Roznos lokálního zatížení přes skladbu tepelné izolace na plochých střechách s trapézovými plechy

Doposud nevyřešenou otázkou je vliv skladby střešního pláště na roznos zatížení u tepelně izolovaných střech. Článek popisuje výsledky vlastního výzkumu Asociace dodavatelů trapézových plechů, za studena tvarovaných prvků a plošných profilů (AsoTra), který je na uvedené téma zaměřen.

Trapézový profil je často používán jako nosný prvek opláštění plochých střech průmyslových i občanských budov. Svým tvarem je předurčen pro přenášení především plošných zatížení. Na působení osamělých břemen je z hlediska globální i lokální statické únosnosti velmi citlivý. Požadavky na umístění ojedinělých břemen v ploše střechy lze řešit lokálním zvýšením dimenze profilu, případně vyztužením vlny výztuhou z ohýbaného ocelového plechu ve smyslu ČSN EN 1090-4 [1] nebo ČSN EN 1993-1-3 [2]. Pokud na střešní plášť působí více břemen, je nezbytné posoudit únosnost trapézových plechů detailněji, a to z důvodů bezpečnostních i ekonomických. Příkladem početných lokálních břemen v pravidelném rastru na velké ploše střechy jsou fotovoltaické elektrárny (dále FVE), viz obr. 1.

Velký nárůst umisťování FVE na ploché střechy v posledních letech inicioval diskuzi o souvisejících rizicích – viz článek publikovaný v čísle 01–02/2023, který otevřel řadu otázek. Na některé z nich, tj. roznos lokálního zatížení samotným plechem a příspěvek tepelné izolace k roznosu, odpovídají výsledky získané z provedených zkoušek publikovaných v tomto článku.

Systémy podpůrných konstrukcí FVE jsou často řešeny skloněnými rámy z hliníkových profilů, na které jsou montovány fotovoltaické panely (dále FV panel). Na obr. 2 je zobrazen nejběžněji užívaný tzv. gravitační systém, který umožňuje výhodnou instalaci bez penetrace hydroizolace. Systém musí odolat také účinkům větru, a proto je nutné jej stabilizovat balastem – běžně betonovými bloky, které zvyšují celkové zatížení střechy. Rámy jsou podloženy speciálními lokálními podložkami z materiálu EPDM, přičemž jejich půdorysné rozmístění je v pravidelném rastru určeném zpravidla velikostí FV panelu cca 1,15 x 2,25 m. Přes kontaktní plochu podložek je zatížení z FV panelu dále distribuováno do střešního pláště. FV panely zakrývají velkou část střešního pláště, čímž veškerá plošná zatížení spočívající na panelech (vlastní hmotnost FVE, sníh a vítr) přetvářejí na pravidelnou síť lokálních břemen. Z celkového rovnoměrného zatížení, které působí na střešní plášť, může být takto transformována jeho převážná část, a to 60 % i více. Na příčném řezu při spodním okraji obr. 2 je zobrazena reálná situace rozmístění podložek – břemen nad trapézovým profilem typu s označením TR 150/280 (150 mm výška vlny / 280 mm skladebná šířka vlny), kdy delší rozměr FV panelu je orientován ve směru kolmém na vlny profilu.  Většina z celkového rovnoměrného zatížení je tak koncentrována nad každou osmou vlnou. I za předpokladu částečného spolupůsobení vln profilu je zřejmá značná nerovnoměrnost zatížení, kterou je v návrhu nezbytné zohlednit preciznějšími postupy výpočtu.

Příčný roznos lokálního zatížení v trapézovém profilu

Z dostupné literatury plyne, že při působení lokálního zatížení dochází k částečné distribuci mezi sousedními vlnami trapézového profilu [3,5]. Současně platná norma ČSN EN 1993-1-3 [2] pro posuzování tenkostěnných konstrukcí neposkytuje projektantům pro využití v praxi jakýkoliv návod na vyčíslení této distribuce. Jedinými možnými způsoby, jak distribuci výpočetně stanovit, jsou tak připravovaný Eurokód nové generace pro tenkostěnné konstrukce prEN 1993-1-3 [4] nebo některá z již provedených experimentálních studií [5].

