Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Podtlakový systém odvodnění střech

13.2.2012

doc. Ing. Jana Peráčková, PhD., Ing. Lenka Jágerská (Laščeková), Katedra TZB SvF STU v Bratislave

Recenzovaný

Ploché strechy sú na prívalové dažde citlivejšie, preto treba dbať na správny návrh a umiestnenie strešných vtokov. Oba typy striech – šikmé aj ploché – možno odvodniť gravitačným alebo podtlakovým systémom odvodnenia. Vzhľadom na to, že návrh podtlakového systému je veľmi náročný, a to aj technicky, dávajú ho projektanti bežne v praxi zhotoviť priamo dodávateľským firmám. Nevýhodou takéhoto výpočtu potom je, že firma ho poskytuje len na svoj dodávaný podtlakový systém.

S pribúdajúcimi teplotnými výkyvmi a klimatickými zmenami sa čoraz častejšie menia množstvo a intenzita zrážok. Pribúdajú prívalové dažde, ktoré svojím veľkým objemom vody zaťažujú strešné konštrukcie, a tým pôsobia na celú statiku stavby. Aby sa stavebná konštrukcia neporušila, je veľmi dôležité odviesť dopadnuté množstvo zrážkovej vody bezpečne z plochy strechy.

Spôsob odvodnenia strechy závisí najmä od jej konštrukcie. Pri šikmých strechách sa využíva vonkajšie odvodnenie, ktoré je z hľadiska technického riešenia najjednoduchšie. Zároveň v prípade jeho zahltenia môže voda pretekať cez okraj žľabu, čo síce nie je žiaduce, ale statiku budovy to nijakým spôsobom neovplyvní. Ploché strechy sú na prívalové dažde citlivejšie, preto treba dbať na správny návrh a umiestnenie strešných vtokov. Oba typy striech – šikmé aj ploché – možno odvodniť gravitačným alebo podtlakovým systémom odvodnenia. Vzhľadom na to, že návrh podtlakového systému je veľmi náročný, a to aj technicky, dávajú ho projektanti bežne v praxi zhotoviť priamo dodávateľským firmám. Nevýhodou takéhoto výpočtu potom je, že firma ho poskytuje len na svoj dodávaný podtlakový systém. Preto sa budeme ďalej zaoberať všeobecným postupom návrhu podtlakového systému odvodnenia striech, ktorý vychádza z pravidiel uvedených v nemeckom technickom predpise VDI 3806 (Dachentwässerung mit Druckströmung).

Gravitačný verzus a podtlakový systém odvodnenia

Obr. 1 Porovnanie gravitačného a podtlakového systému

Rozdiel medzi gravitačným a podtlakovým systémom znázorňuje obr. 1. Pri návrhu podtlakového systému treba akceptovať niekoľko zásadných odlišností, pričom platia charakteristiky uvedené ďalej.

Obr. 2 Podtlakový strešný vtok umiestnený v žľabe [7]

Obr. 3 Príklad podtlakového systému plochej strechy [6]

Menší počet strešných vtokov

Pri podtlakovom systéme stačí menší počet strešných vtokov. Pri gravitačnom systéme ich treba pri rovnako veľkej strešnej ploche viac. Gravitačné strešné vtoky majú menší objemový prietok, čo je spôsobené prítomnosťou vzduchu v gravitačnom potrubí, kde tvorí voda 70 % prierezu potrubia a zvyšok vypĺňa vzduch. Pri podtlakovom systéme sa strešné vtoky navrhujú tak, aby zabraňovali vstupu vzduchu do potrubia, preto je potrubie úplne zaplnené vodou (obr. 2). Zároveň treba na rovnaké množstvo zrážok menšie dimenzie potrubia.

Úspora materiálu

Pri gravitačnom systéme sa vyžaduje od každého strešného vtoku samostatné odpadové potrubie. Pri podtlakovom systéme postačuje jedno zberné potrubie, ktoré odvádza zrážkovú vodu do jedného odpadového potrubia. Tým sa dosahuje úspora materiálu.

