Seismická a energetická renovace nejen historických budov

V článku Vám představíme inovativní přístup k návrhu obnovy historických budov. Je založen na dvou stavebních technikách, které jsou pro tento účel mimořádně vhodné.

Článek vypracovali:

Katedra stavebního inženýrství a architektury – Univerzita v Catanii, via Santa Sofia, 64, 95125 Catania.
Katedra elektrického, elektronického a počítačového inženýrství – Univerzita v Catanii, via Santa Sofia, 64, 95125 Catania.
Tecnova Group – via Al Idrisi, 2T, 95041 – Caltagirone (CT).

V článku naleznete:

Úvod
Kompozity ze skelných vláken pro konstrukční aplikace
Renovace s keramickým nátěrem
Metodika testování
Výsledky
Závěr

První z těchto postupů se týká vyztužení zdiva. Tvoří ji konkrétní drátěná síť vyztužená vlákny (FRP). Tento konstrukční systém byl nedávno zaveden a ve srovnání s tradičními konstrukčními ocelovými drátěnými sítěmi nabízí několik výhod.

Druhou technologií je termokeramický nátěr, který zlepšuje vnitřní komfort. Oproti tradičním technologiím izolace budov nabízí několik výhod.

Kombinace obou vede k inovativnímu přístupu k obnově historických budov, který se ukazuje jako vysoce udržitelný z různých hledisek. Článek se zabývá také vhodností těchto systémů pro obnovu historických budov na Sicílii; diskutuje se o výsledcích experimentální zkušební kampaně.

Úvod

Italské architektonické dědictví, které patří k nejbohatším na světě, je mimořádně důležitým zdrojem, který je třeba chránit, zachovat a předat budoucím generacím [1]. K dosažení tohoto cíle je třeba zvládnout jeho nedostatky a navrhnout řešení. Například historické budovy mají obvykle vysokou potřebu energie z důvodu špatných tepelných vlastností, nízké vzduchotěsnosti, tepelných mostů atp.

Jak je uvedeno ve zprávách, mnohé starobylé budovy v Itálii jsou velmi vystaveny seismickým rizikům; zásahy se proto musí zaměřit i na seismickou modernizaci v souladu s regulačními normami.

Jak je uvedeno v literatuře [2-3], současné stavební techniky nejsou obecně vhodné pro historické budovy [4-5], a to z několika důvodů, jako jsou jejich konstrukční vlastnosti a především potřeba zachovat jejich identitu. V důsledku toho, aby se předešlo možným konfliktům mezi budovami principy ochrany a potřeba účinnosti, je třeba vyvinout nové přístupy a materiály a vyhodnotit jejich účinnost [6]. Řešení tohoto problému může poskytnout nabídka trhu; ve skutečnosti je již k dispozici velké množství inovativních řešení.

Jak je známo, v oblasti historické architektury existují materiály a technologie, které souvisejí s aktuálním stavem techniky v jednotlivých regionech [7]. V důsledku toho jsou pro podporu použití inovativních materiálů na historických budovách, ověření jejich vhodnosti a nastínění silných a slabých stránek potřebné testovací fáze.

Tento článek představuje studii provedenou na dvou systémech, které jsou vhodné pro zlepšení výkonnosti stávajících budov. Uvádějí se zejména výsledky testovací kampaně relevantní pro případové studie na Sicílii. Kombinace těchto dvou systémů může vést ke snížení nákladů na energii a seismickému zesílení stávajících nemovitostí.

Kompozity ze skelných vláken pro konstrukční aplikace

Kompozitní materiály se získávají kombinací dvou nebo více materiálů různé povahy, přičemž se využívají vlastnosti komponentů s cílem dosáhnout lepších vlastností než při použití jednotlivých komponentů samostatně [8]. Z kompozitních materiálů se ve stavebnictví ve velké míře používají polymery vyztužené vlákny (FRP).

