Možnosti zlepšení stavebně fyzikálních parametrů u lehkých stropních konstrukcí
Využití dřeva v oblasti stavebnictví je velmi aktuálním tématem, zejména s ohledem na možnost realizace často diskutované nízkoenergetické či pasivní výstavby. Význam při využití stoupá také s ohledem na charakter dřeva jako poměrně bezproblémově dostupného obnovitelného a lehce recyklovatelného stavebního materiálu.Podívejme se na některé možnosti. Článek vznikl za podpory VVZ MSM 0021630511 Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí.
1 ÚVOD
Využití dřeva v oblasti stavebnictví je velmi aktuálním tématem, zejména s ohledem na možnost realizace často diskutované nízkoenergetické či pasivní výstavby. Význam při využití stoupá také s ohledem na charakter dřeva jako poměrně bezproblémově dostupného obnovitelného a lehce recyklovatelného stavebního materiálu.
Často se uvádí statistika lesnatosti České republiky, ze které je zřejmé, že množství dřeva je v naší zemi dostatečné a z důvodu poměrně nízké spotřeby řeziva jsou lesy často přestárlé, málo obnovované.
Podíl dřevostaveb však na současném stavebním trhu narůstá, proto si tento článek klade za cíl přiblížit možnosti zlepšení vybraných vlastností dílčích konstrukcí používaných v těchto objektech. Vzhledem k rozsahu dané problematiky bude dále rozebrána problematika dřevěných stropních konstrukcí.
Vodorovné nosné prvky musí splňovat požadavky statické, požárně bezpečnostní, tepelně technické, zvukově izolační, estetické a mnohé další.
Stavební praxe se zabývá srubovými stavbami, realizací panelových objektů a v neposlední řadě výstavbou dřevodomů montovanou technologií.
Článek se zaměřuje na některé zásadní nedostatky, které jsou spojeny s daným druhem výstavby. Mezi ty nejzásadnější patří především stavebně fyzikální problémy. Jedná se jak o splnění požadavků stavební akustiky, tak o tepelně technické problémy a v neposlední řadě také další parametry ovlivňující mikroklimatické podmínky interiéru stavby.
Ve stavební praxi je, s ohledem na rozdílnost legislativou stanovených požadavků, nezbytné rozdělit výstavbu určenou pro funkci bydlení na dvě základní kategorie:
- na výstavbu dřevěných rodinných domů
- a dřevěných bytových domů.
U rodinných domů jsou některé závazné požadavky méně přísné než v případě bytových objektů. V následujících kapitolách jsou postupně podrobněji rozebrány tři stavebně fyzikální oblasti. První dvě problematiky, stavební akustika a tepelná technika, jsou zakotveny v platné legislativě ČR a je tudíž nutno dbát splnění požadovaných hodnot, případně se zaměřit na možné vylepšení stávajících řešení. Třetí řešená oblast se zabývá méně známým faktorem ovlivňujícím vnitřní prostředí, tzv. elektroiontovým mikroklimatem.
2 ZVUKOIZOLAČNÍ VLASTNOSTI STROPNÍCH KONSTRUKCÍ
Obecně známým a často řešeným problémem u relativně lehkých stropních dřevěných konstrukcí jsou jejich nedostatečné zvukoizolační vlastnosti.
V platné legislativě ČSN 730532/Únor 2010 (Akustika - Ochrana proti hluku v budovách a souvisící akustické vlastnosti stavebních výrobků - Požadavky) jsou přesně definovány zvukoizolační požadavky na vlastnosti pro stavby určené k bydlení.
V případě posuzování vzduchové neprůzvučnosti mezi místnostmi se jedná o váženou stavební vzduchovou neprůzvučnost R´w [dB]; váženou laboratorní neprůzvučnost Rw [dB] a vážený normovaný rozdíl hladin DnT,w. Váženou stavební vzduchovou neprůzvučnost R´w je pak definována vztahem, [7]:
R´w=L1-L2+10*log(S/A)
kde:L1 průměrná hladina akustického tlaku, určená měřením, ve vysílací místnosti [dB],
L2 průměrná hladina akustického tlaku, určená měřením, v přijímací místnosti [dB],
S plocha společné dělící konstrukce [m2],
A celková zvuková pohltivost v přijímací místnosti [m2].
