Kolor okładziny a obciążenia termiczne płyt warstwowych

Dokumentem odniesienia dla producentów płyt warstwowych jest zharmonizowana norma wyrobu PN-EN 14509:2010 „Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową. Wyroby fabryczne. Specyfikacje” [1].

Dokumentami przywoływanymi w deklaracji zgodności mogą być również aktualne aprobaty techniczne wydane przez Instytut Techniki Budowlanej. W wypadku płyt wprowadzanych na rynek polski producent może deklarować zgodność produkowanych płyt warstwowych z normą wyrobu bądź z aprobatą techniczną ITB.

Norma PN-EN 14509:2010 [1] nie jest jedynym dokumentem normatywnym dotyczącym płyt warstwowych. W dalszym ciągu aktualna jest wydana w latach 80. polska norma PN-84/B-032301) „Lekkie ściany osłonowe i przekrycia dachowe z płyt warstwowych i żebrowych. Obliczenia statyczne i projektowanie” [2]. W dokumencie tym, który nigdy nie uzyskał statusu normy wyrobu, oprócz wytycznych do projektowania zawarte są wymagania dotyczące obliczeń statycznych, w tym zasady obliczania ugięć i nośności płyt warstwowych z uwagi na ich obciążenie termiczne.

Odkształcenia płyt warstwowych

Obciążenie termiczne jest jednym z oddziaływań, które należy brać pod uwagę przy obliczeniach statycznych płyt warstwowych. Pozostałe czynniki to:

•  śnieg (w wypadku płyt dachowych),
•  ciężar własny,
•  obciążenie wiatrem,
•  obciążenia konstrukcyjne (np. instalacja podwieszana).        

Sposób zachowania się płyty warstwowej w zależności od działającej temperatury został przedstawiony na rys. 1–2. W obu przykładach przyjęto schemat płyty jednoprzęsłowej, zamocowanej do podpory łącznikami przelotowymi.

Na rys. 1 pokazano odkształcenie płyty w okresie zimowym wywołane różnicą temperatury między okładziną zewnętrzną (–30°C) a wewnętrzną (+20°C). Okładzina wewnętrzna uległa wydłużeniu w stosunku do okładziny zewnętrznej, która z kolei się skróciła. W efekcie ugięcie płyty skierowane jest do wnętrza budynku.

Na rys. 2 przedstawiono odwrotną sytuację. Od strony wewnętrznej temperatura nie uległa zmianie. Znacznie wyższa jest natomiast temperatura od strony zewnętrznej. Powoduje to wydłużenie okładziny zewnętrznej i odkształcenie płyty na zewnątrz budynku. Z taką sytuacją mamy do czynienia najczęściej latem, gdy pod wpływem promieniowania słonecznego okładzina zewnętrzna mocno się nagrzewa.

Uwzględnienie, w którą stronę następuje ugięcie, jest istotne przy rozpatrywaniu różnych wariantów kombinacji obciążeń. Należy również pamiętać, że zimą ugięcie płyty wywołane różnicą temperatury będzie jeszcze większe, jeśli na przegrodę z płyt będzie oddziaływać parcie wiatru. Natomiast przy ssaniu wiatru ugięcie ulegnie zmniejszeniu.

Obliczanie ugięć i momentów zginających

Wartość ugięcia płyty warstwowej wywołanego różnicą temperatury zależy od:

• wartości temperatury wewnętrznej,
• wartości temperatury zewnętrznej, koloru okładzin, intensywności nasłonecznienia,
• grubości rdzenia,
• rozpiętości płyty i układu statycznego (jedno- lub wieloprzęsłowego).

W obu przytoczonych normach: PN-EN 14509:2010 [1] i PN­‑84/B-03230 [2] podane są wzory do obliczania ugięć i momentów zginających płyt warstwowych pod obciążeniem termicznym. Wartości uzyskiwane w wyniku obliczeń prowadzonych według pierwszej i drugiej normy są bardzo zbliżone.

Istotną różnicą jest jednak sposób podejścia do płyt jednoprzęsłowych. Zgodnie z normą europejską w odniesieniu do płyt jednoprzęsłowych o okładzinach płaskich lub lekko profilowanych nie uwzględnia się momentów zginających w przęśle. Natomiast zgodnie z PN-84/B-03230 [2] obciążenie termiczne, również w płytach jednoprzęsłowych, powoduje powstanie momentu zginającego wzdłuż krawędzi płyty, co obrazuje rys. 3.

Wzory do obliczeń ugięć oraz momentów zginających jednoprzęsłowych płyt warstwowych w okładzinach płaskich lub lekko profilowanych podano w tabeli 1. Szczegółowe wytyczne i wzory do obliczeń podane są w tablicach E.10.1 i E.10.2 normy PN-EN 14509:2010 [1].

Do poprawnego przeprowadzenia obliczeń konieczne jest założenie właściwych wartości temperatury okładziny wewnętrznej i zewnętrznej. Przyjmuje się, że wartość temperatury okładziny wewnętrznej równa jest wartości temperatury pomieszczenia – ok. 20°C (pomijając budynki chłodni i mroźni, gdy temperatura może dochodzić do –30°C).

