Obrácené střešní pláště - množství protékající vody
Příspěvek se zabývá rozborem stále diskutované problematiky střešních plášťů s obráceným pořadím vrstev. Střešní pláště s obráceným pořadím vrstev, tzv. inverzní střechy, jsou stále poměrně často využívanou variantou konstrukce střešních plášťů. Příspěvek shrnuje klady a zápory a přináší celkový pohled na problematiku ochlazování nosné konstrukce plochého střešního pláště a následně též vnitřního povrchu z důvodu podtékání srážkové vody pod vrstvou vlastní tepelné izolace, stejně jako jejím vlivem na celkové tepelné ztráty prostupem předmětnou konstrukcí.
Úvod
Lze říct, že střešní plášť je asi nejvíce namáhanou konstrukcí obálky budov. Hlavním úkolem je chránit objekt před většinou klimatických jevů, především však před srážkovou vodou v obou v úvahu připadajících skupenstvích.
V tomto příspěvku se zaměřujeme na ploché střešní pláště.
Většina typů tepelné izolace vyžaduje umístění v tzv. skladbě s klasickým pořadím vrstev, tj. vodotěsnou izolací nad izolací tepelnou. Zajímavou variantou je použití tzv. extrudovaného polystyrénu, který díky vypěňování pod vysokým tlakem má uzavřenou buněčnou strukturu, tím pádem velmi nízkou nasákavost. Může být tedy použit v tzv. obrácených skladbách.
Hlavní výhodou je snížení teplotního namáhání, resp. kolísání teplot, vlastní hydroizolace a zároveň výhodnější chování konstrukce z pohledu difuze vodní páry. V průběhu používání těchto skladeb se však objevily některé pochybnosti o přesně definovatelném tepelně technickém chování takto koncipovaných střešních plášťů a to především z důvodu případného ochlazování podkladních, resp. nosných, vrstev podtékající vodou srážkovou vodou. Podtékající srážková voda v tomto případě jednak ovlivňuje přímo tepelné ztráty danou konstrukcí a tedy i celkový skutečný součinitel prostupu tepla konstrukce, ale i vnitřní povrchovou teplotu konstrukcí. Tento vliv byl sledován v souvislosti s jednotlivými vrstvami souvrství a v závislosti na způsobu odvodnění a spádu v rámci prováděného experimentu, jenž byl součástí disertační práce pod vedením Prof. Ing. Jozefa Oláha, Ph.D. ze Stavební fakulty Slovenské technické univerzity v Bratislavě.
Použitá metodika
Pro daný účel byly sestaveny z dřevěné nosné konstrukce a podkladních desek OSB tzv. dvě zkušební stolice 1×2 m, z nichž jedna byla určena k simulaci odvodnění přes okapní lištu, tj. bez zúženého průtočného profilu, a druhá simulující zúžený průtočný profil. Tohoto zúžení bylo docíleno přidáním ohraničujících bočnic z desek OSB na výslednou šíři 10 cm.
Obě tyto stolice byly osazeny sběrnými žlábky z hliníkového tvaru vytvarovaného ve spádu. Jako vlastní hydroizolace bylo v obou případech použito SBS modifikovaných asfaltových pásů s ochranným břidličným posypem.
Do takto připravených vodotěsně zaizolovaných stolic byly vloženy desky tepelné izolace z extrudovaného polystyrénu v tloušťce 100 mm.
Desky tepelné izolace z extrudovaného polystyrénu byly osazeny opět vyspárovanými sběrnými žlábky vsazenými do vytvořeného řezu na čele desek XPS v úrovni 1 cm pod vrchní hranou. Tento sběrný žlábek sbírá vodu stékající po povrchu desek XPS.
Skladba konstrukce zkušebních těl nad deskami XPS byla proměnná. Buď byl použit násyp praným říčním kamenivem na nenasákavé separační textilii 200 g/m2 nebo v další fázi v případě zkušební stolice A (s nezúženým průtočným profilem) keramickou dlažbou osazenou do pískového lože opět přes separační textilii. V tomto případě byl osazen ještě jeden sběrný žlábek podložením pod vlastní dlaždice. Nebo následně, jak vyplynulo z kontextu experimentu, opět praným říčním kamenivem, ale tentokrát podloženým tzv. kontaktní difuzní fólií. Přesahy této kontaktní difuzní fólie byly volně položeny s přesahem cca 20 cm v jedné variantě nebo i přelepeny lepícími páskami. V jedné z variant byl proveden i pokus s utěsněním spár desek extrudovaného polystyrénu za použití tzv. komprimované pásky, používané dosud především v oblasti montáže okenních a dveřních rámů do stavebních konstrukcí za účelem redukce průniku srážkové vlhkosti do tzv. přípojných spár okenních a dveřních rámů.
