Konštrukcie domov na báze dreva pre nízkoenergetickú výstavbu

Výstavba budov na báze dreva sa ešte stále spája s dvomi základnými otázkami – aké finančné náklady treba vynaložiť na výstavbu nízkoenergetickej budovy a aké zvýšenie investícií musí investor zniesť, ak sa rozhodne napríklad pre energeticky pasívny dom.

Náklady na výstavbu pasívneho domu sú nie zanedbateľne vyššie – súvisí to najmä so zásahmi do konštrukčného systému, špeciálnou konštrukciou a zasklením okien, technickými zariadeniami so spätným získavaním tepla, ako aj s väčšou hrúbkou tepelných izolácií. Napriek tomu sa však náklady dajú v mnohých položkách znížiť. A nemusí to byť ani na úkor kvality, ani na úkor štandardov nízkoenergetického či energeticky pasívneho domu. Jednou z možností je individuálna výstavba z jednoduchého stavebného systému, ktorý poskytuje ľahko opracovateľná domáca dostupná surovina – drevo pod dozorom odborníka.

Návrh nízkoenergetických a pasívnych domov na báze dreva

Mnohoročná prax z krajín, kde sa etablovala výstavba nízkoenergetických a energeticky pasívnych domov (Rakúsko, Nemecko) signalizuje, že na dosiahnutie pasívneho štandardu je nevyhnutné venovať zvýšenú pozornosť už projektovej príprave.

Architektúra pasívnych budov je podriadená myšlienke tepelnej úspornosti, využívaniu pasívnych slnečných ziskov a iných alternatívnych zdrojov energie. Samotný tvar pasívneho domu by mal byť čo najkompaktnejší a jednoduchý bez zbytočných výstupkov, aby sa zmenšili ochladzované plochy. Platí, že povrch plášťa budovy má byť k obstavanému objemu budovy čo najmenší. Do architektonického návrhu sa majú zakomponovať aj technické zariadenia a konštrukčné prvky ako napríklad tienenie zasklených plôch proti vysokému letnému slnku, slnečné kolektory, akumulačné prvky a podobne tak, aby neškodili architektúre objektu, ale naopak, aby ju dotvárali.

Výber konštrukčného systému sa má voliť čo najoptimálnejšie k danému typu budovy. Keďže tento typ stavieb podstatne využíva pasívne solárne zisky a vnútorné zdroje tepla, pasívna budova sa nezaobíde bez systému kontrolovaného vetrania. Zvýšenú pozornosť preto treba venovať vzduchotesnosti obalu a dobre dimenzovanému návrhu vzduchotechnických rozvodov a zariadení. Veľa dobrých projektov zlyháva práve na tejto požiadavke. Pri nesprávne nadimenzovanom alebo zrealizovanom systéme núteného vetrania dochádza k veľkej rýchlosti prúdenia vzduchu,  čo vyvoláva pocit nepohody, alebo naopak k nedostatočnému odvetrávaniu všetkých priestorov.

Stĺpikový konštrukčný systém
Základom súčasného štandardného stĺpikového konštrukčného systému sú profily osovo od seba vzdialené 400 až 600 mm, so šírkou 50 až 60 mm a výškou profilu 100 až 140 mm. Výška profilu určuje hrúbku izolačnej výplne. Stĺpy sú priebežné od základového prahu až po odkvap a stropné nosníky sú priložené ku stĺpikom (systém Balloon frame) alebo sú prerušené v mieste stropu a samotný strop sa ukladá na vrchný hranol rámu (systém Platform frame).

Pokiaľ stĺpy nevyhovujú zo statického hľadiska, vytvárajú sa potrebné profily združovaním alebo sa použijú stĺpiky členeného prierezu. Aby sa zvýšil tepelný odpor steny a prerušili tepelné mosty, obkladá sa vonkajšia strana kontaktným tepelnoizolačným systémom alebo tepelnou izoláciu s vytvorením odvetranej medzery. Z interiérovej strany možno pridať ďalšiu tepelnoizolačnú vrstvu s hrúbkou až do 80 mm, ktorá zároveň slúži ako inštalačná vrstva.

