Projektowanie i wymiarowanie drenażu na potrzeby odwadniania budynków

*****
W artykule omówiono kwestie projektowania i wymiarowania drenażu. Przedstawiono zasady działania drenażu opaskowego oraz przykładowe rozwiązania systemów odwadniających przyściennych. Podano deklarowane właściwości użytkowe przykładowej maty ochronno-drenującej.

Designing and dimensioning of drainage for building drainage purposes

The article discusses the issues of drainage design and dimensioning. Principles of band drainage operation and several solutions of wall drainage systems were presented. Declared performance properties of a protective and drainage mat are given.
*****

Drenaż jest niezbędny, gdy zabezpieczenie tych elementów przed działaniem wody pod ciśnieniem jest niewystarczające [2, 3]. Minimalne wymagania dotyczące bezpiecznego planowania oraz realizacji systemów drenażowych opisano – w sposób stosunkowo praktyczny i mając na celu bezpieczeństwo funkcjonalne w planowanym okresie użytkowania – w opublikowanej w 1990 r. niemieckiej normie DIN 4095 [4]. Stanowi ona zbiór zasad pomocnych przy planowaniu, wymiarowaniu i wykonywaniu systemów odwadniających wokół, nad oraz pod elementami budynków zagłębionymi w gruncie. Zdefiniowano w niej terminy, podano praktyczne instrukcje budowlane, jak również rozróżniono wersje standardowe oraz specjalne w celu ewentualnego uproszczenia planowania i wykonania [5].

Czytaj też: Balkony i tarasy – uszczelnienie drenażowe a podpłytkowe

Standardowe warunki lokalne opisują wartości odniesienia w TABELI 1, a także wskazują, kiedy należy wziąć pod uwagę przypadek normalny. Jeśli lokalne warunki brzegowe odbiegają od warunków standardowych, drenaż należy zwymiarować hydraulicznie, zgodnie ze specyfikacjami opisanymi w przypadkach szczególnych, w szczególności biorąc pod uwagę faktycznie występujące objętości wody.

Przed przystąpieniem do projektowania systemu odwadniającego należy ustalić warunki brzegowe. Przede wszystkim należy podjąć następujące działania (przeprowadzić następujące badania) [4, 6]:

• Ustalenie obszaru zlewni dla wód spływających do instalacji – wielkość, kształt i konfigurację po-wierzchni zlewni można określić wizualnie; przydatne mogą być dodatkowe działania, takie jak ocena map topograficznych i geologicznych.
  Szczegółowe badania konieczne są w przypadku budynków posadowionych na skarpach oraz w lokalnych zagłębieniach terenu, w przypadku występowania w gruncie wód zaskórnych i/lub artezyjskich, jak również w przypadku budynków o znacznych rozmiarach (przypadki szczególne).
• Określenie warunków gruntowo-wodnych – na podstawie odwiertów geotechnicznych lub odkrywek glebowych.
  Ilość wody gromadzącej się wokół budynków zagłębionych w gruncie zależy od takich aspektów jak wielkość zlewni, nachylenie terenu, uwarstwienie i przepuszczalność gruntu czy ilości opadów atmosferycznych.
  Brak wody w wykopie budowlanym nie może stanowić wskazówki, czy konieczne jest zastosowanie odwadniania terenu wokół budynku.
  Na ilość wody w gruncie wpływają opady deszczu, zimowe i wiosenne roztopy oraz wahania poziomu wód gruntowych – w czasie użytkowania obiektu może ona być znacznie większa niż podczas prowadzenia prac ziemnych. Należy ponadto uwzględnić ewentualny dodatkowy dopływ wody z przylegającego terenu oraz dachów i elewacji sąsiadujących budynków. Należy również ocenić możliwość pogorszenia się warunków gruntowo-wodnych.
• Ustalenie (o ile nie jest znany) składu chemicznego wody gruntowej – agresywna woda może prowadzić do wypłukiwania kamienia wapiennego z elementów konstrukcyjnych, a tym samym do tworzenia się osadów w rurach drenażowych.
• Ustalenie możliwości odprowadzenia wody z instalacji drenarskiej (podłączenia do kolektora kanalizacji deszczowej, wykonania studni chłonnej) – zarówno pod względem technicznym (budowlanym), jak i z uwzględnieniem lokalnych przepisów.
• Ustalenie wpływu drenażu na warunki gruntowo-wodne w bezpośrednim sąsiedztwie budynku – w szczególności wpływu odwodnienia na występującą roślinność oraz czy zmiana warunków nie doprowadzi do powstawania osiadań, które z kolei mogłyby spowodować uszkodzenia w sąsiednich budynkach.

