Progresivní betonové konstrukce pro udržitelnou výstavbu budov

Beton je vzhledem ke svým mechanickým vlastnostem, trvanlivosti, dostupnosti výchozích surovin a možnosti variabilního návrhu nepochybně nejrozšířenějším stavebním materiálem. Nové druhy vysokohodnotných betonů dosahují výrazně lepších vlastností z hlediska mechanické odolnosti, trvanlivosti a odolnosti při mimořádných zatíženích. Současně umožňují realizaci konstrukcí s menší spotřebou materiálu a energie. Přitom často využívají odpadové materiály z jiných procesů ve skladbě betonové směsi i při výrobě cementu nebo pro bednicí systém. Možnost realizace subtilních betonových konstrukcí zvyšuje potenciál uplatnění betonu v energeticky efektivní výstavbě budov.

Výroba betonu na jednoho obyvatele se ve vyspělých zemích pohybuje mezi 1,5 až 3 tunami ročně. S tím je spojena značná spotřeba primárních neobnovitelných surovin (na výrobu cementu a kameniva) a velká potřeba energie [1]. Těžba surovin, doprava, výroba stavebních prvků, výstavba a další kroky životního cyklu jsou spojeny s produkcí škodlivých emisí (CO₂, SO_x aj.) a spotřebou energie, které jsou svázány s existencí každého materiálu v konkrétní konstrukční situaci.

Zvlášť v českých podmínkách, kde je tradice betonového stavitelství vysoká, lze prostřednictvím optimalizace betonových staveb dosahovat významných příspěvků k řešení globálních problémů v oblasti udržitelné výstavby – tj. výstavby zaměřené na vysokou kvalitu z hlediska environmentálních, ekonomických a sociálních aspektů [2].

Environmentální výhody betonových konstrukcí
Úspory primárních zdrojů materiálů

• Při návrhu optimalizovaných vylehčených průřezů a v kombinaci s použitím vysokohodnotných betonů lze realizovat subtilní betonové konstrukce se spotřebou betonu o 40 až 60 % menší než u tradičního řešení. S tím jsou spojeny i menší dopravní a manipulační nároky. Díky nižší hmotnosti subtilní betonové konstrukce vychází menší zatížení na podporující svislé konstrukce a základy, a proto mohou být navrhovány v menších dimenzích.
• Tepelněakumulační vlastnosti betonu mohou přispívat k úsporám energie potřebné pro vytápění a chlazení vnitřního prostředí budov.
• Použitý beton z demolic může být recyklován a využit jako náhrada kameniva v konstrukci zemních těles u dopravních, vodních i pozemních staveb. V menší míře lze recyklovaný beton využít i jako náhradu za kamenivo v novém betonu.
• Betonové konstrukce s vysokou trvanlivostí a dlouhou životností jsou z hlediska celého životního cyklu méně energeticky i materiálově náročné s ohledem na nižší nároky na údržbu, rekonstrukce i demolice.
• Kvalitně provedený betonový povrch nevyžaduje další povrchové úpravy.

Snížení množství emisí a odpadů

• Výroba betonu a prefabrikovaných prvků na míru pro konkrétní konstrukce umožňuje redukci odpadu ve výrobě i na stavbě.
• Beton lze často vyrábět z lokálně dostupných zdrojů, čímž se redukují náklady a environmentální dopady způsobené dopravou (emise, hluk, prašnost).
• Nové technologie betonu využívají odpadů jako druhotných surovin ve skladbě betonové směsi: popílek, struska, mikrosilika apod.
• Při využití doplňkových cementujících materiálů (popílek, struska, mikrosilika) jako náhrady za energeticky náročný portlandský cement lze snížit hodnoty svázané (embodied) energie a svázaných emisí CO₂ a SO_x.

Ekonomické výhody betonových konstrukcí
Úspory v nákladech na realizaci

• Realizace subtilních betonových konstrukcí vede k menším materiálovým nákladům a k nižším nákladům dopravním a manipulačním.
• Při použití menšího množství kvalitnějšího betonu může vycházet výsledná cena konstrukce nižší, a to i tehdy, kdy je jeho jednotková cena vyšší než u běžného betonu.
• Menší plocha průřezů svislých betonových prvků (tloušťka nosných stěn aj.) se může pozitivně projevit v efektivitě výstavby budov (např. v územích s regulovanou zastavěností).

