KOMŮRKOVÝ ŽELEZOBETONOVÝ PANEL S VLOŽKAMI Z RECYKLOVANÉHO PLASTU Ctislav Fiala, Petr Hájek, Vlastimil Bílek 1 Úvod Optimalizace spotřeby konstrukčních materiálů zaměřená na redukci čerpání primárních neobnovitelných surovin a současně na větší využívání recyklovaných materiálů je jedním ze základních požadavků při vývoji nových stavebních konstrukcí respektujících požadavky udržitelné výstavby. V rámci předchozího výzkumu bylo navrženo a optimalizováno několik alternativ vylehčujících vložek z recyklovaného směsného plastu z komunálního odpadu. Dva typy vložek byly v posledních letech úspěšně použity ve stavební praxi, ve výstavbě nových a přestavbě existujících budov [1], [2]. Instalační vložky z recyklovaného plastu použité již v roce 2000 při výstavbě Senior centra v Moravanech pro vylehčení prefamonolitických železobetonových stropů byly použity v novém typu prefabrikovaného komůrkového železobetonového panelu. Tvar a skladba panelu byly navrženy na základě multikriteriální optimalizace tvaru a vyztužení z hlediska statických a environmentálních kritérií [3]. 2 Výroba panelů Koncepce výroby komůrkových panelů vychází z tradiční technologie výroby filigránových panelů na běžných výrobních linkách. Na vybetonovaný spodní filigránový panel se po ztuhnutí betonu desky (cca po 1 hodině) položí mezi filigránové nosníky skořepinové instalační vložky z recyklovaného plastu, utěsněné v čelech panelů pruhy pěnového polystyrenu. Tím vznikne ztracené bednění čtyř podélných komůrek. Po osazení Obr. 1 Výroba komůrkového panelu skladba instalačních vložek 1
horní výztuže se provede dobetonování horní desky stropního panelu (cca po další hodině) do úrovně instalačních komínků. Stropní panely byly vyrobeny ve výrobním závodě Prefa ŽPSV Uherský Ostroh v Borohrádku na jaře 2006, obr. 1. Vyrobeny byly tři prototypy panelů výšky 0,2 m, šířky 2,4 m a délky 4,45 m. Panely byly navrženy z hutného betonu s pevností C30/37 resp. 45/55, ocel R 10 505. Podhledová i vrchní deska panelu byla navržena tloušťky 50 mm. Hlavní ohybovou výztuž tvoří profil R10 ve vzdálenostech 120 mm (u krajů panelu dva profily R10 po 70 mm). Žebra panelu s osovou vzdáleností 580 mm jsou vyztužena filigránovou výztuží profilu R6, výztuž horní desky s ohledem na smršťování a manipulační zatížení tvoří svařená síť z kari drátů W4. 3 Experimentální ověření mechanických vlastností Ověření mechanických vlastností komůrkových panelů bylo provedeno standardní zatěžovací zkouškou tříbodovým ohybem na dvou ze tří vyrobených prototypových panelech. Experimenty byly provedeny v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT v Praze. Vlastní zatěžovací zkoušky proběhly v termínech 27.7. 2006 a 22.8.2006. Stáří prefabrikátů bylo v době zkoušky 4 resp. 5 měsíců. 3.1 Příprava zatěžovací zkoušky Charakter podepření (pevné a posuvné ocelolitinové ložisko) simuloval prostý nosník s rozponem 4,2 m. Panel byl osazen 5-ti kladičkovými snímači svislého průhybu, po dvou snímačích v jednom příčném řezu ve třetinách rozpětí pod zatěžovacími břemeny (P1, P2 a P4, P5), jeden snímač průhybu byl umístěn pod středem rozpětí panelu (P3) obr. 2. Obr. 2 Schéma osazení snímačů Napětí v povrchových vláknech betonu panelu bylo měřeno pomocí tenzometrů HBM 50/120 LY. Tenzometry byly nalepeny na spodním povrchu na prostředním žebru (T14) a krajním žebru (T11). Na horním povrchu panelu byly osazeny tři tenzometry, a to na 2
