Stavby 21. století - stavby ze dřeva (IX)

Současné trendy navrhování staveb

Koncem dvacátého a začátkem jedenadvacátého století dochází ve stavebnictví k výraznému posunu v navrhování a provádění staveb jako staveb nízkoenergetických, tedy staveb s nízkou potřebou energií na jejich provoz a vytápění a k vývoji tomu odpovídajících konstrukcí obvodového pláště pro tyto stavby. U všech materiálových bází se vývoj orientuje na zvyšování tepelného odporu konstrukcí obvodového pláště, respektive snižování jeho součinitele prostupu tepla a to především zvyšováním tloušťky tepelně izolační vrstvy. Dále dochází k maximálnímu omezování tepelných ztrát průvzdušností konstrukcí a jejich spojů. Těmto celosvětovým trendům se podřizuje i způsob navrhování a provádění staveb a konstrukcí ze dřeva.

Zatímco u silikátových materiálových bází prakticky zůstává část masivní tepelně akumulační a nosné vrstvy obvodových stěn nezměněna a zvyšuje se pouze tloušťka dodatečné tepelně izolační vrstvy, může být snižování součinitele prostupu tepla u obvodových stěn s nosnou dřevěnou rámovou konstrukcí řešeno různými způsoby a na dosažení požadovaných parametrů se podílí obvykle více funkčních vrstev této konstrukce. Snahou dosáhnout u staveb ze dřeva co nejnižších tepelných ztrát snižováním součinitele prostupu tepla obvodových konstrukcí a snižováním či eliminací jejich průvzdušnosti však nesmí být dotčeny ostatní základní požadavky kladené na tyto konstrukce a stavby. Souběžně s uvedeným trendem na úsporu energie a ochranu tepla musí projektant a konstruktér dbát o to, aby nedošlo například ke zhoršení mechanických vlastností a stability konstrukcí a staveb nebo ke snížení jejich požární odolnosti a rovněž musí být zabezpečena hygiena a ochrana zdraví uživatelů těchto staveb.

Funkční spolehlivost a životnost

Konstrukce na bázi dřeva by měly být navrhovány a prováděny tak, aby nebyla snižována přirozená imunita dřeva proti biotickým škůdcům a nedocházelo ke zhoršování mechanických vlastností konstrukcí.

V rámci řešení výzkumného záměru jsme se zaměřili na oblast navrhování a posuzování konstrukcí a staveb na bázi dřeva, u kterých je třeba dbát na to, aby zlepšováním jedné z vlastností vztahujících se k základním požadavkům nedošlo k omezení nebo snížení funkční spolehlivosti těchto konstrukcí a staveb a aby byla zajištěna jejich přiměřená životnost, respektive trvanlivost.

Tento požadavek je zakotven i v ETAG 007 Řídící pokyn pro evropská technická schválení - Dřevěné rámové stavební sestavy.

V kapitole 4. POŽADAVKY, část 4.7 "Hlediska trvanlivosti, použitelnosti a identifikace jsou uvedena" v čl. 4.7.1 hlediska trvanlivosti:

Návrh dřevěné rámové stavební sestavy musí zajistit, že opotřebení materiálů a dílců během předpokládané určené životnosti významně neovlivní chování sestavy, pokud jde o plnění základních požadavků 1 až 6. Opotřebení může být způsobeno fyzikálními, biologickými a chemickými činiteli.

V čl. 4.7.3 Identifikace, je pak uvedeno:

Materiály použité v dřevěné rámové stavební sestavě musí být identifikovatelné, pokud jde o ty vlastnosti, které mají vliv na schopnost sestavy plnit základní požadavky. V řešené problematice se zaměříme zejména na vzájemné ovlivňování tří základních funkčních požadavků, které jsou pro navrhování a provádění dřevěných rámových stavebních sestav nejdůležitější: mechanická odolnost a stabilita (ER1), úspora energie a tepelná ochrana (ER6) a hygiena, ochrana zdraví životního prostředí (ER3).

Mechanická odolnost a stabilita

Vedle okamžitých pružných vratných deformací vznikají ve dřevěných konstrukcích i časově závislé, částečně nevratné deformace - dotvarování, vyvolané účinky dlouhodobého působení zatížení. V evropské normě pro navrhování dřevěných konstrukcí (EUROCIDE 5) i v odpovídající české normě (ČSN P ENV 1995-1-1:1995) je problém vyjádření dotvarování dřeva řešen pomocí součinitele dotvarování κ_def (tab. 1), který je závislý na době trvání zatížení a vlhkosti prostředí. Evropská norma zavádí 5 kategorií trvání zatížení: stálé, dlouhodobé, střednědobé, krátkodobé, okamžité a 3 třídy použití: třída 1 (chráněný interiér), třída 2 (interiér s občasným výskytem vlhkosti) a třída 3 (odpovídá nechráněné expozici).

