Ściany warstwowe – budowa i funkcje w budynku

Wprowadzenie

Z przegrodami warstwowymi spotykamy się w budownictwie na każdym kroku – budowę warstwową posiadają ściany, stropy, podłogi na gruncie, dachy, a nawet szyby zespolone w oknach. Potrzeba różnicowania warstw materiałowych w jednym elemencie konstrukcyjnym wynika z faktu, że przegrody budowlane mają do spełnienia różnorodne funkcje, z których wynikają często sprzeczne ze sobą parametry materiałowe. Na przykład stal, beton lub kamień są materiałami o dużej wytrzymałości mechanicznej lecz „zimne”, tzn. dobrze przewodzące ciepło. W artykule przedstawiono budowę i podstawowe funkcje w budynku warstwowych przegród budowlanych na przykładzie ścian zewnętrznych. Przegrody te maję w budynku mają za zadanie przede wszystkim:

• przenosić obciążenia ze stropów i dachu a także od ciężaru własnego na fundamenty lub inne niżej położone elementy konstrukcji – w przypadku lekkich ścian osłonowych należy również rozpatrywać obciążenie wiatrem,
• izolować pomieszczenia budynku od nadmiernego wychłodzenia zimą i nadmiernego przegrzewania się latem,
• izolować pomieszczenia budynku od nadmiernego hałasu z zewnątrz,
• nie dopuszczać do trwałego zawilgocenia murów, ponieważ może to doprowadzić do korozji materiałów ściany, wykwitów solnych, zagrzybienia itp.,
• tworzyć estetyczną elewację budynku.

Rodzaje warstw w konstrukcji ściany
Biorąc pod uwagę wymienione wcześniej funkcje można w konstrukcji ściany wyróżnić następujące warstwy:

• warstwa nośna, której zadaniem jest przede wszystkim przenoszenie obciążeń; zbudowana jest z materiałów masywnych: pustaków lub cegieł ceramicznych, silikatowych lub gazobetonowych albo z betonu (np. w przypadku praktycznie niestosowanej już dzisiaj w nowych budynkach „wielkiej płyty”); w tzw. budynkach szkieletowych warstwa nośna może być zastąpiona szkieletem konstrukcyjnym ze stali, betonu lub drewna,
• warstwa termoizolacyjna, której zadaniem jest niedopuszczenie do strat ciepła budynku; w chwili obecnej konstruowana jest najczęściej z płyt styropianowych lub z wełny mineralnej; warstwa termoizolacyjna powinna również chronić przed wychłodzeniem warstwę nośną, dlatego podstawową zasadą jest umieszczenie termoizolacji na zewnątrz warstwy nośnej (nigdy od strony pomieszczenia),
• warstwa fakturowa, która chroni termoizolację termiczną przed zawilgoceniem od zewnątrz, zbudowana np. z warstwy cegieł lub pustaków (o mniejszej grubości niż warstwa nośna); w nowoczesnych systemach dociepleń rolę warstwy fakturowej przejęły tynki cienkowarstwowe, będące jednocześnie warstwą okładzinową,
• okładziny wewnętrzne, stanowiące wykończenie pomieszczenia, są to tynki z warstwami malarskimi, płytki ceramiczne, boazeria, płyty gipsowo- kartonowe, itp.,
• okładziny zewnętrzne, stanowiące wykończenie elewacji, są to tynki klasyczne z warstwami malarskimi, tynki cienkowarstwowe (mineralne, akrylowe lub silikatowe), okładziny z paneli z tworzywa sztucznego, itp.

W nazewnictwie konstrukcji ścian pomija się cienkie warstwy okładzinowe i fakturowe, dlatego otynkowany obustronnie masywny mur np. z cegły nazywany jest przegrodą jednowarstwową.

Wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych

Spośród wymienionych wcześniej funkcji przegród zewnętrznych największą wagę przywiązuje się od ponad dwudziestu lat izolacyjności cieplnej przegród, stopniowo likwidując wcześniejsze zaniedbania w tym zakresie.

