Drevené konštrukcie v energeticky pasívnych domoch

Pri prepočte spotreby energie na výstavbu, prevádzku a likvidáciu budovy vzhľadom na produkciu CO₂ má drevo v stavebnej konštrukcii zápornú bilanciu emisií, keďže počas rastu strom pohltí viac škodlivín, ako ich po zabudovaní samotná budova vyprodukuje (1). Drevo tak nezostáva nič dlžné prírodnému prostrediu. Novodobé budovy na báze dreva sú charakteristické nízkou spotrebou energie na vykurovanie. Nízka hodnota energetickej náročnosti drevených konštrukcií sa ešte viac prejaví v porovnaní s ostatnými materiálmi, ak vezmeme do úvahy nízky pomer hmotnosti prvku a jeho únosnosti.

Obalový plášť pre nízkoenergetické drevené stavby

Snahou projektantov je znížiť celkovú energetickú bilanciu budovy už pri návrhu. Ukazuje sa, že najekonomickejším riešením hrubej stavby budovy s nízkou spotrebou energie (popri aplikácii technických zariadení na využitie spätného získavania tepla a slnečnej energie) je práve uplatnenie konštrukcií na báze dreva. Vlastnosti použitých materiálov obalových konštrukcií drevených stavieb dovoľujú na dosiahnutie požadovaných tepelnotechnických vlastností použiť v porovnaní so stavbami na silikátovej báze menšiu hrúbku stien.

Konštrukčné systémy

Konštrukcia takýchto domov môže nadviazať na osvedčené konštrukčné systémy, v ktorých sú použité vertikálne a horizontálne nosné prvky z konštrukčného dreva. Potrebná hrúbka na osadenie izolácie sa dosiahne pomocnými konštrukciami – roštmi prichytenými do stĺpikov stien a krokiev. Ďalší možný spôsob je navrhnúť hlavný nosný systém priamo na potrebnú hrúbku izolácie. Pri požadovanej hrúbke izolácie v rozsahu 300 až 400 mm nemožno použiť rezivo a aplikácia lepeného lamelového dreva je z ekonomických dôvodov neefektívna. A práve pre potrebnú výšku je vhodné po­užiť tenkostenné nosníky.

Ako nosná konštrukcia drevených nízkoenergetických domov (NED) a energeticky pasívnych domov (EPD) prichádza do úvahy:

• drevená rámová konštrukcia,
• stenová konštrukcia z priestorových tvaroviek,
• prefabrikovaná stenová konštrukcia z celostenových dielcov na báze lepeného dreva.

Pri rámovej konštrukcii možno použiť štandardné prvky rámu s dimenziou približne 60/140 mm a s tepelnoizolačnou výplňou. Pre dosiahnutie potrebnej hrúbky sa rám obojstranne oplášti prídavnými vrstvami izolácie – napr. vonkajším kontaktným zatepľovacím systémom a vnútornou inštalačnou vrstvou.

Ďalšou možnosťou je použiť rám zo zložených prierezov – I profilov alebo skriňových profilov so stienkami z OSB dosák. Takéto profily ponúkajú okrem lepšej priestorovej stability jednoduchší spôsob výstavby. Subtílne stienky z OSB značne eliminujú vplyv systémových tepelných mostov. Týmto systémom sa podrobnejšie zaoberáme ďalej.

Keďže vo všetkých prípadoch ide o montované konštrukcie s množstvom stykov, osobitne pri EPD treba venovať zvýšenú pozornosť riešeniu fragmentu i detailov s elimináciou infiltrácie vzduchu. Vzduchotesnosť plášťa možno docieliť fóliami: v koncepcii uzavretého plášťa s použitím parozábrany na vnútornej strane alebo v koncepcii difúzne otvoreného plášťa s parobrzdou alebo jednosmerne priepustnou membránou na vnútornej strane a paropriepustnou veternou zábranou pod odvetranou vonkajšou medzerou. Najčastejšími miestami porúch sú inštalačné prechody, detaily ostenia výplní otvorov a soklová časť steny.

Staticko-konštrukčné riešenie EPD

Pri nosných systémoch, ktoré vzniknú modifikáciou klasickej rámovej alebo panelovej konštrukcie – kde sú nosné prvky, stĺpiky (zvislé konštrukcie), stropnice (vertikálne konštrukcie) a krokvy zhotovené z reziva, prípadne z lepeného lamelového dreva –, sa potrebná hrúbka na umiestnenie izolácie dosiahne spravidla vkladaním sústavy roštov. Zo statického hľadiska rošty nezvyšujú únosnosť nosných prvkov.

Na nosné prvky domov sa môžu použiť tenkostenné nosníky. Aplikácia tenkostenných nosníkov zažíva v poslednom období renesanciu zásluhou priemyselne vyrábaných nosníkov so stenou z dosiek z orientovaných triesok (OSB). Okrem spomenutých dosiek OSB technickej triedy 3 a 4 sa ako steny uplatnia aj tvrdé drevovláknité dosky technickej triedy HB.HLA2 a MBH.LA2. Preglejka sa v súčasnosti do stien nosníkov nepoužíva z ekonomických dôvodov.

Pásnice nosníkov sú z masívneho dreva alebo z konštrukčného lepeného dreva (KVH). Pre rodinné domy sú vhodné prierezy podľa obr. 3. Spoj pásnic so stenou je lepeným spojom. Dutina kazetového nosníka sa priamo vo výrobe môže vyplniť izolačným materiálom. Zo statického hľadiska pri výške 300 mm majú dostatočnú ohybovú tuhosť.

