Úprava difuzních vlastností OSB desek

1. Úvod

V současné době jsou díky rozvoji staveb v pasivním energetickém standardu kladeny přísnější požadavky na obalové konstrukce budov na bázi dřeva než v minulosti. Probíhající změna středoevropského klimatu a jeho vliv na stavební konstrukce je dlouhodobě sledován a publikován např. v [1]. Z pohledu globálního oteplování jako celku se velmi často mezi odbornou veřejností zmiňuje problematika přehřívání konstrukcí. Avšak tento problém neomezuje funkce stavebních konstrukcí jako celku, ale spíše se jedná o tepelnou stabilitu mikroklimatu budovy.

Moderní stavitelství směřuje k plnění ambiciózních cílů evropské direktivy (EPBD II), která systematicky pracuje na snížení provozní energetické náročnosti budov stále především v zimním období. Na obálku moderních staveb jsou kladeny čím dále přísnější parametry z pohledu stavební tepelné techniky, které jsou přímo závislé na fyzikálních a materiálových parametrech stavebních materiálů. Pro udržení principů trvale udržitelného rozvoje budov, při plnění optimálně nákladové úrovně, je vždy nutné pracovat s přesnými fyzikálními tepelnětechnickými parametry obálky budovy. Pro zajištění správné funkce a trvanlivosti obálky budovy [2] je nutné se detailně zabývat jak tepelnou vodivostí materiálů, tak jejich difuzními vlastnostmi [3], [4].

V legislativě týkajících se tepelné ochrany budov [5] jsou pro zimní období obsaženy poznámky týkající se tepelně-vlhkostní chování obalových konstrukcí v zimním období. Konkrétně se jedná o kondenzaci vodních par v obvodových pláštích [6], [7], kdy může dojít k ohrožení a omezení statické trvanlivosti především těch budov, které jsou realizovány z konstrukcí na bázi dřeva. Ve stavební praxi, kde se využívají různé stavební tepelné izolace, jsou případná rizika kondenzace vodních eliminovány návrhem tzv. difuzně otevřené konstrukce obvodového pláště [8]. V praxi to znamená, že směrem od interiéru k exteriéru jsou materiály řazeny se snižujícím se faktorem difuzním odporu materiálu.

2. Současný stav techniky a předmět měření

Obr.1 Správné spojení OSB pomocí tmelů či speciálních těsnicích pásek (foto: autor)

Ve stavební praxi se v současné době využívají jako oplášťující desky na bázi dřeva moderní sofistikované materiály. Z interiérové strany jsou používány OSB (Oriented strand board) s vysokým faktorem difuzního odporu v rozsahu μ = 200–300 [–], které jsou často na stavbě spojovány pomocí tmelů či speciálních těsnících pásek (viz Obr. 1). Tyto interiérové OSB desky také fungují jako ztužení celé stavby. Z exteriérové strany často bývají používány moderní difuzní desky např. na dřevovláknité bázi, které dosahují hodnot cca μ = 5–20 [–].

V nedávné minulosti, kdy nebyly běžně k dispozici takto sofistikované materiály, se ve stavební praxi objevovaly zmínky o zvýšení difuzního odporu tradiční OSB desky (min. μ = 50 [–]) pomocí latexového nátěru. Argumentem bylo, že na exteriérovou stranu je pak možné použít opět tradiční OSB desku a bude automaticky zachován princip difuzně otevřené stavební konstrukce. Tento přístup byl pravděpodobně odvozen z tabulky uvedené v [5], která uvádí normové hodnoty materiálů se zanedbatelnými tepelnětechnickými izolačními vlastnosti, kde dosahují latexové nátěry V 2012 při jedné nátěrové vrstvě suchého faktoru difuzního odporu μ_n,d = 2480 [–], při dvou vrstvách latexového nátěru μ_n,d = 2070 [–] či při čtyřech vrstvách latexového nátěru μ_n,d = 1980 [–]. Z pohledu níže uvedených výsledků tyto předpoklady nejsou bezezbytku pravdivé.

