A A A

Fizyka budowli

  • Ciepło

    j ' V Ciepło jest energią. Odnosi sią to również do ciepła słonecznego. Ciepło przepływa od jednego materiału do drugiego dopóty, dopóki nie wyrównają się ich tempe- ratury. Przepływ ciepła nie może być całkowicie zatrzy many, lecz tylko zwolniony. Ilość ciepła przepływają- cego przez materiał w określonej jednostce czasu za- leży od rodzaju i struktury tego materiału. Ciepło przepływa więc przez różne materiały z różną prędkoś- cią, ale stale. W budynkach ciepło przepływa w zimie z wnętrza na ze- wnątrz, w lecie odwrotnie. Izolacja cieplna ma za za- danie zmniejszenie prędkości przepływu ciepła między wnętrzem budynku i otoczeniem zewnętrznym. Dzięki izo- lacji cieplnej dochodzi więc do opóźnienia przepływu ciepła. Jest to ważne, ponieważ dopóki określona ilość ciepła pozostaje w budynku, dopóty mniej trzeba dopro- wadzać ciepła nowego, a więc mniej ogrzewać budynek. Dobra izolacja cieplna budynku obniża więc koszty jego ogrzewania. Izolowanie budynku przez zaopatrzenie go w warstwy izolacji cieplnej nie wyczerpuje zagadnienia ochrony cieplnej budynku. 0 temperaturze wnętrza budyn- ku decyduje nie tylko temperatura powietrza zewnętrzne- go, lecz także temperatura powierzchni ścian. Temperatu^ ra ścian powinna być zawsze trochę wyższa niż tempera- tura powietrza. Temperaturę powierzchni ścian można utrzymać w pewnym stopniu na jednakowym poziomie, jeżeli materiał, z któ- rego zbudowana jest ściana, ma zdolność magazynowania ciepła. Zdolność ta jest zależna od ciepła właściwego i masy materiału budowlanego. Ciepło właściwe jest to liczba dżuli /kalorii/ potrzebna do podgrzania masy jednego kilograma materiału o jeden stopień Kelwina 1 stopień Celsjusza/. sunki na marginesie podają ciepło właściwe niektó- ych materiałów budowlanych. 141 Ciepło może byó oddawane /przenoszone/ przez przewodzenie, konwekcją /unoszenie/ oraz promieniowa- nie. Zjawisko przewodzenia ciepła polega na przekazy- . waniu energii cieplnej wewnątrz materiału od jednej cząsteczki materiału do drugiej. Przewodzenie ciepła jest najważniejszym z punktu widzenia ochrony ciep- lnej budynku sposobem przenoszenia ciepła dlatego, że jest ono właściwością samych materiałów budowla- nych. Materiał izolacyjny przekazuje również ciepło dalej, ale w nieporównanie mniejszym stopniu niż materiały konstrukcyjne, jak np. aluminium, które praktycznie nie stanowi przeszkody dla przepływu ciepła /patrz rysunek obok/. W celu dokładnego określenia ilości przewodzonego przez materiał ciepła opracowano sposoby jego pomia- ru i obliczenia. Podstawowym miernikiem ilości prze- wodzenia przez materiał ciepła jest współczynnik przewodzenia ciepła X . Wyraża on ilośó ciepła w 2 watach przechodzącą w ciągu 1 godziny przez 1 m war- stwy materiału /przegrody/ grubości 1 m, przy różnicy temperatur wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni wy- noszącej 1°C. W Mianem współczynnika A jest iloraz ---— = wat/ /metr razy °C. m C Jeśli wiadomo jest, ile ciepła przechodzi w danej jednostce czasu przez warstwę materiału grubości jed- nego metra, to można obliczyć również, ile ciepła prze- chodzi w tej samej jednostce czasu przez materiał do- wolnej grubości /rysunek obok/. Przy ocenie materiałów budowlanych pod względem ich właściwości cieplnych interesuje nas jednak głów- nie nie ilość ciepła przepuszczanego przez określony materiał, lecz bpór, jaki ten materiał przeciwstawia przepływowi ciepła, czyli jak dalece on "izoluje". Tę zdolność izolowania wyraża wartość oporu cieplnego, która jest stosunkiem grubości przegrody e do współ- czynnika przewodzenia ciepła, czyli R = $ określanym 2 o " jednostką m . C/W. Na rysunkach umieszczonych z lewej strony przedsta- wiono najważniejsze materiały izolacyjne i ich współ- czynniki przewodzenia ciepła. Im większy jest ten współczynnik, tym niższa jest wartość izolacyjna ma- teriału. 1 godzina) Aj Pionka twardo z poliuretanu 0035 Wflm°a wetrą mineralna 0041 W/(m°a w obliczeniach przepływu ciepła przez poszczegól- ne elementy budynku należy uwzględnić przenikanie ciepła przez warstwę powietrza położoną przy powierz- chni materiału /rysunki z prawej strony/. W tej właś- nie warstwie przyściennej musi przepływ ciepła prze- zwyciężyć pewnego rodzaju općr. Wielkość tego oporu musi być wliczona do obliczeń izolacji ciepła. W celu znalezienia podstawy do obliczeń przyjmuje się nastę- pujące założenia: obliczamy ilość ciepła wnikającego w ciągu 1 godziny na powierzchnię jednego metra kwa- dratowego materiału przy różnicy temperatur między powietrzem i powierzchnią 1°C. Ilość tę wyraża się współczynnikiem przejmowania ciepła Of określanym jednostką w/m^.