Súčiniteľ prechodu tepla a vnútorná teplota odvetrávaných fasád
Kotviace systémy ťažkých budov, ktoré sú zvyčajne tvorené masívnou oceľovou konštrukciou, významne ovplyvňujú tepelnú ochranu budov, hlavne ich vplyvom na plnenie hygienického kritéria normy STN 73 0540-2, ako aj na výpočtovú hodnotu. koeficientu prestupu tepla na fasáde. Predložený článok sa zaoberá týmito dvoma tepelnými kritériami.
Úvod
V stavebnej praxi sa dnes pomerne často stretávame s výrazným narušením tepelnotechnických vlastností fragmentov obalových konštrukcií budov pomocou rôznych, napríklad oceľových kotviacich systémov. Pre stavebnú tepelnú techniku znamenajú výrazné zhoršenie tepelnotechnických parametrov. Príspevok tak prezentuje niektoré z možností jeho úprav vedúcich k zlepšeniu tepelnotechnických vlastností fragmentu, ktorý ovplyvňujú.
Popis fragmentov obvodovej steny
Predmetom analýzy sa stal klasický fragment obvodovej steny s vonkajšou povrchovou úpravou – obkladovým kameňom (tento sa ale v výpočtoch nezohľadňuje). Tvorí ho zvnútra omietnutá keramická tvarovka s hrúbkou 300 mm a tepelná izolácia MW s hrúbkou 120 mm, s celkovým tepelným odporom R = 4,45 m2.K/W (U = 0,214 W/(m2.K)). Alternatívne sa uvažovalo taktiež so skladbou č. 2 – omietnutý železobetón s hrúbkou 300 mm a tepelná izolácia XPS s hrúbkou hrúbky 150 mm, tepelný odpor R = 4,49 m2.K/W (U = 0,213 W/(m2.K)).
Do týchto dvoch fragmentov je následnej kotvená oceľová konštrukcia tvoriaca nosný podklad na zavesenie kamenného obkladu. Základný pohľadový rozmer oboch fragmentov (vzájomná vzdialenosť oceľových kotiev) sa definoval rozmerom 1000 × 1500 mm.
Popis analyzovanej oceľovej kotvy
Na analýzu sa použila oceľová kotva z konkrétnej realizácie bytového domu. Oceľová kotva je tvorená platňou rozmeru 340 × 350 mm (priľahlou ku stene) a hrúbkou 18 mm, na ktorú sú kolmo navarené dve platne 340 × 80 mm (nastojato) pokračujúce do tepelnej izolácie menšou výškou a rozmerom 180 × 172 mm (nastojato) až do exteriérovej vzduchovej dutiny, všetko hrúbky 18 mm. Súčiniteľ tepelnej vodivosti klasickej ocele je 50,0 W/(m.K), vo variantách 02, 03 a 04 nerezová oceľ s lambdou 17,0 W/(m.K). V základnom riešení sa jej konštrukcia realizovala s deviatimi skrutkami kotvenými do tehlového muriva (obr. 01).
Obr. 01 – Pohľady na realizovanú oceľovú kotvu v konštrukcii fragmentu steny
Geometrické a materiálové úpravy (varianty) oceľovej kotvy
Pre účely analýzy sa definovali nasledovné varianty oceľovej kotvy:
- varianta 01 – základné riešenie oceľovej kotvy, popísané v predchádzajucej kapitole,
- varianta 02 – varianta 01 + nerezová oceľ realizovaná v platniach kolmých na stenu,
- varianta 03 – varianta 01 + nerezová oceľ realizovaná v platni priľahlej ku stenu,
- varianta 04 – varianta 01 + nerezová oceľ realizovaná vo všetkých skrutkách,
- varianta 05 – varianta 01 + redukcia počtu oceľových skrutiek z 9 na 6 ks,
- varianta 06 – varianta 01 + redukcia počtu oceľových skrutiek z 9 na 4 ks,
- varianta 07 – varianta 01 + podložka THERMOSTOP pod priľahlou platňou, hrúbky 5 mm,
- varianta 08 – varianta 01 + podložka THERMOSTOP pod priľahlou platňou, hrúbky 10 mm,
- varianta 09 – varianta 01 + zmenšenie hrúbky kolmých platní z 18 na 9 mm,
- varianta 10 – varianta 01 + zmenšenie hrúbky priľahlých platní z 18 na 9 mm,
- varianta 11 – varianta 01 + použitie účinnejšej PIR v mieste kotvy, rozmeru 400 × 400 mm,
- varianta 12 – varianta 01 + zväčšenie osových vzdialeností kotiev, z 1500 mm na 2000 mm.
