerde omstandigheden gehanteerd worden, is het risico op beschadigingen sterk beperkt. Bij de plaatsing op de werf worden de VIP's bovendien goed beschermd. Er werd in deze thesis een nieuw gevelsysteem ontworpen dat dankzij de toepassing van VIP's een U-waarde kleiner dan 0,15 W/m2.K kan halen met slechts een dikte van 95,5 mm.

TrefwoordenVacu*m Isolatie Panelen, superisolerende materialen, dunne gevels, elementengevel

C

Vacuum insulation panels in thin facade

elements

Simon Van Audenhove

Supervisor(s): Jan Moens, Arnold Janssens

Abstract - This paper explains the research about the

feasibility of the application of vacuum insulation panels

in thin facades. The research consist of a theoretical part

were existing thin facade systems are analysed and a

practical part were a new vacuum insulated facade

system is designed.

Keywords - Vacuum Insulation Panel, superinsulating

materials, thin facades, unitised facade

I. INTRODUCTION

In the past decennia the construction methods of

buildings have greatly evolved, influenced by the

imposed energy performance of building directive. To

reduce the thermal losses through the building

envelope the thickness of insulation layers are

increased drastically. Whereby the total thickness of

brick or timber walls for passive houses can easily

reach 50 centimeters. This really thick walls entails a

lot of technical problems or disadvantages like loss of

useable floor area, increasing complexity in detailing

and increasing material and transporting costs. In this

perspective the application of new superinsulating

materials, like vacuum insulation panels can be very

promising.

II. VACUUM INSULATION PANELS

Vacuum insulation panels consist of three main

elements: a porous core material, a thin air and vapor

tight barrier envelope and a vacuum. By evacuating

the air from the core material, typically silica fume,

the heat transfer by convection is suppressed. Due to

the low internal pressure the thermal conductivity of a

VIP is around 4 mW/m.K which is a factor of 5 to 10

lower than that of conventional thermal insulating

materials. There are however two important

considerations about the application of VIPs.

The barrier envelope consists typically of two or

three thin metalized polymer foils, laminated together

to form an envelope with a low air and vapor

permeability. Because of the metalization with

aluminium the thermal conductivity of the foil is 2000

times higher than that of the core. As a result there are

non negligible additional heat losses at the panels

edges. This thermal bridge effect increases the centre-

of-panel thermal conductivity λCOP with a factor called

the linear thermal transmittance Ψedge. Which value

depends of the barrier materials, the panel thickness

and the ratio of panel circumference to surface area.

Secondly there is an increase of the thermal

conductivity of the vacuum panels caused by

infiltration of air and moisture through the barrier foil

over time. The equivalent λ-value of a vacuum panel

with dimensions of 0,610 x 0,305 x 0,020 m3, a

metalized foil and Ψvip, edge 0,0054 W/m.K is about 8,06

mW/m.K.

The second consideration about VIPs has to do with

the fragility of the barrier foil. The thicknesses of the

most common foils are only around 90 μm. Therefore

the panels are easily damaged which causes loss of the

vacuum. At atmospheric pressure the thermal

conductivity increases with a factor of 5 [2].

III. IMPLEMENTATION IN FACADE SYSTEMS

There can be distinguished three main thin facade

types: sandwich facade panels, unitised facades and

curtain walls. It was found that the application of VIPs

as a core material of storey-high sandwich panels is

not feasible because of mechanical reasons. The

connection between the barrier envelope and the

internal or external sheets has an insufficient strength.

There also can occur delamination of the foil under

certain external forces [3]. Very recently, the first

commercial applications of VIPs in unitised facade

elements and curtain walls were developed. The

vacuum insulation panels are used as the core of

opaque infill panels. Since curtain walls are assembled

in situ these infill panels must be stored and handled

on site. This is a major disadvantage of the application

in curtain walls compared to unitised facades. Here the

VIPs are placed between the outer and inner plates in

the controlled environment of a factory. The facade

elements are delivered just-in-time to mount them

with special anchors to the building structure.

IV. DESIGN VACUUM INSULATED ELEMENTS

Based on the previous study, a new vacuum

insulated facade system is designed, which must meet

some predetermined requirements like a heat transfer

coefficient less than 0,15 W/m2.K and an airtightness

value n50 of at least 0,6 /h. The panels consist of an

inner plate laminated veneer lumber (33 mm), an outer

glass pane (8 mm) and glass fiber reinforced plastic

D

edge profiles. The connection between the LVL-plate

and the GFRP is carried out with an thin layer of

epoxy adhesive [1]. The connection between the glass

and the edge profiles uses a thicker, more elastic layer

of silicone adhesive [4].

The horizontal and vertical joints of the facade

elements are designed and optimised by using the

thermal simulation software Bisco. The joints are

shaped like a tongue and groove connection to

increase the resistance against air and water

penetration. By using specific rubber profiles the

watertightness is provided, while the airtightness is

ensured by compressing an open cell urethane foam

on the inside of the facade. A first examined

adjustment to the joints was by splitting the single

layer vacuum panels with a thickness of 40 mm into a

double layer of 20 mm VIPs. By shifting these two

layers the linear thermal transmittance Ψ of the joints

could be lowered from 0,0685 to 0,054 W/m.K. A

second adjustment that was tested was reducing the

thickness of the GFRP-profiles. By changing the

thickness from 2,5 to 1,5 mm the Ψ-value could be

lowered with 12,3 %. A third and last examined

adjustment is the use of two layers of vacuum panels

with a different thickness. However the Ψ-value could

be further reduced to 0,045 W/m.K, the impact of this

adjustment on the flexibility of the facade system is

too big.

V. IMPACT NEW FACADE SYSTEM

Due to the very low thermal conductivity of VIPs

the new designed facade system can reach a U-value

of 0,148 W/m2.K with only a thickness of 95,5 mm.

This is compared with existing wall thicknesses of

passive buildings about 539 % thinner. This means

that the usable floor area of a building can increase

drastically. Depending on the total facade length and

the floor area this increase can be around 10 %. These

additional square meters can in turn increase the total

rental or sale price of the building.

A second advantage of the new facade system in

comparison with traditional strong insulated facades is

the low weight. This weight is a factor of 1,5 to 6

lower than traditional brick or timber facades. This

means a much lower total mass that has to be handled

and transported, by consequence also the total

emission of greenhouse gasses drops.

A third and final, no to underestimate, advantage is

the ability to build very quick and accurate. By

working with prefabricated elements the total

construction time is greatly shortened. This will also

decrease the total building cost since the wage cost

makes up for a large share of this total building cost.

VI. CONCLUSIONS

From the research of existing facade systems in

combination with a specific literature study was found

that the application of VIP's is especially interesting in

prefabricated, unitised facades. Since the vacuum

insulated panels are only handled in the controlled

environment of the factory, the risk of damage is

strongly limited. When installed on the construction

site the VIPs are protected from potential damage.

Thanks to VIPs the designed facade system has a U-

value lower than 0,15 W/m2.K with only a thickness of

about 95,5 mm. After installation the exterior and

interior of the facade are quasi completely finished.

This fast building method, the creation of additional

useable floor area and the possible savings on

materials and transport can make this system

economically beneficial.

By optimising the horizontal and vertical joints the

linear thermal transmittance was reduced. This value

could still be lowered by decreasing the thickness of

the edge profiles. By designing the most common

connections with other building elements it was

proven that the thermal continuity and the water- and

airtightness of the building envelope can be assured.

ACKNOWLEDGEMENTS

I would like to thank my supervisors for the support

and professional guidance in the process of writing

this thesis.

REFERENCES

[1] Raftery, G.M. Harte, A.M. and Rodd, P.D. (2009). 'Bonding

of FRP materials to wood using thin epoxy gluelines'.

International Journal of Adhesion & Adhesives, 29: 580–588.

[2] Tenpierik, M.J. and Cauberg, H. (2007). 'VIP integrated

facade designs: the advantage of combining high thermal

performance with limited construction thickness', The 24th

Conference on Passive and Low Energy Architecture.

Figure 1: Overview of Ψ-values of the different adjustments

calculated with Bisco. Type 0 = 40 mm VIP, type 1 = double

layer of VIPs without shift, type 2 = symmetrical placed

double layer, type 3= asymmetrical placed double layer and

type 4 = two different thicknesses.

E

National University of Singapore, 22-24 november.

Singapore.

[3] Tenpierik, M.J. (2010). 'Vacuum Insulation Panels Applied in

Building Constructions'. Dissertation. TU Delft.

[4] Tomasi, A. Mocibob, D. van de Linde, B. Wellershoff, F. en

Koldtoft, K. (2013). 'TEC facade - Glass as functional facade

element'. COST Action TU0905, Mid-term Conference on

Structural Glass – Belis, Louter & Mocibob (Eds), Taylor &

Francis Group. 18-19 april, Porec.

F

G

6365676870717273757679828284868686879091929497100108109110112

H

Gebruikte afkortingen en symbolen

CLT cross laminated timberEPB energieprestatieregelgevingEPS geexpandeerd polystyreen isolatieGFRP glass fiber reinforced plasticHDPE high density polyethyleenHPL high pressure laminateLVL laminated veneer lumberMDF medium-densified fibreboardOSB oriented strand boardPE polyethyleenPET polyethyleentereftalaatPIR polyisocyanuraatPUR polyurethaan isolatiePVC polyvinylchlorideRVS roestvast staalS-MW structurele minerale wolTV technische voorlichtingUHPC ultra high performance concreteVIP vacu*misolatiepaneelXPS geextrudeerd polystyreen isolatie

λCOP [W/m.K] centre-of-panel warmtegeleidingscoefficientλeff [W/m.K] effectieve warmtegeleidingscoefficientΨ [W/m.K] lineaire warmtedoorgangscoefficientE [MPa] elasticiteitsmodulusI [mm4] traagheidsmomentR [m2.K/W] warmteweerstandRw [dB] gewogen geluidsreductie indexU [W/m2.K] warmtedoorgangscoefficient

I

Hoofdstuk 1: Inleiding

1.1. KaderDe klimaatsveranderingen van de voorbije decennia hebben de aandacht sterk gevestigd op het minimaliseren van de uitstoot van broeikasgassen. De energievraag voor de verwarming en koeling van gebouwen heeft een groot aandeel in de totale uitstoot van deze broeikasgassen. Bijgevolg kan het verlagen van de energiebehoefte van gebouwen een sterke impact op de globale uitstoot hebben. Die energiebehoefte is voornamelijk voor het verwarmen en koelen van ruimtes en kan drastisch verminderd worden door de thermische weerstand van de gebouwschil te verhogen. De laatste jaren is er omwille van deze problematiek een enorme evolutie in de bouwsector op gang gebracht. Onder invloed van strenge Europese regelgevingen1 wordt het isolatiepakket in de gebouwschil steeds dikker.

Deze recente regelgevingen hebben geleid tot de ontwikkeling van passieve gebouwen, lage energiewoningen en nulenergiewoningen. Om de hoge isolatiegraad van deze gebouwen te behalen zijn zeer dikke muurpakketten nodig. Muurdiktes van 50 cm zijn geen uitzondering bij nieuwbouw passiefhuizen2. In het algemeen blijft er, ondanks de evoluerende regelgeving, zeer traditioneel gebouwd worden met bijgevolg vele problemen en nadelen. De dikke muren hebben nadelen zoals het verlies van bruikbare vloeroppervlakte, een verminderde lichtinval en een aanzienlijke hoeveelheid extra bouwmateriaal en bijhorende extra bouwkost.

1.2. DoelstellingenHet doel van deze thesis is de haalbaarheid van de toepassing van vacu*misolatiepanelen in dunne gevelsystemen te onderzoeken. Dit onderzoek gebeurt op basis van de bestaande uitgebreide theoretische kennis van vacu*misolatie en enkele geringe praktisch toepassingen van VIP's. Hieruit worden aanbevelingen voor VIP's als gebouwisolatie in het algemeen, en als gevelisolatie in het bijzonder, afgeleid. Om dieper in te gaan op de technische opbouw van dunne gevels worden bestaande gevelsystemen onderzocht en onderling vergeleken. De toepassing van VIP's als isolerend materiaal in deze verschillende systemen wordt besproken aan de hand van thermische, constructieve en praktische overwegingen. Zo wordt er gekeken naar de mogelijke impact van VIP's in sandwichpanelen, elementen- en gordijngevels.

De resultaten uit deze systeemonderzoeken worden samen met de bevindingen uit een specifieke literatuurstudie gecombineerd met als doel een eigen gevelsysteem te ontwerpen. De voor- en nadelen van verschillende toepasbare materialen worden besproken en vergeleken. Het gevelsysteem wordt verder ontworpen door verschillende bouwknopen uit te tekenen. Ten slotte worden de belangrijke aandachtspunten en bevindingen samengebracht om een duidelijk beeld te krijgen van de voor- en nadelen, de moeilijkheden en de mogelijkheden van de incorporatie van dit vrij nieuwe isolatiemateriaal in dunne gevels.

1.3. Opbouw thesisDeze masterthesis bestaat uit twee gedeelten, namelijk een onderzoeksgedeelte en een ontwerpgedeelte. Allereerst wordt er een literatuurstudie uitgevoerd met een overzicht van de bestaande theoretische kennis van vacu*misolatiepanelen. Er wordt tevens een samenvatting

1 Voornamelijk bepaald door de EPBD-richtlijn (Energy Performance Building Directive).2 Zoals kan worden vastgesteld uit een reeks technische details opgesteld in opdracht van Stad Gent door

Passiefhuis-Platform vzw en Vibe vzw.

1

van de belangrijkste experimentele onderzoeken gegeven. In hoofdstuk 2 worden de belangrijkste kenmerken van VIP's besproken met specifiek aandacht voor de concrete toepassing ervan. Vervolgens zijn er drie hoofdstukken waarin telkens een bestaand gevelsysteem geanalyseerd wordt. Voor zowel sandwichpanelen, elementengevels als gordijngevels worden onder andere de structurele werking, de opbouw, de gebruikte materialen en de thermische prestaties onderzocht. Deze systeemonderzoeken worden als basis gebruikt om in hoofdstuk 6 over te gaan naar het ontwerpluik van deze thesis. Hier wordt het ontwerpproces stapsgewijs uitgelegd. De mogelijke impact van dit nieuw ontworpen gevelsysteem wordt vervolgens in hoofdstuk 7 besproken. Als laatste worden in hoofdstuk 8 de conclusies van deze thesis en verdere bemerkingen uitgeschreven.

1.4. Literatuurstudie

1.4.1. Inleiding

Sinds de uitvinding van vacu*misolatiepanelen in 1930 zijn er talloze onderzoeken en experimenten uitgevoerd. De eigenschappen van isolerende panelen zijn bijgevolg sterk geevolueerd door vele technologisch vernieuwingen en de ontwikkeling van nieuwe materialen. Sinds 1964 worden nanoporeuze materialen voor de kern van de panelen gebruikt. Vele materialen werden onderzocht, zowel voor de isolerende kern als voor de luchtdichte barrièrefolie. De panelen kennen hier voornamelijk een toepassing in koelkamers, transportcontainers of elektrische verwarmingselementen. Maar sinds de jaren 90 is het toepassingsgebied van VIP's sterk uitgebreid door het onderzoek naar de toepassing ervan als gebouwisolatie. In vergelijking met de toepassing in containers is de eis naar duurzaamheid en levensduur van VIP's in bouwelementen veel groter. De isolerende panelen dienen zeker 30 tot 50 jaar hun functie correct te vervullen [14]. De voorbije decennia werden er verschillende testgebouwen opgericht om de concrete toepassing van VIP's te onderzoeken. Er zijn enkele interessante projecten, zowel renovatie als nieuwbouw, waarbij VIP's in gevels werden toegepast. De belangrijkste projecten worden in dit hoofdstuk geanalyseerd om de kwaliteiten mee te nemen in het verder onderzoek, maar ook om te leren uit de gemaakte fouten.

De thermische eigenschappen van VIP's zijn reeds uitvoerig bestudeerd en worden beschreven in rapporten van experimentele en theoretische studies, uitgevoerd door zowel fabrikanten als academische instellingen. Een duidelijk overzichtswerk waarin de vele onderzoeksaspecten die bij het werken met vacu*mpanelen aan bod komen is het verslag van het IEA/ECBCS Annex 39 HiPTI-project [5]. In dit vier jaar durende project onderzocht een internationaal team van experten de fundamentele eigenschappen van VIP's en de vereisten voor de toepassing ervan als gebouwisolatie.

Om de twee jaar vindt sinds 1993 een International Vacuum Insulation Symposium plaats waar talloze lezingen en workshops worden georganiseerd voor alle geïnteresseerden. Deze twee dagen durende conferenties zijn een goede bron van onderzoeksmateriaal en zijn tevens een drijfveer voor verder onderzoek en uitwisseling van kennis. Verder zijn er vele onderzoeksrapporten in gespecialiseerde tijdschriften te vinden. Als laatste geeft het doctoraat van Martin Tenpierik aan de TU Delft een zeer uitvoerig overzicht van de theoretische en praktische ervaringen met VIP's [30].

In deze literatuurstudie wordt een samenvatting gegeven van de uitgebreide beschikbare literatuur over VIP's. De belangrijkste theoretische aspecten worden uitgelegd en deze kennis wordt gebruikt voor de toepassing van vacu*mpanelen in de bouwpraktijk. Aan de hand van

2

enkele cruciale experimentele toepassingen worden adviezen of tips gezocht voor de correcte toepassing van VIP's in bouwelementen. Er wordt gefocust op de toepassing in gevels omdat dit het dichtste aansluit bij de doelstellingen van deze masterproef.

1.4.2. Context

Door de steeds strengere eisen naar de thermische prestatie van de gebouwschil zijn zeer grote hoeveelheden isolatie nodig. Vele traditionele isolatiematerialen kunnen niet aan deze eisen voldoen, en deze die dit wel kunnen zullen aanzienlijk dikker worden. Deze diktetoename brengt vele nadelen met zich mee, zoals onder andere het verlies van nuttige vloeroppervlakte en de bijhorende economische gevolgen. Maar meer isolatie betekent ook meer massa die geproduceerd, getransporteerd en gehanteerd dient te worden. Er zijn bijgevolg meer en zwaardere machines nodig, wat een verhoogde uitstoot van broeikasgassen met zich meebrengt. De afstanden tussen het binnen- en buitenspouwblad worden, door de dikke isolatielagen, steeds groter. Dit vraagt zwaardere spouwankers waardoor er puntkoudebruggen verspreid over de gevel ontstaan. Ook ramen kunnen niet meer eenvoudig ondersteund worden door de grote dikte van de isolatielaag. Zwaardere ankers moeten gebruikt worden om de excentriciteit in de verbindingen te weerstaan. Ook bij sandwichpanelen brengt de toenemende isolatiedikte problemen met zich mee. De dikkere schuimlagen vragen een complexere temperatuurbehandeling omdat de curing van dikke lagen isolerend schuim zeer moeilijk is [23]. Het is dus duidelijk dat we een manier moeten vinden om dikke isolatiepakketten te vermijden en toch te voldoen aan de strenge eisen naar thermische prestaties van de bouwhuid.

Een mogelijke manier om deze doelstelling te bereiken is door de toepassing van nieuwe sterk isolerende materialen. Door materialen met een lagere lambda-waarde te gebruiken, kan de gevraagde warmtedoorgangscoefficient gehaald worden met dunnere isolatielagen. Vacu*misolatiepanelen hebben een lambda-waarde die 5 tot 10 keer lager is dan traditionele isolatiematerialen zoals polystyreen, polyurethaan of minerale wol. Bijgevolg kan een vacu*misolatiepaneel met een dikte van 2 cm even sterk isoleren als een laag polyurethaan van 10 cm of minerale wol van 16 cm dik. Met dit eenvoudig voorbeeld wordt het enorme potentieel van vacu*mpanelen als isolatie in gebouwen snel duidelijk. De dikte van isolatielagen kan door de toepassing van VIP's terug naar 'normale' dimensies. Bijgevolg kan er eenvoudiger en goedkoper gebouwd worden, zonder hierbij de thermische kwaliteit van de bouwschil te verwaarlozen.

Vacu*misolatiepanelen zullen conventionele isolatiematerialen nooit vervangen, maar wel complementeren, stellen Binz en Steinke [4], dit omdat VIP's significant duurder zijn. Dit komt onder andere doordat het een vrij recent product is, dat nog maar net gecommercialiseerd werd. De kostprijs wordt verwacht te dalen door het optimaliseren van het productieproces. De hogere prijs kan vaak gerechtvaardigd worden door bepaalde interessante voordelen. Deze voordelen zijn vooral verbonden aan plaatsbesparing. Pool Architekten vatten het belangrijkste voordeel van VIP's als volgt samen. 'VIP is economically viable where a restriction on the building size and a good energy standard are paired with high real estate prices and/or building costs' [24]. Ook worden er door hen nog andere redenen aangegeven om de keuze voor VIP's te argumenteren. Zo spelen psychologische en idealistische factoren van de klant ook een rol. Het gebruik van VIP's kan bijvoorbeeld dunnere buitenmuren mogelijk maken waardoor de slagschaduw verminderd wordt en de lichtinval optimaal benut wordt.

3

In de informatiebrochure van Variotec, een producent van VIP's, worden de voordelen van de toepassing van vacu*misolatiepanelen in passiefbouw kwantitatief besproken [39]. Er wordt berekend dat de toepassing van VIP's in een voorbeeldwoning van 100 m2 een winst van 10 m2 nuttige oppervlakte kan opleveren. In het geval van het appartements- en kantoorgebouw ontworpen door Pool Architekten brengt de toepassing van vacu*misolatiepanelen een besparing van 1 m2 per 4 lopende meter gevel met zich mee. Zo wordt er 125 m2 extra bruikbare vloeroppervlakte gecreeerd, wat 10% van de totale oppervlakte van dit gebouw is. De hoge vastgoedprijzen in het centrum van M*nchen rechtvaardigen hier de keuze voor VIP's [24].

1.4.3. Eigenschappen VIP's

Uiteraard zijn de thermische eigenschappen van VIP's zeer belangrijk. Maar omdat in deze masterproef de toepassing van VIP's in gevelsystemen wordt onderzocht, wordt ook gefocust op de mechanische en akoestische eigenschappen.

De warmtestroom doorheen vacu*misolatiepanelen gebeurt op vier manieren: geleiding door het vaste materiaal, geleiding en convectie door gassen en straling doorheen het materiaal. Door het aanbrengen van een bijna perfect vacu*m in het kernmateriaal wordt de convectie door gassen quasi geelimineerd. De geleiding door gassen kan ook sterk beperkt worden door dit vacu*m aan te brengen in een materiaal met zeer kleine porien. Wanneer de poriendiameter van het kernmateriaal kleiner is dan de gemiddelde vrije bewegingsruimte van de gasmolecules, zijn er zelden botsingen tussen gasmoleculen onderling. De energieoverdracht doorheen het kernmateriaal is bijgevolg zeer klein. Daarom bestaan VIP's uit een nano-poreus kernmateriaal onderworpen aan een onderdruk van 1mbar of 100 Pa. Deze ingreep zorgt voor de lage lambda-waarde van het kernmateriaal van 0,003 à 0,005 W/m.K, ook wel de centre-of-panel warmtegeleidingscoefficient (λCOP) genoemd. Deze waarde is in vergelijking met minerale wol tien keer lager [1].

Het poreuze kernmateriaal wordt omhuld door een lucht- en dampdichte folie om de gecreeerde onderdruk te kunnen behouden. Er bestaan verschillende types omhullende folies die volgens Baetens et al. op te delen zijn in vier categorieen [2]. Afbeelding 1 toont vier mogelijke samenstellingen van lucht- en dampdichte folies. Een eerste type bestaat uit een centrale aluminiumfolie, gelamineerd tussen een PET-laag aan de buitenzijde voor krasbestendigheid en een PE dichtingsfolie aan de binnenzijde van de vacu*misolatiepanelen. Aluminium wordt verkozen boven andere folies door de zeer lage permeabiliteit. Een tweede type folie bestaat ook uit een PE dichtingsfolie en een beschermende PET-laag, maar centraal wordt er een gemetalliseerde folie gebruikt. Deze folie is gecoat met een zeer dunne laag aluminium. Een derde type folie bestaat uit drie lagen gemetalliseerde polymeerfolie en het laatste type bestaat uit verschillende lagen polymeerfolies. De warmtegeleidingscoefficient van dit laatste type folie is relatief laag en ligt typisch in de buurt van 0,5 W/m.K. Gelamineerde gemetalliseerde aluminium-folies scoren qua thermische geleiding met 200 W/m.K veel slechter. Een belangrijk nadeel van polymeerfolies is de snelle toename van de λCOP-waarde door de hoge gas- en dampdoorlatendheid. Hierdoor hebben de panelen met polymeerfolies een relatief korte levensduur en zijn ze niet geschikt voor de toepassing als gebouwisolatie.

4

De combinatie van de sterk warmtegeleidende barrièrefolie met het uitstekende warmte-isolerende kernmateriaal heeft een aanzienlijk effect op de totale thermische prestatie van een geheel VIP-systeem. Aan de randen en de hoeken van vacu*misolatiepanelen ontstaan er thermische koudebruggen ten gevolge van het sterk geleidende aluminium in de omhullende folie [Afbeelding 2]. De U-waarde in het midden en aan de rand van de panelen verschilt sterk. Dit heeft een verhoging van de globale U-waarde tot gevolg. Alsook is er risico op condensatie ter hoogte van de koudste punten. Het koudebrugeffect is afhankelijk van het type en de dikte van de folie, de afmetingen van het paneel, de λCOP van de kern en de afwerking van de naad van de folie.

Naast het koudebrugeffect door de omhullende folie dient er ook rekening gehouden te worden met verouderingseffecten van het kernmateriaal. Op lange termijn stijgt de λ-waarde van het kernmateriaal ten gevolge van de infiltratie van waterdamp en lucht doorheen de folie. De mate waarin de gassen infiltreren hangt af van de eigenschappen van de folie en van de omgevingsfactoren. De levensduur van VIP's is volgens Simmler en Brunner de tijd vanaf de productie tot het moment waarop de λCOP gestegen is tot 8 mW/m.K [27]. Typisch is er een stijging van 2,3 mW/m.K over 25 jaar te verwachten voor vacu*mpanelen3. Hoe hoger de omgevingstemperatuur en relatieve vochtigheid, hoe korter de levensduur van VIP's.

Als we VIP's als kernmateriaal voor sandwichpanelen willen onderzoeken moeten we het mechanische gedrag van VIP's kennen. Aan de Technische Universiteit van Delft werden drie- en vierpuntsbuigproeven uitgevoerd op 20 mm dikke vacu*misolatiepanelen [5]. Er werd vastgesteld dat de panelen als een geheel sterker en stijver zijn dan het kernmateriaal en de

3 Voor VIP's met een kern uit silica fume, een drievoudig gelamineerde gemetalliseerde folie en afmetingen van 0,6 op 1 meter en 2 cm dik [30].

Afbeelding 1: Doorsneden van enkele typische omhullende folies. Een metalen folie (a), een

enkele laag gemetalliseerde folie (b) en een drievoudige gemetalliseerde folie (c en d) [2].

Afbeelding 2: Voorstelling van de warmtestroom door een homogeen

isolatiemateriaal met het koudebrugeffect door de barrièrefolie [31].

5

folie apart. De gemeten waarde voor de modulus van Young is 63.8 ± 8.6 MPa4 voor een intact paneel. Vervolgens werden er in het onderzoek sandwichpanelen met MDF of glazen huiden en vacu*mpanelen als kern getest. De totale buigstijfheid van de sandwichpanelen wordt bijna uitsluitend bepaald door de elasticiteitsmodulus en het traagheidsmoment van de gebruikte huidmaterialen.

De mechanische eigenschappen van het kernmateriaal silica fume, twee barrièrefolies en van VIP's als geheel werden ook grondig onderzocht in het kader van het doctoraat van Tenpierik [30]. De werking van een vacu*misolatiepaneel wordt vergeleken met de werking van gewapend beton. Net als beton kan silica fume slecht trekkrachten opnemen en goed bestand tegen hoge drukkrachten. In de analogie kan de barrièrefolie met de stalen wapening vergeleken worden. Dit omdat de gemetalliseerde barrièrefolies een hoge treksterkte hebben. De elasticiteitsmodulus van silica fume ligt met een waarde van ongeveer 7 MPa iets hoger dan de meeste schuimisolatie. Zowel de gelamineerde aluminiumfolie als de drievoudig gelamineerde gemetalliseerde folie vertonen ductiel gedrag. De geteste gemetalliseerde folie heeft een vloeigrens van ongeveer 47 MPa bij een rek van 5 %. Bij deze spanning verliest de folie zijn functionele werking. De elasticiteitsmodulus van VIP's werd bepaald uit testopstellingen en theoretische analyses en ligt rond 40 MPa. Bij verlies van het vacu*m wordt deze waarde ongeveer gehalveerd. Dit is te verklaren doordat de folie bovenaan het vacu*mpaneel niet bijdraagt tot de stijfheid van de VIP aangezien er geen wrijving tussen de folie en de kern is. Er dient dus steeds rekening worden gehouden met het falen van 00n of meerdere panelen.

