Pomůcka pro návrh mechanického kotvení ETICS s doplňkovým lepením pro vybrané panelové soustavy
1. Úvod
V souvislosti s přechodem na evropské normy od března 2010 se stává aktuální i náhrada ČSN 73 00 35 Zatížení stavebních konstrukcí za skupinu norem EN 1990 Zásady navrhování, únosnost, použitelnost a trvanlivost a EN 1991 Zatížení konstrukcí, stálé, proměnné, mimořádné. České verze těchto dokumentů jsou k dispozici v českém překladu již v od roku 2004-2008. Tak, jak byla s poměrně velkou informovaností přijata změna mapy sněhových oblastí, která tvořila přílohu ČSN 73 0035 i ČSN EN 1991-1-3 Zatížení sněhem s účinností od 1.1.2006, dosavadní souběh ČSN 73 00 35 s ČSN EN 1991-1-4 Zatížení větrem zatím nevnesl do projekční praxe zásadní reakce.
Přitom dochází nejen ke změně metodiky výpočtu zatížení větrem, ale mění se i mapa větrových oblastí, součinitelé vnějšího tlaku a v souladu s EN 1991 také dílčí součinitele pro návrhové hodnoty zatížení.
2. Kotvení ETICS s ohledem na stanovení zatížení větrem
Předmětem toho příspěvku není výklad obecných výpočetních postupů pro stanovení zatížení větrem, ale budou zde zhodnoceny pouze dopady aplikace ČSN EN 1991-1-4 Zatížení větrem na stanovení zatížení pro návrh mechanického kotvení kontaktních zateplovacích systémů (ETICS). Kotvy (hmoždinky) se podle většiny systémových řešení navrhují na 100% sání větru a nepřispívají k přenesení ostatních zatížení. Z dosud publikovaných a dostupných firemních pomůcek pro navrhování počtu kotev pro tyto systémy vyplývají pouze doporučená řešení vycházející při stanovení zatížení větrem pravděpodobně z ČSN nebo z převzatých zahraničních předpisů (DIN, ONORM a pod.). Jednotliví producenti systémů ETICS, jejichž komponenty podléhají certifikaci dle ETAG 004 a ETAG 014, se přitom liší i při základních stanoveních počtů kotev na m2, ve stanovení velmi důležitého parametru okrajové oblasti v nárožích pro zvýšené hodnoty počtů kotev a v neposlední řadě i v udávaných výškových pásmech. Zároveň však velmi správně udávají, že stanovení počtu kotev musí být součástí statického výpočtu pro konkrétní případ. Mnohé havárie způsobené odtržením systému od podkladu bohužel svědčí spíše o neprovádění statických výpočtů, kombinovaného s nekvalifikovaně prováděnou činností při instalaci systémů na stavbě.
Protože i oblast použití ETICS je velmi široká - aplikace na rodinné domky, novostavby s betonovým nebo vyzdívaným podkladem, rekonstruované bytové domy s vyzdívaným podkladem a v neposlední řadě i panelové domy, soustředí se tento příspěvek pouze na domy panelové. V České republice se jedná o přibližně třetinu bytového fondu - více než 1 mil. bytových jednotek. Panelové domy mají svá specifika v porovnání s ostatní výstavbou nejen z hlediska objemového řešení domů, ale i výškového uspořádání, situaci vůči ostatnímu městskému intravilánu, v podkladu pro kotvení a dalších technických parametrech. Z těchto důvodů lze vytypovat jak charakteristické oblasti výskytu panelových domů, tak i provést jejich zatřídění do skupin podle použitých konstrukčních soustav, výškové hladiny zástavby a tvarů objektů.
