Dziś poruszę temat bardzo mało popularny ale dość istotny z perspektywy projektowania murów skrępowanych (z wtrąceniami słupów żelbetowych) oraz posadowienia na płycie.
Myślę, że wnioski z tekstu będą pomocne do ocalenia skóry architektom.
Wpis opiera się o wiedzę przekazaną w poprzednich artykułach. O podstawie merytorycznej do modelowania mostków termicznych pisałem TU oraz TU.-Zachęcam do uzupełnienia wiedzy
Motywacją do stworzenia tekstu stał się poniższy termogram wykonany u klienta u którego pojawił się w nowiutkim budynku posadowionym na płycie fundamentowej:
Podstawowe założenia normowe
PN-EN ISO 10211:2017-09 Mostki cieplne w konstrukcji budowlanej — Przepływy ciepła i temperatury powierzchni – Obliczenia szczegółowe [Norma 1]
PN-EN ISO 13788:2013-05 Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku – Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowej – Metody obliczania [Norma 2]
PN-EN ISO 13370:2017-09 Cieplne właściwości użytkowe budynków — Przenoszenie ciepła przez grunt — Metody obliczania
Płaszczyzna wycięcia w gruncie wg Normy [1]:
| Usytuowanie płaszczyzn wycięcia w gruncie | ||
| Kierunek | Odległość od elementu centralnego | |
| Cel obliczenia | ||
| Jedynie temperatura powierzchni | Przepływ ciepła i temperatura powierzchni | |
| Odległość w poziomie od przekroju pionowego, wewnątrz budynku | min. 3x grubość ściany | 0,5 x wymiar podłogi |
| Odległość w poziomie od przekroju pionowego, na zewnątrz budynku | min. 3x grubość ściany | 2,5 x szerokość podłogi |
| Odległość w pionie od przekroju poziomego poniżej poziomu gruntu | co najmniej 3m | 2,5 x szerokość podłogi |
Norma wskazuje, że powierzchnie pod gruntem powinny być adiabatyczne. Jeżeli budynek nie jest prostokątem to należy modelować całą bryłę. W normie pojawia się dużo zaleceń w zakresie uproszczenia modelu
Wskazania do przyjmowania temperatury pod gruntem wg Normy [2]:
a) wyznacz średnią roczną temperaturę zewnętrzna ze średnich miesięcznych
b) Wyznaczenie średniej arytmetycznej między średnią miesięczną a średnią roczną w danym roku
c) Przesunięcie wyznaczonych temperatur w pkt. b) o miesiąc do przodu. Jest o średnia temperatura gruntu ok. 2 m pod posadzką (o ile budynek nie jest głębszy)
d) Jeżeli wynik jest niesatysfakcjonujący należy użyć metod dynamicznych opisanych w Normie [3]
Przykład dla Wrocławia:
| Temperatury 2m pod podłogą wg Normy [2], Wrocław | ||||||||||||
| Temperatura średnia powietrza roczna [*C] | 8,15 | |||||||||||
| Miesiąc | Styczeń | Luty | Marzec | Kwiecień | Maj | Czerwiec | Lipiec | Sierpień | Wrzesień | Październik | Listopad | Grudzień |
| Temperatura średnia powietrza miesięczna [*C] | -0,4 | -0,7 | 2,8 | 7,3 | 12,7 | 17,3 | 16 | 17,8 | 13,4 | 8,9 | 3,8 | -1,1 |
| Średnia temp. gruntu ze średniej miesięcznej i rocznej [*C] | 3,88 | 3,73 | 5,48 | 7,73 | 10,43 | 12,73 | 12,08 | 12,98 | 10,78 | 8,53 | 5,98 | 3,53 |
| Przesunięcie średniej temperatury gruntu w przód o miesiąc[*C] | 3,53 | 3,88 | 3,73 | 5,48 | 7,73 | 10,43 | 12,73 | 12,08 | 12,98 | 10,78 | 8,53 | 5,98 |
Należy zwrócić uwagę, że w sprawdzenia należało by dokonać w dwóch miesiącach – kiedy temperatura pod gruntem jest najniższa i temperatura zewnętrzna jest najniższa.