Wanneer vacu*misolatiepanelen in gevels worden toegepast moeten er ook eisen aan de akoestische prestaties gesteld worden. Geluid heeft een medium nodig om zich te kunnen voortplanten. Zonder medium is er geen geluidstransmissie. Dus door het gas uit het kernmateriaal te verwijderen zou de akoestische prestatie positief moeten evolueren. Maar VIP's vormen een complexer geheel dan dat.

Volgens Baetens kunnen we de akoestische prestaties of eigenschappen op drie niveau's bekijken [1]. Ten eerste zijn er specifieke eigenschappen op het niveau van het vacu*mpaneel zelf. De geluidsisolatie wordt hoofdzakelijk bepaald door de massawet en door de elasticiteitsmodulus van het paneel, en wordt gekwantificeerd aan de hand van de gewogen geluidsreductie index Rw. Voor VIP's ligt deze index theoretisch tussen 18 en 26 dB. Maysenholder stelde vast dat er coïncidentie optreedt bij frequenties tussen 1 en 2 kHz [21]. Bij deze frequenties is de geluidsreductie beduidend lager. Aangezien de gemiddelde frequentie van verkeersgeluid rond 1 kHz ligt, vormt deze coïncidentie een groot nadeel. Het is dus noodzakelijk de akoestische prestaties te verbeteren door bijvoorbeeld sandwichelementen met zwaarder, dikker plaatmateriaal te maken. Een tweede niveau is dat van het bouwelement waarin VIP's verwerkt zijn. Wanneer vacu*mpanelen in sandwich panelen worden geplaatst stijgt Rw door een stijging van de massa per oppervlakte. Maysenholder voerde experimenten uit op VIP's tussen twee aluminium platen om de gewogen geluidsreductie index Rw te bepalen. Hij stelde een daling van deze Rw-waarde van 4 dB vast voor verkeersgeluid. Door een rubberlaag van 1 mm tussen de VIP's en de aluminium plaat aan te brengen kan deze waarde verbeterd worden. De coïncidentie zal hierdoor slechts bij 3 kHz plaatsvinden en Rw stijgt van 28 dB tot ongeveer 34 dB. Het laatste niveau dat dient onderzocht te worden is dat van het geheel van alle bouwelementen.

4 Voor het 95% betrouwbaarheidsinterval.

6

1.4.4. Toepassingen VIP's in de praktijk

Vacu*misolatiepanelen worden al vele jaren succesvol toegepast in koelkasten en transport containers, maar worden nog maar recent in architecturale constructies geïncorporeerd. Er werden de voorbije jaren enkele experimentele voorbeeldprojecten opgezet om de concrete toepassing van VIP's in de bouwpraktijk te testen. De panelen worden hierbij vaak op een traditionele manier toegepast waardoor de uitstekende eigenschappen niet ten volle benut worden. Om te leren uit de reeds gevoerde experimenten wordt eerst een overzicht gegeven van toepassingen van VIP's in buitenmuren in het algemeen. Ten tweede worden projecten met vacu*m geïsoleerde gevelpanelen geanalyseerd.

In 2004 werd de eerste nieuwbouw in Europa die volledig geïsoleerd is met VIP's opgeleverd [Afbeelding 4]. Dit appartements- en kantoorgebouw in het centrum van M*nchen telt zes verdiepingen. Door de keuze voor vacu*misolatiepanelen kon de nodige isolatiedikte gehalveerd worden, wat een bijkomende 125 m2 bruikbare vloeroppervlakte opleverde. De architecten werkten in samenwerking met de fabrikant van VIP's een nieuw en uniek gevelsysteem uit. Twee centimeter dikke VIP's werden in-situ aangebracht op de gevels tussen verticale latten uit gerecycleerd polyurethaan. Deze latten werden aan de betonnen draagstructuur vastgeschroefd. Bovenop de VIP's werd er een 8 cm dikke traditionele laag isolatie aangebracht, die rechtstreeks bepleisterd werd [Afbeelding 3]. Er werd ervoor gekozen een dikke laag polyurethaan aan te brengen als basis voor de pleisterlaag, dit vooral omwille van veiligheidsoverwegingen. Er was namelijk onzekerheid over de levensduur van de VIP's. Maar de isolatielaag werd ook aangebracht om in bepaalde bouwknopen koudebruggen te vermijden. Deze laag beschermt de onderliggende VIP's tegen thermische spanningen en mechanische schade [24]. Het is duidelijk dat de enorme mogelijkheden van VIP's hier niet ten volle benut worden. De totale isolatiedikte blijft nog steeds 10 cm terwijl theoretisch de gevraagde U-waarde met 4 cm dikke VIP-panelen behaald zou kunnen worden. Door een grondige kennis van de lange termijn eigenschappen van VIP's en een zeer gedetailleerd ontwerp had de traditionele isolatielaag vermeden kunnen worden.

Afbeelding 3: Muuropbouw met een totale isolatiedikte van 10 cm

van het appartements- en kantoorgebouw in het centrum van

München.[24]

Afbeelding 4: Appartements- en

kantoorgebouw in München door Pool

Architekten.[24]

7

Afbeelding 6: Foto van een geprefabriceerd

betonnen muur element.[4]

Een tweede belangrijk project betreft een kantoorgebouw met appartement in Ravensburg dat voldoet aan de passiefnormen. De toegepaste geprefabriceerde betonelementen met geïntegreerde VIP's bestaan uit een 15 cm dikke betonlaag, een dampdichte folie, 3 cm VIP, 3 cm PUR en een waterdichte folie [Afbeelding 6 en 5 ]. Tussen de voegen van de VIP's worden ankers geplaatst voor de bevestiging van verticale latten. Hierop wordt de gevelbekleding bevestigd. Met een totale muurdikte van 27 cm is dankzij de uitstekende isolerende werking van VIP's een U-waarde van 0,15 W/m2.K behaald. De voordelen van de toepassing van VIP's in dit systeem zijn volgens Tenpierik en Cauberg voornamelijk opnieuw ruimtewinst en psychologische effecten. Het voordeel van de integratie van VIP's in geprefabriceerde elementen is dat het risico op beschadiging tijdens transport, opslag en verwerking verminderd wordt [32]. Een belangrijk nadeel wordt echter niet vermeld in de beschrijving van het project. Door de verankeringen van de gevelbekleding aan de betonnen draagstructuur door middel van ankers ontstaan er puntkoudebruggen. De thermische zeer performante isolatielaag wordt, zoals op onderstaande afbeeldingen te zien is, door een metalen anker doorbroken. Dit heeft een zeer nadelige invloed op de isolatiecapaciteit en moet vermeden proberen worden.

Ook de onderzoeksgroep Energiedesign van de Hogeschool voor Techniek, Wetenschap en Cultuur van Leipzig onderzocht de mogelijkheden van de combinatie beton en vacu*misolatiepanelen. Er werden lichte en energetisch performante gevelpanelen ontworpen en getest. Er wordt gebruik gemaakt van nieuwe technologische materialen zoals VIP's, faseovergangsmateriaal (phase-change material) en textielbeton. Textiel versterkt beton bestaat uit fijn korrelig beton gewapend met alkali-resistente glas- of koolstofvezel wapeningsnetten [Afbeelding 9]. Deze techniek maakt het mogelijk zeer dunne platen met een gedetailleerde en esthetische afwerking te produceren. De gevelelementen zijn opgebouwd uit twee vacu*misolatiepanelen (3 en 2,5 cm) met aan beide zijden een plaat in textielbeton (1,5 en 3 cm) met tussenbeide een schutlaag (0,25 cm). Aan de binnenzijde van het paneel kan er tussen de schutlaag en het textielbeton een laag 'phase-change material' (1,5 cm) geplaatst

Afbeelding 5: Muuropbouw van

geprefabriceerde betonnen elementen met 3

cm dikke vacuümisolatiepanelen.[4]

8

worden [Afbeelding 8]. Dit materiaal laat het toe warmte op te slaan voor later gebruik en geeft het gevelelement een grotere warmtecapaciteit. Het geheel wordt aan de randen bij elkaar gehouden door glasvezelversterkte kunststof I-profielen [Afbeelding 7]. Deze profielen zijn verlijmd met het binnen- en buitenblad. Deze verlijming volstaat volgens enkele testen tot een bouwhoogte van 22 meter zonder mechanische bevestiging. De aansluitingen van de panelen zijn gebaseerd op gordijngevelprofielen en zijn zo ontworpen dat de koudebrug beperkt wordt. Dankzij het gebruik van nieuwe, innoverende materialen en een fijne detaillering heeft het paneel een U-waarde van 0,15 W/m2.K met slecht een dikte van 11 cm [17].

Afbeelding 7: Verticale en horizontale doorsnede van de aansluiting van de gevelelementen met een

binnen- en buitenblad uit textielbeton [17].

Afbeelding 8: Vakutex paneel bestaande uit een

dubbele laag VIP's, een laag PCM en twee platen

textielbeton [18].

Afbeelding 9: Doorsnede van een element uit textiel

versterkt beton [17].

9

Andere experimentele ontwerpen maken gebruik van houten plaatmateriaal voor de structurele stijfheid van de bouwelementen. Zo werden er drie demonstratiewoningen in Hofheim gerenoveerd met grote geïsoleerde bouwelementen van 5,1 op 2,5 meter [Afbeelding10]. De basis van de elementen wordt gevormd door gelamineerde houten panelen (27 mm) waarop een multiplex plaat (5 mm) en aluminium folie bevestigd worden. Hierop komen VIP's van 4 cm dik, beschermd door twee multiplex platen (5 en 18 mm). Het geheel wordt verbonden aan de hand van roestvast stalen ankers. Deze panelen werden aan de bestaande dragende muren gehangen via een speciaal ontworpen draagsysteem. De kleine holte tussen de bestaande muur en de nieuwe elementen wordt opgevuld met minerale wol [15]. Zoals op afbeelding 11 te zien is, wordt de isolatielaag plaatselijk doorbroken door roestvast stalen ankers. De puntkoudebruggen die hierdoor ontstaan moeten zo klein mogelijk gehouden worden. Dit kan door de afmetingen van de ankers zo klein mogelijk te maken en een staalsoort te gebruiken met een lage thermische geleidbaarheid. Een ander zwak punt in dit gevelsysteem zijn de naden tussen de panelen onderling. Door de grootte van de gevelelementen blijft de totale lengte echter beperkt.

Deze vier experimentele projecten tonen de vele mogelijkheden van VIP's. Maar het wordt ook snel duidelijk dat een nauwkeurige planning en uitvoering cruciaal zijn voor de correcte werking als thermische gebouwisolatie. We kunnen reeds enkele algemene raadgevingen voor de toepassing van VIP's bepalen:

– In-situ plaatsing van vacu*misolatiepanelen is af te raden door het grote risico op beschadiging van de barrièrefolie.

– Het grote voordeel van VIP's is de zeer beperkte dikte. Dit voordeel moet dan ook optimaal uitgebuit worden om te kunnen concurreren met andere isolatiematerialen.

– Doorbreken van de isolatielaag door sterk geleidende materialen moet vermeden worden.

De eisen waaraan gevelpanelen moeten voldoen zijn veelzijdig, stellen Cauberg en Tenpierik [10]. Enkel wanneer aan de evidente vereisten zoals thermische prestaties, duurzaamheid en levensduur voldaan zijn, is het nuttig naar andere kwaliteiten te kijken. Cauberg en Tenpierik onderzochten en vergeleken twee verschillende constructietypes voor gevelpanelen, namelijk sandwichpanelen en 'edge spacer' constructies. Het verschil tussen deze twee types ligt in de inwendige krachtverdeling. Bij sandwichpanelen worden de binnen- en buitenplaat structureel

Afbeelding 11: Plaatselijke doorboring van de laag

minerale wol voor bevestigingsankers uit roestvast

staal [15].

Afbeelding 10: De grote geprefabriceerde elementen

worden opgehangen aan de gevel [15].

10

verlijmd aan het kernmateriaal om zo een samenwerkend geheel te vormen. Bij edge spacer panelen zit er aan de perimeter van de panelen een sterk randprofiel om binnen- en buitenplaat te verbinden. De eerste constructietechniek presteert beter op thermisch vlak door de beduidend lagere ψ-waarden. De vergelijking van een gevelpaneel bestaande uit een glasplaat (6 mm), een vacu*misolatiepaneel (20 mm) en een staalplaat (0,75 mm) toont een ψ-waarde van 0,23 en 0,084 W/m.K voor twee types 'edge spacers' in vergelijking met 0,011 W/m.K voor een sandwichelement. Dit verschil is mogelijk door de zeer fijne randafwerking van sandwichpanelen zoals op afbeelding 12 te merken is. Cauberg en Tenpierik concluderen dat sandwichpanelen structureel en thermisch efficienter dan 'edge spacer' panelen zijn.

Het is duidelijk dat het onderzoek naar de toepassing van VIP's in gevelpanelen zeer interessant kan zijn. Er werden reeds enkele toepassingen besproken waar VIP's niet bijdragen tot de structurele werking van de geprefabriceerde elementen. In de volgende alinea's worden enkele theoretische en experimentele ontwerpen van gevelpanelen geanalyseerd waar de VIP's een deel van de belastingen opnemen. Een eerste interessant project werd uitgevoerd door een team met leden van verscheidene universiteiten, in samenwerking met een privaat bedrijf en een architectuurbureau5. Er werd een sandwichelement ontworpen en getest van 00n op twee meter met een totale dikte van 30 mm. De sandwichpanelen worden puntsgewijs bevestigd aan een traditionele gordijngevelstructuur zodat het correct positioneren van de individuele elementen mogelijk is. De panelen bestaan uit vier VIP's (500 x 1000 mm) die tussen een glasplaat (4 mm) aan de binnenzijde en een keramische plaat (3 mm) of een bedrukte glasplaat (4 mm) aan de buitenzijde geplaatst worden. De VIP's zijn onderling gescheiden door een dunne strook PE-schuim om het risico op schade te beperken. Dit pakket wordt aan de randen bij elkaar gehouden door een lijmlaag. Zo blijft de koudebrug aan de rand van de panelen beperkt en worden de VIP's beschermt tegen mogelijke schade. De naden tussen de elementen worden gedicht met een PE-koord, dat de basis vormt voor een silicone dichting [Afbeelding 13].

De thermische en mechanische eigenschappen van dit gevelsysteem werden vervolgens theoretisch en experimenteel onderzocht. De buiging onder invloed van de temperatuur- en windbelasting van de sandwichpanelen moet beperkt blijven zodat de kritische spanningen niet overschreden worden. Door de binnen- en buitenplaat aan de randen met een elastische

5 Het project is het resultaat van de samenwerking tussen de Universiteit van Rostock, de Universiteit Toegepaste Wetenschappen van Wismar, het private bedrijf Adco Rostock met ervaring in gordijngevels en het architectuurbureau Institute for Building, Energy and Light [41].

Afbeelding 12: Overzicht van enkele mogelijke randafwerkingen van

gevelpanelen. A,b en d zijn mogelijke edge spacer constructies en c is een

sandwichpaneel [10].

11

lijm met de draagstructuur te verbinden blijven er kleine bewegingen tussen de verschillende lagen mogelijk. Er wordt daarom verondersteld dat de schuifkrachten geen invloed hebben en geen buigingsproblemen kunnen veroorzaken. In de testopstelling werd deze veronderstelling bevestigd. De thermische eigenschappen werden berekend en getest om het effect van aansluitingen op de globale isolerende capaciteit te kennen. Wanneer de gebruikte VIP's een λCOP hebben van 0,005 W/m.K stijgt de totale warmtegeleidingscoefficient die dit systeem kenmerkt tot 0,0125 W/m.K [41]. De invloed van de koudebruggen gecreeerd door de aansluitingen van de sandwichpanelen is dus zeer groot. Omdat we met een zeer sterk isolerend materiaal werken is de correcte onderlinge aansluiting van de sandwichpanelen extreem belangrijk. Het ontwerp en de uitvoering van de randaansluitingen dient zo te gebeuren dat de lineaire transmissie coefficient van het gevelsysteem zo laag mogelijk blijft.

Tenpierik, Van Timmeren, Van Der Spoel en Cauberg baseerden zich op analyses van de thermische, hygrothermische en structurele prestaties van VIP's om drie types gevelpanelen te ontwerpen en te onderzoeken [33]. Een eerste type is een sandwichpaneel opgebouwd uit twee stalen platen die structureel verlijmd werden aan een vacu*misolatiepaneel van 40 mm dik [Afbeelding 15]. Dit gevelsysteem is thermisch zeer performant met een effectieve U-waarde van 0,16 W/m2.K met slechts een totale dikte van 43 mm. Een belangrijk probleem is de nodige sterke binding tussen de stalen platen en de gelamineerde folie van de VIP's voor een goed samenwerkend geheel. Verschillende adhesieve verbindingen werden getest maar de waarden van de 'peel strength' bleven met 0,4 tot 0,5 N/mm onder de nodige 1 N/mm. Deze lage sterkte wordt veroorzaakt door delaminatie van de omhullende folie van de VIP's.

Afbeelding 13: Verbinding van twee sandwich elementen met VIP's

[41].

Afbeelding 14: Testopstelling van de

vacüum geïsoleerde sandwichpanelen

[41].

12

Ten gevolge van deze problematiek werd een tweede type paneel onderzocht, namelijk een membraan paneel dat gebaseerd is op het 'edge spacer' model maar met een thermisch betere aansluiting. Voorgespannen membranen helpen om het gevelpaneel voldoende buigstijfheid te geven [Afbeelding 16]. Deze voorspanning volstaat bij kleine panelen maar niet bij panelen groter dan 900 x 900 mm en bijgevolg zijn er extra verstevigingen nodig. Dit type panelen is zeer fragiel en gevoelig voor schade.

Een derde type dat ontwikkeld werd combineert de voordelen van het sandwich en membraan paneel. Hierbij worden vacu*misolatiepanelen omhuld door roestvast stalen platen die mechanisch aan de randen met elkaar verbonden zijn en binnenin verstevigd worden [Afbeelding 17]. Dit systeem kan een U-waarde van 0,15 W/m.K halen met een totale dikte van 49,5 mm. Extra voordelen van dit type panelen zijn de robuustheid en de gelijkenissen met bestaande gevelsystemen, zodat de aanvaarding in de bouwindustrie geen probleem vormt. Tenpierik en zijn collega's bewijzen met dit onderzoek dat de toepassing van

Afbeelding 15: Visualisatie van een aansluiting van twee

sandwichpanelen [33].

Afbeelding 16: Visualisatie van een aansluiting van panelen met

voorgespannen membranen [33].

13

vacu*misolatiepanelen in gevels van gebouwen groot potentieel kan hebben. Dit onderzoek wordt gedetailleerder besproken en uitgelegd in het doctoraat van Tenpierik [30].

Vacu*misolatiepanelen werden ook toegepast in een deel van de gevel van een gezinswoning in Landschlacht, Zwitserland. Er werd een nieuw gevelelement ontwikkeld, gebaseerd op de ervaringen met 'vacuum insulated glass' (VIG)6 en trombe-muren. Een trombe-muur bestaat uit een glasplaat, luchtspouw en zwart warmte-absorberend materiaal op een warmtegeleidende muur. De lucht tussen het glas en de muur warmt op en stijgt in de spouw. De warme lucht wordt via ventilatieroosters bovenaan in de leefruimte ingeblazen en koude lucht uit de ruimte komt onderaan in de spouw. Grenzend aan de luchtspouw wordt een sandwichpaneel geplaatst dat de warmte geleid en opslaat. Dit sandwichpaneel bestaat uit 25 mm dikke VIP's tussen een staalplaat (1,5 mm) aan de binnenzijde en een aluminiumplaat (2 mm) aan de buitenzijde. Binnenin wordt de muur afgewerkt met een laag minerale wol (60 mm) en twee gipsplaten (12,5 mm) [Afbeelding 18] [6].

6 VIG- elementen bestaan uit twee standaard glasplaten met een vacuum spouw tussenin. Dit vacuum reduceert de conductieve warmteverliezen aanzienlijk.

Afbeelding 17: Visualisatie van de aansluiting van twee roestvast

stalen panelen [33].

Afbeelding 18: Doorsnede van de gevelpanelen volgens de fabrikant Nikol Multiplac [5].

14

Door de specifieke opbouw van de gevelelementen moet het effect van de zonnestraling op de warmtetransport van het gehele systeem onderzocht worden. Zowel de bestralingssterkte, de luchttemperatuur van de omgeving en van de geventileerde spouw hebben effect. Een lagere omgevingstemperatuur en hogere zonnebestraling leidt tot een daling van de warmtedoorgangscoefficient. Het is zeer belangrijk dat condensatie in de luchtspouw op het sandwichpaneel wordt vermeden. Dit kan door de vacu*misolatiepanelen goed op elkaar te laten aansluiten zodat plaatselijke lage temperaturen ter hoogte van de platen vermeden worden. Een tweede belangrijk aandachtspunt is de onzekerheid over het effect van UV-straling op de vacu*mpanelen. Instraling van zonlicht op de barrièrefolie moet dus vermeden worden.

Een laatste interessant project betreft een experimentele passiefwoning in Leipzig ontworpen door de architect H*lsmeier. Hier werden VIP's in niet-dragende gevelpanelen toegepast. Deze gevelpanelen bestaan uit twee lagen VIP's van 20 mm dik tussen golfkarton met aan de buitenzijde gelakte triplex en aan de binnenzijde een OSB-plaat [Afbeelding 19 en 20]. Dit pakket wordt door middel van glasvezelversterkte kunststof randprofielen aan een stalen draagstructuur bevestigd. De binnenkant van de voegen wordt afgedicht met een dampdichte butylband en de buitenkant met een dampopen, samengedrukte dichtingsband. De holte tussenin twee panelen wordt verder opgevuld met minerale wol. Het gebouw werd aan een luchtdichtheidsproef (Blowerdoor) onderworpen met een interne druk van 50 Pa en gaf een uitstekende waarde van 0,5/h [16]. Door het gebruik van correcte dichtingsmaterialen en een aandachtige detaillering kunnen gevels gecreeerd worden die aan de hedendaagse luchtdichtheidseisen voldoen. Het belang van de correcte plaatsing in situ mag echter niet onderschat worden.

1.4.5. Adviezen bij de toepassing van VIP's

Uit de theoretisch studie van de materiaaleigenschappen van VIP's en de praktijkervaring uit experimentele projecten kunnen enkele tips of raadgevingen afgeleid worden. Deze tips worden verder meegenomen in de ontwikkeling van deze masterproef.

Afbeelding 19: Aanzicht van het toegepaste sandwichpaneel

met van buiten naar binnen: gelakte multiplex, karton,

dubbele laag VIP's, karton, OSB, spouw en gipskartonplaat

[16].

Afbeelding 20: Plaatsing van

de sandwichpanelen [16].

15

Vacu*misolatiepanelen moeten, volgens Binz en Steinke, bekeken worden in een totaalsysteem dat rekening houdt met de specifieke karakteristieken van de panelen. Kennis van deze eigenschappen is dus noodzakelijk voor de correcte toepassing van de panelen door iedereen wie ermee in contact komt. Omdat het om een nieuw materiaal in de bouwwereld gaat, worden werklieden best bijgestaan door specialisten tijdens het ontwerp en de uitvoering. Vaak heeft de fabrikant reeds ervaring met het toepassen van VIP's. Het is evident dat de panelen niet doorboord mogen worden met nagels of schroeven. Maar de omhullende folie kan ook beschadigd worden door vallend materieel of door geconcentreerde belastingen. Het wordt aangeraden de verpakking van vacu*misolatiepanelen te voorzien van een 'handle with care' sticker of label. Zo wordt iedereen gewaarschuwd van de kwetsbaarheid van de panelen [4].

Omdat de omhullende folie zo gevoelig is voor beschadigingen heeft de toepassing van VIP's in geprefabriceerde bouwelementen de voorkeur. Zo wordt het risico op beschadigingen tijdens transport, opslag en gebruik sterk beperkt [30]. Om het risico op schade tijdens de opslag te beperken worden VIP's of VIP-bouwelementen best 'just-in-time' in een correcte volgorde geleverd. Wanneer er toch opslag op de site nodig is, moet dit in droge omstandigheden gebeuren [32]. Na de plaatsing moet de correcte werking van de panelen eenvoudig gecontroleerd kunnen worden. Vaak gebeurt dit aan de hand van een warmtecamera. Zo kunnen eventuele beschadigde panelen opgespoord worden. Er wordt vaak aangeraden de mogelijkheid te voorzien een vacu*mpaneel eenvoudig te vervangen in geval van beschadiging. Dit zou ofwel in situ kunnen gebeuren ofwel door vervanging in de fabriek.

Binz en Steinke onderzochten hoe de nadelige thermische randeffecten veroorzaakt door de folie geminimaliseerd kunnen worden. Er wordt aangeraden panelen te kiezen die zo groot mogelijk zijn met een minimum paneelgrootte van 500 x 500 mm. Hierdoor wordt de totale lengte van aansluitingen tussen VIP's minimaal gehouden. Zo blijft het aandeel van het koudebrugeffect op de totale warmtedoorgangscoefficient beperkt. Als de enveloppe van het paneel uit aluminium folie bestaat worden de panelen best in een dubbele laag geplaatst, met een minimum overlap van 5 cm. Door deze dubbele laag wordt de warmteweerstand verhoogd [4]. Het EMPA raadt aan om het koudebrug-effect door de folie te beperken door VIP's niet in rechtstreeks contact met metalen platen te brengen [6].

Wakili, Stahl en Brunner voerden verder onderzoek uit naar de koudebruggen en de effectieve thermische geleidbaarheid van een dubbele, geschranste laag vacu*misolatiepanelen [40]. Er werd aan de hand van een testopstelling verschillende proeven op een groot aantal configuraties uitgevoerd. De dikte en grootte van de testexemplaren varieerden tussen respectievelijk 15 tot 40 mm en 250 x 250 mm of 500 x 500 mm. De resultaten van deze experimentele testen werden vergeleken met numerieke berekeningen van de vijf voorkomende types van overlappingen [Afbeelding 13]. Deze berekeningen bleken veel gevoeliger voor variaties van de lineaire en punt warmtedoorgangscoefficienten ten gevolge van de dikte van de vacu*mpanelen dan de meetinstrumenten van de testopstelling. Er werd een eenvoudig rekenmodel bekomen dat nauwkeurig genoeg is voor de additionele warmteverliezen te berekenen.

16

Deze conclusies werden verder geanalyseerd door Brunner (2011) waarbij rekening werd gehouden met de verouderingseffecten en de bijhorende daling van de effectieve warmtegeleidingscoefficient. Er werd gerekend met een λ90% van 4,4 mW/m.K, de 90%-fractiel van de λCOP van 4,1 mW/m.K voor een veilige aanname van de producteigenschappen. Door de toename van interne druk en vocht infiltratie neemt de warmtegeleidingscoefficient van de kern van de VIP toe over 25 jaar tot λCOP, 25j = 5,3 mW/m.K voor panelen van 500x500x20 mm. Uiteindelijk werd het koudebrug-effect in rekening gebracht zodat de effectieve warmtedoorgangscoefficient λeff,25j stijgt tot 7,2 mW/m.K. Deze waarde werd verschaald voor paneelafmetingen van 600 op 1000 mm. Met deze waarden kunnen de effectieve warmtedoorgangscoefficienten, over 25 jaar en met inrekening van de koudebruggen, vergeleken worden van een dubbele, geschranste laag 20 mm panelen en een enkele laag panelen van 40 mm dik. Deze waarden zijn weergegeven in bovenstaande tabel [Afbeelding 22]. Brunner concludeert dat slechts 00n derde van het koudebrug-effect kan gereduceerd worden door het plaatsen van VIP's in een dubbele, geschranste laag.

1.4.6. Lucht- en waterdichtheid van aansluitingen

De goede uitwerking van de verbindingen tussen verschillende bouwelementen is cruciaal voor de energetische performantie van totale gevelsystemen. De verbindingen moeten voldoende lucht- en waterdicht zijn en kunnen, in situ of in een laboratorium aan een reeks testen onderworpen worden. De volgende alinea's geven een overzicht van de belangrijkste aandachtspunten bij het ontwerpen van aansluitingen.

De Europese norm EN145097 legt de vereisten voor sandwichpanelen toegepast in daken en binnen- en buitenmuren vast [13]. Er worden vijf aansluitingstypes gedefinieerd met bijhorende lineaire doorgangscoefficienten [Afbeelding 23]. De waterdichtheidseisen worden in drie klassen opgedeeld. Klasse A geldt voor toepassingen bij sterke regen en wind. Het gehele systeem moet waterdicht zijn tot 1200 Pa. Klasse B is voor normale toepassingen en

7 Zelfdragende metalen sandwich panelen - Specificaties

Afbeelding 21: Dubbele laag

vacuümisolatiepanelen met de doorsnedes in x-

en y-richting van vier types thermische

koudebruggen [40].