Zmíněný připravovaný Eurokód uvažuje s roznosem do prvních sousedících vln na obě strany od přímo zatížené vlny, viz obr. 3. Zavádí pojem „zatížené žebro“ a „sousední žebro“. Výsledné přitížení každého z žeber (dále v textu je užíván zavedený výraz vlna) je vyjádřeno v procentech z původního aplikovaného zatížení a je dáno skladebnou šířkou vlny a umístěním břemene vůči bližší podpoře. Pro řešený případ s profilem TR 150/280 a břemenem uprostřed rozpětí mezi dvěma podporami činí výsledný roznos 68 % pro zatíženou vlnu a 16 % pro vlny sousedící.

Výsledné rozložení zatížení mezi dvěma břemeny řešeného příkladu z obr. 2 je graficky znázorněno na obr. 4. Červená křivka popisuje rozložení podle prEN 1993- 1-3, zatímco modrá křivka uvádí přesnější výsledek z experimentů konaných v rámci diplomové práce na katedře ocelových a dřevěných konstrukci Fakulty stavební ČVUT v Praze (Šorf, Jandera) [5]. Experimenty provedené na prostém nosníku o rozpětí 7,0 m s trapézovým profilem TR 153/290 a tl. plechu 0,75 mm dokazují, že na roznosu zatížení se částečně podílejí také další vlny než ty bezprostředně sousedící s vlnou zatíženou. U zatížené vlny tak lze uvažovat s výrazně nižším zatížením. Konzervativní výsledky podle prEN 1993- 1-3 zřejmě plynou z obecné teorie, která umožňuje bezpečné vyjádření roznosu pro jakýkoliv trapézový profil, tloušťku plechu i statické schéma.

Příčný roznos ovlivněný skladbou střešního souvrství

U tepelně izolovaných plochých střech, kde lokální břemena od FVE nepůsobí přímo na trapézový plech, ale na střešní souvrství (tzv. gravitační podpůrné systémy FVE), může být výsledný roznos zatížení mezi vlnami profilu ovlivněn. Ohybová tuhost desek tepelné izolace i celková tloušťka souvrství, která kvůli zvyšujícím se tepelně-technickým požadavkům v poslední dekádě neustále roste, může původní lokální zatížení rozložit na několik sousedních vln profilu. Uvážením tohoto rozložení současně s distribucí v trapézovém profilu může být dosaženo celkově příznivějšího výsledku, viz obr. 5. Za účelem zjištění skutečného vlivu tepelné izolace byla provedena experimentální studie.

Druhy skladeb tepelných izolací

Předmětem experimentů byly celkem tři druhy souvrství, která jsou v současnosti realizována u běžných plochých střech, viz obr. 6. Skladba A je složena ze dvou desek z minerální vaty s jednovrstvou charakteristikou objemové hmotnosti, tzv. monodensity. Celková tloušťka souvrství činí 220 mm. Skladba B, s celkovou tloušťkou o 20 mm větší, je složena také ze dvou desek z minerální vaty, ale horní část souvrství je tvořena deskou s dvouvrstvou charakteristikou objemové hmotnosti, tzv. dualdensity. Tato velmi tuhá deska se vyznačuje zhuštěním vláken při horním povrchu desky za účelem zvýšení odolnosti proti mechanickému zatížení a odolnosti vůči bodovému zatížení. Skladba C je kombinována ze dvou tenkých desek z minerální vaty a dvou desek z pěnového polystyrenu. Celková tloušťka souvrství činí 240 mm.

