ENERGETICKY A ENVIRONMENTÁLNĚ EFEKTIVNÍ KONSTRUKCE S POUŽITÍM HPC

Transkript

1 ENERGETICKY A ENVIRONMENTÁLNĚ EFEKTIVNÍ KONSTRUKCE S POUŽITÍM HPC Ing. Ctislav Fiala, Prof. Ing. Petr Hájek CSc., Ing. Magdaléna Kynčlová, České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra konstrukcí pozemních staveb, Thákurova 7, Praha 6 1. Úvod Energeticky efektivní budovy jsou dnes často realizovány jako dřevostavby. Důvodem je možnost lepšího využití tloušťky obvodové konstrukce pro zajištění vysokých tepelně izolačních nároků. Jako nevýhodu dřevostaveb je možné označit zpravidla horší akustické a požární vlastnosti dřevěných stropů. Efektivním řešením eliminujícím tyto nevýhody může být kombinace lehkého železobetonového skeletu s obvodovými konstrukcemi na bázi dřeva. Železobetonová nosná kostra tvoří hlavní nosný systém, který je doplněn o obvodový plášť obdobné konstrukce, jako je tomu u dřevostaveb. S ohledem na materiálové charakteristiky betonu je tak v porovnání s dřevostavbami možné realizovat vícepodlažní objekty o větších výškách a s většími rozpony stropů. Takovéto materiálově kombinované konstrukce jsou v porovnání s čistě dřevěnými navíc odolnější i z hlediska mimořádných účinků zatížení a současně mohou mít i lepší vlastnosti z hlediska akumulace tepla. Výhodou je i větší životnost železobetonové nosné konstrukce, umožňující snadnější výměnu a modernizaci obvodových konstrukcí a dalších kompletačních prvků v průběhu životnosti objektu. 2. Energeticky pasivní rodinný dům dům T 2.1 Koncepce konstrukčního řešení Kombinace železobetonového skeletu s obvodovými konstrukcemi na bázi dřeva je používána s ohledem na využití vyšší únosnosti betonu především v případech vícepodlažních skeletů. Současný vývoj betonu a technologie výroby prefabrikátů umožňují výrobu velmi subtilních prvků, které mohou být vhodně integrovány do skladby obvodové konstrukce a současně plnit efektivněji statickou funkci bez nadměrných nevyužitých statických rezerv. Menší průřezy prvků se pozitivně projeví i z hlediska celkové spotřeby betonu a souvisejících nižších dopravních a manipulačních nákladů. Toto vše se odráží na příznivějších environmentálních parametrech výsledné konstrukce a umožňuje tak využít

2 subtilní železobetonové konstrukce při výstavbě energeticky a environmentálně efektivních objektů v rámci jejich celého životního cyklu. 2.2 Stavební a energetická koncepce Rodinný dům [2] je řešen se snahou, aby zatížení životního prostředí v průběhu celého životního cyklu bylo co nejmenší. K tomu přispívá jak úroveň energeticky pasivního domu, tak využití obnovitelných zdrojů energie, včetně instalace solárních systémů. Stavebně energetickou koncepci domu T navrhl prof. Ing. J. Tywoniak, CSc. Objekt má jedno podzemní a dvě nadzemní podlaží. Stavební konstrukce využívají všude, kde je to možné, materiály na přírodní bázi (dřevěné prvky, minerální vlákna), z primárně odpadních materiálů (sádrovláknité desky apod.). Betonové konstrukce jsou důsledně optimalizovány s ohledem na hmotnost použitých materiálů. Svislá nosná konstrukce podzemí je stěnová z dutinových betonových tvarovek, nosný systém prvního nadzemního podlaží tvoří subtilní železobetonový skelet integrovaný do skladby obvodové konstrukce. Stropní konstrukce nad těmito podlažími jsou spřažené prefamonolitické, deskové typu filigrán. Výplňové obvodové stěny a celá vrchní stavba 2. N. P. jsou řešeny jako dřevostavba systému 2x4. Celková tloušťka skladby vrstev tepelné izolace v obvodových stěnách je 400 mm (z minerálních vláken), v místech železobetonové prefabrikované konstrukce 250 mm. Z vnitřní strany bude navíc přidána další vrstva tepelné izolace tl. 60 mm. Rodinný dům je řešen jako energeticky pasivní s předpokládanou potřebou tepla na vytápění do 20 kwh/(m2a), s výrazným podílem obnovitelných energetických zdrojů (rekuperace tepla z odváděného větracího vzduchu, spalování dřevěných peletek, solární termický systém a fotovoltaický systém). 2.3 Výstavba nosné konstrukce rodinného domu Nosná konstrukce v 1. N.P. (Obr. 1) je tvořena lehkým prefabrikovaným železobetonovým skeletem. Prefabrikované sloupy jsou obdélníkového průřezu 150 x 250 mm a výšky 2480 mm, z betonu C35-45 XC1, vyztužené 4xR12 (10 505). Rohové sloupy jsou sestavené ze dvou sloupových dílců do průřezu L. Sloupy podepírají tyčové průvlaky a obvodová ztužidla tloušťky 150 mm. V oblasti kolem schodiště jsou prefabrikované železobetonové stěny tl. 150 mm zajišťující prostorovou tuhost objektu. Světlé rozpony tyčových průvlaků a ztužidel spřažených se stropní deskou dosahují max. 5,38 m. Stropní desky tl. 210 mm jsou spřažené deskové typu filigrán na max. světlý rozpon 5,23 m. Monolitická nabetonovaná část stropní desky je z betonu C25-30 XC1, výztuž (R).