Afbeelding 22: Vergelijking van de effectieve lambda-

waarden voor een geschranste, dubbele laag VIP's; een

enkele laag en een niet-geschranste,dubbele laag [40].

17

eist een waterdichtheid tot 600 Pa. Klasse C stelt de minst strenge eis met een waterdichtheid tot 300 Pa. De luchtdichtheid van de aansluitingen wordt getest bij 50 Pa en uitgedrukt in m3/m2.h volgens een testmethode beschreven in EN12114. In een overzichtsdocument van EASIE8 worden de belangrijkste kenmerken van deze testmethode uitgelegd [12]. Er werd vastgesteld dat door de hoge luchtdichtheid van moderne sandwichpanelen het niet mogelijk is bij 50 Pa een luchtstroom te meten. Luchtdichtheidstesten, uitgevoerd in het kader van het EASIE-project, tonen dat de aansluitingen van sandwichpanelen meestal geen probleem hebben met de limietwaarde bepaald volgens DIN 4108-2 [Afbeelding 24]. Uit de testen kan een verband afgeleid worden tussen de luchtdruk in Pa en de luchtstroom in m3/m2.h. Dit

verband wordt geextrapoleerd van de geteste luchtdrukken naar 50 Pa.

De aansluiting tussen sandwichpanelen kan gebeuren met een 00n- of tweetrapsdichting. Hier wordt gebruik gemaakt van het open-voegprincipe of principe van drukvereffening met een waterkering aan de buitenzijde en een wind- en dampkering aan de binnenzijde [Afbeelding25]. De luchtdichtheid van een gevel hangt af van de detaillering van onderlinge aansluitingen, de stijfheid en maatvastheid van de panelen èn van de correcte uitvoering. Twee panelen moeten correct op elkaar aangesloten worden zodat de breedte van de voeg tussen beide panelen niet te smal of te breed is. Vaak toegepaste afdichtingsmaterialen zijn kitten, schuimbanden en speciale epdm-rubberprofielen [7].

8 Ensuring Advancement in Sandwich Construction through Innovation and Exploitation. Het EASIE- onderzoeksproject werd van 2008 tot 2011 gevoerd in opdracht van de Europese Unie door tal van experten. Het doel van het project bestond er uit effectieve en innovatieve technologische ontwikkelingen op het vlak van sandwich panelen te onderzoeken om de kwaliteit en energie-efficientie van gebouwen te verhogen.

Afbeelding 24: Testresultaten voor de luchtdichtheid van de aansluitingen van

sandwichpanelen [12].

Afbeelding 23: Types aansluitingen van sandwichpanelen volgens EN14509 [13].

18

Bij het ontwerpen van aansluitingen van sandwichpanelen dient men met drie belangrijke zaken rekening te houden. Ten eerste speelt de geometrie van de aansluiting een zeer belangrijke rol. Door pen-en-gatverbindingen die zeer goed in elkaar passen wordt de af te leggen weg voor lucht en water bemoeilijkt. Een tweede aandachtspunt is het correct toepassen van de juiste dichtingsbanden. Er worden banden met open, gedeeltelijk open of gesloten cellen gebruikt in sandwichpanelen. Het is zeer belangrijk dat deze dichtingsbanden voldoende sterk samengedrukt worden zodat ze hun functie kunnen vervullen. Een derde en zeer belangrijk aandachtspunt is de correcte plaatsing en aansluiting van de panelen [12].

1.4.7. Conclusies

Het is duidelijk dat de toepassing van vacu*misolatiepanelen in gevelsystemen interessante mogelijkheden kan bieden. De literatuurstudie heeft aangetoond dat er reeds verschillende experimentele projecten uitgevoerd werden. De materiaaleigenschappen van VIP's zijn goed gekend en de theoretische kennis is grondig onderbouwd door meerdere onderzoeksprojecten en conferenties. De toepassing in de bouwpraktijk van VIP's in gevels blijft beperkt tot enkele experimentele voorbeeldprojecten.

De belangrijkste conclusies van deze literatuurstudie zijn:– Het grootste voordeel van VIP's is de geringe dikte in vergelijking met traditionele

isolatiematerialen.– De omhullende folie is erg gevoelig voor schade en dient beschermd te worden. De

toepassing van VIP's in geprefabriceerde elementen wordt aangeraden.– Door de hoge geleidbaarheid van folie ontstaat er aan de randen van de panelen een

koudebrugeffect. De grootte van dit effect is afhankelijk van het type en de dikte van de gebruikte folie, van de afmetingen van de panelen en van de afwerking van de naad.

– Het toepassen van VIP's in een dubbele geschranste laag heeft slechts een beperkte invloed op het minimaliseren van het koudebrugeffect ter hoogte van de naad.

– De mechanische eigenschappen van vacu*misolatiepanelen worden verklaard door de combinatie van het kernmateriaal en de barrièrefolie. Bij verlies van het vacu*m wordt de elasticiteitsmodulus ongeveer gehalveerd.

– De akoestische prestaties van VIP's kunnen problematisch zijn en dienen onderzocht te

Afbeelding 25: Schematische voorstelling van

een tweetrapsdichting volgens TV 124 [42].

19

worden zodat gepaste maatregelen genomen kunnen worden.– De aansluitingen tussen elementen met VIP's zijn thermisch gezien cruciale plaatsen in

het gehele systeem en dienen aandachtig ontworpen worden.

20

Hoofdstuk 2: Vacu*misolatiepanelen

2.1. InleidingDe ontwikkeling van vacu*misolatiepanelen moet gekaderd worden in de toenemende aandacht voor de milieuproblematiek. Het is belangrijk om te weten dat 40 % van de totale primaire energieconsumptie in de Europese Unie wordt gebruikt door de bouwnijverheid en in gebouwen. Meer dan de helft van deze energie wordt gebruikt voor de verwarming van ruimtes. Hierdoor is een belangrijk deel van de energieconsumptie en CO2 emissie in Europa het gevolg van de warmteverliezen doorheen de gebouwschil. Een reductie van deze verliezen kan een zeer grote impact hebben op de totale emissie van broeikasgassen.

Europese normen stellen eisen aan de thermische prestaties van de bouwhuid. Deze regelgevingen worden steeds strenger en complexer. Zo was de eis voor de maximale warmtedoorgangscoefficient van een buitenmuur in 2006 nog 0,6 W/m2.K. In 2010 moest nieuwbouw al aan 0,4 W/m2.K voldoen en momenteel in 2012 is de norm 0,32 W/m2.K. In 2014 zal deze grens zakken tot 0,24 W/m2.K met als doel in 2021 bijna klimaatneutrale woningen te bouwen. Deze regelgevingen hebben een grote evolutie in de bouwwereld op gang gebracht. Traditionele isolatiematerialen worden in dikke en meerdere lagen toegepast. Dit brengt verschillende belangrijke nadelen met zich mee. De dikke isolatielagen zorgen voor een verhoging van de complexiteit van detailleringen, zwaardere draagconstructies en een daling van de nuttige vloeroppervlakte. Ook de transportkosten stijgen door de toenemende hoeveelheid isolatiemateriaal, wat op zijn beurt leidt tot extra CO 2-emissies.

De totale warmtestroom doorheen een isolatiemateriaal is een combinatie van de warmtetransport door straling, geleiding via het vaste materiaal, geleiding via een gas en convectie in het gas. Om een efficient isolatiemateriaal te ontwikkelen moeten we deze warmtetransport proberen te minimaliseren. De conductie via gas kan bijna geelimineerd worden door een vacu*m in het isolatiemateriaal te creeren. Door dit vacu*m in een materiaal met voldoende kleine porien te creeren kan ook convectie bijna uitgesloten worden. De kernmaterialen die in aanmerking komen zijn typisch nano-poreuze structuren met zeer kleine, open porien. Rondom de kern wordt een lucht- en dampdichte folie aangebracht die het gecreeerde vacu*m moet bewaren [Afbeelding 26].

Afbeelding 26: Vacuümisolatiepaneel met het samengedrukte poreuze

kernmateriaal (1) afgeschermd door een dunne beschermingsfolie (2) en een

lucht- en dampdichte barrièrefolie met aluminiumlaagjes (3).

21

Het belangrijkste voordeel van vacu*misolatiepanelen is ongetwijfeld de geringe dikte. Dit is een gevolg van de extreem lage warmtegeleidingscoefficient van het kernmateriaal. De λ-waarde is 5 tot 10 keer lager dan conventionele isolatiematerialen zoals polyurethaan of minerale wol. Om hiervan de grote impact te illustreren kan de equivalente dikte van isolatiematerialen vergeleken worden. Voor een U-waarde van 0,24 W/m2.K te behalen is er een 16 cm dikke laag minerale wol met een λ-waarde van 0,04 W/m.K nodig en een 10 cm dikke laag PUR met een λ-waarde van 0,023 W/m.K. Wanneer we deze U-waarde met VIP's willen behalen lukt dit met 2 cm dikke panelen. Er is dus een diktebesparing van ongeveer 85 % mogelijk. Een tweede belangrijk voordeel is de mogelijke gewichtsbesparing. Niet tegenstaande dat de massadichtheid van het kernmateriaal relatief hoog is, ongeveer 160 tot 200 kg/m3, is er vergeleken met conventionele isolatiematerialen toch een gewichtsbesparing mogelijk. Voor een U-waarde van 0,24 W/m2.K is er een massa van 3,5 kg/m2 PUR, 4 kg/m2

glaswol en 9 kg/m2 rotswol nodig. Vacu*mpanelen scoren met 3,6 kg/m2 beter dan de isolatiematerialen van natuurlijke oorsprong.

Het gehele systeem van vacu*misolatie brengt een aantal nadelen of problemen met zich mee, waarmee doorheen het ontwerpproces rekening moet gehouden worden.

– VIP's zijn door de gebruikte materialen en door het complexe productieproces 4 tot 5 maal duurder dan traditionele isolatiematerialen.

– Door de specifieke opbouw van de panelen zijn ze zeer kwetsbaar en gevoelig voor schade [2]. Wanneer de dunne, omhullende folie beschadigd wordt gaat het vacu*m verloren en stijgt de warmtegeleidingscoefficient van 4 mW/m.K tot 20 mW/m.K. Elk mogelijk risico op schade moet beperkt worden tijdens het gehele verwerkingsproces en levensduur van de vacu*mpanelen. De bevestigingsdetailering van VIP's moet daarom met de nodige zorg gebeuren zodat de folie niet doorboord kan worden. Ook bij het verlijmen moet rekening gehouden worden met eventuele scherpe kanten bij verharding van de adhesieven.

– Het kernmateriaal is zeer vochtgevoelig en verliest zijn uitstekende isolerende eigenschappen bij een toename van het vochtgehalte. De omhullende barrièrefolie moet daarom een hoge dampdichtheid hebben. Zo is er slechts een zeer beperkte toename van het interne vochtgehalte van de vacu*mpanelen.

– De warmtegeleidingscoefficient van de barrièrefolie ligt typisch 2000 maal hoger dan die van het kernmateriaal en veroorzaakt een belangrijke afname van de isolerende capaciteiten van de VIP's. De folie veroorzaakt thermische koudebruggen langs de randen van de panelen die steeds in rekening gebracht moeten worden bij het analyseren van een geïsoleerde constructie.

2.2. KernmateriaalHet kernmateriaal moet aan bepaalde voorwaarden voldoen om de totale warmtetransport te minimaliseren. Een porienstructuur met zeer kleine porien, die een 100 % open geheel vormen, is nodig voor de beperking van het warmtetransport via gas. Het warmtetransport door straling kan ook beïnvloed worden door de keuze van het kernmateriaal. Een voldoende mechanische druksterkte moet het bezwijken van de porien onder de interne druk voorkomen. Vele bestaande materialen voldoen aan deze criteria maar de meeste zouden een zeer hoge onderdruk vragen om het warmtetransport te minimaliseren. Een zeer hoge kwaliteit van het vacu*m is moeilijk praktisch realiseerbaar.

22

Een materiaal dat aan voorgaande eisen voldoet zijn samengedrukte panelen uit microsilica of silica fume. Een andere benaming is pyrogeen silicium. Dit materiaal bestaat uit zeer kleine siliciumoxide-bolletjes (SiO2) die reageren als een puzzolaan. Silica fume ontstaat als restproduct bij de vervaardiging van ferro-siliciumverbindingen in vlamboogovens. De rook van het verbrandingsproces wordt gefilterd en bevat silica (SiO2). Aan het silica wordt siliciumcarbide (SiC) toegevoegd om de warmtetransport door straling te reduceren. Silica fume wordt hoofdzakelijk gebruikt als toevoegstof in de cementindustrie maar kent ook toepassingen in de halfgeleiders industrie en bij de productie van fotovoltaïsche cellen [1].

De gemiddelde poriendiameter van silica fume platen is 0,2 – 0,3 μm en de massadichtheid ligt tussen 160 en 200 kg/m3. Bij een onderdruk vanaf 50 mbar heeft dit materiaal een zeer lage warmtegeleidingscoefficient van ongeveer 4 mW/m.K. Bij gewone luchtdruk is dit 20 mW/m.K wat nog steeds beter is dan de meeste conventionele isolatie materialen [Afbeelding27]. De gemiddelde warmtecapaciteit ligt met 850 J/kg.K in de zelfde grote orde als minerale wol. De intrinsieke permeabiliteit, de mate waarin fluïda doorheen poreuze materialen kunnen, van silica fume platen is zeer laag en ligt tussen 2,6.10-5 en 3,0.10-5 m2 bij een druk van 1 bar. Bij een relatieve vochtigheid van 45 %, een gemiddelde waarde voor een binnenklimaat, is het vochtgehalte ongeveer 0,04 kg/kg. Dit watergehalte varieert afhankelijk van de omgevingscondities en beïnvloed de thermische geleidbaarheid. De λ-waarde stijgt van 4 tot 6 mW/m.K. bij een toename van de relatieve vochtigheid van 45 naar 50%. Het kernmateriaal van VIP's, bestaande uit fumed silica panelen, kan beschouwd worden als niet brandbaar en valt onder brandcategorie A19. Commercieel beschikbare VIP's hebben het brandbaarheidslabel B2 volgens DIN 4102, wat VIP's classificeert als normale brandbare materialen.

Tenpierik bepaalde aan de hand van mechanische testen de eigenschappen van het kernmateriaal. De elasticiteitsmodulus Ek is ongeveer 7 MPa. Deze waarde is relatief hoog in vergelijking met conventionele isolatiematerialen zoals EPS (1 tot 3 MPa), XPS (6 tot 10

9 De hoogst haalbare brandklasse volgens de Europese regelgeving. Het materiaal heeft geen enkele bijdrage bij brand en is onbrandbaar.

Afbeelding 27: Geleidbaarheid in functie van de luchtdruk voor verschillende

poriëndiameters [28].

23

MPa) en PUR (3 tot 8 MPa). De overgang van elastisch naar plastisch gedrag bij druk gebeurt bij een rek εd,pl van 40 % en een sterkte fd,y van 73 kPa. In verschillende productfiches van vacu*mpanelen zijn druksterktes van 45 tot 200 kPa bij 10 % vervorming te vinden. Wanneer de kern op trek belast wordt, treedt er breuk op bij een rek εt,u van 1,9 % en een buigtreksterkte ft,u van 47 kPa. Het kernmateriaal is dus sterk in druk maar zwak in trek [30].

2.3. FolieDe barrièrefolie moet in staat zijn een lage gasdruk in het paneel te kunnen behouden gedurende een voldoende lange periode. In vergelijking met de toepassingen van VIP's in industriele koelkasten van de voorbije 30 jaar zijn de eisen naar levensduur in architecturale toepassingen veel strenger. Gedurende de volledige levensduur van gebouwen van 30 jaar of zelfs 50 jaar moeten isolatiematerialen hun eigenschappen behouden. De vocht- en luchttransmissie moet onder bepaalde kritische waarden blijven gedurende de volledige levensduur. De luchtdichtheid wordt gekarakteriseerd in volume per oppervlakte, per dag en drukverschil (cm3/m2.dag). De dampdichtheid wordt uitgedrukt in gewicht per oppervlakte, per dag (g/m2.dag) en de waarden moeten lager zijn dan 0,05 g/m2.dag 10. De dampdichtheid van de folies varieert afhankelijk van de temperatuur en de relatieve vochtigheid. De verliezen doorheen aluminium of roest vast stalen folies gebeurt via microscheurtjes. Het metaal zelf kan als volledig lucht- en dampdicht beschouwd worden. De kwaliteit van de omhullende folie wordt dus bepaald door de graad van transmissie en de effectiviteit van de dichting van de naden. Op het vlak van damp- en luchtdichtheid zijn folies met metaal te verkiezen boven deze met polymeren door hun uitstekende prestaties. Door infiltratie van lucht en water doorheen de folie tot in de kern neemt de interne druk toe. Hierdoor neemt ook de warmtegeleidingscoefficient van het vacu*mpaneel toe. Een typische waarde van de toename van λ is 2,3 mW/m.K over een periode van 25 jaar. Door dit verouderingseffect hebben VIP's een functionele levensduur tot minstens 25 jaar. Voor commerciele of industriele gebouwen ligt de vereiste levensduur rond 20 tot 30 jaar maar voor woongebouwen kan dit 50 tot 100 jaar zijn. De functionele levensduur van een vacu*misolatiepaneel is de duur tot de effectieve λ-waarde tot de kritische λ-waarde gezakt is, die meestal op 8 mW/m.K gesteld wordt. Deze functionele levensduur wordt bepaald door de dichtheid van de barrièrefolie, door de kwaliteit van de initiele onderdruk, het initiele watergehalte en door de eigenschappen van het kernmateriaal. Maar ook door de afmetingen van het paneel en door de omgevingsfactoren tijdens de gebruiksperiode [27].

Metalen folies hebben een relatief hoge warmtegeleidingscoefficient in vergelijking met polymeer-folies. Maar polymeren hebben een slechtere damp- en luchtdichtheid. De thermische geleidbaarheid van de folie is een zeer belangrijke eigenschap omwille van het relatief groot aandeel van het koudebrugeffect in de totale warmtetransport. De lineaire warmtedoorgangscoefficient Ψ, die de koudebrug kwantificeert, hangt ten eerste af van van de grootte en vorm van de vacu*mpanelen. Namelijk hoe groter de panelen, hoe groter de totale perimeter lengte. Dus hoe groter de panelen, hoe kleiner het relatieve aandeel van het koudebrugeffect door de folie. Ook speelt de λ-waarde van het foliemateriaal in combinatie met de dikte uiteraard een cruciale rol. Alsook van de λ-waarde en de dikte van de kern. De Ψ-waarde hangt ten slotte ook nog af van de manier van afdichten van de folie. De folie moet aan de randen en in het vlak van de vacu*mpanelen afgedicht worden. Er zijn verschillende manier om de folie aan de rand om te plooien. Afbeelding 28 toont de verschillende

10 Bij 38 °C en 90 % relatieve vochtigheid.

24

mogelijkheden, gerangschikt van de slechtst presterende aansluiting naar de beste.

De bestaande folies kunnen worden opgedeeld in vier types:– metalen gelamineerde folies: bestaan uit een enkele laag aluminium (5-12 μm) of rvs

(25-50 μm) met aan de buitenzijde een beschermende PET-laag (40 μm) en aan de binnenzijde een PE-laag (50 μm).

– gemetalliseerde folie: bestaan uit een PET- en PE-laag met tussenin een polymeerfolie met hierop een zeer dunne afzetting van aluminium (30-100 nm), aluminiumoxide of siliciumoxide (10 nm).

– gemetalliseerde gelamineerde folies: Hierbij worden drie lagen gemetalliseerde polymeerfolie met elkaar verlijmd. Aan de binnenzijde wordt er een PE-laag (55 μm) geplaatst voor het afsluiten van de folie. De buitenzijde wordt opnieuw beschermd door een PET-laag. Dit type folies combineren een goede lucht- en dampdichtheid met goede thermische eigenschappen. Er dient rekening gehouden te worden met het risico op delaminatie, een matige scheursterkte van de folie en sterke omgevingsgebonden materiaaleigenschappen.

– gelamineerde polymeer folies: bestaan uit een sealing, barrière en een beschermende laag verbonden door middel van een PU adhesief. Deze folies hebben typisch een hoge permeabiliteit en een korte levensduur.

Vooral het eerste en derde type folies worden gebruikt in vacu*misolatiepanelen voor toepassing in gebouwen. De extreem dunne barrièrefolie kan makkelijk door scherpe objecten doorboord worden. Maar de beschadiging van VIP's kan ook minder evidente oorzaken hebben. Zo kunnen ten gevolge van buiging van de panelen spanningen in de folie ontstaan. Deze spanningen moeten klein blijven zodat er geen beschadigingen optreden want dit heeft verlies van het vacu*m tot gevolg. De spanningen ontstaan ten gevolge van het aanbrengen van het vacu*m, door temperatuurverschillen of door externe krachten. Het zwakste punt van de panelen bevindt zich ter hoogte van de verbindingen tussen twee folies, die een naad vormen aan de zijkanten van het paneel. Alle mogelijke oorzaken van schade aan de folie moeten door een correcte toepassing van de vacu*mpanelen worden vermeden.

Tenpierik voerde testen uit om de mechanische sterkte van twee type folies te bepalen [30]. De opbouw en de gegevens van beide folies worden weergegeven in afbeelding 29 en tabel 1. De eerste folie is een gemetalliseerde gelamineerde folie (MF) van 97 μm dik, bestaande uit een hoge densiteit polyethyleen-laag (HDPE) en drie lagen polyethyleentereftalaat (PET) met een dunne aluminiumoxide-laag (0,03 μm) erop afgezet. Deze lagen worden onderling verbonden door een PU-adhesief. De tweede folie is een gelamineerde aluminium folie (AF) van 81 μm dik, opgebouwd uit een dunne aluminiumfolie beschermd door een PE en PET-laag. Foliematerialen hebben in tegenstelling tot het kernmateriaal een hoge treksterkte en vertonen ductiel gedrag.

Afbeelding 28: Verschillende mogelijke randafwerkingen van vacuümisolatiepanelen

gerangschikt van slechts naar best presterende.

25

tf [μm] ff,t [MPa] fnaad [N/mm] fpunt [N] flam [N/mm]

MF 97 85 > 4.4 92 > 0,39

AF 81 81 2,3 10 -

εf,pl [%] ff,y [MPa] εf,u [%] ff,u [MPa] Ef [MPa]

MF 4,6 46,8 128 87,1 1355

AF 5,2 50,7 145 75,8 1189

Tabel 1: Eigenschappen van een gemetalliseerde gelamineerde folie (MF) en een gelamineerde aluminium folie

(AF). Met tf de dikte van de folie, ff,t de treksterkte van de folie, fnaad de sterkte van de naad, fpunt de weerstand

tegen een puntbelasting, flam de weerstand tegen delaminatie van de folie, εf,pl en ff,y de rek en spanning bij

overgang van elastisch naar plastisch gedrag, εf,u en ff,u de ultieme rek en spanning en Ef de elasticiteitsmodulus

van de folie.

2.4. Eigenschappen VIP'sVIP's bestaan uit een silica fume kern omhuld door een complexe barrièrefolie met een gecreeerde onderdruk in de kern. De gevormde panelen hebben strikte standaardafmetingen die vaak een veelvoud van 250 of 300 mm zijn. Veelvoorkomende standaardmaten zijn 600 x 500 mm, 600 x 1000 mm en 1000 x 1200 mm. De diktes van de panelen kunnen varieren tussen 10 en 50 mm. Bij het toepassen van VIP's dient rekening gehouden te worden met deze standaardmaten en de nodige maattoleranties. Deze toleranties zijn voor de lengte en breedte typisch +2 en -4 mm en voor de dikte ± 1 mm. Deze maattoleranties zijn vooral het gevolg van het aanbrengen van het vacu*m op de kern. Aangezien de panelen niet op maat gezaagd kunnen worden, moet bij de toepassing van VIP's zo veel mogelijk standaardpanelen gebruikt worden. Op maat gemaakte VIP's zijn mogelijk maar zeer duur.

VIP's zijn stabiel en kunnen hun functie vervullen tussen ongeveer -50 en 70 °C. De toepassing in een buitengevel zal dus, bij een nauwkeurige materiaalkeuze, geen probleem opleveren. Het toepassen van vacu*mpanelen in een vochtig binnenklimaat wordt afgeraden aangezien bij een relatieve vochtigheid groter dan 60 % het vochtgehalte in het kernmateriaal exponentieel zal toenemen. Bijgevolg wordt hierdoor de thermische weerstand van het paneel verzwakt. Bij een relatieve vochtigheid lager dan 60 % blijft de hoeveelheid geabsorbeerd water in de fumed silica kern beperkt tot ongeveer 0,05 kg/kg [2].

De panelen worden geleverd met een onderdruk kleiner dan 5 mbar, wat resulteert in een λCOP

van 3,7 tot 5,0 mW/m.K. Door infiltratie van gassen doorheen de omhullende folie neemt de

Afbeelding 29: Twee mogelijk opbouwen van de barrièrefolie. Met links de

gemetalliseerde gelamineerde folie (MF) en rechts de gelamineerde aluminium folie

(AF).

26

interne druk toe met gemiddeld 1 mbar per jaar. Om hiermee rekening te houden wordt λCOP, 25j

bepaald. Dit is de warmtedoorgangscoefficient van een vacu*mpaneel, rekening gehouden met de verouderingseffecten over een termijn van 25 jaar. λCOP, 25j ligt typisch rond 7 à 8 mW/m.K. Om de effectieve lambda-waarde te kennen moeten we nu nog het koudebrugeffect aan de randen van het paneel in rekening brengen. Dit gebeurt aan de hand van de lineaire warmtedoorgangscoefficient Ψvip, edge , die functie is van de eigenschappen van de folie, de kern en de afmetingen van het paneel. Tenpierik en Cauberg bepaalden nauwkeurige formules voor de berekening van Ψvip, edge [31].

met dp de dikte van het vacu*misolatiepaneel [m]l de lengte van het paneel [m]b de breedte van het paneel [m]tf de dikte van de folie [m]tf' de dikte van de folie aan de dichting [m]φ = tf / tf' [-]λf de warmtegeleidingscoefficient van de folie [W/m.K]λk de warmtegeleidingscoefficient van de kern [W/m.K]α1 en α2 de warmtetransmissiecoefficienten [m2.K/W]

Met N1, N2, B en D parameters bepaald volgens:

Ni= √ αi

t f λ f

+λc

t f λ f d p

B =λc

t f λ f d p

D = (N 12−N 2

2)2+4B2

λ1 en λ2 zijn de eigenwaarden van het lineaire systeem.

λ1 =−√ (N 12+N 1

2)−√(N 12+N 1

2)2+4B2

2

λ2 =−√(N12+N 1

2)+√(N 12+N 1

2)2+4B2

2

De equivalente lambda-waarde van VIP's rekening houdende met de afmetingen van de panelen, eigenschappen van de kern en folie en verouderingseffecten wordt dan uiteindelijk:

λequ = λCOP ,25j+Ψvip ,edge .d

pP

A

met P de omtrek van het vacu*mpaneel [m]A de oppervlakte van het vacu*mpaneel [m2]

Zo is bijvoorbeeld de equivalente lambda-waarde λequ gelijk aan 8,06 mW/m.K voor een vacu*mpaneel van 610 op 305 mm, met een dikte van 20 mm, λCOP, 25j gelijk aan 7 mW/m.K, een gemetalliseerde gelamineerde folie met tf 91 μm en Ψvip, edge 0,0054 W/m.K [36].

Ψ vip ,edge =1

1+λc

α1 d p

+λ c

α2 d p

. [ α1(N 22−B)

φ dpλ

f

λf'

(N 12N 2

2−B2)−λ1√N 1

2N 2

2−B2(

2B

√D+1)−λ2 √N 1

2N 2

2−B2(1−

2B

√ D) ]

27

Naast de thermische eigenschappen zijn ook de mechanische eigenschappen van VIP's zeer belangrijk. Aan de hand van de buigstijfheid, het product van de elasticiteitsmodulus E en het traagheidsmoment I, kunnen deze mechanische eigenschappen geanalyseerd worden. De elasticiteitsmodulus E is een constante materiaalkarakteristiek die maat is voor de weerstand tegen vervormingen. Aangezien VIP's niet homogeen zijn maar bestaan uit een kern en een omhullende folie bestaat er zo geen materiaalconstante. Er kan wel een equivalente elasticiteitsmodulus Eeq bepaald worden die afhangt van de dikte en elasticiteitsmodulus van de kern en folie. Eeq wordt dus een paneeleigenschap in plaats van een materiaaleigenschap. De werking van een vacu*mpaneel is zeer complex omwille van de samenwerking tussen de folie en de kern, en door de vervormingen in de kern ten gevolge van schuifkrachten. De interne krachten in een paneel hangen af van de externe randvoorwaarden, de overspanning en de manier van belasten. Deze variabelen kunnen ingevoerd worden door middel van ξ [m-2]. Rekening houdende met deze effecten bekomen we het begrip effectieve equivalente elasticiteitsmodulus [30].