3. Stanovení zatížení větrem dle ČSN EN 1991-1-4
3.2 Zdůvodnění vstupních parametrů pro panelové budovy
Intenzita zatížení větrem je daná mapou větrových oblastí České republiky, která tvoří přílohu k vydání ČSN EN 1991-1-4 z dubna 2007. V České republice je dle této mapy celkem 5 větrových oblastí I - V. Pro oblasti I-IV jsou dány výchozí základní rychlosti větru v m/s barevným rozlišením v mapě a příslušnou hodnotou, pro oblast V je nutný dotaz na pobočce Hydrometeorologického ústavu.
Výskyt panelových domů lze na velkou část našeho území situovat do oblastí I až III. Z měst, kde lze očekávat panelovou výstavbu, se nachází ve IV větrové oblasti pouze Tanvald v severních Čechách, Hlinsko na Vysočině a okolí Jeseníku na severní Moravě.
Z dalších geografických podmínek je zásadní zatřídění do kategorie terénu. Pomineme - li kategorii 0 - moře nebo oblasti otevřené k moři a kategorii I - jezera nebo oblasti se zanedbatelnou vegetací a bez překážek, kde panelové domy v našich podmínkách zpravidla nestojí, budeme se pohybovat v kategoriích terénu II a III. Obě tyto kategorie pokývají možné situování panelových domů, kdy sídliště jsou buď na okrajích městských sídel (otevřený terén bez překážek, kategorie II) nebo jsou mezi domy dostatečné odstupové vzdálenosti (předměstský terén - kategorie III). Kategorie IV - oblast s povrchem pokrytým nejméně 15% budovami, jejichž výška je větší než 15 m, se uplatňuje spíše v plynulé městské zástavbě a není pro panelové domy rozhodující ve většině případů.
Posledním vstupním parametrem zatížení je závislost hodnoty maximálního dynamického tlaku větru na výšce objektu (parametr qp(z)). Tato hodnota není jako pro obdobné vyjádření v ČSN tabelovaná, ale je nutno ji spočítat dle vzorce 4.8 nebo graficky velmi nepřesně určit z grafu na obr. 4.2 v ČSN EN 1991-1-4. Vzhledem k tomu, že panelové budovy mají typizovanou konstrukční výšku 2,8 m a podlažnost 4+1, 8+1, 12+1 podlaží ve velké většině případů, lze tento parametr pro tyto běžné případy "typizovat".
Vstupní parametry pro výpočet:
(dále uváděné odkazy na vzorce a tabulky kurzívou se vztahují k údajům v ČSN EN 1991-1-4)
- pro I., II. a III. větrnou oblast je základní rychlost větru vb = 22,5 m/s; 25,0 m/s a 27,5 m/s
- pro kategorii terénu II a III je parametr drsnosti terénu zo 0,05 a 0,30 (tab. 4.1.)
- součinitel terénu kr pro terén II = 0,190, pro terén III= 0,215 (vzorec 4.5)
- součinitel drsnosti cr (vzorec 4.4)
| pro terén II a výšku | 10 m cr = 1,007 15 m cr = 1,084 20 m cr = 1,138 25 m cr = 1,181 30 m cr = 1,215 37 m cr = 1,255 |
pro terén III a výšku | 10 m cr = 0,754 15 m cr = 0,841 20 m cr = 0,903 25 m cr = 0,951 30 m cr = 0,990 37 m cr = 1,035 |
- střední rychlost větru vm (vzorec 4.3) ve výšce z nad terénem, součinitel orografie co = 1,0;
- základní dynamický tlak větru qb (vzorec 4.10)
- součinitel expozice ce (vzorec 4.9)
- max. dynamický tlak větru qp (vzorec 4.8)
poznámka: * hodnoty platí pro terén II/III
3.2 Zatížení větrem pro typizované sekce panelových budov
3.2.1 Geometrie objektů
Podle typových sestav jednotlivých stavebních soustav byly vybrány tři základní geometrie panelových budov, které se výrazně liší v poměru délky a hloubky jednotlivých sekcí. Půdorysné rozměry domu mají vliv na stanovení výškových pásem s konstantním zatížením větrem a také na velikost okrajové vzdálenosti, kde je intenzita zatížení větrem vyšší (nároží budov).
