Ocena jakości termicznej rozwiązań węzła połączenia budynku z gruntem posadowionym na płycie fundamentowej

Rozwiązanie to jeszcze do niedawna było traktowane jako drogie z uwagi na większe nakłady i stosowane tylko w uzasadnionych ekonomicznie wypadkach dla szczególnych warunków, kiedy nie można zastosować fundamentów rozczłonkowanych (ławy, stopy, ruszty). Obecnie w budownictwie jednorodzinnym jest rozwiązaniem proponowanym równie często jak tradycyjne fundamenty wykonywane z bloczków betonowych na ławach żelbetowych.

Płyta fundamentowa może być stosowana w budynku z podpiwniczeniem, ale obecnie projektowane domy bez piwnic najczęściej posadawiane są właśnie na płycie. Jedną z zalet tego rozwiązania jest łatwość wykonania izolacji termicznej poziomej, bez konieczności wykonywania dodatkowych izolacji pionowych w gruncie.

W prezentowanych publikacjach i opracowaniach projektowych [2] dotyczących detali połączenia ściany zewnętrznej z płytą w większości przypadków zachowana jest ciągłość izolacji zewnętrznej obudowy. W takim wypadku, zgodnie z PN-EN ISO 13789 [3] w obliczeniach współczynnika przenoszenia ciepła HT, przy stosowaniu wymiarowania zewnętrznego, można pominąć liniowy i punktowy współczynnik przenikania ciepła.

To zalecenie, upraszające i przyspieszające tok obliczeń, wynika z faktu, że dla większości mostków termicznych, przy tych założeniach (ciągłości i wymiarowania zewnętrznego) ich wartość jest ujemna, a zatem wpływa korzystnie na wielkość HT i pominięcie jej nie spowoduje sztucznego zaniżenia tej wartości.

Z uwagi na swoją geometrię, rozwiązanie to jest intuicyjnie traktowane jako analogiczne do mostka narożnika ścian i spodziewana jest wartość ujemna liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ_g.

W artykule przedstawiono wyniki obliczeń i analizę wartości tego współczynnika tylko dla jednego z wielu możliwych rozwiązań takiego węzła [2].

Komponenty kształtujące węzeł

Wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ jest zależna od ukształtowania detalu połączenia przegród tworzących dany węzeł, ale także od wartości ich współczynników przenikania ciepła U.

Do obliczeń przyjęto dwa standardy izolacyjności cieplnej przegród tworzących złącze - na poziomie budynku o niskim zużyciu energii według [4] oraz dla standardu pasywnego [5] (TAB. 1).

Ponadto rozpatrzono dwie wersje rozwiązania konstrukcyjnego ściany zewnętrznej - jednowarstwową i dwuwarstwową (mur z ociepleniem).

W obu zastosowano autoklawizowany beton komórkowy (ABK), ale o różnych parametrach przewodności cieplnej l i wytrzymałości na ściskanie ƒk.

W ścianie jednowarstwowej grubość filara (będącego jednocześnie termoizolacją i konstrukcją nośną) jest na tyle duża, że można stosować elementy murowe o niskich parametrach wytrzymałościowych i co za tym idzie - niskich wartościach l (elementy łączone na cienkie spoiny).

W przypadku rozwiązania ze ścianą dwuwarstwową, mur jest elementem konstrukcyjnym odpowiedzialnym za właściwą nośność i ma stałą grubość, natomiast izolacja termiczna jest wydzielonym, głównym elementem odpowiedzialnym za właściwą termoizolacyjność przegrody. Wymagana wartość współczynnika przenikania ciepła U kształtuje grubość tej warstwy, zależnie od parametru l stosowanego materiału.

Podstawowym elementem konstrukcyjnym komponentu płyty fundamentowej jest żelbetowa, krzyżowo-zbrojona płyta gr. 25 cm, ułożona na warstwie izolacji termicznej. Pełni ona jednocześnie funkcję podkładu pod posadzkę oraz dodatkowo elementu pojemnościowego całego budynku zwiększającego jego bezwładność cieplną.

