Srovnání železobetonové základové desky a desky z panelů na zemních vrutech pro pasivní dům

Abstrakt:

Článek srovnává klasickou ŽB desku a desku provedenou ze SIP na zemních vrutech o výměře 100 m². Konstrukce desek je navržena tak, aby splnily požadavky definované ČSN 73 0540 pro pasivní dům. Srovnávacím kritériem je např. objem přepravovaných hmot. Pro stavbu železobetonové desky je potřeba přemístit 235 t materiálu, pro desku ze SIP stačí přepravit 10 t. Dalším důležitým kritériem je vliv na životní prostředí. Deska ze SIP spotřebuje o 39,4 % méně primární energie, na globálním oteplování se podílí o 64,3 % méně, na okyselování prostředí o 41,7 % méně a na ničení ozónové vrstvy dokonce o 72,8 % méně než ŽB deska. V článku je nastíněna i problematika životnosti stavebních konstrukcí a základní principy ovlivňující životnost desky ze SIP, tedy kvalita použitých materiálů a principy konstrukční ochrany dřeva. V závěru článku je porovnána nákladovost obou typů základových desek.

Úvod

Když v roce 2008 předseda Evropské komise José Manuel BARROSO na mimořádném plenárním zasedání představil soubor opatření, která si kladou za cíl do roku 2020 snížit emise skleníkových plynů o 20 % oproti úrovni z roku 1990, zvýšit podíl obnovitelných zdrojů energií v celkové spotřebě v EU na 20 % a zvýšit energetickou účinnost v Evropě o 20 % málokdo si dokázal představit jeho dopady na stavební výrobu. Dnes jsme svědky důsledků tohoto závazku. Bylo prokázáno, že více než 40 % vyrobené energie spotřebovávají budovy. Řešíme, jak vyrábět a stavět s co nejnižší spotřebou energie, jak užívat stavby co nejúsporněji a ruku v ruce s energetickou úsporností celého procesu nás stále více zajímá, jak tyto činnosti ovlivňují přírodu. Všechno to zní velmi nadneseně a odtrženě od reálného světa výrobců stavebních materiálů a stavebních firem. Ale není. Stačí se podívat na trendy vývoje stavebních materiálů a výrobků zabudovávaných do staveb. Díky moderním materiálům a postupům lze dnes provést i základovou desku bez nutnosti betonování. Tento článek si klade za cíl z různých pohledů porovnat železobetonovou (ŽB) základovou desku a alternativní konstrukci základové desky z konstrukčních izolovaných panelů (SIP) na zemních vrutech.

Stanovení okrajových podmínek

Nejprve však musíme stanovit okrajové podmínky našich úvah, jinak se rozbředneme v nekonečnu možností. Naším cílem bude z různých hledisek porovnat realizaci základové desky ze železobetonu a ze SIP pro pasivní dřevostavbu o zastavěné ploše 100 m². Nedemokraticky jsme vyloučili stavby z cihelných bloků a betonu, protože jsou doposud velmi hmotné a pro založení na zemní vruty tudíž nepoužitelné.

Skladba porovnávaných konstrukcí s ohledem na požadovaný součinitel prostupu tepla

Dle ČSN 73 0540 jsou doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla U pro pasivní dům u desky přilehlé k zemině 0,22 až 0,15 W/(m².K) a pro desku nad exteriérem 0,15 až 0,10 W/(m².K). Navrhli jsme proto skladby základových desek tak, aby obě plnily doporučené normové hodnoty pro pasivní domy.

