Význam betonu a betonových konstrukcí z hlediska kritérií udržitelné výstavby

Východiska

Celosvětová produkce betonu vzrostla v posledních 50 letech více než 12 krát a s ohledem na rostoucí počet lidí a jejich zvyšující se požadavky bude nepochybně potřeba betonu stále narůstat. Vliv betonových konstrukcí na životní prostředí je s ohledem na velikosti jejich produkce velmi významný, a to i přesto, že množství škodlivých emisí svázaných s výrobou jednoho kg betonu je v porovnání s jinými konstrukčními materiály relativně malé.
Výroba betonu na jednoho obyvatele se ve vyspělých zemích pohybuje mezi 1,5 ? 3 tunami ročně. Z toho vyplývá obrovská spotřeba primárních neobnovitelných surovin (na výrobu cementu, těžbu štěrků a kameniva) a značná spotřeba energie. Těžba surovin, transport, výroba stavebních prvků, vlastní výstavba a další kroky životního cyklu jsou spojeny s produkcí škodlivých emisí (CO₂, SO₂ aj.) a spotřebou energie, které jsou svázané s existencí každého materiálu v konkrétní konstrukční situaci a v konkrétním čase. Zvlášť v českých podmínkách, kde je tradice betonového stavitelství včetně výroby komponentů velmi vysoká, lze prostřednictvím optimalizace managementu, technologií výroby a procesu návrhu betonových staveb, dosáhnout významných příspěvků k řešení globálních cílů v oblasti udržitelné výstavby.
Je zřejmé, že některá z opatření, která vedou k environmentálně šetrnějšímu nakládání se zdroji, mohou být z hlediska počátečních investičních nákladů vnímána jako méně výhodná. Některé z již provedených studií hodnocení celého životního cyklu (LCA) staveb však ukázaly, že z hlediska dlouhodobějšího pohledu jsou takováto opatření často nejenom environmentálně, ale i ekonomicky příznivější.

Beton ? materiál minulý a budoucí

Beton je materiál typický svojí dlouhou trvanlivostí. Zastřešení Pantheonu v Římě bylo realizováno již téměř před dvěma tisíci lety a stále udivuje svojí architektonickou i konstrukční kvalitou. Jeho kopule o průměru 43,3 m byla po mnoho staletí největší na světě a stále představuje největší kopuli z nevyztuženého betonu.
Od dob výstavby Pantheonu prošel beton dlouhým vývojem, který se téměř revolučně urychlil v posledních 20 letech, kdy se mechanické i další vlastnosti nových druhů betonů výrazně měnily. Došlo k podstatnému zvýšení používání vysokohodnotných betonů s doplňkovými cementujícími přísadami z průmyslových odpadů, jako je elektrárenský popílek, křemičitý úlet nebo granulovaná vysokopecní struska. Konstrukce z vysokohodnotných betonů mají větší životnost a vyžadují menší náklady na údržbu, než je tomu u tradičních betonových konstrukcí. Navíc vysokohodnotné betony využívají méně cementu než tradiční beton, což znamená redukci množství emisí CO₂. Betony navrhované se silným zřetelem na jejich environmentální kvalitu jsou v zahraničí často označovány jako ?green concrete?.
Vyšší pevnosti vysokopevnostních betonů umožňují realizaci subtilnějších konstrukčních prvků, vyžadujících menší množství primárních surovin ? kameniva i cementu, se současným snížením environmentální zátěže, vzhledem k menším nárokům na dopravu materiálů. V posledním období se stále ve větší míře využívají různé druhy vláknobetonů. Lepších vlastností (pevnost, duktilita, trvanlivost) se dosahuje prostřednictvím rozptýlené vláknové výztuže z plastu nebo oceli.
Lepší zpracovatelské parametry u samozhutnitelných betonů zmenšují energetické nároky spojené s vibrací betonové směsi a současně se zvyšuje kvalita výsledné konstrukce. Význam má i snížení hlučnosti při zhutňování směsi, což má pozitivní vliv na zkvalitnění pracovního prostředí na stavbách, a především ve výrobnách betonových prefabrikátů.
Green concrete je charakteristický především maximální mírou využití recyklovaných složek, jako je elektrárenský popílek, vysokopecní struska, eventuálně i částečná náhrada kameniva recyklovaným betonem. Všechny výše uvedené nové vlastnosti přispívají k tomu, že beton může být využíván jako materiál pro konstrukce, které si kladou za cíl dosahovat nejlepších parametrů z hlediska širokého spektra kritérií udržitelnosti.

