Porovnání kotevních prvků pro stabilizaci povlakové hydroizolace plochých střech
Článek se zabývá problematikou mechanicky kotvených povlakových hydroizolací střech. Součástí článku je také uveřejnění výsledků provedených experimentálních měření na kotevních prvcích, které jsou určeny k mechanickému kotvení plochých střech.
Abstrakt
Stabilizace povlakových hydroizolací střech pomocí technologie mechanického kotvení se řadí mezi nejčastěji užívanou technologii, a to nejenom v České republice. S rostoucím počtem realizací se v praxi stále objevují vady u těchto druhů střech, které jsou v častých případech zapříčiněny selháním samotných kotevních prvků.
Cílem příspěvku je uveřejnit výsledky experimentálního měření a provést statistickou analýzu únosnosti vybraných kotevních prvků dodávaných na českém stavebním trhu, nalézt možnou příčinu havárií mechanicky kotvených střech a zhodnotit možné dopady na návrh mechanicky kotvených systémů.
1. Úvod
Navrhování mechanického kotvení hydroizolace plochých střech vychází z metodiky řídícího pokynu ETAG 006, který definuje sestavy mechanicky kotvených povlakových hydroizolací jako systém. Tento systém se skládá z nosného podkladu, tepelně izolační vrstvy, kotevních prvků a povlakové hydroizolační vrstvy. [5]
ETAG 006 je nejenom pokynem jak navrhovat mechanicky kotvené systémy plochých střech (dále jen „MEFAWAME“)1, ale slouží jako návod, jak tyto systémy testovat a tím tak vytvářet podklady (ETA) pro bezchybný a spolehlivý návrh. Zmiňovaný řídící pokyn rozlišuje tři druhy zkoušek: výtažná zkouška na stavbě, zkouška skutečného měřítka a zkouška malého měřítka. [1]
2. Výtažná zkouška na stavbě
Obrázek 1
Výtažné zkoušky se řadí mezi zkoušky in-situ. Cílem těchto zkoušek je prokázat únosnost kotevního prvku v kombinaci s konkrétním podkladem. Výtažné zkoušky jsou prováděny v případech, kdy je neznámá nebo nejistá únosnost podkladu, do kterého se bude kotvit. Metodika definovaná v ETAG 006 předepisuje provést v ploše střechy minimálně 6 výtažných zkoušek na 5000 m2. Z těchto výtažných zkoušek musí být alespoň polovina zkoušek provedena v místech, kde se předpokládá největší namáhání sáním větru – tedy v místech nároží a okrajů střech. Před započetím samotného zkoušení je nutné odstranit všechny vrstvy střešního pláště, které mohou mít vliv na výtažné zkoušky. Následně se do podkladu zakotví konkrétní typ kotevního prvku způsobem, který bude užit při realizaci. Pro měření se užívá mobilních měřících přístrojů – princip výtažných zkoušek je zobrazen na obrázku 1.
Výstupy z těchto zkoušek tvoří podklad pro návrh MEFAWAME. Získaná průměrná hodnota z výtažných zkoušek se následně snižuje součinitelem bezpečnosti, který se liší podle druhu podkladu.
3. Zkouška skutečného měřítka
Druhou z řad zkoušek je tzv. zkouška skutečného (někdy též zvaného „velkého“) měřítka. Zkouška skutečného měřítka spočívá v testování celého střešního systému tvořeného povlakovou hydroizolací, tepelnou izolací, kotevním prvkem a podkladem. Celý segment souvrství je testován v tzv. tlakové komoře, která simuluje nárazy sání větru. [1]
Výstupem zkoušky je hodnota Wadm [N], což je maximální dovolené namáhání na jeden kotevní prvek konkrétního MEFAWAME. Nutno podotknout, že z pohledu ČSN EN 1990 je zkouška skutečného měřítka jediným směrodatným ukazatelem vhodnosti použitého MEFAWAME. [1] Cenová náročnost jedné zkoušky se pohybuje v řádu tisíců euro, i proto je na českém trhu jen malá škála výrobců/dodavatelů, kteří vlastní výsledky zkoušek skutečného měřítka.