Pro porovnání jsme zvolili následovně konstruovanou ŽB desku. Po obvodu desky a uprostřed (pod nosnou vnitřní stěnou) jsou armované základové betonové pasy široké 500 mm a hluboké 1000 mm. Mezi pasy je vrstva štěrku 150 mm, na které je vylita armovaná betonová deska tlustá 150 mm. Na hrubé desce je navařena hydroizolace z modifikovaného asfaltového pásu, na ní je položen podlahový polystyren tl.155 mm. Podlahu tvoří betonová mazanina tloušťky 60 mm. Součinitel prostupu tepla této skladby je 0,22 W/(m².K) Deska ze SIP je tvořena rastrem zemních vrutů délky 2050 mm. Hlavy vrutů jsou umístěny 200 až 300 mm nad terénem. Na vruty jsou připevněny lepené modřínové hranoly o průřezu 160 x 200 mm. Na hranoly jsou našroubovány panely tloušťky 270 mm. Obvodová drážka desky je olemována dřevěnými vloženými prvky. Panely jsou vyrobeny z polystyrénového jádra tloušťky 242 mm a dvou OSB desek tl.15 mm. Součinitel prostupu tepla této skladby je 0,15 W/(m².K)

Tab. 1 Materiálová skladba základových desek a součinitel prostupu tepla

	Tl. vrstvy [mm]	Tepelná vodivost λ [W/(m.K)]	Součinitel prostupu tepla „U“ [W/(m2.K)]
ŽB deska
Štěrk	150	0,6500	0,22
Základová deska – beton	150	1,5800
Hydroizolace – asfaltový pás	4	0,2100
EPS 70Z	155	0,0390
Betonová mazanina	60	1,3000
SIP deska
OSB	15	0,1300	0,15
EPS 70F	242	0,0390
OSB	15	0,1300

Terénní práce

Pro oba způsoby založení je shodné přivedení přípojek vody, kanalizace a elektřiny. V případě založení na SIP panelech jsou všechny přípojky vyvedeny do izolované šachty ze ztratného bednění, která se napojí k budoucí desce.

Pro ŽB desku je nutné shrnout ornici a vykopat základové pasy. Pohybem techniky, bagrováním a uložením vybagrované a shrnuté zeminy se poničí pozemek nejenom pod budoucí stavbou, ale na dvoj až trojnásobné ploše. Po dokončení stavby následují další zemní práce, rozhrnutí zeminy, srovnání pozemku a založení zahrady.

V případě založení na zemní vruty stačí pouze zašroubovat zemní vruty. Nemusí se provádět žádné úpravy terénu, bagrování a přesuny zeminy. Je to velmi šetrný způsob založení stavby a hodí se všude tam, kde je pozemek roky opečováván a šlechtěn, například na zahradách a v chráněných či jinak cenných lokalitách.

Konstrukce základové desky

Pro ŽB základovou desku vybagrujeme a vybetonujeme základové pasy, navezeme a zhutníme štěrk, vybedníme a vylejeme hrubou základovou desku. Necháme vyzrát, zpenetrujeme, navaříme hydroizolaci, případně radonovou izolaci a můžeme začít stavět svislé stěny. Pro porovnání s deskou ze SIP na zemních vrutech, tedy pro dosažení kýženého součinitele prostupu tepla, musíme do ŽB základové desky zahrnout i následné práce, tedy položení polystyrenu, a provedení betonového potěru. Tím práce na hrubé podlaze končí.

V případě desky ze SIP je to jinak. Na zemní vruty připevníme lepené hranoly, na ně přišroubujeme podlahové panely a máme hotovo. Tepelný izolant je součástí panelu. Stavba je nad terénem, tudíž nemusíme řešit hydroizolaci a izolaci proti radonu.

Časová náročnost

Kompletně provedená ŽB základová deska včetně izolantu a betonového potěru si vyžádá cca dva měsíce díky své pracnosti a technologickým časům potřebným pro zrání betonu. Realizovat betonovou desku v zimě je velmi složité.

Deska ze SIP na zemních vrutech je hotová za dva až tři dny a její zhotovení je možné celoročně. I z pohledu následných prací jako je sádrokarton nebo pokládání podlahových krytin se doba výstavby zkracuje, protože není nutné čekat na vyzrání a vyschnutí betonových či sádrových potěrů.

