Roofs 2003-04-24 Wateraccumulatie in beeld

Waarom specialistische kennis een vereiste is bij wateraccumulatie

o Ing Nic-Jan Bruins, DGI / T-Joint Dak- & Gevelingenieurs BV
o Ing Amarinus Schouten
o Ir. Jan Locht, Schouten Engineering Consultancy Dongen

Iedereen kent nu wel de berichten van ingestorte platte daken. De afgelopen tien jaar blijken er daken van zo'n 200 gebouwen te zijn bezweken. Het recente rapport van de inspectiedienst van het ministerie van VROM schat dat 100.000 platte daken in Nederland op zijn minst geïnspecteerd dienen te worden om te bepalen of ze ditzelfde risico lopen. In de artikelen over dit probleem worden veel open deuren ingetrapt. Maar vooralsnog durft niemand nader te kwantificeren.

Schouten Engineering Consultancy en DGI / T-Joint Dak & Gevel Ingenieurs zijn al een aantal jaren betrokken bij het analyseren van wateraccumulatie: de eerste met behulp van computerberekeningen, de laatste aan de hand van de dakzijdige en praktische invulling. Er zijn daarbij heel wat daksituaties bekeken, waardoor een aanzienlijke ervaring is opgebouwd. Het betreft vooral schadegevallen, maar er zijn ook diverse analyses uitgevoerd tijdens de ontwerpfase, resulterend in een advies voor het aanpassen van de constructie. Een voorbeeld hiervan betrof een bestaande hal. De enige oplossing bleek te zijn om de hele dankrand te verwijderen. Alleen op die manier voldeed de constructie aan de eisen van de TGB 1990. Aangezien deze hal niet veel afweek van het gemiddelde, kunnen wij de schatting van VROM als genoemd gevoelsmatig onderschrijven. Ook bij ons leeft het vermoeden, dat heel wat vergelijkbare constructies zich, wat wateraccumulatie betreft, in het risicogebied bevinden.

Misverstanden over instortende daken

Met de opgedane ervaring in het analyseren van ingestorte platte daken, zijn een aantal observaties te verklaren. Er blijken veel misverstanden te bestaan over het bezwijken van daken.

Zo wordt harde wind vaak mede als oorzaak van het bezwijken van een dak aangewezen. Onze berekeningen tonen echter aan, dat alleen wateraccumulatie leidt tot bezwijken. Bij de onderzochte gevallen speelde alleen de windrichting een rol in de locatie van de bezwijking. Het opstuwen van water door wind is niet relevant, want het water zal niet hoger boven de noodafvoer stijgen, dan in een situatie zonder wind. Het water stroomt simpelweg van het dak.

In veel gevallen is juist een eindveld bezweken, wat als volgt valt te verklaren: een balk onder een eindveld gedraagt zich slapper, omdat de ondersteuning aan het uiteinde een zuivere oplegging benadert. Ondersteuningen in het midden neigen meer naar een inklemming. Dit kan worden aangetoond met een eenvoudige balktheorie.

Het is gebruikelijk om in het ontwerp een zeeg te geven aan een grote dakoverspanning. Er zijn situaties, waarin de zeeg dan voor afschot moet zorgen. In enkele geanalyseerde gevallen bleek echter, dat er te weinig rekening was gehouden met de vervorming van het dakvlak door het eigengewicht. In de praktijk vervormde het dak zodanig, dat de zeeg vrijwel verdween. Het dak was dan zo goed als vlak zonder het noodzakelijke afschot. Bij zware regenval leidde dit tot bezwijken door wateraccumulatie.

Een andere veelvoorkomende observatie is, dat daken instorten wanneer het rioolsysteem overbelast is. Dit is echter niet de essentie. Als een dak veilig is met betrekking tot wateraccumulatie, maakt het niet uit wat verstopt is, het riool of de reguliere dakafvoer. Wanneer een dak bestand is tegen wateraccumulatie zoals een dak behoort te zijn, dan wordt water altijd veilig afgestort via de noodafvoer of over de dakrand. Het dak stort dus niet in.

Het klimaat verandert en wordt steeds natter. Zware regenbuien komen steeds vaker voor. 'Dijken verhogen heeft niet altijd zin. Geef water de ruimte,' zegt Peter Timofeeff in zijn TV-spotje. In dat licht is te verwachten, dat ook steeds meer daken risico lopen en zullen instorten door wateraccumulatie. Daken die op dat punt al niet voldeden, en waarbij dus de kans op instorten toeneemt als gevolg van meer overbelasting van de riolering.

De waarheid

De kern van het probleem ligt niet zozeer in te weinig afschot, te zware airco-installaties op het dak, te weinig noodafvoeren of het onderschatten van de wind. Wel zijn dit factoren die het risico op bezwijken bepalen. De dakdekker treft al helemaal geen blaam.

De kern van het probleem ligt in het feit dat de belasting ten gevolge van wateraccumulatie vaak wordt vergeten of te simplistisch wordt benaderd. Uit de door ons geanalyseerde gevallen blijkt, dat veel daken scherp zijn ontworpen, waarbij vaak de sneeuwbelasting bepalend is. Op dat gebied wordt gemiddeld goed aan de norm voldaan. Dit geeft ook aan, dat de constructies wel degelijk worden doorgerekend. En juist bij uitgeklede ontwerpen, is wateraccumulatie bepalend. We hebben daarom het sterke vermoeden, dat veel platte daken in Nederland risico lopen.