°C/. Odwrotność współczynnika przej- mowania ciepła daje - jak w przypadku oporu przepusz- czania ciepła - wartość izolacyjną warstwy przyścien- nej. Tą wartością izolacyjną warstwy przyściennej jest opór przejmowania ciepła 1/Of . Zewnętrzne przegrody budynków składają się z wielu warstwy materiałów budowlanych, które mają róż- ne wartości oporu cieplnego. Przepływ ciepła musi po- konać opory warstw przyściennych występujące po obu stronach ściany. Obydwa rodzaje oporu /opór prze- wodzenia ciepła i opory przejmowania ciepła/ są ujmo- wane w obliczeniach łącznie jako współczynnik przeni- kania ciepła k. Im mniejsza będzie ta wartość, tym większa będzie zdolność izolacyjna przegrody. Wartości współczynników k, X i a oraz zasady obliczania izolacyjności przegród budowlanych obowią- zujące w Polsce podane są w normie PN-74/B-03404. Pianka twarda z polistyrenu 0041 W/lm-fJ Korek 0041 do 0.140 W/(m°C) Szkto piankowe 0055 W«m-°C) Lekkie pryty z wetny drzewnej 0081 do 0047 W«m°C) Opór cieplny *S A2 Opór przejmowania ciepta — oc Opór cieplny -J. *1 Przemakanie wskutek nieszczelności Temperatura i wilgotność. Im bardziej zwarty jest ma- teriał, tym lepiej przewodzi diepło. Ponieważ woda w sensie fizycznym jest materiałem zwartym /pozbawio- nym porów/, trzeba zwracać szczególną uwagę na to, by woda nie przenikała do warstwy izolacji cieplnej i nie podwyższała wskutek tego jej gęstości, spowodowa- łoby to bowiem obniżenie zdolności izolacyjnych ma- teriału izolacyjnego. Woda może przedostawać się do izolacji cieplnej w dwojaki sposób: przez nieszczel- ności w elementach budynku oraz przez kondensację pary wodnej /rysunek obok/. Zagadnienia związane z zawilgoceniem budynków wskutek nieszczelności ich elementów nie są tematem tej pra- cy, dlatego też zajmiemy się tu jedynie problemem zawilgocenia budynku w wyniku kondensacji pary. Jak do tego dochodzi? W budynkach stale tworzy się para wodna wskutek oddy- chania ludzi, gotowania, mycia, kąpieli. Ilość pary wodnej przejmowana przez powietrze zależy od jego temperatury. Przykładowo 1 metr sześcienny powietrza o temperaturze 20°C może przejąć maksymalnie 10 g wo- dy. Jeśli powietrze w takim stanie nasycenia parą wodną zostanie oziębione, to wykropli się z niego ta- ka część wilgoci w postaci wody, o jaką w danej temperaturze jest jej w powietrzu za dużo. Przy ozię- bieniu powietrza do temperatury 0°C wykrapla ono 13 g wody na l/metr sześcienny. Tak więc powietrze przy określonej temperaturze wydzieli taką ilość pary wod- nej w postaci drobnych kropelek wody, która nie może już być przez powietrze zatrzymana. Dokładnie taki sam proces zachodzi w ścianach zewnętrz- nych i stropodachach. Ciepłe, wilgotne powietrze prze- nikając z wnętrza budynku przez przegrodę zewnętrzną /np. ścianę lub stropodach/ oziębia się wskutek niż- szej temperatury zewnętrznej i oddaje niesioną ze so- bą parę wodną tej przegrodzie. Woda wykraplana z pary wodnej wypełnia pory w materiałach, gromadzi się i w końcu przedostaje się do wnętrza. W wyniku kondensacji pary wodnej materiały izolacyjne tracą swoje właści- wości izolacyjne. Tak więc przy projektowaniu ściany zewnętrznej albo dachu należy zwracać uwagę na to, by dyfuzja pary wodnej nie powodowała jej kondensacji w izolacji cieplnej. Jest to szczególnie ważne w budyn- kach wznoszonych z lekkich elementów oraz w budynkach z płaskim stropodachem. Obliczenia dyfuzji pary wod- nej może przeprowadzić tylko fachowiec projektowa- nia i wykonywania prac budowlanych. Uwaga. Izolacja cieplna powinna być zakładana w ele- mentach budynku możliwie blisko ich strony zewnętrz- nej. Jeśli liczymy się z możliwością wysokiej zawar- tości pary wodnej w powietrzu wewnątrz pomieszczenia, np. w pomieszczeniach wilgotnych jak kuchnia, łaź- nie itp., warstwa izolacji cieplnej musi być dodatko- wo zabezpieczona izolacją od pary wodnej. Izolacje takie składają się przeważnie z folii metalowej, któ- ra stawia największy opór przenikaniu pary wodnej /patrz rys./.