V kompozitech FRP je výztuž obvykle vyrobena z alkalicky odolných skleněných vláken, která jsou sestavena tak, aby vytvořila monolitickou, pružnou a odolnou vícesměrnou síť, zatímco matrice je vyrobena z termosetových polymerních pryskyřic, kterými je síť impregnována.

Kompozity FRP se vyznačují vysokou mechanickou odolností, požární odolností, chemickou setrvačností, odolností vůči vodě, nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a dobrou kompatibilitou s jinými pryskyřicemi. Jsou nemagnetické, neuvolňují škodlivé emise a mají nízkou tepelnou a akustickou propustnost. V neposlední řadě mají FRP materiály nízkou vloženou energii [9 – 10].

Kompozity FRP se používají v mnoha stavebních aplikacích, například ke zpevňování podlah, vyztužování potěrů, tenkých betonových prvků a vyztuženého zdiva. Kromě jiných zajímavých aplikací je pro ochranu historických budov důležité také zpevňování stěn zdiva [11]. Při tomto druhu zásahu se po odstranění omítky síťovina instaluje na stávající konstrukci a stabilně se ukotví pomocí FRP spojek. Konektory se vloží do otvoru vyvrtaného do zdiva a poté se na opačné straně stěny ohnou k upevnění. Nakonec se nanese nová povrchová vrstva, obvykle vápenná malta.

Tento postup lze použít na nadpraží, oblouky, sloupy, klenby a jiné prvky [12 – 13].

V nedávné minulosti se ke zpevnění zděných budov používaly výztužné ocelové sítě pokryté cementovou omítkou. V porovnání s ocelovými sítěmi mají materiály FRP mnoho výhod:

Odolnost skleněných vláken vůči oxidaci;
vhodnost použití vápenné malty na historických zděných budovách;
malá tloušťka umožňuje optimální umístění sítí ve stávajících konstrukcích;
nemagnetické vlastnosti zabraňují elektromagnetickému rušení;
nízké nároky na údržbu.

Stavební zásah s použitím výztužné síťoviny FRP a omítky z vápenné malty si vyžádal několik předběžných úkonů, jako je demontáž stávající omítky, vyhloubení spár ručním nářadím a očištění stěn nízkotlakým vodním postřikovačem; následně byla síťovina ze skleněných vláken (66 × 66 mm) upevněna pomocí spojovacích prostředků a natřena vápennou maltou s nízkým obsahem směsi (obr. 1).

Obr. 1. Konsolidace pomocí FRP výztužné sítě.

Renovace s keramickým nátěrem (ClimateCoating)

Keramický nátěr ClimateCoating umožňuje chránit fasády budov, střechy a vnitřní příčky vrstvou o tloušťce 0,03 mm. Srdce této technologie představují malé duté keramické bubliny, které vytvářejí vakuum a svým tvarem a materiálem mají všechny potřebné vlastnosti k zajištění dobrého tepelného chování.

Mikrokuličky jsou rozptýleny ve vysoce kvalitních pojivech, které umožňují dosáhnout mechanických vlastností tak, aby tento druh materiálu patřil mezi nejodolnější nátěry. Endotermická membrána má zajímavé účinky na vnitřní i vnější straně stěny. Z vnější strany může membrána v případě deště nabobtnat až o čtvrtinu své normální velikosti, čímž zabraňuje pronikání vody do podkladu. Zároveň rychle a rovnoměrně rozvádí vnesenou energii po celém povrchu a poté ji opět uvolňuje ve formě sálavého tepla. Produktová řada je řadou multifunkčních high-tech nátěrů, jejichž cílem je zlepšit ochranu obvodového pláště, zdraví a pohodlí, jakož i úsporu nákladů na vytápění a klimatizaci.

Kromě toho výrobce uvádí, že když se nátěr aplikuje uvnitř budov, díky svým fyzikálním vlastnostem zajišťuje transport vlhkosti směrem ven, snižuje tvorbu prachu a zabraňuje tvorbě plísní, čímž přispívá k dosažení zdravějšího prostředí a většího komfortu bydlení.

