Optimalizácia mikroklímy a požiarnej bezpečnosti v drevostavbe rodinného domu s aplikáciou hlinených omietok

1. Úvod

Typickým stavebným materiálom používaným pri výstavbe domov bolo na Slovensku v minulosti drevo v kombinácii s hlinou. Pre našu krajinu boli v ľudovej architektúre najtypickejšie domy zrubové tzv. drevenice, resp. pri vyššom počte podlaží, domy hrázdene.

Z hľadiska vyčerpania prírodných zdrojov a globálneho znečisťovania zeme ekologicky náročnými technológiami je sa nevyhnutné v procese výstavby vrátiť vo väčšej miere k využívaniu materiálov z obnoviteľných zdrojov, podobne ako to realizovali naši predkovia.

2. Možnosti aplikácie hliny pri výstavbe budov na báze dreva z hľadiska zvýšenia ich požiarnej ochrany v história a v súčasnosti

Pri výstavbe dreveníc sa v minulosti vo výraznej miere pre zvýšenie požiarnej odolnosti konštrukcii používala nepálená hlina. Uplatnenie našla pri vyplnení škár medzi trámami v zmesi so slamou, alt. machom. V minulosti sa používali hlinené omietky na zvýšenie požiarnej ochrany nosných prvkov stien, drevených stropov a striech.

Aby sa hlina na dreve lepšie zachytávala, zatĺkali sa do trámov kolíky, alt. do spodnej hrubej omietky sa narobili šikmé diery, alt. zárezy, aby sa po jej vyschnutí vonkajšia hladká vrstva dobre nanášala a ukotvila. Zvýšenie požiarnej odolnosti strešných plášťov zo slamy, resp. rákosa bolo tiež realizované pri ich zabudovaní na streche ich namáčaním v hlinenej zmesi. [2] V mestskom urbanizme prevládala technológia hrazdených stavieb – kombinácia nosnej drevenej stĺpikovej konštrukcie a muriva z prevažne nepálenej hliny s povrchovou úpravou a súčasne i požiarnou ochranou drevenej konštrukcie hlinenou omietkou.

V súčasnosti sa hlinené omietky do interiérov obytných priestorov opäť vracajú. Je to primárne podmienené ich vplyvom na zvýšenie kvality mikroklímy obytného prostredia. Výborne regulujú interiérovú vlhkosť, pohlcujú elektromagnetické žiarenie a ponúkajú vysokú variabilitu v možnostiach výtvarnej výzdoby interiéru.

Možnosti riešení povrchových úprav stien hlinenou omietkou sú buď štandardným postupným nanášaním na tuhý, alt. mäkký podklad dreveného panelu ako vidieť na obrázku 1a, 1b, alebo kombináciou hlineného panelu a finálnej hlinenej omietky viď obr. 1c.

Omietka sa kotví na nosnú konštrukciu dreveného panelu. Z hľadiska zrýchlenia procesu výstavby je jednoduchší a rýchlejší montovaný systém hlinenej omietky.

Realizuje sa v prevedení kombinácie hlineného panelu hr. 22 mm a univerzálnej hlinenej omietky ako finálnej interiérovej úpravy. Tú v tomto prípade možno nanášať naraz do hr. cca 10 mm bez toho, aby pri vysychaní popraskala. Následne sa môže bez technologickej prestávky zapucovať. Pri požiadavkách menších hrúbok omietky je tu zasa možnosť nanášania len jednej vrstvy univerzálnej omietky v požadovanej hrúbke, ktorá je aplikovaná naraz. [3]

a) postupné nanášanie hlinenej omietky po vrstvách na tuhý podklad

b) príprava podkladu pre postupné nanášanie hlinenej omietky na mäkký podklad

c) mechanicky kotvený hlinený panel na nosnú konštrukciu dreveného panelu

Obr. 1 Príklady riešení aplikácie hlinenej omietky v súčasnosti

3. Požiadavky na požiarnu odolnosť obvodových plášťov drevostavieb a použitie hlinenej omietky na zvýšenie ich požiarnej odolnosti

