Wprowadzenie

Z punktu widzenia zywkłego użytkownika domu czy mieszkania, elementem podstawowej oceny jest tw. "komfort użytkowy", czyli tania ekonomicznie możliwość utrzymania na odpowiednim poziomie temperatury i wilgotności względnej powietrza we wnętrzu, przy równoczesnym spełnieniu kryteriów estetycznych i to zarówno dla płaszczyzny zewnętrznej, jak i wewnętrznej ściany osłonowej.

W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się przegrodom zewnętrznym. Podstawowym parametrem oceny termoizolacyjności przegórd budynku stał się, przez medialne nagłośnienie, tzw. współczynnik przenikania ciepła przez przegrodę zewnętrzną (kiedyś oznakowany jako "k", a współcześnie "U").

Zużycie energii potrzebnej do ogrzania budynków oddanych do użytku do 1985 r. średnio rocznie wynosi 240 ÷ 380 kWh/m², w budynkach z lat 1986 ÷ 92 do 200 kWh/m², a w budynkach oddanych w ostatnich latach – do 160 kWh/m². Warto zauważyć, że przed rokiem 1985 powstało prawie 70% obecnych zasobów mieszkaniowych, w tym do roku 1945 – około 30%! Według najnowszych badań opracowanych na potrzeby audytów energetycznych, tylko około 4% budynków w Polsce zużywa poniżej 200 kWh/m² na rok. Można bez przesady powiedzieć, że większość potrzebuje trzy- a nawet czterokrotnie więcej energii na cele grzewcze niż powinna. Roczne zużycie energii w budynkach mieszkalnych realizowanych według aktualnych przepisów to ok. 130 kWh/m², przy aktualnym światowym poziomie przyzwoitości w tym zakresie 50 ÷ 60 kWh/m², a doniesienia o wybitnie oszczędnościowych tzw. "domach inteligentnych" mówią o zużyciach na poziomie 10 ÷ 12 kWh/m². [art. pochodzi z 2002 r. - przyp. red.]

Wszystko to, przy uwzględnieniu urynkowienia kosztów energii (zarówno do ogrzewania, a w pewnych przypadkach i do klimatyzowania pomieszczeń), doprowadziło do znaczącego zaostrzenia wymogów termoizolacyjności przegród zewnętrznych.

Przez lata współczynnik U (wg wymogów polskich) ulegał następującym zmianom, dla ścian zewnętrznych w budownictwie mieszkaniowym i użyteczności publicznej:
• do 1982 roku – 1,16 W/m² · K,
• od 1982 do 1991 roku – 0,75 W/m² · K
• od 1991 do 1998 roku – 0,55 W/m² · K
• od 1998 – 0,3 ÷ 0,5 W/m² · K

Spełnienie takich wymogów uzyskuje się przez zastosowanie materiałów o wysokiej termoizolacyjności. Dla ścian jednowarstwowych przy użyciu materiału dającego grubość rzędu 35 ÷ 40 cm lub prez zastosowanie rowiązania warstwowego składającego się z warstwy konstrukcyjnej (nośnej) oraz odpowiedniej warstwy materiału termoizolacyjnego (rzędu 10 ÷ 15 cm).

Ze względu na warunki panujące w pomieszczeniach, a wynikające z życiowej działalności człowieka (szczególnie wydzielanie się pary wodnej), niezwykłego znaczenia nabierają zjawiska wilgotnościowe przebiegające w ścianie. Ewentualna możliwość wystąpienia strefy kondensacji może spowodować istotne zwiększenie zawilgocenia materiałów, z których zbudowana jest ściana. W przypadku zawilgocenia niektórych z materiałów (konstrukcji ściany, jak i izolacji termicznej) może dojść nawet do 4- lub 8-krotnego obniżenia parametrów technicznych przegrody.

Uwarunkowania te doprowadziły do opracowywania rozwiązań ścian składających się z warstw materiałowych spełniających odpowiednie wymagania w zakresie:
• wytrzymałości – nośności,
• izolacyjności termicznej z odpowiednim rozkładem temperatur w przekroju ściany oraz prężności pary wodnej,
• zabezpieczenia od bezpośredniego wpływu warunków atmosferycznych od strony zewnętrznej.

