Vzdělávací centrum

Kontext a motivace

Pro pochopení souvislostí a důvodů k vývoji a sestrojení zkušebního aerodynamického tunelu se krátce ohlédneme zpět a připomeneme okolnosti, které nás k němu dovedly.

 V prvním dílu [1] této série článků jsme popsali některé výzvy v oblasti statického posouzení a stability obalových konstrukcí budov namáhaných větrem, v posledních dekádách ještě umocněné klimatickou změnou a aktuálními architektonickými trendy. Patří sem např. rozmach vegetačních střech či potřeba instalace FVE systémů na budovách. Článek mj. poukazuje na fakt, že stávající znalosti, normy a zkušební metody v oblasti stabilizace střešních a fasádních plášťů často nepostihují všechny reálné vlivy (např. u plochých přitěžovaných a vegetačních střech). Z praxe známe jak příklady konstrukcí, které odolaly i neočekávaně silnému větru, tak i případy konstrukcí, které selhaly (obr.1, 2).

V oblasti návrhů některých obalových konstrukcí se opíráme hlavně o historické zkušenosti a oborová pravidla, nikoli o reálná data z experimentálního ověřování.  Naším cílem je rozšířit poznání účinků větru a deště na chování stavebních konstrukcí, a to byla hlavní motivace vývoje ORKAN SIMULATORu. Toto zkušební zařízení může fungovat ve dvou režimech:

·        režim „Vakuová komora“,

·        režim „Hybridní aerodynamický tunel“.

Režim vakuové komory (obr. 3) jsme podrobně popsali v druhém dílu [2] této série. Tento režim se využívá primárně pro provádění tzv. wind uplift testu (obr. 4), jehož parametry jsou definované v normě ČSN EN 16002 [3]. Touto metodou cyklického namáhání se primárně testují mechanicky kotvené povlakové hydroizolační systémy. Princip zkušební metody lze však rozšířit obecně na všechny vzduchotěsné systémy, jako jsou lepené střechy s povlakovou hydroizolací nebo i fasádní systémy ETICS.

Tato metoda však není vhodná pro testování nevzduchotěsných fasádních nebo střešních systémů, jako jsou skládané krytiny, FV systémy, zavěšené fasády apod. Záměrem bylo vyvinout zkušební zařízení, které by kromě již zmíněného cyklického namáhání, popsaného podrobněji výše a v článku [2] umělo testovat širokou škálu konstrukcí proti extrémním povětrnostním podmínkám.

V režimu Hybridní aerodynamický tunel je možné působit na vzorek proudem větru a realizovat další typy zkoušek, které vakuová komora sama o sobě neumožňuje.

Koncepce hybridního aerodynamického tunelu

Výzkum v oblasti působení větru se obvykle provádí v aerodynamických tunelech na zmenšených modelech budov. Při použití zmenšených modelů však nelze získat detailní informace o působení větru na lokální prvky konstrukcí, jako jsou střešní tašky, fasádní panely či dlažba na střeše (podrobněji o této problematice v [1]). Koncept našeho zařízení se odlišuje v tom, že umožňuje proudem vzduchu zatěžovat segmenty stavebních konstrukcí nebo konstrukční prvky v reálném měřítku, a to na, anebo za hranicí, jejich stability. Zařízení je uzpůsobené především pro testování plošných konstrukcí.  

Zdrojem proudění vzduchu je cca 4 m vysoký radiální ventilátor o příkonu 250 kW (obr.6).  Z radiálního ventilátoru vzduch proudí do měřicí sekce, kde je umístěn model testované konstrukce. Součástí měřicí sekce je i simulátor deště, který umožňuje zkrápět vzorek deštěm o řízené intenzitě.

S ohledem na plánované experimenty je zkušební zařízení dimenzováno na lokální rychlosti větru při redukované průřezové ploše až okolo 300 km/h. To výrazně převyšuje rychlost větru ve volném terénu, se kterou se lze v našich klimatických podmínkách běžně setkat. Např. orkán Kyrill z roku 2007 dosahoval na území ČR v nárazech rychlosti až 216 km/h. Při určení návrhové hodnoty rychlosti větru na dílčí konstrukci budovy je ovšem třeba vzít v úvahu, že rychlost proudění větru může být lokálně výrazně vyšší díky tvaru okolního terénu a faktu, že i vlastní obtékání budovy proud vzduchu významně urychlí. Podrobněji se tomuto jevu věnujeme v článku [1].

Součástí zařízení je také zvedací mechanismus, díky kterému lze měřicí sekci se vzorkem testované konstrukce variabilně polohovat dle charakteru zkoušené konstrukce tak, aby konfigurace zkoušky co nejlépe odpovídala reálné situaci (obr. 7).

Aerodynamický tunel umožňuje provádět zkoušky ve třech základních konfiguracích dle způsobu expozice zkoušeného vzorku:

·        namáhání větrem,

·        namáhání větrem hnaného deště,

·        namáhání deštěm

V dalších kapitolách uvedeme příklady zkoušek pro tato nastavení.