Miarą izolacyjności cieplnej ściany jest jej współczynnik przenikania ciepła U [W/m2K], który wyraża ilość ciepła, która przenika przez powierzchnię ściany – korzystne jest więc, aby ściana miała niską wartość U. Na współczynnik przenikania ciepła największy wpływ ma grubość materiału izolacyjnego, ponieważ docieplenie muru warstwą wełny mineralnej lub styropianu grubości 1 cm daje takie obniżenie wartości U, jak ok. 15 cm muru z cegły.    Izolacyjność cieplna przegród budowlanych wiąże się ze zużyciem energii w skali całej gospodarki, więc pośrednio również z ochroną atmosfery. Wcześniej, do lat 70-tych XX wieku lansowano tezę, że wysokie zużycie energii, jak również wielkie inwestycje realizowane w tym okresie są miarą postępu, jaki dokonał się w naszym kraju. Polska miała być jednym z dziesięciu najbardziej uprzemysłowionych krajów świata. Nie zwracano uwagi na to, że miarą postępu powinna być nie ilość zużytej energii, ale racjonalne jej zużycie i nie wielkość inwestycji, ale nowoczesność technologii produkcji. Później jednak stało się jasne, że gospodarka kraju nie może ponosić tak wielkich wydatków energetycznych. Kryzys gospodarczy lat 80-tych wskazał na potrzebę racjonalnego zmniejszenia energochłonności gospodarki. Uświadomiono sobie, że energia włożona w trakcie budowy stanowi mniej niż 10 % energii włożonej w późniejszą eksploatację budynków. Z tego względu w szybkim tempie w przepisach prawnych i normatywnych zwiększano wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej przegród budowlanych.

Norma PN-74/B-02020 „Ochrona cieplna budynków”, która obowiązywała do lat 80-tych XX w. zakładała współczynnik przenikania ciepła ścian zewnętrznych U = 1,16 W/m2K (taką izolacyjność cieplną posiada np. jednowarstwowa ściana z cegły pełnej grubości 51 cm). Współczynnik ten zredukowano w kolejnej normie z 1982 r do wartości U = 0,75 W/m2 K, a w 1991 r. do wartości U = 0,55 W/m2 K. Aby osiągnąć takie wskaźniki konieczne było stosowanie ścian warstwowych z warstwą materiału termoizolacyjnego grubości kilku centymetrów. Od 1997 r. wymagane wartości izolacyjności cieplnej ścian zawarto w rozporządzeniu ministerialnym. Przy tej okazji zredukowano wartość współczynnika do U = 0,3 W/m2K (osiągnięcie tego współczynnika wymaga zastosowania 10-15 cm wełny mineralnej lub styropianu), z tym że dla ścian jednowarstwowych określono bardziej liberalne wymaganie: U = 0,5 W/m2K. W sumie więc, w stosunku do przegród realizowanych w latach 70-tych XX w., wymaga się czterokrotnej redukcji strumienia ciepła przenikającego przez ściany zewnętrzne. Należy jednak zauważyć, że nie oznacza to czterokrotnego zmniejszenia zużycia energii w trakcie eksploatacji budynku, ponieważ w miarę zmniejszania się przenikania ciepła przez przegrody, w ogólnym bilansie energetycznym budynku wzrasta procentowy udział strat ciepła na wentylację (wentylację można ograniczyć jedynie do pewnego stałego poziomu).

W nowszych przepisach oprócz wymagań dotyczących współczynnika U poszczególnych przegród budowlanych zalecono również spełnienie wymagań dotyczących tzw. wskaźnika E wyrażonego w kWh/m2rok. Wskaźnik ten wyraża zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzewania budynku w okresie grzewczym i uwzględnia nie tylko straty ciepła przez przegrody (ściany, okna, dach, podłogi), ale również straty przez wentylację i zyski ciepła (promieniowanie słoneczne, urządzenia elektryczne itp.).

