Mechaniczne mocowanie systemów ociepleń ETICS

Jakie łączniki stosuje się do mocowania ociepleń

Sposób mocowania ociepleń nazwany mechanicznym wymaga wykonania obliczeń uzasadniających przyjętą liczbę i rodzaj łączników. Mocowanie mechaniczne ocieplenia polega na zastosowaniu tzw. łączników mechanicznych do zamocowania termoizolacji w podłożu, zawsze jednak z dodatkowym udziałem zaprawy albo masy klejącej, względnie kleju poliuretanowego. Wymienione wyroby klejące stanowią pierwotne mocowanie termoizolacji do ocieplanej przegrody (najczęściej ściany) i w dalszej części artykułu będą łącznie określane jako kleje. Dopiero po odpowiednim stwardnieniu kleju następuje mocowanie mechaniczne termoizolacji przy użyciu odpowiednich łączników mechanicznych przeznaczonych do ETICS.

Bywa, że w niektórych krajach Europy do wstępnego zabezpieczenia termoizolacji przed oderwaniem przez wiatr, przemieszczeniem lub odkształceniem termicznym stosuje się tzw. mocowanie mechaniczne montażowe. Do tego celu wykorzystuje się wówczas część z przewidzianych docelowo łączników mechanicznych, które są mocowane natychmiast po przyklejeniu do ściany płyt z materiału termoizolacyjnego. Należy jednak pamiętać, że łatwo wówczas o deformacje lica ocieplenia.

Przyjmuje się założenie, że w systemach mocowanych mechanicznie łączniki muszą być dobrane tak, aby przenieść wszystkie obciążenia działające na system prostopadle do jego powierzchni, a w tym przede wszystkim oddziaływanie (ssanie) wiatru. Kleje do termoizolacji pełnią początkowo funkcje montażowe, mają bowiem zapobiec przemieszczaniu się ocieplenia, odkształceniom poszczególnych płyt izolacyjnych, częściowemu wyrównaniu podłoża (w zakresie dopuszczalnej grubości spoiny klejącej).

W fazie eksploatacji systemu ociepleń, funkcją spoiny (warstwy) klejowej jest przeniesienie na podłoże sił stycznych pochodzących od ciężaru własnego ocieplenia, a także od wpływów cieplno-wilgotnościowych. Funkcja ta jest w rzeczywistości dzielona z łącznikami mechanicznymi, ale najczęściej pomijana w analizach obliczeniowych. Dzieje się tak z tego względu, że formalne definicje, niegdyś zawarte w Europejskich Aprobatach Technicznych (ETA), a obecnie w Europejskich Ocenach Technicznych (ETA) zastrzegają, iż funkcja łączników mechanicznych nie obejmuje przenoszenia ciężaru własnego ocieplenia.

Łączniki mechaniczne do mocowania systemów ETICS wytwarzane są najczęściej w kilku rodzajach:

• tworzywowe z trzpieniem tworzywowym wbijanym,
• tworzywowe z trzpieniem stalowym wbijanym albo wkręcanym.

Można spotkać także łączniki tworzywowe z gwoździem wstrzeliwanym.

Istnieją również łączniki mechaniczne zbudowane w całości ze stali nierdzewnej albo ze stali zabezpieczonej przed korozją (wyższy współczynnik przewodzenia ciepła w stosunku do stali nierdzewnej). Taka budowa łącznika wynika z wymagań ochrony pożarowej elewacji i budynków, a ich zastosowanie nie jest powszechne i wynika z wytycznych wewnętrznych, tzn. krajowych regulacji poszczególnych państw europejskich.

Talerzyki łączników najczęściej używanych do ETICS mają minimalną średnicę 60 mm, wymaganą zarówno w przypadku styropianu fasadowego (EPS), jak i wełny mineralnej (MW) typu płyta.

W przypadku wełny mineralnej tzw. lamelowej najczęściej stosuje się podkładki zwiększające średnicę talerzyka łącznika nawet do 140 mm. Te specjalne podkładki stanowią systemowe rozwiązanie z łącznikami i powinny posiadać odpowiednie dokumenty dopuszczające do użycia w systemach ETICS.

