Inovativní řešení skladeb stěn roubených staveb

image foto
Pohled do historie

Roubené stavby jsou historicky součástí naší venkovské architektury a stavitelství. Své uplatnění již od nepaměti nacházely především v podhorských a horských oblastech s množstvím lesů a tedy dostupného stavebního materiálu.

Roubenky mají své místo ve stavebnictví i nyní, ačkoliv většinou ne v původní podobě výstavby, ale s využitím moderních technologií. Původní řešení s použitím nesušeného rostlého dřeva má několik nevýhod. Mokré dřevo musí vyschnout a může trvat i několik let, než se hmotnostní vlhkost mokrého řeziva ustálí na rovnovážné hodnotě. Po tuto dobu dochází k postupnému sedání stavby, které se v závislosti na počáteční vlhkosti dřeva pohybuje mezi 5 až 10 % (150 až 300 mm na 3 m výšky stěny). Bez technologické přestávky alespoň 1 rok se neobejdeme. Při vysychání je také nutné počítat s tvorbou výsušných trhlin a s problematickým dosažením vzduchotěsnosti staveb.

Vzhledem k současným požadavkům stavebníků na rychlost výstavby i na kvalitu bydlení se dnes roubené stavby nejčastěji realizují z lepeného lamelového dřeva BSH sušeného na 10 – 12 % s profilem na pero a drážku. Slepením sušených dřevěných lamel tloušťky 40 mm se dosáhne tvarové stálosti dřevěných profilů a snížení rizika rozvoje dřevokazných škůdců. Použití profilu P+D s vloženým těsněním napomáhá k dosažení vyšší vzduchotěsnosti stavby.


Legislativa

Velmi důležitým aspektem současného stavění jsou stále se zpřísňující legislativní požadavky na energetickou (ne)náročnost objektu, potažmo na součinitel prostupu tepla. Dle současně platné ČSN 73 0540-2 je maximální požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla stěnou UN,20 = 0,30 [W/m2K]. Zároveň je v ČSN 73 0540-3 pro Dřevo lehké, tepelný tok kolmo k vláknům uvedena návrhová hodnota součinitele tepelné vodivosti λU = 0,18 [W/mK]. Stanovením hodnoty λ dřeva se zabývá i mnoho vědeckých článků, vysokoškolských prací, popřípadě dalších technických norem. Obecně lze říci, že smrkové dřevo má proměnnou hodnotu λ v závislosti na teplotě a relativní vlhkosti okolního vzduchu a hodnota λ U = 0,18 [W/mK] je velmi konzervativní. Například v ČSN EN ISO 10456 je pro dřevo objemové hmotnosti 450 [kg/m3] uvedena hodnota λ U = 0,12 [W/mK].

V tabulce 01 jsou pro představu uvedeny minimální tloušťky klasické jednovrstvé masivní roubené stěny pro obě hodnoty λ U tak, aby byl splněn požadavek UN,20 = 0,30 [W/m2K].

Pozn.: jedná se o orientační výpočet bez započtení vlivu vodorovných spár mezi dřevěnými prvky. (Záviselo by na provedení spáry, zda vliv bude kladný nebo záporný).


Tab. 01 - Minimální tloušťka roubené stěny pro splnění požadované hodnoty součinitele prostupu tepla

Návrhová hodnota součinitele tepelné vodivosti λUMinimální tloušťka stěny pro splnění požadavku UN,20 = 0,30 [W/m2K]
ČSN 73 5010-3: λU = 0,18 [W/mK] 570 mm
ČSN EN ISO 10456: λU = 0,12 [W/mK] 380 mm

Je zřejmé, že uvedené hodnoty minimální tloušťky masivního dřevěného prvku nejsou reálné. Vyvstává otázka: Jak je vlastně možné, že roubenky s „běžnou“ tloušťkou stěny cca 200 - 280 mm mohou získat stavební povolení? Na základě naší zkušenosti lze říci, že stavební úřady akceptují roubené stavby v těchto případech:


Konstrukce roubené stavby s využitím moderních technologií - „Dekpanelroubenka“

Pro splnění požadavků současných norem, ale i pro dosažení srovnatelných parametrů se zděnými budovami, bylo nutné provést koncepční úpravu klasické roubené konstrukce.