Eeq ,eff

=(EI )VIP(1−ν2)

IVIP

. 1

1+ξ(EI )VIP

(GA)VIP

met I VIP=w

pd

p

3

12

(EI )VIP=E f

(wpd

p

3−wkd

k

3)

12(1−ν f

2 )+Ek

wkd

k

3

12(1−νk

2)

(GA)VIP=Gk

(dk+t

f)2

dk

wk+2G f

(dk+t

f)2

dk

t f

ν de gewogen Poisson-modulus die 0,4 genomen kan worden; dk en tf de dikte van de kern en folie [m]; wk en wp de breedte van de kern en van het paneel [m]; Gk en Gf de glijdingsmodulus van de kern en de folie [MPa]; Ek en Ef de elasticiteitsmodulus van de kern en de folie [MPa].

De effectieve equivalente elasticiteitsmodulus Eeq,eff van een paneel van 20 mm dik met een gemetalliseerde gelamineerde folie, een silica fume kern, een verdeelde belasting en ingeklemde randen is 36,1 MPa11. Vergeleken met traditionele isolatiematerialen ligt deze waarde iets hoger12. Zo is bijvoorbeeld de elasticiteitsmodulus van XPS-platen 12 MPa13. Vuren constructiehout heeft, ter vergelijking, een elasticiteitsmodulus van 300 MPa. De onderdruk die in de VIP's heerst heeft een positief effect op de waarde van de elasticiteitsmodulus. Indien het vacu*m verloren gaat wordt de elasticiteitsmodulus van een intact paneel ongeveer gehalveerd. Hiermee dient zeker rekening gehouden te worden wanneer een VIP structureel ingezet wordt.

Wereldwijd zijn er verscheidene producenten van vacu*misolatiepanelen voor bouwkundige toepassingen. De bekendste merknamen met bijhorende producent zijn: Slimvac van Microtherm, Vacupor van Porextherm Dämmstoffe, va-Q-vip van Va-Q-tec, Variotec, Dow Corning en Optim-R van Kingspan.

11 De gebruikte waarden zijn: dp = 20 mm, tf = 97 μm, Ef = 1355 MPa, Ek = 7,1 MPa en ξ = 48 / L2

12 Tabel 2 op pagina 33 toont enkele materiaaleigenschappen van traditionele isolatiematerialen.13 Waarden specifiek voor XPS-platen van de fabrikant URSA.

28

Hoofdstuk 3: Systeemonderzoek sandwichpanelen

3.1. InleidingEr bestaan drie verschillende types dunne gevelsystemen die elk verschillen van opbouw en structurele werking. Deze drie gevelsystemen zijn sandwichpanelen, gevelelementen en gordijngevels [Afbeelding 30]. De eigenschappen van elk systeem worden in de volgende hoofdstukken besproken zodat de belangrijkste voor- en nadelen vergeleken kunnen worden. Zo worden bijvoorbeeld de structurele werking, de thermische prestaties, de bouwtijd en de esthetische mogelijkheden besproken. Op het einde van elk hoofdstuk worden de mogelijkheden van de implementatie van VIP's onderzocht. Er wordt kwantitatief bekeken wat de impact van VIP's op de bestaande bouwsystemen kan zijn. Maar ook wordt bepaald aan welke eisen de vacu*misolatiepanelen moeten voldoen en wat belangrijke aandachtspunten zijn. Als eerste wordt de toepassing van sandwichpanelen als dunne gevelelementen onderzocht.

Sandwichpanelen zijn geprefabriceerde, afgewerkte bouwelementen die typisch opgebouwd zijn uit een dikke isolerende kern met aan beide zijden een dun plaatmateriaal. Er bestaan zowel structurele als niet-structurele sandwichpanelen. De focus in deze masterproef ligt op panelen die enkel zelfdragend zijn en dus niet structureel. De panelen kennen een brede toepassing in de bouwsector voor gevels, hellende of licht hellende daken en binnenwanden. Vroeger werden sandwichpanelen vooral geassocieerd en toegepast in grote industriele loodsen. Maar later ontdekten ook de commerciele en residentiele bouwsector de voordelen van deze panelen. Zo worden hedendaagse sandwichpanelen ook voor architectonische toepassingen zoals kantoorgebouwen en publieke gebouwen aangewend. In Europa wordt er jaarlijks 100 miljoen m2 sandwichpanelen geproduceerd wat overeenkomt met een waarde van €2,5 miljard per jaar. Over de hele wereld is dit ongeveer 500 miljoen m2/jaar en €10 miljard/jaar14.

14 Volgens http://www.easie.info

Afbeelding 30: Schematische weergave van de drie dunne gevelsystemen.

29

Een paneel bestaat steeds uit een licht, stijf en relatief dik kernmateriaal zoals geexpandeerde plastics (polyurethaan, polystyreen, fenolschuim), een honingraatstructuur (uit polymeren, metalen, karton, …) of minerale materialen (glaswol, rotswol). Dit kernmateriaal bevindt zich tussen twee dunne, sterke plaatmaterialen zoals bijvoorbeeld staal, aluminium, roestvast staal, koper, hout, vezelversterkte polymeren of zelfs beton. Door de combinatie van het kernmateriaal en de platen worden de negatieve eigenschappen van elk materiaal apart geelimineerd. Zo is bijvoorbeeld de vochtgevoeligheid van geexpandeerd polystyreen (EPS) en de knikgevoeligheid van dunne, stalen platen door de toepassing van beide materialen in een sandwichpaneel geen probleem meer.

De belangrijkste voordelen van sandwichpanelen zijn: – hoge stijfheid en sterkte ratio ten opzichte van het lichte gewicht;

– combinatie van functies zoals een duurzame thermische isolatie, akoestische demping, brandwerendheid, lucht- en waterdichtheid, ... in 00n enkel element;

– eenvoudige en snelle montage, reparatie of vervanging;

– uitstekende, gecontroleerde kwaliteit door prefabricatie;

– lange levensduur en lage onderhoudskosten;

– aan beide zijden een afgewerkt oppervlak.

Nadelen of aandachtspunten zijn:– het slechte brandgedrag van de geschuimde kernmaterialen;

– relatief lage warmtecapaciteit van de panelen in vergelijking met andere bouwsystemen;

– vervormingen of spanningen ten gevolge van grote temperatuurverschillen;

– slechte akoestische prestaties in vergelijking met andere bouwsystemen.

Sandwichpanelen moeten kunnen concurreren met alternatieve bouwmethodes dus moet de kostprijs zo laag mogelijk blijven. Ook moeten de panelen aan bepaalde vereisten kunnen voldoen zoals voldoende thermisch isoleren, een lucht- en waterdichte gebouwschil vormen en akoestisch isoleren. De panelen moeten bestand zijn tegen de weersinvloeden en voldoende corrosiebestendigheid bieden. De belastingen op de panelen moeten op een veilige manier overgebracht kunnen worden naar de draagconstructie. Dit wil zeggen met voldoende

Afbeelding 31: Eidsiva afvalverbrandingscentrale

in Noorwegen bekleed met twee types

sandwichpanelen van de fabrikant Paroc.

Afbeelding 32: Het Bio Base Europe trainingcentrum in

Terneuzen is passief dankzij sandwichpanelen van

Kingspan.

30

stabiliteit en beperkte vervormingen.

Er bestaan twee productiemethodes van sandwichpanelen. De meest toegepaste methode is een continu productieproces waarvan het schematische verloop op Afbeelding 33 te zien is. Hierbij wordt een isolerend schuim (PUR/PIR) tussen twee eventueel geprofileerde platen ingebracht. Deze platen worden op de gewenste afstand van elkaar gehouden. Het kernmateriaal ondergaat een chemische reactie, neemt sterk in volume toe en vult de holte tussen de twee platen. Deze chemische reactie zorgt, in het geval van PUR-schuim (en PIR) voor een uitstekende binding aan het plaatmateriaal. Dit productieproces haalt een snelheid van ongeveer 6 meter per minuut. Een tweede methode is de opbouw van een sandwichpaneel in een mal. Dit productieproces is trager en arbeidsintensiever maar laat wel complexe paneelvormen toe.

De panelen kunnen verticaal of horizontaal aan de dragende structuur van het gebouw bevestigd worden. Dit kan een staalskelet, betonskelet of een ander type dragende constructie zijn. Elk paneel is onderhevig aan het eigengewicht, windbelastingen (winddruk of windzuiging) en aan thermische belastingen. Deze belastingen worden door elk paneel afzonderlijk naar de dragende structuur van het gebouw overgedragen. Het effect van de temperatuurgradient over een paneel wordt behandeld als een type belasting die spanningen en vervormingen in het paneel teweeg brengt. De interne temperatuur wordt in de zomer gelijkgesteld aan 25 °C en in de winter aan 20 °C. De externe temperatuur hangt af van het seizoen en van de reflectiviteit en kleur van het buitenblad. De temperatuur van heel lichte, lichte of donkere kleuren worden op respectievelijk 55 °C, 65 °C en 80 °C genomen [13].

3.2. KernmateriaalHet materiaal voor de kern van een sandwichpaneel moet aan bepaalde eisen voldoen:

– laag volumegewicht

– hoge thermische isolatiewaarde

– goede hechting aan het materiaal van de buitenplaten

– voldoende trek- druk en schuifsterkte

De materialen die hier aan voldoen en in aanmerking komen als kernmateriaal kunnen opgedeeld worden gebaseerd op de chemische samenstelling. De eerste categorie bestaat uit synthetische schuimen zoals PUR, PIR, EPS en XPS. Een andere groep zijn de isolatiematerialen van minerale oorsprong, namelijk steenwol en glaswol. De mechanische eigenschappen van synthetische schuimen varieren sterk, afhankelijk van de dichtheid van de schuimen. Bij minerale isolatiematerialen is vooral de vezelstructuur bepalend voor de mechanische eigenschappen. Geen enkel materiaal voldoet aan alle eisen met betrekking tot

Afbeelding 33: Schematisch overzicht van het continue productieproces van sandwichpanelen.

31

brandgedrag, thermische en akoestische isolatie, hechting, mechanische sterkte, vochtbestendigheid en gewicht. Bij de keuze van een kernmateriaal moeten de eigenschappen dus tegen elkaar afgewogen worden en moet er een compromis gemaakt worden.

Het meest toegepaste kernmateriaal in sandwichpanelen is, met voorsprong, polyurethaan schuim. Dit materiaal bestaat hoofdzakelijk uit een polyol en isocyanaat, waaraan nog schuimmiddelen en activatoren aan toegevoegd worden. Deze grondstoffen reageren samen en vormen een thermoset structuur. Er worden intense verbindingen tussen de moleculen gevormd die een stevig geheel vormen. Naast polyurethaan bestaat er ook nog polyisocyanuraat (PIR). PUR en PIR-schuimen bestaan uit dezelfde grondstoffen maar de verhoudingen zijn anders, de hoeveelheid isocyanaat in PIR-schuimen is beduidend hoger. Deze aanpassing geeft PIR een grotere thermische stabiliteit en licht betere brandeigenschappen. Het productieproces ervan is evenwel complexer en vereist een hogere temperatuur, wat de kostprijs van PIR-schuimen opdrijft. De sterkte eigenschappen van PUR en PIR zijn vergelijkbaar maar de thermische uitzettingscoefficient van PIR is lager en het brandgedrag van een naakte PIR-plaat is beter dan dat van een naakte PUR-plaat.

Polystyreen (PS) is een thermoplastisch materiaal dat zich niet bindt met de plaatmaterialen. Er zijn dus adhesieven nodig om het kernmateriaal met de buitenplaten te verbinden en zo 00n samenwerkend element te verkrijgen. Daarom is de toepassing in grootschalige sandwichpanelen minder interessant. Enkel in kleinschalige, eenvoudige toepassingen kan er voordeel gehaald worden uit de goedkopere productiemethode van polystyreen panelen. De warmtegeleidingscoefficient van geexpandeerd polystyreen (EPS) is ongeveer het dubbele van deze van polyurethaan-schuimen. Polystyreen-schuim geproduceerd aan de hand van extrusie (XPS) is meer homogeen. Door het productieproces hebben XPS-schuimen een hogere massadichtheid en betere sterkte-eigenschappen. Geextrudeerde polystyreen schuimen hebben ook een zeer goede waterbestendigheid door de bijna compleet gesloten celstructuur.

Minerale wol isolatie wordt geproduceerd uit gesmolten mineralen zoals steen en glas. Dit type isolatie wordt aangeraden als kernmateriaal voor sandwichpanelen wanneer er bepaalde eisen gesteld worden naar brandveiligheid en eventueel aan akoestiek. Bij het produceren van rots- of glaswol worden er respectievelijk silicaten of kwartszand, soda en kalksteen gesmolten bij temperaturen tot 1500 graden. Voor de productie van glaswol kan gerecycleerd glas ook als grondstof gebruikt worden. Door centrifugatie van de smelt worden er vezels gecreeerd die met een bindingsmiddel aan elkaar worden gebonden. Deze structuur wordt samengeperst en in stroken versneden. Met deze stroken worden er gelamineerde kernplaten samengesteld. Rotswol bestaat uit relatief korte vezels, in vergelijking met glaswol, en heeft daardoor een grotere dichtheid, druksterkte en temperatuurresistentie. Glaswol heeft door de lange vezels een hogere treksterkte en elasticiteitsmodulus. Door de vezeldikte en -lengte te varieren kunnen de sterkte eigenschappen van minerale wol beïnvloed worden. Dit kan ook door de orientatie van de lange vezels specifiek te kiezen. De korte vezels zitten steeds willekeurig verspreid. Zo kan er structurele minerale wol (S-MW) geproduceerd worden waarbij de vezels hoofdzakelijk in 00n richting georienteerd worden. Rotswol is vaak de beste keuze voor toepassing in sandwichpanelen door de betere resistentie tegen hoge temperatuur en de betere vochtbestendigheid.

In principe kan er nog een derde categorie van mogelijke kernmaterialen onderscheiden worden, namelijk honeycomb-kernen. Dit zijn honingraat-achtig structuren uit metaal, polymeren, keramiek of karton. Het aantal toepassingen in gebouwen is miniem en blijft vaak

32

beperkt tot goedkope deuren. Dit type paneel wordt hoofdzakelijk toegepast waar structurele eigenschappen belangrijker zijn dan thermische isolatie. Populaire toepassingsgebieden zijn dan ook de vliegtuigbouw en ruimteschepen.

De belangrijkste eigenschappen van de kernmaterialen worden samengevat in de volgende tabel. Deze tabel maakt het vergelijken van de verschillende mogelijke kernmaterialen eenvoudiger.

EPS XPS PUR PIR S-MW

Eigenschappen

Warmtegeleidingscoefficient λ [W/m.K]

0,035 – 0,04 0,025 – 0,028 0,024 – 0,03 0,022 0,036 – 0,044

Warmteopslagcapaciteit c [J.kg/K]

1450 1500 1200 1200 1030

Massadichtheid ρ [kg/m2] 15 15 – 20 30 – 50 35 – 50 12 – 50 80 – 150

Druksterkte [kN/m2] 50 – 180 200 - 400 80 – 190 110 – 380 100 – 150

Treksterkte [kN/m2] 60 – 210 340 – 500 70 – 210 110 – 350 50 – 1000

Schuifsterkte [kN/m2] 50 – 150 180 – 500 70 – 160 90 – 180 50– 200

Elasticiteitsmodulus [N/mm2]

1 – 5 10 – 20 2 – 7 6 – 9 6 – 20

Thermische uitzetting [.10-6 /K]

40 – 90 40 – 90 90 20 ≈ 0

Akoestische isolatie [dB] 20 20 25 25 28 – 31

Binding adhesief nodig

adhesief nodig

zeer goed zeer goedadhesief

nodig

Brandveiligheid

Brandklasse B E B B A1 / A2

Rookontwikkeling s1 s3 s2 s2 s1

Brandend druppels d0 d2 d0 d0 d0

Risico op smeulgedrag geen geen geen geen hoog

Milieu

Recycleerbaarheid zeer goed goed slecht slecht matig

NIBE – classificatie 16 2c 2c 5a 5a 2a – 2c

Tabel 2: De Belangrijkste eigenschappen van verschillende kernmaterialen van sandwichpanelen.

15 Vergelijking op basis van een isolatiedikte voor U = 0,20 W/m2.K.16 De NIBE-classificatie is een milieuclassificatie die onder andere rekening houdt met energieverbruik,

emissies, landgebruik, hinder, gezondheid,… Met 1a de beste keuze en 7c een onaanvaardbare keuze.

33

3.3. HuidDe dunne buitenplaten zorgen voor de bescherming van het kernmateriaal tegen weersinvloeden en verlenen de nodige sterkte en stijfheid aan de sandwichpanelen. De platen zijn water- en luchtdicht zodat er enkel aan de aansluitingen van de panelen maatregelen genomen moeten worden voor een goede water- en luchtdichte bouwhuid. Het uitzicht van de buitenplaten bepaalt grotendeels de esthetiek van een gevel bekleed met sandwichpanelen. Buiten een enorme keuzemogelijkheid qua kleuren zijn er vaak verschillende afwerkingen en profileringen mogelijk. De toegepaste materialen zijn hoofdzakelijk metalen zoals staal, aluminium, roestvast staal en koper. Slechts een zeer beperkt deel van de sandwichpanelen wordt uitgevoerd met houten materialen zoals multiplex of vezelplaten.

Het meest gebruikte materiaal is verzinkt staal. Dit dient steeds beschermd te worden tegen corrosie door een coatingsysteem aan te brengen. De coatingen geven de platen ook een specifieke glans en kleur. Aan de binnenzijde van de platen wordt ook steeds een primer aangebracht om de hechting met het kernmateriaal te verbeteren. De meest toegepaste staalsoorten zijn S280 en S320, maar de vloeispanning van het staal is van ondergeschikt belang. Dit omdat de sandwichpanelen eerder zullen falen door de schuifkrachten in het kernmateriaal of door lokale knikverschijnselen in de huid. De toegepaste plaatdiktes varieren van 0,3 tot 1,5 mm met een minimum dikte van 0,3 mm voor de binnenplaten en 0,5 mm voor de buitenplaten.

Aluminium wordt toegepast wanneer er speciale eisen gesteld worden naar corrosie of hygiene toe. Alhoewel aluminium zelf een beschermende oxidelaag aan het oppervlak vormt, wordt er meestal een coating aangebracht om esthetische redenen. De mechanische eigenschappen van het aluminium kunnen varieren afhankelijk van de chemische samenstelling en het tempering-proces. De benodigde dikte is iets groter dan bij stalen platen en ligt typisch tussen 0,7 tot 1,2 mm. Uitzonderlijk zijn er toepassingen met 0,5 mm dikke aluminiumplaten te vinden.

Ook roestvast staal en koper kunnen gebruikt worden als plaatmateriaal voor sandwichpanelen maar de toepassingen ervan zijn eerder zeldzaam. Roestvast staal kan gekozen worden omwille van hygienische of esthetische redenen maar ook voor de toepassing in agressieve binnenomgevingen. Koper heeft een zeer goede corrosieweerstand en een specifieke kleur door het trage oxidatieproces. Deze beide materialen zijn opvallend duurder dan staal en aluminium waardoor de grootschalige toepassing niet interessant is.

Tabel 3 geeft een overzicht van de belangrijkste eigenschappen van staal, aluminium, roestvast staal en koper.

34

Aluminium Staal RVS Koper

Eigenschappen

Warmtegeleidingscoefficient λ [W/m.K]

237 50 16 – 27 390

Massadichtheid ρ [kg/m3] 2700 7800 7700 8900

Dikte [mm] 0,5 – 1,2 binnen: 0,4 /0,5buiten: 0,5 / 0,6

0,4 – 0,6 0,4 – 0,6

Elasticiteitsmodulus E [N/mm2]

70000 210000 200000 118000

Vloeispanning [N/mm2] 170 300 230 50

Treksterkte [N/mm2] 200 – 250 300 – 500 540 – 750 220

Thermische uitzetting [.10-6 /K]

23,2 12 16 17

Materiaalprijs gemiddeld laag hoog hoog

Duurzaamheid

Behandeling coating coating geen geen

Kleuren grote keuze grote keuze geen geen

Hardheid (Mohs) 2 – 2,4 5 – 5,5 5,5 – 6,3 2,5 – 3

Corrosie bestendigheid goed slecht zeer goed goed

Milieu

Recycleerbaarheid zeer efficient goed goed efficient

NIBE – classificatie 6a 4a 4a 6a

Tabel 3: Overzicht van de belangrijkste materiaaleigenschappen van mogelijke huidmaterialen van

sandwichpanelen.

3.4. Structurele werkingSandwichpanelen bestaan uit minstens drie lagen, met elk hun specifieke eigenschappen, die als 00n geheel samenwerken. De buitenplaten zijn stijf en sterk maar kunnen snel uitknikken door de zeer dunne sectie. Het kernmateriaal heeft weinig buigstijfheid maar is wel een goede thermische isolator. Door de platen met de kern via een adhesieve verbinding te laten samenwerken ontstaat er een licht, buigstijf en isolerend paneel. De interne krachtenverdeling in een sandwichpaneel wordt vaak vergeleken met de werking van een I-ligger. De buitenplaten nemen net als de flenzen van een I-profiel de normaalkrachten en momenten in de doorsnede op. De kern, die als een soort afstandshouder werkt, neemt de schuifkrachten in de doorsnede op net als de lijfplaat van een I-profiel. Afbeelding 34 geeft dit schematisch weer.

35

Als de platen dun en vlak of licht geprofileerd zijn dan is de buigstijfheid EF.IF zeer klein. Het effect van de platen op de spanningsverdeling van de gehele doorsnede is dus verwaarloosbaar. De berekeningen worden gebaseerd op de spanningen ten gevolge van het moment Ms=e.NF en de dwarskracht Vs. De ingevoerde vereenvoudigingen zijn weergegeven in afbeelding 35. Volledig vlakke platen, zonder profilering zijn af te raden door het risico op lichte krommingen. Hierdoor zal het oppervlak van het sandwichpaneel golven vertonen wat esthetisch zeer storend kan zijn. Wanneer een vlak uiterlijk gewenst is, worden de platen best geprofileerd. De aangebrachte profilering hoeft niet diep te zijn om de lokale stijfheid en knikweerstand van de buitenbladen voldoende te vergroten en zo een vlak uitzicht te verzekeren. Wanneer de diepte van de plooien tussen 1 en 4 mm ligt, spreken we van licht geprofileerde platen (ofwel micro-profiled) [7].

De spanningen in de kern en de platen worden berekend volgens onderstaande formules.

met AF de doorsnede van de huid, e de afstand tussen de normaalkrachten.

De aangrijpende belastingen en de ontwerpprocedure van sandwichpanelen wordt vastgelegd in de Europese productstandaard EN14509: Zelfdragende, warmte-isolerende metalen sandwichpanelen. De belastingcombinaties moeten zowel in de gebruiksgrenstoestand als in uiterste grenstoestand kleiner blijven dan de weerstandbiedende capaciteit van de sandwichpanelen.

met Ed = γP Pk + γQ1 Qk1 + Σ γQi Ψoi Qki

De permanente belastingen zijn zowel het eigengewicht van de panelen maar ook van alle bevestigde componenten en permanente aangelegde vervormingen (bijvoorbeeld ten gevolge van een constante interne temperatuur bij koudeopslag). De winddruk of-zuiging en het temperatuurverschil tussen binnen en buiten zijn de aangrijpende variabele belastingen.

Afbeelding 34: De rek- en spanningsverdeling in de doorsnede van een sandwichpaneel.

Afbeelding 35: De vereenvoudigde krachtenverdeling in de doorsnede van een sandwichpaneel.

EUGT ,d

≤Rd

EGGT ,d

≤Cd

τc=V

s

e BσF2=

Ms

e AF2

σF1=−M

s

e AF1

36

3.5. Aansluitingen

3.5.1. Types

Op de wereldwijde markt van de sandwichpanelen bestaan zowel zichtbare als verborgen bevestigingstechnieken. In het kader van deze masterproef worden enkel aansluitingen met verborgen bevestiging onderzocht en besproken. Deze verbindingen zijn esthetisch en thermisch gezien vaak interessanter dan panelen waar de schroeven zichtbaar blijven. Er zijn verschillende soorten aansluitingen die nauwgezet ontworpen èn uitgevoerd moeten worden bij de toepassing van sandwichpanelen voor gevels van gebouwen. Zo zijn er de aansluitingen tussen de panelen onderling in verticale en horizontale richting. Maar ook de aansluitingen ter hoogte van de vloer en het dak zijn cruciaal. Uiteraard dienen raam- en deuraansluitingen ook te voldoen aan de lucht-en waterdichtheidseisen.

Er kunnen grof bekeken vier grote types van onderlinge aansluitingen onderscheiden worden (Afbeelding 36). Een eerste type is opgebouwd als een eenvoudige pen en gleuf systeem. De bevestiging aan de structuur gebeurt door middel van lokale bevestigingsprofielen (rood). Het tweede type heeft een complexere profilering met metalen bevestigingsclips voor de bevestiging aan de draagconstructie. Bij het derde type sandwichpaneel wordt de isolatie op bepaalde punten doorboord door schroeven, die verborgen worden door het naastliggende paneel. Een vierde en laatste aansluitingstype gebruikt een kunststof randprofiel voor de stevige verbinding met de dragende structuur van het gebouw. Eigenlijk bestaat er nog een vijfde type waar de randen van sterk geprofileerde sandwichpanelen een deel overlappen. Maar aangezien panelen met zo een sterke profilering (> 35 mm) bijna uitsluitend op daken toegepast worden, wordt dit type hier niet behandeld.

Deze aansluitingen moeten voldoen aan bepaalde eisen naargelang lucht-, water- en dampdichtheid om het binnenklimaat van een gebouw af te sluiten van het buitenklimaat. De vorm van de aansluiting is vaak een eerste belangrijke factor die de prestaties van het paneel bepalen. Het profiel bepaalt de weg en dus de weerstand die lucht en water moeten afleggen tot aan de binnenzijde van de gevel. Een tweede belangrijk factor in de lucht-en waterdichting van sandwichpanelen is het gebruik van dichtingsbanden met specifieke eigenschappen.

Afbeelding 36: Verschillende types van onderlinge aansluitingen tussen sandwichpanelen.

37

3.5.2. Thermische prestaties

Om de thermische prestaties van elk aansluitingstype te kunnen analyseren en vergelijken worden vier commercieel beschikbare sandwichpanelen gekozen. Om de aansluitingen zo correct mogelijk met elkaar te kunnen vergelijken wordt enkel de aansluiting zelf gevarieerd. De dikte van de geanalyseerde panelen wordt vastgelegd op 60 mm. Aan de binnen- en buitenzijde bevinden zich respectievelijk een 0,5 en 0,6 mm dikke aluminiumplaat. Het eerste aansluitingstype wordt gebaseerd op een Equitilt-paneel van de fabrikant Bondor. De tweede aansluiting is deze van Integral-panelen van de producent Hoesch. Het AWP-paneel van de producent Kingspan behoort tot het derde type. Het laatste type met een PVC-randprofiel is van de producent Hunter Douglas. Enkele gegevens van deze bestaande sandwichpanelen worden in tabel 4 samengevat en de aansluitingsdetails zijn weergegeven in afbeelding 37.

De thermische prestaties van de aansluitingstypes worden bepaald aan de hand van de thermische analyse software Bisco. Deze software berekent aan de hand van de eindige elementen methode het warmtetransport doorheen een gesimuleerde, tweedimensionaal object. Uit deze software worden twee waarden afgeleid: de Ψ- en f-waarde.

De lineaire warmtedoorgangscoefficient Ψ is een karakteristiek kenmerk van een bepaalde bouwknoop met een lengte L. De waarde geeft aan hoe groot het extra warmteverlies per lopende meter en per graad temperatuurverschil is, bovenop het 00ndimensionale warmteverlies.

met A de totale oppervlakte van de gevel L de lengte van het aansluitingsdetail U de warmtedoorgangscoefficient van de gevelopbouw

De temperatuurfactor f geeft een indicatie van de laagste oppervlaktetemperatuur θsi ter hoogte van een aansluitingsdetail, in relatie tot de binnen- en buitentemperatuur θi en θe. Bij een te lage binnenoppervlaktetemperatuur treedt er mogelijk oppervlaktecondensatie en schimmelvorming op. Als grenswaarde wordt meestal f ≥ 0,7 genomen.

