Zatepľovanie vysunutých balkónových dosiek pomocou nosných prvkov Isokorb
verzus ich tepelnotechnická kvantifikácia v zmysle STN
Aktuálne trendy vo vývoji stavebníctva poukazujú na neustále zdokonaľovanie sa v oblasti materiálovej bázy, bázy konštrukčného návrhu jednotlivých častí budov, ako aj ich samotného celku. Predložený príspevok pojednáva o špecifickej problematike konštrukčného vyhotovenia detailu balkónovej dosky s použitím prerušeného tepelného mostu – tepelnej izolácie s prechádzajúcou oceľovou výstužou v porovnaní s „klasickým riešením“, tepelným zaizolovaním celej balkónovej dosky. Popri špecifikách ich konštrukčného riešenia poukazuje najmä na problematiku zvýšených tepelných strát a splnenie hygienického kritéria tohto 3D konštrukčného detailu v nadväznosti na tepelnú ochranu a minimalizáciu energetickej náročnosti budovy (vplyvom jej obálky). Dostupnými metódami sa v závere snaží kvantifikovať tento problém aj nadväznosti na tepelnotechnické parametre obalovej konštrukcie budovy.
Opis 3D konštrukčného detailu, materiálová báza, geometria
Pri snahe po čo najväčšom znižovaní tepelných strát obálkou budovy aplikáciou špeciálnych konštrukčných prvkov je jedným z najznámejších systémov v štandardnej aplikácii stavebných výrobkov „balkónový“ prvok prerušenia tepelných mostov – Isokorb.
Pre potreby komplexnejšej analýzy sa definoval typický 3D konštrukčný detail vyhotovenia takejto balkónovej dosky pomocou prerušenia tepelného mosta vložením prvku Isokorb (obr. 2). Konštrukčný výpočtový detail bol šírkovo definovaný bežným metrom, korešpondujúcim práve s jedným prvkom Isokorb, výškovo potom rešpektujúc všeobecne pravidlá posudzovania konštrukčných detailov v zmysle napríklad STN EN ISO 10211 [4], t.j. čistým fragmentom výšky 1,0 m (hore aj dole) – spolu tak aj konštrukciou stropu a prievlaku hodnotou 2,525 m (kolmá, výpočtovo-teplovýmenná plocha detailu je 2,525 m2) – obr. 1.
Obr.1 – Konštrukcia 3D detailu – geometrické parametre modelu
Materiálová báza konštrukčného detailu bola definovaná nasledovnými súčiniteľmi tepelnej vodivosti v zmysle značenia z obrázku 1:
| Materiál č. | Súčiniteľ tepelnej vodivosti [W/(m.K)] |
|---|---|
| 1 XPS | 0,035 |
| 2 plastová kapotáž | 0,220 |
| 4 betón | 1,30 |
| 5 oceľ | 50,00 |
| 6 minerálna vlna | 0,042 |
| 7 betónová mazanina | 1,16 |
| 8 EPS | 0,040 |
Konštrukčný detail balkóna bol následne pre stanovenie súčiniteľa tepelnej vodivosti izolačnej časti Isokorbu alternovaný v závislosti od hrúbky tepelnej izolácie (materiál č.8) fragmentu steny (rozpätie 50 až 300 mm s krokom po 50 mm) a súčiniteľa tepelnej vodivosti nosnej časti tohto fragmentu (od 0,10 po 0,21 W/(m.K) s krokom po 0,020 a 0,030) – materiál č. 3.
Obr. 2 – Konštrukcia prvku Isokorb – realistické zobrazenie kritickej časti detailuPre výpočet tepelnej straty a od nej sa odvíjajúceho súčiniteľa prechodu tepla U3D, detail bol použitý výpočtový CFD program FLOVENT 9.1 [5]. V tomto programe bol namodelovaný konštrukčný detail balkónovej dosky aj s presným umiestnením, rozložením oceľovej výstuže (rôznej dimenzie) stropnej dosky, aj samotného Isokorbu (spolu s ďalšími jeho konštrukčnými prvkami – okapotovanie, plastové prvky a samotný tepelný izolant podľa projektovej dokumentácie – výpočtová schéma z Floventu – obr. 3).