• W przypadku gruntów niewysadzinowych (takich jak piasek) płyta fundamentowa może być wykonana na chudym betonie gr. 10 cm.
• Przy gruntach wysadzinowych (gliny i iły) należy zastosować warstwy zagęszczonego piasku, żwiru lub tłucznia gr. co najmniej 15–20 cm oraz warstwy podkładu z betonu gr. około 10-15 cm. Tego rodzaju układ warstw jest często spotykany w przypadku budynków z ogrzewaniem podłogowym.

Modele obliczeniowe

Jako materiał do izolacji płyty fundamentowej przyjęto polistyren ekstrudowany z uwagi na jego korzystne właściwości przydane w tego rodzaju warunkach środowiskowych.

Grubości warstwy dg przyjmowane do obliczeń w modelu nie odpowiadają dostępnym wymiarom płyt, lecz takim, przy których uzyskano dla danego wymiaru charakterystycznego B’ dokładną wartość współczynnika przenikania ciepła U = 0,15 W/(m2·K) lub U = 0,30 W/(m2·K).

Przeanalizowano przypadki dla wartości wymiaru charakterystycznego B’ od 4,0 m do 8,0 m ze stopniowaniem co 1,0 m.

Szczegółowe wartości parametrów płaskich przegród tworzących węzeł podano w TAB. 2, TAB. 3 i TAB. 4.

Jedną z podstawowych cech mostków termicznych jest duża zmienność wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła zależnie od ich ukształtowania geometrycznego.

W rozpatrywanym przykładzie, w wariancie ze ścianą dwuwarstwową, rozwiązanie detalu jest jednoznaczne i nie wymaga dyskusji.

• Warstwa izolacji ściany zewnętrznej przechodzi do poziomu spodu płyty fundamentowej, bez zmiany grubości, pełniąc jednocześnie funkcję izolacji obwodowej i łącząc się z izolacją poziomą pod płytą.
• Zastosowanie ściany jednowarstwowej wymaga ułożenia w poziomie płyty żelbetowej pionowego paska izolacji obwodowej o R > 2,0 (m²·K)/W (gr. 8 cm), wymaganej w WT [6] i jednocześnie chroniącej konstrukcję płyty przed przemarzaniem.

Kolejnym istotnym dla geometrii węzła elementem jest poziom posadzki parteru względem otaczającego gruntu. Przyjęto, że jest to 15 cm.

Ta wartość, łącznie z ustalonymi ze względów konstrukcyjnych grubością płyty oraz ze względów ochrony cieplnej grubości izolacji, determinuje wielkość zagłębienia komponentu płyty w gruncie (RYS. 1-2). Wymiary modeli obliczeniowych - odległość od elementu centralnego - przyjęto zgodnie z wytycznymi zawartymi w PN-EN ISO 10211:2008 [8].

Wyniki obliczeń

Do obliczeń liniowego współczynnika przenikania ciepła połączenia ściana–podłoga ψ_g,e zastosowano równanie (20) z PN-EN ISO 10211:2008 [8], odnoszące się do wymiarowania zewnętrznego. Otrzymane wartości przedstawiono w TAB. 5.

Na RYS. 3 zostały one przedstawione w postaci wykresów liniowych w funkcji wymiaru charakterystycznego podłogi B’.

Analizując otrzymane wyniki, należy zauważyć, że żadna z wartości ψ_g,e obliczonych dla wymiarowania zewnętrznego nie jest mniejsza od zera.

Zdecydowanie korzystniejsze wartości otrzymano dla przegrody dwuwarstwowej - z ciągłą warstwą izolacji termicznej. Zmiana ukształtowania miejsca styku płyty ze ścianą kondygnacji powoduje ponad dwukrotne zwiększenie wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła.

