Mei 2022

Waterlagen op platte daken in een veranderend klimaat

Voor TVVL Expertgroep Sanitaire Technieken hebben Royal HaskoningDHV en ERAdvies onderzocht of verschillende aspecten van klimaatverandering aanleiding zijn om normen en ontwerpregels aan te passen. Ook een begeleidingsgroep met vertegenwoordigers van installatiebedrijven en dakontwerpers werkte aan het onderzoek mee. De volgende onderwerpen zijn bekeken: nieuwe neerslagintensiteit reguliere dakafvoer en overstortvoorziening, reflectie op formules in NEN- en Europese normen, aanvullende richtlijnen voor begroeide daken en de impact van wind op neerslag en waterlagen op platte en begroeide daken.

Het nieuwste IPCC- [1] en KNMI-rapport [2] voorzien grote gevolgen voor het toekomstige klimaat, met of zonder succesvolle ingrepen in CO₂(-equivalenten) emissie. We moeten ons daarom voorbereiden op een ander klimaat, waar bijvoorbeeld vaker heftige, kortdurende buien kunnen optreden. Dit heeft direct gevolgen voor ontwerpintensiteiten van platte daken.
De huidige reguliere hemelwaterafvoeren (neerslagintensiteit: 0,03 l/s/m², theoretische herhalingstijd bui: T = 5 jaar) en overstortvoorzieningen (neerslagintensiteit: 0,05 l/s/m², theoretische herhalingstijd bui: T = 50 jaar) worden momenteel nog ontworpen op basis van verouderede neerslagdata. Op basis van nieuwe KNMI-neerslagdata (2019) en de KNMI-scenario’s (2014) is kritisch gekeken naar de huidige ontwerpneerslagintensiteit.
De gehanteerde neerslagintensiteiten en de huidige richtlijnen zijn bepaald op basis van 5 minuten neerslagintensiteit. Navraag bij het KNMI leert dat deze neerslagduur al sinds 1990 niet meer wordt bijgehouden, maar dat men digitaal meet vanaf 10 minuten neerslagduur. Om de nieuwe neerslagdata te gebruiken, moet de 10 minuten neerslagduur worden omgerekend naar 5 minuten neerslagduur. Dit is gedaan met een omrekenfactor aangeleverd door het KNMI [3].

Hierbij is gekeken naar de neerslagduur van de middelste twee KNMI-klimaatscenario’s (tabel 1):

gematigde wereldwijde temperatuurstijging, hoge verandering van luchtstromingspatroon (GH),
warme wereldwijde temperatuurstijging met lage verandering van luchtstromingspatroon (WL) voor de periode 2050 en 2085.

Dit betreft de middelste twee scenario’s, waarmee het meest gunstige (GL) en het meest extreme scenario (WH) buiten beschouwing wordt gelaten. Op basis van de berekende neerslagintensiteiten voor de toekomstige scenario’s is besloten om een verhoging van de ontwerpneerslagintensiteit te adviseren naar de intensiteiten die passen bij het 2050 GH-scenario (onderstreept in tabel 1), voor zowel het ontwerpen van reguliere hemelwaterafvoer als overstortvoorziening. Hiermee wordt de ondergrens van het GH-scenario aangehouden. Gezien de grote onzekerheid omtrent klimaatverandering en toekomstige neerslagintensiteiten, is het advies om over een periode van bijvoorbeeld 5 jaar, nogmaals naar vernieuwde KNMI-data te kijken. Deze eerste verhoging van ontwerpneerslagintensiteiten resulteert in elk geval in robuustere hemelwaterafvoeren en overstortvoorzieningen.

