Seizmická a energetická renovácia nielen historických budov

V článku Vám predstavíme inovatívny prístup k návrhu obnovy historických budov. Je založený na dvoch
stavebných technikách, ktoré sú na tento účel mimoriadne vhodné.

Článok vypracovali:

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

V článku nájdete:

• Úvod
• Kompozity zo sklených vlákien pre konštrukčné aplikácie
• Renovácia s keramickým náterom
• Metodika testovania
• Výsledky
• Záver

Prvý z týchto postupov sa týka vystuženia muriva. Tvorí ju konkrétna drôtená sieť vystužená vláknami (FRP). Tento konštrukčný systém bol nedávno zavedený a v porovnaní s tradičnými konštrukčnými oceľovými drôtenými sieťami ponúka niekoľko výhod.

Druhou technológiou je termokeramický náter, ktorý zlepšuje vnútorný komfort. Oproti tradičným technológiám izolácie budov ponúka niekoľko výhod.

Kombinácia oboch vedie k inovatívnemu prístupu k obnove historických budov, ktorý sa ukazuje ako vysoko udržateľný z rôznych hľadísk. Článok sa zaoberá aj vhodnosťou týchto systémov na obnovu historických budov na Sicílii; diskutuje sa o výsledkoch experimentálnej skúšobnej kampane.

Úvod

Talianske architektonické dedičstvo, ktoré patrí k najbohatším na svete, je mimoriadne dôležitým zdrojom, ktorý treba chrániť, zachovať a odovzdať budúcim generáciám [1]. Na dosiahnutie tohto cieľa je potrebné zvládnuť jeho nedostatky a navrhnúť riešenia. Napríklad historické budovy majú zvyčajne vysokú potrebu energie z dôvodu zlých tepelných vlastností, nízkej vzduchotesnosti, tepelných mostov atď.

Ako sa uvádza v správach, mnohé starobylé budovy v Taliansku sú veľmi vystavené seizmickým rizikám; zásahy sa preto musia zamerať aj na seizmickú modernizáciu v súlade s regulačnými normami.

Ako sa uvádza v literatúre [2-3], súčasné stavebné techniky nie sú vo všeobecnosti vhodné pre historické budovy [4-5], a to z viacerých dôvodov, ako sú ich konštrukčné vlastnosti a predovšetkým potreba zachovať ich identitu. V dôsledku toho, aby sa predišlo možným konfliktom medzi budovami princípy ochrany a potreba účinnosti, je potrebné vyvinúť nové prístupy a materiály a vyhodnotiť ich účinnosť [6]. Riešenie tohto problému môže poskytnúť ponuka trhu; v skutočnosti je už k dispozícii veľké množstvo inovatívnych riešení.

Ako je známe, v oblasti historickej architektúry existujú materiály a technológie, ktoré súvisia s aktuálnym stavom techniky v jednotlivých regiónoch [7]. V dôsledku toho sú na podporu použitia inovatívnych materiálov na historických budovách, overenie ich vhodnosti a načrtnutie silných a slabých stránok potrebné testovacie fázy.

Tento článok predstavuje štúdiu vykonanú na dvoch systémoch, ktoré sú vhodné na zlepšenie výkonnosti existujúcich budov. Uvádzajú sa najmä výsledky testovacej kampane relevantnej pre prípadové štúdie na Sicílii. Kombinácia týchto dvoch systémov môže viesť k zníženiu nákladov na energiu a seizmickému zosilneniu existujúcich nehnuteľností.

Kompozity zo sklených vlákien pre konštrukčné aplikácie

Kompozitné materiály sa získavajú kombináciou dvoch alebo viacerých materiálov rôznej povahy, pričom sa využívajú vlastnosti komponentov s cieľom dosiahnuť lepšie vlastnosti ako pri použití jednotlivých komponentov samostatne [8]. Spomedzi kompozitných materiálov sa v stavebníctve vo veľkej miere používajú polyméry vystužené vláknami (FRP).

