Inovativní řešení skladeb stěn roubených staveb

2020
Ing. Vojtěch Martinek, Ing. Sylvia Svobodová

Roubené stavby jsou historicky součástí naší venkovské architektury a stavitelství. Své uplatnění již od nepaměti nacházely především v podhorských a horských oblastech s množstvím lesů a tedy dostupného stavebního materiálu.

Roubenky mají své místo ve stavebnictví i nyní, ačkoliv většinou ne v původní podobě výstavby, ale s využitím moderních technologií. Původní řešení s použitím nesušeného rostlého dřeva má několik nevýhod. Mokré dřevo musí vyschnout a může trvat i několik let, než se hmotnostní vlhkost mokrého řeziva ustálí na rovnovážné hodnotě. Po tuto dobu dochází k postupnému sedání stavby, které se v závislosti na počáteční vlhkosti dřeva pohybuje mezi 5 až 10 % (150 až 300 mm na 3 m výšky stěny). Bez technologické přestávky alespoň 1 rok se neobejdeme. Při vysychání je také nutné počítat s tvorbou výsušných trhlin a s problematickým dosažením vzduchotěsnosti staveb.

Vzhledem k současným požadavkům stavebníků na rychlost výstavby i na kvalitu bydlení se dnes roubené stavby nejčastěji realizují z lepeného lamelového dřeva BSH sušeného na 10 – 12 % s profilem na pero a drážku. Slepením sušených dřevěných lamel tloušťky 40 mm se dosáhne tvarové stálosti dřevěných profilů a snížení rizika rozvoje dřevokazných škůdců. Použití profilu P+D s vloženým těsněním napomáhá k dosažení vyšší vzduchotěsnosti stavby.

Legislativa

Velmi důležitým aspektem současného stavění jsou stále se zpřísňující legislativní požadavky na energetickou (ne)náročnost objektu, potažmo na součinitel prostupu tepla. Dle současně platné ČSN 73 0540-2 je maximální požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla stěnou U_N,20 = 0,30 [W/m².K]. Zároveň je v ČSN 73 0540-3 pro Dřevo lehké, tepelný tok kolmo k vláknům uvedena návrhová hodnota součinitele tepelné vodivosti λ_U = 0,18 [W/m.K]. Stanovením hodnoty λ dřeva se zabývá i mnoho vědeckých článků, vysokoškolských prací, popřípadě dalších technických norem. Obecně lze říci, že smrkové dřevo má proměnnou hodnotu λ v závislosti na teplotě a relativní vlhkosti okolního vzduchu a hodnota λ_U = 0,18 [W/m.K] je velmi konzervativní. Například v ČSN EN ISO 10456 je pro dřevo objemové hmotnosti 450 [kg/m³] uvedena hodnota λ_U = 0,12 [W/m.K].

V tab. 01 jsou pro představu uvedeny minimální tloušťky klasické jednovrstvé masivní roubené stěny pro obě hodnoty λ_U tak, aby byl splněn požadavek U_N,20 = 0,30 [W/m².K].

Tab. 01 – Minimální tloušťka roubené stěny pro splnění požadované hodnoty součinitele prostupu tepla

Návrhová hodnota součinitele tepelné vodivosti λ_U	*Minimální tloušťka stěny pro splnění požadavku U_N,20 = 0,30 [W/m².K]**
ČSN 73 5010-3 λ_U = 0,18 [W/m.K]	570 mm
ČSN EN ISO 10456 λ_U = 0,12 [W/m.K]	380 mm
* Jedná se o orientační výpočet bez započtení vlivu vodorovných spár mezi dřevěnými prvky (záviselo by na provedení spáry, zda vliv bude kladný nebo záporný).

