STAVÍME DůM

Dějiny stavitelství

- předpoklad každé stavby – STAVIVO- hlavní zdroje v přírodě – dřevo, kámen, hlína (pálená, nepálená), materiály

organického původu (např. sláma) - s otázkou staviva souvisí i jeho doprava (čím nižší je vývojový stupeň, tím více se používá místních materiálů)

- každý materiál se musí vhodně opracovat - pevnost, trvanlivost → konstrukce souvisí s vlastnostmi materiálu, dalším faktorem je účel stavby

Stavební sloh je souhrnem složitých materiálních, technických,účelových a formálníchčinitelů, které vyrůstají z celkového charakteru určité společnosti nebo její dané vývojovéfáze. Sloh má 3 fáze:1) Raná – vede se zápas s hmotou a konstrukcí2) Vrcholná – soulad technické a výtvarné stránky3) Pozdní – zaměření na formální otázky

- prolínání různých kultur (vracení se)- součást životního stylu, odraz dobové ideologie

PRAVĚK

- prvotní obydlí se stavěla za účelem ochrany před zvěří, úkryt při nepříznivém počasí

- Paleolit (1 mil. – 250 tis. let př.n.l.) až doba bronzová Prvotní úkryt člověka – jeskyně (dané přírodou), ale ty nebyly všude - museli si stavět samijiná obydlí – zemní jámy, vyhloubené v rovinatém terénu (území dnešní Ukrajiny). Jámy majípůdorys neurčitých obrysů., byly kryté; stavivo - místní zdroje – např. dřevoChýše- střecha posazená přímo na zemi, (malé kameny, větve, listy, rákosí) - měli pravidelnýtvarDům- střecha na podezdívce či na zdiExistuje několik druhů chýší - rozdíl v půdorysech→vnitřní prostorNejjednodušší stavby - vznikly kupením hmotObecně se označuje jako megalitické stavby – např. (Stonehenge), dolmen - základ soustavypodpor a břemene (plochý kámen na 2-4 kamenných podporách)- hrobky; vznik - západníEvropa konec 3.tis. a pol. 2 tis. př.n.l.Pravěká sídliště – nepravidelná - volný shluk chýší či domů

STAROVĚK

Mezopotámie (4 tis. př.n.l. až 539 př.n.l.)

- materiály: hlína, palmové dřevo, přírodní asfalt, kámen a kov- první forma vepřovic (sušené cihly), cihly glazovaným povrchem- poč. kleneb, oblouků

Egypt (5 tis. př.n.l. až 30 př.n.l.)

- materiál: hlína, palmové dřevo, rákos, kámen, cihelné zdivo- pyramidy – hrobky faraónů; z kamenných bloků dopravovaných po Nilu, po souši

využití saní; u stavění využívali páky, postupné zasypávání stavby

Staré Řecko (3000 př.n.l až 1200 př.n.l)

- materiál: zdivo z pálených i nepálených cihel vyztužené dřevěnými kleštinami, kámen,dřevo, malty, železo, olovo,

- rozmanité typy staveb – např. chrámy, domy, divadla → znalost statiky

Starověký Řím (1000 př.n.l. až 4801 n.l)

- materiály: dřevo, kámen, sušené cihly, pálené cihly, lité zdivo (směs malty, kamenů,cihelných úlomků – „beton“)

- stavby: od chrámů, přes obytné domy, lázně, divadla, inženýrské stavby (mosty,silnice,…)

STŘEDOVĚK(poč. 7 st. př.n.l. až 15.stol.n.l.)

- materiál: kámen, cihly (pálené i sušené), dřevo- vývoj stavební techniky – kupole, klenby, oblouky, opěrné sloupy,hrady, přístavy

NOVOVĚK (konec 15.stol.n.l. až po současnost)

- materiály: klasické dosud používané; od 18. stol. použití litého železa, počátky používáníkombinace železa a skla; přelom 19. a 20. století použití betonu a železobetonu; současnost –kombinace stávajících, nanotechnologie, plasty

Moderní stavitelství

Čtyři základní obory ve stavitelství:

A) pozemní (občanské výstavby, bytová, administrativní,..)B) průmyslové C) inženýrské (dopravní,železniční)D) vodní Dělení:Stavební materiály – beton, cihelné tvárnice, cemento-třískové desky, plastové desky, dřevo akeramikaIzolační materiály: – izolace proti vlhkosti:asfaltové pásy, plastické hmoty,

- tepelná izolace: polystyren, sklovláknité desky, kamenná vlna, vakuová

izolace- jiné izolace: protihluková, protiotřesová, protiprachová

Podle původu: A) přírodní (kámen,dřevo,hlína,atd.) B) umělé (cihla,cement,beton,atd.)Podle jiného hlediska na anorganické(kámen,cihla,ocel,apod.) a organické (dřevo,plast,atd.)

Základní fyzikální, chemické a jiné vlastnosti stavebních materiálů

a) vnější vzhled a přesnost výrobních rozměrůb) strukturac) hmotnostd) objemová hmotnoste) vlhkostf) nasákavostg) navlhavosth) vzlínavost

ch) mrazuvzdornosti) odolnost proti vysokým teplotámj) tepelná vodivostk) tepelná akumulacel) akustická vodivost

Fyzikální vlastnosti

1.Vlastnosti tvarové a rozměrové

Zahrnují popis tvaru a související geometrické veličiny (např. délka, šířka)

2. Vlastnosti hmotnostní:

Vyjadřují tíhové a setrvační vlastnosti látek, které zaujímají určitý objem prostředí.

Základní fyzikální veličiny:

a) hmotnost m – vyjadřuje gravitační setrvačné vlastnosti látky a tvoří míru jejího množství,jednotka [kg]

b) hustota ρ – definována jako: Vm /=ρ , jednotka [kg.m-3]

c) objemová hmotnost vρ – průměrná hustota látky rozložená v ohraničeném prostoru,definuje se: ( ) VmmmVm pkhV // ++==ρ , kde hm je vlastní hmotnost látky, km jehmotnost kapalin a pm je hmotnost plynů

d) sypná hmotnost sρ - objemová hmotnost sypké látky

e) hutnost H stavebniny – vyjadřuje poměr objemu vyplněného jen pevnou látkou hVk objemu celkového množství látky (včetně pórů a mezer) V, je definována:

ρρ // vh VVH == [1]f) pórovitost p stavebniny – je doplněk hutnosti do 100%, definována:

( )ρρρ vHp

−=−= 1001100% [%]

g) mezerovitost M sypké stavebniny – poměr objemu mezer mezi zrny hV k objemu V, který

stavebnina zaujímá; definuje se : ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −==

vVVM sv

h ρρρ

100/100 [%]

3. Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům

→ vliv na změnu tvaru (bobtnání, sesychání, atd.), pevnosti, tepelných vlastností, odolnostiproti korozi, atd.a) vlhkost w ,vyjadřuje množství volné nebo fyzikálně vázané vody v pórovité nebo mezero-

vité stavební látce; rozlišuje se: hmotnostní vlhkost ( ) sswskm mmmmmw /100/100 −== [%] objemová vlhkost ( ) ( )VmmVVw kswkv ρ//100 −== [%]b) nasákavost n – je schopnost materiálu pojmout co nejvíce kapaliny, je to vlastně největší

možná vlhkost materiálu, opět se rozlišuje: nasákavost hmotnostní nm a objemová nv c) navlhavost (opakem ve vysýchavost) je dána chováním materiálů ve vzdušném prostředí

při působení atmosférické vlhkosti; ovlivňuje zejména hmotnost, tepelnou vodivost,pevnost, mrazuvzdornost a odolnost proti chem. látkám

d) vzlínavost – projevuje se u některých látek při jejich částečném ponoření do kapaliny,způsobují to kapilární a absorpční síly

e) difúze – je schopnost pronikání molekul plynů, par a kapalin mezi molekuly jiné látky; je charakterizována tzv. součinitelem difúze, který je závislý na teplotě a vlhkosti, jednotka je [m2s-1]f) propustnost – je charakterizována součinitelem propustnosti; používá se v mechanice

zemin a vodním stavitelství; v praxi se uvádí jako množství kapaliny, která prošla vrstvouzkoušené látky za časovou jednotku při daném přetlaku (např. vodopropustnost střešníkrytiny)