Jednoduchšie riešenie dispozície

Potrubie podtlakového systému sa vedie bez sklonu, takže ho možno umiestniť pod stropom haly aj na dlhé vzdialenosti (obr. 3). Zjednodušuje sa tak riešenie dispozície.

Zásady návrhu

Vzhľadom na to, že podtlakový systém funguje na princípe úplného zaplnenia prierezu potrubia zrážkovou vodou, počíta sa pri ňom s vyššou výdatnosťou zrážok než pri gravitačnom systéme. Úplné zaplnenie prierezu sa dosiahne použitím špeciálnych strešných vtokov, určených práve na podtlakové odvodnenie, a správnym hydraulickým nadimenzovaním systému. Podtlak v zaplnenom priereze vzniká pôsobením gravitačnej sily na objem vody v odpadovom potrubí, čím vytvára tlakový rozdiel medzi strešným vtokom a miestom prechodu do gravitačnej kanalizácie. Po vzniku počiatočného podtlaku sa pri vhodných okrajových podmienkach ďalej sám udržiava v potrubí.

Pri návrhu by sa mali dodržať tieto zásady [3]:

Všetky žľaby umiestnené na streche musia mať aspoň jeden odtok,
v prípade použitia vnútorných strešných vtokov sa mali vždy navrhovať aj bezpečnostné priepady,
v súvislosti s bezpečnostnými priepadmi musí odvodňovací systém odviesť predpokladaný objem zrážok storočného dažďa trvajúceho viac ako 5 minút, zaznamenaného v lokalite umiestnenia stavby,
ak je použitie bezpečnostných priepadov nevyhnutné, ale tvar strechy vylučuje ich použitie na fasáde budovy, táto funkcia sa musí zabezpečiť prídavným odvodňovacím systémom,
veľké strešné plochy (nad 5 000 m²) sa musia odvodniť najmenej dvomi nezávislými podtlakovými vetvami,
podtlakový systém by mal ústiť do gravitačnej kanalizácie – napríklad do šachty na potrubí gravitačnej kanalizácie alebo do šachty z odvodnenia priľahlých plôch,
v mieste prechodu podtlakovej kanalizácie do gravitačnej sa musí veľká kinetická energia z podtlaku zmenšiť znížením prietokovej rýchlosti na v < 2,5 m/s,
mala by sa akceptovať ekonomická stránka – podtlakový systém sa stáva ekonomickým najmä s narastajúcim rozdielom výšky ∆h_disp (obr. 4), alebo ak horizontálna časť najdlhšej vetvy nepresahuje dĺžku desaťnásobku ∆h_disp, vo výnimočných prípadoch dvadsaťnásobku,∆h_disp; v prípadoch menej priaznivej výšky alebo dĺžky sa podtlakový systém väčšinou stáva ekonomicky nevýhodným,
pri kombinácií striech s rozdielnym časom (koeficientom) odtoku – napríklad pri intenzívnych či extenzívnych zelených strechách alebo obrátených a jednoduchých plochých strechách – je vhodné navrhnúť samostatne oddelené podtlakové vetvy,
strechy s veľmi rozdielnymi plochami, prípadne na veľmi rozličných úrovniach by sa nemali odvodniť jedným zvislým potrubím,
strešné vtoky zelených striech treba chrániť kontrolnou násadou alebo obklopiť pásom štrku so šírkou najmenej 50 cm a zároveň chrániť mrežou na zachytávanie lístia.

Spôsob výpočtu

Na správny návrh podtlakového systému je rozhodujúci výpočtový objemový prietok zrážkovej vody zo strechy z povrchového odtoku Q_r [l/s], ktorý sa privádza do kanalizácie pri výdatnosti dažďa r [l/(s ‧ m²)]. Množstvo zrážok, ktoré sa odvedie zo strechy, závisí od tvaru a povrchových vlastností povrchu, na ktorý zrážky dopadajú, a od odtokových pomerov smerom k vtoku [3]. Výpočtový prietok zrážkovej vody sa vypočíta ako

Q_r = r ‧ C ‧ A(1)[l/s]

