56 Drukvereffening beter begrepen (2) 1 Resultaten volleschaalmeting woontoren New Orleans in Rotterdam drukvereening beter begrepen (2) 8 2013 57 spouw extern meetkastje anemometer HaskoningDHV, Blitta, Centrum Natuursteen, Kenniscentrum Gevelbouw en Vesteda. Het onderzoek kent een aantal stappen. Als eerste is op basis van windtunnelmetingen aan een simpele geometrie (een kubus) en numerieke berekeningen een (semi- empirisch) model afgeleid waarmee de drukken in een luchtspouw kunnen worden bepaald. De metingen zijn gebruikt om dit model te valideren, en de gevoeligheid voor ontwerpparameters te bepalen als spouwdiepte en grootte van de openingen. Daarnaast zijn metingen uitgevoerd op volle schaal aan een gevelsysteem, waarmee de resultaten van het rekenmodel zullen worden vergeleken. Dit artikel gaat in op de resultaten van de volleschaalmeting. Volleschaalmeting Het gebouw New Orleans is vanwege de toegepaste gevelbekle- ding, de vorm, hoogte en ligging zeer geschikt om drukmetin- gen op volle schaal uit te voeren (foto 1). Het 158 m hoge gebouw is gelegen op de landtong van de Kop van Zuid in Rotterdam. De gevel is uitgevoerd met natuurstenen platen met een voegopening van 8 mm en een spouwdiepte van 20 mm. Op de 35e verdieping, op ongeveer 120 m hoogte, zijn druksen- soren aangebracht, verspreid over de omtrek van het gebouw, De mate van drukvereffening hangt af van vele parameters, onder andere diepte van de spouw, grootte van de voegen en compartimentering van de spouw. De huidige norm voor windbelastingen NEN-EN 1991-1-4 geeft geen precieze ontwerpgetallen, en houdt geen rekening met deze parameters [1]. Er zijn uitsluitend vuistregels opgenomen, zonder norma- tief karakter. In de Nederlandse Nationale Bijlage is de drukver- effeningscoëfficiënt gedefinieerd, waarmee het drukverschil over een permeabele gevelbekleding of dakbedekking kan worden bepaald. Toepassing van deze factor kan leiden tot lagere belastingen waarmee minder materiaal nodig is voor verankeringen. Voor dakbedekkingen zijn waarden gegeven, maar voor gevelsystemen ontbreken deze vooralsnog. Binnen de gevelsector is er behoefte aan praktische rekenmodellen om de nettowindbelasting op het buitenblad te kunnen voorspel- len. Om dergelijke modellen te kunnen opstellen, is een beter begrip van drukvereffening noodzakelijk. Onderzoek TNO is een onderzoek gestart om deze rekenmodellen voor de windbelasting op drukvereffenende gevels op te stellen. Dit onderzoek wordt uitgevoerd in samenwerking met Royal De windbelasting op gevelsystemen wordt mede bepaald door de detaillering van het gevelsysteem. Wanneer de gevel bestaat uit een meerlaagse constructie met een luchtdicht binnenblad, een spouw en open voegen in de buitenste laag, kan drukvereffening optreden. De mate van drukveref- fening heeft consequenties voor de belasting op het buitenblad. In een vier jaar durend onderzoek, onder meer uitgevoerd bij de woontoren New Orleans in Rotterdam, wordt nieuwe kennis opgedaan op dit gebied. De onderzoeksopzet is belicht in het eerste artikel in deze reeks. In dit tweede artikel wordt inge - gaan op de resultaten van een volleschaalmeting. ir. c arine van Bentum, dr. i vo k alkman TNO prof.dr.ir. chris g eurts TNO / TU Eindhoven, fac. Bouwkunde 1 New Orleans op de Kop van Zuidfoto 1 en 6: Tom Kroeze2 Plattegrond van de 35e verdieping met meetpunten Artikel over onderzoeksopzet In het artikel 'Drukvereffening