Přesuny hmot

Námi zvolená ŽB deska má plochu 100 m², hloubku základových pasů 1000 mm, šířku pasů 500 mm. Počítáme s pasy po obvodu a pod jednou vnitřní nosnou stěnou. V případě ideálně rovného pozemku musíme odstranit a odvézt či uložit 20 až 25 m³ ornice a vybagrovat a odvézt 25–30 m³ zeminy ze základových spár. Pro základové pasy je potřeba 25 m³ betonu. Štěrkové lože mocné 150 mm představuje 15 m³ štěrku a betonová deska tlustá 150 mm 15 m³ betonu. K tomu armatura, hydroizolace, 15,5 m³ polystyrénu a 6 m³ betonového potěru. Celkem je tedy nutné vybagrovat a uložit 45–55 m³ zeminy a dopravit 77 m³ stavebních hmot. Vyjádřeno v jednotkách hmotnosti je to 100 t zeminy a 135 t stavebních hmot (v suchém stavu). Vyjádřeno v dopravních prostředcích jde o 7–8 domíchavačů betonu TATRA  815 (objem 7 m³) a 10 plně naložených sklápěčů TATRA 815 (nosnost 13 t).

V případě desky ze SIP se kromě připojovací šachty žádné jiné zemní práce provádět nemusí. Pro zhotovení připojovací šachty je třeba vykopat asi 2 m³ zeminy a přivézt cca 2 t materiálu na její vyzdění. Betonové pasy nahrazují zemní vruty s osazenými dřevěnými hranoly a desku tvoří SIP panely. Celkový objem materiálu desky je 29 m³ a jeho hmotnost je 3,957 t. Pro přepravu materiálu stačí dodávkový automobil při stavbě připojovací šachty, osobní automobil s vlekem pro dopravu vrutů a montážního zařízení pro jejich instalaci a nákladní automobil s nosností 4 t pro dřevo a panely.

ŽB deska tedy vyžaduje přepravu 235 t a deska ze SIP na zemních vrutech pouze 10 t, tedy 4,3 %. Musím ale zdůraznit, že zeminy vytěžené při realizaci připojovací šachtičky je tak malé množství, že zůstává na pozemku, reálně se tedy jedná pouze o přepravu 6 t materiálu, což představuje pouhých 2,6 % z hmoty přepravované při provádění ŽB desky.

Základové desky a životní prostředí

Zájmem moderní společnosti je zkoumání vlivu činností člověka na ekosystém planety. V oblasti stavebních hmot jde především o environmentální parametry materiálů, tedy jak stavební materiály v cyklu výroby, užití a likvidace ovlivňují životní prostředí. Hodnotí se:

Spotřeba primární energie – PEI [MJ] (Svázaná energie)
Potenciál globálního oteplování – GWP [kg CO_2,ekv.] (Svázané emise CO_2,ekv.)
Potenciál okyselování prostředí – AP [g SO_2,ekv.] (Svázané emise SO_2,ekv.)
Potenciál tvorby přízemního ozónu – POCP [g C₂H_4,ekv.]
Potenciál ničení ozonové vrstvy – ODP [g CFC_2,ekv.]
Potenciál eutrofizace prostředí – EP [g PO₄^3-,ekv.] (proces obohacování vod o živiny, především dusík a fosfor)

Dále se sledují parametry technické:

Součinitel tepelné vodivosti λ [W/mK]
Součinitel prostupu tepla U [W/m²K]
Hmotnost m [kg]

V následujících tabulkách 2. a 3. jsou uvedeny parametry materiálů pro ŽB desku a desku ze SIP vztažené na jeden kilogram materiálu.

Tab. 2 Environmentální parametry materiálů ŽB základové desky
(zdroj www.envimat.cz)

	MJ	Štěrk	Beton	EPS Z	Ocelvá výztuž do betonu	Hydroizolace asfaltový pás ALU 80
Spotřeba primární energie PEI (Svázaná energie)	MJ/kg	0,1243	0,4838	70,0487	22,5279	51,4714
Potenciál globálního oteplování GWP (Svázané emise CO2,ekv.)	kg CO2,ekv./kg	0,0044	0,0670	2,8081	1,4820	1,4035
Potenciál okyselování prostředí AP (Svázané emise SO2,ekv.)	g SO2,ekv./kg	0,0254	0,1389	9,9333	5,0948	8,7483
Potenciál eutrofizace prostředí EP	g PO43- ekv./kg	0,0090	0,0370	1,6993	3,1330	2,9730
Potenciál ničení ozónové vrstvy ODP	g CFC2,ekv./kg	4,89E-007	2,95E-006	8,80E-005	6,00E-005	3,63E-004
Potenciál tvorby přízemního ozónu POCP	g C2H4,ekv./kg	1,10E-003	5,18E-003	4,50E+000	8,12E-001	5,68E-001
Objemová hmotnost	kg/m3	1650	2385	20	7850	1220
Tepelná vodivost λ	W/mK	0,93	1,36	0,04		0,21

