Beproevingsmethode voor het bepalen van de wrij vingscoëffi cient van zonne- energiesystemen

Transcriptie

1 TNO Bouw TNO-rapport 2002-BS-R0195 Beproevingsmethode voor het bepalen van de wrij vingscoëffi cient van zonne- energiesystemen op platte daken Bouwsystemen Schoemakerstraat 97 Postbus AA Delft T F Datum Auteur(s) 3 december2oo2 Dr.ir. C.P.W. Geurts Ir. P.W. Bouma Ir. W.A. Borsboom Exemplaarnummer Oplage Aantal pagina's 13 Aantal bijlagen 2 Opdrachtgever Novem B.V. Postbus RE Utrecht Projectnaam Projectnummer Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigwldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, foto-kopie, microfilm ofop welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Hetter ínzage geven van het TNO-rapport aan direct belang-hebbenden is 2002 TNO

2 TNO-rapport 2002-BS-R0195 2t9 Inhoudsopgave I Inleiding Beschrijving van de gebruikte constructie Beproeving van de wrijvingscoëfficiënt op verschillende typen dakbedekking Inleiding Beschrijving proefopstelling en beproeving Beschrij ving resultaten Rekenwaa den voor de wrijvingscoëfficiënt Bespreking 4 Conclusies en aanbevelingen Bijlage(n) A Foto's B Rekenregels voor verschuiven van los geplaatste zonne-energiesystemen op platte daken

3 TNO-rapport 2002-BS-R0 I 95 3t9 Inleiding Als onderdeel van het project van Novem met nummer: is een uniforme bepalingsmethodiek voor de wrijvingscoëfficiënt van los geplaatste zonne-energiesystemen op platte daken bepaald. Dit is gedaan met behulp van oriënterende beproevingen op vier verschillende ondergronden in het laboratorium van TNO Bouw. De berekening van de windweerstand richt zich op het bepalen van de benodigde hoeveelheid ballast in het systeem. Hiervoor zijn drie gevallen van belang: kantelen van de constructie, het optillen van de constructie en verschuiven van de constructie, Voor alle drie genoemde gevallen geldt dat de windweerstand van de constructie groter moet zijn dan de windbelasting. Voor kantelen is de windweerstand gelijk aan het moment, geleverd door de massa's van paneel, systeem en ballast' Voor optillen is de weerstand gelijk aan de massa van het systeem. Voor verschuiven is de windweerstand gelijk aan de wrijving die geleverd wordt tussen systeem en dakbedekking. Om verschuiven tegen te gaan moet de wrijving tussen het systeem en de ondergrond voldoende zijn om de horizontale component van de windbelasting te kunnen weerstaan. Er moet gelden: Fwrijving) Fw nd De wrijving hangt af van de contactdruk die wordt uitgeoefend. Hoe hoger de contactdruk, des te groter Fwr jvins.de contactdruk wordt bepaald door het eigen gewicht en de verticale component van de windbelasting. Omdat een naar beneden gerichte windbelasting zal leiden tot een verhoging van deze contactdruk (wat in principe gunstig werkt), wordt hier alleen de opwaarts gerichte windbelasting beschouwd. Fwr jvinsis rechtevenredig aan de wrijvingscoëffrciënt. Deze hangt af van de contactdruk en van de materialen waartussen de wrijving overgebracht moet worden. De waarde voor de wrijvingscoëfficiënt voor (bijvoorbeeld) bitumineuze dakbedekkingen en daarop geplaatste constructies is niet bekend, en kan ook afhangen van de aanwezigheid van water dat als smeermiddel fungeert. Er is dus behoefte aan een uniforme bepalingsmethodiek waarbij ook de invloed van de aanwezigheid van \ryater op het platte dak is vastgelegd.