¤ Betonová kopule Pantheonu v Římě realizovaná 118 až 125 n.l. Konstrukce je vylehčená kazetami a v horní části je pro odlehčení použit lehký beton s kamenivem z pemzy.

Environmentální výhody betonových konstrukcí

? Snížení spotřeby primárních zdrojů, využití odpadových surovin
Při návrhu optimalizovaných vylehčených průřezů a v kombinaci s použitím vysokohodnotných betonů lze realizovat subtilní betonové konstrukce se spotřebou betonu o 40 ? 60 % menší než při použití standardního řešení. S tím jsou spojeny i menší dopravní a manipulační nároky a související menší environmentální zátěž.
? Tepelně akumulační vlastnosti betonu přispívají k úsporám energie potřebné pro vytápění a chlazení vnitřního prostředí budov.
? Nové technologie betonu umožňují využití průmyslových odpadů jako druhotných surovin ve skladbě betonové směsi: popílek, struska, křemičitý úlet apod. Tím dochází k úspoře primárních surovinových zdrojů.
? Použitý beton z demolic může být ze 100 % recyklován a využit jako náhrada kameniva v konstrukci zemních těles u dopravních, vodních, ale i pozemních staveb.
? Do určité míry lze využít recyklovaného betonu i jako náhrady za kamenivo v betonu novém.
? Betonové konstrukce s vysokou trvanlivostí a dlouhou životností jsou z hlediska celého životního cyklu konstrukce méně energeticky i materiálově náročné s ohledem na menší nároky na údržbu, rekonstrukce i demolice.
? Kvalitně provedený betonový povrch nevyžaduje další interiérové a exteriérové povrchové úpravy.
? Snížení množství emisí a odpadů
? Výroba betonu a prefabrikovaných betonových prvků ?na míru? pro konkrétní konstrukce umožňuje redukci odpadu ve výrobě i na stavbě.
? Beton lze často vyrábět z lokálně dostupných zdrojů, čímž lze redukovat náklady za dopravu i související environmentální dopady touto dopravou způsobené (emise, hluk, prašnost).
? Při využití doplňkových cementujících materiálů ? popílku nebo strusky ? jako náhrady za energeticky náročný portlandský cement lze podstatně snížit hodnoty svázané (embodied) energie a svázaných emisí CO₂ a SO_x.

¤ Prefabrikovaný dílec lávky pro pěší z vysokohodnotného vláknobetonu. Rozpon 5,4 m, tloušťka desky mezi žebry 30 mm. Experimentální realizace Prof. M. Schmidt, Kassel University, SRN.

Ekonomické výhody betonových konstrukcí

? Úspory v nákladech na realizaci
? Při realizaci subtilních betonových konstrukcí optimalizovaných průřezů (žebrové, kazetové, komůrkové aj.) lze dosáhnout redukce nejenom materiálových nákladů, ale především nákladů dopravních a manipulačních.
? Ačkoliv je jednotková cena (za 1 m³) vysokohodnotných betonů vyšší než u betonu běžného, může při vhodné aplikaci vycházet výsledná cena konstrukce výhodněji (s ohledem na použití výrazně menšího množství). Další úspory jsou spojeny s větší trvanlivostí a životností konstrukce.
? Úspory v rámci životního cyklu
? V porovnání s jinými materiály mají betonové konstrukce dlouhou životnost, jsou odolné vůči klimatickým vlivům, dobře odolávají opotřebení provozem, málo podléhají degradačním účinkům. S tím souvisí i menší náklady na provoz, údržbu a demolice.
? Konstrukce z vysokohodnotných betonů mají v porovnání s jiným konstrukčním řešením zpravidla větší trvanlivost (úspory v údržbě, opravách) a životnost (úspory související s delším využitím konstrukcí).
? Betonové konstrukce mohou vzhledem ke svým akumulačním vlastnostem přispět ke snížení provozních nákladů na chlazení a vytápění budov.

