proekologiczne i energooszczędne rozwiązania stropów żelbetowych

proekologiczne i energooszczędne rozwiązania stropów żelbetowych

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Beata ORDON-BESKA
Politechnika Częstochowska
PROEKOLOGICZNE I ENERGOOSZCZĘDNE ROZWIĄZANIA
STROPÓW ŻELBETOWYCH
The paper is concerned on reinforced concrete voided flat slab solution. Kinds of
structures as well technology of constructing are shortly described. Construction,
costing, energy saving and environmental advantages of chosing constructions such
as BubbleDeck and Cobiax Deck in opposite to plain reinforced concrete flat slab are
detailed in the paper.
WPROWADZENIE
Przegroda pozioma, jaką jest strop, pełni w obiekcie budowlanym rolę wieloraką: jest elementem nośnym, określa warunki zagospodarowania pomieszczeń; jest
również elementem architektonicznym wpływającym przez swoją konstrukcję na
estetykę wnętrz; stanowi barierę dla szeroko rozumianego środowiska zewnętrznego, wpływającą na komfort akustyczny oraz komfort użytkowania, a w konsekwencji na zapotrzebowanie ciepła. W niniejszym artykule przedstawiono aspekty:
ekonomiczny, ekologiczny i energooszczędny stosowania płaskich stropów BubbleDeck [1-3] i Cobiax [4, 5] w obiektach budowlanych. Stropy te - dzięki możliwości uzyskania dużych rozpiętości, a także podparciu realizowanemu zarówno na
ścianach, jak i na słupach - znajdują coraz szersze zastosowanie w obiektach biurowych, wystawienniczych, handlowych, użyteczności publicznej i wielofunkcyjnych. Zastosowanie tej konstrukcji pozwala na obniżenie całości kosztów realizacji
obiektu w stosunku do kosztów ponoszonych przy płycie pełnej, a także na ograniczenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery i energochłonności w procesie
produkcji elementów budowlanych.
1. KONSTRUKCJA PŁYTY STROPU
Stropy BubbleDeck i Cobiax [4, 5] są stropami płaskimi z przestrzeniami powietrznymi ukształtowanymi wkładami z tworzywa sztucznego. W stropach BubbleDeck stosuje się wkłady kuliste [1-3]. Wysokość h konstrukcyjna stropu wynosi
230, 280, 340, 390, 450, 510 i 600 mm przy średnicy d wkładów odpowiednio 180,
225, 270, 315, 360, 410 i 500 mm. Możliwa do osiągnięcia rozpiętość przęsła wynosi od 3,7 do 16 m w stropach jednoprzęsłowych i od 4,7 do 22,9 m w stropach co
188
B. Ordon-Beska
najmniej dwuprzęsłowych. Średnica zbrojenia wynosi od 6 do 16 mm. Strop jest
wykonywany w trzech typach [1, 2]:
• Monolityczny (rys. 1); z prefabrykowanymi zestawami wkładów w stalowych
koszach. Wkłady umieszcza się na tradycyjnym deskowaniu, uciągla zbrojenie,
a w razie potrzeby dozbraja szkielet. Po ułożeniu zbrojenia górnego następuje
betonowanie. Ten typ stropu wymaga szczególnie dokładnej kontroli robót
montażowych i betoniarskich, których niestaranne wykonanie może skutkować
zmniejszeniem otuliny zbrojenia oraz grubości warstwy betonu nad i pod wkładami, co w konsekwencji może obniżyć nośność i trwałość stropu.
Rys. 1. Płyta monolityczna
• Częściowo prefabrykowany (rys. 2); podstawowymi elementami stropu są płyty
filigranowe z ułożonymi na nich w trakcie produkcji zestawami tzw. koszy
z wkładami kulistymi. Płyta filigranowa stanowi deskowanie stropu i wymaga
jedynie punktowego lub liniowego podparcia. Ogranicza to ilość deskowania
potrzebnego do wzniesienia konstrukcji, skraca czas budowy, obniża jej koszty.
Dodatkowo, dzięki zatopieniu dolnych elementów stalowych kosza, nie jest
możliwe przemieszczenie wkładów w górę, jakość konstrukcji jest więc wyższa
niż w przypadku stropu monolitycznego. Płyta filigranowa ma grubość całkowitą 6, 7 lub 8 cm. W najcieńszym miejscu bezpośrednio pod wkładami grubość
warstwy betonu hf równa się tylko 2 lub 5 cm. Po wbudowaniu płyt i ułożeniu
niezbędnego zbrojenia nośnego oraz na połączeniach płyt betonuje się strop do
żądanej grubości całkowitej. Ten typ stosowany jest na mniejszych powierzchniach i przy wymianie stropów.
d
beton monolityczny
płyta filigranowa
Rys. 2. Płyta częściowo prefabrykowana
Proekologiczne i energooszczędne rozwiązania stropów żelbetowych
189
• Całkowicie prefabrykowany (rys. 3); jest to strop składający się z elementów
prefabrykowanych o żądanej całkowitej grubości płyty. Pracuje jako strop jednokierunkowy. Elementy podpiera się na belkach prefabrykowanych lub na
ścianach.