Mechanické vlastnosti

1. Síla, tření, napětí

a) síla F - maF = [ ]2−kgms

b) tíha G - mgG = ; používá se i měrná tíha (vyvozená hustotou látky) a objemová tíha

c) zatížení F – účinek všech vnějších sil působících na stavební prvek či konstrukci; rozeznává se stálé G, nahodilé V, sněhem S, větrem W

d) mechanické napětí σ - AFΔΔ

=σ [ ]2−Nm

- vyjadřuje stav napjatosti materiálu v každém elementu prvku; rozlišuje se: 1) normálové napětí σ 2) smykové τ 3) smluvní – vyjadřuje výpočet hodnoty napjatosti tělesa v jeho určitém místě za zjednodušujících předpokladů předepsaných v technických normách

2. Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálu

- souvisí se vznikem napětí v materiálu, působením vnějších sil, vlivem teplotních a jinýchobjemových změn- skutečné změny rozměrů tělesa se vyjadřují vzhledem k původnímu tvaru pomocí tzv.poměrných deformací: 1) poměrné prodloužení ε – ve směru namáhání tahem (tlakem):

00

0

LL

LLL Δ

=−

=ε 0L …původní délka

L… délka po deformaci

2) poměrné posunutí (zkos) γ – vyjadřuje tangentu úhlu, o nějž se v důsledku příčného působení smykového napětí změní původní pravý úhel sousedících řezů elementu tělesa

3) poměrné zkroucení (zkrut) δ – vyjadřuje úhel pootočení dvou příčných řezů tělesa dělený jejich vzdáleností

- pro navrhování stavebních prvků a konstrukcí a stanovení jejich deformací se provádíexperimentálním měření – pracovní a deformační diagramy.

3. Pevnost stavebních hmot

- hodnota pevnosti je obvykle dána smluvním mezním napětím těsně před jejich porušením- základní druhy pevností:

a) pevnost v tahu 0A

FR t

t = , kde Ft…tahová síla; A0…počáteční průřez [ ]Pa

b) pevnost v tlaku 0A

FR c

c = , kde Fc…tlaková síla; A0…počáteční průřez [ ]Pa

c) pevnost v příčném tahu (pevnost ve štípání)dhF

R cttr π

2= pro válec; 2

2aF

R cttr π=

d) pevnost v ohybu – napětí ve vlákně ve vzdálenosti a od neutrální osy (roviny) nosníku je dáno vzorcem: IaM tff /=σ [ ]MPa

- největší napětí nastává v krajním vlákně průřezu nosníku: WM ff /=σ [ ]MPa Mf…ohybový moment k danému průřezu nosníku [ ]Nm I… moment setrvačnosti průřezu, vyjádřený kvadratickým momen- tem plochy průřezu v [ ]4m W…průřezový modul odporu v [ ]3m a…vzdálenost vlákna od neutrální osy v [ ]m

e) pevnost ve smyku 0/ AFR ss = [ ]MPa f) pevnost v kroucení tortortor WMR /= , [ ]Pa kde Mtor…výsledný moment dvojice sil Wtor…průřezový modul v kroucení (ve statických tabulkách) g) jiné – např. houževnatost, křehkost, soudržnost, odolnost proti otluku

4. Tvrdost materiálu- odpor proti tvárné deformaci materiálu; existuje mnoho metod řešení tvrdosti materiálu- např. vrypován metoda (stupnice tvrdosti)

5. Tepelné vlastnosti

- vyjadřují chování materiálů, které jsou vystaveny účinkům tepla nebomrazu

- tepelná vodivost materiálu závisí např. na jeho složení, struktuře,pórovitosti, vlhkosti i teplotě; popisuje se součinitelem tepelné vodivostiλ [ ]mKW /

- dále se uvádí tepelná kapacita c- teplotní vodivost ( součinitel teplotní vodivosti) a – rychlost vyrovnání

teplot v tělese při neustálém vedení tepla: vc

aρλ

= [ ]sm /2

- tepelná jímavost b – schopnost látky přijímat a uvolňovat teplo: vcb ρλ= [ ]242 −− KsmW

- teplotní délková roztažnost α - TLLΔΔ

=0

α [ ]1−K

Tepelně technické vlastnosti

1. odolnost proti teplu ve [°C] – teplota látky, při níž dojde ke změně mechanickýchvlastností2. žáruvzdornost – odolnost vůči teplotám nad 1000°C3. hořlavost – uvádí se teplota vzplanutí nebo vznícení; důležité pro posouzení požárníodolnosti stavby4. mrazuvzdornost – koeficient mrazuvzdornosti M po n zmrazovacích cyklech:

f

fnn R

RM =

fR …průměrná pevnost zkušebních vysušených těles [ ]MPa

fnR …průměrná pevnost po n zmrazovacích cyklech [ ]MPa

Ostatní vybrané vlastnosti stavebnin

1. Akustické vlastnosti

- při navrhování akustiky je nutné znát rychlost šíření zvukuv jednotlivých prostředích, akustickou impedanci, útlum, vzduchovouneprůraznost, pohltivost povrchů, přenos a tlumení chvění, otřesů irázů,…

- rychlost šíření zvuku v materiálech závisí na modulu pružnosti v tlaku

nebo tahu o objemové hmotnosti látky: v

Evρ

=

- rychlost zvuku v: vzduch….344 ms-1

voda……1484 ms-1

ocel…….6000 ms-1

beton…...3500-4600 ms-1

hliník…...6300 ms-1

ve směru vláken dřeva…..3600-4100 ms-1

2. Optické, světelně technické (lom, odraz světla, průhlednost , průsvitnost, atd)

3. Elektrické a magnetické (např. rezistivita, konduktivita, permitivita a útlum elm vln)

4. Chemické vlastnosti (koroze – působení organismů a jiných organických či anorganickýchlátek)

Stavební materiály

Kámen

=určitý druh opracované nebo neopracované horninyPoužívá se kusový kámen na stavební kámen nebo dekorační, ve formě písku, drti

Základní technické vlastnosti:Jeho užití závisí na jeho složení,struktuře,vlhkosti a jeho zvětrání

1)pevnost kamene- v tlaku souvisí s jeho objemovou hmotností úměrně- dosahuje až 500 MPa, sama pevnost pro tvrdost není rozhodující

2)tepelně izolační schopnost- roste s pórovitostí úměrně, s pórovitostí souvisí nasákavost- vysoká snižuje mrazuvzdornost, u hutných hornin jenasákavost menší než 0,5%

3)proti ohni- závisí na množství křemene nepřímo úměrně, vysoký obsah křemene- nad 550°C není stálý, bez křemene 900°C značné objemové změny u většiny hornin, nejstálejší s příměsí čediče

4) pružnost-rozmanitá-nejvíce se používají čedič, žula, pískovec a vápenec poloviční

5) měrná hmotnost – od 1900-2800 kg/m3

(-)Kámen má velice špatnou izolační (tepelnou,vlhkost), vysoká hmotnost(+)Pevnost,odolnost při vysokých teplotách, zvuk.izolační

Cihlářské výrobky

=umělá kusová staviva s pórovitým střepem zhotovená tvářením, sušením a pálenímvhodných zemin, zejm.hlín a jílů při teplotě 900-1100 °C

Příklady užití:cihly, tvárnice, tvarovky (stropní dílce, trubky, obklady, krytina, atd.), zdravotníkeramika (klozety, umývadla, atd.), porcelán, kamenina (potrubí); žáruvzdorné výrobky(šamotky) – vydrží až 1580 °C, dinasové – 1710 °C , magnezitové, dolomitové, chromitové –do 2000°C, uhlíkové – do 2500°C

Vlastnosti:

1)pevnost- záleží na druhu konstrukce(nosné prvky a nenosné prvky) - plné cihly jsou v různých pevnostních třídách (od 4 – 25 MPa- pevnost v tlaku, př.ozn. P7)

- tvárnice (od 7,5-15 MPa) - ostatní (pevnost se neuvádí), udává se např. únosnost (kN/m2 )

2) tepelně izolační – plné cihly na rozdíl od tvárnic mají výrazně menší tepelný odpor např. pro tloušťku zdiva 450 mm - tvárnice R = až(max) 5,06 m2K/W × cihla R = 0,58 m2K/W - (tloušťce zdiva z tvárnic 450 mm se vyrovná cihlová 2700 mm) - ovlivňuje i použití speciálních malt

3) mrazuvzdornost – vliv množství pórů v materiálu, čím víc pórů tím větší odolnost

4) nasákavost – vliv pórů, čím víc pórů, tím vyšší nasákavost → potřeba izolace

5) ohnivzdornost - vysoká odolnost (protože jsou pálené), obecně nehořlavé

6) akustika – záleží na druhu cihel, výroba spec.akustických; vzduchová neprůzvučnost od 38 do 62 dB; vliv tloušťky zdi, materiál