V případě posuzování kročejové neprůzvučnosti mezi místnostmi se pak jedná o váženou normovanou hladinu akustického tlaku kročejového zvuku L´n,w, L´nT,w, [8].
L´n=L2+10*log(A/A0)
kde:L2 průměrná hladina akustického tlaku, určená měřením, v přijímací místnosti,
A celková zvuková pohltivost v přijímací místnosti [m2],
A0 referenční pohltivost 10 m2.
Obecně známým a často řešeným problémem u relativně lehkých stropních dřevěných konstrukcí je jejich nedostatečná vzduchová neprůzvučnost. Kročejová neprůzvučnost je pak ovlivnitelná zejména aplikací plovoucích podlah. Výhodným řešením s ohledem na oba jmenované akustické parametry je varianta těžké plovoucí podlahy v kombinaci se zavěšeným podhledem doplněným případně akustickou minerální izolací. Komplexní systém stropu je pak tvořen nosnou částí, podlahovými vrstvami a případně zmiňovaným podhledem.
Při optimalizaci návrhu skladby stropní konstrukce z hlediska stavební akustiky je vždy nutno posoudit konkrétní skladbu jednotlivých materiálů při zohlednění všech detailů připojení na navazující konstrukce, aby bylo dosaženo co možná nejlepších parametrů vzduchové a kročejové neprůzvučnosti. Nevhodně navržené nebo provedené detaily mohou velmi negativně ovlivnit výslednou konstrukci.
Jak již bylo uvedeno velmi dobrých zvukoizolačních výsledků dosahují stropní konstrukce, kde na nosné (nejlépe těžké) konstrukci je umístěna těžká plovoucí podlaha. Hodnoty neprůzvučností pak mohou být ještě zlepšeny zavěšením podhledu s případnou minerální výplní. Vnášení mokrého procesu při betonáži těžké podlahy není však u jinak suchého montovaného systému výstavby ideálním řešením. Vstupuje zde mimo jiné také nárůst pracnosti provádění a nutnosti technologických přestávek. Z výše uvedených důvodů se nabízí možnost získání přídavné hmotnosti přidáním těžkých dlaždic, případně vrstvy násypu. Tyto vrstvy ovlivňují také další fyzikální parametry jako je tepelná stabilita místností, která bude podrobněji popsána v následující kapitole.
Při návrhu lehkých stropních konstrukci ve fázi projektu je nutno vyřešit závažný problém a to nutnost výpočetního stanovení neprůzvučností navrhovaných konstrukcí.
K výpočetnímu modelu lze přistoupit formou podrobného modelu a formou zjednodušeného modelu. Podrobný model počítá vlastnosti v kmitočtových pásmech, výpočet je pak založen na akustických údajích pro stavební prvky v kmitočtových pásmech. Zjednodušený model pak pracuje s jednočíselnou charakteristikou dané veličiny stanovenou dle platné legislativy [4], [5].
U lehkých dřevěných stropních konstrukcí však neexistuje ucelená metodika na početní určení legislativou požadovaných akustických veličin, takže návrh těchto skladeb bývá často založen na reálně či experimentálně ověřených skladbách stropních konstrukcí nebo dokonce na rozsahu zkušeností akustika, který konkrétní projekt řeší.
Vzhledem k možné chybě matematického modelu (která může vznikat například z důvodů nedostatečných podkladů o materiálech, nedostupnost metodik, které často kromě fyzikální podstaty vycházení z mnoha měření insitu) je nezbytné provést praktické ověření akustických vlastností navržených skladeb.
Při optimalizaci návrhu takovéto skladby stropní konstrukce je nejvhodnější postupovat následujícím způsobem:
- provést teoretický návrh stropní konstrukce včetně stavebních detailů připojení na navazující konstrukce,
- provést teoretické výpočetní ověření zvukoizolačních vlastností těchto skladeb,
- provést ověření vlastností na reálném objektu.
Reálné ověření může být provedeno na reálných dřevostavbách nebo na "referenční dřevostavbě", která umožní srovnání dat více variant stropní konstrukce.