V pasívnych domoch sa požadovaná hrúbka tepelnej izolácie pohybuje od 280 mm a viac. Aby sa ušetril materiál a aby sa vylúčili tepelné mosty, používajú sa namiesto masívnych drevených profilov profily tvaru I a profily skriňového prierezu (obr. 1), ktorých vnútro sa vypĺňa tepelnou izoláciou. Profily zloženého prierezu sú takisto výhodnejšie z hľadiska statiky a z hľadiska deformácie.

Aplikácia tenkostenných nosníkov zažíva v poslednom období renesanciu zásluhou priemyselne vyrábaných nosníkov zo stenou z dosiek z orientovaných triesok (OSB). Okrem spomenutých dosiek OSB technickej triedy 3 a 4 sa ako steny uplatnia aj tvrdé drevovláknité dosky technickej triedy HB.HLA2 a MBH.LA2. Preglejka sa v súčasnosti do stien nosníkov nepoužíva z ekonomických dôvodov.

Pásnice nosníkov sa realizujú z masívneho dreva alebo konštrukčného lepeného dreva (KVH). Do rodinných domov sa hodia prierezy podľa obr. 2. Spoj pásnic so stenou sa vyhotovuje lepeným spojom. Dutina kazetového nosníka sa priamo vo výrobe môže vyplniť izolačným materiálom. Zo statického hľadiska majú pri výške prierezu 300 mm dostatočnú ohybovú tuhosť.

V návrhu tenkostenných nosníkov sa musia zohľadniť parametre ako napätie v tlaku v ťažisku pásu, napätie v ťahu v ťažisku pásu, napätie v ohybe v krajných vláknach pásu, napätie v ohybe v krajných vláknach steny, napätie v šmyku steny v ťažiskovej osi, vydutie steny, šmyk v spoji steny s pásom, klopenie, deformácie.

Pri normálových napätiach je rozhodujúca únosnosť pásnice. Tá sa hlavne pri menších drevených prierezoch v dôsledku výskytu hŕč, ktoré prerušujú vlákna, výrazne znižuje. Z tohto dôvodu je nutné vybrať na pásnice rezivo vyššej pevnostnej triedy, prípadne použiť KVH (štvorstranne hobľované profily z ihličnatého dreva – prevažne smrekového, so zrazenými hranami). Maximálne tangenciálne napätia rozhodujúce pre návrh vznikajú v neutrálnej osi prierezu a v lepenej škáre medzi pásnicou a stenou. Šmyk v lepenej škáre ovplyvňuje okrem šmykovej pevnosti materiálov aj veľkosť lepenej plochy. Z tohto pohľadu majú väčšiu únosnosť kazetové nosníky, prípadne I-nosníky so stenou na celú výšku nosníka. Únosnosť steny v šmyku je daná hrúbkou steny a materiálom. Vydutie steny pri nosníkoch použitých v domoch, kde svetlá výška medzi pásnicami nepresahuje 400 mm pri minimálnej hrúbke steny 8 mm, sa nepovažuje za slabé miesto pri dimenzovaní. Pri výpočte deformácií treba počítať s dotvarovaním. Klopeniu nosníkov sa musí zabrániť stabilizačnými prvkami už pri návrhu konštrukčného systému. V miestach pôsobenia osamelých síl treba navrhnúť výstuhy stien.

Panelový konštrukčný systém
Z hľadiska statického pôsobenia, tepelnoizolačných vlastností a vzduchotesnosti platia tie isté konštrukčné zásady ako pre stĺpikové konštrukcie. Musí sa však počítať aj s dopravným a montážnymi zaťaženiami. Aby sa dosiahol pasívny štandard, treba dbať na prerušenie tepelných mostov a dostatočnú hrúbku izolácie. Najslabšie miesta z hľadiska vzduchotesnosti predstavujú rohové spoje, pripojenia otvorových výplní (okná a dvere) a inštalačné otvory, ako sú napríklad elektroinštalačné káble prechádzajúce cez parozábranu a vetrovú prekážku.

