Co architekt i inżynier budowlany powinni wiedzieć z fizyki budowli?

2008-07-31 18:40

Fizyka budowli

ciepło,
wilgoć,
hałas,
pożar,
światło,
klimat.

Jak widać, zakres fizyki budowli pokrywa znaczną część tematyki wymagań podstawowych, które powinny spełniać budynki zgodnie z Art. 5 ustawy Prawo budowlane. W rzeczywistości w praktyce, poza tematyką bezpieczeństwa konstrukcji i bezpieczeństwa pożarowego (gdzie architekta i inżyniera budowlanego wspiera rzeczoznawca ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych), inne wymagania podstawowe są słabo egzekwowane w projektowaniu.

Wynika to z:

braku Fizyki Budowli w standardach nauczania na kierunku Budownictwo i zbyt małego wymiaru Fizyki Budowli na kierunku Architektura,
w konsekwencji nauczania Fizyki Budowli tylko na części wydziałów Budownictwa i Architektury i przeważnie w niewystarczającym wymiarze,
słabej dostępności dla studentów norm, katalogów i programów komputerowych, m. in. ze względów finansowych,
zbyt małych wymagań stawianych w zakresie znajomości norm związanych z ochroną cieplną budynków i akustyką przy egzaminie na uprawnienia budowlane,
faktycznego braku kontroli projektów, co nie dopinguje projektantów do podnoszenia wiedzy.

W procesie inwestycyjnym obserwacje wykazują, że inwestor indywidualny z reguły nie jest zainteresowany sprawami przyszłej eksploatacji budynku; stara się natomiast kupić najtańszy projekt, aby tylko uzyskać pozwolenie na budowę i nie zwraca uwagi na rozwiązania techniczne grożące np. wysokimi kosztami eksploatacji, lub wady i niedopracowanie projektu. Z kolei deweloper lub spółdzielnia szuka najtańszych rozwiązań technicznych. Odpowiednio do małych potrzeb inwestorów, projekty budowlane z reguły zawierają braki lub błędy w obszarze związanym z ochroną cieplną budynków i ochroną przed hałasem. Połączone błędy w zakresie braku wentylacji i mostków cieplnych w przegrodach dają spektakularne efekty w postaci rozwoju pleśni w nowych, ładnych budynkach.

Mniej spektakularne, ale nie mniej uciążliwe dla użytkowników są błędy w zakresie ochrony przeciwdźwiękowej budynków, dotyczące głównie niewystarczającej izolacyjności akustycznej przegród międzymieszkaniowych i okien budynków przy trasach komunikacyjnych. Autorzy postanowili przedstawić minimum niezbędnego stanu wiedzy z zakresu ochrony cieplno-wilgotnościowej budynków i akustyki budowlanej na potrzeby architektów i inżynierów budownictwa, zwłaszcza zajmujących się projektowaniem i oceną budynków.

2. Podstawy przenoszenia ciepła.
2.1. Formy i pojęcia podstawowe przenoszenia ciepła
2.2. Przenoszenie ciepła przez przewodzenie
2.3. Przenoszenie ciepła przez konwekcję
2.4. Przenoszenie ciepła przez promieniowanie
2.5. Złożone przenoszenie ciepła2.6. Przewodność cieplna materiałów budowlanych (wartości deklarowane i obliczeniowe wg PN-EN ISO 10456, stabelaryzowanie wartości obliczeniowe wg PN-EN 12524, wartości obli-czeniowe dla materiałów murowych wg PN-EN 1745, wartości obliczeniowe wg badań ITB).

