Właściwości mechaniczne podkonstrukcji elewacji wentylowanych z elementami polimerowymi – propozycje zakresu oceny

Podstawowym elementem każdej elewacji wentylowanej jest podkonstrukcja (FOT. 1). Przenosi ona obciążenia związane z ciężarem okładzin elewacyjnych, masą własną, oddziaływaniem wiatru, zmiennym oddziaływaniem temperatur, niekiedy obciążeniami o charakterze antropogenicznym (kiedy występuje możliwość dewastacji) oraz obciążeniami dodatkowymi (np. roślinności, zawieszonych kamer do obserwacji, rur spustowych). Podkonstrukcja systemów elewacyjnych ma zasadniczy wpływ na bezpieczeństwo użytkowania elewacji wentylowanych.

Właściwości techniczno-użytkowe zestawów wyrobów do wykonywania elewacji wentylowanych objętych Krajowymi lub Europejskimi Ocenami Technicznymi określane są na podstawie EAD 090062-00-0404 [2]. Zgodnie z p. 3 [2] elementy podkonstrukcji (konsole i łaty) mogą być wykonane tylko z trzech rodzajów materiałów: ze stali, aluminium lub drewna.

Ustawodawca przewidział, że podkonstrukcja do elewacji wentylowanych może posiadać oddzielną Krajową lub Europejską Ocenę Techniczną wydaną na podstawie ocen technicznych dokonanych wg EAD 090034-00-0404 [3]. Dokument ten (p. 1.1 [3]) dotyczy wyłącznie metalowych elementów podkonstrukcji.

Zastosowanie metalowych elementów podkonstrukcji wiąże się z ryzykiem występowania mostków termicznych na styku stopki konsoli ze ścianą budynku. W celu uniknięcia mostków termicznych producenci metalowych podkonstrukcji do elewacji wentylowanych stosują różne rozwiązania:

• przekładki z tworzyw sztucznych pod stopkami konsoli (poz. 2 na FOT. 1);
• perforację w konsolach metalowych (FOT. 2).

W ciągu ostatnich pięciu lat na rynku pojawiły się konsole do podkonstrukcji elewacji wentylowanych z wstawkami z polimerów (poz. 3 na FOT. 1, FOT. 2). Wstawka polimerowa ma znacznie niższy od metali (stali i aluminium) współczynnik przewodzenia ciepła i skutecznie przerywa transmisję temperatury [4]. Oprócz tego konsole z zastosowaniem polimerów są lżejsze od konsoli metalowych.

Wśród konsoli do elewacji wentylowanych z elementami polimerowymi można wymienić trzy podstawowe rozwiązania (RYS. 1–3):

• konsole dwuczęściowe, ze stopkami polimerowymi i przednią częścią z metalu (RYS. 1),
• konsole trzyczęściowe ze wstawką polimerową, łączącą metalową stopkę i przednią część konsoli (RYS. 2),
• konsole dwuczęściowe, z przednią częścią wykonaną z polimerów i metalową stopką (RYS. 3).

Metalowe elementy konsoli najczęściej są wtapiane w częściach polimerowych, niekiedy elementy mocowane są mechanicznie (poprzez przelotowe nity, jak na FOT. 3–4).

Obecnie w dostępnych na rynku konsolach stosowane są elementy polimerowe wykonywane z wielu materiałów, posiadających bardzo zróżnicowane cechy techniczno-użytkowe. Spotykane są konsole z zastosowaniem kopolimerów udarowych, terpolimerów akrylonitrylo-butadieno-styrenowych, jak również wkładki z płyt HPL łączonych z częściami metalowymi konsoli przy pomocy nitów (FOT. 3–4).

Wspomniane wcześniej europejskie dokumenty oceny [2, 3] nie obejmują multimateriałowych rozwiązań podkonstrukcji, w tym rozwiązań z zastosowaniem elementów polimerowych. Fakt ten budzi uzasadnione pytania: czy badania, o których mowa w [2, 3] są właściwe i wystarczające do oceny przydatności w budownictwie podkonstrukcji z elementami polimerowymi? Celem artykułu jest wywołanie dyskusji dotyczącej metod badawczych stosowanych do oceny technicznej podkonstrukcji z elementami polimerowymi.

Ocena właściwości mechanicznych podkonstrukcji elewacji wentylowanych z elementami polimerowymi

Metalowe elementy podkonstukcji powinny być oceniane wg zasad określonych w [2, 3]. Najczęściej podczas badań sprawdzane są następujące cechy podkonstrukcji: odporność na oddziaływanie siły pionowej i poziomej, odporność na ścinanie oraz wyrywanie połączenia konsola/łata (dokładne badania zostały przedstawione Czytelnikom w [5, 6]).

W opinii autora badania, o których mowa w [2, 3], mogą być stosowane podczas oceny technicznej podkonstrukcji z zastosowaniem elementów polimerowych, jednak nie uwzględniają w pełni specyfiki pracy omawianych wyrobów i powinny być poszerzone. Dodatkowe badania powinny uwzględniać obciążenia klimatyczne (w tym starzenie) oraz montażowe.

