Prvky stavebních konstrukcí z druhotných surovin
Konstrukční detail u dveřních výplní stavebních konstrukcí
Příspěvek pojednává o možnosti využití druhotných polymerních surovin ve stavebnictví – primárně v rámci dílčích konstrukčních detailů. Vybraný detail je u vstupních dveří, tedy v místě podprahové – podkladní konstrukce. Zde jsou navrženy desky přesných tvarů pro bezpečné ukončení navazujících konstrukcí – hydroizolace různých typů, tepelná izolace a vlastní segment rámu dveří. Prvky jsou vystaveny nejen mechanickému namáhání, ale také fyzikálnímu a chemickému.
Výplně otvorů stavebních konstrukcí jsou jednou z hlavních a nedílných součástí stavebních objektů již od nepaměti. Nebyl jím ale přikládán zásadní vliv na funkčnost stavby. V současné chvíli se všeobecný obzor zúžil z velkých plošných segmentů a z kritických detailů na dílčí prvky těchto konstrukcí. Nejde jen o řešení připojovacích spár, ale také o nosné systémy, které výplňové prvky zajišťují ve správné poloze a zabezpečují jejich funkci. Jedním z nejvíce namáhaných segmentů je prahová konstrukce převážně vstupních dveří. Zde dochází všeobecně k zásadním defektům stavby, jak v rámci hydroizolační, statické, tak i tepelnětechnické funkce. Tento detail se u běžné výstavby řeší formou zatažením podlahové konstrukce až pod konstrukci dveří a následně přetažením hydroizolace. Tento systém nemůže dlouhodobě správně fungovat a dochází k lokálním poruchám. Tyto poruchy má za cíl vyřešit podprahová spojka dveří, které je vyrobena z kompozitních materiálů a je navržena tak, aby její variabilita splňovala požadované parametry pro většinu konstrukcí dveří na evropském trhu.
1. Úvod
Finanční situace, české normy, zákony a směrnice Evropské unie motivují stavebníky k realizaci nízkoenergetických a pasivních domů. Uvedené aspekty vedou ke zdokonalování materiálových charakteristik v současnosti používaných výrobků. Objevují se i nové technologie výstavby. Na budovy jsou kladeny vysoké nároky po stránce ekonomické, technicko-fyzikální, technologické, hygienické, požární ochrany, ekologické a v neposlední řadě i estetické. Při navrhování nízkoenergetických či pasivních domů je možné se setkat s mnoha limitujícími faktory, které odkrývají projektové a následně realizační vady.
Velkou skupinu tvoří zamezení vzniku tepelných mostů a kvalita provedení kritických detailů. Při stavbě nízkoenergetických a pasivních domů dochází ve velké míře k problémům se zamezením vzniku tepelného mostu ve složitých konstrukčních detailech, které jsou u běžné výstavby mírně potlačovány. Je zvýšený požadavek na kvalitu návrhu a provedení (vlastní realizaci) budovy. Tím se paralelně zvyšuje pracnost a nárůst ceny.
Příspěvek se zabývá využitím druhotných polymerních surovin, jeho rozborem a možnými aplikacemi v oblasti stavebnictví. V současné době environmentální politiky je snaha nejen využívat odpadní materiály, ale také šetřit energii. Spojením těchto směrů vznikla progresivní úvaha, která přispívá k šetření životního prostředí. Hlavním tématem je cílený vývoj a plnohodnotná aplikace výrobků z odpadních surovin, přispívající ke snížení celkových nákladů na výstavbu úsporných domů a ke snižování potřeby energií v průběhu jejich užívání.
