Mechanické kotvení ETICS s doplňkovým lepením pro panelové soustavy

Přitom dochází nejen ke změně metodiky výpočtu zatížení větrem, ale mění se i mapa větrových oblastí, součinitele vnějšího tlaku a v souladu s EN 1991 také dílčí součinitele pro návrhové hodnoty zatížení.

Kotvení ETICS s ohledem na stanovení zatížení větrem
Předmětem tohoto příspěvku není výklad obecných výpočetních postupů pro stanovení zatížení větrem, ale budou zde zhodnoceny pouze dopady aplikace ČSN EN 1991-1-4 Zatížení větrem na stanovení zatížení pro návrh mechanického kotvení kontaktních zateplovacích systémů (ETICS). Kotvy (hmoždinky) se podle většiny systémových řešení navrhují na 100% sání větru a nepřispívají k přenesení ostatních zatížení. Z dosud publikovaných a dostupných firemních pomůcek pro navrhování počtu kotev pro tyto systémy vyplývají pouze doporučená řešení vycházející při stanovení zatížení větrem pravděpodobně z ČSN nebo z převzatých zahraničních předpisů (DIN, ÖNORM apod.). Jednotliví producenti systémů ETICS, jejichž komponenty podléhají certifikaci dle ETAG 004 a ETAG 014, se přitom liší i při základních stanoveních počtů kotev na m², ve stanovení velmi důležitého parametru okrajové oblasti v nárožích pro zvýšené hodnoty počtů kotev a v neposlední řadě i v udávaných výškových pásmech. Zároveň však velmi správně udávají, že stanovení počtu kotev musí být součástí statického výpočtu pro konkrétní případ. Mnohé havárie způsobené odtržením systému od podkladu bohužel svědčí spíše o neprovádění statických výpočtů, kombinovaného s nekvalifikovaně prováděnou činností při instalaci systémů na stavbě.
Protože i oblast použití ETICS je velmi široká - aplikace na rodinné domky, novostavby s betonovým nebo vyzdívaným podkladem, rekonstruované bytové domy s vyzdívaným podkladem a v neposlední řadě i panelové domy, soustředí se tento příspěvek pouze na domy panelové. V České republice se jedná o přibližně třetinu bytového fondu - více než 1 mil. bytových jednotek. Panelové domy mají svá specifika v porovnání s ostatní výstavbou nejen z hlediska objemového řešení domů, ale i výškového uspořádání, situaci vůči ostatnímu městskému intravilánu, v podkladu pro kotvení a dalších technických parametrech. Z těchto důvodů lze vytypovat jak charakteristické oblasti výskytu panelových domů, tak i provést jejich zatřídění do skupin podle použitých konstrukčních soustav, výškové hladiny zástavby a tvarů objektů.

Stanovení zatížení větrem dle ČSN EN 1991-1-4
Zdůvodnění vstupních parametrů pro panelové budovy
Intenzita zatížení větrem je daná mapou větrových oblastí České republiky, která tvoří přílohu k vydání ČSN EN 1991-1-4 z dubna 2007. V České republice je dle této mapy celkem pět větrových oblastí I-V. Pro oblasti I-IV jsou dány výchozí základní rychlosti větru v m/s barevným rozlišením v mapě a příslušnou hodnotou, pro oblast V je nutný dotaz na pobočce Hydrometeorologického ústavu.
Výskyt panelových domů lze na velkou část českého území situovat do oblastí I až III. Z měst, kde lze očekávat panelovou výstavbu, se nachází ve IV větrové oblasti pouze Tanvald v severních Čechách, Hlinsko na Vysočině a okolí Jeseníku na severní Moravě.
Z dalších geografických podmínek je zásadní zatřídění do kategorie terénu. Pomineme-li kategorii 0 - moře nebo oblasti otevřené k moři a kategorii I - jezera nebo oblasti se zanedbatelnou vegetací a bez překážek, kde panelové domy v tuzemských podmínkách zpravidla nestojí, budeme se pohybovat v kategoriích terénu II a III. Obě tyto kategorie pokrývají možné situování panelových domů, kdy sídliště jsou buď na okrajích městských sídel (otevřený terén bez překážek, kategorie II), nebo jsou mezi domy dostatečné odstupové vzdálenosti (předměstský terén - kategorie III). Kategorie IV - oblast s povrchem pokrytým nejméně z 15 % budovami, jejichž výška je větší než 15 m, se uplatňuje spíše v plynulé městské zástavbě a není pro panelové domy ve většině případů rozhodující.
Posledním vstupním parametrem zatížení je závislost hodnoty maximálního dynamického tlaku větru na výšce objektu (parametr qp(z)). Tato hodnota není jako pro obdobné vyjádření v ČSN tabelovaná, ale je nutno ji spočítat dle vzorce 4.8 nebo graficky velmi nepřesně určit z grafu na obr. 4.2 v ČSN EN 1991-1-4. Vzhledem k tomu, že panelové budovy mají typizovanou konstrukční výšku 2,8 m a ve velké většině případů podlažnost 4+1, 8+1, 12+1 podlaží, lze tento parametr pro tyto běžné případy ?typizovat?.