Potrzeba stosowania podkładek wynika z wewnętrznej budowy wełny lamelowej. W przeciwieństwie do wełny typu płyta, mającej mniej albo bardziej splątany układ włókien o przebiegu równoległym do powierzchni płyty i tym samym do dolnej powierzchni talerzyka, wełna lamelowa ma układ włókien prostopadły do tych powierzchni. Dlatego mocowanie wełny mineralnej lamelowej łącznikami z talerzykami np. o średnicy 60 mm byłoby mało skuteczne, a talerzyk łącznika oddziaływałby na relatywnie małą powierzchnię materiału.

Układ włókien wełny lamelowej, a także w pewnym zakresie geometria, tzn. relatywnie niewielka szerokość i znacznie większa od szerokości długość płyty (najczęściej 20×120 cm), determinują również jej sposób przyklejania - całopowierzchniowo, co oznacza nakładanie kleju na tzw. grzebień.

Prostopadłemu układowi włókien zawdzięczamy natomiast dużą odporność wełny lamelowej na rozrywanie siłami prostopadłymi do jej powierzchni, a zatem także na oddziaływanie podciś­nienia (ssania) wiatru.

Wracając do łączników mechanicznych i technicznej charakterystyki ich funkcji, należy podkreślić, że zasadniczo najwyższe nośności na wyrywanie z podłoża¹⁾ oraz przeciąganie przez system ociepleń²⁾ wykazują łączniki mechaniczne tworzywowe z trzpieniem stalowym. Z tych względów właśnie tego typu łączniki są coraz częściej rekomendowane do systemów ociepleń mocowanych mechanicznie.

Łączniki najczęściej przechodzą bezpośrednio przez materiał termoizolacyjny przyklejony do podłoża nośnego i są w tym podłożu kotwione. Przyjmuje się, że podłożem nośnym mogą być: ściany murowane, betonowe albo żelbetowe wylewane oraz prefabrykowane, a także ich elementy, np. słupy żelbetowe, ściany osłonowe i płyty fakturowe dobrze powiązane ze ścianą konstrukcyjną, co do których stabilności nie ma żadnej wątpliwości w kontekście stateczności konstrukcyjnej oraz stabilności cech geometrycznych.

Podłoże nośne w odniesieniu do zamocowania mechanicznego ETICS musi mieć zdolność do przenoszenia wszelkich sił i zewnętrznych oddziaływań na ocieplenie, a w tym w szczególności odziaływania wiatru oraz ciężaru samego ocieplenia. Ponadto podłoże, o którym mowa wyżej, powinno spełniać definicje określone w ETAG 014 [5], obecnie zastąpionym przez EAD 330196-01­-0604 [6], a dotyczące materiałowych grup podłoży (A, B, C, D, E), podanych w TABELI 1.

Prezentowane informacje na temat typowych podłoży, standardowych łączników i sposobu zamocowania ETICS dotyczą najczęściej występujących sytuacji i rozwiązań technicznych, nie wykluczając innych. Odmienne warunki i założenia wymagają jednak zmiany podejścia w interpretacji zasad mocowania ocieplenia.

Podstawowe zasady stosowania łączników mechanicznych

Rozpatrując projektowanie mocowania mechanicznego, w pierwszej kolejności zakłada się, że właściwym rozwiązaniem jest mocowanie wielokrotne (wielopunktowe), co wynika między innymi z dokumentu ETAG 004 [3], który jeszcze oficjalnie nie został odwołany po przekształceniu w EAD. Oznacza to, że punktowe zamocowanie łącznikami mechanicznymi należy planować w rozmieszczeniu równomiernym na określonej powierzchni i symetrycznym w odniesieniu do pojedynczych płyt termoizolacji.

Niewielkim odstępstwem może być sytuacja, w której przyjęty schemat zamocowania uniemożliwia rozłożenie łączników w taki sam sposób na każdej płycie, co w przypadku płyt 50×100 cm będzie występować przy stosowaniu nieparzystej liczby łączników, np. 7 szt./m². Wówczas na co drugiej płycie (a dokładniej w jej obrysie) będzie umieszczony o jeden łącznik więcej niż na sąsiednich, np. na przemian 3 i 4 szt./płytę.

