Princip a vlastnosti fóliových střešních a fasádních systémů

Před více než pětatřiceti lety vznikla myšlenka využít fólii z ETFE (etylen tetrafluoretylen – teflon) pro zastřešení velkých atrií. Podnětem k této úvaze byla vysoká pevnost a nízká hmotnost materiálu. Byl vyvinut speciální systém transparentních střech a fasád s využitím průhledných fólií z materiálu ETFE.

Systém, kterým je možné nahradit skleněné střechy a fasády, spočívá ve vytvoření polštářů z několika vrstev fólie (nejčastěji tří) o tloušťkách 100 až 250 mikronů. Tyto polštáře jsou nafouknuty stlačeným vzduchem o tlaku cca 220 Pa a trvale napojeny na rozvod stlačeného vzduchu. Ventilátorová stanice je ovládána čidlem měřícím aktuální tlak v polštářích a v případě poklesu se spustí a doplní vzduch na požadovaný tlak. Nafouknutí polštáře zajistí dokonalé vypnutí fólie a vzduchové vrstvy plní funkci tepelné izolace. Střešní systém má následující komponenty:

• Svařené polštáře z ETFE fólie se zavařeným lankem, sloužícím k upnutí do profilů.
• Upínací profily, suplující rámy oken u skleněných zastřešení.
• Systém rozvodu a zajištění stlačeného vzduchu.
• Nosnou konstrukci střechy, na níž jsou upevněny upínací profily.

Obrázek profilu s fólií

ETFE fólie je transparentní, barevná nebo potištěná fólie o tloušťkách obvykle 100 až 250 mikronů, která je absolutně rezistentní vůči působení UV záření. Pevnost fólie dovoluje navrhovat střešní systémy s nosností 250 kg/m².

Upínací hliníkové protlačované profily jsou navrženy tak, aby do nich bylo možné upnout fóliové polštáře, přerušit tepelné mosty, odvodnit uvnitř i vně profilů a zajistit těsnění celé střechy. Upevnění fólie je provedeno tak, že po obvodu svařeného polštáře je zavařeno lanko o průměru 6 až 10 mm. Toto lanko se při upínání zasune do speciálního profilu, který se vloží do vlastního upínacího profilu. Fólie je tak spolehlivě upnuta po celém obvodu a utěsnění napomáhá i nafouknutí vlastního polštáře. Tepelné mosty jsou přerušeny úplným oddělením vnějších a vnitřních profilů EPDM těsněním.

Důležitou součástí celého střešního systému je zabezpečení stlačeného vzduchu a jeho distribuce k jednotlivým polštářům. Jako zdroj stlačeného vzduchu slouží ventilátorová stanice s hlavním a záložním kompresorem, obvykle umístěná v sousedství střechy. Ventilátorová stanice pracuje automaticky.

Vícevrstvé střešní a fasádní systémy mají jednu charakteristickou vlastnost – fóliové polštáře mají převýšení (vzdálenost mezi dvěma vrstvami) 10 % uprostřed kratšího rozměru na každou stranu od středu polštáře. ETFE fólie se používá i pro jednovrstvé řešení, při němž je napínání stlačeným vzduchem nahrazeno mechanickým vypínáním po obvodu fólie. V tomto případě má povrch fólie tvar spojnice mezi dvěma napínacími profily.

Porovnání výhod a nedostatků střešních a fasádních systémů s ETFE fólií

Výhody:

1. Nízká hmotnost
2. Nosnost
3. Životnost
4. Tvarovatelnost
5. Velikost oken
6. Průchod světla
7. Samočistící schopnost
8. Snadná opravitelnost

Nevýhody:

1. Akustické vlastnosti za deště
2. Potřeba napojení na rozvod stlačeného vzduchu
3. Zastínění proti infračerveným paprskům