3. Przenikanie ciepła w stanie ustalonym przez przegrody budowlane nieprzezroczyste stykające się z powietrzem zewnętrznym wg PN-EN ISO 6946.
3.1. Jednowymiarowe przenikanie ciepła w przegrodach z warstw jednorodnych
3.2. Opór cieplny przegród z warstw jednorodnych i niejednorodnych
3.3. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła (bez uwzględnienia mostków cieplnych)
3.4. Obliczanie rozkładu temperatury w przegrodzie
3.5. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła komponentów z warstwami o zmiennej grubości
3.6. Pojęcie mostków cieplnych w przegrodach, mostki punktowe i liniowe
3.7. Obliczanie skorygowanego współczynnika przenikania ciepła ścian szczelinowych U_c wg PN-EN ISO 6946
3.8. Uwzględnianie wpływu mostków liniowych w stratach ciepła wg PN-EN ISO 14683 i wybranych katalogów mostków cieplnych.
3.9. Straty ciepła przez grunt wg PN-EN ISO 13370 i innych metod obliczeń.
3.10. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie wg PN-EN ISO 13789

4. Podstawowe pojęcia nieustalonego przewodzenia ciepła

5. Zasady modelowania numerycznego przewodzenia ciepła

6. Podstawy przenoszenia ciepła przez przegrody przezroczyste

7. Wymiana powietrza w budynkach (wymagania i metody ich spełniania)

8. Model obliczania sezonowego zapotrzebowania budynków na energię
8.1. Składniki bilansu cieplnego budynków
8.2. Zasada obliczania sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania wg PN-B-02025, PN-EN 832, PN-EN 13790.
8.3. Uproszczony sposób obliczania zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania
9. Stan wilgotnościowy przegród budowlanych
9.1. Formy występowania wilgoci w materiałach budowlanych
9.2. Mechanizmy i modele ruchu wilgoci w materiałach budowlanych
9.3. Wysychanie przegród z wilgoci początkowej wg modelu WUFI
9.4. Zawilgocenie eksploatacyjne przegród wg PN-EN ISO 13788
9.5. Kondensacja powierzchniowa pary wodnej wg PN-EN ISO 13788
9.6. Projektowanie przegród z uwagi na ich stan wilgotnościowy

10. Klimat zewnętrzny w aspekcie ochrony cieplnej budynków (promieniowanie słoneczne, temperatura powietrza, temperatura gruntu pod budynkiem, prędkość wiatru, wilgotność powietrza, zagregowane dane klimatyczne).

11. Wymagania ochrony cieplnej budynków
11.1. Wprowadzenie
11.2. Rozwój wymagań ochrony cieplnej budynków w Polsce
11.3. Cel przyszłościowy - budynki niskoenergetyczne i pasywne

12. Normalizacja właściwości cieplno-wilgotnościowych przegród budowlanych
12.1. Wprowadzenie
12.2. Normalizacja ochrony cieplnej budynków
12.3. Normalizacja wyrobów izolacji cieplnej

13. Zasady projektowania systemów izolacji cieplnej przegród
13.1. Wprowadzenie
13.2. Wyroby do izolacji cieplnej i ich dobór do określonego zastosowania
13.3. Systemy izolacji cieplnej przegród
13.4. Izolacje ścian masywnych
13.5. Izolacje ścian ze szkieletem drewnianym
13.6. Izolacje ścian osłonowych
13.7. Izolacje stropów
13.8. Izolacje dachów stromych
13.9. Izolacje stropodachów odwróconych
13.10. Izolacje gruntu od przemarzania i izolacje krawędziowe

Wykaz literatury i norm

Pogorzelski J. A., Zagadnienia cieplno-wilgotnościowe przegród budowlanych. Rozdział 4 w pracy zbiorowej "Budownictwo ogólne", t. 2, Arkady 2006.
Pogorzelski J. A., Termomodernizacja budynków. Rozdział 5 w pracy zbiorowej "Budownictwo ogólne", t. 2, Arkady 2006.
Praca zbiorowa "Izolacje budowlane", rozdział 6 "Izolacje cieplne", VERLAG DASHÕFER, Warszawa 2003.
Pogorzelski J. A., Fizyka budowli dla architektów (cykl artykułów publikowanych od czerwca 2004 r. do października 2005 r. w "Materiałach budowlanych").
Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych. Część C: Zabezpieczenia i izolacje. Zeszyt 7: Izolacje cieplne. Wydawnictwa ITB 2006.
Pogorzelski J. A., Przewodnik po PN-EN ochrony cieplnej budynków (wydanie II, ITB, 2007).