Metodika testování

Řešení seismické modernizace

Pro vyhodnocení účinnosti techniky vyztužování při aplikaci na typické místní stěny ze zdiva z lávového kamene byla provedena zkouška diagonálního tlaku [14] in situ. Zkouška zahrnovala působení diagonálního tlakového zatížení na vzorek zdiva téměř čtvercového tvaru až do porušení a byla stanovena k určení smykové pevnosti a šikmé tahové trhliny vzorků; teoreticky navržený způsob aplikace zatížení vyvolává napěťově-deformační stav podobný těm, které vznikají při působení smykového zatížení, a určuje porušení vzorku podél izostatických linií.

Laboratorní zkouška byla provedena podle normy ASTM E 519-02; při zkoušce in situ byl vzorek získán ze stávajícího stěnového systému, přičemž vzorek zůstal částečně připevněn ke stěně.

Test se uskutečnil během konsolidačních prací na památkové budově v Katánii (Itálie): „Asilo Sant’Agata“, jedné z nejoceňovanějších charitativních institucí ve městě.

Bylo třeba provést dvě zkoušky; stěna se testovala v původním stavu a po zesílení, aby bylo možné posoudit zvýšení odolnosti. Zvolený stěnový systém se skládal z hranatých bloků lávového kamene, které tvořily pseudoizodomické vrstvy. Tato technika se mezi druhou polovinou 19. a prvními desetiletími 20. století hojně používala při stavbách v celé oblasti Etny a je známá jako „Muratura Rinzeppata“.

Aby se umožnilo správné umístění zkušebních nástrojů v protilehlých rozích, vybraná zdiva se oddělila od stěny. K zatížení se použil ruční hydraulický zvedák, aby se mohlo postupně dávkovat (obrázek 2). Aplikované zatížení bylo měřeno pomocí tlakového snímače, zatímco relativní posuny diagonálních bodů vzorku byly měřeny dvojicemi potenciometrických snímačů umístěných v obou čelech. Všechna zařízení byla připojena k elektronickému nákupu propojenému s počítačem.

Panely se vzorky zdiva se oddělily od stěny, aby se umožnilo správné umístění zkušebního zařízení v jejich protilehlých rozích. Zatížení, které se postupně aplikovalo hydraulickým zvedákem (obrázek 2), se měřilo pomocí tlakového snímače, zatímco relativní posuny, vztahující se na dvojici diagonálně protilehlých bodů, se měřily pomocí potenciometrických snímačů, umístěných na obou stranách vzorku. Všechna zařízení byla připojena k řídicí jednotce propojené s počítačem.

Během zkoušky bylo měřeno působící zatížení a účinky prodloužení a zkrácení na základně vzorků. Jak je známo, ekvivalentní tahové napětí lze odvodit z tahové deformace měřením ve směru kolmém na směr tlakového zatížení. Podrobně byla zkouška provedena podle RILEM 1931, jakož is odkazem na zkušební metodu v ASTM E 519-02.

Proces zatěžování zahrnoval cykly zatížení-odtížení-zatížení s amplitudou 10 až 15 kN až do maximální odolnosti. Cykly se prováděly při konstantní rychlosti během obou fází, přibližně 1,2 kN/s.

Po dosažení maximálního odporu se zkoušky prováděly za monotónních podmínek zatěžování a s kontrolou posunu. Experimenty byly ukončeny, když se deformace tlakové vzpěry přiblížila k 20 mm.

Pokud jde o plášť, pro charakterizování mechanických vlastností použité malty byly provedeny i jednoduché zkoušky v tlaku a nepřímém tahu; také se zjistil Youngův modul a Poissonův poměr.

(zkoušky byly provedeny v laboratoři pro zkoušení materiálů na jaderných vzorcích, které byly vyrobeny na místě s 28denní dobou tvrdnutí).