Vybrané části fotodokumentace z konstrukce zkušebních těles:
Obr. 1: Základní konstrukce před instalací vodotěsné a tepelné izolace a celkovou skladbou „střešního pláště“. Nosná konstrukce je z dřevěných hranolů. Podkladní konstrukce a bočnice z desek OSB. Zdroj: Autor1
Obr. 2: Opracování detailů bylo z důvodu lepší korelace s reálnými podmínkami fragmentu vytaženo v jedné vrstvě bez zesílení nebo atikových klínů – stolice A. Zdroj: Autor1
Obr. 3: Opracování detailů bylo z důvodu lepší korelace s reálnými podmínkami fragmentu vytaženo v jedné vrstvě bez zesílení nebo atikových klínů – stolice B, přední pohled. Zdroj: Autor1
Obr. 4: Instalace desek extrudovaného polystyrenu a okapních spádovaných lišt – stolice B. Zdroj: Autor1
Obr. 5: Instalace desek extrudovaného polystyrenu a okapních spádovaných lišt – stolice A. Zdroj: Autor1
Obr. 6: Instalace separační textilie – celkový pohled. Zdroj: Autor1
Obr. 7: Instalace separační textilie – stolice B. Zdroj: Autor1
Obr. 8: Instalace násypu z kameniva – kačírku. Zdroj: Autor1
Obr. 9: Zakrytí sběrného systému, vzorek B. Zdroj: Autor1
Obr. 10: Ukončení okapnice – zajištění proti zpětnému toku – detail vzorku B, nerovnoměrně protékající voda. Zdroj: Autor1
Zkušební tělesa byla osazena vypodložením zadních stojek do požadovaného spádu.
Jako počáteční byl vybrán spád cca 1,5 %. Tento byl kontrolován digitální vodováhou. Její krok v těchto minimálních spádech v procentuálních vyjádřeních byl limitován. Proto byly voleny hodnoty blízké zamýšleným.
Obr. 11a: Měření spádu digitální vodováhou – vzorek B. Zdroj: Autor1
Obr. 11b: Měření spádu digitální vodováhou – vzorek A. Zdroj: Autor1
Výsledky
V případě standardních skladeb tzv. obrácených střešních plášťů bylo prokázáno množství podtékající srážkové vody pod tepelnou izolací jako naprosto dominantní. Množství vody přetékající po povrchu tepelné izolace naopak spíše marginální. Množství srážkové vody podtékající není však rozloženo rovnoměrně v ploše, ale soustředí se podél spár desek, především v nepřesně sesazených jak prokázali termovizní snímky spodního líce zkušebních těles. Zdá se, že cca 50 % podtékající vody protéká spíše ve spárách jednotlivých desek.
Obr. 12: Nerovnoměrnost teplot na spodním líci podkladních desek OBS – vzorek A. Zdroj: Autor1
Obr. 13: Nerovnoměrnost teplot na spodním líci OSB desek v místě spoje tepelné izolace – zvýšený průtok teplé vody spárou. Zdroj: Autor1
Obr. 14: Orientační měření zdánlivé teploty spodního povrchu v místě imperfekce spáry vzorku B. Zdroj: Autor1
Obr. 15: Orientační měření teploty spodního povrchu OSB v typické ploše. Zdroj: Autor1
Obr. 16: Zdánlivá teplota v místě imperfekce spáry vzorku A. Zdroj: Autor1
Obr. 17: Zdánlivá teplota v typické ploše vzorku A. Zdroj: Autor1
Obr. 18: Průběh množství protékající srážkové vody – skladba se zatěžovací vrstvou z kačírku, separační geotextilií 300 g/m², spád 1,55 %, měření 1. Zdroj: Autor1
Obr. 19: Průběh množství protékající srážkové vody – skladba se zatěžovací vrstvou z kačírku, separační geotextilií 300 g/m², spád 7,55 %, měření 3. Zdroj: Autor1
Spád má tedy zjevný vliv na množství podtékající vody. Tento vliv se zvyšuje v případě odvodnění do vnitřních vpustí. Vliv je výraznější v případě vyšší intenzity srážek a vyšších spádů. Významný se jeví především při spádech nad 5 % a intenzitě srážek od 15 mm/h. Obrácené střešní pláště je tedy výhodnější konstruovat s nižšími spády a odvodňované do vnitřních vpustí.