Úspory v rámci životního cyklu

• Betonové konstrukce mají v porovnání s jinými materiály delší životnost, jsou odolné vůči klimatickým vlivům, dobře odolávají opotřebení provozem, málo podléhají degradačním účinkům; s tím souvisejí i menší náklady na provoz, údržbu a demolice.
• Konstrukce z vysokohodnotných betonů mají v porovnání s jiným konstrukčním řešením zpravidla ještě větší trvanlivost (úspory v údržbě, opravách) a životnost (úspory související s delším využitím konstrukcí).
• Betonové konstrukce mohou vzhledem ke svým akumulačním schopnostem přispět v určitých situacích ke snížení provozních nákladů na chlazení a vytápění budov.
• Prefabrikované betonové konstrukce mohou být navrhovány jako demontovatelné, umožňující další využití konstrukčních prvků [3], [4].

Výhody betonových konstrukcí s hlediska sociálních aspektů
Zajištění kvalitního vnitřního prostředí budov

• Betonové stěny a stropy často vykazují v porovnání s jinými konstrukčními řešeními lepší akustické vlastnosti (především větší vzduchovou neprůzvučnost s ohledem k větší plošné hmotnosti).
• Kvalitně provedené betonové povrchy se snadno udržují, dobře se čistí a mají dlouhou trvanlivost.
• Betonové konstrukce nejsou zdrojem toxických emisí nebo těkavých organických látek [5].
• Beton umožňuje značnou flexibilitu návrhu vzhledem k možnosti téměř libovolného tvarování prvků limitovaného pouze statickými požadavky spolehlivosti.
• Velkorozponové železobetonové konstrukce zastropení jsou vhodné pro variabilní vnitřní prostory umožňující adaptaci uspořádání vnitřního prostoru v průběhu životnosti nosné konstrukce budovy. Tím je podpořena dlouhodobější využitelnost nosné konstrukce.

Zajištění větší bezpečnosti

• Betonové konstrukce jsou bezpečnější z hlediska extrémních účinků požáru, působení větru, působení vody, mimořádných účinků seizmicity, explozí a teroristických útoků.

Konstrukční principy
Optimalizace tvaru – vylehčení železobetonové konstrukce
Optimalizace tvaru s cílem snížit spotřebu materiálu vede k subtilním vylehčeným průřezům konstrukcí. V důsledku menší hmotnosti jsou méně zatíženy podpěrné konstrukce i samotné prvky vlastní tíhou, což přináší další úspory. Běžné odlehčení ve formě kazetové nebo žebrové konstrukce je pro velké rozpony používáno i v současných stavbách (obr. 1). Uplatnění vysokohodnotných betonů umožňuje další úspory s ohledem na redukci dimenzí průřezů.

Požadavek rovného podhledu stropní konstrukce při současné snaze o snížení plošné hmotnosti vede k vylehčování jádra železobetonového průřezu různými typy vložek z lehkých materiálů. Tímto způsobem lze vylehčit stropní desky a současně dosáhnout úspory betonu o 30 až 50 % (obr. 2). Obdobným způsobem lze vylehčovat i betonové základové desky. Další možností je používání lehkých konstrukčních betonů. V těchto případech je však třeba řešit otázku možného rizika koroze výztuže v pórovité struktuře lehkého betonu.

Optimalizace složení betonové směsi – vysokohodnotné betony
Vysokohodnotné betony lze použít pro optimalizované tvary železobetonových průřezů, které mohou být s ohledem na mechanické vlastnosti materiálu velmi subtilní. Často se využívá kompozitních vláknobetonů, vyztužených ocelovými, skelnými nebo plastovými vlákny.

Využití recyklovaných odpadových materiálů
Recyklované odpady mohou být využity při výrobě cementu, ve vlastní betonové směsi nebo pro výrobu bednicích prvků, eventuálně dalších komponentů (obr. 3). Pro zvýšení pevnosti a zpracovatelnosti se využívá popílku, strusky nebo mikrosiliky, které nahrazují primární kamenivo a vzhledem k vlastnostem umožňujícím tvrdnutí cementu snižují spotřebu energeticky náročného portlandského cementu. Použitý beton z demolicí staveb lze využít jako zásypový materiál nahrazující přírodní kamenivo. V omezené míře lze recyklované kamenivo použít i do nového betonu jako náhradu přírodního kameniva.

Betonové prefabrikované dílce s integrovanými funkcemi
Prefabrikace umožňuje navrhování integrovaných konstrukčních prvků složitějších tvarů uzpůsobených k efektivnějšímu využívání betonové konstrukce i pro jiné funkce. V případě železobetonových dutinových panelů lze například využít akumulačního potenciálu povrchových vrstev betonu v dutinách panelů pro vylepšení tepelné stability vnitřního prostředí budovy. Panely mohou obsahovat zabudované rozvody instalací nebo instalační vložky pro dodatečné vkládání rozvodů elektřiny, vody, vytápění nebo vzduchotechniky [6] (obr. 3).