Doprowadziło to do rozwoju rozwiązań nazywanych wielowarstwowymi lub szczelinowymi [1]. Jak wykazano w pracy [2], rozwiązaniem spełniającym w najpełniejszym stopniu przedstawione wcześniej warunki jest ściana warstwowa ze specjalnie ukształtowaną, wentylowaną pustką powietrzną.

Wymagania materiałowo-technologiczne

Rys. 1. Przykładowe systemowe kotwy firmy HALFEN

 

Rys. 2. Przekrój przez puszkę wentylacyjną: 1 – krata zabezpieczająca przed gryzoniami i owadami lub mini-żaluzja, 2 – specjalne wyprofilowania umożliwiające wentylację i odprowadzenie wody

Tego typu rozwiązanie technicznie znali i stosowali już starożytni w bibliotece w Efezie (dwie ściany kamienne z pustką wewnętrzną). W tego typu poprawnie zaprojektowanej ścianie, ewentualna kondensacja pary wodnej, może wystąpić tylko w specjalnie zabezpieczonej i wentylowanej pustce powietrznej, praktycznie minimalizując możliwość zawilgocenia poszczególnych warstw.

W przypadku ścian wielowarstwowych, materiałem warstwy nośnej może być praktycznie każdy dotychczas znany i stosowany materiał konstrukcyjny: żelbet, stal, drewno, różnomateriałowe prefabrykaty, czy któryś z grupy wyrobów ceramicznych.

Jako materiał termoizolacyjny stosuje się płyty sztywne z hydrofobizowanej wełny mineralnej, wełny szklanej, styropianu czy poliuretanu, o odpowiednio dobranej grubości.

Warstwę licową najczęściej stanowią drobnorozmiarowe materiały ceramiczne z grupy materiałów klinkierowych lub licowych, które nie wymagają nałożenia na zewnętrznej powierzchni dodatkowej warstwy ochronnej w postaci specjalnego tynku.

Ceramiczne materiały stanowiące warstwę fakturową muszą spełniać wymagania techniczne przedstawione w [3] i [4] w zakresie:
• cech zewnętrznych (kształt, wymiary, dopuszczalne wady);
• barwy;
• nasiąkliwości (klinkierowe do 6%, elewacyjne do 16%);
• mrozoodporności (25 cykli za- i odmrażania);
• wytrzymałości na ściskanie (klinkierowe w klasach 30, 35, 45 i 60; elewacyjne w klasach 10, 15, 20, 25, 30 i 35);
• obecności szkodliwej zawartości marglu;
• obecności szkodliwej zawartości rozpuszczalnych soli;
• stężenia naturalnych pierwiastków promieniotwórczych.

Rys. 3. Połączenie ściany zewnętrznej o ceramicznej warstwie nośnej w strefie stropu. 1 – cegły elewacyjne; 2 – krążek dociskowy LSZ-60; 3 – kotwa murowa LSA-2; 4 – wełna mineralna 10 cm; 5 – kotwa HILTI; 6 – kotwa wspornikowa KWL-1,5-210-750; 7 – uszczelnienie kompensacyjne; 8 – pustka powietrzna; 9 – pustak ceramiczny; 10 – tynk gipsowy; 11 – zbrojenie wieńca; 12 – strop; 13 – pusta spoina pionowa (nawiew); 14 – pusta spoina pionowa (wywiew)

Rys. 4. Styk w strefie muru fundamentowego ściany zewnętrznej budynku o konstrukcji drewnianej. 1 – cegły elewacyjne; 2 – zaprawa; 3 – izolacja przeciwwiatrowa; 4 – płyta OSB lub sklejka V-100; 5 – pustka powietrzna 3 cm; 6 – kotwa HFC; 7 – wkręt do drewna; 8 – słupek szkieletu drewnianego (pomiędzy słupkami wełna mineralna); 9 – pusta spoina pionowa (nawiew); 10 – blacha szlachetna; 11 – żwir; 12 – kotwa LSA; 13 – zaprawa cementowa; 14 – płyta GKF; 15 – belka podwalinowa; 16 – warstwy podłogowe; 17 – belka wieńcząca; 18 – strop drewniany; 19 – kotwa R16 co 1,5 m; 20 – belka; 21 – przekładka; 22 – folia PE; 23 – podłoże; 24 – bloczki betonowe M-6; 25 – paroizolacja; 26 – wentylowana pustka powietrzna

