STROPNÍ PANEL S VLOŽKAMI Z RECYKLOVANÉHO SMĚSNÉHO PLASTU JAKO PROGRESIVNÍ ALTERNATIVA K DOSUD PŘEVLÁDAJÍCÍM ŘEŠENÍM FLOOR PANEL LIGHTENED BY RECYCLED NON-SORTED PLASTIC FILLERS AS A PROGRESSIVE ALTERNATIVE TO CURRENT DOMINANT SOLUTIONS Abstract Ctislav Fiala 1 It is possible to use the precast floor panel with the installation of recycled non-sorted plastic fillers for small-width span (up to c. 6.0 m). In case of the installation of passing space inside the floor structure, it could be used for wiring, water or heating system conduction. The reduction of the self-weight (c. 30% in comparison to a full reinforced concrete slab) positively influences also smaller loading of vertical load-bearing structures and foundations. The environmental and economical advantages are the following: (i) using of recycled material from municipal waste (non-sorted plastic), (ii) reduction of primary unrenewable sources consumption, (iii) reduction of transit and material manipulation costs and (iv) savings on supporting constructions. Key words Precast floor panel (prefabrikovaný stropní panel), loading test (zatěžovací zkouška), recycled pastic (recyklovaný plast), environmental assessment (environmentální hodnocení). 1 ÚVOD Optimalizace spotřeby konstrukčních materiálů zaměřená na redukci čerpání primárních neobnovitelných surovin a současně na větší využívání recyklovaných surovin je jedním ze základních požadavků při vývoji nových stavebních konstrukcí respektujících požadavky udržitelné výstavby. Tvar a skladba panelu byly navrženy na základě multikriteriální optimalizace tvaru a vyztužení z hlediska statických a environmentálních kritérií [1]. Ve skladbě panelu byla použita instalační vložka z recyklovaného směsného plastu, která byla předmětem předchozího výzkumu a byla i ověřena v praxi (využita pro vylehčení prefamonolitické stropní konstrukce a pro vedení horizontálních rozvodů elektroinstalace uvnitř stropní konstrukce). Prefabrikovaný stropní panel s instalačními vložkami z recyklovaného směsného plastu lze využít u malorozponových konstrukcích budov (cca do 6,0 m). Při realizaci průchodek v čelech panelů je možné rovněž zajistit vedení elektřiny, slaboproudu, vodovodu nebo vytápění v nosné konstrukci. Vylehčení stropního panelu (cca o 40% oproti plné desce stejné tloušťky) se pozitivně projevuje i na menším zatížení podporujících svislých konstrukcí a základů. Environmentální i ekonomické výhody souvisí především (i) s využitím recyklovaného materiálu z komunálního odpadu (směsný plast), (ii) se snížením spotřeby primárních neobnovitelných surovin, (iii) se snížením nároků na dopravu a manipulaci materiálů a (iv) s úsporami v konstrukcích podporujících. 2 KOMŮRKOVÝ STROPNÍ PANEL S VLOŽKAMI Z RECYKLOVANÉHO PLASTU 2.1 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 (přibližně po 45 minutách) položí mezi filigránové nosníky skořepinové instalační vložky z recyklovaného plastu, utěsněné v čelech panelů pruhy pěnového polystyrenu (viz. obr. 1). Tím vznikne ztracené bednění čtyř podélných komůrek. Po osazení horní výztuže se provede dobetonování žeber a horní desky stropního panelu do úrovně instalačních komínků. První tři prototypy panelů byly vyrobeny ve výrobním závodě Prefa ŽPSV Uherský Ostroh v Borohrádku na jaře 2006. Vzhledem k možnosti výrobního závodu a místních podmínek aplikace byly navrženy a vyrobeny panely o rozměrech š/h/l = 2,4/0,2/4,45 m. Panely byly navrženy z hutného betonu s pevností C30/37, ocel R 10 505. Podhledová i vrchní deska panelu byla navržena tloušťky 50 mm. Osová vzdálenost žeber je 580 mm, šířka žeber je 80 mm (výška žebra resp. vložek 100 mm). Hlavní ohybovou výztuž tvoří profil R10 ve vzdálenostech 120 mm (u krajů panelu dva profily 1 Ctislav Fiala, Ing., ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra konstrukcí pozemních staveb, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, ctislav.fiala@fsv.cvut.cz