7) měrná hmotnost – 1600-2000 kg/m3

(+) velká variabilita stavby, malá hmotnost prvků, dobrá tepelně izolační schopnost, (-) křehkost

Betonové konstrukce= směs kameniva (drobné od 0-4 mm, hrubé od 4-125 mm), pojiva(cement), vody, příměsi(úprava vlastností)

Dělení:

a) podle funkce – nosné a nenosné

b) podle konstrukčního využití – konstrukční (sloupy, základy, stěny, atd.) - silniční - hydrotechnický (vodní stavby)

c) podle objemové hmotnosti – lehké (od 800-2000kg/m3) - obyčejné (od 2000-2600 kg/m3) - těžké (nad 2600)Typy betonu:

- běžný beton- železobeton- speciální betony(silniční, vodotěsný)

Vlastnosti:

a) pevnost v tlaku – od 10 do 115 MPa

b) pevnost v tahu – od 1,0 do 8 MPa; vliv druhu a množství cementu a kameniva modul pružnosti 15000 až 40000 MPa (křehký)

c) tepelně izolační vlastnosti – vliv kameniva a provzdušňujících látek; pro dosažení vyšších izolačních vlastností – pórovité kamenivo

- běžný beton – neuvádí se hodnota – pouze na nosné konstrukce, které se příp. dodatečně zateplují- tepelně izolační beton – (YTONG) při tloušťce 375 mm R = 3,32 m2K/W

d) ohnivzdornost – ve srovnání s ostatními materiály poměrně vyšší, 1000°C (železobeton)- až 2300° C (barytový beton)

e) nasákavost – vliv druhu, běžný je nasákavý, speciální vodotěsný(druh cementu)

f) akustika – špatné izolační vlastnosti (roste s vyšší objemovou hmotností → lehký beton dobrý izolant

(+) dobrá únosnost, variabilita a tvárnost (použití bednění), trvanlivost, ohnivzdornost,hospodárnost( rychlost stavby, recyklace), vodotěsnost(-) velká hmotnost, křehkost

Dřevo

Použití: Na nosné konstrukce(mosty, krovy,stropy,schodiště) Dekorační účely (zábradlí, obložení)

Vlastnosti:

a) pevnost – závisí na směru vláken ( ve směru vláken ( v tahu až 145 Mpa, v tlaku 40- 75 MPa)je vyšší než v kolmém směru( v tlaku 5 – 10 krát menší); v tahu je 2,5 krát větší než tlaku,

b) pružnost – ve směru až 50-krát větší než v kolmém, klesá s vlhkostí

c) vlhkost – nejdůležitější vlastnost; čerstvé obsahuje 40-80% vody, vysušené 15-20%(to sepoužívá), negativně ovlivňuje kvalitu dřeva

d) trvanlivost – záleží na druhu(tvrdé, měkké), je-li stále pod vodou či stále na suchu- většítrvanlivost(konzervace)

e) měrná hmotnost – vlhké – od 850-1550 kg/m3 - suché – 500-1200 kg/m3f) ohnivzdornost – hořlavé (vliv nátěrů – delší doba odolávání), bod zápalnosti je teplota 300- 470°C

g) tepelná izolace – dobrý tepelný izolant(lepší než beton, horší než tvárnice)

h) akustika – odráží zvuk, výroba hudebních nástrojů,využití v koncertních síních; intenzita průchodu zvuku tloušťky materiálu 50 mm je 27 db

(+) malá hmotnost, dobrá tepelná izolace, pevnost(-) šíření vibrací, hořlavost

Ocel

Použití: na nosné konstrukce(most, schodiště, sloupy, do betonu jako výztuž), dekorační(zábradlí)

Druhy:

a) uhlíkové (slitiny Fe a C, a např. Mn,Si,P)b) slitinové (legované-kvalitnější, Ni, Cr, V)

Vlastnosti:

a) pevnost v tahu : nejvyšší; od 150 do 450 MPa b) mez kluzu : 210 Mpa (přetržení) c) pevnost v tlaku : u houževnatých ocelí nelze zjistit - pokládá se jako pevnost v tahu

d) kujnost e) měrná hmotnost 7850 kg/m3

f) tepelně izolační : dobrý vodič, nepoužitelný jako izolantg) trvanlivost : koroze, vhodné ochranné nátěryh) akustika : dobrý vodiči) ohnivzdornost : nárůstem teploty ztrácí pevnost

(+) vysoká pevnost, pružnost; odolnost(-) hmotnost, koroze

Sklo =látka vyznačující se amorfním a homogenním stavem, tuhostí v přibližných teplotách apropustností světla

Základní suroviny: SiO2 křemičitý písek, alkálie (soda, potaš K2CO3), snižující teploty tavenípísku, čířidla, barvivaTeplota tavení přibližně 1500°C.

Druhy stavebního skla:- klasické ploché- zrcadlové (Float) vyrábí se plavením skla po hladině roztaveného kovu,

oba povrchy jsou zároveň leštěny ohněm- stavební mozaika (lisování skleněné moučky)- klasické bezpečnostní- tzv.Connex – 2 vrstvy plochého a mezi nimi

vložka z organické plastické hmoty, vícevrstvé- neprůstřelné sklo- bezpečnostní tvrzené- tzv.Restex – sklo s tlakovým předpětím na

povrchu (pomocí prudkého zahřátí, a prudkého zchlazení)- vzorované sklo(např. do dveří)- ploché sklo válcované- opakní- (např. na obklad)- izolační dvojskla- Ditherm – složeny ze dvou a více tabulí oddělených

distančním rámem a mezi skli je směs plynu (netečné plyny)- skleněné tvarovky- Luxfery- duté tvárnice ze skla- skleněné tašky (menší pevnost než klasické)- skleněné vlákno(polotovar pro řadu výrobků-např.skelná vata)- pěnové sklo - ztuhlá skleněná pěna s uzavřenými póry, tedy lehká

izolační hmota

Vlastnosti: a) pevnost v tlaku – až 1200 MPa

b) pevnost v tahu – 30 až 90 MPa

c) v ohybu – 40 až 190 MPa

d) modul pružnosti – 50 – 90 GPa

e) křehké

(+) pevnost, průsvitnost, odolnost vůči chem. látkám a vysokým teplotám(-) křehkost

Plasty= polymery, pryskyřice, makro nebo vysoko molekulární látky organického původu, které lzeformovat pod tlakem nebo teplem do libovolných tvarů;

Rozdělují se na reaktoplasty (termoset a duroplast- zpravidla netavitelné a nerozpustné, lze jetvarovat pouze jednou) a termoplasty (jsou hmoty teplem tvárné)

Vlastnosti:

a) pevnost v tahu a tlaku je zhruba stejná od 0,5 MPa až do 250 MPab) tažnost – od 1 až do 100%c) objemová hmotnost – 17 až 2300 kg/m3

d) modul pružnosti – od 3 do 16000 MPae) tepelná odolnost – velice rozmanitá – od 100 až do 250°C (hoření)f) akustické vlastnosti – malá rychlost šíření vln → velmi dobrý izolantg) tepelně izolační – závisí na složení, tepelná vodivost poměrně nízká, většina dobrý

izolanth) většina vodě odolnái) chemické vlastnosti – vysoká odolnost proti korozi; odolávají působení vody, alkálií,

kyselin (některé předčí svou odolností i drahé kovy (např. teflon odolává působenílučavky královské, v níž se většina kovů rozpouští))

Rozdělení:a) z přírodních makromolekulárních látek – tj. celulóza; pryskyřice; želatina; albumin;

kasein (je v mléku) – nátěrové hmoty, klíh; kaučukb) termoplasty – polyethylen (PET) – např. fólie, trubky; polypropylen (PP) – např. tkané

textilie, podlahoviny; polystyren (PS) – izolace tepelná; PVC; polyamidy (PA)c) termosety – laminát, epoxid (EP), polyuretan (PU) – např. u oken; silikond) syntetický kaučuk e) plasty jako přísady do malt a betonů

(+) odolnost vůči chem. látkám, tvárnost, ohebnost ,tažnost, pevnost, izolační schopnosti(-) hořlavost, špatně ekologicky odbouratelné

Izolační materiály a výrobky

Jejich účelem je chránit stavební dílo a zařízení před nepříznivými účinky vody a vlhkosti,mají zabraňovat ztrátám tepla a pronikání chladu a odstraňovat rušivé účinky hluku a otřesu.