Rys. 5. Ściana-rygiel-nadproże o złożonym kształcie w przypadku budynku o konstrukcji żelbetowej. 1 – ściana żelbetowa; 2 – szyna kotwiąca HTA; 3 – śruba systemowa – T – head bolt; 4 – kotwa HK4-U; 5 – szyna kotwiąca HTA; 6 – kotwa MLQ (odmiana); 7 – szyna kotwiąca HTA; 8 – śruba systemowa – T – head bolt; 9 – kotwa KW; 10 – wełna mineralna 10 cm; 11 – pustka powietrzna; 12 – zaprawa; 13 – cegły elewacyjne

Rys. 6. Ściana zewnętrzna w strefie słupa narożnego dla budynkiu o konstrukcji stalowej. 1 – krążek dociskowy LSZ-60; 2-kotwa murowa LSA-2; 3 – cegły elewacyjne; 4 – wełna mineralna 10 cm; 5 – zaprawa; 6 – kotwa murowa ML; 7 – pustka powietrzna; 8 – słup stalowy; 9 – kotwa murowa ML; 10 – szyna kotwiąca HTA; 11 - pustak ceramiczny; 12 – tynk gipsowy; 13 – płyta GKF

Pustka powietrzna w tych rozwiązaniach, która jest usytuowana między materiałem termoizolacyjnym i licowym, ma najczęściej grubość od 25 do 40 mm.

Wartswa osłonowa powiązana jest z warstwą konstrukcyjną ściany systemem zabezpieczonych antykorozyjnie i odpowiednio geometrycznie ukształtowanych kotew. Metalowe kotwy zabezpieczają warstwę licową przed uszkodzeniami wynikającymi najczęściej ze ssącego lub prącego działania wiatru. Termiczne odkształcenia warstwy fakturowej powodują dodatkowe zginanie kotew. Wobec powyższego oraz ze względu na oddziaływania korozyjne, ktowy wykonane są ze stali odznaczającej się dużą wytrzymałością (rzędu 400 ÷ 700 Mpa), wydłużalnością (rzędu 30%), małym wspólczynnikiem sprężystości oraz podwyższoną odpornością na korozję. Najczęściej są to kotwy stalowe, okrągłe lub płaskownikowe, o średnicy najczęściej 4 ÷ 8 mm z austenicznej stali nierdzewnej lub stali zwykłej, ale pokrytej warstwą antykorozyjną (galwaniczna warstwa ocynku lub stali austenicznej).

Kotwy i inne elementy systemowego kotwienia ścian wielowarstwowych nie są, jak dotychczas, w Polsce znormalizowane. Najczęściej stosuje się systemowe elementy kotwiące firmy HALFEN, aktualnie działającej w naszym kraju i posiadającej certyfikat ISO 9001 (rys. 1).

Minimalna głębokość zakotwienia takich kotew wynosi 50 mm (zalecana 60 ÷ 80 mm). Końcówki kotew powinny być zagięte na minimum 30 mm (zalecane zagięcie – 50 mm). Kotwy powinny być rozmieszczone równomiernie i przemiennie na całej powierzchni ściany. Pionowy odstęp pomiędzy kotwami powinien wynosić 460 mm, a poziomy 500 mm, co odpowiada liczbie 4,3 kotew na 1 m² powierzchni ściany, co stanowi 1,2% powierzchni ściany.

W uzasadnionych przypadkach można zastosować inny system kotwienia obu warstw murowych, jednakże należy spełnić następujące warunki:
• pionowy odstęp pomiędzy kotwami ≤ 500 mm,
• poziomy odstęp pomiędzy kotwami ≤ 1000 mm,
• liczba kotew przypadająca na m² ściany ≥ 4 szt.

W narożach ściany, wdłuż górnej krawędzi ściany, przy szczelinach dylatacyjnych (z obu stron) i przy otworach należy zastosować dodatkowe kotwy w odległości rzędu 150 mm od krawędzi muru, w ilości 3 szt. na metr krawędzi. W przypadku gdy wymiary elementów warstwy nośnej nie umożliwiają zachowania powyższych odstępów tylko przy użyciu kotew umieszczanych w spoinach np.: typu LSA-2 (HALFEN), należy naprzemiennie używać je z kotwami nawiercanymi np.: typu LSA-3 (HALFEN) lub stosować tylko kotwy nawiercane.