Z powyższych założeń wynika również minimalna liczba łączników przy mechanicznym mocowaniu ETICS, która musi być przyjęta niezależnie od wyników obliczeń uwzględniających oddziaływanie wiatru na system. Ta minimalna liczba łączników może być różna w zależności od rodzaju materiału izolacyjnego i grubości płyt, a także doświadczeń krajowych w tym zakresie. Wielu producentów ETICS, na podstawie odpowiednich dokumentów dopuszczających system do stosowania (wydawanych głównie w Niemczech), przyjmuje dla płyt o grubości ≥ 60 mm minimalną liczbę łączników wynoszącą 4 szt./m². Dotyczy to płyt fasadowych zarówno ze styropianu (EPS), jak i z wełny mineralnej (MW). Rozmieszczenie takiej liczby łączników w przypadku płyt o wymiarach 50×100 cm pokazano na RYS. 1, 3 oraz często stosowane w naszym kraju - na RYS. 5.

W przypadku płyt z wełny mineralnej o wymiarach 60×100 cm rozmieszczenie łączników musi być zmienione, schematy przedstawione na RYS. 1, 3 dawałyby bowiem zbyt małą liczbę łączników przypadających na 1 m² ocieplenia. Stosuje się wówczas schematy przedstawione na RYS. 2, 4, zwiększając tym samym liczbę łączników do 5 szt./m². Jednocześnie należy zwrócić uwagę, że w wielu opracowaniach zaleca się, aby jako minimalną liczbę łączników przyjmować 6 szt./m², rozmieszczonych w przypadku płyt 50×100 cm tak, jak pokazano na RYS. 2. Ma to na celu ograniczenie występowania tzw. efektu materaca w przypadku EPS, polegającego na wyginaniu się płyt izolacyjnych pod wpływem zmian temperatury i wilgotności, a także następujących po mocowaniu płyt kolejnych czynności wykonawczych ETICS. W Polsce również dla wełny mineralnej typu płyta przyjmuje się najczęściej jako minimalną liczbę łączników 6 szt./m².

Wydaje się sprawą oczywistą, że wraz ze zwiększeniem liczby łączników mechanicznych zmniejsza się ryzyko wystąpienia awarii ocieplenia w przypadku utraty nośności pojedynczego łącznika, np. w wyniku błędnego mocowania. Ponadto większa nośność łączników, w sytuacji utraty nośności jednego z nich, także może prowadzić do zwiększenia możliwości uszkodzenia systemu. Jednak przy dużej liczbie łączników i ich bliskim usytuowaniu względem siebie teoretycznie mogą nachodzić na siebie  "stożki" uszkodzeń płyty przy przeciąganiu, co może prowadzić do zmniejszenia nośności systemu. Także w sytuacji, gdy "stożki" uszkodzeń na siebie nie nachodzą, teoretycznie (hipotetycznie) może dojść do zmniejszenia nośności systemu zgodnie z procesami pokazanymi na RYS. 7. Ponadto, niezależnie od rozważań teoretycznych dotyczących wpływu zbyt dużej liczby łączników na pracę statyczną ocieplenia, należy zdawać sobie sprawę z faktu, że każdy łącznik, jeśli ma trzpień stalowy, nawet dobrze izolowany, powoduje punktowy mostek cieplny o wielkości zależnej od budowy łącznika i sposobu montażu. Większa liczba łączników to także możliwy większy koszt ich zakupu i instalacji. Dlatego projektowanie systemu ukierunkowane jest również na optymalizację zamocowania.

W tym miejscu warto odnieść się także do zagrożeń wynikających z błędów montażu łączników mechanicznych. Mamy tu do czynienia z nieprawidłowościami w następujących obszarach:

1. Brak oceny podłoża przed zaprojektowaniem mocowania ocieplenia, w tym głównie brak oceny nośności powierzchniowej, identyfikacji rodzaju oraz warstw podłoża.
2. W przypadku podłoży o nieznanych albo niepewnych właściwościach - brak wykonywania prób wyrwania łączników z podłoża albo próby wykonane na powierzchni niemiarodajnej dla całej ocieplanej powierzchni.
3. Niewłaściwy wybór typu łącznika w odniesieniu do rodzaju podłoża.
4. Niejednorodne właściwości podłoża/ścian - przy występowaniu różnych materiałów, np. szkieletu żelbetowego wypełnionego pustakami z ceramiki poryzowanej albo bloczkami z betonu komórkowego, łącznik dobrany tylko do betonu, podobnie jak głębokość jego zakotwienia.
5. Niewłaściwe oszacowanie potrzebnej długości łącznika i wymaganej minimalnej głębokości zakotwienia.
6. Nieprawidłowa identyfikacja nienośnych warstw podłoża, np. tynków i innych warstw wykończeniowych o charakterze dekoracyjnym.
7. Błędy popełniane na etapie osadzania łączników dotyczące dysfunkcji o charakterze mechanicznym:

