Fizyka dachu

Jako przegroda budynku, dach narażony jest na szereg czynników ściśle związanych z procesami zachodzącymi zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz budynku. Czynniki te obejmują w szczególności:

• opad atmosferyczny;
• wiatr;
• promieniowania słonecznego;
• wahania temperatury;
• para wodna zawarta w powietrzu wewnętrznym budynku;
• substancje agresywne chemicznie w powietrzu;
• żywotna aktywność owadów i mikroorganizmów;
• obciążenia mechaniczne.

Opad atmosferyczny

Funkcję ochrony budynku przed opadami atmosferycznymi pełni najwyższy element dachu – dach. Aby odprowadzić wodę deszczową, powierzchnia dachu jest nachylona. Zadaniem dachu jest zapobieganie przedostawaniu się wody do leżących poniżej warstw.

Miękkie materiały na pokrycia dachowe, które tworzą ciągłą, szczelną wykładzinę na powierzchni dachu (materiały w rolkach i mastyksach, membrany polimerowe) sprawdzają się w tym zadaniu. Przy zastosowaniu innych materiałów opady atmosferyczne o niewielkich połaciach dachów, szczególnie w niesprzyjających warunkach atmosferycznych (deszcz lub śnieg, którym towarzyszą silne wiatry) mogą przenikać pod pokrycie dachowe. W takich przypadkach pod dachem układana jest dodatkowa warstwa hydroizolacyjna, która jest drugą linią ochrony przed opadami atmosferycznymi..

Ważnym zadaniem jest organizacja systemu odwadniającego – wewnętrznego lub zewnętrznego.

Śnieg powoduje dodatkowe obciążenie statyczne na dach (obciążenie śniegiem). Może być dość duży, dlatego należy go wziąć pod uwagę przy obliczaniu całkowitego obciążenia konstrukcji dachu. To obciążenie zależy od nachylenia dachu. W obszarach zaśnieżonych nachylenie jest zwykle zwiększane, aby śnieg nie zalegał na dachu. Jednocześnie na dachach spadzistych wskazane jest instalowanie elementów zatrzymujących śnieg, które nie pozwalają na opadanie śniegu jak lawina, zagrażając tym samym zdrowiu przechodniów, często deformując elewację budynku i uniemożliwiając odprowadzanie wody z zewnątrz.

rys.1

Jednym z istotnych problemów na zaśnieżonych obszarach jest tworzenie się lodu i sopli na dachach. Lód często staje się barierą, która zapobiega przedostawaniu się wody do rynny, lejka wodnego lub po prostu spływaniu w dół. Przy stosowaniu niehermetycznych pokryć dachowych (dachy metalowe, wszelkiego rodzaju dachówki) woda może przedostawać się przez dach, tworząc nieszczelności. Mechanizm powstawania oblodzenia i sposoby walki z tym zjawiskiem zostały szczegółowo omówione w rozdziale Systemy przeciwoblodzeniowe dachów.

Wiatr

Strumienie wiatru, napotykając na drodze przeszkodę w postaci budynku, omijają ją, w wyniku czego wokół budynku powstają obszary nadciśnienia i podciśnienia (rys.2).

rys.2

Wielkość wynikającego z tego podciśnienia wywierającego działanie rozrywające na dach zależy od wielu czynników. Najbardziej niekorzystny pod tym względem jest wiatr wiejący na budynek pod kątem 45 °⁰. Rzut dachu budynku, który przedstawia rozkład podciśnienia przy kierunku wiatru 450, pokazano na rys. 3.

rys.3

Siła rozrywająca wiatru może być wystarczająca do uszkodzenia dachu (pęcherze, zerwanie części pokrycia itp.) Szczególnie wzrasta przy wzroście ciśnienia wewnątrz budynku (pod podstawą dachu) na skutek wnikania powietrza przez otwarte drzwi i okna od strony zawietrznej lub przez pęknięcia konstrukcji. W tym przypadku siła zrywająca wiatru jest określana przez dwa składniki: zarówno podciśnienie nad dachem, jak i nadciśnienie wewnątrz budynku. Dlatego, aby wyeliminować ryzyko uszkodzenia dachu, jego podstawa jest jak najbardziej szczelna (rys. 4). Często wykonuje się dodatkowe mechaniczne mocowanie pokrycia dachowego do podłoża..