3 Obr. 1 Prefabrikovaný železobetonový skelet 1. N.P. Nosná konstrukce byla realizována podle návrhu prvních tří autorů dokumentace pro stavební řízení [2], výrobní dokumentaci prefabrikovaných prvků zpracoval Ing. Chromek z ŽPSV a.s. Uherský Ostroh. Prefabrikovaná konstrukce lehkého železobetonového skeletu [3] byla vyrobena v ŽPSV a.s. Uherský Ostroh, závod Čerčany. Dřevěnou konstrukci pro 1. N.P. (kombinace s prefabrikovaným železobetonovým skeletem Obr. 2) a 2. N.P. (nosná dřevěná konstrukce a krov) dodala společnost PENATUS, s.r.o. Obr. 2 Realizace dřevěné konstrukce v 1. a 2. N.P.

4 3. Environmentální hodnocení 3.1 Porovnání navrženého řešení s tradičními konstrukčními přístupy Za účelem zhodnocení navrženého řešení kombinované konstrukce pro rodinný dům T (varianta VAR. 3) byla provedena porovnávací studie s dvěma konstrukčními variantami s nosnou stěnovou konstrukcí z keramických materiálů. Jako referenční varianta byla uvažována běžně používaná konstrukce s obvodovými stěnami z cihel Porotherm 44 P+D, nosnými vnitřními stěnami z cihel Porotherm 24 P+D a stropními konstrukcemi MIAKO tl. 210 mm (VAR. 1). Druhá porovnávací varianta je navržena s obvodovou konstrukcí z keramických dutinových cihel na stejný součinitel prostupu tepla U jako u domu T, má nosné i obvodové konstrukce z cihel Porotherm 24 P+D, obvodová konstrukce je zateplená pěnovým polystyrenem tl. 300 mm, stropní konstrukce je z vložek MIAKO tl. 210 mm (VAR. 2). U obou zděných variant byly použity systémové překlady Porotherm 7 a dva vnitřní železobetonové průvlaky na větší rozpon uvnitř dispozice, z nichž jeden byl podepřen železobetonovým sloupem 240/240 mm. Pro vyhodnocení environmentálních parametrů alternativ byly použity hodnoty z [4]. V porovnání byly analyzovány svislé a vodorovné nosné konstrukce 1. N.P., včetně obvodového pláště. Všechny nosné i obvodové konstrukce byly hodnoceny bez finálních povrchových úprav jak v exteriéru, tak interiéru tedy bez omítek, fasádních a interiérových obkladů stěn apod. Kromě environmentálních parametrů (svázané spotřeby energie, svázaných emisí CO 2,ekviv. a SO 2,ekviv. ) a celkové hmotnosti konstrukce byly u obvodových konstrukcí porovnávány hodnoty součinitele prostupu tepla U [W/m 2.K] a jejich tloušťky [m]. Obr. 3 Porovnání konstrukčních a environmentálních parametrů jednotlivých variant