Obr. 3 – Konštrukcia prvku Isokorb – model z výpočtového programu FLOVENT 9.1Vyhodnotenie 3D konštrukčného detailu – tepelné straty
V tabuľkách 1 až 6 sú spracované výsledky podrobnej analýzy 3D konštrukčného detailu balkónovej dosky s konštrukčným riešením Isokorb.
Tabuľka 1 uvádza hodnoty súčiniteľa prechodu tepla čistého fragmentu obvodovej steny, priľahlej ku balkónovej konštrukcii. Tabuľka 2 uvádza hodnoty súčiniteľa prechodu tepla konštrukčného detailu balkóna s uvažovaním lambdy XPS bez vplyvu oceľovej výstuže. Tabuľka 3 vyjadruje celkovú tepelnú stratu konštrukčného 3D detailu s reálnym započítaním prvku Isokorb, následne k tomu je v tabuľke 4 odvodený súčiniteľ tepelnej vodivosti toho istého konštrukčného riešenia detailu. Nadväzujúc, je potom v tabuľke 5 určená experimentálnym stanovením ekvivalentná hodnota súčiniteľa tepelnej vodivosti materiálu XPS. Tabuľka 6 dokumentuje reálny účinok zvýšenej tepelnej straty 3D detailu cez nárast tepelnej straty tohto detailu voči čistému fragmentu. Vzhľadom na pokrytie reálnych variácií hrúbok tepelných izolácií v súčinnosti s tepelnotechnickými vlastnosťami nosnej časti obvodovej steny je finálne spracovanie uskutočnené spolu pre spolu 30 kombinácií týchto konštrukčno-materiálových riešení.
Tab. 1 – U hodnota čistého fragmentu obvodovej steny
Tab. 2 – U hodnota 3D detailu s uvažovaním čistého izolantu XPS
Tab. 3 – Tepelná strata 3D detailu s uvažovaním prvku ISOKORB
Tab. 4 – U hodnota 3D detailu s uvažovaním prvku Isokorb
Tab. 5 – Reálna hodnota lambdy izolantu XPS - vzhľadom na tepelnú stratu
Tab. 6 – Percentuálny nárast tepelnej straty prechodom tepla 3D detailu voči čistému fragmentu
Z týchto tabuľkových výstupov je zrejmé, že hodnota súčiniteľa tepelnej vodivosti tepelnej izolácie XPS sa vplyvom oceľových prútov zvyšuje z optimálnych, pôvodných 0,035 W/(m.K) na približne trojnásobné hodnoty, až v úrovni hodnôt okolo 0,125 W/(m.K). Toto následne spôsobuje nárast tepelnej straty prechodom tepla (PT) až na úrovni 28,5 % (pri najvyššej miere zateplenia fragmentu a najnižšej lambde muriva za tepelnou izoláciou), pri bežnejších kombináciach na úrovni cca 20,0 %.
Na stavebnom trhu sa dnes nachádza veľké množstvo alternatívnych riešení tohto tepelného mosta, vyhotovenia samotného Isokorbu, s rôznym tvarovaním, polohovaním nosnej oceľovej výstuže, širky tepelnoizolačnej zóny, tieto percentuálne hodnoty sa tak môžu mierne odlišovať, či už smerom nahor, alebo nadol – naprieč týmito alternáciami.
Vyhodnotenie 3D konštrukčného detailu – hygienické kritérium
Obr. 4 – Vnútorné povrchové teploty konštrukčného detailu s aplikáciou Isokorb – FLOVENT
Predmetný 3D konštrukčný detail bol následne podrobený normovému posúdeniu STN 73 0540-2: 2012 [1] z hľadiska naplnenia požiadavky na hygienické kritérium. Podľa obr. 4 možno konštatovať naplnenie požiadavky normy v plnom rozsahu. Oceľová konštrukcia prechádzajúca naprieč tepelnou izoláciou na rozdiel od vplyvu na tepelnú stratu, kde sa jej účinok ukazuje ako pomerne významný, nespôsobuje takmer žiadne teplotné odchýlky voči miestam bez tejto priečnej výstuže a povrchová teplota je výrazne nad kritériom normy, danou pri štandardných okrajových podmienkach hodnotou +13,1 °C (minimálna povrchová teplota detailu je +14,9 °C). Konštrukčný detail sa pre toto posúdenie uvažoval v alternácii lambda nosnej konštrukcie steny λnosná,stena = 0,100 W/(m.K) a hrúbka tepelnej izolácie fragmentu hTI = 50 mm.
