Výpočet mechanického kotvení ETICS aneb Jak ušetřit při zateplení fasády

Zateplení fasád objektů patří mezi nejčastěji prováděné stavební práce. V roce 2015 se na výrobu kontaktních zateplovacích systémů ETICS spotřebovalo takřka 26 000 tun polystyrenu jako nejvíce používaného tepelného izolantu. To je skoro 1,5krát více než na zateplení střech a podlah. Významný podíl na těchto obrovských množstvích mají ekonomické faktory jako růst investic do stavebnictví, ale i vyšší podpora z fondů státních dotačních programů, mj. spuštění dotací z programu Nová Zelená úsporám nejen rodinných, ale nově i bytových domů.

Článek popisuje rozdíly mezi způsoby návrhu mechanického upevnění hmoždinkami na účinky sání větru a nabízí návod, jak by měly postupovat firmy při projektování i realizaci mechanického upevnění zateplení, jak by měl postupovat investor při výběru dodavatele zateplení objektu a jak by si měl počínat technický dozor investora při kontrole provádění zateplení objektu – a to s cílem maximálních možných úspor na nákladech i délce realizace.

Z hlediska mechanické odolnosti a stability ETICS je nutné rozlišovat systémy podle metod připevnění vrstvy tepelné izolace k podkladu. Nejběžněji používané jsou systémy mechanicky upevňované s doplňkovou lepicí hmotou.

ČSN 73 2902
Navrhování a použití mechanického upevnění pro spojení vnějších tepelně izolačních kompozitních systémů (ETICS) řeší ČSN 73 2902 z dubna 2011. Podle této normy se pro upevnění ETICS smějí použít pouze mechanické upevňovací prostředky s ověřenými vlastnostmi, zajišťujícími spolehlivost upevnění v rozsahu jimi dotčených základních požadavků na stavby podle postupů ETAG 014 – jinými slovy řečeno hmoždinky s platným certifikátem ETA (Evropské technické schválení, resp. posouzení) nebo STO (Stavební technické osvědčení) s uvedením odpovídajících vlastností. Jejich počet a rozmístění vycházejí z podmínek a výsledků zkoušek a výpočtů souvisejících se zajištěním stability systému v konstrukci. Návrh a posouzení mechanického upevnění ETICS má být potom součástí stavební dokumentace podle ČSN 73 2901.

Počet hmoždinek potřebných na přenesení účinků sání větru lze podle ČSN 73 2902 stanovit:
1. pomocí tabulek v ČSN 73 2902, příloha D;
2. zjednodušeným návrhem;
3. pomocí veřejně dostupných programů, které vycházejí ze zjednodušeného postupu;
4. podrobným návrhem.

Poznámka:
Pozor na používání jednoduchých veřejně dostupných programů. Základní verze CZB 2.49 (Cech pro zateplování budov) a z ní odvozené firemní verze jsou autory z nějakého blíže nespecifikovaného důvodu prohlášeny za neplatné. Na webu CZB lze stáhnout momentálně platnou verzi 1/2016, která má však omezené použití.

Všechny postupy vycházejí ze základního principu porovnání návrhové hodnoty účinků zatížení větrem (S_d – podle ČSN EN 1991-1-4 nebo modifikovanou metodou podle ČSN 732902) s návrhovou odolností mechanického upevnění ETICS (R_d).

Pro dokumentaci různých výsledků podle zmíněných postupů uvedu konkrétní příklad z praxe:

Polovina bytového domu půdorysného rozměru 37,30×12,60 m, referenční výška objektu 18,50 m. Objekt se nachází ve vnitřní Praze – v I. větrné oblasti, kategorie terénu IV (min. 15 % povrchu je pokryto stavbami průměrné výšky alespoň 15 m).

Pro zateplení byl zvolen systém ETICS s tepelným izolantem na minerální bázi (rozměr desek 1000×500 mm), jehož vlastnosti jsou popsány v dokumentu STO, a to včetně údajů vyplývajících ze zkoušky podle ETAG 004 (tzn. systém má platnou specifikaci ETA). Dokumentace ETA ani STO nebyla v projektu obsažena, z veřejně dostupných zdrojů ji navíc nebylo možno získat. Fasádní hmoždinky s plastovým zatloukacím trnem jsou také vybaveny platnou specifikaci ETA. Výtažné zkoušky na stavbě byly provedeny s výsledkem 0,734 kN.

