Proč je pro nosnou konstrukci pasivních domů výhodný beton?

Beton vykazuje značnou pevnost v tlaku, která umožňuje navrhnout stěny železobetonové nebo z prostého betonu velmi malé tloušťky. Malá tloušťka stěny je v případě pasivních domů velmi výhodná.

Je obecně známo, že pro pasivní domy je nejvýhodnější takový obvodový plášť, který dokáže zajistit dostatečnou tepelně-izolační funkci při co nejmenší celkové tloušťce obvodové stěny. Tomuto požadavku plně odpovídá například betonová stěna tloušťky 120 mm, která  s vrstvou  tepelně-izolačního pěnového polystyrenu tloušťky 300 mm vytváří obvodový plášť celkové tl. 420 mm při součiniteli prostupu tepla U=0,114 kW/(m².K) Tloušťka stěny z cihel SUPERTHERM STI tloušťky 300 mm s pěnovým polystyrenem tloušťky 200mm při  srovnatelném U=0,113 kW/(m².K) a alespoň přibližně odpovídající únosnosti představuje celkovou tloušťku obvodového pláště 500 mm.

Na první pohled nepříliš významný rozdíl v tloušťce 80mm je ve skutečnosti velice významný. Jednak představuje úsporu obytné plochy, která u rodinných domků představuje výměru několika m² na podlaží  a současně tato zvětšená plocha zlepšuje  tolik sledovaný parametr výsledné energetické náročnosti domu, a to vzhledem k tomu, že energetická náročnost se vztahuje právě k této vnitřní obytné ploše.

Na srovnávacím příkladu  přízemního  pasivního domu o čtvercovém půdorysu s vnějšími rozměry 10x10m bez uvažování vlivu oken a tepelných vazeb při výše uvedených variantách skladeb stěn obvodového pláště celkové tloušťky 420 mm  a 500 mm představuje úspora obytné plochy cca 2,7 m²  a výsledná energetická náročnost domu v důsledku zvětšené obytné plochy je cca o 1,5 kWh/(m²a) nižší.

Pohybuje-li se výsledná energetická náročnost domu těsně kolem sledovaných 20 kWh/(m²a), může tato hodnota rozhodnout o tom, zda kriterium pro pasivní domy bude splněno nebo nikoliv. Tyto příznivé důsledky malé celkové tloušťky obvodového pláště budou u dvojpodlažní domku dvojnásobné.

Obdobně vychází  výsledky u  nosné  stěny tloušťky 200 mm například z prostého betonu do bednících dílců BD 20, kdy celkovou tloušťku stěny pro dosažení srovnatelného U=0,114 kW/(m².K) bude nutno doplnit rovněž polystyrenem tloušťku 300 mm na celkovou tloušťku 500 mm.

Další významnou výhodou betonové nosné konstrukce pasivního domu je vysoká objemová hmotnost betonu, která velmi příznivě zvyšuje akustický útlum obvodové stěny a akumulaci tepla. Akumulace tepla výrazně zlepšuje klima v domě v letních měsících.

V neposlední řadě je to velmi dobrá vzduchotěsnost vzhledem k tomu, že betonové stěny ať železobetonové nebo z prostého betonu vždy obsahují minimálně konstrukční betonářskou síť u obou povrchů, která brání vzniku trhlin od objemových změn a od statického zatížení. V případě prefabrikované technologie jsou styčné hmoždinkové styky mezi stěnovými i stropními dílci vyplněny jemnozrnným betonem a z vnější strany mohou být styky přelepeny těsnící páskou.

Proč je betonová konstrukce výhodná jako prefabrikovaná?

Optimální tloušťka nosných betonových stěn z monolitického betonu prováděného přímo na stavbě vyztužených betonářskými sítěmi u obou povrchů je z důvodu zajištění dokonalého probetonování zpravidla od cca 180 mm výše. Ve výjimečných případech při dodržení zvláštních opatření (zajištění větší tekutosti a zpracovatelnosti betonové směsi) lze provést stěny tloušťky i 150 mm. Vybetonovat stěnu tlustou120 mm ve svislé poloze při použití standardní technologie, tj. bez použití samoznutnitelného betonu, je již téměř nereálné.

Proto je výhodnější vyrábět tyto stěny ve vodorovné poloze jako prefabrikované.

Výroba stěnových dílců na ocelových podložkách zajišťuje vysokou kvalitu povrchů na straně interiéru, které v některých případech stačí vyspravit a opatřit nátěrem v „horším“ případě je nutno je pod nátěry naštukovat.