Praktijk

De impact van de nieuwe ontwerpneerslagintensiteit beperkt zich feitelijk alleen tot daken van nieuw te ontwikkelen vastgoed. Bestaand (na 1991 gerealiseerd), recentelijk opgeleverd of in ontwikkeling zijnde vastgoed voldoet aan de huidige geldende regelgeving. Pre-bouwbesluit gebouwen kunnen hierin afwijken. Andere, vaak lagere, ontwerpneerslagintensiteit in combinatie met een signalerende spuwer zijn veel voorkomend bij dit type vastgoed.
Met een gemiddelde levenscyclus van 50 jaar en de toenemende neerslagintensiteit, is het aan gebouw- en vastgoedeigenaren de keuze om de bestaande afvoeren in capaciteit zo te laten of te overwegen om deze te herzien. Voor vastgoedeigenaren kan dit een aanleiding zijn om hun vastgoed met levensduur van circa 50 jaar (of ouder), of risicovolle panden, opnieuw te laten doorrekenen met deze vernieuwde neerslagintensiteiten. Op het moment dat de aanbeveling voor verhoging van de ontwerpneerslagintensiteit wordt omgezet naar de nieuwe waarden, wordt deze verhoogd naar 370 l/s/ha (nu 300 l/s/ha) voor reguliere hemelwaterafvoer (NEN 3215: 2018) en 600 l/s/ha (nu 500 l/s/ha) voor overstortvoorzieningen (NTR 3216: 2018) en noodafvoeren (NEN 1991-1-3+C1/NB (2011)).
Concreet: Bij een af te voeren oppervlak van 200 m² op 1 cilindrische afvoer van 125 mm en reductiefactor 1, resulteert het verschil in drijfhoogte tussen de huidige ontwerpneerslagintensiteit van 300 l/s/ha en de nieuw voorgestelde ontwerpneerslagintensiteit van 370 l/s/ha in 6 mm [H = 0,32 ³√ (Qh² /d²)]. Dat geldt ook voor dezelfde situatie met overstortvoorziening (500 l/s/ha versus 600 l/s/ha). Hier is het verschil 8 mm. In totaal is dat 14 mm extra waterhoogte op het dak. Per m² resulteert dit in 14 kg extra gewicht aan regenwater. In het voorbeeld resulteert dat in een extra belasting van 2.800 kg (= 200 m² x 14 kg/m²).

De impact van de nieuwe ontwerp-neer-slagintensiteit beperkt zich tot daken van nieuw te ontwikkelen vastgoed

Kritische blik

Naast een advies voor wijziging van ontwerpneerslagintensiteit is ook kritisch gekeken naar een aantal formules uit de NEN-normen en NTR/NPR-richtlijnen die worden gebruikt om afvoercapaciteit van dakafvoeren en overstortvoorzieningen te berekenen. In het onderzoek is gekeken naar de volgende drie onderwerpen:

afvoercapaciteit reguliere dakafvoeren en overstortvoorzieningen bij stuwhoogte lager dan stuwhoogte grensdebiet bij overlaatstroming,
inconsistentie formules NEN 1991-1-3+C1/NB (2011),
vergelijking tussen Nederlandse en Europese richtlijnen.

Stuwhoogte en grensdebiet

Bij een verhouding van waterhoogte/diameter afvoerleiding van 0,6, volgen uit NEN 3215: 2018 en NTR 3216: 2018 formules voor de afvoercapaciteit van reguliere dakafvoeren en overstortvoorzieningen. Wanneer deze verhouding (drijfhoogte H/ontwerpmiddellijn d) groter is dan 0,6 ontstaat instabiele stroming. Wanneer de verhouding kleiner is dan 0,6, krijgen we een stuwhoogte die lager is dan de stuwhoogte bij het grensdebiet. In dat laatste geval zijn er de volgende mogelijkheden om de afvoercapaciteit te bepalen:

De fabrikanten van UV-systemen beschikken op basis van metingen of detailberekeningen over bepaalde grafieken die het verband aangeven tussen de stuwhoogte en de capaciteit, bepaald volgens EN 1253-2 (zie kader EN 1253-2). In de meeste gevallen worden de complete UV-systemen door de fabrikant berekend.
De fabrikanten van dakafvoeren/overstortvoorzieningen bij overlaatstroming beschikken over tabellen die het verband aangeven tussen de stuwhoogte en de capaciteit, bepaald volgens EN 1253-2 (zie kader EN 1253-2).
Voor op maat gemaakte steekafvoeren als dakafvoer/overstortvoorziening bij overlaatstroming, kan op basis van hydraulische berekeningen worden bepaald wat de afvoercapaciteit is.

Inconsistenties formules

De inconsistentie die is gevonden in formules uit NEN 1991-1-3+C1/NB (2011) (en de 2019-versie) betreft formules voor het bepalen van de waterhoogte (H) en maximale afvoercapaciteit van noodafvoeren (en dus ook voor overstortvoorzieningen) in de vorm van een ronde steekafvoer bij overlaatstroming. Deze formules voor waterhoogte en afvoercapaciteit zijn gebaseerd op twee plaatsingslocaties (figuur 2):

plaatsingslocatie c is gebruikt in de formule van de waterhoogte (H) boven de overstortvoorziening,
plaatsingslocatie d is gebruikt in de formule van de maximale afvoercapaciteit (Qmax).

