Plošné zakladanie v nezámrznej hĺbke z hľadiska stavebnej tepelnej techniky

Základová konštrukcia, ako aj samotný technologický proces zakladania, tvorí výraznú položku celkových nákladov na stavbu. V prípade priemyselných budov toto číslo môže predstavovať od 15 do približne 35 % z celkových nákladov (v závislosti od typu základovej konštrukcie a miestnych podmienok zakladania).

Celkovú výšku nákladov na realizáciu základovej konštrukcie ovplyvňuje tak vhodný výber stavebného pozemku (lokalita výstavby), ako aj svahovitosť terénu, zložitosť a členitosť stavebného diela, či samotný typ základovej konštrukcie.

Základová konštrukcia a zakladanie

Hlavnou úlohou každej základovej konštrukcie je zabezpečiť bezpečný prenos vlastného zaťaženia stavby, úžitkového a vonkajšieho zaťaženia v závislosti od únosnosti pôdy a podložia na úroveň únosnej základovej zeminy. Súčasne musí zabezpečiť čo najmenšie, a najmä rovnomerné sadanie celej budovy.

Nepredvídané sadanie budovy môže spôsobiť nemalé finančné škody, ako aj znemožniť užívanie budovy na účel, na ktorý sa projektovala (obmedzenie funkčnosti a spoľahlivosti, statické poruchy, nakláňanie, vodorovný posun základovej konštrukcie a celej budovy – poškodenie napojení na inžinierske siete). Respektíve môže viesť až k zrúteniu časti a následnému odstráneniu budovy.

Základová konštrukcia zohráva v celkovom procese výstavby významnú úlohu, preto jej návrh a realizáciu nie je rozumné podceňovať a zjednodušovať.

Parametre plošného založenia budov

Výber a návrh vhodnej základovej konštrukcie si vyžaduje dôkladnú analýzu hneď niekoľkých faktorov:

• polohy budúceho stavebného pozemku (situovanie stavby – orientácia na svetové strany, svahovitosť územia, blízkosť vodného zdroja);
• rizikovosti územia – definovanie problematických zón (geodynamické javy, seizmicita, erózia, zaplavovanie územia, krasové procesy a podobne);
• hĺbky premŕzania, ako aj hĺbky presychania základovej pôdy v danej lokalite;
• výšky hladiny podzemnej vody (nielen v čase prieskumu, ale aj výška storočnej HPV);
• typu, vlastností a únosnosti základovej pôdy, ktorý určujú:

1. fyzikálne vlastnosti – tepelná vodivosť, teplotná vodivosť, tepelná prijímavosť, merná tepelná kapacita,
2. mechanické vlastnosti – objemová hmotnosť, pórovitosť, stlačiteľnosť, rozpojiteľnosť,
3. chemické vlastnosti – obsah uhličitanov, organických látok, vlhkosť a vodný režim v pôde;

•  povrchového odtoku v území, snehovej a rastlinnej pokrývky, priemernnej ročnej teploty vonkajšieho vzduchu (teplotné maximá a minimá, trvanie mrazu a intenzita), užívateľského režimu (teplota vnútorného vzduchu) či teplota vrstvy stálych teplôt;
• hrúbky a polohy jednotlivých vrstiev zemín/podložia – určenie geologického profilu (s tým úzko súvisiaca hĺbka založenia budovy);
• zaťažení pôsobiacich na základovú konštrukciu budúcej stavby (predpokladané zaťaženie vlastnou stavbou, úžitkové zaťaženie a vonkajšie zaťaženie);
• typu, rozmerov a tuhosti základovej konštrukcie, tvaru základovej škáry, zložitosti a členitosti stavebného diela (vzájomné ovplyvňovanie od susedných základov a podobne);
• riešenia kritických detailov, riešenia napojenia základovej konštrukcie na ostatné časti budovy, použitého stavebného materiálu.

Hĺbka a zakladanie budov sú dôležité

Hĺbku založenia budovy ovplyvňujú klimatické pomery územia, stabilita základovej pôdy/podložia a maximálne prípustné sadanie, základové pomery (vlastnosti a typ základovej pôdy, hg pomery), účel stavby/budovy, hĺbka založenia priľahlých susedných budov, geologický profil a hydrogeologické vlastnosti, náchylnosť na objemové zmeny v základovom prostredí počas celého obdobia (hĺbka sezónneho premŕzania, zmraštiteľnosť, napučiavanie a podobne).