I velmi dobrá rovinnost hlazeného povrchu , který je ve finální poloze orientován na stranu exteriéru umožňuje desky z pěnového polystyrenu kotvit ke stěně pouze lepením při minimální spotřebě lepidla.Tímto se šetří náklady na kotvy a práci při jejich instalaci.Ne zcela zanedbatelná je i skutečnost,že absence ocelových kotev odstraňuje drobné tepelné mosty, které představují například u výše zmíněného přízemního domu o vnějším půdorysu 10 x 10 m energetickou ztrátu cca 0,5 kWh/(m²a).

Při připočítání této hodnoty k energetické úspoře vlivem menší tloušťky obvodových stěn může výsledná energetická úspora v porovnání s klasickými výše zmíněnými zděnými technologiemi u dvoupodlažního domu představovat výslednou energetickou úsporu až 4 kWh/(m²a).

Architektura

Známou nepříjemnou vlastností montované technologie, která architektovi často přidělávala starosti, jsou zpravidla přiznané styky jednotlivých prefabrikovaných dílců na venkovní fasádě.

S příchodem výstavby pasivních a nízkoenergetických domů s dodatečným zateplením, končí období starostí jak zakomponovat do architektury domu venkovní styčné spáry. Tyto spáry jsou zakryty venkovním zateplovacím kontaktním pláštěm, proto z venkovního pohledu není rozdílu mezi domem z betonové prefabrikované technologie anebo klasické zděné.

Vnitřní styčné spáry ve stěnách jsou zpravidla umisťovány tak aby byly ukryty do styků s příčnými nosnými stěnami nebo příčkami. V ojedinělých případech, kdy je nutno styčnou spáru umístit mimo tento styk, může být tato spára přiznaná, vyplněná trvale pružným tmelem tvořícím podklad pro finální povrchový nátěr, nebo nepřiznaná, zakrytá pružným překlenutím pomocí bandáže a pružným přetmelením.

Základním problémem při snaze vytvořit architektovi lepší podmínky pro ztvárnění domu je vyřešit průnik nosné konstrukce vynášející architektonické prvky zateplovacím pláštěm tak, aby pronikající nosná konstrukce zajistila přenos požadovaných vnitřních sil a přitom aby byl tento průnik zdrojem minimálních tepelných ztrát. V jiných případech se nemusí jednat o průnik, ale pouze o zeslabení tepelně-izolačního pláště v místech vložení zesílené části nosné konstrukce.

Jako příklad potřebných průniků zateplovacím pláštěm, které obvykle bývají současně i nástrojem k architektonickému ztvárnění domu, lze uvést balkonovou desku konzolově vyloženou z vnitřní stropní desky, nebo konzolově vytažený přesah střešní desky před vnější povrch zateplovacího pláště. Tento konstrukční prvek je u pasivních domů obzvláště důležitý vzhledem k tomu, že spolu s architektonickou funkcí plní významnou funkci stínící. Někdy může jít i o potřebu napojení stropní desky nad venkovním sezením nebo napojení střešní konstrukce sousedního, tepelně neizolovaného objektu, např. garáže nebo parkovacího přístřešku.

Každý z těchto průniků je potenciálním tepelným mostem a zdrojem tepelných ztrát. Zdaleka ne ve všech případech však tyto tepelné mosty musí být tak významné, aby zásadně ohrozily výslednou energetickou bilanci domu jako celku.

Na obrázku 1 je znázorněna vizualizace pasivního domu s konzolově předsazeným střešním dílcem se zavěšenými atikami. Průnik nosné konstrukce s přerušeným tepelným mostem je umístěn do oblasti geometrické tepelné vazby ve styku stěna- strop, kdy při přesném výpočtu tepelných ztrát vychází bodový činitel prostupu tepla negativní.

Vizualizace pasivního domu s konzolově předsazenou střešní konstrukcí s atikou

Na obrázku 2 je znázorněn svislý řez obvodovým pláštěm téhož objektu.

Vhodnou volbou nosného průřezu, jeho minimalizací, správným návrhem tepelně-izolační vložky, kterou proniká jen antikorozní výztuž, lze tepelné ztráty redukovat v řadě případů na velmi přijatelné až zanedbatelné hodnoty. Nutno však přiznat, že potíže s vyřešením výše uvedených průniků s minimálními tepelnými ztrátami narůstají s velikostí požadovaných přenášených vnitřních sil, a proto ne vždy musí být statik při řešení takovéhoto úkolu zcela úspěšný. Nezanedbatelná není ani cena tepelně-izolačních vložek s antikorozní výztuží. Rovněž výše této ceny je téměř úměrná velikosti přenášených vnitřních sil.

