Roofing Holland 1998-08-14 Bouwfysische aspecten van metalen daken onder de loep genomen

In de industriebouw is het gebruik van metalen daksystemen al tientallen jaren een gemeengoed maar ook bij residentiële constructies zijn de metalen daken ook weer populair. H. Hens en A. Janssens van het laboratorium Bouwfysica van de K.U. Leuven nemen de bouwfysische aspecten van metalen daken onder de loep.

In de industriebouw is het gebruik van metalen daksystemen al tientallen jaren ingeburgerd, maar ook bij residentiële constructies zijn de metalen daken blijkbaar terug van weg geweest. Het grijs van zink, het groen van koper en het blinkende van aluminium krijgen opnieuw de verdiende aandacht. De voorbije jaren heeft de bouwfysica echter aardig wat ontwikkelingen doorgemaakt zodat het ontwerp en de realisatie van metalen daken opnieuw onder de loep genomen moeten worden.
Een van de voornaamste ontwikkelingen is ongetwijfeld de discussie over het nut of de onzin van het lichte geventileerde dak. Men ging er vroeger van uit dat alles kon zolang er maar openingen in de dakranden zaten. De praktijk bewees spijtig genoeg maar al te vaak het tegendeel. Eventuele fouten in de dakopbouw werden dan ook streng afgestraft. Bij een metalen dakbedekking wordt dit effect nog versterkt doordat metaal in geen enkel opzicht condens kan bufferen. Elke condensatie-opstoot geeft dus onvermijdelijk aanleiding tot druppelvorming tegen het metalen oppervlak. Eenmaal voorbij de 50 g/m2 beginnen deze druppels af te lopen of naar beneden te vallen en dan begint het feest.
Bij de lichte metalen daken kan men twee types onderscheiden, namelijk het koude en het warme dak. Bij een koud dak zit tussen de warmte-isolatie en de metalen dakbedekking een met lucht geventileerde spouw, terwijl bij een warme dakopbouw deze spouw ontbreekt. Beide types daken kunnen zowel zelfdragend als op bebording worden uitgevoerd.
Bij het ontwerp en de constructie van koude daken werd traditioneel aandacht besteed aan twee prestatie-eisen: de U-waarde, die de dikte van de isolatielaag bepaalt, en het aantal ventilatieopeningen dat de ventilatiestroom in de spouw vastlegt. Bij het warme dak werd de eerste eis behouden, maar hield men rekening met de dampschermkwaliteit in plaats van met het aantal ventilatie openingen.

Condensvrij

In de praktijk bleek echter geen van beide oplossingen te volstaan om metalen daken condensvrij te houden. Bij warme daken leek de uitleg hiervoor evident: de dakbedekking is dampdicht zodat ook het dampscherm perfect dampdicht moet zijn. Praktisch is dit onmogelijk zodat dit type meteen werd afgevoerd. Bij koude daken zocht men het antwoord in het aantal cm2 ventilatieopening per m2 dak. De voorbije jaren is duidelijk geworden waarom ook deze aanpak niet lukte.
In de hele theorie werden twee belangrijke verschijnselen over het hoofd gezien. Ten eerste is er de onderkoeling ten gevolge van lange golfstraling naar de hemelkoepel die er voor zorgt dat een metalen dakbedekking 's nachts bij helder weer kouder wordt dan de buitenlucht of, erger nog, dan het dauwpunt van de buitenlucht. Hierdoor gaat de buitenlucht als vochtbron fungeren en niet als droogstroom. Hoe kleiner de helling van de dakbedekking, des te sterker de onderkoeling en des te meer uitgesproken de onderkoelingscondensatie. Verder is er de luchtopenheid van het dak die niet alleen luchtin- en exfiltratie mogelijk maakt maar ook windstroming onder en luchtrotatie omheen de warmte-isolatie. Dit brengt onder meer met zich mee dat de U-waarde niet langer representatief is voor de isolerende kwaliteit. Exfiltratie versterkt winterse condensvorming terwijl infiltratie dan weer verantwoordelijk is voor tochtproblemen en een mindere geluidsisolatie van het dak. Windondichtheid tenslotte kan oppervlaktecondensatie veroorzaken. Doordat metaal niet het minste vocht kan bufferen en bovendien een zeer hoge warmtegeleidingscoëfficiënt heeft, worden de gevolgen van zowel onderkoeling als luchtopenheid nog eens extra versterkt.