Posadowienie na płycie często rekomendowane jest dla budynków, które mają spełnić wysokie wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej. Niestety, próżno szukać wymagań w zakresie ograniczenia wpływu mostków termicznych w obecnych rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [6], które są częścią "Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii" [4]. Jedynie w zakończonym już Programie Priorytetowym NFOŚiGW [9] podano wymagania minimalne i wartości zalecane (TAB. 6).

Porównując je z otrzymanymi z powyższych obliczeń, można stwierdzić, że wszystkie rozwiązania (nawet te niespełniające wymagań WT 2021 [6] w zakresie izolacyjności) spełniają wymagania Programu Priorytetowego dotyczące mostków w obszarze posadowienia.

Gdyby pominąć te łagodniejsze, to rozwiązania dla ściany dwuwarstwowej, niezależnie od standardu, spełniają wymagania minimalne dla NF15. Żaden z przedstawionych wariantów nie spełnia wymagań stawianych budynkom pasywnym.

Obserwując tendencję zmian wartości ψ_g,e (RYS. 3), należałoby się spodziewać osiągnięcia jeszcze niższych w przypadku ściany dwuwarstwowej z jeszcze niższym niż wymagany w tym standardzie.

Trzeba również zauważyć, że są to wartości mniej korzystne niż uzyskiwane dla posadowienia tradycyjnego na ławach fundamentowych [10], przy zbliżonych parametrach przegród zewnętrznych.

Drugi istotny parametr mostków termicznych decydujący o przydatności danego rozwiązania w określonych warunkach cieplno-wilgotnościowych, czyli współczynnik temperaturowy  , osiąga wartości wyższe niż wymagane w rozporządzeniu ƒ_Rsi,kryt = 0,72 (TAB. 7, RYS. 6).

Najkorzystniej kształtuje się ta wartość dla rozwiązania budynku pasywnego ze ścianą dwuwarstwową -  , = 0,915, niezależnie od wymiaru charakterystycznego B’.

Z punktu widzenia trwałości konstrukcji betonowej istotne jest również, że w przedstawionych rozwiązaniach izolacja termiczna jest ułożona w taki sposób, że nie dochodzi do pojawienia się ujemnych temperatur w samej płycie (RYS. 4-5).

Podsumowanie

Posadowienie w formie płyty na gruncie jest niewątpliwie coraz chętniej stosowanym rozwiązaniem w budownictwie jednorodzinnym. Jest to spowodowane również faktem, że budynki te są w większości projektowane bez podpiwniczenia.

Z przestawionych powyżej obliczeń i analizy wynika, że płyta na gruncie nie jest tak dobrym rozwiązaniem, jakiego w domyśle się spodziewamy, mając na uwadze zachowany warunek ciągłości izolacji termicznej i ułożenie komponentów budowlanych analogiczne jak w narożniku ścian. Tym niemniej uzyskane wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła są na tyle niskie, że przedstawione rozwiązania mogą być rekomendowane do stosowania.

Literatura

1. Praca zbiorowa, "Budownictwo ogólne, tom 3, Elementy budynków. Podstawy projektowania", Arkady, Warszawa 2011.
2. A. Kazimierowicz, S. Hałaczkiewicz, "Łatwa płyta na trudne warunki. Płyta fundamentowa", "Murator" nr 2/2013.
3. PN-EN ISO 13789:2008, "Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania".
4. Uchwała nr 91 Rady Ministrów z dnia 22 czerwca 2015 r. w sprawie przyjęcia "Krajowego planu mającego na celu zwiększenie liczby budynków o niskim zużyciu energii" (MP poz. 614 z 2015 r.).
5. W. Feist, "Podstawy budownictwa pasywnego", Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, 2010.
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z póź. zm.).
7. "Zeszyt techniczny. Projektowanie architektoniczne i konstrukcyjne budynków w systemie Ytong", wyd. IV, Warszawa 2015.
8. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".
9. Program Priorytetowy NFOŚIGW "Poprawa efektywności energetycznej".
10. P. Szczepaniak, "Pionowa izolacja obwodowa budynków ze ścianami jednowarstwowymi", "Izolacje" 4/2017.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!