Elementy prefabrykowane w budownictwie mieszkaniowym

Zastosowanie w budownictwie mieszkaniowym nowoczesnych, betonowych elementów prefabrykowanych pozwala na tworzenie bezpiecznych i trwałych konstrukcji o dużej rozpiętości, spełniających wysokie wymagania jakościowe z jednoczesnym zachowaniem atrakcyjnego wyglądu obiektu.

Wprowadzenie
W Europie budownictwo mieszkaniowe z wykorzystaniem elementów prefabrykowanych realizowane jest już nie tak powszechnie jak dawniej, ale na przykład w Finlandii jest wciąż bardzo popularne. Europa, ta najbardziej technicznie rozwinięta, nie ma już dużych potrzeb mieszkaniowych, o czym świadczą coraz liczniejsze pustostany w tych krajach. W pełni dokonuje się jednak eksport na inne kontynenty europejskiej myśli technicznej – z myślą o tym w 2011 r. wydany został fib Bulletin No. 60 „Prefabrication for affordable housing” [1], pokazujący szeroką gamę systemów prefabrykowanego budownictwa mieszkaniowego. Faktem jest również eksport technologii, w tym przede wszystkim zamaszynowania – jako przykład można wymienić ogromne dostawy kompletnych zakładów prefabrykacji fińskiej firmy Elematic do Iraku.
Niniejszy artykuł nie jest relacją o elementach wielkopłytowych z minionej epoki. To budownictwo jest autorom dobrze znane, a jego problematyka nie powinna ulec zapomnieniu, ponieważ mijający czas powoduje i będzie nadal powodował degradację techniczną tych budynków. Należy też zwrócić uwagę, że coraz częściej rozważane przystosowanie tych obiektów do zwiększających się wymagań użytkowników może wiązać się z interwencją w ustroje konstrukcyjne obiektu (wtedy cały łańcuch zależności powinien być rozpoznany przez eksperta). Głównym celem artykułu jest przekaz do szerszej grupy osób związanych z budownictwem informacji z tematyki prefabrykacji betonowej i to tej najbardziej nowoczesnej. Kilka faktów dotyczy również budownictwa mieszkaniowego:

na świecie bardzo często wykorzystywane są stropy z prefabrykowanych płyt kanałowych typu HC (ang. hollow core slabs) [2];
układy konstrukcyjne budynków są tak dobierane, aby zorganizować swobodną przestrzeń wewnętrzną – przykładowe konstrukcje budynków wielorodzinnych pokazano na rys. 1;
ściany zewnętrzne mogą być perforowanymi elementami konstrukcyjnymi, tworzącymi skorupę usztywniającą cały ustrój [3];
stosowane jest sprężenie, w różnych formach, a uzasadnieniem jest tu łatwość zwiększania rozpiętości, oszczędność materiałów, możliwości dopełnienia wysokich wymagań jakościowych, elegancja rozwiązań konstrukcyjnych;
wznoszone są również budynki wysokie, ponad 100 m, przykładem może być prawdopodobniej najwyższy budynek wielkopłytowy w Europie zbudowany w Hadze [4];
współczesne budynki wielkopłytowe nie są już obarczone syndromem 3D (dirty, dangerous, difficult), a dużą rolę odgrywają tu atrakcyjne elewacje.

Rys. 1 Budynki wielorodzinne ze stropami z płyt HC

Ściany prefabrykowane
Obiekty budownictwa mieszkaniowego bardzo często cechuje ścianowy układ konstrukcyjny w przeciwieństwie do budynków przemysłowych czy biurowych o konstrukcji szkieletowej. Z punktu widzenia konstrukcyjnego ściany zewnętrzne budynku dzieli się na nośne, samonośne lub osłonowe i to jest ich tradycyjne rozróżnienie typologiczne. Celowo unika się tu zakorzenionego w praktyce podziału na ściany konstrukcyjne i niekonstrukcyjne – w rzeczywistości w obiekcie podział taki nie jest faktem. Interesujące jest zastosowanie poszczególnych typów ścian w celu uzyskania wyrobu integrującego wszelkie funkcje użytkowe i konstrukcyjne.

