Ściana zewnętrzna nośna w budynku jest ważnym ustrojem budowlanym mającym dwa istotne zadania do spełnienia. Jedno to oddzielenie mikroklimatu wnętrza od środowiska zewnętrznego a drugie to przenieść obciążenia budynku na fundament. Jak pokazują przeprowadzone analizy i porównania nie jest łatwo znaleźć optymalne rozwiązanie dla obu tych ważnych i różnych funkcji. Różne wymagania i parametry mikroklimatu wnętrza, bogata oferta rozwiązań materiałowych, czynią zadanie znalezienia optymalnych rozwiązań zadaniem dość złożonym, wymagającym przeprowadzenia szczegółowych analiz i porównań. Pomoc w znalezieniu najlepszego rozwiązania konstrukcyjno-metriałowego zewnętrznej ściany nośnej jest celem niniejszej publikacji. Przedmiotem artykułu są właściwości techniczne różnych typów i rodzajów ścian.
Zakresem porównań objęto ściany zewnętrzne nośne wykonane z elementów drobnowymiarowych jednomateriałowych oraz warstwowe pełne i z pustką powietrzną, jako rozwiązania popularne w budynkach niskich w budownictwie mieszkaniowym i użyteczności publicznej.
Aby jednoznacznie rozumieć stosowane nazewnictwo wprowadzono definicje podstawowych pojęć i tak:
–Zewnętrzna ściana nośna jest ustrojem budowlanym stanowiącym pionową przegrodę oddzielającą środowisko wewnętrzne budynku od zewnętrznego a równocześnie przekazującą obciążenia od ścian wyższych kondygnacji ,stropów , dachu, gruntu wiatru i innych na fundamenty lub pośrednie konstrukcje podpierające.
-Ściana jednomateriałowa to ściana wykonana z elementów drobnowymiarowych z tego samego materiału.
-Ściana jednomateriałowa jednorodna to ściana wykonana z elementów drobnowymiarowych z tego samego materiału z jednego rodzaju elementów murowych na całej grubości muru, połączonych zaprawą murarską.
-Ściana jednomateriałowa niejednorodna to ściana wykonana z elementów z tego samego materiału, ale przeważnie z dwóch rodzajów elementów murowych połączonych zaprawą.
-Ściana warstwowa pełna to ściana składająca się, z co najmniej dwu lub kilku warstw (nie licząc tynków lub warstw fakturowych) z różnych materiałów ściśle przylegających do siebie, przyczym jedne warstwy spełniają funkcję konstrukcyjną a inne termoizolacyjną.
WYMAGANIA STAWIANE ZEWNĘTRZNYM ŚCIANOM NOŚNYM.
Ściana zewnętrzna budynku pracuje na granicy dwóch środowisk, mikroklimatu wnętrza i środowiska atmosferycznego zewnętrznego. W budynkach mieszkalnych oraz w większości pomieszczeń użyteczności publicznej temperatura powietrza wewnętrznego jest jednakowa. Również wilgotność zmienia się niewielkich granicach, dlatego możemy przyjąć, że jest jednakowa. W mieszkaniach w okresie sezonu ogrzewczego wynosi średnio 55%, a w pomieszczeniach biurowych, szkolnych, handlowych i innych o podobnym przeznaczeniu, bez źródeł zawilgocenia, ok. 45%.
W budynkach o innym przeznaczeniu warunki mikroklimatu kształtują się inaczej.(Tab.1.) Np. budynkach inwentarskich wilgotność względna powietrza wynosi najczęściej 80-90% przy stosunkowo niskiej temperaturze. W szerokich granicach, zależnie od rodzaju produkcji zmieniają się temperatury i wilgotność powietrza w budynkach przemysłowych. W pomieszczeniach nie ogrzewanych obniżają się poniżej zera, a w niektórych halach produkcyjnych utrzymują powyżej 250C przy jednoczesnej wysokiej wilgotności względnej.
Środowisko zewnętrzne w naszej strefie klimatycznej charakteryzuje się dużą zmiennością warunków pogodowych. Czynnikiem decydującym w warunkach zimowych jest temperatura powietrza zewnętrznego. Ulega ona dużym wahaniom w okresie całej zimy, a także w ciągu jednej doby. Najzimniejszym miesiącem w Polsce jest zwykle styczeń, przy czym średnie temperatury w tym miesiącu zmieniają się od -1oC nad morzem i na krańcach zachodnich do -6oC w wyższych partiach gór i na wschodzie Polski. W czasie zimy występują często temperatury znacznie niższe. Absolutne minima zanotowane w różnych miejscowościach są następujące: w Siedlcach -41oC, w Zakopanem -37,5oC, w Olecku -36,4oC, w Warszawie -32,6oC, jednak czas ich trwania nie przekraczał kilku godzin.
Do obliczania strat ciepła nie stosuje się ani temperatur minimalnych ani średnich, lecz tzw. temperatury obliczeniowe. W Polsce, podobnie jak w innych krajach wybrano trzy najchłodniejsze okresy pięciodobowe a wyliczoną średnią zaokrąglono w dół do najbliższej liczby parzystej, a Polskę podzielono na pięć stref klimatycznych.
Ściany, a szczególnie ich warstwy zewnętrzne, nagrzewają się do wysokich temperatur w słoneczne dni latem. Nagrzewanie zależy w dużym stopniu od koloru powierzchni zewnętrznej. Materiały w kolorach jasnych, a zwłaszcza białym, pochłaniają znacznie mniej promieniowania słonecznego i dzięki temu mniej nagrzewają się niż materiały w kolorach szarych.
