Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
PŘÍPRAVA REALIZACE EXPERIMENTÁLNÍHO SKELETU OSEEB Ctislav Fiala1),2), Jan Růžička1),2), Petr Hájek1),2) 1) 2)
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT, Buštěhrad Katedra konstrukcí pozemních staveb, Fakulta stavební, ČVUT, Praha 6
ANOTACE Mechanické vlastnosti vysokohodnotného betonu umožňují realizaci subtilních konstrukčních prvků. Koncept subtilního skeletu vychází ze snahy integrovat nosné prvky z vysokohodnotného betonu do obálky energeticky úsporných budov s významnou redukcí rizik tepelných mostů. Podstatnými výhodami subtilních konstrukčních prvků jsou materiálové a energetické úspory při výrobě, přepravě, manipulaci a vlastní výstavbě. V příspěvku je prezentována příprava výstavby zkušebního skeletu v Univerzitním centru UCEEB ČVUT v Buštěhradě. Jednotlivé konstrukční prvky byly vyrobeny v prefa závodě ŽPSV a.s. Litice nad Orlicí. Výstavba prototypu skeletu je výsledkem dlouhodobého výzkumu subtilního skeletu, kdy byly postupně navrženy a odzkoušeny svislé a vodorovné konstrukční prvky z vysokohodnotného betonu a jejich spoje. V rámci dosavadních provedených výpočtů, experimentálních ověření a analýz se ukazuje, že koncept subtilního skeletu z vysokohodnotného betonu je efektivním řešením, jak z pohledu spolehlivosti konstrukce, tak z pohledu environmentálních a ekonomických parametrů. Malé průřezové rozměry sloupů umožňují jejich plnou integraci do obvodové konstrukce a přispívají tak ke kvalitnímu architektonickému řešení interiéru budov.
SUMMARY Mechanical properties of high performance concrete enable design of subtle structural elements. Subtle HPC frame concept comes from the effort to integrate load-bearing elements into building envelope in order to reduce risks of thermal bridges. Substantial advantages of subtle structural elements are material and energy savings during production, transportation, manipulation and assembling. Paper presents preparation of construction of experimental frame at University Centre UCEEB in Buštěhrad. Individual structural elements were made in prefa plant ŽPSV a.s. in Litice nad Orlicí. Construction of frame prototype is a result of long term research when the vertical and horizontal structural elements and their connections were successively designed and experimentally verified. Accomplished calculations, experimental verification and analysis have showed that subtle HPC frame is an effective solution from reliability aspects as well as from environmental and economical parameters. Minimal columns cross-sections enable their complete implementation into building envelope and they also contribute to high quality architectonic solution of buildings interiors.
ÚVOD Subtilní skelet z vysokohodnotného betonu (HPC) je určen pro konstrukce budov od 2 do 6 podlaží pro typologickou skupinu bytových a vybraných občanských staveb (zdravotnictví a sociální péči, školství, dočasné ubytování, administrativu). S ohledem na snahu o větší uplatňování obnovitelných přírodních materiálů ve výstavbě – především dřeva – i pro
67
vícepodlažní objekty, předpokládá se využití subtilního železobetonového skeletu jako nosné kostry i pro dřevostavby. Tato kombinace může podpořit využívání obnovitelných konstrukčních materiálů i pro objekty většího rozsahu. V porovnání s celodřevěnými konstrukcemi lze využít výhod stropních konstrukcí na silikátové bázi v oblasti akustiky (především vzduchové neprůzvučnosti), požární bezpečnosti, akumulace tepelné energie a celkové prostorové tuhosti (vytvoření tuhé stropní desky). Jedná se o otevřený modulární konstrukční systém tvořený subtilními prefabrikovanými tyčovými prvky v kombinaci s prefabrikovanými stropními konstrukcemi. Sloupy z HPC lze díky jejich štíhlosti integrovat do obálky energeticky efektivních budov, čímž dojde ke zvětšení užitné plochy objektu a ke zkvalitnění architektonického výrazu interiéru bez viditelných obvodových sloupů. Integrace nosné konstrukce do obvodového pláště má význam především v oblastech s regulovanou plochou zastavěnosti. Navržená prefabrikovaná stropní konstrukce je žebrová nebo kazetová (komůrková) s možností předepnutí v jednom nebo obou směrech. Panel je vylehčen stropními vložkami alternativně z různých materiálů – buď na bázi přírodních nebo recyklovaných materiálů (polystyrenbeton, liaporbeton, Stered, Stered beton apod.). Vylehčující vložky jsou navrženy o objemové hmotnosti 500 – 600 kg/m3, aby byly splněny akustické požadavky na stropní konstrukci. Žebra a spodní podhledová tenká deska jsou navrženy z vysokohodnotného betonu HPC, horní krycí deska je také z vysokohodnotného betonu o tloušťce pouhých 30 mm.