Rozdělení:

a) proti vodě a vlhkostib) tepelně izolační hmotyc) proti hluku a otřesůmd) proti chem. vlivůme) průmyslové izolační hmotyf) speciální izolační hmoty

Proti vodě a vlhkosti

Živičné izolace, které se dělí na:a) živičné nátěry – penetrační nátěr (např. pod asfaltový pás);b) živičný izolační pás – (např. ipa)c) asfalt

Izolace z plastu a pryži:- fólie – např. PVC, PE

Tepelné izolace

Jsou vláknité hmoty:a) minerální vlnab) skelná vlna

c) čedičová vlnaTvarované hmoty:

a) výrobky z křemelinyb) výrobky z korkuc) výrobky lehčené (lehký beton, pěnové sklo, lehčené plasty)d) výrobky z organických vlákene) výrobky z asfaltovaného papíru

Sypké:a) křemelinab) expandovaný perlitc) korek

Dělení z hlediska mezní teploty:a) mrazírenské- od -3°C do -60°Cb) chladírenské – od +5°C do -3 °Cc) stavební – od -25°C do +35°Cd) topenářské – do 200°Ce) teplárenské – od 200°C do 900°Cf) žárotechnické – nad 900°C

Proti hlukům a otřesům:

Zvuková pohltivost = vyjadřuje poměr intenzity zvuku pohlceného k intenzitě zvukudopadajícíhoPrůzvučnost překážky = je hodnota zvukové energie, která projde překážkou na druhou stranuZvuková neprůzvučnost = schopnost materiálu pohlcovat zvuk

Používají se stejné výrobky jako tepelných izolací (výrobky z vláken minerálních, skleněnýcha čedičových, výrobky z lehčených plastů). Dále se používají ocelové děrované desky,korkové desky.

Izolační hmoty pro speciální účely:

Izolace proti účinkům záření (např. těžké a barytové betony, desky z olova)Izolace proti chem. vlivům (např. kyselinovzdorné obklady, fólie a desky z plastů nebokaučuků, olověné plechy, sklolamináty)Izolace proti požární (výrobky z nehořlavých anorganických hmot například ze sádry, z mine-rálních vláken)

Literatura:

• Stavební materiály; M. Dědek; Ministerstvo výstavby a stavebnictví ČSR,Praha 1989

• Stavební materiály; J. Adámek, B. Novotný, J. Koukal; VUT Brno; Cerm,s.r.o. Brno

• Statické a konstrukční tabulky; P. Červenka; SPŠ stavební Josefa Horára• Dějiny stavitelství; J. Bukovský; Cerm, s.r.o. Brno; VUT Brno

1. Látky poznávat a rozlišovat

Pomůcky: vzorky materiálů

Postup: Vzorky látek položíme vedle sebe na stůl. Pomocí prstů zkoumáme vlastnosti povrchu. Popohmatání a pozorování rozdělíme vzorky na dvě skupiny – kovy a nekovy. V těchtoskupinách testujeme barvu vzorků, pevnost, rozdíly v hmotnosti zdánlivě stejných vzorků.

Otázky: 1. Jaké rozdíly existují v povrchu jednotlivých látek? (Povrchy jsou hladké, drsné, tvrdé,

měkké)2. Které vzorky patří mezi kovy? (měď Cu, železo Fe, nikl Ni, hliník Al)3. Které vzorky látek patří mezi nekovy? (grafit, látka, umělá hmota, lepenka, guma,

sklo, dřevo, keramika, pěnová guma)4. Které rozdíly najdeme mezi sklem, keramikou, umělou hmotou? (Sklo je průhledné,

keramika a plast je neprůhledný, plast je ohebný, keramika a sklo nikoli. Plast a

keramika mají hladký povrch, keramika hladkou a drsnou stranu. Sklo a hladká stranakeramiky jsou na dotek studené.)

5. Které materiály jsou těžké a které lehké? (Guma, dřevo, nikl, železo, měď, sklo akeramika jsou těžké (hmotnost přes 5 g). Látka, lepenka, plast, pěnovka, hliník, grafitjsou lehké (hmotnost pod 5 g).)

6. Které materiály jsou na dotek teplé a které studené? (Látka, lepenka, plast, pěnovka,guma, dřevo, rub keramiky jsou na dotek teplé. Grafit, hliník, nikl, železo, sklo, hladkástrana keramiky jsou na dotek studené.)

2. Tvrdost a tvárnost materiálů

Pomůcky: sada vzorků, jehla

Postup: Vzorky položíme vedle sebe na stůl. Lehce vedeme zkušební jehlu přes povrch jednotlivýchvzorků. Pozorujeme, jestli jehla zanechává stopu a jak tyto stopy vypadají.Potom uchopímevzorky jednou rukou pevně na konci. Lehkým tlakem zkoumáme, jestli se prohnou a zda majíelastické vlastnosti.

Otázky:1. Které materiály mají velmi tvrdý povrch? (Hladká strana keramiky, sklo, železo, nikl,

měď, hliník a plast mají tvrdý povrch.)2. Které materiály mají tvrdý povrch, ale jehla na nich zanechá stopu. (Železo, nikl,

hliník, plast mají tvrdý povrch, ale lze do nich udělat škrábanec.)3. Které materiály jsou měkčí? (Látka, pěnovka, guma, dřevo, lepenka, grafit.)4. Které materiály se po prohnutí vrátí zpět do původní polohy? (Plast, guma, pěnovka.)5. Které materiály se po prohnutí nevracejí do původní polohy? (Látka, lepenka, železo,

nikl, měď, hliník.)

3. Hustota látek

Pomůcky: sada kovových válečků, kolejnice, stativ, svorky, siloměr, odměrný válec, kovovátyč, nit, voda

Postup: Sestavíme stojan. Siloměr zavěsíme na upevněnou tyč. Válečky zavěšujeme pomocí nitě,kterou protáhneme otvorem. Délka závěsu je asi 10 cm. Váleček z olova (Pb) nepoužíváme.Stanovíme hmotnost ostatních válečků a zapíšeme. Hmotnost stanovíme pomocí měřenítíhové síly, 1 N = 1 g.

Materiál Tíhová síla (N) Hmotnost (g)HliníkŽelezoMěďMosazZinek

V dalším kroku zavěsíme váleček a pod něj postavíme odměrný válec do poloviny naplněnývodou. Výšku hladiny ve válci odměříme a zapíšeme. Nyní závěs povolíme a posuneme tak,aby se váleček zcela ponořil do vody. Pozorujeme změnu výšky vodní hladiny v odměrnémválci. Vypočteme rozdíl výšek obou hladin. Na základě vytlačeného objemu vody určímeobjem válečku 1 ml = 1 cm3. Pokus provedeme postupně se všemi válečky.

Materiál Hladina 1(ml) Hladina 2 (ml) Rozdíl (ml) Objem (cm3)HliníkŽelezoMěď

MosazZinek

Určíme pro každý váleček vztah mezi hmotností a objemem

Materiál Hmotnost (g) Objem (cm3) Vztah hmotnost:objem (g/cm3)HliníkŽelezoMěďMosazZinek

Otázky: 1. Které rozdíly mezi jednotlivými válečky vidíme po jejich zavěšení na siloměr?

(Siloměr ukazuje různé tíhové síly.)2. Vytlačují různé válečky rozdílné množství vody? (Ne, všechny válečky vytlačují

stejné množství kapaliny.)3. V čem se jednotlivé válečky chovají odlišně? V čem se chovají stejně? (Vyvolávají

rozdílné silové působení, ale vytlačují stejné množství kapaliny. Odtud lze odvodit, žemají různou hmotnost, ale stejný objem.)

4. Jak označujeme vztah mezi hmotností a objemem? (hustota)5. Jak lze zjistit, zda má těleso o stejném objemu větší hustotu než jiné těleso? (Má-li

těleso při stejném objemu větší hmotnost a tím i větší tíhovou sílu, potom má takévětší hustotu než druhé těleso.)

6. Proč označujeme hustotu jako výjimečnou vlastnost tělesa (látková konstanta)?(Hustota závisí na: jakou hmotnost mají částice, ze kterých se skládá těleso, koliktěchto částic se nachází v určitém objemu. Obojí závisí na látce, ze které je těleso.Proto lze na základě hustoty určit také látku, ze které je těleso vytvořeno.)