4 TNO-rapport 2002-BS-R t9 2 Beschrijving van de gebruikte constructie De oriënterende beproeving is uitgevoerd op een systeem dat bestaat uit een gevouwen verzinkte stalen plaat, die zodanig van voftn en afmetingen is, dat er zonnepanelen op kunnen worden gemonteerd. Tijdens de beproevingen waren er echter geen zonnepanelen op het systeem geplaatst. De afmetingen van de plaat zijn 1 x 2 meter met een dikte van 1,6 mm, waarbij de plaat in lengterichting op vier plaatsen is gevouwen. Dit systeem wordt los geplaatst op platte daken. Ten behoeve van de beproeving is deze los op zes universele rubber-granula t tegeldragers geplaatst. In het systeem worden betonnen tegels geplaatst welke als ballast dienen. De massa van het systeem is in het laboratorium van TNO Bouw bepaald en bedraagt 25,5 kg, de massa van één tegel is 16,5 kg. In bijlage A zijn enkele afbeeldingen gegeven van de gebruikte constructie.

5 TNO-rapport 2002-BS-R0 I Beproeving van de wrijvingscoëfficiënt op verschillende typen dakbedekking 3.1 Inleiding Voor het bepalen van de wrijvingscoefficiënt is een laboratoriumproef uitgevoerd' In dit hoofdstuk worden de proef en de resultaten van de proef beschreven. Vervolgens is met behulp van de resultaten de rekenwaarde voor de wrij vingscoëfficiënt bepaald. De wrijvingscoëfficiënt f is gedefinieerd als de verhouding tussen de horizontale kacht, nodig om het systeem te laten verschuiven, en de verticale kracht, volgend uit het eigen gewicht van het systeem: Fro* Froo Fn"^ Mg Hierin is M de totale massa in kg; g is de nnaartev achtsversnelling, gelijk aan 9,81 m/s2' 3.2 Beschrijving proefopstelling en beproeving Voor de proef is een gevouwen stalen plaat gebruikt, zoals in hoofdstuk 2 omschreven (bijlage A, foto 1). Op de constructie is geen zonnepaneel gemonteerd. De proef is uitgevoerd met 3 en 6 tegels in deze opstelling. De massa van de beproefde constructie met drie tegels is 75 kg. Dit levert een verticale kracht Fv6pvaÍ 736 N. De totale massa van het beproefde systeem met zes tegels is 124,5 kg. Dit levert een verticale kracht FvBpvaî 1221 N. Het systeem is op een testdak geplaatst van ongeveer l,2bij 2,4 meter (zie tekening l). stend erd undgdaym n pl 1200'2.to0mm t:-=t ' -tdappôn in dskb dekk ng I V I dakb d kking mæt aan do undsrlaymmtwtrden bevest gd Tekening l: Testopstelling, waarvan er vier gemaakt zijn. Ieder met een andere dakbedekking' (SBS' APP' EPDM ofpvc)

6 TNO-rapport 2002-BS-R0 I 95 6t9 Aan de voorkant van het frame is een hulpconstructie gemonteerd, waarmee een horizontale kracht kan worden uitgeoefend op de constructie. Om deze kracht te registreren is een drukdoos aangebracht. Op de constructie zijn verplaatsingsopnemers aangebracht. De kracht waarrnee aan de voorkant wordt getrokken is gelijkmatig opgevoerd, tot de constructie zichtbaøu. begint te verschuiven. Deze kracht is geregisheerd als de benvijkkracht voor het mechanisme verschuiven. Voor een zelfde situatie is dit in vijfuoud uitgevoerd. Er zijn 16 verschillende situaties beproefd. De beproeving is uitgevoerd zowel met drie als met zes tegels in de constructie. De tweede rij tegels is daarbij boven op de eerste rij gelegd. Deze combinatie is zowel op een droog als een nat testdak beproefd. Voor zowel de natte en droge beproeving is een aparte set van 6 rubberen tegeldragers gebruikt. Deze rubberen tegeldragers zijn niet mechanisch bevestigd aan de stalen constructie. De beproeving is op 4 verschillende soorten dakbedekking uitgevoerd: PVC, EPDM, verouderd APP en SBS met leislag. Met deze dakbedekkingen wordt gestreefd een goede doorsnede van op het Nederlandse dak gebruikelijke platdakbedekkingen te verkrijgen. De dakbedekkingen zijn gekozen in nauw overleg met diverse platdak deskundigen zowel intern als extern de TNO Bouw organisatie. Bij alle proefclaken is de dakbedekking op een hard, niet indrukbaar, onderdak bevestigd. Dit geeft een veilige benadering voor situaties waarbij een zacht onderdak wordt toegepast. In totaal zijn dus 4 x2 x2: 16 beproevingen, elk met 5 keer belasten uitgevoerd. 3.3 Beschrijving resultaten In tabel I tot en met 4 staan voor de vier verschillende soorten dakbedekking de krachten vermeld waarbij de console verschuift in de droge en natte situatie, zowel met drie als zes tegels. Tabel 1. Kracht lnl waarbü de constructie verschuift DROOG DAKBEDEKKING: SBS NAT 3 tegels 6 tegels 3 tegels 6 tegels

