Wpływ ocieplenia fundamentów na rozkład temperatury w gruncie w otoczeniu budynku

Głębokości posadowień bezpośrednich (jeżeli są one podyktowane tylko głębokością przemarzania gruntów) zróżnicowane są w zależności od strefy klimatycznej i wynoszą odpowiednio:

• I strefa: 0,8 m,
• II strefa: 1,0 m,
• III strefa: 1,2 m
• IV strefa: 1,4 m.

Norma dopuszcza płytsze posadowienia, nawet do 0,5 m, jednak warunkiem jest odpowiednie zabezpieczenie ich przed wysadziną poprzez zastosowanie odpowiedniej izolacji termicznej lub pogrzania fundamentów. Ciągle brak jest wytycznych dotyczących ochrony fundamentów przed działaniem mrozu, dlatego też sformułowany w normie zapis jest zapisem martwym. Niebezpieczeństwo wystąpienie ujemnych temperatur (przemarzania gruntów) w otoczeniu fundamentów budynków zależy od:

• wskaźnika stopniodni temperatur ujemnych F_d,
• cech termofizycznych gruntu, głównie współczynnika przewodzenia ciepła l otaczającego gruntu,
• głębokości ich posadowienia,
• sposobu użytkowania (eksploatacji) budynku (budynek ogrzewany i nieogrzewany),
• sposobu izolacji cieplnych ściany fundamentowej oraz samych fundamentów (ław fundamentowych).

Warunki posadowienia fundamentów budynków na głębokości 0,5 m

Warunkiem posadowienia fundamentów na głębokości 0,5 m jest wykonanie odpowiedniego ocieplenia fundamentów, które powinno być zaprojektowane na podstawie danych wyjściowych, takich jak: temperatury ujemne, jakie występują na danym obszarze (wskaźnik F_d), rodzaj gruntu, na którym będzie posadowiony fundament (współczynnik λ), oraz sposób użytkowania budynku.

Na podstawie danych ze stacji meteorologicznych IMiGW z lat 1920–2010 ustalono, że w polskich warunkach klimatycznych zima 1962/63 charakteryzowała się największym wskaźnikiem stopniodni temperatur ujemnych (poza terenem górskim), który dla najbardziej mroźnego miasta Polski, tj. Suwałk, wynosił 1156 stopniodni temperatur ujemnych. W kolejnych 50 latach (1964-2014) zimy charakteryzujące się wysokim wskaźnikiem stopniodni temperatur ujemnych F_d wystąpiły w latach 1986/87, 1995/96 oraz 2005/2006. Dla miasta Białystok (jednego z zimniejszych miast Polski) wskaźnik ten wynosił od 600 do około 780 stopniodni temperatur ujemnych.

Wartości współczynników przewodzenia ciepła λ gruntów budowlanych oscylują w granicach od 0,6 do 2,2 W/(m·K) (w zależności głównie od składu mineralogicznego, gęstości i wilgotności).

Obliczenia rozkładu temperatury w gruntach w okolicy fundamentów

Do obliczenia rozkładu temperatury w gruncie w okolicy fundamentów przyjęto ekstremalne warunki gruntowe (współczynnik przewodzenia ciepła λ = 2,0 W/(m·K)) oraz ekstremalne temperatury powietrza zewnętrznego - zima 2005/2006 charakteryzująca się wysokim wskaźnikiem stopniodni temperatur ujemnych o F_d = 790 stopniodni (m. Białystok). Ława fundamentowa została posadowiona na głębokości 0,5 m.

Obliczenia numeryczne rozkładu temperatur w gruncie wykonywano przy pomocy programu numerycznego Heat 2 (dwukierunkowe przewodzenie ciepła), gdzie temperaturę powietrza zewnętrznego przyjęto w funkcji czasu zgodnie z danymi klimatycznymi dla wybranej zimy.