KONCEPCE EXPERIMENTÁLNÍHO SKELETU OSEEB Experimentální konstrukce bude realizována v rámci třetího roku výzkumného projektu TAČR TA03010501: „Optimalizovaný subtilní skelet pro energeticky efektivní výstavbu budov“ (OSEEB). Cílem projektu je vývoj univerzální a variabilní nosné konstrukce pro energeticky optimalizované stavby splňující kritéria udržitelné výstavby. Projekt je realizován pod vedením Katedry konstrukcí pozemních staveb Fakulty stavební ČVUT ve spolupráci s firmou ŽPSV a.s. a Univerzitním centrem energeticky efektivních budov ČVUT. Koncept nosné konstrukce je navržen jako prefabrikovaný z vysokopevnostního betonu s cílem minimalizovat množství použitého materiálu a zároveň maximálně odlehčit konstrukci s ohledem na minimalizaci zatížení základové spáry a také s ohledem na minimalizaci nároků na transport, environmentální dopady konstrukce aj. Konstrukční detaily systému jsou zároveň navrženy tak, aby byly v maximální možné míře eliminovány tepelné mosty a zároveň aby systém umožňoval maximální variabilitu z hlediska půdorysného tvaru, světlých a konstrukčních výšek atd. Smyslem výstavby experimentálního skeletu je ověřit na reálné konstrukci technologické souvislosti a po dokončení konstrukce realizovat dlouhodobá statická měření sledující chování konstrukce při dlouhodobém zatížení. Koncepce experimentálního subtilního skeletu OSEEB rovněž vychází ze snahy v maximální míře otestovat na reálné konstrukci jednotlivé konstrukční prvky skeletu, jejichž vývoj probíhal v předchozích letech řešení. Výsledkem optimalizace v rámci vývoje jsou výsledné tvary průřezů, způsoby vylehčení konstrukčních prvků a jejich vzájemné stykování. V principu se jedná o konstrukční prvky vodorovné nosné konstrukce, tzn. průvlaky a stropní panely, a prvky svislých nosných konstrukcí, tzn. subtilní vícepodlažní sloupy, a konstrukční prvky základů, prefabrikované základové kalichové patky (v alt. z recyklovaného betonu) a základové prahy. Projekční příprava a zpracování výrobní
68
dokumentace konstrukčních dílců probíhaly v průběhu roku 2015. Půdorysný tvar experimentálního skeletu je patrný z Obr. 1.
Obr. 1 Půdorys experimentálního skeletu OSEEB pro realizaci na pozemku UCEEBu v Buštěhradě Popis konstrukce experimentálního skeletu Prefabrikovaná experimentální konstrukce skeletu je navržena jako dvoupodlažní nepodsklepená s půdorysnými rozměry 8,15 x 14,5 m se šikmou střechou z dřevěných vazníků (z důvodu ochrany konstrukce před vlivem klimatických podmínek při testování skeletu). Maximální výška hřebene konstrukce je 9,300 m nad úrovní upraveného terénu, konstrukční výška 1. NP je 3,760 m a konstrukční výška 2. NP je 2,900 m, výška podstřešního prostoru je 2,955 m. Nosná konstrukce má dvě pole o osových vzdálenostech sloupů 8,0 x 8,0 m resp. 8,0 x 6,0 m. Hlavními svislými nosnými prvky stavby jsou dvoupodlažní sloupy průřezu „C“ z vysokohodnotného betonu rozměru 180 x 250 mm, hlavními vodorovnými prvky jsou předem předepjaté deskové průvlaky s ozuby pro uložení stropních panelů. Průvlaky i stropní panely mají jednotnou výšku 300 mm z důvodu vytvoření rovného podhledu a vytvoření volné dispozice při větších rozponech stropní konstrukce. Stropní panely jsou vylehčeny vložkami z druhotných surovin (recyklovaný materiál Stered), alt. z lehkých stavebních hmot (liapor beton, Stered beton apod.). Stropní panely jsou dle rozponu a zatížení buď z předem předepjatého betonu nebo z betonu vyztuženého běžnou betonářskou výztuží. U většího rozponu je možnost provedení i příčné sepnutí stropní desky metodou dodatečného předpínání. Lana pro dodatečné předpnutí jsou zakotvena do krajních podélných nosníků (stropních průvlaků). Železobetonové sloupy jsou navrženy z betonu tř. FC70/85, ocel B500B, 69
popř. B550B, průvlaky, ztužidla a stropní panely z betonu min. tř. FC60/75 vyztuženy přepínacími lany Y1860S7 o průměru 15,7 mm a výztuží B500B. Sloupy jsou vetknuty do základových patek z recyklovaného betonu o půdorysu 1,8 x 1,8 a 2,0 x 2,0 m a výšce 1,05 m. Průvlaky jsou osazeny na sloupy pomocí konzol PEIKKO, podélné krajní nosníky (ztužidla) jsou pak osazeny na ozub průvlaku a propojeny smykovými trny pro zajištění vodorovné tuhosti spojů jednotlivých dílců. Celý objekt bude opláštěn různými typy obvodových konstrukcí. Tyto konstrukce budou osazeny a kotveny do obvodových průvlaků, resp. ztužidel. Do střešního pláště budou integrovány experimentální hybridní PV/FT kolektory.