System drenażowy należy uwzględnić w ogólnym planie odwodnienia. Należy rozróżnić systemy odwadniające przy ścianach, na stropach oraz pod posadzkami (RYS. 1, TABELA 1).

W przypadku wykonania warstwy rozsączającej z pospółki o uziarnieniu 0/8 mm lub 0/32 mm, szerokość lub średnica otworów wlotowych w rurach drenażowych może wynosić nie więcej niż 1,2 mm, a powierzchnia wlotu wody co najmniej 20 cm² na metr długości rury. W przypadku zastosowania kruszywa łamanego należy uzgodnić jego przydatność z producentem rur.

Rurę drenażową należy poprowadzić wzdłuż zewnętrznych fundamentów – układanie ciągu drenarskiego na odsadzkach fundamentowych jest generalnie niedozwolone. W przypadku nieregularnych rzutów kondygnacji dopuszczalna jest większa odległość ciągu drenarskiego od fundamentów, o ile zapewnione zostanie przepuszczalne i zabezpieczone przed zanieczyszczeniem drobnymi elementami połączenie pomiędzy pionową warstwą drenującą a rurą drenażową. W najwyższym punkcie ciągu drenarskiego spód rury musi znajdować się co najmniej 0,2 m poniżej górnej krawędzi fundamentu lub najniższej hydroizolacji poziomej. Górna krawędź rury w żadnym przypadku nie może wystawać poza krawędź fundamentu lub izolację poziomą. Wykop pod ciąg drenarski nie może być głębszy niż poziom posadowienia fundamentu – w razie potrzeby należy pogłębić fundamenty lub wykonać wykop pod rurę poza obszarem rozchodzenia się naprężeń od fundamentów.

Rury wyczystne – o minimalnej średnicy nominalnej (ang. diameter nominal) DN 300 – należy instalować w miejscach zmiany kierunku odwodnienia. Odległość między rurami wyczystnymi nie powinna przekraczać 50 m. W celach kontrolnych zamiast rur wyczystnych można zastosować rury kontrolne o średnicy nie mniejszej niż DN 100. Średnica studni zbiorczej nie powinna być mniejsza DN 1000.

Przykładowe rozwiązania systemów odwadniających przyściennych pokazano na RYS. 2–4 – możliwe są inne kombinacje płaskich warstw drenujących, rur drenażowych oraz osłaniających ciąg drenarski warstw filtrujących.

W przypadku systemów odwadniających na stropach zagłębionych w gruncie warstwa drenażowa musi całkowicie pokrywać wszystkie powierzchnie poziome jak również stykające się z gruntem przylegające powierzchnie pionowe (np. attyki, przylegające ściany), natomiast warstwa filtrująca musi chronić ją przed osadzaniem się cząstek gleby (w przypadku geowłóknin, poszczególne pasma należy układać na zakład nie mniejszy niż 0,1 m).

Ilość i rodzaj wpustów odbierających wodę z warstwy drenażowej należy zaprojektować w taki sposób, aby nie dochodziło do spiętrzania się wody w systemie odwadniającym. Na potrzeby kontroli i konserwacji należy zapewnić dostęp do wpustów od góry.

Ciągi drenarskie na stropach zagłębionych w gruncie należy przewidzieć tylko wówczas, gdy zastosowanie wpustów stropowych powodowałoby gromadzenie się wody poza warstwą drenażową. Górna krawędź rur drenażowych nie powinna w takim wypadku wystawać ponad powierzchnię warstwy rozsączającej.

Sposób odwodnienia powierzchni pod warstwami posadzkowymi uzależniony jest od wielkości obszaru zabudowy. Przy powierzchniach do 200 m² można zastosować odwodnienie powierzchniowe bez rur drenażowych. Odprowadzenie wody należy zapewnić np. przez otwory – o odpowiednim przekroju (min. DN 50) i spadku do zewnętrznej rury drenażowej – wykonane w ławach fundamentowych (RYS. 3–4).

Dla powierzchni powyżej 200 m² należy zaplanować odwodnienie powierzchniowe za pośrednictwem rur drenażowych, a w razie potrzeby należy rozmieścić urządzenia sterujące.

Warunkiem skuteczności systemów drenażowych jest odprowadzenie wody z uwzględnieniem najwyższego stanu wody w odbiorniku. Pożądane jest wykonanie przyłącza ze swobodnym spadkiem do otwartego odbiornika (np. studni chłonnej lub kanalizacji deszczowej), czyli w miarę możliwości bez zastosowania pomp. Jeśli pompy okażą się konieczne, należy przewidzieć ich regularną konserwację.

