Statika a zatížení tepelněizolačních vrstev z desek z kamenné vlny na plochých střechách

Tepelná izolace ROCKWOOL na ploché střeše – ve dvou vrstvách, podklad z trapézových plechů s akustickými fóliemi

Tepelná izolace ROCKWOOL na ploché střeše – v jedné vrstvě, podklad z trapézových plechů

Od roku 2007, kdy společnost ROCKWOOL uvedla díky speciální výrobní patentované technologii střešní izolační desky s dvojitou objemovou hmotností – integrované do jediné kompaktní desky na Slovensku i v České republice, jsou tyto desky úspěšně používány. Stalo se tak po víceletých zkušenostech s aplikací v ČR a nyní máme za sebou 7 let aplikace těchto izolací pro ploché střechy, tentokrát z produkce inovované výrobní linky z Bohumína.

Parametry těchto tuhých izolací byly pečlivě dolaďovány s ohledem na tepelné vlastnosti, ale zejména velmi důležité mechanické parametry, které se u střech s větším plošným rozsahem stávají zcela klíčovými. Některé z parametrů se nastavují povinně podle požadované úrovně v ETAG 006, jiné mohou být volitelné. Izolace ROCKWOOL se v převážné většině dodávají s dvojitou objemovou hmotností (označení DD – dual density) a kladou se zpravidla jedno- nebo dvouvrstvě. Jejich největší výhodou kromě vylehčení struktury je kompaktnost a způsob reakce na zatížení na všech stavebních podkladech, z principu spojení dvou vrstev do jedné kompaktní desky vyplývá jejich větší mechanická odolnost daná vývojem díky pokročilému materiálovému inženýrství výrobce.

V oblasti přípravy a projektů se dnes ukazuje, že se věnuje poměrně málo času výběru správného řešení, což vyplývá z neznalosti norem a definic v oblasti pevnosti v tlaku a bodového zatížení – což jsou základní statické vlastnosti tuhých střešních desek. Přestože funkčnost ploché střechy a ochrana vnitřního prostředí proti vnějším vlivům prostředí je jednou ze zásadních potřeb každé stavby, jen málo se ví o vlastnostech izolace a jak podmiňují správnost aplikace s ohledem na mechanické zatížení, a to při umisťování mnoha instalací, břemen a během montáže i nejrůznějších materiálů po ploše střechy.

Smyslem tohoto příspěvku je podívat se důkladněji na chování izolace z kamenné vlny pod zatížením a jaké to má dopady na správný návrh střešního souvrství.

Desky s dvojitou objemovou hmotností – vlastnosti

Základní střešní deska pro ploché střechy byla nazvána Monrock MAX E. Vrchní strana desky je opatřena tuhou a tvrdou vrstvou, která je pevně spojena s měkčím jádrem. Tenká horní vrstva o objemové hmotnosti cca 200 kg/m³ má tloušťku min. 15 mm. Deska takto vyrobená se chová při tlakovém zatížení zcela jinak než dříve používané dvouvrstvé skladby desek od sebe oddělených (např. Spodrock + Dachrock). Pokud je vrchní vrstva pevně připojená ke spodní vrstvě, nemůže se při lokálním působení tlaku samostatně deformovat a výsledná síla se lépe přenese formou tlaku do spodní vrstvy a podkladu. U dvouvrstvé pokládky se vrchní deska vždy prohýbá a bez jejího připojení pak dochází k prokluzu na styčné ploše obou vrstev izolace, při překročení meze pevnosti vrchní desky se pak tato může příliš stlačit nebo zlomit, a to i při tloušťce 60 mm.

