Se spune deseori că lemnul este un material care “lucrează”, datorită modificărilor dimensionale pe care le înregistrează sub influența variațiilor de umiditate din aer sau din mediul în care este integrat. Dar lemnul nu este singurul material care se comportă așa. Metalul, masele plastice, sticla, ceramica au și ele dilatări și contracții, însă din alt motiv: modificările de temperatură. Acest lucru ne încurcă deseori, deoarece căutăm să avem pe cât posibil volume și suprafețe continue, compacte, fără fragmentări, pentru a obține (aparent) mai multă rezistență și stabilitate, respectiv un design omogen. În plus, unele materiale, precum metalul, poate scoate sunete stranii în momentele în care își schimbă dimensiunile.
Materialele înregistrează tensiuni interne de diverse origini (mecanice, termice, chimice, legate de higroscopicitate), oferindu-ne un comportament previzibil doar dacă sunt puse în operă în cantități bine stabilite. Pe măsură ce lucrăm cu dimensiuni mai mari, cu atât vom avea mai multe provocări, iar dilatările și contracțiile de origine termică sunt printre cele mai importante.
Modificările dimensionale și de volum de origine termică, adică la modificarea temperaturii, afectează practic toate substanțele solide, lichide și gazoase. Un material va prelua temperatura mediului în care se află și își va schimba energia internă la nivel molecular; în consecință, se vor produce mici modificări ale distanțelor dintre atomi, care, adunate, vor reprezenta măriri sau micșorări ale corpurilor respective. De regulă, la încălzire se produce dilatarea, iar la răcire contracția. Există și câteva excepții, cea mai importantă fiind apa, care are un comportament particular (așa-numita “dilatare neregulată a apei”).
Când încălzim apa de la 0°C la 4°C, aceasta se contractă, dar dacă vom continua să o încălzim, aceasta se va comporta ulterior ca orice alt material (se va dilata). Invers, dacă răcim apa de la 4°C în jos, aceasta se va dilata, astfel încât, la 0°C, când îngheață, va atinge volumul maxim. Este problema multor materiale de construcție care conțin apă (beton, cărămidă, lemn etc.) și care, la ciclurile îngheț-dezgheț, suferă modificări dimensionale și se degradează.
Dilatări și contracții
Fiecare material are propriul său coeficient de dilatare, măsurat în K-1, ce reflectă modificările dimensionale în raport cu temperatura; cu cât coeficientul este mai mic, cu atât materialul este mai stabil, deci de preferat în opțiuni. Dilatarea poate fi evaluată în diverse moduri: expansiune liniară pentru obiectele lungi (de exemplu un profil de oțel care se încălzește), expansiune de suprafață (pentru o învelitoare sau un panou termoizolant) ori expansiune în volum (un element de construcție din beton sau lemn). Atunci când vrem să știm cum se va deforma un element de construcție, vom fi atenți la caracteristica cea mai relevantă. În normativele românești, se menționează cel mai adesea coeficienții de dilatare liniară, dar mai sugestivi în cazul de față ni se par cei volumetrici. Iată câteva exemple de coeficienți de dilatare volumetrică, importanți pentru domeniul construcțiilor (valori aproximative, evaluate statistic, măsurate la 20°C):
Aluminiu – 69 x 10-6 K-1
Cupru – 51 x 10-6 K-1
Oțel – 35 x 10-6 K-1
Beton – 36 x 10-6 K-1
Cărămidă – 35 x 10-6 K-1
Piatră – 105 – 130 x 10-6 K-1
Marmură – 21 x 10-6 K-1
PVC – 156 x 10-6 K-1
Lemn de brad – 75 x 10-6 K-1
Sticlă – 26 x 10-6 K-1
