dr inż. Aleksander Byrdy Politechnika Krakowska Wpływ zastosowania materiałów o wysokiej izolacyjności cieplnej na konstrukcję fasad wentylowanych

Transkrypt

1 dr inż. Aleksander Byrdy Politechnika Krakowska Wpływ zastosowania materiałów o wysokiej izolacyjności cieplnej na konstrukcję fasad wentylowanych 1

2 Rozwiązania materiałowe fasad wentylowanych Fasady wentylowane są powszechnie stosowane w przegrodach zewnętrznych budynków użyteczności publicznej, obiektów sportowych, budynków wystawowych, czy w obiektach infrastruktury komunikacyjnej. Fasady wentylowane pozwalają na realizacje ścian z okładziną zewnętrzną wykonaną z najwyższej jakości materiałów co wpływa na możliwość kształtowania nowoczesnej architektury budynków. Typowe rozwiązanie materiałowe przegrody składa się z warstwy termoizolacyjnej układanej na warstwie konstrukcyjnej ściany, szczeliny wentylującej przegrodę oraz warstwy elewacyjnej mocowanej na tak zwanej podkonstrukcji (por. rys.1). Na warstwy elewacyjne mogą być stosowane bardzo różnorodne materiały takie jak okładziny drewniane i drewnopochodne, panele aluminiowe, szkło, kamień naturalny, beton architektoniczny, konglomeraty, ceramika, gresy, czy płyty z włóknocementu. Warstwy okładzinowe mocowane są do konstrukcji budynku za pomocą rusztu podporowego z profili aluminiowych, ze stali ocynkowanej lub nierdzewnej, a w przypadku lekkich materiałów elewacyjnych z impregnowanych łat drewnianych. Rys.1 Uwarstwienie przykładowej fasady wentylowanej. Oznaczenia: 1-lekka okładzina elewacyjna, 2- ruszt drewniany, 3- termoizolacja, 4- ściana wypełniająca, 5- pojedynczy kołek rozporowy (podpora stabilizująca rusztu), 6- układ kołków rozporowych tworzących podporę nośną rusztu, 7- wieniec stropowy, 8- warstwy podłogi pływającej. W przypadku elewacji kamiennych płyty elewacyjne mogą być indywidualnie mocowane do podłoża za pomocą kotwi z płaskownika (por. rys.2). Profile rusztu nośnego mocowane są najczęściej za pomocą konsol w przestrzeni wentylowanej przegrody-rys.3. Szczelina wentylująca ma grubość od 2 do 4 cm i jest połączona z powietrzem zewnętrznym poprzez układ wlotów zlokalizowanych przy podstawie elewacji oraz poprzez otwory wylotowe w strefach zwieńczenia fasady. 2

3 W przypadku okładzin z fugami ażurowymi przepływ powietrza odbywa się swobodnie szczeliny miedzy płytami okładzinowymi. Kolejną warstwę fasad wentylowanych stanowi warstwa izolacji termicznej mocowana do podłoża za pomocą łączników mechanicznych lub w połączeniu z mocowaniem techniką klejenia. Izolacja termiczna powinna być zrealizowana jako ciągła i równomierna warstwa, przymocowana do ściany nośnej. Podłożem nośnym warstw fasad wentylowanych jest ściana zewnętrzna budynku. Może ona być zrealizowana jako konstrukcja nośna wzniesiona z żelbetu lub drobnowymiarowych elementów murowych ewentualnie jako element wypełniający np. z betonu komórkowego lub ceramiki poryzowanej. W tym drugim przypadku obciążenia pionowe z ciężkich okładzin zewnętrznych przekazywane są na zakotwienia nośne mocowane do wieńców stropowych. Rys.2 Schematy mocowania płyt kamiennych w technologii "na sucho" a) płyty mocowane w na krawędziach poziomych, b) płyty mocowane na krawędziach pionowych. Oznaczenia: 1- tynk wewnętrzny, 2 -warstwa konstrukcyjna ściany, 3 - okładzina kamienna, 4 - pustka powietrzna, 5 - kotew nośna mocowana w fudze pionowej, 6 - termoizolacja ściany, 7- kotew stabilizująca, 8 - kotew nośna mocowana w fudze poziomej. Rys.3 Fasada wentylowana z ciężką okładziną elewacyjną. Oznaczenia: 1- płyta okładzinowa, 2- uchwyt mocujący płytę elewacyjną, 3- kotwa niewidoczna (tzw. tyłowkręt), 4- konsola nośna, 5- podkładka izolacyjna, 6- szyna rusztu (szczelina wentylująca), 7- termoizolacja, 8- tynk wewnętrzny, 9 -warstwa konstrukcyjna ściany. 3

