Betonové stropy s vložkami z recyklovaných materiálů Petr Hájek Snaha o úsporu konstrukčních materiálů pocházejících z primárních surovinových zdrojů patří mezi základní principy trvale udržitelného rozvoje. Stavebnictví reprezentující největšího spotřebitele surovin má velký potenciál pro úspory přírodních materiálových zdrojů. Prostředkem k tomu je optimalizace tvarového řešení a větší míra využívání recyklovaných materiálů z odpadů nahrazujících přírodní surovinové zdroje. Tradiční konstrukce betonových deskových stropů mohou být vylehčeny různými typy vložek z recyklovaných materiálů vytvářejících staticky efektivní žebrový nebo kazetový tvar železobetonové nosné části stropu. Žebrové a kazetové betonové stropní konstrukce patří k tradičním typům stropů používaným od počátků betonového stavitelství. Důvodem bylo omezení spotřeby betonu a minimalizace svislého zatížení nejenom z hlediska dimenzování vlastní stropní konstrukce (možná úspora výztužné oceli) ale i s ohledem na únosnost podporujících svislých nosných konstrukcí a základů. S menším množstvím použitého materiálu jsou spojeny i nižší nároky na jeho dopravu na staveniště a manipulaci na stavbě. Z technologických důvodů a především pro urychlení realizace se pro vytváření žebrového nebo kazetového tvaru tradičně používaly různé typy vložek (ze dřeva, keramiky, lehkého betonu aj.), které nejčastěji zůstávají v konstrukci stropu ve formě ztraceného bednění. Významné jsou i budoucí úspory vyplývající z méně náročné demolice a recyklace materiálů po dožití stavby (menší objem použitého betonu). S ohledem na zvyšující se požadavky na šetření konstrukčními materiály a další úspory spojené s dopravní zátěží nabývá princip redukce hmotnosti betonových stropních desek vylehčujícími vložkami v posledním období znovu na významu. Tyto požadavky nejsou motivovány pouze ekonomickými stimuly, nýbrž se stále výrazněji prosazují kritéria environmentální, vyplývající z komplexního pojetí udržitelné výstavby tj. výstavby reflektující požadavky trvale udržitelného rozvoje (zahrnující ekonomické, environmentální i socioekonomické aspekty současně). S tím souvisí i snaha o větší využívání druhotných surovin vzniklých recyklací dožitých výrobků a konstrukcí. Do středu zájmu odpadového průmyslu se dostávají komunální odpady, jejichž směsný charakter znesnadňuje úplnou recyklaci na primární materiály a tím zpravidla neumožňuje efektivní hodnotnější využití v některých průmyslových odvětvích. Do této kategorie patří i separovaný sběr plastů (žluté kontejnery), kde jejich roztřídění na jednotlivé druhy plastů je technicky i ekonomicky velmi náročné. Obdobně problematickým odpadem jsou i vrstvené nápojové kartony (krabice od mléka, džusů, vína aj.), kde separace jednotlivých vrstev na technologicky čisté materiály je velmi nákladná. Jednou z perspektivních cest jak realizovat technicky a ekonomicky výhodné konstrukce, které jsou zároveň šetrné k životnímu prostředí je větší míra uplatňování výrobků z recyklovaných komunálních odpadů, jejichž technické parametry sice vykazují relativně větší rozptyl (a tím je omezeno jejich použití pro přesnější průmyslovou výrobu), nicméně pro některé konstrukční prvky využívané ve stavebnictví představují dostatečně spolehlivý technický materiál. Možnosti využití druhotných surovin z odpadů pro vylehčující vložky do betonových stropů jsou dlouhodobě jedním ze zaměření výzkumných aktivit na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Cílem je využití odpadů, které se běžně nevyužívají a v převážné míře se skládkují nebo termicky likvidují ve spalovnách (se všemi zřejmými dopady na životní prostředí). V rámci výzkumu bylo navrženo a optimalizováno několik alternativ vylehčujících vložek z recyklovaného směsného odpadového plastu, ze sběrového papíru a z konstrukčních desek z vrstvených nápojových kartonů. Tři typy z navržených vložek byly ověřeny experimentálně při laboratorních zkouškách. Dva typy vložek z recyklovaného plastu byly v posledních letech úspěšně použity ve stavební praxi, ve výstavbě nových a přestavbě existujících budov.