Elementy systemu odwadniającego należy przedstawić w dokumentacji projektowej (RYS. 2–4, TABELA 2) – w tym celu można stosować oznaczenia przedstawione w TABELI 3. W dokumentacji należy umieścić informacje na temat rodzaju materiałów budowlanych, ich umiejscowienia, wymiarów (w tym grubości warstw) oraz ciężaru.

W zależności od ilości wody i warunków lokalnych projekt drenażu może być wykonany w wersji standardowej (przypadek normalny) lub w ramach analizy indywidualnej (przypadek szczególny). W warunkach standardowych ilość wody odprowadzanej przez niemineralne odkształcalne elementy drenujące – tj. prędkość odpływu q’ przed ścianami, względnie q na stropach lub pod warstwami podłogowymi – należy przyjąć zgodnie z wartościami z TABELI 4.

Ilość wody możliwa do odprowadzenia przez warstwy drenujące z niemineralnych elementów odkształcalnych winna być szacowana z uwzględnieniem ich ściśliwości. O ile nie zostaną wykonane dokładniejsze obliczenia, należy przyjąć taką grubość i współczynnik przepuszczalności tych elementów, jakie uzyska się w okresie obciążenia wynoszącym 50 lat – do określenia występujących naprężeń można przyjąć wartości z TABELI 5.

Na rynku materiałów budowlanych dostępny jest szeroki wybór elementów drenujących, np. trójwarstwowe maty ochronno-drenażowe, które umożliwiają funkcjonalne wykonanie systemów odwadniających (FOT. główne).

Ilości wody, które mogą być odprowadzane z tych elementów, muszą być udokumentowane przez producentów elementów świadectwem badań lub deklaracją właściwości użytkowych (TABELA 6). Ilości te należy porównać ze spływem jednostkowym określonym w normie DIN 4095 (TABELA 4).

Przykład 1

Jeśli budynek jest posadowiony na głębokości 2 m w gruncie, mata drenażowa może odprowadzić 3,10 l/(s·m) wody; z drugiej strony – zgodnie z normą DIN 4095 – należy spodziewać się nagromadzenia wody nie większego niż 0,30 l/(s·m). Matę drenażową należy określić jako wystarczającą warstwę drenującą.

W przypadku warstw drenujących wykonanych z mineralnych materiałów budowlanych w normalnym przypadku przyjmuje się wartości zgodnie z TABELĄ 7. Współczynnik przepuszczalności warstw drenujących z betonu wodoprzepuszczalnego musi wynosić co najmniej 4·10–3 m/s.

Na RYS. 5 przedstawiono schemat wykonywania instalacji ­drenażowej w przypadku budynku nowo wznoszonego – w przypadku budynków istniejących podejmowane działania należy dostosować do istniejących warunków, a w razie konieczności uwzględnić działania specjalne (np. podchwycenie istniejących fundamentów).

Jeżeli warunki brzegowe dla normalnego przypadku zgodnie z DIN 4095 nie są spełnione (TABELA 1), system odwadniający należy zwymiarować indywidualnie dla każdego przypadku (specyfikacje wymiarowania dla przypadku standardowego nie mają wówczas zastosowania). Decydujące znaczenie dla wymiarowania systemu odwadniającego ma ilość wody gromadzącej się w gruncie (objętość odpływu).

Norma DIN 4095 rozróżnia trzy grupy naprężeń: niskie, średnie i wysokie – zaklasyfikowanie do jednej z grup stresowych uzależnione jest od istniejących warunków gruntowo-wodnych, jak również ilości wód powierzchniowych pochodzących np. z opadów atmosferycznych (TABELE 8–10).

Dla przypadków niestandardowych natężenie przepływu q’ [l/s·m] w warstwie rozsączającej wynika z grubości warstwy d, jej współczynnika przepuszczalności k oraz spadku hydraulicznego i:

Przy wymiarowaniu warstw przylegających do ściany wartość spadku hydraulicznego należy przyjąć jako i = 1, natomiast w przypadku stropów decydujący jest spadek stropu.

Wymaganą średnicę nominalną rur drenażowych – o przekroju gładkim i karbowanych (chropowatość robocza k_b = 2,0 mm) – można określić np. na podstawie RYS. 6. Aby uniknąć sedymentacji w ciągu drenarskim, prędkość spływu przy pełnym napełnieniu wodą nie powinna być mniejsza niż v = 0,25 m/s.