Konstrukcje ścian zewnętrznych

Konieczność spełnienia wymagań ochrony cieplnej sprawiła, że ogromna większość realizowanych obecnie ścian zewnętrznych ma budowę warstwową (lub jednowarstwową z materiałów o dość dobrych właściwościach izolacyjnych). W istniejących i realizowanych budynkach można wyróżnić następujące konstrukcje ścian:

• ścianę jednowarstwową (z warstwami okładzinowymi),
• ścianę szczelinową z pustką powietrzną,
• ścianę trójwarstwową,
• ścianę warstwową w deskowaniu traconym,
• ścianę z elementów warstwowych,
• ścianę ocieploną od zewnątrz (najczęściej dwuwarstwową) z cienką warstwą fakturowo-osłonową.

Ściany jednowarstwowe

Ściany takie powszechnie stosowane były do lat 70-tych XX wieku. Wykonywane były z cegły, kamienia, pustaków ceramicznych itp. W chwili obecnej, ze względu na niską izolacyjność cieplną, tego typu rozwiązania nadają się w zasadzie do wznoszenia ścian budynków nieogrzewanych: budynki gospodarcze, magazyny itp. Wyjątkami są nowoczesne systemy:

• wznoszenia ścian z bloczków z betonu komórkowego o dużej dokładności wymiarów, pozwalających na zastosowanie cienkich spoin (rzędu 3 mm) i z systemem pióro-wpust eliminującym spoiny pionowe – np. wg danych technicznych firmy Ytong można osiągnąć współczynnik U = 0,23 W/m2K przy grubości ściany 40 cm,
• wznoszenia ścian z pustaków z ceramiki poryzowanej (w materiale ceramicznym w trakcie produkcji wytwarzane są niewielkie pory znacznie podwyższające izolacyjność cieplną) – np. wg danych producenta pustak Porotherm szerokości 50 cm z systemem pióro-wpust może osiągnąć współczynnik U = 0,29 W/m2K.

Ściany szczelinowe z pustką powietrzną

Ściany takie składały się z wewnętrznej warstwy nośnej i masywnej warstwy fakturowej przedzielonej warstwą powietrzną grubości 2-5 cm, która była izolatorem ciepła (podobnie jak w termosie) o małej jednak skuteczności. Np. w układzie: cegła pełna 25 cm, warstwa powietrzna 3 cm, warstwa fakturowa z cegły 12 cm, współczynnik przenikania ciepła wynosi ok. 1,2 W/m2K. Warstwy masywne w ścianie przewiązane były metalowymi kotwami. Ściany takie stosowano w okresie małej dostępności materiałów izolacyjnych i obecnie nie mają większego zastosowania.

Ściany trójwarstwowe

Podobny układ, jak w ścianach ze szczeliną powietrzną, lecz szczelina wypełniona materiałem izolacyjnym. W budynkach wielkopłytowych miały zastosowanie już w latach 60-tych. W budownictwie jednorodzinnym masowo wznoszone od lat 80-tych do dzisiaj. Izolacyjność cieplna ściany w zasadzie zależy od grubości materiału izolacyjnego (tab.1). W przypadku warstwy izolacyjnej z wełny mineralnej stosowano dodatkowo wentylowaną warstwę powietrzną w celu osuszania termoizolacji. Budowę typowej ściany trójwarstwowej z początku lat 90-tych XX wieku przedstawiono na rys. 1.

     Tabela 1. Współczynniki przenikania ciepła U, W/m2K, dla ściany trójwarstwowej, ocieplonej styropianem FS15, z warstwą fakturową z cegły pełnej grubości 12 cm

Rys. 1. Układ warstw w typowej ścianie trójwarstwowej: 1 – tynk cem.-wap., 2 – cegła ceramiczna kratówka (warstwa fakturowa), 3 – izolacja termiczna, 4 – pustak ceramiczny (warstwa nośna). 5 – tynk cem.-wap., 6 – kotew stalowa.

Ściany warstwowe w deskowaniu traconym

Są to systemowe rozwiązania, w których ściana układana jest z kształtek z materiału izolacyjnego, natomiast pustki w kształtkach są zabetonowywane i zbrojone. W ten sposób powstaje szkielet nośny otoczony materiałem izolacyjnym. Typowym rozwiązaniem był tutaj reklamowany na początku lat 90-tych system pustych w środku kształtek styropianowych Thermomur, układanych na zasadzie klocków „Lego”. Ze względu jednak na trudności w wykonaniu oraz duże zużycie stali i betonu, jak również ze względu na brak tradycji we wznoszeniu takich ścian, systemy deskowania traconego nie znalazły szerszego zastosowania.