  • Dźwięk

    1. Dźwięk przenoszony przez powietrze. Rozmowa albo gra na instrumencie muzycznym wywołuje w pomieszczeniu dźwięk przenoszony przez powietrze /dźwięk powietrzny/. Cząsteczki powietrza poddawane na przemian ściskaniu i rozciąganiu wprowadzone zostają w drgania, które przenoszą się na ściany i stropy pomieszczenia. W wy- niku tych drgań wprowadzone zostają w ruch cząsteczki powietrza również w sąsiednim pomieszczeniu. Cały ten proces nazywa się przenoszeniem dźwięku przez powie- trze. 2. Dźwięk materiałowy /uderzeniowy/. Odmiennie niż w przypadku dźwięków powietrznych w drgania wprowa- dzany jest sam element budynku, np. przez uderzenie młotkiem. Cząsteczki powietrza w sąsiednim pomiesz- czeniu zostają wprawione w ruch, tzn. zaczynają drgać. To drganie odczute zostanie jako stuk. Dźwięk uderze- niowy wytwarzany w czasie chodzenia po podłodze sły- szymy jako odgłos kroków. 3, Izolacyjność przeciwdźwiękowa. Poszczególne części budynku stawiają opór dźwiękom powietrznym i uderzeniowym. Opór ten określamy jako izolacyjność przeciwdźwiękowa /zdolność tłumienia dźwięków/. Za- leży ona głównie od masy i struktury danego elementu budynku. Im cięższy jest dany element budynku, tym wyższa jest izolacyjność przeciwdźwiękowa przegrody. 4. Pochłanianie dźwięków. Dźwięki powietrzne pochła- niane są przez element budynku na tej zasadzie, że energia akustyczna zostaje przy zetknięciu się z po- wierzchnią przegrody, tj. ściany, przekształcona w energię cieplną. Im bardziej szorstka jest powierz- chnia ściany, tym więcej dźwięku może pochłonąć.