Bylo přikročeno, za účelem komplexního přístupu, i ke stanovení hmotnostní vlhkosti v průřezu tepelně izolačních desek a to jak v typickém místě uprostřed expozice, tak i následně ve spárách, resp. polozámcích. Lze mít za prokázané, že v typickém průřezu desek extrudovaného polystyrénu byla zastižena hmotnostní vlhkost do 4 %. Jako vrchní separační textilie byla použita poměrně masivní a hmotná textilie Netex o plošné hmotnosti 300 g/m² – tedy poměrně vlhkost akumulující vrstva, tedy z pohledu difuzní nasákavosti poměrně na straně bezpečnosti.
Zajímavější se ukázala měření provedená ve spojích. V těchto případech byla zastižena zvýšená hmotnostní vlhkost vlastního materiálu desek především ve vrstvě pod vodorovnou plochou polozámku a v blízkém okolí.
Tato měření potvrzují fenomén difuzní nasákavosti v těchto oblastech.
Na základě výsledků této práce lze konstatovat, že umístěním kontaktní difuzní fólie lze výrazně snížit vliv podtékající srážkové vody pod tepelnou izolaci v obrácených skladbách střešních plášťů, což vzhledem k nutnosti tak jako tak umístit v této pozici nad tepelnou izolací jakoukoliv separační textilii může vést k obecnému doporučení používání těchto kontaktních difuzních fólií, přinejmenším v případě měně tepelně akumulujících podkladních konstrukcí.
Obr. 20: Průběh množství protékající srážkové vody – skladba se zatěžovací vrstvou z kačírku, difuzní fólií položenou na deskách extrudovaného polystyrénu, spád 1,55 %, neslepené přesahy cca 150 mm, měření 3. Zdroj: Autor1
Obr. 21: Průběh množství protékající srážkové vody – skladba se zatěžovací vrstvou z kačírku, difuzní fólií položenou na deskách XPS, spád 5,1 %, neslepené přesahy na vzorku A, na vzorku B přesahy přelepené, měření 1. Zdroj: Autor1
Obr. 22: Průběh množství protékající srážkové vody – skladba se zatěžovací vrstvou z dlažby na pískovém loži na vzorku A, podložené separační textilií 300 g/m². Na vzorku B spoje desek XPS vyplněny komprimovanou páskou a zakryty kačírkem, spád 1,55 %. Zdroj: Autor1
Obr. 23: Celková sumarizace vlivu spádu na poměr podtékající srážkové vody – aproximované průběhy. Zdroj: Autor1
Diskuse
Vliv použití difuzní fólie místo standardní separační doporučuji z důvodu zjednodušení zahrnout konstantní hodnotou faktoru fw, který vyjadřuje poměr množství podtékající srážkové vody pod tepelnou izolací z extrudovaného polystyrénu v obrácených skladbách střešních plášťů vzhledem k celkovému dopadajícímu množství srážkové vody vzhledem k použití tzv. vodotěsné přepážky z kontaktní difuzní fólie na vrchním líci desek tepelné izolace, volenou mírně na straně bezpečnosti.
Pro nezúžený průtočný profil:
Pro zúžený průtočný profil (odvodnění vnitřní vpustí):
Vliv spádu střešního pláště doporučuji zahrnout faktorem spádu fs, který vyjadřuje poměr množství podtékající srážkové vody pod tepelnou izolací z extrudovaného polystyrénu v obrácených skladbách střešních plášťů vzhledem k celkovému dopadajícímu množství srážkové vody vzhledem ke spádu střešního pláště:
Pro nezúžený průtočný profil:
Pro zúžený průtočný profil:
kde je
- s
- – spád střešního pláště v %
Tyto faktory lze tedy použít jako redukční součinitele ve vzorci dosud užívaném pro přirážku k součiniteli prostupu tepla inverzního střešního pláště. Výsledný dosud užívaný vzorec pro zahrnutí vlivu podtékající srážkové vody pod tepelnou izolací v případě obrácených střešních plášťů na součinitel prostupu tepla poté doporučuji používat ve tvaru:
kde je
- p
- – průměrná míra srážek v mm/den během otopného období,
- R1
- – tepelný odpor vrstvy extrudovaného polystyrenu nad hydroizolací
- R
- – celkový tepelný odpor konstrukce v m².K/W
- fw
- – faktor použití srážkové vodní přepážky (kontaktní difuzní fólie)
- fs
- – faktor spádu
Závěry
Provedená práce prokázala, že množství podtékající srážkové vody pod deskami tepelné izolace z extrudovaného polystyrénu v případě skladeb s obráceným pořadím vrstev je značné.