Ściany z elementów warstwowych

Rys. 2. Cegła Plus – przykład elementu ceramicznego z wmontowaną wkładką styropianową

Przykładem mogą być tutaj okładziny z płyt metalowych płyt warstwowych wypełnionych materiałem izolacyjnym (pianka poliuretanowa, styropian). Ściany takie wznoszone są w zasadzie jako ściany osłonowe wypełniające szkielet konstrukcyjny w halach przemysłowych, budynkach magazynowych, dużych budynkach handlowych itp. Stosowane są również rozwiązania z elementów ceramicznych lub z betonów lekkich z wmontowaną izolacją termiczną. Przykładowe rozwiązanie takiego elementu przedstawiono na rys. 2.

Ściany ocieplone od zewnątrz

Systemy ocieplenia zewnętrznego miały w założeniu mieć zastosowanie do docieplania budynków istniejących. Pierwszymi stosowanymi sposobami dociepleń były: metoda lekka sucha (materiał izolacyjny umieszczony na ruszcie drewnianym, warstwa okładzinowa z blachy, płyt azbestowo-cementowych lub paneli z tworzyw sztucznych, rys. 3) i ciężka mokra (materiał izolacyjny przytwierdzony do warstwy istniejącej kotwami stalowymi, warstwa okładzinowa na metalowej siatce, rys.4). Obecnie, po opracowaniu systemów tynków cienkowarstwowych na lekkiej siatce z włókna szklanego i sposobów mocowania płyt styropianowych za pomocą kleju i kołków rozporowych z tworzywa sztucznego, najpopularniejszą metodą jest metoda lekka mokra (rys. 5). Metodą tą masowo docieplane są obecnie zarówno mury istniejące, jak i nowowznoszone. Doprowadziło to do rezygnacji z masywnej zewnętrznej warstwy fakturowej i pozostawienia ściany dwuwarstwowej. Konstrukcja ta jest popularna obecnie zarówno w budownictwie jedno- jak i wielorodzinnym. Materiałem izolacyjnym jest tutaj najczęściej styropian, rzadziej twarde płyty z wełny mineralnej. Ściany dwuwarstwowe są obecnie najpopularniejszą konstrukcją ścian zewnętrznych budynków mieszkalnych. Ocieplenie budynku odpowiedniej grubości warstwą styropianu (10-14 cm) likwiduje w zasadzie problem nieodpowiedniej izolacyjności cieplnej ścian. Należy jednak pamiętać, że takie docieplenie uszczelnia przegrody zewnętrzne i, szczególnie przy równoczesnej wymianie okien na szczelne, może spowodować niedobór nawiewu powietrza do celów wentylacji i występowanie niekorzystnych zjawisk związanych z nadmierną zawartością pary wodnej w pomieszczeniach.

Rys. 3. Przykłady docieplenia ścian wielorodzinnych budynków mieszkalnych metodą lekką suchą na ruszcie drewnianym (początek lat 90-tych XX wieku): a) ocieplenie styropianem, okładzina z blachy fałdowej, b) ocieplenie wełną mineralną, okładzina z płyt azbestowo cementowych (obecnie materiały na bazie azbestu są wycofane z użycia)

Rys. 4. Przekrój ściany budynku docieplonej metodą ciężką mokrą: l – styropian, 2 – tynk cementowo-wapienny grubości ok. 3,5 cm, 3 – metalowa podtynkowa siatka Rabitza, 4 – pręt górnej siatki f 8 mm, 5 – pręt dolnej siatki f 10 mm, 6 – pręt kotwiący f 22 mm

Rys. 5. Przekrój ściany budynku docieplonej metodą lekką mokrą: l – ściana docieplana, 2 – klej do styropianu, 3 – płyta styropianowa, 4 – siatka z włókna szklanego, 5 – klej do siatki, 6 – tynk cienkowarstwowy na podłożu zagruntowanym.

Zbigniew Respondek
Wydział Budownictwa
Politechnika Częstochowska

WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 1/2008