¤ Výroba stropního panelu s integrovanou instalační funkcí. Vylehčující skořepinové instalační vložky jsou vyrobeny z recyklovaného směsného plastu z komunálního odpadu.

Sociální výhody betonových konstrukcí

? Zajištění kvalitního vnitřního prostředí budov
? Dobré akustické vlastnosti ? betonové stěny a stropy vykazují v porovnání s jinými konstrukčními řešeními vysoké hodnoty vzduchové neprůzvučnosti.
? Kvalitně provedené betonové povrchy stěn, sloupů a podhledů stropů se snadno udržují, dobře čistí a mají dlouhou trvanlivost.
? Betonové konstrukce nejsou zdrojem toxických emisí nebo těkavých organických látek (VOC).
? Beton umožňuje značnou flexibilitu návrhu vzhledem k možnosti téměř libovolného tvarování prvků limitovaného pouze statickými požadavky spolehlivosti.
? Při využití velkorozponových železobetonových konstrukcí zastropení lze vytvořit variabilní vnitřní prostor umožňující adaptaci vnitřního uspořádání prostoru v průběhu životnosti nosné konstrukce budovy.
? Zajištění větší bezpečnosti
? Vyšší bezpečnost betonových konstrukcí před vznikem požáru, působením větru a působením vody.
? Vyšší bezpečnost betonových konstrukcí před mimořádnými účinky seismicity, explozí a teroristických útoků.

¤ Vylehčená železobetonová stropní deska na velký rozpon s viditelnými kazetami v podhledu

Konstrukční principy

? Optimalizace tvaru ? vylehčení železobetonové konstrukce.
Optimalizace tvaru s cílem snížení spotřeby materiálu vede k subtilním vylehčeným průřezům konstrukcí. Klasický přístup odlehčení ve formě kazetové nebo žebrové konstrukce byl použitý již při stavbě Pantheonu a je pro velké rozpony používán i v současných stavbách.
Zachování rovného podhledu betonové stropní konstrukce při současné snaze o snížení plošné hmotnosti vede k vylehčování jádra železobetonového průřezu různými typy vložek z lehkých materiálů. Tímto způsobem lze dosahovat vylehčení stropní desky a současně úspory betonu o 30 ? 50 %. Stejným způsobem lze vylehčovat i železobetonové základové desky.
Další možností je používání lehkých konstrukčních betonů. Opět jde o princip velmi starý použitý již na zmíněné kopuli Pantheonu. V případě železobetonové konstrukce je však třeba řešit otázku zvýšeného 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, skleněnými nebo plastovými vlákny.
? Využití recyklovaných odpadových materiálů
Recyklované odpady mohou být využity ve vlastní betonové směsi nebo pro výrobu bednicích prvků event. dalších komponentů železobetonové konstrukce. Pro zvýšení pevnosti a zpracovatelnosti se využívá popílku, strusky nebo křemičitého úletu, které navíc nahrazují primární kamenivo a vzhledem k cementujícím vlastnostem snižují spotřebu energeticky náročného portlandského cementu.
? Využití recyklovaného betonu
Prostředkem ke zvýšení environmentální kvality a ekonomické efektivnosti betonu a betonových konstrukcí je větší míra recyklace betonu z demolic a využívání recyklátů v další stavební výrobě. Použitý beton z demolicí staveb lze plně využít jako zásypový materiál, nahrazující přírodní kamenivo v zemních tělesech dopravních, vodních a pozemních staveb. Do určité míry lze recyklovaného betonu použít i do betonu nového, jako náhrada přírodního kameniva. Problémem je v tomto případě snížení mechanických vlastností betonu.
? Uplatnění geopolymerních betonů
Geopolymerní betony, vznikající alkalickou syntézou za nízkých teplot, mohou dosahovat velmi vysokých pevností a současně vykazují výrazně nižší hodnoty svázané energie, oproti betonům z portlandského cementu. Základní cementující složkou jsou odpadové materiály ? popílek, struska nebo křemičité úlety. Širšímu využití geopolymerních betonů ve stavební praxi dosud brání problémy spojené s výkvěty na povrchu prvků. V současnosti probíhá intenzivní výzkum geopolymerních materiálů, s cílem postupně nahrazovat energeticky náročný portlandský cement.
? Betonové prefabrikované dílce s integrovanými funkcemi
Prefabrikace umožňuje navrhování integrovaných konstrukčních prvků složitějších tvarů, uzpůsobených k efektivnějšímu využívání betonové konstrukce i pro zajišťování jiných funkcí. V případě železobetonových dutinových panelů lze například využít akumulační hmoty v dutinách panelů pro vylepšení tepelné stability vnitřního prostředí budovy v letním i zimním období (do dutin panelů je vháněn teplý nebo studený vzduch ze vzduchotechnického systému). Panely mohou obsahovat zabudované rozvody instalací nebo instalační vložky pro dodatečné vkládání instalačních rozvodů elektřiny, vody, vytápění nebo vzduchotechniky.

