ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
TEZE K DISERTAČNÍ PRÁCI
České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra konstrukcí pozemních staveb
Ing. Ctislav FIALA
INTEGROVANÝ NÁVRH STROPNÍCH KONSTRUKCÍ S VYUŽITÍM VYSOKOHODNOTNÝCH BETONŮ INTEGRATED DESIGN OF FLOOR STRUCTURES USING OF HIGH-PERFORMANCE CONCRETE
Doktorský studijní program: Stavební inženýrství Studijní obor: Pozemní stavby
Teze disertace k získání akademického titulu "doktor", ve zkratce "Ph.D."
Praha, leden 2011
Disertační práce byla vypracována v kombinované formě doktorského studia na Katedře konstrukcí pozemních staveb Fakulty stavební ČVUT v Praze. Uchazeč: Ing. Ctislav Fiala Katedra konstrukcí pozemních staveb Fakulta stavební ČVUT v Praze Thákurova 7, 166 29 Praha 6 – Dejvice Školitel: Prof. Ing. Petr Hájek, CSc. Katedra konstrukcí pozemních staveb Fakulta stavební ČVUT v Praze Thákurova 7, 166 29 Praha 6 – Dejvice
Oponenti: ...................................................................................................... ...................................................................................................... ...................................................................................................... Teze byly rozeslány dne: ............................... Obhajoba disertace se koná dne 18.5. 2011 v 10:00 hod. před komisí pro obhajobu disertační práce ve studijním oboru Pozemní stavby v zasedací místnosti č. A437 Fakulty stavební ČVUT v Praze. S disertací je možno se seznámit na děkanátě Fakulty stavební ČVUT v Praze, na oddělení pro vědeckou a výzkumnou činnost, Thákurova 7, 166 29 Praha 6 – Dejvice, místnost C106.
………………………………. předseda komise pro obhajobu disertační práce ve studijním oboru Pozemní stavby Fakulta stavební ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29 Praha 6 - Dejvice
OBSAH
1.
CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE ....................................................... 06
2.
SOUČASNÝ STAV PROBLEMATIKY ..................................... 07
3.
METODY ZPRACOVÁNÍ .......................................................... 09
4.
VÝSLEDKY ................................................................................ 14
5.
ZÁVĚRY A SHRNUTÍ ............................................................... 17
6.
LITERATURA ............................................................................
7.
PUBLIKAČNÍ ČINNOST ........................................................... 20
8.
SUMMARY ................................................................................. 23
19
4
1. CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE Zaměřením disertační práce je environmentální optimalizace a hodnocení stropních konstrukcí, využívajících běžných a vysokohodnotných silikátových a dalších environmentálně efektivních materiálů. V oblasti optimalizací konstrukčního návrhu stropních konstrukcí již proběhla celá řada analýz a výzkumů, které jasně vymezily potenciál žebrových a kazetových stropních konstrukcí jako konstrukcí, které svým tvarem a charakterem představují efektivní konstrukce z hlediska spotřeby konstrukčních materiálů a jejich statických parametrů[1],[2]. Cílem disertační práce je posunout čistě optimalizační konstrukčně statické návrhy stropních konstrukcí do roviny tzv. integrovaných návrhů zohledňujících nejen splnění prioritních statických kritérií, ale i kritérií environmentálních, ekonomických a socio-kulturních. Dalším postupným cílem je využít těchto nových integrovaných principů návrhu a hodnocení pro stropní konstrukce využívajících vysokohodnotných silikátových a dalších environmentálně efektivních, např. recyklovaných, materiálů. Obsah a cíle této disertační práce lze shrnout do následujících bodů: •
environmentální optimalizace vylehčených železobetonových stropních desek, definice optimalizačního modelu a omezujících podmínek dle platných norem[ČSN1] pro možnost návrhu a porovnání variant stropních konstrukcí z hlediska především environmentálních kritérií,
•
návrh a odladění optimalizačního modelu OptiFLOORTool 6.0 pro i) optimalizaci tvaru a vyztužení navrhovaného železobetonového průřezu stropní konstrukce z hlediska zvolených kritérií a pro ii) možnost porovnání variant stropních konstrukcí z hlediska hodnocených environmentálních kritérií,
•
multikriteriální parametrické analýzy a optimalizace železobetonových komůrkových stropních desek a jejich vyhodnocení,
•
návrh metodiky a pracovní verze programu iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ pro hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí podle mezinárodních norem obsažených v řadě ISO 14000 - Environmental management - Environmentální hodnocení[ISO1], [ISO2], [ISO3],
•
případová studie: Environmentální porovnání variant železobetonových stropních konstrukcí bytového domu a její vyhodnocení,
•
ukázky praktické aplikace integrovaného návrhu stropních konstrukcí na příkladech.