Našim cílem bylo navrhnout konstrukční řešení stavby, které bude splňovat veškeré architektonické požadavky i požadavky moderního bydlení, především:

Předmětem výzkumu, který probíhal ve výzkumném centru DEK Experimental Research Innovation Centre (dále jen DERIC) v Brně, bylo několik variant řešení. Pod označeními A, B a C jsou níže uvedeny s výčtem kladů a záporů.

A) Modifikovaná jednovrstvá konstrukce stěny s vloženou tepelnou izolací do vyfrézovaných otvorů:

Obr. 01 - Masivní roubený hranol s vyfrézovanými otvory pro vložení tepelné izolace

B) Sendvičová třívrstvá konstrukce s vloženou tepelnou izolací mezi vnitřní a vnější vrstvu roubení s menší tloušťkou hranolů.

Foto 02

Obr. 02 – Sendvičová třívrstvá konstrukce Roubení / vata / roubení realizovaná v DERIC (rozpracováno)

C) Kombinovaná konstrukce s využitím nosného prvku z dřevěných šroubovaných panelů Dekpanel, s vloženou tepelnou izolací z minerálních vláken a s vnějším dřevěným roubením z BSH profilů.

Foto 03

Obr. 03 - Sendvičová třívrstvá konstrukce Dekpanel – vata – roubení realizovaná v DERIC (rozpracováno)


Na základě hodnocení výše uvedených požadavků, byla vybrána varianta C.

Bylo otázkou, zdali konstrukci koncipovat jako větranou, u níž by bylo zajištěno větrání venkovního roubení vzduchovou vrstvou umístěnou mezi tepelnou izolací a vnější roubenou stěnou, anebo jednoplášťovou bez větrání.

Námi původně preferovaná varianta větrané konstrukce měla určitá úskalí – řešení detailů přiváděcích otvorů ve spodní řadě roubení po obvodu celé stavby, vyšší náročnost montáže, riziko hnízdění ptactva a kun ve vzduchové dutině, nutnost realizace větrotěsnicí vrstvy na vnějším povrchu tepelné izolace apod. Proto jsme se rozhodli primárně zabývat nevětranou variantou konstrukce s pečlivou analýzou tepelně-vlhkostního chování.

Foto 04

Obr. 04 - Schéma skladby stěny Dekpanelroubenky – vlevo varianta vnitřního obkladu imitujícího interiérové pohledové roubení, vpravo sádrokartonová předstěna

Varianty stěn s roubením uvedené na obr. 04 řeší všechny výše uvedené technické i architektonické požadavky. Panely Dekpanel plní funkci nosnou, parotěsnicí a vzduchotěsnicí. Tepelnou izolaci z minerálních vláken lze vkládat v libovolné tloušťce. Pro splnění UREC,20 = 0,20 [W/m2K] postačí 140 mm izolantu s λU = 0,038 [W/mK], ale lze samozřejmě cílit i na doporučené hodnoty pro pasivní stavby. Vnější pohledovou vrstvu tvoří roubení z BSH hranolů 160/240 mm. Dostatečně masivní profil jednak zajišťuje přirozený vzhled roubenky (rohový rybinový spoj je masivní) a dále přispívá k tepelné stabilitě objektu.

Foto 05

Obr. 05 | Vizualizace skladby Dekpanelroubenky


Tepelně-vlhkostní analýza konstrukce

Jak již bylo zmíněno, velikou výhodou navrženého systému je spolehlivá vzduchotěsnicí vrstva umístěná v nosné konstrukci Dekpanel, která také snižuje transport vlhkosti konstrukcí.

