Designets betydning for betonoverfladers patinering Rapport med viden fra litteraturen understøttet af eksempler, der redegør for sammenhængen mellem bygningens facadedesign og betonoverfladens patinering Tommy Bæk Hansen, aalborg portland group, september 2007
Indledning Ældning og dermed ændring af en bygnings udseende er uundgåelig (1). Udsagnet underbygges af utallige eksempler fra ind- og udland. Formålet med rapporten er at samle erfaringer med hvordan eksisterende makrodesign løsninger har fungeret i praksis under forskellige påvirkninger. Herudfra kan ældning af nybygninger vurderes, ved at sammenholde valgt design, med vurderet påvirkning. Rapporten er udarbejdet på baggrund af indsamlet materiale fra litteraturen og studieturen afviklet under A1 - Visuel referenceramme, samt øvrigt tilgængeligt eksempelmateriale. Rapporten er opdelt i analyse af følgende typer af makrodesign: FACADE: DETALJE: OVERFLADE: DRIFT: Størrelseseffekt og bygningsform Udkragninger, skift i vinkel, vindues- og tagløsninger, mv. Furer, riller, ribber, overfladetekstur, mv. Reparationer, vedligehold, mv. Det tilstræbes i hvert tilfælde at vise både eksempler på effekten af ældningen på en eksisterende bygning og principskitser for design, vandflow mv. Disse vises i bilaget bagest i rapporten, fra side 10 til 24. Henvisninger til disse sider foretages som eksempelvis [Facade 1], der henviser til første eksempel på betydning af overordnet formgivning, se s. 10. Typisk vil to eller flere af disse forskellige designelementer påvirke hinanden på den samme bygning. Dette ses i flere eksempler, men beskrives kun i enkelte tilfælde nærmere. Det overlades generelt til læseren at vurdere om det er aktuelt i et givet tilfælde. Betydning af lokaltopografi (omgivende miljø, bygninger, bevoksning mv.) behandles ikke selvstændigt, men beskrives når det er relevant for forståelsen af de viste ældningsmønstre. Facade En bygnings overordnede formgivning bestemmer sammen med lokaltopografien, hvor meget vand der tilføres de forskellige bygningsdeles overflader. Både størrelse, orientering i forhold til omgivelser og fremherskende vindretning og bygningsform er af betydning. Særligt den fremherskende vindretning er afgørende, fordi vind- og læside modtager helt forskellige mængder regnvand, og fordi vandet på vindsiden fordeles uens, fordi vinden danner en hvirvel, der trækker vand væk fra de nedre dele af facaden (1), se Figur 1. 2
Figur 1: Typisk vindmønster omkring en bygning (1). Et eksempel på betydning af form og størrelse er vist i [Facade 1]. Bygningen er høj, og består af separate bygningsdele i form som høje kasser placeret forskudt i forhold til hinanden. Bygningsdelene skygger for hinanden i forhold til den fremherskende vindretning, og dermed mangler der vand til afrensning af en del af gavlen på en af bygningsdelene. Samtidig betyder højden af bygningen, at der opsamles store mængder vand på facaden, der med stor hastighed løber ned over facaderne, på de steder hvor der ikke er udkragede designelementer der blokerer for vandet. De nedre dele af bygningen der er eksponeret for denne vandstrøm afrenses meget effektivt, mens resten ikke afvaskes. dette ses øverst på gavlen i [Facade 1] samt under udkragede designelementer på [Detalje 8] (Samme bygning). Formgivning påvirker også ældningsforløbet for mindre bygninger. Et eksempel er vist i [Facade 2]. Skrå flader - i eksemplet gavlene - er mere udsat for aflejring af partikler og dermed for begroning. Ældningen er i eksemplet accelereret pga. højtryksrensning (se kapitlet om Drift). Detalje Designet af bygningens overflader bestemmer hvordan det vand der tilføres en given overflade fordeles. Designelementer i alle størrelsesforhold har betydning, ligesom overfladeteksturen og evt. monterede lamper, master, gelændere mv. påvirker ældningsforløbet. Designet er den vigtigste enkeltfaktor for hvordan ældningen af en bygning indvirker på helhedsindtrykket. Vinduer Vinduer samler det vand der rammer ruderne til en strøm der afleveres under disse. Glasset opsuger ikke vand i modsætning til betonoverfladen, der opsuger vand afhængigt af korttidsabsorption og aktuelt vandindhold. Hastigheden af vandstrømmen afhænger af vinduets højde, og den måde vandet fordeles på under vinduet afhænger af udformningen af evt. sålbænk, drypnæse eller lignende. En skematisk illustration af effekten af to forskellige udformninger af sålbænke er vist i Figur 2. 3
