Projektowanie energooszczędnych systemów mocowań dla fasad wentylowanych

Typowe rozwiązanie materiałowe przegrody składa się z warstwy konstrukcyjnej, termoizolacji, szczeliny wentylującej przegrodę oraz warstwy elewacyjnej mocowanej punktowo do warstwy konstrukcyjnej (RYS. 1). Na warstwy elewacyjne mogą być stosowane bardzo różnorodne materiały, takie jak okładziny drewniane i drewnopochodne, panele aluminiowe, szkło, kamień naturalny, beton GRC, konglomeraty, ceramika, gresy, płyty akrylowo-mineralne PMMA/ATH.

Warstwy okładzinowe w nowoczesnych rozwiązaniach fasad są mocowane do konstrukcji budynku za pomocą rusztu podporowego z profili aluminiowych, ze stali ocynkowanej lub nierdzewnej, a w przypadku stosowania lekkich materiałów elewacyjnych - z impregnowanych łat drewnianych. Bezpośrednio pod płytami znajduje się szczelina wentylująca o grubości od 2 do 4 cm, która połączona jest z powietrzem zewnętrznym. Profile rusztu nośnego mocowane są, najczęściej za pomocą konsol, do warstw konstrukcji budynku.

Kolejną warstwę fasad wentylowanych stanowi warstwa izolacji termicznej, mocowana do podłoża za pomocą łączników mechanicznych lub w połączeniu z mocowaniem techniką klejenia. Izolacja termiczna, wykonywana najczęściej z wełny mineralnej, powinna zostać położona jako ciągła i równomierna warstwa, niezależnie mocowana do ściany nośnej. Podłożem nośnym warstw fasad wentylowanych jest ściana zewnętrzna budynku. Może ona być zrealizowana jako konstrukcja nośna wzniesiona z żelbetu lub jako element wypełniający np. z betonu komórkowego.

Wymagania termiczne stawiane fasadom wentylowanym

Największy udział w bilansie cieplnym budynku mają straty cieplne przez ściany zewnętrzne, dlatego też rozwiązanie materiałowe izolacji termicznej jest ważnym etapem projektowania budynków z fasadami wentylowanymi. Podstawowym kryterium oceny izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych jest określany obliczeniowo współczynnik przenikania ciepła U [W/m2∙K].

Zgodnie z wymaganiami europejskimi [1], również w Polsce w ostatnich latach zostały silnie zaostrzone wymagania co do izolacyjności przegród budynków. Obecnie dopuszczalna wartość współczynnika przenikania ciepła U dla przegród wynosi 0,23 W/(m2∙K). Od 2021 roku wysokość współczynnika przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych nie może przekraczać wartości 0,20 W/(m2∙K) [2].

Przy obliczaniu współczynnika przenikania ciepła fasad wentylowanych nie uwzględnia się warstw zewnętrznych od strony przestrzeni dobrze (silnie) wentylowanej przegrody oraz izolacyjności szczelin wentylacyjnych. Najważniejszą warstwą izolacyjną jest izolacja termiczna, wykonywana najczęściej z wełny mineralnej lub z twardej pianki rezolowej. Izolacje ze styropianu EPS, płyt XPS, płyt z pianki poliuretanowej są dopuszczone do stosowania tylko w przypadku realizacji ścian niepodlegających klasyfikacji pożarowej.

Przy obliczaniu współczynnika przenikania ciepła fasad wentylowanych istotne jest uwzględnienie niejednorodności warstw izolacji termicznej elewacji wentylowanych. Występują one w postaci punktowych mostków termicznych w miejscach zastosowania konsol podpierających konstrukcje wsporcze okładzin elewacyjnych (RYS. 1).

Rozwiązania redukujące wpływ punktowych mostków termicznych dla fasad wentylowanych

Grubość izolacji termicznych w ścianach z fasadami wentylowanymi ma bezpośredni wpływ na przekrój i rozstaw konsol nośnych i podpierających (stabilizujących) podkonstrukcję okładzin elewacyjnych. Typowe materiały do produkcji konsol nośnych to aluminium stopu 6060 T6 oraz stal nierdzewna 1.4301.

Większość oferowanych na rynku budowlanym konsol ma kształt kątownika i służy do jednostronnego mocowania szyn pionowych podkonstrukcji elewacji. Ze względu na dużo wyższą przewodność cieplną aluminium w porównaniu do stali nierdzewnej producenci konsol coraz częściej proponują zastępowanie konsol aluminiowych konsolami ze stali nierdzewnych.

Kolejnym zabiegiem stosowanym w celu obniżenia strat cieplnych jest stosowanie konsol z podkładkami izolacyjnymi, konsol perforowanych, a nawet konsol elementami z tworzyw sztucznych. Przykłady rozwiązań konsol stosowanych do mocowania fasad wentylowanych pokazano na RYS. 2-6.

Wymagania konstrukcyjne dla mocowań fasad wentylowanych

Konsole mocujące fasady wentylowane stanowią jej podstawowy element, przekazujący obciążenia z fasady na konstrukcję budynku. Konsola nośna jest to przegubowe mocowanie szyny pionowej w formie wspornika zakotwionego w wieńcu stropowym.