4. Zkouška malého měřítka
Metodika návrhu MEFAWAME podle ETAG 006 připouští záměnu některých složek či způsobu provádění zkoušeného systému oproti zkoušce skutečného měřítka. [1] Je možné vyměnit např. povlakovou hydroizolaci, kotevní prvek či tloušťku podkladního plechu nebo způsob svaření povlakové hydroizolace.
Aby bylo možné zaměňovat dané složky v již dříve otestovaném systému, je bezpodmínečně nutné znát charakteristiky složek, které jsou v MEFAWAME zaměňovány. I v tomto ohledu ETAG 006 popisuje typy a způsoby zkoušení jednotlivých prvků MEFAME. Výstupy zkoušek malého měřítka slouží ke stanovení tzv. korelačního součinitele k [–]. Ten následně vstupuje do výpočtu hodnoty návrhového zatížení na jeden kotevní prvek Wadm.
(1.10)
kde je
- Xnc
- – charakteristická vlastnost složky v nové kombinaci
- Xoc
- – charakteristická vlastnost složky ve staré kombinaci, která byla použita u zkoušky skutečného měřítka
(1.20)
kde je
- Wadm,nc
- – návrhové zatížení na jeden kotevní prvek v nové kombinaci „new combination“,
- k
- – korelační součinitel získaný ze zkoušky malého měřítka,
- Wadm,oc
- – dovolené zatížení na jeden kotevní prvek získané ze zkoušky skutečného měřítka „old combination“.
Korelační součinitel je bezrozměrná jednotka. Můžeme říct, že se jedná o jakýsi poměr posuzovaných odolností měněné složky a původní složky systému. Výpočet korelačního součinitele je uveden na ilustračním příkladu změny typu kotevního prvku v MEFAWAME.
4.1 Ilustrativní příklad užití korelačního součinitele k
V projektu ploché střechy byla navržena mechanicky kotvená povlaková hydroizolace, která má z výsledků zkoušek skutečného měřítka návrhovou únosnost Wadm = 620 N/kotevní prvek v kombinaci s kotevním prvkem A a podkladem z trapézového plechu tl. 0,75 mm. Dodavatel stavby zvolil pro aplikaci jiný typ kotevních prvků B.
Pro bezchybný návrh je podmínkou nalézt požadované výsledky zkoušek malého měřítka pro oba kotevní prvky A i B. Tyto hodnoty nalezneme zpravidla v technických listech dodavatelů kotevních prvků.
| Ozn. | Charakteristická únosnost kotevního prvku v kombinaci s plechem tloušťky 0,75 mm |
|---|---|
| A | RA = 1080 N |
| B | RB = 940 N |
Následně je možné vypočítat hodnotu součinitele k [–] pomocí vzorce 1.10, poté dosadit do vzorce 1.20 a získat návrhovou únosnost Wadm, [N].
Už z ilustrativního příkladu je patrné, že změnou kotevního prvku dojde ke snížení hodnoty Wadm [N]. To má za následek nárůst počtu nutných kotevních prvků ve střešním plášti, který v tomto ilustrativním příkladu znamená nárůst cca 13 % počtu kotevních prvků v ploše střechy.
Důležité je zmínit, že musí platit následující vztah:
(1.30)
A současně musí být splněna podmínka:
(1.40)
Není-li tato podmínka splněna, nelze MEFAWAME s touto změnou složky systému použít.
5. Experimentální měření tahové únosnosti kotevních prvků
Popisované experimentální měření pojednává o doplňkové zkoušce podle ETAG 006, kterou lze podle metodiky ETAG 006 zařadit mezi zkoušky malého měřítka.
