Nosné konstrukce pasivních domů

Článek přináší informace o možnostech, které pro výstavbu pasivních domů přináší současná materiálová základna.
Ve starších domech je obtížné zajistit optimální teplotní a vlhkostní stav. Na pokrytí tepelných ztrát je potřeba velké množství energie. U nových budov přestává tento problém existovat - díky modernímu provozu a optimální tvorbě konstrukcí, podpořené v celku bohatým sortimentem kvalitních tepelných izolací. Přitom je nutné mít na paměti, že se nejedná o pouhou honbu za kilowatthodinami, nýbrž že v centru je člověk a prostředí, v němž žije - tedy příroda. Zároveň si uvědomujeme, že přibývá stavebníků, kteří preferují životní styl, v němž významné místo zastává vztah k životnímu prostředí. S tím souvisí jejich zodpovědný a kritický pohled na čerpání energetických surovin a zájem o obnovitelné a snadno recyklovatelné materiály. Právě pasivní domy tyto předpoklady dobře splňují.
Z premisy této myšlenky vyplývá snaha, aby se v nejvyšší možné míře šetřily energetické zdroje. V tomto procesu je významným partnerem architekta stavební inženýr. Právě on optimálním výběrem materiálů a volbou konstrukce na dlouhou dobu ovlivňuje jak kvalitu vnitřního prostředí, tak i energetickou bilanci. Z pohledu energetické náročnosti je potřebné rozlišovat dvě roviny:

• energetickou náročnost potřebnou k výstavbě;
• energetickou náročnost potřebnou k provozu budovy.

Energetická náročnost potřebná k výstavbě
První rovina je vztažena k situacím determinujícím relativně krátké období, věnované budování stavebního díla. Zde je při hodnocení energetické náročnosti potřeba přihlížet k ekologické stopě stavebních výrobků. Je důležité, aby bylo sledováno, s jakými environmentálními důsledky lze různé stavební materiály použít [6]. Doporučuje se numericky definovat podíl energetické složky a stanovit míru vlivu produktu na kvalitu životního prostředí. Kritériem je množství vázané primární energie (PEI), která je vynaložená na získání suroviny, její zpracování a dopravu. Navazující jsou další environmentální podmínky definované množstvím emisí CO2, které přispívají k vytváření skleníkového efektu (GWP - Global Warming Potential - potenciál globálního oteplování). Vedle toho je potřebné zhodnotit vliv zakyselení životního prostředí (AP - Acidification Potential), které se vyjadřuje emisemi SO2 a dalších látek s vlivem na acidifikaci, jako je například oxid dusíku, metan nebo amoniak.

Energetická náročnost potřebná k provozu budovy
Druhá rovina je definována pomocí kritérií, která jsou explicitně formulována v technických normách, vyhláškách a předpisech. V energeticky úsporných, tedy i v pasivních domech, ovlivňují nosné konstrukce způsob výstavby a mají zásadní vliv na výslednou kvalitu díla. Především se jedná o to, aby jejich začleněním do konstrukční soustavy:

• nevznikala místa s vyšším prostupem tepla, což jsou tepelné mosty a tepelné vazby (především se jedná o interakci nosných konstrukcí s tepelně izolačními vrstvami);
• na vnitřním povrchu konstrukcí nedošlo k výskytu nižších teplot;
• nevytvářely se oblasti s vyšší vzduchovou průvzdušností;
• ani lokálně nevznikaly kondenzace vodních par.

