ENVIRONMENTÁLNÍ HODNOCENÍ VARIANT KONSTRUKČNÍHO NÁVRHU BYTOVÉHO DOMU - PŘÍPADOVÁ STUDIE

Transkript

1 ENVIRONMENTÁLNÍ HODNOCENÍ VARIANT KONSTRUKČNÍHO NÁVRHU BYTOVÉHO DOMU - PŘÍPADOVÁ STUDIE ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF STRUCTURAL VARIANTS OF RESIDENTIAL HOUSE- CASE STUDY Jan Růžička, Ctislav Fiala, Antonín Lupíšek, Jan Mukařovský, Martin Vonka 1 Abstract The topic of sustainable constructions is very complex and includes a large number of parameters of various branches of civil engineering covering all technical as well as non technical sciences. Optimization of structural design of a building from the environmental point of view represents a wide multicriterion problem. The presented case study shows one possible approach to environmental optimization and assessment of structural design of a building. Following groups of criteria have been used for the environmental assessment: (i) embodied energy, embodied CO 2, embodied SO 2, amount of used materials, (ii) consumption of material resources (amount of renewable materials, recycled materials, recyclable materials, primary natural sources), (iii) materials from demolition of the building (fully recyclable materials, partially recyclable materials, non-recyclable materials, wastes). New developed tools for multicriterion analysis have been used for environmental assessment. 1. Úvod Téma udržitelné výstavby, definované v základním dokumentu Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu [1], představuje široký komplex problémů s velkým množstvím parametrů z různých oblastí stavebnictví, který zahrnuje jak technické, tak netechnické disciplíny. Optimalizace konstrukčního návrhu budovy z hlediska environmentálních parametrů představuje široký multikriteriální problém. Případová studie ukazuje příklad možného přístupu k environmentální optimalizaci a hodnocení konstrukčního návrhu stavby. Na základě studie bytového domu byly zpracovány základní konstrukční, technologické a materiálové varianty pro v dnešní době běžně používané stavební technologie. Jako referenční (srovnávací) konstrukční systém byl zvolen komplexní systém keramických prvků pro svislé nosné, stropní i dělicí konstrukce, který patří k nejběžnějším. S touto referenční variantou byly porovnávány ostatní konstrukční varianty. 2. Metody environmentálního hodnocení budov V poslední době se do popředí zájmu stále více dostává otázka celkového vlivu budov na životní prostředí. Tomu odpovídá i vysoká aktivita v této oblasti v celosvětovém měřítku. Problematika udržitelné výstavby významným způsobem zohledňuje kromě široké škály technických problémů také okruh tzv. měkkých parametrů ze socio-kulturní a ekonomické sféry, které sekundárně výrazně ovlivňují kvalitu životního prostředí a kvalitu života vůbec. 1 Jan Růžička, Ing., Ph.D., Ctislav Fiala, Ing., Antonín Lupíšek, Ing., Jan Mukařovský, Ing., Martin Vonka, Ing., Ph.D., České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra konstrukcí pozemních staveb, Thákurova 7, Praha 6, tel.: , jan.ruzicka@fsv.cvut.cz,

2 Posuzování stavebních konstrukcí se tak stává multikriteriálním, multiparametrickým a multidisciplinárním problémem. Kvalita staveb a stavebních konstrukcí je pak hodnocena v celém životním cyklu budovy od výstavby, přes provoz a rekonstrukci až po demolici stavby. Udržitelná výstavba je tedy taková, která minimalizuje dopady výstavby, provozu a likvidace budov na životní prostředí, ovlivňuje sociální podmínky (může přinášet novou kvalitu pro uživatele i okolí stavby) a zároveň je ekonomicky efektivní po celou dobu svého životního cyklu (náklady na provoz, pravidelnou údržbu atd.). V současnosti není k dispozici jednotná metodika posuzování environmentální kvality budov, nástroje pro její hodnocení jsou ve fázi vývoje či ověřování. Cílem je vytvoření takového nástroje, který umožní ovlivnit budoucí podobu budovy již ve fázi prvotního návrhu stavby a zároveň nástroje umožňujícího hodnocení a porovnání environmentální kvality budovy ve všech výše zmíněných oblastech. Metody hodnocení v současnosti zahrnují nejjednodušší postupy až po složité multikriteriální analýzy s vyhodnocováním vah jednotlivých kritérií. Z hlediska principů udržitelné výstavby bylo formulováno až 120 kritérii, podle kterých je možno porovnání provádět. Příkladem jednoduchého hodnocení může být například evropský projekt Display Campaign ( který pro sledované budovy sleduje tři kritéria: spotřebu energie, produkci emisí CO 2 a spotřebu vody. Další z metod vyvíjených za účelem regulace a snižování dopadů produktů lidské činnosti na životní prostředí je hodnocení životního cyklu - Life Cycle Assessment (LCA), která je v obecné rovině (zaměřené na libovolný produkt lidské činnosti) popsána v souboru mezinárodních norem ISO [2]. Hodnotí dopad libovolného výrobku (tedy i stavby) během celého životního cyklu od výroby až po likvidaci, v případě budov od těžby primárních surovin až po demolici včetně. Obr. 1 Příklad výsledku hodnocení pomocí nástroje GBTool.