5
2. SOUČASNÝ STAV PROBLEMATIKY Stavebnictví je jedním z největších spotřebitelů materiálových a energetických zdrojů, z celkové produkce energie v Evropské unii (EU) připadá více než 40% právě na výstavbu a provoz budov. Stavebnictví spotřebovává značná množství neobnovitelných primárních surovinových a energetických zdrojů a řadí se tak mezi největší producenty odpadů a škodlivých emisí (CO2, SO2, NOx, atd.), jak ve formě přímé spotřeby energie a produkce emisí při provozu budovy, tak ve formě tzv. svázané energie a svázaných emisí. Na produkci emisí CO2 se stavebnictví podílí asi 30 % z celkové produkce CO2 v EU a přibližně 40 % na celkové produkci odpadů[3], což představuje cca 10 mil. tun ročně. V České republice je recyklováno nebo jinak využíváno cca 28 % odpadů (z toho je stavebních odpadů asi třetina), což není ani polovina objemů běžných v EU[w1]. Stavebnictví tak skýtá velký potenciál úspor v oblasti spotřeby neobnovitelných surovinových zdrojů, energií a v produkci odpadů a materiálů po dožití konstrukcí budov. V současné době je na každém kroku patrná snaha o snižování spotřeby provozní energie budov (zpracování energetických auditů pro hodnocení celkové energetické náročnosti budovy, hodnocení potřeby energie na vytápění, přípravu TUV, apod.). Díky neustálé snaze o snižování spotřeby provozní (primární) energie (výstavba nízkoenergetických, pasivních a tzv. nulových domů) a s tím spojené snaze o snižování produkce emisí škodlivých plynů vystupují do popředí hodnoty energií a emisí svázaných s vlastní existencí jednotlivých materiálů, konstrukcí či celé stavby – tzv. svázaná spotřeba energie a svázané produkce emisí. Tato svázaná spotřeba energie a produkce emisí je spjata s vlastní výrobou stavebního materiálu (těžba surovin, výroba materiálu, doprava atd.), výrobou či realizací stavební konstrukce, její následnou údržbou, opravou či renovací a v poslední fázi demolicí. Optimalizace spotřeby konstrukčních materiálů a jejich složení zaměřená na redukci spotřeby primárních neobnovitelných surovin a větší využití obnovitelných a recyklovaných surovin je jedním ze základních požadavků při vývoji nových stavebních konstrukcí respektujících požadavky udržitelné výstavby[3]. Potenciál úspor je vzhledem k realizovaným objemům konstrukcí ze silikátů jedním z nejvýznamnějších v oblasti nosných konstrukcí budov a dalších konstrukcí, zejména dopravních a vodohospodářských. Vylehčená železobetonová deska (žebrová, komůrková resp. kazetová) představuje vzhledem ke své tvarové podstatě jeden z efektivních typů konstrukcí z hlediska relace mezi spotřebou konstrukčních materiálů a statickými parametry. Důvodem jsou nesporné statické výhody vyplývající z odlehčeného žebrového charakteru průřezu s menší plošnou hmotností. V
6
porovnání s plnou železobetonovou deskou lze v případě odlehčených desek dosáhnout až 50% (event. i větší) úspory betonu a tím i snížení zatížení. Při použití nových kompozitních materiálů s definovanými mechanickými vlastnostmi a progresivních technologií zpracování je reálný předpoklad dosažení ještě většího vylehčení konstrukce a tím i snížení environmentálních dopadů spojených se spotřebou primárních surovin a s následnou likvidací odpadů a recyklací materiálů na konci životního cyklu. Některé příklady ze zahraničí ukazují, že nové kompozitní silikátové materiály (vysokohodnotné konstrukční betony) a související technologie umožňují realizaci subtilních skořepinových konstrukcí s velmi malou tloušťkou stěn (30 mm i méně). Jednou z běžně užívaných metod, kterou lze dosáhnout snížení dopadů produktů lidské činnosti na životní prostředí, je hodnocení životního cyklu. Metodika hodnocení životního cyklu - Life Cycle Assessment (LCA) je obecně zaměřena na libovolný produkt lidské činnosti a je popsána v souboru mezinárodních norem ISO 14040-49. Touto metodikou lze hodnotit dopad libovolného výrobku (vč. stavebních konstrukcí, i celých staveb) během celého životního cyklu – od výroby až po likvidaci, v případě staveb tzn. od těžby primárních surovin pro výrobu stavebních materiálů až po demolici. Ve světě je vyvíjena celá řada nástrojů pro hodnocení životního cyklu materiálů, konstrukcí (např. BEES, GEMIS[S1], apod.) nebo i celých budov, vč. posouzení jejich komplexní kvality (např. BREEAM, LEED, apod., v České republice národní nástroj pro certifikaci kvality budov SBToolCZ). V případě detailního hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí je obecně problémem (v mezinárodním měřítku) nedostupnost kvalitních dat pro zpracování inventarizační analýzy nebo odlišnost dat s ohledem na lokalizaci nástrojů. Hodnotící nástroj, který by obecnou metodiku hodnocení životního cyklu implementoval v oblasti železobetonových konstrukcí, v Českých podmínkách dosud chyběl. Obecná metodika hodnocení životní cyklu, stručná charakteristika vysokohodnotných konstrukčních betonů a environmentálně efektivních materiálů a technologií jsou blíže popsány v disertační práci.