Zkoušky pevnosti v tlaku (napětí v tlaku) a bodového zatížení u minerálních izolací

Z hlediska normového popisu zde existují dva nejdůležitější kvantifikovatelné parametry:

1. smluvní mez pevnosti v tlaku (smluvní proto, protože existuje úmluva, že při překročení mezní deformace – stlačení o 10 % se už takto namáhané střešní izolační desky nemusí zotavit po odlehčení zatížení, tj. neobnoví se jejich původní vlastnosti a tloušťka, tedy může dojít ke zborcení makrostruktury nebo lámání vláken v mikrostruktuře); měří a zkouší se podle EN 826 rovnoměrně rozloženým zatěžováním na celou plochu vzorku. Výsledkem je např. hodnota napětí v tlaku při deformaci 10 % označená σ₁₀ neboli CS(10) v kPa,
2. bodové zatížení – zatížení působící na rovinné kruhové ploše o 50 cm² takovou silou, která způsobí stlačení vzorku s deformací rovnou 5 mm; měří a zkouší se podle EN 12430 a výsledkem je síla F_p neboli PL(5) v Newtonech. Jde o zkoušku prakticky aplikační, na rovném tuhém podkladu a velikost i tvar zatěžovací plošky se podobá podpatku obuvi. Model tohoto zkoušení však je velmi jednoduchý a s jeho výsledky je podle toho také nutno zacházet.

Chování izolačních desek na různých podkladech plochých střech

Na plošné zatížení reagují minerální izolace na bázi čediče s převážně podélně uloženými vlákny (laminární struktura – vlákna rovnoběžně s povrchem) téměř lineárně – tedy deformace je přímo úměrná zátěži, jen s malou výjimkou na počátku, kdy dochází k vyrovnání a vymezení styčných ploch, nerovností a textury sousedících povrchů. Dá se konstatovat, že zátěžový diagram je až po hranici smluvní pevnosti v tlaku přímkový.

Vnitřní odezva vláknitých izolací s podélnými vlákny na působení síly nebo tlaku se dá popsat klasickým tlakovým kuželem (bodové zatížení) nebo jehlanem u plošného zatěžování, které se šíří od roviny působení síly nebo tlaku, tedy shora. Reakce od rovinného podkladu je pak celoplošná a působí proti tlakovému kuželi nebo jehlanu. Máme-li nad sebou dvě a více nespojených vrstev izolace, může dojít na styku dvou desek ke smyku a průhybu vrchní desky. U izolačních desek s dvojitou integrovanou strukturou k tomuto usmyknutí nemůže dojít, dokud se nepřekoná pevnost lepeného spoje obou vrstev (vrchní vrstva je poměrně pevně připojena za pomocí pojiva, které je vytvrzeno). V daném případě je řešení s dvojitou strukturou výhodnější (únosnost je minimálně o 20 % lepší) než u desek ostatních, porovnají-li se výrobky se shodnou úrovní σ₁₀.

Jiná situace nastává na nespojitém podkladu. Tím je zejména trapézový plech, který na rozdíl od rovinné betonové desky nebo plnoplošného bednění z dřevitých prvků tvoří pouze lineární žebra o určité šířce, mezi nimiž jsou prohlubně. Opěrná plocha takového podkladu se blíží podílu jen pouhých 42,5 % z plochy spojitého podkladu (viz tabulka 1 pro některé obvykle používané typy střešních nosných plechů). Jaký to má vliv? Stejně jako v místě zatěžování, tak i v rovině reakční síly se vytváří reakce ve tvaru tlakových jehlanů, ale jelikož je styčná plocha menší, může zde dojít k většímu tlakovému zatížení nebo až k překročení meze pevnosti v tlaku, tedy počátku porušení izolačních desek. S tím je potřeba počítat jako s jedním z důležitých faktorů – jde o jedno z kritických míst, o kterém musí statik vědět.

Druhé důležité nejslabší místo vyplývá z faktu, že izolační desky nejsou spojité, ale mají jen ohraničené rozměry a může se tak v nejnevýhodnějším případě stát, že okraj desky přesahuje přes opěrnou plochu (volný konec – krakorec) na plnou šířku mezery v trapézovém plechu. To je druhé kritické místo, kde je nutno posoudit vyvozený ohybový moment, aby nedošlo ke zlomení desky na hraně vrchní vlny trapézového plechu. Hodnota zatížení se dá porovnat s pevností izolace v tahu (v horním taženém vlákně v místě ohybu nad podporou), je-li známa mez pevnosti izolace z trhací zkoušky. Pro běžné případy se ale situace řeší návrhem podle empirického vzorce, který doporučuje jako vyhovující použít takovou minimální tloušťku (spodní) izolační desky, která je

kde m je velikost mezery mezi horními vlnami trapézového plechu,

anebo pro desky s dvojitou strukturou (DD – dual density)

I v takových případech je možné odzkoušet chování izolačních desek na ohyb, vhodný test popisuje národní holandská směrnice BRL 1309, kapitola 7.8 (zkouška převislého konce izolační desky pro ploché střechy). Zkouška se v našich zemích běžně neprovádí.