Řešení energetické modernizace

S cílem vyhodnotit tepelné chování výrobků ClimateCoating byl proveden experimentální průzkum na skupině malých domů v Caltagironu (obrázek 3). Všechny domy jsou klimatizovány tepelnými čerpadly s děleným systémem stejné značky a modelu.

Předběžné cíle průzkumu byly:

vyhodnotit rozdíly ve spotřebě energie budov v závislosti na různých úpravách aplikovaných na vnitřní a/nebo vnější povrchy;
pomocí měření povrchových teplot poukázat na rozdílné tepelné chování v důsledku vnějších povrchových úprav.

V tabulce 1 jsou uvedeny způsoby ošetření pokusných jednotek.

	Budova 2	Budova 3	Budova 4	Budova 5
Vnější ošetření	ClimateCoating ThermoProtect	ClimateCoating ThermoProtect	NE	NE
Vnitřní ošetření	ClimateCoating ThermoPlus	NE	NE	ClimateCoating ThermoPlus

Tabulka 1 – Ošetření aplikovaná na pokusné jednotky

Na budovu 4, která sloužila jako referenční jednotka pro posouzení energetických a tepelných parametrů ostatních budov, se neaplikovaly žádné úpravy.

Měření

Měření povrchových teplot na vnitřní i vnější straně se uskutečnilo pomocí dvou různých měřicích přístrojů, které prodávaly společnosti LSI Lastem a Thermozig.

Zkušební a měřicí zařízení zahrnují měřič tepelného toku N. 1, sondy teploty povrchu stěny, záznamníky dat, software pro zpracování dat (obrázek 4).

Spotřeba elektrické energie se měřila pomocí ampérmetrových kleští PEC-UT 232 a elektroměrů. Průzkumy se uskutečnily od 5. července do 15. července 2016.

Za účelem dosažení homogenních zkušebních podmínek ve všech 4 budovách:

všechny elektrické zátěže byly vypnuty;
pro klimatizační zařízení byla nastavena stejná požadovaná teplota a otáčky ventilátoru;
testované budovy byly během období průzkumu prázdné (žádné vnitřní zisky), se zavřenými a zatemněnými okny.

Měření povrchových teplot, směrem dovnitř a ven, se uskutečnilo pouze v budovách 3 a 4 a ve stejných budovách se měřila i teplota vnitřního vzduchu. Pro každou z budov byly údaje o spotřebě elektrické energie odvozeny od spotřeby energie systému HVAC.

Výsledky

Seismická modernizace

Diagram závislosti zatížení na deformaci zobrazený na obrázku 5a byl vytvořen na základě údajů získaných během zkoušky na nevyztuženém zdivu; zobrazeno je maximální diagonální zatížení (P_max = 83,10 kN), maximální normálové napětí (σ_l,max = 0,056 MPa) a maximální smykové napětí (τ_0,max = 0,037 Mpa).

Obrázek 5. Diagram zatížení a deformace nevyztužených (vlevo) a vyztužených (vpravo) zkušebních panelů při zatížení tlakem.

Křivky zobrazené na obrázku 5 představují diagonální zatížení P v závislosti na průměrné tlakové deformaci ɛc ve směru zatížení, měřené na obou stranách vzorku.

Druhá zkouška (provedená in situ 17. května 2013) byla provedena na vzorcích vyztužených vlákny, jejichž tvar a rozměry byly podobné jako u předchozích vzorků. Diagram závislosti zatížení na deformaci zobrazený na obr. 5b byl opět sestaven na základě údajů získaných během zkoušky; zobrazeno je maximální diagonální zatížení (P_max = 239,46 kN), maximální normálové napětí (σ_l,max = 0,162 MPa) a maximální smykové napětí (τ_0,max = 0,108 Mpa) (tab. 2).

Pokud jde o maltu, laboratorní analýza prokázala silnou odolnost v tlaku (σ_c = 5,2 N/mm2 ) i v tahu (f_ct = 0,64 N/mm2 ), jakož i standardní Youngův modul (E_m = 5332 N/mm2 ) a Poissonův poměr (0,17).