V kompozitoch FRP je výstuž zvyčajne vyrobená z alkalicky odolných sklenených vlákien, ktoré sú zostavené tak, aby vytvorili monolitickú, pružnú a odolnú viacsmernú sieť, zatiaľ čo matrica je vyrobená z termosetových polymérnych živíc, ktorými je sieť impregnovaná.

Kompozity FRP sa vyznačujú vysokou mechanickou odolnosťou, požiarnou odolnosťou, chemickou zotrvačnosťou, odolnosťou voči vode, nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a dobrou kompatibilitou s inými živicami. Sú nemagnetické, neuvoľňujú škodlivé emisie a majú nízku tepelnú a akustickú priepustnosť. V neposlednom rade majú FRP materiály nízku vloženú energiu [9 – 10].

Kompozity FRP sa používajú v mnohých stavebných aplikáciách, napríklad na spevňovanie podláh, vystužovanie poterov, tenkých betónových prvkov a vystuženého muriva. Okrem iných zaujímavých aplikácií je pre ochranu historických budov dôležité aj spevňovanie stien muriva [11]. Pri tomto druhu zásahu sa po odstránení omietky sieťovina inštaluje na existujúcu konštrukciu a stabilne sa ukotví pomocou FRP spojok. Konektory sa vložia do otvoru vyvŕtaného do muriva a potom sa na opačnej strane steny ohnú na upevnenie. Nakoniec sa nanesie nová povrchová vrstva, zvyčajne vápenná malta.

Tento postup možno použiť na nadpražia, oblúky, stĺpy, klenby a iné prvky [12 – 13].

V nedávnej minulosti sa pri spevňovaní murovaných stavieb používalo spevňujúce oceľové pletivo pokryté cementovou omietkou. V porovnaní s oceľovými sieťami majú materiály FRP mnoho výhod:

• odolnosť sklenených vlákien voči oxidácii;
• vhodnosť použitia vápennej malty na historické murované budovy;
• malá hrúbka umožňuje optimálne umiestnenie sietí v existujúcich štruktúrach;
• nemagnetické vlastnosti zabraňujú elektromagnetickým interferenciám;
• nízke nároky na údržbu.

Stavebný zásah pomocou výstužnej FRP sieťoviny a omietky z vápennej malty si vyžiadal niekoľko predbežných úkonov, ako je demontáž existujúcej omietky, vyhrabanie škár ručným náradím a očistenie stien nízkotlakovým rozprašovačom vody; následne sa sieťovina zo sklených vlákien (66 × 66 mm) upevnila pomocou spojovacích prvkov a pokryla vápennou maltou s nízkou zmraštivosťou (obrázok 1).

Renovácia s keramickým náterom (ClimateCoating)

Keramický náter ClimateCoating umožňuje chrániť fasády budov, strechy a vnútorné priečky vrstvou s hrúbkou 0,03 mm. Srdce tejto technológie predstavujú malé duté keramické bubliny, ktoré vytvárajú vákuum a svojím tvarom a materiálom majú všetky potrebné vlastnosti na zabezpečenie dobrého tepelného správania.

Mikroguľôčky sú rozptýlené vo vysokokvalitných spojivách, ktoré umožňujú dosiahnuť mechanické vlastnosti tak, aby tento druh materiálu patril medzi najodolnejšie nátery. Endotermická membrána má zaujímavé účinky na vnútornej aj vonkajšej strane steny. Z vonkajšej strany môže membrána v prípade dažďa napučať až o štvrtinu svojej normálnej veľkosti, čím zabraňuje prenikaniu vody do podkladu. Zároveň rýchlo a rovnomerne rozvádza vnesenú energiu po celom povrchu a následne ju opäť uvoľňuje vo forme sálavého tepla. Produktový rad je radom multifunkčných high-tech náterov, ktorých cieľom je zlepšiť ochranu obvodového plášťa, zdravie a pohodlie, ako aj úsporu nákladov na vykurovanie a klimatizáciu.

Okrem toho výrobca uvádza, že keď sa náter aplikuje vo vnútri budov, vďaka svojim fyzikálnym vlastnostiam zabezpečuje transport vlhkosti smerom von, znižuje tvorbu prachu a zabraňuje tvorbe plesní, čím prispieva k dosiahnutiu zdravšieho prostredia a väčšieho komfortu bývania.