Hlavním úkolem bylo posouzení možného rizika napadení dřevěných konstrukcí, především pak vnitřního povrchu vnějšího dřevěného roubení, dřevokaznými škůdci, houbami a plísněmi.

Abychom byli schopni spolehlivě posoudit funkčnost konstrukce, bylo nutné provést její spolehlivou tepelně-vlhkostní analýzu. Proto jsme k vyhodnocení využili kombinaci experimentálního měření na reálné konstrukci v reálných podmínkách společně s dostatečně přesným teooretickým tepelně-vlhkostním modelem konstrukce.


Experimentální měření

Experiment byl realizován v DERIC v Brně. Bylo testováno několik variant konstrukcí na segmentu stěny v měřítku 1:1 o velikosti 2x2 m, viz obr. 2 a 3.

Na modelech je instalováno velké množství snímačů, kterými v hodinových intervalech monitorujeme teploty, relativní vlhkosti vzduchu a hmotnostní vlhkosti dřeva. Snímače jsou umístěny na obou površích stěny, ve skladbě stěny na rozhraní jednotlivých vrstev a v zámku roubení.

Foto 06

Obr. 06 - Detailní pohled na snímače v konstrukci Dekpanelroubenky

Protože v Brně nelze zcela přesně napodobit horské podmínky, ve kterých se většina roubenek realizuje, doplnili jsme naše měření o nestacionární teoretické simulace konstrukcí v různých horských podmínkách.


Nestacionární tepelně-vlhkostní analýza skladby

Tepelně-vlhkostní výpočty, vycházející ze vztahů definovaných v ČSN 73 0540-3, jsou pro simulaci reálného chování konstrukcí se zabudovanými dřevěnými prvky nevhodné. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli provést tepelně-vlhkostní analýzu konstrukce s reálnými nestacionárními okrajovými podmínkami a materiálovými charakteristikami.

I přes použití nejpřesnějších nestacionárních modelů první výpočty konstrukcí vykazovaly velké odchylky od naměřených dat. Ukázalo se, že použití materiálových charakteristik uváděných ve standardních knihovnách materiálů není vhodné. Pro zajištění kvality výpočtů bylo nutné provést podrobnou analýzu jednotlivých tepelně-vlhkostních parametrů jednotlivých použitých materiálů a validaci teoretického modelu experimentem.

Podrobnou analýzou prošlo např. stanovení faktoru difúzního odporu μ. V ČSN 73 0540-3 je uvedena hodnota μ = 157. Ukázalo se, že realita je trochu jiná. Stejně jako se vlivem teploty a relativní vlhkosti vzduchu mění hodnota λ, je proměnlivá i hodnota μ. Stanovením hodnoty μ smrkového dřeva se zabývá mnoho vědeckých článků a např. z [1] vyplývá, že smrkové dřevo má ve směru kolmém na vlákna μ = 40 – 150. Obecně platí, že sušší dřevo (např. v interiéru rodinného domu) má vyšší μ, vlhčí (v exteriéru) naopak nižší μ. Dle naší analýzy hodnota μ vnějšího roubení ve skladbě Dekpanelroubenky v běžných podmínkách odpovídá hodnotám v rozmezí 40 – 70.

Celkové tepelně vlhkostní chování konstrukce ovlivňuje mnoho dalších faktorů – lokalita stavby, počasí, orientace stěny ke světovým stranám, přesah střechy (množství přímých srážek), odstín nátěru, interiérové teplotní a vlhkostní podmínky apod.

Nakonec se díky velkému množství dat z měření podařilo nastavit tepelně-vlhkostní charakteristiky jednotlivých materiálů (součinitel tepelné vodivost, součinitel difúzní vodivosti a další transportní součinitele vlhkosti) tak, aby teoretický model vykazoval velmi dobrou shodu s reálně naměřenými hodnotami. Tímto způsobem odladěný model nám umožnil navržené konstrukce posoudit i pro horské podmínky a provést důkladné posouzení kritických detailů stavby.

