Wyobraź sobie, że podczas mroźnego stycznia stoisz na czynnym placu budowy budynku średniej wysokości w Chicago. W kamerze termowizyjnej zewnętrzne ściany budynku wyglądają jak świecąca klatka piersiowa. Co 16 inches biegną pionowo jaskrawoczerwone linie, pokazując dokładnie miejsca ucieczki ciepła. Tak wygląda rzeczywistość mostka termicznego w standardowej lekkiej konstrukcji stalowej, w której stalowe słupki o wysokiej przewodności tworzą dla ciepła drogę na skróty, omijając izolację wypełniającą przestrzeń między elementami.
Przez lata standardowym sposobem ograniczania tych strat energii było pogrubianie obudowy budynku za pomocą ciągłych płyt izolacji zewnętrznej. Jednak wraz z zaostrzaniem lokalnych przepisów energetycznych projektanci konstrukcji i wykonawcy stają przed trudnym wyborem: muszą albo poświęcić cenną powierzchnię użytkową na rzecz grubszych układów ściennych, albo znaleźć sposób na zwiększenie oporu cieplnego samych elementów stalowych.
W tym miejscu pojawia się “słupek termiczny”, innowacyjna klasa elementów lekkiej konstrukcji stalowej z naprzemiennie rozmieszczonymi perforacjami szczelinowymi wyciętymi bezpośrednio w środniku. Fizyczne umieszczenie szczelin powietrznych na drodze uciekającej energii sprawia, że szczelinowe środniki zmuszają ciepło do pokonywania krętej, wydłużonej drogi wokół nacięć.
Badania potwierdziły skuteczność tej geometrii w ograniczaniu mostka termicznego. W przełomowym badaniu z zakresu fizyki budowli Julianna Lipták-Váradi opracowała metodę obliczania “równoważnej przewodności cieplnej” szczelinowych środników (Lipták-Váradi, 2011). Wyniki wykazały, że optymalizacja geometrii szczelin może zmniejszyć przewodzenie ciepła wzdłuż środnika o imponujące 70% do 80% w porównaniu ze słupkami z pełnym środnikiem (Lipták-Váradi, 2011; Sustain-DPL, 2020). W warunkach ustalonych równoważna przewodność cieplna prawidłowo naciętego stalowego środnika może spaść do zaledwie 8.6% naturalnej przewodności pełnej stali (Lipták-Váradi, 2011).
Ponadto badanie opublikowane w 2023 roku w czasopiśmie Energies przez Zhijiana Yanga i zespół ekspertów w dziedzinie obudowy budynku wykazało, że ściana w lekkiej konstrukcji stalowej wykorzystująca słupki z siedmioma rzędami szczelin zmniejsza całkowity współczynnik przenikania ciepła przez ścianę o 38.59% w porównaniu z identyczną ścianą ze słupkami z pełnym środnikiem (Yang et al., 2023).
Aby zobrazować wpływ tych zmiennych, poniższy wykres porównuje oddziaływanie różnych parametrów szczelin w środniku i grubości stali na ogólną charakterystykę cieplną układów ściennych w lekkiej konstrukcji stalowej:
Rysunek 1: Parametryczny wpływ grubości słupka i konfiguracji szczelinowego środnika na przenikalność cieplną ściany w lekkiej konstrukcji stalowej.
Jednak, jak wie każdy inżynier konstruktor, w mechanice konstrukcji nie ma korzyści bez kosztów. Wycięcie sieci szczelin w elemencie nośnym znacznie zmniejsza jego pole przekroju i powoduje wyraźne zagrożenie konstrukcyjne: zwiększoną podatność na deformację przekroju.
“Badania wykazały, że słupek ze szczelinowym środnikiem jest bardzo wrażliwy na postać zniszczenia związaną z deformacją przekroju” — wskazano w kompleksowym raporcie z badań przygotowanym przez NAHB Research Center dla Steel Framing Alliance oraz American Iron and Steel Institute (AISI) (NAHB Research Center, 2002). Eksperymentalne badania krótkich słupów wykazały, że obecność szczelin w środniku może zmniejszyć efektywną powierzchnię nośną standardowego słupka lekkiej konstrukcji stalowej do około 50% jego powierzchni brutto (NAHB Research Center, 2002).
Aby zniwelować różnicę między charakterystyką cieplną a niezawodnością konstrukcyjną, badacze pracowali nad ustaleniem precyzyjnych granic projektowych. W szczegółowym badaniu opublikowanym w Journal of Constructional Steel Research eksperci Natalia Degtyareva i Keerthan Poologanathan przeprowadzili analizę 432 modeli elementów skończonych perforowanych belek lekkiej konstrukcji stalowej ze szczelinami (Degtyareva & Poologanathan, 2021). Ich praca wykazała, że naprzemiennie rozmieszczone otwory w środniku mogą zmniejszyć graniczną nośność elementu na zginanie nawet o 23%, zależnie od konfiguracji szczelin (Degtyareva & Poologanathan, 2021). W celu zapewnienia bezpieczeństwa opracowali i zweryfikowali zmodyfikowane wzory Metody Wytrzymałości Bezpośredniej (DSM), zapewniając inżynierom narzędzia matematyczne potrzebne do przewidywania nośności i projektowania z uwzględnieniem wyboczenia (Degtyareva & Poologanathan, 2021).
Dla wykonawców planujących zastosowanie tych elementów o wysokiej wydajności badacze określili “optymalny punkt” projektowy, który maksymalizuje efektywność cieplną bez naruszania bezpieczeństwa konstrukcyjnego (Yang et al., 2023):
- Grubość słupka: Profile stalowe powinny być cienkie, najlepiej o grubości od 1.0 mm do 1.2 mm, ponieważ zmniejszenie grubości o 0.5 mm ogranicza straty ciepła przez ścianę o 18.63% (Yang et al., 2023).
- Konfiguracja szczelin: Należy stosować od 5 do 7 rzędów szczelin o długości od 70 mm do 80 mm i szerokości od 2 mm do 3 mm (Yang et al., 2023).
- Rozstaw poprzeczny: Prostopadle do szczelin należy zachować niewielki rozstaw poprzeczny od 6 mm do 10 mm, ponieważ szersze ciągłe ścieżki stali wzmacniają mostek termiczny (Yang et al., 2023).
Dzięki zastosowaniu tych projektowanych profili szczelinowych sektor budownictwa komercyjnego może realizować projekty spełniające rygorystyczne przepisy energetyczne, zachowując jednocześnie integralność konstrukcyjną, z której znana jest lekka konstrukcja stalowa.
Bibliografia
NAHB Research Center. (2002). Efektywna, energooszczędna lekka konstrukcja stalowa: właściwości konstrukcyjne stalowych słupków ściennych ze szczelinowym środnikiem. Raport badawczy przygotowany dla American Iron and Steel Institute oraz U.S. Department of Energy.
Lipták-Váradi, J. (2011). Równoważna przewodność cieplna stalowych belek ze szczelinowym środnikiem. Artykuł badawczy dotyczący modelowania cieplnego perforacji środnika.
Degtyareva, N., & Poologanathan, K. (2021). Nowe zasady projektowania z uwzględnieniem deformacji przekroju dla perforowanych belek lekkiej konstrukcji stalowej ze szczelinami. Journal of Constructional Steel Research.
Yang, Z., et al. (2023). Charakterystyka cieplna szczelinowej ściany zespolonej w lekkiej konstrukcji stalowej. Energies.
Sustain-DPL. (2020). Izolacyjność cieplna nienośnych ścian z lekkich stalowych słupków szczelinowych. sustain-dpl.com.
by