Mechaniczne mocowanie systemów ocieplania ścian ETICS - oddziaływanie wiatru

O ważności tego zagadnienia autorzy pisali już wcześniej w wydaniach 10/2018 i 2/2019 "IZOLACJI" [1, 2], a niniejszy artykuł stanowi kolejną część cyklu poświęconego istotnym aspektom mocowania ETICS i metodyce postępowania przy posługiwaniu się Kalkulatorem Łączników SSO [3].

Czynniki oddziałujące na ETICS

Systemy ETICS i ich poszczególne elementy składowe w czasie wbudowywania i eksploatacji narażone są na wpływy różnych czynników, związanych z wykonywaniem systemu, oddziaływaniami zewnętrznymi, a także z oddziaływaniami od podłoża i z wnętrza budynku. Najliczniejsze oddziaływania związane są ze środowiskiem zewnętrznym, które wpływa na system zarówno w czasie prowadzenia prac ociepleniowych, jak i w trakcie użytkowania.

Do najważniejszych środowiskowych oddziaływań zewnętrznych należą:

• oddziaływanie wiatru,
• bezpośrednie promieniowanie słoneczne podczerwone i ultrafioletowe,
• zmiany temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego,
• opady deszczu (zwłaszcza zacinającego), powierzchniowa kondensacja pary wodnej albo osadzanie się szadzi,
• zanieczyszczenia atmosferyczne,
• drgania, wstrząsy, oddziaływania parasejsmiczne,
• gradobicie,
• uszkodzenia powodowane przez ptaki oraz mechaniczne uszkodzenia antropogeniczne,
• uderzenia tzw. pocisków powietrznych, czyli przedmiotów przenoszonych przez silny wiatr,
• oddziaływania wyjątkowe, takie jak: woda powodziowa i ogień zewnętrzny.

Druga grupa to oddziaływania wynikające z samego systemu i procesów budowlanych związanych z jego wykonywaniem. Można tu wymienić:

• ciężar własny izolacji termicznej, warstwy zbrojonej siatką oraz tynku nawierzchniowego albo okładziny elewacyjnej,
• docisk łączników do materiału termoizolacyjnego,
• skurcz (zwłaszcza pierwotny skurcz tynków) i pęcznienie materiałów,
• odkształcenia i naprężenia montażowe oraz spiętrzenia naprężeń wynikające z nieciągłości powierzchni ocieplenia (np. przy otworach okiennych i drzwiowych),
• ciężar elementów użytkowych, mocowanych w materiale izolacji cieplnej.

Wreszcie trzecia grupa związana z podłożem ściennym i wpływami środowiska wewnętrznego, do której można zaliczyć:

• odkształcenia murów w wyniku skurczu materiałów, różnicy wartości współczynnika sprężystości w obrębie jednej ściany (stosowanie różnych materiałów murowych), rozszerzalności cieplnej, nierównomiernego osiadania podłoża gruntowego, braku dylatacji konstrukcyjnych,
• odkształcenia konstrukcji budynków wzniesionych w technologii szkieletowej albo panelowej z poszyciem z płyt drewnopochodnych, cementowych albo gipsowych w różnych odmianach,
• przenoszenie wilgoci i przepływ ciepła z wnętrza budynku,
• procesy użytkowe lub produkcyjne w pomieszczeniach wewnętrznych i związane z tym ewentualne oddziaływania dynamiczne i zanieczyszczenia powietrza wydostającego się przez otwory okienne.

Wymienione oddziaływania są bezpośrednio albo pośrednio odpowiedzialne za powstawanie sił i naprężeń działających zarówno na styku poszczególnych elementów systemu, jak i na system traktowany jako całość. Ponadto należy zwrócić uwagę, że niektóre z oddziaływań uwzględniane są na różnych etapach projektowania systemu ETICS w sposób jawny, ale wiele z nich - wraz z błędami wykonawczymi - uwzględnianych jest we współczynnikach bezpieczeństwa.

