Problemy jednopowłokowych dachów wykonanych ze stalowych blach trapezowych

Od wielu lat bardzo popularnymi konstrukcjami dachowymi są jednopowłokowe dachy wykonane ze stalowych blach trapezowych, na których znajduje się warstwa termoizolacji i pokrycia (RYS. 1). Stosuje się je na halach produkcyjnych, magazynowych, sklepowych itp. W takich dachach pod wpływem temperatury i wilgotności powietrza może dochodzić do powstawania przewiewów wewnętrznych i skroplin.

Szczeliny dylatacyjne

Teoretycznie, szczeliny dylatacyjne między nośnymi blachami trapezowymi należy wykonywać tylko w miejscach dylatacji konstrukcji budynku, ponieważ płyta nośna tworzona przez blachy znajduje się od wewnętrznej strony przegrody i różnice temperatury działające na blachy są niewielkie.

W praktyce jednak sytuacja wygląda inaczej, ponieważ rozszerzalność termiczna obejmuje również okresy budowy. W hali z dachem na podłożu z blach fałdowych montowanym zimą latem temperatura może przekraczać nawet 30°C. Podczas konstruowania hali należy więc uwzględniać maksymalną różnicę temperatur wynoszącą min. 40°C. O skali zmian temperatury w znaczący sposób decyduje również sposób wykorzystania obiektu.

Ze względu na te uwarunkowania konstruktorzy hal pozostawiają zawsze szczeliny między płytą nośną dachu a ścianami oraz przy ramach wszelkich przejść przez dach, głównie świetlików, klap dymowych i kanałów wentylacyjnych (FOT. 1–2).

Wielkość szczelin powinna zależeć od długości hali mierzonej wzdłuż blach łączonych z pojedynczych arkuszy. Połączenia wzdłużne i poprzeczne arkuszy realizowane są na zakłady. Arkusze są zaś skręcane (FOT. 3) w taki sposób, że nie kompensują ruchów termicznych blach.

Przez widoczne na FOT. 1–2 szczeliny przedostają się duże ilości powietrza w obszar zamknięty między dolną podstawą profilu a warstwę paroizolacji leżącą pod termoizolacją mocowaną mechanicznie do trapezu. Objętość przestrzeni utworzonej i zamkniętej przez profil blach jest duża (ze względu na wysokość profili), a połowa powierzchni dachu jest zamknięta.

Powietrze podlegające ruchom wywołanym zmianami ciśnienia, temperatury i wilgotności stale krąży. W halach odbywa się zawsze większy lub mniejszy ruch, otwierane są drzwi okna lub wrota, a poszczególne ściany i dach podlegają zmiennym działaniom słońca (nagrzewają się lub chłodzą).

Rozszerzalność termiczna

Zjawisku rozszerzalności termicznej podlegają nie tylko blachy, lecz wszystkie materiały tworzące system dachu. Ciekawe jest zwłaszcza zestawienie wielkości rozszerzalności stali i styropianu (EPS) – najpopularniejszego rodzaju termoizolacji w takich konstrukcjach (RYS. 1): współczynnik rozszerzalności termicznej stali to 1,1/100 000 [1/K], a EPS 5–7/100 000 [1/K]. Styropian ma zatem od 5 do 6 razy większą rozszerzalność (w zależności od gatunku). Ma to duże znaczenie dla funkcjonowania dachu.

Większość pokryć dachów wspartych na podłożu z blach trapezowych mocowana jest mechanicznie za pomocą łączników teleskopowych (RYS. 1–2). Łączniki utrzymują styropian i pokrycie. Zamocowane są w zakładach między pasmami pokrycia i przebijają termoizolację i paroizolację. Rozkład temperatury na grubości styropianu jest zmienny.

Najwyższa temperatura panuje w warstwie zbliżonej do papy lub membrany i jest wysoka w słoneczne dni latem. Ze względu na własności styropianu nie powinna przekraczać 90°C. Dolna warstwa w takich warunkach ma znacznie niższą temperaturę, co wywołuje naprężenia i ruchy termiczne styropianu.

Warto zauważyć, że duże obiekty (m.in. hale) podlegają oddziaływaniom wynikającym ze zmian temperatury wywołanych:

• porami dnia - hale rzadko ogrzewa się lub klimatyzuje w całości;
• ustawieniem względem słońca;
• wymianą powietrza wewnętrznego;
• urządzeniami funkcjonującymi wewnątrz.

