VYSOKOHODNOTNÉ A ENVIRONMENTÁLNĚ EFEKTIVNÍ STAVEBNÍ MATERIÁLY, KONSTRUKCE A TECHNOLOGIE Ctislav Fiala 1. Vysokohodnotné materiály na silikátové bázi Hitem stavebnictví v oblasti silikátů se na přelomu tisíciletí stal tzv. vysokohodnotný beton (High-Performance Concrete), který umožňuje díky jeho technologickým vlastnostem, realizaci nejen konstrukcí subtilnějších, ekonomičtějších a estetičtějších, ale zejména, což je dnes v globálním pohledu nejpodstatnější, konstrukcí trvanlivějších a spolehlivějších. Statická spolehlivost je jedním z nejdůležitějších kritérií v oblasti konstrukčního návrhu a to právě v důsledku nárůstu mimořádných situací v posledních letech ve světě (živelné katastrofy, exploze, požáry atd.). Snahou v oblasti výzkumu je využít nových, naprogramovaných mechanických vlastností vysokohodnotných betonů s optimalizovaným složením a v zásadní míře je v optimalizovaných konstrukcích přenést do běžné stavební praxe ve formě tzv. udržitelné výstavby, tedy výstavby respektující základní kritéria udržitelného rozvoje [1]. V zahraničí je tento přístup označován jako integrovaný návrh udržitelných budov - Integrated Design of Sustainable Buildings. 1.1 Vysokohodnotné konstrukční betony Vysokohodnotné konstrukční betony představují skupinu tzv. nových betonů, které mají oproti běžným druhům betonů nadprůměrnou jednu nebo více svých vlastností. V nových progresivních konstrukcích dnes nacházejí uplatnění zejména betony: samozhutnitelný beton (Self-Compacting Concrete) význam samozhutnitelného betonu pro stavební praxi leží především v technologické oblasti, i když zvýšené pevnosti samozhutnitelných betonů nejsou zanedbatelnou předností. Technologické výhody samozhutnitelných betonů jsou tedy především (i) odstranění vibrace čerstvé betonové směsi při ukládání do bednění, (ii) dokonalé vyplnění bednění čerstvou betonovou směsí i tvarově složitých konstrukcí a pravidelné rozvrstvování směsi u rozměrných horizontálních plošných konstrukcí se zárukou objemově homogenního betonu, (iii) podstatné snížení hlučnosti při výstavbě (možnost noční betonáže), (iv) minimalizování dodatečných úprav povrchu betonových konstrukcí dané dokonalou povrchovou hladkostí a stejnorodostí. Z ekonomického hlediska jsou výhody betonu a výsledný zisk při použití samozhutnitelných betonů založeny především na (i) minimalizaci stavebních aktivit při betonáži včetně snížení počtu pracovníků na stavbě, (ii) zvýšení produktivity práce a tím urychlení vlastní výstavby, (iii) snížení energetické náročnosti stavby dané nízkou viskozitou čerpané betonové směsi obsahující optimální množství superplastifikátoru a přísady zlepšující tokové charakteristiky směsi. vysokopevnostní beton (High-Strength Concrete) vysokopevnostní betony jsou v konstrukcích navrhovány z důvodu zvýšení únosnosti v tlačených oblastech průřezů či vzhledem k hutnější a pevnější mikrostruktuře k zvýšení trvanlivosti konstrukcí. Pevnosti v tlaku 1
HSC se pohybují v rozmezí 55 až 180 MPa, tabelárně jsou zpracovány v rozmezí C55/67 až C100/115. Často jsou HSC aplikovány jako samozhutnitelné. V oblasti pozemního stavitelství má HSC uplatnění především u konstrukcí výškových staveb, v dopravním stavitelství pak u mostních konstrukcí, které jsou zejména vystavené agresivnímu mořskému ovzduší, a v inženýrském stavitelství pak např. u vrtných plošin pro těžbu ropy a zemního plynu. beton s velmi vysokou pevností (Ultra-High Performance Concrete) jedná se o betony nabývající pevnosti v tlaku větší než 180 MPa. Využití mají obdobné jako vysokopevnostní betony, v praxi ovšem prokazatelně nabývají pevností okolo 200 MPa, laboratorně však dokonce pevností až 400 800 MPa. Méně častým, ovšem přesnějším, názvem pro tuto skupinu betonů je tzv. Reactive Powder Concrete (RPC), beton je vhodný pro použití v chemicky agresivním prostředí. Volně lze RPC přeložit jako reaktivní práškový beton, neboť k přípravě tohoto betonu se používají velmi jemné, reaktivní suché komponenty jako jsou např. drcený křemenný písek, popílky, mikrosilika atd. Velikost takovýchto částic je v řádech 300 až 0,2 µm. lehký beton (Light Concrete) spektrum využití lehkých betonů je široké, od snížení hmotnosti konstrukce až po jejich nejvýznamnější tepelně izolační vlastnosti. Lehké betony se nejčastěji používají jako (i) konstrukční