Tab. 3 Environmentální parametry materiálů základové desky ze SIP
(zdroj www.envimat.cz)

	MJ	OSB	EPS F	Lepený konstrukční hranol (KVH)	Ocel nízce legovaná
Spotřeba primární energie PEI (Svázaná energie)	MJ/kg	12,5057	42,0292	8,6791	29,0668
Potenciál globálního oteplování GWP (Svázané emise CO2,ekv.)	kg CO2,ekv./kg	0,4813	1,6848	0,4556	2,0924
Potenciál okyselování prostředí AP (Svázané emise SO2,ekv.)	g SO2,ekv./kg	2,0371	5,9600	2,5711	8,2738
Potenciál eutrofizace prostředí EP	g PO43- ekv./kg	0,9170	1,0196	1,1420	4,7720
Potenciál ničení ozónové vrstvy ODP	g CFC2,ekv./kg	2,46E-005	5,28E-005	4,42E-005	5,78E-005
Potenciál tvorby přízemního ozónu POCP	g C2H4,ekv./kg	2,95E-001	2,70E+000	1,77E-001	1,18E+000
Objemová hmotnost	kg/m3	650	12	495	7850
Tepelná vodivost λ	W/mK	0,13	0,04

Z enviromentálních parametrů vztažených na kilogram materiálu ale nepoznáme, jak zatíží životní prostředí celá konstrukce, v našem případě základové desky pro pasivní dům o ploše 100 m². V dalších tabulkách je tedy proveden přepočet na konkrétní stavební dílo a procentuální podíl zjištěných hodnot. Za základ jsou uvažovány environmetální parametry železobetonové desky.

Tab. 4 Přepočet spotřeby materiálu a environmentálních parametrů pro ŽB desku o ploše 100 m²

	Hustota	Množství	PEI	GWP	AP	EP	ODP	POCP
Betonová základová deska 100 m2	kg/m3	kg/100m2	MJ/100m2	kg CO2,ekv./100m2	g SO2,ekv./100m2	g PO43- ekv./100m2	g CFC2,ekv./100m2	g C2H4,ekv./100m2
Štěrk	1650	24750	3076	109	629	223	0,0121	27,2
Beton	2385	109710	53075	7347	15240	4059	0,3237	568,5
Ocel	7850	82	1851	122	419	257	0,0049	66,7
Hydroizolace	1220	488	25118	685	4269	1451	0,1771	277,4
EPS 70Z	20	310	21715	871	3079	527	0,0273	1395,9
Celkem		135340	104836	9133	23636	6517	0,5451	2335,7

Tab. 5 Přepočet spotřeby materiálu a environmentálních parametrů pro SIP desku o ploše 100 m²

	Hustota	Množství	PEI	GWP	AP	EP	ODP	POCP
Deska ze SIP 100 m2	kg/m3	kg	MJ/kg	kg CO2,ekv./kg	g SO2,ekv./kg	g PO43- ekv./kg	g CFC2,ekv./kg	g C2H4,ekv./kg
nízkolegovaná ocel		640	18603	1339	5295	3054	0,0370	758,0
KVH	495	1077	9348	491	2769	1230	0,0476	191,0
OSB 15	650	1950	24386	939	3972	1788	0,0480	575,6
EPS 70F	12	290	12205	489	1731	296	0,0153	784,6
Celkem		3958	64543	3258	13768	6368	0,1479	2309,2