Deformace prvku v čase je vyjádřena vztahem:

kde u_inst vyjadřuje okamžitou deformaci, u_fin vyjadřuje deformaci včetně dotvarování po určité době trvání zatížení.

Tab. 1 - Hodnoty součinitele pro rostlé a lepené lamelové dřevo podle (EUROCODE 5)

Taylor (Taylor et. al., 1994) navrhl a otestoval na vzorcích rostlého a lepeného lamelového dřeva konstrukčních rozměrů vztah pro součinitel dotvarování dřeva:

kde κ_def(t) je součinitel dotvarování v čase t (den), κ_def(∞) je součinitel dotvarování v čase t = ∞ (resp. 50 let), c = -0,0032 (den^-1).

Vlhkost dřeva ve stavebních konstrukcích a stavbách má velký vliv na dotvarování těchto konstrukcí. Nejnižší hodnoty jsou dosahovány při konstantní vlhkosti prostředí odpovídající třídě použití 1 κ_def(∞) = 0,67, při cyklickém střídání vlhkosti jsou dosahovány dvojnásobné hodnoty dotvarování κ_def(∞) = 1,21 a v exteriéru je dotvarování cca třikrát vyšší κ_def(∞) = 2,15. Rovněž velikost průřezu a povrchová úprava významně ovlivňují hodnoty dotvarování. Větší a povrchově upravené průřezy (nátěrem, obkladem, apod.) nejsou tak citlivé na střídání vlhkosti a dotvarování je nižší (Lokaj 2003).

Stupně namáhání vlhkostí jsou definovány v EUROKÓDU EC5:

Třída použití 1 je charakterizována obsahem vlhkosti v konstrukčních materiálech, který odpovídá teplotě 20°C a relativní vlhkosti okolního vzduchu, která překračuje 65 % nejvýše několik týdnů v roce. U většiny jehličnatých druhů dřeva není překročena průměrná rovnovážná vlhkost 12%.

Třída použití 2 je charakterizována obsahem vlhkosti v konstrukčních materiálech, který odpovídá teplotě 20°C a relativní vlhkosti okolního vzduchu, která překračuje 85 % nejvýše několik týdnů v roce. U většiny jehličnatých druhů dřeva není překročena průměrná rovnovážná vlhkost 20 %.

Třída použití 3 zahrnuje klimatické podmínky, které vedou k vyššímu obsahu vlhkosti než u třídy použití 2.

Poznámka: V harmonizované ČSN ENV 1995-1-1: 2004 jsou třídy použití označovány názvem "třídy vlhkosti".

Z uvedených poznatků lze vytvořit závěr, že k přibližně třikrát vyššímu dotvarování dřevěných konstrukcí bude docházet i v případech, kdy zabudované dřevěné prvky budou uvnitř konstrukce obvodového pláště dlouhodobě vystaveny teplotně vlhkostním podmínkám, kterým odpovídá vyšší rovnovážná hmotnostní vlhkost dřeva než 20 %. Deformace a dotvarování takto vlhkostně namáhaných konstrukcí budou spíše odpovídat třídě vlhkosti 3.

Pokud sledujeme požadavky na vlhkost dřeva ve stavebních konstrukcích z pohledu ČSN EN 335-1 a ČSN EN 335-2 "Trvanlivost dřeva a materiálů na jeho bázi - Definice tříd ohrožení biologickým napadením - Část 1 a 2, jsou přibližně shodné.

Přirozená trvanlivost dřeva je schopnost dřeva zachovat si původní strukturu a vlastnosti v podmínkách příznivých pro aktivitu činitelů znehodnocujících dřevo. Bělové dřevo všech druhů dřevin je proti biotickým škůdcům netrvanlivé. Trvanlivější je jádrová zóna dřeva a někdy i zóna zralého dřeva. Konstrukční ochrana dřeva má v prvé řadě zajistit takovou vlhkost dřevěných prvků v objektu, při kterých se nemůže projevit aktivita dřevo znehodnocujících hub a dřevokazného hmyzu. Aktivita středoevropských druhů dřevokazného hmyzu se zastavuje při vlhkosti dřeva pod hranicí 10% a aktivita dřevo znehodnocujících hub při vlhkosti dřeva pod hranicí 20%. Výjimkou je pouze dřevomorka domácí - Serpula lacrymans, která je schopna napadnout dřevo i s nižší vlhkostí - už od 16%. Hlavní úlohou konstrukční ochrany zabudovaného dřeva je zabránit pronikání dešťové a spodní vody do objektu. Konstrukční ochrana má bránit i tvorbě kondenzované vody a přestupu kapilární vody z minerálních materiálů do dřeva (Reinprecht 1999).