Pro každý z těchto reprezentantů byla použita základní konstrukční sekce deskového domu a bodový dům.
Řadové sekce mají u většiny stavebních soustav hloubku (kratší rozměr domu) danou dispozičním řešením s ohledem na proslunění bytů a nepřevyšují 14 m. Minimální délka domu vychází z velikosti dilatačního úseku a je do 40 m. Jako reprezentant takového tvaru domu byla vybrána dvojsekce soustavy VVÚ ETA (var. 1, výška 4+1, var. 2, výška 8+1, var. 3, výška 12+1).
Bodové (věžové) domy mají orientaci bytů na všechny světové strany, z čehož vyhází přibližně čtvercový půdorys domu cca 20 x 20 m. Jako reprezentanty toho typu byly vybrány bodový dům VVÚ ETA (var. 4, výška 8+1) a bodový dům P.1.11 (var. 5, výška 4+1, var. 6, výška 8+1).
Z deskových domů s výrazněji menší hloubkou byla prověřena sekce typu HKS 70 - E, používaná ve dřívějším východočeském kraji - Pardubicko, Svitavsko, Hradecko - (var. 7, výška 12+1).
3.2.2 Geometrické parametry pro příčný vítr
Stanovení oblastí pro součinitele vnějšího tlaku je podle (tab. 7.1) a obrázků (7.4 a 7.5) pro svislé stěny pozemních staveb s pravoúhlým půdorysem. Na základě půdorysných rozměrů objektu a jeho výšky byly stanoveny součinitelé vnějšího tlaku cpe,1 (lokální součinitel pro navrhování malých upevňovacích prvků s plochou 1 m2 nebo menší). Pro určení tahových sil od sání větru jsou zásadní oblasti E (závětrná fasáda) pro příčný směr větru a oblasti A,B,C (přilehlé podélné fasády). Šířka oblasti A - nároží je ve srovnání s dříve doporučovanou šířkou v ČSN 73 00 35 proměnná a závisí na geometrii budovy. Výška pásma s konstantní hodnotou zatížení podléhá též geometrickému uspořádání budovy.
Geometrie vyšetřovaných objektů s vyznačením jednotlivých pásem v půdoryse a po výšce budovy jsou uvedeny na následujících schématech.
VVÚ ETA - deskový dům 4+1 podlaží
VVÚ ETA - deskový dům 8+1 podlaží
VVÚ ETA - deskový dům 12+1 podlaží
VVÚ ETA - bodový dům 8+1 podlaží
P.1.11 - bodový dům 4+1 podlaží
P.1.11 - bodový dům 8+1 podlaží
HKS 70 - deskový dům 12+1 podlaží
3.2.3 Geometrické parametry pro podélný vítr
Podle stejného principu za použití tab. (7.1) a obrázků (7.4 a 7.5) pro svislé stěny pozemních staveb s pravoúhlým půdorysem byla stanovena pásma pro vítr působící v podélném směru budovy.
VVÚ ETA - deskový dům 4+1 podlaží
VVÚ ETA - deskový dům 8+1 podlaží
VVÚ ETA - deskový dům 12+1 podlaží
P.1.11 - bodový dům 4+1 podlaží
P.1.11 - bodový dům 8+1 podlaží
HKS 70 - deskový dům 12+1 podlaží
3.2.4 Charakteristické hodnoty tlaku a sání větru na obvodové stěny
Výsledky charakteristických hodnot sání větru zahrnující vliv větrové oblasti, kategorie terénu, výšky objektu a jeho půdorysných rozměrů jsou uvedeny v následujících tabulkách.
