Progresívne betónové konštrukcie pre udržateľnú výstavbu budov

Betón je vďaka svojim mechanickým vlastnostiam, trvanlivosti, dostupnosti východiskových surovín a možnosti variabilného návrhu nepochybne najrozšírenejším stavebným materiálom. Nové druhy vysokohodnotných betónov dosahujú z hľadiska mechanickej odolnosti, trvanlivosti a odolnosti pri mimoriadnych zaťaženiach výrazne lepšie vlastnosti a súčasne umožňujú stavať konštrukcie s menšou spotrebou materiálu a energie, pričom pri výrobe cementu, betónovej zmesi alebo pre debniaci systém využívajú aj odpadové materiály z iných procesov. Možnosť vyhotovenia subtílnych betónových konštrukcií zároveň zvyšuje potenciál uplatnenia betónu pri energeticky úspornej výstavbe budov.

Výroba betónu na jedného obyvateľa sa vo vyspelých krajinách pohybuje medzi 1,5 – 3 tonami ročne. S tým je spojená značná spotreba primárnych neobnoviteľných surovín (na výrobu cementu a kameniva) i energie [1].

Ťažba surovín, doprava, výroba stavebných prvkov, výstavba a ďalšie kroky životného cyklu sú spojené s produkciou škodlivých emisií (CO₂, SO_x a i.) a spotrebou energie, ktorú si vyžaduje spracovanie a konštrukcia akéhokoľvek materiálu. Osobitne v českých podmienkach, kde je vysoká tradícia betónového staviteľstva, môžu vhodne navrhnuté betónové stavby prispieť k riešeniu globálnych problémov v oblasti udržateľnej výstavby, t. j. výstavby zameranej na vysokú kvalitu z hľadiska environmentálnych, ekonomických a sociálnych aspektov [2].

Environmentálne výhody betónových konštrukcií
Úspory primárnych materiálových zdrojov

• Pri návrhu odľahčených prierezov a so súčasným použitím vysokohodnotných betónov možno vytvoriť subtílne betónové konštrukcie so spotrebou betónu o 40 až 60 percent nižšou oproti tradičnému riešeniu. S tým sú spojené aj menšie dopravné a manipulačné nároky. Nižšia hmotnosť subtílnej betónovej konštrukcie vedie k menšiemu zaťaženiu podporných zvislých konštrukcií a základov, a tým aj k ich menším rozmerom.
• Tepelnoakumulačné vlastnosti betónu môžu prispievať k úsporám energie potrebnej na vykurovanie a chladenie vnútorného prostredia budov.
• Použitý betón z demolícií možno recyklovať a použiť ako náhradu kameniva v konštrukciách zemných telies pri dopravných, vodných, ale aj pozemných stavbách. V menšej miere možno recyklovaný betón použiť aj ako náhradu za kamenivo v novom betóne.
• Betónové konštrukcie s vysokou trvanlivosťou a dlhou životnosťou sú počas celého svojho životného cyklu energeticky i materiálovo menej náročné na údržbu pri rekonštrukciách a demolícii.
• Kvalitne zhotovený betónový povrch si nevyžaduje ďalšie povrchové úpravy.

Zníženie množstva emisií a odpadov

• Výroba betónu a prefabrikovaných prvkov „na mieru“ pre konkrétne konštrukcie umožňuje redukciu odpadov vo výrobe aj na stavbe.
• Betón možno vyrábať aj z lokálne dostupných zdrojov, čím sa redukujú náklady a environmentálne vplyvy vzniknuté dopravou (emisie, hluk, prašnosť).
• Nové technológie betónu zužitkujú pri výrobe betónovej zmesi aj niektoré druhy odpadu (popolček, škvaru, mikrosiliku a pod.).
• Pri využití doplnkových materiálov (popolčeka, škvary, mikrosiliky) ako náhrady za energeticky náročný portlandský cement možno znížiť hodnoty viazanej (embodied) energie a viazaných emisií CO₂ a SO_x.