Příklady realizací staveb

? Genzyme Center, Cambridge, Massachusetts, USA
V roce 2003 byla dokončena 12 podlažní administrativní budova pro biotechnologickou firmu Genzyme. Architektonická kancelář Benisch, Benisch & Partner si dala za cíl vytvořit environmentálně citlivou architekturu budovy tvořící zdravý a produktivní prostor pro více než 900 zaměstnanců, založenou na využití inovačních konstrukčních přístupů. Pro hlavní konstrukci byl použit železobetonový skelet s lokálně podepřenými deskami a vnitřním ztužujícím železobetonovým jádrem. Návrh budovy vycházel z požadavku optimalizace spotřeby provozní energie v průběhu roku při maximálním uplatnění pasivních prvků. Nezakryté betonové konstrukce se výrazně uplatňují v pasivním energetickém konceptu svojí akumulační schopností. Tím přispívají ke snížení spotřeby energie na vytápění a chlazení budovy a současně tak ke snížení provozních nákladů. Vnitřní atrium umožňuje přirozené větrání a zároveň tvoří otevřený zahradní prostor. V porovnání s tradičním řešením jsou náklady na provozní energii o 42 % menší. Více než 75 % materiálů použitých v konstrukci obsahuje recyklované složky a více než 90 % všech odpadů z výstavby bylo recyklováno.
Budova Genzyme Center je jednou z prvních kancelářských budov, která získala nejvyšší platinové hodnocení v certifikaci LEED (Leadership in Energy and Environmental Design).
? Solaire, New York, USA
Architekti Pelli Clark & Associates Architects a SLCE Architects navrhli 27 podlažní budovu Solaire na Manhattanu v New Yorku, dokončenou v roce 2003. Jde o první výškový bytový objekt v USA, který byl postaven s respektováním směrnic pro výstavbu udržitelných budov (Green-Building Guidelines). Železobetonová konstrukce byla zvolena především z důvodů akumulačních vlastností, v důsledku kterých se vyrovnávají denní teplotní výkyvy a redukuje se tak potřeba energie na vytápění a chlazení. Budova je navržena tak, že v porovnání s tradičními řešeními spotřebovává o 35 % méně energie.
Většina betonových konstrukcí je z betonu s cementujícími přísadami z recyklovaných odpadových surovin (18 % popílku). V základové konstrukci byl podíl popílku dokonce 40 %. Celkem kolem 50 % všech stavebních materiálů bylo založeno na recyklovaných surovinách.
Fasáda objektu obsahuje integrovaný fotovoltaický systém 33 kW, který pokrývá 5 % potřeby provozní energie budovy. Budova Solaire získala v certifikaci LEED stupeň Gold.
? Environment Park, Torino, Itálie
Komplex budov Environment Park byl postaven na místě brownfieldu po zrušené průmyslové zástavbě v blízkosti centra města Torina. 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). 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. Stavba byla dokončena v roce 2005.

