TiCo – prefabrikovaný stavební systém pro bytové domy z dřevěných panelů s betonovou nosnou konstrukcí
Projekt TiCo hodlá využít výhod prefabrikace při výstavbě bytových domů a spojit dva běžné systémy a jejich silné stránky – nosný železobetonový skelet a dřevěný panelový systém pro obvodové pláště a vnitřní dělicí konstrukce.
1 Koncept systému
Hlavním cílem projektu TiCo (zkratka pro Timber Concrete) je vytvořit flexibilní stavební systém pro výstavbu vícepodlažních bytových domů nové generace synergicky využívající výhod lehkých nenosných konstrukcí na bázi dřeva a subtilních nosných konstrukcí na bázi vysokohodnotného betonu za maximálního využití přesné prefabrikace.
Obr. 1 Koncept bytového domu TiCo s pěti nadzemními podlažími. Zdroj: ČVUT UCEEB
Realizace projektu je založena na spolupráci dvou významných výrobců stavebních konstrukcí RD Rýmařov s. r. o. (výrobce prefabrikovaných dřevostaveb) a ŽPSV s. r. o. (výrobce železobetonových prefabrikovaných konstrukcí) a Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT v Praze, které se zabývá výzkumem a vývojem dřevěných a betonových konstrukcí.
Oba hlavní materiály mají svoje technologické a fyzikální limity, a ty se snaží projekt TiCo řešit. Využití dřeva jako konstrukčního materiálu pro nosné konstrukce vícepodlažních budov je sice možné, nicméně nevýhodné – statický návrh vede na větší průřezy konstrukčních prvků, které zabírají více místa v půdorysné dispozici a vede i k vysokým průřezům nosných prvků stropních konstrukcí, které znamenají vyšší konstrukční výšky, než by bylo nutné a optimální. Dalším problémem je větší deformabilita dřevěné konstrukce s ohledem na malý modul pružnosti dřeva, v důsledku čehož může často docházet k poruchám navazujících konstrukcí (trhlinám v příčkách, obvodových pláštích, podhledech a jejich povrchových vrstvách). S ohledem na malou plošnou hmotnost dřevěných stropních konstrukcí je častým problémem i akustika.
Z výše zmíněných důvodů bylo navrhnuto využití železobetonové konstrukce pro nosnou část budovy. Nosný skelet z vysokohodnotného betonu přináší do systému TiCo následující silné stránky:
- vysokou únosnost
- dlouhou životnost
- požární odolnost
- výhodné akustické vlastnosti z pohledu neprůzvučnosti (vzduchové i kročejové) mezi bytovými jednotkami přes stropní konstrukce
- výhodné tepelně akumulačními vlastnosti (potenciál betonových stropních konstrukcí pro akumulaci tepla a chladu)
Na druhé straně jsou výhody konstrukcí na bázi dřeva pro opláštění objektu a vnitřní příčky.
Patří mezi ně:
- nízká hmotnost
- nízká materiálová náročnost
- nízká uhlíková stopa
- malá energetická náročnost výroby
- vynikající tepelně-izolační vlastnosti při malé tloušťce
Obr. 2 Model části systému TiCo: železobetonvou konstrukcí 1.NP experimentálního objektu (vlevo). Osazené dřevěné panelové konstrukce (vpravo). Zdroj: RD Rýmařov s.r.o.
Klíčovým problémem, který projekt řeší, je vývoj a optimalizace obou materiálově-konstrukčních principů a jejich návazností (rozhraní mezi systémy) s cílem dosažení takových parametrů, které budou umožňovat realizaci materiálově i energeticky efektivní výstavby bytových domů naplňujících současné požadavky a výzvy vyplývající z COP21 [1].
Zároveň je třeba si uvědomit, že stavebnictví, jako i jiné obory průmyslu, prochází transformací a bude se muset vypořádat s nedostatkem pracovních sil. Zefektivněním procesu výstavby skrze využití prefabrikace a automatizace ve výrobě je jedním z hlavních nástrojů této transformace.
2 Vývoj
V rámci vývoje systému se bylo třeba zaměřit na řešení několika klíčových aspektů, které určují úspěšnost a použitelnost celého konceptu. Tyto aspekty je možné rozdělit na tři hlavní okruhy: komfort, bezpečnost, technologická proveditelnost.
Z pohledu komfortu jde především o parametry a požadavky na dnešní obytné domy, a to nejen normové:
- Akustika – neprůzvučnost konstrukcí.
- Vnitřní prostředí – dostatečné větrání, omezení přehřívání.
- Předsazené konstrukce – řešení balkonů, teras.
- Optimalizace pohledových částí betonových konstrukcí – použití systému s rovnými stropními deskami (skryté železobetonové průvlaky v tloušťce stropu).
Z bezpečnostního hlediska byly určující:
- Požární bezpečnost – normové omezení požární výšky na max. 5 nadzemních podlaží kvůli využití dřevěných konstrukcí.
- Statika – tuhost konstrukce, zajištění předsazených konstrukcí.