4. Nadlehčování látek v kapalinách

Pomůcky: sada válečků, stojan, svorky, siloměr, odměrný válec, kovová tyč, nit, voda

Postup: Připravíme stojan, na tyč zavěsíme siloměr. Nastavíme na něm 0. potom na něj zavěsímeváleček ze železa. Odečteme a zapíšeme výchylku na siloměru. Odměrný válec naplníme dopoloviny vodou, potom do něj zcela ponoříme váleček. Potom zapíšeme novou výchylkusiloměru.

Otázky.1. Která fyzikální veličina je určena pomocí protažení pružiny siloměru? (Protažení

pružiny ukazuje tíhovou sílu tělesa.)2. Má ponoření válečku do vody vliv na výchylku siloměru? (Ano, protažení pružiny se

zmenší.)3. Mění se skutečně tíhová síla tělesa? (NE, skutečná hmotnost tělesa se nemění.)4. Čím je ovlivněna pozorovaná změna? (Ponořením tělesa se vytlačí část kapaliny. Tím

vzniká síla orientovaná směrem vzhůru, která působí proti tíhové síle.)5. Jak označuje příčinu této změny? (vztlak)6. Na čem závisí zdánlivá změna tíhové síly? (Závisí na velikosti vztlaku. Vztlak je tím

větší, čím více kapaliny je tělesem vytlačeno.)

5. Teplotní vodivost pevných látek

Pomůcky: kahan, hliníková trubice, skleněná trubice, podložka

Postup:Zapálíme kahan. Obě trubice uchopíme do rukou a druhý konec držíme nad kahanem. Dbámena to, aby otvor trubice nebyl přímo v plameni a druhý otvor (v ruce) zůstal volný. Sledujeme,zda se tyče prohřejí až k rukám a jestli existují mezi nimi rozdíly. Pociťujeme-li příliš velkéteplo, tyče oddálíme od plamene.

Otázky:1. Lze cítit po několika minutách teplo u obou tyčí? (Ano, po několika minutách je cítit

na obou koncích teplo.)2. Jsou patrné rozdíly v teplotě u tyčí? (Ano.)3. Který materiál přenáší teplo lépe? (Hliník přenáší teplo lépe než sklo.)4. Jak označujeme přenos tepla v pevných látkách? (Vedení tepla.)5. Jaké praktické využití má znalost tepelné vodivosti různých látek? (Je-li známa

tepelná vodivost látky lze rozhodnou, zda je vhodná pro přenášení teplo nebo prozamezení vedení tepla.)

6. K čemu se používají látky, které dobře vedou teplo? (K převedení co nejvíce teplaz jednoho místa na druhé – sporák, pánev.)

7. K čemu používáme látky, které mají malou tepelnou vodivost? (K tomu, aby vedlymálo tepla z jednoho místa na jiné, např. od pánve k jejímu držáku.)

6. Tepelná vodivost kapalin

Pomůcky: kahan, zkumavka, podložka, voda

Postup:Kahan zapálíme. Zkumavku naplníme do ¾ vodou. Uchopíme ji na spodním konci, hornídržíme nad plamenem. Otvor zkumavky míří od osoby pryč. Lze pozorovat, že zkumavkudržíme v ruce, i když horní vrstva vody dosáhla bodu varu.

Otázky:1. Lze ohřátí vody v horní části zkumavky cítit i ve spodní části? (Ne.)2. Které závěry o teplotní vodivosti vody lze učinit na základě tohoto pokusu? (Voda má

jen malou tepelnou vodivost.)3. Jaké praktické využití mají poznatky o tepelné vodivosti kapalin? (Je-li známa

vodivost kapalin, lze rozhodnou, zda lze látku použít pro vedení tepla nebo proizolaci.)

7. Odolnost látek vůči teplotě, zapálení látek

Pomůcky: sada materiálů, stojan, odpařovací miska, kahan, kroužek, podložka

Postup:Do stojanu uchytíme kroužek na který postavíme misku. Dno misky se nachází asi 10 cm nadplamenem kahanu. Na misku klademe postupně vzorky materiálů a pozorujeme jejich chovánípo zapálení kahanu. Jednotlivý experiment ukončíme po 5 minutách.

Otázky:1. Jaký vliv má zahřátí materiálů na jejich stav? (U některých materiálů nemá zahřátí

vliv.Jiné materiály tají, mění barvu, zuhelnatí, zapálí se.)2. Které materiály jsou teplotně odolné? (kancelářské sponky, déle vydrží dřevo,

motouz)3. Které materiály jsou hořlavé? (látka, papír, lepenka)4. Jaké praktické využití mají znalosti o teplotní odolnosti látek? (Lze rozhodnou, zda

látku můžeme použít v prostředí o vysoké teplotě.)5. Jaké praktické využití mají znalosti o hořlavosti látek? (Lze rozhodnou, zda lze využít

snadné zápalnosti látek, či jaká je nutné ochrana proti zapálení.)

8. Magnetické chování látek

Pomůcky: sada materiálu, tyčový magnet

Postup:Vzorky rozmístíme na stole. Tyčový magnet svým zeleným koncem přibližujeme shorak jednotlivým vzorkům potom magnet otočíme a postup opakujeme.

Otázky:1. Jak se chovají látky vzhledem k magnetu? (Pásek ze železa je přitahován magnetem,

všechny ostatní látky nereagují.)2. Existuje rozdíl v chování vůči červenému nebo zelenému pólu? (Ne, železný pásek je

červeným pólem magnetu přitahován stejně jako zeleným.)3. Jak označujeme látky, na které působí magnet silou? (magnetické látky, správněji

feromagnetické)

9. Rozpustnost látek

Pomůcky: sůl, cukr, nádoba, PVC tyčinka, lžička, voda

Postup:Nádobu naplníme studenou vodou. Do vody nasypeme buď cukr nebo sůl. Pozorujemechování krystalků cukru či soli. Přidáním další lžičky soli či cukru sledujeme, kolik cukru čisoli se vodě rozpustí. Pokus zopakujeme se stejným množstvím teplé vody. Zjišťujeme, zde serozpustí více lžiček soli či cukru než ve studené vodě. Pozorujeme, co se děje po ochlazeníteplé vody.

Otázky:1. Jak se chovají krystalky cukru (soli) po nasypání do vody a po zamíchání? (Hodně se

jich rozpustí hned po nasypání, po zamíchání se rozpouštějí i ty, které dopadly na dnonádoby.)

2. Jak označujeme vzniklou kapalinu? (roztok)3. Může teplá voda pojmout více cukru či soli? (Ano.)4. Proč pojme teplá voda více cukru či soli? (Při vyšší teplotě drží částice, které tvoří

krystaly, méně pevně pohromadě.)5. Jak se projevuje ochlazování teplé vody s velkým obsahem cukru či soli? (Roztok

ztrácí svou tekutost a přechází do sirupovitého stavu.)6. Co rozumíme pojmem nasycený roztok, nenasycený roztok, přesycený roztok? (Při

nasyceném roztoku nemůže kapalina přijímat další látku, další přidaná látka se jižnerozpustí. Nenasycený roztok – kapaliny může přijmout další látku, která se rozpustí.Přesycený roztok obsahuje více rozpuštěné látky, než může normálně pojmout. Tohotostavu lze dosáhnout, když byl při vysoké teplotě vytvořen nasycený roztok, který bylnásledně ochlazen.)

Aplikace fyziky při studiu transportu vlhka stavebních materiálů

Změny klimatu vedou častěji k různým živelným katastrofám, a tak řada obyvatel naší zeměmusela v nedávné době čelit nebývalým záplavám. Bylo zničeno mnoho obytných domů alidé řešili problém, z čeho stavět. Tepelně izolační vlastnosti materiálů byly studoványv předchozím odstavci, nyní nám fyzika může pomoci hledat odpovědi například na tytootázky:

• Jak rychle nasávají různé stavebniny vodu• Jaká omítka ochrání stavbu před vlivy dešťové vody• Jak vysoko může voda vzlínat ve zdi

• Proč mnoho promáčených domů má trhliny a hrozí zřícením až téměř rok po povodni• Čím je způsoben katastrofální stav silnic po letošní zimě…

Jedním ze základních problémů fyziky stavebních materiálů je transport vlhka. Tato otázkamá řadu aspektů v návaznosti na zdraví obyvatel (teplé a vlhké prostředí podmiňuje množenímikroorganismů), tepelné izolace (tepelná vodivost roste se vzrůstající vlhkostí – většíenergetická náročnost při vytápění), využití místností (vnitřní klima), stálost staveb.