Wspominając o różnych etapach projektowania systemu, mamy na myśli dwa podstawowe:

• etap projektowania i badań systemu przez producenta, w którym następuje właściwy dobór komponentów systemu zgodnie z obowiązującymi wymaganiami oraz nabytymi doświadczeniami,
• etap doboru systemu (materiału termoizolacyjnego i typu jego montażu, rodzaju warstwy zbrojonej i siatki wzmacniającej, środka gruntującego, tynku elewacyjnego i ewentualnej powłoki malarskiej albo okładziny elewacyjnej) i jego obliczenia projektowe przez projektanta ocieplenia budynku położonego w konkretnej lokalizacji i narażonego na konkretne oddziaływania.

Należy zauważyć, że tylko niektóre z czynników działających na ETICS brane są pod uwagę w procesie właściwego doboru odmiany systemu (warstw w ramach dopuszczalnych i dostępnych rozwiązań) i projektowania zamocowania systemu do podłoża. Z pewnością należy do nich oddziaływanie wiatru w postaci podciśnienia (ssania) występującego na ścianach bocznych i zawietrznej ścianie budynku. Jest to oddziaływanie bezpośrednie, zagrażające stabilności systemu na ocieplanych powierzchniach. Natomiast działanie parcia wiatru (nadciśnienia) na ścianę nawietrzną może być przyczyną wnikania pewnej ilości wody opadowej do wnętrza układu warstw. Jeśli woda ta wraz z wilgocią przenoszoną z podłoża i z wnętrza budynku będzie powodować istotne zawilgocenie materiału termoizolacyjnego i obniżenie jego wytrzymałości mechanicznej, oddziaływanie parcia wiatru może być traktowane jako pośrednio wpływające na stabilność ETICS na przegrodach budowlanych.

Należy podkreślić, że każda ściana budynku wobec zmian kierunku wiatru może raz być ścianą nawietrzną, a innym razem ścianą zawietrzną albo boczną.

Pomijając oddziaływania incydentalne, ogólny model obciążenia ETICS pokazano na RYS. 1 oraz RYS. 2-3.

Okazuje się jednak, że oddziaływania pionowe oraz oddziaływania poziome od wpływów higrotermicznych (cieplno-wilgotnościowych), w przypadku systemów z najczęściej stosowanymi materiałami termoizolacyjnymi (o pomijalnie małym tzw. pęcznieniu grubości) i cienkowarstwowym tynkiem zewnętrznym, są możliwe do uwzględnienia jedynie we współczynniku bezpieczeństwa (właściwie określonym). Stwierdzono bowiem, że wpływy te nie są przyczyną uszkodzeń i awarii ETICS.

Wpływ podciśnienia wiatru na ETICS

Analizując działanie podciśnienia (ssania) wiatru na system ociepleń, należy zwrócić uwagę, że poszczególne elementy składające się na ETICS są ze sobą ściśle powiązane. Oddziaływanie wiatru przekazywane jest przez te elementy i ich połączenia na podłoże, do którego system jest mocowany. W takiej sytuacji mówi się często o łańcuchu obciążenia, którego poszczególne elementy-ogniwa muszą wykazywać odpowiednią nośność. Dotyczy to zatem:

• przyczepności międzywarstwowej tynku nawierzchniowego albo okładziny i warstwy zbrojonej,
• przyczepności kleju do materiału termoizolacyjnego,
• wytrzymałości płyt izolacji cieplnej,
• nośności łączników na wyrywanie z podłoża,
• nośności i sztywności talerzyków łączników mechanicznych,

a także przyczepności kleju do podłoża ściennego, chociaż przyczepność ta nie jest uwzględniana w analizie nośności mocowania mechanicznego z uwagi na oddziaływanie wiatru.

Trzeba tu wyraźnie podkreślić, że obliczeniowe pominięcie roli klejenia termoizolacji do podłoża nie oznacza bynajmniej zbagatelizowania nader istotnej roli spoiny klejowej w całym systemie ETICS mocowanym przy użyciu łączników mechanicznych. Można przypomnieć, że kleje do termoizolacji pełnią zarówno funkcje montażowe, zapobiegając przemieszczaniu się ocieplenia, ograniczając odkształcenia poszczególnych płyt izolacyjnych, służąc częściowemu wyrównaniu podłoża, jak i funkcję konstrukcyjną w fazie eksploatacji systemu ociepleń, przenosząc na podłoże siły styczne pochodzące od ciężaru własnego ocieplenia, a także od wpływów cieplno-wilgotnościowych [2].