prostředním žebru (T13), krajním žebru (T10, T15 u panelu 2) a nad dutinou mezi žebry (T12) viz obr. 2 a 3. Obr. 3 Panel s osazenými snímači a tenzometry připravený ke zkoušce 3.2 Průběh zatěžovací zkoušky Panel byl zatěžován ve stupních až do dosažení meze únosnosti pomocí pulsátoru HAPZ s hydraulickým válcem 600 kn. První zatěžovací stupeň odpovídal účinkům stálého charakteristického zatížení G k = 40 kn, druhý stupeň součtu stálého a nahodilého charakteristického zatížení (G+Q) k = 65 kn, třetí stupeň součtu charakteristického stálého a návrhového užitného zatížení G k + Q d = 70 kn. Ve čtvrtém stupni byl panel odtížen na úroveň prvního stupně. V pátém zatěžovacím stupni zatížení odpovídalo třetímu stupni + 20%, tedy 85 kn, v dalších zatěžovacích stupních bylo zatížení zvětšováno vždy o 15 kn až do dosažení meze únosnosti. V průběhu zatěžování byl snímán průhyb i napětí na povrchových vláknech panelu. Maximální síla při porušení prvního panelu byla F max,1 = 295 kn, u druhého panelu F max,2 = 310 kn. 4 Výsledky měření 4.1 Tlaková zkouška na válcových vývrtech Po ohybových zkouškách panelů byly z jejich okrajů (nad podporami) odvrtány vždy tři kusy vzorků pro zjištění pevnosti betonu v tlaku. Pevnost v tlaku u vzorků z prvního panelu byla 43,7 až 48,7 MPa, u druhého panelu 63,7 až 76,6 MPa. Naměřené hodnoty odpovídají betonu použitému při výrobě a to u prvního panelu C30/37. U druhého panelu byl použit beton C45/55 z důvodu možnosti dřívějšího odbednění a vyjmutí z formy. 4.2 Průhyby Závislost průhybů panelů č.1 a č.2 na zatížení je zřejmý z grafů na obr. 4. Mezní hodnota průhybu dle mezního stavu použitelnosti je y lim = 14 mm. Skutečně naměřené hodnoty jsou ve středu rozpětí (při (G+Q) k = 65 kn) u panelu č. 1 rovny po ustálení 8,9 mm, u panelu č. 2 pak 6,0 mm, přičemž při výpočtu dle ČSN P ENV 1992-1-1, část 1.1 byla hodnota průhybu pro častou kombinaci zatížení bez vlivu smršťování rovna 13,5 mm. 3
Obr. 4 Vývoj průhybů na panelu č.1 a č.2 4.3 Poměrné deformace Nárůst poměrných deformací u obou panelů je znázorněný na obr. 5. V horních, nejvíce tlačených vláknech je patrná koncentrace napětí v místě žeber, kdy hodnota poměrné deformace měřená tenzometrem T12 je v absolutních hodnotách přibližně poloviční oproti hodnotám měřených v místě žeber. U panelu č.2 je rozdíl hodnot u tenzometru T15 v místě krajního žebra menší. Ukončení křivek v tažených oblastech na spodních vláknech je zapříčiněno výpadkem tenzometrů při měření. 5 Environmentální hodnocení Obr. 5 Poměrné deformace na panelu č.1 a č.2 Stropní konstrukce z komůrkových železobetonových panelů s instalačními vložkami má být použita při stavbě domova důchodců v Újezdu u Brna. Projekt objektu obsahuje celkem cca 6000 m 2 stropních konstrukcí. Předpokládá se kombinace prefabrikovaného stropu z komůrkových panelů a prefamonolitické konstrukce s filigránovými panely s na stavbě vloženými vložkami a dobetonováním (použito v atypických částech půdorysu). 4