Rys. 3. Płyta całkowicie prefabrykowana
Stropy Cobiax wykonuje się z zastosowaniem wkładów kulistych lub spłaszczonych. Wkłady kuliste stosowane są do płyt o grubości od 30 do 60 cm, a spłaszczone (rys. 4). do płyt o grubości od 20 do 28 cm [6, 7]. Wykonuje się je jako monolityczne lub częściowo prefabrykowane. Rozpiętość przęsła wynosi w układach
wieloprzęsłowych nawet 20 m przy grubości płyty 60 cm. Wkłady wykonywane są
z polietylenu wysokiej gęstości z recyklingu.
Rys. 4. Fragment kosza z wkładami spłaszczonymi [4]
Stropy obu typów opiera się na ścianach, belkach lub na słupach. W przypadku
oparcia płyty na belkach lub ścianach działają w niej stosunkowo niewielkiej wartości podporowe siły tnące, których przeniesienie zapewnia się przez zastosowanie
odpowiednio wyprofilowanego zbrojenia ułożonego pomiędzy wkładami lub dodatkowo pomija się skrajne rzędy wkładów, uzyskując w ten sposób wzdłuż podparcia pełny przekrój żelbetowy. W przypadku zastosowania podpór słupowych
nośność stropu na przebicie jest na ogół niewystarczająca. Na podstawie badań podaje się [1], że wynosi ona 60% nośności płyty pełnej. Wymusza to konieczność
zaprojektowania wokół słupa strefy zbrojonej na przebicie bez wkładów, której zasięg określa się na podstawie przebiegu sił tnących. Strefa ta ma kształt prostokąta
lub okręgu (rys. 5). Jeżeli sztywność stropu na zginanie jest niezadowalająca, na
osiach łączących słupy formuje się belki ukryte przez rozsunięcie koszy z wkładami.
190
B. Ordon-Beska
wzmocnienie na przebicie
słup
belka usztywniająca
strop
Rys. 5. Rozmieszczenie stref bez wkładów
2. KOSZTY MATERIAŁOWE I ODDZIAŁYWANIE NA ŚRODOWISKO
Stropy Cobiax i BubbleDeck są zdecydowanie lżejsze od stropów pełnych o tej
samej grubości. Redukcja masy może wynosić nawet do 35% masy betonu w płycie pełnej [1, 5], a redukcja masy zbrojenia może sięgać 15% [7]. Pociąga to oczywiście za sobą spadek nośności, który jednak w dużym stopniu jest rekompensowany spadkiem obciążenia własnego.
Dzięki zastosowaniu systemu prefabrykacji maleje czas wznoszenia obiektów.
Szacuje się, że może on zmaleć nawet o 40% w stosunku do czasu potrzebnego do
wykonania identycznej konstrukcji z pełnymi stropami monolitycznymi [7].
System prefabrykacji i skrócenie czasu budowy, zmniejszenie masy betonu
i stali skutkują dalej spadkiem kosztów budowy. Ocenia się, że może on wynosić
do 20% kosztów budowy całego obiektu [1].
Nie do przecenienia są także skutki wykorzystania omawianych rozwiązań
w kontekście oddziaływania na środowisko naturalne. Wraz ze zmniejszeniem ilości materiałów następuje redukcja szkodliwych dla środowiska substancji chemicznych, maleje także ilość gazów cieplarnianych. Jak podano w [8], w każdych
5000 m2 stropu BubbleDeck zawartość CO2 w porównaniu z zawartością w stropie
pełnym spada o 278 ton.
Zastrzeżenia może budzić zastosowanie tworzywa sztucznego. Jego masa stanowi jednak tylko 1% masy betonu w obszarach z wkładami. Ponadto do ich produkcji stosowany jest materiał pochodzący z recyklingu, zatem jego zastosowanie
należy rozpatrywać w kontekście zagospodarowania odpadów szkodliwych dla
środowiska.
3. IZOLACYJNOŚĆ CIEPLNA
W konsekwencji różnic konstrukcyjnych w omawianych stropach występują
obszary różniące się charakterystyką wytrzymałościową, lecz mające zbliżoną izo-
191
Proekologiczne i energooszczędne rozwiązania stropów żelbetowych
lacyjność cieplną. Według normy PN-EN ISO 6946:2008 [9], izolacyjność cieplna
niewentylowanej warstwy powietrza o grubości powyżej 180 mm utrzymuje się na
stałym poziomie i przy przepływie strumienia ciepła w górę wynosi 0,16 m2·K/W,
a przy przepływie strumienia ciepła w dół wynosi 0,23 m2·K/W (tab. 1).