3 Na základě principů definovaných ve výše zmíněném souboru norem byla vyvinuta celá řada výpočetních modelů a softwarových nástrojů, které se liší cílem i rozsahem analýzy. Například lze jmenovat nástroje hodnotící vybraná environmentální kritéria materiálů, konstrukčních prvků, popř. budov (ATHENA, BEES, ), modely hodnotící environmentální dopad výrobků v průběhu celého životního cyklu (GEMIS, SimaPro, LCAiT, ). Poslední skupinu nástrojů tvoří komplexní nástroje pro hodnocení konstrukčních prvků a celých staveb z hlediska širokého spektra udržitelnosti (GBTool, BREEAM, LEED, ), kde tvoří LCA pouze dílčí část celkového hodnocení. Celosvětově rozšířený je nástroj GBTool, který je vyvíjen mezinárodní organizací iisbe (International Initiative for a Sustainable Built Environment). Je navržen univerzálně pro celosvětové použití, protože umožňuje nastavení parametrů podle podmínek příslušného regionu. V současnosti probíhá implementace a úprava tohoto nástroje pod názvem GBTool- CZ do českých podmínek. Česká verze je vyvíjena v rámci aktivit výzkumného centra CIDEAS Centre for Integrated Design and Advanced Structures, při FSv ČVUT v Praze a ve spolupráci s Českou společností pro udržitelnou výstavbu budov iisbe Czech. Dalším používaným nástrojem je LEED, který byl vyvinut institucí U.S. Green Building Council na objednávku vlády USA. Hodnocení budov je prováděno pomocí poměrně jednoduchého seznamu kritérií, za splnění jednotlivých položek seznamu se přičítají body. Výsledkem hodnocení je pak zařazení budovy do jedné ze čtyř kategorií: Certified, Silver, Gold, Platinum. Na podobném principu funguje i evropský nástroj BREEAM vyvíjený Building Research Establishment Ltd. či japonské CASBEE. BREEAM hodnotí budovy z hlediska cca 30 kritérií, každé hodnocené kritérium je samostatně bodově ohodnoceno a po sumarizaci všech (maximální počet bodů je 100) se budova klasifikuje ve stupnici hodnocena, dobrá, velmi dobrá a výborná. 3. Environmentální hodnocení konstrukčních variant bytového domu případová studie Pro environmentální hodnocení byl navržen jednoduchý objekt bytového domu se čtyřmi nadzemními podlažími. Cílem bylo navrhnout co nejuniverzálnější dispoziční řešení, které umožní návrh co nejvyššího počtu reálných konstrukčních a materiálových variant. Tomu odpovídá velikost objektu, dispoziční řešení i modulové vzdálenosti hlavních nosných stěn. Dispozičně je objekt ve 2. až 4. NP členěn na 3 bytové jednotky - 2x 4+kk (95,9 m 2 ) a garsoniéru (27,5 m 2 ), v 1. NP jsou dvě bytové jednotky 4+kk, ve středním traktu je umístěn vstup a technické zázemí budovy. Obr. 2 Řešený objekt čtyřpodlažní bytový dům.