Betonové stropy s vložkami z recyklovaných desek z vrstvených nápojových kartonů Konstrukční desky z nápojových kartonů tloušťky 10-25 mm se vyrábí v řadě zemí (SRN, Slovensko, ČR aj). V ČR byla zahájena výroba desek NOVAPAK v roce 1999 a od roku 2003 desek TETRA K. Desky z recyklovaných nápojových kartonů lze využívat v obdobných aplikacích jako jiné konstrukční desky - dřevotřískové desky, dřevocementové desky aj. Desky lze řezat, vrtat a vzájemně spojovat nebo připevňovat k jiným konstrukcím běžnými mechanickými prostředky jako jsou hřeby, vruty, šrouby, případně použít běžných typů pneumatických sponkovaček a hřebíkovaček. Konstrukční desky lze použít pro vytvoření bednění žebrových nebo kazetových železobetonových stropů (obr. 1). Osová vzdálenost žeber může být v podstatě libovolná běžně v intervalu 300 až 700 mm. Výška výplně závisí na požadovaných statických parametrech a běžně se pohybuje od 130 do 200 mm. Šířka žeber je optimálně 80 100 mm, tloušťka nabetonované vrstvy je zpravidla 50 70 mm. Velikost bednicích dílců je závislá na dopravních a manipulačních možnostech. Prvky jsou lehké, snadno se dopravují na paletách. Spodní líc bednicích dílců umožňuje provedení povrchové úpravy omítkou. 530 95 21 113 155 625 21 bednění kazet z recyklovaných desek Obr. 1 Žebrová nebo kazetová stropní deska s vložkami z recyklovaných desek NOVAPAK Recyklované desky z vrstvených nápojových kartonů NOVAPAK vyráběné ve zkušebním provozu v roce 1999 firmou Odpady Nová Paka byly využity pro výrobu ztraceného bednění testovacích těles reprezentujících kazetovou stropní konstrukci. Na experimentech provedených na FSv ČVUT v Praze byla ověřena technologie realizace a statické parametry kazetové konstrukce (obr. 2, 3). Obr. 2 Výplň kazetové desky z recyklovaných desek NOVAPAK
Obr. 3 Výplň kazetové desky z recyklovaných desek NOVAPAK Betonové stropy vylehčené instalačními vložkami z recyklovaného plastu Skořepinové vložky z recyklovaného plastu (obr. 4, 5) jsou určeny pro realizaci deskových železobetonových stropů prefa-monolitických nebo monolitických. Jsou vyráběny z materiálu Traplast, který se získává recyklací směsných plastových odpadů (výrobce Transport a.s. Lázně Bohdaneč). Vložky se umísťují na spodní "podhledovou" železobetonovou desku tvořenou filigránovým prefabrikovaným panelem nebo monolitickou betonovou deskou. Tloušťka spodní desky vychází ze statického návrhu a zpravidla je 50 70 mm. Po zabetonování žeber mezi vložkami a horní krycí betonové desky tl. 50 mm vznikne desková stropní konstrukce o celkové tloušťce 200 220 mm vylehčená ve střední části průřezu (v oblasti neutrální osy), tj. v místech, kde je beton staticky málo efektivní. Vložky umožňují kromě vylehčení železobetonového průřezu desky i využití vzniklého vnitřního prostoru pro vedení instalací. instalační komínek filigránový panel instalační vložka Obr. 4 Prefa-monolitická stropní deska typu filigrán vylehčená skořepinovými instalačními vložkami z recyklovaného plastu Vložky se vyrábějí v délce 1200 mm + 20 mm polodrážka a mají šířku 500 mm. Skládají se tak, aby mezi nimi vznikla železobetonová žebra šířky 100 200 mm (podle statického návrhu). Výška vložek je 100 mm + výška instalačního komínku. Vnitřní instalační prostor má světlou výšku 83 mm (světlá výška pod výztužnými žebírky je 60 mm).