Tabela 1. Opór cieplny niewentylowanych warstw powietrza o wysokiej emisyjności
powierzchni [9]
Opór cieplny
m2·K/W
Kierunek strumienia ciepła
Grubość warstwy
powietrza, mm
W górę
Poziomy
W dół
0
0,00
0,00
0,00
5
0,11
0,11
0,11
7
0,13
0,13
0,13
10
0,15
0,15
0,15
15
0,16
0,17
0,17
25
0,16
0,18
0,19
50
0,16
0,18
0,21
100
0,16
0,18
0,22
300
0,16
0,18
0,23
PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Stropy BubbleDeck oraz Cobiax stosowane są w budownictwie coraz powszechniej. Z punktu widzenia konstruktora pozwalają osiągnąć duże rozpiętości,
co sprzyja lepszemu wykorzystaniu przestrzeni wewnętrznej obiektu i znacząco
skraca czas budowy. Mogą być stosowane w różnych obiektach, począwszy od
nowo budowanych obiektów użyteczności publicznej i mieszkaniowych, a skończywszy na obiektach remontowanych o niewielkiej powierzchni zabudowy.
Kształt płyty stropowej można modelować dowolnie, co zwraca na nią większą
uwagę architekta.
Opisywane rozwiązania wydają się być korzystne z uwagi na zmniejszenie
kosztów ponoszonych przez inwestora, a w dalszym okresie funkcjonowania
obiektu - na zmniejszenie kosztów użytkowania i rozbiórki.
Oszczędność całkowitej energii niezbędnej do wzniesienia obiektu, ograniczenie emisji dwutlenku węgla i wykorzystanie materiałów z recyklingu sytuują
przedstawione rozwiązania w grupie rozwiązań proekologicznych i energooszczędnych.
Podobnie jak strop żelbetowy pełne stropy też nie mają istotnego wpływu na
izolacyjność cieplną przegrody w aspekcie spełnienia wymagań ochrony cieplnej
budynku zgodnie z warunkami technicznymi budowlanymi (Dziennik Ustaw
192
B. Ordon-Beska
Nr 201, poz. 1238). Ich opór cieplny w zależności od grubości (od 23 do 60 cm)
kształtuje się na poziomie R = 0,2÷0,5 m2·K/W. Dlatego też w celu zapewnienia niskich strat ciepła przez przegrodę stropową, dla której współczynnik przenikania ciepła
powinien być mniejszy niż 0,25 (np. strop nad przejazdem lub nieogrzewanym pomieszczeniem), należałoby zastosować warstwę termoizolacji o grubości co najmniej 20 cm
dla warunków polskich.
Zważywszy na to, że pod względem materiałowym stropy BubbleDeck i Cobiax nie
są z założenia jednorodne, a istotną dla konstrukcji cechą jest ich mały ciężar, co uzyskano dzięki lekkim wkładom z tworzywa sztucznego wypełnionym powietrzem, celowe
wydaje się rozważenie zastąpienia ich lekkimi wkładami z materiałów termoizolacyjnych, np. ze styropianu XPS lub wypełnienie materiałem o niskiej gęstości.
LITERATURA
[1] BubbleDeck Voided Slab Solution. Technical Manual and Documents. June 2008. [dostęp:
1 grudnia 2011]. Dostępny w Internecie: <http://www.bubbledeck-uk.com/>
[2] Guðmundur Björnson: BubbleDeck Two Way Hollow Deck. September 2003. [dostęp: 1 grudnia
2011]. Dostępny w Internecie: <http://www.bubbledeck-uk.com/>
[3] Fixing tests for BubbleDeck [dostęp: 1 grudnia 2011]. Dostępny w Internecie: <http://
www.fischer.co.uk/PortalData/18/Resources/fixing_systems/services/_documents/2009-09-16BubbleDeck_Report.pdf>
[4] Cobiax Insight. Customer Magazine, 01.2010. [dostęp 1 grudnia 2011]. Dostępny w Internecie:
<http://www.cobiax.com/downloads/english/Cobiax_Insight_E.pdfCobiax>
[5] Baumat. Materiały informacyjne. [dostęp: 1 grudnia 2011]. Dostępny w Internecie: <http://www.
baumat.com.pl/stropy-cobiax_.html>
[6] Cobiax. Materiały informacyjne. [dostęp: 1 grudnia 2011]. Dostępny w Internecie: <http://
www.cobiax.com/en/products.html>
[7] Ptacek D., Semi-precast solution. Concrete, June 2007.
[8] Lai T., Structural behaviour of BubbleDeck slabs and their application to lightweight bridge
decks. Massachusetts Institute of Technology, June 2010.
[9] PN-EN ISO 6946:2008: Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.