De verschillende aansluitingen kunnen objectief vergeleken worden door per type een effectieve warmtedoorgangscoefficient Ueff te bepalen. Deze waarde wordt, bij wijze van voorbeeld, voor een gevel van 24 op 7 meter bepaald. Deze gevel wordt bekleed met sandwichpanelen van 1,2 op 3,5 meter. De totale geveloppervlakte is dus 168 m2 en de totale voeglengte 219 meter. In de laatste rij van tabel 4 wordt procentueel het effect van de aansluitingen op de warmtedoorgangscoefficient van de totale gevel weergegeven. De gebruikte warmtegeleidingscoefficienten worden opgesomd in bijlage A. In bijlage B wordt per type het temperatuurverloop en de warmtestroomdichtheid afgebeeld. De warmtestroomdichtheid of warmteflux q [W/m2] is een maat voor de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid per m2 doorheen een constructie stroomt. Bisco laat toe de warmteflux te visualiseren zodat de cruciale punten in de aansluitingen eenvoudig zichtbaar zijn.

f =θ

si−θ

e

θi−θe

Φ=(∑n

( Ai U i )+L ψ)(θe−θi) U eff =U+ψ L

A

38

Type 1 Type 2 Type 3 Type 4

Bondor Equitilt Hoesch Integral Kingspan AWP Hunter Douglas

Eigenschappen volgens producent

Kern EPS PUR PIR PUR

Huid staal staal staal aluminium

Minimale dikte [mm] 75 60 60 60

U [W/m2.K] 0,54 0,37 0,33 -

Berekende specificaties aansluiting

Ψ [W/m.K] 0,117 0,226 0,132 0,149

f-waarde 0,935 0,858 0,930 0,847

U [W/m2.K] 0,396 0,396 0,396 0,396

Ueff 17 [W/m2.K] 0,549 0,691 0,568 0,590

Aandeel Ψ [%] 38,51 74,4 43,5 49,0

Tabel 4: Samenvatting van de eigenschappen van de vier types sandwichpanelen volgens de producent en

volgens eigen berekeningen aan de hand van Bisco.

Zoals uit de berekeningen blijkt is het effect van de aansluitingen zeker niet te onderschatten. De U-waarde stijgt gemiddeld met 51,35 % ten gevolge van lineaire koudebruggen die ontstaan aan de randen van de sandwichpanelen. Op de afbeeldingen van de warmtestroomdichtheid (zie bijlage B) is duidelijk de invloed van de naar binnen geplooide aluminiumplaten zichtbaar. De afstand tussen deze platen bepaalt sterk de grootte van het warmteverlies ter hoogte van de aansluitingen. Het randprofiel uit PVC, toegepast in type 4, is niet efficient aangezien de grote afstand tussen het isolerend materiaal van beide panelen. De grote luchtholte is ook sterk nadelig aangezien er convectieve warmtetransport mogelijk is. Als laatste kan er worden vastgesteld dat de rechtstreekse aansluiting van het isolatiemateriaal effectiever is dan de aansluiting door middel van dichtingsrubbers.

17 Voor een wand van 24 op 7 meter bekleed met sandwichpanelen van 1,2 op 3,5 meter.

Afbeelding 37: Overzicht van de aansluitingen van de verschillende onderzochte types sandwichpanelen. Met

bijhorende thermische analyse uit Bisco.

39

3.5.3. Luchtdichtheid van aansluitingen

De luchtdichtheid van een gevel is een belangrijke factor die de energieconsumptie in een gebouw sterk kan beïnvloeden. Sandwichpanelen hebben zeker potentieel als luchtdichte bouwhuid omdat de buitenplaten uit metaal als ondoordringbaar beschouwd kunnen worden. De aansluitingen van de panelen moeten dus gedetailleerd ontworpen worden zodat deze ook een zeer goede luchtdichtheid hebben. Algemeen gezien hangt de luchtdichtheid van een gevel opgebouwd uit sandwichpanelen af van de detaillering, van de stijfheid en maatvastheid van de panelen, van de gebruikte dichtingsmaterialen en van de uitvoering.

De luchtdichtheid van een gebouw, ruimte of aansluiting wordt uitgedrukt in m3/m2/uur. Deze wordt bepaald door de exacte muuropbouw te testen volgens EN 12114 18 bij een bepaald drukverschil van 50 Pa. Maar volgens een experimentele studie van EASIE19 is er bij moderne sandwichpanelen bij dit drukverschil geen luchtstroming te bemerken [12]. Daarom werden er testen uitgevoerd bij 50 tot 500 Pa. Goed ontworpen en correct geplaatste sandwichpanelen blijven onder de grenswaarde van de luchtlekkage, die in DIN 4108-2 op 1 m3/m2/uur werd gesteld.

De luchtdichting moet aan de binnenzijde van de aansluiting geplaatst worden om condensatie van waterdamp in de sandwichpanelen te voorkomen. De gebruikte dichtingsmaterialen zijn hoofdzakelijk PUR-schuimstroken of PE stroken met een gesloten celstructuur. De correcte plaatsing is cruciaal opdat de dichtingsmaterialen voldoende samengedrukt worden om een luchtdichte barrière te vormen. De correcte plaatsing kan eenvoudig gecontroleerd worden door de breedte van de naad tussen twee panelen te controleren. Deze breedte mag slechts tussen vooraf bepaalde waarden varieren om een goede luchtdichtheid te verzekeren.

3.5.4. Waterdichtheid van aansluitingen

Een tweede belangrijke functie van de gevelpanelen bestaat erin het gebouw te beschermen tegen waterinfiltratie. Dit is noodzakelijk omdat water ernstige schade kan aanrichten aan de inventaris van het gebouw, aan bouwkundige elementen of aan de sandwichpanelen zelf. De thermisch isolerende kwaliteit van een paneel daalt gevoelig wanneer de isolatie vocht bevat en kan zelfs leiden tot schimmelvorming. De zwakke punten zijn hier, net als voor de luchtdichtheid, de aansluitingen. Water kan door het heersende drukverschil tussen binnen en buiten, onder invloed van de wind, doorheen de vele aansluitingen van de panelen gestuwd worden.

EN14509 legt drie testklassen vast die verschillende eisen stellen aan de weerstand tegen waterinfiltratie van gevelpanelen. De testen dienen uitgevoerd te worden volgens EN12865. Klasse A is de strengste en is voor toepassingen bij hevige regen en wind. De gevelconstructie moet waterdicht blijven tot 1200 Pa. Klasse B geldt voor normale toepassingen en vraagt een waterdichtheid tot 600 Pa. De zwakste eisen gelden voor klasse C met een waterdichtheid tot 300 Pa. De waterdichtheid van de aansluitingen kan bereikt worden door de toepassing van waterdichte dichtingsrubbers aan de buitenzijde van de gevel. Deze rubbers zorgen voor een eerste dichting maar deze kan toch falen bij een sterke winddruk en hevige regenbuien. De levensduur van deze rubbers zijn uiteraard ook beperkt. Daarom is een twee-trapdichting aangewezen. Hierbij bevindt er zich binnenin het paneel nog een tweede waterdichte laag, die

18 Thermische eigenschappen van gebouwen - Luchtdoorlatendheid van bouwcomponenten en bouwelementen - Laboratoriumbeproevingsmethode

19 Ensuring Advancement in Sandwich Construction through Innovation and Exploitation

40

net als de eerst dichting dampopen is. Tussen beide waterdichtingen wordt er een drainagekamer voorzien waarlangs geïnfiltreerd water kan afgevoerd worden.

3.6. Toepassing van VIP'sDe toepassing van vacu*misolatiepanelen als kern van sandwichpanelen lijkt op het eerste zicht een interessante toepassing. Met een zeer beperkte dikte kunnen hoge warmteweerstanden bereikt worden. Een 60 mm dik vacu*m geïsoleerd sandwichpaneel kan een U-waarde van 0,117 behalen20. Na inrekening van de koudebruggen ter hoogte van de aansluitingen is de effectieve warmtedoorgangscoefficient Ueff 0,269 W/m2.K21. Bovendien krijgen de VIP's door de toepassing in een sandwichpaneel een interessante toegevoegde waarde. Ze dragen namelijk bij tot de structurele werking van de gevelpanelen. Een belangrijke voorwaarde is uiteraard dat de vacu*mpanelen voldoende weerstand aan de aangrijpende belastingen kunnen bieden.

Het kernmateriaal van een sandwichpaneel wordt zoals eerder vermeld onderworpen aan schuifkrachten. De folie van de VIP's moet aan de plaatmaterialen verbonden worden door middel van gepaste adhesieven. Hier treden volgens Tenpierik problemen op [30]. Uit experimentele testen bleek de adhesieve verbinding tussen de barrièrefolie en de plaatmaterialen de zwakke schakel in het geheel te vormen. De lijmlaag faalt onderworpen aan schuifkrachten bij spanningen van 0,05 N/mm2 tot 0,11 N/mm2. Een tweede belangrijk probleem was de weerstand van de folie tegen een aangrijpende 'peel strength'. Er treedt bij bepaalde belastingen namelijk een verschijnsel van delaminatie van de barrièrefolie op. De verschillende laagjes gemetalliseerde PET-folie worden hierbij van elkaar getrokken.

Er zijn nog twee andere bevindingen die de toepassing van VIP's in sandwichpanelen problematisch kunnen maken. Een eerste bevinding heeft betrekking op de stijfheid van de sandwichpanelen. De elasticiteitsmodulus van VIP's is vrij hoog maar deze waarde heeft niet veel effect aangezien de stijfheid van sandwichpanelen vooral door de buigstijfheid EI van de beplating wordt bepaald. Door de uitstekende thermische prestaties van vacu*mpanelen kunnen de sandwichpanelen zeer dun uitgevoerd worden. Het binnen- en buitenblad komt dus dichter bij elkaar waardoor het traagheidsmoment I sterk daalt. Om deze daling te compenseren moeten dikkere platen worden gebruikt. Dit zal het totale gewicht van de sandwichpanelen sterk doen toenemen. Een tweede belangrijk aandachtspunt is het effect van het falen van 00n of meerdere vacu*misolatiepanelen. Uit experimenteel onderzoek blijkt dat de buigstijfheid van sandwichpanelen met beschadigde VIP's ongeveer 60 % daalt. Hierdoor zal de totale doorbuiging aanzienlijk toenemen.

Er kan dus geconcludeerd worden dat de toepassing van VIP's in verdiepingshoge sandwichpanelen voor buitengevels niet aan te raden is. Omwille van volgende redenen:

– De verbinding tussen de barrièrefolie en het plaatmateriaal is problematisch.

– Er kan delaminatie van de folie optreden.

– Bij verlies van het vacu*m neemt de buigstijfheid van de VIP's sterk af.

20 De berekening werd uitgevoerd voor een sandwichpaneel met een aluminium binnen- en buitenplaat van respectievelijk 0,5 en 0,6 mm dik.

21 Voor een aansluitingstype 1 met een Ψ-waarde, zoals berekend volgens Bisco, van 0,117 W/m.K. Deze effectieve U-waarde is berekend voor een wand van 24 op 7 meter, bekleed met sandwichpanelen van 1,2 op 3,5 meter.

41

Hoofdstuk 4: Systeemonderzoek gevelelementen

4.1. InleidingHet tweede gevelsysteem dat onderzocht wordt in het kader van deze thesis is een elementengevel. Dit systeem bestaat uit grote geprefabriceerde elementen die aan de draagstructuur van het gebouw worden opgehangen. De elementen kunnen ofwel als stijl- en regelwerk of als raamkader worden opgebouwd. Ze worden als 00n geheel in de fabriek geassembleerd onder gecontroleerde omstandigheden. De gevelelementen worden volledig afgewerkt zodat ze meteen op de werf geïnstalleerd kunnen worden. Ze zijn minimum verdiepingshoog en de breedte ligt vaak rond 1,2 meter. Elk paneel wordt onafhankelijk van elkaar bevestigd en gepositioneerd. De naden tussen de panelen worden zo ontworpen dat de gevel compleet water- en luchtdicht is.

Elementengevels worden vooral toegepast in commerciele gebouwen als kantoren en winkels. Maar er zijn ook vele toepassingen terug te vinden van gevelelementen in grotere residentiele gebouwen. Zeker bij grote en hoge bouwprojecten kan de keuze voor een elementengevel een aanzienlijke tijdsbesparing opleveren. In de fabriek kunnen de totaal afgewerkte panelen zeer efficient en aan een hoog tempo geproduceerd worden. De montage op de werf kan relatief snel en met een beperkt aantal arbeiders gebeuren. Dit gevelsysteem vraagt uiteraard een nauwkeurige planning en grondige detaillering waardoor de ontwerp- en productiefase het grootste deel van een totaal project vormen. Het transport naar de werf en de montage van de gevelelementen is relatief kort in vergelijking met andere bouwsystemen.

De belangrijkste voordelen van dunne gevelelementen zijn:– geen opslagruimte op de werf nodig dankzij just-in-time levering;

– steigerloze montage mogelijk en korte montagetijd;

– uitstekende, gecontroleerde kwaliteit door prefabricatie;

– vele afwerkingsmogelijkheden en materialen toepasbaar, ook zwaardere materialen zijn mogelijk;

– het systeem kan relatief grote verticale verplaatsingen opnemen.

Aandachtspunten waarmee rekening moet worden gehouden of nadelen van dit bouwsysteem zijn:

– de plaatsing vraagt een zeker deskundigheid of expertise van de aannemer;

– de naad tussen de elementen is cruciaal en vraagt een aandachtige detaillering;

– de panelen hebben vaak fragiele onderdelen die beschermd moeten worden tijdens het transport en installatie;

– het transport van grote elementen kan problematisch en duur zijn.

4.2. Opbouw systeemGevelelementen worden bovenaan door middel van speciale ankers aan de rand van de verdiepingsvloer gehangen. Onderaan sluiten de elementen op elkaar aan zodat de horizontale beweging verhinderd wordt. De naden tussen de elementen zijn zo ontworpen dat er verticale beweging mogelijk blijft. Elk element is in principe zelfdragend en brengt dus alle belastingen rechtstreeks over naar de draagstructuur. De elementen verkrijgen hun stijfheid voornamelijk

42

door randprofielen die tevens de aansluiting met naastliggende elementen mogelijk maken. Binnenin het raamwerk kunnen verschillende materialen gebruikt worden. Gesloten geveldelen worden gevormd door een isolatieplaat tussen afwerkingsmateriaal. Transparante geveldelen kunnen volledig gevuld worden met een glaspaneel of er kunnen traditionele raamkaders in geplaatst worden.

De panelen worden opgebouwd als een raamwerk van stijlen en regels die de elementen voldoende stijfheid geven. In dit raamwerk kunnen dan in principe eender welke materialen geplaatst worden. Zoals op afbeelding 38 en 39 te zien is kan het uitzicht en de gebruikte materialen sterk varieren. Er kan gekozen worden om de verticale stijlen aan de buitenzijde van de gevel te plaatsen in combinatie met dieperliggende horizontale regels. Zo wordt de verticaliteit van de gevel sterk benadrukt en lijken de stijlen over het gehele gebouw door te lopen. De randprofielen kunnen ook verborgen worden zodat de panelen meer als 00n geheel gezien worden. Bij grote elementen kunnen er, naast de nodige randprofielen extra profielen in het raamwerk geplaatst worden om extra stevigheid te bieden.

Het meest gebruikelijke materiaal voor elementengevels is met grote voorsprong aluminium. De mogelijkheid om complexe profielen door het extrusie-proc0d0 te vormen maakt dit het materiaal bij uitstek. Vaak zijn zowel het raamwerk, dat de gevelelementen de nodige stijfheid moet geven, als de raamkozijnen uit aluminium vervaardigd. Toch wordt er steeds meer voor een combinatie van hout en aluminium gekozen vanuit ecologische en esthetische overwegingen. Aan de binnenzijde is het hout zichtbaar en aan de buitenzijde het aluminium. Zo wordt de textuur en de warme kleuren van hout gecombineerd met de uitstekende weersbestendigheid en lage onderhoudsbehoefte van aluminium.

Afbeelding 38: De 150 meter hoge toren 'De

Rotterdam' wordt bekleed met aluminium

verdiepingshoge gevelelementen. Bron:

www.alcoa.be

Afbeelding 39: De gevelelementen van het Woopa-

gebouw in Lyon bestaan uit een houten kozijn met

drielaags geplaatst glas voor de transparante

geveldelen en geëmailleerd glas of gekleurd staal

voor de gesloten delen. Bron: www.rau.eu

43

4.3. AansluitingenElk gevelelement heeft volledig rondom een randprofiel. Hierdoor bestaat een naad tussen twee elementen steeds uit een dubbel profiel. Door de verbinding van beide gevelelementen kunnen de dubbele profielen als 00n samenwerkend geheel beschouwd worden. De naden tussen gevelelementen moeten zowel water-, lucht- en winddicht zijn. Ook moet de thermische continuïteit van de isolatie verzekerd worden. Om aan dit alles te kunnen voldoen moet de naad goed op elkaar aansluiten en correct ontworpen zijn. Deze dichtingen worden typisch met een aantal rubberprofielen uitgevoerd. Een buitenste rubber zorgt voor de afwatering van de gevel. Onder invloed van de zwaartekracht, luchtdrukverschillen ten gevolge van de wind en eventuele capillaire werking zal er toch een kleine hoeveelheid water door de eerste dichting naar binnen dringen. Dit water wordt in een drainageholte opgevangen en naar buiten afgevoerd. Om de gedraineerde hoeveelheid water tot een minimum te beperken dient de drijvende kracht klein te worden gehouden. Dit kan door voldoende grote openingen in de profielen te voorzien waardoor de luchtdruk in de drainageholtes ongeveer gelijk gehouden wordt aan de externe winddruk. Een tweede dichtingsrubber sluit de drainageholte af. Een derde en eventueel zelfs vierde dichtingsprofiel zorgt voor de nodige zekerheid [Afbeelding 43].

Afbeelding 41: Zicht op de binnen- en buitenzijde van een

hout-aluminium elementengevel. Bron: www.oskomera.com

Afbeelding 40: Zicht op binnen- en buitenzijde van een aluminium elementengevel met een

bevestigingsprofiel voor het ophangen van de onderste elementen.. Bron: www.alcoa.com

44

Om een idee te krijgen van de thermische prestaties van bestaande elementengevels worden er drie aansluitingen van verschillende fabrikanten onderzocht. Net als in het vorige hoofdstuk wordt aan de hand van Bisco het warmtetransport doorheen de horizontale snedes gekwantificeerd. De lineaire warmtedoorgangscoefficient Ψ [W/m.K], de temperatuurfactor f [-] en de warmtedoorgangscoefficient U [W/m2.K] wordt berekend. Met deze gegevens wordt dan een effectieve warmtedoorgangscoefficient Ueff bepaald die de aansluiting van de elementen in rekening brengt, voor een specifieke gevel. De warmtegeleidingscoefficienten van de gebruikte materialen zijn terug te vinden in bijlage A.

Net als bij de sandwichpanelen wordt enkel de aansluiting zelf gevarieerd. Elk systeem wordt daarom ingevuld met identieke invulpanelen. Deze invulpanelen bestaan uit een 6 mm dikke glasplaat, 24 mm PUR-isolatie en een 1,5 mm dikke aluminiumplaat. Het eerste en tweede type bestaan uit een aluminium raamwerk, voorzien van de nodige rubberprofielen, van de producenten Sch*co en Reynaers. Het laatste type is een hout-aluminium elementengevel van de producent Oskomera. Aan de buitenzijde bevindt zich een aluminium klem- en afdekprofiel en aan de binnenzijde een kader uit gemodificeerd Accoya hout22 [Afbeelding 44 en 45].

22 Accoya hout wordt verkregen door de acetylering van snelgroeiend naaldhout. Hierdoor krijgt het hout een grote dimensionele stabiliteit, verhoogde duurzaamheid en UV-resistentie.

Afbeelding 43: Verticale snede van de aansluiting van twee

aluminium gevelelementen (Schüco USC 65) Bron:

www.schueco.com

Afbeelding 44: De drie onderzochte types met glazen invulelementen.

Afbeelding 42: Doorsnede van de

aansluiting van twee gevelelementen met

bovenaan een transparant geveldeel en

onderaan een gesloten (Sapa 4150 EF)

Bron: www.sapagroup.com

45

Type 1 Type 2 Type 3

Sch*co USC 65 EF Reynaers CW86 EF Oskomera Utimal

Eigenschappen volgens fabrikant

Dikte [mm] 172 32 31

Aanzichtsbreedte [mm]

65 86 94

Berekende specificaties aansluiting

Ψ [W/m.K] 0,315 0,535 0,215

f-waarde 0,846 0,856 0,830

U [W/m2.K] 0,842 0,842 0,842

Ueff 23 [W/m2.K] 1,253 1,539 1,122

Aandeel Ψ [%] 48,8 82,8 33,3

Tabel 5: Samenvatting van de eigenschappen van de drie geanalyseerde types gevelelementen.

Uit bovenstaande tabel wordt duidelijk dat de thermische kwaliteit van de aansluitingen sterk varieert. De toename van de U-waarde ten gevolge van de aansluitingen gaat van 33,3 tot 82,8 % in deze specifieke gevallen. Het beperken van de koudebruggen is noodzakelijk bij het ontwerpen van een thermisch sterk geïsoleerde gevel. We moeten streven naar een zo laag mogelijke Ψ-waarde door een goede continuïteit van de isolatielaag en het gebruik van zwak geleidende materialen. Uit de afbeeldingen van het temperatuurverloop en de

23 Voor een wand van 24 op 7 meter bekleed met gevelelementen van 1,2 op 3,5 meter.

Afbeelding 45: Aansluitingsdetail en temperatuurverloop van de drie geanalyseerde types.

46

warmtestroomdichtheid (zie bijlage C) doorheen de aansluitingen kunnen enkele conclusies worden getrokken:

– Ter hoogte van de randen van de invulpanelen en doorheen het centrum van de aansluiting zijn de warmteverliezen het grootste. Door het vullen van de holte naast de invulpanelen zou de isolatiegraad van de aansluiting gevoelig kunnen verbeteren.

– De vorm of het materiaal van de structurele profielen aan de binnenzijde van de elementen hebben weinig of geen invloed op de totale thermische isolatiegraad. Het vullen van de holtes in de aluminiumprofielen met isolatie zal weinig effect hebben aangezien de λ-waarde van aluminium zeer groot is.

– De aluminiumplaat aan de binnenzijde van het invulpaneel versterkt de 'toestroom' van warmte naar de aansluiting.

– De breedte van de naad tussen beide randprofielen heeft uiteraard een grote impact op de grootte van de Ψ-waarde.

4.4. Toepassing van VIP'sOpake vlakken in elementengevels worden vaak gevormd door dunne panelen. De afmetingen van deze panelen blijven steeds beperkt en zijn van een andere grootte-orde dan de sandwichpanelen uit hoofdstuk 3. De panelen worden opgebouwd uit een isolerende laag beschermd door dunne plaatmaterialen als glas, staal of aluminium. Er zijn reeds de eerste vacu*m geïsoleerde gevelelementen in ontwikkeling. Hierbij worden vacu*misolatiepanelen eenvoudig tussen twee platen geplaatst met aan de randen een spacer en een siliconendichting [Afbeelding 46].

Net als bij de toepassing van VIP's in sandwichpanelen moet aandachtig naar de belastingen gekeken worden. De vacu*mpanelen hebben geen structurele werking in het geheel, maar toch kunnen er bij buiging van de invulpanelen spanningen in de VIP's ontstaan. Deze spanningen mogen uiteraard de kritische waarden niet overschrijden. Dit kan door de dunne platen aan de randen met elkaar te verlijmen of te verbinden met een sterke tape. Deze verbindingstechnieken zijn afhankelijk van het gewicht en de materiaalkeuze van de binnen-en buitenplaten. Zo is de structurele verlijming van glasplaten al grondig bestudeerd en beschreven in Europese normen. De verlijming van andere materialen is echter twijfelachtig.

Afbeelding 46: Doorsnede van de aansluiting van twee aluminium

gevelelementen voorzien van structureel verlijmde panelen bestaande uit een

combinatie van glas en VIP [11].

47

De voordelen van de toepassing van vacu*misolatiepanelen in gevelelementen zijn:– De VIP's kunnen volledig beschermd worden tegen mogelijke beschadigingen.

– Omdat de VIP's in de fabriek onder gecontroleerde omstandigheden in de gevelelementen geplaatst worden, komen arbeiders op de werf niet in contact met de fragiele vacu*misolatiepanelen.

– Zwaardere materialen zijn toepasbaar zodat de elementen enige thermische inertie en akoestisch weerstand verkrijgen.

Aandachtspunten zijn: – Het effect van de detaillering van de aansluitingen zal nog crucialer zijn voor de totale

thermische kwaliteit van de gevel door de hoge warmteweerstand van de invulpanelen.– Spanningen in de VIP's moeten vermeden worden zodat de folie niet beschadigd

wordt.

48

Hoofdstuk 5: Systeemonderzoek gordijngevel

5.1. InleidingEen derde zeer veel toegepast gevelsysteem zijn gordijngevels, ook wel vlies- of glasgevels genoemd. Het belangrijkste verschil met elementengevels is dat een vliesgevel op de werf uit losse onderdelen tot 00n geheel wordt opgebouwd. De vele onderdelen kunnen geprefabriceerd en reeds in de fabriek bewerkt zijn maar de uiteindelijke assemblage van de gevel dient op de werf te gebeuren. Dit bouwsysteem maakt gebruik van een zeer grote hoeveelheid standaardprofielen maar laat ook veel maatwerk toe. Doordat de gehele gevel in situ moet opgebouwd worden duurt het bouwproces vaak langer dan dat van een elementengevel.

Vanaf het modernisme in het begin van de 20ste eeuw verschenen in vele westerse grootsteden de eerste kantoorgebouwen met gordijngevels uit staal en glas. Gordijngevels leenden zich, door de grote glasvlakken, uitstekend om de idealen van de modernisten zoals licht, lucht en ruimte te verwezenlijken. Door vele technologische ontwikkelingen in de jaren 50, zoals geïsoleerd glas, werden gordijngevels steeds populairder. De profielen werden door massaproductie steeds goedkoper en door de ontwikkeling van dichtingsrubbers ook technisch performanter. Naast staal werden er ook gevels uitgevoerd met aluminium profielen die, dankzij het extrusie-proc0d0, complexere vormen konden aannemen. Nu is aluminium veruit het meest gebruikte materiaal door het lage eigengewicht en de hoge vormvrijheid.

Hedendaagse gordijngevels zijn opgebouwd uit thermisch onderbroken profielen die dankzij de ontwikkeling van nieuwe kunststoffen24 de koudebrug ter hoogte van de profielen beperken. Er kan gekozen worden uit een grote catalogus van geprefabriceerde standaardprofielen om een specifieke gevel te ontwerpen. Dankzij het gebruik van deze standaard onderdelen in voorraad kan na het ontwerp van de gevel snel overgegaan worden op de constructie ervan. Sinds de jaren 80 werden gordijngevels ontwikkeld met structurele beglazing. Hierbij wordt het glas op de stijlen en regels gelijmd zonder het gebruik van klemprofielen. Zo is aan de buitenzijde van de gevel alleen maar glas zichtbaar, gescheiden door een dunne rubberen naad. Een andere vrij recente ontwikkeling is het gebruik van houten stijlen in plaats van aluminium kokerprofielen. De laatste jaren verliezen gordijngevels aan

24 Een vaak gebruikte kunststof voor thermische onderbrekingen is aramide, een soort polyamide.

Afbeelding 47: Gevel van het Palestra-gebouw te

Londen van Alsop Architects.

Afbeelding 48: Gordijngevel van het Barnsley Civic

Centre door Paul Testa Architecture.

49

populariteit ten voordele van elementengevels die dankzij computerondersteund ontwerpen een grote ontwerpvrijheid toelaten. De belangrijkste voordelen van gordijngevels zijn:

– De profielen zijn vaak eenvoudig en kunnen snel geproduceerd worden.

– Gebruik van standaard onderdelen kan de kostprijs sterk drukken.

– Uitstekende, gecontroleerde kwaliteit van de onderdelen door prefabricatie.

– Zeer flexibel bouwsysteem dat grote architecturale mogelijkheden biedt.

Nadelen van dit bouwsysteem zijn:– De opslag van alle losse onderdelen op de werf vraagt veel logistieke organisatie,

opslag- en werkruimte.– De buitenzijde van de gevel moet toegankelijk zijn door middel van een steiger.

– De bouwtijd is relatief lang door de vele nodige handelingen in situ.

– Het eindresultaat hangt sterk af van de correcte plaatsing op de werf.