V projektu byl (bez dalšího výpočtu nebo popisu metody stanovení míry kotvení) uveden počet hmoždinek 8 ks/m² pro vnitřní oblast a 10 ks/m² pro okrajové oblasti.

Realizační firma předložila před zahájením realizace výpočet programem Kalkulátor… (CZB verze 2.49) s výsledkem až 14 ks/m² (viz níže).

Stavební dozor požádal o přepočet podrobným postupem s očekáváním, že skutečně nutný počet hmoždinek bude nižší.

1. Stanovení počtu hmoždinek pomocí tabulek v ČSN 73 2902, příloha D
Pro možnost použití tabulek je nutno uvést třídu únosnosti použité hmoždinky, a to jako menší z hodnot podle vztahů (4) a (5) podle čl. 5.4.3.3 normy. V tomto konkrétním případě:

R_d,hm= min {0,113; 0,207} = 0,113 => třída únosnosti = 0,10 => je nutno použít tabulku D.1

Nutné počty hmoždinek

Výškové pásmo	Oblast vnitřní	Oblasti okrajové
≤ 15 m	8	10
≥ 15 m	12	14

Poznámka:
Údaj o počtu hmoždinek, uvedený v projektu zřejmě vycházel z této tabulky. Rozdíl byl se vší pravděpodobností způsoben nesprávně určenou referenční výškou objektu. Autor použil pro její stanovení relativní výšku střechy a neuvědomil si, že ±0 je 3,5 m nad okolním terénem. Jedná se o poměrně častou chybu, která může fatálně zkreslit výslednou dimenzaci mechanického upevnění.

2. Zjednodušený návrh
Častým argumentem pro použití zjednodušeného postupu je to, že tento způsob je méně náročný na čas a odbornou způsobilost. Ve skutečnosti je rozdíl v pracnosti oproti podrobnému návrhu zanedbatelný. Výpočet zatížení větrem podle ČSN EN 1991-1-4 je navíc podle této metodiky nutno provést dvakrát – viz dále. Určení odolnosti hmoždinek R_d,hm lze provést předepsaným způsobem pomocí tabulek v normě, resp. hodnoty vyplývající ze zkoušky podle ETAG 014, tedy dokumentu ETA pro danou hmoždinku.

2.1 Návrhová hodnota účinků zatížení větrem
Ve zjednodušeném způsobu podle ČSN 73 2902 se má zatížení větrem S_d u budov vyšších než 15 m (a nižších než 38 m) uvažovat ve dvou výškových pásmech.

Hodnoty účinků namáhání větrem

Výškové pásmo	S_d,A (ce = –1,4)	S_d,B (ce = –1,1)
≤ 15 m	–0,959	–0,754
18,50 m	–1,056	–0,830

2.2 Návrhová odolnost mechanického upevnění
Za použití odolnosti hmoždinky R_d,hm, stanovené podle vztahů (4) a (5) normy ČSN 73 2902 (viz výše), je možno stanovit nutné počty hmoždinek.

Nutné počty hmoždinek

Výškové pásmo	Oblast vnitřní	Oblasti okrajové
≤ 15 m	8	10
18,50 m	8	10

Důležitou podmínkou je, že počet kotev ve vnitřní oblasti příslušného výškového pásma nesmí být oproti okrajové oblasti snížen o více než 25 %, takže výpočet zatížení v oblasti B je prakticky zbytečný.

Je vidět, že touto metodikou určený počet upevňovacích prostředků je o něco nižší než při použití tabulek. Je to dáno tím, že tabulky uvažují výšková pásma 0–10 m, 10–15 m, 15–26 m a 26–38 m – tedy skokově. Kdežto výpočet zjednodušeným postupem je proveden pro reálnou výšku, která je většinou menší.

3. Návrh pomocí programu Kalkulátor

Realizační firma předložila stavebnímu dozoru výpočet mechanického upevnění pomocí programu Kalkulátor (CZB 2.49) s následujícím výsledkem:

Nutné počty hmoždinek

Výškové pásmo	Oblast vnitřní	Oblasti okrajové
≤ 15 m	8	10
≥ 15 m	12	14

Je patrné, že výsledek je totožný s metodou pomocí tabulek – vychází zjevně ze stejného algoritmu.