7
3. METODY ZPRACOVÁNÍ Pro možnost návrhu a porovnání variant stropních konstrukcí z hlediska především environmentálních kritérií byl vytvořen optimalizační model OptiFLOORTool, pomocí něhož lze provést optimalizaci tvaru a vyztužení železobetonového průřezu stropní konstrukce z hlediska zvolených kritérií a následně porovnání variant stropních konstrukcí z hlediska hodnocených environmentálních kritérií (svázaná spotřeba energie, svázané emise CO2,ekviv., SO2,ekviv.). Pro běžné typy konstrukčních materiálů jsou environmentální data brána z dostupných databází, např. Bauteilkatalog 2009[w2], PassivhausBauteilkatalog 2008[4]. Pro vybrané recyklované materiály využité v analýzách (recyklovaný směsný plast, desky z recyklovaných nápojových kartonů) byla environmentální data stanovena výpočtem z dat poskytnutých výrobci jednotlivých materiálů. Optimalizační model OptiFLOORTool 6.0 a OptiFLOORTool 7.0 (pro obousměrně pnuté desky) byl vytvořen v prostředí Microsoft Office Excel 2007, jeho struktura a schéma toku dat jsou zřejmé z Obr. 1. Struktura základního zadávacího listu optimalizačního modelu je patrná z Obr. 2 (buňka ’Intro‘ v Obr. 1), jsou v něm specifikovány základní okrajové podmínky optimalizační úlohy a jednotlivé přirozené omezující podmínky. Je zde nutné zvolit druh průřezu, typ stropní desky (nosníku) a zda se jedná o monokriteriální (buňka ’RmoOpti‘) nebo multikriteriální (buňka ’RmuOpti‘) optimalizační úlohu.
Obr. 1 Schéma toku dat v optimalizačním programu OptiFLOORTool
Detailní popis struktury programu, definice účelových funkcí a omezujících podmínek optimalizačního modelu jsou součástí disertační práce.
8
Obr. 2 Zadávací list optimalizačního programu OptiFLOORTool 6.0
Pro možnost porovnání optimalizovaných variant stropních konstrukcí byla na základě obecné metodiky (norem) a obdobných existujících zahraničních modelů z jiných oblastí stavebnictví navržena metodika implementovaná do českých podmínek, na jejímž základě vznikla pracovní verze programu iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ pro hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí. Pracovní verze programu iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ je 9
zpracována v prostředí aplikace Microsoft Office Excel 2007. Struktura programu a schéma toku dat jsou znázorněny na Obr. 3. Úvodní list programu (viz Obr. 4) slouží k představení metodiky hodnocení životního cyklu a modulového systému inventarizační analýzy. Na úvodním listu je dále přehledně uvedeno členění jednotlivých modulů programu s uvedenou zkratkou modulu pro snadnou orientaci v jednotlivých listech programu, pomocí hypertextových odkazů je možno mezi jednotlivými listy programu přecházet.
Obr. 3 Schéma toku dat v programu iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ
Jádrem programu je inventarizační analýza (LCIA), která je členěna do jednotlivých modulů a podmodulů dle schématu na Obr. 3 a Obr. 4. Data vstupující do inventarizační analýzy byla získána od výrobců jednotlivých produktů, aktuálně nedostupná data jsou čerpána z literatury a různých databází, např. GEMIS verze 4.6[S1]. Části jednotlivých bilancovaných procesů jsou uspořádány do modulů, kde jsou bilancovány a kvantifikovány všechny materiálové a energetické toky (vstupy i výstupy), tzn. potřeby surovin, produktů a vedlejších produktů, pomocných materiálů, energií, vody a dopravy, vznikajících emisí, vedlejších produktů a odpadů z výrobních procesů. Příklad zpracování výrobních materiálových a energetických dat pro cement CEM I 52,5 R je v tabulce, viz Tab. 1. Následné hodnocení dopadů systému (konstrukce nebo stavby) zahrnuje spojení jednotlivých dat (agregovaných bilancovaných dat) z bilančních tabulek se specifickými kategoriemi dopadů na životní prostředí. Navazujícím krokem LCIA analýzy je převedení dílčích příspěvků jednotlivých vlivů (u emisí) na společný základ. Převedení se provede pomocí normování vlivů za pomocí emisních
10
Obr. 4 Úvodní list programu iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ
faktorů. V každé kategorii dopadu je proto stanovena ekvivalentní jednotka, na kterou se hodnoty vlivů (indikátorů) jednotlivých kategorií dopadů převedou. Pro potenciál globálního oteplení je to např. stanovení ekvivalentních emisí oxidu uhličitého CO2,ekviv.. Příklad výsledných agregovaných dat hodnocených dopadů pro cement je v tabulce, viz Tab. 2.