V environmentálním hodnocení stropních konstrukcí byly použity materiálové charakteristiky uvedené v Tab. 1. Stropní panel s instalačními vložkami z recyklovaného směsného plastu je porovnáván s alternativou filigránových stropů s plnou železobetonovou deskou na shodné rozpětí, tloušťka desky 200 mm, hlavní ohybová výztuž ØR10 po 110 mm, při horním povrchu kari síť 5/150/150 mm. materiál objemová hmotnost [kg/m 3 ] cena [Kč/m 3 ] sváz.emise CO 2 [kg CO 2 ekviv./kg] sváz.emise SO 2 [g SO 2 ekviv./kg] sváz.energie [MJ/kg] BETON C30/37 2 400 2 566 0,13 0,50 0,80 OCEL R 10 505 7 850 172 700 0,80 3,60 13,00 STROPNÍ VLOŽKY Z RP 1060 *) 15 590 *) 0,492 1,05 7,36 *) Hodnoty se týkají pouze vlastního materiálu vložky Tab. 1 Materiálové charakteristiky použité v hodnocení Při environmentální analýze stropních konstrukcí byly sledovány hodnoty svázaných emisí CO 2 a SO 2, svázaných energií a plošné hmotnosti na metr čtvereční stropní konstrukce. Výsledné hodnoty pro strop z komůrkových panelů a referenční plnou filigránovou desku jsou uvedeny v Tab. 2. Tab. 2 Porovnání variant stropních konstrukcí Z tabulky 2 jsou zřejmé rozdíly jednotlivých veličin mezi stropy z komůrkových panelů a referenční alternativou stropů z filigránových plných desek. Rozdíl plošné hmotnosti činí 185,3 kg/m 2, což při realizaci 6000 m 2 stropů představuje úsporu 1111,8 t materiálu. Úspora betonu činí téměř 520 m 3. Stropní vložky se v konstrukci 6000 m 2 stropů podílí hmotností 132,6 t, tj. přibl. 125 m 3 recyklovaného plastu. Z tabulky je zřejmé i výrazně menší zatížení životního prostředí s ohledem na menší hodnoty svázaných emisí a svázané energie při použití komůrkové konetrukce s vložkami z recyklovaného plastu. 5
6 Závěr Experimentální ověření statických parametrů prokázalo dostatečnou statickou spolehlivost komůrkových panelů, při současné úspoře konstrukčních materiálů a menší vlastní tíze stropní konstrukce. Z ekonomického porovnání komůrkového stropu s vložkami z recyklovaného plastu a plné filigránové desky z hlediska nákladů na materiál vychází výhodněji tradiční plná filigránová deska (náklady nižší o cca 70 Kč/m 2 ). V tomto porovnání však nejsou zohledněny úspory dopravních a mzdových nákladů při transportu a ukládání většího množství betonu. Zároveň menší plošná hmotnost stropní konstrukce (o 185,3 kg/m 3 ) se projeví v nižších nárocích na podporující svislé nosné konstrukce a na dimenze základů s evidentními dalšími ekonomickými úsporami. Environmentální zhodnocení prokazuje nižší zatížení životního prostředí emisemi CO 2, SO 2, svázanou spotřebou energie i přímými úsporami primárních zdrojů surovin, výhledově i menším množstvím materiálu při demolici konstrukce po jejím dožití. Environmentální výhody nejsou sice zatím ekonomicky zhodnoceny, nicméně představují významný parametr z hlediska komplexního hodnocení konstrukcí z hlediska jejich udržitelnosti. Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. Literatura [1] Hajek, P.: Integrated Environmental Design and Optimization of Concrete Floor Structures for Buildings. In: Proc. Sustainable Building 2005, Tokyo, 2005 [2] Hájek, P.: The Way towards Sustainable Construction by the Use of Recycled Municipal Waste, Rethinking Sustainable Construction 2006, Sarasota, USA, 2006 [3] Fiala, C., Hájek, P.: Environmentální optimalizace komůrkové železobetonové desky, 12. Betonářské dny 2005, Hradec Králové, ČBS ČSSI, ISBN 80-903502-2-4, 2005 Prof. Ing. Petr Hájek, CSc. České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra konstrukcí pozemních staveb Thákurova 7, 166 29 Praha 6 224 354 459 233 339 987 petr.hajek@fsv.cvut.cz URL http://people.fsv.cvut.cz/~hajekp/ Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D. ŽPSV a.s. Křižíkova 68/188 660 90 Brno 532 045 582 532 045 587 bilek@zpsv.cz URL www.zpsv.cz 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 6