Kotevní systémy předsazených konstrukcí s termickým přerušením
Vzhledem ke zvyšování požadavků na energetickou úsporu staveb jsou dnes časté aplikace kontaktních zateplovacích systému na venkovních fasádách. Konstrukce, které vystupují před fasádu a plní nosnou funkci, je nutné dostatečně kotvit k obvodovým nosným konstrukcím. Vedle únosnosti je důležitým faktorem optimální řešení tepelných mostů v kotvícím sytému. Na trhu je dostupných několik variant kotevních systémů s řešením problematiky tepelných mostů. Tento článek představuje současně dostupná řešení a prezentuje experimentální výsledky vybraného kotevního systému.
1. Úvod
V současné době jsou nejen na českém trhu dostupné různé prvky určené ke kotvení navazujících konstrukčních prvků a předmětů na fasády s kontaktním zateplovacím systémem. Kotevní systémy bez tepelného izolantu pro řešení tepelného mostu ve stavebních konstrukcích podléhají typickým problémům, jako jsou např.: riziko růstu plísní, riziko nepříznivého ovlivnění zdraví obyvatel (alergie atd.), nebezpečí povrchové kondenzace vodní páry, zvýšená tepelná ztráta ochlazovanou konstrukcí. Kovové části kotvících systémů mohou při nedostatečné údržbě podléhat korozi a postupně tak ztrácet svoji statickou funkci. Výše zmíněné skutečnosti jsou příčinami problémů v únosnosti a tepelně-technických vlastnostech těchto kotevních systémů.
Kotevní systémy je možné použít pro uchycení konstrukcí, které plní nosnou funkci, například balkony, venkovní schodiště, pergoly a jiné externí prutové konstrukce. Kotvení je také možné aplikovat pro doplňkové nenosné prvky, např. vchodové stříšky, zábradlí, slunolamy, stínící prvky, okapové svody, okenice, venkovní nerezové komíny, satelity, solární a fotovoltaické panely, tepelná čerpadla a jiná technologická zařízení budov.
2. Současně dostupné kotvící systémy
Prvním příkladem je kotevní prvek, který upevňuje jak předsazenou konstrukci, tak samotnou tepelnou izolaci. Základem tohoto řešení je samořezný kužel z vysokopevnostního plastu vyztužený skelnými vlákny, který vhodně řeší problematiku tepelných mostů, viz obr. 1. Kužel se při montáži zafrézuje přímo do izolační vrstvy. Kotevní tyč se vlepí pomocí injektážního systému do dutých nebo plných cihel, pórobetonu a betonu. Výhodou těchto kotev je geometrická variabilita připojovaných bodů. Systém je vhodný pro kotvení lehčích předsazených konstrukcí, jako jsou markýzy, přístřešky, apod.
Obr. 1. Aplikace systému se samořezným kuželem
Obr. 2. Výrobní řada kotevních systémů s kovovými tyčemi
Dalším příkladem je řada nosných prvků pro termické přerušení materiálových přechodů beton-beton, beton-ocel nebo ocel-ocel, viz obr. 2. Tyto kotevní prvky oddělují termicky od budovy různé stavební konstrukce, jako jsou např. balkóny, atiky nebo markýzy, a zároveň plní statickou funkci. Tepelný izolant tvoří tvrzený pěnový polystyren. Kovová část kotevního systému je průběžná, což nezajišťuje dokonalé termické přerušení. Nicméně plocha nerezových částí je poměrně malá a řešení tepelných mostů je tedy vhodné. Únosnost tohoto kotvení je vysoká.
Obr. 3. Aplikace systému kotevního systému se speciální nosnou konstrukcí
Třetí příklad kotevního systému je speciální nosná konstrukce, která je zalita do tuhé polyuretanové pěny. Aplikace tohoto typu kotvení je uvedena na obr. 3. Kotevní systém obsahuje hliníkovou desku pro připevnění kotveného prvky a desku z fenolové pryskyřice (HPL), která zajišťuje optimální rozložení tlaku na povrchu prvku. Mezi ocelovou konstrukcí a hliníkovou deskou jsou upevněny polyamidové tyče, které jsou dostatečné únosné a zároveň vhodné pro termické přerušení. Tento systém vhodně řeší problematiku tepelných mostů a je dostatečně únosný pro kotvení nosných předsazených konstrukcí. Výhodou je také variabilita otvorů pro připojení kotvené konstrukce, které se do hliníkové a HPL desky provádí přímo na staveništi.
Čtvrtý kotevní systém (obr. 4. a 5.) využívá velmi dobrých mechanických i tepelně-izolačních vlastností inovativní termoplastické pěny na bázi polymeru styrenu. Dále kotevní prvek obsahuje nerezové závitové tyče, které se na jedné straně připevní pomocí chemických kotev k nosné konstrukci. Na druhou stranu závitových tyčí je připojena polyamidová deska. Do této desky se poté vytvoří otvory se závity pro kotvení předsazené konstrukce např. prostřednictvím čelní desky. Otvory se mohou umístit libovolně v ploše polyamidové desky a umožňují tak variabilitu kotevních bodů. Na zadní straně je kotevní prvek opatřen plechem a snižuje tak riziko protlačení tlakově namáhaných závitových tyčí do materiálu nosné konstrukce.
