Aluminium Vliesgevels

A.J. Schornagel

Vliesgevels worden typisch ontworpen met geëxtrudeerde aluminium delen, hoewel de eerste vliesgevels van staal waren gemaakt. Het aluminium frame wordt doorgaans gevuld met glas, dat een architectonisch goed ogend bouwwerk oplevert en profijt trekt van heersend daglicht. Andere vullingen van het frame zijn onder andere steen, metaalplaten, louvres en bedienbare vensters of roosters. Vliesgevels verschillen van puien omdat ze zijn ontworpen om een aantal verdiepingen te omspannen en ze houden rekening met vereisten zoals thermische uitzetting en inkrimping, bewegingen van het gebouw, waterafleiding en thermische efficiëntie voor economisch verwarmen, koelen en verlichten van het gebouw.

Geschiedenis
 

Tot aan het midden van de negentiende eeuw werden gebouwen opgetrokken met buitenmuren die de last van het gehele bouwwerk torsten. De ontwikkeling en het uitgebreid gebruik van constructiestaal en later gewapend beton stond het ge­bruik van betrekkelijk slanke kolommen toe voor het dragen van de totale belasting, en waren de bui­tenmuren niet langer nodig voor dit doel. De buitenmuren hoefden niet langer dragend te zijn en konden lichter en opener worden geconstrueerd dan de gemetselde muren uit vroeger tijden. Dit maakte dat er meer gebruik kon worden gemaakt van glas als buitengevel, en de moderne gevel zag het licht. De eerste gevels waren gemaakt van stalen hoofdstijlen en het glas werd hieraan bevestigd met aangepaste lijmen en kitten. Later in de jaren '70 werd er op grote schaal gebruik gemaakt van aluminiumextrusies voor de hoofdstijlen. Aluminium biedt als groot voordeel dat het zich makkelijk laat extruderen tot vrijwel elke gewenste vorm. De complexiteit en vormen die heden ten dage beschikbaar zijn, zijn nagenoeg grenzeloos. Speciale vormen kunnen met betrekkelijk gemak worden ontworpen en vervaardigd. De afdichtmethodes en typen hebben door de jaren heen gelijke tred weten te houden met de ontwikkelingen met als resultaat dat de huidige vliesgevelen zeer weinig onderhoud vergen.

Stoksystemen
 

Het overgrote merendeel van de vliesgevels wordt tussen de vloeren verticaal geïnstalleerd via lange 'stokken' en horizontaal via stokken tussen de verticale delen. Framedelen kunnen in een fabriek worden vervaardigd, maar alle installatiewerk en beglazing wordt op de bouwplaats uitgevoerd.

Pasklare systemen
 

Pasklare systemen bestaan uit panelen die in de fabriek zijn gemaakt en zijn voorzien van beglazing. Deze eenheden worden aan het gebouw bevestigd totdat ze het gebouw geheel omhullen. Dit systeem biedt als voordeel snelheid, lagere bouwkosten, kwaliteitscontrole in een binnenomgeving met een beheerst klimaat. De economische voordelen worden typisch behaald bij grote projecten.

Regenschermprincipe
 

Een algemeen kenmerk van de vliesgeveltechnologie is het regenschermprincipe, waarbij de luchtdruk tussen het inwendige en uitwendige van het regenscherm het binnendringen van water in het gebouw verhindert. Het glas is gevat in een in- en uitwendige pakking in een ruimte, de beglazingssponning. Deze sponning wordt naar buiten toe geventileerd, zodat de druk aan de binnenzijde en buitenzijde van de buitenpakking hetzelfde is. Als de druk ter weerszijden van deze pakking gelijk is, kan er geen water naar binnen worden getrokken via verbindingen of defecten in de pakking.

Ontwerp
 

Vliesgevels moeten in staat zijn om alle belastingen die er op worden uitgeoefend te weerstaan en ze moeten het ongewenst binnendringen van lucht en water tegengaan.

Belastingen
 

De belastingen die op de vliesgevel worden uitgeoefend worden doorgegeven aan het gebouw via ankers waarmee de stijlen aan het gebouw zijn verbonden. Het bouwwerk dient op deze belastingen berekend te zijn.

Eigen gewicht
Eigen gewicht is het gewicht van de diverse constructiedelen van een bouwsel. In het geval van vliesgevels bestaat deze belasting uit het totaal van de stijlen, ankers en andere constructiedelen van de bekleding, alsmede het gewicht van het vulmateriaal. Er dient in het ontwerp van vliesgevel en verankering rekening te worden gehouden met bijkomend dood gewicht, zoals zonweringen.

Windbelasting
Windbelasting is het resultaat van wind die tegen het gebouw blaast. Deze winddruk moet worden weerstaan door de vliesgevel omdat die het gebouw omhult en beschermt. Windbelasting kan van plaats tot plaats sterk verschillen, waarbij de hoogste belastingen vooral optreden in kustgebieden waar orkanen waaien. Plaatselijke bouwvoorschriften bieden hierbij een leidraad. Vaak wordt er een windtunnelstudie uitgevoerd in het geval van ongewoon gevormde bouwwerken. Er wordt dan een schaalmodel van het gebouw in een windtunnel geplaatst ter bepaling van de winddrukken die op het betreffende gebouw kunnen optreden. Bij dergelijke studies wordt rekening gehouden met wervelingen rondom hoeken en de invloed van omliggende bebouwing.