PN-EN ISO 10456:2004 Materiały i wyroby budowlane. Procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych
PN EN 12524:2002 Właściwości cieplno-wilgotnościowe materiałów. Stabelaryzowane wartości obliczeniowe
PN-EN 1745:2004 Mury i wyroby murowe. Metody określania obliczeniowych wartości cieplnych
PN-EN ISO 6946: 2004 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współ-czynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania
PN-EN ISO 10211-1: 2005 Mostki cieplne w budynkach. Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni. Część 1: Metody ogólne
PN-EN ISO 10211-2: 2002 Mostki cieplne w budynkach. Obliczanie strumieni cieplnych i temperatury powierzchni. Część 2: Liniowe mostki cieplne
PN-EN ISO 14683:2000 Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne.
PN-EN ISO 13370:2001 Właściwości cieplne budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metody obliczania
PN-EN ISO 13789:2001 Właściwości cieplne budynków. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie. Metoda obliczania
PN-EN ISO 13786:2001 Właściwości cieplne komponentów budowlanych. Dynamiczne charakterystyki cieplne. Metody obliczania
PN-B-02025:2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego.
PN-EN 832:2001 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania. Budynki mieszkalne.
PN-EN 13790:2005 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania
PN-EN ISO 13788:2003 Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycz-nej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa

Program KOBRA. PHYSIBEL c. V., Belgia.
Program do obliczeń współczynnika przenikania ciepła U_2006, ITB, 2006.
Audytor 1.1. Program do obliczeń sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego według PN-B-02025. FPE, 1994.
Termo-Danfoss 2.1. Strona internetowa firmy Danfoss Sp. z o. o.
WUFI (Wärme-und Feuchtetransport Instationär), PC-Programm zur Berechnung des gekoppelten Wärme-und Feuchtetransports in Bauteilen, Franhofer Institut für Bauphysik.
Kalkulator termiczno-wilgotnościowy. Strona internetowa firmy URSA.

Minimalny zakres przygotowania architektów i inżynierów budowlanych z zakresu akustyki

1. Podstawowe pojęcia i określenia - dźwięk (powietrzny i materiałowy), hałas, ciśnienie akustyczne, poziom ciśnienia akustycznego, izolacyjność akustyczna (od dźwięków powietrznych i uderzeniowych) pochłanianie dźwięku, odbicie i rozproszenie fali akustycznej, zmniejszenie poziomu dźwięku w funkcji odległości od źródła dźwięku.
2. Ogólna charakterystyka zjawisk akustycznych występujących w budynku i jego otoczeniu

a) Hałas

parametry oceny hałasu uwzględniające zmienność hałasu w funkcji czasu i częstotliwości (w tym pojęcie poziomu dźwięku ważonego krzywą korekcji)
sumowanie poziomów hałasu
rozprzestrzenianie się dźwięku w przestrzeni otwartej (przy uwzględnieniu rodzaju źródła dźwięku - źródło punktowe, liniowe, powierzchniowe), tłumienie dźwięku przez powietrze, tłumienie dźwięku przez podłoże, elementy ekranujące, zieleń
rozprzestrzenianie się dźwięku w pomieszczeniach zamkniętych - dźwięk bezpośredni i odbity, pojęcie czasu pogłosu i chłonności akustycznej pomieszczenia, wpływ chłonności akustycznej na poziom dźwięku w pomieszczeniu

b) Źródła hałasu występujące w budynkach i ich otoczeniu - ogólna charakterystyka, pojęcie mocy akustycznej

c) Izolacyjność akustyczna przegród budowlanych

izolacyjność od dźwięków powietrznych - zależność od częstotliwości, wskaźniki jednoliczbowe, w tym widmowe wskaźniki adaptacyjne
izolacyjność od dźwięków uderzeniowych - zależność od częstotliwości
różnica między izolacyjnością akustyczną przegród budowlanych jako wyrobu a izolacyjnością akustyczną przegród w budynku (wprowadzenie pojęcia pośredniego i bocznego przenoszenia dźwięku)

d) Właściwości dźwiękochłonne wyrobów budowlanych

rodzaje współczynnikowa pochłaniania dźwięku
wskaźniki i klasy pochłaniania dźwięku (w tym wskaźniki kształtu L, M i H)