Základy
Základy se v pasivních domech (PD) aplikují s potřebou zajistit tepelně izolační schopnost konstrukcí umístěných na terénu, popř. vystupujících nad terén a oddělujících podlahová souvrství od zeminy pomocí vzduchové dutiny. Hledají a nacházejí se cesty, jak vytvořit spojitou tepelnou izolaci již v úrovni základové spáry. Přitom je potřebné zohlednit z praxe známou skutečnost, že většina PD se buduje bez podzemního podlaží.
V PD se při zakládání uplatňují konstrukční principy, které jsou odlišné od tradiční výstavby. Zvláště v posledním období se rozšiřuje používání násypu z drceného pěnového skla s granulemi velikosti 30 až 100 mm, rozprostřenými na geotextilní vrstvě, která leží na základové spáře (obr. 1). Na zhutněnou vrstvu pěnového skla o tloušťce až 600 mm se aplikuje další geotextilní vrstva, hydroizolační fólie, a posléze se betonuje základová deska [2].
Jinou možností je použití tepelně izolačních desek z XPS pod základovou konstrukcí. Je to systém úspěšně používaný v zahraničí. V ČR se zatím objevuje jen zcela výjimečně. Přitom se jedná o spojitou tepelně izolační vrstvu umístěnou pod celou budovou. Například při výstavbě vídeňské mateřské školy na Schukowitzgasse bylo použito 200 mm XPS a 300 mm silná železobetonová deska a u další vídeňské mateřské školy Deutsch Wagram 140 mm tepelné izolace z XPS a 300 mm silná základová deska. V Židlochovicích u Brna bylo při výstavbě rodinného domu, jako u jedné z prvních českých staveb, použito dvou vrstev tepelné izolace z XPS o celkové tloušťce 200 mm s přesahem 300 mm za líc obvodové stěny a na ní železobetonová deska tl. 300 mm (obr. 2).
Tato technologie se uplatnila i při výstavbě studentských kolejí ve Vídni (obr. 3). Osmipodlažní budova je založena na základové desce tl. 700 mm, která spočívá na vrstvě XPS tl. 150 mm. Pod tepelnou izolací je 100 mm silná vrstva podkladního betonu. Součinitel prostupu tepla této konstrukce U = 0,15 W/(m2.K) [5]. Pro vytvoření spojité izolace pod základy bylo vyvinuto několik velmi podobných systémů. Systém ISOQUICK používá expandovaný polystyrén EPS Peripor 300 BASF se součinitelem tepelné vodivosti λ = 0,038 W/(m.K) a faktorem difúzního odporu μ = 40/100. Materiál vykazuje reakci na oheň B1 (dle DIN 4102). Díly velikosti 1200/600 mm jsou ve vertikálních i horizontálních spárách spojeny na péro a drážku. Zabraňuje se tím vzniku tepelných mostů. Tepelně izolační vrstva má charakter ztraceného bednění. Celková tloušťka tepelné izolace se v horizontální rovině pohybuje od 100 do 350 mm a v rovině vertikální od 100 do 200 mm. Tloušťka železobetonové desky je zpravidla 200, 250 a 300 mm. Podle DIN 1055-100 odolává tato izolace napětí v tlaku fc = 140 kPa. Tři pracovníci zvládnou položit 100 m2 izolace za 2,5 až 3 h.
Vhodnějším materiálem je Jackon Insulation vyrobený z extrudovaného polystyrénu XPS (obr. 4). Izolační desky se v odstupňování po 20 mm dodávají v tloušťkách 200 až 320 mm. Jejich tepelná vodivost má hodnotu λ = 0,037 W/(m.K) a faktor difúzního odporu μ = 140. Při 10% stlačení odolává napětí v tlaku fc = 300 kPa. Příznivou a známou vlastností materiálu je velmi nízká nasákavost, nejvýše 0,3 % z objemu hmoty. Materiál odolává bez poškození teplotám -50 až +75 °C. Povrch izolace je hladký. Jednotlivé části tepelně izolačního pláště se vzájemně spojují na péro a drážku. Výrobek se ukládá na zhutněnou vrstvu štěrkopísku a písku. Před rozprostřením betonu se aplikuje PE folie. Na zabetonovanou desku se ukládá hydroizolační vrstva. Na této konstrukci již probíhá výstavba obvodového pláště. Jeho tepelně izolační vrstva navazuje na soklovou část prvků Jackon Insulation.

¤ Obr. 1. Brno-Bystrc: zakladani budovy na vrstvě tepelne izolace z drceneho pěnoveho skla. 1 - granule pěnoveho skla; 2 - geotextilie; 3 - vyztuž železobetonove desky. Autor: arch. Martin Krč. Foto: Josef Chybik.