Zależnie od usytuowania materiały warstw przegrody podlegają różnym wahaniom temperatury – największe występują w warstwie zewnętrznej, zaś najmniejsze w warstwie stykającej się z powietrzem wewnętrznym. Największe wahania temperatury występują w warstwie faktury zewnętrznej ułożonej na warstwie ocieplającej.Latem może się ona nagrzać prawie do 800C, a zimą podczas mroźnych nocy ochładza się do około -25oC.Wynikające stąd odkształcenia termiczne ściany, względnie jej warstwy, oblicza się przyjmując odpowiednią różnicę temperatury i współczynnik rozszerzalności liniowej.
Na przegrodę od strony zewnętrznej działa wiatr, co objawia się nie tylko parciem, ale i filtracją powietrza. Filtracją powietrza nazywamy jego przepływ pod wpływem różnicy ciśnień przez ośrodek porowaty lub przez nieszczelności, wąskie szczeliny itp. Z filtracją powietrza przeważnie związany jest przepływ ciepła, jeżeli występuje ona jednocześnie z różnicą temperatur, co zachodzi w okresie zimowym. W porowatych materiałach budowlanych filtracja powietrza działa tak, jakby współczynnik przewodzenia ciepła wzrastał proporcjonalnie do współczynnika filtracji i różnicy ciśnień. Wpływ ten może mieć znaczenie praktyczne przy takich materiałach, jak maty i płyty z wełny szklanej lub mineralnej czy innych o podobnej strukturze. Największy wpływ ilościowy może mieć infiltracja powietrza zewnętrznego przez nieszczelności złącz elementów prefabrykowanych, nieszczelności stolarki itp.
Ściany zewnętrzne powinny skutecznie chronić wnętrze budynku przed zawilgoceniem od opadów deszczu lub śniegu. Nie powinny też utrudniać wysychania wilgoci zarówno z wnętrza budynku jak i samej ściany, zaś w samej przegrodzie nie powinna występować kondensacja pary wodnej. Woda od ukośnych deszczów, względnie innych zjawisk atmosferycznych, powinna spływać po nich bez wnikania w podłoże,co jest możliwe, gdy są one nieprzepuszczalne i nie podciągają wody.
Ściany podlegają głównie obciążeniom ściskającym, pochodzącym od stropów i ścian wyższych kondygnacji. Obciążenia te działają jako równomiernie rozłożone lub skupione ( oparcia belek, słupów, itp.). W przypadku ścian smukłych istotnym może być wyboczenie. Ściany przenoszące obciążenia poziome, na przykład od wiatru, parcia gruntu, ruchu podłoża, wywołanego zjawiskami sejsmicznymi lub parasejsmicznymi, poddane są zginaniu i ścinaniu. Ustroje ścienne pracują przeważnie w złożonym układzie naprężeń, który odpowiada ściskaniu mimośrodowemu i ścinaniu.
Ściany, podobnie jak inne konstrukcje, doznają przemieszczeń i odkształceń spowodowanych różnymi przyczynami. Mogą to być siły zewnętrzne działające na ścianę, naprężenia wewnętrzne powstałe na skutek zmian temperatury, wilgotności lub procesów fizyko-chemicznych zachodzących w czasie, zmiany warunków gruntowo-wodnych, oddziaływanie fal dynamicznych i in. Wielkości odkształceń zależą nie tylko od wielkości przyczyn, ale od wytrzymałości konstrukcji i jakości jej wykonania.
Nośność ściany zależy od cech wytrzymałościowych materiałów, z których została wykonana. W przypadku ściany wykonanej z elementów murowych powiązanych wzajemnie zaprawą murarską nośność jej zależy od:
– wytrzymałości elementów murowych,
– wytrzymałości zaprawy,
– rodzaju wiązania muru,
– kształtu i rozmiarów elementów murowych,
– kształtu i rozmiarów muru oraz warunków podparcia.
Wznosząc coraz to wyższe budynki, musimy liczyć się ze wzrostem obciążeń na ściany niższych kondygnacji. Efektywność konstrukcji ze ścianami nośnymi kończy się na ok. 10-ciu kondygnacjach. Najwyższe budynki ze ścianami nośnymi z cegieł liczą sześć kondygnacji.
Zwiększając nośność ściany musimy zwiększyć powierzchnię przekroju poprzecznego, co sprowadzi się do jej pogrubienia. Możemy wybrać inny wariant – mocniejszy materiał, ale wytrzymałe materiały, to ciężkie materiały. Można, zatem powiedzieć, że ciężar ściany zależy od grubości ściany i rodzaju stosowanego materiału.(Tab.2.) Pogrubiając ściany zmniejszamy powierzchnię użytkową budynku, albo zwiększamy powierzchnię zabudowy.
Izolacyjność cieplna przegród zewnętrznych, odpowiadająca wymaganiom użytkowym, jest przeważnie określana przez odpowiednie przepisy. W niektórych krajach podawane są wymagane minimalne wartości oporu cieplnego, natomiast w Polsce określane są maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła przez przegrodę oznaczanego jako U [ W/(m2.K)]. Przy określaniu tych wymagań bierze się pod uwagę ilość ciepła traconego przez przegrody w sezonie ogrzewczym oraz konieczność utrzymania na powierzchni wewnętrznej temperatury wyższej od punktu rosy przy obliczeniowych temperaturach i wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniach. Nie można przy tym ograniczyć się tylko do określenia średniej temperatury na powierzchni, ale trzeba uwzględnić jej spadki w nie korzystnych miejscach, jak mostki termiczne i naroża.
Wykraplanie się pary wodnej powierzchni przegrody jest nie dopuszczalne, za wyjątkiem pomieszczeń o bardzo dużej wilgotności. Niebezpieczeństwo pojawienia się kondensatu na powierzchni wewnętrznej przegrody wzrasta ze wzrostem wilgotności względnej powietrza, dlatego ściany pomieszczeń wilgotnych powinny mieć większą izolacyjność cieplną od pomieszczeń suchych.