5 Zděná varianta (VAR.1) s obvodovou konstrukcí bez zateplení byla navržena na požadované hodnoty součinitele prostupu tepla U = 0,3 W/m 2.K. Obvodová konstrukce u druhé zděné varianty (VAR. 2) byla navržena na stejnou hodnotu součinitele U jako má navržená skladba u domu T (VAR. 3), tj. U = 0,12 W/m 2.K. Analýza byla provedena pouze pro rozsah 1.N.P. Výsledky porovnávací analýzy jsou zřejmé z grafu na Obr. 3 (100% = referenční varianta VAR. 1). Z výsledků analýzy je zřejmé, že konstrukční řešení 1. N.P. domu T (VAR. 3) vykazuje menší svázanou spotřebu energie (o 10% méně než referenční VAR. 1) i menší množství svázaných emisí CO 2,ekviv. (o 32% méně než referenční varianta). Naopak v případě svázaných emisí SO 2,ekviv. vychází konstrukce domu T díky větší spotřebě betonářské výztuže oceli oproti ostatním variantám hůře. Z porovnání součinitelů prostupu tepla U je zřejmý výrazný rozdíl mezi referenční variantou navrženou na požadované hodnoty a oběma variantami odpovídajícími pasivnímu standardu. Započítáme-li u domu T i další interiérovou vrstvu tepelné izolace v tl. 60 mm, vychází tato varianta i z hlediska součinitele prostupu tepla U nejlépe. Varianta VAR. 3 (dům T) je navíc výhodná i z hlediska využití obnovitelných materiálů (dřevo a materiály na bázi dřeva) a relativně snadno recyklovatelných materiálů (beton, betonářská výztuž). Z hlediska posuzování celého životního cyklu LCA bude tato varianta vykazovat menší množství nerecyklovatelných odpadů po dožití konstrukce i menší dopravní nároky. 3.2 Metodika hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí S ohledem na zvyšující se požadavky na šetření konstrukčními materiály a další úspory spojené s dopravní zátěží nabývá princip optimalizace, redukce hmotnosti betonových konstrukcí a jejich hodnocení v rámci celého životního cyklu v posledním období na významu. Tyto požadavky nejsou motivovány pouze ekonomickými důvody, nýbrž se stále výrazněji prosazují kritéria environmentální, vyplývající z komplexního pojetí udržitelné výstavby. Metodika hodnocení životního cyklu - Life Cycle Assessment je obecně zaměřena na libovolný produkt lidské činnosti a je popsána v souboru mezinárodních norem ISO Touto metodikou lze hodnotit dopad libovolného výrobku (vč. stavebních konstrukcí, i celých staveb) během celého životního cyklu od výroby až po likvidaci, v případě staveb tzn. od těžby primárních surovin pro výrobu stavebních materiálů až po demolici. Na základě této obecné metodiky hodnocení životního cyklu vzniká struktura specificky zaměřené pracovní verze programu icf concrete LCA Tool pro hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí.

6 Cílem programu icf concrete LCA Tool je možnost objektivně porovnat a vyhodnotit různé druhy konstrukcí z různých typů betonů z hlediska vlivů na životní prostředí (energetická náročnost, produkce emisí atd.) a to v průběhu celého životního cyklu konstrukce (stavby). Program má sloužit k porovnání dopadů různých typů konstrukcí realizovaných dle odlišných technologií (monolitická, prefamonolitická nebo prefabrikovaná konstrukce) z normálních betonů, vláknobetonů, vysokopevnostních betonů i z betonů s velmi vysokou pevností UHPC. Životní cyklus stavební konstrukce nebo stavby je rozdělen na tři základní fáze: i) výstavba, ii) užívání, iii) konec životního cyklu (demontáž, demolice). V programu jsou jednotlivé fáze životního cyklu betonové konstrukce podrobněji rozčleněny dle grafu viz Obr. 4. Obr. 4 Fáze životního cyklu betonových konstrukcí v programu icf concrete LCA Tool V rámci inventarizační analýzy LCA jsou části jednotlivých bilancovaných procesů uspořádány v programu do modulů (viz Obr. 5). V modulech jsou bilancovány a kvantifikovány všechny materiálové a energetické toky (vstupy i výstupy), tzn. potřeby surovin, produktů a vedlejších produktů, pomocných materiálů, energií, vody a dopravy, vznikajících emisí, vedlejších produktů a odpadů z výrobních procesů. Každý modul subsystému je pro jednotlivé části procesů podrobně popsán a následně jsou bilancovaná data sestavena do tabulky, kde jsou vždy vztažena na jednotku bilancovaného produktu, např. 1 m 3, 1 t apod. Rozdělení dat v bilančních tabulkách je následující: i) vstupy suroviny (primární), sekundární suroviny, produkty, pomocné materiály, energie (primární paliva, sekundární paliva a elektrická energie) a voda, ii) transport, iii) výstupy vedlejší produkty a odpady.

