Wpływ temperatury na trwałość dachów

Do podstawowych skutków przyrostu lub spadku temperatury pokryć dachowych należą te związane ze zmianą stanu skupienia wody (zamarzaniem, parowaniem i skraplaniem się pary). Drugą ważną grupą są zmiany wymiarów materiałów dachowych wskutek rozszerzalności termicznej.

Dotyczy to głównie metali i tworzyw sztucznych, ale także betonu i drewna. Latem materiały, z których wykonano pokrycie, mogą się wydłużać, zimą natomiast – kurczyć, co w połączeniu z zamarzaniem wody często staje się prawdziwym sprawdzianem poprawności projektu oraz wykonania konstrukcji. 

Temperatura wpływa także na:

• procesy wymiany ciepła, w tym na działanie termoizolacji i na komfort mieszkańców budynku;
• intensywność i skuteczność wentylacji dachów i ich pokryć – im większa różnica temperatury powietrza i pokrycia, tym skuteczniejszy ciąg termiczny;
• trwałość wielu materiałów – wysoka temperatura przyspiesza destruktywne działanie promieniowania UV na tworzywa sztuczne, farby i inne powłoki, niska temperatura powoduje zaś powstawanie skroplin i lodu rozsadzającego materiały i ich połączenia.

Intensywność i częstotliwość wymienionych zjawisk zależą od klimatu danego regionu, a zwłaszcza od mało docenianego, a mimo to niezwykle ważnego parametru – liczby cykli zmian temperatury, w tym liczby przejść przez 0°C.

Rodzaj pokrycia

Pokrycia dachowe można podzielić na takie, które lepiej znoszą zmiany temperatury, i te wymagające lepszego zabezpieczenia.

Dachówki cementowe i betonowe

Ze zmianami temperatury najlepiej radzą sobie materiały składające się z drobnych, zachodzących na siebie elementów. Jednocześnie tego rodzaju pokrycia zazwyczaj łatwiej się wentylują dzięki licznym zakładom między pojedynczymi fragmentami. Wentylacja ma zaś istotny wpływ na temperaturę dachu i pokrycia.

Najbardziej reprezentatywnym pokryciem tego typu są dachówki ceramiczne i cementowe. Ich popularność wynika m.in. z odporności na amplitudy temperatury. Jest to spowodowane małą rozszerzalnością i jednoczesną dużą bezwładnością termiczną ceramiki (szczególnie) oraz betonu.

Pokrycia blaszane

Dużo większą rozszerzalność pod wpływem temperatury mają metale. Także w tym wypadku sprawdza się reguła, że z im mniejszych fragmentów składa się pokrycie, tym jest ono trwalsze, lepiej znosi zmiany temperatury i wykazuje lepszą odporność na opady. Niewielka grubość i niska waga tego typu materiałów sprawiają jednak, że wykonanie i montaż drobnych elementów metalowych wymagają większych nakładów pracy.

Aby poprawnie zamocować pokrycie łuskowe z blach (najpopularniejsze z nich mają kształt karo), należy je tak połączyć, by pokrycie wytrzymało podrywanie spowodowane silnym wiatrem. Lekkie płytki blaszane dużo łatwiej ulegają bowiem wyrwaniu na skutek wiatru niż ciężkie dachówki leżące jedna na drugiej (bez mocowania na połaci).

Z tego powodu pokrycia metalowe często mają formę arkuszy blaszanych łączonych na rąbki lub zwoje (tzw. wursty). Dachy zbudowane według tych starych technik bardzo dobrze radzą sobie z rozszerzalnością materiałów spowodowaną zmianą temperatury – pod warunkiem, że pokrycie ułożono fachowo.

Nowe i uproszczone sposoby mocowania arkuszy metalowych pojawiły się wraz z pokryciami z blach profilowanych. Bardzo popularne stały się wówczas zwłaszcza blachodachówki.

Materiały te są sztywno mocowane do łat za pomocą specjalnych wkrętów zwanych farmerami. Dzięki kształtowi profili blach, upodobniającemu blachodachówkę do dachówek, skompensowane zostają wydłużenia prostych i krótkich fragmentów wygięć, dzięki czemu farmery mogą utrzymać arkusze.

Aby jednak arkusze się nie ruszały, muszą zostać spełnione liczne warunki: wkręty powinny być umieszczane z odpowiednią siłą, tak aby się nie luzowały i jednocześnie nie miażdżyły uszczelek zapewniających szczelność pokrycia w przebitych miejscach.