Pri drevostavbách rodinných domov sa v súčasnosti najčastejšie používajú drevene rámové stĺpikové konštrukcie. Sú dva systémy – Platform-Frameak, čo je stĺpiková nosná konštrukcia steny, ktorá je v mieste stropu prerušená, tj. stena ďalšieho podlažia sa osádza priamo na stropnú konštrukciu. Druhá možnosť konštrukčného riešenia je metóda Ballon – Frame, kde idú stĺpiky po celej výške objektu priebežne bez prerušenia. Všetky uvedené konštrukčné systémy na báze dreva sú z hľadiska požiarnej bezpečnosti stavby definované ako horľavé konštrukčné celky. Požadovaná požiarna odolnosť požiarne deliacich a nosných konštrukcii v minútach závisí od stupňa požiarnej bezpečnosti daného požiarneho úseku. Ten je priamo závislý od požiarnej výšky objektu, požiarneho zaťaženia v posudzovanom požiarnom úseku a horľavosti konštrukčného celku budovy. Pri návrhu skladby obvodových plášťov a ostatných požiarne deliacich stien je dôležitá horľavosť použitých tepelných izolácii vo vzduchovej medzere a obkladových materiálov zo strany interiéru. [4] Od nich je priamo závislá výsledná požiarna odolnosť steny a stropu. Ta je následne kritériom pre možnosť ich aplikácie na stavbe, viď tab. 1. Sú v nej uvedené požiadavky na požiarnu odolnosť konštrukcii pre budovy určené k bývaniu a ubytovaniu v SR.

Z hľadiska požiarnej bezpečnosti stavby možno hlinenú omietku so strany interiéru považovať za protipožiarnu izoláciu požiarne deliacej konštrukcie. Jej účinnosť je priamo závislá od jej hrúbky, spôsobu kotvenia na konštrukciu steny, alt. stropu a jej celistvosti v celej ploche. Na základe požiarnych skúšok realizovaných v autorizovanom skúšobnom laboratóriu PAVUS, a. s. vo Veselí nad Lužnicí, ktoré boli uskutočnené v rámci Projektu 1221420507: „Vybrané vlastnosti přírodních a dalších stavebních materiálů, stavebních prvků a budov“ programu Efekt MPO ČR na Katedře konstrukcí pozemních staveb, Fakulty stavební ČVUT v Prahe v roku 2011, bola zistená požiarna odolnosť steny s drevenou nosnou konštrukciou s interiérovou úpravou povrchu hlinenou omietkou PICAS hr. 30 mm na pletive s kotvením na OSB doskách REI 60 DP3 [5], čo je maximálna požadovaná požiarna odolnosť pri budovách určených k bývaniu a ubytovaniu.

4. Vplyv interiérových hlinených omietok na mikroklímu obytného priestoru

Povrch stien z hlinených omietok reguluje, v závislosti od ich plochy a hrúbky, ktorá by mala byť pri funkčných omietkach min. 20–30 mm, vnútornú vlhkosť vzduchu, elektromagnetický smog, pachy ako i teplotu interiérového vzduchu. Vzhľadom na ich plošnú hmotnosť a štruktúru ich povrchu vedia v priestore v závislosti od jeho geometrie optimalizovať dobu dozvuku a výslednú vzduchovú nepriezvučnosť deliacich konštrukcii. Z estetického a výtvarného hľadiska majú vysokú variabilitu pri konštrukcii detailov ako i pri priestorovej výzdobe povrchov. V závislosti od hrúbky hlinenej omietky sa výrazne zvyšuje i akumulačná schopnosť ľahkých konštrukcii stien, čo má vplyv na tepelnú stabilitu vnútorného prostredia najme v letnom období. Z uvedeného vyplýva, že sú optimálnym riešením pri modelovaní mikroklímy obytných priestorov.

4.1 Vplyv interiérových hlinených omietok na tepelnú stabilitu v letnom období v drevostavbe – modelové riešenie

Pri návrhu obytného priestoru v drevostavbách je častým problémom v letnom období jeho prehrievanie. To je primárne podmienené účinnosťou proti slnečnej ochrany kritických presklených plôch a následne tepelnou zotrvačnosťou povrchov, ktoré chránený priestor ohraničujú. Pri ľahkých sendvičových konštrukciách na báze dreva ide spravidla vždy o prvky s nízkou plošnou hmotnosťou s obmedzenou akumuláciou tepla.