11
Tab. 1 Modul Cement CEM I 52,5 R
Tab. 2 Agregovaná data hodnocených dopadů pro vybrané cementy CEM I
Detailní struktura programu, definice jednotlivých modulů vč. bilancování dat a hodnocených dopadů jsou blíže popsány v disertační práci. Pomocí optimalizačního modelu a pracovní verze programu pro hodnocení životního cyklu byla provedena celá řada analýz a studií (vč. případových studií v rámci disertační práce), na jejichž základě a vyhodnocení bylo postupováno při návrzích konkrétních řešení v rámci výzkumných projektů (návrh a vyhodnocení stropního komůrkového železobetonového panelu s vložkami z recyklovaného směsného plastu, kazetové stropní konstrukce, konstrukce balkonového zábradlí aj.).
12
4. VÝSLEDKY Za pomoci optimalizačního modelu OptiFLOORTool 6.0 byl v parametrické studii komůrkové železobetonové desky sledován vliv zatížení a druhu vložek na geometrické parametry komůrkového průřezu a následně vliv typu vložek v komůrkové konstrukci na velikosti environmentálních dopadů a cenu materiálů zabudovaných ve stropní konstrukci. Ve studii bylo použito osm různých druhů stropních vložek, reprezentujících současné možnosti v oblasti vylehčení železobetonových stropních konstrukcí. Analýza byla prováděna pro dvě varianty betonů C25/30 a HPC 105. Beton HPC 105 byl navržen a experimentálně ověřen v rámci řešení grantového projektu GAČR 103/07/400, jedná se o vysokohodnotný vláknobeton s ocelovými vlákny Fibrex A1, která jsou délky 25 mm a dávkována byla v množství 1 obj. %. V rámci první analýzy byly optimalizovány dva vybrané geometrické parametry komůrkového kompozitního průřezu a to i) celková tloušťka stropní konstrukce h a ii) plocha hlavní ohybové výztuže As. Příklad optimálních hodnot sledovaných geometrických charakteristik průřezů v závislosti na zatížení jsou uvedeny v následujícím grafu, Graf 1.
Graf 1 Optimální celkové tloušťky stropu h pro beton HPC 105, rozpon stropu 5,0 m
V rámci druhé analýzy bylo postupně optimalizováno osm komůrkových kompozitních průřezů, u kterých byly sledovány absolutní hodnoty plošné hmotnosti, ceny materiálů stropní konstrukce, svázaných emisí CO2,ekviv., SO2,ekviv. a svázané spotřeby energie v jednotlivých materiálech na m2 stropní konstrukce. Příklady výsledků analýzy jsou prezentovány v absolutních hodnotách v následující tabulce a grafu.
13
Tab. 3 Svázané emise CO2,ekviv. stropních konstrukcí
Graf 2 Svázaná spotřeba energie stropních konstrukcí
Navržená metodika a pracovní verze programu iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ pro hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí byly aplikovány v případové studii: Environmentální porovnání variant železobetonových stropních konstrukcí bytového domu. Celkem bylo navrženo šest variant stropních konstrukcí, které představují různé technologické varianty a využívají tři druhy betonů: i) běžný beton C30/37, ii) vysokohodnotný vláknobeton HPC 105 a iii) vysokohodnotný vláknobeton HPC 140. Podrobnosti analýzy a vstupních bilancovaných dat jsou součástí disertační práce. Varianty stropních konstrukcí byly vyhodnocovány z hlediska šesti kategorií dopadů: i) spotřeba primárních surovin, ii) spotřeba vody, iii) spotřeba primární neobnovitelné energie, iv) potenciál globálního oteplení, v) okyselení a vi) tvorba přízemního ozónu. Relativní srovnání dopadů jednotlivých hodnocených variant stropních konstrukcí je v tabulce Tab. 4, jako referenční byla zvolena varianta V1 – plná monolitická železobetonová stropní deska z betonu C30/37. Srovnání hodnocených variant může v rámci 14
interpretace probíhat vzájemným porovnáním jednotlivých kategorií dopadů, viz např. Tab. 4 nebo graf spotřeby primární energie (Graf 3).
Tab. 4 Srovnání agregovaných dat hodnocených dopadů variant pro celý životní cyklus
Graf 3 Spotřeba primární energie
V případě celkového vyhodnocení variant stropních konstrukcí (viz Tab. 5) je nutné vzhledem k různým kategoriím dopadů přistoupit k normování výsledků a naváhování jednotlivých kategorií dopadů. Vlastní metodika vyhodnocení popsána podrobně v disertační práci.