lehký beton, používaný jako čerstvý lehký beton ukládaný do bednění nebo jako prefabrikáty. Lehký čerstvý hutný beton (lehké kamenivo LIAPOR, spékaný popílek LYTAG), mezerovitý jednozrnný čerstvý beton (hutné nebo mezerovité kamenivo spojeno cementovým tmelem), pěnobeton (pískový čerstvý beton lehčený zamíchanou pěnou vyrobenou z bílkovinných hydrolyzátů). (ii) tepelně izolační jednozrnný a nosný lehký beton, který je zejména zastoupen plynobetony vyšší objemové hmotnosti, plynobetonové tvárnice a prefabrikáty (YTONG, vyráběné autoklávovým způsobem), tvárnice a prefabrikáty s lehkým kamenivem. (iii) vysoce tepelně izolační lehký beton, který je zastoupen plynobetony s nižší objemovou hmotností a pěnobetony. vláknobeton (Fibre Concrete) vláknobetony v sobě skýtají obrovský potenciál v oblastech aplikací v pozemních stavbách. V řadě zemí světa jsou vyvíjeny nové cementové kompozity s různými druhy vláken polymerová (polyetylén, polypropylén, atd.), skleněná, uhlíková, ocelová v různých délkách a profilacích. Vyjma zvýšené duktility a odolnosti vůči objemovým změnám je přínos vláken i v oblasti požární odolnosti konstrukcí. Použití vláken v konstrukcích lze rozdělit na základní dvě skupiny. Jednou z možností je požadavek částečného navýšení pevnosti v tahu spojené do jisté míry s pokusem o odstranění křehkého porušení konstrukce. Mezi vlákna používaná pro tento požadavek patří zejména vlákna s dostatečnou pevností, vhodným modulem pružnosti a schopností spolupůsobit s cementovou matricí ocelová (drátkobetony), skleněná a uhlíková. Druhá skupina vláken se aplikuje pro omezení projevů objemových změn, zejména projevů smršťování v počátečním stadiu tuhnutí (autogenní smršťování). vodotěsný beton (Watertight Concrete) vodotěsný beton se užívá především pro konstrukce, které jsou dlouhodobě jednostranně vystaveny vodnímu tlaku. Ve specifických případech je vyžadována i odolnost vůči agresivnímu prostředí, musí být mrazuvzdorné a odolávat proudění vody. Vodotěsný beton je dnes využíván zejména na vodohospodářských stavbách, v posledních letech se však množí využití i u konstrukcí pozemních staveb, podzemních objektů nebo částí, vystavených účinkům vody, které nemají ve své skladbě obsaženou jinou účinnou hydroizolaci. 2
2. Environmentálně efektivní stropní konstrukce a technologie Vývoj nových konstrukcí a technologií pozemních staveb se musí zejména zaměřit na zvyšování energetické účinnosti staveb, efektivnější využívání primárních zdrojů surovin, vody a na omezování produkce škodlivých emisí a odpadů. Výběr a skladba konstrukčních prvků a technologií realizace by měly respektovat vysoké funkční kvality v rámci dlouhé životnosti objektu a proto by se při návrhu a optimalizaci konstrukce mělo posuzovat chování konstrukce v rámci celého životního cyklu a uvažovat tak i předpokládané cykly údržby oprav a výměny jednotlivých konstrukčních částí. Součástí tohoto integrovaného návrhu by mělo být i řešení sladění životností jednotlivých konstrukčních prvků tak, aby byla zajištěna snadná výměna prvků s menší životností. Dále jsou uvedeny některé konstrukční přístupy vycházející z požadavků udržitelné výstavby, které jsou poměrně snadno uplatnitelné při navrhování a výstavbě především silikátových konstrukcí budov: maximální využití environmentálně efektivních (obnovitelných) a recyklovaných materiálů, minimalizace spotřeby neobnovitelných (primárních) zdrojů surovin; vyšší míra prefabrikace vyšší rychlost a efektivnost výstavby, tj. snížení negativního vlivu stavebního procesu na okolí stavby; konstrukční řešení umožňující variabilitu objektu; konstrukční řešení umožňující demontáž, demolici, separovatelnost a recyklovatelnost stavebních materiálů, popřípadě opětovné využití prvků či konstrukčních celků; sledění životnosti jednotlivých konstrukčních prvků. Aplikace vysokohodnotných betonů v nově navrhovaných stropních konstrukcích umožňuje navrhovat výrazně efektivnější průřezy konstrukce z hlediska konstrukčně statického, kdy vlastnosti nových betonů umožňují při daných rozpětích konstrukce a její celkové tloušťce dosáhnout snížení plošné hmotnosti konstrukce při její celkově větší spolehlivosti. Toho lze dosáhnout kvalitním integrovaným návrhem a zejména multikriteriální optimalizací stropní konstrukce, jež v sobě nese nejen optimalizaci tvaru a vyztužení konstrukce, ale i složení použitého betonu a materiálů v konstrukci. Minimalizace rozměrů konstrukce, tedy zejména objemu betonu a výztuže v konstrukci, pak vede k návrhům stropních konstrukcí trámového nebo lépe kazetového (komůrkového) charakteru. 