Chování dvou- (a více)vrstvých skladeb izolace na spojitém a nespojitém podkladu

V praxi se často vyskytují řešení střešních skladeb, kde se z nejrůznějších a také hlavně z ekonomických důvodů navrhuje tuhá střešní izolační deska vypodložená deskou měkčí. Autoři těchto skladeb vycházejí z laicky odhadnuté analýzy, že kvalitnější (= tužší) desku aplikují ve vrchní vrstvě a v co nejmenší dosažitelné výrobní tloušťce (např. 40 mm). Tím se stane to, že spodní deska má velkou tloušťku (cca 100–160 mm), čímž snadno splní podmínku v rovnici (1), jde-li o desku s homogenní strukturou. Bohužel v takovém případě dojde k následujícímu:

1. na spojitém rovinném podkladu se podle zatížení obě vrstvy stlačí, a to každá podle své charakteristiky – tedy (lineární) funkce
   
   Δy_i = f(σ_10,i) (3)
    
   kde i je číslo příslušné vrstvy. Celková deformace je pak dána součtem deformací všech dílčích vrstev. Příklad (dvouvrstvá izolace, i = 2):
   Co je důležité – celkově všechny izolační vrstvy se tedy chovají tak, jako by skladba vykazovala mez pevnosti v tlaku zjištěnou váženým průměrem přes tloušťku, např. položíme-li nahoru 40 mm tenkou desku se σ_10,1 = 60 kPa a dolů 120 mm tlustou desku se σ_10,2 = 30 kPa, bude se celá skladba chovat jako deska se σ_{10, celk} = 38,57 kPa,
2. na nespojitém podkladu bude vše fungovat tak jako je uvedeno v bodě a), ale potíž může nastat v místě styku spodní izolační desky s podkladem. Jeho plocha je mnohem menší než potřebných 100 %, takže zde může dojít k přetížení (překročení meze pevnosti v tlaku a borcení desky – tedy dokonce ke zmenšení její tloušťky). Aby se tak nestalo, je nutno počítat s tímto třetím kritickým místem a také ho překontrolovat. Pokud by ale došlo i ke stlačení spodní izolační desky nad podporou, bude to mít dokonce vliv i na tepelné vlastnosti: zmenšená tloušťka a současně zhoršení součinitele tepelné vodivosti (tento je zapříčiněn zvětšením objemové hmotnosti) mají násobící účinek.

U izolačních desek s dvojitou strukturou se měří a deklaruje vždy mez pevnosti v tlaku pro celistvou desku (tedy vrchní tuhou a tvrdou částí o tloušťce do 20 mm spojenou se spodním měkčím izolačním jádrem). U některých výrobků se pak uvádí i dodatečná deklarace meze pevnosti v tlaku vrchní tvrdé části (měří se standardní metodou podle EN 826 po jejím oddělení od zbytku desky), někdy se uvádí i bodové zatížení této vrchní vrstvy proto, aby byl popis úplný. U těchto desek použitých jednovrstvě nenastává efekt jako v bodě a).