Obr. 2 Perforovaná OSB dle CZ UV 27796 a SK UV 7346 (foto: autor)

Ideální deskový materiál na exteriérové straně konstrukce by měl mít co nejnižší faktor difuzního odporu μ [–]. Jako nejjednodušší se jeví použít perforovanou OSB desku (viz Obr. 2), která je zapsána na Úřadu průmyslového vlastnictví České republiky pod evidenčním číslem UV 27796 a na Úradu priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky pod evidenčním číslem UV 7346 o názvu: „Konštrukčný perforovaný oplášťujúci prvok s nízkým difuznym odporom“.

Z výše uvedených důvodů byly prováděny v měsících červnu a červenci 2015 v Technickém a zkušební ústavu stavebním Praha, s. p., pobočka Ostrava zkoušky stanovení faktoru difuzního odporu OSB desek (Protokol č. 070-049326). Předmětem testování byly vzorky OSB desky v provedení: Bez povrchové úpravy (vzorek. 1, 6 ks); s nátěrem Latex 1× (vzorek 2, 6 ks), s nátěrem Latex 2× (vzorek 3, 6 ks); s menším otvorem uprostřed (vzorek 4, 6 ks); s větším otvorem uprostřed (vzorek 5, 6 ks); se 4 otvory (vzorek 6, 5 ks), viz Tab. 1.

3. Zkušební zařízení, zkušební metoda, předpisy a postupy

Během zkoušek byla použita váha SARTORIUS CPA - OCE, posuvné měřidlo (0–200 mm) a skleněné misky s přírubou (Obr. 3), silikagel, vosk, které jsou zavedeny v metrologickém řádu zkušební laboratoře. Byly použity postupy dle ČSN EN 12572 [9], která se snaží rozdělením difuzních veličin na suché a mokré přesněji popsat transport vlhkosti i upřesnit hodnoty veličin poskytovaných od výrobců stavebních materiálů. Norma určuje, že tzv. suché veličiny by se měly užít v případě, kdy relativní vlhkost ve vnitřním prostředí pro zimní období je ≤ 60 %. Mokré veličiny se používají pro vyšší relativní vlhkost vnitřního prostředí > 60 %, ale i pro exaktní hodnocení konstrukce. Metody se od sebe liší rozdílnými okrajovými podmínkami. Při tzv. metodě WET-CUP, která byla zvolena pro realizované měření, se využívá relativní vlhkosti vzduchu 50 % a 95 % při konstantní teplotě 23 °C [10]. Vodní páry mají podobnou schopnost procházet stavebními konstrukcemi jako tepelný tok. Jestliže k objasnění toku tepla je potřebný gradient teploty, k toku vodních par je nevyhnutelný gradient částečných tlaků vodních par [10]. S ohledem na stejnou teplotu a rozdílné relativní vlhkosti vzduchu dochází k difuzi vodních par skrze měřený vzorek z prostředí s vyšší relativní vlhkostí vzduchu tj. z prostředí s vyšším parciálním tlakem vodních par do prostoru s nižším parciálním tlakem vodních par. Přesnější popis a využití miskových metod lze dohledat v [9].

Obr. 3 Zkušební skleněné mísy s přírubou a se vzorky s nátěrem latexu a perforací OSB (foto: autor)

4. Dosažené výsledky

Základním a objektivním parametrem pro porovnání různých materiálů z hlediska schopnosti omezit difuzi vodní páry je hodnota ekvivalentní difuzní tloušťky s_d [m], jejíž velikost je dána násobením hodnoty faktoru difuzního odporu μ [–] a tloušťky daného materiálu d [m]. Což je možné zapsat do vzorce:

Ve stavební praxi se většinou setkáváme s uváděným parametrem difuzních vlastností materiálu ve formátu μ [–], což je nepřesné vzhledem k tloušťce materiálu, i přesto v korelaci s praxí tento příspěvek přednostně publikuje hodnoty faktoru difuzního odporu μ [–] (Tab. 1, Graf. 1, Graf. 2), což je možné z důvodu, že byly měřeny pouze vzorky o jednotné tloušťce 15 mm. Z důvodů technické správnosti jsou v Tab. 1 uvedeny i naměřené hodnoty s_d [m]. Získané hodnoty μ [–] pomocí vzorce (1), které jsou uvedené v Tab. 1, jsou vždy pro daný typ vzorků (1–6) průměrovány dle počtu měřených vzorků.