5.2. Opbouw systeemGordijngevels bestaan uit een grid van verticale stijlen en horizontale regels. De stijlen lopen over verschillende verdiepingen door en worden aan de vloerrand bevestigd. Deze stijlen dragen het eigengewicht van de gevel en vangen de windbelasting op. Via de bevestigingspunten worden de krachten overgebracht op de draagconstructie. Tussen de stijlen worden op bepaalde afstanden regels geplaatst die, door de typisch kleine overspanningen, dunner dan de stijlen kunnen zijn. Zo ontstaat er een raamwerk van stijlen en regels dat vrij kan ingevuld worden met glasvlakken, dichte panelen of raam- en deurkozijnen [Afbeelding49]. De stijl- en regelprofielen bestaan uit een binnenste en buitenste deel. Het buitenste deel dient om het invulmateriaal vast te klemmen, waterindringing te vermijden en de aansluiting luchtdicht te maken. Het buitenste deel van het profiel is een structureel element dat door zijn diepte de nodige sterkte en stijfheid aan de doorsnede geeft [Afbeelding 50].

Afbeelding 50: Typische doorsnede door een verticale

stijl met links een structureel kokerprofiel en rechts een

klemprofiel met afdeklijst (Reynaers CW60) Bron:

www.reynaers.com

Afbeelding 49: Overzicht van een gordijngevelsysteem

met verschillende invulelementen.

50

Opake geveldelen kunnen in principe door elk materiaal gevormd worden. Vaak worden dunne sandwichpanelen gekozen die samengesteld zijn uit een isolerend materiaal tussen dunne staal-, aluminium- of glasplaten. Het gewicht van de opvulpanelen dient beperkt te blijven. Zwaardere materialen zoals beton, keramiek of natuursteen zijn niet geschikt. De opvulelementen moeten kunnen weerstaan aan de aangrijpende externe belastingen. Maar ze dragen meestal niet bij tot de gehele structurele werking van de gevel. De sterkte en buigstijfheid moet voldoende zijn om bestand te zijn tegen de windbelasting op de gevel, het eigengewicht van het paneel en de temperatuurbelasting.

De stijlen lopen door over verschillende verdiepingen en worden bevestigd aan de rand van elke vloerplaat. Slechts 00n verbinding wordt als een scharnier uitgevoerd. De andere verbindingen zijn bewegend uitgevoerd en worden opgevat als roloplegging. Zo kunnen de bewegingen en vervormingen veroorzaakt door thermisch uitzetting, belastingen en een temperatuurgradient opgenomen worden. Zeker bij aluminium profielen is de thermische uitzetting een belangrijke factor waarmee dient rekening worden gehouden. De thermische uitzettingscoefficient α van aluminium is 23.10-6 /K. Wanneer we als voorbeeld een aluminium gordijngevel van 6 verdiepingen hoog bekijken bij een temperatuurverschil van 30 graden is de totale uitzetting 14,5 mm. Deze uitzetting moet kunnen worden opgenomen zonder te grote spanningen in de profielen te veroorzaken. Ook moet de lucht- en waterdichtheid van de gevel behouden worden bij alle mogelijke vervormingen.

5.3. AansluitingenWaar bij een elementengevel de aansluiting tussenin twee profielen moet plaatsvinden, gebeurt dit bij een gordijngevel juist doormiddel van een profiel. Afbeelding 50 toont een typische horizontale doorsnede van een gordijngevelstijl. Door middel van een klemprofiel worden invulpanelen vastgeklemd aan de stijlen en regels, gescheiden door rubbers die de water-, wind- en luchtdichtheid moeten verzorgen. Deze rubbers worden in situ, langs de buitenzijde van de gevel geplaatst en zijn daarom extra gevoelig voor fouten. Net als bij elementengevels is de waterdichting een tweetrapsdichting. Dit houdt in dat er na de eerste rubber een drainageholte is voorzien voor het afvoeren van doorgedrongen water. Een tweede rubber zorgt dan voor de uiteindelijke waterdichtheid.

Ook voor gordijngevels worden drie bestaande aansluitingen thermische onderzocht om een idee te krijgen van het effect van de aansluitingen op de totale warmteweerstand van de gevel. Een eerste type is een aluminium gordijngevel met een invulelement over de volledige diepte bestaande uit een glasplaat, luchtspouw, isolatiepakket en een aluminiumplaat. Een tweede type is eveneens een aluminium gordijngevel met sandwich invulpanelen bestaande uit dunne aluminiumplaten en een geschuimde isolatielaag. Ook bij het derde type worden sandwich invulpanelen gebruikt in combinatie met houten stijlen en regels [Afbeelding 51 en 52]. In bijlage D wordt per type een grafisch overzicht gegeven van de onderzochte aansluitingen.

51

Type 1 Type 2 Type 3

Sch*co FW60 Reynaers CW60 Stabalux

Eigenschappen volgens fabrikant

Dikte [mm] 165 42 28

Aanzichtsbreedte [mm] 60 60 60

Berekende specificaties aansluiting

Ψ [W/m.K] 0,247 0,281 0,131

f-waarde 0,885 0,891 0,864

U [W/m2.K] 0,842 0,842 0,842

Ueff 25 [W/m2.K] 1,164 1,208 1,013

Aandeel Ψ [%] 38,2 43,5 20,3

Net als bij de gordijngevel-aansluitingen is de warmtestroomdichtheid het grootste aan de randen van de invulpanelen. De luchtholtes tussen de invulelementen zijn duidelijk een cruciale plaats in de aansluitingen. Via de randen van het aluminium klemprofiel wordt warmte snel naar buiten geleid. Vergeleken met de aansluitingen van de gevelelementen is de gemiddelde effectieve warmtedoorgangscoefficient van de aluminium gordijngevel-aansluitingen 15 % lager. De U-waarde van de houten gordijngevel is in vergelijking met de houten gevelelementen 9,7 % lager.

25 Voor een wand van 24 op 7 meter bekleed met een gordijngevel met een raster van 1,2 op 3,5 meter.

Afbeelding 51: De drie onderzochte gordijngevel types met glazen invulelementen.

52

5.4. Toepassingen van VIP'sNa meerdere jaren onderzoek zijn de eerste toepassingen van VIP's in gordijngevels reeds een feit. De vacu*misolatiepanelen worden als kernmateriaal van opake opvulpanelen gebruikt [Afbeelding 53]. In vergelijking met vaak toegepaste kernmaterialen als EPS of PIR kunnen vacu*misolatiepanelen een zeer lage U-waarde opleveren. Een sandwichpaneel bestaande uit twee 5 mm dikke glazen platen en een 25 mm dik vacu*mpaneel heeft een U-waarde van 0,267 W/m2.K. Na inrekening van de aansluitingen stijgt deze waarde tot ongeveer 0,437 W/m2.K 26.

26 Voor een aansluiting type 3 met een Ψ-waarde van 0,131 W/m.K.

Afbeelding 53: Doorsnede van een aluminium gordijngevel met invulpanelen

bestaande uit een vacuümisolatiepaneel tussen glasplaten [11].

Afbeelding 52: Doorsnede en temperatuurverloop van de drie onderzochte types gordijngevels.

53

Nadelen of aandachtspunten bij de toepassing van VIP's in gordijngevels zijn: – De detaillering van de aansluitingen is cruciaal voor de totale thermische kwaliteit van

de gevel.– De vacu*m geïsoleerde sandwichpanelen worden in situ in het stijl- en regelwerk

geplaatst. De panelen dienen dus op de werf gestockeerd en gehanteerd te worden. – Spanningen in de VIP's moeten vermeden worden zodat de folie niet beschadigd

wordt. Zowel de spanningen die optreden bij de montage van de gevel als deze gedurende de totale levensduur dienen onderzocht te worden.

– Bestaande gordijngevelprofielen kunnen slechts invulpanelen tot een bepaalde dikte vastklemmen. Daardoor is de haalbare minimale U-waarde van vacu*m geïsoleerde gordijngevels beperkt.

54

Hoofdstuk 6: Ontwerp vacu*m geïsoleerd gevelsysteem

6.1. InleidingUit de literatuurstudie en voorgaande systeemonderzoeken blijkt dat de toepassing van vacu*misolatiepanelen in dunne gevels ongetwijfeld een groot potentieel heeft. Toch blijven er nog vele onbeantwoorde vragen over. In het tweede luik van deze thesis wordt daarom een ontwerpmatig onderzoek gevoerd, met het ontwerp van een vacu*m geïsoleerd gevelsysteem als uiteindelijk doel.

Dit hoofdstuk toont de opeenvolgende stappen van het ontwerpproces. Eerst worden een aantal conclusies getrokken uit de systeemonderzoeken van de drie bestaande gevelsystemen. Deze conclusies werden bij het ontwerpen steeds in het achterhoofd gehouden. Daarna worden de eisen waaraan het gevelsysteem moet voldoen scherp gesteld. De mogelijke toepasbare materialen worden onderzocht en onderling vergeleken. Met de gekozen materialen worden vervolgens de horizontale en verticale paneel-aansluitingen ontworpen. Enkele aanpassingen aan deze aansluitingen worden thermisch besproken en met elkaar vergeleken. Om zo tot het ontwerp van een mogelijk gevelsysteem te komen. Verschillende bouwdetails worden met dit gevelsysteem uitgewerkt. Ten slotte worden enkele aansluitingsdetails thermisch geanalyseerd en wordt het systeem structureel besproken.

6.2. Conclusie systeemonderzoekenElk bouwsysteem heeft specifieke voor- en nadelen die een belangrijke invloed kunnen hebben op de thermische prestaties van het systeem. Maar ook zijn er verschillen op het vlak van bouwtijd, kwaliteitsborging en toepassingsmogelijkheden die onze aandacht verdienen. Zo is de steigerloze montage van geprefabriceerde gevelelementen een groot voordeel dat een positieve invloed heeft op de bouwkost- en tijd. De productie van deze geprefabriceerde elementen gebeurt in een beschermde omgeving, hierdoor kan de kwaliteit beter gecontroleerd worden. Uiteraard zijn de afmetingen van de elementen beperkt omwille van het transport en dienen alle gevoelige onderdelen correct beschermd te worden. De doorbreking van de isolatielaag en het naar binnen plooien van sterk geleidende materialen moet vermeden worden gezien de enorme impact op de warmtedoorgangscoefficient. Grote luchtholtes in de aansluitingsprofielen kunnen een zwak punt vormen aangezien er convectief warmtetransport mogelijk is. Daarom worden holtes best opgedeeld in verschillende 'kamers', van elkaar gescheiden door een thermische onderbreking. Uit de studie van sandwichpanelen en het literatuuronderzoek bleek ten laatste dat de belasting van vacu*misolatiepanelen moet vermeden worden. Zowel de omhullende barrièrefolie als de silica fume-kern hebben onvoldoende stijfheid en sterkte om de kern van een verdiepingshoog sandwichpaneel te vormen.

Daarom wordt ervoor gekozen de VIP's niet te belasten of ze een structurele bijdrage te laten leveren. De vacu*mpanelen worden omhuld door een structureel kader dat bescherming biedt en de externe belastingen naar de draagstructuur van het gebouw overbrengt. Dit kan beschouwt worden als een hol paneel gevormd door een binnen- en buitenblad, verbonden met een randprofiel. De bevestigingsmethode wordt gebaseerd op deze van de elementengevel omwille van de reeds vermelde voordelen.

55

6.3. Gestelde eisenOm zeer concreet en praktijkgericht het gevelsysteem te kunnen ontwerpen worden er enkele duidelijke eisen opgesteld:

– De panelen zijn verdiepingshoog en zijn bestemd voor gevels van residentiele of commerciele gebouwen. Als verdiepingshoogte wordt 3,5 meter aangenomen. Dit is vrij veel en kan als een maximale waarde beschouwd worden.

– Er wordt gestreefd naar een systeem met een zeer hoge thermisch weerstand. Als richtwaarde wordt een warmtedoorgangscoefficient van 0,15 W/m2.K genomen. Dit is een veelgebruikte waarde bij hedendaagse passiefwoningen.

– De luchtdichtheid van de gevel dient te voldoen aan hedendaagse en eventueel toekomstige eisen. Als richtwaarde wordt een n50-waarde27 van 0,6/u genomen. Om enige voeling met dit getal te hebben wordt deze waarde in bijlage F op een concreet gebouw toegepast.

– Het gevelsysteem is waterdicht tot 1200 Pa.

– De buitenzijde van de gevel is na plaatsing afgewerkt en kan zonder steiger gemonteerd worden. Het binnenblad is ook afgewerkt zodat er geen of slechts beperkte handelingen in situ nodig zijn.

– De gevelpanelen zijn geen structurele of dragende panelen. Ze zijn bestand tegen de wind- en temperatuurbelasting en tegen het eigengewicht.

– Ramen en deuren kunnen in de gevelpanelen geïncorporeerd worden.

De belastingen die op de panelen aangrijpen zijn de windbelasting, de temperatuursbelasting en het eigengewicht. De maximale windbelasting wordt bepaald volgens Eurocode 1-4 28. De zwaarste windbelasting op de gevel wordt gedefinieerd door een toepassingshoogte tot 50 meter bij een terrein categorie 0: 'Zee of kustgebied met wind aanstromend over de open zee'. De gemiddelde windsnelheid aan de kust in Belgie is 26 m/s. De maximale piekdrukken gedurende drie seconden voor de verschillende zones zijn weergegeven in onderstaande tabel. De maximale winddruk en -zuiging waar de gevelpanelen aan moeten kunnen weerstaan zijn dus respectievelijk 1,7 en -1,4 kN/m2.

Zone A B C D E

cpe -1,2 -0,8 -0,5 + 0,8 -0,7

qp (50) [Pa] -1417,3 -787,4 -314,9 1732,3 -629,9

Tabel 6: Maximale piekdrukken bij vm=26 m/s , z = 50 m en cat. 0

Het eigengewicht van de gevelpanelen is afhankelijk van de gebruikte materialen en hun afmetingen. Het gewicht van de panelen moet beperkt blijven zodat bestaande bevestigingstechnieken toepasbaar zijn. Een hoger eigengewicht brengt vooral nadelige effecten met zich mee zoals toenemende transportkosten, complexere bevestigingsmethoden en zwaardere eisen naar hijsmechanismen. Een belangrijk voordeel van extra gewicht is echter de positieve invloed op de akoestische prestaties van de gevelpanelen. Sterk vereenvoudigd is de geluidsisolatie van dunne, buigslappe constructies enkel afhankelijk van

27 De n50-waarde is het aantal keer dat het totale luchtvolume in het gebouw per uur wordt vervangen bij een drukverschil van 50 Pa tussen binnen en buiten. 50 Pascal komt ongeveer overeen met een windsterkte van 5 Beaufort

28 EN 1991-1-4 Belastingen op constructies: algemene belastingen – windbelasting

56

de massa van de gevel en van de frequentie van het geluid. Een eerste benadering van de luchtgeluidisolatie kan via de massawet29 berekend worden. Samengevat betekent een grotere massa, een grotere geluidsisolatie.

Een derde belangrijke belasting is deze ten gevolge van het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenzijde van de gevel. Hierdoor ontstaan er spanningen en vervormingen in de gevelpanelen. De verlenging ε bij stijgende temperatuur is gelijk aan het product van de lineaire uitzettingscoefficient α [.10-6 /K] van de gebruikte materialen en van de toename van de temperatuur ΔT. De binnentemperatuur blijft vaak constant en is ongeveer 20 °C. De oppervlaktetemperatuur van het buitenmateriaal hangt dan weer af van verschillende factoren zoals de U-waarde, de kleur en reflectiviteit van het oppervlak, de orientatie en de zonbestraling.

6.4. MaterialenEr bestaan enorm veel uiteenlopende bouwmaterialen waarvan velen reeds decennia hun kwaliteiten bewezen hebben. Maar continu worden er ook steeds nieuwe materialen ontwikkeld die vaak zeer interessante eigenschappen hebben. Dit zijn zowel materiaaleigenschappen zoals de thermische geleidbaarheid en de mechanische sterkte, maar ook verwerkingseigenschappen. Om een idee te krijgen van mogelijke toepasbare materialen voor vacu*m geïsoleerde gevelpanelen worden hieronder een kort overzicht gegeven. Als eerste wordt er gekeken naar toepasbare materialen aan de buitenzijde van de gevel. Deze materialen bepalen het uitzicht en moeten aan verscheidene eisen voldoen zoals voldoende sterkte en maatvastheid, UV-bestendigheid, waterdichtheid, bestandheid tegen vorst- en dooicycli en een goed brandgedrag. De materialen aan de binnenzijde moeten de gevelpanelen voldoende stevigheid geven en bepalen het interieurbeeld. Eventueel zijn er ook materialen nodig die de kwetsbare VIP's extra beschermen. Deze materialen kunnen tevens een extra warmte-isolerende laag vormen. Enkele van de mogelijke materialen zijn golfkarton, gegolfd plastic, EPS-schuim, resol hardschuim,...

6.4.1. Materialen buitenzijde

Vezelcement

Door het persen, autoclaveren en polieren van een mengsel van portlandcement, minerale vulstoffen en organische versterkingsvezels worden vezelcementplaten verkregen. Door het toevoegen van pigmenten en toeslagstoffen hebben de platen vele esthetische mogelijkheden. De platen zijn door-en-door gekleurd maar toch blijft een lichte verkleuring of kleurschakering onder invloed van UV-stralingen steeds mogelijk. Vezelcementplaten zijn bestand tegen vele levende organismen en schadelijke chemicalien. Het materiaal is zeer brandveilig aangezien het niet ontvlambaar of brandverspreidend is. Bij verschillende fabrikanten zijn paneelformaten tot 1,22 x 3,05 meter te vinden. In tabel 7 wordt een samenvatting van de belangrijkste materiaaleigenschappen gegeven30.

Volkern – High Pressure Laminate (HPL)

Volkern-platen bestaan uit geperste lagen van papier- en/of houtpulp geïmpregneerd met thermohardende harsen. Een toplaag van melamineharsen geeft de platen een zeer hoge kras- en weerbestendigheid en laat vele afwerkingen toe. De platen worden gelijktijdig

29 R'=17,5 logm+17,5 log( f

500)+3

30 Specifiek voor de Tectiva-panelen van de fabrikant Eternit.

57

onderworpen aan hoge warmte en druk (≥ 150° C, > 7 MPa) om een homogeen niet poreus materiaal te verkrijgen. Afmetingen van 1,53 x 3,05 meter zijn beschikbaar bij enkele fabrikanten. Onderstaande tabel vermeldt enkele gegevens specifiek voor Trespa Meteon gevelpanelen.

Glas

Glaspanelen worden steeds meer gebruikt als bekleding van gevels. De specifieke eigenschappen en opbouw van de glaspanelen hangen af van de gestelde eisen. Aangezien de glasplaten in gevelelementen op een hoogte worden toegepast wordt er geopteerd voor gehard glas31. Hierbij is het glas thermisch zo behandeld dat het in vele zeer kleine onscherpe deeltjes breekt. Door het versmelten van een emailemulsie met het glasoppervlak wordt een gekleurde laag aan 00n zijde van het glas aangebracht. Deze bedekking is zeer duurzaam en kleurvast in de tijd. Afmetingen voor gehard veiligheidsglas gaan tot 2,14 x 5,5 meter. Tabel 7 geeft de materiaaleigenschappen van Emalit Evolution glas van de fabrikant Saint-Gobain.

Glasvezelversterkte kunststof – Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP)

In vezelversterkte kunststoffen worden de eigenschappen van de vezels gebruikt om de trek- en drukkrachten op het materiaal op te nemen en de kunststof, dat als matrix fungeert, om de schuifkrachten over te brengen. Dit materiaal combineert een hoge stijfheid met een zeer laag gewicht. GFRP gevelpanelen zijn vaak transluscent, hebben een hoge weersbestendigheid en sterke weerstand tegen chemicalien. Panelen tot formaten van 2,4 x 4 meter kunnen geleverd worden. De gegevens van Lamilux gevelpanelen worden weergegeven in onderstaande tabel.

Ultra hoge sterkte beton – Ultra High Performance Concrete (UHPC)

Deze betonsoort wordt gekenmerkt door druksterktes en duurzaamheidseigenschappen vergelijkbaar met die van staal. Door de uitstekende sterkte-eigenschappen is er een materiaalbesparing tot 70 % mogelijk voor dezelfde structurele vereisten. Dit leidt tot een aanzienlijke gewichtsbesparing van de gevelpanelen, wat op zijn beurt besparingen meebrengt voor het transport en de bevestigingstechnieken. Het hoge sterkte beton wordt vaak gecombineerd met glasvezel wapeningsnetten voor het opnemen van de trekspanningen. Het beton heeft bijna geen capillaire porien en is daardoor niet vatbaar voor degradatie door vorst-dooi cycli of aantasting door chlorides. Het materiaal is bovendien niet brandbaar en behoort tot brandklasse A132. De standaardafmetingen gaan tot 1,22 x 3,05 meter. Enkele materiaaleigenschappen van Vectr-gevelpanelen van de fabrikant Taktl worden in onderstaande tabel weergegeven.

Metalen: aluminium, staal, roestvast staal, koper, weervast staal, …

In het hoofdstuk over sandwichpanelen werden reeds verschillende metalen als aluminium en staal als gevelmateriaal besproken. Metalen hebben typisch een hoge thermische geleidbaarheid en hoge sterkte en stijfheid. De dikte van de lagen is vaak zeer klein en ligt tussen 0,4 tot 1,5 mm. Bij grote formaten is het door deze beperkte dikte niet evident een vlak uitzicht te verkrijgen. Door middel van microprofilering van de platen kan de lokale stijfheid vergroot worden.

31 Volgens tabel 43 van TV 214 'Glas en glasproducten, functies van beglazing' van het WTCB volstaat gehard glas als veiligheidsmaatregel tegen verwondingen.

32 Volgens de Europese classificatie reactie bij brand van bouwproducten EN 13501-1.

58

MateriaaleigenschapVezelcement Volkern Glas GFRP UHPC

Eternit Tectiva Trespa Meteon

Emalit Evolution

Lamilux Vectr

Minimale dikte [mm]

8 6 6 5 12,7

λ-waarde [W/m.K] 0,39 0,3 1 0,25 – 0,35 1,7

ρ [kg/m3] 1580 1350 2500 1450 2300

α [.10-6 /K] 10 - 9 26 11,5

E-modulus [MPa] > 12000 9000 70000 5600 25590

Brandklasse A2 – s1 – d0 B – s1 – d0 A1 B2 A1

Tabel 7: Samenvatting van de belangrijkste eigenschappen voor mogelijke externe plaatmaterialen.

6.4.2. Materialen binnenzijde

Gelamineerd fineerhout – Laminated Veneer Lumber (LVL)

Dit type plaatmateriaal is samengesteld uit verlijmde dunne lagen fineerhout. Door de lagen een specifieke orientatie te geven krijgen de platen een relatief hoge sterkte en stijfheid. De afmetingen zijn, zoals alle gelamineerd hout, niet beperkt door de afmetingen van bomen. De maximale afmetingen worden dan ook uitsluitend door transport bepaald en liggen rond 2,5 x 24 meter. Het gebruikte hout heeft slechts een vochtgehalte van 10 tot 12 % en is dus uitstekend bestand tegen thermische vervormingen en aantastingen van ongedierte. De panelen zijn zeer vlak en hebben een hoge maatvastheid door de productie onder gecontroleerde omstandigheden. De bewerkbaarheid van gelamineerd fineerhout is vergelijkbaar met natuurlijk hout en kan aan de hand van CNC-zaagmachines heel nauwkeurig gebeuren. Ook andere voordelen van natuurlijke houtproducten zoals de hoge thermische weerstand en de uitstekende sterkte-gewichtsverhouding blijven toepasbaar. Enkele belangrijke materiaaleigenschappen zijn samengevat in tabel 8 33.

33 De weergegeven materiaaleigenschappen zijn deze van Kerto-Q platen van de fabrikant MetsäWood. Bron: www.metsawood.be

59

Ultra hoge sterkte beton – Ultra High Performance Concrete (UHPC)

Ook aan de binnenzijde van de gevelpanelen kunnen dunne platen uit hoge sterkte beton worden toegepast.

Kruislings gelamineerd hout – Cross Laminated Timber (CLT)

Door naaldhouten planken geschrankt op elkaar te verlijmen en samen te drukken worden grote massief houten platen gevormd. Door de dwarse schikking van de planken wordt de uitzetting en krimp sterk gereduceerd en verkrijgen de panelen een hoge vormvastheid. Door het vochtgehalte van het gebruikte hout tussen 10 en 14 % te houden wordt schade door insecten, schimmels of bacterien vermeden. De panelen kunnen zeer grote afmetingen hebben tot 2,95 x 16,5 meter. CLT-platen kennen zowel vele dragende als niet-dragende toepassingen. De belangrijkste voordelen zijn de snelle en droge bouwmethode, de hoge maatvastheid en de duurzaamheid van de panelen. De typische materiaaleigenschappen worden weergegeven in tabel 8 34.

Multiplex – Plywood

Multiplex bestaat net als LVL uit een aantal lagen fineerhout die op elkaar gelijmd worden. Maar bij multiplex wordt de sterkterichting van de fineerlagen telkens eenvoudig afgewisseld. Zo wordt de werking van het hout geminimaliseerd en de totale sterkte en buigstijfheid van de platen verhoogd. Meestal wordt er gebruik gemaakt van berkenhout en naaldhout. Afhankelijk van de toepassing worden de verhoudingen van de verschillende houtsoorten aangepast. De maximale paneelafmetingen liggen in de buurt van 1,5 x 3,66 meter. In onderstaande tabel zijn de materiaaleigenschappen van WISA-Birch multiplexplaten van de UPM Group samengevat35.

MateriaaleigenschapLVL UHPC CLT Multiplex

Kerto Q Vectr KLH WISA-Birch

Minimale dikte [mm] 21 12,7 57 6,5

λ-waarde [W/m.K] 0,15 1,7 0,13 0,147

ρ [kg/m3] 510 2300 480 680

α [.10-6 /K] ≈ 0 11,5 ≈ 0 ≈ 0

E-modulus [MPa] 10500 25590 12000 9858 36

fc, ̸ ̸ / fc, ┴ [N/mm2] 26 / 9 136 24 27 / 25 36

ft, ̸ ̸ / ft, ┴ [N/mm2] 26 / 6 9 16,5 39 / 36 36

fb, ̸ ̸ [N/mm2] 36 45 23 39,4 36

inbrandsnelheid [mm/min] 0,6 - 0,67 0,6

Tabel 8: Overzicht van de belangrijkste eigenschappen van mogelijke intern plaatmateriaal.

34 De gebruikte gegevens zijn specifiek voor de CLT-panelen van de Oostenrijkse fabrikant KLH Massivholz GmbH.

35 Bron: http://www.wisaplywood.com36 Voor een dikte van 21 mm

60

6.4.3. Verbindingstechnieken

De plaatmaterialen aan de binnen- en buitenzijde moeten aan elkaar bevestigd worden. De verbindingen moet alle krachten die op de panelen aangrijpen kunnen weerstaan. Uit bestaande gevelsystemen zijn verschillende technieken af te leiden die elk hun kwaliteiten en beperkingen hebben.

Aluminium randprofielen

Aluminiumprofielen kunnen doormiddel van het extrusie-proced0 zeer gedetailleerd en maatvast geproduceerd worden. De hoge elasticiteitsmodulus van 70000 MPa is een groot voordeel voor de toepassing als structurele profielen. De hoge thermische geleidbaarheid van aluminium vormt dan weer een belangrijk nadeel voor de toepassing in aansluitingen van geïsoleerde panelen. De λ-waarde ligt typisch tussen 117 en 229 W/m.K 37. De Ψ-waarde van aansluiting met aluminiumprofielen zal ongetwijfeld hoog zijn en de totale isolatiegraad van de gevel negatief beïnvloeden.

RVS randprofielen

De stijfheid van roestvast staal is zeer groot en wordt gekarakteriseerd door een E-modulus van 200000 MPa. De warmtegeleidingscoefficient is relatief laag voor een metaal en ligt tussen 16 en 27 W/m.K. De eigenschappen van rvs-legeringen kunnen sterk varieren afhankelijk van de chemische samenstelling. Een belangrijk nadeel van roestvast staal zijn de beperkingen op het vlak van vormgeving en detaillering. Bijgevolg zijn enkel vrij eenvoudige profielen uitvoerbaar.

PVC randprofielen

Door verhitting van PVC-granulaten ontstaat een viskeuze massa die doorheen een matrijs wordt geduwd. Dankzij dit extrusie-proces zijn er vormen met een grote complexiteit mogelijk. De thermische uitzetting van PVC is vrij groot en dient in rekening gebracht te worden. De thermische uitzettingscoefficient α is 50.10-6/°C. De E-modulus van stijve PVC-types blijft relatief klein en ligt ongeveer tussen 2000 en 3500 MPa. Een belangrijk voordeel van PVC-profielen is de lage warmtegeleidingscoefficient van 0,14 tot 0,28 W/m.K.