Je zřejmé, že uvedené hodnoty minimální tloušťky masivního dřevěného prvku nejsou reálné. Vyvstává otázka: Jak je vlastně možné, že roubenky s „běžnou“ tloušťkou stěny cca 200 – 280 mm mohou získat stavební povolení? Na základě naší zkušenosti lze říci, že stavební úřady akceptují roubené stavby v těchto případech:

Stěna nesplňuje U_N,20, ale díky enormní tloušťce tepelné izolace ve skladbě podlahy a střechy je objekt jako celek v PENB hodnocen jako vyhovující (nejhůře kategorie „C – vyhovující“).
Poloroubenka, kde dřevěná část nesplňuje U_N,20, ale zděná část je tolik zateplená, že průměrné U stěny je menší nebo rovno U_N,20 a zároveň PENB zařadil objekt do kategorie C – vyhovující nebo lepší.
Stavba je povolována jako objekt, na který se nevztahuje povinnost zpracovávat PENB.

Konstrukce roubené stavby s využitím moderních technologií - „Dekpanelroubenka“

Pro splnění požadavků současných norem, ale i pro dosažení srovnatelných parametrů se zděnými budovami, bylo nutné provést koncepční úpravu klasické roubené konstrukce. Našim cílem bylo navrhnout konstrukční řešení stavby, které bude splňovat veškeré architektonické požadavky i požadavky moderního bydlení, především:

vzduchotěsnost
vyhovující z hlediska tepelné techniky
masivní roubené rohy s rybinovým spojem
variabilní z hlediska interiérového povrchu – roubení, SDK předstěna, keramický obklad apod.
popřípadě možnost realizace pasivních objektů
ideálně s využitím stávajících technologií
cenová dostupnost

Předmětem výzkumu, který probíhal ve výzkumném centru DEK Experimental Research Innovation Centre (dále jen DERIC) v Brně, bylo několik variant řešení. Pod označeními A, B a C jsou níže uvedeny s výčtem kladů a záporů.

A) Modifikovaná jednovrstvá konstrukce stěny s vloženou tepelnou izolací do vyfrézovaných otvorů (obr. 01 a 02)

	+	splní požadovanou hodnotu součinitele prostupu tepla
	+	totožná montáž jako běžná roubená stěna
	+	oboustranně pohledová roubená konstrukce s masivním roubeným rohem
	–	problematické řešení vzduchotěsnosti
	–	komplikovaná výroba hranolů
	–	nevhodné pro nízkoenergetické a pasivní domy
	–	vysoká cena výroby profilů

Obr. 01a – Schéma masivního roubeného hranolu s vyfrézovanými otvory pro vložení tepelné izolace

Obr. 01b – Foto masivního roubeného hranolu s vyfrézovanými otvory pro vložení tepelné izolace

B) Sendvičová třívrstvá konstrukce s vloženou tepelnou izolací mezi vnitřní a vnější vrstvu roubení s menší tloušťkou hranolů (obr. 02)

	+	umožňuje vložit libovolnou tloušťku tepelné izolace
	+	oboustranně pohledová roubená konstrukce
	+	rozumná cena
	–	problematické řešení vzduchotěsnosti
	–	relativně subtilní roubený roh, vzhledově nevěrohodný pro architektonický záměr původní roubenky
	–	horší vzduchotěsnost a parotěsnost vnitřní konstrukce zvyšuje riziko možného napadení dřeva houbami a plísněmi
	–	komplikovanější montáž oproti variantě A)

C) Kombinovaná konstrukce s využitím nosného prvku z dřevěných šroubovaných panelů Dekpanel, s vloženou tepelnou izolací z minerálních vláken a s vnějším dřevěným roubením z BSH profilů (obr. 03)

	+	umožňuje vložit libovolnou tloušťku tepelné izolace
	+	z vnější strany pohledové roubení, z vnitřní strany možnost volby povrchu – palubky, falešné roubení, SDK předstěna s keramickým obkladem apod.
	+	vzduchotěsnost v ploše včetně vyřešených detailů a návazností na navazující konstrukce
	+	spolehlivá vzduchotěsnost a parotěsnost vnitřní konstrukce minimalizuje riziko možného napadení dřeva houbami a plísněmi
	+	masivní roubený roh
	+	rozumná cena srovnatelná s variantou B
	–	komplikovanější montáž oproti variantě A