Fot. 1 Oparcie płyt stropowych na ścianach nośnych [5]

Elementy ścian nośnych są w stanie przenosić wszystkie obciążenia pionowe i poziome przekazywane ze ścian znajdujących się powyżej oraz przez stropy poszczególnych kondygnacji – fot. 1 i rys. 2. Zewnętrzne ściany nośne najczęściej wykonywane są jako ściany warstwowe składające się z warstwy konstrukcyjnej znajdującej się od wewnątrz budynku, warstwy izolacyjnej oraz warstwy zewnętrznej zapewniającej estetykę budynku i pełniącej funkcję ochronną przed wodą opadową. Ściany te cechuje duża pojemność cieplna i dobre właściwości akustyczne. Ściany warstwowe można produkować w całości w zakładach prefabrykacji bądź wykonywać je jako rozdzielone, tzn. każdą warstwę oddzielnie układać na miejscu budowy.
W przypadku elewacji samonośnych poszczególne prefabrykaty montowane są jeden na drugim i kotwione są jedynie w płaszczyźnie poziomej do konstrukcji nośnej budynku – rys. 3. Całość pionowych obciążeń ściany elewacji przenoszona jest przez prefabrykaty aż do fundamentu, bez przekazywania ich na inne elementy konstrukcji nośnej budynku.
Przy montażu ścian z elementów nienośnych (ścian osłonowych, wykorzystywanych zazwyczaj w budownictwie przemysłowym lub użyteczności publicznej) ich ciężar własny i obciążenie wywołane parciem wiatru przekazywane są wyłącznie na elementy konstrukcji nośnej budynku – przykładowy schemat połączenia pokazano na rys. 4.

Rys. 2 Możliwy schemat oparcia płyty HC na ścianie nośnej [6]

Rys. 3 Schemat mocowania prefabrykowanej ściany samonośnej [5]

Rys. 4 Schemat mocowania prefabrykowanej ściany osłonowej [5]

We współczesnym budownictwie ogromny nacisk jest kładziony na możliwość uzyskiwania atrakcyjnych architektonicznie konstrukcji – w przypadku prefabrykacji można to uzyskiwać dzięki zastosowaniu nowych technik wykończenia betonowych elementów ściennych. W najbardziej prestiżowych budowlach na świecie elewacje wykonywane są z tzw. betonu architektonicznego umożliwiającego urozmaicenie struktury, faktury i koloru, przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokiej jakości wykonania – przykład pochodzący z Nottingham w Wielkiej Brytanii pokazano na fot. 2. Jest to wysokiej jakości materiał budowlany, który może imitować najlepsze okładziny, takie jak piaskowiec czy granit bądź okładziny ceglane i murowane. W Europie prefabrykowane ściany elewacyjne z betonu architektonicznego znajdują zastosowanie także przy pracach renowacyjnych w starszych budynkach – częstokroć jest to rozwiązanie tańsze niż wykonywanie elewacji np. z kamienia naturalnego.
Oprócz betonu architektonicznego coraz częściej stosowana jest technologia betonu graficznego, która pozwala na precyzyjne i dokładne odwzorowywanie dowolnych wzorów na betonowej powierzchni prefabrykatu – element ścienny z betonu graficznego pokazano na fot. 3. Ta unikalna technologia umożliwia odwzorowywanie struktur, grafik punktowych, powtarzalnych szablonów, tekstu pisanego czy też nawet wzorów o wyraźnych (ostrych) kształtach. Beton graficzny z powodzeniem wykorzystywany jest w produkcji zarówno ścian wewnętrznych, jak i tych zewnętrznych narażonych na zmienne warunki atmosferyczne. Końcowy efekt wzmocnić można przez dodanie koloru, określoną głębokość płukania powierzchni oraz kolor wyeksponowanego kruszywa. Kolorowy cement i kruszywo mogą być tutaj szeroko stosowane. Technika ta bardzo dobrze współdziała zarówno ze zwykłym szarym, jak i czysto białym betonem.