Z uvedeného plyne, že bez odpovídajícího vyřešení skladby konstrukce z hlediska stavební tepelné techniky a ověření teplotně vlhkostních podmínek uvnitř konstrukce nelze garantovat mechanickou pevnost a stabilitu konstrukcí na bázi dřeva, ani trvanlivost dřeva a materiálů na bázi dřeva z hlediska ohrožení biologickým napadením. Pro zajištění trvanlivosti, životnosti a funkční spolehlivosti nových konstrukcí staveb na bázi dřeva je proto bezpodmínečně nutno posoudit všechny navrhované konstrukce nejdříve z hlediska stavební tepelné techniky, a zejména pak z hlediska možné difúze a kondenzace vodní páry, respektive teplotně vlhkostních poměrů a odpovídající rovnovážné vlhkosti dřeva v nově navrhovaných konstrukcích. Normální proces ověření celoroční bilance zkondenzované a vypařené vodní páry v konstrukci není však sám o sobě dostatečným kriteriem pro rozhodnutí jak budou při splnění základního požadavku (ER6) Úspora energie a tepelná ochran v ETAG 007 ovlivněny základní požadavky (ER1) Mechanická odolnost a stabilita a (ER2) Hygiena, ochrana zdraví životního prostředí.

Stávající výpočtový postup hodnocení celoroční bilance vodní páry v konstrukcích podle ČSN 730540 je dosti odlišný od postupu uvedeného v prEN ISO 13788 (dnes ČSN EN ISO 13788). Zásadně odlišně jsou v obou metodikách zaváděny okrajové podmínky. Zatímco v metodice ČSN 730540 se hodnocení konstrukce provádí pro postupně se zvyšující vnější teploty počínaje vnější výpočtovou teplotou (typicky pro ČR -15°C) a konče teplotou +25°C, metodika prEN ISO 13788 předepisuje výpočet po jednotlivých měsících s použitím průměrných měsíčních teplot a vlhkostí vnějšího vzduchu. Metodika prEN ISO 13788 umožňuje také zavést do výpočtu pro každý hodnocený měsíc odlišnou průměrnou teplotu a vlhkost vnitřního vzduchu, což při použití standardního postupu podle ČSN 73 0540 nebylo možné.

Pro relativní vlhkost vnitřního vzduchu zavádí prEN ISO 13788 navíc trojí způsob jejího stanovení podle typu hodnoceného prostoru. U běžných místností se provede jejich zatřídění do vlhkostních tříd a relativní vlhkost vnitřního vzduchu je stanovena na základě vlhkosti vnějšího vzduchu a přirážky odpovídající příslušné vlhkostní třídě. Nepříjemná je skutečnost, že výpočet podle prEN ISO 13788 zcela opomíjí teploty nižší, než jsou nejnižší průměrné měsíční teploty. Prakticky to znamená, že tento výpočet nezjistí jak bude vypadat situace v konstrukci při vnější teplotě nižší než cca -5°C. Značnou výhodou tohoto postupu je možnost vnést do výpočtu počáteční stavební vlhkost, či vlhkost naakumulovanou během stávající existence konstrukce. Maximální množství kondenzátu v konstrukci bylo při použití metodiky prEN ISO 13788 vždy nižší, než při použití metodiky ČSN 73 0540, přičemž odchylka maximálních množství do 50% byla zaznamenána u 57% případů (Svoboda, Králíček 2000).

Podstatný rozdíl v možném zjištění vlivu vodní páry prostupující konstrukcí plyne z přístupu ke způsobu posuzování vlastností parotěsnící vrstvy, tzv. parozábrany.

Parotěsnící vrstva je vrstva stavební konstrukce omezující pronikání vodní páry obvykle z vnitřního prostředí do stavební konstrukce, kde by v důsledku poklesu teploty došlo ke kondenzaci vodních par. Zkondenzované množství vodní páry by mohlo následně ohrozit požadovanou funkci stavební konstrukce, nebo zkrátit její životnost. Omezením pronikání vodní páry do konstrukce se rozumí omezení difúze (pohyb vodní páry vyvolaný gradientem částečných tlaků vodní páry) a proudění vlhkosti (pohyb vodní páry vyvolaný prouděním vzduchu). V české odborné literatuře se můžeme setkat s dělením výrobků pro parotěsnící vrstvu podle jejich hodnoty ekvivalentní difúzní tloušťky. Hodnota ekvivalentní difúzní tloušťky s_d (m) vyjadřuje ekvivalentní tloušťku vzduchové vrstvy, která by měla stejný difúzní odpor jako příslušná vrstva stavební konstrukce.