Dôvodom, prečo venovať zakladaniu budov a hĺbke založenia dostatočnú pozornosť, je fakt, že vplyvom sezónneho premŕzania zeminy v zimnom období dochádza v pôde a podloží k vzniku síl, ktoré spôsobujú vzdúvanie, respektíve zdvíhanie povrchu pôdy a podložia (voda obsiahnutá v póroch zamrzne a zväčší svoj objem), a tým aj základovej konštrukcie.

Zamrznutá základová zemina má v zimnom období tendenciu zdvíhať základovú konštrukciu (respektíve základy budovy). V jarnom období, po roztopení ľadu dochádza následne k jej poklesu (prejavuje sa to nadmerným sadaním budovy).

Vplyvom takéhoto pohybu základovej konštrukcie a samotnej budovy dochádza následne na základových, ako aj priľahlých konštrukciách často k rôznym nežiaducim prejavom a závažným poruchám.

Z tohto dôvodu pri zakladaní nepodpivničených stavieb (v tomto prípade priemyselných budov) sa musia plošné základové konštrukcie nachádzať v takzvanej nezámrznej hĺbke pod povrchom prírodného terénu (STN 73 1001 [7]). Úroveň nezámrznej hĺbky sa pritom mení v závislosti od druhu základovej zeminy.

Určenie potrebnej hĺbky založenia budovy

Minimálna hodnota hĺbky premŕzania sa pohybuje v rozpätí od 800 do približne 1 600 mm (predpisová základňa a normatívne požiadavky Slovenskej republiky), napríklad pre oblasť Žilina a Košice je táto hĺbka v rozpätí 800 až 900 mm, pre oblasť Poprad a Orava 1 100 až 1 200 mm a pre provizórne (dočasné) stavby od 400 mm.

Ak základovú zeminu tvoria celistvé nezvetrané horniny, môže byť hĺbka založenia minimálne 500 mm pod povrchom prírodného terénu. V prípade súdržných základových zemín s hladinou podzemnej vody v hĺbke menšej ako 2 000 mm pod povrchom pôvodného terénu musí byť základová škára v hĺbke minimálne 1 200 mm.

Hĺbku založenia 1 400 mm treba plánovať, ak základovú zeminu tvoria súdržné zeminy náchylné na zmrašťovanie (napríklad ílovité zeminy). V prípade skalných a poloskalných hornín vo všeobecnosti platí, že  hĺbka základovej škáry by mala byť 500 mm, v prípade štrkov a pieskov 800 mm, siltov 1 000 mm a ílov 1 200 až 1 500 mm.

Pri návrhu základovej konštrukcie v jemnozrnných zeminách (silty a íly s vysokou, veľmi vysokou a extrémne vysokou plasticitou) musí byť hĺbka založenia až 1 600 mm. V tomto prípade problém nepredstavuje len premŕzanie, ale zároveň aj vysychanie (zmrašťovanie) počas letného obdobia.

Plošné zakladanie v nezámrznej hĺbke z pohľadu stavebnej tepelnej techniky

Nezanedbateľný vplyv na hĺbku premŕzania základovej pôdy a podložia vo vzťahu k budove, a teda aj na hĺbku založenia budovy hZ, má optimalizácia tepelnotechnických vlastností spodnej stavby, teda energetických tokov z budovy do podložia (obr. 1).

Obr. 1 Energetické toky a stavebné konštrukcie priemyselnej budovy

a1/a2 – podlaha na teréne (20 %), b – obvodová stena (25 %), c – strešný plášť (22 %), d1 – okno: transmisia (20 %), d2 – okno: vetranie (13 %), 1 – podlaha na teréne, 2 – stropná konštrukcia, 3 – obvodová stena pod úrovňou terénu, 4 – obvodová stena nad úrovňou terénu, 5 – okná, 6 – dvere a vráta, 7 – strešný plášť, 8 – svetlík

Konštrukčné požiadavky

Významnú úlohu v tomto prípade zohráva napojenie a symbióza s ostatnými obalovými konštrukciami. V prípade podlahových konštrukcií uložených na prírodnom teréne ide o napojenie na obvodový plášť a základovú konštrukciu.