Bylo prokázáno, že použití kontaktní difuzní fólie mnohonásobně sníží množství podtékající srážkové vody pod extrudovaným polystyrénem ve srovnání s použitím standardní separační geotextilie. Pro praxi z toho plyne doporučení používat kontaktní difuzní fólii na pozici separace mezi deskami XPS a násypu praného říčního kameniva nebo jinou zatěžovací vrstvou.
Byl prokázán určitý vliv způsobu odvodnění střešního pláště na poměr podtékající srážkové vody. Doporučení tedy z toho vyplývá v preferenci odvodňování vnitřními vpusti před odvodňováním přes okapní lištu.
Nebyla zaznamenána nijak extrémně zvýšená vlhkost po dvouleté expozici v typické ploše ve středu desky XPS i v případě použití poměrně hmotné netkané separační textilie z PES a PP vláken, jež bylo možné očekávat jako vodu zadržující. Zvýšená vlhkost se projevila v oblasti spár ošetřených polozámky, vždy především pod vodorovnou plochou polozámku. Vyplývá z toho za prvé praktické potvrzení pravidla nepoužívat tepelnou izolaci z desek XPS ve více jak jedné vrstvě a za druhé další úkol pro následná případná vědecká sledování změny součinitele tepelné vodivosti v oblastech blízkých těmto spárám a stanovení vlivu změny ekvivalentního součinitele tepelné vodivosti v celé ploše desky.
Používání tzv. obrácených skladeb i nadále má své významné přednosti, a to především z pohledu ochrany vlastní povlakové krytiny, jen je třeba věnovat určitou pozornost jejich správnému návrhu.
Reference
Disertační práce
- VYMĚTALÍK, V., 2007. Tepelně izolační vlastnosti inverzních střech. Diplomová práce. ČVUT Praha.
- MISAR, I., 2010. Stavebně fyzikální chování střešních plášťů s obráceným pořadím vrstev. Dizertační práce. STU Bratislava
Sborník konference
- KUNZEL, H. M. and K. KIESSL, 1996. Assessing Precipitation Heat Losses of Protected Membrane Roofs. Hemtie Closing Seminar. Finland 1996.
- KUNZEL, H. M. and K. KIESSL, 1997. Moisture Behaviour of Protected Membrane Roofs with Greenery. Frauhofer-Institute of Building Physics. CIB Kyoto 1997.
- MISAR I., 2012. Stavebně fyzikální chování střešních plášťů s obráceným pořadím vrstev. Konference Izolace. Praha 2012
Knihy
- CURTOISE, CH. at al., 1999. Practical Guide to Flat Roofing. Pitsburg Corning Europe N. V., 1999.
- ARUP RESEARCH AND DEVELOPMENT, 1993. Flat Roofing: Design and Good Practice, The British Flat Roofing Council and Construczion Industry Research and Information Association, 1993.
- OLÁH, J. a kol, 1997. Konštrukcie plochých striech. Jaga Group, Bratislava 1997.
- NOVOTNÝ, M. a MISAR, I., 2003. Ploché střechy. Praha: Grada, 2003.
One of the most discussed questions during the last few decades is the functionality of inverted roofs, with the thermal insulation of low water absorbing extruded polystyrene.
The main question is the one of heat loss caused by the cold rain water penetrating through the joints between the boards of thermal insulation itself and going towards the water outlet system beneath this insulation, respectively directly on the waterproofing. The snow melting period seems as the most serious from this point of view.
Two test sample frames were prepared for the purpose of investigation of this phenomena. One of them simulating the rain water outlet above the roof edge flashing and the second one for the simulation of outlet through the inner roof gully. The ratio of undergoing water in the various roof slopes in condition of artificial rain was measured. The ratio of undergoing water was actually high and that it decreased with the increasing slope, depending also on the scheme of water outlet. In case of installation of standard breathing membrane with the low equivalent diffusive thickness placed in the position of separation layer between the XPS insulation boards and the gravel ballast layer ratio of undergoing water became to be nearly inverted. This breather membrane took the function of certain rain water barrier in the structure.