Figur 2: Skematisk illustration af vandflow og tilsnavsningsmønster for to forskellige udformninger af sålbænke i teglbyggeri (2). En anden mulighed er naturligvis at opsamle vandet og lede det væk via nedløbsrør, enten synligt eller skjult. De to forskellige principper er vist i Figur 3. Figur 3: Vinduesløsninger hvor vandet under vinduet ledes ned i en rende (tv), hvorfra det via et skjult nedløbsrør ledes bort (1), eller via studs kastes langt bort fra facaden (th) (2). Begge Løsninger sikrer at der ikke ledes vand ned over facaden i koncentrerede strømme, og har i tilfældet tv. resulteret i at facaden er jævnt patineret. Risikoen med skjulte afløb er naturligvis at de stopper til, og kan være svært tilgængelige i forbindelse med rensning og evt. reparation. 4
En tredje mulighed er at udkrage vinduet. Dermed sikres det at det vand der tilføres vinduet direkte kastes fri af facaden. To eksempler er vist i Figur 4. Figur 4: To løsninger med udkragede vinduer (2). Den skematiske illustration tv. viser et eksempel hvor vinduet er flyttet med ud til flugt med boksens forkant, og i fotoet th. er vinduet i plan med facaden, men indrammet af en udkraget boks. I begge tilfælde kastes vandet fra vinduet bort fra facaden. I [Detalje 1] ses to forskellige løsninger på samme bygning: En dyb, men lille reces, der samler snavs på den vandrette flade, der herefter vaskes ned over facaden - vinduet der er meget lille influerer slet ikke på ældningen af detaljen. På samme bygning ses en løsning med vinduer i plan med facaden, hvor små drypnæser i vinduets bredde medfører at vandet ledes langs siderne af rammen og løber ned over facaderne i koncentrerede strømme. Grundet den begrænsede højde af vinduet er effekten ikke graverende endnu, men vil sandsynligvis blive tydeligere med tiden. Samme mekanisme med mere markant resultat ses i [Detalje 2], hvor vinduet er meget højere. I dette tilfælde udludes betonoverfladen hurtigt, pga. den store vandmængde. Vinduesåbningen afbryder som objekt i facaden den jævne afvaskning der ellers finder sted. Dette illustreres i [Detalje 3], hvor en ellers jævnt afvasket facade er snavset under vinduerne, pga. drypnæser der holder området umiddelbart under vinduet relativt tørt. Det omvendte resultat ses også på samme bygning, idet den modsatte facade kun tilføres en meget begrænset mængde regnvand pga. høje bygninger der skygger for slagregn. Der er facaden kun ren hvor vand opsamlet på vinduerne og afleveres i koncentrerede strømme under vinduernes hjørner. Hvis materialet som vinduesrammerne er lavet af kan afvaskes og aflejres vil det føre til synlig farvning af betonoverfladen - dette er vist i [Detalje 4]. 5
Tage På tage og andre helt eller delvist vandrette flader aflejres i tørt vejr støv og organisk materiale, der vaskes af når det regner. Afslutningen fra tag til facade, kombineret med faktorer som betonoverfladens korttidsabsorption, ruhed og facadens højde, afgør om dette snavs overføres mere eller mindre jævnt til betonoverfladen, eller ledes bort. Et eksempel på effekten af en vandret flade uden særlige tiltag for at lede vand og snavs bort kan ses i [Detalje 1]. Et meget anvendt middel til at sikre at snavs ikke vaskes ned over facaden er vandnæser. Et eksempel på effekten er vist i [Detalje 5]. Her ses at vandnæsen generelt holder snavs væk, men også at