Jak podano w poprzednim artykule autorów [2], skuteczność zamocowania mechanicznego ociepleń ściśle zależy od nośności łącznika mechanicznego na wyrywanie z podłoża oraz od nośności systemu ociepleń na przeciąganie przez łącznik. Przy sprawdzaniu nośności łączników mechanicznych na wyrywanie z podłoża, zakłada się, że każdy z nich ma taką samą zdolność do przejęcia oddziaływania wiatru, niezależnie od usytuowania względem krawędzi płyt izolacyjnych. Inaczej jest w przypadku sprawdzenia nośności systemu na przeciąganie przez łącznik. Norma prEN 17237 [6] wyróżnia w tym zakresie trzy sytuacje:

1. położenie łącznika środkowe,
2. położenie łącznika przy krawędzi albo narożu,
3. położenie łącznika w spoinie.

Pokazano to na RYS. 4. W zależności od położenia, nośność na przeciąganie najczęściej jest inna.

Rozróżnienie położenia łączników wprowadzone w normie [6] jest zmianą w stosunku do zasad zawartych w dokumencie ETAG 004 [7], w którym rozpatruje się położenie łącznika w polu płyty i w spoinach.

Biorąc pod uwagę wyżej podane warunki, ogólny wzór na miarodajną nośność obliczeniową zestawu materiałowego określanego jako ETICS można zapisać jako [8]:

albo w postaci ułatwiającej identyfikację składników:

przy czym musi być spełniony warunek

gdzie:

R_d - nośność obliczeniowa z uwagi na oddziaływanie wiatru [kN/m2],

w_e,d - wartość obliczeniowa ssania (podciśnienia) wiatru [kN/m2],

n_a - liczba łączników na m2, umieszczonych w środkowej części płyty izolacji cieplnej [1/m2],

n_j - liczba łączników na m2, umieszczonych w spoinach ("T" oraz "I") między płytami izolacji cieplnej [1/m2],

n_ec - liczba łączników na m2, umieszczonych przy krawędzi/narożu płyty izolacji cieplnej [1/m2],

F_pull out - nośność charakterystyczna łącznika mechanicznego na wyrywanie z podłoża (N_R,k), [kN],

F_k,a - nośność charakterystyczna na przeciąganie pojedynczego łącznika, umieszczonego w środkowej części płyty izolacji cieplnej (Rpanel - wg [7]) [kN],

F_k,j - nośność charakterystyczna na przeciąganie pojedynczego łącznika, umieszczonego w spoinie ("T" albo "I") między płytami izolacji cieplnej (Rjoint - wg [7]) [kN],

F_k,ec - nośność charakterystyczna na przeciąganie pojedynczego łącznika, umieszczonego przy krawędzi/narożu płyty izolacji cieplnej [kN]

γ_m - częściowy współczynnik bezpieczeństwa przy przeciąganiu,

γ_d - częściowy współczynnik bezpieczeństwa przy wyrywaniu.

Zamiast wartości F_k,a (środek) można przyjąć wartość F_k,ec (obrzeże) oraz zamiast wartości F_k,ec lub F_k,a można przyjąć wartość F_k,j (spoina). Rezultat jest w każdym przypadku zachowawczy, a zatem po stronie zwiększenia bezpieczeństwa.

Należy zaznaczyć, że wynik badania na przeciąganie zależy od zastosowanej procedury laboratoryjnej. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, gdy łącznik umieszczony jest w spoinie między płytami [9]. Opracowane nowe procedury badawcze, dające prawdopodobnie mniejsze różnice między nośnościami łączników usytuowanych w różnych miejscach, zostały wprowadzone do nowych dokumentów normalizacyjnych.