Tepelná akumulácia osáľaných povrchov konštrukcii – obvodovej steny, priečky, podlahy má veľký význam na tepelnú stabilitu priestoru. Od hodnoty plošnej tepelnej kapacity obkladového materiálu závisí množstvo pohlteného tepla obalovou konštrukciou a následný vzostup interiérovej teploty. Tepelná kapacita je množstvo tepla v jouloch, ktoré je v letnom období pri ohriatí stenou absorbované o jeden stupeň Kelvina (prípadne Celsia).

Jednou z možností ako sa dá interiérová teplota v letnom období v priestore bez použitia klimatizácie regulovať, je aplikácia hmotnej tepelno-akumulačnej vrstvy na osáľaných interiérových povrchoch – napríklad použitím omietky na báze hliny.

V mojom článku sa zaoberám posúdením účinnosti hlinených omietok aplikovaných zo strany interiéru na obvodovej stene ako i priečke na stabilizáciu tepelnej pohody v letnom období v modelovom riešení v kritickej obývacej izbe v rodinnom dome na báze dreva. Modelové riešenie RD je vyhodnotené pre dve modelové situácie osadenia RD do územia. Posúdené sú orientácie okien z kritickej obytnej miestnosti k svetovým stranám – južné priečelie a juhovýchodné, resp. juhozápadné priečelie. Posúdená je kritická obytná izba s najväčšou plochou okien s kritickou orientáciou. Izba sa nachádza v jednopodlažnom modelovom rodinnom dome, ktorý je navrhnutý ako ľahká montovaná drevostavba zo stĺpikovej nosnej konštrukcie. Kritickou miestnosťou je obývacia izba s pôdorysnými rozmermi 6,7 × 6,9 m, so svetlou výškou 2,6 m. Kritické okná z hľadiska tepelnej záťaže sú 2 × 2,1 × 2,4 m = 10,1 m², ktoré sú s čiastočným tienením rímsou strechy, ktorá je s vyložením 2 m a s odsadením jej dolnej hrany nad horným ostením okna 0,6 m. Vyloženie rímsy a jeho odsadenie od nadpražia okna bolo optimalizované ako z hľadiska transferu denného difúzneho svetla tak tepelnej záťaže.

Južne orientované okná sú zo strany exteriéru s bielymi žalúziami s koeficientom tienia 0,3. Žalúzie okrem obmedzenia tepelnej záťaže v letnom období zabezpečujú difúzny rozptyl priameho slnečného žiarenia pri nízkej výške slnka v zimnom a prechodnom období z hľadiska optimalizácie intenzity svetelného jasu na porovnávajúcej rovine. Rozmery ostatných okien v bočnej a protiľahlej stene sú 2 × 0,9 × 0,6 m + 2,1 × 1,2 m, ich umiestnenie v stenách viď pôdorys. Izba je s priečnym vetraním.

Tepelná izolácia medzi stĺpikmi je navrhnutá z minerálnej vlny Isover Woodsil hr. 140 mm, zo strany exteriéru je opláštenie drevenej nosnej konštrukcie z drevovláknitej dosky Diffutherm hr. 80 mm s tenko vrstvovou omietkou. Zo strany interiéru sú navrhnuté dve variantné konštrukčné riešenia. Vo variante „1“ sa uvažuje s typickým riešením opláštenia drevenej steny obkladom so sadrokartónu hr. 15 mm.

Vo variante „2“ je zo strany interiéru použitá hlinená omietka na podklade z drevovláknitej dosky WW, ktorá je s magnezitovým spojivom, alt. s uchytením hlineného panelu s finálnou hlinenou omietkou v celkovej hr. 30 mm na podklad z dosiek OSB.