Seismische belastingen
Seismische belastingen dienen te worden afgeleid via verankeringen. Meestal is de vliesgevel van zichzelf in staat om zwaaien als gevolg van seismische belastingen en winddruk te weerstaan vanwege de ruimte tussen de beglazing en de stijlen. Tijdens proeven bleken bepaalde vliesgevelsystemen in staat om een relatieve vloerbeweging van 75 mm te doorstaan zonder dat er glasbreuk of waterlekkage optrad. Verankeringen dienen te worden onderzocht omdat een grote vloer-tot-vloer verplaatsing grote krachten op verankering kan uitoefenen.

Sneeuwbelasting
Sneeuwbelasting en belasting van personen zijn niet kenmerkend voor gevels, omdat ze verticaal of enigszins hellend worden opgesteld. Als de hellingshoek 20° of meer is dan dient er met dit soort belastingen rekening te worden gehouden.

Thermische belasting
Thermische belastingen worden opgewekt in een gevelsysteem omdat aluminium een betrekkelijk hoge thermische uitzettingscoëfficiënt bezit. Dit betekent dat over de afstand van enkele verdiepingen, de gevel over enige afstand zal uitzetten en inkrimpen, al naar gelang de lengte en het temperatuursverloop. Deze uitzetting en krimp wordt gecompenseerd door de horizontale stijlen wat in te korten en wat ruimte te nemen tussen de horizontale en verticale stijlen. Bij voorgefabriceerde geveleenheden wordt er een spleet gelaten tussen de afzonderlijke eenheden, die tegen binnendringen van water en lucht wordt afgedicht.

Explosieve belastingen
Toevallige explosies en terroristische bedreigingen vormen een steeds grotere zorg voor de breekbaarheid van een vliesgevel met betrekking tot explosieve belastingen. Aangezien de vliesgevel zich aan de buitenkant van het gebouw bevindt, vormt het de eerste verdediging tegen een bomaanval. Daarom moet een vliesgevel zodanig worden ontworpen dat hij dit soort krachten op een zodanige wijze weerstaat dat de gebruikers van het gebouw worden beschermd. Aangezien explosieve belastingen zeer kort duren dient de respons van een vliesgevel middels een dynamische belastingsproef te worden geanalyseerd, waarbij gebruik wordt gebruikt van een proefmodel op ware grootte. Explosiebestendig glas bestaat uit gelaagd glas, dat is bedoeld om te breken maar niet te worden losgeslagen van de stijlen. Een dergelijke technologie wordt ook gebruikt voor vliesgevels in door orkanen geteisterde gebieden voor de bescherming tegen inslag van door de wind meegevoerd puin.

Binnendringen van lucht en water
 

Binnendringen van lucht vindt plaats via de vliesgevel van buiten naar binnen. De lucht dringt door via afdichtingen, onvolkomenheden in verbindingen tussen horizontale en verticale stijlen, via muurroosters en via onvolkomen afdichtingen. Binnendringen van water is ongewenst, hoewel soms het gecontroleerd binnendringen van een kleine hoeveelheid water toelaatbaar wordt geacht. Om het vermogen van een vliesgevel om water tegen te houden te testen wordt er water tegen een proefmodel op ware grootte geblazen. Dit bootst een door de wind voortgezweepte zware regen na die tegen de wand slaat. Er worden ook proeven te velde gedaan op geïnstalleerde gevels waarbij gedurende een gespecificeerde tijdsduur water tegen de gevel wordt gespoten.
 

Doorbuiging
 

Een van de nadelen van het gebruik van aluminium voor stijlen wordt gevormd door de elasticiteitsmodulus die slechts een derde bedraagt van die van staal. Dit houdt in dat er driemaal meer doorbuiging optreedt in een aluminium stijl vergeleken met eenzelfde stalen sectie onder een gegeven belasting. Bouwvoorschriften stellen grenzen aan loodrechte (veroorzaakt door wind) en in het vlak (veroorzaakt door het eigen gewicht) optredende doorbuiging. Het is van belang om hier op te merken dat deze grenswaarden niet zijn vastgesteld wegens de sterktecapaciteit van de stijlen. Ze dienen juist om doorbuiging van het glas te beperken, dat kan breken onder al te hoge doorbuiging en om te voorkomen dat de glasplaten niet uit de stijlsleuven schieten. Begrenzing van de doorbuiging dient ook om bewegingen aan de binnenzijde van de vliesgevel onder controle te houden. Grenswaarden voor doorbuiging worden uitgedrukt als de afstand tussen ankerpunten gedeeld door een constant getal. Om doorbuiging van aluminium stijlen te beperken wordt er soms gebruik gemaakt van een stalen versterking in het extrusieprofiel.