¤ Obr. 2. Židlochovice: hruba stavba rodinneho domu. 1 - nasyp; 2 - tepelna izolace z XPS tl. 200 mm; 3 - železobetonova zakladova deska tl. 300 mm; 4 - zdivo z porobetonovych tvarnic. Autor: Ing. Petr Mareček. Foto: Josef Chybik.

¤ Obr. 3. Videň: vysokoškolske koleje. Autor: architektonicka kancelař Baumschlager & Eberle. Foto: Josef Chybik.

¤ Obr. 4. Augsburg: izolovani zakladů pomoci izolace z XPS. Autor: arch. Werner Friedel. Foto: arch. Werner Friedel.

Materiály svislých a vodorovných konstrukcí hrubé stavby pasivního domu

Materiály používané pro výstavbu PD se příliš neliší od tradičních forem výstavby. Konstrukce je možné vytvářet jako:

• masivní stěnové a stropní prvky;
• lehké stěnové a stropní prvky;
• kombinaci lehkých a masivních prvků.

Objektivním kritériem, které je schopno posoudit kvalitu výstavby, je míra vzduchotěsnosti obvodového pláště ověřená blower door testem [3]. Zkouší se při přetlaku nebo podtlaku 50 Pa.

Masivní konstrukce
Masivní konstrukce mohou být i v PD vytvořeny z různých přírodních i uměle vyrobených materiálů. Z nich se například nejčastěji používají: zdicí prvky z kamene, keramiky, vápenopískového materiálu, z lehkých betonů, dřevoštěpkové bloky, tvarovky vylehčené otvory, prvky s dutinami zalitými betonem, monolitické konstrukce z betonu a železového betonu. U pasivních domů se od nosných prvků neočekává splnění energetických požadavků, nýbrž bezpečné přenesení účinků působícího zatížení.
Cihelné zdivo má pro příznivé ceny, jednoduchý způsob výstavby a dlouhou životnost stále velké množství příznivců a nachází uplatnění ve výstavbě nízkoenergetických domů. Energetické požadavky PD však optimalizované zdicí prvky s porézním střepem a perlitovou výplní s celkovou tloušťkou 500 mm a deklarovanou tepelnou vodivostí λ = 0,08 W/(m2.K) dosahují jen velmi obtížně, navíc s velkým obsahem primární energie (PEI). Než honba za stále se zvětšujícími tloušťkami zdiva a vylehčováním cihelného střepu je vhodnější použití materiálů s rozměry, které pro nosné stěny dosahují šířky nejvýše 250 mm. Například stěny vyzděné z keramických bloků tl. 175 mm jsou přijatelné pro dvoupodlažní budovy s rozpětím stropů do 4800 mm a s výškou stěn do 3000 mm. Výrobky jsou podle reakce na oheň zařazeny do třídy A1, mají rozměry 372/175/249 mm, při zdění se spojují speciální PUR pěnou. Pevnost v tlaku dosahuje fc = 10 MPa. V nosném zdivu je nelze oslabovat drážkami a prostupy. Jejich součinitel tepelné vodivosti λ = 0,27 W/(m.K). Tyto keramické bloky byly například použity při výstavbě ubytovací části Ekologického centra v Hostětíně (obr. 5).
