Rozwiązania konstrukcyjne budynków z dachami płaskimi

Budynki zwieńczone dachem płaskim obarczone są większym niż w przypadku dachów o wyższym kącie pochylenia obciążeniem śniegiem [1] oraz potrzebą jego usuwania, większymi wartościami obciążenia ssaniem wiatru [2] oraz szeregiem niedogodności związanych z zastosowaniem niewystarczających izolacji przeciwwilgociowej, oraz systemu odprowadzania wody deszczowej.

Niewątpliwą zaletą w przypadku budynków zlokalizowanych w umiarkowanej strefie klimatycznej jest stosowanie dachów płaskich o konstrukcji żelbetowej. Przy zastosowaniu odpowiedniej izolacji termicznej, przeciwwilgociowej, przeciwwodnej oraz przy wysokiej staranności wykonania poszczególnych połączeń [3] wysoka bezwładność termiczna powyższej przegrody w znaczący sposób poprawia komfort użytkowania pomieszczeń znajdujących się na ostatniej kondygnacji. Dzięki temu zaobserwować można większą stabilizację temperatury powietrza wewnątrz pomieszczeń, znajdujących się na najwyższej kondygnacji, a co za tym idzie obniżenie kosztów związanych z klimatyzowaniem oraz ogrzewaniem powyższych pomieszczeń.

Zwiększenie bezwładności termicznej związane jest bezpośrednio z zastosowaniem w konstrukcji dachu materiałów o wysokim cieple właściwym, przy jednoczesnym zastosowaniu warstwy materiału termoizolacyjnego, ograniczającego przepływ strumienia ciepła przez przegrodę. Szerzej zagadnienia związane z ograniczeniem strat ciepła przez przegrodę budowaną zastały  opisane w [4].

Konstrukcje dachów płaskich

Projektowanie budynków z dachem płaskim pozwala na zagospodarowanie całej powierzchni najwyższej kondygnacji, unikając strat powierzchni użytkowej spowodowanej spadkiem dachu.

Stosując odpowiedni rodzaj konstrukcji, można ograniczyć koszty ogrzewania i klimatyzowania pomieszczeń na ostatniej kondygnacji. Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest możliwość założenia ogrodów na powierzchni dachów, co będzie chroniło mieszkańców przed negatywnymi skutkami promieniowania słonecznego.

Dotychczas projektowane dachy płaskie ze względu na rodzaj konstrukcji można podzielić na:

• dachy o lekkiej konstrukcji, np. drewnianej, stalowej,
• stropodachy.

Stropodachem nazywane jest przykrycie ostatniej kondygnacji budynku, który pełni jednocześnie rolę stropu i dachu. Dopuszczalne nachylenie połaci dachowej zawiera się w przedziale 5-11° [5], a spadek może być skierowany zarówno na zewnątrz, jak i do wewnątrz budynku.

Stropodachy w zależności od ich konstrukcji mogą posiadać możliwość wentylacji lub być jej pozbawione.

Stropodach wentylowany

Budowa stropów wentylowanych przypomina konwencjonalne więźby dachowe, spadek dachu nadany jest przez materiały drewnopochodne: sklejki, płyty OSB lub keramzyt na podsypce piaskowej (rys. 1). Rodzaj konstrukcji jest identyczny jak w przypadku standardowych dachów [6]. Bywa najczęściej wykonywany z tarcicy drewnianej w konstrukcji: płatwiowo-kleszczowej lub kratownicowej, możliwe jest również jej wykonanie z kształtowników stalowych lub prefabrykowanych płyt żelbetowych. Należy przy tym pamiętać, że rodzaj konstrukcji musi być dobrany do zakładanego pokrycia dachu (rys. 2).

Aby strop mógł pełnić swoją funkcję, niezbędne jest pozostawienie otworu umożliwiającego odprowadzenie wilgoci poza budynek. Otwory zazwyczaj mieszczą się w ścianach kolankowych w odległościach 2-4 m od siebie [6]. Otwory muszą być zabezpieczone siatką, aby uniemożliwić przedostawanie się owadów i zwierząt do wnętrza budynku.

Strop niewentylowany

Konstrukcja stropu niewentylowanego znacznie różni się od wentylowanego. Wszystkie elementy ułożone są jeden na drugim, bez pustki powietrznej oraz otworów wentylacyjnych. Elementem nośnym jest płyta żelbetowa lub prefabrykowane płyty stropowe. Niezbędny spadek wywołany jest odpowiednio ułożoną warstwą lekkiego betonu lub piasku, keramzytu (kształtującego spadek), a następnie płyty żelbetowej.