Veškeré uvedené poznatky se týkají statického zatěžování střech, kdy nedochází k rázům nebo vibracím a zatížení nenamáhá střešní plášť dynamickými účinky. To je však v praxi daleko od pravdy – už samotné chození po střešních izolacích (tepelných i s hydroizolacemi) představuje cyklické namáhání. Také zatížení větrem tvoří dynamické rázy zatěžující střešní plochy vztlakovými silami o různé amplitudě, zvláště u vysokých atik se může jednat o velmi vysoké hodnoty (týká se skladeb lepených – zde se porovnává skutečné namáhání s mezí pevnosti v tahu, tzv. rozlupčivost izolace). Izolační desky jsou z hlediska cyklického namáhání odolné, ale nesmí být přetěžovány – opět je zde měřítkem mez pevnosti v tlaku, tentokrát s větší mírou bezpečnosti. Chování izolačních desek při opakovaném nášlapu (což se ukazuje jako jeden z bejšastěji devastujících účinků, nastává během montáže a v menší míře v průběhu provozu střechy)bylo opakovaně předmětem zkoušení a ukazuje se, že bez ochranných opatření má izolace dobré šance vydržet, pokud není překročeno 300–400 nášlapných cyklů a naopak, izolace je na hranici poškození, pokud počet cyklů překročí úroveň 1000–1200. Proto se doporučuje vždy pro frekventované plochy, komunikační prostory a místa nástupu na střešní plochu tepelnou a vodotěsnou izolace přiměřeným způsobem chránit (roznášecí desky na bázi dřevoštěpky, překližek, ochranné plastové desky, betonové nášlapné vrstvy apod.).

Praktické poznatky a zlepšování mechanických vlastností skladeb plochých střech

Na základě mnoha zkušeností lze konstatovat, že zlepšit chování střešních izolačních desek z hlediska mechanické odolnosti lze několika způsoby (možností není mnoho):

1. volbou materiálu s vyšší mechanickou odolností (vyšší σ₁₀), a naopak nepoužívání podřadných měkkých desek ve spodní vrstvě izolace; zde neexistuje normový požadavek nebo jiné legislativní nastavení minimální úrovně, pouze ETAG 006 vyžaduje mít bezprostředně pod měkkou plastovou a pryžovou krytinou, které se spojuje švovým svařováním, vrstvu o minimální hodnotě σ₁₀ = 60 kPa a bodovém zatížení F_p = 500 N (při stlačení 5 mm, EN 12430) – článek 6.4.3.1,
2. volbou plného podkladu pro střešní souvrství,
3. vyrovnáním podkladu (děje se často u speciálních akustických lehkých střech – na trapézový plech se položí a připevní hladký ocelový pozinkovaný plech, případně navíc s akustickou membránou (např. TECSOUND 50, která může splnit I funkci parozábrany),
4. podložením spojů izolačních desek ve vlnách trapéz v místě spojů izolačních desek,
5. kladením tuhé pevné roznášecí mezivrstvy mezi tepelnou a vodotěsnou izolace (pochozí koridory),
6. lepením izolačních desek navzájem mezi sebou (také např. v pochůzích koridorech)
7. použitím speciálních izolačních desek s integrovanou vyztuženou cementovou vrstvou na horní straně (výrobek Megarock z produkce německého ROCKWOOLu).

Ke zlepšení vlastností nevede mechanické kotvení – moderní kotvy mají teleskopické prvky, které neovlivňují ani zlepšení, ani zhoršení vlastností z mechanického hlediska, ale jejich tepelné ztráty jsou minimalizovány vhodnou kombinací plastů a šroubů do plechu se vzduchovým polštářem.

Společnost ROCKWOOL ke svým výrobkům poskytuje poradenský a technický servis a v případě potřeby nejen zaučuje ve směru správných zásad kladení izolace, ale také umí poradit ve věcech konkrétních střešních desek a jejich návrhu v projektu. Výrobky tvoří ucelenou řadu s odstupňovanými mechanickými (a dalšími) parametry, aby vyhověly všem nárokům při aplikaci – jak pro rekonstrukce a práce v rámci zastřešení bytového fondu, tak pro velkoplošné nejnáročnější aplikace na pružných podkladech s maximálními nároky investorů (např. výrobci koncernu VW).

ROCKWOOL se také setkává s těmi investory, kteří si ze zahraničí přinášejí limity pro mechanické parametry (např. úroveň σ₁₀ = 50 kPa pro všechny vrstvy tepelné izolace, typicky z německy mluvících zemí) a speciální požadavky týkající se bezpečnosti, nehořlavosti izolace a požární odolnosti a bezpečnosti staveb.