Nejvýraznější přírůstek vlhkosti v obvodovém plášti oproti výpočetnímu modelu je způsoben nehomogenními vlastnostmi materiálů, kdy dochází v místě porušení materiálů k vícerozměrnému šíření vlhkosti. K nehomogenitě materiálů zabudovaných ve střešním souvrství může dojít z několika příčin:

• technologickou nekázní při výstavbě,
• nedokonalým spojením jednotlivých materiálů a napojením na prostupy,
• stárnutím spojů.

Norma ČSN EN ISO 13788 uvádí, že může dojít k poklesu ekvivalentní difúzní tloušťky u takto poškozených materiálů s velkým difúzním odporem až o několik řádů. Podle některých autorů se doporučuje odborným odhadem snížit podle procenta poškození faktor difúzního odporu až na 10% jeho původní hodnoty. V jiných odborných publikacích je dokonce uvedeno, že se hodnota ekvivalentní difúzní tloušťky takto poškozených materiálů může snížit až 100krát, tedy na 1% své původní hodnoty. Množství vlhkosti, která pronikne do souvrství obvodového pláště díky vícerozměrnému šíření vlhkosti, se nedá stanovit analytickým výpočtem. Je třeba použít numerických metod nebo laboratorní měření difúze.

Dosavadní laboratorní měření prováděná ve VÚPS Zlín a v poslední době i v laboratořích FS ČVUT, prokazují výrazné zvýšení hmotnostního toku již při velmi malém porušení vrstev s velkým difúzním odporem. Výsledky měření parozábran provedených autorem v laboratořích FS pomocí metody Wet-Cup, kdy proděravěná plocha činila 0,125% z celkové plochy vzorku, vykazují pokles ekvivalentní difúzní tloušťky s_d na hodnotu 5,3 až 4,7% hodnoty neporušeného materiálu (Slanina 2004).

Dalším činitelem ovlivňujícím vlhkost dřeva v konstrukcích dřevěných rámových stavebních sestav jsou i skutečné klimatické podmínky, kterým je stavba po dobu své životnosti vystavena. V současnosti při instalaci velmi těsných oken dochází ke značnému snížení infiltrace vzduchu. Proto v mnohých prostorách není dodržena požadovaná intenzita výměny vzduchu n_N ≥ 0,5 (1/h). Při provozování takovýchto prostor při různých pracovních činnostech dochází "k nadprodukci" vodní páry, čímž se zvyšuje vlhkost a následně relativní vlhkost vnitřního vzduchu. Například člověk v klidu produkuje cca 50 g/h vodní páry a při fyzické práci až dvojnásobek. Z hlediska hodnocení změny relativní vlhkosti vzduchu při různé vlhkostní zátěži v referenční místnosti (200 g/h a 400 g/h) byla provedena analýza pro východní stranu objektu, kde intenzita výměny vzduchu korelovala s požadovanou hodnotou. Z grafického průběhu je možno určit, že při intenzitě výměny vzduchu n_pr ≈ 0,5 (V_V ≈ 25 ÷ 30 m³/h) se relativní vlhkost vzduchu pohybuje v přijatelných hranicích v rozmezí φ_i ≈ 35 ÷ 55 % i když místnost je zatěžována produkcí vodních par mezi 200 až 400 g/h. Jakmile ale intenzita výměny vzduchu klesla při této vlhkostní zátěži na n_pr = 0,2, relativní vlhkost vzduchu stoupla na φ ≈ 80 % (Ondráš 2004).

S touto problematikou souvisí i tzv. syndrom nemocných budov, o kterém se v odborných stavebních a zdravotnických kruzích již delší dobu diskutuje. Jde o problém, který se vyskytuje především v objektech realizovaných v posledním období, zejména s obytnou a administrativní funkcí. Jejich obyvatelé trpí nepříliš specifickými symptomy, jakými jsou například dýchací potíže, bolesti hlavy, pálení a slzení očí, pálení v nose, krku, kašel, horečky a projevy akutního respiračního onemocnění, únava, úzkost, poruchy koncentrace a podobně.