rys.4

Attyki służą do redukcji podciśnienia. Należy jednak pamiętać, że mogą one nie tylko zmniejszyć, ale także zwiększyć podciśnienie. Jeśli attyki są zbyt niskie, podciśnienie może być nawet wyższe niż bez nich..

Promieniowania słonecznego

Różne materiały dachowe mają różną wrażliwość na promieniowanie słoneczne. Na przykład promieniowanie słoneczne praktycznie nie ma wpływu na dachówki ceramiczne i cementowo-piaskowe, a także na dachy metalowe bez naniesionych powłok polimerowych..

Materiały na bazie bitumu są bardzo wrażliwe na promieniowanie słoneczne: ekspozycja na promieniowanie ultrafioletowe przyspiesza proces starzenia. Dlatego z reguły mają górną warstwę ochronną opatrunku mineralnego. Aby chronić nowoczesne materiały przed starzeniem, do kompozycji bitumicznej wprowadza się specjalne dodatki (modyfikatory).

Wiele materiałów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego z czasem traci swój pierwotny kolor (blaknie). Dachy metalowe z niektórymi rodzajami powłok polimerowych są szczególnie wrażliwe na to promieniowanie..

Promieniowanie słoneczne padające na dach jest częściowo pochłaniane przez materiały pokrycia dachowego. Jednocześnie górne warstwy dachu mogą ulec znacznemu nagrzaniu (czasami nawet do 100 ° C), co również wpływa na ich zachowanie. Na przykład materiały na bazie bitumu miękną w wystarczająco wysokich temperaturach, aw niektórych przypadkach mogą zsuwać się ze pochyłych powierzchni dachowych. Wrażliwe na ciepło i metaliczne pokrycia dachowe z niektórymi rodzajami powłok. Dlatego wybierając materiał dachowy do stosowania w regionach południowych, należy upewnić się, że ma on wystarczającą odporność na ciepło..

Wahania temperatury

Jako przegroda budynku, dach działa w dość surowych warunkach temperaturowych, doświadczając zarówno przestrzennych, jak i czasowych wahań temperatury. Z reguły jego dolna powierzchnia (sufit) ma temperaturę zbliżoną do temperatury pomieszczenia. Jednocześnie temperatura powierzchni zewnętrznej zmienia się w dość szerokim zakresie – od bardzo znaczących wartości ujemnych (zimowa, mroźna noc) do wartości zbliżonych do 100 0С (w letni, słoneczny dzień). Temperatura zewnętrznej powierzchni dachu może być jednocześnie niejednorodna ze względu na nierówne nasłonecznienie różnych jego części..

Ale, jak wiadomo, wszystkie materiały są w takim czy innym stopniu poddawane rozciąganiu termicznemu i ściskaniu. Dlatego też, aby uniknąć odkształcenia i zniszczenia, bardzo ważne jest, aby materiały pracujące w jednej konstrukcji miały podobne współczynniki rozszerzalności cieplnej. Aby zwiększyć odporność dachu na obciążenia termiczne, stosuje się również szereg rozwiązań technicznych. W szczególności w dachach płaskich, aby ograniczyć efekt ruchów poziomych i nadmiernych naprężeń wewnętrznych, układane są specjalne węzły deformacyjne.

Poważnym zagrożeniem dla prawie wszystkich pokryć dachowych (z wyjątkiem powłok metalowych) są częste, czasami codzienne spadki temperatury z plusa na minus. Zwykle występuje na obszarach o łagodnych i wilgotnych zimach. Dlatego w takich strefach klimatycznych należy zwrócić szczególną uwagę na tak ważną cechę pokryć dachowych, jak nasiąkliwość. Przy wysokiej nasiąkliwości wilgoć w temperaturach dodatnich wnika i gromadzi się w porach materiału, aw temperaturach ujemnych zamarza i pęczniejąc deformuje samą strukturę materiału. Rezultatem jest postępujące niszczenie materiału, prowadzące do powstawania pęknięć.