Problém u (nejen) tohoto programu je ten, že svůj výstup deklaruje jako výsledek výpočtu. Ve smyslu zákona číslo 183/2006 Sb. (Stavební zákon), §159 ale platí, že: „Statické, popřípadě jiné výpočty, musí být vypracovány tak, aby byly kontrolovatelné.“

Doloženou kalkulaci však není možno bez samostatně vypracovaného podrobného statického posouzení zkontrolovat. Z toho bohužel vyplývá, že návrh nemůže být považován za relevantní, ani kdyby byl opatřen razítkem a podpisem autorizované osoby ČKAIT, jak předtisk požaduje.

Nová verze programu CZB 1/2016 má oproti původní verzi jednu významnou nevýhodu. Nelze jí posuzovat libovolnou sestavu ETICS podle platné normy (jako u předcházející verze), ale pouze několik málo možných kombinací. Výsledky jsou mnohem výhodnější (menší počet hmoždinek), uživatel je ale v ostatních případech odkázán na „ruční“ výpočet. Problém s kontrolovatelností zůstává, navíc není jasno, zda algoritmus vychází bezezbytku z metodiky zjednodušeného postupu daného normou.

4. Podrobný návrh mechanického upevnění hmoždinkami

4.1 Návrhová hodnota účinků zatížení větrem
Zatížení vnesené do systému se stanoví podle norem pro zatížení stavebních konstrukcí (ČSN EN 1990, ČSN EN 1991-1-1, ČSN EN 1991-1-4, ČSN EN 1991-1-5), přičemž ve většině případů je rozhodující zatížení větrem podle ČSN EN 1991-1-4.

Vzhledem k tomu, že účinky zatížení se uvažují jako sání, tedy na závětrných a bočních stěnách, doporučuje se v souladu s normou ČSN EN 1991-1-4 jako referenční výšku uvažovat celkovou výšku konstrukce (h). Návrhová hodnota sání S_d je tak (na rozdíl od zjednodušeného postupu) stejná po celé výšce objektu. Mohlo by se zdát, že u budov vyšších než 15 m to povede ke zbytečně velkému počtu hmoždinek ve spodní části objektu. Skutečnost je ale taková, že podhodnocená návrhová odolnost R_d podle zjednodušeného postupu způsobí ve výsledku často výrazné předimenzování mechanického upevnění.

Velmi důležité je správné určení větrné oblasti, kategorie terénu (s ohledem na přechod mezi různými kategoriemi drsnosti terénu – viz tabulka A.1 v normě) a použití reálné referenční výšky, což je celková výška konstrukce nad terénem.

V souladu s ČSN EN 1991-1-4 se ve stěnách obecně posuzují oblasti A, B a C s tím, že součinitel vnějšího tlaku pro (případně existující) oblast C je nutno v případě potřeby upravit podle součinitele pro oblast E (k tomu blíže viz citovaná norma, tabulka 7.1).

Hodnoty účinků namáhání větrem

Referenční výška	S_d,A (ce = –1,400)	S_d,B (ce = –1,100)	S_d,C (ce = –0,532)
18,50 m	–1,056	–0,830	–0,401

4.2 Návrhová odolnost mechanického upevnění

Jedinou a někdy i rozhodující podstatnou nevýhodou podrobného návrhu je nutnost dostupnosti ETA pro zateplovací systém s uvedením všech potřebných údajů podle ETAG 004. Žádný zákon ani norma totiž vlastníku tohoto dokumentu nepřikazují, aby jej uveřejnil. I v tomto konkrétním případě dodavatel ETICS poskytnul potřebné údaje až po sáhodlouhém přemlouvání, kdy argumentoval tím, že „někdo by se v tom mohl zbytečně hrabat“. V technickém schválení musí být také jednoznačně určeno, s jakými hmoždinkami byla sestava zkoušena a jaké jiné kombinace lze za přesně definovaných podmínek použít.

Poznámka:
Obdobná situace je u mechanicky kotvených střešních povlakových krytin. Vznikají tím potom naprosto zbytečné situace, kdy prodejci hydroizolací a kotevních prvků (o realizačních firmách nemluvě) se zlobí, že pro jimi dodanou kombinaci je nutno použít nečekaně vysoký počet kotev.