Tab. 6 Porovnání environmentálních parametrů SIP a ŽB desky o ploše 100 m²

	Hustota	Množství	PEI	GWP	AP	EP	ODP	POCP
	kg/m3	kg/100m2	MJ/100m2	kg CO2,ekv./100m2	g SO2,ekv./100m2	g PO43- ekv./100m2	g CFC2,ekv./100m2	g C2H4,ekv./100m2
ŽB deska celkem		135340	104836	9133	23636	6517	0,5451	2335,7
SIP deska celkem		3958	64543	3258	13768	6368	0,1479	2309,2
SIP/ŽB		2,92%	61,57%	35,67%	58,25%	97,72%	27,14%	98,86%

Z výsledků je patrné, že ve všech šesti sledovaných parametrech znamená menší zásah pro životní prostředí deska ze SIP. Spotřebuje o 39,4 % méně primární energie, na globálním oteplování se podílí o 64,3 % méně, na okyselování prostředí o 41,7 % méně a na ničení ozónové vrstvy dokonce o 72,8 % méně než ŽB deska.

Podstatnou složkou desky ze SIP je dřevo. Dřevo je nehomogenní, anizotropní, ortotropní, lignifikovaná, hygroskopická buněčná struktura tvořená biologickým komplexem polymerů a stopovým množstvím anorganických látek. Elementární chemické složení dřeva je téměř shodné u všech dřevin. Průměrně dřevo obsahuje 49,5 % uhlíku, 44,2 % kyslíku, 6,3 % vodíku. Deska ho v různé formě obsahuje 3027 kg, jeho podíl na hmotnosti materiálu desky je 76,47 %. Na rozdíl od všech materiálů použitých na ŽB základovou desku je dřevo obnovitelný zdroj. V procesu růstu stromu dochází k fotosyntéze, k jediné reakci v přírodě, při které je do ovzduší uvolňován kyslík a při které je spotřebováván oxid uhličitý. Z uvedeného vyplývá, že 3027 kg dřeva v naší základové desce váže 1498 kg uhlíku, který byl v procesu růstu dřeva odebrán z atmosféry.

Životnost

Životnost staveb a stavebních součástí je tak rozsáhlé téma, že ho nelze zjednodušit do odstavce nebo článku. Zabývá se jí celý soubor předpisů Eurokód pro navrhování staveb.

Návrhová životnost je definována jako předpokládaná doba, po kterou má být nosná konstrukce užívána pro zamýšlený účel při běžné údržbě bez podstatné stavební úpravy. Například zemědělské stavby mají návrhovou životnost 15 až 30 let, budovy a další běžné stavby (tedy i rodinné a bytové domy) 50 let a monumentální stavby a mosty 100 let. Z těchto požadavků plynou i požadavky na stavební materiály. Metodika SBToolCZ, hodnocení bytových staveb, uvádí průměrnou životnost stavebních konstrukcí a komponentů. Průměrná životnost betonových základů je 100 let, průměrná životnost ocele je 80 let a měkkého dřeva v panelech 70 let. Hydroizolace proti zemní vlhkosti má průměrnou životnost 40 let. Je to velmi zjednodušující pohled, ale zároveň velmi zajímavý. Vyvrací nesmyslné představy laické veřejnosti o tom, že zděné stavby oproti dřevostavbám jsou něco trvalého a tudíž hodnotnějšího. Oba typy staveb jsou rovnocenné, jsou navrhovány na stejnou životnost. Skutečná životnost bude vždy záležet na kvalitě provedení stavby, způsobu užívání a údržbě. ŽB základovou desku a její vlastnosti si dokáže každý představit. Horší to bude u základové desky ze SIP, proto se na ní podíváme podrobněji. Při návrhu desky jsou využity všechny poznatky o materiálech na bázi dřeva a všechny zásady konstrukční ochrany dřeva. Pro desku ze SIP jsou použity materiály nejvyšších tříd. Lepené konstrukční hranoly z jádrového dřeva modřínu pro kryté exteriérové konstrukce, lepené konstrukční hranoly ze smrku skryté v panelech, pro plášť panelů je použita OSB 4 definována ČSN EN 300, tedy OSB deska pro nejnáročnější kryté exteriérové aplikace. Tyto materiály na bázi dřeva prošli v procesu výroby hydrotermickou úpravou, třískovým obráběním, a to společně s kvalitativními požadavky na vstupní surovinu pro jejich výrobu vylučuje přítomnost dřevokazného hmyzu. Dřevo se dodává a instaluje při vlhkosti 15 ± 3 % a v souladu s Eurokódem 5, konkrétně druhou třídou použití s ohledem na namáhání vlhkostí, je použito tak, aby v průběhu roku nepřekročilo 20 % vlhkosti. To je zajištěno zachováním přirozeného proudění vzduchu pod deskou. Pokud by z důvodu velikosti stavby, nebo požadavku investora na zakrytí mezery mezi terénem a základovou deskou či tvarem pozemku a umístěním sousedících objektů bylo ztíženo přirozené proudění vzduchu pod deskou, je možné odvětrat prostor pod základovou deskou pomocí ventilačního potrubí vyvedeného nad střešní plášť a osazeného ventilační turbínou. Konstrukcí a umístěním desky nad terénem je zabráněno pronikání dešťové vody, spodní vody a díky jejich absenci nemůže dojít ani k přenosu vlhkosti z okolních silikátových konstrukcí. Případná kondenzace uvnitř desky a bilance vlhkosti je posouzena podle metodiky normy ČSN EN 73 0540 "Tepelná ochrana budov". Ocelové zemní vruty jsou žárově zinkovány a dodavatel uvádí životnost až 150 let. Polystyren zabudovaný v konstrukci desky není ohrožen degradací UV zářením, není degradován vysokou teplotou ani organickými rozpouštědly.

