KOTVENÍ ST EŠNÍHO PLÁŠTĚ PLOCHÝCH ST ECH. Autoři: Ing. Markéta Bogárová Ing. Miloš Lavický, Ph.D

KOTVENÍ ST EŠNÍHO PLÁŠTĚ PLOCHÝCH ST ECH Z HLEDISKA LOKÁLNÍCH TEPELNÝCH MOST

Autoři: Ing. Markéta Bogárová Ing. Miloš Lavický, Ph.D.

CZ.1.07/1.1.07/02.0099 Popularizace a zvýšení kvality výuky dřevozpracujících a stavebních oborů v Moravskoslezském kraji

Markéta BOGÁROVÁ1, Miloš LAVICKÝ2 KOTVENÍ ST EŠNÍHO PLÁŠT PLOCHÝCH ST ECH Z HLEDISKů LOKÁLNÍCH TEPELNÝCH MOST Abstrakt Proti účink m zatížení sáním v tru je nutné st ešní plášť stabilizovat. Jednou z možností stabilizace je mechanické kotvení. Jeho materiál vykazuje v tší tepelnou vodivost než tepeln izolační vrstvy, kterými jednotlivé prvky kotvení procházejí, proto použití mechanického kotvení nevyhnuteln p edstavuje snížení tepeln izolačních vlastností st ešního plášt . To je okolnost, která se stává stále významn jší vzhledem k rostoucím požadavk m na tepelné vlastnosti obalových konstrukcí. Vliv bodových tepelných most zp sobenými kotevními prvky v letním období je problémem, kterému je rovn ž nutné v novat pozornost. Na konkrétním typu kotevních prvk a skladby st ešního plášt ploché st echy je ukázáno vymodelování t chto tepelných most metodou konečných prvk a vyhodnocení pro p ípady zimního a letního období. Klíčová slova Plochá st echa, tepelná izolace, kotvící prvek, součinitel prostupu tepla, tepelný most.

ÚVOD

1

Na st ešní plášť ploché st echy p sobí r zná zatížení [1]. Ze silových zatížení to jsou stálá zatížení od tíhy jednotlivých vrstev a prvk st ešního plášt a nahodilá zatížení zejména od užitného zatížení [2], od zatížení sn hem [3] a v trem [4]. Krom silového zatížení je st ešní plášť namáhán účinky deformačního zatížení, zejména od zatížení zm nou teploty. P i návrhu stabilizace st ešního plášt plochých st ech je rozhodující to, zda svislé stálé zatížení p sobící ve sm ru gravitace horní povrchové vrstvy, resp. horních dostatečn spojených vrstev, je v tší než zatížení p sobící v opačném sm ru, což je zatížení sáním v tru. V p ípad , že je uvedená podmínka s požadovanou spolehlivosti vyplývajících z normových požadavk [1] spln na, není nutno navrhovat další opat ení. K tomu je nutno poznamenat, že tato podmínka musí být posouzena pro nejvíce zatíženou oblast ploché st echy podle ČSN EN 1řř1-1-4 [4]. V opačném p ípad , kdy není podmínky spolehlivosti spln na, je nezbytné se zabývat návrhem opat ení k zajišt ní stabilizace st ešního plášt .

1.1

Stabilizace jednoplášťových plochých střech Stabilizace st ešního plášt jednoplášťové ploché st echy m že být provedena: 

 



2

p itížením prost ednictvím násypu nap . z oblázk , p ípadn zeminy, za účelem vytvo ení vegetační vrstvy nebo poch zné vrstvy v p ípad st echy provozní. lepením prost ednictvím lepidel, studeného či horkého asfaltu nebo pomocí samolepící vrstvy již z výroby umíst né na spodním povrchu materiálu nejčast ji na povlakových hydroizolačních materiálech. natavením vlastních asfaltových pásu bodov či plnoplošn k podkladu. mechanické kotvení vrstev st ešního plášt kotevních prvk .