Samozřejmě je možné změření navržené skladby v laboratořích, které jsou v ČR, SR nebo jinde dostupné. Problém ale představuje nezanedbatelný vliv osazení stropní konstrukce v samotné laboratoři. V laboratoři lze jen s obtížemi vybudovat stejné nebo alespoň podobné stavební detaily, které budou v reálném objektu. Chyby takto vzniklé mají na naměřené výsledky přímo radikální vliv a je proto nutné se vždy o úplnost těchto dat zajímat. Samotná jednočíselná charakteristika posuzované konstrukce není dostatečnou informací k posouzení její vhodnosti pro požadovaný účel.
3 TEPELNĚ TECHNICKÉ POŽADAVKY
Z důvodu velmi častých architektonických požadavků na velká okna a prosklené plochy je nutno upozornit na tepelnou stabilitu místností. Při oslunění domu dochází k výraznému zvýšení teploty vnitřního vzduchu, ale i povrchu v místnostech orientovaných především na jih a západ. Tato situace je ještě zhoršena nízkou akumulační schopností obalových konstrukcí, která je pro dřevostavby typická.
Při návrhu a realizaci dřevostavby se proto projektant často setkává s problémem teplotní stability místností. To je způsobeno výše uvedenými nízkými akumulačními schopnostmi stavebního objektu. Běžně se využívají dva způsoby akumulace tepla: akumulace tepla do stavebních konstrukcí a akumulace tepla do akumulačních prvků (nejčastěji voda, nebo jiné kapalné nebo pevné látky. Dřevostavby, ať už z masivního dřeva nebo jako sendvičové konstrukce, mají na rozdíl od klasických staveb nižší schopnost akumulovat teplo.
Výhodnější způsobem je akumulovat teplo do stavebních konstrukcí, odpadají tím další pomocné konstrukce (akumulační konstrukce, nosiče tepla, zásobníky akumulační látky apod.).
Akumulace tepla umožňuje přenést energii v čase z období relativního přebytku do období relativního nedostatku (ve stavebnictví nejčastěji den - noc). Akumulaci tepla lze využít i k chlazení staveb, v tomto případě se používá termín akumulace chladu.
Schopnost akumulaci tepla do stavební konstrukce, lze popsat pomocí tepelné jímavosti materiálu b, je definována vztahem
b = λ .c . ρ W2.s.m-4.K-2
kdeλ ... součinitel tepelné vodivosti
c ... měrná tepelná kapacita
ρ ... objemová hmotnost
Jímavost tepla je tedy přímo úměrná součiniteli tepelné vodivosti, měrné tepelné kapacitě a objemové hmotnosti použitého materiálu. S akumulací tepla úzce souvisí teplotní útlum konstrukce. Stanovení teplotního útlumu konstrukcí a fázového posunutí teplotních kmitů vyjadřuje vliv nedostatečných tepelně akumulačních vlastností konstrukce na kolísání vnitřní povrchové teploty při reálné denní změně venkovní teploty. Kolísání teploty vzduchu vyvolává kolísání teplot na povrchu i uvnitř konstrukce, přičemž se postupně zmenšují jejich amplitudy a vzniká fázové posunutí teplotních kmitů.
Teplotní útlum konstrukce v letním období su se stanoví přibližně ze vztahu [10]:
Oba tyto parametry mají vliv na pohodu vnitřního prostředí. Tepelnou pohodu lze definovat jako pocit spokojenosti s teplotním stavem interiéru, který lze vyjádřit příslušnými indexy. Vnitřní prostory budov lze posuzovat z hlediska tepelné stability místností na základě okrajových podmínek nestacionárního teplotního stavu. Tyto podmínky jsou samostatně definovány pro zimní a letní období. Z časového hlediska lze místnost považovat za tepelně stabilní tehdy, když hodnoty parametrů vnitřního prostředí setrvávají po celou dobu monitorování v dovoleném intervalu. Doposud se dle ČSN používají obvykle výpočtové metody, ovšem je také možné a více vypovídající hodnocení na bázi simulací vycházejících z dat a metodiky získané z experimentálních měření na reálných modelech. V zimním období sledujeme pokles vnitřní teploty během otopné přestávky u přerušovaného vytápění, v letním období sledujeme nejvyšší denní vzestup teploty a nejvyšší denní teplotu vnitřního prostředí.