4 Wymagania techniczne stawiane fasadom wentylowanym Fasady wentylowane stanowią wierzchnią warstwę ścian zewnętrznych. Poza ciężarem własnym muszą przenosić obciążenia środowiskowe oddziaływujące na okładzinę. W zakresie bezpieczeństwa konstrukcji fasady muszą spełniać wymagania dotyczące odporności na uderzenia, muszą także przenosić obciążenia wiatrem i temperaturą. W zakresie użytkowym fasady wentylowane są weryfikowane pod względem ich wodoszczelności, zdolności odprowadzania wody deszczowej i trwałości elementów składowych. Straty cieplne przez ściany zewnętrzne mają największy udział w stratach ciepła budynku, dlatego rozwiązanie materiałowe izolacji termicznej jest ważnym etapem projektowania budynków z fasadami wentylowanymi. Podstawowym kryterium określania izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych jest określany obliczeniowo współczynnik przenikania ciepła U. Według aktualnych wymagań maksymalne wartości współczynników przenikania ciepła U dla ścian nie powinny przekraczać wartości U= 0,25 [W/(m 2 K)]. W Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej [1] dopuszczalny współczynnik U maleje do wartości U= 0,23 [W/(m 2 K)] i w kolejnych latach nadal będzie obniżany do wartości pokazanych na rys.4. Czas trwania wymagań od do do ,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 Umax [W/(m2K)] Rys.4 Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej ścian graniczących z pomieszczeniami ogrzewanymi ( ti>16 o C) zawarte w [1]. Przy obliczaniu współczynnika ciepła U fasad wentylowanych nie uwzględnia się warstw zewnętrznych od strony przestrzeni wentylowanej przegrody oraz izolacyjności szczelin wentylacyjnych. Najważniejszą warstwą izolacyjną jest izolacja termiczna wykonywana najczęściej z wełny mineralnej, styropianu EPS, płyt XPS, płyt z pianki poliuretanowej lub z twardej pianki rezolowej. Miarą sprawności materiałów izolacyjnych jest współczynnik przewodności cieplnej λ. Zestawienie krzywych zależności pomiędzy grubością izolacji o różnych współczynnikach λ a współczynnikiem przenikania ciepła fasad wentylowanych pokazano na rys.5. 4

5 Przy określaniu współczynnika przenikania ciepła U fasad wentylowanych, zalecane jest zgodnie z [2] uwzględnienie niejednorodności (nieciągłości) warstw izolacyjnych elewacji wentylowanych. Przykładowo należy uwzględniać punktowe mostki termiczne występujące w miejscach zastosowania konsol mocujących podkonstrukcję warstw elewacyjnych (por. rys.3). 0,45 Umax [W/(m 2 K)] 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 λ = 0,038 [W/(m K)] λ = 0,035 [W/(m K)] λ = 0,034 [W/(m K)] λ = 0,031 [W/(m K)] λ = 0,021 [W/(m K)] λ = 0,02 [W/(m K)] 0,15 0,1 0,05 d [m] 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 Rys.5 Zależność między grubością termoizolacji o różnym współczynniku λ i uzyskanym obliczeniowo współczynnikiem przenikania ciepła U dla fasad wentylowanych mocowanych do ściany żelbetowej o grubości 20 cm bez uwzględnienia punktowych mostków termicznych. W sytuacjach wyjątkowych np. w warunkach pożaru fasady wentylowane powinny zapewnić bezpieczeństwo prowadzenia ewakuacji i pracy ekip ratowniczych. Fasady wentylowane powinny ograniczać rozprzestrzenianie się pożaru na sąsiednie kondygnacje budynku i sąsiadujące budynki. Zgodnie z [1] elementy okładzin elewacyjnych powinny być mocowane do konstrukcji budynku w sposób uniemożliwiający ich odpadanie w przypadku pożaru w czasie krótszym niż wynikający z wymaganej klasy odporności ogniowej dla ściany zewnętrznej, odpowiednio do klasy odporności pożarowej budynku, w którym są one zamocowane. Warstwy izolacji termicznej ścian zewnętrznych budynków podlegających klasyfikacji pożarowej powinny być wykonane z materiałów nierozprzestrzeniających ognia (NRO), a na wysokości budynku powyżej 25 m od poziomu terenu okładziny elewacyjne, ich zamocowanie, a także izolacja cieplna ściany zewnętrznej powinny być wykonane z materiałów niepalnych [1], [3]. 5