Analýza – porovnanie U hodnoty a vnútorných povrchových teplôt
Úplná číselná analýza dosahovaných výsledkov U hodnoty i vnútorných povrchových teplôt pre obe verzie fragmentu TEHLA i ŽELEZOBETÓN je realizovaná v tabuľke 01.
Tabuľka 01 – Porovnávacia tabuľka výpočtových veličin pre verziu TEHLA i ŽELEZOBETÓN
Obrázok 02 dokumentuje porovnanie hodnôt súčiniteľa prechodu tepla Ukotvove pre jednotlivé varianty riešenia pri verzii fragmentu TEHLA. Ako je vidieť, oceľová kotva ju výrazným, negatívnym spôsobom ovplyvňuje, pričom dosahuje hodnoty 0,241 až 0,295 W/(m2.K), čo znamená nárast jej hodnoty až o takmer 40 % (presnejšie 12,4–37,6 %).
Obr. 02 – Súčiniteľ prechodu tepla pre varianty riešenia kotvenia – verzia TEHLA
Obrázok 03 dokumentuje porovnanie vnútorných povrchových teplôt pre jednotlivé varianty riešenia pri verzii fragmentu TEHLA. Ako je vidieť, oceľová kotva v tomto prípade ovplyvňuje vnútorné povrchové teploty výrazne, podobne ako tomu bolo pri hodnotách súčiniteľa prechodu tepla, pričom pokles dosahuje hodnoty reálne medzi 1,83 až 3,17 K. Vzhľadom na vnútornú povrchovú teplotu v mieste kotvy na úrovni +15,1 °C až 16,6 °C, voči čistému fragmentu s hodnotou +18,38 °C tak ide o naozaj významný vplyv, ktorý sa môže ešte viac prejaviť najmä v prípade 3D konštrukčných detailov, kde je kombináciou s ďalšimi nepriaznivými faktormi, ako sú napríklad geometrické a najmä materiálové tepelné mosty.
Obr. 03 – Vnútorná povrchová teplota pre varianty riešenia kotvenia – verzia TEHLA
Obrázok 04 dokumentuje porovnanie hodnôt súčiniteľa prechodu tepla Ukotvove pre jednotlivé varianty riešenia pri verzii fragmentu ŽELEZOBETÓN. Ako je vidieť, oceľová kotva ju veľmi výrazným, negatívnym spôsobom ovplyvňuje, pričom dosahuje pomerne vysoké hodnoty – 0,384 až 0,486 W/(m2.K), čo znamená výrazný nárast jej hodnoty až na viac ako dvojnásobok pôvodnej, „fragmentovej“ hodnoty (80,2–128,4 %).