Z tego powodu konstrukcja metalowa podlega rozszerzalności termicznej, a dach jeszcze intensywniej (ciepłe powietrze się unosi i w tej warstwie szybciej następują zmiany temperatury). To wywołuje ruchy termiczne warstwy nośnej wykonanej z blach trapezowych.

Sposób mocowania i łączenia tych blach w dużych obiektach powinien więc zawierać przerwy dylatacyjne. Nie zawsze jednak tak jest. Zbyt często kompensacja tych ruchów jest przypadkowa lub w ogóle jej nie ma. W efekcie na wielu halach warstwy dachu się przemieszczają. Dowodem na to są zmarszczki (FOT. 4) i rozciągnięte złącza pokrycia (FOT. 5).

Takie zjawiska są możliwe tylko w efekcie wzajemnych przemieszczeń termoizolacji i innych warstw dachu pod wpływem ruchów termicznych. Przy czym wielkość i liczba przesunięć jest przypadkowa.

Skoro można zobaczyć skutki działania ruchów termicznych na warstwie pokrycia, śmiało można założyć, że do podobnych efektów dochodzi na warstwie paroizolacyjnej. Dodatkowo paroizolacje w tych systemach są dziurawione przez łączniki mocujące, więc można się spodziewać, że w bardzo wielu miejscach dziury są na tyle duże, aby przepuszczać powietrze.

Ponadto jeżeli płyty styropianu też przesuwają się względem siebie, to na dużych powierzchniach w wielu miejscach szczeliny mogą być na tyle duże, aby następował przepływ powietrza wywołany różnicą temperatury występującą między dolną a górną warstwą styropianu.

Latem temperatura w warstwie styropianu stykającego się z blachą wynosi prawie tyle, ile ma powietrze zamknięte pod paroizolacją. Wiadomo, że temperatura tej warstwy styropianu jest stabilniejsza niż temperatura stale przepływającego pod nim powietrza.

Z tego powodu w takich dachach często powstają skropliny w przestrzeniach międzywarstwowych. Sprzyjają temu warunki pogodowe.

Wilgotność względna powietrza (RH)

Na przełomie czerwca i lipca 2014 r. przez Polskę przetoczyła się fala powietrza zwrotnikowego. Temperatura w ciągu dnia wahała się między 27°C a 30°C, a wilgotność względna sięgała 85%. Trwało to od kilku dni do tygodnia, w zależności od regionu Polski. W TABELI zaznaczono temperaturę punktu rosy w odniesieniu do takiego powietrza (według DIN 4108:1981).

Jak wynika z TABELI, przy temp. 27°C i RH = 80% schłodzenie powietrza do Tr = 23,3°C, czyli o 3,7°C, powoduje powstawanie skroplin. Przy temp. 30°C i RH = 85%, Tr = 27,2°C schłodzenie o 2,8°C jest początkiem powstawania skroplin. Ilość skroplin zależy od wielkości spadku temperatury i ilości schłodzonego powietrza.

Warto zauważyć, że w dużych i wysokich halach zawsze ciepłe powietrze gromadzi się pod dachem i zawsze ma wyższą temperaturę i wilgotność niż powietrze znajdujące się na poziomie posadzki. W tak ciepłe i wilgotne dni pod dachem musiało więc być powyżej 30°C i RH = 90%. W takich warunkach spadki temperatury już o jeden stopień wywołują powstawanie w dachu skroplin.

Jak wiadomo najwięcej skroplin powstaje w dachach w czasie porannych zmian temperatury, kiedy dach jest jeszcze zimny po nocnym schłodzeniu, a napływające do środka budynków powietrze jest już ciepłe i wilgotne.

Warto przypomnieć jeszcze jedną prawidłowość: tuż przed deszczem i w jego trakcie wilgotność względna powietrza rośnie do 80% i więcej. Wtedy łatwo powstają skropliny. Na RYS. 3 przedstawiono parametry powietrza zmierzone w różnych miejscach hali, której dach pokazano na FOT. 4–5. W dniu prowadzenia pomiarów długo padał deszcz. O godz. 10 w hali zbierano jeszcze skropliny kapiące z dachu. Poprzedniego dnia również padało.