Uwaga ogólna:
Przy obliczaniu strat przez podłogę i wyznaczaniu temperatur średnich posługujemy się danymi średnimi oraz stanem ustabilizowanym (stanem równowagi).
Przykład obliczeń dynamicznych jest TU albo TU .
Stan ustabilizowany w gruncie niestety nie występuję. Dochodzi do bardzo wielu zjawisk, które próbują zmieniać temperaturę tej masy o ogromnej bezwładności cieplnej (stąd przesunięcie miesięczne wg wskazań Normy [2]). Mamy zjawiska takie jak: codziennie zmiany odziaływania słońca i wymiany radiacyjnej z nieboskłonem, deszcze obmywające szkielet gruntu i pierzynkę ze śniegu, który potem może być zdjęty. Mam różna okoliczną zabudowę i zazielenienie. Mamy przemiany fazowe w gruncie i pojawia się nam ciepło utajone związane ze zmiana stanu skupienia wody. Mamy różne zasolenie gruntu i tak przemiana fazowa niekonieczne pojawia się przy 0*C. Mamy zmianę parametrów fizycznych gruntu wraz ze zmianą stanu skupienia wody zawartej. Mamy transport energii przez wody gruntowe i w końcu jest zwykła geotermia. Występują też zmiany w okolicznej zabudowie – pojawią się budynki ogrzewane i są też burzone.
Modelowanie takich zjawisk wiąże się często ze zbyt dużym nakładem a i tak obliczenia będą obarczone błędem. Dlatego raczej próbujemy szacować statycznie.
Krytyka własna założeń normowych
Normy pochodzą z te samej a jednak mam wrażenie, że są niekompatybilne. Parę uwag albo spraw, których ja nie rozumiem. Liczę, że kiedyś zjawi się ktoś kto mi wytłumaczy jak to powinno się robić albo poleci jakąś literature:
a) Jedna norma nakazuje przyjmować głębokość min. 3m pod podłogą, a druga 2m pod podłogą z przyjęciem temperatury granicznej (tam gdzie budynek nie jest zbyt głęboki)
b) Jedna norma sugeruje wartości adiabatyczne w gruncie a druga sugeruje przyjmować temperaturę na głębokości 2m pod podłogą.
c) Przyjęcie warunków adiabatycznych w obliczeniach statycznych prowadzi do pewnego przeszacowania z uwagi na fakt, że Izoterma ok. 0*C przesuwa się głęboko poniżej faktycznej strefy przemarzania
d) Przyjęcie temperatury pod gruntem wg powyższego przykładu wg mnie może prowadzić do niedoszacowania. Izoterma ok. 0*C pojawia się ledwo 30cm pod gruntem gdzie faktycznie ten zasięg wynosi ok. 80-100cm. (kiedyś bawiłem się w próbkowanie aby osiągnąć izotermę 0*C w miejscu wynikającym z badań – ale to nie jest oficjalna metoda)
e) Wariant c) zdaje się być bezpieczniejszy dla projektanta ale wyniki w temperaturach nie mają skrajnych różnic.
f) Obliczenia prowadzi się dla wartości temperaturowych średnich. Wg mnie jeżeli są masywne elementy żelbetowe warto sprawdzić również warunek kondensacji wg starych norm (przy -20*C zew. nie może wystąpić temperatura niższa niż o jeden stopień większa od punktu rosy przy 50-55% wilgotności względnej wewnętrznej. To znaczy ok. 10,7-11,7 *C)
g) Norma daje dużo wskazówek jak uprościć model. Łatwiej jest zbudować skomplikowany model niż przeczytać zalecenia normy…
Wyznaczenie minimalnej temperatury na powierzchni przegrody dla wartości średnic
Dzisiejszy gościmy we Wrocławiu (II strefa klimatyczna) . Wyznaczamy wartość współczynnika Frsi dla wariantu bardziej liberalnego wg norm oraz wg rozporządzenia ministra.