Konštrukčný systém z prefabrikovaných tvaroviek
Spôsob výstavby pri použití prefabrikovaných tvaroviek je podobný ako výstavba z veľkoformátových silikátových tehál. Ide však o suchý spôsob montáže, založenej na jednoduchej modulovej výstavbe z priemyselne vyrábaných modulov. Základný kus je vytvorený z dutého modulu s dĺžkou 600 a s výškou 300 milimetrov. K základnému modulu sa vyrábajú moduly štvrtinové, polovičné a doplnkové prvky. Jednotlivé tvarovky do seba zapadajú na pero a drážku alebo kolíkovými spojmi. Stena sa vystužuje po výške vloženými hranolmi alebo zvonku nabitým latovaním. Samotná tvarovka sa vyrába z vysušeného reziva alebo z veľkoformátových materiálov, najčastejšie z OSB dosiek. Dutina sa vypĺňa tepelnou izoláciu na báze minerálnej vlny, recyklovaného papiera, korku a podobne. Montáž nevyžaduje zložité mechanické a dopravné prostriedky, je efektívna a rýchla. Potrebná hrúbka tepelnej izolácie sa dosiahne jednak hrúbkou izolačnej výplne, jednak obojstranným obkladom.

Obvodový plášť s nosnou vrstvou z lepeného dreva
Nie častým, ale perspektívnym a trendovým riešením obvodového plášťa pre NED a pasívne budovy sú celostenové bloky z lepeného lamelového dreva (obr. 3). Vrstva lepeného dreva na interiérovej strane plní hlavne nosnú funkciu. Vrstva tepelnej izolácie sa pridáva smerom do exteriéru spolu s ostatnými vrstvami konštrukcie. Takýmto usporiadaním vrstiev možno eliminovať tepelné mosty vznikajúce v miestach napojenia obvodovej steny so stropom a strešným plášťom. Vrstva lepeného dreva má aj lepšie akumulačné vlastnosti, ktoré priaznivejšie vplývajú na kolísanie vnútornej klímy. V neposlednom rade netreba zabudnúť na estetickú hodnotu lepeného dreva, pri ktorom možno eliminovať jeho viditeľné chyby, ako sú hrče, praskliny a podobne.

Realizácia NED a EPD na báze dreva
Prvé skúsenosti obyvateľov nízkoenergetických a energeticky pasívnych domov na báze dreva sú veľmi pozitívne. Výstavba domov v energeticky úspornom až pasívnom štandarde však nesie so sebou značné riziko fatálnych chýb, keďže vyžaduje precízny a vysoko odborný prístup od návrhu až po realizáciu. Platí to osobitne v našich domácich podmienkach výstavby, v ktorej nie sú zaužívané vysoké nároky na kvalitu rea­lizácie objektov na stavenisku a spravidla zlyhávajú mechanizmy jej kontroly. Požadovaná kvalita mnohokrát nemôže byť zaručená ani pri realizácii profesionálnou stavebnou firmou.

Existujú však kvalitné realizácie, kde sa uskutočnila individuálna výstavba EPD za prijateľnú cenu stavebníkom, ktorý má potrebné základné zručnosti a patričnú motiváciu – samozrejme, za nevyhnutného predpokladu odborného dozoru, zaškolenia a technickej podpory.

Dôkazom toho je realizácia jednopodlažného bungalovu na báze dreva (obr. 4) s rámovou konštrukciou s plochou podlažia 110 m², ktorá bola obojstranne opláštená vrstvou tepelnej izolácie. Hendikepom tejto realizácie bol samotný typ domu (bungalov), ktorý nie je najvhodnejší z hľadiska faktoru tvaru (veľký obal stavby v pomere k ploche domu). Skladby obalového plášťa sa výpočtom nadimenzovali na hodnoty súčiniteľa prechodu tepla a mernú potrebu tepla na vykurovanie, ktoré sa odporúčajú pre pasívne domy: stena a strecha U = 0,1 W/(m² . K), podlaha U = 0,12 W/(m² . K), okná a balkónové dvere Uzabudované  = 0,85 W/(m² . K), merná potreba tepla E2 ≤15 kWh/(m² . rok).

Na opláštenie dreveného rámu z vonkajšej strany (obr. 5) sa použili dosky OSB s hrúbkou 12 mm, čím sa zabezpečila priestorová tuhosť a šmyková únosnosť stien drevostavby až do pokrytia celej stavby podstrešnou fóliou, ktoré sa realizovalo do dvoch týždňov od začiatku montáže drevenej časti. Medzera pod strechou sa vyplnila neskôr pri dokončovacích prácach tepelnou izoláciou zo sklenej vlny a opláštila ďalšou doskou OSB s prídavnou izolačnou vrstvou z vnútornej strany.