Tab. 5 Normované hodnoty dopadů a výsledné hodnocení variant stropních konstrukcí
Vlastní interpretace výsledků analýz provedena v následující kapitole. 15
5. ZÁVĚRY A SHRNUTÍ Zaměřením disertační práce byl integrovaný environmentální návrh, optimalizace a hodnocení stropních konstrukcí, využívajících běžných a vysokohodnotných silikátových a dalších environmentálně efektivních (zejména recyklovaných) materiálů. Byla zpracována rešerše ve dvou stěžejních oblastech, v oblasti hodnocení vlivu staveb na životní prostředí, která byla zaměřená zejména na metodiku hodnocení životního cyklu, a v oblasti vysokohodnotných a environmentálně efektivních materiálů a technologií, která se soustředila na vysokohodnotné konstrukční betony a na vybrané recyklované materiály. Pro možnost návrhu a porovnání progresivních variant stropních konstrukcí z hlediska především environmentálních kritérií byl vytvořen optimalizační model OptiFLOORTool 6.0, pomocí něhož lze provést i) optimalizaci tvaru a vyztužení navrhovaného železobetonového průřezu stropní konstrukce z hlediska zvolených kritérií nebo ii) porovnání variant stropních konstrukcí z hlediska hodnocených environmentálních kritérií. Na základě obecné metodiky (norem) a obdobných existujících zahraničních modelů z jiných oblastí stavebnictví byla navržena metodika implementovaná do českých podmínek, na jejímž základě vznikla pracovní verze programu iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ pro hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí. Program umožňuje objektivně porovnat a vyhodnotit různé druhy železobetonových konstrukcí pozemních staveb z různých typů betonů z hlediska vlivů na životní prostředí (energetická náročnost, produkce emisí atd.) a to v průběhu celého životního cyklu konstrukce. Pomocí optimalizačního modelu a pracovní verze programu pro hodnocení životního cyklu byla provedena celá řada analýz a studií, na jejichž základě a vyhodnocení bylo postupováno při návrzích konkrétních řešení v rámci výzkumných projektů (návrh a vyhodnocení stropního komůrkového železobetonového panelu s vložkami z recyklovaného směsného plastu, kazetové stropní konstrukce, konstrukce balkonového zábradlí aj.), jejichž výstupy byly následně převedeny do praktických aplikací. Dosavadní závěry environmentálních analýz ukazují, že využití materiálově i environmentálně náročnějších směsí vysokohodnotného betonu (HPC, UHPC) ve vylehčených stropních konstrukcích komůrkového charakteru je efektivní pouze za předpokladu komplexního využití jejich mechanických vlastností. Ukazuje se, že pro objektivní zhodnocení variant konkrétních konstrukcí nepostačuje pouhé porovnání vybraných materiálových charakteristik (svázané spotřeby energií a emisí) z výrobního procesu použitých materiálů či výrobků, ale že je potřeba na konstrukce nahlížet komplexněji a posuzovat je v rámci jejich celého životního cyklu. Tedy započítat do hodnocení i vliv dopravy materiálu, jeho zabudování, potřebu 16
oprav povrchu konstrukcí v průběhu užívání, vč. demolice konstrukce po uplynutí její životnosti a odvoz materiálu do recyklačních středisek nebo na skládku. Pro prvotní optimalizaci variant konstrukcí jsou však data z výrobního procesu materiálů či výrobků z různých databází dostatečně přesná a umožňují rychlé porovnání optimalizovaných variant z hlediska hodnocených kritérií ve fázi koncepčního návrhu konstrukce. Pro objektivní srovnání vybraných optimalizovaných variant, vč. různých technologií realizace konstrukce v závislosti na přepravních vzdálenostech materiálů a výrobků je před finálním návrhem konstrukce nutné zhodnotit varianty v rámci celého životního cyklu konstrukce. Z provedených hodnocení stropních konstrukcí v rámci celého životního cyklu je patrné, že těžiště environmentální efektivity konstrukcí leží v optimalizovaném návrhu betonové směsi a tvaru železobetonového průřezu. Rozhodující je etapa výstavby, která v průměru všech hodnocených dopadů zahrnuje přes 90% všech vlivů. Zbývajících 10% vlivů připadá na životní cykly užívání a konec životního cyklu. Z hlediska minimalizace dopadů konstrukcí na životní prostředí je rozhodující minimalizace množství cementu a betonářské výztuže, jejichž podíl na celkových emisích ve fázi výstavby je v průměru více než 80%, u spotřeby primární energie je podíl oceli a cementu více než 70%. Snížení dopadu lze například dosáhnout náhradou energeticky náročného cementu CEM I za méně energeticky náročné druhy cementů (CEM II a CEM III, je-li to technologicky možné) nebo náhradou části cementu cementujícími příměsemi z průmyslových odpadů (struska, popílek, mikrosilika apod.). Ukazuje se, že i při využití environmentálně náročnějších směsí betonů lze navrhovat konstrukce s minimalizovaným dopadem na životní prostředí za předpokladu optimalizovaného návrhu složení směsi a železobetonového průřezu. Práce by měla mimo svého vědeckého základu přispět i k chápání principů integrovaného návrhu v oblasti stropních konstrukcích, využívajících běžných i tzv. vysokohodnotných betonů s předem definovanými vlastnostmi. Jedním z cílů práce je zajištění nového pohledu na věc a chápání kvality stropních konstrukcí v širších souvislostech. Zajištění nadhledu při návrzích a aplikacích nových konstrukcí v praxi a chápání otázek týkajících se zvyšování energetické účinnosti staveb a konstrukcí, efektivnějšího využívání primárních zdrojů surovin, vody a omezování produkce škodlivých emisí a odpadů by měly být zcela běžnou součástí kvalitního návrhu nových progresivních stavebních konstrukcí. Již dnes se ukazuje, že tato cesta má smysl a dokazuje to vzrůstající zájem firem z praxe o tuto problematiku návrhu a hodnocení konstrukcí.
