Izvedba in način temeljenja je ena od pomembnih odločitev pri načrtovanju in gradnji objektov. Pri izvedbi temeljev se pojavljajo izrazi, kot so indeks zmrzovanja, cona zmrzovanja in nešteto podobnih. V tem zapisu bom poizkusil povzeti in prikazati zahteve za temeljenje glede zmrzovanja na praktičnem primeru.
Standardizirani pristop k načrtovanju temeljev
Standard, ki pokriva to področje je SIST EN ISO 13793:2002 – Toplotne značilnosti stavb – Dimenzioniranje toplotnih lastnosti temeljev proti dviganju zaradi zmrzovanja (ISO 13793:2001).
Globina zmrzovanja
Globina zmrzovanja je največja globina, do katere prodre zmrzal v prostem terenu. To je teren, ki ni zaščiten s stavbami, pokrit s snegom ali vegetacijo. Globina je odvisna od klimatskih razmer (indeksa zamrzovanja in povprečne letne temperature) ter od toplotnih karakteristik terena.
Formula za izračun globine zmrzovanja je naslednja:
H0 = √ ((7200 × Fd × λf) / ( L + C × θe))
Kjer so količine naslednje:
- Fd – indeks zmrzovanja v K×h
- λf – toplotna prevodnost zmrznjene zemljine v W/mK
- L – latentna toplota zamrzovanja vode v zemljini na volumen zemljine v J/m3
- C – toplotna kapacitivnost nezmrznjene zemljine po volumnu v J/m3K
- θe – povprečna letna temperatura v °C
Homogen teren, sestavljena iz zemljine, ki ni odporna na zmrzal ima naslednje lastnosti:
- λ = 1,5 W/mK … toplotna prevodnost nezmrznjene zemljine
- λf = 2,5 W/mK … toplotna prevodnost zmrznjene zemljine
- C = 3 × 10^6 J/m3K … toplotna kapacitivnost nezmrznjene zemljine
- Cf = 1,9 × 10^3 J/m3K … toplotna kapacitivnost zmrznjene zemljine
- L = 150 10^6 J/m3 … latentna toplota zamrzovanja vode
- ρ = 1350 kg/m3 … gostota suhe zemljine
- w = 450 kg/m3 … vsebnost vode (stopnja nasičenosti 90%)
Temelji objekta morajo biti načrtovani tako, da je globina temeljenja Hf enaka ali večja globini zmrzovanja H0. Ko to velja, so temelji zadostno zaščiteni pred zmrzaljo in ni potrebna vertikalna ali horizontalna izolacija temeljev.
Če je temeljenje izvedeno na sloju materiala, ki ne zadržuje vode in je odporen na zmrzal, se lahko debelino tega sloja vključi v višino Hf. Pri klimatskih razmerah Fd < 2000 K×h to velja za globino temeljenja večjo od 0,45 m.
Če je Hf manjši od H0 so potrebni ukrepi zavarovanja temelja proti zmrzali.
Tla na terenu pri ogrevanih stavbah
Osnovni princip načrtovanja je vertikalna izolacija po obodu temeljev. Toplota iz nekoliko manj dviguje temperaturo po vogalih kot po stranicah temeljne plošče. Zaradi tega so včasih potrebni dodatni ukrepi v vogalih temeljne plošče.
Na voljo so tri možnosti za preprečevanje zmrzovanja:
- z uporabo vertikalne izolacije , brez horizontalne izolacije v zemljini do ustrezne globine
- z uporabo horizontalne izolacije le v vogalih
- z omejeno globino (najmanj 0,4m), s horizontalno izolacijo okoli plošče in po potrebi povečano izolacijo v vogalih
Globina temeljenja zavisi predvsem od indeksa zamrzovanja Fd.
Omejitve in zahteve:
- širina objekta najmanj 4m
- višina končnega tlaka manj kot 0,6 m
- toplotna prehodnost temeljne plošče ne sme biti večja od 0,25 W/m2K
- horizontalna temeljna izolacija mora biti zaščitena pred zunanjimi vplivi, to pomeni, da mora biti od nivoja terena do izolacije najmanj 30 cm, če je pokrita s tlakom pa zadostuje 20 cm
Temeljenje z uporabo vertikalne izolacije:
- Globina pod stenami najmanj Hf
- V vogalih v dolžini Lc globina Hfc
Indeks zmrzovanja
Prvi korak v izračuna zahtev glede globine temeljenja je izračun indeksa zmrzovanja (oz. indeksa mraza). Izhodišče za indeks zmrzovanja so konkretne povprečne dnevne temperature za eno zimo.
F = 24 × ∑ ( θf – θd,j)
- F – indeks zmrzovanja v K×h
- θf – temperatura zmrzovanja = 0 °C
- θd,j – povprečna dnevna temperatura za dan “j” v °C
Vsota povprečnih dnevnih temperatur se izvede za najbolj neugodno obdobje zmrzovanja posameznega leta.
Cilj je določitev statističnega indeksa zmrzovanja Fn, to je indeks zmrzovanja s povratno dobo vsakih n- let. Za določitev povratne dobe indeksa zamrzovanja je potrebno določiti letni indeks zamrzovanja za obdobje vsaj 20 let (m). Z uporabo povprečne vrednosti in statistike se po tem določi povratna doba z Gumbelovo distribucijo.
Izračun povprečnega indeksa F in standardne deviacije:
Fpovp = ∑Fi / m
- Fi – indeks zmrzovanja za leto i
- m – število let;
- i = 1, 2, … , m
sF = √ ( (∑(Fo – Fpovp)^2) / (m – 1))
Indeks s povratno dobo se določi na podlagi enačbe
Fn = Fpovp + sF/sy × (yn – ypovp), kjer je y spremenjlivka v Gumbelovi distribuciji;
Povratna doba 50 let:
ypovp_50 = 0,55
sy_50 = 1,16
yn = 3,90
Povratna doba 100 let:
ypovp_100 = 0,56
sy_100 = 1,21
yn = 4,60
Praktičen primer – Brnik
S praktičnim primerom se prikaže temeljenje v območju meteorološke postaje Brnik.
F100 = 5800 K×h
θe = 9,5 °C
H0 = √((7200 × 5800 × 2,5) / ((150 + 3 × 9,5) × 10^6)) = 0,76 m
Minimalna globina temeljenja (vključno s tamponom) znaša cca 80 cm.
Po točki 8.7.1 za indeks zmrzovanja Fd<30.000 K×h so podane vrednosti Hf=0,35m, Hfc=0,35m
Toplotna izolacija mora torej segati najmanj 35 cm v globino.