Luchtstroming

Wanneer er lucht door een metalen dak in- of exfiltreert kunnen de klassieke berekeningsmethodes voor de bepaling van de U-waarde, het temperatuurverloop en de warmtewinsten of -verliezen niet langer worden toegepast. Ook de methode van Glaser verliest haar voorspellingskracht omdat die geen rekening houdt met warmte- en damptransport ten gevolge van luchtstroming. Wanneer men met behulp van aangepaste vergelijkingen de gevolgen van luchtexfiltratie in grafiek brengt voor het condensatiegedrag van een dak, dat van binnen naar buiten is opgebouwd uit gipskarton, een dampscherm (of niet), 15 cm minerale wol en een aluminium dakbedekking, bekomt men de volgende resultaten:
De grafieken tonen duidelijk aan dat luchtdoorgang de hoeveelheden condens werkelijk doet exploderen. Het al dan niet aanwezig zijn van een niet luchtdicht dampscherm doet hierbij blijkbaar niet terzake. Wanneer we ook de tweede grafiek bekijken zouden we kunnen concluderen dat er in feite twee mogelijkheden bestaan om de condenshoeveelheid af te bouwen: ofwel zorgen we ervoor dat er geen lucht door het dak exfiltreert en dat de diffusieweerstand van het dak voldoende is, ofwel sturen we zoveel lucht door het dak dat de temperatuur in het condensvlak boven het dauwpunt van de binnenlucht stijgt (let op de knik in de curve). Bij metalen daken heeft de dakbedekking echter een zo lage warmteweerstand dat grote hoeveelheden lucht nodig zouden zijn om het materiaal op dauwpuntstemperatuur te brengen.

Langsstroming

Bij een koud dak, waardoor geen exfiltratie optreedt, kan luchttoetreding enkel gebeuren via de ventilatieopeningen. Stroming van buitenlucht in de dakspouw zorgt in dit geval wel voor een toename van de onderkoelingscondensatie maar heeft thermisch weinig nadelen. Langsstroming van binnenlucht aan de binnenzijde van het pakket warmte-isolatie+damprem levert geen enkel probleem op. Het gaat pas fout als om een of andere reden de buitenlucht in of aan de binnenkant van de isolatie geraakt en de binnenlucht in of aan de buitenkant ervan komt. Op dat moment stuikt de U-waarde in elkaar en krijgt men problemen van oppervlakte-condensatie bij buiten- en inwendige condensatie bij binnenlucht aan de verkeerde kant. Het wordt zelfs nog ingewikkelder indien de buitenlucht-langsstroming samengaat met exfiltratie. Wat er op dat moment gebeurt hangt af van de winddrukprofielen rond het dak, de drukverschillen binnen-buiten en de luchtopenheid van gevel en dak. Het slechtste geval heeft plaats wanneer de ventilatieopeningen evenwijdig liggen aan de overheersende windrichting, er in het gebouw overdruk heerst en er niet alleen in het dak, maar ook in de gevels luchtlekken zijn. Op dat moment krijgen we stroming van binnenlucht door het dak via de ventilatieopeningen naar buiten, met alle gevolgen vandien.

Rotatiestroming

Dit verschijnsel houdt in dat de lucht in de dakspouw zelf rond de warmte-isolatie kan draaien, ook al is er geen langsstroming of exfiltratie. Daartoe volstaat het dat er zich aan beide zijden van de isolerende laag een luchtlaagje bevindt en er in de isolatie lekken zijn of het isolatiemateriaal zelf niet luchtdicht is. De thermische gevolgen hiervan zijn onverwacht groot. De equivalente U-waarde schiet met toenemende luchtlaagdikte pijlsnel de hoogte in, om bij een dikte groter dan 0,5 cm te stabiliseren op een waarde die tot 250% hoger ligt dan de U-waarde, berekend volgens de norm. Rotatiestroming schakelt als het ware de isolatiedikte uit als relevante parameter.