Podstawowymi obciążeniami przenoszonymi przez konsole nośne są ciężar własny i obciążenie wiatrem. Dodatkowo należy uwzględnić obciążenia termiczne oraz ewentualne obciążenia użytkowe lub wyjątkowe. Do obciążeń użytkowych fasad, zgodnie z normą [3], można zaliczyć napór tłumu oraz lokalne uderzenia ciałem miękkim lub twardym. W przypadku realizacji obiektów narażonych na ataki terrorystyczne wymagane jest także projektowanie fasad odpornych na podmuch powietrza wywołanego eksplozją ładunku wybuchowego (obciążenie wyjątkowe) [4].

W celu doboru odpowiedniego kształtu i przekroju mocowań konsol w fazie projektowania elementów wsporczych fasady należy przeprowadzić szczegółową analizę pracy statycznej tych elementów. W przypadku typowych konsol nośnych krytycznym przekrojem jest węzeł kotwiący konsolę ze względu na lokalną koncentrację naprężeń przy otworze na kołek rozporowy (RYS. 7-8).

Zgodnie z wymaganiami ETAG [5] w przypadku braku możliwości określenia nośności konsol w analizach obliczeniowych w oparciu o obowiązujące normy, dopuszczalne obciążenie i ugięcie konsol powinno być określone na podstawie badań (FOT. 1 i FOT. 2, RYS. 9).

Dla systemowych rozwiązań konstrukcji rusztu każdy z elementów mocujących powinien przejść procedury badawcze zgodne z zapisami Europejskich Ocen Technicznych ETAG. Celem badań jest określenie dopuszczalnych obciążeń konsoli spowodowanych ciężarem własnym okładzin i obciążeniami środowiskowymi (np. parciem lub ssaniem wiatru).

Wpływ rozwiązania mocowania fasad wentylowanych na izolacyjność termiczną przegrody

Przyczyną największych strat cieplnych w fasadach wentylowanych są punktowe mostki termiczne powstające w miejscach przebić termoizolacji przez konsole podpierające ruszt nośny fasady. Układ konstrukcji wsporczej zależy od ciężaru elewacji, rozwiązania mocowania systemowego czy koncepcji architektonicznej konkretnej fasady. Z tych powodów izolacyjność każdej przegrody z fasadą wentylowaną trzeba określać indywidualnie.

Mostki cieplne powstające w konsolach mocujących fasady wentylowane generują zmianę wielkości strumienia cieplnego oraz zmianę wewnętrznej temperatury powierzchni przegrody. Konsole powodują powstawanie trójwymiarowych strumieni ciepła, które powinny być precyzyjnie określone z zastosowaniem szczegółowych metod obliczania komputerowego [6] (RYS. 10).

Trójwymiarowa charakterystyka efektu cieplnego mostka dla fasad wentylowanych wymaga szczegółowego opisu w celu uwzględnienia złożonej geometrii i dużych różnic we właściwościach termofizycznych zastosowanych materiałów.

Zgodnie z normą ISO 10211:2017 [6] efekt punktowych mostków termicznych można obliczać wg wzoru (1):

Uc = U + ΔU  (1)

gdzie:

U - współczynnik przenikania ciepła przegrody bez mostków [W/(m2·K)],

ΔU - poprawka do współczynnika przenikania ciepła uwzględniająca konsole podporowe [W/(m2∙K)].

Zgodnie z [7] w analizach dokładnych poprawka do współczynnika przenikania ciepła uwzględniająca łączniki wyrażona jest wzorem (2):

ΔU_ƒ  = n_ƒ  ·  χ  (2)

gdzie:

n_ƒ - liczba łączników (konsol) przypadających na 1 m2 przegrody,

χ - punktowy współczynnik przenikania ciepła obliczany wg wzoru (3) [6].

χ = L_3D – U_i  ·  A_i,  (3)

gdzie:

L_3D - współczynnik sprzężenia cieplnego otrzymany z obliczenia komponentu 3-D [W/K],

U_i- współczynnik przenikania ciepła komponentu 1-D [W/(m2∙K)],

A_i - pole powierzchni komponentu [m2].

Na podstawie wzoru (2) i wzoru (3) przeprowadza się obliczenia poprawki do współczynnika przenikania ciepła ΔU [W/(m∙K)], uwzględniającej wpływ konsol na izolacyjność termiczną analizowanych ścian. Wyniki przykładowej analizy fasady wentylowanej pokazano na RYS. 11 i RYS. 12.