Omawiając problemy izolacyjności cieplnej przegród, należy zwrócić uwagę na problem ich stateczności cieplnej. Jest on dość istotny w pomieszczeniach nie klimatyzowanych, których w Polsce jest większość. Przez stateczność cieplną pomieszczeń rozumie się zdolność samoistnego utrzymywania w nich stałej lub zmieniającej się w dopuszczalnych granicach temperatury, w czasie zjawisk cieplnych oddziałujących na te pomieszczenia. Zależy ona od pojemności cieplnej ściany a ta z kolei od pojemności cieplnej materiałów, z których została wykonana. W ścianach jednorodnych stateczność cieplna ( szybkość zmniejszania się ilości ciepła zakumulowanego) zależy od średniej temperatury ściany, temperatury powietrza zewnętrznego, współczynnika przenikania ciepła ściany i jej grubości.
Poprawnie zaprojektowana ściana, której konstrukcja (układ warstw i materiały) została dobrana odpowiednio do ciśnienia cząstkowego pary wodnej w pomieszczeniu, powinna być zabezpieczona przed wykraplaniem się pary wodnej w je wnętrzu. Niewielkie jej ilości gromadzące się w czasie eksploatacji w okresie jesienno-zimowym powinny wyschnąć w okresie letnim. Konstrukcja ściany i zastosowane w niej materiały, powinny zapewniać jej wysychanie z wilgoci technologicznej (powstającej w czasie budowy) oraz z wilgoci eksploatacyjnej. W ścianach warstwowych nie zaleca się umieszczania warstw długo utrzymujących wilgoć między dwiema warstwami szczelnymi. Może on być osłonięty warstwą szczelną tylko z jednej strony. Na ścianach z pustaków ceramicznych nie należy wykonywać szczelnej (nieprzepuszczającej pary wodnej) faktury zewnętrznej.
Izolacyjność akustyczna poszczególnych typów ścian jest cechą mało poznaną wskutek niewielkiej liczby badań w tym zakresie. Badaniom poddano określone rozwiązania ścian a liczba badań nie pozwala na wyciąganie uogólniających wniosków. Wymagania w zakresie izolacyjności akustycznej ścian i stropów w budynkach są określane:
– dla dźwięków powietrznych ważonym wskaźnikiem izolacyjności akustycznej właściwej przybliżonej R’w
– dla dźwięków uderzeniowych ważonym wskaźnikiem poziomu uderzeniowego znormalizowanego przybliżonego L’n,w.
Polskie wymagania dotyczące izolacyjności akustycznej przegród wewnętrznych i zewnętrznych w budynkach mieszkalnych oraz użyteczności publicznej określone są normami i tam należy szukać wymaganych wielkości. Izolacyjność akustyczna ścian jednorodnych i warstwowych, według ogólnie znanej właściwości, zależna jest od masy metra kwadratowego przegrody. Zależność ta jest w przybliżeniu wprost proporcjonalna. Wyjątek stanowią przegrody z zastosowaniem materiałów izolacyjnych lub zawierające specjalne ekrany akustyczne. W przypadku ceramicznych wyrobów drążonych, w szczególności pustaków z drążeniami szczelinowymi, izolacyjność akustyczna zależy od usytuowania drążeń w stosunku do kierunku przenikania fal akustycznych.
Ściany zewnętrzne budynków z uwagi na wymaganą nośność i izolacyjność cieplną, są ścianami o stosunkowo dużej masie, co najczęściej zapewnia także wymaganą izolacyjność akustyczną, niezależnie od zastosowanych materiałów.
Stopień odporności ogniowej poszczególnych elementów budowli, w tym i ścian zewnętrznych, jest oceniany indywidualnie i przyjmowany do projektowania na podstawie odpowiednich przepisów, a dla nowych materiałów i konstrukcji jest podawany w świadectwach dopuszczenia do stosowania. Wyroby ceramiczne, wapienno-piaskowe i betonowe mają dobrą odporność ogniową, dlatego są stosowane do wykonywania ustrojów budowlanych ogniotrwałych. Na przykład mury ogniochronne wykonuje się z reguły z materiałów ceramicznych, osłona z ceramiki znacznie poprawia odporność ogniową ściany warstwowej.Po pożarze ustroje z osłonowymi warstwami ceramicznymi wykazywały przydatność do dalszej eksploatacji.
Aby zabezpieczyć ściany przed wpływami atmosferycznymi oraz nadać im estetyczny wygląd wykonuje się na ich powierzchni zewnętrznej warstwy fakturowe. Warstwy te wpływają w bardzo dużym stopniu na stan wilgotnościowy ścian, ale za ich pomocą można kształtować wygląd elewacji budynku. Zależy to od zabarwienia masy tynkarskiej, sposobu jej ułożenia i wykończenia powierzchni. Do niedawna jednym z najczęściej stosowanych sposobów wykończenia były tynki cementowo-wapienne. Dzisiaj szerokie zastosowanie znajdują cienkie wyprawy tynkarskie z dyspersji wodnych polimerów. Zaletą tych mas jest duża jednorodność, szybkość wysychania, skuteczne zabezpieczenie powierzchni przed zawilgoceniem dzięki właściwościom hydrofobowym, oraz szeroki asortyment kolorów i sposobów wykończenia powierzchni. Sposobem estetycznego wykończenia powierzchni jest też wykonanie tzw.licówki lub okładziny. Na okładziny stosuje się takie materiały, jak kamienie naturalne, ceramika, szkło, blacha aluminiowa, tworzywa sztuczne itp. Ich zaletą musi być odporność na wpływy atmosferyczne.
