Każdy nowo zaprojektowany budynek, musi spełniać wymagania stawiane przez Prawo Budowlane. Od poprawności projektu i wykonawstwa, a także jakości stosowanych materiałów, zależy bezpieczeństwo, komfort użytkowania i koszty bieżącej eksploatacji.
Zgodnie z ustawą Prawo Budowlane każdy obiekt budowlany jako całość musi spełniać wymagania podstawowe w zakresie: a) nośności i stateczności konstrukcji, b) bezpieczeństwa pożarowego, c) higieny, zdrowia i środowiska, d) bezpieczeństwa użytkowania i dostępności obiektów, e) ochrony przed hałasem, f) oszczędności energii i izolacyjności cieplnej, g) zrównoważonego wykorzystania zasobów naturalnych. W codziennej, normalnej eksploatacji obiektu dla większości użytkowników bezpośrednie znaczenie mają głównie aspekty związane z ochroną przed hałasem, a także fizyką budowli, w szczególności z izolacyjnością cieplną. Wpływają one na komfort użytkowania oraz doraźne koszty zużycia energii na ogrzewanie. Konieczność spełnienia wymagań w zakresie nośności oraz stateczności także jest oczywista i każdy prawidłowo zaprojektowany obiekt spełnia to wymaganie. Świadomi użytkownicy zdają sobie również sprawę ze znaczenia bezpieczeństwa obiektu w sytuacjach wyjątkowych, takich jak pożar lub awaria konstrukcji obiektu. W takiej sytuacji konstrukcja obiektu musi zagwarantować bezpieczną ewakuację ludzi w założonym czasie.
Fizyka budowli
Podstawowe wymagania z zakresu fizyki budowli to izolacyjność termiczna i akustyczna przegród. Kryteria te w wysokim stopniu zależne są od rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych budynku. Inne zagadnienia fizyki budowli to na przykład kwestia wentylacji w obiekcie. Problematyka fizyki budowli w małym stopniu jest związana z układem nośnym obiektów o konstrukcji szkieletowej, a dotyczy głównie przegród osłonowych obiektu. Powszechne w Polsce w latach 70. i 80. budownictwo wielkopłytowe posiadało liczne niedociągnięcia w tym zakresie. Archaiczne rozwiązania techniczne oraz radykalne oszczędności, pośpiech i brak dokładności montażu pokutują do dziś negatywnym postrzeganiem budownictwa prefabrykowanego. Obecnie stosowane systemy prefabrykacji oferują rozwiązania łączące w sobie zarówno odpowiedni współczynnik λ prefabrykatu ściennego, jak i właściwe ukształtowanie złączy w systemowy sposób, który eliminuje mostki termiczne. Dodatkowo możliwość przypadkowego powstania mostków termicznych jest ograniczona do minimum z powodu braku możliwości montażu prefabrykatów w sposób inny niż systemowy, który jest przewidziany w projekcie technicznym – minimalizuje to ryzyko popełnienia błędów wykonawczych na etapie montażu. Zagadnienia fizyki budowli w zakresie izolacyjności akustycznej również nie są w wysokim stopniu związane ze szkieletem nośnym konstrukcji. Ochrona przed hałasem z zewnątrz realizowana jest za pomocą ścian zewnętrznych i pozwala uzyskać wymagany niski poziom hałasu we wnętrzu budynku na poziomie 30 dB względem minimalnych 70 dB w typowych warunkach panujących na zewnątrz. Prefabrykacja ma pewną przewagę nad technologią monolityczną, ponieważ konstrukcje prefabrykowane żelbetowe łączone są przegubowo, z zastosowaniem podkładek elastomerowych, które również ograniczają przenoszenie dźwięków i drgań – prefabrykowane elementy klatek schodowych układane są na podkładkach elastomerowych (rys. 1., 2.) tłumiących drgania, co zapobiega propagacji dźwięków na konstrukcję budynku, zwiększając komfort akustyczny w stosunku do konstrukcji monolitycznych.