Analiza została przeprowadzona z użyciem modelu 3D MES dla konkretnego rozwiązania materiałowego fasady, układu i konstrukcji konsol w celu potwierdzenia wyników obliczeń szczegółowo opisanych w [7-9]. Jej rezultatów nie można przenosić na szersze rozwiązania praktyczne, które zawsze wymagają indywidualnej oceny, pozawalają one jednak na określenie podstawowych zasad doboru technik redukujących punktowe mostki termiczne. Analiza miała także na celu określenie rzędu wielkości poprawki do współczynnika przenikania ciepła uwzględniającego różne rozwiązania przegród i konsol podporowych

Na podstawie wyników analiz obliczeniowych punktowych mostków termicznych w fasadach wentylowanych [8] można stwierdzić, że przyrost dodatku do współczynnika przenikania ciepła dla zastosowania konsoli jest większy w przypadku gdy warstwa nośna ściany ma wyższy współczynnik przewodzenia ciepła.

Zastosowanie stali aluminiowej (o współczynniku przewodzenia ciepła 200 W/(m∙K)) jako konsoli stabilizującej powoduje bardzo duże dodatkowe straty cieplne. W przypadku podłoża żelbetowego na granicy żelbetu i materiału termoizolacyjnego temperatura jest znacznie niższa niż w przypadku ściany z betonu komórkowego. Przyczynia się to do intensywniejszej wymiany ciepła. Istotny dla wpływu stosowanych konsol na całkowitą izolacyjność jest ich rozstaw (gęstość mocowania).

Zastosowanie podkładek termicznych daje ograniczony efekt redukcji strumienia cieplnego przepływającego przez przegrodę. Taki zabieg jest najbardziej skuteczny w ścianach żelbetowych. W przypadku konsol stosowanych na warstwach ścian o niższym współczynniku przenikania ciepła (np. z betonu komórkowego) ze względu na niższą różnicę temperatury między podstawą wystającym wspornikiem konsoli ich wpływ może być pomijalny.

Najlepszym rozwiązaniem dla fasad wentylowanych jest zastosowanie niskoprzewodzących tworzyw sztucznych jako materiału dla konsol stabilizujących. Konsole termiczne pozwalają odseparować elementy rusztu konstrukcyjnego fasady od ściany nośnej, znacznie obniżając wpływ mostków termicznych.

Podsumowanie

Analizy obliczeniowe i wyniki badań fasad wentylowanych pozwalają na stwierdzenie, że wpływ punktowych mostków termicznych na izolacyjność przegród z fasadami wentylowanymi jest istotny [7, 9]. Straty cieplne wynikające z niedoszacowania rzeczywistych przepływów ciepła zależne są nie tylko od materiału, kształtu, wymiarów i rozstawu zastosowanych konsol, ale także rozwiązań materiałowych przegrody. Ze względu na indywidualny charakter każdej realizacji mocowania fasad wentylowanych wpływ punktowych mostków termicznych musi być każdorazowo szacowany przez projektanta.

Istotnym parametrem wpływającym na dodatkowe straty cieplne przez fasady wentylowane jest opór cieplny ściany, do której mocowane są konsole. Zwiększenie grubości warstwy izolacji cieplnej nie zawsze wpływa pozytywnie na bezwzględną zmianę wartości dodatku do współczynnika przenikania ciepła (ΔU). W praktyce zwiększenie grubości izolacji powoduje zwiększenie wytężenia konsol i w konsekwencji konieczność zwiększania przekroju konsol. Zastosowanie warstw izolacyjnych o lepszym współczynniku przewodzenia ciepła λ [W/(m∙K)] także powoduje intensyfikację punkowych mostków cieplnych przez konsole i zwiększenie wartości dodatków ΔU.

Tradycyjne rozwiązanie materiałowe konsol aluminiowych i stalowych przy zaostrzonych wymaganiach ochrony cieplnej będą mogły być coraz rzadziej stosowane. Najlepszym sposobem zredukowania mostków cieplnych jest stosowanie fasad wentylowanych na ścianach wypełniających wykonanych z materiałów o wysokim oporze cieplnym oraz stosowanie izolacyjnych konsol z elementami z tworzyw sztucznych.

Literatura

1. European Parliament, Directive 2010/31/EU of the European Parliament of the Council of 19 May 2010 on the Energy Performance of Buildings, 2010.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 (DzU Nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami).
3. PN-EN 1991-1-1:2004, "Oddziaływania na konstrukcje. Oddziaływania ogólne. Ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach".
4. ISO 16933:2006, "Glass in building. Explosion-resistant security glazing. Test and classification for arena air-blast loading".
5. ETAG 034, "Guideline for European technical approval of kits for external wall claddings. Part II: Cladding kits comprising cladding components, associated fixings, subframe and possible insulation layer". Edition 2012.
6. ISO 10211:2017, "Thermal bridges in building construction. Heat flows and surface temperatures. Detailed calculations".
7. A. Ujma, M. Pomada, "Warunki cieplne w obszarze łączników mechanicznych przegród z elewacją wentylowaną", "IZOLACJE" 6/2018.
8. K. Nowak, A. Byrdy, "Effect of mounting brackets on thermal performance of buildings with ventilated façades", "Journal of Building Physics", first published: August 24, 2018; https://doi.org/10.1177/1744259118790759.
9. T.G. Theodosiou, A.G. Tsikaloudaki, K.J. Kontoleon, "Thermal bridging analysis on cladding systems for building façades", "Energy and Buildings" 109/2015, 377-384.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!