Voda ve stavebních materiálech se může vyskytovat ve skupenství pevném (led), kapalném iplynném (vodní páry). Přitom je třeba si uvědomit, že 1 litr vody (asi 1 kg) po vypařenízaujme objem 52 m3 (vyplní místnost o rozměrech 4 m x 5 m x 2,6 m). Molekuly vody jsousilně polární, vykazují velké povrchové napětí, velkou tepelnou kapacitu. Průměr molekul jepřitom malý, asi 0,28 mm. Stavební materiály obsahují vlhkost z mnoha zdrojů:- vlastní vlhkost získaná během výroby- vlhkost ze vzduchu- vlhkost získaná během deště- vlhkost z půdy- vlhkost z vnitřních místností (vlhkost obydlí, vodní páry v důsledku přítomnosti a činnosti

lidí)

Každý materiál může pojmout jen určité množství vlhkosti – hovoříme o nasycenosti vodníparou (tzv. parciální tlak ps), která závisí na teplotě. Závislost tlaku ps na teplotě je vyjádřena

Magnusovou křivkou, kterou lze matematicky zapsat ve tvaru n

s bap ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Θ

+=100

.

(5) Přitom platí: pro interval teplot –20 oC <Θ< 0 oC je a = 4,689 Pa, b = 1,486 , n = 12,30, pro interval teplot 0 oC < Θ < 30 oC je a =288,68 Pa, b = 1,098, n = 8,02..Každý stavební materiál obsahuje dutiny, které označujeme jako póry. Tyto póry mohou býtuzavřené – tvoří vzduchové bubliny, nebo mohou být různě pospojované a na povrchumateriálu otevřené. Vzniká tak celá složitá síť kanálů o různé velikosti. Pokud je průměr pórůvětší než 0,1 mm, jsou to tzv. makropóry. Pokud je jejich průměr větší než 0,3 mm, pakběhem deště dokáže silnější vítr zatlačit do těchto pórů vodu. Pro transport vlhka jsounejdůležitější póry o velikosti 0,1 mm až 0,1 μm. Tyto póry zajišťují kapilární transport vlhkamateriálem. Póry o průměru menším než 0,1 μm jsou tzv. gelové póry a uplatňují se při velmipomalém transportu vody v materiálu. Všechny stavební materiály tak můžeme rozdělitvizuálně na látky s velkými póry a s drobnými póry (když na ně kápneme vodu, buď sevsákne, nebo zůstane na povrchu). Schopnost nasáknout vodou je důležitá např. při práci s maltou, která obsahuje určitý díl vody. Je-li voda nasávána cihlou příliš rychle, znehodnotí tostavbu – drolivost apod.

U jemně porézních materiálů je voda do materiálů vtahována vlivem kapilárního tlaku . Sezvětšující se hloubkou průniku se mění viskózní proudový odpor vody, zvětšuje se. Proto takéklesá výška h, do které voda v materiálu pronikne. Platí vztah

tah v= (6)Veličina označená symbolem av se nazývá koeficient průniku vody. Mírou rychlosti

nasávání vody je koeficient av v jednotkách h/cm . Tato materiálová konstanta udává, dojaké výše v cm vystoupí voda kapilárně svisle během první hodiny.

Obdobně lze změřit koeficient mv přijetí vody, tj. kolik litrů vody je nasáto 1 m2 plochyběhem první hodiny měření. Jednotkou koeficientu mv je h.kg/m2 .

Zatímco u cihel na obvodové zdivo je třeba dbát na malou nasákavost, u střešních cihel jedůležitá vysoká nasákavost (transport vlhkosti z vnitřku domu do volné atmosféry). Vodnípáry, které unikají z obytných místností do půdního prostoru, kondenzují zejména v zimě naspodní straně střešní krytiny. Tato voda by měla být cihlou nasáta a poté kapiláramitransportována směrem k vnějšímu povrchu. Tam může dojít k jejímu odpaření do volnéhoprostoru.

Tvar závislosti pro nasákavost různých materiálů je na obr. 4. Posunutí odpovídá obsahuvody, která zůstává na cihle po vytažení z vody. Bod K - hladina vody dosáhne povrchucihly. Potom se plní drobné kanály napříč hlavních kapilár vedoucích svisle – oblast 2 křivky.Koeficient nasákavosti vody se stanoví z průběhu první fáze křivky.

Obr. 5. Křivka nasákavosti materiálu

Podle hodnoty koeficientu mv lze stavební materiály rozdělit na silně nasákavé (mv > 2,0h.kg/m2 ), vodu odpuzující (mv < 0,5 h.kg/m2 ), izolující (mv < 0,001 h.kg/m2 ).

Praktická realizace experimentálního určení koeficientů av a mv je velice jednoduchá. Vhodnýkus stavebního materiálu postavíme do nádoby s vodou tak, aby voda sahala do výšky asi 2cm. Měříme výšku výstupu vody v materiálu a přírůstek hmotnosti v závislosti na čase. Výškuvýstupu vody měříme na různých místech, neboť vlivem nestejnoměrné pórovitostinevystoupí voda stejně vysoko. Výsledky měření vyneseme do grafu, vypočítáme příslušnékoeficienty.

Modelování kapilárního vodního transportu ve stavebninách

Teoretický popis kapilárního transportu vody ve stavebninách je obtížný, protopoužíváme modelových představ a srovnání s výstupem vody v klasické kapiláře. Svislýřez kapilárou s vodním sloupcem je na obr. 5

α

α

Fr

r

R

Fg

Obr. 5. Řez kapilárou

Přehled tlaků v kapiláře:Hydrostatický tlak ph - závisí jen na výšce h sloupce kapaliny a hustotě ρv vody, nezávisí nageometrii kapiláry: ghph vρ= (6)Kapilární tlak pk – na rozhraní voda vzduch na horním konci vnikajícího vodního sloupcev kapiláře o poloměru R:

R

p ασ cos2k = (7)

Tlak pv proudící kapaliny – vzniká na základě viskózního odporu. Každá kapalina vykazujeurčitou viskozitu, kterou charakterizuje veličina dynamická viskozita η. Při proudění působíproti pohybu kapaliny i odporová síla FR. Při laminárním proudění je tato síla úměrná délce hkapiláry a rychlosti v proudění. Pro velikost odporové síly platí Hagenův-Poiseuilleův zákon

νηhF π8R = . (8) Protože

dtdhv = , (9)

platí pro odporovou sílu vztah

thhFR d

d8πη= . (10)

Tlak proudící kapaliny pak vypočítáme ze vztahu

thh

Rpv d

d82

πη= . (11)

Označíme

2

8R

A πη= (12)

a dostaneme

thAhpv d

d= , (13)

což je tlak, který působí proti proudění kapaliny. Existenci dalších tlaků neuvažujeme.Vsakování vody je dáno rovnováhou mezi tlaky pk a pv, tzn. když pk = pv .

Vztah řešíme pro počáteční podmínky h = 0 pro t = 0. Máme Ahdhdtpk = (14)a po integraci

Atp

h k2= . (15)

Po dosazení výrazu pro výpočet kapilárního tlaku máme

πη

ασ2

costRh = (16)

a pro mezní případ maximální výšky výstupu je

Rgh

vρασ cos2

max = (17)

Předpokládáme-li, že kapalina smáčí stěny kapiláry (α = 0), povrchové napětívody -1mN0727,0 ⋅=σ , dostaneme závislost výšky h výstupu pouze na poloměru kapiláryve tvaru

Rh

2

maxmm8,14

= . (18)

Vztah lze odvodit i na základě rovnováhy mezi tíhovou silou FG, která působí na sloupecstoupající vody, a výslednicí FR kapilárních sil působících na vnitřním obvodu kruhovémodelové kapiláry:

RG FF = (19)

RghRgRh

vv ρ

σσπρπ 22 max2

max =⇒= (20)

Po dosazení známých číselných hodnot pro hustotu vody ρv = 1000 kg.m-3, σ = 0,0727 N.m a

g = 9,81 m/s2, získáme opět vztah pro maximální výšku výstupu R

h2

maxmm8,14

= .

Známe-li tedy výšku výstupu vody, lze odhadnout poloměr kapilár (pórovitost) stavebníhomateriálu.