Obr. 2 Geometria a dispozične riešenie modelového RD

Rovnaké povrchové úpravy sa v jednotlivých variantoch uvažujú i pre priečku. Následne sú konštrukčné riešenia vzájomne porovnané z hľadiska ich vplyvu na tepelnú stabilitu ako i environmentálnu záťaž a požiarnu odolnosť obvodových konštrukcii. Horizontálne konštrukcie sú pre obidva varianty identické. Podlaha na teréne je zateplená 100 mm polystyrénom 150S + betónový poter hr. 70 mm s nášľapnou vrstvou z drevených vlysov. Konštrukcia strechy je dvojplášťová prevetrávaná, pričom tepelná izolácia je v úrovni spodnej pásnice dreveného nosníka nad nosným roštom podhľadu z minerálnej vlny Isover Woodsil hr. 400 mm. Podhľad je zo sadrokartónu hr. 15 mm. Okná sa uvažujú s trojsklom zo súčiniteľom prechodu tepla 0,8 W/m²K, ktoré budú zo strany exteriéru s bielymi žalúziami z koeficientom tienenia = 0,3 + s tienením vyloženou rímsou strechy. Okrajové podmienky výpočtu – klimatické parametre boli prevzaté z STN 73 0540-3. Tepelná stabilita priestoru pre letné obdobie bola vypočítaná Softwarom Simulácie 2015 Svoboda. Tepelná stabilita posudzovanej miestnosti je vyhodnotená pre dve konštrukčné riešenia obvodového plášťa a priečky a pre dve možné orientácie prevládajúcich okien – juh, juhovýchod, alt. juhozápad. Skladby a tepelno-fyzikálne parametre obalových konštrukcií pre obidva varianty sú uvedené v tab. 2. Geometria a dispozične riešenie modelového RD viď obr. 2.

Okrajové podmienky výpočtu:
Zemepisná šírka: 49 st., objem vzduchu v miestnosti: 120,2 m³, súč. prestupu tepla prúdením: 2,50 W/m²K, súč. prestupu tepla sálaním: 5,50 W/m²K, činiteľ f_sa: 0,10.

Kritériom tepelnej stability miestnosti v lete je vzostup interiérovej teploty na najvyššiu dovolenú dennú teplotu, ktorá je pre daný typ funkčného využitia 26 stupňov.

Z uvedeného vyplýva, že teplota vzduchu v posudzovanej miestnosti v závislosti od konštrukčného riešenia vo variante 2 je pre všetky kritické varianty orientácie okien v dovolenom hygienickom limite. Vo variante 1 je vzostup maximálnej teploty pre orientáciu okien v pozícii k juhovýchodu a juhozápadu mierne nad dovolený limit.

Graf 1 Vyhodnotenie vzostupu interiérovej teploty pre južnú orientáciu hlavnej kolektorovej plochy v posudzovanej kritickej izbe

Graf 2 Vyhodnotenie vzostupu interiérovej teploty pre juhovýchodnú a juhozápadnú orientáciu hlavnej kolektorovej plochy v posudzovanej kritickej izbe

5. Vplyv interiérových hlinených omietok na environmentálnu záťaž pri navrhovanej výstavbe v modelovom riešení

Ekologické vplyvy výstavby budov v súčasnom stavebnom štandarde sú pre životné prostredie veľkou záťažou. Z hľadiska udržateľnej výstavby je dôležitá ekologická optimalizácia stavebných materiálov a výrobkov tak, aby bola ich environmentálna záťaž v sektore výstavby, kde je to z konštrukčného a statického riešenia možné, čo najnižšia, ideálne v kategórii A. Z hľadiska trvalej udržateľnosti je dôležité eliminovať mieru odpadu z výstavby na ekologicky prijateľnú úroveň. To znamená v maximálnej miere používať pri výstavbe materiály z obnoviteľných a zo z recyklovaných zdrojov.