Obr. 4 Účinná plocha A odvodňovanej strechy (A = B ‧ L [m²], kde L je dĺžka strešného žľabu a B je pôdorysný priemet strechy od žľabu po hrebeň) [1]

kde

r: – výpočtová výdatnosť dažďa, podľa [4] je to 0,030 l/(s ‧ m²)
C: – súčiniteľ odtoku zrážkovej vody podľa [5] (tab. 1)
A: – účinná plocha, na ktorú dopadajú zrážky (pôdorysný rozmer podľa obr. 4) [m²]

Tab. 1 Súčiniteľ odtoku zrážkovej vody [5]
Druh odkanalizovanej plochy	Súčiniteľ odtoku `C` [–]
strechy, balkóny, terasy ^a)	1,0
strechy s priepustnou hornou vrstvou hrubšou ako 100 mm	0,5
^a) pri strechách s plochou nad 10 000 m² možno uvažovať hodnotu súčiniteľa odtoku `C` = 0,8

Ak je známy výpočtový objemový prietok zrážkovej vody Q_r z povrchového odtoku strechy, potrebný počet strešných vtokov sa navrhne podľa vzťahu

n_v = Q_r V_v (2)[ks]

kde

n_v: – minimálny počet strešných vtokov zaokrúhlený na celé číslo, pričom osová vzdialenosť medzi strešnými vtokmi nesmie presiahnuť 20 metrov [3]
Q_r: – výpočtový objemový prietok zrážkovej vody podľa vzťahu (1) [l/s]
V_v: – predpokladaná kapacita jedného strešného vtoku daná výrobcom [l/s]

Základom hydraulického výpočtu podtlakového kanalizačného systému je Bernoulliho rovnica stáleho toku nestlačiteľnej kvapaliny s konštantnou hustotou. Stály tok kvapaliny sa v podtlakovej kanalizácii dosiahne len vtedy, ak je systém úplne zaplnený, bez prítomnosti vzduchu [3].

Po určení počtu strešných vtokov a ich rozmiestnení na plochu strechy sa navrhne odtoková trasa s napojením všetkých strešných vtokov, ktorou bude zrážková voda odtekať. Na základe schémy odtokovej trasy sa určí dispozičný tlak v potrubí podľa vzťahu

Δp_disp = Δh_disp ‧ ρ ‧ g(3)[Pa]

kde

Δh_disp: – výškový rozdiel (dispozičná výška) medzi strešnou rovinou a čiastočne zaplneným potrubím (miestom prechodu do gravitačnej kanalizácie) (obr. 5) [m]
ρ: – hustota vody pri teplote 10 °C (1 000 kg/m³)
g: – gravitačné zrýchlenie 9,81 m/s²
Δp_disp: – dispozičný tlak v potrubí [Pa]

Obr. 5 Definovanie výšok v podtlakovom systéme

Rozdiel výšok medzi strešným vtokom a miestom prechodu do gravitačnej kanalizácie sa označuje ako dispozičná výška Δh_disp. Maximálny dovolený výškový rozdiel Δh_max sa uvažuje len vtedy, ak je prechod do gravitačnej kanalizácie umiestnený až pod hladinou spätného vzdutia [3] (obr. 5).

Výpočet tlakových strát sa začína najnepriaznivejšou (najdlhšou) vetvou, s ktorou sa musia všetky ostatné vetvy porovnať. Odchýlka medzi úsekmi nasledujúcimi za sebou pozdĺž odtokovej trasy nesmie prekročiť hodnotu 10 kPa (100 mbar). Na návrh najnepriaznivejšej vetvy treba stanoviť predbežné tlakové straty na 1 m potrubia R_pr ako

R_pr = Δp_disp 1,2 ‧ l_tras (4)[Pa/m]

kde

Δp_disp: – dispozičný tlak v potrubí [Pa]
l_tras: – celková dĺžka odtokovej trasy potrubia [m]
1,2: – koeficient zahŕňajúci straty miestnymi odpormi (20 % z dĺžkových tlakových strát l ‧ R)

Podľa výpočtového objemového prietoku Q_r vypočítaného podľa vzťahu (1) a predbežných tlakových strát sa navrhnú dimenzie jednotlivých častí vetvy pomocou návrhového diagramu pre vybraný druh materiálu [3].