Bezpieczeństwo pożarowe
Jednym z podstawowych wymagań, jakie stawia się obiektom budowlanym, jest kryterium bezpieczeństwa pożarowego. Ochrona przeciwpożarowa obejmuje między innymi podział budynku na strefy pożarowe, zastosowanie niepalnych materiałów budowlanych oraz materiałów budowlanych o wysokiej klasie odporności ogniowej. Wymogi wynikające z ochrony przeciwpożarowej budynków formułowane są między innymi w oparciu o takie uwarunkowania, jak: przeznaczenie budynku, liczba pięter, wysokość budynku oraz wymiary zewnętrzne. Pod pojęciem ochrony przeciwpożarowej kryją się działania związane zarówno z projektowaniem oraz budową obiektu, jak i z jego funkcjonowaniem. Projektowanie ze względu na bezpieczeństwo pożarowe powinno zaczynać się już od doboru składu i składników betonu. Zachowanie betonu w warunkach pożarowych zależne jest zarówno od jakościowej, jak i ilościowej charakterystyki składu betonu oraz stwarza możliwość kształtowania ognioodporności betonu już na najwcześniejszym etapie projektowania. Jako szczególnie istotny należy wskazać wpływ rodzaju kruszywa grubego – betony z typowym kruszywem krzemionkowym wykazują istotny spadek wytrzymałości już powyżej 350°C, podczas gdy zastosowanie kruszywa lekkiego sztucznego oraz kruszywa węglanowego pozwala ograniczyć spadek wytrzymałości betonu związany z niszczącym wpływem temperatury nawet w przypadku oddziaływania temperatury do ok. 600°C, co w znaczącym stopniu wydłuża czas zachowania nośności elementu podczas pożaru. W zakresie charakterystyki ilościowej składu najistotniejszy jest wpływ wskaźnika w/c. Optimum wartości tego wskaźnika odpowiada betonom o wytrzymałości 60–70 MPa. W przypadku betonów o wyższej wytrzymałości znacząco rośnie ryzyko spallingu – gwałtownego, eksplozyjnego odspajania się otuliny betonowej. Zjawisko to jest bardzo groźne z uwagi na odsłanianie prętów zbrojeniowych na działanie ognia (co skutkuje szybszą utratą nośności) oraz ryzyko dla ekip ratunkowych narażonych na trafienia odpryskami betonu. Zjawisko spallingu można jednakże w znacznym stopniu ograniczyć, stosując zbrojenie rozproszone z włókien z tworzyw sztucznych.
Prefabrykaty a ochrona przeciwpożarowa
Betonowe obiekty mogą aktualnie spełniać najostrzejsze wymagania w zakresie ochrony przeciwpożarowej pod warunkiem, że zostanie to uwzględnione na etapie projektowania prefabrykatów i całego obiektu. Elementy prętowe (w szczególności słupy, belki) ulegają wydłużeniom liniowym, w największym stopniu w kierunku najdłuższego wymiaru. W przypadku kiedy wydłużający się wskutek oddziaływania temperatury element napotka ograniczenie przemieszczenia, w konstrukcji powstają dodatkowe siły, co zmienia jej schemat statyczny. Jednym z efektów ich oddziaływania jest powstawanie sił, które mogą „rozpychać” sąsiednie elementy, z jakimi połączone są w węzłach. W zasadzie należy uznać, że każdy rodzaj połączenia słup–belka jest z punktu
widzenia mechaniki ograniczony w odkształceniach i podczas projektowania prefabrykowanych konstrukcji prętowych na oddziaływania ogniowe musi to zostać uwzględnione. Charakterystyka przeznaczenia obiektów o konstrukcji szkieletowej prowadzi do wniosku, że zwykle są to obiekty o wymaganej wysokiej klasie odporności pożarowej B lub A (głównie budynki klas ZL I i PM o wysokiej gęstości obciążenia ogniowego strefy pożarowej Q). Konstrukcja nośna żelbetowa stosowana jest w szczególności przy wymaganych wysokich klasach odporności ogniowej układu nośnego, tj. minimum R 120 min. Prefabrykowane elementy, które są właściwie zaprojektowane i wykonane, mogą osiągnąć ognioodporność do REI 240 minut, co jest wartością bardzo wysoką.
Odporność ogniowa
Szczególnie ważnym aspektem działań przeciwpożarowych są odpowiednio zaprojektowane klasy odporności ogniowej obiektów. Przede wszystkim dlatego, że dzięki nim udaje się minimalizować ryzyko utraty zdrowia i życia ludzi. W przypadku zastosowania wyższej klasy odporności ogniowej niż ta wymagana przepisami inwestor zyskuje również większe prawdopodobieństwo ochrony mienia. Badania laboratoryjne potwierdzają stosunkowo dużą odporność betonu na działanie ognia w porównaniu do innych materiałów konstrukcyjnych. Co więcej, usuwanie skutków pożaru w obiekcie zbudowanym z elementów prefabrykowanych wiąże się często jedynie z drobnymi naprawami, podczas gdy konstrukcje ze stali w znacznie większym stopniu podatne są na niszczące działanie wysokich temperatur. Zapewnienie ochrony pożarowej w konstrukcjach żelbetowych jedynie nieznacznie zwiększa koszty realizacji obiektu, ponieważ prefabrykaty z betonu nie wymagają stosowania specjalnych powłokowych środków mających na celu zabezpieczenie konstrukcji przed pożarem. Przy użyciu innych rozwiązań materiałowych konstrukcji (stal, drewno) ochrona pożarowa stanowi znaczącą pozycję w całkowitych kosztach realizacji obiektu, jak również w kosztach bieżących związanych z opłatami ubezpieczeniowymi.
