Navrhování ocelových stavebních konstrukcí pro opětovné využití

1. Využití nosné konstrukce opětovně

Dnešní stavebnictví klade důraz na minimalizaci dopadu průmyslové výroby na životní prostředí a na prevenci vzniku odpadů. Tím je umožněna péče o životní prostředí a využívání stavebních konstrukcí a jejich prvků – praxe, která byla běžná po staletí. Stavební průmysl patří k největším spotřebitelům přírodních zdrojů a zároveň k významným producentům průmyslového odpadu. Bohužel se na něj vážou i vysoké emise skleníkových plynů vzniklých zejména při výrobě základních stavebních materiálů jako jsou beton a ocel. Ačkoli se dnes konstrukční ocel recykluje téměř beze ztrát, jedná se přesto o energeticky náročný proces, kde další snižování emisí naráží na technologické limity. Významným ekologickým řešením je proto opětovné využití ocelových konstrukčních prvků bez nutnosti přetavení.

Princip opětovného využití není novinkou. Zejména po první a druhé světové válce byly navrhovány rozsáhlé tovární komplexy z dostupných stavebních prvků. Dnešních cílů lze dosáhnout zejména obnovou a oběhem existujících konstrukčních prvků, a to jak ve stavebnictví, tak i v dalších průmyslových odvětvích bez nutnosti jejich separace na základní materiály a další recyklace. Řešení umožňují nové průmyslové technologie a efektivní dodavatelské řetězcem. Klíčem k efektivní demontáži a dalšímu využití materiálů je digitalizace, která celý proces výrazně zjednodušuje a přináší možnosti jednoduššího hodnocení kvality materiálu a následného obchodování s použitými konstrukčními prvky. Životnost staveb často přesahuje délku života jedné generace, a právě proto zůstává digitalizace ve stavebnictví, zejména způsob uchování a zajištění věrohodnosti informací, velkou výzvou.

Abychom v budoucnu mohli připravit funkční a udržitelná řešení, je třeba porozumět tomu, jak se bude životní prostředí v následujících desetiletích měnit. Právě tyto úvahy formují cíle a hranice moderního cirkulárního plánování staveb a infrastruktury. Očekává se, že naše poznatky o negativních účincích různých látek na lidské zdraví a životní prostředí se budou nadále prohlubovat. Zároveň lze předpokládat, že se ve stavebnictví objeví stále více inovativních technologií a služeb, které budou hrát klíčovou roli při naplňování principů udržitelnosti.

Stavaři si jsou si vědomi významu přípravy uzavřeného cyklu stavebních komponent pro snížení dopadu stavebnictví na životní prostředí. Proto se aktivně zapojují do řady aktivit v rámci národní i mezinárodní spolupráce. Jedním z výzkumných projektů zaměřených na podporu adaptace stavebního a demoličního průmyslu na výzvy cirkulární ekonomiky je projekt ADVANCE (RFCS 101112269). Projekt je koordinován Ing. Hradilem z Výzkumného technického centra VTT Espoo. ADVANCE navazuje na projekt PROGRESS (RFCS 747847), který vytvořil komplexní soubor nástrojů, příruček a protokolů na podporu obnovy a opětovného využití ocelových prvků a konstrukcí ocelových hal. Spojuje poznatky s podobnými aktivitami po celém světě. Přestože principy cirkulární ekonomiky jsou nezávislé na materiálu, je projekt zaměřen na ocelové konstrukce hned z několika důvodů:

• Ocelové stavební konstrukce se v Evropě téměř beze zbytku recyklují. Proto lze využít stávající dodavatelské řetězce, zatímco v případě jiných materiálů je třeba zaplnit výrobní mezery.
• Nelze očekávat průlomové zlepšení v samotné recyklaci, a proto je opětovné využívání logickým krokem ke snížení uhlíkové stopy materiálu.
• V současnosti jsou možnosti tvorby tzv. reverzibilních spojů – tedy takových, které lze snadno rozebrat a opětovně použít – stále omezené. Právě proto se většina moderních cirkulárních stavebních systémů spoléhá na šroubované ocelové spoje, a to bez ohledu na to, jaký je primární konstrukční materiál.

Konstrukce hal

Obr. 1 Příklad snadno demontovatelného kotvení patní a kotevní deskou [1]

Montované ocelové haly přirozeně splňují většinu požadavků moderního cirkulárního stavebnictví – zejména díky použití šroubových spojů. Existují již konkrétní příklady úspěšného opětovného využití těchto konstrukcí, které mohou sloužit jako základ pro systematický a průmyslově škálovatelný přístup. Inovace v oblasti ocelových konstrukcí navíc přináší výhody i pro využívání jiných stavebních materiálů. Ocelové nosné konstrukce jednopodlažních prutových soustav lze využít jako celek, nebo využít pouze jejich prvky. Pro oba záměry jsou vhodné šroubované třecí spoje vysokopevnostními šrouby. Lze navrhnou demontovatelné kotvení patní a kotevní deskou obr. 1. Metodika návrhu byla vyvinuta v projektu INFASO RFSR 2007-00051 [1]. Využití ohybové tuhosti styčníků lehké tenkostěnné rámové konstrukce na kotevních šroubech bez patní desky a řada dalších inovativních prvků bylo připraveno v projektu, které připravili pracovníci ČVUT v Praze pod vedením Ing. Mareše obr. 2 [2]. Na obr. 3 je šroubovaný rámový roh plnostěnného sloupu a příčle, který je navržen v řadě manuálů SCI (Steel Construction Institute). Náběh je pro usnadnění demontáže připojen šroubovým třecím spojem.