Wyżej wymieniona konstrukcja cechuje się łatwością wykonania, lecz jej niewątpliwym mankamentem jest brak wystarczającego systemu odprowadzania pary wodnej. Zbieranie się wilgoci w warstwie konstrukcji działa niszcząco na konstrukcję całego dachu płaskiego.

W celu przeciwdziałania powyższemu zjawisku, warstwa podkładowa pod przykrycie posiada niewielkie kanaliki ułożone zgodnie ze spadkiem dachu [3]. Dodatkowo w najniższym punkcie powinny znajdować się otwory, przez które dostaje się świeże powietrze, a w najwyższym otwory wentylacyjne, odprowadzające wilgoć z konstrukcji. Taki rodzaj stropodachu nazywany jest stropodachem niewentylowanym, przewietrzanym [6].

Dach odwrócony

Kolejnym rodzajem konstrukcji dachów płaskich jest dach odwrócony, (rys. 3 i rys. 4), który zakłada odwrócenie warstw konwencjonalnego stropodachu, aby uniknąć niszczenia warstwy zewnętrznej izolacji przeciwwodnej (papy, membrany). Jest to spowodowane działaniem czynników atmosferycznych, np. wysoką dobową amplitudą temperatury, wysokim natężeniem promieniowania słonecznego i uszkodzeniami mechanicznymi.

Dach odwrócony cechuje się odwróceniem warstw przeciwwodnej (np. dwie warstwy papy termozgrzewalnej) oraz termoizolacji [4]. Zabezpieczenie wyżej wymienionych warstw przed uszkodzeniami mechanicznymi stanowi warstwa dociskowa, będąca podsypką żwirową bądź w postaci betonowych płyt lub płytek ceramicznych.

Odprowadzenie wody z dachu odwróconego odbywa się w dwóch etapach: główna masa wody opadowej spływa do systemu odwadniającego, a pozostała ilość, która przeniknie przez termoizolację, jest odprowadzana poprzez warstwę izolacji przeciwwodnej [6].

Dach zielony

Dach zielony może być atrakcyjny do stosowania na obszarze wysoko zurbanizowanym, aby zwiększyć powierzchnię biologicznie czynną działki budowlanej oraz poprawić lokalny mikroklimat (rys. 5).

Dach zielony zatrzymuje 60% wody opadowej w warstwie gleby oraz biomasie roślin, ponadto stanowi bardzo dobrą izolację akustyczną, obniżając intensywność hałasu o około 40-50 dB.

Konstrukcja dachu odwróconego od dachu zielonego różni się jedynie warstwą zewnętrzną. W skład warstwy zewnętrznej wchodzą: warstwa wegetatywna, filtracyjna, drenująca oraz ochronna:

• warstwa ochronna zabezpiecza kolejne przez przenikaniem korzeni oraz magazynuje wodę potrzebną do wegetacji roślin. Wykorzystywane są do tego geowłókniny, fizeliny, papy bitumiczne z osnową z folii miedzianej lub włókna szklanego, folię polietylenową stabilizowaną promieniowaniem UV, maty z włókien poliestrowych oraz papy elastomerowo-bitumicznej z wkładką z włókna szklanego;
• warstwa drenująca, zazwyczaj gr. 8-10 cm, umożliwia wzrost korzeni, składa się z warstwy żwiru, keramzytu, pumeksu, płyty drenażowej z rowkami lub plecionych mat z tworzywa sztucznego;
• warstwa filtracyjna zapobiega zamuleniu poprzedniej warstwy, pomimo iż umożliwia przenikanie korzeni roślin, najczęściej wykonanej z fizeliny lub mat z tworzywa sztucznego;
• warstwa wegetatywna musi umożliwiać wzrost roślin, utrzymywać określoną ilość wody oraz odprowadzać jej nadmiar. Stosowane do tego są mieszanki humusu, torfu z porowatym kruszywem. Dostępne na rynku są również gotowe maty wegetacyjne, pełniące też funkcję drenażu i warstwy ochronnej.