Dach musi być nie tylko odporny na znaczne wahania temperatury, ale także niezawodnie chronić przed nimi wnętrze budynku, chroniąc go przed zimnem zimą i upałem latem. Rola bariery termicznej w konstrukcji dachu należy do warstwy izolacji termicznej. Aby materiał termoizolacyjny spełniał swoją funkcję, musi być jak najbardziej suchy. Przy wzroście wilgotności o zaledwie 5% izolacyjność termiczna materiału jest prawie o połowę mniejsza.

Para wodna

Para wodna jest stale wytwarzana we wnętrzu budynku w wyniku działań człowieka (gotowanie, mycie, kąpiele, mycie podłóg itp.). Wilgotność jest szczególnie wysoka w nowo budowanych lub remontowanych budynkach. W procesie dyfuzji i transferu konwekcyjnego para wodna podnosi się i schładzając się do temperatury poniżej punktu rosy, skrapla się w przestrzeni dachowej (rys. 5). Ilość generowanej wilgoci jest tym większa, im większa jest różnica temperatur na zewnątrz i wewnątrz budynku, dlatego zimą wilgoć gromadzi się dość intensywnie w przestrzeni pod dachem.

rys.5

Wilgoć ma negatywny wpływ zarówno na drewniane, jak i metalowe konstrukcje dachowe. Z nadmiarem zaczyna spływać do wnętrza, tworząc nieszczelności na suficie. Najbardziej nieprzyjemne konsekwencje to gromadzenie się wilgoci w materiale termoizolacyjnym, co, jak już wspomniano, znacznie zmniejsza jego właściwości termoizolacyjne..

Istotną barierą dla przenikania pary wodnej do przestrzeni pod dachem jest specjalna folia o niskiej paroprzepuszczalności, która jest umieszczana bezpośrednio pod izolacją termiczną w konstrukcji dachu. Jednak żaden materiał paroizolacyjny nie jest w stanie całkowicie wykluczyć przepływu pary z wnętrza budynku do przestrzeni pod dachem. Dlatego, aby dach nie tracił z roku na rok swoich właściwości termoizolacyjnych, konieczne jest, aby cała wilgoć gromadząca się w materiale termoizolacyjnym w okresie zimowym latem wychodzić na zewnątrz..

To zadanie jest rozwiązywane za pomocą konstruktywnych środków. W szczególności w przypadku dachów płaskich zaleca się nie ciągłe, ale częściowe przyklejanie pokrycia dachowego do podłoża.

W dachach skośnych stosuje się specjalne szczeliny wentylacyjne (rys. 6). Z reguły są dwa – górna szczelina i dolna. Poprzez górną szczelinę (między pokryciem dachowym a hydroizolacją) usuwa się wilgoć atmosferyczną uwięzioną pod pokryciem dachowym. Dzięki wentylacji konstrukcje drewniane (przeciwkratowanie i listwa) są stale wentylowane, co zapewnia ich trwałość. Poprzez dolną szczelinę wentylacyjną odprowadzana jest wilgoć wnikająca w izolację od wewnątrz. Wysokiej jakości ułożenie paroizolacji od strony wewnętrznej i obecność wystarczającej dolnej szczeliny wentylacyjnej, wykluczają nasiąkanie wodą konstrukcji dachu.

rys.6

Należy pamiętać, że w przypadku stosowania membran oddychających jako materiałów wodoodpornych nie ma potrzeby stosowania mniejszej szczeliny wentylacyjnej..

