מבנה פלדה בבנייה באקלים קרה

הביצוע התרמי של מבנה פלדה: הפחתת גשרים תרמיים

איך מסגרת פלדה מאיצה את אובדן החום בסביבות מתחת לאפס

פלדה מוליכה חום די טוב, עם מוליכות תרמית של יותר מ-45 וואט למטר קלווין, מה שפירושו שהיא מאפשרת לחום לברוח במהירות בתקופות קור. כאשר הטמפרטורות בחוץ יורדות מתחת לנקודת הקיפאון, קרני הפלדה והעמודים שראינו בבניינים פועלים ככבישים ענקיים לחום, מושכים את החום ישירות מהמבנה. ללא בידוד מתאים, תופעה זו אחראית לכ־30% מאובדן החום הכולל מבניינים. כתוצאה מכך, מערכת ההתחממות נאלצת לפעול על-גבי היכולת שלה כדי לפצות על האובדן, מה שמגביר משמעותית את חשבון האנרגיה. מה שמתרחש לאחר מכן הוא גרוע אף יותר לבעלי הבניינים: מקומות הקרים סביב המפרקים הפלדיים נהיו לעיתים קרובות קרים כל כך עד שהם יורדים מתחת לטמפרטורת נקודת ההרטבה, מה שגורם להיווצרות רטיבות על המשטחים. המים מצטברים לאורך זמן, ויוצרים תנאים אידיאליים לצמיחת עופרת. לא רק שזוהי השפעה שלילית באיכות האוויר הפנימי, אלא גם הרטיבות המתמשכת והיבוש החוזר מחלישים את המבנה עצמו באמצעות מחזורי הקפאה והפשרה. צוותי התיקון נאלצים להוציא סכומים גדולים יותר לתיקון הבעיות הללו, בעוד שהתושבים מתלוננים על טמפרטורות לא נוחות ואיכות ירודה של הסביבה הפנימית.

פתרונות הפסקה תרמית והתאמה ל-ASHRAE 90.1 עבור מבנים פלדה באקלים קרה

הצבת מפרידים תרמיים בין חלקים פלדיים מונעת העברת חום דרך них על ידי הוספת חומרים בעלי מוליכות תרמית נמוכה. זה מצמצם את בעיות הגשרים התרמיים ביותר ממחצית. תקנות הבנייה ברחבי המדינה דורשות כיום סוגים אלו של פתרונות, במיוחד באזורים קרים יותר, שבהם יש צורך בהגעה לדרישות מסוימות של מקדם העברה תרמית (U-factor). גישות טובות כוללות עטיפת מסגרות פלדיות במלואן בחום חיצוני, שימוש בפרופילים מבניים שתוכננו במיוחד כדי לחסום נקודות העברת חום, והתקנת קרומים נשימתיים באזורים בהם נוטה להתאסף לחות. מעבר למניעת בעיות קondenציה, שיטות אלו עוזרות לבניינים להיענות לדרישות זכאות לתעודות ידידותיות לסביבה כגון LEED או סטנדרטים של בית פאסיבי. התוצאות הטובות ביותר מושגות כאשר אדריכלים משלבים את המאפיינים הללו כבר בשלב הראשוני של תכנון הבנייה. כך בניינים פלדיים שומרים על חוזקם תוך שהופכים ליעילים הרבה יותר בשימור אנרגיה, גם בתנאי חורף קשים.

עמידות תחת עומס: תכנון מבנה פלדה למשקי שלג ורוח כבדים

התאמות לעומסי שלג באקלימים הצפוניים (אזורים 40–90 psf לפי ASCE 7-16)

בעיצוב מבנים פלדיים לאקלימים צפוניים, חישוב עומסי השלג כראוי לפי תקנות ASCE 7-16 הוא קריטי לחלוטין. דרישות אלו נעות בדרך כלל בין 40 ל-90 פאונד לרגל ריבועית (psf), בהתאם למאפיינים הספציפיים של המיקום. מהנדסים מתמודדים עם אתגר זה על ידי התאמת המרחקים בין המסגרות והחלפת גודלי העמודים כדי להבטיח הפצה נכונה של המשקל לאורך הגגות. באזורים שבהם מתקבץ שלג בכמויות גדולות, כגון במדרון הרים או במיקומים הנפגעים מאפקט השלג של האגמים, נדרשים סגסוגות פלדה חזקות יותר. התוצאות של התעלמות מהנחיות אלו עשויות להיות חמורות ביותר. מבנים שבُנו ללא שימת לב מספקת לעומסים אלו סובלים מסיכון גבוה ב-27 אחוז לבעיות כאשר עומסי השלג עולים על 70 psf — מצב המתרחש לעיתים תכופות רבות באזורי צפון רבים בחודשי החורף.

גאומטריית הגג ואסטרטגיות פרטוט למניעת מות קרח וצבר שלגים

הצורה שבה נבנית הגג משפיעה בכל המרחק על ההתמודדות עם הצטברות שלג. גגות בעלי שיפוע חדים יותר, בשיפוע של כ-6:12 או יותר, נוטים להיפטר מהשלג באופן טבעי, מכיוון שהכבידה מבצעת את רוב העבודה. גם עיצובי גגות פשוטים יותר, עם פחות עמקים ועם פחות מחסומים (dormers), תורמים למניעת הצטברות שלג באזורים בעייתיים. גם פרטים ביצירת הבנייה חשובים. החום צריך לכסות גם מעבר לאזורים החמים של הבניין כדי למנוע דליפת חום דרך הקצוות (eaves), שם מתרחשת חיבוריות תרמית (thermal bridging). שילוב של קורות סגירות (soffits) עם חומרים תחתונים נושמים יוצר מחסום נגד חדירת לחות פנימה, מבלי ליצור מלכודות אדים. קביעת האורך הנכון של החריץ החיצוני (overhang) יכולה להשפיע משמעותית על היווצרות צלחות קרח מתחת לגג, אשר למעשה אחראיות לרוב הכישלונות של המגירות במהלך המחזורים החוזרים של הקפאה והפשרה שאותם אנו רואים בחורף.