Vstupní parametry pro výpočet:
(dále uváděné odkazy na vzorce a tabulky kurzívou se vztahují k údajům v ČSN EN 1991-1-4):

• pro I., II. a III. větrnou oblast je základní rychlost větru v_b = 22,5 m/s; 25,0 m/s a 27,5 m/s;
• pro kategorii terénu II a III je parametr drsnosti terénu z_o = 0,05 a 0,30 (tab. 4.1.);
• součinitel terénu k_r pro terén II = 0,190, pro terén III = 0,215 (vzorec 4.5);
• součinitel drsnosti c_r (vzorec 4.4)

pro terén II a výšku
10 m c_r = 1,007
15 m c_r = 1,084
20 m c_r = 1,138
25 m c_r = 1,181
30 m c_r = 1,215
37 m c_r = 1,255

pro terén III a výšku
10 m c_r = 0,754
15 m c_r = 0,841
20 m c_r = 0,903
25 m c_r = 0,951
30 m c_r = 0,990
37 m c_r = 1,035

¤ Střední rychlost větru v_m (vzorec 4.3) ve výšce z nad terénem, součinitel orografie c_o = 1,0

¤ Základní dynamický tlak větru q_b (vzorec 4.10)

¤ Zoučinitel expozice c_e (vzorec 4.9)

¤ Max. dynamický tlak větru q_p (vzorec 4.8)

Poznámka: *hodnoty platí pro terén II/III.

Zatížení větrem pro typizované sekce panelových budov
Geometrie objektů
Podle typových sestav jednotlivých stavebních soustav byly vybrány tři základní geometrie panelových budov, které se výrazně liší v poměru délky a hloubky jednotlivých sekcí. Půdorysné rozměry domu mají vliv na stanovení výškových pásem s konstantním zatížením větrem a také na velikost okrajové vzdálenosti, kde je intenzita zatížení větrem vyšší (nároží budov). Pro každý z těchto reprezentantů byla použita základní konstrukční sekce deskového domu a bodový dům.
Řadové sekce mají u většiny stavebních soustav hloubku (kratší rozměr domu) danou dispozičním řešením s ohledem na proslunění bytů a nepřevyšují 14 m. Minimální délka domu vychází z velikosti dilatačního úseku a je do 40 m. Jako reprezentant takového tvaru domu byla vybrána dvojsekce soustavy VVÚ ETA (var. 1, výška 4+1, var. 2, výška 8+1, var. 3, výška 12+1).
Bodové (věžové) domy mají orientaci bytů na všechny světové strany, z čehož vyhází přibližně čtvercový půdorys domu cca 20x20 m. Jako reprezentanty toho typu byly vybrány bodový dům VVÚ ETA (var. 4, výška 8+1) a bodový dům P.1.11 (var. 5, výška 4+1, var. 6, výška 8+1).
Z deskových domů s výrazněji menší hloubkou byla prověřena sekce typu HKS 70 - E, používaná ve dřívějším Východočeském kraji - Pardubicko, Svitavsko, Hradecko (var. 7, výška 12+1).