Ekonomické výhody betónových konštrukcií
Úspory nákladov na realizáciu

• Subtílne betónové konštrukcie znamenajú nižšie materiálové, dopravné i manipulačné náklady.
• Pri použití menšieho množstva kvalitnejšieho betónu môže byť výsledná cena konštrukcie nižšia, a to aj vtedy, ak je jednotková cena kvalitnejšieho betónu vyššia ako bežného betónu.
• Menšia plocha prierezov zvislých betónových prvkov (hrúbka nosných stien a i.) sa môže pozitívne prejaviť v efektivite výstavby budov (napr. na územiach s regulovanou zastavanosťou).

Úspory v rámci životného cyklu

• Betónové konštrukcie majú v porovnaní s inými materiálmi dlhšiu životnosť, sú odolné proti klimatickým vplyvom, dobre odolávajú opotrebeniu užívaním, málo podliehajú degradačným účinkom. S tým súvisia aj menšie náklady na ich prevádzku, údržbu a demolíciu.
• Konštrukcie z vysokohodnotných betónov majú v porovnaní s iným konštrukčným riešením spravidla ešte vyššiu trvanlivosť (a z toho vyplývajúce úspory pri údržbe, opravách) a životnosť (úspory súvisiace s dlhším využitím konštrukcií).
• Betónové konštrukcie môžu vďaka svojej akumulačnej schopnosti v určitých situáciách znížiť prevádzkové náklady na chladenie a vykurovanie budov.
• Prefabrikované betónové konštrukcie sa môžu navrhovať ako demontovateľné, umožňujúce opätovné využitie konštrukčných prvkov [3], [4].

Výhody betónových konštrukcií z hľadiska sociálnych aspektov
Zaistenie kvalitného vnútorného prostredia budov

• Betónové steny a stropy v porovnaní s inými konštrukčnými riešeniami často vykazujú lepšie akustické vlastnosti (predovšetkým väčšiu vzduchovú nepriezvučnosť súvisiacu s väčšou plošnou hmotnosťou).
• Kvalitne vyhotovené betónové povrchy sa ľahko udržiavajú, dobre sa čistia a majú dlhú trvanlivosť.
• Betónové konštrukcie nie sú zdrojom toxických emisií ani prchavých organických látok [5].
• Betón umožňuje značnú flexibilitu návrhu vďaka takmer ľubovoľnému tvarovaniu prvkov, limitovanému iba statickými požiadavkami na spoľahlivosť.
• Veľkorozponové železobetónové konštrukcie zastropenia umožňujú zmenu v usporiadaní vnútorných priestorov počas životnosti nosnej konštrukcie budovy, čím zvyšujú využiteľnosť nosnej konštrukcie.

Zaistenie vyššej bezpečnosti

• Betónové konštrukcie lepšie odolávajú účinkom požiaru, pôsobeniu vetra, vody, mimoriadnych účinkom seizmicity, explózií i teroristických útokov.

Konštrukčné princípy
Optimalizácia tvaru – odľahčenie železobetónovej konštrukcie
Optimalizácia tvaru s cieľom znížiť spotrebu materiálu vedie k subtílnym, odľahčeným prierezom konštrukcií. V dôsledku ich nižšej hmotnosti sú menej zaťažené podporné konštrukcie aj samotné prvky vlastnou váhou, čo prináša ďalšie úspory.

Klasický prístup odľahčenia vo forme kazetovej alebo rebrovej konštrukcie sa pri veľkých rozponoch používa aj pri súčasných stavbách (obr. 1). Použité vysokohodnotné betóny umožňujú ďalšie úspory vďaka zmenšeným prierezom. Požiadavka rovného podhľadu stropnej konštrukcie spolu so snahou o zníženie plošnej hmotnosti vedie k odľahčovaniu jadra železobetónového prierezu rôznymi typmi vložiek z ľahkých materiálov. Týmto spôsobom možno dosiahnuť odľahčenie stropnej dosky a súčasne úsporu betónu o 30 až 50 percent (obr. 2). Podobným spôsobom možno odľahčovať aj betónové základové dosky.

Ďalšou možnosťou je použiť ľahké konštrukčné betóny. V týchto prípadoch však treba vyriešiť možnú koróziu výstuže v pórovitej štruktúre ľahkého betónu.