Pokiaľ ide o samotné skladby obalového plášťa, ako výplň nosného rámu v stene z drevených profilov 60/140 mm a prídavnej izolačnej vrstvy z vnútornej strany s hrúbkou 80 mm sa použili rohože zo sklenej vlny Isover Akuplat a Isover Unirol Profi, a to pre ich optimálne tepelnoizolačné parametre – súčiniteľ tepelnej vodivosti λ_D = 0,037 W/(m . K) pre prvý a λD = 0,033 W/(m . K) pre druhý materiál, čo umožnilo docieliť vysokú hodnotu tepelného odporu pri menšej hrúbke konštrukcie.

Z vonkajšej strany sa budova opláštila kontaktným tepelnoizolačným systémom na báze penového polystyrénu Isover EPS Façade 100F s hrúbkou 140 mm, s hodnotou súčiniteľa tepelnej vodivosti λD = 0,036 W/(m . K).

Strešný plášť, ktorý tvoril strop podkrovia pod nevykurovaným priestorom (obr. 6), bol z dreveného roštu, vyplneného izoláciou Isover Unirol Profi s hrúbkou 280 mm a prídavnej izolačnej vrstvy zo sklenej vlny umiestnenej z vnútornej strany s hrúbkou 60 mm. Na montovanej časti plášťa sa rea­lizovala účinná parozábrana s dôsledne prelepenými stykmi a utesnenými detailmi v mieste ostení (systém pások 3D), v mieste prechodov a napojenia na podlahu. Na izolovanie podlahy na teréne sa použil penový polystyrén Isover EPS roof 150 s hrúbkou 200 mm a s hodnotou súčiniteľa tepelnej vodivosti λ_D = 0,034 W/(m . K) – vo výpočte sa zohľadnilo dvojrozmerné šírenie tepla v podzákladí.

Obklad soklovej časti a základového pásu sa realizoval extrudovaným polystyrénom Styrodur s hrúbkou 50 mm.

Monitoring realizovaného objektu
Fragmenty navrhovanej skladby steny a stropu boli otestované za ustáleného teplotného stavu v klimatickej komore na Technickej univerzite vo Zvolene. Všetky hodnoty súčiniteľa prechodu tepla nepresiahli 0,1 W/(m² . K).

Počas zimnej sezóny 2008/2009 objekt nebol obývaný (objekt bol skolaudovaný na jeseň 2008), čo umožnilo realizovať jeho monitorovanie bez prevádzky a vykurovania (počas tohto obdobia prebehli merania parametrov klímy, ako aj spotreby energie počas mesačného vykurovacieho cyklu, v ktorom sa termostaticky udržiavala teplota na +20 °C). Prepočítaná merná spotreba tepla neobývaného objektu na vykurovanie počas vykurovacej sezóny bola 7,8 kWh/(m² . rok). Realizovalo sa aj prvé meranie Blower-door testom (obr. 7, 8), ktoré preukázalo aj s ohľadom na indikované a odstrániteľné chyby vysokú vzduchotesnosť (1,2/h) s reálnou možnosťou dostať sa pod hodnotu 0,6/h čo predstavuje hranicu pre energeticky pasívny dom.

Obr. 7 Budova sa podrobila skúške vzduchotesnosti – takzvanému Blower-door testu.	Obr. 8 Počas skúšky sa vytvoril pretlak, respektíve podtlak, pri ktorom sa dali zistiť miesta netesností.

Objekt sa monitoroval aj termovíznou kamerou, ktorá priniesla cenné poznatky o chybách vo fyzikálnej celistvosti plášťa (obr. 9). Pristúpilo sa k výmene netesneného výlezu do podkrovia, utesnenia zasklievacích líšt (paradoxne v pevnej časti zasklenia), k rektifikácii vchodových dverí a k izolácii soklovej časti spodnej stavby.

Na vykurovanie objektu sa využíva teplovzdušné kúrenie zo spätným získavaním tepla a ďalšími obnoviteľnými zdrojmi energie (podpora kúrenia solárnym ohrevom a kozub na biomasu).

Záver
Pri svojpomocnej výstavbe sa ako ekonomický systém osvedčil rám so statickou hrúbkou 180 mm, z drevených profilov asi 60/180 mm, vyplnených tepelnou izoláciou a oplášťovaný z vnútornej strany tepelnoizolačnou a inštalačnou vrstvou s hrúbkou 60 až 80 mm, a z vonkajšej strany tepelnoizolačnou vrstvou s hrúbkou 140 až 200 mm. Pri použití novej generácie tepelných izolácií, napríklad z minerálnych vlákien s deklarovaným súčiniteľom tepelnej vodivosti λD = 0,033, možno hrúbku izolácií podstatne znížiť.