STROPNÍ KONSTRUKCE PRO EXPERIMENTÁLNÍ SKELET Jak je patrné z Obr. 1, stropní konstrukci skeletu tvoří deskové průvlaky (převážně předem předpjaté) a stropní panely, kterou jsou pro menší rozpon vyztuženy běžnou betonářskou ocelí, pro větší rozpony jsou pak navrženy s předpínací výztuží. Příklad výroby a experimentálního ověření středového předpjatého průvlaku jsou patrné z Obr. 2.
Obr. 2 Betonáž prototypu předpjatého průvlaku (vlevo) a jeho experimentální ověření Stropní panely pro experimentální skelet byly testovány ve dvou konstrukčních variantách, vyztužené běžnou betonářskou výztuží (viz Obr. 3 vlevo) a vyztužené předem předpjatou výztuží (viz Obr. 3 vpravo).
70
Obr. 3 Experimentální ověření stropní panelu s běžnou betonářskou výztuží (vlevo, vylehčující vložky z liaporbetonu, foto Julie Hodková) a výroba předpjatého stropního panelu s osazenými vylehčujícími vložkami ze Steredu (vpravo) Experimentální stropní panely byly vylehčeny stropními vložkami z liaporbetonu a Steredu. Skladebná šířka nepředpjatých panelů je 1200 mm, u předpjatých panelů je 900 mm (z důvodu technologických souvislostí výroby v závodu ŽPSV a.s. Litice nad Orlicí, jinak se v případné sériové výrobě předpokládá rovněž skladebná šířka předpjatých panelů 1200 mm). Oba typy stropních panelů byly experimentálně ověřeny čtyřbodovým ohybem v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT v roce 2014 a 2015 a zároveň jsou oba typy panelů monitorovány z hlediska dlouhodobého průhybu – dotvarování na experimentální ploše UCEEB v Buštěhradě, viz Obr. 4.
Obr. 4 Měření dotvarování stropních panelů na experimentální ploše Univerzitního centra energeticky efektivních budov v Buštěhradu
SUBTILNÍ SLOUPY PRO EXPERIMENTÁLNÍ SKELET Výsledný tvar prototypu sloupu vychází z celé řady optimalizačních studií zaměřených na vlastnosti sloupu mechanické, tepelně-technické, technologické a v neposlední řadě environmentální. Sloupy jsou navrženy jako dvoupodlažní kotvené do prefabrikované základové kalichové patky. V rámci ověření technologie výroby subtilních sloupů byly v závodě ŽPSV a.s., Litice nad Orlicí vyrobeny prototypy dvou alternativ sloupů – i) s konzolami řešenými pomocí systému Peikko PCs a ii) s tradičními krátkými betonovými konzolami.
71
Obr. 5 Experimentální ověření styku Peikko v subtilním sloupu (vlevo), prototypy sloupů s variantami styků Peikko a krátké železobetonové konzoly (uprostřed) a experimentální ověření subtilních sloupů tvaru „C“ Pro oba prototypy byla použita směs vysokohodnotného drátkobetonu FC 70/85, která byla odladěna v rámci provozu ŽPSV a.s. Průřez sloupů byl v obou případech 180/250 mm, v patě, středu a hlavě sloupu (kotvení PCs konzol) plný, v mezilehlých průřezech tvar C, vyztužení podélnou výztuží 4 pruty B 550B a třmínky byly realizovány pouze v místě konzol PCs a kotvení do základové patky.
ZÁVĚR Příprava realizace experimentálního skeletu OSEEB v současné době spěje do své finální fáze, je zhotovena veškerá výrobní dokumentace jednotlivých konstrukčních prvků skeletu, je zpracována projektová dokumentace pro stavební řízení a jednotlivé konstrukční prvky se v nejbližších dnech začnou vyrábět, tak aby mohl být experimentální skelet smontován ještě v závěru tohoto roku.
LITERATURA [1]
Fiala, C., Hejl, J., Tomalová, V., Bílek, V., Pavlů, T., Vlach, T., Volf, M., Novotná, M., Hájek, P.: Návrh a experimentální ověření prefabrikovaných sloupů z vysokohodnotného betonu, 21. Betonářské dny 2014, Hradec Králové, ČBS ČSSI, 2014, ISBN 978-80-9038067-7
Tato práce vznikla za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov s využitím některých výzkumných výsledků projektu TAČR TA03010501 Optimalizovaný subtilní skelet pro energeticky efektivní výstavbu budov. Autoři děkují za veškerou poskytnutou podporu.
72