V níže doložených grafech lze sledovat naměřené hodnoty v porovnání se základní OSB deskou (označena červeně, vzorek 1). Z grafu 1 je viditelné, že 1× nátěr latexem zvýšil faktor difuzního odporu μ [–] z 81,08 (vzorek 1) na 86,8 (vzorek 2), při nátěru latexem ve dvou vrstvách došlo ke zvýšení z 81,08 na 93,21 (vzorek 3). V grafu 2 jsou vidět výsledky dosažené při perforaci OSB desky. Při různé perforaci OSB desky μ = 81,08 bylo dosaženo hodnot μ = 66,62 (vzorek 4) do μ = 74,14 (vzorek 5). Z dosažených výsledků uvedených v grafu 2 lze uvést závěr, že metoda pro měření perforací v deskových materiálech dle [9], pravděpodobně není vhodná. Ze zhodnocení naměřených dat (Tab. 1, Graf 1, Graf 2), lze uvést závěry, že dle měření bylo mezi standardní OSB (s min. μ = 50 [–], naměřeno μ = 81 [–] a OSB opatřenou jedním/dvěma latexovými nátěry zvýšení μ pouze o cca 15 %. V případě perforace OSB pomocí pravidelných otvorů dojde ke snížení faktoru difuzního odporu μ o cca 25 %.

Graf. 1

Graf. 2

Poznámka: Otvor Ø 10 mm a Ø 5 mm byl vždy ve středu kruhového vzorku (vzorek 4, 5). 4 ks otvorů Ø 5 mm byly na kruhovém vzorku umístěny v pravidelném rastru (vzorek 6).

5. Rizika a jejich hodnocení

Roční bilance zkondenzované a vypařené vodní páry se stanoví buď výpočtem po měsících dle [11], který vyžaduje měsíční hodnoty klimatických údajů [1], nebo jako rozdíl ročního množství zkondenzované vodní páry M_c [kg/m².rok] a ročního množství vypařené vodní páry M_ev [kg/m².rok] [5]. Splnění požadavků na šíření vlhkosti konstrukcí je určeno zejména pro konstrukce s dřevěnými prvky, ve kterých by případná kondenzace vodní páry uvnitř konstrukce M_c [kg/m².rok] mohla způsobit trvalé poškození a mohla by ohrozit její funkci (např. zhoršení tepelněizolační vlastnosti). Všechny tyto konstrukce musí být navrženy tak, aby je zkondenzovaná vodní pára neohrozila, což úzce souvisí s oplášťujícími deskami na bázi dřeva (OSB), tzn., nesmí dojít ke kondenzaci vodní páry uvnitř konstrukce:

Dle norem [5] a [12] je za nevyhovující chápán stav podstatného zkrácení životnosti konstrukce. Z pohledu konstrukční tvorby budov jsou za nevyhovující stavy uváděny objemové změny či výrazné zvýšení hmotnosti konstrukce mimo rámec rezerv statického výpočtu. Nevhodnými stavy způsobujícími degradaci stavebních konstrukcí na bázi dřeva jsou snížení vnitřní povrchové teploty konstrukce či zvýšení hmotnostní vlhkosti materiálu. V běžné stavební praxi je eliminace výše uvedených nevyhovujících stavů často technicky téměř nerealizovatelná. V obvodových pláštích staveb na bázi dřeva dochází ke kondenzátu vodních par v množství větším než 0, i přestože bývají používány moderní materiály na bázi dřeva, viz kap. 2. Při praktickém návrhu obvodového pláště na bázi dřeva přenechávají normy [5] a [12] míru akceptovatelného rizika na projektantovi.