Technologická proveditelnost:
- Nároky na přesnost – přejímání konstrukcí zhotovených jiným dodavatelem (střídání dodavatelů betonové a dřevěné konstrukce po podlažích).
- Rozměrové tolerance, rovinnost, dotvarování – navazování dřevěných konstrukcí na železobetonovou konstrukci.
- Prostorové prefabrikované koupelny a WC z dřevěných konstrukcí (tzv. jádra).
- Koordinační náročnost mezi jednotlivými fázemi výstavby a jejich plynulé střídání.
- Procesní postupy v rámci přípravy projektu – předávání informací a jejich zapracování.
- Zodpovědnosti a kontrola kvality.
2.1 Návrh objektu
Z pohledu návrhu byl zásadním omezením počet podlaží. Z požárních důvodů je omezen na 5 nadzemních podlaží. Takové množství není ze statického hlediska problém pro železobetonový skelet. Pokud by však byla použita pouze dřevěná nosná konstrukce, tak by hrozilo nežádoucí dotvarování a sedání konstrukce v čase (uzavírání horizontálních dilatačních spár mezi panely apod.), což vyplývá ze zkušeností s vícepodlažními dřevěnými bytovými domy. Zde se projevuje silná stránka železobetonového skeletu.
Byl navržen 5ti podlažní typový bytový dům o vnějších půdorysných rozměrech 17,64 × 10,30 m (Obr. 1). V rámci půdorysu byly navrženy tři různé varianty dispozičního řešení, od malých startovacích bytů 1+kk (Obr. 3) přes kombinaci s 2+kk až po větší byty 3+kk. Navržený nosný konstrukční systém respektuje tato různá dispoziční uspořádání. Objekt je ztužen prefabrikovanými železobetonovými stěnami kolem vertikálního komunikačního jádra. V zrcadle schodiště bude umístěn výtah (viz Obr. 4).
Obr. 3 Varianta dispozice se čtyřmi byty 1+kk na podlaží. Zdroj: UCEEB ČVUT
Obr. 4 Nosný systém typového bytového domu. Vodorovný rozměr 17,64 m; svislý rozměr 10,30 m. Zdroj: UCEEB ČVUT
2.2 Nosná konstrukce
Stropy jsou navrženy z železobetonových panelů vhodných pro větší rozpony a větší užitná zatížení. Stropní panely jsou uvažovány v tloušťce 250 mm z betonu C30/37 s běžnou betonářskou výztuží a jsou odlehčeny polystyrenovými deskami.
Průvlaky a stropní ztužidla jsou navrženy v tloušťce stropní desky 250 mm s ozuby tak, aby byl zachován rovný podhled stropu. Průvlaky jsou navrženy z betonu třídy C50/60-XC1 vyztuženého předpjatými lany LP 15,7 a běžnou betonářskou výztuží.
Sloupy jsou rozměru 200 × 300 mm respektive 200 × 350 mm. Koncept výkresu skladby stropu – viz Obr. 4.
2.3 Fasádní panely
Jeden z hlavních požadavků na výstavbu byla montáž domu bez nutnosti stavění lešení, které výstavbu zdržuje a komplikuje. Předpokladem pro takové řešení je zhotovení fasádních panelů ve výrobě včetně finálních venkovních povrchových úprav. Bylo třeba zvolit takové řešení, které pracuje s pohledovou spárou mezi jednotlivými panely, proto se v systému nepočítá s omítkovým vzhledem, ale s obložením z fasádních desek s provětrávanou fasádou nebo obložením z lehkých obkladových pásků (imitace režného zdiva).
Skladba fasádní zavěšené stěny byla zvolena tak, aby řešení umožňovalo výstavbu v pasivním standardu. Typická skladba stěny od interiéru:
|
15 mm |
|
80 mm |
|
|
|
120 mm |
|
15 mm |
|
140 mm |
|
5 mm |
|
5 mm |
|
380 mm |
U provětrávané varianty dochází k nahrazení vrstvy polystyrenu 140 mm minerální izolací o tloušťce 100 mm v roštu a zbylých 40 mm je provětrávaná mezera skrytá za fasádní deskou.
2.4 Prefabrikované koupelny
Požadavek maximální prefabrikace se promítnul také do návrhu koupelen, u kterých je záměr je kompletně vyrobit v továrně včetně vnitřních obkladů a vyspárování. V rámci experimentálního testování proběhla výroba pilotní koupelny jako trojrozměrného prefabrikátu, na které byla testována její odolnost.
3 Experimentální testování
Pro ověření celého systému byl vytvořen návrh experimentálního objektu, který je v podstatě výřezem z plnohodnotného 5-ti podlažního objektu. Experimentální objekt (EO) má rozměry 2 × 2 konstrukční pole o dvou nadzemních podlažích se schodišťovým jádrem v jednom z polí (Obr. 7 a Obr. 8). Tento objekt je během jara a léta 2020 sestavován na experimentální ploše UCEEB ČVUT v Buštěhradu.