Dodatkowo, kotwy muszą być zabezpieczone przed penetracją skraplającej się wilgoci i wody z zacinającego deszczu, z jednej warstwy. W tym celu, na kotwy należy zakładać krążki z tworzywa sztucznego i kształtować w nich kapinosy. Dzięki kapinosom woda ścieka w dół szczeliny wentylacyjnej, a nie przemieszcza się wzdłuż kotew. Krążki z tworzywa sztucznego pełnią dodatkowo rolę dociskową warstwy termoizolacyjnej.

Zgodnie z instrukcją [1], szerokość wentylowanej pustki powietrznej musi być ≥ 25 mm, a łączny prekrój otworów odpowietrzających (na górze – wywiew) i odwadniających (na dole – nawiew) wykonanych w warstwie zewnętrznej powinien wynosić od 350 do 750 mm² na 1 m² ściany. W warstwie osłonowej jako otwory odpowietrzające i odwadniające stosowane są najczęściej puste spoiny pionowe co 1 do 4 cegły.

W jednym z pierwszych rzędów, który zgodnie z p. 6.4.1 normy [5] powinien się znajdować > 300 mm nad poziomem terenu, należy pozostawić puste szczeliny pionowe jako tzw. "otwory wlotowe" do pustki powietrznej. Takie same, niewypełnione pionowe, spoiny należy pozostawić w górnej części muru elewacyjnego oraz pod i nad wszystkimi otworami. W pozostawione puste spoiny coraz częściej wprowadza się specjalne puszki wentylacyjno-odwadniające, które mogą posiadać także specjalne mini-żaluzje. Żaluzje te umożliwiają przymykanie dopływu zimnego powietrza w okresie zimowym. Przykład takiej puszki przedstawia rys. 2.

Warstwa zewnętrzna spełnia funkcje osłonowe, chroniąc wewnętrzne warstwy ściany przed oddziaływaniem czynników zewnętrznych, takich jak: opady atmosferyczne, duże skoki temperatury, wiatry, spaliny, uderzenia mechaniczne, a w przypadku ścian piwnic również parcie gruntu. Silne nagrzewanie się warstwy osłonowej w lecie powoduje duże odkształcenie muru. Dlatego też, warstwa ta musi mieć zapewnioną możliwość ruchu w kierunku pionowym, jak i poziomym, za pomocą dylatacji. Styk taki musi umożliwiać swobodny ruch warstwy fakturowej. Dlatego też, warstwa ta nie może być związana z warstwą wewnetrzną za pośrednictwem wieńców, nadproży czy sztywnych sięgaczy ceglanych, a jedynie za pomocą cienkich kotew metalowych.

W związku z tym, odstępy między przerwami dylatacyjnymi warstwy fakturowej nie powinny przekraczać:
• w przypadku ścian z cegieł ceramicznych – 12 m,
• w pozostałych przypadkach – 8 m.

Jeżeli budynek jest wyższy niż 12,0 m, warstwę elewacyjną należy dzielić, zgodnie z p. 6.4.3 normy [5], przerwą dylatacyjną na dwie lub więcej części o wysokości nie większej niż 9,0 m. Odstępy pomiędzy przerwami dylatacyjnymi warstwy wewnętrznej (nośnej) są identyczne jak w przypadku murów pełnych wykonanych z takich samych materiałów. Wymagania te są zawarte w p. 6.3.6 normy [5].

Samo wykonanie ściany warstwowej z wentylowaną pustką powietrzną, wymaga rzemieślniczej staranności, aby między innymi nie wypełnić zaprawą murarską pustki wentylacyjnej. Ściany wznosi się najczęściej dwuetapowo, wykonując najpierw ścianę konstrukcyjną wewnętrzną z zamurowaniem i wypuszczeniem kotew, a w następnym etapie na kotwach zamocowuje się warstwę termoizolacyjną i fakturową. Ze względu na wykonywanie warstwy fakturowej z ceramiki niewymagającej tynkowania i w celu uzyskania efektownego wyglądu elewacji (brak wykwitów i specjalnych, a nawet kolorowych spoin) murowanie wykonuje się na tzw. niewypełnione do lica spoiny (np. przy pomocy okresowo założonych specjalnych listewek). Wymaga to spoinowania muru za pomocą specjalnej, systemowej (suchej) zaprawy do spoin. Prace wykonane winny zostać z bardzo dużym staraniem o estetykę, w tym – niezabrudzeniem zaprawą warstwy licowej.