Prace prowadzone nad poprawą parametrów dachów płaskich

W związku z charakterem konstrukcji i sporą bezwładnością cieplną dachy płaskie o różnej konstrukcji są przedmiotem badań oraz licznych prac naukowych. Opisane w [7] wyniki badań przedstawiają możliwość dodatkowego zwiększenia pojemności cieplnej wyżej wymienionej przegrody poprzez zastosowanie warstwy materiału zmiennofazowego. Zastosowana substancja fazowozmienna o temperaturze topnienia 25°C i wysokim cieple przemiany fazowej miała dodatkowo ograniczyć przegrzewanie pomieszczeń najwyższej kondygnacji budynku. Badania prowadzone były w Istambule, a wyniki wykazały zwiększenie bezwładności termicznej przegrody w systemie rocznym. Autor zwraca uwagę na potrzebę doboru substancji zmiennofazowej lub zastosowanie kilku różnych, w zależności od warunków klimatycznych.

W [8] przeprowadzono przegląd rozwiązań dotyczących dachów zielonych na przykładzie m.in. Grecji. Autorzy stwierdzili, że rodzaj zastosowanych roślin oraz podłoża gruntowego ma wpływ na oszczędności z tytułu potrzeby klimatyzowania pomieszczeń oraz izolacji akustycznej. W publikacji zwrócono uwagę na ograniczenia wynikające ze świadomości inwestorów o korzyściach: ekologicznej, architektonicznej oraz ekonomicznej, jakie niosą ze sobą dachy zielone.

W pracy [9] przedstawione zostały wyniki badań prowadzonych nad dachami zielonymi oraz symulacje związane z przyszłym ich użytkowaniem. Zaprezentowane wyniki pokazują, że zastosowanie grubszej warstwy gleby powoduje zmniejszenie wysokości zasadzonych roślin oraz zwiększenie wartości wskaźnika powierzchni liści (LAI). Dodatkowo autorzy wykazują, że zapewniając lepszą izolację termiczną dachu, można zyskać możliwość zwrotu kosztów konstrukcji dachu zielonego w porównaniu do konwencjonalnego stropodachu (w ciągu 10 lat).

Podsumowanie

Opisane w niniejszym artykule zalety i wady konstrukcji dachów płaskich oraz wybrane wyniki badań prowadzonych nad ich udoskonaleniem obrazują potencjał, jaki tkwi w powyższych rozwiązaniach.

Dachy płaskie z racji trudności z odprowadzeniem z nich wody opadowej oraz wilgoci są szczególnie wrażliwe na wszelkiego rodzaju niedociągnięcia wykonawcze, oraz niską jakość stosowanych materiałów budowlanych. Z kolei ich niewątpliwą zaletą jest spora akumulacyjność cieplna związana z wysokim ciepłem właściwym stosowanych materiałów, a co za tym idzie ze znaczną stabilizacją temperatury w pomieszczeniach najwyższej kondygnacji, względem dachów o lekkiej konstrukcji.

Przedstawione w artykule przykłady obrazują potrzebę prowadzenia dalszych badań w celu zwiększenia efektywności energetycznej dachów płaskich oraz ograniczenie kosztów związanych z ich budową, oraz eksploatacją.

Literatura

1. PN-EN 1991, "Eurokod: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3. Obciążenie śniegiem".
2. PN-EN 1991, "Eurokod: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4. Oddziaływania wiatru".
3. C. Bydry, "Ciepłochłonne stropodachy budynków - Analiza wad i usterek”, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2000.
4. Praca zbiorowa pod kierunkiem P. Klemma, "Budownictwo Ogólne, t. 2: Fizyka budowli", Arkady, Warszawa 2010.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002 nr 75 poz. 690).
6. Praca zbiorowa pod kierunkiem L. Lichołaia, "Budownictwo Ogólne, t. 3: Elementy budynków, podstawy projektowania", Arkady, Warszawa 2011.
7. A. Tokuç, T. Başaran, C. Yesügey, "An experimental and numerical investigation on the use of phase change materials in building elements: The case of a flat roof in Istanbul" [w:] “Energy and Buildings”, Vol. 102, 1 September 2015, pp. 91-104.
8. K. Vijayaraghavan, "Green roofs: A critical review on the role of components, benefits, limitations and trends”, “Renewable and Sustainable Energy Reviews", Vol. 57, May 2016, pp. 740-752.
9. A.L.S. Chan, T.T. Chow, "Energy and economic performance of green roof system under future climatic conditions in Hong Kong”, “Energy and Buildings", Vol. 64, September 2013, pp. 182-198.