Budoucnost navrhování betonových konstrukcí

Částečnou odpověď na otázky vyplývající z názvu tohoto článku lze nalézt mj. v nedávných i současných pracovních materiálech fib (Fédération interna­tionale du béton), které autorům laskavě poskytl předseda komise fib T10‑1 prof. Ing. Petr Hájek, CSc., FEng., a které souvisejí s vývojem připravovaného fib Model Code 2020 (dále jen MC2020). Ten by měl v nadcházejícím roce nahradit stávající fib Model Code 2010 [1]; přitom lze již nyní říci, že MC2020 bude souhrnem současných vědeckých i praktických poznatků a podobně jako u minulých verzí bude předobrazem nových znění evropských betonářských norem, zejména ČSN EN 1992 a ČSN EN 206. V této činnosti jsou v rámci komise fib T10‑1 významně angažováni také kolegové z ČR, již zmíněný prof. P. Hájek, dále prof. J. L. Vítek a Ing. V. Červenka, Ph.D. Obecným cílem je zlepšení výkonu a kvality betonových konstrukcí v soutěži s jinými typy řešení, optimalizace návrhových a konstruk­čních postupů vedoucích mimo jiné k energeticky i cenově efektivním konstrukcím s minimálním dopadem na životní prostředí.

Již nyní je zřejmé [2], že hlavní „novinky“ budou souviset zejména se sjednocením postupů pro posuzování stávajících a navrhování nových betonových konstrukcí, s efektivním používáním stávajících i nových materiálů (zejména nových příměsí), se zřetelem na životní cyklus a navrhování s ohledem na vlastnosti a konečně s navrhováním a posuzováním betonových konstrukcí se zřetelem na trvalou udržitelnost – což ostatně úzce souvisí s předchozími tématy. Tyto body v následujícím textu alespoň stručně rozvedeme a věříme, že přispějí k informovanosti technické veřejnosti a k diskuzi o možnostech naznačených směrů pro navrhování a posuzování; některé informace k tomuto tématu lze nalézt již v [3].

V čem spočívá rozdílnost stávajících a nově navrhovaných konstrukcí je dostatečně známo (výčet těchto okolností je také podrobně uveden v [2]) a v minulosti to vyústilo v existenci samostatných předpisů (zejména ČSN EN 13822 – 2007) a řadu dalších materiálů (např. [4]). Připravovaný fib MC2020 deklaruje pokus o vytvoření dokumentu s obecnými postupy, které budou moci být sdíleny při posuzování stávajících i nově navrhovaných betonových konstrukcí (mimo jiné proto, že při navrhování oprav či rekonstrukcí stávajících objektů se též užívají nové materiály a technologie).

Základní materiály pro výrobu betonu – cement, kamenivo a voda – se v blízké budoucnosti zásadně měnit nebudou. Cement a kamenivo se však jistě dočkají nezbytných modifikací.

Tlak na snižování emisí CO₂ při výrobě cementu přinese v blízké době změnu v EN 197 ve smyslu rozšíření portfolia směsných cementů, snižování množství obsahu slínku a rozšíření pevnostních tříd cementu směrem dolů. To je logický trend, který však může narazit na požadavek zajištění trvanlivosti betonu (odolnosti proti působení vlivu prostředí) a rychlosti výstavby.

Problém kameniva v blízké budoucnosti tkví v postupném vyčerpání dostupných zdrojů, zejména kameniva těženého. Možným řešením je vyšší využití kameniva recyklovaného a nahrazování drobného kameniva těženého kamenivem drceným. Realizace nastíněného řešení vyvolá nejen potřebu nového přístupu k návrhu složení betonu, ale i potřebu investic do procesu získávání recyklovaného a drceného drobného kameniva v akceptovatelné kvalitě.

Materiálová základna se bude jistě měnit i v oblasti příměsí. Zdroje jemně mleté vysokopecní strusky jsou omezené, popílky jsou a budou nadále trpět kontaminací amonných iontů a změnou tvaru zrn v procesu redukce NO_x. Cestu je třeba hledat v použití alternativních dostupných příměsí, jakými mohou být meta­kaolín nebo na nízkou teplotu pálené jíly nevhodné pro výrobu keramiky, velmi jemně mletý vápenec či odprašky z výroby drceného kameniva. Zde může rozvoj narazit opět na problematiku životnosti, resp. odolnosti vyztuženého betonu z důvodu potřeby Ca(OH)₂ na aktivaci latentně hydraulických a reakci pucolánově aktivních příměsí [5].

Cestou, jak naplnit požadavky nových připravovaných předpisů v oblasti materiálové, je bezesporu jejich menší spotřeba. Tu je možno docílit např. subtilními konstrukcemi s využitím UHPC či vylehčením pomocí tvarování betonových prvků podle průběhu vnitřních sil. Vydat se touto cestou však znamená řešit nejen složení betonu s vysokou pevností a odolností (minimální pórozitou), ale i jeho vyrobitelnost, dopravitelnost, ukládání a ošetřování.

Na tomto místě je třeba připomenout, že uvedené skutečnosti vyvolají potřebu zásadních inovací výrobní základny spojenou s nemalými finančními prostředky.