Mediacite – Liege, Belgie – Foto Marc Detiffe

Elements Livingston, Anglie – Foto Morley von Sternberg

Autobusové nádraží Aarau, Švýcarsko - Foto Andreas Braun

Výhody fóliového zastřešení

Nízká hmotnost – měrná hmotnost vlastní fólie ve třech vrstvách je cca 0,5 kg/m² a je tak mnohonásobně lehčí než sklo (cca 50 kg/m²). Měrná hmotnost kompletního střešního systému (fólie, upínací profily, rozvod vzduchu, bez nosné konstrukce) činí cca 2,5 až 4 kg/m². Důsledkem nízké hmotnosti je subtilnější nosná konstrukce, na níž se střešní systém upevňuje. Tato vlastnost dovoluje navrhovat větší rozpětí a velikosti fóliových „oken“. Nízká hmotnost je vlastnost, která se s výhodou využívá například při rekonstrukci stávajících objektů, u nichž je třeba zajistit co nejnižší přitížení střechy.

Nosnost – při tlaku 220 Pa je nosnost střešního systému až 250 kg/m² a střecha je tak pochozí. Při navrhování fóliové střechy je nutno zohlednit stav, při němž (např. v důsledku výpadku el. proudu) není v polštářích dostatečný tlak. Střecha je i za tohoto stavu plně funkční, ale při sněhu a dešti může dojít k vytvoření „vodního pytle“ a tím k nerovnoměrnému zatížení. Z těchto důvodů se doporučuje navrhovat tvar střechy tak, aby se toto nebezpečí minimalizovalo (zaoblení, sklon střechy apod.). V místech, kde se takováto situace může vyskytnout, je vhodné umístit pod spodní fólii nerezová lanka s roztečí cca 300 mm, která v této situaci fólii podepřou a zvýší místně nosnost střešního systému.

Životnost – první projekty, realizované touto technologií, jsou již takřka 40 let v provozu a do této doby nebyly zaznamenány žádné změny vzhledových či mechanických vlastností. Již více než 25 let je fólie testována na Floridě na odolnost proti UV záření. Fólie je rezistentní vůči tomuto záření. Je možno konstatovat, že životnost fólie je srovnatelná s životností stavby.

Tvarovatelnost – Fólie poskytuje architektům takřka úplnou volnost v navrhování tvarů, neboť se dokáže přizpůsobit takřka jakýmkoliv tvarům obvodových upínacích profilů. Upínací profily je možno ohýbat ve dvou rovinách a vytvořit tak i „zborcené“ plochy.

Velikost oken – významnou výhodou vzhledu fóliového systému je velikost „oken“. Standardní šířka fóliového „okna“ je 3,5 m a délka není takřka omezená. Byla realizována „okna“ o délce až 50 m. Velikost „okna“ 100 m² přináší nejen krásný výhled na oblohu, ale při porovnání s velikostí oken při zasklení, nahradí jedno takovéto okno 30 až 60 tabulí.

Průchod světla – UV záření se využívá hlavně u botanických a zoologických zahrad a u bazénů a aquaparků. Procházející světlo má přirozené barevné podání, fotosyntéza u rostlin probíhá takřka jako ve venkovním prostředí. Důkazem této vlastnosti je realizace trvale zastřešeného stadionu s přirozeným trávníkem na Novém Zélandu (Forsyth Bar Stadium v Dunedine). Výrobce vyvinul nový typ ETFE fólie s označením IR, která snižuje prostup infračervených paprsků a snižuje tepelné zisky.

Samočisticí schopnost – fólie ETFE má obdobné vlastnosti, jako teflon. Povrch fólie je extrémně hladký, déšť smyje znečištění, včetně ptačího trusu. Samočistící schopnost šetří náklady.

Snadná opravitelnost – menší poškození je možné opravit přelepením samolepící ETFE páskou. Páska má stejné vlastnosti jako ETFE fólie.

Nevýhody fóliového zastřešení

Akustické vlastnosti za deště – fóliové zastřešení – nafouknuté polštáře – působí za deště jako blána bubnu. U střech to obvykle není problém, pokud se nejedná o prostor s požadavkem na ticho (knihovny, čítárny, koncertní sály). Nízká hodnota útlumu se s výhodou využívá u zastřešení a fasád aquaparků, kde nízká hmotnost fólie a malý útlum neodráží a nezesiluje hluk uvnitř aquaparku. Na rozdíl od prosklení je hlučnost uvnitř vyvolaná návštěvníky podstatně nižší.