Sytuacja komplikuje się w wypadku okładziny zewnętrznej, zwłaszcza w okresie letnim. Zimą na terenie Polski temperaturę okładziny zewnętrznej można przyjąć jako równą –30°C. Natomiast w okresie ciepłym wartość temperatury okładziny zewnętrznej zależy nie tylko od temperatury zewnętrznej otoczenia, lecz także od koloru okładzin – im ciemniejszy kolor, tym wpływ nagrzewania jest większy.

Podział na grupy kolorystyczne

W normie wyrobu kolory zostały podzielone na trzy grupy: bardzo jasne, jasne i ciemne. Wartość temperatury okładziny zewnętrznej przyjmowana jest w zależności od tego, do której z grup przypisany jest dany kolor. Przypisanie go do jednej z trzech grup jest uzależnione od wartości R_G, tj. stopnia odbicia promieniowania słonecznego w stosunku do odbicia od tlenku magnezu.

Wartości temperatur w zależności od grupy kolorystycznej podano w tabeli 2. Wartość R_G powinna być zadeklarowana przez dostawcę blachy pokrytej kolorową powłoką.

W celu dokładniejszego wyznaczenia wartości temperatury można posłużyć się wzorami:

Każdy kolor powinien być ponadto zdefiniowany za pośrednictwem kodu RAL. W systemie tym kolory podzielone są na siedem grup. Każdej z nich przypisany jest dwucyfrowy kod. W każdej grupie rozróżniane są poszczególne odcienie. Grupy kolorystyczne według RAL wraz z odpowiadającymi im kodami zestawiono w tabeli 3.

Z tabeli 3 wynika, że nie da się przypisać poszczególnych grup kolorystycznych RAL do kolorów bardzo jasnych, jasnych lub ciemnych. Przykładem tego jest grupa o kodzie RAL 90XX, do której zaliczane są zarówno czarne, jak i białe barwy, które zgodnie z normą PN-EN 14509:2010 należą do skrajnie różnych grup, czyli do kolorów bardzo jasnych i ciemnych.

Podczas klasyfikowania koloru do jednej z trzech grup według normy nie można kierować się intuicją. Takie działanie może skutkować np. zaniżoną wartością obciążeń termicznych w obliczeniach statycznych. Przykładowo kolor szary mógłby być uznany za jasny, chociaż niektóre jego odcienie mogą należeć do III grupy, czyli do kolorów ciemnych. Prawidłowy podział zależy od wartości R_G. Przykładowe zestawienie kolorów według RAL i odpowiadające im grupy kolorystyczne przedstawiono w tabeli 4.

Wpływ koloru okładzin na ich temperaturę

Bardzo istotne jest prawidłowe zakwalifikowanie koloru do danej grupy. Pomyłka może bowiem prowadzić do niedoszacowania różnicy temperatury między okładziną zewnętrzną i wewnętrzną nawet o kilkadziesiąt stopni.

Zależność między wartością różnicy temperatur a wartością temperatury wewnętrznej i kolorem okładziny przedstawiono na rys. 4. Pokazano na nim wartości temperatury okładziny wewnętrznej w zależności od grupy kolorystycznej z podziałem na okres letni i zimowy. Przy czym w okresie zimowym zdecydowanie większą rolę odgrywa temperatura zewnętrzna niż kolor okładziny.

Zestawione na schemacie wartości pokazują, w jakim stopniu może zmieniać się temperatura w zależności od koloru okładziny i temperatury wewnętrznej. W skrajnym wypadku, kiedy kolor okładziny jest ciemny, okres ciepły, a wewnętrzna temperatura wynosi –10°C, różnica temperatury może osiągnąć wartość 90°C. Należy przy tym wziąć pod uwagę, że w przypadku budynku mroźni temperatura wewnętrzna może przekroczyć –25°C.

Wpływ temperatury na płyty warstwowe ustalany jest głównie za pomocą obliczeń. Zgodnie z normą trwałość płyt powinna być sprawdzana w ramach badań. Prowadzi się je na próbkach wyciętych z płyt.

Badania trwałości opisane są w normie jako cykle DUR 1 i DUR 2. Cykl DUR 1 stosowany jest w przypadku materiału rdzenia, dla którego istotnym czynnikiem starzeniowym jest temperatura (np. EPS), natomiast cykl DUR 2 stosowany jest w wypadku rdzenia, dla którego istotnym czynnikiem starzeniowym jest wilgotność (np. wełna mineralna).

W wypadku cyklu DUR 1 próbki płyt poddawane są długotrwałemu oddziaływaniu temperatury. Wartość temperatury uzależniona jest od koloru okładzin. Wartości te są nieco większe od przyjmowanych w obliczeniach, tj. odpowiednio:

• 90°C – ciemne kolory,
• 75°C – jasne,
• 65°C – bardzo jasne.