Po omówieniu warunków, w jakich pracują ściany zewnętrzne nośne i wynikających stąd wymaganiach, należy rozpatrzyć aspekty ich trwałości, zdrowotności i oddziaływania na środowisko czy idąc dalej, strategii zrównoważonego budownictwa. W uproszczonym pojęciu, jest ona rozumiana jako minimalizacja zużycia energii i surowców w okresie powstawania i istnienia budynku oraz minimalizacji wszystkich oddziaływań na środowisko. Trwałość budynku, w tym i ściany, wynika z założonego okresu użytkowania obiektu –planowanego okresu istnienia, co decyduje o przyjętych rozwiązaniach materiałowych w tym o tzw. ,,projektowaniu na trwałość’’. Aspekty zdrowotne – wpływ na zdrowie użytkowników, istotne z uwagi na zainteresowania społeczne, powinny wymuszać stosowanie tylko materiałów zadowalająco bezpiecznych. Zainteresowanie użytkowników koncentruje się na następujących problemach:
-emisja substancji z materiałów budowlanych do wnętrza budynku,
-podatność na rozwój pleśni i grzybów wewnątrz i na powierzchni materiałów,
-przenikalność radonu emitowanego z podłoża
-wydzielanie niebezpiecznych gazów w wypadku pożaru.
Projektując i wykonując ścianę należy też brać pod uwagę możliwość dokonywania w trakcie użytkowania zmian nie tylko ze względów funkcjonalnych, ale również z uwagi na zmiany wyglądu czy kolorystyki elewacji.
PODZIAŁ, TYPY I RODZAJE ŚCIAN ZEWNĘTRZNYCH NOŚNYCH.
Podział ścian zewnętrznych nośnych może być dokonywany ze względu na usytuowanie, pracę statyczną,, izolacyjność termiczną i akustyczną oraz sposób wykowania i zastosowane materiały. Ściany te odznaczają się dużą różnorodnością pod względem stosowanych materiałów, konstrukcji oraz masy. Z uwagi na specyfikę wybranej grupy ścian, dokonamy ich podziału na jednomateriałowe i warstwowe.
Z uwagi na sposób i technologię wykonania ściany możemy podzielić na:
– wykonane z elementów drobnowymiarowych (cegła i pustaki ceramiczne, wyroby wapienno-piaskowe, bloczki gazobetonowe itp.),
-monolityczne (beton zwykły, beton lekki kruszynowy itp.)
– prefabrykowane (wielki blok, wielka płyta itp.).
W budownictwie mieszkaniowym, użyteczności publicznej i podobnym, w zabudowie niskiej, dominują ściany wykonywane z różnorodnych elementów drobnowymiarowych i nim też poświęcimy więcej uwagi. Z kolei, z tej grupy ścian, do dalszych porównań wybierzemy ściany jednomateriałowe jednorodne i ściany warstwowe pełne oraz ściany warstwowe szczelinowe.
Ściany jednomateriałowe jednorodne mogą być wykonywane z cegieł ceramicznych, pustaków ceramicznych, bloczków gazobetonowych, cegieł wapienno-piaskowych, bloków wapienno-piaskowych drążonych itp. Wymienione materiały, z uwagi na dużą wytrzymałość na ściskanie, mogą być stosowane w ścianach nośnych i samonośnych a przy wystarczającej izolacyjności cieplnej w ścianach zewnętrznych.
Ściany jednomateriałowe niejednorodne (mieszane), to ściany wykonane z różnych materiałów przy zachowaniu pełnego jej przekroju pracującego. Przykładem mogą być ściany z cegieł ceramicznych np. kratówka, dziurawka, sitówka itp. przewiązanych z elewacyjnymi elementami murowymi, jak: cegła wapienno-piaskowa, blok drążony wapienno-piaskowy, czy cegła klinkierowa. Cegły przeznaczone na elewacje bywają poddawane specjalnym obróbkom w celu poprawienia ich wyglądu. Płaszczyzny elewacyjne cegieł są reliefowane, piaskowane, nakrapiane, poszarpane lub posypywane, np. opiłkami metalowymi a następnie wypalane, by otrzymać powierzchnie barwne stosuje się różne mieszanki surowców i pigmentów. Bardzo dobre efekty można otrzymywać stosując cegły wapienno- piaskowe o specjalnie przygotowanych powierzchniach, czy barwione.
Ściany warstwowe składają się z dwóch lub więcej warstw, przy czym jedne warstwy spełniają tylko funkcję konstrukcyjną, a inne tylko termoizolacyjną. Przy poprawnym rozwiązaniu materiałowym, takie rozdzielenie funkcji czyni ściany warstwowe lżejszymi od ścian jednomateriałowych, mają też lepszą izolacyjność cieplną przy stosunkowo małej grubości, co osiąga się przez ocieplenie ich efektywnymi materiałami izolacyjnymi.
Przy zaostrzonych w ostatnich latach wymaganiach ochrony cieplnej budynków coraz więcej wznosi się ścian zewnętrznych o konstrukcji szczelinowej. Niektórych krajach, np. w Anglii, ten rodzaj ścian stał się powszechny w budownictwie mieszkaniowym i ogólnym.
Taka konstrukcja ściany umożliwia uzyskanie korzystnego współczynnika przenikania ciepła U, gdyż o jego wartości decyduje głównie materiał termoizolacyjny. W ścianie szczelinowej warstwa wewnętrzna jest nośną, a zewnętrzna jest ścianką elewacyjną.