Zkušební vzorek

Zkušební vzorek o půdorysných rozměrech 6,8 x 2,55 m byl složen ze tří tabulí trapézového profilu TR 150/280 (nominální tloušťka plechu 0,75 mm), tedy celkem z devíti vln, viz obr. 7. Plechy byly uloženy na podporách z ocelových profilů UPE 100 na rozpětí 6,0 m – ve statickém schématu prostý nosník. Horní příruby profilů UPE byly doplněny silnostěnnými trubkami za účelem vytvoření kloubové podpory trapézového plechu a tím volného otáčení vzorku. Kotvení plechů k podporám bylo řešeno standardním způsobem, tj. samovrtným šroubem do oceli Ø 5,5 mm s těsnicí podložkou Ø 16 mm, a to v počtu jeden šroub v každé vlně a na každé podpoře. Tabule plechu byly vzájemně spojeny v podélných zámcích samovrtnými šrouby Ø 4,5 mm v rozteči 0,5 m.

Záměrem experimentů bylo ověřit roznos zatížení ve směru kolmém na vlny trapézového profilu. Tepelná izolace proto byla kladena pouze uprostřed vzorku v šíři výrobního rozměru desek tepelné izolace 1 200 mm. Delší rozměr desek (2 000 mm) byl vždy orientován ve směru kolmém na vlny trapézového profilu. Vlákna uvnitř desek minerální izolace tak byla orientována ve směru rovnoběžném s vlnami profilu, tedy v poloze méně příznivé pro roznos zatížení ve zkoumaném směru. Skladba tepelné izolace byla zakryta pásem hydroizolace z měkčeného PVC tloušťky 1,8 mm. Desky tepelné izolace i pás hydroizolace byly zajištěny proti posuvu při zatěžování zarážkami a svěrkami u krajních vln zkušebního vzorku. Standardní kotvení hydroizolace teleskopickými kotvami nebylo realizováno.

Varianty zkušebních vzorků

Provedeno bylo celkem 18 testů pro tři druhy souvrství a dvě polohy zatížení vůči vlnám trapézového profilu. V poloze zatížení s označením α bylo lokální břemeno aplikováno přesně uprostřed horní pásnice profilu a v poloze β bylo posunuto do osy spodní pásnice profilu, tj. do prostoru mezi dvěma horními pásnicemi, viz obr. 7. Z ­porovnání výsledků plyne, že poloha zatížení má zanedbatelný vliv na výsledný roznos zatížení. V dalším textu jsou pro přehlednost hodnoceny pouze výsledky jedné polohy zatížení, a to ve variantě α.

U každého druhu souvrství byla prověřena varianta beze spár (tedy průběžné desky tepelné izolace přes celou šířku vzorku) a varianty se spárami v různých modifikacích přesahů desek. Zatímco varianta beze spár představuje pro příčný roznos zatížení nejvýhodnější uspořádání, varianty se spárami jsou naopak nejméně ­příznivým uspořádáním, na které byla zaměřena pozornost. Minimální přesah desek dvou vrstev tepelné izolace byl určen doporučením výrobců tepelných izolací, které činí 200 mm. U dalších variant vzorků byl ­přesah postupně zvětšován za účelem zjištění minimální vzdálenosti přesahu vedoucí k dosažení srovnatelného roznosu zatížení jako pro nejvýhodnější variantu beze spár. Studie byla doplněna o další dva testy zcela bez tepelné izolace, které jsou nezbytné pro závěrečné stanovení vlivu souvrství nad trapézovým plechem.

Zatěžování

Zatížení bylo aplikováno hydraulickým válcem přes speciální botku tvořenou úpalkem ocelového profilu jäckl 60/60/5 a typizovanou podložku podpůrného systému K2 z materiálu EPDM, viz obr. 8. Půdorysný rozměr podložky činil 75 x 380 mm, přičemž delší rozměr botky byl orientován rovnoběžně s vlnami trapézového profilu. Zatížení bylo aplikováno postupně v krocích ve třech úrovních, viz obr. 9. První úroveň (0,5 kN) představovala orientační hodnotu charakteristického zatížení od vlastní tíhy FV panelu a jeho podpůrné konstrukce. Další dvě úrovně simulovaly přibližně přitížení včetně sněhu pro I. sněhovou oblast (1,7 kN) a III. sněhovou oblast (3,5 kN) ve smyslu ČSN EN 1991-1-3. V každém kroku bylo zatížení, po dosažení předepsané hodnoty, udržováno konstantní po dobu 5 minut. Rychlost zatěžování i odtěžování mezi úrovněmi zatížení byla stanovena na 2 minuty. Celkové trvání zatěžování jednoho vzorku činilo přibližně 40 minut.  