|
Wrocław (II Stefa Klimatyczna) – Konstrukcje masywne |
||||||||||||
| Miesiąc | Styczeń | Luty | Marzec | Kwiecień | Maj | Czerwiec | Lipiec | Sierpień | Wrzesień | Październik | Listopad | Grudzień |
| Śr. Temp. zew. θe [*C] | -0,4 | -0,7 | 2,8 | 7,3 | 12,7 | 17,3 | 16 | 17,8 | 13,4 | 8,9 | 3,8 | -1,1 |
| Śr. wilgotność zewnętrzna φe [-] | 0,84 | 0,86 | 0,78 | 0,72 | 0,73 | 0,74 | 0,74 | 0,72 | 0,78 | 0,83 | 0,88 | 0,87 |
| Śr. Ciśnienie pary zew. Pe [Pa] | 496,17 | 495,53 | 582,43 | 735,95 | 1071,52 | 1460,59 | 1344,79 | 1466,66 | 1198,53 | 945,97 | 705,30 | 484,93 |
| Śr. Ciśnienie pary wew. przy 20*C i Rh50%; Pi [Pa] | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 | 1168,48 |
| Psat (θsi) [Pa] | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 | 1460,59 |
| θsi,min [*C] | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 | 12,62 |
| fRsi [-] | 0,638 | 0,644 | 0,571 | 0,419 | -0,010 | -1,732 | -0,844 | -2,352 | -0,117 | 0,336 | 0,545 | 0,650 |
|
fRsi max = fRsi min [-] |
0,65 |
|||||||||||
| Frsi [-] | θsi, dopuszczalna [°C] przy temp. zew. -1,1°C i wew. 20°C, Rh50% | |
| Frsi wg Rozporządzenia | 0,72 | 14,09 |
| Frsi wg Norm | 0,65 | 12,62 – Wartość bardziej liberalna |
Model 2D
Opis:
Budynek posadowiony na płycie fundamentowej ok. 35 cm pod gruntem. Izolacja na płycie (konstruktor z uwagi na ciężar budynku nie robił izolacji pod płytą). Ściany murowane z popularnej kratówki ceramicznej z trzpieniami żelbetowymi. Po środku jest ściana oddzielająca garaż o projektowanej temperaturze 5*C (chociaż z bilansu energetycznego wyszła by wyższa temperatura w garażu). Obliczenia prowadzone dla miesiąca grudnia we Wrocławiu. Obliczenia prowadzone w różnym wariantach a w pierwszych pominięto opaskę.
Uwaga: kratówka jest materiałem anizotropowym. Powinno przyjąć się różne “lambda” dla różnych kierunków przepływu ciepła. Niestety nie dotarłem do odpowiednich badań. (np. producent bloczków typu Isomur udostępnia taką informację). Obliczenia prowadzone wg założeń normy [1] dla wartości średnich z adiabatą powierzchni w gruncie.
Schemat modelu:
Wariant 1 – Przekrój przez mur bez wtrącenia słupów, efektu narożnika i ekranowania
Warunek Spełniony 16,49>14,09 *C – Jednakże nie uwzględniono efektu narożnika i ekranowania
Wariant 2 – Przekrój w miejscu słupa żelbetowego. Wariant bez opaski i z opaską przeciwysadzinową z 10 cm XPS
14,25>14,09 *C – Warunek spełniony. Brak efektu narożnika 3d i ekranowania
Wariant 3 – Przekrój z opaską przeciwysadzinową ale w narożnik wstawiono szafkę kuchenną 75/65. Wariant z ceramiką i słupem żelbetowym
Ceramika: 13,27*C<14,09 *C – Warunek fris=0,72 niespełniony. Warunek Frsi>0,65 dla ceramiki spełniony. Na żelbecie może pojawić się kondensat.
Temat szafek to osobnę zagadnienia, które wymagało by ode mnie badań.
Wariant 4 – Szafka, opaska, żelbet. Dodano izolację XPS pod płytą
14,48>14,09 *C – Warunek spełniony. Brak efektu narożnika 3D
Model 3 D
Wykonałem mrówczą robotę oraz zrobiłem uproszczony model parteru istniejącego budynku. Starałem się aby model był całościowy i zawierał ciekawe przypadki. Pomieszczenia parterze mają 20 *C a garaż 5*C (chociaż fizycznie może mieć więcej). Wykonano opaskę XPS 10 cm szer. 1m. Starałem się odwzorować dosyć dokładnie detale wraz z pianką wokół okien oraz węgarkami po 3cm na profil. Nie robiłem okien bezprogowych i HST. W porównaniu do poprzedniego modelu w cokole użyłem bloczków typu isomur. Model nie uwzlędnia wielu błędów wykonawczych.