7 TNO-rapport I 2002-BS-R0I 95 7 t9 Tabel2. Kracht bll waarbii de constructie verschuift. DROOG DAKBEDEKKING: APP 3 tegels 6 tegels øO NAT 3 tegels 6 tegels Tabel 3. K acht [Nl waarbii de constructie verschuift DAKBEDEKKING: EPDM DROOG NAT 3 tegels S0 6 tegels tegels 6 tegels Tabel4. Kracht fnl wa rbii de constructie verschuift DROOG 3 tegels DAKBEDEKKING: PVG 6 tegels NAT 3 tegels 6 tegels Aflrankelijk van de weerstand van de dakbedekking schoof het systeem af op het vlak 'dakbedekking-tegeldrager' of het vlak 'tegeldrager-systeem'. BÜ de dakbedekking van SBS schoof het systeem bijvoorbeeld af over het vlak 'tegeldrager-systeem'. Bij de dakbedekking van EPDM schoof het systeem bijvoorbeeld af over het vlak' dakbedekking-tegeldrager'. Uit de tabellen blijkt dat bij een natte dakbedekking de kracht, waarbij de constructie verschuift, lager is dan bij de droge dakbedekking. Een natte dakbedekking is in alle vier de gevallen dus maatgevend voor de weerstand tegen verschuiven. Met behulp van deze resultaten zijn in de volgende paragraaf de rekenwaarden voor de wrijvingscoëfficiënten van de dakbedekkingen bepaald. 3.4 Rekenwaarden voor de wrijvingscoëfïiciënt Uit de proefresultaten blijkt dat de situatie met het natte dak maatgevend is voor de weerstand van de constructie. Voorgesteld wordt om in toekomstige beproevingen in ieder geval deze natte situatie voor te schrijven. In onderstaande berekeningen wordt daarom alleen gebruik gemaakt van deze waarden.

8 TNO-rapport 2002-BS-RO1 95 8t9 De verwerking gebeurt als volgt: Per serie van 5 proeven wordt de gevonden kracht gedeeld door de verticale kracht volgend uit het eigen gewicht zoals in paragraaf 3.1 beschreven. Dit levert per onderdak l0 waarden voor de gemeten wrijvingscoëfficiënt (alleen de 'natte' proeven tellen mee). Van deze waarden wordt het gemiddelde en de standaardafivijking bepaald. De karakteristieke waarde voor de wrijvingscoëfficiënt wordt per onderdak bepaald uit deze resultaten met de formule: ç* : fg"'n - k" sr Met: ft- is de karakteristieke waarde fr"' is het gemiddelde s is de standaardafuijking kn is een factor, afhankelijk van het aantal proeven, n = 10 in dit geval. Conform NEN 6700 en de Eurocode wordt voor k s de waarde 1,92 toegepast. Voor het vaststellen van de rekenwaarde is het voldoende de belastingfactor voor eigen gewicht uit NEN 6702, y : 0,9 toe te passen. Dit dekt de onzekerheden in de bepaling van de wrijvingscoëfficitint afdoende af. In de hier uitgevoerde oriënterende beproeving volgen onderstaande waarden per dakbedekking. Tabel 6. Rekenwaarde voor de wrijvingscoëfficiänt bij toepassing van de hier beproefde constructie op vier verschillende dakbedekkingen. Dakbedekkino PVG EPDM SBS fe", sr fu', Bespreking De wrijvingsweerstand van de zonne-energiesystemen hangt af van de combinatie van materialen die over elkaar heen schuiven. In de praktijk is de verscheidenheid in gebruikte materialen voor zowel de zonne-energiesystemen, eventuele dragers als voor platte daken groot. De resultaten van deze beproeving zijn hierdoor niet op voorhand geschikt voor alle zonne-energiesystemen. De waarden in tabel 6 gelden alleen voor dit specifieke systeem.