4 3.1 Metodika environmentálního hodnocení Na nadefinované konstrukční varianty domu byl aplikován výpočetní pracovněvýzkumný model, který podle výkazu výměr stanoví jednotlivé environmentální parametry. Základ modelu tvoří databáze konstrukcí [3], která obsahuje měrné hodnoty hodnocených environmentálních kritérií jednotlivých konstrukcí (např. různé typy obvodových konstrukcí, stropních konstrukcí, výplní otvorů, apod.). Data pro vyčíslení svázané spotřeby energie a svázaných emisí jsou převzata z katalogů stavebních konstrukcí [4], [5] a [6]. Provozní emise CO 2,ekv., SO 2,ekv. (globální a regionální) a konverzní faktory paliv jsou kalkulovány za pomoci programu GEMIS s českou databází [7]. Uvedená metodika byla převzata na základě výstupů podle [8]. Pracovní program vytvořený v prostředí MS Excel stanoví na základě výkazu výměr environmentální profil jednotlivých konstrukčních variant podle následujících kritérií: 1. environmentální parametry (obecná kritéria environmentální kvality stavebních materiálů) - (i) svázaná spotřeba energie, (ii) svázané emise CO2,ekv., (iii) svázané emise SO2,ekv., (iv) vlastní hmotnost 2. materiály na vstupu (fáze výstavby - využívané zdroje pro výrobu materiálů a konstrukcí) (i) obnovitelné materiály, (ii) recyklované materiály, (iii) přírodní zdroje 3. materiály na výstupu (fáze demolice po dožití stavby možnost dalšího využití po dožití konstrukce) (i) plnohodnotně recyklovatelné, (ii) částečně recyklovatelné, (iii) nerecyklovatelné (odpad) 3.2 Návrh konstrukčních variant Návrh jednotlivých konstrukčních variant je v souladu s architektonickým řešením stavby. Dispoziční řešení objektu umožňuje z hlediska vlastního konstrukčního řešení stavby realizaci jak stěnových, tak skeletových i kombinovaných konstrukčních systémů na malé i velké rozpony. V rámci této studie byly hodnoceny dvě varianty konstrukčního návrhu: příčný stěnový systém a skeletový systém na velký rozpon. U skeletového systému jsou uvažovány různé varianty vyzdívek obvodového pláště a vnitřních dělicích konstrukcí. Obr. 3 Konstrukční schémata řešených variant. Předběžný návrh nosných konstrukcí v úrovni studie vychází z platných norem pro návrh nosných konstrukcí: (i) ČSN P ENV Navrhování zděných konstrukcí, Část 1.1: Obecná pravidla pro pozemní stavby Pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné

5 konstrukce, (ii) ČSN P ENV , Navrhování betonových konstrukcí: Část 1.1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, (iii) ČSN Zakládání staveb, základová půda pod plošnými základy, (iv) ČSN P ENV Zásady navrhování a zatížení konstrukcí, Část 2.1: Zatížení konstrukcí, Objemová tíha, vlastní tíha a užitečná zatížení, (v) ČSN P ENV Zásady navrhování a zatížení konstrukcí, Část 2.3: Zatížení konstrukcí Zatížení sněhem. Návrh vodorovných nosných konstrukcí vychází ze specifikovaných norem a firemních podkladů pro návrh stropů Porotherm MIAKO. Monolitické deskové konstrukce jsou navrženy dle (ii) a vyztuženy sítěmi při horním i dolním povrchu. Nosná konstrukce střešního pláště budovy je navržena shodně s konstrukcí stropu v běžných podlažích. Průvlaky vyztuženy tyčovou ocelí a třmínky z oceli R Balkony jsou u všech hodnocených variant železobetonové tl. 120 mm realizované pomocí IZO nosníků. Vyztužení sloupů je předběžně uvažováno u skeletů 3,0%, u základových konstrukcí potom pouze konstrukční