6. Závěr

Tímto příspěvkem bychom velmi rádi upozornili na v praxi často diskutované úpravy OSB ve vazbě na změnu hodnot faktoru difuzního odporu μ [–].

Předpoklad z projekční praxe, že se jedná v případě latexového nátěru na interiérovou OSB desku o výraznější zvýšení hodnot faktoru difuzního odporu a pravidelnou perforací vnější oplášťující desky OSB o výraznější snížení difuzního faktoru, nelze naměřenými hodnotami potvrdit, a tím pádem tyto úpravy mohou v extrémním případě vést k chybným návrhům obalových konstrukcí na bázi dřeva a zkrácení jejich životnosti.

Na výše uvedené problematice se nadále pracuje a v blízké budoucnosti budou modelovány konkrétní skladby obvodových plášťů pro stavby na bázi dřeva se započtenými faktory difuzních parametrů publikovanými v tomto příspěvku.

Poděkování

• Projekt: Pre-seed aktivity VŠB-TUO II – Materiály; CZ.1.0.5/3.1.00/14.0320; Dřevěný montovaný konstrukční systém s výplňovou izolací na bázi přírodních materiálů.
• Národný stipendijní program Slovenskej republiky na podporu mobilít vysokoškolských učiteľov a výskumných pracovníkov, pijímajúca inštitúcia: Žilinská univerzita v Žilině, Stavebná fakulta.

Literatura

1. Štaffenová, D., Juráš, P., Ďurica, P., Application of Data Sets Obtained from the Detached Experimental Weather Station in Conditions of Real Building, Applied Mechanics and Materials, Vol. 824, pp. 387–394, 2016
2. Oravec, P., Analysis of a family house on the basis of wood after 35 years of use, In: International multidisciplinary scientific geoconference, Sofia: SGEM, 2014, pp. 417–422, ISBN 978-619-7105-21-6, DOI: 10.5593/sgem2014B62.
3. Sonderegger, W. and Niemz, P. Thermal conductivity and water vapour transmission properties of wood-based materials. European Journal of Wood and Wood Products [online]. 2009, 67(3), pp. 313–321. DOI: 10.1007/s00107-008-0304-y. ISSN 0018-3768.
4. Doudak, G. and Smith, I. Capacities of OSB-Sheathed Light-Frame Shear-Wall Panels with or without Perforations, J. Struct. Eng., 2009, pp. 326–329, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2009)135:3(326), ISSN 07339445.
5. ČSN 73 0540. Tepelná ochrana budov. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
6. Donova, D., Kucerikova, V., The Relative Humidity inside the Wall Structure According to the Type of Facade. In: CEEE 2014, Hong Kong, pp. 1–5. ISBN 978-1-908074-18-8.
7. Donová, D., Zdražilová, N., Šípková, V., Using Probabilistic Calculation for the Assessment of the Risk of Water Vapor Condensation on Structures, Advanced Materials Research, Vol. 1020, pp. 534–539, 2014, DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1020.534
8. Ďurica, P., Juráš, P., Gašpierik, V., Rybárik, J., Štaffenová, D., Lightweight wood-based walls with various thermal insulations: long-time measurement and subsequent comparison with ham simulation. In: Proceedings of 14th International Building Simulation Conference BS2015, Hyderabad, India, dec. 7–9, 2015.
9. ČSN EN 12572. Tepelně-vlhkostní chování stavebních materiálů a výrobků – Stanovení prostupu vodní páry. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2002
10. Slanina, P., Difuzní vlastnosti materiálů z pohledu nových tepelnětechnických norem. In: Tepelná ochrana budov 2006, pp. 153–156, Praha: Contour s.r.o., 2006
11. ČSN EN ISO 13788. Tepelně-vlhkostní chování stavebních dílců a stavebních prvků: Vnitřní povrchová teplota pro vyloučení kritické povrchové vlhkosti a kondenzace uvnitř konstrukce – Výpočtové metody (73 0544). Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2002
12. STN 73 0540, Tepelná ochrana budov, Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, část 2 – Fuknčné požadavky, Bratislava: Slovenský ústav technickej normalizácie, 2012