Na havarijnom stave budov sa často nemalou mierou podieľa práve fakt, že sa podlahové konštrukcie navrhujú a posudzujú osobitne, bez akejkoľvek nadväznosti na ostatné konštrukcie. Pri návrhu konštrukčných detailov spodnej stavby budov osadených na prírodnom teréne (styku obvodovej steny, základovej a podlahovej konštrukcie) treba zohľadniť vplyv vonkajšieho prostredia, vplyv vnútorného prostredia.

Okrem toho aj konštrukčné požiadavky (výber stavebného materiálu v závislosti od statických a geotechnických požiadaviek, požiadaviek na hydroizolačnú techniku, na tepelnú ochranu budovy, protiradónovú ochranu, požiarnu bezpečnosť) a ekonomické požiadavky.

Nezohľadnenie uvedených faktorov a vplyvov môže mať za následok trvalé znehodnotenie konštrukčného detailu, ale aj zníženie celkovej kvality vnútorného prostredia. Neskorší zásah si často vyžiada dlhší čas s nutnosťou prerušiť prevádzku, čo často vedie k značným finančným stratám.

Umiestnenie tepelnej izolácie v konštrukčnom detaile

Na optimalizáciu tepelnotechnických vlastností navrhovanej spodnej stavby akejkoľvek budovy treba vykonať tepelnotechnické posúdenie, na základe ktorého sa navrhne vhodný spôsob eliminácie možného vzniku horizontálneho, respektíve vertikálneho tepelného mosta (ktorá aplikácia tepelnej izolácie – v akom množstve, hrúbke, kombinácii, vzdialenosti a s akými vlastnosťami bude najvhodnejšia pre konkrétny prípad konštrukčného riešenia).

Na to však treba poznať teplotný režim pôdy v blízkosti budovy a podložia pod budovou a až na základe toho definovať, ktorá aplikácia tepelnej izolácie (v akom množstve, hrúbke, kombinácii, vzdialenosti a s akými vlastnosťami) bude najvhodnejšia pre konkrétny prípad konštrukčného riešenia (obr. 2).

Obr. 2 Schematické znázornenie možných spôsobov riešenia problematiky spodnej stavby z hľadiska stavebnej tepelnej techniky (umiestnenie tepelnej izolácie)

a) 1 – zateplenie podlahovej konštrukcie v mieste styku s podložím, 2 – zateplenie základovej konštrukcie, 3 – zateplenie podlahovej a súčasne aj základovej konštrukcie (kombinácia oboch riešení), 4 – zateplenie prostredníctvom prídavnej vodorovnej tepelnoizolačnej vrstvy

b) vodorovná tepelná izolácia: 1 – z vnútornej strany základovej konštrukcie pod podkladovým betónom
2 – z vnútornej strany základovej konštrukcie nad hydroizolačnou vrstvou
zvislá tepelná izolácia: 3 – z vnútornej strany základovej konštrukcie, 4 – z vonkajšej strany základovej konštrukcie
vodorovná prídavná tepelnoizolačná vrstva: 5 – vo forme tepelnoizolačných dosiek, 6 – vo forme tepelnoizolačného násypu
zvislá prídavná tepelnoizolačná vrstva: 7 – samotný materiál základovej konštrukcie, 8 – vo vlastnej základovej konštrukcii

Hĺbka založenia

Optimalizácia navrhovania spodnej stavby budov osadených na prírodnom teréne sa realizuje z hľadiska minimálnej vnútornej povrchovej teploty qsi , potrebnej hĺbky založenia budovy hZ a z hľadiska lineárneho stratového súčiniteľa styku steny a podlahy Yg.

Hodnoty fyzikálnych veličín stavebných materiálov, aplikovaných vo vybranom konštrukčnom detaile postačujúcom na modelovú analýzu, sa stanovili na základe údajov uvedených v STN 73 0540-3 [8] v tabuľke 11 až 13 a údajov uvedených v  STN EN ISO 13370 [6] v tabuľke 1 a tabuľke G.1.

Potrebná hĺbka založenia budovy hZ sa v tomto prípade stanovila na základe polohy mrazovej izotermy – 1,0 °C (pri ktorej voda v zemine mení svoje skupenstvo – zamŕza) modelovou analýzou v dvojrozmerných teplotných poliach, ktoré sú určené na riešenie úloh stacionárneho vedenia tepla a difúzie vodnej pary metódou konečných prvkov.