Obr. 2 Protlačovací zkouška s demontovatelného kotvení šrouby s pokladními maticemi bez patní desky [2]

Obr. 3 Šroubovaný přípoj náběhu příčle v rámovém roh [3]

Obr. 4 Vzpěra v portálovém rámu [3]

U jednopodlažních prutových konstrukcí s krátkým a středním rozpětím lze detail příčle nahradit vzpěrou s použitím čtvercového dutého průřezu se 4 šrouby připojenými k přírubě krokve a sloupu, obr. 4. Tyto šrouby působí ve smyku a tahu v závislosti na orientaci ohybového momentu. Šikmá vzpěra svírá s vodorovnou rovinou asi úhel 45°. Vzpěra se navrhuje z uzavřeného průřezu např. RHS 150×150. Umístí se přibližně 1,5 m pod osou připojení prutu. Omezuje využití prostoru. Pásnice sloupu a příčle se vyztužují na vybočení z roviny. Pro rozpětí 24 m bude osová síla v šikmé vzpěře asi 200 kN. Čelní desku lze navrhnout se čtyřmi šrouby M20. V příčli síla vyvodí přibližně 300 kNm. Prostorovou tuhost a robustnost konstrukce se zajišťuje příhradovými ztužidly, která jsou nutná pod deskou z dutých betonových předepnutých panelů obr. 5.

Obr. 5 Demontovatelný podlahový systém s použitím prefabrikátů a vodorovných výztuh [4]

Konstrukce patrových budov

Základem ocelobetonových konstrukcí patrových budov je spřažení. Pro jeho demontáž bylo vyvinuto a v praxi ověřeno několik systémů obr. 6 [6]. Inženýři neustále přichází s inovacemi. Na ČVUT v Praze bylo připraveno pro demontovatelné stropy parkovišť řešení na obr. 7.

Obr. 6 Demontovatelné šroubové spřažení a) třecími šrouby, b) vetknutím dvojitou maticí, c) se spojkou, d) vlepená vložka [5]

Obr. 7 Protlačovací zkouška demontovatelného šroubovaného spřažení pro patrové garáže [6]

Pro navrhování dřevobetonových konstrukcí byly první podklady připraveny před deseti lety v USA. Spřahovací prvky jsou vždy demontovatelné. Výhodné je využití stropů z desek LCT panelů [7]. Příklad spřažení je obr. 8. Pro konstrukce vystavené zemětřesení byly v Evropě v projektu FEEDAM [8] připraveny šroubované spoje s disipací energie na speciálně upravené třecí ploše, obr. 9.

Obr. 8 Demontovatelná spřažení ocelového nosníku a CLT panelu [7]

Obr. 9 Přípoj nosníku na sloup s vodorovnými třecími tlumiči, model a experiment [7]

Závěrem

Projekty ADVANCE a PROGRESS [8] se zaměřily na zvýšení podílu opětovně využitých ocelových komponentů. Zatímco míra recyklace oceli se od roku 2000 zvýšila z 93 % na 96 %, míra opětovného využití stagnuje. Na co je třeba se zaměřit?

• Na prodloužení životnosti konstrukčních prvků jejich opětovným použitím po jejich odstranění z původní konstrukce.
• Na snížení spotřeby surovin a energie v ocelářském průmyslu, a jeho celkový negativní dopad na životní prostředí.
• Na navrhování konstrukcí s opětovně použitými prvky a konstrukcí, které budou v budoucnu rozebrány, aby se maximalizoval potenciál opětovného využití jejich prvků a systémů.

Příspěvek vychází z materiálů projektu ADVANCE a Semináře k opětovné využití ocelových konstrukčních stavebních prvků na Dnech oceli, dřeva a skla Katedry ocelových konstrukcí ČVUT v Praze dne 25. 3. 2024.

Literatura

1. Wald, F.; Kuhlmann, U.; Hofmann, J.; Bečková, Š.; Schwarz, I. Přípoje ocelových konstrukcí na betonové, Praha, ČVUT v Praze, 2014. ISBN 978-80-01-05429-1.
2. Mareš J., Wald F. Steel concrete multi-storey car park demountable ceilings, CTU report, 222-2017.
3. https://steel-sci.com/
4. Davison B, Owens GW eds., 2012, Steel designers’ manual, The Steel Construction Institute, 7^th edition, Wiley-Blackwell, UK.
5. Research Fund for Coal and Steel, Reuse and demountability using steel structures and the circular economy, REDUCE RFCS-02-2015.
6. Mareš J., Wald F. Tests joint light agricultural halls, CTU, In-house research report, 2022.
7. Loss C, Piazza M, Zandonini R Connections for steel–timber hybrid prefabricated buildings. Part II: Innovative modular structures. Construction and Building Materials, 2016. 122, 796–808.
8. Piluso a kol. Návrh ocelových konstrukcí se styčníky FREE from DAMage, ECCS – European Convention for Constructional Steelwork, 2022, ISBN 978-92-9147-194-2.
9. ECCS TC14 Sustainability & Eco-Efficiency of Steel Construction, Recommendations for Reuse of Reclaimed Steel Products, Volume 2: Building design recommendations to facilitate future deconstruction and reuse, 2^nd Edition, ECCS, Brusel, 2025.