OPTIMALIZOVANÉ PREFABRIKOVANÉ BALKONOVÉ DÍLCE Z VLÁKNOBETONU Ctislav Fiala, Petr Hájek, Vlastimil Bílek, Marek Ženka 1 Úvod V rámci výzkumu zaměřeného na optimalizaci využití konstrukčních materiálů byl proveden optimalizovaný návrh prefabrikovaného betonového balkónového zábradlí pro obytné budovy. Návrh zahrnoval optimalizaci tvaru, složení materiálu a vyztužení průřezu balkonového zábradlí a jeho následné experimentální ověření. Porovnání environmentálních parametrů prefabrikovaného zábradlí z vláknobetonu a tradičního konvenčně vyztuženého betonového zábradlí ukázalo vyšší environmentální kvality optimalizovaného řešení. Vlastnosti betonů pro jednotlivé výseky balkonového zábradlí byly zkoušené v laboratořích ŽPSV a.s. Uherský Ostroh. Experimentální ověření mechanických vlastností pěti výseků balkónového zábradlí z různých směsí vláknobetonů bylo provedeno v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT v březnu 2010. 2 Návrh vláknobetonového zábradlí Tvarové řešení optimalizovaného vláknobetonového zábradlí vychází z půdorysného tvaru zábradlí stávajícího. Zábradlí je navrženo ve tvaru znázorněném na Obr. 1 se zkosenými rohy. Celková délka zábradlí je 3410 mm a výška 1050 mm. Cílem návrhu bylo eliminovat množství konvenční výztuže (běžně dvě kari sítě) v desce stávajícího zábradlí konstantní tloušťky 80 mm a zmenšit tloušťku zábradlí, tak aby došlo k maximálním úsporám konstrukčních materiálů, betonu a oceli. Deska optimalizovaného zábradlí je navržena v tloušťce 40 mm a nemůže být tedy efektivně vyztužena konvenční výztuží. Zábradlí je proto navrženo z vláknobetonu a to i s ohledem na zajištění vysoké spolehlivosti a trvanlivosti konstrukce. Obr. 1 Tvar vláknobetonového prefabrikovaného zábradlí Vlastní tvar zábradlí a nutného podélného ztužujícího žebra vychází z optimalizace průřezu vláknobetonového zábradlí a jeho prvotní návrh byl proveden s 1
využitím optimalizačního programu [2]. Ztužující žebro tl. 120 mm je navrženo po celém obvodě prefabrikátu, uprostřed rozpětí je navrženo svislé žebro šířky 60 mm s celkovou tloušťkou včetně desky 80 mm. 3 Experimentální ověření výseku zábradlí z vláknobetonu 3.1 Výroba výseků balkonového zábradlí Pro experimentální ověření navržených směsí bylo provedeno pět výseků zábradlí z vláknobetonových směsí s různými přísadami (CSF - mikrosilika Chryso, MK - metakaolin Metaver I) a objemem vláken, viz Tab. 1. Experimentální výseky balkonového zábradlí byly vyrobeny ve spolupráci s firmou ŽPSV a.s. Uherský Ostroh. Výseky balkonového zábradlí pro experimentální ověření mechanických vlastností tenké desky mezi ztužujícími žebry byly vyrobeny ve tvaru průřezu znázorněném na Obr. 2. Délka výseku balkonového zábradlí byla 1,0 m, teoretické rozpětí balkónového zábradlí pro zatěžovací zkoušku čtyřbodovým ohybem bylo 1,0 m. Vlastnosti betonů pro jednotlivé výseky balkonového zábradlí byly zkoušené v laboratořích ŽPSV a.s. Uherský Ostroh a jsou uvedeny v následující tabulce Tab. 1. Trámečky 40/40/160 mm zrály ve vodě. Tab. 1 Vlastnosti betonů pro experimentální výseky balkonového zábradlí 23.7.09 21.9.09 30.9.09 7.10.09 8.10.09 Pevnost v tlaku [MPa] 75,9 ± 2,5 93,1 ± 0,1 86,3 ± 2,0 91,7 ± 2,2 93,4 ± 2,0 Pevnost v tahu ohybem [MPa] 11,1 ± 0,5 11,3 ± 0,3 9,6 ± 0,2 11,9 ± 0,5 10,8 ± 0,5 Objemová hmotnost [kg/m 3 ] 2136 ± 10 2255 ± 20 2185 ± 2 2310 ± 25 2264 ± 30 Příměs CSF 8% MK 4% MK 4% MK 5% CSF 8% vlákna Chryso 22 mm 3,2 kg/m 3 2,5 kg/m 3 5 kg/m 3 5 kg/m 3 5 kg/m 3 3.2 Experimentální ověření výseku zábradlí z vláknobetonu Ověření mechanických vlastností výseků balkónového vláknobetonového zábradlí bylo provedeno standardní zatěžovací zkouškou čtyřbodovým ohybem na pěti vyrobených výsecích zábradlí dle schématu na Obr. 2 v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT. Obr. 2 Schéma zatěžovací zkoušky 2