Obr. 02 – Sendvičová třívrstvá konstrukce (B) Roubení / vata / roubení realizovaná v DERIC (rozpracováno)	Obr. 03 – Sendvičová třívrstvá konstrukce (C) Dekpanel – vata – roubení realizovaná v DERIC (rozpracováno)

Na základě hodnocení výše uvedených požadavků, byla vybrána varianta C. Bylo otázkou, zdali konstrukci koncipovat jako větranou, u níž by bylo zajištěno větrání venkovního roubení vzduchovou vrstvou umístěnou mezi tepelnou izolací a vnější roubenou stěnou, anebo jednoplášťovou bez větrání.

Námi původně preferovaná varianta větrané konstrukce měla určitá úskalí – řešení detailů přiváděcích otvorů ve spodní řadě roubení po obvodu celé stavby, vyšší náročnost montáže, riziko hnízdění ptactva a kun ve vzduchové dutině, nutnost realizace větrotěsnicí vrstvy na vnějším povrchu tepelné izolace apod. Proto jsme se rozhodli primárně zabývat nevětranou variantou konstrukce s pečlivou analýzou tepelně-vlhkostního chování.

Obr. 04 – Schéma skladby stěny Dekpanelroubenky – vlevo varianta vnitřního obkladu imitujícího interiérové pohledové roubení, vpravo sádrokartonová předstěna

Varianty stěn s roubením uvedené na obr. 04 řeší všechny výše uvedené technické i architektonické požadavky. Panely Dekpanel plní funkci nosnou, parotěsnicí a vzduchotěsnicí. Tepelnou izolaci z minerálních vláken lze vkládat v libovolné tloušťce. Pro splnění U_REC,20 = 0,20 [W/m².K] postačí 140 mm izolantu s λ_U = 0,038 [W/m.K], ale lze samozřejmě cílit i na doporučené hodnoty pro pasivní stavby. Vnější pohledovou vrstvu tvoří roubení z BSH hranolů 160/240 mm. Dostatečně masivní profil jednak zajišťuje přirozený vzhled roubenky (rohový rybinový spoj je masivní) a dále přispívá k tepelné stabilitě objektu.

Vizualizace skladby Dekpanelroubenky

Obr. 05 – Vizualizace skladby Dekpanelroubenky

Tepelně-vlhkostní analýza konstrukce

Jak již bylo zmíněno, velikou výhodou navrženého systému je spolehlivá vzduchotěsnicí vrstva umístěná v nosné konstrukci Dekpanel, která také snižuje transport vlhkosti konstrukcí. Hlavním úkolem bylo posouzení možného rizika napadení dřevěných konstrukcí, především pak vnitřního povrchu vnějšího dřevěného roubení, dřevokaznými škůdci, houbami a plísněmi. Abychom byli schopni spolehlivě posoudit funkčnost konstrukce, bylo nutné provést její spolehlivou tepelně-vlhkostní analýzu. Proto jsme k vyhodnocení využili kombinaci experimentálního měření na reálné konstrukci v reálných podmínkách společně s dostatečně přesným teoretickým tepelně-vlhkostním modelem konstrukce.

Experimentální měření

Experiment byl realizován v DERIC v Brně. Bylo testováno několik variant konstrukcí na segmentu stěny v měřítku 1:1 o velikosti 2x2 m (viz obr. 02 a 03). Na modelech je instalováno velké množství snímačů (obr. 06), kterými v hodinových intervalech monitorujeme teploty, relativní vlhkosti vzduchu a hmotnostní vlhkosti dřeva. Snímače jsou umístěny na obou površích stěny, ve skladbě stěny na rozhraní jednotlivých vrstev a v zámku roubení.