Studujte vedení vlhkosti různými materiály (cihla Ytong, dřevo):a) Určete koeficient nasákavosti materiálu. b) určete koeficient mv.Měření proveďte pro oba druhy materiálu, výsledky porovnejte. Ytong jako zkoumaný materiál patří v současné době k nejpoužívanějším„ekologických“ stavebninám. Skládá se z písku, vody, vápna, cementu, hliníkovéhoprášku. Při výrobě 1 m3 Ytongu objemové hmotnosti 0,4 se spotřebuje jen 300 kWhenergie. Všechny zbytky lze recyklovat na granulát. Základní parametry Ytongu jsoutyto: koeficient prostupu tepla k = 0,54 W.m-2.K-1, koeficient tepelné vodivosti λ = 0,16W.m-1.K-1, tepelný odpor R = 1,87 m2.K.W-1. Ytong je nehořlavý.

V technické praxi se používá celá řada jiných metod nedestruktivního zkoumání vlastnostístavebních materiálů. Jsou to radiografické metody (použití roentgenova záření, γ-záření),akustické metody (použití ultrazvuku, transmisní rezonanční metody), optické metody atd. Jetřeba zkoumat nejen mechanické a chemické vlastnosti (tvrdost, pevnost, složení), ale takétepelnou vodivost, elektrickou vodivost, lom světla, opracovatelnost stavebnin. Zkoumánítěchto vlastností již vyžaduje speciální technické vybavení a pro aplikaci v žákovskélaboratoři popř. při domácích pokusech je příliš náročné.

Měření koeficientu k různých materiálůMěření koeficientu k různých materiálů v našem návrhu experimentální úlohy do fyzikálníhopraktika by představovalo závěrečný stupeň vícehodinové vyučovací sekvence týkající sezákladních energetických úvah spojených se získáváním znalostí o využívání energetickýchzdrojů a ochrany životního prostředí.. Úvodní hodina tématického celku by měla být věnována zopakování základních pojmů aveličin, které budou dále používány - radiace, kondukce, konvekce, kondenzace, infiltrace,izolace, tepelná rezistence. Již na základní škole lze v této souvislosti provádět řadujednoduchých pokusů, a to doma i ve škole (např. sledování ochlazování vody v nádobáchobalených různým materiálem - písek, vata, alobal, polystyrén apod., měřit teplotu povrchurůzných předmětů ve třídě - dotýkat se stěn, okna, lavice atd). V dalším může učitel navázatna domácí práci žáků, kdy si žáci vypracují soupis všech spotřebičů, které doma používají adiskutovat energetickou náročnost každé domácnosti. Zde je třeba upozornit na jednu důležitou okolnost. Hovoříme-li o spotřebě energiev domácnosti, máme obvykle na mysli nárůst počtu nejrůznějších domácích spotřebičů ajejich spotřebu. Skutečná situace je poněkud odlišná. Ukazuje se, že hlavní podíl energetické

spotřeby tvoří topení - výroba teplé vody, provoz auta a teprve potom další domácíspotřebiče. Ze 100 energetických jednotek spotřebuje auto 33 topení 67 světlo 1 chlazení, mražení, praní 4 vaření 2 ohřev teplé vody 9

Ukazuje se tedy, že v oblasti vytápění lze hledat cesty k maximálnímu šetření energií.Vzhledem k tomu, že nejvíce času trávíme v různých budovách (škola, zaměstnání, doma),můžeme se žáky diskutovat problémy dobré izolace staveb a tepelných vlastností různýchmateriálů. Touto cestou se žáci mohou stát inspektory staveb ve svém okolí a seznámit ses veličinami, které se používají k charakteristice tepelných vlastností různých materiálů nejenve fyzice, ale také ve stavebnictví.Každou látku, resp. materiál lze charakterizovat z hlediska tepelných (izolačních) vlastnostíjejich tepelnou vodivostí, tepelnou kapacitou a schopností tepelné izolace. Zavadíme tzv.koeficient tepelné vodivosti λ a koeficient tepelné propustnosti k.Hodnoty koeficientu λ jsou tabelovány - pro běžné materiály viz. tabulka 1.Tabulka 1.Materiál λ (W/m.K) Materiál λ(W/m.K)stříbro 418 cihly 0,28-1,2hliník 229 sklo 0,6 - 1,0železo 73 asfalt 0,7olovo 34,7 dřevo 0,15led 2,2 skelná vata 0,03 - 0,05beton 1,5 polystyrén 0,035 - 0,041

K zavedení veličiny k.Při zavádění veličiny k vycházíme ze vztahu pro výpočet toku tepla P stěnou , kterýzapisujeme ve tvaru P = k.S.(tvu - tvv), kde S je plocha stěny, tvu je teplota vzduchu uvnitřprostoru, tvv je teplota vzduchu vně prostoru a konstanta úměrnosti je tzv, koeficient k.

Uvedený vztah lze přepsat ve tvaru P = λd

S (tsu - tsv), kde λ je koeficient tepelné vodivosti, d

je tloušťka stěny, S je plocha stěny, tsu je teplota stěny uvnitř, tsv je teplota stěny vně prostoru.Odtud k = P/(S(tvu -tvv))Hodnota koeficientu k je pro různé materiály a typy stěn dána ve stavitelství normativnímipředpisy, Daná hodnota koeficientu je vztažena k určité tloušťce materiálu. Některé příkladyjsou uvedeny v tab. 2.

Tabulka 2: část stavby koeficient k (W.m-2.K-1 )vnější zeď 1,56okna 5,2střecha 0,8

stropy sklepů 1,02Pro žáky bude jistě zajímavé si ukázat izolační vlastnosti materiálů i jinak: např. 1,7 cmizolace z celulózy má stejný účinek jako 91 cm silná betonová zeď.

Izolační vlatnosti materiálů:

Materiál Tloušťka v mm

celuóza 17korek 22dřevo 57tvárnice 170vepřovice 252plná cihla 296sklo 304beton 913

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

celu

óza

kore

k

dřev

o

tvár

nice

vepř

ovic

e

plná

cih

la

sklo

beto

n

Z grafu je názorně vidět, jak špatným izolátorem je beton.Pro naši experimentální úlohu se stala základem myšlenka, že každý dům (stavbu) lzesimulovat (pro jednoduchost čtvercovou) krabicí - boxem. Pro konstrukci boxu byl pro svédobré izolační vlastnosti zvolen polystyrén. Zevnitř je box vyhříván pomocí žárovky.

Při praktické realizaci byly rozměry boxu zvoleny vzhledem ke komerčně dodávanýmpolystyrénovým deskám a s ohledem na co nejmenší odpad při řezání. Rozměry jsou400x400x400 mm, tloušťka stěn 20 mm, tloušťka dna a víka 50 mm. Horní deska jevyměnitelná, velikost výměnného okna je 360x360 mm. Uvnitř boxu je umístěna 40 wattovážárovka. Box je vyhříván po dobu asi 4O minut, až je dosaženo teplotního rozdílu uvnitř a vněboxu přibližně 25 0C (lze tak simulovat chladný den, kdy venkovní teplota je -2 0C a uvnitřmístnosti je 23 0C. Vrchní stěna boxu může být postupně nahrazována deskami z jinýchmateriálů (dřevo, sklo, papír apod.) Úkolem je měřit teplotu vzduchu uvnitř boxu, teplotuvnitřní stěny, teplotu vnější stěny a teplotu vně boxu (teplota místnosti, během měření zůstávákonstantní).Ukázkové výsledky měření:

a) Měření polystyrénu: d = 0,05 m λ = 0,15 W.K-1 .m-1

S = O,1296 m2

tv = 24,6 0 Cčas (min) t(u) t(su) t(sv)0 23,7 24,0 23,55 51,8 48,0 24,410 61,8 56,0 25,7

Po dosazení hodnot do naměřených vztahů : P = 0 0350 05,, 0,1296 (56 - 25,7) = 2,75 W

Tok tepla vztažený na plochu P/S = 21,22 W.m-2

koeficient k..... k = 2 75

0 1296 618 24 6,

, ( , , )− = 0,57 W.K-1 . m-2

b) Měření dřevěné desky: d = 0,016 m λ = 0,15 W.K-1 m-1

S = 0,1296 m2

tv = 24,7 0 C

čas(min)

t(u) t(su) t(sv)

0 24,5 25,0 23,75 38,6 35,0 24,010 42,7 39,0 25,315 44,8 41,0 26,820 46,4 43,0 28,525 47,6 44,0 29,030 48,3 45,0 29,735 48,8 46,0 30,0

P = 0 15

0 016,

, 0,1296 (46-30) = 19,44 W

P/S = 150 W.m-2

k = 19 44

0 1296 48 8 24 7,

, ( , , )− = 6,22 W.K-1.m-2

c)Měření skleněné desky d = 0,005 mλ = 0,81 W.K-1 .m-1 S = 0,1296 m2

tv = 24,8 0 C Vypočítané hodnoty:

P = 0 81

0 005,

, 0,1296 (38 - 31,1) = 144,87 W

P/S = 1117,82 W.m-2

k = 144 87

0 1296 38 2 24 8,

, ( , , )− = 83,41 W.K-1 .m-2

Jak je vidět z uvedených výsledků, box se nejrychleji vyhřál v případě polystyrénového okna,kdy nebylo nutné dodržet ani požadovanou délku vytápění. Nejhůře se box vyhříval seskleněným oknem, kdy nebylo dosaženo požadovaného rozdílu teplot. Experiment lze upravitnásledujícím způsobem.Aby nabylo nutné měřit teploty stěn, zapojíme žárovku tak, aby její výkon (měřenýwattmetrem) byl regulovatelný. Tím lze předem stanovit teplotu, které má být uvnitř boxudosaženo (pro všechny materiály stejnou) a regulovat výkon žárovky tak, aby bylo dosaženostacionárního stavu ( teplota uvnitř boxu se nemění po dobu 5ti minut). Potom stačí započítatteploty uvnitř boxu a vně a údaj wattmetru. Při výpočtech je třeba mít na zřeteli, že 1/6energie proniká vyměnitelným oknem, zbývajících 5/6 ostatními stěnami boxu. Krabici je

třeba umístit na podložky, aby byl umožněn stejný odvod tepla i dnem boxu. Pro naše měřeníjsou dané výsledky následující:Polystyrén : všech 6 stěn je ze stejného materiálu.

Celkový tok energie 3,33 W, tok jednou stěnou 0,56 W, odtud k = P

S t.Δ = 0,79 W.K-1 m-2 ,

kde S je plocha stěny, Δt je rozdíl teplot vzduchu uvnitř a vně boxu.Byl zanedbán rozdíl v tloušťce stěn a dna a víka boxu.Dřevo:Pro dřevo byl celkový výkon 23,3 W, 5/6 stěn z polystyrénu - tok 2,8 W, zbývá 20,5 W prostěnu ze dřeva. Tomu odpovídá hodnota k = 6,56 W.K-1.m-2 .

Obdobně pro sklo k = 11,8 W.K-1.m-2 .Je vidět, že ze studovaných materiálů má sklo nejhorší izolační vlastnosti. Přiložené grafyzobrazují časový průběh nárůstu teploty uvnitř boxu a vnitřní a vnější stěny.

Experiment lze doplnit dalšími měřeními, lze např. pomocí fénu simulovat větrný den,pootevření okna - větrání apod. Na tomto modelu lze ukázat, jaký vliv pro stavbu a jejítepelnou izolaci má správné umístění oken, dveří, natočení celé stavby , výsadba stromů(větrolamy) atd.

Dřevěná deska:

Tabulka naměřených hodnot:

čas (min) t(u) t(su) t(sv)

0 24,5 25 23,75 38,6 35 24

10 42,7 39 25,315 44,8 41 26,820 46,4 43 28,525 47,6 44 2930 48,3 45 29,735 48,8 46 30

0

5

1015

20

25

30

3540

45

50

0 5 10 15 20 25 30 35

t(u)t(su)t(sv)

Skleněná deska:

Tabulka naměřených hodnot:

čas(min) t(u) t(su) t(sv)

0 24,4 24 24,25 31,7 29 25,2

10 34,3 34 26,915 35,7 35 28,420 36,6 36 29,425 37,3 37 30,230 37,8 38 30,735 38,2 38 31,1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35

t(u)

t(su)

t(sv)

ENERGIE ZE SLUNÍČKA

Slunce hřeje a svítí, protože v jeho nitru probíhají mohutné termonukleární reakce, při nichžse jádra vodíku slučují a vzniká hélium. I když na povrch Země dopadá jenom nepatrnýzlomek z celkové energie uvolňované při těchto reakcích, využíváme tuto energii stále víc.

Základní potřeby:

• krabice, prkénka, překližka, průhledná fólie • ohebná plastová trubička • solární článek, vodiče • voltmetr

1. Model slunečního kolektoru:Nejčastěji se sluneční energie využívá k ohřívání vodyve slunečních kolektorech.Jsou to v podstatě dobře tepelně izolované skříně, jejichž vnitřek je natřen černou barvou,která nejlépe pohlcuje energii slunečního záření.Vzniklé teplo přijímá voda v trubicích a zahřívá se.Náš model slunečního kolektoru zabudujeme dolibovolné nízké krabice o rozměrech aspoň 35 x 25 x5 cm, na protějších stranách uděláme otvory provývody trubice.Na dno položíme přesně

přiříznutou izolační polystyrenovou desku tloušťky 2 cm a do bočních stěn přibijeme dvě řadyskobek pro zachycení trubicového hada.

ENERGIE POD POKLIČKOU

Říká se, že nejlevnější energie je ta, kterou vůbec nespotřebujeme. Proto hledáme možnostiúspor energie - zateplují se budovy, místo žárovek se používají úsporné zářivky, konstruují seautomobilové motory s malou spotřebou paliva. Můžeme ušetřit energii i v naší domácnosti?Jednoduché fyzikální měření nás přesvědčí, že rozhodně ano.

Základní potřeby:

• nádoby různých průměrů s poklicemi • elektrický vařič • ponorný vařič • laboratorní teploměr • hodinky nebo stopky

Provedení pokusu:

Elektrický vařič odebere ze sítě energii E = P.T, kde P je příkon vařiče ve wattech (tentoúdaj najdeme na výrobním štítku) a T je doba odběru energie v sekundách. Touto energií sezahřívá těleso vařiče, okolní vzduch, nádoba a voda v ní. Užitečná je pouze energie zahřívajícívodu a tu vypočítáme ze vztahu Q = m.c.(t2 - t1). V této rovnici je m hmotnost vody, c je jejíměrná tepelná kapacita, t1 je původní teplota vody a t2 je teplota vody po zahřátí. Účinnostpřeměny elektrické energie na teplo závisí na ztrátách a vypočítáme ji ze vztahu N = Q/E.Když tento údaj vynásobíme stem, dostaneme účinnost vyjádřenou v procentech.

Zapneme vařič a necháme jej dobře rozehřát. Pak na plotýnku postavíme nádobu sodměřeným množstvím vody (např. 0,5 litru) a za mírného promíchávání počkáme, až začnejejí teplota růst. Jakmile teplota dosáhne určité počáteční hodnoty t1, stiskneme stopky aodměříme zvolenou dobu T (3 až 6 minut). Zapíšeme výslednou teplotu t2 do tabulky a zezískaných hodnot vypočítáme účinnost N.

Pro měření použijeme několik nádob o různém průměru dna, měřit budeme s nádobami bezpoklice a s poklicí a pro porovnání uskutečníme podobná měření také s ponorným vařičemnebo varnou konvicí. Pozor: ponorný vařič můžeme připojit do zásuvky pouze ponořený vevodě!

Příklad výsledků měření:

Příkon plotýnkového vařiče: 600 WPrůměr plotýnky vařiče: 14 cm

a) zahřívání bez poklice

T (s) E (kJ) m (kg) c (J/kg.K) t1 (°C) t2 (°C) Q (kJ) prům.dna (cm) N (%)180 108 0,5 4186 30 65,5 73,3 11,5 67,8180 108 0,5 4186 30 70,5 84,8 13,5 78,5180 108 0,5 4186 30 68,5 80,6 17,5 74

b) zahřívání s poklicí

T (s) E (kJ) m (kg) c (J/kg.K) t1 (°C) t2 (°C) Q (kJ) prům.dna (cm) N (%)240 144 1 4186 25 49,5 102,6 11,5 71,2240 144 1 4186 25 54 121,4 13,5 84,3240 144 1 4186 25 52,5 115,1 17,5 74

c) ponorný vařič s příkonem 300 W

T (s) E (kJ) m (kg) c (J/kg.K) t1 (°C) t2 (°C) Q (kJ) N (%)360 108 1 4186 20 45 104,6 96,9

Z tabulek vidíme, že účinnost využití elektrické energie při vaření dost podstatně závisí navztahu mezi průměrem plotýnky a použité nádoby, že můžeme účinnost snadno zvýšit takézakrytím nádoby poklicí. Poslední tabulka ukazuje, že nejvýhodnější je vařit vodu ponornýmvařičem. Moderní a oblíbené rychlovarné konvice s topným tělesem přímo v nádobě protouvaří vodu s minimálními ztrátami, rychle a úsporně.