utætheder kan give anledning til sivende vand, med det resultat at betonoverfladen eroderes, tilsnavses, begros, eller kombinationer heraf, som i det viste eksempel. Udkragninger og indhak Udkragninger kan have meget varierende effekt på vandbevægelsen over en facade. Identiske udformninger kan give forskellig effekt hvis mængden og hastigheden af det vand der rammer udkragningen varieres. I Figur 5 er effekten af en række udformninger på en vandstrøm med høj hastighed vist. Figur 5: Evnen af forskellige udformninger af udkragninger til at kaste vand væk fra facaden, når de udsættes for hurtigt strømmende vand (1). I [Detalje 6] og [Detalje 8] ses effekten af to forskellige størrelser udkragninger. Den første er en middelstor udkragning med lille bredde på en bygning der har været udsat for hård belastning i 70 år. Som ved vinduerne på samme bygning, se [Detalje 3], er facaden tilsmudset hvor der ikke tilføres nok vand til afrensning, dvs. under udkragningen. Bemærk at smuds mængden er størst netop i skillelinien mellem det afrensede og det ikke afrensede område. Årsagen er, at vandet der løber forbi grænsen mellem de to zoner indeholder partikler som er fjernet fra den øverste del af facaden, som pga. hastighedsgradienten i selve randzonen føres mod området med lav hastighed og aflejres. Effekten er stort set den samme i [Detalje 8], dog slår slagregn her ind under udkragningen - en altan- således at facaden under altanen afrenses stadigt mere, jo længere der er op til altanen. Igen ses opkoncentreringen af smuds i randzonen mellem afrenset område ved siderne af altanen og det 6
mindre afrensede under altanen. I dette tilfælde er det meget tydeligt, fordi vandet der løber forbi har opsamlet meget snavs (bygningen er mange etager høj, se [Facade 1]), og fordi der grundet den store bygningshøjde er en stor vandmængde med høj hastighed til afrensning af zonen ved siderne af altanen. I [Detalje 7] ses effekten af et mindre indhak i facaden. Effekten svarer til udkragninger, idet den del af facaden der dækkes af facaden ovenover ikke afrenses. I dette tilfælde ses det tydeligt at vandet ikke fordeles ensartet under udkragningen. Vandet løber tilbage på undersiden af udkragningen, og frigives tilfældigt, hvor en ujævnhed, lille rille etc. får det til at dryppe ned. Da disse små uregelmæssigheder er ens fra afvaskning til afvaskning forstærkes mønstret fra gang til gang, hvorfor et karakteristisk bølget mønster træder frem. Furer, riller og samlinger Ud over formgivning af facadens konturer kan selve fladen opdeles af furer, riller og små fremspring, afhængigt af designønsker. I [Detalje 9] ses et eksempel, hvor en facade er opdelt i et meget stort antal små kvadrater med et bogstav i hvert, ved hjælp af riller. Rillerne er dybe nok til at vandet tvinges til at løbe i dem, og til at snavs kan aflejres på vandrette flader, der beskyttes mod afvaskning af kvadratet ovenover, eller fladen i kvadratet for bogstaverne. Resultatet er, at tilsnavsningen af overfladen i højere grad styres af effekterne omkring de små kvadrater, end af overordnede forhold. Da snavset således aflejres på flader der ønskes fremhævet, vil patinering udelukkende føre til øget synlighed af designet. Det samme kan ikke siges om [Detalje 10]. Bygningen er in-situ støbt, men er af designhensyn opdelt visuelt i elementer. En af disse "elementsamlinger" fører vand ned over "elementet" nedenunder, hvor overfladen pga. den koncentrerede strøm udludes, og tilslaget derfor blotlægges. Resultatet er at der visuelt dannes endnu en "elementopdeling", men vel og mærke en der er i modstrid med det bevidste design. Overflade Overfladeteksturen afgør hvordan det vand der ledes over et givet plant areal fordeles og evt. opsuges. Vandmængden og variationer i vandmængde på forskellige flader afgøres som beskrevet under Facade og Detalje af kombinationen af disse. I [Overflade 