Hodnotící kritéria zohledňující akumulační schopnosti zdiva je tepelná stabilita místnosti. V zimním období je kritickou hodnotou pokles výsledné teploty místnosti Δθv (t), v letním období je kritériem hodnocení nejvyšší denní vzestup teploty Δθai,max a maximální denní teplota vzduchu v interiéru místnosti Δθai,max. Jestliže uvažujeme nízkoenergetickou výstavbu s velmi nízkým průměrným součinitel protupu tepla obálkou budovy je letní stabilita kritická pro zhodnocení akumulačních vlastností obalových konstrukcí. Požadavky dle platné legislativy uváděné v ČSN 730540-2 jsou následující [3]:
Pro zlepšení tepelné stability místnosti v letním období u dřevostavby můžeme provést tyto stavební úpravy, ovšem některé z nich mají velmi malý efekt:
- Okna na osluněné straně budov navrhovat v kombinaci s vhodným zastíněním. Avšak je nutné respektovat požadavky na osvělení a oslunění obytných místností.
- Využít přirozených stínících prvků
- Místnosti větrat vzduchem s nižší teplotou. Již při prvvotním návrhu se snažíme o eliminaci energetických výloh z důvodu udržitelnosti výstavby a ekonomického hlediska. Do projektu se snažíme vnášet co nejméně nepřirozených prvků pro úpravu vnitřního prostředí, snažíme se maximálně využít fyzikálních vlastností stavebních materiálů.
- Navrhovat ploché střešní konstrukce ve světlých barvách
- Obvodové konstrukce navrhovat s odvětrávanou vzduchovou vrstvou na vnějším líci. Tento způsob je jednou z vhodných možností jak zvýšit akumulační schopnosti obalových konstrukcí bez nutnosti zásahu do estetiky fasády objektu a změny zvoleného konstrukčního systému stavebního objektu.
- Obklad vnitřních ploch obalových konstrukcí materiály s vyšší akumulační schopností
Vhodným povrchem pro zvýšení akumulačních schopností jsou např. podlahové plochy. U těchto ploch dochází v letním období k přímému osvitu, ohřevu a následnému nárůstu povrchové teploty. Následkem tohoto jevu dochází k ohřevu vzduchu interiéru. Jestliže by došlo ke zlepšení akumulačních schopnosti podlah byl by tento jev z části eliminován.
Velmi vhodným materiálem pro tyto úpravy je např. beton. Avšak při použití klasického procesu tvorby monolitické podlahové desky vstupuje do výstavby mokrý proces. Tím dochází k vzniku časové prodlevy z důvodu požadované technologické přestávky. Jestliže jsou použity prefabrikované materiály tento mokrý proces nenastane, zkracuje se doba výstavby stavebního objektu.
4 ELEKTROIONTOVÉ MIKROKLIMA VNITŘNÍHO PROSTORU
Dalším faktorem ovlivňujícím vnitřní pohodu dané místnosti je elektroiontové mikroklima. Tento méně známý parametr vnitřního prostoru má nezanedbatelný vliv na lidský organismus.
Ionty jsou atomy, které působením ionizační energie získali nebo ztratili elektron a díky tomu jsou nabity energií. Za normálního stavu jsou molekuly plynu elektricky neutrální a vykazují stabilní charakter. Působením ionizační energie, kterou může být například působení UV záření, působení elektrického pole Země a tříštění vody, dochází k uvolnění jednoho záporného elektronu z orbitální sféry atomu. Vznikají tak dvojice elektricky nabitých částic tvořené odtrženými elektrony, nesoucími negativní náboj (záporný iont) a zbývající částí atomu s pozitivním nábojem.
Prostředí obsahující vysokou koncentraci záporných iontů má příznivé účinky na lidský organismus [11, 12]. Dochází např. ke stimulaci mozku, snížení dýchacích potíží, okysličování krve, apod. Dochází také k zvýšenému zániku mikroorganismů v prostředí a k poklesu prachu v prostoru, protože elektricky nabité částice na sebe tyto prvky váží.
V dřevostavbách nového typu elektroiontové mikroklima dosud nebylo řádně měřeno. Dle předpokladů by mohlo být elektroiontové mikroklima v dřevostavbách příznivé. Podle faktorů ovlivňujících koncentraci iontů v pobytových prostorech dřevostavby netvoří např. tzv. Faradayovu klec, která odstiňuje elektrické pole [13]. Tyto předpoklady však budou ověřeny měřením.