Metodika testovania

Riešenie seizmickej modernizácie

Na vyhodnotenie účinnosti techniky vystužovania pri aplikácii na typické miestne steny z muriva z lávového kameňa sa vykonala skúška diagonálneho tlaku [14] in situ. Skúška zahŕňala pôsobenie diagonálneho tlakového zaťaženia na vzorku muriva takmer štvorcového tvaru až do porušenia a bola stanovená na určenie šmykovej pevnosti a šikmej ťahovej trhliny vzoriek; teoreticky navrhnutý spôsob aplikácie zaťaženia vyvoláva napäťovo-deformačný stav podobný tým, ktoré vznikajú pri pôsobení šmykového zaťaženia, a určuje porušenie vzorky pozdĺž izostatických línií.

Laboratórna skúška sa vykonala podľa normy ASTM E 519-02; pri skúške in situ sa vzorka získala z existujúceho stenového systému, pričom vzorka zostala čiastočne pripevnená k stene.

Test sa uskutočnil počas konsolidačných prác na pamiatkovej budove v Katánii (Taliansko): „Asilo Sant’Agata“, jednej z najoceňovanejších charitatívnych inštitúcií v meste.

Bolo potrebné vykonať dve skúšky; stena sa testovala v pôvodnom stave a po zosilnení, aby bolo možné posúdiť zvýšenie odolnosti. Zvolený stenový systém pozostával z hranatých blokov lávového kameňa, ktoré tvorili pseudoizodomické vrstvy. Táto technika sa medzi druhou polovicou 19. a prvými desaťročiami 20. storočia hojne používala pri stavbách v celej oblasti Etny a je známa ako „Muratura Rinzeppata“.

Aby sa umožnilo správne umiestnenie skúšobných nástrojov v protiľahlých rohoch, vybrané murivá sa oddelili od steny. Na zaťaženie sa použil ručný hydraulický zdvihák, aby sa mohlo postupne dávkovať (obrázok 2). Aplikované zaťaženie sa meralo pomocou tlakového snímača, zatiaľ čo relatívne posuny diagonálnych bodov vzorky sa merali dvojicami potenciometrických snímačov umiestnených v oboch čelách. Všetky zariadenia boli pripojené k elektronickému nákupu prepojenému s počítačom.

Panely so vzorkami muriva sa oddelili od steny, aby sa umožnilo správne umiestnenie skúšobného zariadenia v ich protiľahlých rohoch. Zaťaženie, ktoré sa postupne aplikovalo hydraulickým zdvihákom (obrázok 2), sa meralo pomocou tlakového snímača, zatiaľ čo relatívne posuny, vzťahujúce sa na dvojicu diagonálne protiľahlých bodov, sa merali pomocou potenciometrických snímačov, umiestnených na oboch stranách vzorky. Všetky zariadenia boli pripojené k riadiacej jednotke prepojenej s počítačom.

Počas skúšky sa meralo pôsobiace zaťaženie, ako aj účinky predĺženia a skrátenia na základni vzoriek. Ako je známe, ekvivalentné ťahové napätie je možné odvodiť z ťahovej deformácie meraním v smere kolmom na smer tlakového zaťaženia. Podrobne sa skúška vykonala podľa RILEM 1931, ako aj s odkazom na skúšobnú metódu v ASTM E 519-02.

Proces zaťažovania zahŕňal cykly zaťaženie-odťaženie-zaťaženie s amplitúdou 10 až 15 kN až do maximálnej odolnosti. Cykly sa vykonávali pri konštantnej rýchlosti počas oboch fáz, približne 1,2 kN/s.

Po dosiahnutí maximálneho odporu sa skúšky vykonávali za monotónnych podmienok zaťažovania a s kontrolou posunu. Experimenty sa ukončili, keď sa deformácia tlakovej vzpery priblížila k 20 mm.

Pokiaľ ide o plášť, na charakterizovanie mechanických vlastností použitej malty sa vykonali aj jednoduché skúšky v tlaku a nepriamom ťahu; tiež sa zistil Youngov modul a Poissonov pomer.