Po několikaletém systematickém studiu tohoto problému se došlo k řadě příčinných souvislostí. Mezi jinými byly shledány jako zásadně důležité u "nemocných" budov dvě příčiny. Hermetické oddělení vnitřního a vnějšího prostředí budovy a dále v menší míře i použití "nezdravých" materiálů. Efekt vzduchově zatěsněného pláště se někdy objevuje i u staveb, kde se jejich tvůrci snaží vytvořit objekty mimořádně energeticky úsporné. I v těchto případech vede extrémní tloušťka tepelných izolací z nevhodně zvolených materiálů k syndromu nemocných budov. Pozitivní reakcí na výše uvedený syndrom je v západní Evropě prosazovaná koncepce tzv. difúzně otevřených fasád. Difúzně otevřená fasáda vlastně znamená takovou konstrukci obvodového pláště, která především umožňuje šíření vodních par mechanizmem difúze. Jde tedy o tvorbu obvodových plášťů, které neobsahují žádné parotěsné zábrany. Volný pohyb páry konstrukcí obvodového pláště potom umožňuje ono "dýchání" budovy.

Koncepčně správný návrh difúzně propustné fasády musí vycházet z analýzy některých citlivých stavebně-fyzikálních problémů. Při návrhu je potřebné mnohem podrobněji rozebrat otázku kondenzace páry, respektive otázku její celoroční migrace konstrukcí. Většinou zde nestačí pozitivní roční bilance zkondenzované a vypařené vodní páry. Rozhodnutí otevřít obvykle vrstvenou strukturu obvodového pláště pro difúzi par totiž znamená mimo jiné získat jistotu, že v zimním období nedojde k jejich kondenzaci. Koncepce difúzně otevřených fasád a dodatečných zateplení budov jako každá nová technologie naráží na počátku své aplikace na nedostatek praktických zkušeností. Je rovněž potřeba podpořit návrh těchto fasád stavebně fyzikálními výpočty s vyšší rozlišovací schopností (Krňanský 2005).

Úspora energie a tepelná ochrana

Pro základní tepelně technické posouzení byly ze souboru skladeb obvodových stěn běžně používaných u montovaných rodinných domů dřevěné rámové konstrukce vybrány tři typy, které lze podle základních kritérií a požadavků považovat prakticky za shodné. Jednotlivé konstrukce byly záměrně upraveny tak, že mají shodnou tloušťku tepelně izolační vrstvy, shodný podíl tepelných mostů (prvků dřevěné rámové konstrukce) a liší se pouze typem konstrukčních desek, zajišťujících stabilitu konstrukce v rovině stěny a typem běžně používaných kontaktních zateplovacích systémů.

Z hlediska tepelně technického posouzení lze zvolené konstrukce klasifikovat jako konstrukce splňující požadavky určených harmonizovaných norem. Pokud však toto posouzení rozšíříme o poznatky uvedené v předcházejícím textu a zaměříme se na sledování teplotních a vlhkostních podmínek uvnitř sledovaných konstrukcí obvodových stěn, můžeme z analýzy výpočtu provedeného pomocí běžně používaného software konstatovat, že u jednotlivých variant lze předpokládat odlišnou životnost a spolehlivost těchto konstrukcí.

Provedeme-li rozbor dřevěné rámové sestavy, pak podle rozměru řeziva (tl. 40 - 60 mm) a při použitém modulu 600 nebo 625 mm činí podíl dřeva v tepelně izolační vrstvě v charakteristickém výřezu stěny cca 6,4 až 9,6 %, tedy v průměru 8 %. Při předpokladu, že podíl oken a dveří v obvodové stěně je do 20% její celkové plochy, zvýší se podíl dřeva v tepelně izolační vrstvě na cca 16 %. Při zvýšení plochy oken a dveří nad 30 % celkové plochy stěny se podíl dřeva v tepelně izolační vrstvě zvýší až na cca 32 %.

Tato hodnota degradace tepelně izolační vrstvy byla vybrána pro následující hodnocení konstrukcí obvodových stěn. Pro přesnější posouzení teplotně vlhkostních podmínek byla tepelná izolace rozdělena do tří vrstev různé tloušťky. K vypočteným teplotám a parciálním tlakům vodní páry na jednotlivých rozhraních vrstev byla přiřazena odpovídající relativní vlhkost prostředí RHx, a z nomogramu rovnovážné vlhkosti dřeva příslušná rovnovážná hmotnostní vlhkost dřeva φ_x odpovídající teplotě a vlhkosti v daném rozhraní.

Výsledky tepelně technického hodnocení a porovnání ověřovaných konstrukcí obvodových stěn z hlediska funkční spolehlivosti a životnosti podle uvedených kritérií bude uvedeno v příštím příspěvku.