Správná cesta k udržitelnému betonovému stavebnictví vede od výzkumu přes rozhodovací procesy až k praktickému uplatnění. K tomu je třeba vytvořit pro jednotlivé subjekty různé, jednoduše měřitelné ukazatele a stanovit jejich hodnoty. Cíle do roku 2030 byly stanoveny prostřednictvím ukazatelů uvedených v tab. 1 a mají být upravovány v souladu s nejnovějšími vědeckými poznatky a technologickým vývojem odvětví [6].

Dosažitelnost stanovených hodnot jednotlivých ukazatelů je možné demonstrovat pomocí grafu na obr. 1, který znázorňuje předpokládanou účinnost pojiva v porovnání s 28denní pevností betonu v tlaku. Křivky znázorňují betony se stejným celkovým obsahem cementu. Černá křivka představuje nejnižší dávku cementu používanou v současnosti, modrá křivka pak znázorňuje směr vývoje tzv. nízkouhlíkových cementů, které by mohly být vyráběny. Např. pro beton o pevnosti 30 MPa z obr. 1 vyplývá, že je v současnosti třeba 8 kg cementu/​​ /​​m³/​​MPa (240 kg cementu/​​m³), zatímco je možné dosáhnout spotřeby 5 kg cementu/​​m³/​​MPa pro ekologicky efektivní beton (zpracováno dle [6], oproti originálu je vynechána jen početná plejáda bodů nad černou křivkou, odpovídajících případům v současnosti běžně navrhovaných betonů).

Navrhování s ohledem na užitné vlastnosti (PBD, tj. Performance-Based Design) je navrhování s ohledem na vlastnosti stavebního materiálu/​​prvku/​​konstrukce specifikované v projektu (též [3]). K takovým vlastnostem patří mj. únosnost, spolehlivost, trvanlivost (kvantifikovaná životností), ekonomická efektivita, nízká energetická náročnost a další vlastnosti požadované různými předpisy a klientem. PBD tedy zahrnuje výpočty návrhových parametrů o takových hodnotách, aby byly splněny požadavky kritérií užitných vlastností při zachování specifikované míry spolehlivostí (kvantifikované pomocí pravděpodobnosti poruch, resp. indexu spolehlivosti) po dobu požadované životnosti.

Souvislost PBD s navrhováním betonových směsí uvádí práce [9], resp. [10], kde jsou ukázány nedostatky dosavadního přístupu, často nazývaného preskriptivní, který předepisuje limitní hodnoty, např. cementu, vodního součinitele apod., tedy nikoliv požadovanou hodnotu vlastnosti betonu či konstrukce – např. životnost.

Trvalá udržitelnost bývá definována jako zachování životního prostředí budoucím generacím v co nejméně pozměněné podobě; je postavena na třech pilířích: sociálním, ekonomickém a environmentálním (obr. 2). To se samozřejmě týká také betonových konstrukcí – počínaje těžbou a zpracováním materiálů a konče demolicí konstrukce s případnou recyklací. Je tedy nutno brát na zřetel životní cyklus stavby a optimalizovat technické vlastnosti mj. volbou spotřeby materiálů, energií a s ohledem na ekonomická hlediska, blíže o tom pojednávají např. dokumenty [11], resp. [12]. Je zřejmé, že se jedná o velmi rozsáhlé a komplexní téma a jeho aplikování je v praxi obtížné. V tomto příspěvku proto připomínáme jednodušší postup, zaměřený na srovnávání úrovně trvalé udržitelnosti různých druhů betonu s ohledem na jejich odolnost proti působení degradačních vlivů. Výše zmíněné tři pilíře udržitelnosti bylo totiž možno transformovat na konkrétnější veličiny: pevnost betonu, eko-náklady a životnost ([13], resp. [14], kde jsou také uvedeny příklady). Takový postup může usnadnit rozhodování o návrhu betonové konstrukce – volba receptury pro výrobu betonu přihlíží k různým vlastnostem materiálu či prvku a k jejich očekávané životnosti.

Na závěr ještě doplňme, že jako zcela nová, důležitá část udržitelnosti bude v MC2020 uvedena též odolnost nebo houževnatost (angl. resilience), která má vést ke zlepšení vlastností konstrukce v měnících se podmínkách současného světa, tj. při vzniku přírodních i člověkem způsobených změn a katastrof, doprovázených vzrůstajícími ekonomickými i sociálními problémy. Takové situace pak zasahují do všech tří výše uvedených pilířů udržitelnosti a jejich zohlednění bude zřejmě modifikovat stávající konstrukční principy. Odolnost v tomto smyslu znamená zvýšenou robustnost konstrukce proti náhlým změnám namáhání, se schopností konstrukce je alespoň částečně absorbovat a umožnit rychlou a relativně snadnou návratnost k základním (i když třeba neúplným) funkčním vlastnostem. Je zřejmé, že požadavky resilience se budou týkat jen některých konstrukcí s ohledem na jejich funkci a lokalizaci a mohou být protichůdné požadavkům minimalizace spotřeby materiálů, energie či emisí. Tato tematika povede jistě k mnoha diskusím (např. [15]).

Je nutné si uvědomit, že od výzkumných témat až po uplatnění ve stavební praxi je dlouhá cesta, což naznačuje následující schéma:

výzkum + zkušenosti Eurokódy → MC2020 + národní předpisy → aplikace v praxi

Na praktické aplikace tedy budeme zřejmě čekat řadu let. Předkládaná krátká informace vznikla proto ve snaze informovat o již nastartovaném procesu a zmínit některé jeho neopomenutelné aspekty.