• • zbyt głębokie wbijanie łączników w podłoże, a nie tylko ich trzpieni rozprężających (dotyczy przeważnie relatywnie słabych podłoży) (fot. 1), 
  • wiercenie otworów w podłożu z udarem tam, gdzie to nie jest wskazane, np. w ceramice drążonej albo betonie komórkowym (fot. 2), 
  • używanie wykrzywionych wierteł, szczególnie tych o większej długości (fot. 3), 
  • wiercenie w podłożu otworów bez zachowania kąta prostego w stosunku do płaszczyzny ściany, 
  • brak uzyskania odpowiedniej głębokości zakotwienia łącznika, głównie z powodu nierówności podłoża.

W zasadzie każdego z powyższych błędów można uniknąć przy właściwej wiedzy i umiejętnościach wykonawcy oraz prawidłowym nadzorze nad prowadzonymi pracami. Należy zaznaczyć, że większość spośród wymienionych błędów może istotnie wpływać na trwałość i bezpieczeństwo użytkowania ocieplenia mocowanego mechanicznie.

Występują także inne czynniki zmniejszające skuteczność zamocowania mechanicznego, na które mamy relatywnie niewielki wpływ jako użytkownicy, a które niewątpliwie z czasem będą powodować zmniejszenie nośności łączników na wyrywanie z podłoża i nośności systemu na przeciąganie. Najważniejsze z nich to zjawiska związane ze starzeniem się materiałów w warunkach ekspozycji zewnętrznej i związany z tym spadek paramentów technicznych. Dotyczy to zarówno samych łączników, jak i miejsc ich zamocowania w podłożu oraz warstw systemu ociepleń, szczególnie w obszarach bezpośredniej współpracy, gdzie powstają naprężenia wynikające z siły reakcji termoizolacji na docisk talerzyka łącznika. Ponadto mocowanie i warstwy systemu poddawane są wpływom cieplno-wilgotnościowym równoległym do powierzchni ocieplenia, najczęściej niebranym pod uwagę w obliczeniach z uwagi na niestwierdzony wpływ takich oddziaływań na występowanie awarii systemów [7].

Swoistą przeciwwagą dla wszystkich nieuwzględnianych w projektowaniu wpływów i zjawisk obniżających parametry zamocowania ocieplenia, jest stosowanie w obliczeniach tzw. wartości obliczeniowych nośności łączników na wyrywanie z podłoża i systemu na przeciąganie wyznaczonych z użyciem częściowych współczynników bezpieczeństwa pomniejszających tzw. wartości charakterystyczne tych nośności. Dodatkowo brak uwzględnienia klejenia termoizolacji w obliczeniach zamocowania mechanicznego ETICS stanowi najczęściej duży zapas bezpieczeństwa. Te pokaźne "rezerwy" mają kompensować zmiany cech i właściwości materiałów w czasie eksploatacji, o których istnieniu wiemy, ale ich zakresu nie jesteśmy w stanie precyzyjnie wyznaczyć. Również w tych rezerwach znajdujemy miejsce na drobne błędy montażowe, występujące statystycznie nawet przy ogólnie prawidłowym wykonaniu systemu, w tym jego zamocowania.

Najważniejsze parametry systemów ociepleń oraz łączników mechanicznych

Skuteczność zamocowania mechanicznego ociepleń ściśle zależy od nośności łącznika mechanicznego na wyrywanie z podłoża oraz od nośności systemu ociepleń na przeciąganie przez łącznik. Ta druga cecha, jak sama nazwa wskazuje, wiąże się bezpośrednio z odpornością samego ocieplenia, a pośrednio również z parametrami łącznika mechanicznego. W szczególności chodzi o zachowanie się łącznika w trakcie przeciągania, czyli o jego odkształcenie, a w konsekwencji uszkodzenie przy określonej sile. Przy dużej grubości płyt termoizolacyjnych siła przyłożona prostopadle do powierzchni, zanim spowoduje przeciągnięcie materiału przez łącznik, może doprowadzić do zniszczenia łącznika (zerwanie trzonu, oderwanie albo przegięcie talerzyka). Z tego względu nośność na przeciąganie wyznacza się doświadczalnie, najczęściej przy wykorzystaniu płyt o ograniczonej grubości, odnosząc wyniki do wszystkich grubszych.