17
6. LITERATURA 6.1 Literatura a podklady [1] Hájek, P. a kol.: Stropní konstrukce s vložkami recyklovaných materiálů, Praha, ČVUT v Praze, 2000, ISBN 80-01-02274-9 [2] Hájek, P. a kol.: Optimalizace konstrukčního návrhu kazetových a žebrových desek, Praha: Pražský technologický institut, 2001, ISBN 80-902722-5-8 [3] Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu, CIB Report Publication 237, české vydání ČVUT v Praze, Praha 2001, ISBN 80-01-02467-9 [4] Waltjen, T.: Passivhaus-Bauteilkatalog 2008 – Ökologisch bewertete Konstruktionen, Springer-Verlag, Wien, 2008, ISBN 978-3-21129763-6 6.2 Software, internet [S1] GEMIS (Global Emission Model for Integrated Systems) - verze 4.6 s databází CZ, D 2010 [online], 11/2010, software dostupný z WWW:
. [w1] Produkce, využití a odstranění odpadů v roce 2008 [online], Český statistický úřad, 2010, dostupný z WWW:
. [w2] www.Bauteilkatalog.ch [online], verze 2009, dostupný z WWW: . 6.3 Normy [ČSN1] ČSN EN 1992-1-1: Navrhování betonových konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, Eurokód 2, Český normalizační institut, Praha: 2006 [ISO1] ČSN EN ISO 14040: Environmental management - Life Cycle Assessment - Principles and framework | Environmentální management - Posuzování životního cyklu – Zásady a osnova, Český normalizační institut, 2006 [ISO2] ČSN EN ISO 14044: Environmental management - Life Cycle Assessment - Requirements and guidelines | Environmentální management - Posuzování životního cyklu – Požadavky a směrnice, Český normalizační institut, 2006 [ISO3] ČSN P ISO TS 14048: Environmental management - Life Cycle Assessment - Data documentation format | Environmentální management - Posuzování životního cyklu – Formát dokumentace údajů, Český normalizační institut, 2003
18
7. PUBLIKAČNÍ ČINNOST Fiala, C.: Studie – Optimalizace železobetonového průřezu v environmentálních souvislostech, 7. Odborná konference doktorského studia - Juniorstav 2005, Brno, FAST VUT, 2005, ISBN 80-214-2835-X Fiala, C., Hájek, P.: Environmentální optimalizace komůrkové železobetonové desky, 12. Betonářské dny 2005, Hradec Králové, ČBS ČSSI, 2005, s. 271 – 276, ISBN 80-903502-2-4 (80%) Mukařovský, J., Fiala, C., Hájek, P.: Optimization and Environmental Assessment of Floor Structures Using Recyced Materials from Municipal Waste, Workshop ČVUT 2006, Praha, ČVUT, 2006, s. 736 – 737, ISBN 8001-03439-9 (30%) Fiala, C., Hájek, P.: Environmentally Based Optimisation of RC Slabs with Lightening Fillers, 5th International Conference on Advanced Engineering Design AED 2006 [CD-ROM], Praha, ČVUT, 2006, ISBN 80-86059-44-8 (60%) Fiala, C., Hájek, P., Bílek, V.: Komůrkový železobetonový panel s vložkami z recyklovaného plastu, 13. Betonářské dny 2006, Hradec Králové, ČBS ČSSI, 2006, s. 228 – 234, ISBN 80-903807-2-7 (70%) Fiala, C.: Stropní panel s vložkami z recyklovaného směsného plastu jako progresivní alternativa k dosud převládajícím řešením, 9. Odborná konference doktorského studia - Juniorstav 2007, Brno, FAST VUT, 2007, s. 408, ISBN 978-80-214-3337-3 Fiala, C., Hájek, P.: Precast Floor Panel with Lightening Shell Elements from Recycled Non-Sorted Plastic, Workshop ČVUT 2007, Praha, ČVUT, 2007, s. 638 – 639, ISBN 978-80-01-03667-9 (50%) Hájek, P., Fiala, C.: Kazetové stropní konstrukce pro velké rozpony, článek v časopisu Beton TKS, č. 2/2007, 2007, s. 32 – 36, ISSN 1213-3116 (60%) Hájek, P., Fiala, C.: Environmental design and assessment of alternatives of RC floor structures, Sustainable building 2007, Torino, Itálie, 2007, s. 317 318, ISBN 10 88-7661-748-5, ISBN 13 978-88-7661-748-5 (20%) Hájek, P., Fiala, C.: Environmental assessment of floor structures from fibre concrete - study, Fibre Concrete 2007, Praha, ČVUT, 2007, s. 10 – 15, ISBN 978-80-01-03740-9 (60%)