prost ednictvím plastových či kovových

MECHANICKÉ KOTVENÍ

Mechanické kotvení je realizováno prost ednictvím speciálních kotevních prvk . Volba typu t chto kotvících prvk závisí od podkladu, do kterého se bude kotvit, a od materiálu vodot snící vrstvy, p ičemž lze volit mezi celokovovými kotvícími sestavami a sestavami z ocelových šroub a plastových podložek s objímkou [5]. P i jejich dimenzování se zatížení v trem stanovuje podle ČSN EN 1řř1-1-4 1

2

Ing. Markéta Bogárová., Ústav pozemního stavitelství, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brn , Veve í 331/95, 602 00 Brno, tel.: (+420) 541147174, e-mail: [email protected]. Ing. Miloš Lavický, Ph.D., Ústav základního zpracování d eva, Lesnická a d eva ská fakulta, Mendelova univerzita v Brn , Zem d lská 3, 613 00 Brno, tel.: Ě+420ě 5451340Ř6, e-mail: [email protected].

s uplatn ním součinitelem vn jšího tlaku cpe uvažovaného v hodnotách platných pro velikost zatížené plochy 1 m2 a menší cpe,1.

2.1

Tepelné mosty v důsledku mechanického kotvení

Prvky mechanického kotvení procházející tepeln izolačními vrstvami nevyhnuteln vytvá ejí bodové tepelné mosty [7]. Ty zp sobují, že v tepelné izolaci v d sledku existence lokálních tepelných most dochází ke zvýšenému teplotnímu toku konstrukcí st echy a že v místech kotvení hrozí p i nízkých venkovních teplotách k lokálnímu ochlazení a p i dosažení kritické hodnoty povrchové teploty v místnosti by pak v t chto místech mohlo dojít ke kondenzaci vodní páry. Velikost tepelných most a jejich nep íznivý účinek závisí na typu použitého kotevního prvku. Tepelné mosty na st ešním plášti vlivem kotev jsou viditelné p edevším p i námraze nebo mírné sn hové pokrývce, kdy v míst tepelných most dochází k odtávání této vrstvy ĚObr. 1ě.

Obr. 1: Viditelné bodové tepelné mosty p i odtávání sn hové pokrývky [12] a odmrzání [13] Celokovové kotvící sestavy ve srovnání s kotvícími sestavami s plastovou podložkou s objímkou mají vzhledem k vodivosti oceli v tší p edpoklady ke vzniku rozsáhlejších tepelných most . Protože se zvyšují požadavky obalové konstrukce budov z hlediska tepelné techniky, p ičemž nar stají i tloušťky tepelných izolací, které je nutné navrhnout pro spln ní t chto požadavk , rozši uje se používání kotvících sestav s plastovými podložkami, které umožní tyto tloušťky p ekonat a bezpečn ukotvit skladbu plášt . Rozdíl ve velikosti bodových tepelných most u kotvení celokovovou sestavou a sestavou s plastovou podložkou s objímkou ukazuje termografický snímek spodní strany konstrukce zkušebního fragmentu, kde v jedné části byl pás kotven plastovými podložkami s objímkou a ocelovými šrouby a v druhé celokovovou kotvící sestavou [14]. P i zkoušce byl zkušební fragment umíst n do testovací místnosti a horní strana byla chlazena po dobu 4 hodin teplotou 20° C. Bylo patrné ĚObr. 2ě, že u celokovové sestavy prostupuje mnohem více chladu než u kotvící sestavy z ocelových šroub a plastových podložek s objímkou.

Obr. 2: Termografický snímek spodního povrchu zkušebního fragmentu [14] Uvedený rozdíl velikosti bodových tepelných most p i uplatn ní celokovových kotvících sestav a sestav s plastovými podložkami s objímkou vyplývá i z výsledk výpočtových model ešených programem Area, v kterých byla uvažována skladba sestávající ze železobetonové stropní konstrukce se spádovou vrstvou z keramzitbetonu, z tepelné izolace z EPS 150S a z vodot snící vrstvy ze dvou asfaltových pás .