Protože v Brně nelze zcela přesně napodobit horské podmínky, ve kterých se většina roubenek realizuje, doplnili jsme naše měření o nestacionární teoretické simulace konstrukcí v různých horských podmínkách.

Nestacionární tepelně-vlhkostní analýza skladby

Tepelně-vlhkostní výpočty, vycházející ze vztahů definovaných v ČSN 73 0540-3, jsou pro simulaci reálného chování konstrukcí se zabudovanými dřevěnými prvky nevhodné. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli provést tepelně-vlhkostní analýzu konstrukce s reálnými nestacionárními okrajovými podmínkami a materiálovými charakteristikami.

I přes použití nejpřesnějších nestacionárních modelů první výpočty konstrukcí vykazovaly velké odchylky od naměřených dat. Ukázalo se, že použití materiálových charakteristik uváděných ve standardních knihovnách materiálů není vhodné. Pro zajištění kvality výpočtů bylo nutné provést podrobnou analýzu jednotlivých tepelně-vlhkostních parametrů jednotlivých použitých materiálů a validaci teoretického modelu experimentem.

Podrobnou analýzou prošlo např. stanovení faktoru difúzního odporu μ. V ČSN 73 0540-3 je uvedena hodnota μ = 157. Ukázalo se, že realita je trochu jiná. Stejně jako se vlivem teploty a relativní vlhkosti vzduchu mění hodnota λ, je proměnlivá i hodnota μ. Stanovením hodnoty μ smrkového dřeva se zabývá mnoho vědeckých článků a např. z [1] vyplývá, že smrkové dřevo má ve směru kolmém na vlákna μ = 40 – 150. Obecně platí, že sušší dřevo (např. v interiéru rodinného domu) má vyšší μ, vlhčí (v exteriéru) naopak nižší μ. Dle naší analýzy hodnota μ vnějšího roubení ve skladbě Dekpanelroubenky v běžných podmínkách odpovídá hodnotám v rozmezí 40 – 70.

Celkové tepelně vlhkostní chování konstrukce ovlivňuje mnoho dalších faktorů – lokalita stavby, počasí, orientace stěny ke světovým stranám, přesah střechy (množství přímých srážek), odstín nátěru, interiérové teplotní a vlhkostní podmínky apod.

Nakonec se díky velkému množství dat z měření podařilo nastavit tepelně-vlhkostní charakteristiky jednotlivých materiálů (součinitel tepelné vodivost, součinitel difúzní vodivosti a další transportní součinitele vlhkosti) tak, aby teoretický model vykazoval velmi dobrou shodu s reálně naměřenými hodnotami. Tímto způsobem odladěný model nám umožnil navržené konstrukce posoudit i pro horské podmínky a provést důkladné posouzení kritických detailů stavby.

Jedním z klíčových úkolů tepelně-vlhkostní analýzy bylo posouzení rizika růstu dřevokazných hub a plísní. Spory plísní se běžně vyskytují v ovzduší, k jejich klíčení a následnému růstu vyžadují vodu/vzdušnou vlhkost, kyslík, živiny (substrát) a přiměřenou teplotu. Živnou půdou je dřevo samo o sobě, kyslík je rovněž přítomen. Měnícími se proměnnými jsou tedy relativní vlhkost vzduchu a teplota. Zjednodušená, ale bohužel i v normách běžně udávaná, hranice relativní vlhkosti 80% pro stanovení rizika napadení dřeva, je bez uvažování vlivu teploty zcela nepřesná. Ve skutečnosti je hranice rizika napadení závislá na relativní vlhkosti a teplotě, viz obr. 07.