Obr. 2 Konštrukčné detaily obalového plášťa na báze dreva pre pasívne domy. Nosný prvok rámu je zo skriňového profilu (prírezy hrubé 5 cm, opláštené OSB doskou), súčiniteľ prechodu tepla steny U = 0,14 W/(m2.K), súčiniteľ prechodu tepla strechy U = 0,11 W/(m2.K). Hodnoty U, uvedené v obrázkoch, sa vypočítali na základe posúdenia plošných teplotných polí a potvrdili experimentom v laboratóriách oddelenia drevených stavebných konštrukcií TU Zvolen.

Obr. 3 Typické prierezy tenkostenných nosníkov

Návrh tenkostenných nosníkov musí zohľadniť tieto parametre:

• napätie v tlaku v ťažisku pása,
• napätie v ťahu v ťažisku pása,
• napätie v ohybe v krajných vláknach pása,
• napätie v ohybe v krajných vláknach steny,
• napätie v šmyku steny v ťažiskovej osi,
• vydutie steny,
• šmyk v spoji steny pásom,
• klopenie,
• deformácie.

Pri normálových napätiach je rozhodujúca únosnosť pásnice. Hlavne pri menších prierezoch sa môžu výrazne prejaviť chyby dreva, obzvlášť hrče, ktoré prerušujú vlákna. Preto treba vybrať na pásnice rezivo vyššej pevnostnej triedy, prípadne použiť KVH profily. Maximálne tangenciálne napätia rozhodujúce pre návrh vznikajú v neutrálnej osi prierezu a v lepenej škáre medzi pásnicou a stenou. Šmyk v lepenej škáre ovplyvňuje okrem šmykovej pevnosti materiálov aj veľkosť lepenej plochy. Z tohto pohľadu majú väčšiu únosnosť kazetové nosníky, prípadne I nosníky so stenou na celú výšku nosníka. Únosnosť steny v šmyku je daná hrúbkou steny a materiálom. Vydutie steny pri nosníkoch použitých v domoch, kde svetlá výška medzi pásnicami nepresahuje 400 mm pri minimálnej hrúbke steny 8 mm, nie je slabým miestom pri dimenzovaní.

Pri výpočte deformácií treba počítať s dotvarovaním. Klopeniu nosníkov sa musí zabrániť stabilizačnými prvkami v návrhu konštrukčného systému. V miestach pôsobenia osamelých síl sú potrebné výstuhy stien.

Skúsenosti z realizácie

Na obr. 4 je realizovaný pasívny rodinný dom s charakteristickým rezom. Krokvy, stropnice aj stĺpiky v dome boli z kazetových nosníkov prierezov podľa obr. 5. Stena nosníkov je z OSB/3, pásnice z KVH.
Dom sa realizoval z kazetových nosníkov, pretože na rozdiel od I nosníkov pásnica nie je delená alebo oslabená zárezom v tvare V, čo je výhodné z konštrukčných dôvodov pre rozmiestnenie klincových a skrutkových spojov. Vzhľadom na veľké zaťaženie vlastnou tiažou gvýp = 3,1 kNm^-2 (zatrávnená strecha) sa použili na krokvy nosníky s najväčším prierezom typu D. Výhodou kazetových nosníkov, ktorých vnútorný priestor je vyplnený izoláciou, sú relatívne malé tepelné mosty, pretože hrúbka steny je len 8 až 10 mm. Výhodou je aj ľahká manipulácia s nosníkmi, lebo tiaž najväčšieho z nich (bez izolácie v dutine) neprekročila 10 kg/m dĺžky nosníka.

Osadenie krokiev na pomúrnicu sa rea­lizovalo cez drevené kliny, keďže osadenie nie možné bez toho, aby zárezy neoslabili pás. V stropnej konštrukcii v miestach zvýšeného zaťaženia možno ľahko nosníky osadzovať do dvojíc alebo trojíc. Zavetrenie a stabilitu štíhlych nosníkov a stĺpikov zaisťovali stabilizačné nosníčky a zavetrovacie diagonály a plášť z OSB na interiérovej strane stien. Overenie kvality nosníkov sa rea­lizovalo skúškami na šmyk za ohybu v laboratóriách Technickej univerzity vo Zvolene. Výsledky skúšok potvrdili očakávané parametre, pretože porušenie nastalo prekročením šmykovej únosnosti steny v neutrálnej osi. Veľkosť a rozdelenie normálových napätí (obr. 6) po­ukazuje na rezervy v únosnosti prierezu, pretože pri dimenzovaní bol rozhodujúci medzný stav použiteľnosti.

Obr. 5 Kazetové nosníky	Obr. 6 Rozdelenie normálových napätí na stropnici

Realizovaný objekt potvrdil bezproblémové použitie kazetových nosníkov zo statických, konštrukčných a montážnych dôvodov a naznačil alternatívu k nosníkom v tvare I.

Ing. Jozef Štefko, PhD., Ing. Roman Soyka, Technická univerzita vo Zvolene
Foto: Bondora, Roman Soyka

Literatúra:
Šteller, Š.: Drevo – surovina 21. storočia v stavebníctve. Štátny drevársky výskumný ústav Bratislava 2000 (1)
Bell, M. – Lowe, R. J.: Sustainability and the development of an energy efficient housing stock, In.: proceedings of Construction and Building research Conference, University of Salford 1999 (2)