Oznaczane wg ETAG 004 [7] wielkości R (R_panel, R_joint) są zgodnie z nowo opracowanymi normami zastąpione przez wielkości F_k. Przykład rozmieszczenia łączników na płycie izolacji termicznej przygotowywanej do badań, pokazano na FOT.

Oprócz wyznaczenia nośności łącznika na wyrywanie i systemu na przeciąganie, niezmiernie istotnym zagadnieniem jest przyjęcie odpowiednich wartości współczynników bezpieczeństwa.

W układach mechanicznych, współczynnik bezpieczeństwa jest wyznaczany jako iloczyn kilku współczynników uwzględniających różne wpływy [10]:

gdzie:

- zależy od rozpoznania właściwości materiału (1,0-1,4), 

- zależy od stopnia poznania charakteru obciążenia i zastosowanej metody analizy naprężeń (1,0-1,7), 

- zależy od tolerancji wymiarowych wyrobu (1,0-1,2), 

- wynika z analizy uszkodzeń/awarii (1,0-1,5), 

- wynika z wymaganego stopnia niezawodności (1,1-1,6).

Jeśli powyższe współczynniki składowe nie uwzględniają jakości montażu, to dodatkowo można przyjąć czynnik:

- zależny od jakości montażu elementów (1,0-1,4).

Wykonując mnożenie wszystkich współczynników składowych, otrzymuje się wartości: minimum - 1,10 oraz maksimum - 9,60.

W przypadku systemów ETICS przy określaniu nośności obliczeniowej na przeciąganie, przyjmuje się mniejszą liczbę współczynników składowych, zakłada się bowiem, że na wartość współczynnika bezpieczeństwa ma wpływ:

• niepewność właściwości materiałów i modelu nośności,
• starzenie,
• ciągliwość (kruche produkty izolacyjne dają mniejszą rezerwę nośności niż produkty ciągliwe).

Zatem współczynnik bezpieczeństwa wyznaczany jest z zależności:

gdzie:

ϒM1 - współczynnik składowy oparty na normie EN 1990 (w zakresie niezawodności),

ϒ1 - współczynnik składowy z względu na starzenie,

ϒ2 - współczynnik składowy ze względu na ciągliwość.

Z uwagi na nieco odmienne właściwości materiałów termoizolacyjnych wykorzystywanych w ETICS, wartość częściowego współczynnika bezpieczeństwa m przy przeciąganiu łącznika przez płytę izolacji termicznej przyjmuje się w zależności od rodzaju materiału termoizolacyjnego. W normie prEN 17237:2018 [6] zamieszczono następujące zapisy dotyczące wartości tego współczynnika:

• korek ekspandowany ICB - wartość deklarowana albo wartość domyślna bez sprawdzania wynosząca 2,0,
• pianka fenolowa PF - wartość deklarowana albo wartość domyślna bez sprawdzania wynosząca 2,0,
• polistyren ekspandowany EPS (styropian) - wartość deklarowana albo wartość domyślna bez sprawdzania wynosząca 1,5,
• polistyren ekstrudowany XPS - wartość deklarowana albo wartość domyślna bez sprawdzania wynosząca 1,5,
• szkło piankowe CG - wartość deklarowana albo wartość domyślna bez sprawdzania wynosząca 1,5,
• sztywna pianka poliuretanowa PU - wartość deklarowana albo wartość domyślna bez sprawdzania wynosząca 1,5,
• wełna mineralna MW - wartość deklarowana (wartość podawana w dokumencie [8] wynosiła 2,0),
• włókno drzewne WF - 1,85.

Jednak w dokumencie [11] wprowadzającym poprawki do normy prEN 17237:2018 [6], nie podano żadnych wartości częściowego współczynnika bezpieczeństwa z uwagi na przeciąganie. Podano natomiast zasady wyznaczania tych wartości na podstawie wyników badań. W tej sytuacji, wartości rozpatrywanego współczynnika powinny być zawarte w dokumentach DoP (deklaracjach właściwości użytkowych).