¤ Environment Park, Torino, Itálie. Intenzivní zelená střecha na střeše železobetonové prefabrikované konstrukce.

? Středisko ekologické výchovy Sluňákov, Horka nad Moravou
Novostavba budovy Střediska ekologické výchovy Sluňákov navržená architektonickým ateliérem Projektil Architekti byla dokončena koncem roku 2006. 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 s integrovaným třívrstvým zemním výměníkem tepla. Železobetonová konstrukce zároveň umožňuje svojí akumulační hmotou vyrovnávání vnitřních teplot v zimním a letním období a přispívá tak k nízkoenergetickému konceptu budovy.
? Nové ústředí ČSOB Group v Praze Radlicích
Kancelářská budova pro 2500 zaměstnanců byla navržena Ing. arch. Josefem Pleskotem, AP Atelier. Půdorys o rozměrech 72,9 x 218,7 m je členěn pomocí atrií, dvorů, světlíků a hlubokých zářezů po obvodě budovy, které umožňují propojení interiéru s okolní přírodou a zajišťují denní osvětlení. Nosná konstrukce je železobetonová, převážně monolitická s osovou vzdáleností sloupů 8,1x8,1 m. Železobetonová konstrukce (pohledový beton bez další povrchové úpravy) přispívá svojí akumulací k vyrovnávání vnitřních teplot. Budova je situována přímo nad trasou metra B v těsné blízkosti stanice Radlická. Konstrukce metra procházející šikmo pod budovou je přemostěna železobetonovou konstrukcí tak, aby se vibrace od provozu metra nepřenášely do budovy. Objekt je navržen citlivě ve vztahu k místnímu prostředí s maximálním zapojením vnější i vnitřní zeleně do tvorby příznivého prostředí pro zaměstnance i okolní provoz. Zeleň je uplatněna na fasádách, střechách, terasách, ale i ve vnitřních atriích. Objekt ČSOB byl certifikován systémem LEED s hodnocením Silver.

¤ Ústředí ČSOB v Praze Radlicích. Železobetonová nosná konstrukce s maximálním uplatněním zeleně v interiéru budovy i exteriéru - intenzivní zelená střecha, popínavé rostliny na povrchu pláště budovy.

Závěr

Potřeba zvýšení efektivity využívání přírodních zdrojů, snížení míry znečišťování prostředí, poskytnutí kvalitního prostředí pro existenci a produkci lidí, a to při současném zajištění ekonomické efektivity patří mezi stávající priority stavebnictví. 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 otázky, cíle a úkoly:

• uplatňování komplexní optimalizace materiálových a energetických toků a z toho vyplývající minimalizace environmentálních dopadů s uvážením celé délky ?života? konstrukce a celkových nákladů; zásadní je minimalizace spotřeby energie při výrobě, výstavbě, provozu, údržbě, rekonstrukcích a odstranění stavby 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 odborníkům stavbařům jasný signál, 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.

Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M0579, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS s využitím výsledků projektu GAČR 103/05/0292.

Použitá literatura
[1] fib bulletin 21: Environmental Issues in Prefabrication, State-of-the-art ?report, fib 2003
[2] fib bulletin 23: Environmental Effects of Concrete, State-of-the-art ?report, fib 2003
[3] fib bulletin 28: Environmental Design, State-of-the-art ?report, fib 2004
[4] Van Acker, A.: State and Developments in Precast Concrete Construction, Prefabrikace a betonové dílce 2003, ČBS ČSSI, Pardubice, 2003
[5] Hajek, P.: Integrated Environmental Design and Optimization of Concrete Floor Structures for Buildings. In: Proc. Sustainable Building 2005, Tokyo, 2005
[6] GreenTowers for New York, www.skyscraper.org