Jak już wspomniano, właściwości ścian jednomateriałowych zależą od rodzaju użytego materiału, natomiast w ścianach warstwowych wpływ ma ponad to kolejność warstw. Przy różnym ich układzie można otrzymać te same współczynniki przenikania ciepła U, podczas gdy pozostałe właściwości będą inne. Zależy to przede wszystkim od tego, czy warstwa ocieplająca jest usytuowana od strony wewnętrznej czy zewnętrznej. Przy ustalonym przepływie ciepła, rozkład temperatury w ich przekroju poprzecznym będzie różny, natomiast ich temperatury na powierzchni wewnętrznej będą jednakowe. Przy ociepleniu od zewnątrz strefa przemarzania sięga płytko, dzięki temu prawie cały przekrój znajduje się w temperaturze dodatniej. Odwrotna sytuacja jest wówczas, gdy ocieplenie jest od wewnątrz. Taki nie korzystny rozkład temperatur nie pozostaje bez wpływu na proces kondensacji pary wodnej w przegrodzie. Ściana ocieplona od zewnątrz ma też większą stateczność cieplną. Przeważnie duża pojemność cieplna warstwy nośnej, łagodzi spadki temperatur w czasie przerw w ogrzewaniu w okresie zimy oraz opóźnia przegrzewanie pomieszczeń podczas upałów latem.
W przypadku gdy na warstwę zewnętrzną osłaniającą warstwy izolacyjne zastosujemy materiały całkowicie nieprzepuszczalne dla pary wodnej,(szkło, blacha, płyty PCW itp.) aby zapobiec jej wykraplaniu się, trzeba pod taką okładziną wykonać szczelinę powietrzną wentylowaną.
MATERIAŁY ŚCIENNE I MOŻLIWE ROZWIĄZANIA MATERIAŁOWE.
Omawiając aktualnie stosowane materiały ścienne zajmiemy się kolejno: betonami komórkowymi, materiałami ceramicznymi i wapienno-piaskowymi, pustakami z betonu oraz materiałami izolacji termicznej, to znaczy tymi, które w głównej mierze kształtują jej właściwości.
Beton komórkowy posiada właściwości, które czynią go przydatnym do zastosowania w ścianach zewnętrznych. Jest materiałem, który stosować można na ściany jednorodne jak i na warstwowe, szczególnie przy zastosowaniu jego cięższych i wytrzymalszych odmian.
Podstawowy asortyment wytwórni betonów komórkowych stanowią ścienne elementy drobnowymiarowe; bloczki lub płytki. Bloczki to elementy o zmiennych wymiarach, grubości od 18 cm do 36 cm, zmieniającej się, co 6 cm. Płytki mają grubość 12 lub 6 cm. Długość bloczków i płytek wynosi 59 lub 49 cm. Wysokość bloczków i płytek jest stała wynosi 24 cm. Wytwórnie mogą produkować elementy drobnowymiarowe o innych wymiarach, w zależności od grubości, izolacyjności cieplnej ściany, czy innych parametrów projektowanej ściany. Wykorzystując płytki i bloczki można murować ściany o różnych grubościach, np. grubości 42cm stosując bloczek 30 cm i płytkę 12 cm. Bloczki i płytki różnią się też odmianą i marką betonu komórkowego. Odmiana określa gęstość objętościową a marka wytrzymałość na ściskanie betonu komórkowego.
Oprócz elementów drobnowymiarowych, do wykonywania ścian mogą być stosowane elementy zbrojone z betonu komórkowego: są to dyle i płyty ścienne scalone z dyli produkowane głównie na zamówienie.
Producenci ceramiki budowlanej oferują bogaty asortyment materiałów ściennych, które zależnie od kształtu i przeznaczenia można podzielić na następujące grupy wyrobów: konstrukcyjne w tym kształtki elewacyjne i licowe, konstrukcyjno- osłonowe, osłonowe, do ścianek działowych i prefabrykatów ściennych ceramiczno-betonowych.
Do grupy ceramicznych wyrobów ściennych konstrukcyjnych zalicza się cegły ceramiczne pełne i drążone o dużej wytrzymałości, w których objętość drążeń dochodzi do 25%, a także murowe kształtki elewacyjne i licowe. Wspólną cechą materiałów tej grupy jest ich duża gęstość objętościowa, niewielkie wymiary i przeważnie mała izolacyjność cieplna. Objętość ich przeważnie nie przekracza czterokrotnej objętości cegły zwykłej, której wymiary wynoszą: 65*120*250 mm. Niektóre wyroby tej grupy charakteryzują się dużą odpornością na działanie kwasów i zasad. Do grupy tej zaliczamy:
- Cegła ceramiczna pełna,
- Cegła klinkierowa,
- Cegła kanalizacyjna,
- Cegła i kształtki ceramiczne licowe,
- Klinkier drogowy,
- Pustak ceramiczny ścienny PS.
Ceramiczne ścienne wyroby konstrukcyjno-osłonowe są kształtkami – cegłami lub pustakami – z drążeniami przeważnie szczelinowymi, w których objętość drążeń wynosi 25 – 50%, przy czym w większości wyrobów objętość drążeń bliższa jest górnej granicy. Przeznaczone są one do wykonywania konstrukcji murowych przy zachowaniu pionowego położenia drążeń pustaków w murze. Przeważnie wyroby te są znacznie większe od wyrobów konstrukcyjnych, nawet do 20 j.c. Cechują się stosunkowo dużą wytrzymałością przy dobrej izolacyjności cieplnej a ich gęstość objętościowa jest mniejsza od gęstości objętościowej wyrobów konstrukcyjnych. Do tej grupy wyrobów należą: cegły kratówki, pustaki szczelinowe różnych typów i systemów. W celu dalszej poprawy izolacyjności cieplnej wyrobów w czasie ich wytwarzania stosuje się dodatki, które w procesie wypalania spalają się wydzielając gaz, który poryzuje czerep wyrobu. Takie wyroby mają jeszcze lepszą izolacyjność cieplną, ale pogorszoną wytrzymałość.