Problemele apărute din cauza variațiilor dimensionale de natură termică sunt numeroase în domeniul construcțiilor, iar rezolvările le putem observa deseori, începând cu lucrările mari, edilitare: distanțele dintre porțiunile consecutive de șină de cale ferată, firele de înaltă tensiune a căror lungime include o anumită toleranță (firele se lungesc în timpul verii), rotilele pe care se sprjină unele poduri, buclele conductelor de mare lungime care preiau o parte din tensiunile acestora apărute la variații de temperatură. De asemenea, în cazul lucrărilor mai mici, trebuie prevăzute rosturi sau spații de dilatare – pentru învelitori, ferestre, sisteme de fațadă, coșuri de fum etc. Dacă specialiștii nu ar lua în calcul aceste aspecte și nu le-ar include în normative, orice construcție ar arăta cu totul altfel. Este extrem de important să le cunoaștem, pentru că astfel vom înțelege mai bine tehnicile corecte de execuție și nu vom face greșeli regretabile, cum ar fi astuparea sau eliminarea rosturilor de dilatare executate anterior; este o eroare des întâlnită în cazul renovărilor, iar rezultatul este, de multe ori, apariția de crăpături sau degradări în zonele respective. Diferențele de temperatură apar între zi și noapte, dar mai ales între sezoane: diferența de temperatură între o zi călduroasă de vară și o noapte friguroasă de iarnă poate fi și de 60°C, într-un climat excesiv ca al nostru. Tensiunile apar atât în interiorul unui material (dacă nu are rosturi de dilatare), cât și între materiale cu coeficienți de dilatare diferiți. Iar mișcările termice de dilatare și contracție sunt repetate, ducând în timp la degradare, fisuri, crăpături, îndoiri, torsionări, modificări structurale. Inclusiv zidăria poate fi afectată, chiar dacă betonul, mortarul și cărămida au coeficienți de dilatare asemănători. De aceea, nu se recomandă pereți cu amplitudinea mai mare de 10 – 12 metri, fără rosturi de dilatare de circa 10 mm care să preia tensiunile. În continuare, vă prezentăm câteva situații concrete în care dilatările afectează elementele de construcție, respectiv soluții de rezolvare a problemelor.
Învelitorile de acoperiș pot rămâne rezistente și etanșe de-a lungul anilor dacă se ține cont de stresul termic la care sunt supuse, mai ales că, în timpul verii, sunt expuse direct la soare, iar temperatura lor poate urca la 70°C și chiar peste, dacă este vorba de o învelitoare metalică de culoare închisă (se spune că “poți prăji un ou” pe ea). În timp, prin dilatări și contracții repatate, sistemele de prindere, care de regulă sunt metalice, indiferent de tipul învelitorii, încep să se desprindă sau să devină nesigure, iar lufturile se măresc progresiv. Șuruburile și cuiele expuse sunt cele mai vulnerabile. Garniturile din cauciuc se degradează în timp și devin casante, astfel că montajul trebuie refăcut după un timp (depinde de calitatea materialelor). Pentru a reduce efectele, se apelează la plăci de dimensiuni mai mici, inclusiv când este vorba depre metal, iar sistemele de montaj permit mici glisări. Tabla fălțuită sau prefălțuită este concepută astfel încât să fie permise mici mișcări ale foilor, nu se recomandă montarea fixă sau sudura decât în anumite situații. Cele mai versatile învelitori, din această perspectivă, sunt cele cu un grad înalt de elasticitate, precum cele din gama bituminoaselor, rășinilor turnate in situ, foliilor din PVC sau din alte materiale plastice, aplicate prin sudură sau lipire. În orice caz, pentru orice învelitoare, inspecțiile periodice trebuie să ia în calcul și fenomenul despre care vorbim aici.