	Stav	P_max (kN)	σ_l,max (Mpa)	τ₀ (Mpa)
Lávový kámen zdivo	Nevyztuženo	83.10	0.056	0.037
	Vyztužený materiálem FRP	239.46	0.162	0.108

Tabulka 2. Mechanické charakteristiky nevyztužených a vyztužených zkušebních panelů.

Výsledky testů	σ_c (N/mm2)	f_ct (N/mm2)	E_m (N/mm2)	Koef. Poisson
	5.2	0.64	5332	0.17

TYP	– Vlákny vyztužená, tixotropní, hydraulická vápenná malta s kompenzací smrštění – puzolánové kamenivo, které odpovídá normám UNI EN 480-5 a UNI EN 459-1
SLOŽENÍ	– 20 % oxid křemičitý, oxid hlinitý (SxAyHz); 10 % křemičitan vápenatý (Ca₂SiO₄ ) – 42 % hydroxid vápenatý (Ca(OH)₂); 28 % uhličitan vápenatý (CaCO₃ )

Tabulka 3. Mechanické vlastnosti použité opravné malty.

Hlavním cílem testu bylo určit účinnost použití materiálů FRP pro seismické zesílení tohoto typu stěny. Výsledky experimentu odrážejí statiku budovy před zásahem a po něm; hodnoty maximálního normálového napětí a maximálního smykového napětí jsou základem pro realizaci teoretického modelu pro výpočet statiky budovy.

Získané hodnoty jsou v souladu s výsledky podobných experimentů provedených na různých typech stavebních konstrukcí, jakož is výsledky v literatuře [15].

Systém rekvalifikace energie.

Spotřeba elektrické energie.

Spotřeba elektrické energie naměřená v každé budově během období průzkumu je znázorněna na obrázku 6.

Je možné zdůraznit, že dvě dvojice budov, 2-3 a 4-5, vykazují poměrně podobné profily spotřeby. Přesněji, budovy 4-5, které nebyly ošetřeny (č. 4) nebo byly ošetřeny jen zevnitř (č. 5), zaznamenaly nejnižší spotřebu energie, zatímco budovy 2-3, které byly ošetřeny zvenčí, zaznamenaly nejvyšší spotřebu energie.

Tyto výsledky nemohou vést k závěru, že nátěry ClimateCoating mohou způsobit zvýšení spotřeby energie. Ve skutečnosti, přestože všechny čtyři budovy vypadají navzájem velmi podobně, pozorovaná spotřeba energie v budovách může záviset na specifických provozních vlastnostech tepelných čerpadel instalovaných v každé budově a různých stavebních detailech (podlahy, fasády), které se nevyskytly během kontroly na místě.

Na obrázku 7 jsou pro den odběru vzorků znázorněny vnitřní a venkovní povrchové teploty budovy 4 (neošetřené), (Tnt)_int a (Tnt)_out a budovy 3, (Tts)_int a (Tts)_out ; podle tabulky 1 byla fasáda budovy 3 natřena nátěrem ClimateCoating ThermoProtect.

Obrázok 7. Vývoj teplôt na vnútornom a vonkajšom povrchu.

Na obrázku 7 lze zdůraznit, že mezi těmito dvěma trendy (vnitřní a vnější povrchové teploty) existují značné rozdíly. Konkrétně, během vystavení fasád přímému slunečnímu záření (orientované na západ) je T(ts)_out vyšší než T(nt)_out , zatímco během noci T(ts)_out, dosahuje nižších hodnot než T(nt)_out .

Kromě toho je T(ts)_int po celý den nižší než T(nt)_int . Tento výsledek, týkající se vnitřních povrchových teplot, lze připsat ochrannému účinku, který poskytuje nátěr proti slunečnímu záření, čímž umožňuje snížení vnitřní teploty. Takové chování bylo pozorováno během celého období průzkumu.