Obr. 4. Kotevní prvek se závitovými tyčemi, polyamidovou deskou a termoplastickou pěnou na bázi polymeru styrenu
Obr. 5. Aplikace systému závitovými tyčemi, polyamidovou deskou a termoplastickou pěnou na bázi polymeru styrenu
Tento systém je díky konstrukci ze závitových tyčí, které spolupůsobí s pevnou izolační hmotou a polyamidovou deskou velmi únosný. Zároveň je úplně přerušen tepelný most v místě polyamidové desky.
Obr. 6. Kotevní prvek s nerezovou příhradovinou a polyamidovou deskou
Poslední systém (obr. 6.) tvoří nerezová příhradovina, která je jádrem kotevního prvku. Příhradovina je následně zapěněna polyuretanovou hmotou. Stejně jako v předchozím případě se konce příhradoviny na jedné straně připevní pomocí chemických kotev k nosné konstrukci a na druhé straně je připojena polyamidová deska. Výhody tohoto systému jsou shodné s předchozí variantou kotvení. Očekává se ale ještě vyšší únosnost.
Obě posledně uvedené varianty kotevního systému vznikly v rámci řešení projektu TAČR Zéta TJ01000432 – „Kotevní prvek s přerušením tepelného mostu umožňující variabilní aplikace“ a jsou chráněny užitnými vzory CZ 32939 a CZ 32940 – Kotevní prvek s přerušením tepelného mostu.
3. Experimentální ověření únosnosti kotevních prvků
V souvislosti s řešením výše uvedeného projektu TAČR byly provedeny mechanické zatěžovací zkoušky obou zmíněných variant kotevního systému.
Základní rozměry testovaných kotevních prvků jsou u obou případů totožné. Šířka a výška prvků je taktéž shodná 200 mm, délka je poté 300 mm. Nerezové závitové tyče jsou s metrickým závitem M12 a jejich rozmístění je symetrické, tzn. 50 mm od okrajů a roztečí 100 mm mezi dvojicí tyčí. Tloušťka polyamidové desky je 50 mm. Závitová tyč je v polyamidové desce zašroubována na délku 20 mm.
Při experimentech byly kotevní prvky zatěžovány posouvající silou a ohybovým momentem. Posouvající síla byla do kotevního prvku vnášena pomocí hydraulického válce přes ocelovou čelní desku. Ohybový moment byl ve zkušebním vzorku vyvolán silou na rameni 600 mm přes ocelovou konzolu s čelním plechem.
Zkušební vzorky jsou označeny písmeny R v případě kotevního prvku s příhradovou částí a M v případě prvku se čtyřmi závitovými tyčemi. Vzorek R byl zkoušen bez polyuretanové hmoty, a proto je možné očekávat mírně konzervativní výsledky v porovnání se zapěněným prvkem.
Obr. 7. Schematické znázornění mechanických zkoušek – zatížení posouvající silou (vlevo) a ohybovým momentem (vpravo)
Obr. 8. Kotevní prvek M v průběhu mechanické zkoušky – zatížení posouvající silou
Obr. 9. Kotevní prvek M v průběhu mechanické zkoušky – zatížení ohybovým momentem
Obr. 10. Průběhy závislostí svislých posunů na působící síle při zatížení posouvající silou
Obr. 11. Průběhy závislostí svislých posunů na působící síle při zatížení ohybovým momentem
Obrázky 10 a 11 prezentují průběhy svislých posunů čela kotevního prvku (polyamidová deska) v závislosti na působící síle, resp. ohybovém momentu. V případě zatížení ohybovým momentem působí svislá síla na rameni 600 mm. Z těchto grafů je patrná očekávaná vyšší únosnost vzorků s označením R, tedy kotevní prvek s příhradovou konstrukcí. Toto platí pro oba způsoby zatěžování, posouvající silou i ohybovým momentem.
4. Závěr
Příspěvek prezentuje současně dostupná řešení kotevních systémů předsazených konstrukcí s termickým přerušením. V textu jsou dále popsána inovativní řešení kotevního systému s úplným termickým přerušením tepelného mostu s přispěním tepelně-technických vlastností polyamidové desky. Tato inovativní řešení současně umožňují vysokou variabilitu v uchycení externí konstrukce ke kotevnímu prvku. Experimentální výsledky prezentují vysokou únosnost obou inovativních řešení kotevních prvků, které jsou chráněny užitnými vzory. Z pohledu mezního stavu použitelnosti je vhodné definovat maximální svislý posun čela kotevního prvku z důvodu tvorby trhlin na vnější omítce. Možným řešením je omezení maximálního svislého posunu čela kotevního prvku na 3 mm.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za finanční podpory TAČR v rámci projektu TJ01000432 – Kotevní prvek s přerušením tepelného mostu umožňující variabilní aplikace.
The application of external wall insulation systems is frequent today due to the increasing demand for energy saving in buildings. The structures attached in front of the facade fulfilling the supporting function must be sufficiently anchored to the external load-bearing structures. The thermal bridges solution in the anchoring system is an important factor beyond the bearing capacity. Several variants of anchor systems are available on the market to deal with thermal bridges. This article introduces the currently available solutions and presents experimental results of the selected anchoring system.