Obr. 5 Skořepinová instalační vložka z recyklovaného plastu Skladbou vložek vzniká ve stropní konstrukci systém průběžných dutin pro umístění elektrorozvodů, rozvodů počítačových sítí, vytápění nebo vody. Vložky jsou po 600 mm opatřeny vstupním otvorem (komínkem) o průměru 100 mm. Výška instalačních komínků 50 mm slouží zároveň jako distanční míra pro zajištění konstantní tloušťky nabetonované železobetonové desky. Komínky jsou opatřeny tenkou destičkou, kterou lze v případě potřeby odstranit a vytvořit tak vstup do instalačního prostoru (a to i dodatečně v hotové konstrukci). Podélné instalační dutiny lze příčně propojit plastovými trubkami procházejícími v ose železobetonové desky v místě neutrální osy. Uvedeným řešením se získají stropní konstrukce s možností vedení instalací ve vnitřním prostoru desky. Tím lze dosáhnout menší tloušťky celé skladby stropu a současně ušetřit za případné použití zpravidla velmi nákladných instalačních podlahových systémů. Zároveň je dosaženo až 40% úspory betonu při současném zlepšení statických parametrů. Skořepinové instalační vložky byly použity při realizaci stropní konstrukce objektu Senior centrum Moravany (obr. 6). Spodní část nosné konstrukce je tvořena filigránovými panely s osovou vzdáleností filigránových výztuží 700 mm. Na filigránové desky jsou uloženy instalační skořepinové vložky. V místě polodrážek byly vložky montážně spojeny samořeznými vruty. Čela vložek v místech příčných průvlaků nebo stěn byla opatřena zátkami z pěnového polystyrenu pro zamezení zatékání betonu do instalačních dutin (obr. 7). Hlavní kabelové trasy elektrických rozvodů byly do dutiny vloženy ještě před betonáží horní části desky. Po uložení výztužné sítě horní betonové desky byla provedena betonáž do úrovně horního líce instalačních komínků. Instalační dutiny byly využity i pro vedení rozvodů vody a ústředního vytápění. Proto byly v místech instalačních uzlů ponechány větší obdélníkové otvory v místech instalačních jader.
Obr. 6 Skladba instalačních vložek na filigránových panelech při výstavbě Senior centra Moravany Obr. 7 Detail skladby u nosné zdi, čelo vložky se zátkou z pěnového polystyrenu Kazetové stropy vylehčené vložkami z recyklovaného plastu Kazetové bednicí vložky jsou určeny pro realizaci obousměrných deskových železobetonových stropů vylehčených kazetami (obr. 8, 9). Vložky jsou vyráběny ze stejného materiálu Traplast, tak jako instalační vložky v předchozím případě. Vložky se umísťují na spodní "podhledovou" železobetonovou desku tl. 30 50 mm přikotvenou ocelovými závěsy do nosných žeber nebo na plošné bednění a podhled stropu pak tvoří lehká konstrukce protipožárního podhledu. Tvar a osová vzdálenost žeber jsou navrženy tak, aby výsledná železobetonová kazetová konstrukce splňovala kritéria ČSN ENV 1992-1-1 týkající se možnosti navrhovat desky jako desky plné, tj. s využitím výhod jednoduššího způsobu vyztužování deskových konstrukcí oproti konstrukcím trámovým. Žebra jsou osově vzdálena 300x300 mm; výška tvarovek je 160 mm. Ve spodní části žeber jsou distanční žebírka pro zajištění krycí vrstvy betonu v tloušťce minimálně 20 mm. Šikmý boční tvar žebírek zajišťuje minimální krytí výztuže i pro profily větší než 20 mm bez nutnosti používání dalších speciálních podložek. Na horních plochách jsou diagonálně orientované výstupky výšky 25 mm,