Testování konstrukcí na vliv extrémních větrných podmínek

Jak již bylo uvedeno v úvodu a předchozích dílech, existuje poměrně dobré poznání v oblasti odolnosti povlakových hydroizolací vůči cyklickému namáhání větrem. Nedostatečné je však poznání stability a odolnosti nevzduchotěsných konstrukcí, jako jsou například zavěšené fasády či skládaná krytina šikmých střech. Samostatnou oblast představují střechy s volně loženou stabilizační vrstvou, jako je například dlažba na podložkách, kamenivo nebo vegetační střechy, které odolávají větru pouze svou vlastní hmotností.  Současný přístup k návrhu však neodpovídá empirickým zkušenostem, podle nichž se tyto konstrukce v některých případech jeví jako výrazně odolnější proti působení větru. Věříme, že plánované testy nám umožní lépe pochopit, jak proudící vzduch působí na jednotlivé vrstvy a prvky střech a jak tyto spolupůsobí. Dále také definovat riziko transportu stabilizační vrstvy ze své pozice na střeše (obr. 8, 9, 10, 11).

Další skupinu probíhajících zkoušek tvoří testy konstrukčních systémů a výrobků vyvíjených společností DEK a systémů nabízených mj. prostřednictvím katalogu DEK Stavebniny [4].  Příkladem je test odolnosti systému DEKSOLAR INTEGRA určeného k montáži FV panelů na střechy se skládanou krytinou (obr.12, 13).

Testování působení větrem hnaného deště

Toto nastavení zkoušky slouží především k hodnocení hydroizolační spolehlivosti konstrukcí šikmých střech se skládanou střešní krytinou, případně. větraných fasád. Prvním příkladem využití bylo ověření těsnosti systému DEKSOLAR INTEGRA (obr. 14).

Zkoušky zkrápěním deštěm

Toto nastavení zkoušky lze využít opět při hodnocení propustnosti skládaných střešních krytin pro vodu.

V budoucnu jej také plánujeme využít pro testování retenčních vlastností vegetačních střech. Dlouhodobé studium retenčních vlastností střech již probíhá na reálných konstrukcích Experimentální budovy DEK v areálu DERIC (obr. 15). Některé výsledky již byly publikovány v dřívějších číslech časopisu DEKTIME [5], [6]. Výhodou testování v laboratorním simulátoru deště oproti testování in situ bude možnost řízení intenzity deště a získání některých výsledků v kratší době. Cenná bude také možnost ověřit výsledky porovnáním s měřením na reálných konstrukcích.

Závěr

V následujících letech plánujeme testovat celou řadu systémů a aplikací pro střechy a fasády a vytvářet si tak ucelený obraz o reálné odolnosti konstrukcí vůči vlivům větru a srážek. Získaná poznání bezpochyby povedou k vývoji efektivních a ještě spolehlivějších systémů DEK.

Chceme také otevřít dlouho diskutovaná témata týkající se vhodnosti jednotlivých metod zkoušení a návrhu konstrukcí a případně navrhnout metody nové.

Poznatky získané testováním v našich zařízeních budeme pravidelně zveřejňovat prostřednictvím časopisu DEKTIME.

Zařízení popisované v článku bylo vyvíjeno ve spolupráci s firmou

v rámci operačního programu Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost, programu APLIKACE s názvem DEK FUTURE BUILDING   CZ.01.1.02/0.0/0.0/17_176/0015727.

Literatura a podklady

[1]  DEKTIME 05/2024 - Odolnost konstrukcí při extrémních povětrnostních podmínkách – 1. díl - Ing. Antonín Žák, Ph.D.,

[2]  DEKTIME 10/2024 - Odolnosti konstrukcí proti extrémním povětrnostním podmínkám – 2. díl – Vakuová komora - Ing. Robert Kokta, Ing. Antonín Žák, Ph.D.,

[3]  ČSN EN 16002 Hydroizolační pásy a fólie - Stanovení odolnosti proti zatížení větrem mechanicky kotvených pásů a fólií pro hydroizolaci střech. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019.

[4]  Katalog DEK Stavebniny. https://www.dek.cz/pobocka-brno/obsah/technicka-podpora/katalog [online]

[5]  DEKTIME 03/2021 – Vegetační střechy – 1.díl - Ing. Antonín Žák, Ph.D., Ing. Jaroslav Nádvorník, Ing. Tomáš Kloss

[6]  DEKTIME 03/2021 – Vegetační střechy – 1.díl - Ing. Antonín Žák, Ph.D., Ing. Jaroslav Nádvorník, Ing. Tomáš Kloss

[7]  Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Obecná zatížení – Zatížení větrem

[8]  DEKTIME 03/2021 – Vegetační střechy – 1.díl - Ing. Antonín Žák, Ph.D., Ing. Jaroslav Nádvorník, Ing. Tomáš Kloss

[9]  DEKTIME 05/2021 – Vegetační střechy – 2.díl - Ing. Antonín Žák, Ph.D., Ing. Jaroslav Nádvorník, Ing. Tomáš Kloss

[10]  DEKTIME 02/2025 - Odolnost konstrukcí proti extrémním povětrnostním podmínkám – 3. díl – Klimatické víceosé dynamické zkušební zařízení - Ing. Robert Kokta, Ing. Antonín Žák, Ph.D.