9 TNO-rapport I 2002-BS-R0I 95 9t9 4 Conclusies en aanbevelingen Op basis van de uitgevoerde berekeningen en oriënterende beproevingen kan de volgende conclusie worden getrokken met betrekking tot de wrijvingscoëfficiënt en de uniforme bepalingsmethodiek voor losgeplaatste zonne-energiesystemen op platte daken: De wrijvingsweerstand van de zonne-energiesystemen hangt af van de combinatie van materialen die over elkaar heen schuiven. In de praktijk is de verscheidenheid in gebruikte materialen voor zowel de zonne-energiesystemen, eventuele dragers als voor platte daken groot. Het is derhalve niet mogelijk een eenduidige waarde voor alle verschillende combinaties vast te stellen. De resultaten van deze beproeving zijn dus niet op voorhand geschikt voor alle toepassingen. Aanbevolen wordt dat iedere combinatie van materialen afzonderlijk wordt beoordeeld op de weerstand tegen verschuiven. De uniforme bepalingsmethodiek is hiervoor zeer geschikt. TNO Bouw Afdeling Bouwsystemen Ir. P.W. Bouma

10 TNO-rapport I 2002-BS-R01 95 Bijlage 4.1/3 A Foto's A.l: Proeþpstelling in laboratorium van TNO Bouw A.2: Plaats van de verplaatsingsmeters in de opstelling

11 TNO-rapport 2002-BS-R0 I 95 Bijlage 4.2/3 A.3: Proefmetnat PVC dakbedekking A.4: Proef met nat APP dakbedel;king

12 TNO-rapport 2002-BS-R0 I 95 Bijlage 4.3/3 A.5: Proefmet EPDM dakbedekking A.6: Proef net SBS dakbedel*ing

13 TNO-rapport 2002-BS-R0 I 95 Bijlage B.l/1 B Rekenregels voor verschuiven van los geplaatste zonne-energiesystemen op platte daken Om verschuiven tegen te gaan moet de wrijving tussen het systeem en de ondergrond voldoende zijn om de horizontale component van de windbelasting te kunnen weersta n. Er moet gelden: Fwrijving) Fw nd De wrijving hangt af van de contactdruk die wordt uitgeoefend. Hoe hoger de contactdruk, des te gtoter Fwr jvins. De contactdruk wordt bepaald door het eigen gewicht en de verticale component van de windbelasting. Omdat een naar beneden gerichte windbelasting zal leiden tot een verhoging van deze contactdruk (wat in principe gunstig werkt), wordt hier alleen de opwaarts gerichte windbelasting beschouwd. Fwrùv nsvolgt uit: F wr jv ns : T Furrt x f, w aarin: y : de belastingfactor conform NEN 6702; deze is voor veiligheidsklasse 2 gelijk aan 0,9 voor gunstig werkende belasting, en is gelijk aan 1,2 voor belasting door wind; Fv"rt : de rekenwaarde voor de verticale belasting, volgend uit eigen gewicht, ballast en wind, ofuel: Fu"rt : G ro^" + Gpnn"et * Gbarrast - Frro cos(a), waarin ø de hellingshoek van het zonnepaneel is en F,"o wordt bepaald, zoals omschreven bij bezwijkmechanisme L f : de wrijvingscoè:fficiënt. Deze hangt af van de contactdruk en van de materialen waartussen de wrijving overgebracht moet worden. De waarde voor de wrijvingscoëfficiënt voor (bijvoorbeeld) bitumineuze dakbedekkingen en daarop geplaatste constructies is niet bekend. Ook kan de aanwezigheid van water van invloed zijn op de contactdruk. F, n volgf. uit de horizontale component van de windbelasting vermenigvuldigd met de belastingfactor: Fvind: y Frro sin(o) Op basis van deze gegevens kan met de volgende formule het minimale ballastgewicht worden berekend. ^ uhailast ' - T w nd (sin(ø) + / cos(ø)) F,"p - /,"nno, f (G,o,, + G po,,,t), r^,*