Er wordt geadviseerd om één plaatsingslocatie te kiezen voor het gebruik van beide formules. Gezien de eis voor een minimale afstand van 2x de middellijn van afvoerpunt ten opzichte van dakopstanden, sluit plaatsingslocatie c het beste aan. Dit houdt in dat in formule 7.6 uit NEN 1991 de (samengestelde) getalswaarde 2,5 wordt vervangen door 2,92. De formule wordt dan: Q_h:max = 2,92 d^5/2

Nederlandse en Europese normen

Er zijn verschillen geconstateerd tussen de Nederlandse (NEN 1991-1-3+C1+A1: 2019) en Europese normen (EN 12056) voor het berekenen van de afvoer en benodigde breedte/diameter van rechte overlaten en steekafvoeren. Tijdens dit onderzoek is onvoldoende tijd geweest om de Europese normen volledig te doorgronden om tot een advies voor aanpassing van normen te komen. Wel willen wij benadrukken dat de locatie van nieuw te ontwikkelen vastgoed, in Nederland of in het buitenland, bepalend is voor de berekening van de hemelwaterafvoersystemen. België hanteert bijvoorbeeld afwijkende regelgeving ten opzichte van Nederland, net als Duitsland, waar ook weer regionaal afwijkende regelgevingen gelden.

Voorbeeld van een complex begroeid dak (bron: Optigrün).

Begroeide daken

Begroeide daken zijn al een tijd op de markt, maar uit gesprekken met een begroeid dak-producent blijkt de interesse de afgelopen jaren sterk te zijn toegenomen. Behalve dat een begroeid dak een esthetische waarde heeft voor een architect, bewoner of gemeenteraad, kan een begroeid dak onder andere bijdragen aan de waterbergingsvraag en vertraagde afvoer van neerslag naar riolering (figuur 3). Deze vertraagde afvoer zorgt ervoor dat reguliere hemelwaterafvoeren kleiner kunnen worden ontworpen, omdat de piekintensiteit wordt afgevlakt door het begroeide dak. NEN 3215 schrijft daarom een reductiefactor voor bij het ontwerpen van reguliere hemelwaterafvoeren bij toepassing van een aantal standaardformaten begroeid dak. Gezien de snelle ontwikkeling van type begroeide daken (verschillende producenten, verschillende dikte substraat, verschillende type substraat enzovoort) is de ontwikkeling in de markt sneller dan de NEN 3215.
Gezien de grote verscheidenheid aan begroeide daken is een uniforme test nodig om op één vastgestelde manier de doorlatendheid van het begroeide dak, en daarmee de reductiefactor, te bepalen. In Duitsland zijn ze al verder met regels voor begroeide daken. Hun FLL-Dachbegrünungsrichtlinien is afgelopen zomer (2021) vertaald naar het Nederlands en hierin is een gestandaardiseerde test opgenomen (bijlage B.4) om de reductiefactor te bepalen voor begroeide daken. Deze test is ook al opgenomen in de NTA 8292 (bijlage D). Uit deze test en de FLL-Dachbegrünungsrichtlinien volgt tabel 2, waar reductiefactoren zijn berekend voor verschillende type begroeide daken. Ons advies is om deze tabel toe te voegen aan NEN 3215 en NTR 3216 en de gestandaardiseerde test hierin op te nemen, of te verwijzen naar NTA 8292. Hierbij willen we nog sterk benadrukken dat het alleen de reguliere hemelwaterafvoeren betreft; de reductiefactoren gelden niet voor overstortvoorzieningen.

Praktische toepassing

Bij het berekenen van het afvoerdebiet van een begroeid dak wordt rekening gehouden met de dikte van de groenlaag om de vertraging van het hemelwater richting de hemelwaterafvoer vast te leggen. Bij langdurige neerslag ontstaat het punt van maximale verzadiging. In deze situatie zal het overvloedige hemelwater dat niet door de berekende hemelwaterafvoer kan worden afgevoerd, door de overstortvoorziening of noodafvoeren worden afgevoerd.
Retentie onder een begroeid dak met vertraagde afvoer gaat in principe op een gelijke wijze. Het verschil zit in de wijze waarop de afvoer is ingeregeld. Vertraagde afvoer kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd door op de reguliere hemelwaterafvoer een buisstuk te plaatsen met daarin een of meerdere gaatjes. Door de gaatjes wordt vertraagd de buffer op het dak afgevoerd naar de riolering. Bij een verzadiging van de buffer zal vervolgens het waterpeil boven de buffer stijgen en overlopen in de reguliere hemelwaterafvoer. Zodra de reguliere hemelwaterafvoer niet meer voldoende afvoercapaciteit heeft, wordt ook hier de overstortvoorziening of noodafvoer aangesproken.
Voor retentiedaken zonder begroeiing, ook wel blauwe daken genoemd, geldt een gelijke volgorde van hemelwaterafvoer (figuur 4). Uitzondering op de berekening is de vertraagde aanvoer van hemelwater die een begroeid dak geeft. De diversiteit aan retentie- en begroeide daken en de wijze van hemelwater afvoeren is divers en kan op details anders worden uitgevoerd (zie het atypische begroeide dak in figuur 5). Het berekenen van de juiste hoeveelheid hemelwaterafvoer bij begroeide daken is, naast de opbouw/dikte van het begroeid dak, ook afhankelijk van de dakhelling. Door gebruik te maken van de FLL-richtlijn kan een accuratere hemelwaterafvoer-berekening worden gemaakt. Uiteindelijk geldt voor het begroeid dak maar één specifieke regel om groen te blijven: ‘niet te droog en niet te nat’.