Po skončení životnosti ŽB desky proběhne demolice, odvoz a recyklace či skládkování 135 tun betonu a dalšího materiálu. Po demolici zůstane zdevastovaný pozemek.

Po skončení životnosti desky ze SIP se deska rozebere, zrecykluje, nebo energeticky využije, zemní vruty se vyšroubují a na nepoškozeném pozemku zůstane pouze připojovací šachta.

Náklady

Stanovit cenu základové desky je složité. Vždy bude záviset na tvaru a sklonu pozemku, na únosnosti zeminy a na způsobu provedení. Přesto se dá dohledat u různých dodavatelů průměrná cena ŽB základové desky cca 2.500,- Kč/m² bez DPH. K tomu je nutné připočítat cenu za podlahový polystyren a betonový potěr, a to včetně montáže. Tedy cca 300,- Kč/m². Cena za námi definovanou základovou ŽB desku 100 m² pro pasivní dům je tedy cca 280.000,- Kč bez DPH.

Základová deska ze SIP vyjde včetně zemních vrutů a jejich montáže na 270.000 až 290.000 Kč bez DPH.

Samozřejmě cenu ovlivní rozsah prováděných zemních prací, náklady na dopravu materiálu a již zmíněné náklady na sanaci pozemku kolem realizované stavby. Dá se tedy říci, že cena obou konstrukcí základových desek je srovnatelná, ale u ŽB desek investoři nedokáží identifikovat a kvantifikovat řadu dalších nákladů. Za normální je považována devastace okolí desky a náklady na jeho revitalizaci se do ceny desky nezahrnují. V ceně se nezohledňuje ani doba trvání realizace. ŽB deska prodlouží dobu výstavby domu o cca 2 měsíce oproti desce ze SIP. Do ceny by tedy měly být zahrnuty i náklady na bydlení a úrok z hypotéky za dané období.

Závěr

Založit pasivní dům nad terénem je vhodné pouze pro lehké stavební systémy, především dřevostavby. Tak jak roste podíl dřevostaveb na trhu, poroste i technologie zakládání staveb nad terénem. Spojení moderních konstrukčních materiálů, zemních vrutů a konstrukčních izolovaných panelů, dalo vzniknout alternativnímu způsobu založení staveb díky kterému je možné vyloučit ze stavby i mokré procesy při realizaci železobetonové základové desky. Tato technologie zakládání staveb je jedním ze tří základních kamenů filozofie výstavby LIGHT BUILDING představené odborné veřejnosti na mezinárodní konferenci EASAT 2015.