Potřeba napojení na rozvod stlačeného vzduchu – zajištění trvalého tlaku v polštářích vyžaduje napojení celého systému na zdroj tlakového vzduchu – ventilátorovou stanici. Oproti zasklení je tím pádem nutná spotřeba energie – podle údajů dodavatele střešních systémů činí tento náklad cca 30 Kč za rok na m².

Zastínění proti infračerveným paprskům – vynikající světelná propustnost ETFE fólie má za následek průchod infračervených paprsků a tepelné zisky uvnitř objektu. Zatímco u prosklení je možno volit sklo nebo polep fólií snižující tepelné zisky u ETFE fólie to zatím není možné. Snížení tepelných zisků je možné zajistit potiskem fólie.

Foryth Bar Stadium, Dunedin Nový Zéland – Foto Jamie Cobeldick

Vzducholoď Guliver, Galerie DOX, Praha – Foto Firmconsult

Další vlastnosti fóliových systémů, zajímavé z hlediska staveb

Požární odolnost – Z hlediska reakce na oheň podle EN 13 501-1 je materiál klasifikován jako B-s1-d0, což znamená „těžce zapálitelný bez vývinu kouře, neodkapávající při hoření“. Ve fólii se při dosažení teploty více než 250 °C, vytvoří otvor, který se již dále nerozšiřuje a odvětrá prostor atria.

Tepelně-technické vlastnosti – koeficient prostupu tepla závisí na počtu vrstev fólie:

• 2 vrstvy – 2,94 W/m²K
• 3 vrstvy – 1,96 W/m²K
• 4 vrstvy – 1,47 W/m²K
• 5 vrstev – 1,18 W/m²K

Ekologie – fólie ETFE je povolena Montrealským protokolem. Základní materiál je klasifikován jako třída II dle Montrealského protokolu, fólie je vyráběna technologickým postupem na vodní bázi a je plně recyklovatelná. Energetická náročnost po dobu celé životnosti je ve srovnání s ostatními transparentními systémy několikanásobně nižší.

Příklady řešení

Forsyth Bar Stadium – jedná se o první trvale zastřešený stadion s přírodním trávníkem pro ragby na světě. Byl vybudován v Dunedin na Novém Zélandu v roce 2011 a zastřešená plocha má rozpon 105 m, délku 160 m, světlou výšku zastřešení 37 m a hlediště pro 30 000 diváků. Nosná konstrukce je tvořena 5 příhradovými nosníky s roztečí 30 m, umístěnými nad zastřešením. Tyto nosníky jsou vzájemně propojeny po cca 20 m oblouky se spodním zavětrováním. Z ETFE fólie je řešena i fasáda na obou koncích stadionu.

Mediacite – jeden z prvních projektů s profily ohýbanými ve dvou rovinách představuje zastřešení nákupního centra v Liege v Belgii. Architektonicky zajímavé řešení využíván čirou a červenou fólii.

Elements - Livingston – tato nákupní galerie je krásným příkladem subtilní nosné konstrukce ETFE zastřešení s rozpětím 20 až 32 m. Na obrázku je „náměstí“ nákupních „ulic“ o rozměru 24 x 24 m, s „okny“ o šířce 4 m.

Aarau – zastřešení autobusového nádraží v Aarau (Švýcarsko) je navrženo atypickým způsobem: Je vytvořeno jako jeden velký polštář o ploše 1 155 m², který je podepřen na spodní i horní straně polštáře nepravidelnou sítí z nerezových lanek. Na spodní ploše síť polštář podepírá, na horní straně omezuje nafouknutí a zároveň ztuží. Další zajímavostí je, že nosná konstrukce je umístěna uvnitř polštáře a sloupy polštáři procházejí těsněnými přírubami. Na rozdíl od obvyklého řešení jsou zde umístěny dvě fólie samostatně upínané na obvodovou konstrukci.

Guliver – v loňském roce bylo v Galerii DOX v Holešovicích realizováno zakrytí vzducholodi Guliver jednovrstvou ETFE fólií. Jednovrstvá fólie je napínána mezi nosné profily a ochraňuje dřevěnou konstrukci vzducholodi.