Na obrázku 8 je znázorněn (kladný) rozdíl mezi maximálními venkovními povrchovými teplotami, d(Tts-Tnt)_{max_out} , jakož i (záporný) rozdíl mezi minimálními teplotami, d(Tts-Tnt)_{min_out} , opět ve vztahu k budovám 3 ( ošetřeno) a 4 (neošetřeno).

Kromě toho se na obrázku 9 porovnávají průměrné vnitřní povrchové teploty Tm(ts) (budova 3) a Tm (budova 4); podle výsledků testů byla Tm(ts) (budova 3) v průměru o 2 °C chladnější než Tm (budova 4). Tyto rozdíly v teplotách lze připsat účinkům endotermické membrány, která umožňuje udržovat lepší podmínky komfortu uvnitř budovy.

Na obrázku 9 jsou znázorněny potenciální úspory energie vyplývající z rozdílů teplot vnitřního povrchu, které se přemění na snížení tepelného toku přenášeného z interiéru do exteriéru.

Technologické charakteristiky

Kromě toho mohou existovat i další výhody v závislosti na vlastnostech použitých technologií.

Systém FRP se vyznačuje vysokou mechanickou odolností, požární odolností, chemickou setrvačností, odolností vůči vodě, nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a vysokou kompatibilitou s pryskyřicemi. Je nemagnetický, neprodukuje škodlivé látky a má nízkou tepelnou a akustickou vodivost.

V nedávné minulosti se při zpevňování zděných budov používaly výztužné ocelové sítě pokryté cementovou omítkou. Ve srovnání s ocelovými sítěmi mají materiály FRP mnoho výhod:

odolnost skleněných vláken vůči oxidaci;
vhodnost použití vápenné malty pro historické zděné budovy;
malá tloušťka umožňuje optimální umístění sítí ve stávajících strukturách;
nemagnetické vlastnosti zabraňují elektromagnetickým interferencím;
nízké nároky na údržbu.

Pokud jde o keramický nátěr, má řadu výhod; za prvé, lze dosáhnout výrazného zlepšení energetické účinnosti památkově chráněných budov při zachování jejich vzhledu, a to pouze nanesením mimořádně tenké vrstvy. Díky široké škále dostupných barev je tato úprava vhodná pro tento účel; díky její malé tloušťce lze zachovat typické architektonické prvky, jako jsou opěrné pilíře, podélné pásy, kamenné okenní a dveřní rámy atp.

Kromě toho, jelikož se nepoužívají žádné upevňovací prvky, je třeba zohlednit minimální invazivnost ošetření.

Nakonec umožňuje výrazně snížit negativní účinky tepelných mostů.

Závěr

Zkoušky provedené na zděných stěnách vyztužených FRP ukázaly trojnásobné zvýšení maximálního diagonálního tlakového zatížení určujícího porušení vyztuženého vzorku stěny v porovnání s nevyztuženým vzorkem. Výsledky studie proto vedou k závěru, že taková technika je mimořádně vhodná pro zvýšení maximální pevnosti zděných konstrukcí, jakož i pro zlepšení reakcí na napětí a deformaci díky zvýšení ekvivalentního tahového napětí. Tyto výsledky představují krok vpřed v chápání potenciálu sítí FPR, jelikož dosud nebyly testovány na zdivu z lávového kamene, a proto je lze doplnit do literatury o experimentech provedených na jiných typech konstrukcí.

Testy provedené na keramickém nátěru ClimateCoating ukázaly, že průměrná vnitřní teplota v ošetřeném byla o 2 °C nižší než v ostatních jednotkách. Z těchto výsledků lze usoudit, že použití této technologie přináší zlepšení vnitřního komfortu a následně snížení spotřeby energie.

Použití obou technologií může vést ke snížení spotřeby energie a k seismické modernizaci stávající architektury. Kombinace těchto dvou technologií představuje strategický přístup k modernizaci historických budov. Ve srovnání s jinými možnými řešeními nabízí FRP ve skutečnosti řadu výhod. Na druhé straně, pokud jde o keramický nátěr, lze využít jeho nízkou tloušťku.