Pro účely experimentální analýzy byly vybrány zkušební tělesa celkem od 11 výrobců/dodavatelů kotevní techniky, přičemž každý zkušební vzorek byl zastoupen 10 zkušebními tělesy, z nichž se následně stanovovaly střední hodnoty pevnosti na mezi kluzu kotevního prvku. Získané střední hodnoty byly poté převáděny na hodnoty charakteristické podle metodiky ČSN EN 1990 přílohy D. Seznam zkušebních vzorků a jejich materiálová báze je uvedena v tabulce č. 2.
| Zkušební vzorek | Teleskop | Šroub | ||
|---|---|---|---|---|
| Materiálová báze | Rozměry* [mm] | Vnější průměr objímky [mm] | Rozměry** [mm] | |
| A | Polyetylen | 50 × 105 | 15,5 | 4,8 × 60 |
| B | Polypropylen | 45 × 85 | 13,6 | 4,8 × 60 |
| C | Polypropylen | 45 × 100 | 14,7 | 4,8 × 70 |
| D | Polypropylen | 50 × 95 | 16,3 | 4,8 × 60 |
| E | Polypropylen | 45 × 95 | 13,8 | 4,8 × 60 |
| F | Polypropylen | 45 × 85 | 14,3 | 4,8 × 60 |
| G | Polypropylen | 50 × 85 | 13,4 | 4,8 × 60 |
| 1 | Polyamid | 45 × 95 | 12,8 | 4,8 × 60 |
| 2 | Polyamid (vyztužený skelnými vlákny) | 50 × 90 | 12,8 | 4,8 × 60 |
| 3 | Polyamid | 50 × 85 | 11,3 | 4,8 × 80 |
| 4 | Polyamid (vyztužený skelnými vlákny) | 40 × 82 | 14,6 | 4,8 × 60 |
| * průměr přítlačné podložky × délka teleskopu ** průměr šroubu × délka šroubu | ||||
Cílem experimentálního měření bylo provést kvalitativní zhodnocení kotevních prvků napříč celým spektrem dodavatelů a výrobců působících nejenom na území České republiky.
5.1 Návrh zkušební metodiky
V rámci experimentální části bylo vytvořeno zkušební zařízení pro testování tahové únosnosti kotevních prvků. Díky tomuto zařízení bylo možné měřit průběh zatěžování, získávat údaje o chování kotevních prvků a nalézt maximální hodnotu únosnosti kotev. [4]
Zkušební metodika vychází z ETAG 006, konkrétně se jedná o zkoušku s názvem: „Plastic washer pull-though test“. [1] Tato zkouška se řadí mezi zkoušky malého měřítka podle metodiky ETAG 006. Její výsledky jsou proto potřebné pro stanovení korelačních součinitelů nutných pro návrh MEFAWAME – viz výše. Principem zkoušky je testovat kotevní prvek, který je zatížen lineárně rostoucí osovou tahovou silou – viz obrázek 2.
Obrázek 2 Princip zkoušky osového zatížení kotevního prvku s teleskopem
Zkušební zařízení, respektive princip zkoušky, je graficky znázorněn na obrázku 2. Teleskop byl na horní straně uložen do speciálních kovových prvků s kruhovým otvorem 25 mm pro uložení teleskopu. Šroub kotevního prvku byl ve spodním okraji pevně sevřen do čelistí trhacího zařízení. Rychlost zatěžování byla zvolena 10 mm/minutu.
5.2 Výsledky měření
Výsledky měření poukazují zejména na spornou kvalitu některých kotevních prvků. Největší váhu výsledků má porovnání jednotlivých kotevních prvků, a to jak absolutní tak relativní.
a) Relativní porovnání
Z relativního porovnání je patrné, že kotevní prvky s polypropylenovými (dále jen „PP“) a polyetylenovými (dále jen „PE“) teleskopy vykazují střední hodnotu únosnosti průměrně 1,7 kN. Znatelně vyšších únosností dosahují kotvy s polyamidovými (dále jen „PA“) teleskopy, kdy průměrná únosnost kotevních prvků převyšuje 2,0 kN.