2.1 Stropní konstrukce s recyklovanými vložkami Významnou roli, v širších souvislostech, hrají i aplikace recyklovaných materiálů v nově navrhovaných progresivních konstrukcích - např. experimentálně vyráběné vložky z recyklovaného směsného plastu z komunálního odpadu (výroba v závodě Transform a.s. Lázně Bohdaneč, www.recyklace.cz), které již byly úspěšně využity ve stropních konstrukcích prefamonolitických i prefabrikovaných při rekonstrukcích i novostavbách [3], [4]. 3
Příklad z praxe I. Senior centrum Moravany, prefamonolitická stropní konstrukce z filigránových panelů s instalačními vložkami z recyklovaného směsného plastu. Spotřeba betonu díky stropním vložkám snížena o 0,08 m 3 /m 2, tj. 34%. Stavba byla realizována v r. 2000. Příklad z praxe II. Domov důchodců v Újezdu u Brna, stropní konstrukce z komůrkových prefabrikovaných panelů s vložkami z recyklovaného směsného plastu v kombinaci s prefamonolitickou deskou s filigránovými panely. Experimentální ověření 3 prototypů panelů proběhlo v létě 2006 v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT, realizace Domova důchodců, představující realizaci cca 6000 m 2 stropních konstrukcí, by měla proběhnout v roce 2007. Více o panelu včetně jeho srovnání z hlediska spotřeby materiálů a environmentálních kritérií s dosud běžně realizovanými stropními konstrukcemi v [6]. 2.2 Křížem vyztužené monolitické kazetové desky na velké rozpony Jak již bylo zmíněno, progresivním tvarem stropní konstrukce je z hlediska spotřeby materiálů a environmentálních kritérií kazetový tvar stropní konstrukce. Zajímavým příkladem takové konstrukce jsou železobetonové monolitické křížem vyztužené kazetové desky [5], které jsou realizovány pomocí plastového bednění (výrobce Uninox s.r.o., www.uninox.cz), tj. speciálně vyztužených typizovaných plastových forem, které umožňují snadné vytvoření žeber ve dvou na sebe kolmých směrech. Plastové formy jsou vyráběny ve čtyřech modulových řadách a o různých výškách (150 až 425 mm), tak aby výsledná stropní konstrukce byla navržená s ohledem na konkrétní rozpětí a zatížení. Environmentální výhodnost té či oné varianty je u kazetové železobetonové monolitické stropní konstrukce závislá na optimální volbě především bednících plastových forem, tedy zvolené účinné výšce průřezu pro daný typ rozpětí a zatížení konstrukce. 3. Závěr Stavebnictví a pozemní stavby mají rozhodující vliv na životní prostředí v globálním pohledu, neboť reprezentují největšího spotřebitele primárních surovinových a energetických zdrojů a tím platí i za velkého producenta škodlivých emisí a odpadů. Realizace tzv. environmentálních opatření na konstrukcích a budovách jsou proto velice efektivní. Provedené experimenty a pilotní realizace v posledních letech ukazují, že je reálné dosahovat kvalitních parametrů udržitelné výstavby při srovnatelných investičních nákladech a to i při uplatňování nových environmentálně efektivních materiálů, konstrukcí a technologií. Podklady [1] Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu, CIB Report Publication 237, české vydání ČVUT v Praze, Praha 2001 [2] Hájek, P.: Udržitelná výstavba budov principy a přístupy, anotace přednášky v rámci pilotní kurzu JPD3, Praha 2006. [3] Fiala, C., Hájek, P.: Environmentally Based Optimisation of RC Slabs with Lightening Fillers, Advanced Engineering Design, Praha, 2006. [4] Fiala, C., Hájek, P., Bílek, V.: Komůrkový železobetonový panel s vložkami z recyklovaného plastu, 13. Betonářské dny 2006, Hradec Králové: ČBS ČSSI, 2006. 4
[5] Fiala, C., Hájek, P.: Environmentální analýza kazetových stropních konstrukcí, Praha, 2007. [6] Fiala, C.: Stropní panel s vložkami z recyklovaného směsného plastu jako progresivní alternativa k dosud převládajícím řešením, Juniorstav 2007, Brno: FAST VUT, 2007. Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. Ing. Ctislav Fiala České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra konstrukcí pozemních staveb Thákurova 7, 166 29 Praha 6 224 354 473 ctislav.fiala@fsv.cvut.cz URL www.ctislav.wz.cz 5