Ceramiczne ścienne wyroby osłonowe to prostopadłościenne kształtki, w których drążenia zajmują 40 – 60% objętości, są większe i szersze. Układane są w murze drążeniami pionowo, takie ułożenie drążeń i znaczna ich objętość powodują obniżenie wytrzymałości, zaś duże drążenia mogą być powodem spadku izolacyjności cieplnej.
Na rynku można spotkać ścienne pustaki ceramiczne poryzowane o wymiarach tak dobranych by ściana była jednorodna o grubości odpowiedniej dla żądanego współczynnika przenikania ciepła U. Spoiny pionowe poprzeczne mają połączenie (przeważnie pióro-wpust), które pozwala murować na pustą spoinę. Przy dużych wymiarach poprzecznych pustaka wypełnianie jej zaprawą jest uciążliwe. Dla grubości ściany jednorodnej wynoszącej 44 cm, wykonanej z pustaków poryzowanych, współczynnik U=0,31W/(m2K), a przy grubości równej 30 cm, U=0,68W/(m2/K).
Wapienno-piaskowe materiały ścienne to cegły pełne lub bloki drążone z okrągłymi lub owalnymi drążeniami, produkowane z piasku i wapna przez prasowanie i autoklawizację. W zależności od kształtu i wymiarów dzielimy je na cegły pełne i bloki drążone. Z tego tworzywa są produkowane także kształtki i elementy o specjalnym przeznaczeniu, np. płytki okładzinowe czy kształtki elewacyjne. Wyroby te są ciężkie, ich gęstość objętościowa dla cegieły pełnej wynosi 1900kg/m3, dla bloków drążonych 1450kg/m3. Są nieodporne na wodę i wpływy atmosferyczne, mają duży współczynnik przewodności cieplnej wynoszący ok. 1,00W/(m.K). Przy takich właściwościach, dzięki dobrej wytrzymałości na ściskanie stosowane są na ściany nośne, lub na warstwę nośną w ścianach warstwowych.
Z tworzywa wapienno-piaskowego mogą być produkowane płytki okładzinowe różnych typów, jak galanteria budowlana do elementów dekoracyjnych, czy małej architektury. Wytwarzane są też elementy barwione, co rozszerzyło możliwości zastosowań tych wyrobów. Są to jednak zastosowania drugorzędne i zostaną pominięte.
Do łączenia elementów ściennych, wyprawiania ścian, stosuje się różnorakie zaprawy budowlane. Ich przydatność do różnorodnych zastosowań określana jest na podstawie właściwości w stanie świeżo zarobionym oraz po związaniu i stwardnieniu. Do właściwości zapraw świeżo zarobionych należą: konsystencja, zdolność do utrzymywania i wydzielania wody, podatność do segregacji, skurcz w czasie twardnienia itp. W stanie stwardniałym ważnymi cechami są: wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie, przyczepność do podłoża, gęstość objętościowa, nasiąkliwość, mrozoodporność, przewodność cieplna i paroprzepuszczalność. Z zapraw używanych do łączenia elementów wymienić należy:
– Zaprawy wapienne,
– Zaprawy wapienno-cementowe,
– Zaprawy cementowe,
– Zaprawy lekkie,
– Zaprawy specjalne, klejące.
Podobne zaprawy stosuje się na wyprawy wewnętrzne i zewnętrzne z tym, że wykaz ten należy uzupełnić o zaprawy gipsowe, zaprawy tynkarskie lekkie i zaprawy modyfikowane żywicami stosowane na cienkie wyprawy fakturowe.
Ważnymi materiałami w konstrukcji ścian warstwowych jest grupa materiałów termoizolacyjnych. Aktualnie szerokie zastosowanie znajdują wyroby z wełny mineralnej i szklanej oraz spienione tworzywa sztuczne a głównie styropian. Wyroby z wełny mineralnej w postaci mat, filców i płyt różnych rodzajów oraz odmian, są niepalne, mają doskonałe właściwości ciepłochronne i dużą trwałość.
W naszym kraju szerokie zastosowanie znalazł styropian. Jest to doskonały materiał wyrabiany w postaci płyt różnej grubości i odmian ciężarowych oraz jako palny i samogasnący. Jego właściwości termo izolacyjne są nieco lepsze niż płyt z wełny mineralnej, większa jest też wytrzymałość mechaniczna. Cenną jego właściwością jest odporność na zawilgocenia, wadą jest mała odporność na temperaturę.
Z innych materiałów termoizolacyjnych wymienić można piankę poliuretanową, którą produkuje się w dwóch rodzajach – jako miękką (sprężystą) i sztywną. Pianka sztywna ma właściwości podobne do styropianu. Znajduje zastosowanie w produkcji lekkich ścian osłonowych, przeważnie w szczelnej obudowie. Cena pianki poliuretanowej jest wyższa od pozostałych materiałów izolacyjnych stąd jej zastosowania są rzadsze.
Przedstawione pokrótce materiały pozwalają na omówienie propozycji rozwiązań ścian zewnętrznych nośnych. Zajmiemy się kolejno ścianami zewnętrznymi nośnymi jako rozwiązaniami jednomateriałowymi i warstwowymi, w tym warstwowymi ze szczeliną powietrzną. W dzisiejszych czasach, ze względu na oszczędność energii cieplnej, ściany jednomateriałowe z cegły pełnej ceramicznej względnie wapienno-piaskowej, nie są stosowane. Ich grubość, by spełnić minima izolacyjności, eliminuje je z praktycznych zastosowań. Ściany jednomateriałowe mogą być wykonywane z bloczków z betonu komórkowego i z pustaków ceramicznych.