(skúšky boli vykonané v laboratóriu na skúšanie materiálov na jadrových vzorkách, ktoré boli vyrobené na mieste s 28-dňovou dobou tvrdnutia).

Riešenie energetickej modernizácie

S cieľom vyhodnotiť tepelné správanie výrobkov ClimateCoating sa uskutočnil experimentálny prieskum na skupine malých domov v Caltagirone (obrázok 3). Všetky domy sú klimatizované tepelnými čerpadlami s deleným systémom rovnakej značky a modelu.

Predbežné ciele prieskumu boli:

• vyhodnotiť rozdiely v spotrebe energie budov v závislosti od rôznych úprav aplikovaných na vnútorné a/alebo vonkajšie povrchy;
• pomocou merania povrchových teplôt poukázať na rozdielne tepelné správanie v dôsledku vonkajších povrchových úprav.

V tabuľke 1 sú uvedené spôsoby ošetrenia pokusných jednotiek.

	Budova 2	Budova 3	Budova 4	Budova 5
Vonkajšie ošetrenie	ClimateCoating ThermoProtect	ClimateCoating ThermoProtect	NIE	NIE
Vnútorné ošetrenie	ClimateCoating ThermoPlus	NIE	NIE	ClimateCoating ThermoPlus

Na budovu 4, ktorá slúžila ako referenčná jednotka na posúdenie energetických a tepelných parametrov ostatných budov, sa neaplikovali žiadne úpravy.

Merania

Meranie povrchových teplôt na vnútornej aj vonkajšej strane sa uskutočnilo pomocou dvoch rôznych meracích prístrojov, ktoré predávali spoločnosti LSI Lastem a Thermozig.

Skúšobné a meracie zariadenia zahŕňajú merač tepelného toku N. 1, sondy teploty povrchu steny, záznamníky údajov, softvér na spracovanie údajov (obrázok 4).

Spotreba elektrickej energie sa merala pomocou ampérmetrových klieští PEC-UT 232 a elektromerov. Prieskumy sa uskutočnili od 5. júla do 15. júla 2016.

S cieľom dosiahnuť homogénne skúšobné podmienky vo všetkých 4 budovách:

• všetky elektrické záťaže boli vypnuté;
• pre klimatizačné zariadenia bola nastavená rovnaká požadovaná teplota a otáčky ventilátora;
• testované budovy boli počas obdobia prieskumu prázdne (žiadne vnútorné zisky), so zatvorenými a zatemnenými oknami.

Meranie povrchových teplôt, smerom dovnútra a von, sa uskutočnilo len v budovách 3 a 4 a v tých istých budovách sa merala aj teplota vnútorného vzduchu. Pre každú z budov boli údaje o spotrebe elektrickej energie odvodené od spotreby energie systému HVAC.

Výsledky

Seizmická modernizácia

Diagram závislosti zaťaženia od deformácie zobrazený na obrázku 5a bol vytvorený na základe údajov získaných počas skúšky na nevystuženom murive; zobrazené je maximálne diagonálne zaťaženie (P_max = 83,10 kN), maximálne normálové napätie (σ_l,max = 0,056 MPa) a maximálne šmykové napätie (τ_0,max = 0,037 Mpa).

Krivky zobrazené na obrázku 5 predstavujú diagonálne zaťaženie P v závislosti od priemernej tlakovej deformácie ɛc v smere zaťaženia, meranej na oboch stranách vzorky.

Druhá skúška (vykonaná in situ 17. mája 2013) sa uskutočnila na vzorkách vystužených vláknami, ktorých tvar a rozmery boli podobné ako u predchádzajúcich vzoriek. Diagram závislosti zaťaženia od deformácie zobrazený na obr. 5b bol opäť zostavený na základe údajov získaných počas skúšky; zobrazené je maximálne diagonálne zaťaženie (P_max = 239,46 kN), maximálne normálové napätie (σ_l,max = 0,162 MPa) a maximálne šmykové napätie (τ_0,max = 0,108 Mpa) (tab. 2).