Przykład 2

W przypadku maksymalnej długości ciągu od najwyższego do najniższego punktu l = 20 m, przy minimalnym spadku i = 0,5%, maksymalny spływ w rurze drenażowej wyniesie:

Wymagana nominalna średnica rury drenażowej to DN 125 (rura gładka) – prędkość przepływu w rurze wyniesie:

Choć norma DIN 4095 jest z powodzeniem stosowana do wymiarowania systemów odwadniających, ma już ponad 30 lat i w niektórych obszarach nie odpowiada już uznanym zasadom inżynierii lądowej. Niemiecki Komitet Normalizacyjny (DIN) uznał zatem za konieczne dokonanie rewizji i przedstawił projekt jej nowelizacji w następującej strukturze [8]:

• DIN 4095-1: Grunt budowlany – Drenaż w celu ochrony elementów budowli. Część 1: Definicje oraz oddziaływanie wody,
• DIN 4095-2: Grunt budowlany – Drenaż w celu ochrony elementów budowli. Część 2: Odprowadzanie wody infiltracyjnej z elementów stykających się z gruntem powyżej przewidywanego poziomu zwierciadła wód gruntowych,
• DIN 4095-3: Grunt budowlany – Drenaż w celu ochrony elementów budowli Część 3: Odprowadzanie wód gruntowych z elementów stykających się z gruntem poniżej projektowego przewidywanego zwierciadła wód gruntowych.

Obecnie procedowany jest projekt E-DIN 4095-1. Najważniejsze zmiany w nim zawarte dotyczą rozróżnienia wpływu wody zawartej w gruncie na elementy budowlane. Według autorów projektu, ze strukturalnego i fizycznego punktu widzenia wymagane są właściwie tylko dwa kryteria:

• W1 – wilgotność gruntu i woda niewywierająca ciśnienia (odpowiada klasom W1-E oraz W4-E zgodnie z DIN 18533 [1]),
• W2 – woda działająca pod ciśnieniem – napierająca lub spiętrzająca się (odpowiada klasom W2-E oraz W3-E wg ww. normy).

W projekcie normy DIN 4095-1 za decydujący uznano wpływ wody na elementy budynków stykające się z gruntem (bez względu na rodzaj jej ewentualnego pochodzenia) – opisano trzy sposoby (z uwzględnieniem warunków brzegowych) oraz zaproponowano trzy nowe klasy oddziaływania wody, wraz z 27 rysunkowymi przykładami ich występowania (RYS. 7):

• W1 – oddziaływanie wilgotnego gruntu oraz wody niespiętrzającej się powyżej zwierciadła wód gruntowych (ZWG),
• W2-S – oddziaływanie spiętrzającej się wody infiltracyjnej powyżej ZWG,
• W2-G – oddziaływanie wód gruntowych poniżej ZWG.

Literatura

1. DIN 18533-1, „Abdichtung von erdberührten Bauteilen – Teil 1: Anforderungen, Planungs- und Ausführungsgrundsätze”.
2. E. Schild, R. Oswald, D. Rogier, H. Schweikert, V. Schnapauff, „Słabe miejsca w budynkach t. III. Piwnice, drenaże”, Arkady, Warszawa 1991.
3. B. Monczyński, „Odwadnianie budynków za pomocą drenażu opaskowego”, „IZOLACJE” 3/2023, s. 144–149.
4. DIN 4095:1990-06, „Baugrund; Dränung zum Schutz baulicher Anlagen; Planung, Bemessung und Ausführung”.
5. J. Weber, C. Hecht, U. Steinert, E. Bromm, „Flankierende Maßnahmen” [w:] J. Weber (red.), „Bauwerksabdichtung in der Altbausanierung: Verfahren und juristische Betrachtungsweise, Springer Vieweg”, Wiesbaden 2018, pp. 645–682.
6. E. Cziesielski, „Planung bituminöser Abdichtungen” [w:] E. Cziesielski (red.), „Lufsky Bauwerksabdichtung”, Teubner, Wiesbaden 2006, pp. 74–154.
7. PN-EN 13252:2016-11, „Geotekstylia i wyroby pokrewne – Właściwości wymagane w odniesieniu do wyrobów stosowanych w systemach drenażowych”.
8. Klingelhöfer G., „Entwurf der neuen E-DIN 4095-1:2023 Baugrund – Dränung zum Schutz baulicher Anlagen. Neue Regelwerke zur Bewertung der Wassereinwirkungen im Baugrund auf erdberührte Bauteile”, „Der Bausachverständige” 1/2023, pp. 31–34.