výztuží 0,5%. Základové konstrukce jsou navrženy podle 1. geotechnické kategorie pro tabulkovou výpočtovou únosnost 0,2 MPa. Obvodový plášť je ve všech konstrukčních i materiálových variantách navržen na doporučené hodnoty U N = 0,25 W/m 2 K, střešní plášť je navržen na doporučené hodnoty U N = 0,16 W/m 2 K a podlaha na terénu na doporučené hodnoty U N = 0,40 W/m 2 K dle ČSN Tepelná ochrana budov Část 2: Požadavky. Jedná se o zateplovací systém z minerálních vláken v dřevěném roštu Příčný stěnový systém, malý rozpon, keramické zdivo Nosná konstrukce stěnového systému je tvořena příčnými stěnami z keramických cihel Porotherm 30 P+D, obvodové zdivo z cihel 44 P+D se zateplením minerálními vlákny 50 mm. Rozpon svislých nosných konstrukcí je 4,3 resp. 4,5 m. Vodorovná nosná konstrukce je z filigránových nosníků POT s vložkami MIAKO o celkové tloušťce konstrukce 210 mm. Nenosné stěny jsou navrženy z příčkovek Porotherm. Svislé nosné konstrukce jsou založeny na základových pasech š. 0,8 m u obvodových stěn a š. 1,0 m pod středními nosnými stěnami Skeletový systém, velký rozpon, keramická vyzdívka Nosnou konstrukci tvoří žel. bet. sloupy 300/300 mm s průvlaky 300/500 mm a křížem vyztuženou stropní deskou tl. 180 mm s rozponem 8,75 x 6,6 m a jednostranně pnutou deskou s rozponem 4,5 m. Vyzdívky obvodového pláště a mezibytových stěn jsou z cihel Porotherm 30 P+D, obvodové konstrukce se zateplením min. vlákny tl. 110 mm, ostatní nenosné stěny z příčkovek Porotherm. Sloupy uvnitř dispozice jsou založeny na patkách 2,5/2,5 m, sloupy ve vnějším plášti na patkách 1,6/1,6 m. Obvodové a vnitřní mezibytové stěny jsou založeny na základových nosnících 0,3/0,6 m Skeletový systém, velký rozpon, vyzdívka z nepálených cihel Nosná žel. bet konstrukce je shodná jako v předchozí variantě. Vyzdívky obvodového pláště a mezibytových stěn jsou z cihel z nepálené hlíny tl. 300 mm, obvodové konstrukce se zateplením minerálními vlákny tl. 150 mm, ostatní příčky jsou z cihel z nepálené hlíny tl. 150 mm. Sloupy uvnitř dispozice jsou založeny na patkách 2,5/2,5 m, sloupy ve vnějším plášti na patkách 1,6/1,6 m. Obvodové a vnitřní mezibytové stěny jsou založeny na základových nosnících 0,3/0,6 m.

6 3.2.4 Skeletový systém, velký rozpon, vyzdívka z pórobetonových tvárnic Nosná žel. bet konstrukce je shodná jako v předchozích dvou variantách. Vyzdívky obvodového pláště a mezibytových stěn jsou z tvárnic YTONG tl. 300 mm, obvodové konstrukce se zateplením minerálními vlákny tl. 80 mm, ostatní nenosné stěny z příčkovek YTONG. Sloupy uvnitř dispozice jsou založeny na patkách 2,5/2,5 m, sloupy ve vnějším plášti na patkách 1,6/1,6 m. Obvodové a vnitřní mezibytové stěny jsou založeny na základových nosnících 0,3/0,6 m. 3.3 Členění konstrukcí pro účely environmentálního hodnocení Cílem studie bylo ověřit vliv konstrukčního návrhu stavby na celkové environmentální parametry budovy. Konstrukční návrh zahrnuje komplex rozhodnutí o volbě konstrukčního systému a materiálového a technologického řešení a má vazbu i na další konstrukce a subkonstrukce. Z tohoto důvodu byla stavba rozdělena na tzv. hrubou stavbu a kompletační konstrukce, i když toto členění není zcela totožné s technologickým postupem výstavby. Volba konstrukčního systému a materiálové řešení nosné konstrukce stavby má dopad i na materiálové a technologické řešení dalších konstrukcí a