Tutoriál pro správný návrh konstrukčních detailů z pohledu stavební fyziky ve 2D

vyrobeno společně s FAKULTOU STAVEBNÍ VUT v Brně

Při návrhu konstrukčních detailů je potřeba zohlednit základní požadavky, které jsou obecně na konstrukce kladeny. Jsou to zejména: mechanická odolnost a stabilita, požární bezpečnost, ochrana zdraví osob a zdravých životních podmínek a životního prostředí, ochrana proti šíření hluku a vibracím, úspora energie a tepelná ochrana a v neposlední řadě technologická proveditelnost detailu.

Tutoriál je zaměřen především na zohlednění správného postupu návrhu konstrukčního detailu z pohledu stavební fyziky, prostupu tepla a zamezení vzniku kondenzace v konstrukci.

Jednotlivé kroky při návrhu se skládají:

1. Stanovení součinitelů prostupu tepla konstrukcí

Součinitel prostupu tepla se stanovuje ČSN 730540-4 Tepelná ochrana budov – Výpočtové metody
Tato vlastnost hodnotí vliv celé konstrukce a k ní přilehlých vzduchových vrstev na šíření tepla prostupem. Je odvozena z tepelného odporu konstrukce R. Vzájemný vztah součinitele prostupu tepla U, ve W/(m²K), a tepelného odporu konstrukce R v m²K/W, popř. odporu při prostupu tepla R_T v m²K/W, je dán vztahy:

kde R_si je odpor při přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce, v m²K/W a R_se je odpor při přestupu tepla na vnější straně konstrukce, v m²K/W

Konstrukce musí být navrženy tak, aby byly splněny minimálně požadované hodnoty součinitele prostupu tepla. Z dlouhodobého hlediska je ovšem vhodné navrhovat konstrukce minimálně na doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla.

2. Stanovení okrajových podmínek

EXTERIÉR

Vnější okrajová podmínka se stanoví dle umístění objektu v teplotní oblasti. Konkrétní oblasti jsou uvedeny v tabulce ČSN 73 0540-3 v příloze H.2.

Návrhová teplota vzduchu v zimním období Ø_e ve °C, se stanoví v závislosti na teplotní oblasti a nadmořské výšce místa budovy ze vztahu:

Øe = Ø_e,100 + ΔØ_e

kde Ø_e,100 je základní návrhová teplota venovního vzducu v příslušné teplotní oblasti zeměpisně vymezené v příloze H.1, určená pro nadmořsko výšku 100 m.n.m, ve °C a ΔØ_e je výškový teplotní gradient v K pro danou teplotní oblast podle tabulky 1, který se pro místo budovy s nadmořskou výškou h určí ze vztahu ΔØ_e = ΔØ_e,0 * Δh/100 kde ΔØ_e,0 je zálkadní teplotní gradient pro danou teplotní oblast podle tabulky 1 a Δh = h -100 rozdíl nadmořské výšky místa budovy h, v m n.m. a základní nadmořské výšky 100m n.m.

Návrhová teplota venkovního vzduchu se zaokrouhlí na celé °C směrem k nižší (chladnější) hodnotě.

INTERIÉR

Návrhová vnitřní teplota v zimním období

Návrhová vnitřní teplota vnitřních prostorů pozemních staveb s požadovaným stavem vnitřního prostředí v zimním období Ø₁ ve °C, se stanoví podle jejich druhu ze sloupce 2 přílohy I.1, jestliže technický předpis, provozní a technologické podmínky, požadavky projektanta nebo investora nestanoví jinak.

Platí, že: Ø₁ = Ø_v ≈ Ø_i

kde Ø_v je výsledná teplota, ve °C a Ø_i operativní teplota ve °C, viz ČSN EN 730540-1

Optimální návrhová vnitřní teplota Ø₁ ve °C vnitřních prostorů pozemních staveb v zimním období se může stanovit s ohledem na parametry tepelné hodnoty podle ČSN EN 7730, pro jednotlivé druhy budov, kategorie vnitřního tepelného prostředí, vykonávané činnosti a určité oblečení podle přílohy A CŠN EN 12831:2003.

Návrhová relativní vlhkost vnitřního vzduchu
Návrhová relativní vlhkost vnitřního vzduchu vnitřních prostorůpozemních staveb F₁,u v %, se stanoví ze vztahu:

F_1,u = F₁ + ΔF₁

kde F₁ je relativní vlhkost vnitřního vzduchu v % a ΔF₁ je bezpečnostní vlhkostní přirážka v %. Bezpečností přirážka se stanoví z přílohy I.3.