Tâmplăria termoizolantă modernă, indiferent de tipul profilului, nu este nici pe departe inertă sub aspectul dilatărilor și contracțiilor. Profilele din metal și lemn stratificat au variații dimensionale acceptabile, dar cele din PVC, care se pot dilata cu până la 2,5 mm pe metrul liniar (cele colorate, expuse în plin soare) au nevoie de o armare suplimentară, care să preia tensiunile create, precum și de distanțiere de cauciuc. În acest scop, dar și pentru a conferi mai multă rezistență elementului de tâmplărie, se folosesc armături din oțel zincat. Inclusiv profilele din aluminiu au un anumite modificări dimensionale, de aceea la dimensiuni mari se realizează niște găuri de dilatare. În cazul tâmplăriei, mai există un aspect important atunci când se montează ferestra sau ușa în zidărie: deschiderea trebuie să fie mai mare cu câțiva centimetri (în funcție de dimensiuni), pentru a permite dilatările și contracțiile. Fixarea nu se face rigid, ci cu ajutorul spumei de montaj, care are o anumită elasticitate. Aceasta are rolul de izolare termică, desigur, dar și de a permite o anumită libertate de mișcare independentă a elementelor rigide, care au coeficienți de dilatare diferiți.
Coșurile de fum, ca și celelalte elemente ale sistemelor termice, sunt supuse unor variații dimensionale majore, adevărate șocuri termice (temperaturi de până la 600°C sau chiar mai mult), prin urmare trebuie să aibă o conformație adaptată. Indiferent de sistemul constructiv, dacă sunt din metal sau ceramică, acestea au o structură modulară care le permite dilatarea, iar acolo unde este cazul se folosesc șnururi ceramice termorezistente care asigură etanșeitatea în zonele de rost. Unele variante au straturi de termoizolație din vată bazaltică ce au rolul de păstra constantă temperatura gazelor de ardere (asigurând tirajul), dar și de a controla dilatările diferențiate între module. De asemenea, colierele variantelor din oțel permit o ușoară glisare în timpul dilatărilor și contracțiilor.
Tubulaturile pentru instalații, prin care circulă fluide calde, nu trebuie să aibă lungimi foarte mari în linie dreaptă, pentru că se deformează și pot ceda. Țevile de apă rece, de pildă, au temperatură relativ constantă și sunt mai puțin vulnerabilizate. De asemenea, nu este recomandat ca țevile să fie îngropate în zidărie sau tencuială, ori fixate foarte rigid, pentru a nu se sparge din cauza modificărilor dimensionale; colierele cu care sunt prinse este bine să permită o ușoară libertate de mișcare, chiar glisare. Acest lucru va reduce și zgomotele pe care le scot uneori instalațiile, mai ales cele din cupru.
Sistemele pluviale, considerate ca făcând și ele parte din categoria instalațiilor, sunt extrem de solicitate, mai ales în sezonul rece, când apare gheața care se dilată. Indiferent de materialul din care sunt executate (metal sau PVC), ele trebuie să aibă îmbinări lejere, etanșeizate cu garnituri, și coliere care să permită glisările, de asemenea cu garnituri tampon din cauciuc.
Anvelopa clădirii și sistemul termoizolant sunt extrem de expuse la variații de temperatură, deci vor fi printre cele mai afectate. Plasele de armare pentru sistemele termoizolante au acest rol, de a reduce efectele dilatărilor cauzate de temperaturi extreme. Structurile însele, chiar dacă sunt protejate de tencuieli și sisteme termoizolante, suferă la rândul lor o serie de modicări, mai ales atunci când sunt realizate din materiale diferite. Cărămida din zidărie (sau BCA-ul), betonul stâlpilor și oțelul cu care este armat acesta au dilatări ușor diferite, dar în marje acceptabile, iar tensiunile se compensează între ele; dacă materialele unei construcții ar avea coeficienți de dilatare radical diferiți, clădirile ar crăpa, pur și simplu, la variațiile de temperaturi dintre anotimpuri.
Oricum, clădirile au o durată de viață mult mai mare dacă sunt termoizolate; prin păstrarea unor temperaturi relativ constante în structuri, se obțin nu doar economisiri de energie, ci și construcții mai bine protejate. Exemplele de materiale și elemente de construcție care sunt afectate de dilatări pot continua: elemente de fațadă, sobe și șeminee, mobilier, panouri din gips-carton ș.a.m.d. Normativele din domeniu prevăd unele limite ale coeficienților de dilatare permiși, astfel încât construcțiile să aibă un comportament previzibil. Orice material nou apărut pe piață este testat și din acest punct de vedere.