Szczegółowa analiza właściwości ociepleń i ich elementów, jakimi są łączniki mechaniczne, prowadzi do określenia istotnych parametrów łączników mechanicznych w dokumentach odniesienia wydanych dla tych łączników. Mowa tutaj głównie o ETA. Można tam m.in. znaleźć:

• nośności charakterystyczne na wyrywanie łącznika z typowych podłoży N_R,k,
• siły wyrywające łącznik z typowych podłoży N oraz towarzyszące tym siłom przemieszczenia δ_m,
• głębokość zakotwienia,
• sztywność talerzyka łącznika, czyli wartość siły wywołującej przemieszczenie talerzyka łącznika o 1 mm w powiązaniu z ustaloną w metodyce odległością od osi łącznika,
• nośność talerzyka.

Te parametry i cechy łączników nie jest łatwo przełożyć bezpośrednio na skuteczność zamocowania ocieplenia, gdyż odnoszą się one tylko do łącznika i nie obejmują jego współpracy z ociepleniem. Kluczowa staje się więc informacja o tym, jaki opór stawia konkretny system ociepleniowy, a w zasadzie użyta w nim termoizolacja, podczas przeciągania tego systemu przez konkretny łącznik. Badanie, w którym określa się siłę przeciągania, jest oparte na dokładnie zdefiniowanym parametrami technicznymi materiale termoizolacyjnym określonej grubości, użytym w systemie ociepleń.

Badanie może obejmować różne odmiany tego samego materiału izolacyjnego (o innej wytrzymałości na rozciąganie prostopadle do powierzchni - TR), jego różne grubości, a także spotykane sposoby montażu łączników (powierzchniowy, zagłębiony) i różne średnice ich talerzyków. Wartości siły, o których mowa, podane są z kolei w dokumentach odniesienia typu ETA albo KOT (Krajowa Ocena Techniczna), wydanych dla konkretnych systemów ­ociepleń.

Zdarza się także mocowanie łącznikami przez warstwę zbrojoną ocieplenia i wówczas należałoby w zasadzie mówić o przeciąganiu przez system. Ten przypadek jest jednak odmienny od mocowania standardowego w ETICS i wymaga odrębnej interpretacji, istotne znaczenie traci np. lokalizacja zamocowanych łączników względem krawędzi płyt termoizolacji. Obecność warstwy zbrojonej pod talerzykiem łącznika znacząco zwiększa nośność na przeciąganie przez system - usztywnia od spodu talerzyk w wyniku zwiększenia sztywności powierzchni dociskanej. To powoduje, że przy przeciąganiu bardzo często możemy mieć do czynienia z siłami przekraczającymi wartości charakterystyczne sił wyrywania łączników z podłoża. Łącznik, co widać na schematach, może być usytuowany w polu płyty termoizolacyjnej lub na połączeniu płyt.

Jak pokazują badania, istnieje związek pomiędzy miejscem usytuowania łącznika względem krawędzi płyty izolacyjnej a nośnością na przeciąganie. Przeważnie większy opór stawia ocieplenie w polu płyty, a mniejszy na połączeniu płyt, co wydaje się dość logiczne, zważywszy na brak ciągłości materiału termoizolacyjnego w połączeniach.

W przypadku wełny mineralnej określa się również jej nośność na przeciąganie w warunkach suchych i wilgotnych. W tym badaniu niższe siły uzyskuje się "na mokro".

Kolejna mocna korelacja wiąże odporność na przeciąganie z grubością termoizolacji. To poza rodzajem materiału izolacyjnego najważniejsza zależność. Najczęściej w dokumencie ETA wydanym dla systemu ociepleń znajdujemy wartości tego typu sił dla grubości minimalnych termoizolacji możliwych do zamocowania mechanicznego, czyli przeważnie 50 mm przy powierzchniowym montażu łączników i 100 mm przy montażu zagłębionym. Oczywiście od systemodawcy zależy ile grubości i badań zamieści w ETA.