2. Materiál a metodika
Prahová spojka v současné terminologii představuje konstrukční prvek, kterým se zárubně v jejich spodní části stabilizují při montáži proti deformaci. Tento prvek se může po ukončení aplikace zachovat, nebo se po stabilizaci a technologické přestávce vyjme. V současné době může prahová spojka plnit funkci přerušení tepelného mostu, podkladní profil pro práh, nebo slouží jako přechodová lišta. Konstrukce výplní otvorů, musí mít dostatečnou tuhost, při níž za běžného provozu nenastane zborcení, svěšení nebo jiná deformace a musí odolávat zatížení včetně vlastní hmotnosti a zatížení větrem i při otevřené poloze křídla, aniž by došlo k poškození, posunutí, deformaci nebo ke zhoršení funkce. Výplně otvorů musí splňovat požadavky na tepelnětechnické vlastnosti v ustáleném teplotním stavu v souladu s normovými hodnotami. Dále musí splňovat požadavky na akustické vlastnosti v souladu s normovými hodnotami pro zajištění dostatečné ochrany před hlukem ve všech chráněných vnitřních prostorách stavby. Některé výše uvedené požadavky jsou přenášeny i do podkladových konstrukcí dveří – prahu, prahové spojky a podprahových konstrukcí. Konstrukční detail u dveřních výplní stavebních konstrukcí je nutno řešit jak z pohledu užívání, tak z pohledu tepelnětechnických, mechanických a chemických. Je nutné eliminovat tepelný tok pod rámovou konstrukci dveří a bezpečné napojit a ukončit hydroizolační a tepelně izolační prvky.
2.1 Měření náchylnosti k tečení stlačením
Byly vytvořeny zkušební desky 130 × 130 × 20 mm z druhotných polymerních surovin. Pro zlepšení tepelnětechnických a mechanických vlastností byly vyrobeny rovněž desky s příměsí pilin a nadouvadel. Po změření součinitele prostupu tepla jsou desky upraveny na zkušební tělesa válcového tvaru s průměrem 50 mm, na kterých se dlouhodobě měřilo zatížení tlakem. Ze zjištěných údajů je možno posoudit náchylnost vyrobeného vzorku ke creepu (kríp). Kríp je pomalá plastická i elastická deformace materiálu vyvolaná dlouhodobým působením teploty a času. Teplota se při pokusu pohybovala v předpokládaných hodnotách po zabudování výrobků do stavby – tzn. 15–21 °C, při 55% vlhkosti vzduchu.
Krípem (tečením za studena) se rozumí změna rozměrů tělesa při dlouhodobém statickém zatěžování (v tahu, tlaku, ohybu) konstantní silou (napětím) při konstantní teplotě. Krípové chování udává životnost konstrukční součásti. Deformace s časem narůstá a při jejím rozvoji se uplatní všechny složky deformace: ideálně elastická, zpožděně elastická a viskózní tok. Na zatěžovací stolici se měřilo stlačení předepsaným tlakem, byla použita čidla – snímače dráhy FWA025T (měřící rozsah 0–25 mm / rozlišení 0,001 mm) a data byla zaznamenávána do měřící ústředny Ahlborn ALMEMO 2470-2SKN v předvoleném časovém měřícím cyklu), ten byl stanoven na 5 minut. Při dlouhodobém měření se jednalo až o 15 000 naměřených hodnot na jednom čidle.
Obr. 1: Průběh dlouhodobého stlačení vzorku vyrobeného na ÚPST, zatížení 3 MPa
Naměřená data byla vyhodnocena vždy po uvedeném časovém období. Z uvedených hodnot lze stanovit závěr, že se maximální míra stlačení jednotlivých vzorků z druhotných plastů s přidanou příměsí pohybuje v maximálním rozmezí 1 % výšky vzorku (Obr. 1). Výsledky potvrzují možnost využívat druhotné plastové materiály i do konstrukcí, které jsou vystaveny dlouhodobým účinkům při provozu.
Hodnoty stlačení jsou v řádech desítek či setin milimetrů a nemají žádný vliv na funkčnost výplně stavebního otvoru. Jejich pevnost splňuje všechny požadavky dle platných norem.
2.2 Měření součinitele tepelné vodivosti
Obr. 2: Vzorek z vypalovací pece – HDPE
Z primárního cíle (zamezení vzniku tepelného mostu) je při výrobě vzorků (Obr. 2) soustředěna pozornost především na hodnoty součinitele tepelné vodivosti λ [W‧m−1‧K−1].