beter begrepen (1)' uit Cement 2013/5 is ingegaan op het doel en opzet van de volleschaalmeting aan de New Orleans-toren in Rotterdam. Dit artikel is te raadplegen op www.cementonline.nl. 2 drukvereening beter begrepen (2) 8 2013 58 noordwest windrichting 240° zuidoost extern spouw extern-spouw tijd [s] positie 0 AB CD 10 2030 40 506070 80 200 100 0 -100 -200 -300 -400 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 zuidwest noordoost B A C D druk [Pa] Ceq 3 Definitie van geveldelen, meetpunten en geanalyseerde windrichting 4 Tijdseries van de gemeten drukken voor zijde B-C 5 Meetresultaten voor drukvereffeningscoëfficiënten 6 Top van de 158 m hoge New Orleans toren Drukvereffeningscoëfficiënten Het is van belang te weten wat de maximale drukverschillen zijn die optreden tijdens de levensduur van de gevel, omdat die uiteindelijk bepalend zijn voor het constructieve ontwerp. Dit maximale drukverschil zal niet voorkomen tijdens een wille- keurige meting. Deze wordt bepaald door de extreme stuw- druk, gegeven in de norm, en drukcoëfficiënten. In het alge- meen kan worden aangenomen dat deze drukcoëfficiënten niet afhankelijk zijn van de windsnelheid, en dat de coëfficiënten die bij minder extreme wind worden bepaald ook zijn toe te passen bij de ontwerpwindsnelheden. Het voordeel van deze aanpak is ook dat voor één windrichting de metingen van verschillende snelheden kunnen worden samengevoegd. Dit levert per windrichting meer data op. Aan de hand van een extremewaardenanalyse kunnen dan de maximale en minimale drukcoëfficiënt worden bepaald die tijdens de levensduur van de gevel kunnen optreden, de zogenaamde piekwaarden. Door deze piekwaarden van de drukcoëfficiënten te combineren met de stuwdruk, worden de in rekening te brengen belastingen gevonden. Form ules 1 , 2 en 3: Fomul e 4: Cp,e(x, t) = p wind (x, t) v2 1 2 Ceq = C p Cp,e Cp,s(x, t) = p wind (x, t) v 2 1 2 Cp(x, t) = C p,e(x, t) - C p,s(x, t) F orm ules 1 , 2 en 3: Fomul e 4: Cp,e(x, t) = p wind (x, t) v 2 1 2 Ceq = C p Cp,e Cp,s(x, t) = p wind (x, t) v2 1 2 Cp(x, t) = C p,e(x, t) - C p,s(x, t) F orm ules 1 , 2 en 3: Fomul e 4: Cp,e(x, t) = p wind (x, t) v 2 1 2 Ceq = C p Cp,e Cp,s(x, t) = p wind (x, t) v 2 1 2 Cp(x, t) = C p,e(x, t) - C p,s(x, t ) Waarin: C p,e(x,t) is de gemeten externe drukcoëfficiënt als functie van de plaats x en de tijd t C p,s(x,t) is de gemeten drukcoëfficiënt in de spouw als functie van de plaats x en de tijd t ?C p(x,t) is de gemeten verschildrukcoëfficiënt van het buiten blad als functie van de plaats x en de tijd t zowel in de spouw als aan de buitenzijde van de gevelbeplating (fig. 2). Een windmeter op het dak van het gebouw registreert de referentiewindsnelheid en -windrichting. Winddrukken De volleschaalmeting heeft als doel inzicht te verkrijgen in de drukverschillen die in de praktijk optreden over het buitenblad. Om te illustreren wat er gebeurt, wordt een gemeten tijdserie van de drukken getoond. Deze tijdserie is gemeten tijdens de recente storm op 28 oktober 2013 en deze reeks is gemeten bij een windrichting van 240° (zuidwestenwind). Dit is een aanstroming net niet loodrecht op een van de gevels (15° gedraaid). Bij deze aanstroomrichting wordt de hoogste zuiging op de zijgevel gevonden. In figuur 3 zijn de hier beschouwde geveldelen en windrichting weergegeven. In figuur 4 staan de winddrukken voor zijde B-C. Zijde B-C ligt aan de zijkant van het gebouw. Doordat de stroming loslaat op hoek B, ontstaan hoge onderdrukken op zijde B-C. De spouwstroming volgt de externe stroming in grote lijnen goed, waardoor het drukver - schil over de gevel rondom de waarde nul fluctueert. 