Z hľadiska ekológie patria hlinene omietky k materiálom, ktoré sú s minimálnym odpadom pri výrobe ako i samotnej aplikácii s možnosťou ich recyklácie po ukončení ich životného cyklu. Sú s ľahkou dostupnosťou surovín pre ich výrobu bez zásadnej ekologickej záťaže pre životné prostredie. Ich aplikácia pri výstavbe je ideálnym riešením z hľadiska stratégie trvalej udržateľnosti výstavby budov. Environmentálna zaťaž je určovaná spotrebou zabudovanej energie a tvorbou emisii v celom životnom cykle výrobku. Všeobecne akceptovaným ekvivalentom hodnotenia vplyvu stavebných materiálov na životné prostredie je pri ich zabudovaní do konštrukcie je environmentálny index konštrukcie označovaný ako OI3_kon Pre jednotlivé súvrstvia obvodových stien sú hodnoty environmentálnej záťaže definované OI3_kon uvedené v tab. 2. Vzťahuje sa na 1 m² stavebnej konštrukcie a zohľadňuje tretinové váhy Oekoindexov vtiahnutých na 1 m² posudzovanej konštrukcie. [1]

Graf 3 Environmentálna záťaž stavebných doskových materiálov vyjadrená OI3_kon

Ekologická záťaž hlinenej omietky je cca štvrtinová v porovnaní zo štandardnými stavebnými obkladovými materiálmi viď graf 3.

6. Záver

Na základe uvedených poznatkov možno konštatovať, že pri nízko podlažnej výstavbe drevostavieb je pri použití hlinených omietok zo strany interiéru v dostatočnej miere zabezpečená požiarna odolnosť drevenených nosných prvkov požiarne deliacich stien.

Z hľadiska tepelnej stability v letnom období hlinené omietky na ohraničujúcich povrchoch chránenej miestnosti spolu s účinnou proti slnečnou ochranou okien a spôsobom vetrania v zmysle uvedeného modelového riešenia dostatočne regulujú vzostup interiérovej teploty vzduchu v zmysle kritérií STN 730450. Použitím hlinených omietok v kombinácii s ostatnými tepelnoizolačnými opatreniami je možné i bez núteného vetrania a chladenia v objektoch z ľahkých obalových konštrukcii na báze dreva docieliť za uvedených okrajových podmienok v letnom období prijateľnú tepelnú mikroklímu.

V grafe 3 je vzájomné porovnanie ekologickej záťaže viacerých možných finálnych povrchových úprav drevených sendvičových obalových konštrukcii. Z uvedeného porovnania vyplýva, že ekologická záťaž hlinenej omietky v celom životnom cykle je cca štvrtinová v porovnaní s najčastejšie používanými doskami so sadrokartónu.

Použitie hlinených omietok pri výstavbe drevo domov je jedna z možností ako optimalizovať mikroklímu priestorov, zvýšiť požiarnu bezpečnosť nosného konštrukčného systému a minimalizovať ekologickú záťaž stavby na životné prostredie.

Poďakovanie

Výsledky uvedené v článku boli získané v rámci riešenia projektu VEGA č. 1/0945/16.

Literatúra

1. Denz P., Gmeiner H., Rohrer F., Sutter Ch. 2017 Oekoindex Bauteilbewertung, Leitfadenzur ökologischen Bewertung von Bauteilkonstruktionen mittels Oekoindex, Leitfaden V1.4 (Dornbirn: Energieinstitut Vorarlberg).
2. Válka M.: Hliněná nebo dřevěná stavba? Ke kombinaci stavebních materiálů u vesnických staveb. In.: Mezinárodní vědecká konference Zdravé domy healthy houses 2016, ISBN 978-80-904593-3-5 © Sdružení hliněného stavitelství z. s., s. 15–19.
3. Žabičková I.: Časté případy poruch hliněného zdiva a možnosti sanace. In.: Mezinárodní vědecká konference Zdravé domy healthy houses 2016, ISBN 978-80-904593-3-5 © Sdružení hliněného stavitelství z. s., s. 79–91.
4. Makovická – Osvaldová, L. – Gašpercová, S.: The evaluation of flammability properties regarding testing methods. In: Civil and Environmental Engineering: scientific technical journal. Vol. 11, No. 2, 2015, pp. 142–146, ISSN 1336-5835.
5. Růžička, J., Kopecký, P., Pokorný, M., Staněk, K.: Obvodové pláště z přírodních materiálů pro pasivní domy – požární a tepelnětechnické vlastnosti, sborník z konference Pasivní domy 2011, Bratislava 2011.