19
Hájek, P., Fiala, C.: Environmentally based optimization of RC slab floor structures, CESB 07 PRAGUE, Praha, CSBS iiSBE Czech, 2007, s. 416 – 426, ISBN 978-80-903807-8-3 (50%) Hájek, P., Fiala, C.: Kazetové stropy pro velké rozpony – environmentální analýza, 14. Betonářské dny 2007, Hradec Králové, ČBS ČSSI, 2007, s. 192 – 197, ISBN 978-80-87158-04-3 (80%) Hájek, P., Fiala, C.: Savings in Primary Material Use trough Optimized RC or FRC Structures in Building Construction, SB07HK - Sustainable Building Konference [CD-ROM], Hong Kong: Professional Green Building Council, 2007 (30%) Hájek, P., Fiala, C.: Environmentally optimized concrete structures using UHPC - contribution to sustainable building, 2nd International Symposium on UHPC, Kassel, Německo, 2008, s. 879-886, ISBN 978-3-89958-376-2 (40%) Hájek, P., Fiala, C., Mukařovský, J., Kynčlová, M.: Material effective structures – The way towards sustainable buildings, In: Proceedings of the 2008 World Sustaibnable Building Conference [CD-ROM]. Balnarring, Victoria: ASN Events Pty Ltd, Melbourne, Austrálie, 2008, vol. 2, s. 196203, ISBN 978-0-646-50372-1 (25%) Hájek, P., Kynčlová, M., Fiala, C.: Environmentální aspekty využití vláknobetonů v konstrukcích budov, 15. Betonářské dny 2008, Hradec Králové, ČBS ČSSI, 2008, s. 70-75, ISBN 978-80-87158-11-1 (33%) Hájek, P., Kynčlová, M., Fiala, C.: Large scale tests and environmental evaluation of the waffle floor slabs from fibre concrete, Fibre Concrete 2009, Praha, ČVUT, 2009, s. 105 – 110, ISBN 978-80-01-04381-3 (33%) Hájek, P., Fiala, C., Kynčlová, M.: Utilization of high performance concrete in the design of sustainable buildings, conference Portugal SB 10, Algarve, Portugalsko, 2010, s. 371 – 378, ISBN 978-989-96543-1-0 (33%) Hájek, P., Fiala, C., Kabele, P., Kynčlová, M., Přinosil, M.: Vylehčené stropní desky z vysokohodnotných cementových kompozitů, odborná kniha, Nakladatelství ČVUT, 2010, ISBN 978-80-01-04497-1 (25%) Hájek, P., Kynčlová, M., Fiala, C.: Vysokohodnotné vláknobetony pro subtilní betonové konstrukce, článek v časopisu Beton TKS, č. 2/2010, 2010, s. 79 – 83, ISSN 1213-3116 (33%)
20
Fiala, C., Hájek, P., Kynčlová, M.: Energeticky a environmentálně efektivní konstrukce s použitím HPC, 7. konference Speciální betony, Skalský dvůr (Lísek), Sekurkon s.r.o., 2010, s. 77 – 84, ISBN 978-80-86604-50-3 (80%) Hájek, P., Kynčlová, M., Fiala, C.: Utilization of subtle structures from high performance concrete - contribution to sustainable building, COST C25 Conference Sustainability of Constructions – Towards a better built environment, Innsbruck, Rakousko, iiSBE, 2011, s. 45 – 52, ISBN 97899957-816-0-6 (33%) Hájek, P., Fiala, C., Kynčlová, M.: Life Cycle Assessment of Concrete Structures – Step towards Environmental Savings, článek v časopisu Structural Concrete, Journal of the fib, Volume 12, Number 1, 2011, ISSN 1464-4177 (60%) Fiala, C., Kynčlová, M., Hájek, P.: Potentials for reduction of environmental impacts of construction using high performance concrete, fib Symposium Prague 2011, Praha, ČBS ČSSI, 2011 (70%) Kynčlová, M., Fiala, C., Hájek, P.: High performance concrete as a sustainable material, článek v časopisu SUSB International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development, Volume 2, Number 1, 2011, ISSN 2093-761X (33%) Fiala, C.: Optimalizace betonových konstrukcí v environmentálních souvislostech, odborná kniha, Nakladatelství ČVUT, 2011, s. 100, ISBN 97880-01-04663-0 (do tisku v březnu 2011) Výběr z publikací v užším vztahu k disertační práci.
21
8. SUMMARY The main focus of the doctoral thesis was the integrated environmental design, optimization and evaluation of floor structures that utilize ordinary and high performance silicates and other environmentally effective (mainly recycled) materials. The state-of-the-art was elaborated for two major areas, the area of building impact assessment on environment that was focused mainly on methodology of life cycle assessment, and the area of high performance and environmentally effective materials and technologies that focused on high performance structural concretes and on selected recycled materials. Optimization model OptiFLOORTool 6.0 was developed for the design and comparison of progressive floor structural alternatives mainly from the perspective of environmental criteria. The tool can be used for i) shape and reinforcement optimization of designed floor structure cross-section from the perspective of chosen criteria or ii) comparison of floor structures alternatives from the perspective of evaluated environmental criteria. The methodology was created based on general methodology (standards) and similar existing foreign models from other spheres of civil engineering, and in consequence this methodology was implemented into Czech conditions which formed a first draft version of iCF⌂concrete LCATool 2.0 CZ programme for life cycle assessment of reinforced concrete structures. The programme enables to objectively compare and evaluate various types of reinforced concrete structures from various kinds of concrete from the perspective of impacts on environment (energy demands, production of emissions etc.) in the whole life cycle of the structure. While using the optimization model and a draft version of the programme for the life cycle assessment the series of analysis and studies have been proceeded. The results were used for the design of particular solutions within the research projects (design and evaluation of floor cellular RC panel with lightening elements from recycled non-sorted plastics, waffle floor structures, structure of balcony railing etc.), the research project outcomes were subsequently transformed into practical applications. The existing conclusions of environmental analysis show that utilization of not only material but also environmentally intensive mixtures of high performance concrete (HPC, UHPC) in lightened floor structures of cellular type is effective only when their mechanical performance is fully used in complex. It indicates that for objective evaluation of concrete structural variants it is not sufficient to compare only the chosen material characteristics (embodied energy and emissions) from the production process of used
22
materials or products, but also it is necessary to have a complex look on the structures and to evaluate them in the perspective of the their whole life cycle. It means to count on also with material transportation, its placing, necessity of surface repairs within the usage of the structure, demolition of the structure at the end of operating life and the disposal of the material to the recycling units or to disposal site. The data from the production process of materials or products from various databases are sufficiently accurate for the initial optimization of structural alternatives. They enable prompt comparison of optimized variants from the perspective of evaluated criteria in the phase of conceptual structural design. For the objective comparison of chosen optimized variants, including various technologies of realization of the construction in dependence on transport distances of materials and products, it is necessary to assess variants in the whole life cycle of the construction. It is apparent from the implemented evaluations of floor structures in the frame of whole life cycle that the core of the environmental efficiency lies in the optimized design of concrete mixture and shape of RC cross-section. The construction phase is crucial. It covers in average all assessed impacts over 90% of all effects. The rest 10% of effects fall on life cycles of utilization and the end of life cycle. From the perspective of minimization of environmental impacts of structures, the crucial is that the minimization of the amount of cement and reinforcement which share on the total emissions in the construction phase is in average more than 80%, and the contribution of steel and cement to primary energy consumption is over 70%. The decrease of impact can be achieved for ex. by replacement of environmentally intensive cement CEM I with less energy intensive types of cements (CEM II and CEM III if it is technologically possible) or partial cement replacement with cementitious additives from industrial waste (slag, fly ash, silica fume etc.). It shows that by utilization of environmentally more intensive concrete mixtures it is possible to design structures with minimized environmental impact providing the optimized mixture design and RC cross-section. The thesis should attribute except for the research basis also to the understanding of the integrated design principles in the field of floor structures utilizing ordinary and so called high performance concretes with pre-defined properties. Keeping broader perspective in designs and applications of new structures in praxis and understanding of questions related to increasing of energy efficiency of buildings and structures, more effective utilization of primary material resources, water and limiting the production of harmful emissions and wastes should be a casual part of quality design of new progressive building structures.
23