3. Wymagania akustyczne stawiane budynkom

podstawy prawne wymagań akustycznych i podstawowe normy
dokumenty prawne, zakres wymagań ujęty w tych dokumentach
normy określające wymagania
normy związane z wymaganiami - normy projektowe (obliczeniowe), normy pomiarowe

4. Właściwości akustyczne wyrobów budowlanych traktowanych jako wyrób budowlany)

a) Przegrody ścienne (izolacyjność od dźwiękowa powietrznych)

masywne - pojedyncze, podwójne ( betonowe różnych odmian, ceramiczne silikatowe)
lekkie - szkieletowe (na konstrukcji drewnianej i metalowej stalowej i z kształtowników aluminiowych), warstwowe
dodatkowe ustroje izolacyjne

b) Stropy (izolacyjność od dźwięków powietrznych i uderzeniowych)

- płyty stropowe masywne
- stropy lekkie drewniane
- podłogi izolacyjne - podłogi pływające, lekkie konstrukcje podłogowe, wykładziny podłogowe
- podwieszone sufity izolacyjne

c) Okna (w tym izolacyjność akustyczna szyb)

d) Drzwi progowe i bezprogowe(w tym zależność izolacyjności od sposobu uszczelnienia przymyku dolnego)

e) Właściwości dźwiękochłonne wyrobów budowlanych

- klasyfikacja ze względu na właściwości dźwiękochłonne
- podwieszone sufity dźwiękochłonne
- ustroje naścienne

f) Ustroje przeciwdrganiowe

5. Podstawy projektowania budynkowa mieszkalnych i użyteczności publicznej z uwzględnieniem wymagań akustycznych

a) usytuowanie budynku i pomieszczeń w budynku

b) projektowanie izolacyjności akustycznej między pomieszczeniami ( w tym metody obliczeniowego wyznaczania bocznego i pośredniego przenoszenia dźwięku

- budynki o konstrukcji masywnej
- budynki z przegrodami wewnętrznymi lekkimi, w tym z podwieszonymi sufitami i podniesionymi podłogami

c) projektowanie ochrony budynku przed hałasem zewnętrznym

d) zabezpieczenia akustyczne w instalacjach (podstawowe zasady)

e) podstawy kształtowania warunków akustycznych w wybranych pomieszczeniach w budynkach użyteczności publicznej (w tym pomieszczenia typu "open space"

6. Podstawowe błędy projektowe i wykonawcze mające wpływ na jakość akustyczną budynków

7. Metody pomiarowej kontroli właściwości akustycznych wyrobowi budowlanych

a) właściwości dźwiękoizolacyjne

b) właściwości dźwiękochłonne

8. Metody pomiarowej kontroli właściwości akustycznych budynków

a) Hałas

b) Izolacyjność między pomieszczeniami

c) Izolacyjności akustyczna ścian zewnętrznych

d) Czas pogłosu

e) Drgania (ocena ze względu na odbiór drgań przez ludzi znajdujących się w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej

Wykaz literatury i norm

Barbara Szudrowicz, Akustyka budowlana, Rozdział 8 w pracy zbiorowej "Budownictwo ogólne", t. 2, Arkady 2006.
Instrukcje ITB i normy wymienione w wykazie piśmiennictwa wyżej.

1. Znaczenie ochrony cieplnej budynków z uwagi na warunki użytkowania, koszty eksploatacji, bezpieczeństwo energetyczne kraju i ochronę atmosfery.

Minimalny zakres przygotowania architektów i inżynierów budowlanych z zakresu ochrony cieplno-wilgotnościowej budynków

Według definicji europejskiej Standing Conference of Building Physics Professors (Stałej Konferencji Profesorów Fizyki Budowli) na fizykę budowli składają się następujące obszary tematyczne, nazwane skrótowo:

Prof. Jerzy A. Pogorzelski (PB+ITB), Prof. Barbara Szudrowicz (ITB)