subkonstrukcí, např. na řešení schodiště, balkónů, na provedení vnitřních dělicích konstrukcí, na provedené povrchových úprav stěn a stropů, na řešení obvodového pláště. Pro účely studie byly do části tzv. hrubé stavby zařazeny následující konstrukce budovy: (i) svislé nosné konstrukce (nosné stěny s povrchovými úpravami, sloupy...), (ii) vodorovné konstrukce (stropy včetně úpravy povrchu podhledů, balkóny), (iii) obvodový plášť (obvodové nosná stěna včetně zateplení a vnitřní a vnější povrchové úpravy resp. vyzdívka obvodového pláště skeletu včetně zateplení a vnitřní a vnější povrchové úpravy), (iv) vnitřní dělicí konstrukce (dělicí a mezibytové příčky pokud neplní nosnou funkci včetně povrchových úprav), (v) základové konstrukce včetně podkladních betonů (v závislosti na konstrukčním řešení pasy/patky a v závislosti na zatížení podle volby nosných i výplňových konstrukcí), (vi) konstrukce schodiště. Kompletační konstrukce zahrnují takové konstrukce a prvky, které jsou shodné pro všechny konstrukční varianty. Jedná se o: (i) výplně oken a balkónových dveří, (ii) výplně vnitřních dveří, (iii) sklady podlah nad nosnými konstrukcemi stropů v běžných podlažích a nad hydroizolací v 1.NP, (iv) hydroizolace proti zemní vlhkosti, (v) skladba střešního pláště nad nosnou konstrukcí střechy včetně tepelně izolačních a spádových vrstev a střešní krytiny, (vi) klempířské výrobky (oplechování atik, parapetů okenních otvorů...), (vii) truhlářské výrobky (vnitřní parapety), (viii) zámečnické výrobky (zábradlí schodišť, balkonů, stínící markýzy...), (viii) technické zařízení budov (rozvody ZTI, vytápění, zdroj energie). 3.4 Výsledky environmentálního hodnocení Případová studie environmentálního hodnocení konstrukčních variant vybraného objektu přinesla souhrn výsledků, které byly vyhodnoceny podle několika kritérií. Přehled absolutních hodnot ve vybraných environmentálních kritériích je přehledně pro všechny konstrukční varianty uveden v tab. 1. Vzájemné porovnání s referenční variantou (příčný stěnový systém na malý rozpon z keram. tvárnic = 100%) je uveden v grafu 1. Vzájemný poměr environmentálních parametrů mezi tzv. hrubou stavbou a ostatními konstrukcemi, definovanými v kapitole 3.3 je pro vybraná kritéria uveden v tab. 2.

7 VAR 1 VAR 2 VAR 3 příčný stěnový systém z keram. tvárnic nosná konstrukce ostatní celkem žel.bet. nosný skelet s vyzdívkou z keram. tvárnic nosná konstrukce ostatní celkem žel.bet. nosný skelet s vyzdívkou z nepál. cihel nosná konstrukce ostatní celkem VAR 4 žel.bet. nosný skelet s vyzdívkou z pórobet. tvárnic nosná konstrukce ostatní celkem svázaná spotřeba energie GJ svázané emise CO2,ekv. kg svázané emise SO2,ekv. kg hmotnost materiálů kg obnovitelné materiály kg recyklované materiály kg přírodní zdroje kg plnohodnotně recyklovatelné kg částečně recyklovatelné kg nerecyklovatelné (odpad) kg Tab. 1 Přehled absolutních hodnot environmentálních kritérií pro konstrukční varianty nerecyklovatelné (odpad) částečně recyklovatelné svázaná spotřeba energie 150% 130% 110% 90% 70% 50% 30% 10% -10% svázané emise CO2,ekv. svázané emise SO2,ekv. VAR1=REF VAR2 VAR3 VAR4 plnohodnotně recyklovatelné hmotnost materiálů přírodní zdroje obnovitelné materiály recyklované materiály Graf 1. Vzájemné porovnání environmentálních parametrů s referenční variantou (příčný stěnový systém na malý rozpon z keram. tvárnic = 100%). VAR 1 VAR 2 VAR 3 VAR 4 žel.bet. nosný skelet s žel.bet. nosný skelet s vyzdívkou z keram. vyzdívkou z nepál. cihel tvárnic příčný stěnový systém z keram. tvárnic žel.bet. nosný skelet s vyzdívkou z pórobet. tvárnic nosná konstrukce ostatní svázané emise CO2, ekv. 33% 33% 67% 37% 63% 40% 60% 35% 65% hmotnost materiálů 16% 18% 13% 21% 84% 82% 87% 79% Tab. 2 Poměr vybraných environmentálních parametrů (svázané emise CO 2, ekv. a celková hmotnost) mezi tzv. hrubou stavbou a ostatními konstrukcemi,