R10 po 70 mm), rozdělovací výztuž spodní desky R6 po 140 mm. Žebra panelu jsou vyztužena filigránovou výztuží R6, výztuž horní desky s ohledem na smršťování a manipulační zatížení tvoří svařená síť z kari drátů W4. Obr. 1 Panel po osazení vložek z recyklovaného směsného plastu na podhledovou železobetonovou desku tl. 50 mm (vložky zaslepeny pěnovým polystyrenem) 2.2 EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ Experimentální ověření dvou panelů bylo provedeno v souladu s ČSN 732030 Zatěžovací zkoušky stavebních konstrukcí v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT v Praze v létě 2006. Experimentální ověření mechanických vlastností komůrkových panelů bylo provedeno standardní zatěžovací zkouškou čtyřbodovým ohybem. 2.2.1 PŘÍPRAVA ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKY Charakter podepření (pevné a posuvné ocelolitinové ložisko) simuloval prostý nosník o rozponu 4,2 m. Každý panel byl osazen pěti kladičkovými snímači svislého průhybu, po dvou snímačích v jednom svislém řezu ve třetinách rozpětí pod zatěžovacími břemeny (P1, P2 a P4, P5), jeden snímač průhybu byl umístěn pod středem rozpětí panelu (P3), (viz. obr. 2). 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. Na prostředním žebru byl osazen tenzometr (T13), na krajním žebru (T10, T15 u panelu 2) a nad dutinou mezi žebry (T12). Obr. 2 Panel s osazenými snímači a tenzometry připravený ke zkoušce 2.2.2 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 (tj. 40 kn). V pátém zatěžovacím stupni zatížení odpovídalo třetímu stupni + 20%, tedy 85 kn. V každém dalším zatěžovacím stupni
bylo zatížení zvyšováno o 15 kn až do dosažení meze únosnosti. V průběhu zatěžování byl snímán průhyb i napětí na povrchových vláknech obou panelů. Maximální síla při porušení prvního panelu byla F max,1 = 295 kn, u druhého panelu pak F max,2 = 310 kn. 2.3 VÝSLEDKY MĚŘENÍ Pro ověření kvality betonu byly po zatěžovací zkoušce z okrajů každého panelu provedeny 3 odvrty pro zjištění pevnosti betonu v tlaku. Pevnost v tlaku vzorků z prvního panelu byla 43,7 až 48,7 MPa, u druhého panelu pak 63,7 až 76,6 MPa. Naměřené hodnoty odpovídají betonu použitému při výrobě a to u prvního panelu betonu C30/37, u druhého panelu byl použit beton C45/55 z důvodů možnosti dřívějšího odbednění a vyjmutí z formy. Závislost průhybů obou panelů na zatížení je zřejmá z grafů (viz. graf 1). Mezní hodnota průhybů dle mezního stavu použitelnosti je y lim = 14 mm. Skutečně naměřené hodnoty jsou ve středu rozpětí při druhém zatěžovacím stupni, (G+Q) k = 65 kn, rovny u panelu č. 1 po ustálení 8,9 mm, u panelu č.2 pak 6,0 mm, přičemž při výpočtu dle ČSN P ENV 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí, část 1.1 byla hodnota průhybu pro častou kombinaci zatížení bez vlivu smršťování rovna 13,5 mm. Graf 1 Vývoj průhybů na panelu č. 1 a č. 2 Závislost poměrných deformací na zatížení je zřejmá z následujícího grafu (viz. graf 2). 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 měřeným v místech 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. Graf 2 Záznam poměrných deformací na panelu č. 1 a č. 2
3 ENVIRONMENTÁLNÍ HODNOCENÍ ALTERNATIV STROPNÍCH KONSTRUKCÍ V environmentálním hodnocení stropních konstrukcích bylo srovnáváno 9 běžně používaných stropních konstrukcí se stropní konstrukcí z prefabrikovaných panelů s vložkami z recyklovaného směsného plastu. Prefabrikované panely s vložkami z recyklovaných plastů mají být použity při stavbě domova důchodců v Újezdu u Brna. Projekt objektu obsahuje celkem cca 6000 m 2 stropních konstrukcí. Stropní konstrukce jsou navrženy na modul o osové vzdálenosti 4,5 m. V environmentálním hodnocení jednotlivých alternativ stropních konstrukcí byly použity materiálové charakteristiky uvedené v tabulce (viz. Tab. 1). Tab. 1 