Optimalizácia zloženia betónovej zmesi – vysokohodnotné betóny
Vysokohodnotné betóny možno použiť na optimalizáciu tvarov železobetónových prierezov, ktoré môžu byť pri vhodných mechanických vlastnostiach materiálu veľmi subtílne. Často sa využívajú kompozitné vláknobetóny, vystužené oceľovými, sklenými alebo plastovými vláknami.

Využitie recyklovaných odpadových materiálov
Recyklované odpady možno využiť pri výrobe cementu, vlastnej betónovej zmesi alebo debniacich prvkov, prípadne ďalších komponentov (obr. 3). Na zvýšenie pevnosti a spracovateľnosti sa využíva popolček, škvara alebo mikrosilika, ktoré nahrádzajú primárne kamenivo a vďaka svojim spevňujúcim vlastnostiam znižujú spotrebu energeticky náročného portlandského cementu. Použitý betón z demolovaných stavieb možno využiť ako zásypový materiál, nahrádzajúci prírodné kamenivo. Recyklované kamenivo možno v obmedzenej miere použiť aj do nového betónu ako náhradu prírodného kameniva.

Betónové prefabrikované diely s integrovanými funkciami
Prefabrikáty umožňujú navrhovať integrované konštrukčné prvky zložitejších tvarov, prispôsobené efektívnejšie využívať betónové konštrukcie aj pre iné funkcie. V prípade železobetónových dutinových panelov možno napr. využiť akumulačný potenciál povrchových vrstiev betónu v dutinách panelov na vylepšenie tepelnej stability vnútorného prostredia budovy. Panely môžu obsahovať zabudované rozvody inštalácií alebo inštalačné vložky na dodatočné vkladanie rozvodov elektriny, vody, vykurovania alebo vzduchotechniky [6] (obr. 3).

Uplatnenie betónu v energeticky úsporných budovách
V súčasnosti sa stále zvyšuje tlak na navrhovanie energeticky úsporných budov. Dôvody sú nielen ekonomické (zvyšujúce sa ceny energií), ale aj environmentálne (využívanie energie z neobnoviteľných zdrojov – fosílnych palív – vedie k vyčerpávaniu zdrojov a súčasne k zvyšovaniu emisií CO₂, ktoré prispievajú ku globálnym klimatickým zmenám). Súčasné normy nastavujú požiadavky na stavebné konštrukcie tak, aby boli z tepelno-technického hľadiska v súlade s podobnými normami vyspelých európskych krajín s porovnateľnými klimatickými podmienkami.

S vyššími nárokmi na tepelnoizolačné vlastnosti obvodových konštrukcií narastá aj ich hrúbka. V lokalitách s regulovanou zastavanosťou územia (regulácia zastavanosti ovplyvňuje vonkajšie rozmery budov) predstavuje hrúbka obvodovej steny limitujúci parameter efektívnosti developerského zámeru. Pre developera, ktorého zaujíma veľkosť vnútornej úžitkovej plochy, lebo priamo ovplyvňuje výnos a zisk, je preto celková hrúbka obvodovej konštrukcie významným parametrom. Napríklad pri dvojpodlažnom rodinnom dome s pôdorysnými rozmermi 10 × 10 m (na pozemku s regulovanou zastavanosťou a pri jeho maximálnom využití) bude pri znížení celkovej hrúbky obvodových stien o 170 mm výnos z predaja domu o približne 19,5 tisíc eur vyšší (pri predajnej cene 1 765 eur/m² úžitkovej plochy). V takýchto prípadoch sa prejavia výhody subtílnej železobetónovej konštrukcie buď vo forme tenkej nosnej steny (hrúbky 100 – 150 mm), alebo ľahkého železobetónového skeletu.