Sterkte
 

De sterkte van een bepaald materiaal is niet gerelateerd aan de stijfheid van dat materiaal, maar het is een afzonderlijk criterium bij het ontwerpen van vliesgevels. Sterkte is vaak van invloed op de materiaalkeuze en de afmetingen van het systeem. Zo kan een bepaalde vorm, gemaakt van aluminium bijna driemaal sterker doorbuigen dan dezelfde vorm van staal bij een gelijke belasting, terwijl de sterkte van het aluminium in kwestie gelijk of zelfs hoger kan zijn dan die van het staal, afhankelijk van type en warmtebehandeling van het aluminium. Omdat aluminium meestal het gekozen materiaal is, wegens zijn lagere gewicht en betere weerstand tegen weersinvloeden in vergelijking met staal, is doorbuiging gewoonlijk het allesbepalende criterium bij het ontwerpen van vliesgevels.

Thermische criteria
 

Ten opzichte van andere constructieonderdelen is aluminium een zeer goede warmtegeleider. Dit leidt tot hoge warmteverliezen via de aluminium vliesgevelstijlen. Er bestaan een aantal manieren om voor dit warmteverlies te compenseren, waarvan de gangbaarste bestaat uit het aanbrengen van thermische onderbrekingen. Dit zijn barrières tussen het metaal aan de binnenzijde en het metaal aan de buitenzijde en ze zijn meestal vervaardigd van polyvinylchloride (PVC). Deze onderbrekingen geven een aanzienlijke verlaging van de warmtegeleidbaarheid van de vliesgevel. Omdat de thermische onderbrekingen ook de aluminium stijl onderbreken, is het totale traagheidsmoment van de stijl lager en hiervoor moet bij de structuuranalyse van het systeem worden gecompenseerd.
Thermische geleidbaarheid van de vliesgevel is belangrijk wegens de warmteverliezen door de wand, hetgeen van invloed is op de kosten die zijn gemoeid met het op de gewenste temperatuur houden van het gebouw (warm in de winter, koel in de zomer). Op een slecht werkende vliesgevel kan er condens ontstaan op de binnenzijde van de stijlen, hetgeen aanleiding kan zijn tot schade aan de aangrenzende inwendige trim en wanden.
 

Onderhoud en reparatie
 

Vliesgevel en afdichtingen vereisen onderhoud voor een maximale levensduur. Buitenafdichtingen, indien correct ontworpen en geïnstalleerd, gaan zo'n 10 tot 15 jaar mee. Aluminium frames zijn gewoonlijk geverfd of geanodiseerd. In de fabriek aangebrachte fluoropolymeer thermohardende deklagen bezitten goede weerstand tegen de schadelijke invloed van de buitenatmosfeer en vereisen alleen periodieke reiniging. Het aanbrengen van een aan de lucht uithardende fluoropolymeer deklaag is mogelijk maar vereist speciale voorbereiding van het oppervlak en is niet zo duurzaam als een originele thermisch uitgeharde deklaag. Geanodiseerde aluminium frames kunnen niet ter plaatse opnieuw worden geanodiseerd, maar ze kunnen wel worden gereinigd en beschermd met een geschikte heldere deklaag ter verbetering van het uiterlijk en de duurzaamheid.

Hergebruik
 

Hergebruik van gewalste producten afkomstig van gebouwen en constructies is lange tijd een onbekende grootheid geweest, vooral wegens het feit dat de meeste gebouwen een lange levensduur hebben (50 jaar of langer) en dat de beschikbare gegevens schaars zijn. In een poging om enige licht op deze zaken te werpen heeft de Europese Aluminium Associatie (EAA) de Technische Universiteit Delft opdracht gegeven om informatie te verzamelen over inhoud en inzamelingsgrootte in verscheidene Europese gebouwen [1]. Er zijn bij deze studie gebouwen in Frankrijk, Duitsland, Italië en Nederland nauwkeurig beschouwd en er zijn uitgebreide gegevens vergaard. Er werd gevonden dat de inzamelingsgrootte van aluminium op dit marktsegment varieerde tussen 92 en 98%, waaruit het enorme potentieel voor hergebruik naar voren kwam en de rol van aluminium bij het streven naar volledige duurzaamheid werd belicht. Met de opgelegde reductie van vuilstortplaatsen en de invoering van verhoogde stortingskosten, mag worden verwacht dat de hoeveelheden ingezameld bouwmateriaal zal toenemen. Een onderzoek van aluminiumproducenten in de Verenigde Staten, uitgevoerd eind 2003 [2], liet zien dat van de in de VS geproduceerde gewalste vlakke producten voor de bouw- en de constructiemarkt in totaal ongeveer 80 tot 85% werd hergebruikt.

Referenties
1. Collection of Aluminium from Buildings in Europe. Delft University of Technology, European Aluminium Association, Brussels, 2007; www.eaa.net
2. LEED Fact Sheet - Aluminium Sheet and Plate for the Building and Construction Market. The Aluminium Association, 2004.

Afbeelding op pagina 15: Alcoa Architectuursystemen loopt al jarenlang voorop in het ontwikkelen van brandwerende systemen. Ook het vliesgevelsys­teem AA 100 Q is geheel in lijn met de Europese EN-normen getest op vlamdichtheid (E), op isolatie (I) en op warmtestraling (W).