Ako vonkajší tepelnoizolačný obklad sa z dôvodu vysokého difúzneho odporu v zásade neodporúča použiť penový polystyrén. Naopak, vítaná je difúzne otvorená skladba bez klasickej parozábrany na vnútornej strane, ktorú možno nahradiť doskou OSB s utesnenými stykmi (vo funkcii parobrzdy) a vrstvami plášťa na vonkajšej strane, ktoré majú nízky difúzny odpor (optimálne s odvetrávanou medzerou pod vonkajším obkladom). Vo všeobecnosti sa lepšie výsledky vzduchotesnosti dajú docieliť použitím utesnenej dosky OSB, ako pri použití klasickej parozábrany, pri ktorej sa ako problematické javia práve prelepené styky. Odporúčanou novinkou je použitie inteligentnej membrány s meniteľnými vlastnosťami podľa ročného obdobia (napríklad fólia ­Isover Vario alebo Isover Vario KM Duplex), ktorá v zime funguje ako parobrzda a v lete, naopak, uvoľňuje vlhkosť z konštrukcie, čo je pre drevo v skladbe plášťa neoceniteľná vlastnosť. Podmienkou je premyslený a správne realizovaný systém špeciálnych tesnení stykov a lepiacich pások.

Mnohí výrobcovia drevených okien na Slovensku už zareagovali na dopyt po oknách, ktoré spĺňajú normatívne požiadavky stanovené pre energeticky pasívne domy. Aj keď je ich cena oproti tradičným oknám vyššia, ich výber netreba podceniť. V prípade realizácií, pri ktorých sa na tejto položke šetrilo, nastali v krátkom období problémy z dôvodu narušenia fyzikálnej celistvosti a vyváženosti tepelnej ochrany obalu stavby. Rovnako by sa nemala podceňovať potreba zodpovednej realizácie všetkých detailov konštrukcie, napríklad ostenia, priestupov potrubných sietí, inštalácií, otvorov strešného plášťa a aj tepelných izolácií spodnej stavby.

Tento príspevok vznikol vďaka podpore grantovej agentúry APVV v rámci projektu LPP-0308-09 „Výskum a vývoj konštrukčného systému pre nízkoenergetické budovy na báze domácej obnoviteľnej suroviny dreva“ a vďaka podpore grantovej agentúry SR VEGA v rámci projektu 1/0732/08 „Teoreticky a experimentálne zdôvodnená konštrukčná tvorba fragmentu i detailov konštrukčného systému na báze dreva pre nízkoenergetické a energeticky pasívne domy“.

TEXT: prof. Ing. Jozef Štefko, PhD., Ing. Daniel Bebej, Ing. Pavol Sedlák, PhD., Ing. Roman Soyka
FOTO: autori

Prof. Ing. Jozef Štefko, PhD., sa zaoberá navrhovaním drevených stavebných konštrukcií a stavebnou fyzikou na Katedre nábytku a drevárskych výrobkov Technickej univerzity vo Zvolene.

Ing. Daniel Bebej je doktorand na Katedre nábytku a drevárskych výrobkov Technickej univerzity vo Zvolene.

Ing. Pavol Sedlák, PhD., je výskumným pracovníkom na Katedre nábytku a drevárskych výrobkov Technickej univerzity vo Zvolene.

Ing. Roman Soyka sa zaoberá statikou a konštrukciou drevených stavieb na Katedre nábytku a drevárskych výrobkov Technickej univerzity vo Zvolene.

Literatúra:
1.    Štefko, J. – Reinprecht. L.: Sovremennoe derevjannoe stroiteľstvo, Moskva (Izdavateľstvo Niola Press) 2006, odborná publikácia , ISBN 5-5366-00072-6. s.182.
2.    Štefko, J. – Reinprecht. L., Kuklík, P.: Dřevěné stavby – konstrukce, ochrana a údržba, 2. doplnené vydanie odbornej publikácie, Bratislava (Jaga) 2006, s. 243.
3.    Debartoli, Z.: Wooden framed construction: Key projects in 2008, Interný dokument Saint-Gobain Insulation 2009, s. 7.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.