Uplatnění betonu v energeticky úsporných budovách
V současné době se stále zvyšuje tlak na navrhování energeticky úsporných budov. Důvody jsou nejen ekonomické (zvyšující se ceny energií), ale i environmentální (využívání neobnovitelných zdrojů energie z fosilních paliv vede k vyčerpávání zdrojů a současně ke zvyšování emisí CO₂ přispívajícímu ke globálním klimatickým změnám). Současné normy nastavují požadavky na stavební konstrukce tak, aby byly z tepelnětechnického hlediska v souladu s obdobnými normami vyspělých evropských zemí ve srovnatelných klimatických podmínkách.

S vyššími nároky na tepelněizolační vlastnosti obvodových konstrukcí narůstá i jejich tloušťka. V lokalitách s předem stanovenou regulací zastavěnosti území (regulace zastavěnosti je vztažena k vnějším rozměrům budov) představuje tloušťka obvodové stěny limitující parametr efektivnosti developerského záměru. Pro developera, kterého zajímá velikost vnitřní užitné plochy, přes niž se realizuje výnos a zisk, je tak celková tloušťka obvodové konstrukce významným parametrem. Například pro dvoupodlažní rodinný dům o půdorysných rozměrech 10 × 10 m (na pozemku s regulovanou zastavěností a při jeho maximálním využití) bude při snížení celkové tloušťky obvodových stěn o 170 mm větší výnos z prodeje domu přibližně o 0,5 mil. Kč (při uvažování prodejní ceny 45 tis Kč/m² užitné plochy). V takových případech se projeví výhody subtilní železobetonové konstrukce, buď ve formě tenké nosné stěny (o tloušťce 100 až 150 mm), nebo lehkého železobetonového skeletu.

Udržitelná výstavba budov – příklady konstrukcí z betonu
Nové ústředí ČSOB Group v Praze – Radlicích
Kancelářská budova pro 2 500 zaměstnanců byla navržena architektem J. Pleskotem (AP Atelier). Půdorys o rozměrech 72,9 × 218,7 m je členěn pomocí atrií, dvorů, světlíků a hlubokých zářezů po obvodu budovy, které propojují interiér s okolní přírodou a zajišťují denní osvětlení. Nosná konstrukce je železobetonová, převážně monolitická s osovou vzdáleností sloupů 8,1 × 8,1 m. Železobetonová konstrukce (pohledový beton bez další povrchové úpravy) přispívá svojí akumulací k vyrovnávání vnitřních teplot. Konstrukce metra trasy B procházející šikmo pod budovou je přemostěna železobetonovou konstrukcí tak, aby se vibrace nepřenášely do budovy. Objekt je navržen citlivě ve vztahu k místnímu prostředí s maximálním zapojením vnější i vnitřní zeleně. Zeleň je na fasádách, střechách, terasách i ve vnitřních atriích (obr. 4).

Index, Dubaj, Spojené Arabské Emiráty
Budova Index v Dubaji navržená architektem N. Fosterem je 328 m vysoká a má 80 podlaží (obr. 5). Ve spodních 25 podlažích jsou kanceláře, v horních 47 podlažích jsou luxusní byty. Mezi kancelářskou částí a obytnou je přes výšku dvou podlaží vybudováno rekreační zařízení s bazénem, tělocvičnou, restaurací aj. Budova je navržena tak, aby byly minimalizovány účinky slunečního záření na vnitřní prostředí. Je orientována tak, aby východní a západní železobetonová jádra akumulovala sluneční záření, a chránila tak stropní desky od intenzivního slunečního záření. Na jižní fasádě jsou navrženy stínicí prvky k omezení solárních zisků.

Environment Park, Turín, Itálie
Komplex budov Environment Park byl postaven na místě brownfieldu po zrušené průmyslové zástavbě v blízkosti centra města Turína. Nosná konstrukce zkušebních laboratoří je tvořena železobetonovým prefabrikovaným sloupovým systémem, který je zakryt zemním valem a vrstvou zeminy se zavlažovacím systémem umožňujícím vegetaci intenzivní zeleně (tráva, keře) (obr. 6).

Obvodové konstrukce jsou ze železobetonových prefabrikovaných panelů a předpokládá se jejich zakrytí vysazenými popínavými keři. Energetický systém využívá v maximální míře obnovitelné zdroje energie, včetně fotovoltaického systému.