W przypadku częściowego współczynnika bezpieczeństwa przy wyrywaniu łącznika z podłoża, "krajowa" wartość tego współczynnika nie została podana w polskich przepisach. W tej sytuacji przyjmuje się wartość wynikającą z dokumentu EAD 330196­‑01-0604 [12], tj. wynoszącą 2,0.

Podsumowanie

Intencją autorów niniejszego artykułu jest pokazanie różnorodności czynników, jakie oddziałują na system ociepleń ETICS, oraz sposobu uwzględnienia najbardziej z nich istotnych w proponowanych procedurach obliczeniowych dotyczących zamocowań.

Przyjęte modele oraz współczynniki pomniejszające wartości związane z nośnością, albo innymi słowy odpornością elementów ETICS na oddziaływania, mają na celu pośrednie lub bezpośrednie skompensowanie nawet takich odziaływań, o których wiemy, że mają wpływ na skuteczność zamocowania ocieplenia, ale nie potrafimy dokładnie wyznaczyć ich wpływu. Są to na przykład skutki działania UV, naprężenia termiczne, odziaływania z podłoża, naprężenia wewnątrz materiałów, wpływ ewentualnych lokalnych pożarów itp.

Rzeczą nadrzędną jest zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania ociepleń, również poprzez podkreślenie ważności czynników mających wpływ na to bezpieczeństwo.

Praktyczny sposób obliczania odziaływania wiatru na ściany zewnętrzne budynków oraz wyznaczania liczby łączników mechanicznych przepadających na 1 m2 ocieplenia, zostanie zaprezentowany wraz z przykładami i komentarzami w kolejnych artykułach autorów.

Literatura

1. P. Gaciek, M. Gaczek, M. Garecki, "Sposoby mocowania ociepleń do powierzchni ścian według technologii ETICS", "IZOLACJE" 10/2018, s. 20-22.
2. P. Gaciek, M. Gaczek, M. Garecki, "Mechaniczne mocowanie systemów ocieplania ścian ETICS - podstawowe założenia, cechy i funkcje łączników mechanicznych oraz systemów ociepleń", "IZOLACJE" 2/2019, s.19-24.
3. M. Gaczek, "Kalkulator Łączników SSO", Stowarzyszenie na Rzecz Systemów Ociepleń, 2018, http://www.systemyocieplen.pl/
4. "Gutachterliche Stellungnahme zum Aufbringen von neuen Putzschichten auf bestehende Wärmedämm-Verbundsystem", Sahlmann & Partner GbR, Leipzig 2014.
5. E. Czesielski, F.U. Vogdt, "Schäden an Wärmedämm­‑Verbundsystemen, Schadenfreies Bauen Band 20". Fraunhofer IRB Verlag 2000.
6. prEN 17237:2018, "Thermal insulation products for buildings - External thermal insulation composite systems with renders (ETICS) - Specification".
7. ETAG 004, "Guideline for European Technical Approval of external thermal insulation composite systems with rendering", EOTA 2000, 2011, 2013.
8. CEN/TC 88/WG 18 N 754, "Thermal insulation products for buildings - External thermal insulation composite systems with renders (ETICS) -Specification", TC 88 WI 00088330, 2016.
9. M. Krause, "Ein neues Konzept zum Nachweis der Standsicherheit von Dübelbefestigungen in Wärmedämm-Verbundsystemen (WDVS)", Lehrstuhl Betonbau der Technischen Universität Dortmund - Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen 2010 Dortmunder Modell Bauwesen, Architekt und Ingenieur, Technische Universität Dortmund, Schriftenreihe Betonbau Heft 3, 2010.
10. D.G. Ullman, "The mechanical design process", 4th ed., McGraw-Hill 2010.
11. CEN/TC 88/WG 18 N 996, "Thermal insulation products for buildings - External thermal insulation composite systems with renders (ETICS) -Specification". Revised intermediate document prEN 17237:2018, 2019-03-25.
12. EAD 330196-01-0604, European Assessment Document - "Plastic anchors made of virgin or non-virgin material for fixing of external thermal insulation composite systems with rendering". EOTA, 2017.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!