Součinitel tepelné vodivosti λ je důležitá charakteristika materiálu pro tepelnětechnické výpočty. Je definována jako množství tepla, které musí za jednotku času projít tělesem, aby na jednotkovou délku byl jednotkový teplotní spád. Přitom se předpokládá, že teplo se šíří pouze v jednom směru. Součinitel tepelné vodivosti λ je stanoven dle normy ČSN 64 0526 Zkoušení plastů – Stanovení součinitele tepelné vodivosti, pomocí přístroje pro přímé měření termo-fyzikálních vlastností pevných materiálů měřící ústřednou ISOMET 2104 firmy Applied Precision.
Součinitel tepelné vodivosti je ovlivňován v jednotlivých plastech jejich základními vlastnostmi a poměrem plastového materiálu k přidaným příměsím. Hodnota součinitele tepelné vodivosti je snižována ubíráním plastové výplně, přidáním dalších přísad a příměsí (použití napěňovadla, namáčení granulátu, aj.), důležitá je i technologie vytvořeného vzorku (lisování, vstřikování). Minimální hodnota naměřené tepelné vodivosti v rámci zkoušených polymerních materiálů je λ = 0,103 W‧m−1‧K−1.
Z uvedeného výsledku vyplývají horší parametry součinitele tepelné vodivosti oproti v současné době užívaným izolačním materiálům.
3. Výsledky
Obr. 3: Typy podkladních desek
Konstrukční detail u dveřních výplní stavebních konstrukcí je nutno řešit jak z pohledu užívání, tak z pohledu tepelnětechnických, mechanických a chemických vlastností. Je nutné eliminovat tepelný tok pod rámovou konstrukcí dveří a bezpečné napojit a ukončit hydroizolační a tepelně izolační prvky. Podkladní konstrukce pro prahovou spojku dveří pomáhá odstranit stávající nebo v současné době využívané podkladní konstrukce v konstrukci podlahy.
Podkladní konstrukce se skládá minimálně ze dvou desek z recyklovaného polymerního materiálu a umožňuje variabilní napojení hydroizolační konstrukce a zároveň variabilní výškové uspořádání pro rozdílné výšky detailu, vycházející z různých tloušťek navrhovaných konstrukcí podlah a dalších místních vlivů. Desky podkladní konstrukce jsou tvarově řešeny tak, aby do sebe zapadaly, popřípadě na sebe plošně dosedaly a ulehčovaly technologický postup práce. Dají se snadno upravovat řezáním a vytvořit tak přesně požadované rozměry v konstrukčním detailu. Konstrukce desek a jejich materiálové charakteristiky roznáší provozní zatížení způsobené provozem do podkladních vrstev (Obr. 3).
Desky musí být nenasákavé a difúzně uzavřené. Spojování a kotvení desek může být provedeno pomocí modifikování pro zesítění struktury např. kaučukem, plnidly atd., svařením nebo vzájemným sešroubováním. Další možností je ukotvit desky vzájemně k sobě skrz celou vytvořenou tloušťku do podkladní konstrukce.
Obr. 4: Podkladní konstrukce pro prahovou spojku dveří – axonometrický pohled, varianta a) pro hydroizolace foliového typu, varianta b) hydroizolace asfaltového typu
Problém s ukončením hydroizolace řeší tento systém zatažením hydroizolace pod horní desku a překrytím poslední desky. Společným spojením desek dojde k pevnému a vodě nepropustnému zakončení izolace. Hydroizolaci je nutno opět variabilně zatáhnout a ukotvit do libovolné výšky. Pomocí speciálních náběhových desek je možné plynule přejít ze svislé hydroizolace na vodorovnou a naopak (viz Obr. 4).
Axonometrický pohled včetně základní rozměrové charakteristiky znázorňuje Obr. 4. Základní šířka desek je stanovena na 150 mm, vzhledem k převládajícím úzkým nosným konstrukcím (převážně zdivo tl. 250–300 mm se zateplením; konstrukce dřevostaveb). V případě využití do širších svislých nosných konstrukcí je možné základní řadu desek výrobně rozšířit. Tloušťka základní desky je z technologických požadavků stanovena na 20 mm, dalším parametrem je variabilita vyskládání jednotlivých desek podkladní konstrukce do jakékoliv výšky. Rozměr zámků (ozubů) v deskách je výšky 5 mm a šířky 10 mm. Veškeré zkosené hrany jsou pod úhlem 45°. Délka desky je omezena pouze technologií výrobního procesu a následné manipulace. Standardní délka je stanovena na maximální délku 2000 mm, v případě potřeby stavby, je možné desky délkově napojovat přeložením přes sebe v minimálním přesahu 300 mm. Šířka osazovacího lůžka vrchní desky byla stanovena na 80 mm v závislosti na sortimentu stavebních výplní, kdy standardní šířka rámu se pohybuje v rozmezí 68–86 mm (nejedná se o standardní osazovací šířku rámu).
