Budoucnost navrhování betonových konstrukcí

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 betonudosáhnout 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]
Tab. 1 Ukazatele pro jednotlivé subjekty stanovené do roku 2030 [6]

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).

Účinnost pojiva ve srovnání s 28 denní pevností betonu v tlaku

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.

Schéma definující trvale udržitelný rozvoj

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.

Future of concrete structure design

The contribution presents some basic information concerning on processes of designing concrete structures being prepared by the fib committees for the new Model Code 2020, namely the sustainability issue. Also, modern design approaches are discussed as well as combined indicators and their target values are described.