Ściany jednorodne z bloczków z betonu komórkowego odmiany 400, przy szerokości bloczka i równocześnie grubości ściany w stanie surowym wynoszącej 30 cm, osiąga wartość współczynnika U=0,37 W/(m2.K). Stosując podobny bloczek odmiany 500 o wymiarach 59x20x36 cm, co daje grubość ściany 36 cm współczynnik przenikania ciepła U=0,43 W/(m2.K). Podobne rezultaty można osiągnąć murując ściany z bloczków i płytek odmiany 500 przy grubościach 40 – 50 cm. Izolacyjność cieplna ścian może ulec dalszej poprawie, gdy stosuje się ciepłe zaprawy lub muruje na cienkie spoiny.
Do wykonywania ścian jednomateriałowych używane są ceramiczne pustaki ścienne. Stosując pustaki ceramiczne poryzowane przy grubości ściany 44 cm i takiej samej szerokości pustaka U=0,36 W/(m2.K), zmieniając pustak na cieńszy 30 cm a tym samym i grubość ściany U=0,68 W/(m2.K). Używając elementów o różnych wymiarach i ciepłych zapraw można osiągnąć dobre rezultaty w zakresie izolacyjności cieplnej, gorsze rezultaty osiągane są w zakresie nośności muru. Do ścian jednomateriałowych nie nadają się cegły pełne ceramiczne czy wyroby wapienno-piaskowe a uwagi na duży ciężar i niską izolacyjność cieplną.
Gdy nośność ścian jednomateriałowych jest niewystarczająca, sięgnąć trzeba po rozwiązania warstwowe. W takim rozwiązaniu każdej warstwie przypisane jest inne zadanie. Warstwa nośna (konstrukcyjna) zapewnia ścianie wymaganą nośność, warstwa izolacyjna wymaganą izolacyjność termiczną itd. Dobierając materiał na warstwę konstrukcyjną, szukamy kompromisu między wytrzymałością, ciężarem a przewodnością cieplną, która, mimo że w tym wypadku ma drugorzędne, znaczenie jest ważna dla właściwości cieplnych całej przegrody.
Na warstwę konstrukcyjną ściany należy zastosować materiał zapewniający jej wymaganą nośność, mogą to być wszystkie ścienne materiały ceramiczne, za wyjątkiem słabych elementów na ściany osłonowe, wyroby wapienno- piaskowe, bloczki i elementy z betonu komórkowego, lekkich betonów kruszynowych itp. Wymiary a głównie grubość ściany, zależy od właściwości mechanicznych użytego materiału i żądanej nośności. Potrzebną izolacyjność termiczną zapewni ścianie lekkiego warstwa materiału izolacyjnego. Obie te warstwy muszą być osłonięte warstwami fakturowymi od wewnątrz i od zewnątrz. Konstruując ścianę dwuwarstwową można dobrać tak materiały, między innymi te wymienione w niniejszej publikacji, że przy grubości warstwy izolacyjnej ze styropianu lub wełny, współczynnik U osiągnie wielkość 0,40 – 0,25 W/(m2.K). Niewielkie pogrubienie warstwy izolacyjnej znacząco poprawia parametry termiczne ściany, przy niezauważalnym wzroście jej ciężaru.
Jak już wspomniano, popularność zdobywają ściany ze szczeliną powietrzną, których znaczenie jest coraz bardziej doceniane. W pustej szczelinie odbywa się ruch powietrza, po stronie chłodniejszej (zewnętrznej) powietrze oziębia się i opada w dół, po stronie cieplejszej (wewnętrznej) nagrzewa się i unosi do góry. Intensywność konwekcji, od której zależy izolacyjność, jest tym większa, im grubsza i wyższa jest szczelina, gdy różnica temperatur między oboma powierzchniami, wewnętrzną i zewnętrzną, jest większa. Szczelina powietrzna może być częściowo wypełniona materiałem izolacyjnym, co poprawia ciepłochronność ściany. Materiał izolacyjny powinien być w tym w wypadku umieszczony po stronie cieplejszej. Szczeliny powietrzne mogą być niewentylowane (zamknięte), lub wentylowane, gdzie możliwy jest przepływ powietrza zewnętrznego dzięki specjalnie wykonanym otworom.
Szczelinę zamkniętą, niewentylowaną należy traktować jako warstwę izolacyjną o oporze cieplnym zależnym od jej grubości i kierunku przepływu ciepła. Aby ograniczyć konwekcję w takiej szczelinie, nie jest celowe robienie ich grubszych od 6,0 cm, a wysokość nie powinna przekraczać 2,5 – 3,0 m. Poprawnie wykonana szczelina może być znaczącą warstwą ocieplającą.
Przy zapewnionym przepływie powietrza zewnętrznego szczelina spełnia rolę suszarki. Para wodna przenikając przez ścianę trafia do szczeliny, gdzie wykrapla się a przepływający strumień powietrza wyprowadza ją na zewnątrz. Wentylowana szczelina ułatwia też wysychanie wilgoci atmosferycznej i technologicznej, co nie jest bez wpływu na mikroklimat wnętrza budynku. Przy dobrze wentylowanej szczelinie, co według normy PN-EN ISO 9646: 1999 oznacza powierzchnie otworów wentylacyjnych ponad 15cm2 na metr długości w przypadku pionowej warstwy powietrza, całkowity opór cieplny ściany oblicza się, pomijając opór cieplny szczeliny i innych warstw znajdujących się między nią a środowiskiem zewnętrznym i dodając wartość zewnętrznego oporu przejmowania ciepła.