Pokiaľ ide o maltu, laboratórna analýza preukázala silnú odolnosť v tlaku (σ_c = 5,2 N/mm² ) aj v ťahu (f_ct = 0,64 N/mm² ), ako aj štandardný Youngov modul (Em = 5332 N/mm² ) a Poissonov pomer (0,17).

	Stav	Pmax (kN)	σl,max (Mpa)	τ0 (Mpa)
Lávový kameň murivo	Nevystužené	83.10	0.056	0.037
	Vyztužený materiálom FRP	239.46	0.162	0.108

TYP	– Vláknami vystužená, tixotropná, hydraulická vápenná malta s kompenzáciou zmrštenia – puzolánové kamenivo, ktoré zodpovedá normám UNI EN 480-5 a UNI EN 459-1
ZLOŽENIE	– 20 % oxid kremičitý, oxid hlinitý (SxAyHz); 10 % kremičitan vápenatý (Ca2 SiO4 ) – 42 % hydroxid vápenatý (Ca(OH)2 ); 28 % uhličitan vápenatý (CaCO3 )

Hlavným cieľom testu bolo určiť účinnosť použitia materiálov FRP na seizmické zosilnenie tohto typu steny. Výsledky experimentu odrážajú statiku budovy pred zásahom a po ňom; hodnoty maximálneho normálového napätia a maximálneho šmykového napätia sú základom pre realizáciu teoretického modelu na výpočet statiky budovy.

Získané hodnoty sú v súlade s výsledkami podobných experimentov vykonaných na rôznych typoch stavebných konštrukcií, ako aj s výsledkami v literatúre [15].

Systém rekvalifikácie energie.

Spotreba elektrickej energie.

Spotreba elektrickej energie nameraná v každej budove počas obdobia prieskumu je znázornená na obrázku 6.

Je možné zdôrazniť, že dve dvojice budov, 2-3 a 4-5, vykazujú pomerne podobné profily spotreby. Presnejšie, budovy 4-5, ktoré neboli ošetrené (č. 4) alebo boli ošetrené len zvnútra (č. 5), zaznamenali najnižšiu spotrebu energie, zatiaľ čo budovy 2-3, ktoré boli ošetrené zvonka, zaznamenali najvyššiu spotrebu energie.

Tieto výsledky nemôžu viesť k záveru, že nátery ClimateCoating môžu spôsobiť zvýšenie spotreby energie. V skutočnosti, napriek tomu, že všetky štyri budovy vyzerajú navzájom veľmi podobne, pozorovaná spotreba energie v budovách môže závisieť od špecifických prevádzkových vlastností tepelných čerpadiel inštalovaných v každej budove a rôznych stavebných detailov (podlahy, fasády), ktoré sa nevyskytli počas kontroly na mieste.

Na obrázku 7 sú pre deň odberu vzoriek znázornené vnútorné a vonkajšie povrchové teploty budovy 4 (neošetrenej), (Tnt)_int a (Tnt)_out , a budovy 3, (Tts)_int a (Tts)_out ; podľa tabuľky 1 bola fasáda budovy 3 natretá náterom ClimateCoating ThermoProtect.

Na obrázku 7 je možné zdôrazniť, že medzi týmito dvoma trendmi (vnútorné a vonkajšie povrchové teploty) existujú značné rozdiely. Konkrétne, počas vystavenia fasád priamemu slnečnému žiareniu (orientované na západ) je T(ts)_out vyššia ako T(nt)_out , zatiaľ čo počas noci T(ts)_out, dosahuje nižšie hodnoty ako T(nt)_out .

Okrem toho je T(ts)_int počas celého dňa nižší ako T(nt)_int . Tento výsledok, týkajúci sa vnútorných povrchových teplôt, možno pripísať ochrannému účinku, ktorý poskytuje náter proti slnečnému žiareniu, čím umožňuje zníženie vnútornej teploty. Takéto správanie sa pozorovalo počas celého obdobia prieskumu.

Na obrázku 8 je znázornený (kladný) rozdiel medzi maximálnymi vonkajšími povrchovými teplotami, d(Tts-Tnt)_max-out , ako aj (záporný) rozdiel medzi minimálnymi teplotami, d(Tts-Tnt)_{min_out} , opäť vo vzťahu k budovám 3 (ošetrené) a 4 (neošetrené).