Rozważania dotyczące wpływu temperatury (różnicy temperatury) na płyty warstwowe nie są czysto teoretyczne. Wpływ ten jest bardzo istotny, co potwierdzają nie tylko wyniki obliczeń, lecz także wyniki ekspertyz prowadzonych przez Zakład Konstrukcji i Elementów Budowlanych ITB.

Destrukcyjny wpływ temperatury na ścianę czy dach z płyt warstwowych ujawnia się, jeśli w fazie projektowania lub wykonywania obudowy popełnione zostały błędy. Skutki błędów widać na fot. na górze, która przedstawia ścianę wykonaną z wieloprzęsłowych płyt warstwowych.

Można zauważyć na niej tzw. pofalowania, czyli wyboczenie okładziny zewnętrznej, które powstały w wyniku działania znacznej różnicy temperatury (zmierzona temperatura wewnątrz obiektu wyniosła –30°C – budynek mroźni). Dodatkowo płyty zostały nieprawidłowo zamocowane za pomocą tylko jednego łącznika przelotowego na szerokości płyty. Na powstałe uszkodzenia miały wpływ także odkształcenia konstrukcji stalowej (również wywołane zmianami temperatury), do której zamocowane były płyty.

Realny wpływ koloru okładziny na jej nagrzewanie się widać na fot. 1–2. Przedstawiony na zdjęciach pomiar temperatury został wykonany w tym samym czasie na powierzchni tego samego dachu z płyt warstwowych. Na dachu tym z powodu uszkodzeń okładziny zewnętrznej wymieniano płyty. Zdjęcia zostały zrobione w momencie, gdy część dachu pokryta była starymi płytami, a część – nowymi.

Okładziny płyt warstwowych, którymi pierwotnie pokryty był dach, były białe (I grupa kolorystyczna). Z powodu zanieczyszczenia otoczenia okładzina pokryta została czarną smolistą substancją. Spowodowało to zmianę koloru bardzo jasnego na ciemny, a co za tym idzie – znaczny wzrost temperatury. Jeśli porówna się wartości wyświetlone na mierniku, okaże się, że różnica wynosi ponad 20°C.

Należy przy tym zaznaczyć, że w chwili pomiaru warunki pogodowe nie były ekstremalne: było wietrznie, a temperatura otoczenia nie przekraczała 20°C. Oznacza to, że przy bezwietrznej pogodzie w upalny dzień okładzina zewnętrzna w kolorze ciemnym zostałaby nagrzana jeszcze bardziej.

Bezpieczne stosowanie okładzin ciemnych

Pojawia się pytanie, czy stosowanie płyt warstwowych o okładzinach zewnętrznych w kolorach ciemnych jest bezpiecznie? Większość producentów ma swoje wewnętrzne ustalenia np. co do dozwolonej długości płyt. Brak jest jednak precyzyjnych zaleceń dotyczących stosowania płyt warstwowych w okładzinach ciemnych.

Można sformułować kilka ogólnych rad, których przestrzeganie powinno zapewnić bezpieczeństwo i trwałość obudowy: 

• przy występowaniu skrajnej różnicy temperatury (chłodnie, mroźnie) należy stosować płyty o zewnętrznej okładzinie w kolorze z I grupy,
• w przypadku płyt o zewnętrznej okładzinie w kolorze z II lub III grupy lepiej jest stosować układy jednoprzęsłowe,
• rozwiązania konstrukcyjne powinny umożliwiać rekompensację odkształceń okładzin w przypadku kolorów z II i III grupy,
• w wypadku płyt o zewnętrznej okładzinie w kolorze z II lub III grupy projekt techniczny powinien być szczegółowy i poparty obliczeniami statycznymi.

Podsumowanie

Wpływ temperatury na płyty warstwowe jest istotny i powinien być brany pod uwagę zarówno na etapie projektowania obudowy, jak i jej wykonania – montowania płyt. Choć zaleca się stosowanie płyt o zewnętrznej okładzinie w kolorze I grupy, to bezpieczne może być również stosowanie płyt o okładzinach w kolorach ciemnych. Wykorzystanie tych drugich jest często uzasadnione np. względami architektonicznymi.

Każdy taki projekt powinien być jednak gruntownie przeanalizowany za pomocą obliczeń statycznych i zawierać wytyczne odnośnie do sposobu montażu. Wówczas obudowa spełni swoje zadanie i zachowa trwałość.

Literatura

1. PN-EN 14509:2010, „Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową. Wyroby fabryczne. Specyfikacje”.
2. PN-84/B-03230, „Lekkie ściany osłonowe i przekrycia dachowe z płyt warstwowych i żebrowych. Obliczenia statyczne i projektowanie”.
3. ECCS, „European Reccomendation for Sandwich Panels”, TC 7, 1991.
4. J.M. Davies, „Lightweight sandwich construction”, Blackwell Science Ltd, Oxford 2001.
5. Ekspertyzy przeprowadzone przez Zakład Konstrukcji i Elementów Budowlanych ITB.
6. Workshop „Building with Sandwich panels: Fast, safe and energy saving”, Kraków 2011.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!