1] er teksturen fremkommet ved at støbe mod rå brædder, stillet i en vinkel på 45º. Vandet løber lodret nedad, men tvinges af teksturen til venstre, når mindre ujævnheder i brædderne eller i samlingerne mellem disse skaber små vandrette kanter der blokerer for vandets lodrette bevægelse. Længere nede får vandet igen mulighed for at løbe et stykke lodret, ind til det igen rammer en kant, osv. Samlet skaber dette en facade der tilsmudses kontrolleret tilfældigt: Hele facaden tilføres snavs og slagregn, men kun de områder vandet løber over afrenses effektivt. Fremspringende dannet af bræddeteksturen er små - kun op til nogle få mm, og derfor påvirkes vandets nøjagtige bevægelsesmønster af vindretning, vandmængde, overfladens aktuelle sugeevne, etc. Derfor vil der hele tiden dannes nye mønstre, men kun indenfor de rammer som teksturens lidt større fremspring skaber. Dette skaber variation indenfor faste rammer - altså kontrolleret tilfældighed. Set fra afstand ser facaden derfor ensartet patineret ud. 7
En bygning med samme alder, samme generelle udformning (dog mindre facadehøjde) i samme geografiske område, med samme tekstur hvor brædderne i stedet er lodret stillede har et andet tilsnavsningsmønster, se [Overflade 2]. Drift Driften omfatter både fysisk vedligehold i form af reparationer af konstruktive eller holdbarhedsmæssige fejl og mangler og æstetisk vedligehold, i form af afrensninger, forebyggende behandlinger, maling mv. Fysisk vedligehold Reparation og vedligehold af fysiske fejl og mangler påvirker også udseendet, og selvom det ikke er årsagen til at foretage reparationen, skal der tages hensyn til dette i valg af metode og materialer til reparationen. Det er vanskeligt at udføre en reparation på en sådan måde, at overfladen både umiddelbart efter reparationen og over tid får samme udseende som den oprindelige overflade, selv når de samme materialer og metoder anvendes, som i fremstillingen af den oprindelige overflade. Særligt for glatstøbte overflader er det svært idet både, tekstur, farve og porøsitet skal være nøjagtig den samme som den oprindelige overflade, for at opnå en ældning der er tilstrækkeligt tæt på den omkringliggende overflade. Det er enklere for overlader der afsyres eller slibes, fordi tekstur og porøsitet her tilpasses efterfølgende, og er mere afhængigt af materialer end hærdevilkår mv. Et par eksempler er vist i Figur 6. Figur 6: Eksempler på reparationer med forskellig grad af sammenfald mellem overfladeudtryk af oprindelig og repareret område. Tv. et område hvor farven er matchet, men ikke teksturen. I midten er både farve og tekstur matchet meget flot - kun med lys fra bestemte retninger afslører porøsitetsforskelle reparationen. Til højre er teksturen matchet, fordi materialer og støbemetode er identiske, men ikke farven, fordi reparationerne ikke er ældede. Æstetisk vedligehold Æstetisk vedligehold sigter altid mod at sikre at bygningens overordnede udtryk er så tæt på det ønskede som muligt. Dette kan både ske ved at udbedre kosmetiske fejl, afrense, imprægnere, male etc. Afrensning Vurderingen af om der skal afrenses eller ej kan være problematisk. Afrensning fjerner smudspartikler og evt. begroning fra overfladen, men kun der hvor der renses. Samtidig ændrer selve rensningen overfladens porøsitet og absorption ved - i større eller mindre grad afhængigt af anvendt afrensningsteknik - at fjerne pasta fra overfladen. Herved blotlægges porer og overfladen gøres mere 8