Významný vliv na koncentraci iontů ale mají povrchové materiály v interiéru, zařízení místnosti a také pobyt a činnost člověka.
5 ZÁVĚR
Nelze pravděpodobně předpokládat zastavení rozvoje dřevostaveb na českém i zahraničním trhu, proto je zapotřebí zaměřit pozornost na zlepšení stavebně fyzikálních parametrů těchto objektů.
Z hlediska stavební akustiky představuje největší problém, že dostupné údaje a výpočetní metodiky obecně mají řadu omezení, které znesnadňují nebo znemožňují výpočet těchto veličin ve fázi projektové přípravy stavby.
Dalším faktorem ovlivňujícím zvukoizolační vlastnosti dobře navržení stavební konstrukce je nekázeň na stavbách a špatné provádění detailů, které může vést k významnému poškození vlastností konstrukce.
V rámci energetických úspor a ve smyslu udržitelné výstavby, by měli projektanti také nemalou pozornost věnovat návrhu konstrukcí i z hlediska akumulačních schopností a tento význam tohoto parametru posunout na podobnou pozici jako součinitel prostupu tepla.
Kromě známých fyzikálních parametrů vnitřního prostoru má však na pobyt lidí vliv řada dalších faktorů. v článku je zmíněno elektroiontové mikroklima. Charakter dřevostaveb dává předpoklad příznivým hodnotám iontů ve vnitřních místnostech. Nesmí být však zapomínáno, že významný vliv na koncentraci iontů mají povrchové materiály v interiéru, zařízení místnosti a také pobyt a činnost člověka.
Tento článek vznikl za podpory VVZ MSM 0021630511 "Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí".
Literatura
[1] Dřevěné konstrukce podle eurokódu 5 - STEP 2 navrhování detailů a nosných systémů, autor Koželuh Bohumil, 2004, vydalo - ČKAIT, ISBN 80-86769-13-5
[2] Nízkoenergetické domy-principy a příklady, autor Jan Tywoniak, vydavatelství Grada Publishing, 2005, ISBN 80-247-1101-X
[3] Norma ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov
[4] ČSN ISO 717-1 (73 0531) Akustika - Hodnocení zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 1: Vzduchová neprůzvučnost
[5] ČSN ISO 717-2 (73 0531) Akustika - Hodnocení zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 2: Kročejová neprůzvučnost
[6] ČSN 73 0532 Akustika - Ochrana proti hluku v budovách a souvisící akustické vlastnosti stavebních výrobků - Požadavky, Z1/2005
[7] ČSN EN 12354-1 Stavební akustika - Výpočet akustických vlastností budov z vlastností stavebních prvků - Část 1: Vzduchová neprůzvučnost mezi místnostmi
[8] ČSN EN 12354-2 Stavební akustika - Výpočet akustických vlastností budov z vlastností stavebních prvků - Část 2: Kročejová neprůzvučnost mezi místnostmi
[9] Akustika staveb - Souhrn kriteriálních požadavků a výpočtových metod v oboru stavební a prostorové akustiky, Jiří Vaverka, Jiří Havránek, Václav Kozel, Pavel Siegl, 1996, ISBN 80-214-0743-3
[10] VAVERKA, J. a kolektiv Stavební tepelná technika, VUTIUM 2006 ISBN-80-214-2910-0
[11] Jokl, M. Teorie vnitřního prostředí budov. Vydavatelství ČVUT Praha, 1993. 261 s. ISBN 80-01-00481-3.
[12] HRADECKÝ, J. Iontová pole v pobytových prostorech. Diplomová práce VUT FEI, Brno, 2004. 66 s.
[13] BUŘIVAL, Z. MOHELNÍKOVÁ, J. Bioklimatické prostředí budov. sborník IUAPPA 2000, Praha, s. 95-97.
The paper describes the possibilities how to maintain and improve the physical properties of lightweight slab (floor structures) in the field of building physics with all of it's fundamental drawbacks throughout their erection. The thermo-technical properties are solved in conjunction with problems in the field of building acoustics together with the analysis of unknown factors like the influence of electroiont microclimate.