Invloed van wind

In Nederland, en zeker in de kustprovincies, voelt het soms alsof het vaker wél waait dan niet. Voor het onderzoek is uitgezocht welke impact wind heeft op neerslagintensiteit en op waterlagen op platte en begroeide daken.

De neerslagintensiteit kan namelijk worden beïnvloed door wind

Impact op neerslag

Wanneer wind tegen een gebouw blaast, treden verschillende effecten op (figuur 6). Eerst kijken we naar de impact van wind op neerslagintensiteit. De neerslagintensiteit kan namelijk worden beïnvloed door wind. Wanneer een dak lang genoeg is en uitgaande van het principe van massabalans, kan verwaaide neerslag bovenwinds van het dak (‘scheiding op frontale hoek’ in figuur 6) neervallen op het benedenwindse deel van het dak waar de lucht weer parallel aan het dak stroomt (principes uit [5] en [6]). Bij de verplaatsing van neerslag kan in het slechtste scenario een toename ontstaan van neerslagintensiteit op een gedeelte van het dak. Dit is een argument om ook de ontwerp-neerslagintensiteit te verhogen, zodat het ontwerp hier rekening mee houdt. Tijdens het onderzoek is echter weinig tot geen literatuur gevonden over het gelijktijdig optreden van hevige neerslag en hevige wind. Op basis van input van de experts uit de werkgroep is geconstateerd dat gelijktijdige hevige neerslag en wind zeldzaam is, waardoor het verhogen van de neerslagintensiteit niet vereist is.

Impact op waterlagen platte en begroeide daken

Daarnaast is er sprake van windopzet van waterlagen, waar de waterlaag wordt opgestuwd in de windrichting. De impact van windopzet op platte daken is vooral merkbaar bij hoge windsnelheden en bij ondiepe waterlagen. Afhankelijk van de oriëntatie van de windrichting kan dit leiden tot:

water dat over de nok van het dak wordt geblazen,
uitkomen van water boven waterdichte rand van het dak,
versneld afstromen van water naar onderkant dak,
opstuwing van water richting de afvoer en opstuwing in tegenovergestelde richting van de afvoer.

Op kleine schaal zien we dit bijvoorbeeld bij dunne waterlagen op een garage, waar het water in de windrichting wordt geduwd. In de huidige richtlijnen wordt geen correctiefactor voor windopzet genoemd.
Bij begroeide daken speelt windopzet van waterlagen in principe geen rol, aangezien neerslag in de toplaag infiltreert en wind geen vat kan krijgen op deze waterlaag. Windopzet kan wel een rol spelen voor versnelde afvoer naar afvoeren en opstuwing in tegenovergestelde richting van de afvoer, als deze afvoeren vatbaar zijn voor wind (wanneer de waterlagen ‘bloot’ liggen) op het dak.
Vergelijkbaar met de redenering voor impact van wind op neerslag, geldt dezelfde redenering voor impact van wind op waterlagen op platte en begroeide daken. Deze treden zeer zeldzaam tegelijkertijd op. Daarnaast geldt dat na een bui de wind wel impact heeft op de waterlagen op het dak. De reguliere en overstortvoorzieningen zouden echter over voldoende afvoercapaciteit moeten beschikken om deze opgestuwde waterlagen af te voeren.

Huidige toepassing

In de praktijk zijn er meerdere oplossingen die worden gehanteerd om de invloed van wind op de waterlagen te beperken. Uiteraard is de invloed het grootst op schone daken (daken die bijvoorbeeld niet zijn voorzien van groen of grind). Om onbalans bij de verschillende afvoeren op een dak te voorkomen, kan er bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van smalle opstanden of rillen op het dak. Door de opstanden wordt het hemelwater in vakken richting de afvoeren geleid. Door deze vorm van geleiding wordt de afvoerbalans over de afvoeren zo veel mogelijk vastgehouden. Met name bij grote af te voeren oppervlakten in combinatie met UV-afvoersystemen is dit zeer belangrijk. De opstanden of rillen worden slechts aangebracht tot het laagste punt van het dak en niet helemaal tot de dakopstand.