Výpočet skutočných tlakových strát podľa navrhnutých dimenzií sa vypočíta podľa vzťahu

Δp = ∑(l ‧ R + Z)(5)[Pa]

kde

Δp: – skutočná tlaková strata potrubia vypočítaná podľa vzťahu (5) [Pa]
l: – dĺžka úseku potrubia [m]
R: – dĺžková tlaková strata potrubia spôsobená trením, určená podľa druhu materiálu potrubia podľa návrhového diagramu alebo tabuliek dodaných výrobcom [Pa/m]
Z: – tlaková strata vplyvom miestnych odporov vypočítaná podľa vzťahu (6) [Pa/m]

Z = ∑ζ ‧ v² ‧ ρ 2 (6)[Pa/m]

Tab. 2 Súčiniteľ miestnej straty `ζ` pre vybrané miestne odpory [3]
Miestny odpor – tvarovka	`ζ` [–]
koleno 15°	0,1
koleno 30°	0,3
koleno 45°	0,4
koleno 70°	0,6
koleno 90°	0,8
redukcia	0,3
Y-tvarovka	0,6
prechod do gravitačnej kanalizácie	1,8

kde

ζ: – odporový súčiniteľ podľa tab. 2
v: – skutočná prierezová rýchlosť prúdenia v potrubí určená pomocou návrhového diagramu alebo tabuliek dodaných výrobcom [m/s]
ρ: – hustota vody pri teplote 10 °C (1 000 kg/m³)

Zmenšenie priemeru potrubia v smere toku je z hydraulického hľadiska dovolené, ale spravidla len pri zvislých potrubiach. Zväčšenie priemeru zvislého potrubia vedie k prerušeniu podtlaku v potrubí, a preto sa treba takémuto riešeniu vyhnúť. Pri návrhu dimenzie podtlakového potrubia je najmenší dovolený priemer DN 40 (minimálny vnútorný priemer 32 mm). Aby sa zabezpečil samočistiaci efekt v potrubí, uvažuje sa minimálna rýchlosť prúdenia vody v potrubí v = 0,7 m/s [3]. Podtlak v potrubí nesmie byť väčší ako tlak vodných pár, pričom sa počíta p_{vodných pár} = −90 kPa. Ak je vypočítaná hodnota podtlaku väčšia ako −90 kPa, nastáva riziko prerušenia toku vznikom kavitácie (tvorenie vzduchových bublín), takže nemožno dosiahnuť požadovanú účinnosť podtlakového systému. Predpokladaný vnútorný tlak, resp. podtlak sa vypočíta pre každý úsek podľa vzťahu

p_i = Δh_i ‧ ρ ‧ g − v_i² ‧ ρ 2 − ∑(l ‧ R + Z)_...i (7)[Pa]

Pri výslednom návrhu sa musí zohľadniť rozsah prevádzkových tlakov potrubia podľa podkladov výrobcu potrubia [3].

Návrh bezpečnostných priepadov

Pri odvodnení plochých striech vnútornými strešnými vtokmi sa musia vždy navrhovať aj bezpečnostné priepady [3]. Odvodnenie strechy spolu s bezpečnostnými priepadmi musí zabezpečiť bezpečné odvedenie najmenej 5minútového dažďa, ktorý sa predpokladá raz za 100 rokov v lokalite umiestnenia stavby.