Sposób zamocowania, rodzaj i gatunek drewna, z jakiego wykonano łaty, oraz jakość wkrętów i uszczelek decydują (wraz z innymi czynnikami) o trwałości tego typu konstrukcji. Bardzo duże znaczenie ma także wentylacja pokrycia (co często ignorowane jest przez wykonawców).

W wypadku blach płaskich połączenia do podłoża za pomocą farmerów często są nieskuteczne z powodu dużej częstotliwości występowania małych ruchów blachy (fot. 1–6). Farmery są wkrętami samowiercącymi, nie mają więc żadnych luzów na połączeniu z blachami.

Jeżeli w ciągu dnia arkusz o dł. 1–2 m wielokrotnie ulegnie podgrzaniu i ochłodzeniu, to będzie wywierał duże siły przechylające i luzujące wkręt w podłożu (rys.). Łatwo oszacować, że liczba cykli takich oddziaływań może przekroczyć kilka tysięcy rocznie. Gdy wkręt się poluzuje, na skutek zmian termicznych będzie się wysuwał – nawet przy przemieszczeniach blach mniejszych niż 1 mm.

W praktyce czas, po jakim wkręty się luzują i wysuwają, wynosi od roku do 4 lat, w zależności od rodzaju podłoża, kołka i miejsca usytuowania (nasłonecznienia). Wpływ na to ma także siła wiatru.

Jeśli podłożem dla farmerów są płyty OSB, luzowanie przebiega szybciej, ponieważ w większości przypadków elementy te wkręcane są w proste zakłady między blachami (fot. 1–2), przez które dostaje się woda.

Obróbki blacharskie i rynny

W skład kompletnego pokrycia, oprócz podstawowych materiałów, wchodzą także różne elementy wykończeniowe. Na każdym dachu niezbędne są obróbki blacharskie, jak zlewnie koszowe, pasy czołowe, nadrynnowe, szczytowe, obróbki kominów i innych instalacji przechodzących przez pokrycia, które również ulegają rozszerzalności termicznej.

Rozszerzalność materiałów należy uwzględniać również podczas mocowanie rynien. Dotyczy to nie tylko rynien blaszanych, lecz także wyrobów z PCW. Przy różnicy temp. 20°C rynna o dł. 10 m wykonana z PCW zmieni swoje wymiary o 16 mm. Ważne jest więc, by odpowiednio zamontować elementy dylatacyjne w tych systemach (sztucery, narożniki czy inne łączniki rynien).

Obliczanie rozszerzalności termicznej materiałów

Wydłużenie liniowe (skutek rozszerzalności termicznej) metali i wielu innych materiałów zależy od długości pojedynczych elementów i różnicy temperatury. Im większe są te dwa czynniki, tym większe wydłużenie. Zależność tę określa się wzorem:

Δl = α · l₀ · ΔT

Δl = l – l₀

gdzie:

Δl – bezwzględny przyrost długości [m],

l₀ – długość początkowa [m],

l – długość końcowa [m],

ΔT – przyrost temperatury [K],

α – współczynnik liniowej rozszerzalności termicznej charakterystyczny dla danego materiału (tabela 1) [1/K] lub [mm/(m·K)].

Współczynnik rozszerzalności liniowej a określa, ile razy wzrośnie długość materiału po ogrzaniu o jeden stopień [K]. Do obliczeń praktyczniej jest stosować jednostkę [mm/(m·K)] – łatwiej dzięki niej wyliczyć przyrost. Przyjmuje się, że w normalnych warunkach atmo­sferycznych wartość współczynnika liniowej rozszerzalności termicznej stali wynosi α = 0,013 mm/(m·K) lub α = 13·(10^–6/K).

Warto przeanalizować, jaki wpływ na przyrost długości stali mają zmiany temperatury i długość początkowa elementu budowlanego (rynien, pasa blachy itp.).

W tabeli 2 podano przyrost długości Δl elementów stalowych, występujących najczęściej w postaci blach, a więc materiałów szybko nagrzewających się i chłodzących – nawet pojawienie się chmury w ciągu słonecznego dnia zmienia ich temperaturę (zwłaszcza zimą). Z tego powodu ΔT = 40°C jest częstą zmianą dzienną występującą na powierzchni blach (np. od –10°C do + 30°C w słoneczny dzień w lutym).

Jako przyrosty temperatury przyjęto:

• ΔT = 20°C – najczęściej występujący zakres zmian temperatur dziennych (np. zimą – od –5°C do +15°C, latem – od +10°C do +30°C);
• ΔT = 40°C – często występujący zakres zmian dziennych i rocznych;
• ΔT = 70°C – maksymalny występujący w Polsce roczny zakres zmian temperatury.