Jedním z klíčových úkolů tepelně-vlhkostní analýzy bylo posouzení rizika růstu dřevokazných hub a plísní. Spóry plísní se běžně vyskytují v ovzduší, k jejich klíčení a následnému růstu vyžadují vodu / vzdušnou vlhkost, kyslík, živiny (substrát) a přiměřenou teplotu. Živnou půdou je dřevo samo o sobě, kyslík je rovněž přítomen. Měnícími se proměnnými jsou tedy relativní vlhkost vzduchu a teplota. Zjednodušená, ale bohužel i v normách běžně udávaná, hranice relativní vlhkosti 80% pro stanovení rizika napadení dřeva, je bez uvažování vlivu teploty zcela nepřesná. Ve skutečnosti je hranice rizika napadení závislá na relativní vlhkosti a teplotě, viz obr. 07.

Foto 07

Obr. 07 - Izoplety a obalová křivka LIM růstu plísní / hub [2]

Křivky (izoplety) zakreslené tečkovaně v grafu na obr. 07 značí hranici aktivity konkrétních druhů plísní, tj. podmínky dané kombinací teploty a vlhkosti prostředí. Plně je znázorněna obalová křivka aktivity obvyklých dřevokazných plísní / hub na biologicky využitelném substrátu, jako je dřevo. Křivka je nazývána LIM (Lowest Isopleth of Mould). Podmínky charakterizované teplotou a relativní vlhkost prostředí ležící v grafu pod touto křivkou jsou definovány jako nevhodné pro aktivitu obvyklých hub a plísní. Je vidět nepřesnost stanovení rizika jedinou hodnotou vlhkosti 80 % (červená přímka). Při vyšších teplotách stačí většině hub a plísní nižší vlhkost.


Je-li dřevěná konstrukce vystavena podmínkám ležícím nad křivku LIM, krom kombinace teploty a vlhkosti je důležitý čas, po který podmínky trvají. To ukazují grafy na obrázcích 08 a 09.

Foto 08 & Foto 09

Obr. 08 | Doba klíčení spór [dny] [2] Obr. 09 | Rychlost růstu [mm/den] [2]


V grafu na obr. 08 je patrný minimální čas ve dnech, po který musí být dřevo vystaveno určité teplotě a vlhkosti, než dojde k vyklíčení spór. Z grafu vyplývá, že například při teplotě 20 °C a relativní vlhkosti vzduchu 80 % houby klíčí cca 8 dní. V grafu na obr 04 je uvedena rychlost růstu. Např. při teplotě 20 °C a relativní vlhkosti vzduchu 80 % plíseň přirůstá rychlostí < 1 mm/den.

I v případě, že nastanou podmínky pro růst dřevokazných hub a plísní, nemusí k tomu ve skutečnosti dojít. Jejich výskyt ovlivňují totiž i další faktory – výskyt daných spór ve dřevě, pH povrchu dřeva, přítomnost UV záření apod.


Foto 10

Obr. 10 - Průběh vlhkostí a teplot vzduchu na rozhraní Dekpanel – minerální vata v konstrukci Dekpanelroubenky

V grafu na obr. 10 je provedena analýza rizika napadení dřeva na rozhraní Dekpanelu a minerální vaty v období jednoho roku. Ve výpočtu byla uvažována 3. vlhkostní třída, exteriérové podmínky – horské oblasti 1500 m n. m. V hodinových krocích byly do grafu na obr. 10 vynášeny zjištěné kombinace teplot a vlhkostí v daném okamžiku, až se nakonec vytvořila splývající barevná obálka bodů (označeno červenou šipkou). Protože jsou všechny zjištěné kombinace teploty a vlhkosti pod hranicí rizika růstu hub a plísní, lze v těchto místech navrženou konstrukci v horských podmínkách hodnotit jako spolehlivou. Skladbu jsme posuzovali rovněž v běžné nadmořské výšce s velmi podobnými výsledky.