Udržateľná výstavba budov – príklady konštrukcií z betónu
Nové ústredie ČSOB Group v Prahe-Radliciach
Kancelársku budovu pre 2 500 zamestnancov navrhol architekt J. Pleskot z AP Atelier. Pôdorys s rozmermi 72,9 × 218,7 m je členený pomocou átrií, dvorov, svetlíkov a hlbokých zárezov po obvode budovy, ktoré umožňujú prepojenie interiéru s okolitou prírodou a zaisťujú denné svetlo. Nosná konštrukcia je železobetónová, prevažne monolitická, s osovou vzdialenosťou stĺpov 8,1 × 8,1 m. Železobetónová konštrukcia (pohľadový betón bez ďalšej povrchovej úpravy) prispieva svojou akumuláciou k vyrovnávaniu vnútorných teplôt. Konštrukcia metra trasy B prechádzajúcej šikmo pod budovou je premostená železobetónovou konštrukciou tak, aby sa vibrácie neprenášali do budovy. Objekt bol navrhnutý citlivo vzhľadom na miestne prostredie a s maximálnym zapojením vonkajšej i vnútornej zelene. Zeleň je na fasádach, strechách, terasách i vo vnútorných átriách (obr. 4).

Index, Dubaj, Spojené arabské emiráty
Budova Index v Dubaji, navrhnutá architektom N. Fosterom, je vysoká 328 m a má 80 podlaží (obr. 5). Na spodných 25 podlažiach sú kancelárie, na horných 47 podlažiach sú luxusné byty. Medzi kancelárskou a obytnou časťou sa vybudovalo rekreačné zariadenie s bazénom, telocvičňou, reštauráciou a pod., svojou výškou presahujúce dve podlažia. Budova je navrhnutá tak, aby sa minimalizovali účinky slnečného žiarenia na jej vnútorné prostredie, napr. na južnú fasádu sa navrhli tieniace prvky. Je orientovaná tak, aby železobetónové jadrá akumulovali slnečné žiarenie na východnej a západnej strane a chránili stropné dosky pred jeho pôsobením.

Environment Park, Turín, Taliansko
Komplex budov Environment Park bol postavený na mieste brownfieldu (t. j. nevyhovujúceho alebo nevyužitého priemyselného areálu) po zrušenej priemyselnej zástavbe neďaleko centra mesta Turín.

Nosnú konštrukciu skúšobných laboratórií tvorí železobetónový prefabrikovaný stĺpový systém, ktorý je zakrytý zemným valom a vrstvou zeminy so zavlažovacím systémom, umožňujúcim vegetáciu intenzívnej zelene (obr. 6).

Obvodové konštrukcie sú zo železobetónových prefabrikovaných panelov a predpokladá sa ich zakrytie vysadenými popínavými kríkmi. Energetický systém využíva v maximálnej miere obnoviteľné zdroje energie vrátane fotovoltického systému.

Stredisko ekologickej výchovy Sluňákov, Horka pri Olomouci
Novostavba budovy Strediska ekologickej výchovy Sluňákov (obr. 7), navrhnutá architektonickým ateliérom Projektil Architekti, sa dokončila koncom roka 2006. Nosnú konštrukciu tvorí kombinácia železobetónovej časti, ktorá je zasypaná valom, a drevenej konštrukcie v priečelnej časti.

Železobetónová konštrukcia vytvára opornú konštrukciu pre zemný val, v ktorom je na troch výškových úrovniach umiestnený zemný výmenník tepla. Železobetónová konštrukcia svojou akumulačnou hmotou zároveň umožňuje vyrovnávanie vnútorných teplôt v letnom období a prispieva tak k nízkoenergetickému konceptu budovy.

Nízkoenergetický rodinný dom pri Prahe
Dvojpodlažný nízkoenergetický dom bol navrhnutý na mernú spotrebu tepla na vykurovanie 30 kWh/m² ročne. Nosná obvodová konštrukcia bola navrhnutá z tvárnic Liapor M hr. 240 mm s vonkajším kontaktným zateplením doskami z minerálnych vlákien s hr. 220 mm (obr. 8). Juhozápadná fasáda domu je zabezpečená subtílnou kovovou konštrukciou ochodze a drevenými lamelovými tieniacimi panelmi brániacimi silnému slnečnému žiareniu. Vykurovanie sa vybudovalo ako teplovzdušné s rekuperáciou. Solárny systém pokrýva energiu na ohrev vody zo 60 percent [6].