¤ VVÚ ETA - deskový dům 4+1 podlaží

¤ VVÚ ETA - deskový dům 8+1 podlaží

¤ VVÚ ETA - deskový dům 12+1 podlaží

¤ VVÚ ETA - bodový dům 8+1 podlaží

¤ P.1.11 - bodový dům 4+1 podlaží

¤ P.1.11 - bodový dům 8+1 podlaží

¤ HKS 70 - deskový dům 12+1 podlaží

¤ VVÚ ETA - deskový dům 4+1 podlaží

¤ VVÚ ETA - deskový dům 8+1 podlaží

¤ VVÚ ETA - deskový dům 12+1 podlaží

¤ VVÚ ETA - bodový dům 8+1 podlaží

¤ P.1.11 - bodový dům 4+1 podlaží

¤ P.1.11 - bodový dům 8+1 podlaží

¤ HKS 70 - deskový dům 12+1 podlaží

Geometrické parametry pro příčný vítr
Stanovení oblastí pro součinitele vnějšího tlaku je podle (tab. 7.1) a obrázků (7.4 a 7.5) pro svislé stěny pozemních staveb s pravoúhlým půdorysem. Na základě půdorysných rozměrů objektu a jeho výšky byly stanoveny součinitele vnějšího tlaku c_pe,1 (lokální součinitel pro navrhování malých upevňovacích prvků s plochou 1 m² nebo menší). Pro určení tahových sil od sání větru jsou zásadní oblasti E (závětrná fasáda) pro příčný směr větru a oblasti A, B, C (přilehlé podélné fasády). Šířka oblasti A - nároží je ve srovnání s dříve doporučovanou šířkou v ČSN 73 00 35 proměnná a závisí na geometrii budovy. Výška pásma s konstantní hodnotou zatížení podléhá též geometrickému uspořádání budovy.
Geometrie vyšetřovaných objektů s vyznačením jednotlivých pásem v půdoryse a po výšce budovy jsou uvedeny na následujících schématech.

Geometrické parametry pro podélný vítr
Podle stejného principu za použití (tab. 7.1) a obrázků (7.4 a 7.5) pro svislé stěny pozemních staveb s pravoúhlým půdorysem byla stanovena pásma pro vítr působící v podélném směru budovy.

Charakteristické hodnoty tlaku a sání větru na obvodové stěny
Výsledky charakteristických hodnot sání větru zahrnující vliv větrové oblasti, kategorie terénu, výšky objektu a jeho půdorysných rozměrů jsou uvedeny v následujících tabulkách.
Charakteristické hodnoty zatížení je třeba pro účely návrhu počtu kotevních prvků násobit součinitelem γ_q = 1,5 pro získání návrhových hodnot. (Poznámky k tabulkám: hodnoty tlaku pro 1 m² v N/m²; oblasti A, B, C, D, E viz obrázky; 1,2 - výšková pásma, viz obrázky; v závorce součinitel tlaku dle tab. 7.1 ČSN EN 1991-1-4.)

¤ Tab. 1. Zatížení větrem ve směru příčném - kategorie terénu II/III; větrná oblast I

¤ Tab. 2. Zatížení větrem ve směru příčném - kategorie terénu II/III; větrná oblast II

¤ Tab. 3. Zatížení větrem ve směru příčném - kategorie terénu II/III; větrná oblast III

¤ Tab. 4. Zatížení větrem ve směru podélném - kategorie terénu II/III; větrná oblast I

¤ Tab. 5. Zatížení větrem ve směru podélném - kategorie terénu II/III; větrná oblast II

¤ Tab. 6. Zatížení větrem ve směru podélném - kategorie terénu II/III; větrná oblast III

Závěr
Z uvedeného rozboru vyplývá, že hodnoty zatížení větrem určené na základě výpočtu podle ČSN EN 1991-1-4 mohou dosahovat především v okrajových pásmech panelových budov návrhových hodnot až přes 3 kN/m² (pro srovnání - při použití např. hmoždinky EJOT NTK-U je k přenesení tohoto zatížení nutno použít až 16 ks hmoždinek/m²). Oproti zvyklostem aplikovaných na základě ČSN 73 0035 se mění nejen výšková pásma zatížení, ale především délka okrajové oblasti (nároží), kde se projevují zvýšené účinky sání větru. Vzhledem k tomu, že certifikace kotevních prvků - hmoždinek - zajišťujících plně nosnost ETICS na účinky sání větru, je prováděna v souladu s evropskými předpisy pro evropské technické schválení výrobků (ETAG), musí i statický výpočet jejich počtu a rozmístění na fasádě odpovídat, včetně určení zatížení, evropským normám.

Článek vznikl za podpory výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07.

Použitá literatura:
[1] Katalogový přehled stavebních soustav bytových a občanských objektů, Studijní a typizační ústav, Praha 1980
[2] Informační přehled schválených typových podkladů a opakovatelných projektů bytových domů, Studijní a typizační ústav, Praha 1984
[3] ČSN EN 1991-1-4 Zatížení větrem (duben 2007)
[4] ETAG 004 - Řídící pokyny pro evropské technické schválení, vnější kontaktní tepelně izolační systémy s omítkou
[5] ETAG 014 - Řídící pokyny pro evropské technické schválení plastových hmoždinek pro připevnění vnějších tepelně izolačních kompozitních systémů s omítkou
[6] Technologické předpisy a pomůcky pro projektování (Baumit, Stomix, Sto, Knauf, Mamutherm)
[7] Technické listy mechanicky kotvicích prvků - EJOT, Koelner, WKRET, KEW, BRAVOLL