6 Wyjątek stanowią elewacje wentylowane ścian zewnętrznych budynków ZL II, w których dopuszcza się do wysokości 25 m od poziomu terenu, zastosowanie izolacji cieplnej palnej, jeżeli osłaniająca ją od wewnątrz okładzina jest niepalna i ma klasę odporności ogniowej co najmniej: 1) w budynku klasy odporności pożarowej B" - EI 60, 2) w budynku klasy odporności pożarowej C" i D" - EI 30. W praktyce oznacza to, że ściany z fasadami wentylowanymi powinny być izolowane termicznie materiałami niepalnymi (np. wełna mineralna) lub nierozprzestrzeniającymi ognia (np. płytami z piany rezolowej [4]). Zalecane materiały termoizolacyjne do fasad wentylowanych Tradycyjnie w fasadach wentylowanych stosowana jest wełna mineralna kamienna lub szklana. W celu poprawy jej parametrów użytkowych wełna przeznaczona do elewacji wentylowanych powinna być od zewnętrznej strony zabezpieczona warstwą wiatroizolacyjną. W zastosowaniach praktycznych najczęściej stosowana jest wełna pokryta fabrycznie welonem szklanym po stronie zewnętrznej. Nowym materiałem stosowanym do fasad wentylowanych są płyty z pianki rezolowej. Płyty izolacyjne mają postać twardej pianki na bazie rezoli w 100% wolnej od zawartości chloro- i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych (freonów CFC/HCFC). Twarda pianka rezolowa powstaje w procesie łączenia żywicy rezolowej, mocznika, węglanu wapnia, katalizatora i bezpiecznego dla środowiska środka spieniającego. Struktura komórkowa w żywicy powstaje pod wpływem temperatury uwalnianej podczas zachodzącej reakcji chemicznej. W rezultacie, środek spieniający zostaje zamknięty w masie surowca umożliwiając powstanie solidnej, bardzo delikatnej i prawie w 100% zamkniętej struktury komórkowej. Tradycyjnie rezole wchodziły w skład dawniej powszechnie stosowanych tworzyw sztucznych produkowanych pod nazwą bakelit. Bakelit był jednym z pierwszych tworzyw sztucznych wykorzystywanych do wytwarzania gniazdek elektrycznych i telefonów. Obecnie stosuje się go jako składnik klejów, farb kryjących, płyt wiórowych, MDF itp. Formułę twardą pianki na bazie rezoli opracowano jako lepsza alternatywa dla obecnie produkowanych materiałów izolacyjnich. Pianka rezolowa ma najniższą wartość współczynnika izolacyjności cieplnej na rynku (λ=0,020 0,021 W/(mK)) [5]. 6

7 Wpływ rozwiązania mocowania fasad wentylowanych na izolacyjność termiczną przegrody Grubość izolacji termicznych w ścianach z fasadami wentylowanymi ma bezpośredni wpływ na przekrój i rozstaw konsol mocujących i podpierających podkonstrukcję okładzin elewacyjnych. Układ konstrukcji wsporczej zależy od ciężaru elewacji, rozwiązania mocowania systemowego, czy koncepcji architektonicznej konkretnej fasady. Z tych powodów izolacyjność każdej przegrody z fasadą wentylowaną trzeba określać indywidualnie. Na podstawie przeprowadzonych analiz numerycznych trójwymiarowych modeli mostków termicznych stwierdzono znaczny spadek izolacyjności cieplnej ścian z uwzględnieniem strat cieplnych przez konstrukcję wsporczą w stosunku do analiz bez uwzględniania tego efektu [6], [7]. W celu określenia wpływu punktowego mostka termicznego w postaci zakotwienia zaleca się przeprowadzanie analiz MES dla modelu 3D mostka termicznego. Jako przykładową analizę punktowych mostków cieplnych w ścianach z okładziną kamienną przeprowadzono na przykładzie ściany zewnętrznej biurowca IBM w Katowicach. Rzeczywiste uwarstwienie ścian budynku i przykład równoważnego uwarstwienia z użyciem płyt rezolowych w analizowanym budynku pokazano na rys.6. Rys.6 Układ zakotwień płyty i uwarstwienie analizowanej przegrody: a) ściana izolowana wełną mineralną, b) ściana izolowana płytami rezolowymi. Oznaczenia: 1- żelbetowa ściana konstrukcyjna, 2- wełna mineralna, 3- wentylowana szczelina powietrzna, 4- płyta okładzinowa z piaskowca, 5- kotew nośna ze stali nierdzewnej, 6- płyta rezolowa. Analizę obliczeniową przepływu ciepła przez przegrodę przeprowadzono za pomocą programu Psi-Therm 3D Sprawdzono przepływ ciepła przez 1 m 2 przegrody przy założeniu stałych warunków brzegowych wewnątrz budynku i w szczelinie wentylowanej. Do obliczeń przyjęto różnicę temperatury środowiska wewnętrznego i zewnętrznego budynku równą 25 o C (+20 o C powietrze wewnętrzne i -5 o C powietrze w szczelinie wentylowanej). 7

8 Rozkład izoterm temperatur dla węzła kotwiącego z płaskownikiem ze stali nierdzewnej pokazanego na rys. 6b wraz z temperaturą kotwi na styku z zewnętrzną powierzchnią termoizolacji przedstawia rys.7. Rys.7 Rozkład izoterm temperaturowych w przegrodzie izolowanej płytami rezolowymi w modelu 3D. Zgodnie z [2] efekt punktowych mostków termicznych można obliczać wg wzoru (1): w którym: U ΔU U U U (1) c - współczynnik przenikania ciepła przegrody bez mostków [W/(m 2 K)], - poprawka do współczynnika przenikania ciepła uwzględniająca łączniki mechaniczne [W/(m 2 K)]. Zgodnie z [8] w analizach dokładnych poprawka do współczynnika przenikania ciepła uwzględniająca łączniki mechaniczne wyrażona jest wzorem (2): U n (2) f f w którym: nf - ilość łączników przypadających na 1 m 2 przegrody, 8

9 χ - punktowy współczynnik przenikania ciepła obliczany wg wzoru (3) []. gdzie: L3D U A (3) L 3 D i i - współczynnik sprzężenia cieplnego otrzymany z obliczenia komponentu 3-D [W/K], Ui - współczynnik przenikania ciepła komponentu 1-D [W/(m 2 K)], Ai - pole powierzchni komponentu[m 2 ], Na podstawie wzoru 2 i wzoru 3 przeprowadzono obliczenia poprawki do współczynnika przenikania ciepła ΔU uwzględniającej wpływ zakotwień na izolacyjność termiczną przykładowej ściany z okładziną kamienną, który wyniósł 0,033 [W/(m 2 K)]. Podsumowanie Zastosowanie izolacji termicznych o wysokim współczynniku izolacyjności cieplnej pozwala na znaczne zredukowanie grubości przegród zewnętrznych budynków. W analizowanym przykładzie ściana zewnętrzna przy identycznych parametrach izolacyjności cieplnej dzięki zastosowaniu wysokosprawnej izolacji termicznej była o 10 cm cieńsza. Ze względu na znaczną różnicę izolacyjności cieplnej wełny mineralnej i płyt rezolowych znacznie zmniejszył się także wysięg kotew nośnych (por. rys.6). W rozwiązaniu z wełną mineralną zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami przekrój kotwi wynosił 6/35mm, natomiast w rozwiązaniu z płytami rezolowymi 6/25 mm. Ma to wpływ nie tylko na koszt realizacji elewacji, ale także znacznie redukuje nakłady na robociznę przy osadzaniu zakotwienia. Zredukowany przekrój podpór i zakotwień pozwala też na zmniejszenie strat ciepła w budynkach z fasadami wentylowanymi. Jednakże ze względu na małą grubość izolacji istnieje ryzyko intensyfikacji strat ciepła przez mostki termiczne, dlatego w fazie projektowej zalecane jest określenie poprawki do współczynnika przenikania ciepła ΔU w oparciu o analizy 3D. Ze względu na indywidualny charakter każdej realizacji mocowania fasad wentylowanych, wpływ jej mocowania na izolacyjność cieplną ścian powinien być każdorazowo analizowany. Dla zredukowania wpływu punktowych mostków termicznych zalecane jest stosowanie podkładek ze spienionego PVC lub konsol kompozytowych. 9

10 Literatura 1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 (Dz. U. Nr 75, poz. 690) z późniejszymi zmianami. 2. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania. 3. Niziurska M., Wieczorek M.: Bezpieczeństwo pożarowe ścian zewnętrznych budynków. Izolacje 1/ Klasyfikacja ogniowa w zakresie rozprzestrzeniania ognia przez ściany przy działaniu ognia od strony elewacji 01284/15/Z00NP. ITB Warszawa Karta techniczna Kooltherm K Byrdy A.: Point thermal bridges in walls with external stone layer. Czasopismo techniczne 3-B/8/2014, Politechnika Krakowska Kraków 2014 ISSN p Patrika R., Kalousek M.: Spidi kotvy u provětrávaných fasád. XII th. International Conference Defects and Renovation of Building Envelope Structures. Podbanske 07th.- 09th. March 2012 p ISBN PN-EN ISO 10211:2008 Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe 10