Vyhodnocení

Vzájemné spolupůsobení vln profilu bylo odvozeno na základě principu porovnávání průhybů jednotlivých vln při zatěžování. Deformace byly měřeny a zaznamenávány potenciometrickými snímači, připevněnými k plechu magnety, viz obr. 7. Sledováno bylo šest vln v místě spodní pásnice profilu přesně uprostřed rozponu zkušebního vzorku. Celkové zatížení bylo následně výpočetně rozděleno do všech měřených vln s označením „zatížená“, „sousední“ a „krajní“ vlna.

Hodnoty sledovaných parametrů zaznamenávala ústředna s frekvencí 10 Hz. Ve výsledných datech měření je patrné relativně vysoké kolísání síly a průhybu trapézového plechu v měřených bodech, viz obr. 9. Tento jev byl způsoben vysokou odezvou konstrukčního dílce na působící zatížení. Pro řešení tohoto problému byla aplikována metoda klouzavého průměru dat pro 100 čtení, což znamená, že jsou průměrovány hodnoty s časovým rozptylem 10 sekund. Metoda klouzavého průměru pomáhá eliminovat náhlé a krátkodobé fluktuace v měřených datech, čímž vytváří stabilnější a přesnější výsledek. Volba délky období pro klouzavý průměr (v tomto případě 100 hodnot) závisí na potřebách konkrétního experimentu a žádaném stupni vyhlazení dat.

Pro statický návrh trapézového profilu je rozhodující hodnota podílu zatížení neseného přímo zatíženou vlnou. Podílem je míněna část z působícího lokálního zatížení, které činí 100 %. Na obr. 10 jsou porovnány podíly zatížení všech druhů souvrství v limitních případech, tj. varianty beze spár (zelená) a varianty se spárami s min. přesahem desek 200 mm (fialová), s podílem pro samostatný trapézový profil bez tepelné izolace (modrá).

Vliv tepelné izolace na celkový roznos zatížení je zřejmý. V nejnepříznivějším případě (skladba A, fialový sloupec) činí pokles podílu zatížení přímo zatížené vlny 20 % oproti variantě bez tepelné izolace (modrý sloupec). Rozdíl mezi jednotlivými druhy souvrství je v řádu jednotek procent a lze jej považovat za nepodstatný. Příznivější výsledek u skladby B může být ovlivněn, mimo jiné, také celkově větší tloušťkou souvrství o 20 mm oproti skladbě A. Vliv přesahu je zřetelnější u skladeb s minerální vatou. U kombinované skladby je minimální. Blíže je vliv délky přesahu dokumentován pro skladbu B na obr. 11. Porovnány jsou délky přesahů 200 mm (oranžově), 480 mm (šedivě) a 760 mm (žlutě), přičemž lze konstatovat, že při přesahu 760 mm nabývá hodnota roznosu zatížení své maximální hodnoty. U kombinované skladby je maximálního roznosu docíleno při přesahu 480 mm. Hodnotu roznosu lze považovat za konstantní, tedy nezávislou na výši působícího zatížení.

Závěr a doporučení AsoTra

Studie prokázala nezanedbatelný vliv tepelné izolace při roznosu lokálního zatížení. Nezbytné je však zmínit jistá omezení, která mají být zvážena při využití v praxi:

1. Z výsledků předchozích experimentů i zmíněné přípravy druhé generace ­Eurokódu prEN 1993-1-3 plyne, že výsledný roznos zatížení v trapézovém profilu, mimo jiné, závisí na poloze zatížení vůči podporám, resp. na ohybové čáře konkrétního statického schématu, viz obr. 12. Obecně platí, že při zkracující se vzdálenosti břemene od podpory roste podíl zatížení přímo zatížené vlny. U řešeného prostého nosníku byl roznos prověřován v místě maximální deformace, tedy v místě, kde je roznos zatížení největší. Hodnoty pro různé polohy zatížení nebo pro jiná statická schémata prověřeny nebyly. Nelze proto objektivně doložit, že snížení podílu zatížení přes tepelnou izolaci bude vždy alespoň 20 %.