Stany wyjątkowe
Stany wyjątkowe oznaczają oddziaływanie na konstrukcję sił innych niż obciążenia użytkowe i ciężar własny. Takie obciążenia mogą wystąpić w sytuacji: nadmiernego lub nierównomiernego osiadania obiektu, wybuchu wewnątrz lub na zewnątrz obiektu, oddziaływania żywiołów albo kolizji z pojazdem bądź statkiem powietrznym lub wodnym. Przy tego typu zdarzeniach kluczową kwestią jest zachowanie integralności konstrukcji co najmniej do czasu ewakuacji ludzi. Stateczność prefabrykowanej konstrukcji szkieletowej zapewniana jest przez połączenia między elementami. W sytuacji wyjątkowego obciążenia może dojść do zmniejszenia zdolności elementu lub węzła do przenoszenia obciążeń. W takim wypadku zachowanie integralności konstrukcji wymaga, aby obciążenia te mogły zostać rozdystrybuowane na inne elementy układu. Konstrukcje prefabrykowane projektowane są w taki sposób, że stosunkowo łatwo jest przewidzieć i zaplanować awaryjne scenariusze redystrybucji sił w sytuacji wyjątkowej, obejmującej utratę nośności pojedynczego elementu lub nawet sekcji konstrukcji (rys. 3., 4.). Jako sytuację wyjątkową można także potraktować zdarzenia sejsmiczne występujące na terenach górniczych. Tego rodzaju zagrożenie nie wyklucza możliwości wznoszenia prefabrykowanych konstrukcji szkieletowych, ale obowiązują wtedy dodatkowe zasady i zalecenia konstrukcyjne obejmujące na przykład uwzględnienie tego typu oddziaływań przy projektowaniu połączeń węzłowych między elementami.
Ochrona zdrowia i środowiska
Podczas projektowania prefabrykatów projektant ma szerokie pole działania w celu ochrony zdrowia użytkowników oraz środowiska naturalnego. Do powszechnej świadomości technicznej weszły już takie określenia, jak projektowanie proekologiczne, projektowanie demontażu, projektowanie wielokrotnego wykorzystania [2]. Efekty środowiskowe związane z wykorzystaniem prefabrykatów betonowych można kształtować w szczególności przez: zawartość w składzie betonu materiałów pochodzących z recyklingu, ograniczenie masy elementów, poprawę efektywności energetycznej w okresie użytkowania, zwiększenie niezawodności oraz trwałości elementów i ich połączeń, ograniczenie trudności związanych z rozbiórką i poużytkowym przetwarzaniem, zwiększenie łatwości recyklingu lub stworzenie możliwości powtórnego wykorzystania, wyposażanie prefabrykatów konstrukcyjnych w dodatkowe funkcje instalacyjne i energetyczne. Przewidywanie aspektów środowiskowych prefabrykatu w całkowitym czasie jego życia (LCA – life cycle assesment) jest jednak zagadnieniem bardzo złożonym, a podstawowe znaczenie może mieć rozpatrzenie funkcji wyrobu w systemie jego użytkowania, ale także zagadnienie transportu gotowych elementów z wytwórni na plac budowy [3].
Podsumowanie
Prefabrykacja betonowa pozwala kształtować bezpieczeństwo obiektu w okresie jego normalnej eksploatacji i sprzyja przewidywaniu reakcji obiektu na sytuacje wyjątkowe, takie jak zdarzenia pożarowe lub nagłe awarie. Na etapie koncepcyjnym projektant ma również decydujący wpływ na aspekty użytkowe obiektu z prefabrykatów w zakresie komfortu i kosztów związanych z szeroko rozumianą fizyką budowli, jak również aspekty środowiskowe w całym cyklu życia wyrobów, z których złożony jest dany obiekt budowlany.
dr inż. Grzegorz Adamczewski, Politechnika Warszawska
dr hab. inż. Piotr Woyciechowski, prof. PW, Politechnika Warszawska