Onderkoeling

Onderstaande grafieken tonen aan hoe belangrijk onderkoeling is bij metalen dakbedekkingen. Grafiek 5 geeft aan hoeveel onderkoelingscondensatie we bij een koud dak onderaan tegen de metalen dakbedekking kunnen verwachten als functie van de ventilatiestroom.
Uit al het voorgaande en uit diverse gevallenstudies blijkt dat het verhinderen van luchtdoorgang een conditio sine qua non is om condensatievorming bij metalen daken te voorkomen. Dit houdt in dat er een efficiënt luchtscherm moet worden aangebracht, iets wat enkel mogelijk is op een drager. Daarom moet er eerst een draagvloer worden geconstrueerd zodat daarop de luchtdichte laag kan worden gebrand. Voor het aanbrengen van deze luchtdichte laag gebruiken we best dezelfde materialen en technieken als bij een dakafdichting terwijl er voor de draagvloeren kan worden gekozen uit onder meer beton, welfsels, hout, plaatmateriaal of stalen profielplaten. Bij deze laatste moet men de luchtdichte laag mechanisch bevestigen, wat het best gaat door op de profielvloer eerst een laag harde isolatieplaten aan te brengen.

Goede oplossingen

Schadegevallen oplossen is een mooie zaak, ze vermijden is beter. Buiten het verhinderen van de luchtdoorgang zijn er nog een aantal andere maatregelen die problemen met metalen daken kunnen voorkomen. Indien men kiest voor een isolatie uit minerale wol moet men platen gebruiken met voldoende hoge volumemassa. Door deze platen op het luchtscherm te kleven schakelt men de gevreesde twee luchtlaag aan de warme kant van de isolatie uit en wordt de rotatiestroming marginaal. Om thermische spanningen te vermijden moet de metalen bedekking zodanig worden bevestigd dat beweging mogelijk blijft. De traditionele oplossingen met klangen en de meer recentere oplossingen met steunprofiel en felsnaad beantwoorden aan deze eis. Is dit niet mogelijk, dan moet er gewerkt worden met kleine elementen.
We hebben gezien dat bij een zelfdragende, geventileerde metalen dakbedekking onderkoeling voor ernstige condensproblemen kan zorgen. Deze nemen toe naarmate de ventilatie intenser wordt. Deze onderkoelingscondensatie kan men voorkomen door de dakbedekking op een houten plankenvloer aan te brengen. Het hout helpt mee de relatieve vochtigheid in de ventilatielucht te drukken en werkt tevens als capillaire buffer. De warmte-isolatie dient bovendien met een regendichte folie te worden afgewerkt, zodat eventuele condensdruppels die nog naar beneden vallen geen probleem meer vormen. Een extra dampremmende laag is overbodig omdat het luchtscherm deze functie op zich neemt.

Warme daken

Bij warme daken komt het er vooral op aan ervoor te zorgen dat het pakket luchtscherm/warmte-isolatie/ folie/dakbedekking zo lucht- en winddicht mogelijk is. Ook hier vervult het luchtscherm de functie van dampremmende laag. Wel is het nodig na te gaan welke diffusiedikte dit luchtscherm moet hebben om een juiste keuze te kunnen maken.
Om koudebruggen te vermijden moet men de nodige aandacht besteden aan de metalen steunprofielen. Tussen deze profielen en het luchtscherm is een thermische snede nodig, zoals bijvoorbeeld plaatjes neopreen.
Op akoestisch vlak tenslotte werkt een luchtdicht metalen dak met draagvloer, ook al is die zeer licht, als een dubbelwandige constructie. De akoestische eigenschappen kunnen worden geoptimaliseerd door ervoor te zorgen dat draagvloer en bedekking een verschillende stijfheid hebben. Ook het gebruik van een open-poreus isolatiemateriaal zoals zware minerale wol kan de geluidsisolatie aanzienlijk verbeteren. Bij zeer strenge eisen moet er onder het metalen dak een buigzaam, luchtdicht plafond worden aangebracht, los van de dakconstructie.