Středisko ekologické výchovy Sluňákov, Horka u Olomouce
Novostavba budovy Střediska ekologické výchovy Sluňákov navržená architektonickým ateliérem Projektil Architekti byla dokončena koncem roku 2006 (obr. 7). Nosná konstrukce je tvořena kombinací železobetonové části, která je zasypána valem, a dřevěné konstrukce v průčelní části. Železobetonová konstrukce vytváří opěrnou konstrukci pro zemní val, ve kterém je ve třech výškových úrovních umístěn zemní výměník tepla. Železobetonová konstrukce zároveň umožňuje svojí akumulační hmotou vyrovnávání vnitřních teplot v letním období, a přispívá tak k nízkoenergetickému konceptu budovy.

Nízkoenergetický rodinný dům u Prahy
Dvoupodlažní nízkoenergetický dům byl navržen na měrnou potřebu tepla na vytápění 30 kWh/m² ročně. Nosná obvodová konstrukce je navržena z tvárnic Liapor M o tloušťce 240 mm s vnějším kontaktním zateplením deskami z minerálních vláken o tloušťce 220 mm (obr. 8). Jihozápadní fasáda domu je opatřena subtilní kovovou konstrukcí ochozu a dřevěnými lamelovými zastiňovacími panely bránícími nechtěným pasivním solárním ziskům. Vytápění je řešeno jako teplovzdušné s rekuperací. Solární systém pokrývá 60 % energie pro ohřev vody [6].

Energeticky pasivní rodinný dům
Rodinný dům je řešen jako energeticky pasivní s předpokládanou potřebou tepla na vytápění do 20 kWh/(m² . a) s výrazným podílem obnovitelných energetických zdrojů. Betonové konstrukce jsou důsledně optimalizovány s ohledem na hmotnost použitých materiálů. Svislá nosná konstrukce podzemí je stěnová z dutinových betonových tvarovek, nosný systém prvního nadzemního podlaží tvoří subtilní železobetonový skelet (obr. 9). Stropní konstrukce nad těmito podlažími jsou spřažené prefamonolitické, typu filigrán. Výplňové obvodové stěny a celá vrchní stavba 2. nadzemního podlaží (NP) jsou řešeny jako dřevostavba (systém 2 × 4) (obr. 10).

Závěr
Betonové konstrukce mají dobré předpoklady, aby vytvářely kvalitní základ pro řadu stavebních aplikací, které si kladou za cíl dosáhnout nejvyšších parametrů z hlediska kritérií udržitelné výstavby. V případě betonových konstrukcí jsou klíčové následu­jící cíle a úkoly:

• Uplatňování komplexní optimalizace materiálových a energetických toků – z toho vyplývající minimalizace environmentálních dopadů s uvážením celé délky života konstrukce a celkových nákladů; zásadní je minimalizace spotřeby energie a současně minimalizace emisí a odpadů svázaných se stavební činností.
• Snižování environmentální zátěže od výrobních technologií – optimalizace výrobních technologií cementu, betonu, betonových prvků a konstrukcí, optimalizace složení betonové směsi.
• Optimalizace tvaru a vyztužení betonové konstrukce – optimální volba nosného systému a skladby konstrukčních prvků, optimalizace spotřeby betonu a výztuže při zachování požadovaných funkčních vlastností, spolehlivosti a trvanlivosti.
• Uplatňování prefabrikovaných demontovatelných konstrukcí, tj. s možností následného použití některých prvků i po ukončení životnosti původního objektu.
• Přednostní používání recyklovatelných materiálů a mate­riálů recyklovaných.

Uvedené cíle i již provedené realizace dávají jasný signál odborníkům – stavbařům a betonářům, že v nadcházejícím období budou muset (pokud budou chtít uspět v širší evropské konkurenci na stavebním trhu) při návrhu a realizaci betonových staveb ve větší míře vnímat a uplatňovat nové požadavky a kritéria vyplývající z globálních aspektů trvale udržitelného rozvoje.

Prof. Ing. Petr Hájek, CSc., Fakulta stavební, ČVUT v Praze

Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M0579, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS s využitím výsledků projektu GAČR 103/08/1658.

Literatura
[1] Hájek P: Pozemní stavby a udržitelný rozvoj. In: Stavební 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. 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, Tokyo, 2005.
[7] Tywoniak, J.: Nízkoenergetické domy. Principy a příklady. 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 kol. 2008.

Článek byl uveřejněn v knižní publikaci Stavební ročenka 2010.