Podsumowanie

Przy projektowaniu mechanicznego zamocowania ocieplenia z uwagi na oddziaływanie prostopadłe do powierzchni kluczowa jest analiza co najmniej stanu granicznego nośności dwóch ogniw w łańcuchu przekazywania obciążeń z powierzchni systemu na podłoże (RYS. 8).

Pierwszym z nich jest nośność łączników mechanicznych na wyrywanie z podłoża, a drugim - nośność systemu ociepleń na przeciąganie przez łącznik (w skrócie nośność systemu), przy czym obejmuje ona nośność na przeciąganie przez łącznik umieszczony w polu płyty lub nośność na przeciąganie przez łącznik umieszczony w spoinie między płytami (względnie przy obrzeżu), w zależności od przyjętego schematu zamocowania.

Wspomniane nośności są to wyznaczone doświadczalnie siły, które należy porównać z siłą działającą na system prostopadle do jego powierzchni, głównie wynikającą z oddziaływania ssania wiatru.

Wartości w/w nośności są podane w dokumentach odniesienia typu ETA, wydanych dla łączników mechanicznych oraz systemów ociepleń. Nośności łączników na wyrywanie z konkretnego podłoża można również wyznaczyć za pomocą testu pull-out i specjalnego urządzenia według procedury ustalenia siły charakterystycznych określonej w ETA.

Oddziaływanie wiatru zawsze powinno być wyliczone dla rozpatrywanego budynku według procedury podanej w Kalkulatorze Łączników SSO.

Literatura

1. P. Gaciek, M. Gaczek, M. Garecki, "Sposoby mocowania ociepleń do powierzchni ścian według technologii ETICS", "IZOLACJE" 10/2018, s. 20-22.
2. M. Gaczek, "Kalkulator Łączników SSO”, Stowarzyszenie na Rzecz Systemów Ociepleń, 2018, http://www.systemyocieplen.pl/
3. ETAG 004, "Guideline for European Technical Approval of external thermal insulation composite systems with rendering", EOTA 2000, 2011, 2013.
4. PN-EN 16382:2016-12, "Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie – Określanie odporności na przeciąganie kotew płytowych przez materiały do izolacji cieplnej".
5. ETAG 014, "Guideline for European Technical Approval of plastic anchors for fixing of external thermal insulation composite systems with rendering", EOTA, 2002, 2008, 2011.
6. EAD 330196-01-0604 European Assessment Document "Plastic anchors made of virgin or non-virgin material for fixing of external thermal insulation composite systems with rendering", EOTA, 2017.
7. M. Krause, "Ein neues Konzept zum Nachweis der Standsicherheit von Dübelbefestigungen in Wärmedämm-Verbundsystemen (WDVS)", Lehrstuhl Betonbau der Technischen Universität Dortmund - Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen 2010 Dortmunder Modell Bauwesen, Architekt und Ingenieur, Technische Universität Dortmund, Schriftenreihe Betonbau Heft 3, 2010.

¹⁾Nośność łącznika mechanicznego na wyrywanie z podłoża - krytyczna siła wyrywająca pojedynczy łącznik z podłoża, uzyskiwana w teście pull-out wykonywanym dla jednego przypadku zamocowania wielokrotnie, z czego wylicza się wartość charakterystyczną (NR,k) zgodnie z algorytmem zawartym w dokumentach odniesienia wydanych dla łączników mechanicznych, np. Europejskie Oceny Techniczne (ETA) lub Europejskie Aprobaty Techniczne (ETA) sporadycznie już występujące.

²⁾Nośność systemu ociepleń na przeciąganie przez łącznik lub na przeciąganie łącznika przez system ociepleń (zależnie od przeprowadzonego badania) - krytyczna (niszcząca) wartość siły uzyskana w badaniu wg ETAG 004 [3] albo wg normy ­PN-EN 16382:2016-12 [4], dla łączników sytuowanych w polu płyty termoizolacji (Rpanel albo Fk,a) oraz usytuowanych w połączeniach płyt (Rjont albo Fk,j). Dla wełny mineralnej podaje się te wartości w badaniu na sucho i na mokro.