Aby zapewnić dobrą cyrkulację powietrza, wiele firm produkujących pokrycia dachowe na dachy skośne z reguły oferuje jako elementy dodatkowe szereg elementów wentylacyjnych: aeratory okapowe, perlatory kalenicowe, kratki wentylacyjne, a do dachów pokrytych dachówką – specjalne dachówki wentylacyjne..

Najbardziej niezawodna ochrona przed parą wodną jest szczególnie potrzebna na dachach nad pomieszczeniami o dużej wilgotności: basenach, muzeach, pracowniach komputerowych, szpitalach, niektórych obiektach przemysłowych itp. Na ochronę przed parą należy również zwrócić szczególną uwagę podczas budowania w obszarach o skrajnie zimnym klimacie, nawet przy normalnej wilgotności wewnętrznej. Analizując warunki środowiskowe oraz warunki temperaturowo-wilgotnościowe panujące wewnątrz lokalu, można przyjąć założenie o możliwości kondensacji wilgoci i jej kumulacji, a stosując różne kombinacje elementów dachu starać się przeciwdziałać tym zjawiskom..

Substancje agresywne chemicznie w powietrzu

Z reguły w dużych miastach lub w pobliżu dużych przedsiębiorstw w atmosferze występuje dość wysokie stężenie substancji agresywnych chemicznie, na przykład siarkowodoru i dwutlenku węgla. Dlatego do wszystkich elementów konstrukcyjnych dachów, a szczególnie do dachów w takich miejscach, konieczne jest stosowanie materiałów odpornych na chemikalia obecne w powietrzu..

Życiowa aktywność owadów i mikroorganizmów

Różne owady i mikroorganizmy mogą powodować znaczne uszkodzenia konstrukcji dachu, zwłaszcza elementów drewnianych. Wysoka wilgotność jest szczególnie korzystnym środowiskiem dla ich życia. Aby chronić konstrukcje drewniane, stosuje się specjalne impregnaty, które chronią materiał przed mikroorganizmami.

Obciążenia mechaniczne

Konstrukcja dachu musi wytrzymywać obciążenia mechaniczne, zarówno stałe (statyczne) – od elementów wypełniających i montażowych, jak i przejściowe – śnieg, od ruchu ludzi i sprzętu itp. Obciążenia związane z możliwymi ruchami między dachem a węzłami budynku są również tymczasowe..

Aby więc dach niezawodnie spełniał swoje funkcje i był odporny na różnego rodzaju wpływy (wymienione powyżej), konieczne jest: po pierwsze, wystarczy poprawnie obliczyć część nośną; po drugie, znajdź najlepszą opcję projektu; i wreszcie, po trzecie, zapewnienie optymalnego połączenia materiałów konstrukcyjnych.

Z tego wszystkiego wynika, że ​​w konstrukcji dachu mogą występować następujące główne warstwy (rys. 7):

rys.7

• materiał dachowy, na który w razie potrzeby nakładana jest dodatkowa warstwa (opatrunek, balast itp.);
• warstwa hydroizolacyjna (na dachach skośnych) – dodatkowo izoluje wewnętrzne warstwy dachu przed wnikaniem wilgoci atmosferycznej;
• izolacja termiczna – zapewnia dość stabilną temperaturę powietrza w pomieszczeniach;
• paroizolacja – zapobiega przedostawaniu się pary wodnej do konstrukcji dachu od wewnątrz budynku;
• baza.

Konstrukcja dachu musi być wyposażona w środki zapewniające swobodną cyrkulację powietrza (wentylacja).

Zapotrzebowanie na określone warstwy i ich położenie zależą od rodzaju budynku i skutków, na jakie będzie narażony. Przy wyborze należy również wziąć pod uwagę charakterystykę techniczną użytych materiałów: współczynniki rozszerzalności cieplnej i kompresji; wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie i ścinanie; charakterystyka paroprzepuszczalności i wchłaniania wilgoci; charakterystyka starzenia, w tym zwiększona kruchość i utrata odporności termicznej; elastyczność; odporność na ogień. Znaczenie wszystkich powyższych charakterystyk technicznych zależy od każdego konkretnego przypadku.