2. Výsledky studie nezohledňují vliv změny mechanických vlastností tepelné izolace z hlediska dlouhodobého zatížení, stárnutí, působení vysokých teplot, vlhkosti a případně kombinace všech těchto faktorů. Jejich hodnocením se zabývají některé experimentální studie či normové předpisy týkající se návrhu sendvičových panelů. Degradaci smykové pevnosti či modulu, ve smyku jakožto rozhodující parametry pro distribuci zatížení v tepelně izolačním jádru panelu, popisuje norma ČSN EN 14509 ed.2 v příloze A.3.6 [6]. Pro případy, kdy nejsou k dispozici přesnější výsledky experimentů, norma doporučuje redukovat smykovou pevnost v čase, uvedenou v příslušném grafu A.7. Například pro zatížení působící 1 000 hodin má být krátkodobá pevnost redukována o 45 %.Studiem mechanických vlastností v čase při působení zvýšených teplot (65–75 °C) a při nízkých (< 15 %) i zvýšených (> 95 %) relativních vlhkostech se zabývá studie „Model for effect of ageing“, uskutečněná v rámci evropského projektu EASIE [7]. Výsledkem je potvrzení degradace modulu ve smyku i pevnosti ve smyku u tepelné izolace z minerálních vláken řádově o desítky procent v prvních dvou týdnech zatížení. U tepelné izolace z EPS se degradace neprojevila.

3. V neposlední řadě nelze opomenout možnou degradaci mechanických vlastností povrchu tepelné izolace způsobenou větším pohybem osob a materiálů v souvislosti s instalací FVE.

Z výše uvedených nejistot plyne nutnost dalšího podrobnějšího zkoumání a zpřesnění předkládaných výsledků experimentů. Asociace AsoTra proto doporučuje přednostně využívat podpůrné systémy FVE, které roznášejí zatížení do více vln trapézového profilu (např. příčné lišty apod.). V případě podpůrných systémů, generujících lokální zatížení, doporučujeme prozatím v praktických výpočtech zohlednit roznos zatížení min. 50% podílem pro přímo zatíženou vlnu, a to obecně pro jakoukoliv polohu břemene od podpory i druh souvrství. Je třeba poznamenat, že i při zohlednění tohoto roznosu může být zatížení přenášené konstrukcí FVE silně koncentrováno (v případě uvedeném na obr. 2 je zvýšeno příslušné původně uvažované plošné zatížení pro přímo zatíženou vlnou 4x, což je výrazně lepší výsledek než bez uvážení zde popsaného roznosu, ale stále se jedná o významné lokální přitížení, které musí být zohledněno).

Zdroje

[1] ČSN EN 1090-4: Provádění ocelových a hliníkových konstrukcí – Část 4: Technické požadavky na ocelové za studena tvarované prvky a konstrukce pro použití ve střechách, stropech, podlahách a stěnách.

[2] ČSN EN 1993-1-3: Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-3: Obecná pravidla – Doplňující pravidla pro tenkostěnné za studena tvarované prvky a plošné profily.

[3] JOHANSSON, G. Single Load on Trapezoidal Sheet. 1986.

[4] prEN 1993-1-3:2021: Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.

[5]  ŠORF, M., JANDERA, M. Lokálně a liniově zatížené trapézové plechy. Diplomová práce, 2017.

[6] ČSN EN 14590 ed. 2: Samonosné izolační sendvičové panely s povrchovými plechy – Průmyslově vyráběné výrobky – Specifikace.

[7] METZGER A., KÄPPLEIN S., MISIEK T., HASSINEN P., MONONEN J., KURPIELA A., LANGE J., KOCHENBACH J. Model for effect of ageing. REPORT No.: D4.2/2, EASIE, 2011.