Relativní vlhkost vnitřního vzduchu vnitřních prostorů občanských a bytových staveb s požadovaným stavem vnitřního prostředí F₁ v %, kromě prostorů se zvláštními provozními požadavky, prostorů s vlhkým, mokrým prostředím, popř. suchým prostředím, kromě případů, kdy technický předpis, provozní a technologické podmínky, požadavky na hodnocení rizikových stavů nebo požadavky projektanta nebo investora nestanoví jinak, se uvažuje hodnotou F₁ = 50%.

Poznámka:
Vlhké amokré prostředí je prostředí je vnitřní prostředí s relativní vlhkjostí vzduchu F₁ > 60%. Suché prostředí je vnitřní prostředí s relativní vlhkostí vzduchu F₁ < 35%.

3. Zahrnutí vlhkostní třídy

Problematikou stanovení průměrných vnitřních měsíčních okrajových podmínek se zabývají normy ČSN 73 0540-3 a ČSN EN ISO 13788. Vnitřní vlhkostní zatížení v interiéru lze zadat čtyřmi způsoby. Každá z možností je vhodná pro jiné typy vnitřního prostředí.

a) Postupem dle přílohy A.1 v ČSN EN ISO 13788.

Podmínky vnitřního prostředí v jednotlivých měsících (teplotní i vlhkostní) jsou stanoveny na základě měsíční střední teploty vnějšího vzduchu s využitím následujícího diagramu.

b) Vlhkostní třídou pro budovy dle přílohy A.2 v ČSN EN ISO 13788.

Podmínky vnitřního prostředí v jednotlivých měsících (vlhkostní) jsou stanoveny pomocí přirážky k venkovnímu částečnému tlaku vodní páry na základě měsíční střední teploty vnějšího vzduchu a zvolené vlhkostní třídy s využitím následujícího diagramu. Teplotní podmínky lze zadat dle skutečného provozu budovy.

ČSN EN ISO 13788 udává orientační tabulku pro výběr vlhkostních tříd.

Vlhkostní třída    /   Budova

1  /  Opuštěné budovy, sklady suchého zboží
2   /  Kanceláře, domácnosti s běžným obsazením osobami a větráním
3   /  Budovy s neznámým obsazením osobami
4   /  Sportovní haly, kuchyně, jídelny
5   /  Speciální budovy, např. prádelny, pivovary, plavecké bazény

Upozornění: ČSN 73 0540-3 v čl. 8.4.1 uvádí, že prostory bez zvláštních požadavků na stav vnitřního prostředí, bez zvláštních vnitřních zdrojů vlhkosti, s relativní vlhkostí vzduchu φi ≤ 60%, které jsou přirozeně větrané, by měly být posouzeny pro 4. vlhkostní třídu.

c) Konkrétními hodnotami u prostor s udržovaným stavem vnitřního prostředí.

Podmínky vnitřního prostředí v jednotlivých měsících je možné zadat dle skutečných hodnot, případně dle projektové dokumentace.

d) Známou produkcí vodní páry v interiéru.

Podmínky vnitřního prostředí v jednotlivých měsících (vlhkostní) jsou stanoveny pomocí přirážky k venkovnímu částečnému tlaku vodní páry na základě měsíční střední teploty vnějšího vzduchu na základě známé produkce vodní páry, objemu a násobnosti výměny vzduchu v interiéru. Výsledná přirážka Δp se stanoví pomocí následujícího vzorce.

4. Posouzení nejnižší povrchové teploty

Pro zjištění nejnižší povrchové teploty v konstrukčním detailu je potřeba detail vymodelovat ve 2D teplotním poli. A následně provést posouzení teplotního faktoru řešených konstukcí.

Nejnižší vnitřní povrchová teplota konstrukce

Konstrukce a styky konstrukcí v prostorech s návrhovou relaticní vlhkostí vnitřního vzduchu F_i <= 60% musí v zimním období za normovaných podmínek vykazovat v každém místě takovou vnitřní povrchovou teplotu, aby odpovídající teplotní faktor vnitřního povrchu f_Rsi, bezrozměrný, splňoval podmínku: f_Rsi>= F_Rsi,N  kde f_Rsi,N je požadovaná hodnota nejnižšího teplotního faktoru vnitřního povrchu, stanovená ze vztahu: f_Rsi,N = f_Rsi,cr , kde f_Rsi,cr je kritický teplotní faktor vnitřního povrchu.

POZNÁMKY:

1. Splnění požadavku "Nejnižší vnitřní povrchová teplota konstrukce" je prevencí rizika povrchové kondenzace u výplní otvorů a růstu plísní u stavebních konstrukcí.

2. Vnitřní povrchovou teplotu Ø_si je výhodné vyhodnotit v poměrném stavu jako teplotní faktor vnitřního povrchu f_Rsi, neboť f_Rsi je jednoznačnou vlastností konstrukce nebo styků konstrukcí ve sledovaném místě, které nezávisí na teplotách přilehlých prostředí. Pro Ø_si a f_Rsi platí vztahy: