BETONOVÉ KONSTRUKCE A UDRŽITELNÝ ROZVOJ Petr Hájek Souhrn Stavební průmysl a jeho produkty (stavby) představují v globálním měřítku rozhodující podíl v čerpání surovinových a energetických zdrojů. Vzhledem k rozsahu výroby betonu a množství realizovaných betonových konstrukcí ve vyspělých zemích, se pro zajištění trvale udržitelného rozvoje stává otázka vlivu betonových konstrukcí na životní prostředí velmi významnou. Příspěvek shrnuje současný stav a vývoj přístupů k hodnocení vztahu betonových konstrukcí a životního prostředí ve vyspělých zemích, představující nedílnou součást řešení problému udržitelného rozvoje stavebnictví a celé společnosti. Klíčová slova: betonové konstrukce, trvale udržitelný rozvoj, životní prostředí, recyklace, optimalizace
1. Úvod Živelný rozvoj techniky během posledních dvou století druhého tisíciletí byl spojen s devastujícím čerpáním neobnovitelných surovinových zdrojů a s eskalujícími objemy produkce škodlivých emisí a odpadů. Negativní vliv techniky na životní prostředí je dán především následujícími faktory: vyčerpávání neobnovitelných zdrojů surovin a energie, rychlejší vyčerpávání obnovitelných zdrojů než je schopnost jejich regenerace, znečištění a zamoření škodlivými emisemi a odpady, přímé negativní působení techniky na okolí (hluk, otřesy, tepelná energie aj.). Vážným důsledkem je ovlivnění přirozených funkcí ochranných obalů Země – vznik a zvětšování ozónové díry a změny startující v důsledku skleníkového efektu globální oteplování Země. Vzhledem k rostoucí koncentraci tzv. skleníkových plynů dochází ke zvyšování teploty na povrchu Země (global warming) s důsledky, které mohou mít až katastrofický dopad na životní prostředí (klimatické změny ovlivňující přirozené přírodní procesy – např. změny koloběhu vody, úbytek lesů, tání ledovců vedoucí ke zvýšení hladiny oceánů, změny v podmínkách pro existenci rostlin a živočichů včetně lidské populace aj.). Z uvedených faktorů je z globálního pohledu za nejzávažnější považována zvyšující se koncentrace emisí CO2 (jako rozhodujícího z tzv. skleníkových plynů). Z regionálního pohledu je kritickým faktorem zvyšující se koncentrace emisí SO2 (acidification – okyselování). V grafu na obr. 1 jsou uvedeny velikosti emisí CO2 v tunách za rok vztažené na jednoho obyvatele ve vybraných státech Evropy a světa. Podíl stavebnictví a jeho produktů (staveb) představuje v zemích EU a v ČR přibližně 30% z uvedených hodnot. Vliv betonových konstrukcí je vzhledem k jejich frekvenci a objemu evidentní.
Německo Velká Británie Francie Itálie Španělsko Polsko Nizozemsko Řecko Česká republika *) Maďarsko Belgie Portugalsko Švédsko Rakousko Švýcarsko Slovensko *) Dánsko Finsko Čína USA Japonsko Mexiko Kanada Austrálie
0
5 10 15 emise CO2 na jednoho obyvatele v t/rok
20
*) Hodnoty pro ČR a SR byly stanoveny podle údajů ČSFR z počátku 90 tých let
Obr. 1 Velikost emisí CO2 na obyvatele ve vybraných státech Evropy a světa (zpracováno s využitím [1]) Druhým zásadním aspektem ovlivňujícím a limitujícím další vývoj je rychle rostoucí počet lidí na Zemi. Na začátku našeho letopočtu žilo na Zemi cca 150 miliónů lidí, na konci druhého tisíciletí se uvádí 6,5 miliardy lidí. Pokud by růst populace pokračoval stejnou tendencí, odhaduje se, že v roce 2066 by mohla populace dosáhnout až 24 miliard!!! Je zřejmé, že zdroje pro existenci na Zemi jsou v souvislosti s rychle narůstajícím počtem obyvatel a s jejich zvyšujícími se nároky silně omezené. Limitovaná je schopnost regenerace obnovitelných zdrojů, neobnovitelné zdroje jsou nenávratně vyčerpatelné. Omezená je schopnost asimilovat škodlivé emise a odpady a eliminovat tak globální změny v přírodních procesech. Z principu sebezáchovy lidské existence vyplývá bezpodmínečná nutnost (i) snižování materiálové a energetické náročnosti založené na neobnovitelných zdrojích, (ii) zvyšování regulovaného využívání obnovitelných zdrojů surovin (dřevo, energetické plodiny aj.), (iii) zvyšování využívání obnovitelných zdrojů energie (slunce, vítr, voda aj.) a (iv) zajišťování návratnosti použitých materiálů (resp. odpadů) formou jejich materiálové recyklace. Úroveň řešení (resp. neřešení!) uvedených problémů limituje možnosti, kvalitu i kvantitu dalšího vývoje na Zemi.
2. Vývoj a význam mezinárodních aktivit v oblasti udržitelného rozvoje 2.1 Obecný rámec Potřeba zajištění trvale udržitelného rozvoje společnosti definovaná v roce 1987 ve zprávě Světové komise pro životní prostředí a rozvoj OSN (tzv. Brundtland Report) se stala hlavním globálním problémem a úkolem, postupně ovlivňujícím vývoj ve všech
odvětvích lidské činnosti. Specifickým rysem uvedených problémů je globální charakter, který neumožňuje jejich vyřešení v omezeném území, ale nutně vyžaduje aktivní zapojení rozsáhlých regionů (v ideálním případě všech států a celé lidské populace) a to nezávisle na geopolitickém uspořádání. Proto se otázky týkající se udržitelného rozvoje staly přirozenou součástí aktivit nadstátních a nadnárodních organizací a jsou jedním z rozhodujících kritérií pro členství v Evropské unii. Vedoucí úlohu v oblasti řízení aktivit zaměřených na zajištění trvale udržitelného rozvoje mají především OSN a EU. Na mezinárodní úrovni formulovaná rámcová východiska obsahuje Agenda 21 OSN [2] schválená v roce 1992 na konferenci UNCED v Rio de Janeiru. V roce 1997 byl vydán protokol k Rámcové úmluvě OSN o změně podnebí obsahující požadavek snížení emisí skleníkových plynů (Kjótská deklarace), ve které se průmyslové státy dohodly, že nejpozději do roku 2012 sníží škodlivé emise skleníkových plynů v průměru o 5,2% vzhledem k roku 1990. V členských zemích EU a v ČR má redukce dosáhnout 8%. V roce 1998 komise OSN připravila úmluvu o přístupu veřejnosti k informacím o životním prostředí (Aarhuská konvence). 2.2 Stavebnictví V druhé polovině 90tých let se začíná zvýrazňovat aktivita odvětvových a oborových organizací včetně stavebnictví. První ucelenější deklarace uplatnění obecných principů Agendy 21 do stavebnictví byla na konferenci OSN Habitat II v roce 1996. V roce 1999 byla organizací IABSE deklarována výzva k minimalizaci negativních vlivů na životní prostředí pramenících z výsledků činnosti stavební praxe a ve stejném roce reagovala mezinárodní organizace pro výzkum a inovaci stavebních konstrukcí CIB (International Council for Research and Innovation in Building and Construction) zprávou Agenda 21 on Sustainable Construction [3] zaměřenou na uplatňování obecných principů trvale udržitelného rozvoje ve stavebnictví a jeho produktech – stavbách. Tento dokument představuje v současnosti výchozí bázi pro další rozvoj a penetraci udržitelných principů do stavebnictví. Následné mezinárodní konference, semináře a sympozia potvrdily jasnou tendenci v nutnosti akceptování a rychlého uplatňování výše uvedených principů ve stavebnictví a to v nejširším rozsahu technických činností. 2.3 Betonové konstrukce – aktivity fib V rámci fib byla v roce 1999 ustanovena nová komise C3 – Environmental Aspects in Design and Construction of Concrete Structures (Aspekty životního prostředí v navrhování a realizaci betonových konstrukcí). Do práce komise se zapojilo celkem 26 členů z 11 zemí (ČR zastupuje v TG3.3 autor příspěvku). Komise má v současnosti pět pracovních skupin: TG3.1 – Environmentální otázky prefabrikace (Environmental Issues in Prefabrication) - analýza stávajících i budoucích možností v prefabrikaci betonových staveb, - výroba prefabrikátů, recyklace odpadového betonu z výroben, - transport a manipulace s prefabrikovanými prvky, - prefabrikované konstrukce, spotřeba materiálů, bezpečnost, demontovatelné konstrukce, opětné využití prefabrikovaných betonových prvků, - LCA - hodnocení životního cyklu prefabrikovaných konstrukcí.
TG3.2 – Recyklace pobřežních konstrukcí (Recycling of Off-shore Structures) - recyklace betonových těžebních plošin, demontovatelnost, doprava celých plošin po moři, - opětné využití celých konstrukcí, opětné využití částí konstrukcí nebo prvků, recyklace materiálu, redukce dopravy a skladování odpadů. TG3.3 – Environmentální navrhování (Environmental Design) - koncepce a principy návrhu betonových konstrukcí respektujících požadavky „udržitelného“ stavění, - definice hlavních priorit z hlediska dlouhodobého výhledu, - doporučení ekologicky vhodných technologií (BAT – Best Available Technigue), - metodologie hodnocení životního cyklu betonové stavby, LCA, LCC, EBO, Eco-value, environmentální kritéria a data, - stanovení návrhových požadavků. TG3.4 – Environmentální aspekty betonu (Environmental Aspects of Concrete) - vliv betonu na životní prostředí zahrnující negativní účinky materiálu od počátku jeho výroby až po jeho recyklaci, - hygienické aspekty, vyluhování škodlivých látek, emise plynů, radiace, elektrosmog, emise prachu, transport vlhkosti a tepla aj. TG3.5 – Ochranné konstrukce (Protective Structures) - analýza možností betonu a betonových konstrukcí chránit člověka a životní prostředí před negativními vlivy. Závěrečná zpráva komise fib C3 bude publikována v roce 2002. V říjnu 2001 se bude v Berlíně konat mezinárodní fib-Symposium: „Concrete and Environment“ (Beton a životní prostředí) zaměřené na otázky vlivu betonových konstrukcí na životní prostředí.
3. Význam stavebního průmyslu z hlediska udržitelného rozvoje Stavební průmysl a jeho produkty (stavby) jsou hlavním konzumentem surovinových a energetických zdrojů. Odhaduje se, že v rámci EU spotřebovává stavebnictví přibližně 40% celkové energie, produkuje cca 30% emisí CO2 a produkuje přibližně 40% veškerých odpadů. 3.1 Životní cyklus staveb – hodnocení LCA Těžba surovin, transport, výroba stavebních prvků, vlastní výstavba a další kroky životního cyklu jsou spojeny s produkcí emisí CO2, SO2 a se spotřebou energie. Materiál použitý pro konstrukci budovy (nebo její části) tak může být charakterizován určitým množstvím emisí nebo energie spojených (svázaných) s jeho existencí v konkrétní konstrukční situaci. Velikost těchto emisí resp. energie jsou vzhledem k jejich
ekologickému významu (především s ohledem na problém globálního oteplení Země) základními kritérii pro hodnocení vlivu staveb na životní prostředí. Hodnocení vlivu stavebních konstrukcí na životní prostředí musí být komplexní, zahrnující celý životní cyklus (tj. „od kolébky do hrobu“ – od získávání surovin přes výrobu stavebních materiálů a konstrukcí, výstavbu, užívání až po demolici a zneškodnění). Cílem optimalizačních snah by mělo být co nejdéle udržet konstrukční materiály uvnitř uzavřeného materiálového cyklu (obr. 2 a 3), minimalizovat materiálové a energetické vstupy (především neobnovitelných zdrojů) a minimalizovat množství negativních dopadů na životní prostředí (škodlivé emise, odpady aj.) [4], [5].
Obr. 2 Životní cyklus stavebního objektu a vztah k okolnímu prostředí – materiálové a energetické toky (tenké šipky – vnitřní vazby uzavřeného cyklu, šedé šipky – kritické toky rozhodující o ekologické stabilitě systému a měly by být proto minimalizovány). 3.2
Recyklace materiálů a jejich opětné využití ve stavebnictví
Výrazné snížení spotřeby primárních neobnovitelných surovin je základním principem zajištění udržitelného rozvoje. Současný stav, kdy v důsledku narůstání množství průmyslových a komunálních odpadů se urychluje zvyšování entropie celého environmentálního systému, musí nutně vést ke hledání nových technologií umožňujících použití prvků z druhotných recyklovaných surovin, nahrazujících především neobnovitelné přírodní surovinové zdroje. Je třeba zdůraznit, že vedle běžně uváděných neobnovitelných surovinových zdrojů jako je uhlí, ropa, zemní plyn, železná ruda aj. patří do této kategorie i základní komponenty pro výrobu betonu jako je kamenivo, písek a vápenec (výroba cementu), bez kterých je produkce betonu a tím celá výstavba nemyslitelná. Mnohé z posledně uvedených surovin byly donedávna považovány za nevyčerpatelné a odpovídajícím způsobem se s nimi zacházelo. Je zřejmé, že jejich používání nelze zcela zastavit, lze však nalézt taková technická a technologická řešení, která budou jejich spotřebu snižovat na nejnutnější možnou míru. Cestou k tomu je optimalizace spotřeby materiálů zahrnující ve větší míře využívání druhotných recyklovaných surovin, nahrazujících přírodní surovinové zdroje.
Požadovanou rovnováhu ve využívání přírodních materiálů lze hledat ve formě uzavřených cyklů materiálů při jejich užívání v průmyslové výrobě (zahrnující i stavební průmysl) – obr. 3. Toho lze dosáhnout prostřednictvím maximálního využívání recyklovaných materiálů jako náhrady za materiály z neobnovitelných surovin. výstavba objektu
přírodní surovinové zdroje
rekonstrukce a modernizace
výroba stavebních materiálů
recyklace stavebního odpadu
užívání a údržba objektu
demolice
recyklace komunálního odpadu recyklace odpadů z jiných odvětví
skládkování termická likvidace
Obr. 3 Potenciál stavebnictví z hlediska využívání druhotných surovin z odpadů Stavebnictví, které je charakteristické používáním velkých objemů materiálů v relativně nenáročných technologiích, má předpoklady pro využívání materiálů získaných z terciální recyklace (recykláty z výrobků a konstrukcí, které mají již ukončenou životnost a jsou odpadem). Jako výchozí suroviny může být využito nejenom stavebních odpadů, ale i odpadů z jiných průmyslových odvětví nebo směsného komunálního odpadu [6].
4.
Betonové konstrukce a udržitelný rozvoj
4.1
Vztah betonu a životního prostředí
Množství škodlivých emisí svázaných s výrobou betonu je v porovnání s jinými konstrukčními materiály relativně malé (tab. 1). Vzhledem k množství produkovaného betonu je však výsledné množství emisí a spotřeby energie svázaných s realizací betonových konstrukcí velmi významné. Tab. 1 Environmentální charakteristiky vybraných stavebních materiálů (podle [7]) beton (PC cement) cihly lehký beton malta výztužná ocel
svázané emise CO2 kg 0,132 0,247 0,456 0,181 0,768
svázané emise SO2 g 0,46 0,94 1,40 0,60 3,63
svázaná spotřeba energie MJ 0,8 2,8 4,3 1,5 13,6
Nezanedbatelnost velikosti svázané energie (embodied energy) a svázaného CO2 (embodied CO2) v nosné železobetonové konstrukci lze dokumentovat na příkladu typického bytu 3+1 v panelovém domě VVÚ ETA o půdorysné ploše 73 m2. V tabulce 2
jsou uvedeny spotřeby betonu a oceli v nosné železobetonové konstrukci a odpovídající svázané hodnoty emisí a spotřeby energie. Analýza byla provedena pro první fázi životního cyklu od těžby surovin přes výrobu stavebních prvků až po jejich zabudování do konstrukce. Fáze užívání, údržby a demolice není zahrnuta. Pro analýzu byly použity jednotkové hodnoty svázaných veličin podle švýcarského zdroje [7] – viz tab. 1. Tab. 2 Typický byt 3 + 1 v panelovém domě VVÚ ETA VVÚ ETA
1 byt 3+1
spotřeba materiálu svázané emise CO2 svázané emise SO2 svázaná spotřeba energie
beton 3
28 m 9 000 kg 31 kg 55 GJ
ocel
celkem
3 000 kg 2 300 kg 11 kg 41 GJ
11 300 kg 42 kg 96 GJ
Je zřejmé, že celkové svázané hodnoty odpovídající všem konstrukčním prvkům použitým pro realizaci bytu (vč. podlah, oken, dveří, potrubí, topení aj.) jsou ještě výrazně větší. Rozhodující objem emisí a spotřeby energie je však spojen s další fází životního cyklu tj. s provozem bytu (vytápění aj.). S ohledem na hodnoty uvedené v tab. 1 je zřejmé, že cílem optimalizace vlivu betonových konstrukcí na životní prostředí není nahrazovat betonové konstrukce konstrukcemi z jiných konstrukčních materiálů, nýbrž hledání cest k redukci negativních vlivů prostřednictvím optimalizace spotřeby betonu v konstrukci a prostřednictvím využívání environmentálně příznivých technologií výroby cementu a betonu. 4.2
Možnosti, perspektivy a úkoly
Cesty k minimalizaci negativních vlivů betonových konstrukcí na životní prostředí lze rozdělit do několika skupin: Optimalizace výrobních technologií cementu a betonu – aplikace BAT (Best Available Technique) - uplatňování nejefektivnějších, environmentálně přijatelných a zároveň technicky a ekonomicky dostupných technologií pro výrobu cementu a betonu (konkrétní podklady a informace jsou postupně zpracovávány formou referenčních dokumentů BREF - BAT Reference Documents s ohledem na požadavky směrnice EU 96/61/ES - IPPC – Integrated Pollution Prevention and Control). Optimalizace složení betonové směsi – (vývoj a používání tzv. „green“ concrete) - používání cementu s redukovanými environmentálními vlivy (eko-cement) - minimalizace obsahu cementu prostřednictvím optimalizace skladby kameniva, - nahrazování cementu velmi jemnými odpadovými materiály jako je popílek (flyash) a křemičitý úlet (microsilica) aj. Optimalizace tvaru a vyztužení betonové konstrukce - optimalizace tvaru betonových prvků s cílem minimalizace spotřeby betonu, při zachování požadovaných funkčních vlastností a trvanlivosti konstrukce, - optimalizace skladby a vyztužení průřezu (včetně využívání druhotných surovin z recyklovaných materiálů).
Uplatňování environmentálně přijatelných konstrukčních technologií – BAT - optimální volba nosného systému a skladby konstrukčních prvků, - uplatňování efektivních technologií betonových konstrukcí, - uplatňování prefabrikovaných demontovatelných konstrukcí. Optimalizace životního cyklu betonové konstrukce – hodnocení LCA - posuzování celého životního cyklu z hlediska environmentálních dopadů podle norem EN ISO 140xx zahrnujících různé fáze LCA, - zvyšování životnosti betonových konstrukcí, modernizace, rekonstrukce, opětné využití konstrukcí, konstrukčních částí a prvků, - uplatňování recyklace betonových konstrukcí. Kromě toho lze negativní vliv betonových staveb redukovat prostřednictvím využívání druhotných surovin z odpadů jiných průmyslových odvětví nebo z komunálního odpadu (např. popílek, bednění a bednicí vložky z recyklovaných materiálů aj.). 4.3
Hodnocení vlivu betonových konstrukcí na životní prostředí
Všechny přístupy a fáze hodnocení a optimalizace betonových konstrukcí z hlediska jejich vlivu na životní prostředí musí zahrnovat řadu technických i netechnických environmentálních kritérií včetně kritérií socio-ekonomických. Jde o multiparametrický a multikriteriální časově závislý problém. Svázaná produkce CO2
Svázaná spotřeba energie 600
3 2 60
3 8 4
40
1
2
6 5 2
8 7 5 2
20
1 0
A
B
1
1
svázaná spotøeba energie (MJ/m2)
svázaná produkce CO2 (kg/m2)
80
3
3
500
8
2 400
4
6
300
1
200
100
0
A
B
8 7
5
5
2
2
2
1
1
1
C
D
Obr. 4 Příklad environmentální studie – porovnání svázaných hodnot (CO2 a energie) v alternativách deskových stropů. A – želbet. deska, B – keramicko-betonový strop, C, D – žebrový strop s bednicími vložkami z recykl. plastu a SDK podhledu na kovovém roštu (C) a dřevěném roštu (D). 1 – beton, 2 – ocel, 3 – omítka, 4 – keramické vložky, 5 – vložka z recykl. plastu, 6 – ocelový rošt, 7 – dřevěný rošt, 8 - SDK
Hodnocení vlivu existence produktů na životní prostředí se nejdříve začalo uplatňovat v jiných technických oborech. Vývoj hodnocení environmentálního vlivu celých staveb (včetně betonových) je vzhledem k heterogennosti a komplikovanosti hodnoceného systému a vzhledem ke komplikovanosti a komplexnosti existenčních procesů a jejich vnitřních a vnějších vazeb výrazně složitějším problémem. V posledních letech se objevují různé hodnotící metody (LCA) posuzující systém na různé úrovni rozlišení, od deklarací vlastností materiálů a výrobků, přes environmentální hodnocení funkčních prvků [8] (obr. 4), až po vícekriteriální hodnocení celých budov s váhováním významu jednotlivých skupin kritérií. Na nejvyšší rozlišovací úrovni se rozvíjejí komplexní
metody zahrnující nejenom vlastní konstrukci stavebního objektu, ale i kvalitu vnitřního prostředí, provozní a funkční vlastnosti, adaptabilitu, vztah stavebního objektu k bezprostřednímu okolí aj., s uvažováním vlivu všech uvedených složek na životní prostředí. Kvalita a relevantnost dosažených výsledků environmentální analýzy prováděné prostřednictvím některého z uvedených přístupů je výrazně limitovaná kvalitou vstupních dat týkajících se environmentálních charakteristik použitých konstrukčních materiálů. Kvalitní data jsou závislá na dlouhodobém statistickém vyhodnocení informací od zpracovatelů surovin a výrobců finálních produktů.
5. Závěr Během posledních deseti let se projevuje zvětšující se uvědomění kritického stavu životního prostředí. Uvědomění dané situace je pouze prvním krůčkem a samo o sobě nestačí. Je třeba hledat účinná technická a legislativní řešení a okamžitě je začít uplatňovat v praxi. Stavebnictví (a jeho produkty) jako největší konzument zdrojů a velký producent odpadů a škodlivých emisí má rozhodující vliv na celý environmentální systém a tím i na efektivitu všech environmentálních opatření cílených k zajištění trvale udržitelného rozvoje. Zhodnocení skutečného vlivu betonových konstrukcí na životní prostředí je proto možné pouze za předpokladu integrace ekologických přístupů a technologií do všech fází životního cyklu od navrhování, výroby, transportu, užívání, údržby až po demolici a recyklaci materiálů. Příspěvek byl vypracován v rámci řešení výzkumného záměru – VZ CEZ J4/98: 210000001 s využitím výsledků řešení výzkumného projektu GAČR č. 103/98/0091. Literatura: [1] OECD Environmental Data Compendium, 1995 [2]Agenda 21, dokument OSN přijatý konferencí UNCED, Rio de Janeiro 1992 [3]Agenda 21 on Sustainable Construction, Bourdeau L. (ed.), dokument CIB, Report Publication 237, Rotterdam, 1999 [4]Hájek P.: Optimalizace vlivu stavebních konstrukcí na životní prostředí. Sborník mezinárodní vědecké konference VUT Brno, Brno 1999 [5]Hájek P.: Environmentally Based Optimization – Bases and Expectations, sborník fibCommission 3, 2000 [6]Hájek P.: Environmentally Based Optimization of Building Structures, sborník a CDROM konference EIA 2000, Praha 2000, p. 31 [7] Hochbaukonstruktionen nach ökologischen Gesichtspunkten. SIA Dokumentation D 0123, 1995 [8] Hájek P.: Optimization of Environmental Construction Impact of Composite RC Slabs, sborník ILCDES 2000, RILEM svazek 14, Helsinky, 2000, pp. 534-539 [9] Kawai K., Tazawa E.: An Assessment Method for Environmental Impact of Concrete, sborník ILCDES 2000, RILEM svazek 14, Helsinky, 2000, pp. 334-339 ______________________________________________________________________ Doc. Ing. Petr Hájek, CSc, ČVUT - fakulta stavební, Thákurova 7, 166 29 Praha 6 tel.:02-2435 4459, fax: 02-3119987, E-mail: hajekp@fsv. cvut.cz