Obr. 06 - Detailní pohled na snímače v konstrukci Dekpanelroubenky	Obr. 07 - Izoplety a obalová křivka LIM růstu plísní/hub dle [2]

Křivky (izoplety) zakreslené tečkovaně v grafu na obr. 07 značí hranici aktivity konkrétních druhů plísní, tj. podmínky dané kombinací teploty a vlhkosti prostředí. Plně je znázorněna obalová křivka aktivity obvyklých dřevokazných plísní / hub na biologicky využitelném substrátu, jako je dřevo. Křivka je nazývána LIM (Lowest Isopleth of Mould). Podmínky charakterizované teplotou a relativní vlhkost prostředí ležící v grafu pod touto křivkou jsou definovány jako nevhodné pro aktivitu obvyklých hub a plísní. Je vidět nepřesnost stanovení rizika jedinou hodnotou vlhkosti 80 % (červená přímka). Při vyšších teplotách stačí většině hub a plísní nižší vlhkost.

Je-li dřevěná konstrukce vystavena podmínkám ležícím nad křivku LIM, krom kombinace teploty a vlhkosti je důležitý čas, po který podmínky trvají. To ukazují grafy na obrázcích 08 a 09.


Obr. 08 – Doba klíčení spor (dny) dle [2]	Obr. 09 – Rychlost růstu (mm/den) dle [2]

V grafu na obr. 08 je patrný minimální čas ve dnech, po který musí být dřevo vystaveno určité teplotě a vlhkosti, než dojde k vyklíčení spor. Z grafu vyplývá, že například při teplotě 20 °C a relativní vlhkosti vzduchu 80 % houby klíčí cca 8 dní. V grafu na obr. 09 je uvedena rychlost růstu. Např. při teplotě 20 °C a relativní vlhkosti vzduchu 80 % plíseň přirůstá rychlostí <1 mm/den.

I v případě, že nastanou podmínky pro růst dřevokazných hub a plísní, nemusí k tomu ve skutečnosti dojít. Jejich výskyt ovlivňují totiž i další faktory – výskyt daných spor ve dřevě, pH povrchu dřeva, přítomnost UV záření apod.

V grafu na obr. 10 je provedena analýza rizika napadení dřeva na rozhraní Dekpanelu a minerální vaty v období jednoho roku. Ve výpočtu byla uvažována 3. vlhkostní třída, exteriérové podmínky – horské oblasti 1500 m n. m. V hodinových krocích byly do grafu na obr. 10 vynášeny zjištěné kombinace teplot a vlhkostí v daném okamžiku, až se nakonec vytvořila splývající barevná obálka bodů (označeno červenou šipkou). Protože jsou všechny zjištěné kombinace teploty a vlhkosti pod hranicí rizika růstu hub a plísní, lze v těchto místech navrženou konstrukci v horských podmínkách hodnotit jako spolehlivou. Skladbu jsme posuzovali rovněž v běžné nadmořské výšce s velmi podobnými výsledky.

Obr. 10 – Průběh vlhkostí a teplot vzduchu na rozhraní Dekpanel – minerální vata v konstrukci Dekpanelroubenky

Ani na rozhraní minerální vata / vnitřní líc vnějšího roubení nevznikají podmínky pro aktivitu spor hub a plísní, viz obr. 11. Opět jsou zde zaznamenány hodnoty relativní vlhkosti a teploty vzduchu v období 1 roku.

Obr. 11 – Průběh vlhkostí a teplot vzduchu na rozhraní minerální vata – vnitřní líc vnějšího roubení

Cenová analýza různých systémů roubených staveb, závěr

Cena je z pohledu investorů samozřejmě vždy “až na prvním místě”. V tab. 02 je provedeno základní cenové srovnání na trhu dostupných systémů:

Roubenka masiv 280 mm (z BSH hranolů opracovaných na CNC)
Sendvičová konstrukce Roubení 120 mm / minerální vata 140 mm / roubení 120 mm
Dekpanelroubenka s pohledovým čtyřvrstvým panelem D 108 BF

Tab. 02 – Orientační ceny materiálů různých typů roubených staveb

Položka	Tloušťka	Množství na m² stěny	Jednotková cena	Cena za 1m² plochy stěny*
Roubenka masiv 280 mm
BSH Si	280 mm	0,28 m³	14 500 Kč/m²	4 060 Kč
CNC opracování	-	0,28 m³	5 200 Kč/m²	1 456 Kč
Cena celkem				5 516 Kč