Samenvatting

De onderzoekers adviseren ontwerpbuien om gebouwen toekomstbestendig te maken: 0,037 l/s/m² voor reguliere hemelwaterafvoer en 0,060 l/s/m² voor overstortvoorzieningen. Het verdient aanbeveling om de verschillende Nederlandse normen aan elkaar gelijk te stellen. Voor begroeide daken adviseren de onderzoekers uitbreiding van reductiefactoren en verwijzing naar een gestandaardiseerde test voor afwijkende afmetingen. Wind heeft impact op neerslag en waterlagen op platte daken. Hiervoor is echter geen toeslagpercentage geadviseerd aangezien het tegelijkertijd optreden van hevige wind en neerslag zeldzaam is.

Bronnen
1. Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A., et al., ‘IPCC, 2021: summary for policymakers’, Climate Change 2021: the physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge (UK), 2021.
2. KNMI, ‘KNMI Klimaatsignaal ’21: hoe het klimaat in Nederland snel verandert’, De Bilt, 2021.
3. KNMI, ‘Technische rapportage 295 - Statistiek van extreme neerslag voor korte neerslagduren’, De Bilt, 2007.
4. Scheffer W., ‘Memo ST-48-1 Formules voor bepaling waterhoogte boven dakafvoeren en noordafvoeren gebaseerd op NEN 3215: 2018 vergeleken met die in NEN-EN 1991-1-3+C1/NB (2011)’, TVVL, Woerden, 2020.
5. Chang T.J., Wu Y.T., ‘Wind driven rain distributions around street canopies’, Journal of American Water Resources Association, AWRA, Woodbridge (VA) (VS), 2003.
6. Wit M.H. de, ‘Wind en zon in de gebouwde omgeving’, collegedictaat 7S280 TU/e, Eindhoven, 2004.
7. Lösken G., Ansel W., Backhaus T., et al., ‘Richtlijnen voor begroeide daken – Richtlijnen voor de planning, bouw en onderhoud van begroeide daken’, FLL (2018), vertaald door VBB, Scherpenzeel, 2021.

Definities

• Noodoverstort: overstort die als functie heeft om de stabiliteit van de dakconstructie te borgen. Aantal, locaties en afmetingen van noodoverstorten worden bepaald door de constructeur.

• Overstortvoorziening: overstort om dak te ontdoen van water als de reguliere afvoer wordt overbelast of is verstopt. Deze wordt berekend door de dakinstallateur/dakspecialist.

• Reguliere hemelwaterafvoeren: reguliere dakafvoer waar de neerslag in wordt afgevoerd, meestal via een standpijp. Deze wordt berekend door de dakinstallateur/dakspecialist.

• Grensdebiet: Het maximale debiet dat door een regulier hemelwatersysteem kan worden afgevoerd met ‘vrije stroming’, zonder dat deze stroming wordt beïnvloed door de waterstand en stroming door de afvoer-/standleiding en een instabiel stromingsbeeld ontstaat.

EN 1253-2

De plaatsingssituatie van de dak- of noodafvoer in de testopstelling van EN 1253-2 laat zich niet (direct) vergelijken met plaatsingssituatie uit NEN 3215 (Achtergrondrapport 2.3 van NEN 3215, zie Memo ST-48-1). Van een belemmering van instroming door opstaande dakranden is nauwelijks sprake, maar een belemmering van instroming door het rooster/bladvanger wordt wel betrokken bij de capaciteitstest. In NEN 3215: 2018 en EN 1991-1-3+C1/NB (2011) is dat laatste verdisconteerd in de keuze van plaatsingssituatie.
In figuur 1 wordt de relatie weergegeven tussen de afvoercapaciteit en waterhoogte bij de steekafvoer, waar de stuwhoogte lager is dan de stuwhoogte van het grensdebiet. Hierbij is gerekend met 4 gestandaardiseerde ontwerpmiddellijnen van een steekafvoer. De correct berekende waterhoogte rondom de steekafvoer is van invloed op de totale waterhoogte op een dak.

Tabellen en figuren waar naar wordt verwezen vindt u in de gedrukte versie van dit artikel in VV+ mei 2022.

Tekst: ir. T.A. (Timon) Huijzendveld (Royal HaskoningDHV),
ing. E. (Erik) Reumer (ERAdvies)
Fotografie: iStock, Optigrün