Ještě lepší statické výsledky poskytují vápenopískové cihly. Vedle zahraničních výrobců (např. Kalksandstein) již český trh zásobují tuzemské zdicí prvky široké 175 mm, kladené do lepicího tmelu. Bloky KM SENDWIX mají rozměry 498/175/248 mm, objemovou hmotnost ρ = 1220 kg/m3, průměrnou pevnost v tlaku fc = 20 MPa, nasákavost w = 10 až 12 %, součinitel tepelné vodivosti λ = 0,37 W/(m.K) a faktor difúzního odporu μ = 5/10. Materiál je nehořlavý s třídou reakce na oheň A1. Vápenopískové cihly je možno u nízkopodlažních budov s rozpětími stropních konstrukcí do 4500 mm použít v nosném zdivu tl. 150 mm.
V Židlochovicích u Brna se podařilo vytvořit čtrnáct rodinných domů z tvárnic z pórobetonu vybudovaných v řadové zástavbě a další domy individuální. Jak po stránce energetické, tak i konstrukční vyhovují všem požadavkům PD. Tloušťka nosných stěn je 200 až 240 mm. Tvárnice však mají nižší pevnost v tlaku, která se podle objemové hmotnosti ρ = 300 až 500 kg/m3 pohybuje v rozmezí fc = 2 až 4 MPa. Tepelná vodivost materiálu je v rozsahu λ = 0,085 až 0,12 W/(m.K). Pro výstavbu PD se často používají také masivní skeletové i stěnové konstrukce ze železobetonu. Stěnové konstrukce poskytují obvodový plášť s vysokou těsností n50 a dobrými tepelně akumulačními vlastnostmi, což se příznivě projevuje především v období s vyššími venkovními teplotami. Příkladem je vídeňský komplex obytných budov na Roschegasse (obr. 6), kde obvodový plášť z monolitického železobetonu má tl. 180 mm. Na něm je vrstva z EPS silná 300 mm. Fasádu doplňují lodžie, které jsou na ocelové samonosné konstrukci představěny před líc fasády. Touto úpravou se zcela eliminují tepelné mosty.
Monolitický beton se v PD může vhodně použít v kombinaci s cementovláknitými deskami technologie Velox. V rakouském Grazu se v současnosti podle projektu Erwina Kalteneggera v systému Velox AL 37 buduje ve standardu pasivního domu šestipodlažní objekt vysokoškolských kolejí. Ve vnitřní části stěny je, spolu s železobetonem, tepelná izolace EPS tl. 150 mm. Celá budova se z vnější strany obloží 100 mm vrstvou EPS. Konstrukce tak dosáhne U = 0,12 W/(m2.K). Ukončení stavby je plánováno na srpen 2010. V posledních letech se železobetonové konstrukce také vyžívají jako nosič energie pro úpravu vnitřního prostředí. Příkladem jsou velké pasivní domy Energon v Ulmu a Energy BASE ve Vídni nebo nízkoenergetický dům Národní technické knihovny v Praze. Spolu s výztuží jsou do betonu integrovány kabely, v nichž se transportuje topné nebo chladicí médium.