Obr. 3: Výpočtový model s celokovovou kotvící sestavou – zimní období Z výpočtového modelu pro p ípad celokovové kotvící sestavy ĚObr. 3ě je z etelný tepelný tok tímto kotevním prvkem a je patrné, že v míst kovové podložky je teplota vn jšího povrchu vyšší než v okolní ploše st ešního plášt . P i použití kotvící sestavy s plastovou podložkou s objímkou je z etelný menší tepelný tok v míst kotvy ĚObr. 4ě, protože dutina objímky je vypln na vzduchem, který má stejn jako materiál plastové podložky a objímky menší tepelnou vodivost než kovový kotvící prvek. Je patrné, že plastová podložka s objímkou nezp sobuje výrazné zvýšení teploty u exteriérové strany st ešního plášt jako kovová podložka.

Obr. 4: Výpočtový model kotvící sestavy s plastovou podložkou s objímkou – zimní období

U celokovové sestavy je výrazn jší ochlazení i ve spodní části tepelné izolace. Teplota asi 5° C dosahuje až do spádové vrstvy z keramzitbetonu pod úrovní tepelné izolace, zatímco u kotvící sestavy s plastovou podložkou s objímkou se ve spádové vrstv pod ocelovým šroubem teplota pohybuje okolo 15° C. Na vnit ním povrchu je pak teplotní rozdíl asi 3°C, což za určitých podmínek m že být rozhodující hodnota pro vznik kondenzace vodních par. V letním období bodové tepelné mosty zp sobené kotvením p sobí opačn a vedou teplo do interiéru objektu. Na rozpáleném st ešním plášti m že teplota v lét dosahovat hodnoty 70° C. Pro tento p ípad byl rovn ž vytvo en výpočtový model v programu ůrea ĚObr. 5ě, p ičemž byly uvažovány stejné vstupní údaje jako ve výše uvedeném modelu a byly pouze zm n ny okrajové podmínky pro exteriér.

Obr. 5: Výpočtový model celokovové kotvící sestavy – letní období

Teplota na vnit ní stran st ešní konstrukce pod kotvou má v p ípad celokovové kotvy teplotu 27,07° C p i uvažování teploty na horním plášti 70° C. P i použití kotvící sestavy s plastovou podložkou s objímkou vychází hodnota p ízniv jší a činí 22,Ř0° C.

2.2

Vliv tepelných mostů vlivem kotvení na celkový součinitel prostupu tepla konstrukce

Každý kotevní prvek ve st ešním plášti, jak bylo výše uvedeno, zp sobuje tepelný most a p i tom jejich počet vyplývá ze statického a konstrukčního návrhu kotevního plánu. Je z ejmé, že jednak celokovové kotevní prvky budou mít na výsledný součinitel prostupu tepla v tší vliv než kotvy s plastovou podložkou s objímkou. Tyto tepelné mosty budou znateln jší p i v tších tloušťkách tepelné izolace, kdy se dosahuje nižších hodnot součinitele prostupu tepla U. To se týká výstavby p edevším v pasivním standardu, kdy je nutné d sledn eliminovat i tyto možnosti bodových tepelných most , které vedou ke zvýšení součinitele prostupu tepla a tedy k nežádoucímu efektu. Nap íklad u skladby popsané a modelované výše p i tloušťce tepelné izolace 240 mm je rozdíl v součiniteli prostupu tepla v závislosti na použité kotvící sestav 0,01 W/m2K. Se zvyšující se tloušťkou tepeln izolační vrstvy bude vliv kotvení na součinitel prostupu tepla ješt výrazn jší. Pro ilustraci uveďme p íklad lepené skladby bez mechanického kotvení p i tloušťce tepelné izolace 320 mm, u níž je p i uvažování nulové hodnoty korekce součinitele prostupu tepla U= 0,10 W/m2K. Pro dosažení stejné hodnoty součinitele prostupu tepla p i mechanickém kotvení pomocí kotvící sestavy z ocelového šroubu a plastové podložky s objímkou by bylo p i osnov 6 ks/m2 nutno tloušťku tepelné izolace zvýšit o 40 až 60 mm.