Okrem toho sa na obrázku 9 porovnávajú priemerné vnútorné povrchové teploty Tm(ts) (budova 3) a Tm (budova 4); podľa výsledkov testov bola Tm(ts) (budova 3) v priemere o 2 °C chladnejšia ako Tm (budova 4). Tieto rozdiely v teplotách možno pripísať účinkom endotermickej membrány, ktorá umožňuje udržiavať lepšie podmienky komfortu vo vnútri budovy.

Na obrázku 9 sú znázornené potenciálne úspory energie vyplývajúce z rozdielov teplôt vnútorného povrchu, ktoré sa premenia na zníženie tepelného toku prenášaného z interiéru do exteriéru.

Technologické charakteristiky

Okrem toho môžu existovať aj ďalšie výhody v závislosti od vlastností použitých technológií.

Systém FRP sa vyznačuje vysokou mechanickou odolnosťou, požiarnou odolnosťou, chemickou zotrvačnosťou, odolnosťou voči vode, nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a vysokou kompatibilitou so živicami. Je nemagnetický, neprodukuje škodlivé látky a má nízku tepelnú a akustickú vodivosť.

V nedávnej minulosti sa pri spevňovaní murovaných budov používali výstužné oceľové siete pokryté cementovou omietkou. V porovnaní s oceľovými sieťami majú materiály FRP mnoho výhod:

• odolnosť sklenených vlákien voči oxidácii;
• vhodnosť použitia vápennej malty na historické murované budovy;
• malá hrúbka umožňuje optimálne umiestnenie sietí v existujúcich štruktúrach;
• nemagnetické vlastnosti zabraňujú elektromagnetickým interferenciám;
• nízke nároky na údržbu.

Pokiaľ ide o keramický náter, má rad výhod; po prvé, je možné dosiahnuť výrazné zlepšenie energetickej účinnosti pamiatkovo chránených budov pri zachovaní ich vzhľadu, a to len nanesením mimoriadne tenkej vrstvy. Vďaka širokej škále dostupných farieb je táto úprava vhodná na tento účel; vďaka jej malej hrúbke možno zachovať typické architektonické prvky, ako sú oporné piliere, pozdĺžne pásy, kamenné okenné a dverné rámy atď.

Okrem toho, keďže sa nepoužívajú žiadne upevňovacie prvky, je potrebné zohľadniť minimálnu invazívnosť ošetrenia.

Nakoniec umožňuje výrazne znížiť negatívne účinky tepelných mostov.

Záver

Skúšky vykonané na murovaných stenách vystužených FRP ukázali trojnásobné zvýšenie maximálneho diagonálneho tlakového zaťaženia určujúceho porušenie vystuženej vzorky steny v porovnaní s nevystuženou vzorkou. Výsledky štúdie preto vedú k záveru, že takáto technika je mimoriadne vhodná na účely zvýšenia maximálnej pevnosti murovaných konštrukcií, ako aj na zlepšenie reakcií na napätie a deformáciu vďaka zvýšeniu ekvivalentného ťahového napätia. Tieto výsledky predstavujú krok vpred v chápaní potenciálu sietí FPR, keďže doteraz neboli testované na murive z lávového kameňa, a preto ich možno doplniť do literatúry o experimentoch vykonaných na iných typoch konštrukcií.

Testy vykonané na keramickom náteri ClimateCoating ukázali, že priemerná vnútorná teplota v ošetrenom bola o 2 °C nižšia ako v ostatných jednotkách. Z týchto výsledkov je možné usúdiť, že použitie tejto technológie prináša zlepšenie vnútorného komfortu a následne zníženie spotreby energie.

Použitie oboch technológií môže viesť k zníženiu spotreby energie a k seizmickej modernizácii existujúcej architektúry. Kombinácia týchto dvoch technológií predstavuje strategický prístup k modernizácii historických budov. V porovnaní s inými možnými riešeniami ponúka FRP v skutočnosti rad výhod. Na druhej strane, pokiaľ ide o keramický náter, je možné využiť jeho nízku hrúbku.