Roubení / vata / roubení – 120 / 140 / 120
BSH Si	120 mm	0,12	14 500 Kč/m²	1 740 Kč
Isover fassil	140 mm	-	-	217 Kč
BSH Si	120 mm	0,12	14 500 Kč/m²	1 740 Kč
CNC opracování	-	0,24	5 200 Kč/m²	1 248 Kč
Cena celkem				4 945 Kč

Dekpanelroubenka
Dekpanel s biodeskou	108 mm	-	-	2 674 Kč
Isover fassil	140 mm	-	-	217 Kč
BSH Si	160 mm	0,16	14 500 Kč/m²	2 320 Kč
CNC opracování	-	0,16	5 200 Kč/m²	832 Kč
Cena celkem				6 043 Kč
* Ceny jsou orientační bez montáže, nátěrů, spojovacích prostředků atd.

Vyšší cena masivní roubenky je způsobena poměrně vysokou cenou lepeného lamelového dřeva v pohledové kvalitě BSH Si. Výhodou je však rychlá montáž (nižší pracnost ve srovnání se sendvičovými konstrukcemi) a také klasický masivní rohový spoj na rybinu. Nevýhodou je naopak nevyhovující součinitel prostupu tepla stěny a problematické řešení vzduchotěsnosti.

Sendvičová konstrukce roubení / vata / roubení má výhodu ve variabilitě tloušťky tepelné izolace. Nevýhodou je vyšší pracnost a relativně subtilní vnější pohledový rohový rybinový spoj. To lze samozřejmě řešit použitím masivnějších profilů, je ale nutné počítat s navýšením ceny. Ve srovnání s Dekpanelroubenkou je zde jednoznačně nižší vzduchotěsnost stavby, což kromě vyšší energetické náročnosti s sebou také přináší již zmiňované vyšší riziko napadení dřeva dřevokaznými škůdci.

Dekpanelroubenka řeší všechny technické nedokonalosti výše uvedených variant. Konstrukce je vzduchotěsná a lze volit libovolnou tloušťku tepelné izolace. Ve skladbě nedochází v průběhu roku ke kondenzaci vodní páry a dřevo není ohroženo dřevokaznými škůdci. Další výhodou je např. možnost použití standardního obvodového Dekpanelu D 81 F v místech, kde není roubení pohledové. S tím souvisí úspora cca 700 kč/m² ve srovnání se zbylými dvěma konstrukcemi.

Z architektonického hlediska se Dekpanelroubenka jeví jako zlatá střední cesta mezi původními klasickými roubenkami a sendvičovými roubenkami s tenkým roubením na vnější straně. Proporce dřevěných prvků odpovídají historickým, pouze povrchy dřeva nejsou tak rustikální. To je bohatě kompenzováno výrazně zlepšenými energetickými parametry konstrukce, které splňují přísné požadavky na současné stavby.

Není nutné se tudíž při plánování stavby obávat, že budova nezíská kvůli nevyhovujícím parametrům obvodových stěnových konstrukcí stavební povolení nebo bude potřeba obcházet současné legislativní požadavky.

Podklady

[1] Combined bound water and water vapour diffusion of Norway spruce ande European beech in and between the principal anatomical directions, W. Sonderegger et al, Holzforschung, vol.65, 2011

[2] Prediction of mould fungus formation on the surface of and inside building components, K. Sedlbauer, disertační práce, 2001

[3] ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Funkční požadavky

[4] ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov – Část 3: Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování

[5] ČSN EN ISO 10456 (73 0574) Stavební materiály a výrobky – Tepelně vlhkostní vlastnosti – Tabelované návrhové hodnoty a postupy pro stanovení deklarovaných a návrhových tepelných hodnot