עמידות ארוכת טווח של מבנה פלדה: בקרת קורוזיה וניהול לחות

סיכנת קondenציה בקשרי פלדה במהלך מחזורי הקפאה והפשרה

כאשר מתרחשת חיבור תרמי בחיבורים פלדיים, זה מגביר ממש את בעיות הקondenציה במהלך מחזורי הקיפאון וההפשרה שכולנו מכירים, מה שגורם לפגיעות במעטפות ההגנה על המבנים. החיבורים הלא מבודדים הופכים למעשה לנקודות קרות שבהן נוזל האטמוספרה מתעכב ומקפיא. התפשטות בעת המרה של מים לקרח היא משמעותית למדי גם כן, כ-9% לפי מה שקראתי במדריך ASHRAE משנת 2020. כל הקיפאון וההפשרה החוזרים הללו יוצרים סדקים זעירים בשכבות הנוגדות קורוזיה לאורך זמן. הסדקים הקטנים הללו גורמים ישירות לדרוסת הברגים. כמעט מחצית מכל הכשלים המבניים באקלימים קרים נובעים למעשה מבעיות קורוזיה מקומית מסוג זה הקשורות לתקנות בידוד לקויות.

מברanes חדירות אדים ומקום חכם להצבת מחסומים למניעת קondenציה במבנים פלדיים

הצבת ממבראנים חדירים למדורת אדים על הצלע החיצונית של החומר הבודד מונעת את ניקוז הרטיבות בין השכבות, תוך שמירה על חום הבניין. מחקרים שפורסמו ב-Journal של ASHRAE מראים שאם מחסומים אלו מותקנים כראוי במקומות כמו צמתים בין גגות לקירות, סביב יסודות והחלקים האחרים שבהם חום נוטה לברוח באופן טבעי, הם מפחיתים את בעיות הקondenציה ב-40–70 אחוז באקלימים קרים במיוחד. מה שהמשמעות המעשית של זה היא שהאוויר בתוך המרחב הזה נשאר יבש מספיק כדי להימנע מרusting (חלודה) ברוב המקרים, ונותר מתחת למסגרת הקריטית של 35% יחסית לחumidity, גם כאשר הטמפרטורות בחוץ יורדות הרבה מתחת לנקודת הקיפאון – לעיתים קרובות עד מינוס 40 מעלות פרנהייט או נמוך יותר.

שילוב עם היסודות: הגנה מפני קירור קיצוני (פְרוֹסט) והתמידות המבנית של מבנה פלדה

מבנים מפלדה המובילים באזורים קרים דורשים יסודות שמתפצלים לעומק רב מתחת לקו הקיפאון, בדרך כלל בטווח של 36 אינץ' ועד למעלה מ-60 אינץ' מתחת לפני הקרקע. זה עוזר למנוע מהקרקע לדחוף כלפי מעלה את המבנה כאשר האדמה הקפואה מתנפחת. היסוד בצורת האות T מתפקד מצוין עבור משימה זו. בסיסי הבטון העמוקים נמצאים הרבה מתחת לעומק שבו מתרחשת הקפאה, בעוד שהקירות האנכיים מספקים תמיכה מסביב למבנה. לשם שמירה על יציבות, הגיוני להתקין בידוד לאורך שפת היסוד, במרחק אופקי של כארבע רגל (כ-1.2 מטר) או יותר. זה שומר על טמפרטורה אחידה יותר באדמה הסמוכה, ובכך מקטין את עומק החדירה של הקיפאון ומחזיר את הבעיות הנגרמות על ידי מעבר חום בין חומרים שונים. בנקודת המפגש בין פלדה לבטון, ממברנות מיוחדות שמאפשרות מעבר אדים יחד עם שכבת סגירה נגד קורוזיה עוזרות למנוע חדירת מים ולאט את הנזק שנגרם מחזורים חוזרים של הקפאה והפשרה. כל הרכיבים הללו עובדים יחד כדי להבטיח שהבסיס כולו ישאר חזק גם כאשר הטמפרטורות משתנות באופן קיצוני והאדמה זזה מתחת לו.

שאלות נפוצות

מהו גשר תרמי?

גשר תרמי הוא תהליך שבו חום עובר דרך רכיבים מבניים, כגון פלדה, מה שגורם לאובדן חום מוגבר ובעיות עתידיות של קondenציה בבניינים.

למה פלדה מהווה בעיה בסביבות מתחת לנקודת הקיפוא?

הפלדה מוליכה חום ביעילות, מה שמאפשר לחום לברוח מהבניין במהירות בתנאי קור, וכתוצאה מכך עלות חימום מוגברת ובעיות קondenציה פוטנציאליות.

איך אפשר להשתמש בפריצות תרמיות במבנים פלדיים?

פריצות תרמיות כוללות הוספת חומרים בעלי מוליכות חום נמוכה בין חלקים פלדיים, ובכך מפחיתות את הגשר התרמי ומשפרות את יעילות הבודד החום של הבניין.

מהן ממברנות חדירות לקליפת אדים?

ממברנות חדירות לקליפת אדים מאפשרות לרטיבות לברוח תוך שמירה על הבודד החום, ועוזרות למנוע קondenציה וחלודה באקלים קריר.