4. Závěr
Obr. 5: Schéma konstrukčního detailu podkladní konstrukce
Konstrukční detail na Obr. 5 znázorňuje možnost použití podkladní konstrukce v praxi při výstavbě úsporných objektů. Jedná se o vstup na terasu s předloženým schodem. Výplň dveřního otvoru je kotvena skrz desky a následně je připojovací spára vyplněna polyuretanovou pěnou. Důležitým sortimentem v nízkoenergetické a pasivní výstavbě je použití speciálních fólií.
Hydroizolace je fóliového typu a jsou použity tři základní druhy desek – deska s osazovací drážkou, vyrovnávací deska, podkladní deska s rovnou spodní stranou. Desky z interiéru jsou překryty standardní nášlapnou vrstvou. Vzhledem ke konstantním rozměrům okenní a dveřní konstrukce, je možné využít i jednotlivé desky podkladní konstrukce pro prahovou spojku dveří jiným způsobem. Možná varianta použití je při nemodelovém výškovém osazení okenního profilu. V případě, že je stavba stavěna z kusového staviva, které není možné řezat ve vodorovné rovině, přičemž je architektonický požadavek na výšku parapetu v atypické výšce než dovolují standardní nebo doplňkové cihly, je možné využít desky z druhotných plastových surovin a dorovnat potřebnou výšku parapetu. Desky vytvoří pevný podklad pod konstrukci rámu a je možné je opět propojit s nosným rámem.
Literatura
- MIN HU – DEMEI YU – JIANBO WEI. Thermal conductivity determination of small polymer samples by differential scanning calorimetry. Department of Applied Chemistry, School of Science, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shanxi 710049, PR China, 2006
- DUCHÁČEK V. Polymery – výroba, vlastnosti, zpracování, použití. 2. vyd. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Praha 2006. Str. 274. ISBN 80-7080-617-6
- Nařízení vlády 197/2003 Sb., o plánu odpadového hospodářství České republiky.
- MATĚJKA, L.; SMOLKA, R.; Ústav pozemního stavitelství: Podkladní konstrukce pro prahovou spojku dveří. 19112, užitný vzor. Praha (2008)
- MATĚJKA, L.; SMOLKA, R.; Vysoké učení technické v Brně, Brno, CZ: Desky prahové spojky. 34766, průmyslový vzor. Praha (2010)
- MATĚJKA, L.; SMOLKA, R.; Brno University of Technology: Support structures for a doors threshold. EP 2159364 B1, patent. Munchen (2012)
Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu FAST-J-19-6081 – „Studium vlivu sklonu na odtokové faktory skladeb retenčních střech“ a projektu FAST-S-19-6045 – „Studium fyzikálních procesů v kritických detailech obalových konstrukcí budov s téměř nulovou potřebou energie“.
Panels for openings in structures have always been an essential and integral part of buildings. Their importance in terms of a building´s functionality was not recognised. However, the general view on this issue has changed from focusing on big planar segments and critical details to sub-elements of these structures. This does not only focus on the forms of connecting joints but also on the supporting systems that keep the panels in the right position and ensure they function properly. One of the most strained segments is the threshold structure, especially the entrance door threshold structure. It is the part where substantial defects in construction occur in terms of waterproofing, as well as in the static, thermal and technical functions thereof. In conventional buildings, this problem is solved by pulling the floor structure under the entrance door structure and subsequently covering it with waterproofing material. This system cannot work effectively over the long term so local defects occur. A proposal is put forward to solve this problem by installing a sub-threshold door coupler made of composite materials. The coupler is designed so that its variability complies with the required parameters for most door structures on the European market.