Objemový prietok bezpečnostným priepadom V_p sa navrhuje na rozdiel medzi množstvom zrážok 100ročného dažďa a výpočtovou výdatnosťou dažďa [3] ako

V_p = (r_5(0,01) − r ‧ C) (8)[l/s]

kde

r_5(0,01): – výdatnosť 5minútového dažďa, ktorý sa predpokladá raz za 100 rokov [l/(s ‧ m²)]
r: – výpočtová výdatnosť dažďa, podľa [4] je to 0,030 l/(s ‧ m²)
C: – súčiniteľ odtoku podľa tab. 1
A: – plocha strechy, na ktorú dopadajú zrážky, uvažuje sa pôdorysný rozmer podľa obr. 1 [m²]

Obr. 6 Bezpečnostný priepad cez atiku strechy

Spodná hrana bezpečnostného priepadu Δh_v (obr. 6) musí ležať minimálne 50 mm nad rovinou hornej hrany strešného vtoku, pretože na správnu funkciu podtlakového systému je potrebný dostatočný vodný stĺpec. Bezpečnostný priepad treba tvarovo navrhnúť tak, aby výška vodnej hladiny aj v prípade prívalových dažďov alebo v prípade poruchy zo statického hľadiska neprekročila dovolenú výšku nad strešným vtokom Δh_max (obr. 6). Ak sa musí bezpečnostný priepad z konštrukčného hľadiska umiestniť vyššie, je nevyhnutné vystužiť strešnú konštrukciu v oblastiach jej prestupu alebo vytvoriť dodatočný odvodňovací systém, ktorý nahradí funkciu bezpečnostných priepadov [3].

Vzťah medzi pretekajúcim objemovým prietokom V_p a výškou bezpečnostného priepadu Δh_p vyjadruje vzorec

(9)[m]

kde

b: – šírka bezpečnostného priepadu [m]
g: – gravitačné zrýchlenie [m/s²]
Δh_p: – výška bezpečnostného priepadu (obr. 6) [m]
μ: – faktor zmenšenia [–]

Faktor zmenšenia závisí od viacerých vplyvov, napríklad od pomeru výšky a šírky Δh_p /b otvoru. Na súčasné použitie sa ako adekvátny faktor zmenšenia môže uvažovať hodnota μ = 0,6 [3].

Záver

Návrh podtlakového systému odvodnenia striech je založený na princípe hydrauliky prúdenia tekutín. Ak sa dodržia všetky základné pravidlá a správne nastavia okrajové podmienky, je predpoklad, že navrhnutý systém bude fungovať. Keďže je podtlakový systém ideálny na veľké strešné plochy, ručný spôsob výpočtu je pre projektantov veľmi náročný a zdĺhavý a nevylučuje možné riziko vzniku chýb. Preto sa u nás väčšina projektantov obracia s návrhom podtlakového systému na firmy, ktoré vhodným návrhom zabezpečia aj správnu inštaláciu a zároveň poskytnú záruku na nimi dodaný systém. Naším cieľom bolo objasniť základný princíp návrhu podtlakového odvodnenia a upozorniť na návrh priepadov pri podtlakových systémoch, ktoré by mal každý projektant prepočítať.

Príspevok vznikol v rámci projektu VEGA č.1/0511/11.

Obrázky: Akatherm, archív autoriek

Literatúra

[1] Chaloupka K., Svoboda Z.: Ploché střechy. Praha: Grada Publishing, 2009.
[2] Valášek J.: Úpravy pre bezpečné odvodnenie striech. In: TZB HAUSTECHNIK, číslo 3, 2008.
[3] VDI 3806 Dachentwässerung mit Druckströmung, 2000.
[4] STN EN 12056-3: 2002 Gravitačné kanalizačné systémy vnútri budov. Časť 3: Odvodnenie striech. Navrhovanie a výpočet.
[5] STN 73 6760 Kanalizácia v budovách. 2009.
[6] Firemné podklady Akatherm Sison: Vákuový systém odvodnění střech.
[7] http://www.fullflow.com/

Reklama
Wavin QiuckStream: Inteligentní řešení pro budovy a instalace

Wavin QuickStream (PE - svařovaná, nebo PVC - lepená varianta) představuje ucelený systém určený k podtlakovému odvodnění střech (střešní vtoky, potrubí a tvarovky, kotvící systém).

English Synopsis

Vacuum drainage system

Design of roof drainage vacuum system is based on the principle of hydraulic fluid flow. If you comply with all the basic rules, and set boundary conditions, it is expected that the proposed system will work. Given that the design of vacuum system is very difficult, even technically, designers often use direct supplier systems.