Charakteristické hodnoty zatížení je nutno pro účely návrhu počtu kotveních prvků násobit součinitelem γq = 1,5 pro získání návrhových hodnot. (poznámky k tabulkám: - hodnoty tlaku pro 1 m2 v N/m2, oblasti A,B,C,D,E viz obrázky, 1,2 - výšková pásma - viz obrázky, v závorce součinitel tlaku dle tab. 7.1 ČSN EN 1991-1-4
Tab. 1 - zatížení větrem ve směru příčném - kategorie terénu II/III; větrná oblast I
Tab. 2 - zatížení větrem ve směru příčném - kategorie terénu II/III; větrná oblast II
Tab. 3 - zatížení větrem ve směru příčném - kategorie terénu II/III; větrná oblast III
Tab. 4 - zatížení větrem ve směru podélném - kategorie terénu II/III; větrná oblast I
Tab. 5 - zatížení větrem ve směru podélném - kategorie terénu II/III; větrná oblast II
Tab. 6 - zatížení větrem ve směru podélném - kategorie terénu II/III; větrná oblast III
4. Závěr
Z uvedeného rozboru vyplývá, že hodnoty zatížení větrem určené na základě výpočtu podle ČSN EN 1991-1-4 mohou dosahovat především v okrajových pásmech panelových budov návrhových hodnot až přes 3 kN/m2 (pro srovnání - při použití např. hmoždinky EJOT NTK-U je k přenesení tohoto zatížení nutno použít až 16 ks hmoždinek/m2). Oproti zvyklostem aplikovaných na základě ČSN 73 00 35 se mění nejen výšková pásma zatížení, ale především délka okrajové oblasti (nároží), kde se projevují zvýšené účinky sání větru. Vzhledem k tomu, že certifikace kotevních prvků - hmoždinek - zajišťujících plně nosnost ETICS na účinky sání větru, je prováděna v souladu s evropskými předpisy pro evropské technické schválení výrobků (ETAG), musí i statický výpočet jejich počtu a rozmístění na fasádě odpovídat včetně určení zatížení evropským normám.
Literatura:
1. Katalogový přehled stavebních soustav bytových a občanských objektů, Studijní a typizační ústav, Praha 1980
2. Informační přehled schválených typových podkladů a opakovatelných projektů bytových domů, Studijní a typizační ústav, Praha 1984
3. ČSN EN 1991-1-4 Zatížení větrem (duben 2007)
4. ETAG 004 - Řídící pokyny pro evropské technické schválení, vnější kontaktní tepelně izolační systémy s omítkou
5. ETAG 014 - Řídící pokyny pro evropské technické schválení plastových hmoždinek pro připevnění vnějších tepelně izolačních kompozitních systémů s omítkou
6. Technologické předpisy a pomůcky pro projektování (Baumit, Stomix, Sto, Knauf, Mamutherm)
7. Technické listy mechanicky kotvících prvků - EJOT, Koelner, WKRET, KEW, BRAVOLL
Článek vznikl za podpory výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07
Poznámka recenzenta: Uvedený příspěvek by měl varovat projektanty před nedostatečným počtem kotev při kontaktním zateplení, které se v současné době velmi často vyskytuje. Tento počet závisí především na zatížení větrem, které je však závislé na normových hodnotách. Ty jsou uvedeny v samostatné normě a podobně jako u zatížení sněhem neustále vzrůstají.
In relation with the transition to European standards, as of March 2010 the standard CSN 73 00 35 Loading of structures becomes valid for the group of standards EN 1990 Basis of design, strength and durability and EN 1991 Actions on structures, constant, variable, extraordinary. The Czech versions of these documents are have been available since 2004-2008. The amendment in the map of snowy regions was received with a relatively high awareness. This amendment resulted in the appendixes CSN 73 0035 and BS EN 1991-1-3 Actions on snow, in effect since 1-1-2006. The current overlapping of CSN 73 0035 with CSN 1991-1-4 Actions on wind thus far, has not resulted in any critical reaction. This contribution should warn designers against an insufficient number of anchors for contact insulation, something that very often occurs. This number depends on the wind load, which in turn, is dependent on normative values. These are listed in a separate standard and are increasing, just like the snow loads.