Ošetření tepelných mostů  ve výrobnách

Výhoda betonové prefabrikované konstrukce pasivních domů spočívá v tom,že tvarování detailu betonové konstrukce v místě tepelného mostu, osazování a fixování polohy tepelné izolace a speciálních prvků před betonáží je prováděno ve výrobnách, kdy je prvek umístěn zpravidla na vodorovných podložkách. Problematické místo je tak velmi dobře přístupno a k dispozici je kvalifikovaný, technicky dobře vybavený pracovník. Rovněž tak kontrola správného a přesného vytvarování detailu je snadno proveditelná.

Nezbytná součinnost architekta, specialisty na tepelnou techniku a statika od prvotního návrhu

Při návrhu detailu průniku nosné konstrukce tepelně-izolačním pláštěm je nezbytná úzká a trpělivá součinnost statika s projektantem, který výpočtem sleduje energetickou bilanci domu. Statik by měl alespoň orientačně vědět jaký lineární nebo bodový činitel prostupu tepla mohou mít detaily, které musí vykonstruovat a jejich únosnost výpočtem prokázat. Přesné stanovení lineárního a bodového činitele prostupu tepla po každém návrhu konstrukčního detailu nelze jinak než s pomocí odpovídajícího softwarového vybavení.

Styk nosných stěn se základovou konstrukcí

Jedním z problematických konstrukčních uzlů, který může být zdrojem nezanedbatelných tepelných ztrát ,je styk nosných stěn se základovou konstrukcí.Tento uzel je možno ošetřit některým ze standardních způsobů doporučovaných pro pasivní domy.

Podezdění paty stěn jedním „šárem“ porobetonových tvárnic je sice řešením finančně nejméně nákladným, ale po stanovení odpovídající pevnosti tvárnic a po statickém posouzení tohoto styku, zůstává problém  s provlhnutím tvárnic vlivem vzlínání vody. Tato zvýšená vlhkost může zůstat v těchto tvarovkách i po dobu několika let po dokončení stavby. Po tuto dobu může být součinitel tepelné vodivosti těchto tvárnic mnohonásobně větší než hodnoty tepelné vodivosti deklarované výrobcem v suchém stavu. Známo je i několik výrazně nákladnějších způsobů řešení a to pomocí specielních tvarovek z pěnoskla nebo z lehčeného betonu v kombinaci s polystyrenem.

Velmi přijatelné hodnoty lineárního činitele prostupu tepla lze dosáhnout úpravou paty stěnového prefabrikovaného dílce, kdy je nosný průřez stěny zredukován na nosné můstky se staticky nezbytným průřezem. Na obr. č. 3 je uveden příklad takovéto úpravy paty stěnového dílce tloušťky 120 mm pro únosnost cca Nd=100 kN/bm. Výhodou tohoto systému je skutečnost, že únosnost paty stěny lze zvýšit podle potřeby až na dvojnásobek lokálním zmenšením vzdálenosti nosných můstků při pouze lokálním zvětšením lineárního činitele prostupu tepla. Samozřejmostí je kontrolovat povrchové teploty konstrukce v okolí nosných můstků přesným výpočtem.

Nezanedbatelnou vlastností systému je i skutečnost,že v kontaktu se základovou konstrukcí u tohoto systému je hutný beton s velmi malou vzlínavostí vody.V případě,že pata stěny přijde do kontaktu s vodou a to jak srážkovou při realizaci , nebo vlivem dodatečné netěsnosti rozvodů instalace ZI nebo ÚT umístěných v podlaze v době užívání domu, je tepelně-izolační zóna dostatečně chráněna proti zhoršení svých tepelně-izolačních vlastností zvýšenou vlhkostí způsobenou vzlínavostí materiálu nosné stěny.

Často je v souvislosti s pasivními domy zmiňován způsob založení na štěrku z pěnoskla a železobetonové základové desce. Není pochyb o tom, že tento způsob založení je po energetické stránce téměř ideální, ale také finančně nejvíce nákladný. Před jeho navržením je potřeba řádně zvážit jak velkou energetickou úsporu tento způsob založení přinese a jaká bude návratnost takovéto investice. Tento způsob založení je vhodný pro vícepodlažní objekty, kdy výpočtové únosnosti výše uvedených prvků pro přerušení tepelných mostů z pěnoskla a lehčeného betonu již nevyhovují.

Styk vnitřních příček se základovou konstrukcí

Nezanedbatelné tepelné ztráty vznikají i při zakládání těžkých příček na podkladním betonu nebo základech v kontaktu se základovou půdou v přízemí budov.