¤ Obr. 5. Hostětin: hruba stavba pasivniho domu. 1 - nosne zdivo tl. 175 mm; 2 - stropni věnec a nadokenni překlad; 3 - stropni tramy; 4 - železobetonovy strop. Autor: arch. Georg W. Reinberg. Foto: Ekologicke centrum Veronica Brno.

¤ Obr. 6. Videň: obytny dům. Autor: Treberspurk & Partner Architekten ZT GMBH. Foto: Josef Chybik.

Lehké konstrukce
K lehkým konstrukcím je možné zařadit všechny systémy používající dřevo. Podle konstrukcí, které tvoří hrubou stavbu, se dělí na: hrázděné, dělené podpory, tuhé stropní platformy, kleštinové systémy, fošinkové konstrukce, těžký dřevěný skeletový systém, rámové konstrukce, moderní roubené konstrukce, panelové soustavy a deskový systém.
Fošinkové systémy s tvarovou a dispoziční volností byly v minulosti používané i v ČR [4]. Po desetiletích stagnace, kdy se dřevo uplatňovalo snad jen u domů OKAL, byla zavedena soustava nazývaná ?two by for? (obr. 7). K výstavbě vertikálních i horizontálních nosných konstrukcí se používají fošny velikosti 2x4 palce, popřípadě 2x6 palců, tj. 50x100 mm až 50x150 mm kladených po 400 až 600 mm. Stropnice jsou zpravidla z fošen 50x200 mm s volným rozponem až do 6 m. Spoje jsou hřebíkované. Střešní konstrukci nad nejvyšším podlažím zpravidla tvoří dřevěné vazníky, které vytvářejí dvouplášťovou plochou střechu. Zavětrování (ztužení) zajišťují desky OSB, které po utěsnění a přelepení spár mají současně funkci parotěsné zábrany.
Dřevostavby se vytvářejí také z kompletizovaných panelů. Pro panely na výšku jednoho nebo dvou podlaží je charakteristická rychlost výstavby. V dílně, kde se vyrábějí, dosahují velké přesnosti a vysoké kvality.
V sousedním Rakousku jsou pro hrubé stavby pasivních domů rozšířené velkoformátové strukturální panely z vrstveného masivního dřeva označované KLH (Kreuzlagenholz) a BBS (Binder Brettsperrholz). V posledním období se ve stále větší míře začínají používat i v ČR. Masivní KLH panely se vyrábějí ze dřeva jehličnanů. Výrobky mají objemovou hmotnost kolem 500 kg/m3. Podle způsobu použití a statických požadavků se jedná o technicky vysušená, příčně, ve třech, pěti a více vrstvách polyuretanovými lepidly plošně sklížená smrková prkna tlouštěk 13, 19, 30 a 40 mm. Při výrobě jsou zcela eliminovány emise toxických látek včetně formaldehydu. Vyrábějí se v délkách do 16 500 mm, v šířce nejvýše 2950 mm a v tloušťkách od 60 do 500 mm. Dodávají se jako nepohledové, průmyslové a pohledové díly. Panely se v kombinaci s ocelí, sklem a dalšími materiály používají jak na vytvoření hrubé stavby menších budov - jako jsou rodinné a vícepodlažních obytné domy, tak i při výstavbě veřejných a průmyslových staveb. Uplatnění nacházejí i pro geometricky členité stropy a mostní konstrukce. Stejnou technologií se pro konstrukce stěn a stropů vyrábějí spojovací panely BBS. Jejich délka dosahuje 24 000 mm, šířka 250 až 1250 mm a tloušťka 75 až 334 mm. Absence mokrých stavebních procesů umožňují velkou rychlost výstavby. Například hrubá stavba s panely KLH o ploše 100 m2 zastavěné plochy trvá včetně krovu přibližně pět pracovních dnů. Největší objem prací se uskutečňuje ve výrobnách. Na stavbu se již dopravují hotové výrobky, které se jako nosné i nenosné konstrukce montují na základovou desku. Spojovacími prvky jsou vruty. Izolování pláště se provádí z vnější strany pomocí minerálních vláken nebo lépe dřevovláknitými deskami. Panely KLH se například použily při výstavbě pasivního domu v Böheimkirchenu izolovaného slámou [1].
Při výstavbě PD se v nejrůznějších formách používají také přírodní materiály. Pro nosné konstrukce je možno zvolit také slámu slisovanou do balíků. Dobré výsledky s tímto materiálem dosahuje švýcarský architekt Werner Schmidt (obr. 8).

¤ Obr. 7. Brno-Jundrov: fošinkovy system. Autor: arch. Hana Urbaškova. Foto: Josef Chybik.

¤ Obr. 8. Graun: vystavba hrube stavby pasivniho domu z nosne slamy. Autor: arch. Werner Schmidt. Foto: arch. Werner Schmidt.

Závěr
Je zřejmé, že pasivní domy je možno konstruovat v nejrůznějších materiálových variantách. Je tak zachována pestrost výstavby, což je možno potvrdit i navzdory některým diskuzním fórům, v nichž se objevují názory striktně odmítající některé materiálové nebo konstrukční varianty. Důkazem jsou prezentované realizace, které pocházejí z českého i zahraničního prostředí.

Použitá literatura:
[1] Chybík, J.: Přírodní stavební materiály. Praha, Grada Publishing, a.s., 268 s., 2009
[2] Jordan, E.: B2 - Das Null. Energie. Büro: Kancelář s nulovou spotřebou energie. In. sborník Pasivní domy 2008, Brno, Centrum pasivního domu, s. 234-239., 2008
[3] Novák, J.: Vzduchotěsnost obvodových plášťů budov. Praha, Grada Publishing, a.s. 204 s., 2008
[4] Ondřej, S.: Dřevěné konstrukce. Praha, Státní nakladatelství technické literatury, 2. vydání, 172 s., 1953
[5] Treberspurg, M., Smutny, R., Oberhuber, A.: Nachhaltigkeits-monitoring des Passivhausstudentenheims Molkereistrasse. Wien, Projekt NaMoMo, 117 s., 2007
[6] Znášiková, Nemcová, A., Kierulf, B.: Environmentálne vhodné materiály pre energeticky pasívne domy. Bratislava, 48 s., 2008