  • Przenoszenie wzdłuż

    Ściany. Dźwięk przez ściany jednowarstwowe przechodzi wprost przez przekrój ściany oraz drogą okólną przez mostki akustyczne. 1. Nieszczelności w ścianie jednowarstwowej obniża- ją izolacyjność przeciwdźwiękowa. Powstają one wskutek niedostatecznego wypełniania spoin muru. 2. Otynkowanie ściany zwiększa jej masę, wskutek czego polepsza się jej izolacyjność przeciwdźwiękowa. Tynk musi być podciągnięty aż do konstrukcji nośnej stropu, ponieważ pozostawienie wolnej nie otynkowanej powierzchni ściany znacznie obniżyłoby efekty tynkowa- nia. 3. Ściany z pustkami powietrznymi mają niewystarcza- jącą izolacyjność przeciwdźwiękowa. Spowodowane jest to rezonansem pełnych części ścian. 4. Dobrą izolacyjność przeciwdźwiękowa można osiąg- nąć przez wbudowanie szaf. Przechowywane w szafach bielizna i ubrania znacznie tłumią dźwięki. 5. Wszelkie zasłony, szczególnie z ciężkich tkanin, wykładzina dywanowa i podłogi, wyściełane meble mają znaczny wpływ na akustykę pomieszczenia, ponieważ dźwięk jest pochłaniany przez materiały tekstylne. Na rysunku umieszczonym z lewej strony pokazano trzy drogi przenoszenia dźwięków przez ściany dwuwarstwowe. Q, Odstęp między obu warstwami ściany musi być do- statecznie duży i wynosić przynajmniej 17 cm. 7,8- Przenoszenie dźwięku przez pustkę powietrzną w ścianie można zmniejszyć przez jej wypełnienie ma- teriałem izolacyjnym. Próby wykazały, że niejednokrot- nie wystarcza wypełnienie takim materiałem tylko wąs- kiego przykrawędziowego odcinka ściany. 9. Przenoszenie dźwięku przy krawędziowym tylko zamo- cowaniu izolacji może być obniżone, jeżeli jedna war- stwa ściany jest wykonana z materiału bardziej elas- tycznego niż materiał drugiej warstwy ściany. Ściany chroniące przed dźwiękiem muszą być zai- zolowane w styku ze ścianą poprzeczną. 11. Materiały budowlane o znacznej zdolności tłumie- nia dźwięku nie współdziałają w przenoszeniu dźwięku przez ich styk ze ścianą poprzeczną, ponieważ są one mniej podatne na drgania. Stropy. Na zamieszczonych obok rysunkach pokazano trzy możliwości przenoszenia dźwięków przez stropy. Należy pamiętać o tym, że dźwięk może przez strop docierać także do pomieszczeń sąsiednich. 1. Stropy masywne mają dostateczną zdolność tłu- mienia dźwięków powietrznych, ponieważ masa 1 m takiego stropu przekracza na ogół 350 kg, tj. wiel- kość masy, jaka wymagana jest ze względu na ochronę pr zec iwdźwiękową. 2,3. Stropy mają często otwory /kanały/ powietrz- ne, w celu zmniejszenia masy stropu, ze względów kon- strukcyjnych. Jednakże w porównaniu ze stropami ma- sywnymi są one mniej korzystne pod względem izolacyj- ności przeciwdźwiękowej z uwagi na nierówne rozło- żenia masy w ich przekroju. Błędne jest rozumowanie, że wadę tę można usunąć przez przymocowanie pod stropem lekkich płyt z wełny drzewnej. W ten sposób można osiągnąć tylko poprawę izolacyjności cieplnej, ale nie przeciwdźwiękowej. 4. Jastrych w podłogach budynków mieszkalnych musi być wbudowany jako "pływający" na podkładzie z mate- riału izolacyjnego. Tylko w ten sposób można uzyskać wystarczające odizolowanie niżej położonego pomiesz- czenia od dźwięku kroków. Płyta jastrychu nie może mieć żadnego kontaktu z otaczającymi ją elementami budynku. 5. Również drewniane podłogi należy układać jako "pływające", tzn. nie wolno ich przybijać gwoździami do belek stropowych. Układa się je na przekładkach z materiału izolacyjnego. Deski nie mogą przylegać bezpośrednio do ścian. Styk ich ze ścianą należy wypełnić materiałem izolacyjnym. 6,7. Izolacyjność stropu na dźwięki powietrza można poprawić przez ułożenie na nim warstwy izola- cyjnej z miękkiego materiału, rozłożonego możliwie na jak największej powierzchni. Taki sam efekt, z równoczesnym wytłumieniem dźwięków uderzeniowych /dźwięku kroków/, osiągnie się, gdy jako element izo- lacyjny zastosujemy dodatkowy strop sprężyście pod- wieszony z miękką przekładką izolacyjną np. z mate- riału włóknistego.