Ciekawe miejsca na modelu:
a) narożnik murowany
b) narożnik ze słupem żelbetowym
c) rdzeń żelbetowy przy oknie
d) okno w narożniku
e) zaniechano izolacji schodów na piętro (schody zamodelowano jako pionowa ściana dla ułatwienia)
f) izolacje ściany garażu wykonano dopiero po posadzkach (posadzka dochodzi do ściany)
Uwagi do modelowania 3D
a) Wydaje się, że model taki da dokładne wyniki. Niestety ograniczenia programu 32 bitowego oraz ograniczenia procesora uniemożliwiły wykonanie bardzo dokładnej siatki MES.
Lepsze wyniki można by uzyska szatkując budynek na mniejsze części. Robię taki model aby mieć wgląd na całość.
b) Profile okienne oczywiście nie są w stanie odwzorować wszystkich detali wszystkich okien…
c) Nie uwzględniałem wariantów z szafkami
| Element | Temperatura min [*C] | Ocena Frsi |
| Słup w środku ściany | 14,31; 14,19 | Spełnia |
| Słup w narożniku | 11,58 | Nie spełnia |
| Mur w środku ściany | 16,26 | Spełnia |
| Słup przy oknie | 14,74; 14,4 | Spełnia |
| Cokół murowany pod oknem narożnym | 14,64 | Spełnia |
| Próg pod oknem murowany | 15,9 | Spełnia |
| Styk z ościeżnica przy murze | 18,83 | Spełnia |
| Styk z ościeżnica przy betonie | 17,73 | Spełnia |
| Styk ściany zew. ze ścianą garażu | 13,79 | Nie spełnia Frsi>0,72 |
| Narożnik wkęsły i styk ze ścianą garazu przy drzwiach | 14,33 | Spełnia |
| Niezaizolowane schody od garażu | 11,18 | Nie spełnia |
| Słup żelbetowy w ścianie garażu | 13,78 | Nie spełnia |
| Narożnik od drzwi | 14,63 i 12,82 | Spełnia i nie (możliwy błąd modelu) |
| Ściana od garażu murowana | 16,01-16,66 | Spełnia |
| Narożnik zew. murowany | 13,8 | Nie spełnia Frsi 0,72 (możliwy błąd modelu) |
| Prostopadłe ściany murowane | 15,35 | Spełnia |
Wnioski:
a) Przy posadowieniu konstrukcji masywnych bez izolacji pod płytą trzeba uważać na mostki termiczne. Dotyczy to zwykłych fundamentów i posadowienia na płycie. Z perspektywy izolacji lepiej robić izolację pod płytą. Z perspektywy konstrukcji – cóż….
b) Konstruktor z architektem powinni uważać aby nie sytuować słupów przy oknach, w narożnikach lub za zabudową kuchenną.
c) należy uważać przy stawianiu szaf na ścianach zewnętrzny lub projektowaniu garderoby.
d) Temat szafek wymaga oddzielnej analizy. Może pojawi się taki artykuł.
e) Analiza 3D jest fajna ale czasochłonna. Z drugiej strony jak deweloperzy sprzedają chałupy za 1,5-2 miliony złotych to może warto aby wydać na specjalistę od modelowania mostków. Pewne rzeczy są potem nienaprawialne.
d) Przy projektowaniu słupów być może trzeba dobierać elementy typu “Schock Sconnex”. Aczkolwiek nie dają one możliwości zachowania ciągłości hydroizolacji.
e) Gazobeton jest znacznie bezpieczniejszy jako mur – ale nie rozwiązuje to kwestii słupów. Być może trzeba ograniczać ich ilość przez zbrojenie muru.
Zajawka do kolejnego artykułu
Gdzie izoterma 0*C najbardziej zbliża się do posadowienia budynku?
(Przekrój 1 m pod gruntem w obliczeniach statycznych)