Materiálové charakteristiky použité v hodnocení Jednotlivé typy hodnocených alternativ stropních konstrukcí jsou uvedeny s vlastním environmentálním profilem na následujících tabulkách (viz. Tab. 2 až Tab. 11). Environmentální profil každé stropní konstrukce zahrnuje společně s obrázkem a stručným popisem tři podskupiny dat: (i) uvedení hodnot plošné hmotnosti, svázané energie a svázaných emisí CO 2, ekviv. a SO x,ekviv. v jednom metru čtverečním konstrukce, (ii) zdroj materiálů použitých v konstrukci, tj. materiály obnovitelné, materiály recyklované a materiály z přírodních zdrojů a (iii) možnost využití materiálů po dožití konstrukce - možnost recyklace, tj. materiály plnohodnotně recyklovatelné, částečně recyklovatelné a nerecyklovatelné. Tab. 2 Plná železobetonová stropní deska jednosměrná, alt. filigránová + nabetonávka, tl. 200 mm
Tab. 3 Komůrkový železobetonový panel s vložkami z recyklovaného směsného plastu, tl. 200 mm Tab. 4 Železobetonový vylehčený panel PZD, tl. 190 m Tab. 5 Strop z dílců YTONG PAD 240, tl. 240 mm Tab. 6 Nosníkový strop POROTHERM MIAKO, tl. 230 mm
Tab. 7 Nosníkový strop BSK STANDARD, tl. 250 mm Tab. 8 Žebrový strop systému VELOX, tl. 270 mm Tab. 9 Žebrový strop s vložkami z recyklovaných nápojových kartonů, tl. 250 mm Tab. 10 Filigránový panel s vložkami z pěnového polystyrenu, tl. 230 mm
Tab. 11 Železobetonový trámový strop (tl. 200 mm) se sádrokartonovým podhledem Při environmentální analýze vybraných deseti stropních konstrukcí byly sledovány hodnoty svázaných emisí CO 2 a SO x, svázaných energií a plošné hmotnosti na metr čtvereční stropní konstrukce. Výsledky v absolutních hodnotách pro jednotlivé alternativy stropních konstrukcí jsou uvedeny v tabulkách Tab. 2 až Tab. 11. Procentuální srovnání hodnot jednotlivých alternativ stropů je uvedeno na následujících grafech. Jako referenční stropní konstrukce byla zvolena plná železobetonová deska tl. 200 mm, jejíž hodnoty jsou ve srovnání v grafech rovny 100%. Graf 3 Plošná hmotnost stropních konstrukcí Plošná hmotnost referenční plné železobetonové desky je 489,4 kg/m 2. Všechny ostatní konstrukce jsou s ohledem na spotřebu primárních surovin úspornější v průměru o 40% (viz. Graf 3). Z hlediska plošné hmotnosti, tedy vlastní spotřeby materiálů, se jako nejefektivnější jeví trámový strop se sádrokartonovým podhledem (nevýhodou je ovšem nárůst celkové tloušťky stropu). Plošná hmotnost komůrkového železobetonového panel s vložkami z recyklovaného plastu je řádově jako průměr o 40% nižší než plošná hmotnost referenční plné železobetonové desky. Plošná hmotnost je významným faktorem i pro následnou analýzu svázaných hodnot emisí a energie, neboť jednotlivé hodnoty jsou vztaženy na 1 kg materiálu. Procentuální srovnání hodnot svázaných emisí CO 2,ekviv., SO x,ekviv. a svázaných energií jsou zřejmá z grafů Graf 4 až Graf 6. V grafech je zřejmé snížení rozdílu plné referenční desky v hodnotách svázaných emisí a energie oproti ostatním konstrukcím, které je způsobeno, i přes snížení plošné hmotnosti konstrukcí, aplikací materiálů (stropních vložek, bednících prvků atd.), jejichž výroba je téměř vždy energeticky náročnější než výroba nahrazeného běžného betonu (někdy významně, např. pěnový polystyren, pórobeton). Přesto jsou ostatní alternativy, vyjma velmi energeticky náročné výroby pórobetonu, oproti referenční plné desce z hlediska svázaných hodnot výhodnější, snížení svázaných hodnot emisí je řádově 20 až 30%, snížení hodnot svázaných energií je převážně v řádech jednotek %. Komůrkový železobetonový panel s vložkami z recyklovaného plastu je např. v hodnotách svázaných energií o 4,6% méně příznivý než referenční plná deska. Příčinou je poměrně energeticky náročná výroba plastových vložek (viz. Tab. 1). V hodnotách svázaných emisí je panel i přesto o cca 20% výhodnější alternativou než plná železobetonová deska.