I v těchto případech lze tepelné ztráty minimalizovat. Betonovou nebo zděnou příčku lze založit na podlahové desce tloušťky cca 60-70 mm doplněné betonářskou výztuží, které je navržena pro zatížení od příčky. Podlahová deska je podepřena pouze staticky nezbytnými lokálními podporami z lehkého betonu nebo zdiva s nízkou tepelnou vodivostí umístěnými ve vrstvě tepelné izolace. Tyto podpory lze s výhodou provést např. z „termomalty“, která vyplňuje kruhové otvory vytvořené vývrtem do vrstvy již položeného polystyrenu. Na lokální zatížení nutno navrhnout i výztuž ve vrstvě podkladního betonu.

Příklady provedení takovéhoto založení těžké příčky jsou uvedeny na obrázcích č. 4 a 5. 

Výše uvedená technická řešení jsou přihlášena k ochraně u úřadu průmyslového vlastnictví.

Závěr

V článku jsem se pokusil připomenout, že nejenom dřevo a klasické zděné technologie, ale i nosná konstrukce z betonových stěnových prefabrikovaných dílců je velmi výhodná pro výstavbu pasivních domů.

V důsledku tenké betonové nosné stěny dochází ke zmenšení celkové tloušťky obvodového pláště domu v porovnání se zděnými technologiemi a tím dochází k úsporám nejenom obytné plochy, ale i k výraznému snížení energetické náročnosti domu. Výsledné tepelné ztráty tepelných mostů nemusí být ve všech případech  tak významné, aby zásadně ohrozily výslednou energetickou bilanci domu.

Při projektování pasivních domů s architektonickými prvky, které vyžadují průniky anebo zeslabení tepelně-izolačního pláště,  je nezbytná součinnost architekta, specialisty na tepelnou  techniku a statika od prvotního návrhu domu.

Autor článku: Ing. Miloslav Nutil      |    Grafické podklady: archiv autora

Odborné hodnocení - Ing. Juraj Hazucha, Centrum pasivního domu

Autor se v článku zabývá velice aktuálním tématem v energeticky úsporné výstavbě – využitím subtilních prefabrikovaných betonových konstrukcí jako alternativy k běžně používaným zděným konstrukcím. Tematicky výborně zapadá do trendu snižování tloušťky konstrukcí, který rychle nabývá u staveb a zejména pasivních domů na významu. Celosvětově se výrobci snaží o vylepšení vlastností stavebních materiálů k dosažení minimální tloušťky používaných konstrukcí. Důvody jsou prosté. Každý ušetřený metr čtvereční užitné plochy znamená pro investora úsporu přibližně 25.000 Kč (dle dnešních cen na trhu nemovitostí). Při porovnání se zatepleným zdivem z keramických tvárnic tloušťky nad 30 cm, se dostáváme k výraznému rozdílu desítek a nezřídka i stovek tisíc korun, kterými je investor již volbou konstrukčního systému hendikepován. Současně se snížením tloušťky konstrukcí dochází k vylepšení objemového faktoru tvaru budovy, s kterým je energetická náročnost budov úzce spjata. Jednoduše řečeno za menší náklady lze postavit úspornější dům. Poučenou optimalizací konstrukčního systému a dalších prvků pasivního domu lze snížit vícenáklady na jejich výstavbu pod 10% oproti běžné výstavbě. Ekonomika těchto staveb se tím stává ještě zajímavější.

Celkově hodnotím navrženou konstrukci betonových prefabrikovaných konstrukcí velice kladně. Můžeme ji zařadit mezi progresivní systémy energeticky efektivní výstavby, jako vápenopískové zdivo nosné od 115 mm nebo masivní dřevěné panely nosné od 62 mm. Jednoznačnou výhodou montovaných systémů je rychlost výstavby a přesnost daná technologií výroby. Například i možnost vytvoření nosné konstrukce v pohledné kvalitě následně zjednodušuje postupy a snižuje pořizovací náklady.

Jako velice inovativní a efektivní hodnotím řešení napojení stěny na základové konstrukce pomocí nosných můstků. Cenově i energeticky vychází příznivěji, než při použití prvků na oddělení tepelného mostu paty stěny na bázi pěnového skla nebo z lehčeného betonu. Podobné řešení je jednoduše aplikovatelné i do dalších systémů ztraceného bednění. Napojení atiky má z mého pohledu rezervy, kde se vlivem bodových tepelných mostů zvýší potřeba tepla na vytápění v rozmezí 1 – 1,5 kWh/(m2a) oproti ideálnímu stavu. Alternativou by bylo vytvoření atiky z jiného systému, například pomocí dílců z voděodolné překližky, které díky nízké hmotnosti nesnižují tepelně technické vlastnosti detailu.