Dalším zjištěním je potvrzení v chování materiálů při tahovém zatěžování, kdy je pracovní diagram PP a PE teleskopů charakterizován mezí kluzu totožnou s mezí pevnosti – viz obrázek 3. Oproti tomu PA teleskopy se vyznačovaly mezí kluzu odlišnou od meze pevnosti, kdy po mezi kluzu následuje poměrně vysoké protažení a následné zpevnění na mez pevnosti – viz obrázek 4.
![Obrázek 3 Zkušební těleso C02 – závislost deformace Δl [mm] na tahové síle F [N]](/docu/clanky/0129/012997o13.png)
Obrázek 3 Zkušební těleso C02 – závislost deformace Δl [mm] na tahové síle F [N]
![Obrázek 4 Zkušební těleso 103 – závislost deformace Δl [mm] na tahové síle F [N]](/docu/clanky/0129/012997o15.png)
Obrázek 4 Zkušební těleso 103 – závislost deformace Δl [mm] na tahové síle F [N]
Porovnání a souhrn výsledků je uveden v tabulce č. 3 a tabulce č. 4, kde je ke každému zkušebnímu tělesu uvedena střední únosnost kotvy na mezi kluzu, charakteristická únosnost kotevních prvků spočtená dle ČSN EN 1990 v normálním a lognormálním rozdělení a v posledním sloupci je průměrné protažení kotevního prvku vztažené k mezi kluzu.
| Materiál teleskopu | Označení zkušebního vzorku | Střední hodnoty síly na mezi kluzu [N] | Charakteristická únosnost dle ČSN EN 1990 na mezi kluzu | Průměrné protažení zkušebního tělesa při mezi kluzu [mm] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Normální rozdělení Fk,normal [N] | Lognormální rozdělení Fk,lognormal [N] | ||||
| Polyetylen | A | 1610,24 | 1301,08 | 1453,40 | 11,75 |
| Polypropylen | B | 1594,34 | 1288,23 | 1564,51 | 9,92 |
| C | 1647,76 | 1331,39 | 1563,18 | 7,96 | |
| D | 2192,14 | 1771,25 | 2129,22 | 9,57 | |
| E | 1680,33 | 1357,71 | 1635,91 | 9,46 | |
| F | 1885,80 | 1523,72 | 1814,52 | 11,39 | |
| G | 1442,96 | 1165,91 | 1378,23 | 5,71 | |
| Materiál teleskopu | Označení zkušebního vzorku | Střední hodnoty síly na mezi kluzu [N] | Charakteristická únosnost dle ČSN EN 1990 na mezi kluzu | Průměrné protažení zkušebního tělesa při mezi kluzu [mm] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Normální rozdělení Fk,normal [N] | Lognormální rozdělení Fk,lognormal [N] | ||||
| Polyamid | 1 | 2223,00 | 1796,19 | 2089,18 | 28,26 |
| 2 | 2372,76 | 1917,19 | 2276,31 | 20,37 | |
| 3 | 1900,16 | 1535,33 | 1833,85 | 18,22 | |
| 4 | 3189,52 | 2577,13 | 3006,46 | 15,91 | |
Obrázek 5 Velké podélné protažení PA teleskopického nástace při osové tahové síle
Obrázek 6 Porušený PP teleskopický nástavec po zkoušce osovou tahovou silou
b) Absolutní porovnání
Cílem absolutního porovnání bylo ověřit do jaké míry je pevnost kotevního prvku totožná s hodnotami, které uvádějí výrobci kotevní techniky ve svých technických listech / evropském technickém schválení ETA.
Z výsledků měření lze konstatovat, že z celkového počtu 11 zkušebních vzorků celkem 3 zkušební vzorky dosahovaly nižších hodnot charakteristické únosnosti než únosnosti, které deklaruje výrobce/dodavatel kotevních prvků.
Výstupy absolutního porovnání kotevních prvků s PP teleskopy jsou graficky znázorněny na obrázku 7. Zelenou barvou jsou v grafu znázorněny charakteristické hodnoty v lognormálním rozdělení, které byly získány z provedených měření, modrou barvou pak hodnoty v normálním rozdělení. Červená barva ukazuje hodnoty deklarované výrobcem.