modtagelig for tilsmudsning og begroning. Et eksempel på overfladestrukturen før og efter højtryksrensning af en glatstøbt in-situ beton er vist i [Drift 1]. Kun de skrå gavle på bygningen blev afrenset (se også [Facade 2]). Efter afrensning patinerer gavlene nu endnu hurtigere end før, og adskiller sig derfor i endnu større grad fra de lodrette facader. Problemstillingen er primært betydende for glatstøbte overflader, der ikke kan bringes tilbage til deres oprindelige egenskaber, når de først er ændret. For afsyrede eller frilagte overflader vil forskellen i porøsitet og absorption mellem ikke afrensede og afrensede overflader være væsentligt mindre, hvorfor en afrensning sjældent vil ændre på overfladernes efterfølgende ældningshastighed. Konklusion Form og størrelse i sammenhæng med lokaltopografien afgør hvor meget vand og smuds der tilføres de forskellige dele af en bygning. Designelementer på facaderne på de enkelte dele af bygningen afgør hvordan dette vand og snavs fordeles ud over facaden. Teksturen afgør hvordan det vand og snavs der havner på et givent facadeareal aflejres på dette areal. Samlet set viser eksemplerne, understøttet af tilsvarende observationer fra litteraturen, at makrodesignet, defineret ved kombinationen af Facade, Detalje og Overflade, er afgørende for helhedsindtrykket af en patineret facade. Dette gælder ikke alene for beton bygninger, men for alle bygninger. Begrebet en "æstetisk holdbar betonoverflade" er derfor meningsløs - det relevante begreb er "en æstetisk holdbar betonbygning". Enhver stræben efter konstruktiv udnyttelse af ældning til at fremme et helhedsindtryk må derfor tage udgangspunkt i en samlet vurdering af ønsker til makrodesign, forventet belastning ud fra lokaltopografi, acceptabel vedligeholdelses indsats. Herudfra vælges det mikrodesign der bedst muligt understøtter den ønskede udvikling af æstetisk udtryk. Referencer 1. Hawes, F., The weathering of concrete buildings, Appearance matters 6, Cement and Concrete Association, 1986. 2. Marsh, Paul & Arch, Dip. Concrete as a visual material. Cement and Concrete Association, Wexham Springs, 1974. 9
F A C A D E 1 Effekt af størrelse og form Bygningen består overordnet af høje kasser, forskudt og roteret i forhold til hinanden. Kasserne skygger for hinanden i forhold til den fremherskende vindretning, og dermed for vand til afrensning. Det ses på gavlene, hvor overfladen der ligger i vindskygge ikke bliver tilstrækkeligt afvasket. Den øverste del af gavlen påvirkes endvidere af snavs fra taget. Længere nede af facaden opnår løbende vand grundet størrelsen af bygningen meget høj hastighed og afrenser derfor effektivt. 10
F A C A D E 2 Effekt af hældning Gavlene på bygningen hælder betydende i forhold til lodret. Derfor lægger luftbåret materiale sig på gavlene, der tilsmudses. Yderligere danner materialet grobund for organisk vækst ved at levere fodfæste og organisk materiale (næring). Partiklerne vaskes ned af gavlen af regn, og aflejres derfor primært i den nederste tredjedel af hver overfladesektion. Variationer i overfladeporøsitet (øget pga. højtryksrensning) medfører dog at den aflejrede mængde materiale varierer. 11
D E T A L J E 1 Vinduer og dybe recesser: På den vandrette flade i recesserne ved de små vinduer samles snavs, der efterfølgende vaskes ud over kanten og ned over elementet under vinduet. Ved vinduer placeret i plan med facaden samles vandet langs vinduets kanter, hvorfra det med høj hastighed løber ned over elementerne nedenunder. Se [Detalje 2] 12
D E T A L J E 2 Høje vinduer: Høje vinduer med smalle sålbænke resulterer i at vand med høj hastighed løber over facaden under vinduet i begge sider, og kun der. Dette resulterer i det klassiske kinaskæg, her primært i form af eroderet beton, med frilagt tilslag i kontrast til den øvrige overflade (formglat). Se også [Detalje 1] 13
D E T A L J E 3 A A Vinduer og vandmængde: Vinduerne er placeret i en ubrudt flade. Vandnæserne har samme bredde som vinduesrammerne. Vandet ledes omkring vinduerne, og afleveres i de nederste hjørner. Hvor der er meget vand, er det kun under vinduerne at snavs kan blive siddende [A]. Hvor der er lidt vand er der kun rent hvor vinduerne samler tilstrækkeligt til at afrense [B]. B B 14