určené pro uložení výztužné sítě horní desky. Tloušťka nabetonované desky se uvažuje 50 mm nebo více. distanční výstupek pro uložení sítě beton distanční žebírko zavěšený podhled hlavní výztuž Obr. 8 Kazetový strop s lehkým protipožárním podhledem Obr. 9 Kazetová vložka z recyklovaného plastu Kazetové vložky se vyrábějí ve velikosti 4 x 1 kazeta tj. o půdorysných rozměrech 310x1210 mm (včetně 10 mm polodrážky). Vložky se dají výhodně stohovat a dopravovat na europaletách (obr. 11). Při realizaci je snadná manipulace a skladba vložek, včetně ukládání výztuže do žeber na distanční žebírka. Kazetové vložky z recyklovaného směsného plastu byly použity při přestavbě dvoupodlažní železobetonové výrobní haly na skladové prostory (obr. 12 13). V rámci nového provozu byl požadavek zvýšit únosnost mezilehlé stropní konstrukce stropu tak, aby umožňovala provoz skladu s užitným zatížením 5 kn/m 2. Stávající monolitická železobetonová deska tl. 120 mm nevyhovovala pro toto zatížení a zároveň obsahovala množství otvorů, které nebyly pro nový provoz žádoucí. Jako nejvýhodnější řešení se ukázalo ponechání stávající konstrukce stropu a její využití jako bednění pro novou samonosnou konstrukci stropu dimenzovanou na požadované vyšší zatížení a překlenující otvory v původní konstrukci stropu. S ohledem na limitovanou únosnost stávající nosné konstrukce bylo hledáno řešení umožňující vylehčit stropní desku oproti plné železobetonové desce, tak aby nebylo nutné provádět další úpravy zajišťující vyšší únosnost základů a zesílení svislé nosné konstrukce tvořené železobetonovými sloupy. Nová železobetonová kazetová deska byla realizována
přímo na stávající stropní konstrukci. Plastové vložky v celkovém množství 650 m 2 byly uloženy na podlahu původní železobetonové konstrukce stropu, která tak tvoří dostatečnou protipožární ochranu. Pouze v místech otvorů bylo třeba provést ochrannou podhledovou železobetonovou desku vyztuženou sítí KARI. Podhledová deska je kotvena k horní výztuži nové desky. Obr. 10 Kazetové vložky s hlavní výztuží uloženou na distančních žebírkách, detail křížení žeber Obr. 11 Kazetové vložky na paletách jedna paleta obsahuje vložky pro 11 m 2 kazetového stropu
Obr. 12 Skladba kazetové výplně na stávající konstrukci stropu Obr. 13 Detail vyztužení kazetové desky před betonáží Zhodnocení závěrem Kazetová alternativa stropní konstrukce při přestavbě dvoupodlažní haly byla jednodušším a rychlejším řešením než demolice stávající konstrukce nebo zesilování svislé nosné konstrukce a základů. Přitom finanční náklady na realizaci kazetové stropní desky nebyly vyšší, než v případě alternativní plné železobetonové desky. Použitím kazetové desky vylehčené bednicími vložkami z recyklovaného plastu bylo v porovnání s plnou železobetonovou deskou ušetřeno 69 m 3 betonu (tj. cca 37 %) a zatížení na podpůrné konstrukce bylo menší v průměru o 1,9 kn/m 2 (tj. o cca 30 %). Při realizaci uvedené stropní konstrukce bylo použito takové množství plastového komunálního odpadu, které vyprodukuje za rok město se 7 tisíci obyvatel. Environmentální výhody spojené s využitím recyklovaného materiálu z komunálních odpadů jsou evidentní: snížení spotřeby primárních surovin
menší zatížení prostředí škodlivými emisemi CO 2, SO 2, NO x aj. omezení skládkování nebo termické likvidace odpadu se všemi negativními dopady na životní prostředí omezení množství betonového odpadu z demolovaných železobetonových konstrukcí po dožití konstrukce. Přestože environmentální výhody nejsou dosud v praxi dostatečně vnímány a ohodnoceny, realizace v praxi ukazují, že v řadě případů mohou být uvedená řešení výhodná i z čistě technologického a ekonomického hlediska. Tento příspěvek vznikl za finančního přispění MŠMT, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. Při řešení byly částečně využity teoretické výsledky dosažené v projektu GAČR 103/98/0091. Návrh obou typů vložek: Doc. Ing. Petr Hájek, CSc, FSv ČVUT. Výroba stropních vložek z recyklovaného plastu: Transform a.s., Lázně Bohdaneč. Doc. Ing. Petr Hájek, CSc Fakulta stavební ČVUT v Praze Foto: autor