W halach o kubaturze od 2 tys. m2 do 25 tys. m2 (lub większej) ilość powietrza, jaka może przepłynąć wewnątrz i wzdłuż profili płyty nośnej dachu wykonanej z blach trapezowych, może więc być duża – wystarczająca, aby zbierano codziennie kilkanaście litrów wody w kilku miejscach.

Ważne jest także to, gdzie powstają skropliny – miejsce w systemie materiałowym dachu, do którego dociera ciepłe powietrze, decyduje o stopniu jego schłodzenia.

Jeśli jest dużo szczelin w paroizolacji i termoizolacji, powietrze dociera wyżej i w większej ilości. Z tego powodu ilość skroplin zależy nie tylko od parametrów powietrza, lecz także od liczby i wielkości szpar. W odniesieniu do opisywanego dachu są dowody na przesunięcia warstw, a tym samym na powstanie szczelin i funkcjonowanie przewiewów wewnętrznych.

Przyczyny wyciekania

W przytoczonym przykładzie przyczyn wyciekania wody mogło być więcej. Bardzo rzadko można bowiem dokładnie wyjaśnić, co spowodowało wycieki z dachów o konstrukcji z wykorzystaniem blach trapezowych. Przykładowo, w wielu takich konstrukcjach na skutek pośpiechu i braku procedur układa się styropian w czasie opadów deszczu lub śniegu.

Nikt nie kontroluje poziomu wilgoci lub wody zamkniętej w takich dachach podczas budowy. Wilgoć ta gromadzi się najczęściej na paroizolacji wykonanej z najtańszych folii polietylenowych i gdy wzrost temperatury oraz ruchy termiczne blach spowodują pofalowanie folii, tworzą się koryta z wodą oraz kanały przepływowe. Wówczas nawet niewielki przewiew może dostarczyć dodatkowe ilości wody. Stąd wycieki powiązane są ze wzrostem wilgotności powietrza.

Dokładne zbadanie i wykrycie przyczyn wyciekania wody wymaga pracy i jest kosztowne. Niestety, zwykle inwestorzy oszczędzają na takich konstrukcjach i nie są zainteresowani wyjaśnieniem sprawy. Potrzebują jedynie wskazania winnych, by dochodzić odszkodowań za szkody poniesione na skutek opisanych zjawisk. Tymczasem, nieświadomi swoich decyzji technicznych, są często sami w dużej mierze odpowiedzialni za powstawanie wycieków.

Podsumowanie

Popularna technologia budowy dachów z wykorzystaniem konstrukcyjnych blach trapezowych ma swoje słabe punkty. Ich rozpoznanie jest istotne z punktu widzenia doskonalenia sztuki budowania. Blachy trapezowe tworzą przegrody o krawędziach trudnych do uszczelnienia powietrznego ze względu na rozszerzalność termiczną i kształt profilu.

Wady te są również efektem powszechnego, źle pojmowanego oszczędzania. Prawidłowe wykonanie takich konstrukcji jest bowiem jak najbardziej możliwe, jeżeli wszystkie warstwy zostaną odpowiednio wbudowane.

Warto też podkreślić, że zjawiska zachodzące w tego typu konstrukcjach są przykładem na to, jak ważnym elementem dachów są paroizolacje. W takich konstrukcjach powinny być to materiały z wyspecjalizowanych pap, produkowanych w wersjach przeznaczonych do takich zastosowań.

Opisywane problemy występują często w halach wykorzystywanych jako budynki produkcyjne, magazynowe i sklepowe. Tak budowane są również piekarnie, które nawet przy kontrolowanej atmosferze mają problemy ze skroplinami.

Rysunki: autor z wykorzystaniem rysunków firm: Vedag, Blachy Pruszyński i Stowarzyszenie DAFA.

Literatura

1. DIN 4108:1981, „Wärmeschutz im Hochbau”.
2. „Izolacje styropianowe w budownictwie”, Stowarzyszenie Producentów Styropianu, Kraków 2005.
3. „Fizyka budowli. Jednopowłokowy dach wykonany ze stalowych blach fałdowych z wierzchnią izolacją i uszczelnieniem”, DAFA, ID 4.01, 2010.
4. „Podstawy. Stalowe blachy trapezowe jako konstrukcja nośna dachów płaskich”, DAFA, ID 1.01, 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!