Obr. 04 – Súčiniteľ prechodu tepla pre varianty riešenia kotvenia – verzia ŽELEZOBETÓN
Obrázok 05 dokumentuje porovnanie vnútorných povrchových teplôt pre jednotlivé varianty riešenia pri verzii fragmentu ŽELEZOBETÓN. Ako je vidieť, oceľová kotva v tomto prípade ovplyvňuje teploty menej výrazne ako tomu bolo pri hodnotách súčiniteľa prechodu tepla, pričom pokles dosahuje hodnoty reálne medzi 2,97 až 4,22 K. Vzhľadom na vnútornú povrchovú teplotu v mieste kotvy na úrovni +14,2 °C až 15,4 °C, voči čistému fragmentu s hodnotou +18,39 °C tak ide o naozaj veľmi významný vplyv, ktorý sa môže ešte viac prejaviť najmä v prípade realizácie 3D konštrukčných detailov, kde je kombináciou s ďalšími nepriaznivými faktormi, ako sú napríklad geometrické a najmä materiálové tepelné mosty.
Obr. 05 – Vnútorná povrchová teplota pre varianty riešenia kotvenia – verzia ŽELEZOBETÓN
Závery
Najúčinnejším riešením pri verzii fragmentu TEHLA je z hľadiska znižovania hodnoty súčiniteľa prechodu tepla výrazné zväčšovanie osovej vzdialenosti medzi kotvami a pre vnútornú povrchovú teplotu výrazná redukcia počtu skrutiek v nosnej konštrukcii steny (z 9 na 4). Podobne aj kombinovaním viacerých ďalších variant riešenia kotvy možno dosiahnuť želaný výsledok. Ukazuje sa však, že bez „prispenia“ výrazného zvýšenia tepelnej izolácie fragmentu (rádovo o niekoľko desiatok milimetrov) to nepôjde.
Najúčinnejším riešením pri verzii fragmentu ŽELEZOBETÓN je z hľadiska znižovania hodnoty súčiniteľa prechodu tepla taktiež zväčšovanie osovej vzdialenosti medzi kotvami a pre vnútornú povrchovú teplotu použitie nerezu v platniach kolmých ku stene. Podobne aj kombinovaním viacerých parametrov riešenia kotvy možno dosiahnuť želaný výsledok. Rovnako, ako pri verzii TEHLA sa ukazuje (tu snáď ešte citeľnejšie), že bez „prispenia“ výrazného zvýšenia tepelnej izolácie fragmentu (o niekoľko desiatok milimetrov) to nepôjde.
Naopak takmer nulový (vo fragmente TEHLA doslova) účinok (formou tepelného toku – U hodnoty) v oboch prípadoch riešenia fragmentov má úprava hrúbky ocele v platni priľahlej ku stene. Minimálny účinok (do cca 4 %) ešte majú pri TEHLE varianty doplnkových PIR dosiek, použitie nerezovej ocele v platni priľahlej ku stene a aplikácia prvku thermostop hrúbky 5 mm. Pri ŽELEZOBETÓNE sa ukazujú byť minimálne účinné oceľové skrutky v stene (znížením ich počtu i nerezom v nich), ako aj doplnkové PIR dosky a použitie nerezu v oceli priľahlej ku stene (všetko do cca 4 %).
Poďakovanie
Tento výskum bol podporený Vedeckou grantovou agentúrou MŠVVŠ SR a SAV podľa VEGA 1/0113/19 a Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-16-0126.
Literatúra
- STN 73 0540-2, 2012: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 2: Funkčné požiadavky. Júl 2012,
- STN 73 0540-3, 2012: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov. Júl 2012,
- STN EN ISO 14683: Tepelné mosty v stavebných konštrukciách. Lineárny stratový súčiniteľ. Zjednodušené metódy a orientačné hodnoty, Júl 2007,
- STN EN ISO 10211: Tepelné mosty v budovách pozemných stavieb. Tepelné toky a povrchové teploty. Podrobné výpočty, August 2008,
- CFD simulačný výpočtový program FLOVENT 9.1, www.flovent.com.
Anchoring systems of heavy buildings, which are usually made up of a massive steel construction, significantly influence thermal protection of buildings, mainly by their effect on the fulfilment of hygienic criterion of the standard STN 73 0540-2, as well as on the calculation value of the façade’s heat transfer coefficient. Submitted article deals with these two thermal criteria.