Z vizualizací (Obr. 5 a Obr. 6) je patrno rozdělní na dva druhy fasády, které mají být v rámci experimentu ověřeny. Bílá fasáda je provětrávaná, zaklopená cementovláknitými deskami. Červená fasáda je kontaktní zateplovací systém s povrchovou úpravou z tenkých flexibilních obkladových pásků.
Obr. 5 Jihozápadní pohled na experimentální objekt TiCo vizualizace. Zdroj: UCEEB ČVUT
Obr. 6 Severní pohled na experimentální objekt – vstupní část. Zdroj: UCEEB ČVUT
Objekt zahrnuje tři bytové jednotky, společné prostory a technickou místnost. Každá z bytových jednotek odpovídá jednomu stupni komfortu, které byly v rámci experimentu nastaveny pro účely testování a měření za provozu. Tyto varianty jsou shrnuty v tabulce Tab. 1.
| Technické požadavky a vnitřní prostředí | LOWCOST Bytová jednotka 3 (3.NP) Krizové sociální bydlení, studentské bydlení |
STANDARD Bytová jednotka 2 (2.NP) Dostupné (sociální) bydlení |
KOMFORT Bytová jednotka 1 (1.NP) Optimální varianta |
|---|---|---|---|
| Energetický standard |
|
|
|
| VZT |
|
|
|
| Energie a zdroj vytápění |
|
|
|
| Způsob vytápění |
|
|
|
Tab. 1 Varianty standardů bytových jednotek v rámci experimentálního objektu TiCo.
V rámci sestavování experimentálního objektu budou ověřeny mimo jiné:
- Dva druhy fasád, jejich napojování a řešení spár – obkladové desky s provětrávanou fasádou a varianta s tenkými obkladovými pásky na přírodní bázi se vzhledem režného zdiva.
- Prefabrikovaná koupelnová jádra z dřevěné konstrukce.
- Osazení vykonzolovaných železobetonových balkonů na isonosnících uložených do předepjatých průvlaků.
- Postup osazení jednotlivých panelů:
- zavěšení fasádních panelů na ŽB konstrukci
- spasování fasádních panelů a řešení spojů
- instalace vnitřních příček na připravený ŽB strop a jejich zaklopení dalším ŽB stropem nad.
- Koordinační nároky na instalaci dvou systémů (železobetonový a dřevěný) ve střídavě navazujících krocích, střídání montážních čet na stavbě, reakce na přejímání nerovností a nepřesností.
Obr. 7 Experimentální objekt TiCo – 1.NP. Zdroj: RD Rýmařov s.r.o.
Obr. 8 Experimentální objekt TiCo – 2.NP. Zdroj: RD Rýmařov s.r.o.
V rámci provozu jsou naplánovány experimenty spojené s vnitřním prostředím, stavební fyzikou nebo hospodaření s vodou, jako například:
Obr. 9 Fotografie z výstavby experimentálního objektu. Zdroj: Štěpán Mančík
- Monitoring vlhkosti v konstrukčních spárách na fasádě.
- Efektivita centrálních i lokálních fasádních rekuperačních jednotek a jejich řízení pomocí čidel a inteligentního systému.
- Akustické zkoušky ověřující neprůzvučnost jednotlivých konstrukcí, ale také přenos vibrací například z prefabrikovaných koupelen do železobetonového stropu.
- Regulace přehřívání a obecná citlivost na letní stabilitu a její udržení pomocí vnějších stínících žaluzií.
- Využití zachycené dešťové vody a přečištěné splaškové vody.
- Energetická náročnost pro dosažení kvality vnitřního prostředí (koncentrace CO2, tepelný komfort) v různých standardech bytů.
4 Závěr
Životaschopnost a uplatnitelnost systému TiCo na trhu je stále otázkou budoucího zkoumání a ověřování. Ovšem již teď je jasné, že má potenciál na to vyřešit několik palčivých problémů, které stavebnictví tíží. Mezi prvními je nedostatek kvalifikovaných pracovních sil a zkušených řemeslníků. Zprůmyslnění výroby by znamenalo zefektivnění procesu výstavby a snadnější hlídání kvality, kterou současný klient požaduje.
Environmentální efektivita sytému a využití lokálních materiálů je jeho silnou stránkou.
Logicky se také nabízí porovnání s panelovou výstavbou druhé poloviny 20. století, se kterou se pojí negativní konotace a pocity několika generací jejich obyvatel. Tyto pocity pramení z negativních zkušeností, které jsou spojeny s urbanistickými otázkami měřítka takových staveb a sídlišť společně s unifikovaným vzhledem betonové šedi. Tyto zkušenosti je třeba mít na paměti a poučit se z nich.
Poděkování
Projekt vzniká za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu v program TRIO (číslo projektu FV10685).
Literatura
- United Nations, „COP 21,“ 26 duben 2020. [Online]. Available: https://unfccc.int/process-and-meetings/conferences/past-conferences/paris-climate-change-conference-november-2015/cop-21.
The main aim of the project TiCo is to facilitate advantages of prefabrication in building residential houses by connecting two major systems with their strong points – reinforced concrete skeleton for load bearing structure and wooden panel system for facades and partition walls.