![Obrázek 7 Grafické srovnání únosnosti kotevních prvků s PP teleskopy [4]](/docu/clanky/0129/012997o21.png)
Obrázek 7 Grafické srovnání únosnosti kotevních prvků s PP teleskopy [4]
Absolutním porovnáním zbylých kotevních prvků s PA a PE teleskopy byla naměřená únosnost podstatně vyšší než deklarovaná únosnost kotevních prvků, které deklarují výrobci.
6. Závěr
Cílem experimentálního měření bylo provést statistickou analýzu kotevních prvků a poukázat na váhu tzv. doplňkových zkoušek, které jsou v častých případech opomíjeny.
Z výsledků měření lze konstatovat následující:
- Důležitým detailem samotného kotevního prvku je styk teleskopického nástavce a hlavy kotevního šroubu, protože tento typ porušení nastal v převážné většině zkoušených vzorků,
- kladně lze hodnotit provedení styků přítlačné podložky a objímky teleskopu, protože tento typ poruchy nastal pouze u 16 % zkoušených vzorků,
- experiment potvrdil odlišnosti v chování materiálu při zatěžování osovou tahovou silou, kdy PA teleskopy mají po dosažení meze kluzu jistou rezervu, než dosáhnou meze pevnosti avšak po extrémní deformaci. Podmínkou je dokonalé řešení styku teleskopu a hlavy kotevního šroubu
- kotevní prvky s PA teleskopy potvrdily vyšší únosnosti na namáhání osovou silou než PP a PE teleskopy.
Za alarmující lze považovat výsledky absolutního porovnání, kdy 3 z 11 zkušebních vzorků nedosahovaly hodnot, které výrobce deklaruje ve svých ETA. To se může negativně projevit na kvalitě a trvanlivosti střech.
Vypovídající váhu tohoto měření zvyšuje také skutečnost, že všechny zkoušky prováděla tatáž osoba, na jednom zkušebním zařízení při stejných okrajových podmínkách za použití metodiky definované v ETAG 006. Tyto skutečnosti výrazně snižují chybu měření a lze hovořit o objektivní komparaci.
Seznam použité literatury
- [1] ETAG 006. Řídící pokyn pro evropská technická schválení – Systémy pro mechanicky kotvených pružných střešních hydroizolačních povlaků. Brusel: Evropská organizace pro technická schválení – EOTA, 03/2000 v novelizovaném znění z 11/2012.
- [2] ČSN 731901. Navrhování střech: Základní ustanovení. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
- [3] ČSN EN 1990. Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
- [4] Bc. Jindřich Stodůlka Mechanicky kotvené povlakové hydroizolace. Brno, 2014. 88 s., 119 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství. Vedoucí práce Ing. Tomáš Petříček.
- [5] PETŘÍČEK, Tomáš, Tomáš HLAVAČKA, Jindřich STODŮLKA a Jan PLACHÝ. Porovnání asfaltových pásů pro jednovrstvé mechanicky kotvené systémy. Střechy, fasády,izolace: odborný měsíčník. Ostrava: Josef Bordovský-MISE, 2015, roč. 22, s. 64.
Poznámka
1 Z anglického „Mechanically fastened flexible roof waterproofing membranes“, v překladu znamená Mechanicky kotvené pružné hydroizolace střech. ... Zpět
Stabilization of roof waterproofing coating, which uses the technology of mechanical fixing, are among the most commonly used technology not only in the Czech Republic. With an increasing number of roofs which are realized in practice still appear defects in these types of roofs, which are often caused by failure of the fasteners.
The aim of this paper is introduce the reader to the results of experimental measurements and make the statistical analysis of resistance of chosen fasteners supplied to the Czech market, find the possible cause of the failure of mechanically fastened roofs and evaluate the potential impacts on the design of mechanically fastened system.