Graf 4 Svázané emise CO 2,ekviv. stropních konstrukcí Graf 5 Svázané emise SO x,ekviv. stropních konstrukcí Graf 6 Svázaná spotřeba energie stropních konstrukcí
Významným aspektem při návrhu nových konstrukcí respektujících principy udržitelné výstavby je výběr materiálů, z nichž je konstrukce navržena. Důležité je z hlediska principů udržitelné výstavby šetření neobnovitelných přírodních zdrojů materiálů, využívání obnovitelných zdrojů materiálů a materiálů recyklovaných. Hmotnostní procentuální podíl použitých materiálů analyzovaných konstrukcí je zřejmý z následujícího grafu. Převážná většina materiálů ve všech konstrukcích je z přírodních zdrojů, menší část je z materiálů recyklovaných recyklovaný směsný plast, recyklované nápojové kartony a vybrané části sádrokartonového podhledu. U stropní konstrukce systému VELOX je 10% hmotnostních z obnovitelných zdrojů materiálů (dřevěné štěpky použité při výrobě štěpkocementových desek). Graf 7 Hmotností podíly materiálů v konstrukcích dle jejich zdroje Z grafu je zřejmé, že zatím převládá využívání materiálů z přírodních zdrojů. Větší míra využívání recyklovaných, recyklovatelných a obnovitelných zdrojů je ovšem nasnadě. Příznivým trendem v oblasti konstrukčního návrhu je snaha o úspory přírodních zdrojů materiálů a snižování plošných hmotností konstrukcí, jež v sobě nese i významné úspory v oblasti svázaných emisí a energií. Příkladem progresivního návrhu, respektujícího principy udržitelné výstavby, je v kapitole 2 popsaný komůrkový stropní panel s vložkami z recyklovaného plastu. Rozdíl v plošné hmotnosti činí oproti referenční plné desce 181,3 kg/m 2, což při realizaci zmíněných 6000 m 2 stropů představuje úsporu 1087,8 t materiálu. Úspora betonu (tedy převážně materiálů z primárních neobnovitelných zdrojů) činí téměř 520 m 3. Stropní vložky se v konstrukci 6000 m 2 stropů podílí hmotností 105,6 t, tj. přibl. 100 m 3 recyklovaného plastu. Z grafů (Graf 4 a Graf 5) je zřejmé i výrazně nižší zatížení životního prostředí svázanými emisemi CO 2,ekviv. o 19,5 kg CO 2,ekviv. /m 2 (při ploše 6000 m 2 je úspora 117,0 t CO 2,ekviv. ) a emisemi SO x,ekviv. o 91,5 g SO x,ekviv. /m 2 (při ploše 6000 m 2 je úspora 549,0 kg SO x,ekviv. ). Z hlediska svázaných energií je rozdíl 64,7 MJ/m 2 (při ploše 6000 m 2 je úspora 388 GJ). 4 ZÁVĚR Experimentální ověření statických parametrů prokázalo dostatečnou spolehlivost komůrkových panelů s vložkami z recyklovaného směsného plastu, při současné úspoře konstrukčních materiálů a menší vlastní tíze konstrukce. Environmentální analýza prokázala, že navržený panel je rovnocenným partnerem dosud převládajících řešení stropních konstrukcí z environmentálního hlediska, tedy prokazuje nižší zatížení životního prostředí emisemi CO 2, SO x, svázanou spotřebou energie i přímými úsporami primárních zdrojů surovin (výhledově i menším množstvím materiálu při demolici konstrukce po jejím dožití). Z hlediska dalších kritérií a principů udržitelné výstavby je navíc ovšem výhodou panelu využití recyklovaného materiálu (směsný plast), vyšší rychlost výstavby (prefabrikovaná konstrukce) a oproti většině ostatních alternativ i menší celková tloušťka konstrukce, což u vícepodlažních objektů hraje významnou roli při následné spotřebě materiálů dalších navazujících a kompletačních konstrukcí. Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS.
Literatura [1] FIALA, C.-HÁJEK, P. Environmentální optimalizace komůrkové železobetonové desky, 12. Betonářské dny 2005, Hradec Králové: ČBS ČSSI, 2005. ISBN 80-903502-2-4. [2] FIALA, C.-HÁJEK, P-BÍLEK, V. Komůrkový železobetonový panel s vložkami z recyklovaného plastu, 13. Betonářské dny 2006, Hradec Králové: ČBS ČSSI, 2006. ISBN 80-903807-2-7. Recenzoval Ing. Jitka Vašková, CSc., ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra betonových a zděných konstrukcí, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, tel. 224 354 636, jitka.vaskova@fsv.cvut.cz