ZAKOŃCZENIE
Dokonana analiza wymagań stawianym ścianom nośnym zewnętrznym, materiałów i rozwiązań stosowanych przy ich wykonaniu, nie daje jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które rozwiązanie jest najlepsze? Wybór rozwiązania optymalnego musi być dokonany z uwzględnieniem jego zastosowania. Przyjmujemy, że ściana pracuje w naszej strefie klimatycznej, co ujednolica wymagania w zakresie izolacyjności, trwałości itp. Pozostają różne wymagania w zakresie nośności a te zależą od obciążeń ściany, praktycznie od wysokości budynku. W budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej gdzie obciążenia, rozpiętości stropów, czy inne właściwości są zbliżone, możemy na potrzeby naszych porównań dokonać następującej klasyfikacji:
– budynki parterowe i jednopiętrowe,
– budynki do czterech kondygnacji,
– budynki do jedenastu kondygnacji.
Dokonana klasyfikacja obejmuje tylko budynki ze ścianami nośnymi o różnym ich układzie.
Porównując materiały, których cechy przedstawiono w p. 3, można powiedzieć, że ze wzrostem gęstości materiału wzrasta jego wytrzymałość, ale maleje izolacyjność cieplna. Wytrzymały materiał to ciężki materiał, a lekki materiał to słaby materiał a równocześnie słaby materiał to ciepły materiał. Nie można pogodzić wytrzymałości i izolacyjności materiału, nie można robić mocnej i ciepłej ściany z jednego materiału.
Jak już wspomniano, potrzebna nośność ściany zależeć będzie od wysokości budynku. Budynek parterowy lub jednopiętrowy nie będzie wymagał dużej nośności ścian i do ich wykonania można będzie zastosować materiały słabsze, ale cieplejsze. Można zastosować ścianę jednorodną z bloczków z betonu komórkowego odmiany 500 lub nawet 400 przy grubości ok. 40 cm. Ściana jednorodna z lekkich poryzowanych pustaków ceramicznych też spełni wymagania nośności i izolacyjności cieplnej przy rozsądnej grubości 35 – 45 cm.
Gdy wysokość budynku wzrośnie do czterech kondygnacji nośność bloczków z betonów komórkowych odm. 400 i 500, czy lekkich pustaków ceramicznych okazuje się niewystarczająca, zastosować trzeba bloczki betonów komórkowych odmian cięższych przez to mocniejszych np. 600 lub 700 względnie pustaki ceramiczne wyższych klas, których izolacyjność termiczna jest gorsza. Można próbować stosować ściany jednorodne, ale przy gorszej izolacyjności materiałów wyższych klas wytrzymałościowych ściana staje się grubsza. Ze wzrostem klasy wytrzymałościowej wzrasta współczynnik przewodności cieplnej l materiału, co spowodować musi wzrost grubości ściany, przy zachowaniu stałego współczynnika U. Grubsza ściana będzie cięższą, zmniejszy się też powierzchnia użytkowa budynku. Przy budynkach do czterech kondygnacji optymalnym rozwiązaniem może już być ściana warstwowa.
Zwiększając klasę wytrzymałościową materiałów ściennych znacząco zmniejszymy grubość ściany, której izolacyjność cieplna będzie już niewystarczająca, ale zmniejszy się nieco jej ciężar. Brak izolacyjności cieplnej nadrobimy warstwą specjalnego materiału izolacyjnego, który będzie ciepły i lekki ( l=0,045 W/(m2.K), g =25 kg/m3). O tym jakie ostatecznie rozwiązanie przyjmiemy, czy ściana warstwowa czy jednorodna, zadecydować powinien rachunek ekonomiczny.
Budynek do jedenastu kondygnacji to praktyczna granica wznoszenia konstrukcji ze ścianami nośnymi. Decyduje o tym głównie ciężar konstrukcji i wykorzystanie właściwości wytrzymałościowych materiału. Gdy decydujemy się na takie rozwiązanie, ściana zewnętrzna nośna musi mieć wymaganą nośność, szczególnie dużą na niższych kondygnacjach, oraz izolacyjność termiczną. W takim przypadku jedynym rozwiązaniem jest ściana warstwowa składająca się, co najmniej z dwóch zasadniczych warstw, jednej konstrukcyjnej i drugiej izolacyjnej. Dobierając odpowiedni materiał konstrukcyjny na warstwę konstrukcyjną np. beton klasy C20/25 przy jej grubości 14 cm, oraz materiał izolacyjny na warstwę izolacyjną np. styropian grubości 12 cm, otrzymamy ścianę grubości ok. 28 cm i izolacyjności ok. U= 0,35 W/(m2.K), przy ciężarze 1,0m2 ściany w granicach 350 – 360 kg.
Przykładowe rozwiązanie ściany warstwowej pokazuje jej zalety jak: nośność, izolacyjność, stosunkowo niski ciężar przy małej grubości, które czynią ją atrakcyjną w porównaniu innymi rozwiązaniami ścian a szczególnie ze ścianami jednorodnymi. Ściana jednorodna jednomateriałowa nie jest w stanie pogodzić dużej nośności i dobrej izolacyjności cieplnej, nie można zrobić ściany mocnej i ciepłej z jednego materiału, gdyż zarówno jego wytrzymałość jak i izolacyjność termiczna zależą od gęstości (ciężaru), ale w odwrotnej kolejności. Celowym staje się rozdzielenie funkcji ściany na warstwy, gdzie cechy materiału są lepiej i właściwie wykorzystane.
Podsumowując można przyjąć, że przy aktualnej ofercie materiałowej, ściany jednomateriałowe są rozwiązaniem poprawnym dla budynków o kilku kondygnacjach (max, 4 kondygnacje), dla budynków wyższych, rozwiązaniem lepszym jest ściana warstwowa. Stwierdzenie to dotyczy budynków o konstrukcji ze ścianami nośnymi, budowanymi w naszej strefie klimatycznej, z przeznaczeniem na budynki mieszkalne lub użyteczności publicznej.
Dr inż. Lesław Macieik
Politechnika Koszalińska
WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 2/2007
