Projektowanie ocieplenia w obrębie dylatacji budynków

Modelowanie dwuwymiarowego przepływu ciepła w detalach budowlanych można wykonać za pomocą programów numerycznych. Analizy wykonywane przy użyciu takiego oprogramowania umożliwiają obliczenie gęstości strumienia ciepła i określenie pola temperatury w przegrodzie.

Obliczenia dwuwymiarowego przepływu ciepła bazują na metodzie elementów skończonych, co umożliwia modelowanie skomplikowanych geometrycznie przekrojów architektoniczno-budowlanych. Wykonanie obliczenia dla dowolnego detalu z zachowaniem wymagań, co do jego geometrii pozwala na obliczenie częściowych współczynników przenikania ciepła oraz liniowego współczynnika przenikania ciepła.

Ustalenie temperatury w dowolnym punkcie węzłów siatki elementu dwuwymiarowego w tym w dowolnym miejscu brzegu wewnętrznego pozwala z kolei na obliczenie czynnika temperaturowego ƒ_Rsi. Wymagania dotyczące stanu ochrony cieplnej ścian przydylatacyjnych są praktycznie jedynym wymaganiem zawartym w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1]. W przypadku budynków poddawanych ociepleniu przegród zewnętrznych projektant, dobierając rozwiązania materiałowe dla szczeliny dylatacyjnej, w zasadzie zdaje się na własną intuicję i doświadczenie. Często o ociepleniu dylatacji decydują względy technologiczne, tj. szerokość szczeliny i związana z nią możliwość wykonania materiału termoizolacyjnego.

Przy występowaniu dylatacji o małej szerokości, tj. do około 5 cm, zabieg ocieplenia jest technicznie trudny lub w zasadzie niemożliwy do wykonania przy użyciu materiału w postaci sztywnych płyt termoizolacyjnych. Dodatkowo w praktyce inżynierskiej sporadycznie stosuje się profile dylatacyjne nakładane na taśmę rozprężną, z kilku dość znanych powodów: taśma ta jest stosunkowo droga, a jej wstawienie w wąską szczelinę wymaga sporej dokładności wykonawczej. Z punktu widzenia rozwiązań projektowych taśmy tej na ogół nie ma w nowo projektowanym systemie ociepleń.

Czytaj też: Rozwiązania technologiczno-materiałowe fundamentów - podstawowe błędy >>>

Dylatacje o średniej szerokości, tj. 5-25 cm, stanowią problematyczny element ocieplenia ściany. Dylatacje takie czasami ocieplane są przy wykorzystaniu wełny mineralnej, styropianu, a także technologią zasypywania materiałem z włókien celulozowych.

FOT. Ocieplona szczelina dylatacyjna w budynku wielkopłytowym; fot. archiwa autorów

Szczeliny dylatacyjne o szerokości powyżej 25 cm występują w wielu przypadkach pomiędzy budynkami wznoszonymi na terenach tzw. szkód górniczych, w budynkach wznoszonych w systemach wielkopłytowych. Poprawne ocieplenie takich szczelin dylatacyjnych jest znacznie mniejszym problemem technologicznym. W projektach ociepleń budynków, w których takie dylatacje występują praktycznie ma rozwiązań detali architektonicznych oraz szczegółowych obliczeń. Występują też przypadki, kiedy jedynym elementem ocieplonym w budynku jest właśnie dylatacja (FOT.).

Stan ochrony cieplnej dylatacji należy rozpatrywać pod kątem zarówno izolacyjności cieplnej ściany zewnętrznej, jak i ściany przydylatacyjnej. Pierwszym wyznacznikiem jakości cieplnej dylatacji zdaniem autorów winien być bezwymiarowy wskaźnik ƒ_Rsi, wyznaczany zgodnie ze wzorem [2]:

gdzie:

θ_si - temperatura w miejscu połączenia ściany zewnętrznej ze ścianą przydylatacyjną,
T_e, T_i - temperatura powietrza zewnętrznego i wewnętrznego.

Proponowany drugim wyznacznikiem jakości cieplnej ścian w obrębie szczelin dylatacyjnych, powinna być temperatura w miejscu połączenia ściany przydylatacyjnej ze ścianą zewnętrzną. Ocena stanu ochrony cieplnej winna być wykonywana dla każdego projektowanego przypadku oddzielnie.

W celu przeprowadzenia analizy stanu ochrony cieplnej budynków, w aspekcie projektowanych dylatacji, na potrzeby przykładowej oceny izolacyjności termicznej dylatacji wytypowano trzy rodzaje szczelin dylatacyjnych:  

• małą, o szerokości między ścianami szczytowymi <  5 cm, 
• średnią, o szerokości między ścianami szczytowymi 25 cm, 
• dużą, o szerokości między ścianami szczytowymi 50 cm.

Jako przegrodę zewnętrzną wybrano ścianę trójwarstwową w typowym systemie wielkopłytowym.

Ocena ochrony cieplnej dylatacji - założenia do obliczeń

RYS. 1. Schemat obliczeniowy - dylatacja mała; wymiary na rysunku podano w metrach; rys. archiwa autorów

Budowa przegrody: ściana zewnętrza trójwarstwowa:

• beton fakturowy d = 0,06 cm, λ = 1,60 W/(m·K),
• wełna mineralna d = 0,06 cm, λ = 0,050 W/(m·K),
• beton konstrukcyjny d = 0,08 cm, λ = 2,40 W/(m·K),
• ocieplenie zewnętrzne metodą ETICS: styropian EPS d = 0,16 cm, λ = 0,04 W/(m·K),
• wypełnienie złącza pionowego 0 olkit λ = 0,25 W/(m·K),

RYS. 2. Pole temperatury w przekroju ściany trójwarstwowej, dylatacja mała - 3 cm; rys. archiwa autorów

• szczelina dylatacyjna zamknięta blachą stalową powlekaną o grubości 0,6 mm.

Całkowity współczynnik przenikania ciepła dla ściany zewnętrznej U = 0,184 W(m²·K).

Do obliczeń przyjęto następujące warunki brzegowe:

• temperatura zewnętrza t_e = –20°C,
• temperatura wewnętrzna t_i = +20°C.

Na potrzeby obliczeń pola temperatury ściany przyjęto zgodnie z normą [2] opór przejmowania ciepła R_si = 0,25 m²·K/W.

Obliczenia wykonane zostały przy użyciu programu Psi-Term, zgodnym z wytycznymi zawartymi w normie [2]. Wyniki obliczeń przedstawiono w formie graficznej i tabelarycznej. Przykładowy schemat obliczeniowy pokazano na RYS. 1.

Na RYS. 2 widoczna jest założona siatka MES. Barwy odzwierciedlają pole temperatur w przekroju zgodnie z dołączoną skalą. Na każdym rysunku pokazano temperatury w charakterystycznych miejscach przekroju. Strzałki U1, U2 oznaczają, że wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła będzie liczona jak dla zewnętrznego systemu wymiarowania elementu.