V článku jsou uvedeny základní informace o postupech navrhování betonových konstrukcí připravovaných komisemi fib pro chystaný Model Code 2020 zejména s ohledem na problematiku udržitelného rozvoje. Dále jsou uvedeny kombinované ukazatele a jejich cílové hodnoty pro výrobce cementu, betonu a projektanty betonových konstrukcí.
Výrobci cementu | Výrobci cementu tCO2/tslinku < 0,7 až 0,75 (scénář 2 od 2030 – IEA-CSI plán od 2030), kterým je přímo měřena účinnost tepelné energie |
Výrobci betonu | dosáhnout méně než 3,5 kg slínku/m3/MPa pro běžný beton 30 až 50 MPa |
Projekční kanceláře | (kgCO2/m2) konstrukce < 250 kg [7] |
Stavební společnosti | (kgCO2/m2) stavba < 500 kg [8] |
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].
Jednotné postupy pro posuzování stávajících i nově navrhovaných betonových konstrukcí
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).
Složení betonu, materiály a udržitelný rozvoj
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 NOx. 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 vlastnosti
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.
Udržitelnost
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]).
Závěrečné poznámky
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.
Autoři děkují prof. Ing. Petru Hájkovi, cSc., FEng., předsedovi komise fib T10‑1, za laskavé poskytnutí pracovních materiálů fib, bez kterých by tento článek v této formě nemohl vzniknout.
Literatura
[1] fib bulletin No. 65 and 66 fib Draft Model Code 2010. Lausanne, Switzerland: International Federation for Structural Concrete (fib), 2012.
[2] MATTHEWS, S. et al. fib Model Code 2020: Towards a general code for both new and existing concrete structures. Structural Concrete. August 2018, Vol. 19, Issue 4, pp. 968 – 979.
[3] TEPLÝ, B., ŠTEVULA, M., ROVNANÍKOVÁ, P. Nové trendy při navrhování a posuzování betonových konstrukcí ve vztahu k připravovaným změnám v EN 206 a fib Model Code. Beton TKS. 2017, roč. 17, č. 3, s. 49 – 53.
[4] HOLICKÝ, M., MARKOVÁ, J., SÝKORA, M. Ověřování stávajících betonových mostů podle nových technických podmínek. Beton TKS. 2010, roč. 10, č. 4, s. 90 – 93.
[5] ROVNANÍKOVÁ, P., TEPLÝ, B. Obsah hydroxidu vápenatého v betonech se silikátovými příměsmi – důležitý faktor při posuzování životnosti betonových konstrukcí. Beton TKS. 2009, roč. 9, č. 2, s. 38 – 41.
[6] FAVIER, A., DE WOLF, C, SCRIVENER, K, HABERT, G. A sustainable future for the European cement and concrete industry [online]. ETH Zűrich, 2018. [cit. 5. 6. 2019]. Dostupné z https://europeanclimate.org/wp-content/uploads/2018/10/AB_SP_Decarbonisation_report.pdf
[7] DE WOLF, C., POMPONI, F., MONCASTER, A. Measuring embodied carbon dioxide equivalent of buildings: A review and critique of current industry practice. Energy and Buildings. April 2017, Vol. 140, pp. 68 – 80. doi:10.1016/j.enbuild.2017.01.075
[8] Société à 2000 watts, Energiestadt. (n.d.) [online]. (accessed 2 October 2018) [cit. 5. 6. 2019]. Dostupné z: https://www.local-energy.swiss/fr/programme/2000-watt-gesellschaft
[9] HOBZA, J., COUFAL, R., VÍTEK J. L. Specifikace betonu pomocí jeho vlastností. Beton TKS. 2018, roč. 18, č. 2, s. 54 – 57
[10] CHROMÁ, M., ROVNANÍKOVÁ, P., TEPLÝ, B. Trvanlivost: EN 206 – koncept k‑hodnoty – modelování. Beton TKS. 2013, roč. 13, č. 6, s. 56 – 59.
[11] fib Bulletin 71. Integrated life cycle assessment of concrete structures. 2013.
[12] ISO 13315. Environmental management for concrete and concrete structures – Parts 1– 8.
[13] VYMAZAL, T., TEPLÝ, B., ROVNANÍKOVÁ, P. Metodika hodnocení trvalé udržitelnosti betonu. Beton TKS. 2018, roč. 18, č. 2, s. 58 – 62.
[14] HRABOVÁ, K., TEPLÝ, B., HÁJEK, P. Concrete, sustainability and limit states. In: CESB19 International conference. Prague, Jul 2019 (v tisku).
[15] FABER, M. H., MIRAGLIAA, S., QINB, J., STEWART, M. G. Bridging resilience and sustainability – decision analysis for design and management of infrastructure systems. Sustainable and Resilient infrastructure. 2018. [cit. 5. 6. 2019]. Dostupné z: https://doi.org/10.1080/23789689.2017.1417348
[16] Udržitelný rozvoj. In: Wikipedie [online]. [cit. 5. 6. 2019]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Udržitelný_rozvoj
Ing. Vladimír Veselý, jednatel vydavatelství
Je stavebním inženýrem v oboru pozemní stavby, profesně se zaměřuje na technologii, výrobu a zkoušení transportbetonu. Dále se zabývá problematikou vláknobetonů, tvorbou norem a předpisů pro beton obecně. V současnosti pracuje pro Svaz výrobců betonu ČR, časopis Beton TKS a Českou betonářskou společnost.
prof. Ing. Břetislav Teplý, CSc., FEng.
Řadu let působil na Fakultě stavební VUT v Brně na ústavu stavební mechaniky (v letech 1990 až 1998 jako vedoucí ústavu). V poslední době se zabývá výzkumnou činností mj. v oblasti výpočetního modelování životnosti betonových konstrukcí a otázkami jejich navrhování s ohledem na trvalou udržitelnost.
prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc.
Působí na Fakultě stavební VUT v Brně. Zaměřuje se na chemii a technologii stavebních materiálů, zejména na bázi vápna a cementu, se zaměřením na jejich vývoj a degradaci. Pozornost věnuje mj. reaktivním příměsím do betonu jako částečné náhrady cementu. Je autorkou a spoluautorkou více než 600 odborných článků a šesti odborných knih.