Mocowanie rynien i blach jest zawsze wielopunktowe, a niektóre miejsca mocowania są wyjątkowo ważne – od nich blacha się rozszerza lub kurczy. Warto więc znać maksymalne długości zmian wynikających z maksymalnych różnic temperatury (występujących czasami raz na wiele lat), aby wiedzieć, jakie są maksymalne rozstawy krawędzi blaszanych elementów. Jest to istotne ze względu na wyznaczenie zakładów i dylatacji.

Do wykonania obróbek blaszanych (kominowych, okapowych, szczytowych i attykowych) stosuje się najczęściej arkusze blach o dł. ok. 2 m (1,5–3,0 m). W tabeli 2 umieszczono wyniki wydłużeń elementu jedno- i dwumetrowego.

Wzrost długości takich elementów dachowych w ΔT = 20°C i ΔT = 40°C wynosi do 1 mm, co wydaje się niegroźnym wydłużeniem. O tym jednak, czy tak małe wydłużenia są groźne czy nie, decyduje sposób mocowania tych elementów.

Warstwy podkładowe dachu

Zupełnie inaczej temperatura oddziałuje na warstwy dachów znajdujące się pod pokryciami, czyli na materiały z tworzyw sztucznych, materiały drewniane lub drewnopochodne. Największe kontrowersje związane ze skutkami działania temperatury dotyczą elastycznych materiałów wodochronnych typu folie (FWK) lub membrany wstępnego krycia (MWK).

Wątpliwości wzbudza zwłaszcza wytrzymałość temperaturowa MWK, ponieważ materiały te czasami ulegają uszkodzeniu, co mylnie przypisywane jest działaniu wysokiej temperatury. Przyczyną większości ubytków jest natomiast promieniowanie ultrafioletowe (UV) zawarte w świetle słonecznym [2]. Należy więc wiedzieć, że:

• temperatura na powierzchni membran leżących pod blachami ułożonymi na łatach w dachach o pokryciu wentylowanym rzadko przekracza 80°C;
• temperatura na powierzchni membran leżących pod blachami ułożonymi na łatach w dachach o pokryciu niewentylowanym rzadko przekracza 120°C;
• dopiero temp. > 320°C rozkłada polipropylen i polietylen (tworzywa, z których najczęściej wykonane są FWK i MWK) w stopniu podobnym do działania promieniowania UV;
• promieniowanie UV uszkadza FWK i MWK również od środka poddasza, jeżeli jest ono doświetlone przez okna połaciowe lub lukarny, a FWK i MWK nie są osłonięte termoizolacją (w budynkach powstających etapami);
• promieniowanie UV uszkadza FWK i MWK w okapach nieosłoniętych – w wyniku naświetlania od dołu (w budynkach powstających etapami).

Częste uszkodzenia MWK pod blachodachówkami wynikają z braku wentylacji pokrycia. Wentylacja bardzo skutecznie obniża temperaturę MWK i termoizolacji. Brak przepływu powietrza powoduje, że promieniowanie słoneczne podnosi temperaturę całego dachu (w tym znacząco MWK).

Jeżeli membrana jest oświetlana od poddasza przez docierające tam promienie UV, to w wysokiej temperaturze bardzo szybko się uszkadza. To jedyny wyraźnie negatywny wpływ temperatury na membrany i folie wstępnego krycia.

Wnioski

Znajomość procesów fizycznych zachodzących w dachach pod wpływem temperatury jest konieczna do poprawnego wykonawstwa. Brak wiedzy na temat rozszerzalności materiałów oraz odpowiednich technik montażowych może bowiem skutkować poważnymi błędami, które uwidaczniają się zazwyczaj już w pierwszym roku po wybudowaniu obiektu.

Analiza skutków oddziaływań termicznych na dachy potwierdza także znaną od dawna zasadę: w naszej strefie klimatycznej powinno się budować wyłącznie dachy wentylowane. Tylko wentylacja skutecznie (i tanio) obniża temperaturę dachu i rozwiązuje wiele problemów wynikających z nagrzewania się i chłodzenia pokrycia. Jest ona niezwykle ważna zwłaszcza w wypadku pokryć blaszanych.

Literatura

1. E. Schunck, H.J. Oster, R. Bartel, K. Kiessl, „Atlas dachów. Dachy spadziste”, MDM, Cieszyn 2005, s. 86.
2. K. Patoka, „Dachy a promieniowanie ultrafioletowe”, „Izolacje”, nr 3/2013, s. 80–84.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!