3 4 5 drukvereening beter begrepen (2) 8 2013 59 andere op onderdruk wordt belast (zijden A en B). Aangezien alle coëfficiënten kleiner zijn dan 1 betekent dit dat bij deze windrichting de belasting op het buitenblad kleiner is dan de externe druk. Conclusies De volleschaalmetingen geven inzicht in het effect van drukveref- fening dat optreedt bij deze gevel. Voor de beschouwde windrich- ting worden drukvereffeningscoëfficiënten gevonden die variëren tussen 0,1 en 0,7. Op basis van deze ene windrichting kunnen geen generieke uitspraken worden gedaan. Om tot ontwerpregels te komen, zullen meerdere windrichtingen moeten worden beschouwd. Bovendien betreft het een specifieke vorm in een specifieke situatie, waardoor deze meting vooral geschikt is om te vergelijken met modelonderzoek. De volleschaalmeting zal worden gebruikt om dit model verder te ontwikkelen. Met het model voor drukvereffening dat nu in ontwikkeling is, zal de drukvereffening bij andere gebouwvormen en andere gevelsystemen worden onderzocht [3]. In een volgend artikel wordt nader ingegaan op dit model. ? ? literatuur 1 Europese Commissie voor Normalisatie, Eurocode 1: Actions on struc- tures ? Part 1-4: General actions ? Wind actions. EN 1991-1-4. NEN, 2005. 2 Graaf, S., de, Geurts, C., Kalkman, I., Bentum, C., van, Drukvereffening beter begrepen (1). Cement 5/2013. 3 Geurts, C., Kalkman, I., Bentum, C., van, Towards a better understan- ding of pressure equalization, Proceedings of the Seventh Internatio - nal Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications (BBAA7). Shanghai, China, 2-6 September 2012. pwind (x,t) is de door wind veroorzaakte druk. Deze is gelijk aan een totale druk p tot(x,t) minus een referentiedruk p ref(t). De drukmetingen worden uitgevoerd met verschil drukopnemers die direct dit verschil meten ? is de soortelijke massa van lucht v is een referentiewindsnelheid gemeten op de wind mast De drukvereffeningscoëfficiënt is gedefinieerd als de verhou - ding tussen de piek-verschildruk en de piek-externe druk: F orm ules 1 , 2 en 3: Fomul e 4: Cp,e(x, t) = p wind (x, t) v 2 1 2 Ceq = C p Cp,e Cp,s(x, t) = p wind (x, t) v 2 1 2 Cp(x, t) = C p,e(x, t) - C p,s(x, t) Waarin: C eq is de drukvereffeningscoëfficiënt ?? p is de piekwaarde van de verschildrukcoëfficiënt over het buitenblad ? p,e is de piekwaarde van de externe drukcoëfficiënt In figuur 5 zijn de drukvereffeningscoëfficiënten te zien voor drie van de vier gevels (windzijde, zijkant, lijzijde) voor de windrichting van 240°. Naast zijde B-C zijn nu ook zijden A-B en C-D te zien. Zijde A-B van het gebouw ligt aan de windzijde van het gebouw en daar zijn dus overdrukken te vinden. Zijde C-D bevindt zich in het zog van de stroming en heeft dus onderdruk. Uit figuur 5 valt op te maken dat de drukvereffeningscoëffici- e nt aan de windzijde (overdrukzijde) wat lager is dan die aan de zijkant en aan de lijzijde (beide onderdrukzijden) van het gebouw. Dit betekent dat de vereffening aan de zijde waar over - druk heerst effectiever is dan aan de zijden met onderdruk. Verder valt op dat minder drukvereffening plaatsvindt in de buurt van gebouwhoeken waar een zijde op overdruk en de 6 drukvereening beter begrepen (2) 8 2013