Konieczność sprecyzowania dodatkowych kryteriów oceny przydatności użytkowej oraz rozszerzenia zakresu badań konsoli z zastosowaniem polimerów w stosunku do konsoli monometalowych wynika z ich różnego zachowania podczas montażu, przenoszenia obciążeń mechanicznych, różnej wrażliwości na obciążenia klimatyczne. Konsole z elementami polimerowymi zachowują się inaczej pod obciążeniami mechanicznymi niż metalowe konsole monolityczne. Podczas oddziaływania obciążeń mechanicznych (o zbliżonych wartościach) na konsole o podobnych wymiarach stopki konsoli metalowych zazwyczaj deformują się, a stopki konsoli z polimerów często ulegają gwałtownym zniszczeniom w postaci spękań i wykruszeń (FOT. 5 i FOT. 6).

W wielu przypadkach polimery stosowane w elementach podkonstrukcji są wrażliwe na oddziaływania UV. W przypadku pozostawienia konsoli nieosłoniętych wełną mineralną na ścianie na kilka dni (np. wskutek przerw) właściwości konsoli (odporność na działanie siły poziomej i pionowej) mogą ulec istotnym zmianom.

Podobnie negatywnie mogą oddziaływać na konsole z elementami polimerowymi zmienne temperatury oraz wilgotność. Dlatego w opinii autora zasadne jest sprawdzenie właściwości wytrzymałościowych konsoli po cyklach starzeniowych, polegających na poddawaniu konsoli z polimerami działaniu wielokrotnie powtarzających się cykli wysokich i niskich temperatur, zmian wilgotności i oddziaływaniu UV.

Dla niektórych typów polimerów stosowanych w konsolach cykle starzeniowe nie wpływają w sposób istotny na właściwości mechaniczne wyrobu. Właściwości te ulegają zmianom dopiero w momencie bezpośredniego oddziaływania wysokich lub niskich temperatur na konsole. Fakt ten uzasadnia potrzebę określenia właściwości mechanicznych konsoli w momencie oddziaływania wysokich lub niskich temperatur.

W opinii autora w przypadku konsoli z elementami polimerowymi do pełnej oceny trwałości wyrobu konieczne są badania zmęczeniowe. W trakcie użytkowania konsole poddawane są wielokrotnym powtarzającym się obciążeniom mechanicznym spowodowanymi działaniem wiatru. Badanie powinno być przeprowadzone na całej konsoli, ponieważ obrazuje zachowanie połączeń metali i polimerów. Po oddziaływaniu zmęczeniowym konieczne jest określenie parametrów mechanicznych: odporności na działanie siły pionowej i poziomej.

Konieczne jest sprecyzowanie granicznych zmian w zakresie wytrzymałości konsoli przed badaniami klimatycznymi oraz zmęczeniowymi i po przeprowadzeniu takich badań.
Nierzadko podczas montażu w celu wyrównania płaszczyzny tworzonej przez podkonstrukcję konsole są nieznacznie wyginane lub uderzane młotkiem przez montażystów (FOT. 7).

Oddziaływania tego typu w większości przypadków są niegroźne dla konsoli stalowych, jednak w przypadku konsoli z elementami polimerowymi mogą doprowadzić do ich uszkodzenia (np. pęknięcia). Daje to podstawy do wykonania badań odporności na uderzenie konsoli. Badania tego w opinii autora nie można zastąpić badaniem odporności tworzywa na uderzenia metodą Charpy’ego, ponieważ uderzenia powinny być kierowane nie tylko w polimer, lecz we wszystkie elementy konsoli. W opinii autora w przypadku niewykonywania tego typu badań w kartach technicznych wyrobów powinien widnieć zapis zakazujący uderzeń.

Podsumowanie

Europejskie dokumenty oceny EAD 090062-00-0404 [2] oraz EAD 090034-00-0404 [3] nie obejmują elementów podkonstrukcji do elewacji wentylowanych wykonanych jako połączenie metali i polimerów. Z doświadczenia badawczo-eksperckiego autora wynika, że konsole metalowe oraz z zastosowaniem polimerów mają inne właściwości techniczno-użytkowe: różnią się charakterem zniszczeń, wrażliwością na oddziaływania klimatyczne, zmęczeniowe. Fakty te dają podstawy do postawienia tezy dot. konieczności poszerzenia zakresu badań konsoli z elementami polimerowymi w stosunku do konsoli monometalicznych.

Literatura

1. O. Kopyłow, „Warunki Techniczne Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych. Część B: Roboty wykończeniowe. Zeszyt 14: Elewacje wentylowane”, ITB, 2021.
2. EAD 090062-00-0404, „Kits for external wall claddings mechanically fixed”.
3. EAD 090034-00-0404, „Kit composed by subframe and fixings for fastening cladding and external wall elements”.
4. O. Kopyłow, „Stosowanie elewacji wentylowanych na modernizowanych budynkach”, „IZOLACJE” 2/2018.
5. O. Kopyłow, „Ocena techniczna elewacji wentylowanych według EAD 090062-00-0404”, „IZOLACJE” 3/2020.
6. O. Kopyłow, „Elewacje wentylowane ze stali”, „Inżynier Budownictwa” 6/2020.