Energeticky pasívny rodinný dom
Rodinný dom bol postavený ako energeticky pasívny s predpokladanou spotrebou tepla na vykurovanie do 20 kWh/(m² . a), s výrazným podielom obnoviteľných energetických zdrojov. Betónové konštrukcie sa dôsledne optimalizovali so zreteľom na hmotnosť použitých materiálov. Zvislá nosná konštrukcia podzemia je stenová z dutinových betónových tvaroviek, nosný systém prvého nadzemného podlažia tvorí subtílny železobetónový skelet (obr. 9). Stropné konštrukcie nad týmito podlažiami sú spriahnuté prefamonolitické, typu filigrán. Výplňové obvodové steny a celá vrchná stavba 2. nadzemného podlažia (NP) boli zhotovené z dreva, pričom sa použil systém 2 × 4, (obr. 10).

Záver
Betónové konštrukcie majú dobré predpoklady, aby vytvárali kvalitný základ pre mnohé stavebné aplikácie, kladúce si za cieľ dosiahnuť najvyššie parametre z hľadiska kritérií udržateľnej výstavby. V prípade betónových konštrukcií sú kľúčové nasledujúce ciele a úlohy:

• uplatňovať komplexnú optimalizáciu materiálových a energetických tokov a z toho vyplývajúcu minimalizáciu environmentálnych vplyvov, so zohľadnením celej životnosti konštrukcie a celkových nákladov; zásadou je minimalizovať spotrebu energie a zároveň emisie a odpad, ktoré vznikli pri stavebnej činnosti,
• znižovať environmentálnu záťaž výrobných technológií – t. j. optimalizovať výrobné technológie cementu, betónu, betónových prvkov a konštrukcií i zloženie betónovej zmesi,
• optimalizovať tvar a výstuž betónovej konštrukcie – t. j. optimalizovať nosný systém a skladbu konštrukčných prvkov, spotrebu betónu a výstuže pri zachovaní požadovaných funkčných vlastností, spoľahlivosti a trvanlivosti,
• uplatňovať prefabrikované demontovateľné konštrukcie, t. j. s možnosťou následného použitia niektorých prvkov aj po ukončení životnosti pôvodného objektu,
• prednostne používať recyklovateľné a recyklované mate­riály.

Uvedené ciele a ich realizácie dávajú stavbárom i betonárom jasný signál, že ak v nadchádzajúcom období budú chcieť uspieť v širšej konkurencii na európskom stavebnom trhu, pri navrhovaní a výstavbe betónových stavieb budú musieť vo väčšej miere vnímať a uplatňovať nové požiadavky a kritériá vyplývajúce z globálnych aspektov trvale udržateľného rozvoja.

Tento výstup bol získaný s finančným príspevkom MŠMT ČR, projektu 1M0579, v rámci činnosti výskumného centra CIDEAS s využitím výsledkov projektu GAČR 103/08/1658.

Prof. Ing. Petr Hájek, CSc., Stavebná fakulta, ČVUT v Prahe

Literatúra
[1] Hájek P: Pozemné stavby a udržateľný rozvoj. Stavebná ročenka 2004. Bratislava: Jaga group, 2003.
[2] Hájek, P.: Betonové konstrukce pro udržitelnou výstavbu. In: Beton – technologie, konstrukce, sanace. 2008, č. 2.
[3] fib bulletin 21: Environmental Issues in Prefabrication, State-of-the-art report, fib 2003.
[4] Van Acker, A: State and Developments in Precast Concrete Construction. In: Prefabrikace a betonové dílce 2003. Pardubice: ČBS ČSSI, 2003.
[5] fib bulletin 23: Environmental Effects of Concrete, State-of-the-art report, fib 2003.
[6] Hajek, P.: Integrated Environmental Design and Optimization of Concrete Floor Structures for Buildings. In: Proc. Sustainable Building 2005, Tokio, 2005.
[7] Tywoniak, J.: Nízkoenergetické domy. Principy a příklady. Praha: GRADA, 2005, 2006.
[8] Energeticky pasivní rodinný dům – dům T. Studie: Jan Tywoniak, 2007. Dokumentace pro stavební řízení: Hájek, P. – Tywoniak, J. – Fiala, C. – Matuška, T. a další, 2008.

Článok bol uverejnený v knižnej publikácii Stavebnícka ročenka 2010.