Z dokumentace pro modelový příklad bylo možno za použití vztahů (2) a (3) normy ČSN 73 2902 určit požadované hodnoty při uvažování minimálního počtu hmoždinek 6 ks/m²:

R_d = min {2,176; 1,241} = 1,241 kN

(viz tabulka dole: Potřebný počet upevňovacích prostředků).

Závěr
Z jednotlivých dokumentovaných kalkulací lze provést jednoduché srovnání nutného počtu hmoždinek, přičemž výsledky návrhu podle tabulek v normě ČSN 73 2902 a programem pro zjednodušený postup lze sloučit. Ve výměrách jednotlivých oblastí jsou odpočteny okenní otvory a balkonové dveře podle skutečnosti.

Popis schématu je platný pro označení oblastí podle ČSN 73 2902. Ve smyslu ČSN EN 1991-1-4 je okrajová oblast totožná s oblastí A, vnitřní oblast zahrnuje oblasti B a C.

Výměry pro zjednodušený návrh

Výškové pásmo	Oblast vnitřní	Oblasti okrajové
≤ 15 m	399,10 m²	257,30 m²
18,50 m	93,15 m²	60,10 m²

Výměry pro podrobný návrh

Referenční výška	Všechny oblasti
18,50 m	809,65 m²

Srovnání nutného počtu hmoždinek

Metoda stanovení	Celkový počet hmoždinek	Porovnání
Podle tabulek a programu	7730 ks	100 %
Zjednodušený návrh	7110 ks	92 %
Podrobný návrh	4860 ks	63 %

Potřebný počet upevňovacích prostředků

Hodnota	Oblast A	Oblast B	Oblast C
S_d	–1,056	–0,830	–0,401
Počet hmoždinek	6	6	6
R_d	1,241	1,241	1,241
Posouzení		R_d > \| S_d \| – VYHOVÍ

Po srovnání výše uvedených výsledků lze dojít k následujícím závěrům:

1. Stanovení počtu upevňovacích prostředků pomocí tabulek v příloze D ČSN 73 2902 je nejrychlejší, bez enormních nároků na kvalifikovanost a dostupnost podrobných technických údajů o použitém zateplovacím systému a hmoždinkách. Bohužel při tomto postupu vychází nejvyšší počet hmoždinek se všemi negativy s tím souvisejícími.

2. Použití veřejně dostupných programů (CZB) má stejné důsledky. Po zneplatnění verze CZB 2.49 je navíc nevýhodou, že nová verze počítá pouze několik málo kombinací a není již podle jejích autorů obecně použitelná. Výstup z programu navíc není kontrolovatelný, a proto je jeho použití problematické.

3. Výsledky zjednodušeného návrhu podle ČSN 73 2902 jsou takřka obdobné jako pomocí tabulek. Možná úspora na počtu hmoždinek je většinou zanedbatelná.

4. Optimální je evidentně podrobný návrh. Mezi jeho největší výhody patří:
– úspora počtu hmoždinek, tedy finanční úspora na nákladech,
– úspora času, potřebného pro osazování hmoždinek, což znamená:
– zkrácení doby montáže,
– finanční úspora na montážních nákladech,
– omezení hluku a vibrací při předvrtání;
– omezení počtu míst s rizikem vzniku tepelného mostu.

Pro využití možnosti úspor, které nám normy nabízejí, je důležité vybrat si kvalifikovaný stavební dozor a spolehlivého dodavatele, který doloží všechny technické dokumenty použitých systémů. Výpočet kotvení je vhodné svěřit nezávislému odborníkovi, aby byla pokud možno eliminována možnost podjatosti.

ALEŠ OŠKERA

Ing. Aleš Oškera (*1955) po ukončení studia na Stavební fakultě VUT v Brně v roce 1979 pracoval do roku 1991 jako projektant a vedoucí projektant skupiny. Poté do roku 2006 působil jako ředitel firmy dodávající a montující prvky opláštění budov. Od roku 2006 se věnuje odborně-poradenské a expertní činnosti v oboru stavebního upevňování se specializací hlavně na kotvení hydroizolací plochých střech. Je autorizovaným inženýrem.