8 Z výsledků je patrné, že všechny skeletové varianty jsou efektivnější než zvolená stěnová varianta. Z hlediska celkového hodnocení se jako environmentálně nejefektivnější dle zvolených kritérií jeví konstrukční varianta 3, tj. žel. bet. nosný skelet s vyzdívkami z nepálených cihel. Nejvýraznější přínos nepálené hlíny je ve využití plnohodnotně recyklovatelného a obnovitelného stavebního materiálu. Také z hlediska svázaných emisí CO2, SO2 a svázané potřeby energie, je při použití nepálené hlíny patrné zlepšení proti variantě keramického stěnového systému. Míra zlepšení v těchto parametrech je shodná s ostatními materiálovými variantami skeletového systému. Negativním faktorem využití nepálené hlíny je celková vyšší hmotnost konstrukcí dané velkou objemovou hmotností nepálených cihel a velkou tloušťkou nenosných dělicích konstrukcí. Tento fakt se projeví i v návrhu základových konstrukcí i v množství výztuže u stropních konstrukcí. 4. Závěr Výsledky případové studie hodnocení environmentálních parametrů jednotlivých variant konstrukčních návrhů ukazují důležitost optimalizované volby konstrukčního řešení stavby na její celkový dopad na životní prostředí. Zároveň výsledky porovnání jednotlivých variant ukazují možný potenciál při použití prvků na bázi nepálené hlíny na cestě ke snížení environmentálního vlivu stavebních konstrukcí. Studie sama o sobě prokázala, že na základě projektu v úrovni návrhu stavby (studie) lze provést porovnání vybraných konstrukčních variant na základě zjednodušeného návrhu nosných konstrukcí a zjednodušeného výkazu výměr. Výsledky porovnání v této úrovni projektu mohou být jedním z kritérií při rozhodování o optimální konstrukční, materiálové a technologické variantě budovy. Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT, projekt 1M0579, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. V příspěvku bylo použito dílčích výstupů projektu CZ / /2208 Udržitelná výstavba budov kurzy pro celoživotní vzdělávání. Tento projekt je spolufinancován ESF, státním rozpočtem ČR a rozpočtem hl.avního města Prahy. Literatura 1. AGENDA 21 pro udržitelnou výstavbu - CIB Report Publikation 237, český překlad CIB Report 237, ČVUT v Praze, Praha, ISBN , ČSN EN ISO : Environmentální management Posuzování životního cyklu. Praha, ČNI, JPD3 environmentální databáze stavebních konstrukcí, zpracováno v rámci CZ / /2208 Udržitelná výstavba budov kurzy pro celoživotní vzdělávání. 4. SIA Dokumentation D 0123: Hochbaukonstruktionen nach ökologischen Gesichtspunkten, Zürich WALTJEN, T.: Ökologischer Bauteilkatalog. Bewertete gängige Konstruktionen, Springer-Verlag/Wien MÖTZL, H., ZELGER, T.: Ökologie der Dämmstoffe, Springer-Verlag/Wien Institut pro aplikovanou ekologii ( LCA program GEMIS (Global Emission Model for Integrated Systems) 8. VONKA, M.: Hodnocení životního cyklu budov, disertační práce, Praha 2006