Každý z pěti výseků balkonového zábradlí byl osazen čtyřmi kladičkovými snímači průhybu a čtyřmi tenzometry HBM 50/120 LY pro snímání poměrných deformací; umístění viz Obr. 2. Experimentální ověření balkonových výseků bylo provedeno podle normy ČSN 73 2030 v Experimentálním centru v březnu 2010. Cílem experimentálního ověření bylo prověřit možnost využití mezi ztužujícími žebry tenké vláknobetonové desky v tl. 40 mm bez konvenční výztuže. Srovnání naměřených hodnot (průhybů a relativních deformací) pro jednotlivé výseky prefabrikovaného balkonového zábradlí realizované z různých směsí je uvedeno v následujících grafech, viz Obr. 3. Obr. 3 Srovnání průhybů a poměrných deformací jednotlivých výseků Nejlepších výsledků z hlediska průhybu a poměrných deformací bylo dosaženo na zkušebním tělese vyrobeném ze směsi 21. září 2009. Tato směs obsahovala 4% metakaolinu Metaver I a 2,5 kg/m 3 vláken Chryso délky 22 mm. Naměřené průhyby se u všech pěti směsí pohybovaly cca v rozmezí 0,5 1,0 mm, což představuje průhyb cca L/2000 až L/1000. Mezní průhyb uvažovaný hodnotou L/250 je 4,0 mm (pro rozpětí L = 1,0 m uvažovaným mezi žebry). Pro srovnání jednotlivých směsí byly staveny pro jednotlivé experimentálně ověřované výseky maximální ohybové momenty při porušení M exp a stanovené výpočtem M vyp pro materiálové charakteristiky zjištěné experimentálně viz Tab. 1. Experimentálně zjištěný maximální ohybový moment (M exp,(21.9.) = 1,97 knm) je asi 5krát větší než ohybový moment vypočítaný ze zatížení větrem (M Sd,w = 0,38 knm). Experimentální ověření tenké desky mezi obvodovými ztužujícími žebry zábradlí ukázalo podstatné rezervy v možném zatížení. Na základě výsledků experimentálního ověření a environmentální analýzy byla vybrána vláknobetonová směs, ze které se v závěru září 2010 bude vyrábět zkušební těleso celého zábradlí v měřítku 1:1. Experimentální ověření těchto zkušební těles se předpokládá v závěru roku 2010. 4 Environmentální hodnocení Environmentální dopady (svázaná spotřeba energie, svázané emise CO 2,ekviv., svázané emise SO 2,ekviv. ) a vlastní tíha jednotlivých variant zábradlí jsou ukázány na následujícím grafu, viz Obr. 4. Graf ukazuje relativní srovnání hodnot v procentech, kde za referenční byla zvolena původní varianta zábradlí tl. 80 mm s konvenčním vyztužením průřezu dvěma kari sítěmi. 3
Obr. 4 Relativní srovnání environmentálních dat Relativní srovnání ukazují, že varianty vláknobetonového zábradlí redukují vlastní tíhu použitých konstrukčních materiálů (betonu a oceli) přibližně o 35%. Z hlediska environmentálních aspektů se jako nejpříznivější řešení ukazuje druhá varianta s polypropylenovými vlákny Chryso (FC 23.7.). Redukce environmentálních dopadů činí u této varianty ve srovnání se standardním řešením přibližně 25%. 5 Integrace solárních systémů do balkonového zábradlí Pro integraci aktivních solárních prvků do budov je s ohledem na dostupnost solárního záření a případně i možnost volby orientace nejvíce využívána střecha objektů. Balkonové zábradlí nabízí další alternativu pro umístění těchto prvků v případech, kdy je střecha pro tyto účely nevhodná např. množstvím prostupů nebo na ní již není potřebné místo. Integrace do fasády s sebou oproti většině střešních instalací přináší zvýšené nároky na estetickou kvalitu výrobků (barevnost, rozměry, řešení rámů, aj.), tak i způsob jejich architektonického začlenění. Dalším charakteristickým rysem těchto instalací je větší riziko zastínění a omezená možnost volby orientace a sklonu. U svislých instalací (předpokládejme jižní orientaci) je roční úhrn slunečního záření pouze cca 65% oproti optimálnímu sklonu