Foto 11

Obr. 11 - Průběh vlhkostí a teplot vzduchu na rozhraní minerální vata – vnitřní líc vnějšího roubení

Ani na rozhraní minerální vata / vnitřní líc vnějšího roubení nevznikají podmínky pro aktivitu spór hub a plísní, viz obr. 11. Opět jsou zde zaznamenány hodnoty relativní vlhkosti a teploty vzduchu v období 1 roku.


Cenová analýza různých systémů roubených staveb, závěr

Cena je z pohledu investorů samozřejmě vždy “až na prvním místě”. V Tab 02 je provedeno základní cenové srovnání na trhu dostupných systémů:

Tab. 02 - Orientační ceny materiálů různých typů roubených staveb

tab 02


Pozn.: Ceny jsou orientační za 1 m2 stěny bez montáže, nátěrů, spojovacích prostředků atd.

Vyšší cena masivní roubenky je způsobena poměrně vysokou cenou lepeného lamelového dřeva v pohledové kvalitě BSH Si. Výhodou je však rychlá montáž (nižší pracnost ve srovnání se sendvičovými konstrukcemi) a také klasický masivní rohový spoj na rybinu. Nevýhodou je naopak nevyhovující součinitel prostupu tepla stěny a problematické řešení vzduchotěsnosti.

Sendvičová konstrukce roubení / vata / roubení má výhodu ve variabilitě tloušťky tepelné izolace. Nevýhodou je vyšší pracnost a relativně subtilní vnější pohledový rohový rybinový spoj. To lze samozřejmě řešit použitím masivnějších profilů, je ale nutné počítat s navýšením ceny. Ve srovnání s Dekpanelroubenkou je zde jednoznačně nižší vzduchotěsnost stavby, což kromě vyšší energetické náročnosti s sebou také přináší již zmiňované vyšší riziko napadení dřeva dřevokaznými škůdci.

Dekpanelroubenka řeší všechny technické nedokonalosti výše uvedených variant. Konstrukce je vzduchotěsná a lze volit libovolnou tloušťku tepelné izolace. Ve skladbě nedochází v průběhu roku ke kondenzaci vodní páry a dřevo není ohroženo dřevokaznými škůdci. Další výhodou je např. možnost použití standardního obvodového Dekpanelu D 81 F v místech, kde není roubení pohledové. S tím souvisí úspora cca 700 kč/m2 ve srovnání se zbylými dvěma konstrukcemi.

Z architektonického hlediska se Dekpanelroubenka jeví jako zlatá střední cesta mezi původními klasickými roubenkami a sendvičovými roubenkami s tenkým roubením na vnější straně. Proporce dřevěných prvků odpovídají historickým, pouze povrchy dřeva nejsou tak rustikální. To je bohatě kompenzováno výrazně zlepšenými energetickými parametry konstrukce, které splňují přísné požadavky na současné stavby.

Není nutné se tudíž při plánování stavby obávat, že budova nezíská kvůli nevyhovujícím parametrům obvodových stěnových konstrukcí stavební povolení nebo bude potřeba obcházet současné legislativní požadavky.


Použitá literatura:
[1] Combined bound water and water vapour diffusion of Norway spruce ande European beech in and between the principal anatomical directions, W. Sonderegger et al, Holzforschung, vol.65, 2011.
[2] Prediction of mould fungus formation on the surface of and inside building components, K. Sedlbauer, disertační práce, 2001.


Měření byla provedena v Experimentálním centru DEK.


image foto
Autoři:
Ing. Vojtěch Martinek
DEK a.s.
technik pro stavební materiály, specialista pro dřevěné konstrukce a pro střechy se skládanými krytinami
autor


Ing. Sylvia Svobodová
DEK a.s.
technik výzkumu a vývoje
autor