Szczególnymi miejscami są strefy w pobliżu i poniżej dolnych otworów wentylacyjnych, wymagające założenia odpowiedniego wewnętrznego fartuszka z materiału izolacyjnego np.: z folii PE lub papy termozgrzewalnej. Prace murarskie winny zostać wykonane w oparciu o specjalnie opracowane i rozrysowane (w skali 1:5 do 1:20) szczegóły lub rozwiązania katalogowe dla miejsc szczególnie ważnych, które dla różnych rodzajów warstw nośnych przedstawiają rys. 3 ÷ 6.

Podsumowanie

Ten rodzaj ścian zewnętrznych, licowanych elementami ceramicznymi, stanowi w niektórych państwach Europy Zachodniej, jak: Wielka Brytania, Holandia, Niemcy nawet i 20% realizowanych rozwiązań ściennych. Sprawdził się on także w przynajmniej 40 ÷ 50 letnim okresie praktycznej eksploatacji.

Nie bez znaczenia pozostaje również fakt, że w czasie eksploatacji klinkierowa lub licowa elewacja umożliwia bardzo tanie i rzadkie zabiegi renowacyjne, ograniczające się praktycznie do umycia przy pomocy wody (ewentualnie z dodatkiem słabego detergentu), w odstępach nie częstszych niż co 5 lat. Szacunki eknomiczne wskazują również na różnicę kosztów inwestycyjnych typowego domu jednorodzinnego z warstwą fakturową ceramiczną i wentylowaną pustką powietrzną w prównaniu do obiektu ze ścianami wykonanymi z tej samej warstwy nośnej i ocieplonymi bezspoinowym systemem ociepleń (nazywanym dawniej ociepleniem metodą lekką mokra – zgodnie z Instrukcjami [6 i 7]). Jest to koszt większy jedynie o 3 ÷ 5% kosztu całej inwestycji, przy istotnie niższych kosztach eksploatacji, renowacji i wyższej trwałości oraz odporności mechanicznej warstwy fakturowej.

Ze względów termiczno-wilgotnościowych, preferowanym rozwiązaniem powinna być ściana warstwowa z wentylowaną pustką powietrzną. Zastosowane materiały ceramiczne mogą być użyte do wykonania zarówno warstwy konstrukcyjnej, jak i osłonowej, jednakże wykonawstwo musi być oparte na bardzo precyzyjnej pracy i realizacji przemyślanie zaprojektowanych szczegółów konstrukcyjnych, które przykładowo przedstawione zostały na rysunkach 3 ÷ 6.

Obiekty zrealizowane w takiej technologii, w warunkach eksploatacyjnych, potwierdzają przedstawione zalety, przy równocześnie bardzo wysokich walorach estetycznych wykonanych budynków.

Literatura

[1] Instrukcja ITB nr 341/96. Projektowanie i wykonywanie murowanych ścian szczelinowych
[2] T. Błaszczyński, B. Zgoła. "Próba oceny rozwiązań materiałowych ścian w aspekcie ochrony cieplno-wilgotnościowej" Ceramika Budowlana i Silikaty 4/2002
[3] PN-B-12008:1996 "Wyroby budowlane ceramiczne. Cegły klinkierowe budowlane"
[4] PN-B-12061:1997 "Wyroby budowlane ceramiczne. Cegły i kształtki elewacyjne"
[5] PN-B-03002:1999: Konstrukcje murowe niezbrojone. Projektowanie i obliczanie
[6] Instrukcja ITB 334/96. Ocieplenie ścian zewnętrznych budynków metodą lekką
[7] Instrukcja ITB 334/2002. Ocieplenie ścian zewnętrznych budynków metodą lekką.

dr inż. Tomasz Błaszczyński
dr inż. Błażej Zgoła
Instytut Konstrukcji Budowlanych Politechnika Poznańska
Ceramika Budowlana nr 6/2002