7 Obr. 5 Modulový systém inventarizační analýzy Hodnocení dopadů systému (konstrukce nebo stavby) zahrnuje spojení jednotlivých dat z bilančních tabulek se specifickými kategoriemi dopadů na životní prostředí. Všechny vlivy kvantifikované v inventarizační analýze jsou rozděleny do jednotlivých kategorií dopadů, podle nichž bude probíhat následné hodnocení. Hodnocené kategorie dopadů v programu icf concrete LCA Tool jsou: a) spotřeba primárních surovin, b) spotřeba primární energie, c) spotřeba vody, d) skleníkový efekt (GWP), e) okyselování prostředí (AP), f) tvorba přízemního ozónu (POCP), g) materiály recyklovatelné po dožití konstrukce, h) materiály částečně recyklovatelné po dožití konstrukce, i) materiály nerecyklovatelné po dožití konstrukce, odpady. Metoda LCA umožňuje v případě kvalitních vstupních dat inventarizační analýzy stanovení environmentálních parametrů konstrukce v rámci jejího celého životního cyklu. Metodou LCA lze poměrně přesně vystihnout konkrétní podmínky realizace hodnocené konstrukce, výroby jednotlivých složek betonové směsi, výroby stropních vložek, celých prefabrikátů, lze určit dopravní vzdálenosti jednotlivých složek (kamenivo, cement, plastifikátory, výztuž atd.), vlastního transportbetonu, stropních vložek nebo prefabrikovaných prvků. Takto stanovené hodnoty environmentálních parametrů konstrukce (nebo např. i určité betonové směsi) jsou pak velmi individuální a popisují pouze právě hodnocenou konstrukci (betonovou směs). Absolutní hodnoty environmentálních parametrů (svázaná spotřeba energie, svázané emise CO 2,ekviv. apod.) např. stejného betonu C30/37 se tak mohou pro různé betonárny s ohledem na dostupnost jednotlivých složek, energetickou náročnost jejich výroby a jejich dopravní vzdálenosti do betonárny nebo výrobny prefabrikátů i významně měnit. Kvalitu a environmentální efektivitu betonové směsi, resp. konstrukce z ní navržené je tedy třeba posoudit v globálním úhlu pohledu v rámci celého jejího životního cyklu.

8 4. Závěr Realizace nosného systému prokázala zřejmé výhody kombinace subtilního železobetonového skeletu a dřevostavby - nejen z hlediska konstrukčního ale i environmentálního. Současně však potvrdila nezbytnost přísnějšího dodržování výrobních tolerancí jednotlivých konstrukčních subsystémů, tak aby v jejich návaznosti nedocházelo k možným nepřesnostem s rizikem vzniku poruch. Lokální zhoršení tepelně izolační funkce v důsledku přítomnosti železobetonového prvku skeletu je celkově nevýznamné, díky celkové tloušťce tepelných izolací v obvodových konstrukcích a důsledně řešeným detailům. Subtilní železobetonové prvky skeletu umožnily jejich integraci do skladby obvodových konstrukcí. Pilotní realizace ukázala, že navržená varianta lehkého železobetonového skeletu s dřevěnou vestavbou je efektivním řešením vykazujícím zřejmé technické i environmentální výhody oproti tradičním zděným variantám. Při použití betonů vyšších pevností (HPC, UHPC) je reálný potenciál využití uvedeného principu kombinované konstrukce ze subtilního železobetonového skeletu a obvodové konstrukce na bázi dřeva i pro vyšší vícepodlažní objekty. Tento výsledek byl získán za finančního přispění Grantové agentury ČR - grant GAČR 103/08/ Optimalizace navrhování progresivních betonových konstrukcí a grantu Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS10/009/OHK1/1T/11. Poděkování patří také společnostem ŽPSV, a.s., PENATUS, s.r.o. a soukromému investorovi za vstřícnost při hledání řešení. Literatura [1] Hájek, P.: Betonové konstrukce pro udržitelnou výstavbu. Beton technologie, konstrukce, sanace, 2/2008, str. 51 až 55 [2] Energeticky pasivní rodinný dům dům T. Studie: Jan Tywoniak, Dokumentace pro stavební řízení: Hájek, P. - Tywoniak, J. Fiala, C., - Matuška, T. a další), 2008 [3] Realizační dokumentace betonové prefabrikované části: ŽPSV, a.s., Chromek, P., Daněk, J., 2009, realizační dokumentace dřevěné části: Penatus, s.r.o., 2009 [4] Waltjen, T.: Passivhaus-Bauteilkatalog 2008 Ökologisch bewertete Konstruktionen, Springer-Verlag, Wien, 2008, ISBN [5] Jerebic, D.: Vergleichende Ökobilanzierung zur Gärtnerplatzbrücke in Kassel aus ultra-hochfestem Beton, Diplomarbeit, Uni Kassel, Ing. Ctislav Fiala, tel.: , ctislav.fiala@fsv.cvut.cz Prof. Ing. Petr Hájek, CSc., tel.: , petr.hajek@fsv.cvut.cz Ing. Magdaléna Kynčlová, tel.: , magdalena.kynclova@fsv.cvut.cz všichni České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra konstrukcí pozemních staveb, Thákurova 7, Praha 6