Obliczenia wykonano dla budynków ogrzewanych. Przeanalizowano kilkanaście sposobów docieplenia ścian fundamentowych i fundamentów (ław fundamentowych) polistyrenem ekstrudowanym XPS o współczynniku przewodzenia ciepła l < 0,045 W/(m·K) (zwanym potocznie styropianem ekstrudowanym). Wykonano obliczenia wartości temperatur w wybranych punktach pomiarowych nr 3, 4 oraz 5 (RYS. 1).

Optymalne ocieplenie fundamentów - propozycje

Izolację cieplną wykonano z polistyrenu ekstrudowanego XPS grubości 6 i 8 cm, układając ją nie tylko na ścianach i ławach fundamentowych, ale również w gruncie na określonej głębokości, jak i pod ławą fundamentową.

Po analizie otrzymanych wyników wybrano trzy sposoby ociepleń, w których rozkłady temperatur były najkorzystniejsze.

Na RYS. 8-10 pokazano przykładowe wartości temperatur w pięciu punktach pomiarowych dla trzech wariantów ocieplenia pokazanych na RYS. 2-4.

Jak można zauważyć z zamieszczonych wykresów rozkładu temperatur w poszczególnych punktach wszystkie temperatury w okolicy fundamentów są dodatnie, z wyjątkiem 2-3-dniowego spadku temperatury do ~  –1,0°C w wariancie pokazanym na RYS. 2. Ze względu na krótki okres utrzymywania się temperatury nieznacznie przekraczającej 0°C taki stan nie zagraża konstrukcji.

Najkorzystniejsze rozkłady temperatury (również ze względu na bilans cieplny budynku) są przy ociepleniu fundamentów według schematu pokazano na RYS. 4. Natomiast w przypadku pokazanym na RYS. 3 najniższe temperatury są w punkcie 1 (ale dodatnie). Należy zauważyć, że w tym ostatnim przypadku grubość izolacji termicznej wynosiła tylko 6 cm. Wręcz wskazane jest, choćby ze względu na bilans cieplny budynku, aby grubość ta wynosiła minimum 8 cm.

Podsumowanie i wnioski

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń rozkładu temperatury w gruncie w okolicy fundamentów zweryfikowanych doświadczalnie wyciągnięto następujące wnioski:

• W polskich warunkach klimatycznych głębokość posadowienia fundamentów (jeżeli jest podyktowana tylko przemarzaniem gruntu) możne wynosić mniej niż wynika to z wymagań normowych, gdzie wartość ta podyktowana jest strefą klimatyczną.
• Graniczną wartością głębokości posadawiania fundamentów w budynkach ogrzewanych jest wartość 0,5 m.
• Aby nie narazić konstrukcji na zniszczenie w wyniku przemarzania gruntu, należy zarówno ścianę fundamentową, jak i ławę fundamentową ocieplić polistyrenem ekstrudowanym (lub innym materiałem o podobnych właściwościach) gr. minimum 8 cm.
• W przypadku budynków nieogrzewanych lub częściowo nieogrzewanych bezpiecznej jest fundament zagłębić na głębokość 0,7 m oraz ocieplić ścianę i ławę fundamentową polistyrenem ekstrudowanym gr. minimum 10 cm.
• Optymalnym zabezpieczeniem fundamentu przez ujemnymi temperaturami jest, poza ociepleniem ściany i ławy fundamentowej, wykonanie izolacji cieplnej warstwy gruntu na pewnej głębokości (RYS. 3-4).

Literatura

1. I. Ickiewicz, "Posadowienie fundamentów w funkcji przemarzania gruntów", Rozprawy Naukowe nr 202, PB 2010.
2. I. Ickiewicz, "Wpływ wybranych czynników na rozkład temperatury w gruncie pod budynkiem", V Ogólnopolska Konferencja "Problemy projektowania, realizacji i eksploatacji budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię", Kraków–Zakopane 2000.
3. J. Żurański, "O przemarzaniu gruntów w Polsce", Prace Naukowe, ITB, Warszawa 2017.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!