Hĺbka založenia budovy hZ – P musí byť vo všeobecnosti taká, aby sa spodná úroveň základu (základová škára) krížila s vonkajším lícom základu práve v izoterme –1,0 °C (obr. 3).

Obr. 3 Grafické znázornenie vplyvu polohy tepelnej izolácie vo vybranom konštrukčnom detaile spodnej stavby na splnenie stanovených kritérií

qsi, – priebeh teplôt na povrchu podlahovej konštrukcie, priebeh mrazovej izotermy –1,0 °C a Yg – výpočet lineárneho stratového súčiniteľa styku steny a podlahy vo dvoch alternatívach (obvodová stena pozostávajúca z dvoch častí Yg*1, obvodová stena pozostávajúca z jednej časti Yg*2)

Obr. 4 Grafické vyhodnotenie vplyvu jednotlivých konštrukčných úprav (ich vhodnosti) na splnenie stanovených kritérií

a) splnenie hygienického kritéria (minimálnej vnútornej povrchovej teploty qsi),
b) potrebná hĺbka založenia budovy hZ (podľa polohy mrazovej izotermy –1,0 °C),
c) výpočet lineárneho stratového súčiniteľa styku steny a podlahy Yg

Zhrnutie výsledkov

Ako premenlivý faktor (obr. 2 až 4) vystupovala aplikácia doskovej tepelnej izolácie na báze extrudovaného polystyrénu. Vo vybranom konštrukčnom detaile spodnej stavby osadenej na prírodnom teréne sa menila jej poloha/umiestnenie.

Samostatnou aplikáciou tepelnej izolácie v konštrukčnom detaile spodnej stavby osadenej na prírodnom teréne nie je v súčasnosti možné splniť podmienku hygienického kritéria (minimálnej vnútornej povrchovej teploty konštrukcie qsi) – je nutné vykonať optimalizáciu konštrukčného detailu kombináciou polohy tepelnej izolácie.

Vzdialenosť, do akej zasahuje vplyv vonkajšej klímy za hranicu základovej konštrukcie smerom do stredu budovy, priamo závisí od toho, či sa do podlahovej a základovej konštrukcie aplikovala tepelná izolácia (nad alebo pod hydroizolačnú vrstvu, z vonkajšej alebo vnútornej strany, v akej hrúbke a s akými vlastnosťami).

Takisto od vlastností vnútorného prostredia (najmä teploty a relatívnej vlhkosti vzduchu, od spôsobu vykurovania a vetrania), od vlastností pôdy v blízkosti budovy a podložia pod budovou, od orientácie budovy na svetové strany, ale aj od zastavanosti územia.

So zväčšujúcou sa vzdialenosťou od vnútorného povrchu obvodovej steny vplyv vonkajšieho prostredia, a teda aj premŕzanie základovej pôdy/podložia, klesá. Z tohto dôvodu možno vnútorné základy založiť v menšej hĺbke. V prípade určovania úrovne základovej škáry pásov a pätiek zohráva dôležitú úlohu aj ich celková geometria, od ktorej sa odvíja uhol roznášania zaťaženia.

Tepelná izolácia

Rovnako efektívna ako tepelná izolácia aplikovaná v podlahovej konštrukcii celoplošne sa javí okrajovo aplikovaná tepelná izolácia v podlahovej konštrukcii (do vzdialenosti 2,0 m od vnútorného povrchu obvodovej steny), a to aj napriek zložitejšiemu konštrukčnému riešeniu a samotnej realizácii v porovnaní s celoplošne izolovanou podlahovou konštrukciou.

Netreba však zabúdať, že na výber vhodného materiálu skladby podlahovej konštrukcie majú vplyv najmä prevádzkové podmienky posudzovanej budovy a s nimi úzko súvisiaca možnosť zaťaženia samotnej podlahovej konštrukcie (možnosť vnútornej dopravy – napríklad prejazd vysokozdvižným vozíkom).

So zväčšujúcou sa vzdialenosťou aplikovanej tepelnej izolácie v podlahovej konštrukcii od vnútorného povrchu obvodovej steny úmerne narastá teplota na povrchu podlahovej konštrukcie, ale súčasne sa zvyšujú aj nároky na potrebnú hĺbku založenia budovy hZ.

Teplota na povrchu podlahovej konštrukcie, respektíve v pôde a podloží pod podlahou po obvode budovy a v kútoch je vždy nižšia ako teplota v strede budovy, a to až o niekoľko stupňov.