3

ZÁVĚR Souvrství ploché st echy je vždy nutné stabilizovat. Vzhledem k časovému a finančnímu hledisku

je dnes nejčast jším zp sob stabilizace mechanické kotvení. P i vlastním kotvení dochází ve skladb nejčast ji ke kotvení ve dvou etapách a to k samostatnému kotvení tepelné izolace a ke kotvení vodot snící vrstvy. Všechny tyto kotevní prvky p edstavují oslabení tepeln izolačních vlastností st ešního plášt . P i v tším zatížení v trem se zvyšuje množství použitých kotevních prvk a tím i zhoršení výsledného součinitele prostupu tepla st ešním souvrstvím. Vzhledem k časté absenci kotevních plánu dochází pak i k chybnému tepeln technickému výpočtu. Provedená st ešní konstrukce pak m že vykazovat zcela jiné hodnoty, než jaké byly požadovány. Nejedná se pouze o únik tepla a riziko kondenzace v zimním období ale i o možný vliv na p eh ívání v letním období.

[1] [2] [3] [4] [5] [6]

[7]

LITERATURA ČSN EN 1řř0 Ě73 0002) Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí, Praha, ČNI, 2004, 76 pp. ČSN EN 1řř1-1-1 (73 0035) Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-1: Obecná zatížení – Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb, Praha, ČNI, 2004, 44 pp. ČSN EN 1řř1-1-3 (73 0035) Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-3: Obecná zatížení – Zatížení sněhem, Praha, ČNI, 2005, 52 pp. ČSN EN 1řř1-1-4 (73 0035) Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Obecná zatížení – Zatížení větrem, Praha, ČNI, 2007. 124 pp. ETAG 006: Guideline for European Technical Approval of Systems of Mechanically Fastened Flexible Roof Waterproofing Membranes, EOTA, Ed. 2000, Am. 2012, 83 pp. ETAG 006: ídící pokyn pro technická schválení. Systémy mechanicky kotvených pružných st ešních hydroizolačních povlaků (český p eklad [5] Guideline for European Technical Approval of Systems of Mechanically Fastened Flexible Roof Waterproofing Membranes), EOTA, Ed. 2000, Am. 2012, 83 pp. ČSN 73 0540-1 Tepelná ochrana budov – Část 1: Terminologie, Praha, ČNI, 2005, 6Ř pp.

ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky, Praha, ČNI, 2011, 56 pp. ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin, Praha, ČNI, 2005, 96 pp. [10] ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 4: Výpočtové metody, Praha, ČNI, 2005, 60 pp. [11] ČSN 731ř01 Navrhování st ech -\Základní ustanovení, Praha, ČNI, 2011, 56 pp. [1] ISO-TAK. Únik tepla [online]. 2008 [cit. 2014-01-15]. Dostupné z: http://www.iso-tak.cz/zajimavosti/uniky-tepla/ [2] WIELAND, Heinz. Heat losses through flat roof fasteners. In: SFS intec [online]. 2006 [cit. 201401-15]. Dostupné z:http://www.sfsintec.biz/internet/sfsmedien.nsf/AE607B0D6A69AA61C1257B210032 7746/$FILE/HEAT_LOSSES_Carbon_Steinless_Plastic_(EN).pdf [3] Kotvení izolací plochých st ech. In: Lssystem [online]. 2012 [cit. 2014-01-15]. Dostupné z: http://www.lssystem.cz/ke_stazeni/ISO-TAK_katalog.pdf.pdf [8] [9]

ROOFING ANCHORING OF FLAT ROOFS WITH REGARD TO LOCAL THERMAL BRIDGES

Keywords Flat roof, insulation, anchoring element, heat transfer coefficient, thermal bridge.

Summary The roof deck is necessary to stabilize against effects of wind suction loads. One possibility of the stabilization is mechanical anchoring. The anchor material has a higher thermal conductivity than the heat insulating layer, through which individual anchoring elements enter. Therefore the use of mechanical anchoring is inevitably reducing the thermal insulation properties of the roof cladding. This is a circumstance that is becoming very important due to the increasing demands on the thermal properties of envelope structures. Influence of point thermal bridges caused by fasteners in the summer is another challenge, where attention is necessary. Modelling of these thermal bridges using method of finite elements and evaluation for the winter and summer season cases are shown using the specific type of fasteners and flat roof deck composition.