D E T A L J E 4 Vinduer og materialer: Vandnæser udført i kobber medfører aflejring af kobber hvor vandet fra vinduerne løber af på facaden. I dette tilfælde er det kombineret med varierende vandmængde, og dermed både klassiske og omvendte kinaskæg, se også [Detalje 3] 15
D E T A L J E 5 Vandnæser ved afslutning mod tag: De meget anvendte vandnæser af zink sørger for at vand og snavs ikke uhindret løber fra tage eller vandrette flader ned over facaden. Hvis sammenføjningerne ikke er helt tætte siver vandet dog ned over facaderne her, og giver en række miniature-kinaskæg, enten i form af snavs, afrensning af en ellers jævnt patineret flade, eller som her i form af erosion kombineret med begroning. 16
D E T A L J E 6 Udkragninger: Altaner og andre større udkragninger blokerer den fri bevægelser af vand ned over facaden, og medfører derfor at området under udkragning ikke afrenses. I det viste tilfælde er det særligt tydeligt fordi de udkragede altaner kan omstrømmes af vand, og fordi vand fra dørene ikke opsamles, men ledes ud over kanterne på altanen. 17
D E T A L J E 7 Formgivning og elementsamlinger: Elementform og samlinger er tilpasset så de tilsammen skaber et mønster. Grundelementet har et hældet parti, som elementet ovenover krager lidt ud over. Den øverste del af det hældede parti afvaskes derfor kun lidt. Da der ikke er drypnæse på elementernes underkant varierer den afstand vandet løber tilbage på undersiden af elementerne før det falder ned på elementet nedenunder. 18
D E T A L J E 8 Konstruktiv udformning: På denne facade ses ud over effekten af en stor udkragning ved foden af en høj bygning og vinduer med utætte drypnæser også effekten af en kuldebro. De mørke rektangler på facaden fremkommer når denne del af facaden ikke bliver tilført varme, og derfor sjældent tørrer ud. Den fugtige overflade binder snavs, der ellers sætter sig på overfladen og vaskes af på de tørre flader. 19
D E T A L J E 9 Furer og riller: Denne facade er fremstillet af plane elementer. Af designhensyn er fladerne imidlertid opdelt i et stort antal små kvadrater, hver med et enkelt bogstav indgraveret. På de vandrette flader på kvadrater og bogstaver aflejres snavs, der fremhæver disse flader. Dette gør bogstaverne mere og mere tydelige, og patineringen giver således et positivt bidrag til facadens helhedsindtryk. 20
D E 10 T A L J E Elementsamlinger: Lodrette fuger mellem elementer kan fungere som vandføringskanaler. På elementet under fugen eroderer vandet pastaen væk, og skaber derved en mørkere og mere porøs stribe, der i dette tilfælde truer med at dele elementet i to rent visuelt. Bygningen er i virkeligheden in-situ støbt, og elementerne et bevidst designelement. 21
O V E R F L A D E 1 Rå bræddeforskalling: En form bestående af rå brædder placeret diagonalt sikrer, at betonoverfladen får en kontrolleret tilfældig fordeling af snavs og begroninger på denne facade. Tilfældigheden skyldes at vandet løber diagonalt langs betonens aftryk af kanter mellem brædder, træets årer mv., men også løber lodret når der er mulighed for det. Resultatet ser tilfældigt, og derfor naturligt ud. 22
O V E R F L A D E 2 Lodret bræddeforskalling: Rå brædder og andre strukturerede overflader bidrager uanset orientering til en mere tilfældig fordeling af vand og snavs på en facade. Dog er effekten er bræddestrukturen knap så effektiv til at fordele vandet som i [Overflade 1] når de er placeret vertikalt, som i dette eksempel. Vandet følger bræddernes og årenes linier uden større afvigelser. 23
D R I F T 1 Efter Før Afrensning og tekstur: Afrensning kan ændre overfladens udseende, porøsitet og absorption, og dermed dens evne til at absorbere smudspartikler og fremme begroning. I eksemplet har højtryksafrensning blotlagt porer og dermed skabt bedre mulighed for at smuds og begroning kan fæstne til overfladen. Resultatet er, at overfladen efter blot 2 år var mere snavset end før afrensningen (foretaget efter 11 års ældning). 24