So zväčšujúcou sa šírkou hodnotenej budovy rastie aj priemerná teplota v podloží tesne pod podlahou. Prvoradým cieľom pri navrhovaní konštrukčných detailov spodnej stavby by nemala byť snaha o úplnú eliminácia tepelných strát z budovy do podložia, ale ich optimalizácia vzhľadom na možnosť vyhrievania podložia.

Pri návrhu treba preto zvoliť určitý kompromis vo výbere množstva, umiestnenia, vzájomnej kombinácie a voľby tepelnej izolácie v konštrukčnom detaile spodnej stavby, a to pri splnení všetkých normových a konštrukčných požiadaviek.

O výslednom návrhu založenia spodnej stavby akejkoľvek budovy by mal vždy rozhodovať projektant spolu so statikom a geo­technikom.

Záver

Vhodne navrhnutá a zrealizovaná tepelná izolácia v konštrukčnom detaile spodnej stavby chráni základovú zeminu pod základovou konštrukciou proti veľmi nízkym teplotám, premŕzaniu a súčasne prispieva k efektívnej optimalizácii znižovania tepelných strát budovy.

Okrem tepelnej izolácie možno okolo celej stavby vytvoriť drenážny systém (so štrkovým obsypom). Drenážny systém zachytáva povrchovú vodu, ktorá prúdi pozdĺž základovej konštrukcie, čím udržiava okolitú zeminu v relatívne suchom stave. Zemina sa tým stáva menej náchylná na objemové zmeny, ktoré by vznikli v dôsledku zamŕzania.

Tento príspevok vznikol pri riešení grantového projektu VEGA 1/1060/11: Monitorovanie zmien fyzikálnych parametrov obalových konštrukcií budov za kvázi stacionárneho stavu pri dynamických zmenách vonkajšieho prostredia.

Ing. Róbert Rudišin, PhD. je odborným asistentom v Ústave pozemného staviteľstva Katedry fyziky budov Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach.

Recenzoval Ing. Mikuláš Bobik, PhD., ktorý je riaditeľom oddelenia Stavebná fyzika – svetlo, teplo, akustika v spoločnosti Applied Precision, s. r. o.

Literatúra

1.    Knoppik-Wróbel, A. – Rudišin, R. – Scherfel, W.: Zakladanie rodinných domov v zámrznej hĺbke pri aplikácií ľahkých betónov z pohľadu konštrukčného návrhu, In: Podlahy a povrchové úpravy ve stavebnictví 2011, September 2011, ČR, Praha 4, KC Novodvorská, s. 105 – 109, ISBN 978-80-260-0166-9.
2.    Rudišin, R.: Analýza tepelných tokov vo vzťahu k podložiu priemyselných budov, Dizertačná práca, Košice: Technická univerzita v Košiciach, Stavebná fakulta, 2009, s.185.
3.    Rudišin, R. – Knoppik-Wróbel, A.: Zakladanie rodinných domov v zámrznej hĺbke pri aplikácií ľahkých betónov z pohľadu stavebnej tepelnej techniky, In: Podlahy a povrchové úpravy ve stavebnictví 2011, September 2011, ČR, Praha 4, KC Novodvorská, s. 149 – 153, ISBN 978-80-260-0166-9.
4.    Rudišin, R. – Knoppik-Wróbel, A. – Scherfel, W.: New solution of a dwelling house foundation structure – foundation slab made of lightweight concrete (PBG), In: Poruchy a obnova obalových konštrukcií budov, Apríl 2011, SR, Vysoké Tatry, Podbanské, s. 249 – 254, ISBN 978-80-553-0651-3.

Ďalšia použitá literatúra

5.    Rudišin, R. – Scherfel, W.: Opportunities, efficiency and effect of utilization of foam concrete in floor structures of hall industrial buildings on reduction of energy intensity, In: Budovy a prostředí 2010, 5. mezinárodní konference, október 2010, Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství, s. 214 – 221, ISBN 978-80-214-4155-2.
6.    STN EN ISO 13370: 2008: Tepelnotechnické vlastnosti budov, Šírenie tepla zeminou, Výpočtové metódy (ISO 13370: 2007).
7.    STN 73 1001:2010: Geotechnické konštrukcie, Zakladanie stavieb.
8.    STN 73 0540-3: 2002: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.