Závery a vyhodnotenie
Hodnotením konštrukčného 3D detailu s riešením Isokorb z hľadiska tepelnej ochrany (a tak aj snahe o napĺňanie snahy o cestu k budovám s takmer nulovou potrebou energie) možno konštatovať istý vplyv jeho zabudovanej oceľovej konštrukcie, ktorá sa prejavuje zvýšením ekvivalentnej hodnoty súčiniteľa tepelnej vodivosti XPS až nad hodnoty 0,120 W/(m.K). Toto zároveň spôsobuje nárast tepelnej straty detailu voči fragmentu v rozpätí o 9,3 až 28,5 % (v závislosti od materiálového vyhotovenia a hrúbky tepelnej izolácie fragmentu). Treba ale pripomenúť, že obdobné riešenie tohto detailu bez isokorbu, so zateplením presahujúcej železobetónovej balkónovej dosky (80 mm dole a v čele, 50 mm v podlahe) dosahuje výraznejší nárast tepelnej straty voči fragmentu o 33,2 až 109,4 % – t.j. podstatne väčší nárast tepelnej straty ako tomu bolo v prípade varianty Isokorbu. Samozrejme, v celobudovovom ponímaní sa môže tento účinok do určitej miery ešte eliminovať.
Pri hygienickom kritériu možno konštatovať optimálne, vyhovujúce hodnoty vnútorných povrchových teplôt a tak aj naplnenia tohto kritéria s rezervou na úrovni približne 1,0 až 2,0 °C. Bodový element oceľovej výstuže sa tu prejavuje v naozaj minimálnej miere, účinku.
Toto konštrukčné riešenie balkónovej dosky je tak i pri náraste λXPS,ekv naozaj vhodným technickým riešením tejto kritickej časti obalovej konštrukcie budovy, s takmer štvrtinovým nárastom tepelnej straty prechodu tepla voči rovnakému spôsobu zateplenia tohto 3D detailu bez uvažovania (započítavania) oceľových prútov v mieste tepelnej izolácie.
Literatúra
- [1] STN 73 0540-2, 2012: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 2: Funkčné požiadavky. Júl 2012,
- [2] STN 73 0540-3, 2012: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov. Júl 2012,
- [3] STN EN ISO 14683: Tepelné mosty v stavebných konštrukciách. Lineárny stratový súčiniteľ. Zjednodušené metódy a orientačné hodnoty, Júl 2007,
- [4] STN EN ISO 10211: Tepelné mosty v budovách pozemných stavieb. Tepelné toky a povrchové teploty. Podrobné výpočty, August 2008,
- [5] CFD simulačný výpočtový program FLOVENT 9.1, www.flovent.com,
- [6] Program THERM 7.0 pre posudzovanie plošných teplotných polí, http://windows.lbl.gov/.
The thermal performance of any building component is the result not only of its thermo-physical properties but also of a way of final installation and connections altogether of their all elements. In addition, thermal leakage and bridging in buildings can eventually contribute to a multitude of problems. The thermal bridge is the place in the building envelope through which heat transfer has a multi-dimensional nature. That is why in recent studies, the issue of heat transfer phenomena in the building components has been taken as a multi-dimensional into account more frequently. One of the specific details that create thermal leakage is located in balcony slabs. This paper is focused on advanced analysis of thermal performance of thermal break element applied in balcony slab with parametric correlation to the thermal properties of wall building envelope. Particular cases of commonly used balcony systems in buildings are observed related to multi-dimensional and parametric approach of modeling. Finally a finding of many aspects, such as building geometry, thermal properties variation and structural type importance are observed as certain influence to thermal bridges magnitude and final thermal performance of balcony slab detail.