GFRP randprofielen

Glasvezelversterkte kunststofprofielen combineren een zeer hoge sterkte met een laag gewicht. De lage thermische geleidbaarheid van 0,25 tot 0,35 W/m.K kan een belangrijke impact hebben op de Ψ-waarde van aansluitingen. De stijfheid van GFRP-profielen is hoger dan die van PVC maar lager dan deze van aluminium en roestvast staal. De vormvrijheid is

37 De thermische geleidbaarheid is sterk afhankelijk van de chemische samenstelling van de legering. De λ-waarde van de meest gebruikte legeringen voor toepassingen in gebouwen, type 6060 en 6063, is 160 W/m.K. Bron: http://www.alumatter.info

61

zeer groot door de mogelijke extrusie van profielen

Materiaaleigenschap Aluminium RVS PVC GFRP

λ-waarde [W/m.K] 117 – 229 16 – 27 0,14 – 0,28 0,25 – 0,35

ρ [kg/m3] 2700 7700 1420 – 1460 1450

α [.10-6 /K] 23,2 16 50 26

E-modulus [GPa] 70 200 2 – 3,5 17 – 28

Tabel 9: Samenvatting van enkele belangrijke eigenschappen van mogelijke profielmaterialen.

De verbinding tussen een randprofielen en het plaatmateriaal kan op verschillende manieren gebeuren afhankelijk van de benodigde sterkte en van de te verbinden materialen. De verbindingstechnieken kunnen opgedeeld worden in mechanische en adhesieve verbindingen. Mechanische verbindingen kunnen door middel van bouten, schroeven of rivetten gebeuren. Deze verbindingen hebben het nadeel dat er plaatselijk materiaal wordt weggenomen. Hierdoor wordt de doorsnede verzwakt en ontstaan er lokale piekspanningen ter hoogte van de bouten, schroeven of rivetten. Adhesieve verbindingen maken gebruik van speciaal ontwikkelde lijmen die met een bepaalde dikte op een oppervlak worden aangebracht. Afhankelijk van de te verbinden substraten en de gewenste eigenschappen wordt een lijmtype gekozen uit acrylaten, epoxies, polyurethanen of siliconen. Glas-metaalverbindingen zijn reeds veel toegepast bij vliesgevelsystemen waarbij een geheel glazen uitzicht gewenst is. Door middel van siliconen worden enkele of dubbele glasplaten aan de draagstructuur verlijmd. Elk type lijm heeft specifieke voor- en nadelen waarmee in elke concrete ontwerpsituatie dient rekening worden gehouden [3].

6.5. Keuze materialenEr zijn zeer veel combinaties te vormen met de besproken materialen. Bij de keuze van materiaalcombinaties moet onder andere rekening worden gehouden met de thermische uitzettingscoefficienten, het hygrothermische gedrag, de vormvastheid en maattoleranties. Er wordt voor het verdere verloop van deze masterproef gekozen voor een binnenplaat uit gelamineerd fineerhout (LVL) in combinatie met een glazen buitenplaat. Gelamineerd fineerhout heeft een goede sterkte-gewichtsverhouding en is zeer maatvast. De maattoleranties zijn typisch +1,8/-1,4 mm voor de dikte, ± 6 mm voor de breedte en ± 5 mm voor de lengte38. Door het lage vochtgehalte is het hout zeer duurzaam en is de thermische uitzetting verwaarloosbaar klein. Geemailleerd gehard glas is uitstekend bestand tegen weersinvloeden en heeft een lage thermische uitzettingscoefficient. De maattoleranties zijn ± 3 mm voor alle afmetingen en de vlakheidstolerantie is 3 mm/m diagonaal gemeten 39.

Er wordt voor glasvezelversterkte kunststofprofielen gekozen om de binnen- en buitenplaat met elkaar te verbinden. GFRP heeft uitstekende sterkte eigenschappen, een lage thermische geleidbaarheid en de profielen zijn eenvoudig te vormen door middel van extrusie. De verbinding tussen gelamineerd fineerhout en het kunststofprofiel kan met een epoxy-lijm gebeuren. Epoxy-adhesieven hebben goede holte vullingseigenschappen, beperkte krimp bij het uitharden en de uitharding kan bij omgevingstemperaturen gebeuren. De dikte van de ljmlaag kan 0,5 mm dik zijn [26]. De verbinding tussen GFRP en glas wordt typisch met een

38 Volgens gegevens van Kerto Q platen met een dikte van 33 mm en een plaatbreedte van 1200 mm. 39 Specifiek voor Emalit Evolution geemailleerd glas van de producent Saint-Gobain.

62

dikkere, elastische siliconen lijmlaag uitgevoerd. Het gekozen adhesief mag niet te stijf zijn om uitzettingsverschillen op te kunnen nemen. De lineaire uitzettingscoefficienten van glas en GFRP zijn respectievelijk 9 en 26.10-6 /K. Dit betekent dat over een hoogte van 3,5 meter en bij een temperatuur-verschil van 40 °C er een verschil in verlenging van 2,4 mm is. Door een voldoende dikke en elastische lijmlaag te kiezen kunnen spanningen in de materialen, ten gevolge van dit verschil, vermeden worden. De lijmlaag moet bovendien ook voldoende sterkte hebben [35]. Voor het ontwerpen van de aansluitingen wordt een lijmlaag met een dikte van 5 mm toegepast.

6.6. Ontwerp horizontale en verticale aansluitingNa een rationele keuze van de materialen worden de horizontale en verticale aansluitingen tussen de gevelpanelen ontworpen. De plaat uit gelamineerd fineerhout (Laminated Veneer Lumber) wordt verbonden aan een glasplaat door middel van een glasvezelversterkt kunststofprofiel. Tussen deze beide platen worden VIP panelen geplaatst, beschermd door golfkarton en resol hardschuim [Afbeelding 54 en 55]. De aansluiting is vormgegeven als een tand-en groefverbinding zodat de weerstand voor lucht en water verhoogd wordt. Aan de buitenzijde zorgt een eerste dichtingsrubber voor de afwatering van het meeste regenwater. Water dat onder invloed van de winddruk, zwaartekracht of capillaire werking voorbij de eerste dichting geraakt, wordt via een drainageholte terug naar buiten gebracht. Een tweede en derde dichting met een rubberprofiel zorgt voor een voldoende waterdichtheid bij hoge winddrukken. De verticale voegen worden aan de binnenzijde luchtdicht op elkaar aangesloten door de samendrukking van een opencellige polyurethaan schuimband. De horizontale voegen worden afgeplakt met luchtdichte tape zodat ook de luchtdichting in de hoeken van de panelen verzekerd wordt.

Afbeelding 54: De horizontale doorsnede van de aansluiting van twee aangrenzende vacuüm geïsoleerde

gevelpanelen.

63

Deze beide aansluitingen worden thermisch geanalyseerd aan de hand van Bisco om de karakteristieke Ψ-waarde te bepalen. Bijlage E geeft de output van Bisco voor de horizontale en verticale aansluiting weer (zie type 1). De lineaire warmtedoorgangscoefficient Ψ van de verticale en horizontale aansluiting is respectievelijk 0,068 en 0,066 W/m.K. De U-waarde van de paneelopbouw is 0,092 W/m2.K zonder rekening te houden met de aansluitingen. Net als in de vorige drie hoofdstukken kan de effectieve warmtedoorgangscoefficient van een bepaalde gevel berekend worden. Voor een gevel van 24 meter breed en 7 meter hoog is de effectieve U-waarde 0,18 W/m2.K. Deze waarde wordt behaald met een totale dikte van slechts 91,5 mm. Aangezien de koudebruggen quasi een verdubbeling van de U-waarde veroorzaken moeten de aansluitingen thermisch geoptimaliseerd worden.

Afbeelding 55: De verticale doorsnede van de aansluiting van twee

aangrenzende vacuüm geïsoleerde gevelpanelen.

64

6.6.1. Dubbele laag VIP's

In voorgaande aansluitingen werden 40 mm dikke vacu*misolatiepanelen geplaatst in het centrum van de gevelpanelen. Maar het is uiteraard ook mogelijk een dubbele laag VIP's van 20 mm dik toe te passen. Deze ontdubbeling laat toe de vacu*mpanelen afzonderlijk van elkaar te verschuiven. Hierdoor wordt de opening tussen de naastliggende panelen kleiner (Afbeelding 56). De horizontale en verticale aansluiting werd aangepast door een dubbele laag VIP's te laten verspringen. Afbeelding 57 tot 60 tonen de doorsneden van twee alternatieve ontwerpen. In het eerste ontwerp worden de VIP's symmetrisch verschoven over 15 mm. Terwijl de VIP's in het tweede ontwerp asymmetrisch geplaatst worden.

De lineaire warmtedoorgangscoefficienten van de verschillende aansluitingen werden bepaald en worden samengevat in onderstaande tabel. Uit de gegevens blijkt dat het ontwerp met de asymmetrische plaatsing van de vacu*mpanelen het best presteert. Het relatief grote verschil in effectieve U-waarde van de aansluitingen geeft opnieuw duidelijk het belang van het gedetailleerde ontwerp van de aansluitingen weer.

Afbeelding 56: Schema ontdubbeling VIP's.

Afbeelding 57: Een eerste horizontale aansluiting met symmetrisch verspringende vacuümpanelen.

Afbeelding 58: Een tweede horizontale aansluiting met asymmetrisch verspringende vacuümpanelen.

65

Ψ (W/m.K) U (W/m2.K) Ueff (W/m2.K) Aandeel Ψ

Geen verspringing 40

Horizontaal 0,067 0,092 0,182 97,8 %

Verticaal 0,070

Symmetrisch Horizontaal 0,066 0,092 0,169 84 %

Verticaal 0,056

Asymmetrisch Horizontaal 0,055 0,092 0,162 76 %

Verticaal 0,053

Tabel 10: Overzicht van de lineaire warmtedoorgangscoëfficiënten van drie ontworpen aansluitingen.

40 Deze aansluitingen zijn identiek aan deze weergegeven op pagina 65 maar met een dubbele laag VIP's van 20 mm in plaats van een enkele laag van 40 mm dik.

Afbeelding 59: Een tweede verticale

aansluiting met asymmetrisch

verspringende vacuümpanelen.

Afbeelding 60: Een eerste verticale

aansluiting met symmetrisch

verspringende vacuümpanelen.

66

6.6.2. Variatie dikte GFRP-profielen

Op de afbeeldingen van de warmtestroomdichtdichtheid in bijlage E is duidelijk te zien dat de dichtheid [W/m2] het grootste is in de GFRP-profielen. De dikte van deze profielen zal de Ψ-waarde hoogstwaarschijnlijk sterk beïnvloeden. Het effect van het varieren van de profieldikte wordt onderzocht aan de hand van een aantal thermische Bisco-simulaties. Voor elk van de drie uitgetekende types werden, telkens voor de horizontale en verticale aansluiting, drie simulaties uitgevoerd met een profieldikte van 2,5, 2 of 1,5 mm. Onderstaande grafiek geeft een overzicht van de berekende lineaire warmtedoorgangscoefficienten per aansluiting [afbeelding 61] .

Uit de grafiek valt af te leiden dat, zoals verwacht, de Ψ-waarde van de aansluiting daalt naarmate de GFRP-profielen dunner worden. De Ψ-waarde van de aansluitingen met 1,5 mm dikke profielen ligt gemiddeld 12,3 % lager dan deze van de aansluitingen met 2,5 mm dikke profielen. Ook is duidelijk het verschil tussen de drie types merkbaar met type 3, de aansluiting met asymmetrische plaatsing van de VIP's, als thermisch het beste type. De mogelijkheid om de glasvezelversterkte kunststofprofielen dunner te maken hangt af van de grootte van de aangrijpende krachten. De profielen nemen voornamelijk schuifkrachten op, wanneer de gevelpanelen door winddruk of -zuiging op buiging belast worden. Een producent van GFRP-profielen raadt een minimum profieldikte van 1,5 mm aan41. De maximale schuifsterkte van glasvezelversterkte kunststof hangt af van de exacte samenstelling maar ligt rond 25 MPa.

41 Volgens gegevens op de website www.fiberline.com.

Afbeelding 61: Grafiek die de invloed van de dikte van de GFRP-

profielen op de Ψ-waarde weergeeft voor elk van de ontworpen

aansluitingen. ( Type 1 = geen verspringing, type 2 = symmetrische

plaatsing, type 3 = asymmetrische plaatsing

67

6.6.3. VIP's met ongelijke dikte

Een laatste onderzochte optie om de Ψ-waarde van de aansluitingen te doen dalen is het gebruik van vacu*mpanelen met ongelijke dikte. Door de toepassing van 15 en 25 mm dikke VIP's kan er ter hoogte van de aansluiting een overlap gecreeerd worden [zie afbeelding 62]. Afbeelding 63 en 64 tonen een doorsnede van de horizontale en verticale aansluiting. De rubberprofielen worden hier op een licht andere manier tussen beide GFRP-profielen geplaatst.Deze aanpassing heeft een aanzienlijke impact op de lineaire warmtedoorgangscoefficienten. Ten opzichte van de aansluitingen met symmetrisch verspringende vacu*mpanelen daalt de gemiddelde Ψ-waarde van 0,0537 naar 0,0417 W/m.K42. Dit betekent dus een daling van 22,4 %. Met deze ingreep kan de effectieve warmtedoorgangscoefficient Ueff van de testgevel naar 0,151 W/m2.K gebracht worden.

Naast de positieve invloed op de thermische prestaties heeft deze ingreep echter ook een belangrijke nadelige impact op het gehele bouwsysteem. Er ontstaan namelijk twee verschillende panelen. In het ene paneel bevinden zich de dunste VIP's aan de buitenzijde, terwijl in de aangrenzende panelen deze zich aan de binnenzijde bevinden. Hierdoor wordt de planning en productie van de gevelpanelen complexer en ontstaan er tal van moeilijkheden. Er zullen veel meer verschillende panelen geprefabriceerd moeten worden, wat de productiekost- en tijd de hoogte in drijft. De bedenking dient dan ook gemaakt te worden of de voordelen van deze ingreep opwegen tegen de nadelen.

42 De gemiddelde waarden voor de aansluitingen met de drie mogelijke diktes van de GFRP-profielen.

Afbeelding 62: Schema verschillende dikte VIP's.

Afbeelding 63: De horizontale aansluiting met VIP's van ongelijke dikte.

68

Afbeelding 64: De verticale aansluiting

met VIP's van ongelijke dikte.

69

6.6.4. Samenvatting

De verschillende onderzochte aansluitingen kunnen aan de hand van onderstaande grafiek met elkaar vergeleken worden. De impact van de ontdubbeling op de Ψ-waarde is duidelijk merkbaar. Ook het feit dat er bij een dubbele laag VIP's proportioneel meer geleidende folie in de gevelpanelen aanwezig zijn, dan bij een enkele laag, is zichtbaar. De laagste waarden worden, zoals eerder vermeld, behaald met de toepassing van VIP's van ongelijke dikte. Toch wordt er in deze masterproef verder gewerkt met de aansluitingen van type 3, namelijk met asymmetrische plaatsing van de vacu*misolatiepanelen. Dit omdat de flexibiliteit van het gevelsysteem sterk beperkt wordt door de noodzaak twee verschillende panelen te moeten gebruiken.

De behaalde effectieve U-waarde met het gekozen type, bij toepassing van 2,5 mm dikke GFRP-profielen, is 0,162 W/m2.K. Aangezien de vooropgestelde streefwaarde 0,15 W/m2.K niet behaald wordt, wordt de totale dikte van de VIP's licht verhoogd. Met een dubbele laag 22 mm dikke vacu*misolatiepanelen daalt de effectieve U-waarde van de testgevel naar 0,148 W/m2.K43. De streefwaarde wordt dus behaald en dit met slechts een totale dikte van het gevelpaneel van 95,5 mm. Een volledig overzicht met de gegevens van alle aansluitingen is weergegeven in bijlage G.

43 Met een U-waarde van 0,084 W/m2.K en een Ψ-waarde voor de horizontale en verticale aansluiting van respectievelijk 0,05 en 0,049 W/m.K.

Afbeelding 65: Samenvattende grafiek die de Ψ-waarden van elke aansluiting,

afhankelijk van de dikte van de GFRP-profielen, weergeeft. (Type 0 = 40 mm dikke

VIP's, Type 1 = ontdubbelde VIP's zonder verspringing, Type 2 = symmetrische

plaatsing, Type 3 = asymmetrische plaatsing en Type 4 = VIP's van ongelijke dikte)

70

6.7. Bouwkundige aansluitingenDe bevestiging van de gevelpanelen aan de draagstructuur van het gebouw is gebaseerd op deze van elementengevels. De panelen worden bovenaan opgehangen aan de vloerplaat door middel van twee bevestigingsankers. Deze ankers laten een nauwkeurige regeling toe in alle mogelijke richtingen door middel van slobgaten en regelschroeven. Onderaan de panelen wordt enkel de horizontale beweging tegen gehouden. Bewegingen in de verticale richting blijven mogelijk zodat spanningen ten gevolge van thermische uitzetting vermeden worden. Hiervoor worden bovenaan aan de zijkanten van de panelen roestvast stalen doken bevestigd. Terwijl onderaan aan de zijkanten van elk paneel twee kokerprofielen worden bevestigd. Bij de plaatsing van de panelen worden de kokerprofielen over de doken geschoven (zie afbeeldingen 66 en 67).

De plaatsing van de gevelpanelen verloopt op dezelfde manier als bij een elementengevel. De geprefabriceerde panelen worden op speciale karren geleverd en kunnen meteen op de verdieping geplaatst worden [afbeelding 38]. De panelen worden bij de installatie opgehesen doormiddel van een (toren)kraan of met een katrolsysteem dat op een hogere verdieping geplaatst wordt. De twee doken aan de bovenzijde van een paneel kunnen hiervoor gebruikt worden. De panelen worden naar de buitenzijde van het gebouw gebracht, eventueel gedraaid, en dan correct gepositioneerd. Bovenaan kan de positie geregeld worden door middel van de ankers. Onderaan moeten de doken van de reeds geplaatste panelen in de kokerprofielen verdwijnen.

Om zowel de verticale als horizontale aansluiting correct te kunnen uitvoeren moet er met enkele zaken rekening worden gehouden. Een paneel wordt eerst horizontaal op het naastliggend, reeds geplaatste, paneel aangesloten. Daarna wordt het verticaal verschoven zodat ook de aansluiting met het onderliggende element correct gebeurd. Er moet dus een verticale beweging mogelijk blijven wanneer de horizontale aansluiting reeds in elkaar gepast is. Daarom wordt er in de verticale voegen gebruik gemaakt van een voorgecomprimeerde compressieband met een verwijderbare folie [afbeelding 69]. Na de plaatsing van de gevel wordt de folie verwijderd en zet de compressieband uit. Zo ontstaat er een luchtdichte en afgewerkte verticale naad. De horizontale naden tussen de panelen zitten verborgen in het vloerpakket. Hier wordt er daarom gebruik gemaakt van een luchtdichtingstape. Alle naden en hoeken worden afgetaped zodat er 00n continue luchtdichte laag ontstaat.

Afbeelding 66: Render van het ophangsysteem van de

gevelpanelen aan de vloerplaat.

Afbeelding 67: Aansluiting aan de onderzijde van de

gevelpanelen op de reeds geplaatste panelen.

71

6.7.1. Overzicht bouwaansluitingen

Afbeelding 69: Een voorgecomprimeerde

compressieband die pas na het verwijderen

van de folie zal uitzetten. Afbeelding van het

product Mavotex Bloco One Control van de

producent Plaka.

Afbeelding 68: Het dook- en

ankersysteem van de AA 9562

elementengevel van de

producent Alcoa.

72

(�6�'��=��������

*�������������������������� �������������� ���������������+,+�

64

73

%�������� ������� �������������� ��������������+,'�

6674

(�6�-��=�����

%�������� ������� ����������������������� ���������+,'�

6775

(�6�/��>��������� �

��������������������������� ������������������������������� ��������������+,'�

:+76

%�������� ������������������� ������������������������ ��������+,'�

:-77

��������������������������� ��������� ��������������+,+

:478

(�6�4�������

�������������������������� ����������� ������������������������+,'�

:679

������������������������ ����������� ������������������������+,'�

:780

������������������������� ����������� ������������������������+,'�

7+81

6.8. Analyse gevelsysteem

6.8.1. Thermische analyse

Om deze bouwkundige aansluitingen thermisch te analyseren kan er opnieuw gekeken worden naar de Ψ en f-waarde van de details. Deze waarden werden aan de hand van het softwarepakket Trisco berekend. Net als Bisco de warmtestromen doorheen een constructie twee dimensionaal kan berekenen, kan Trisco dit driedimensionaal. De thermische simulaties werden uitgevoerd met een binnentemperatuur van 20°C en een buitentemperatuur van 0°C.

Een eerste detail dat werd ingevoerd in Trisco is dit van een opstaande dakrand (zie 6.7.5, eerste optie). De warmtegeleidingscoefficienten van de gebruikte materialen wordt in bijlage A weergegeven. Het dak wordt geïsoleerd met PUR, terwijl de holten van de getimmerde dakrand gevuld worden met minerale wol. Onderstaande afbeelding toont het temperatuurverloop doorheen de dakrand. De minimale interne oppervlaktetemperatuur is 19,04 °C, wat resulteert in een temperatuurfactor van 0,952. Aangezien deze waarde ver boven 0,7 ligt zijn er geen condensatieproblemen te verwachten. De Ψ-waarde van dit detail is -0,017 W/m.K bepaald met de buitenafmetingen van de constructie. De waarde is negatief dus dit betekent dat er een positieve correctie op de totale warmteverliezen mag uitgevoerd worden.

Afbeelding 70: Temperatuurverloop doorheen het aansluitingsdetail van een dakrand

uit Trisco.

82

Het tweede detail is de aansluiting van de vacu*m geïsoleerde gevelpanelen ter hoogte van de vloerplaat. De vloerisolatie bestaat uit een laag gespoten PUR en de isolatie in contact met de grond is XPS. Het grondmassief wordt gesimuleerd zoals bepaald in 'Bijlage 5 - Gevalideerde numerieke berekeningen' van het Energiebesluit van 19 november 2010 van de Vlaamse Regering. De afmetingen van het gesimuleerde model zijn 4 meter aan de binnenzijde van het gebouw en 20 meter onder en naast de woning. De temperatuurfactor f kan eenvoudig uit Trisco gehaald worden en is gelijk aan 0,923. De Ψ-waarde moet manueel bepaald worden door twee simulaties te combineren, namelijk een simulatie van het werkelijke detail en een tweede detail met opgelegde adiabatische randvoorwaarden waar de muur de grond of vloer raakt (afbeelding 72 en 71. De formule voor de bepaling van van Ψ is44:

Ψ =Φ2D

L .(θi−θe)−

A1U 1

L−

Φ2D ,α

L .(θi−θe) met Φ2D de totale tweedimensionale stationaire warmtestroom volgens de eerste simulatie,

L de lengte waarover de lineaire bouwknoop gemodelleerd wordt (hier 1 meter),A1 de oppervlakte van de muur op basis van de buitenafmetingen,Φ2D,α de totale tweedimensionale stationaire warmtestroom volgens de tweede simulatie.

Met Φ2D en Φ2D,α respectievelijk gelijk aan 22,994 en 18,305 W en A1 gelijk aan 2 m2 levert dit een lineair warmtedoorgangscoefficient van 0,096 W/m.K op. Deze waarde is groter dan de grenswaarde Ψlim voor een funderingsaanzet van 0,05 W/m.K 45. Het detail is dus geen EPB-aanvaarde bouwknoop. Het aansluitingsdetail zal dus best aangepast moeten worden. De Ψ-waarde kan verlaagd worden door de XPS-isolatielaag dikker uit te voeren of het gevelpaneel verder naar onder door te trekken. Zo zal de contactlengte tussen de vloer- en muurisolatie beter zijn, en bijgevolg het extra warmteverlies ter hoogte van de lineaire bouwknoop lager.

44 Volgens 'Bijlage 5 – Gevalideerde numerieke berekeningen'' van het Energiebesluit van 19 november 2010.45 Volgens 'Bijlage 8 – Behandeling van bouwknopen' van het Energiebesluit van 19 november 2010.

Afbeelding 72: Temperatuurverloop doorheen de

aansluiting ter hoogte van de fundering.

Afbeelding 71: Temperatuurverloop van het tweede

detail waar er adiabatische randvoorwaarden werden

opgelegd waar de muur de grond of vloer raakt.

83

6.8.2. Structurele analyse

De zwaarste belasting op de gevelpanelen is ongetwijfeld de windbelasting. Eerder werd reeds een maximale winddruk van 1,7 kN/m2 bepaald aan de hand van Eurocode 1-4. De panelen moeten voldoende sterkte hebben om aan deze belasting te kunnen weerstaan. Maar vaak is de doorbuiging van de panelen onder de aangrijpende windbelasting de maatgevend factor. Als doorbuigingseis wordt L/330 + 4 mm gesteld46, wat de horizontale uitwijking in het midden van de overspanning beperkt tot 14,6 mm. In bijlage H worden enkele eenvoudige berekeningen uitgevoerd als eerste indicatie van de spanningen in de materialen en doorbuiging van het gevelpaneel.

Er zijn drie mogelijke manieren om het gevelpaneel te dimensioneren. De eerste manier gaat er van uit dat de belasting enkel wordt opgevangen door de binnenste plaat. En deze dus enkel stijfheid aan het paneel verleend. Een tweede manier gaat uit van een perfecte verbinding tussen het binnen- en buitenblad. Hier dragen beide platen bij tot de buigstijfheid van het paneel. Er wordt verondersteld dat het gevelpaneel als 00n geheel de windbelasting opvangt. De derde manier ligt tussenin beide voorgaande en weerspiegelt de werkelijke situatie. De totale buigstijfheid van het gevelpaneel wordt bepaald door zowel het binnen- als buitenblad maar ook door de verbinding. Er wordt hier niet uitgegaan van een perfecte verbinding aan de randen. De relatieve verschuiving van de platen ten opzichte van elkaar wordt in rekening gebracht.

Uit de berekeningen blijkt dat de doorbuigingseis een bepalende factor vormt. Wanneer enkel de LVL-plaat in rekening gebracht wordt is de buigstijfheid van het paneel ruim onvoldoende, gezien de doorbuiging van 88,03 mm. Wanneer er verondersteld wordt dat de glasplaat een volledige bijdrage levert aan de buigstijfheid, wordt wel aan doorbuigingseis voldaan. De doorbuiging in het midden van de overspanning is hier slechts 2,37 mm. In de realiteit zal de maximale horizontale uitwijking onder de windbelasting dus tussen 2,37 en 88,03 mm liggen. In bijlage H wordt vervolgens de nodige dikte van de binnenplaat berekend met de veronderstelling dat de GFRP-profielen en de glasplaat geen bijdrage leveren. Om te voldoen aan de maximale doorbuiging van 14,6 mm zou de LVL-plaat 60 mm dik moeten zijn. Wanneer het binnenblad uit ultra hoge sterkte beton zou bestaan, met een elasticiteitsmodulus van 25590 MPa, is de nodige dikte 45 mm. De dikte van het gevelpaneel zal dus met 00n derde moeten toenemen wanneer ervoor gekozen wordt het buitenblad niet te laten bijdragen tot de gehele buigstijfheid.

46 Volgens tabel 26 uit het WTCB rapport nr. 11: Toepassing van de eurocodes op het ontwerp van buitenschrijnwerk.

Afbeelding 73: Principe schema waarbij de doorbuiging beperkt wordt door

het verbinden van de verschillende lagen.

84

Wanneer er gekozen wordt om het buitenste plaatmateriaal wel structureel te laten meewerken moeten er uiteraard eisen aan de lijmverbindingen gesteld worden. Momenteel wordt de glasplaat met de GFRP-profielen verbonden met een dikke, elastische siliconenlijm. Deze lijmlaag brengt zeer weinig krachten van de glasplaat over op de profielen aangezien de grote vervormingen in de laag. Om de windbelasting op de glasplaat naar de randprofielen te kunnen overbrengen is een stijvere lijmverbinding nodig.

Het totale gewicht van 00n paneel is ook berekend in bijlage H. Een paneel van 1,2 op 3,5 meter weegt ongeveer 200 kg, dus zo een 47 kg/m2. Dit is gelijkaardig met het gewicht van bestaande gordijn- en elementengevels. De bevestigingsankers worden dus beide verticaal belaste met ongeveer 1 kN ten gevolge van het eigengewicht.

85

Hoofdstuk 7: Impact nieuwe bouwsysteem

7.1. InleidingIn het voorgaande hoofdstuk werd een gevelsysteem uitgewerkt dat gebruik maakt van vacu*misolatiepanelen om een zeer hoge isolatiegraad te bereiken. Nochtans er gelijkenissen met bestaande elementen -en gordijngevels zijn, is het systeem zeer vernieuwend. In dit hoofdstuk wordt daarom de nieuw ontworpen gevel op bouwkundig en economisch vlak met de bestaande bouwpraktijk vergeleken. Als eerste wordt de impact van de toepassing van vacu*m geïsoleerde gevelpanelen op de architectuur van het gebouw besproken.