Het niet-lineaire gedrag van het wateraccumulatie-proces maakt het probleem nogal onvoorspelbaar. Pak maar eens een dienblad half gevuld met water. Probeer dan de kamer ermee door te lopen zonder morsen. Zelfs met een conservatieve benadering is niet te concluderen of een dak veilig is of niet. Een accurate beschrijving van alle aspecten en effecten is dus vereist.

Schouten Engineering Consultancy heeft in-house software ontwikkeld, die alle benodigde effecten vastlegt in een berekeningsmethode. Op basis van de getalswaarden uit de resultaten zijn duidelijke conclusies te trekken: welk dak loopt risico te bezwijken en welk dak is voldoende veilig? De norm (NEN 6702) bepaalt de veiligheidseisen en daarmee de eisen aan de berekeningsmethode.

Hoe werkt het programma?

Het genoemde programma simuleert in feite wat er in werkelijkheid ook gebeurt. Het gedrag van de constructie wordt beschreven met een model volgens de eindige-elementen-methode. In drie dimensies (3D) worden alle constructiedelen gemodelleerd: gordingen, spanten, kolommen (Fig. 1) en dakplaten (Fig. 2). Stijfheid en eigengewicht worden beschreven. Zelfs de richtingsafhankelijke eigenschappen van dakplaten worden gesimuleerd met speciale anisotrope elementen. Afschot en zeeg zijn in het model als zodanig aanwezig en worden dus meegenomen in de berekening. Het programma is geschikt voor zowel het analyseren van bestaande als nieuw te ontwerpen daken.
De norm schrijft voor, dat het wateraccumulatie-probleem iteratief moet worden geanalyseerd volgens de wetten der mechanica. Rekenkundig betekent dit, dat de berekeningsmethode geometrische niet-lineariteit beschrijft; tweede en n-de orde effecten van de vervormingen worden dus gesimuleerd. Daarnaast wordt de waterbelasting iteratief ontwikkeld. De oplossing wordt gevonden met behulp van het Newton-Raphson proces.

Een correcte beschrijving van de eerste stap in het iteratieproces is belangrijk voor de conclusie. Als bijvoorbeeld het eigengewicht niet op juiste wijze wordt meegenomen, kan dit leiden tot de conclusie dat het dak niet zal instorten. Terwijl een correcte beschrijving van het eigengewicht voor dezelfde constructie tot de conclusie kan leiden, dat het dak wél zal instorten onder wateraccumulatie. In het programma wordt dit op juiste wijze ondervangen (Fig. 3 en 4).

Na het berekenen van de statische stap wordt de eerste waterbelasting aangebracht, zoals in NEN 6702 is gedefinieerd. Uitgangspunt is, dat waterafvoer via de reguliere afvoeren niet mogelijk is. Vervolgens moet de doorbuiging als gevolg van wateraccumulatie iteratief worden bepaald. Het met de hand berekenen van de vele iteratiestappen is zeer complex en tijdrovend. De kans op fouten is groot, met alle gevolgen van dien. Gedurende het proces kan bolling van een zeker dakvlak ontstaan (Fig. 5). Water stroomt dan naar ernaast liggende delen, waardoor de delen met bolling droog komen te staan (Fig. 6). Dit verschijnsel treedt in werkelijkheid ook op. Het programma geeft aan, wanneer er voldoende iteraties zijn uitgevoerd.
Alle kenmerken van een correcte berekening, zoals voorgeschreven door de wetten der mechanica en vastgelegd in de NEN, zijn in simulatiesoftware verwerkt. De correcte spanningen worden berekend (Fig. 7). Het programma biedt zoveel waarborg dat het opsturen van bouwtekeningen en de windrichting volstaat. Een oordeel over de mogelijkheden van bezwijken wordt, zelfs op basis van deze summiere informatie, verstrekt. (Fig. 8).

Ontwikkelingen

Naar aanleiding van het symnposium van 8 april is een 2D-versie van het programma ontwikkeld. Dit programma werkt ook volgens het niet-lineaire principe, maar vereenvoudigt een aantal, met name geometrische, aspecten. Deze 'light'-versie is inmiddels door een aantal dakingenieurs van DGI / T-Joint tijdens dakinspecties op locatie getest. Het programma blijkt voldoende nauwkeurig om een eerste check te doen. Het resultaat geeft aan, of het betreffende dak risico loopt om te bezwijken ten gevolge van wateraccumulatie. De resultaten van deze controle bepalen of een vervolgonderzoek met het 3D programma gewenst of noodzakelijk is.

Voor toepassing in het ontwerpproces wordt overwogen een 2D-programma op de markt te brengen. Hiermee is het in de meeste gevallen mogelijk om veilige platte daken te ontwerpen die voldoen aan de eisen van NEN 6702. Een definitieve check met het volledig driedimensionale wateraccumulatie programma is overigens altijd aan te bevelen.