pro maximalizaci zisků. Výhodou naopak může být, a to zejména u vysokých budov, že se decentralizovaný zdroj energie nachází blízko místa spotřeby. Větší sklon může být výhodou u větších instalací s ohledem na rovnoměrnější energetický zisk v průběhu roku, kdy je přirozenou cestou zamezeno přehřívání kolektorů v letním období a efektivnější využití na jaře a na podzim. Větší sklony lze proto využít i pro kombinaci přípravy teplé vody s podporou vytápění. Stěžejní otázkou je, jak velká plocha je pro instalaci aktivních solárních prvků na zábradlí v bytovém domě potřeba. Za předpokladu, že zařízení funguje pouze pro danou bytovou jednotku, se výběr omezuje prakticky jen na teplovodní solární kolektory. U fotovoltaických panelů by bylo potřeba získat alespoň 7-8 m 2 (1kW p ) k připojení na jeden střídač. Teplovodní kolektory by měly být s ohledem obsazení bytu a běžnou velikost těchto rodinných systémů minimálně dva, popřípadě i tři kusy. Běžná velikost kolektoru 4
je 2 x 1m, tedy min. 4 m 2. Výška zábradlí 1m je z tohoto pohledu optimální pro instalaci naležato. Výhoda krátkých vedení decentralizovaných systémů je zde kompenzovaná nepříjemností, kudy v interiéru vést zaizolované potrubí s teplonosným médiem. Za balkóny nebo lodžiemi se většinou v dispozici nachází obytné místnosti, kterými je potřeba projít do centra dispozice k zásobníku. Plné betonové zábradlí je v podstatě ideální z pohledu kotvení obou typů solárních instalací. Nespornou výhodou je možnost volby kotevních otvorů podle typu osazovaného výrobku. Je důležité podotknout, že rozměrové řady jak teplovodních, tak fotovoltaických kolektorů nejsou unifikovány. Předpokládané zatížení je cca 30 kg/ m 2 v případě teplovodních kolektorů, respektive 12 kg/ m 2 v případě fotovoltaických panelů. Obr. 5 Ukázka integrace solárního teplovodního systému do balkonového zábradlí 6 Závěr Analýza statických a environmentálních parametrů balkonového zábradlí ukazuje na významný potenciál praktické aplikace subtilních konstrukcí (z vlákny vyztužených cementových kompozitů) využívaných v environmentálně příznivých konstrukcích budov. Při návrhu energeticky efektivních budov a hledání dostatečného množství vhodných ploch pro umístění solárních systémů na fasádě větších bytových objektů se jako výhodné jeví využití možnosti integrace solárních systémů s menšími konstrukčními prvky jako je např. balkonové zábradlí. Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M0579, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. V příspěvku bylo využito dílčích výstupů výzkumného projektu GAČR 103/08/1658 - Optimalizace navrhování progresivních betonových konstrukcí a grantu Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS10/009/OHK1/1T/11. Literatura [1] Hájek, P., Kynčlová, M., Fiala, C.: Large scale tests and environmental evaluation of the waffle floor slabs from fibre concrete, Fibre Concrete 2009, Praha, CTU, 2009, p. 105 110, ISBN 978-80-01-04381-3. 5
[2] Fiala, C., Hájek, P.: Environmentální optimalizace komůrkové železobetonové desky, 12. Betonářské dny 2005, Hradec Králové, ČBS ČSSI, 2005, ISBN 80-903502-2-4. Ing. Ctislav Fiala ČVUT v Praze, Fakulta stavební Thákurova 7 166 29 Praha 6 +420 224 354 473 +420 233 339 987 ctislav.fiala@fsv.cvut.cz URL www.ctislav.wz.cz Prof. Ing. Petr Hájek, CSc. ČVUT v Praze, Fakulta stavební Thákurova 7 166 29 Praha 6 +420 224 354 459 +420 233 339 987 petr.hajek@fsv.cvut.cz URL www.fsv.cvut.cz Ing. Vlastimil Bílek, CSc. ŽPSV a.s. Křižíkova 68/188 660 90 Brno +420 532 045 582 +420 532 045 587 bilek@zpsv.cz URL www.zpsv.cz Ing. Marek Ženka ČVUT v Praze, Fakulta stavební Thákurova 7 166 29 Praha 6 +420 224 354 473 +420 233 339 987 marek.zenka@fsv.cvut.cz URL www.fsv.cvut.cz 6