7.2. Bouwkundige impactHet belangrijkste voordeel van de gevelpanelen is de zeer beperkte dikte. Met slechts een dikte van 95,5 mm wordt een U-waarde kleiner dan 0,15 W/m2.K behaald. In hedendaagse passiefwoningen zijn er muurdiktes groter dan 500 mm nodig om deze U-waarde te behalen47. Op afbeelding 74 is het verschil in muurdikte is zeer duidelijk te merken. Beide funderingsaansluitingen zijn op identieke schaal afgebeeld. De dikte van de muur in metselwerk is 515 mm waarvan 240 mm isolatie. Het nieuwe vacu*m geïsoleerde gevelsysteem is 539 % dunner dan een klassieke muuropbouw.

De zeer beperkte dikte van de gevels kan een aanzienlijke toename van de bruikbare vloeroppervlakte opleveren. Dit kan met een eenvoudige voorbeeld geïllustreerd worden. Zo kan de nuttige vloeroppervlakte van een appartementsgebouw van 20 op 15 meter en 6 verdiepingen hoog stijgen van 1590 naar 1760 m2 48. De toepassing van het gevelsysteem levert in dit specifieke geval ongeveer twee derde van de oppervlakte van een volledige verdieping op. Er is namelijk 170 m2 extra vloeroppervlakte beschikbaar, ongeveer 10 % van de totale nuttige vloeroppervlakte. Deze extra vierkante meters betekenen onder andere een toename van de totale huur- of verkoopsprijs van het gebouw.

47 Volgens de technische details opgesteld door Passiefhuis-Platform vzw en Vibe vzw. Muren in massiefbouw of houtskeletbouw zijn hier respectievelijk 515 mm en 564,5 mm dik.

48 De vergelijking wordt gemaakt tussen een geveldikte van 515 en 95,5 mm voor een gebouw met buitenafmetingen van 20 op 15 meter.

Afbeelding 74: De vergelijking van een funderingsaansluiting bij een passiefwoning in massiefbouw volgens de

details opgesteld door Passiefhuis-Platform en Vibe en een funderingsaansluiting van het nieuwe gevelsysteem.

86

Een tweede belangrijk voordeel van het gevelsysteem ten opzichte van zeer dikke muren in traditionele passiefbouw is het lage gewicht. Een muur voor passiefbouw in metselwerk en houtskelet weegt respectievelijk minstens 285 kg/m2 49 en 190 kg/m2 50. Het gewicht van het vacu*m geïsoleerde gevelsysteem is ongeveer 47 kg/m2 (berekening in bijlage H) en ligt dus 1,5 tot 6 keer lager. Dit betekent dat het totaal te verwerken en transporteren gewicht van de materialen veel lager is. Een lager te transporteren gewicht betekent meteen ook minder uitstoot van broeikasgassen.

Een derde belangrijk voordeel van het nieuwe passieve gevelsysteem ten opzichte van de traditionele bouwpraktijk is de mogelijkheid snel te bouwen. De constructietijd op de werf wordt sterk ingekort door te werken met geprefabriceerde gevelpanelen. Dit kan de totale kostprijs positief beïnvloeden aangezien de loonkost een groot aandeel heeft in de totale kostprijs van een gebouw. Door de prefabricatie van de panelen kan de kwaliteit van het gevoerde werk uitstekend gecontroleerd worden. Er kan bovendien nauwkeuriger en tegelijk sneller gewerkt worden. Aangezien de meeste materialen in de fabriek verwerkt worden is er zeer weinig afval op de werf. Het afval dat in de fabriek geproduceerd wordt kan eenvoudig in een interne recyclage-cyclus opgenomen worden. Zeer belangrijk is de correct plaatsing van de panelen in situ aangezien de prestaties volledig afhankelijk zijn van de uitvoering. Zo kan bijvoorbeeld de breedte van de voeg tussen twee panelen gemeten worden om de samendrukking van de compressieband, en bijgevolg diens luchtdichtheid, te verzekeren.

7.3. Economische impactEen groot nadeel van vacu*misolatiepanelen is de hoge kostprijs in vergelijking met traditionele isolatiematerialen. De gemiddelde prijs van een vacu*mpaneel van 2 cm dik is ongeveer 50 €/m2 [37]. Ook uit onderstaande tabel blijkt de hoge relatieve kostprijs van VIP's. De combinatie van dure grondstoffen en een complex productieproces maken van VIP's een duur product. Toch kan de toepassing van VIP's economisch voordelig zijn. Zo kan bijvoorbeeld de dakrand van een gebouw dankzij de dunne gevelisolatie eenvoudig uitgevoerd worden met een beperkte hoeveelheid materiaal. De bevestiging van ramen kan met goedkope middelen gebeuren in plaats van zware raamankers. Afbeelding tot tonen bouwdetails voor passiefwoningen volgens Passiefhuis-Platform vzw en Vibe vzw. De belangrijkste materiaalbesparingen, wanneer deze details met zeer dunne muren worden uitgevoerd, zijn per detail opgesomd.

Isolatie Kost (€/m3)Lambda-waarde

(W/m.K)Kost per warmteweerstand

(€/m2/(m2.K/W))

EPS (20-30 kg/m3) 135,96 – 217,8 0,035 – 0,037 5,03 – 7,62

XPS 373,56 0,032 11,95

MW (32-100 kg/m3) 80,52 – 232,32 0,034 – 0,036 2,9 – 7,9

PUR 262,02 – 302,94 0,023- 0,028 6,7 – 7,34

VIP 4290 0,005 – 0,008 21,45 – 34,32

Tabel 11: Vergelijking van de kostprijs per warmteweerstand van verschillende isolatiematerialen (oktober

2004). Cijfers overgenomen van het Annex 39 Subtask B project [5].

49 Opbouw: 9 cm gevelsteen (1500 kg/m3), 24 cm PUR (30 kg/m3), 14 cm snelbouw (124 kg/m2) en 1,5 cm gips (1300 kg/m3).

50 Opbouw: 9 cm gevelsteen (1500 kg/m3), 5 cm MW (25 kg/m3), 2,2 cm OSB (650 kg/m2), 30 cm MW + I-profielen (3,8 kg/m), 1,5 cm OSB, 4,5 cm MW en 1,25 cm gipskartonplaat (9 kg/m2).

87

Massiefbouw 515 mm → Gevelsysteem 95,5 mm

Besparing Extra kost

cellenglas dakisolatie

lange spouwankers betonnen vloerplaat

houten dekbalk dakdichting

bevestiging dekbalk

gemetste of getimmerde dakrand

Massiefbouw 515 mm → Gevelsysteem 95,5 mm

Besparing Extra kost

cellenglas vloerisolatie

dorpel chape

plinten vloerafwerking

ondersteuning raam

Massiefbouw 515 mm → Gevelsysteem 95,5 mm

Besparing Extra kost

cellenglas vloerisolatie

vochtfolie chape

drukvaste mortel vloerafwerking

lange spouwankers

Afbeelding 75: Aansluitingsdetail van de

dakrand van een massiefbouw passiefwoning

volgens Passiefhuis-Platform vzw en Vibe

vzw.

Afbeelding 77: Aansluitingsdetail van een

passiefmuur op de vloer volgens Passiefhuis-

Platform vzw en Vibe vzw.

Afbeelding 76: Aansluitingsdetail van een raan

ter hoogte van de vloer volgens Passiefhuis-

Platform vzw en Vibe vzw.

88

De minkosten voor een eenvoudigere detaillering, het lagere volume en massa van de benodigde materialen en de hierbij horende lagere transportkosten moeten in rekening gebracht worden bij het berekenen van de meerkost van VIP's. De extra kost moet steeds afgewogen worden tegen alle mogelijke voordelen. Zo kan bijvoorbeeld de oppervlaktebesparing dankzij een dunne gevel een hogere maandelijkse verhuurprijs opleveren. Waardoor de extra investering die VIP's met zich meebrengt een relatief lage terugverdientijd heeft.

Dit kan met een eenvoudige berekening duidelijk gemaakt worden. Met een gemiddelde kostprijs van 50 €/m2 voor 2 cm dikke VIP's [37] kost een 3,5 meter hoge gevel met vacu*mpanelen met een dikte van 4,4 cm ongeveer 385 €/lm. Voor een muur met een gelijkaardige U-waarde is 24 cm minerale wol nodig. Aan een prijs van 16 €/m2 voor een 6 cm dik paneel wordt dit in totaal 224 €/lm. Nemen we als voorbeeld hetzelfde appartementsgebouw zoals beschreven in de vorige paragraaf dan is het totale verschil in kostprijs van beide isolatiematerialen 67620 euro51. De extra opbrengst van de additionele verhuurbare vloeroppervlakte is, met een verhuurprijs van 28 €/m2/jaar, gelijk aan 4760 €/jaar 52. Wanneer er rekening wordt gehouden met een interest van 5 % dan is de terugverdientijd van de vacu*misolatie ten opzichte van de minerale wol, voor dit specifieke gebouw, ongeveer 25 jaar. Dit wil dus zeggen dat de meerkost van VIP's hier gerechtvaardigd kan worden bij een verhuurprijs vanaf 28 €/m2/jaar voor een levensduur van 25 jaar. Volgens gegevens van de Global Property Guide is de gemiddelde huurprijs in Brussel 11,34 €/m2/jaar voor een appartement van 120 m2 in het stadscentrum53. In Londen is dit gemiddeld 51,48 €/m2/jaar.

51 Voor 420 lopende meter gevel kosten VIP's en minerale wol respectievelijk € 161700 en € 94080.52 Bij de toepassing van vacu*misolatiepanelen is de totale bruikbare vloeroppervlakte 1760 m2, in vergelijking

met 1590 m2.53 Cijfers van 7 mei 2013. Bron: http://www.globalpropertyguide.com/

89

Hoofdstuk 8: Conclusies

Uit de systeemonderzoeken in combinatie met de literatuurstudie is gebleken dat de toepassing van vacu*misolatiepanelen vooral interessant is in geprefabriceerde gevelelementen. Aangezien de vacu*misolatiepanelen hierbij enkel in de fabriek onder gecontroleerde omstandigheden gehanteerd worden, is het risico op beschadigingen sterk beperkt. Bij de plaatsing op de werf worden de VIP's bovendien goed beschermd en dankzij just-in-time levering van de gevelelementen is er geen opslag in situ nodig.

Er werd een nieuw gevelsysteem ontworpen dat dankzij de toepassing van VIP's een U-waarde kleiner dan 0,15 W/m2.K kan halen met slechts een dikte van 95,5 mm. Na de plaatsing van de gevelelementen zijn quasi geen handelingen meer nodig op de werf. Zowel de buitengevel als de binnenkant zijn meteen afgewerkt na plaatsing. Er kan dus snel gebouwd worden wat de kostprijs positief beïnvloedt. Samen met de extra beschikbare vloeroppervlakte, de mogelijke materiaal- en transportbesparingen kan deze snelle bouwmethode daarom, niet tegenstaande de extra kost van de vacu*misolatiepanelen, economisch voordelig zijn.

Het ontwerp van de horizontale en verticale aansluitingen van het gevelsysteem werd geoptimaliseerd om de lineaire warmtedoorgangscoefficient te minimaliseren. Deze Ψ-waarde kan eventueel nog verlaagd worden door de dikte van de randprofielen te verkleinen, afhankelijk van de externe belastingen. Tevens werden een aantal belangrijke bouwaansluitingen ontworpen om tot een continue thermische, water- en luchtdichte gebouwschil te komen. De detaillering van deze aansluitingen kan vrij eenvoudig zijn, in vergelijking met complexe bouwknopen bij massief of houtskelet passiefbouw.

Opmerking:De akoestische prestaties van het gevelsysteem werden in deze thesis buiten beschouwing gelaten. Toch moet men er zich van bewust zijn dat deze prestaties hoogstwaarschijnlijk onvoldoende zijn. Door het gebruik van dunne en lichte materialen zal de totale geluidsreductie index Rw onvoldoende zijn. Toch zijn er ongetwijfeld aanpassingen mogelijk om deze waarde aanzienlijk te verhogen.

90

Bijlage A: Warmtegeleidingscoefficienten materialen

Materiaal λ-waarde [W/m.K]

Accoya hout 0,130

Aluminium 54 160

Chape 0,240

Compressieband (PUR) 54 0,400

Dichtingsmateriaal (rubbers) 54 0,240

Gespoten PUR 0,055

Gewapend beton 1,300

Glas 54 1,000

Glasvezelversterkte kunststof (GFRP) 0,230

Golfkarton 0,400

Grond 2,000

Kernmateriaal VIP 0,004

Kerto 0,130

Lijm 0,350

Laminated Veneer Lumber 0,130

Minerale wol 0,050

Polyurethaan (PUR) 0,025

Polyvinylchloride (PVC) 54 0,190

Resol hardschuim 0,021

Staal 54 50

Trespa 0,300

VIP kernmateriaal 0,004

VIP folie55 0,034

XPS 0,045

54 Volgens Annex A van NBN EN ISO 10077-2: Thermische eigenschappen van ramen, deuren en luiken.55 Deze warmtegeleidingscoefficient werd herschaald zodat de folie dikker in Bisco kon ingevoerd worden.

91

0��� �0%����������0��)'������������

92

93

0��� �)%����������0��)'������ ���

94

95

96

0��� ��%����������0��)'� ������ ���

97

98

99

0��� ��%����������0��)'�� ���������� �

100

101

102

103

104

105

106

107

Bijlage F: Luchtdichtheid

Om meer voeling met de luchtdichtheidswaarde n50 van 0,6/h te krijgen wordt deze op een concreet gebouw toegepast. Het voorbeeldgebouw is rechthoekig van vorm en is twee verdiepingen hoog. De langste gevel is 24 meter lang, de kortste 9,6 meter en het gebouw is 7 meter hoog. Alle gevels bestaan uit panelen van 1,2 op 3,5 meter. Afbeelding 78 toont een aanzicht van de lange en korte gevel. Om het voorbeeld eenvoudig te houden zijn er geen ramen of deuren in de gevels. Het totale lekdebiet per lopende meter voeg wordt hieronder berekend.

Totale gebouwvolume: V = 24 . 9,6 . 7 = 1612,8 m3 n50-luchtdichtheidswaarde: n50 = 0,6 /uTotale lekdebiet gebouw: V . n50 = 1612,8 m3 . 0,6 /u = 967,68 m3/uTotale voeglengte: L = (56 . 7) + ( 3 . 67,2) = 593,6 mLekdebiet per lopende meter voeg: ( V . n50 ) / L = 967,68 / 593,6 = 1,63 m3/m/u

Bij een luchtdichtheidswaarde n50 van 0,6 /u gaat er dus per uur 1,63 m3 lucht doorheen 00n meter voeg. Voor een n50-waarde van 1 /u en 2 /u is dit respectievelijk 2,72 m3 en 5,43 m3.

Afbeelding 78: Schematische weergave van een lange en korte gevel van het voorbeeldgebouw.

108

0��� �.%�'�������� ������������ �

������������

109

Bijlage H: Berekening van gevelpaneel

De windbelasting wordt vereenvoudigd tot een gelijkmatig verdeelde belasting q = 1,7 kN/m2. Het gevelpaneel kan gezien worden als een ligger op twee steunpunten met bovenaan een scharnier en onderaan een roloplegging. De lengte van de overspanning L wordt gelijkgesteld aan de hoogte van de gevelpanelen, namelijk 3,5 m. De breedte van het paneel is 1,2 m.

Materiaalgegevens:

ELVL = 10500 MPa dLVL = 33 mm fb,LVL = 36 N/mm2 fv,90,LVL = 0,6 N/mm2

EGLAS = 70000 MPa dGLAS = 8 mm

Maximale toelaatbare doorbuiging utoel =L

330+4=14,6 mm

Eigenschappen doorsnede:

Weerstandsmoment: W LVL=bh

2

6=

1200 .(33)2

6= 217800mm

3

Traagheidsmoment binnenblad: I LVL=bh

3

12=

1200 .(33)3

12= 3,594 .106

mm4

Traagheidsmoment buitenblad: I GLAS=b h

3

12=

1200.(8)3

12= 51200mm

4

Krachten:

Maximale moment (midden van overspanning): M max=q L

2

8=

1,7.(3,5)2

8= 2,6 kNm

Maximale schuifkracht (ondersteuning): V max =q L

2=

1,7 .3,52

= 2,975 kN

SITUATIE 1: ENKEL BIJDRAGE BINNENBLAD Controle sterkte:

Schuifspanning: τ =V

max

A=

29751200 .33

= 0,075 N /mm2 < 0,6 N /mm

2OK

Buigspanning: σ =M

max

WLVL

=2,6 .106

217800= 11,9 N /mm

2 < 36 N /mm2

OK

Controle doorbuiging:

umax =5q L

4

384(EI )LVL

=5. 1,7.(3500)4

384 .10500. 3,594.106 = 88,03 mm ≫ 14,6 mm NIET OK

SITUATIE 2: BIJDRAGE BINNEN- EN BUITENBLAD Doorsnede binnenblad: A

LVL= 1200 .33=39600mm

2

Doorsnede buitenblad: AGLAS

= 1200.8=9600 mm2

Ligging neutrale lijn:

x =ES

EA

110

EA = (EA)LVL

+(EA)GLAS

= (10500 .39600)+(70000 .9600)= 1,088.109

ES = ((EA)LVL

. 79) + ((EA)GLAS

. 4) = 35,536 .109

x =35,536 .109

1,088.109 = 32,67 mm

Buigstijfheid (Steiner):

EI = ELVL [ I LVL

+ (79−32,67)2A

LVL ] + (EGLAS

−ELVL

)[ I GLAS+ (32,67−4)2

AGLAS ]

= 10500 . [3,594. 106 + 46,3372. 39600 ] + (70000−10500). [51200 + 28,672. 9600 ]= 1,403.1012

Nmm2

Doorbuiging:

umax =5 q L

4

384 EI=

5.1,7.(3500)4

384.1 ,403.1012 = 2,37mm < 14,6mm OK

SITUATIE 3: NODIGE DIKTE BINNENBLAD

Nodige dikte bij enkel bijdrage binnenblad (LVL):

h = 3√ 60 q L4

384 utoel

b ELVL

=3√ 60.1,7.(3500)4

384. 14,6.1200 .10500= 60,06mm

Nodige dikte bij enkel bijdrage binnenblad (hoge sterkte beton):

h =3√ 60. 1,7.(3500)4

384. 14,6 .1200 . 25590= 44,63 mm

GEWICHT PANEEL

Paneel van 1,2 op 3,5 meter met volgende opbouw: 33 mm LVL: 3,492 . 1,192 . 0,033 . 510 = 70,05 kg 8 mm glas: 3,488 . 1,190 . 0,008 . 2500 = 83,01 kg 2 x 22 mm VIP's: 3,485 . 1,180 . 0,044 . 200 = 36,19 kg 2,5 mm GFRP-profielen: ((1,2 . 895,72 . 10-6) + (3,5 . 842,66 . 10-6)).1450 = 5,84 kg 7 mm resol hardschuim: 3,405 . 1,110 . 0,007 . 40 = 1,06 kg Totaal gewicht: 196,15 kg → 46,7 kg/m2

111

Referenties[1] Baetens, R. (2009) 'Properties, requirements and possibilities for highly thermal

insulating materials and solutions in buildings: state-of-the-art and beyond'. Thesis voor het behalen van Master of Applied Sciences and Engineering: Architecture. Universiteit Leuven.

[2] Baetens, R. Jelle, B.J. Thue, J.V. Tenpierik, M.J. Grynning, S. Uvsløkk, S. en Gustavsen, A. (2010) 'Vacuum insulation panels for building applications: A review and beyond'.

Energy and Buildings, 42: 147-172.[3] Belis, J. Callewaert, D. en Van Hulle, A. (2011). 'Bouwen met glas en adhesieven:

praktische gids voor ontwerper en uitvoerder'. Universiteit Gent, Laboratorium voor modelonderzoek.

[4] Binz, A. en Steinke, G. (2005) 'Applications of Vacuum Insulation in the Building Sector', International Vacuum Insulation Symposium 2005. Empa Akademie, 28-29 september. Zurich.

[5] Binz, A. Moosmann, A. Steinke, G. Schonhardt, U. Fregnan, F. Simmler, H. Brunner, S. Ghazi, K. Bundi, R. Heinemann, U. Schwab, H. Cauberg, J.J.M. Tenpierik, M.J. Johannesson, G. Thorsell, T. Erb en M. Nussbaumer, B. (2005). 'Vacuum Insulation in the Building Sector. Systems and Applications (Subtask B)', Final Report for the IEA/ECBCS Annex 39 HiPTI-project (High Performance Thermal Insulation for Buildings and Building Systems).

[6] Boian, I. en Dragomir, G. (2011) 'Vacuum insulation panels. thermal analysis of wall sandwiches'. Bulletin of the Transilvania University of Braşov Series I: Engineering

Sciences, 53 (4): 165-170.[7] Bouwen met staal (2003). 'Metalen sandwichpanelen in de bouw', Brochure. Rotterdam:

Bouwen met staal.[8] Brunner, S. (2011). 'Single and double layered vacuum insulation panels of the same

thickness in comparison', International Vacuum Insulation Symposium 2011. National Research Council, 15-16 september. Otawa.

[9] Cauberg, H. en Tenpierik, M.J. (2007). 'Sound reduction of vacuum insulation based sandwich panels', International Vacuum Insulation Symposium 2007. ZAE Bayern, 18-19 september. W*rzburg.

[10] Cauberg, J.J.M. en Tenpierik, M.J. (2005). 'From VIP to Building Panel', International Vacuum Insulation Symposium 2005. Empa Akademie, 28-29 september. Zurich.

[11] Dow Corning Corporation (2012). 'High Performance Insulation: For Next-Generation Curtainwalling', informatiebrochure. USA.

[12] EASIE (2010). 'Design guidelines for good panel joints and joints sealing openings focussing on air and water tightness', informatiebrochure. Darmstadt: EASIE.

[13] EN 14509 (2006). 'Self-supporting double skin metal faced insulating panels – Factory made products – Specifications'. Brussel: Comit0 Europ0en de Normalisation.

[14] Fricke, J. Heinemann, U. en Ebert, H.P. (2008). 'Vacuum insulation panels - From research to market'. Vacuum, 82(7), 680-690.

[15] Gintars, D. (Ed.). (2008). 'Building refurbishment- highly insulative large elements'. Projektinfo. 04/08.

[16] H*lsmeier, F. (2008). 'Vakuumgedämmte Holzfassaden f*r Passivhausbauweisen', Forschungsbericht 2008, HTWK Leipzig.

[17] H*lsmeier, F. (2012). 'Vakutex - Vacuum-Insulated Textile Concrete Facade Elements'. Concrete Plant International, 6/2012.

[18] H*lsmeier, F. en Kahnt, A. (2010). 'Vakuumgedämmte Fassadenelemente aus Textilbeton

112

vakutex'. Bausubstanz. 1/4 (December 2010): 31-37.[19] Johansson, P. (2012). 'Vacuum Insulation Panels in Buildings: Literature Review (Report

2012: 1)'. Gothenburg, Sweden: Chalmers University of Technology, Department of Civil and Environmental Engineering.

[20] Lenz, K. Leistner, P. Sedlbauer, K. en König, N. (2005). 'Vakuumisolationspaneele aus hygrothermischer und akustischer Sicht', 2nd VIP-BAU Conference. Hochschule Wismar, 16-17 juni. Wismar.

[21] Maysenholder, W. (2008). 'Sound transmission loss of vacuum insulation panels', Acoustics '08. Palais des Congres, 29 juni – 4 juli. Parijs.

[22] Musgrave, D. (2009). 'Structural vacuum insulation panels', International Vacuum Insulation Symposium 2009. The Royal Institution of Great Britain, 16-18 september. Londen.

[23] Ogden, R. en Kendrick, C. (2005). 'VIP Cladding Panels for Buildings: Applications and Conceptual Solutions', International Vacuum Insulation Symposium 2005. Empa Akademie, 28-29 september. Zurich.

[24] Pool, M. (2009). 'Insulation of a mixed use building with 7 storeys in munich with vip', International Vacuum Insulation Symposium 2009. The Royal Institution of Great Britain, 16-18 september. Londen.

[25] Quenard, D. en Sall0e, H. (2005). 'From VIP’s to Building Facades : Three Levels of Thermal Bridges', International Vacuum Insulation Symposium 2005. Empa Akademie, 28-29 september. Zurich.

[26] Raftery, G.M. Harte, A.M. en Rodd, P.D. (2009). 'Bonding of FRP materials to wood using thin epoxy gluelines'. International Journal of Adhesion & Adhesives, 29: 580–588.

[27] Simmler, H. en Brunner, S. (2005). 'Vacuum insulation panels for building application. Basic properties, aging mechanisms and service life', Energy and Buildings, 37 (11), 1122-1131.

[28] Simmler, H. Brunner, S. Heinemann, U. Schwab, H. Kumaran, K. Mukhopadhyaya, Ph. Qu0nard, D. Sall0e, H. Noller, K. K*c*kpinar-Niarchos, E. Stramm, C. Tenpierik, M.J. Cauberg, J.J.M. en Erb, M. (2005). 'Vacuum Insulation Panels. Study on VIP-components and panels for service life prediction of VIP in building applications (Subtask A)', Final Report for the IEA/ECBCS Annex 39 HiPTI-project (High Performance Thermal Insulation for Buildings and Building Systems).

[29] Snoeck, P. (2012). 'Toepassing van Vacuum Insulation Panels in platte daken: mechanisch gedrag, thermische prestaties en praktische uitvoeringsrichtlijnen', Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde. UGent.

[30] Tenpierik, M.J. (2010). 'Vacuum Insulation Panels Applied in Building Constructions'. Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor. TU Delft.

[31] Tenpierik, M.J. en Cauberg, H. (2007). 'Analytical models for calculating thermal bridge effects caused by thin high barrier envelopes around vacuum insulation panels', Journal

of Building Physics, 30(3), 185-215.[32] Tenpierik, M.J. en Cauberg, H. (2007). 'VIP integrated facade designs: the advantage of

combining high thermal performance with limited construction thickness', The 24th Conference on Passive and Low Energy Architecture. National University of Singapore, 22-24 november. Singapore.

[33] Tenpierik, M.J. Van Timmeren, A. Van Der Spoel, W. en Cauberg, H. (2009). 'Vacuum insulation panels and architecture: cradle-to-cradle facade systems', Third international conference on smart and sustainable built environments. TU Delft, 15-19 juni.

113

Rotterdam.[34] Tenpierik, M.J. Cauberg, J.J.M. en Thorsell, T.I. (2007). 'Integrating vacuum insulation

panels in building constructions: an integral perspective'. Construction Innovation:

Information, Process, Management,7 (1): 38-53.[35] Tomasi, A. Mocibob, D. van de Linde, B. Wellershoff, F. en Koldtoft, K. (2013). 'TEC

facade - Glass as functional facade element'. COST Action TU0905, Mid-term Conference on Structural Glass – Belis, Louter & Mocibob (Eds), Taylor & Francis Group. 18-19 april, Porec.

[36] Van Den Bossche, N. Moens, J. Janssens, A. en Delvoye, E. (2010). 'Thermal performance of VIP panels: Assessment of the edge effect by experimental and numerical analysis '. Research on building physics : proceedings of the 1st Central European symposium on building physics. 279-286.

[37] Van Den Bossche, N. (2011). 'VIP’s isoleren tot vijfmaal beter dan PUR'. Schrijnwerk, (162), 22–25.

[38] van Went, K. (2002). 'Vacu*m isolatie panelen, Kwalificering en kwantificering van de thermische eigenschappen van vacu*m isolatie panelen en mogelijke toepassingen in de bouw'. Eindrapport afstudeerproject. TU Delft.

[39] Variotec (2008). 'Veni – vici – vip : Planen, bauen, sanieren mit VIP + Qasa, den hocheffizienten und raumsparenden Wärmebr*ckenkillern', Informatiebrochure. Neumarkt: Variotec.

[40] Wakili, K. G. Stahl, T. en Brunner, S. (2011). 'Effective thermal conductivity of a staggered double layer of vacuum insulation panels'. Energy and Buildings, 43: 1241-1246.

[41] Winkler, H. en Mainka, G. W. (2005). 'Development and First Experiences of a Prefabricated VIP-Sandwich-Element for Fast and Secure Application on Building Surfaces', International Vacuum Insulation Symposium 2005. Empa Akademie, 28-29 september. Zurich.

[42] WTCB (1979). 'Kitvoegen tussen gevelelementen, ontwerp en aanbrengen'. Technische Voorlichtingsnota 124.

114

115