Fot. 2 Fragment elewacji z betonu architektonicznego

Fot. 3 Element ścienny z betonu graficznego [5]

Stropy
Najczęstszym przykładem zastosowania technologii prefabrykacji w budownictwie mieszkaniowym (również w Polsce) są stropy. Stropy odpowiednio dużych rozpiętości opierane są na prefabrykowanych ścianach nośnych (a w przypadku niewielkich budynków jednorodzinnych – niemal wyłącznie na ścianach zewnętrznych). Prefabrykowane elementy stropowe dużych rozpiętości realizuje się w technologii strunobetonu. Sprężenie umożliwia projektantowi znaczne ograniczenie ugięć i zarysowań konstrukcji, a także wpływanie na rozkład sił wewnętrznych w konstrukcji, co przekłada się na optymalizację przekroju. Całkowita eliminacja lub znaczne ograniczenie wysuniętych poniżej dolnej powierzchni stropu elementów belkowych ma wpływ na względy funkcjonalne pomieszczeń, a także zmniejsza wysokość kondygnacji, co z kolei prowadzi do ograniczenia kosztów zewnętrznych okładzin elewacyjnych oraz – w przypadku budynków wysokich – umożliwia wykonanie dodatkowej kondygnacji w ramach tej samej wysokości budynku.
Prefabrykowane stropy dają jeszcze jedną niebagatelną korzyść – znaczne skrócenie procesu budowy obiektu, co przekłada się na ekonomikę całej budowy. Aspekt ten został szczególnie wyeksponowany w stropach realizowanych ze strunobetonowych płytach kanałowych (HC), które umożliwiają osiągnięcie rozpiętości dochodzących do 20 m, bez konieczności stosowania podpór tymczasowych ani szalowania.
Ponieważ obecnie na rynku istnieje bardzo wiele różnych rozwiązań konstrukcyjnych stropów prefabrykowanych, poniżej krótko omówione zostaną jedynie dwa przykładowe systemy, umożliwiające wykonywanie stropów o zwiększonej rozpiętości.

Płyty HC – przykład nowoczesnego elementu stropowego
W tematyce zastosowań płyt HC zauważyć należy, że:

mimo kryzysu światowej gospodarki zainteresowanie dla tego rodzaju stropów jest powszechne; powstały nowe duże rynki zbytu na przykład w Chinach, Afryce Południowej, krajach Dalekiego Wschodu, Ameryce Południowej oraz Australii;
elementy produkowane są w skali światowej w ilości ponad 50 mln m² rocznie (są to dane przybliżone);
obserwuje się postęp w zastosowaniu wielkogabarytowych płyt HC określonych mianem elementów „jumbo”, ich wysokość przekroju może nawet wynosić 1000 mm;
opracowano nowe rozwiązania o charakterze konstrukcji mieszanych, są to m.in. płyty HC stosowane w kombinacji ze stalowymi konstrukcjami nośnymi [7];
kontynuowane są prace badawcze i rozwojowe również w zakresie problemów kontrowersyjnych towarzyszących stosowaniu płyt HC, jako przykłady wymienić można wciąż jeszcze niedopracowane do końca przepisy dotyczące odporności na ścinanie, odporności pożarowej i inne (badania w tym zakresie prowadzone są w Polsce, m.in. pod kierunkiem W. Derkowskiego [8], [9]).

Z uznaniem należy ocenić w ostatnich latach rozwój rynku polskiego, w którym szerokie zastosowanie znajdują płyty HC.
Faktem przełomowym, który zaistniał po roku 2000, było ukazanie się normy PN-EN 1168:2005 [10] oraz kolejnych jej uaktualnień: A1:2008, A2:2009 i A3:2010. Dokument ten wypełnia lukę między trzema normami EC1, EC2 i EC4 w różnym stopniu odnoszących się do problematyki płyt HC. Spośród korespondujących dokumentów międzynarodowych wymienić można:

istniejący od wielu lat dokument fib [11], będący obecnie przedmiotem przedłużającej się nowelizacji;
dokument Komisji fib „Prefabrykacja” [12] omawiający wiele specyficznych zagadnień projektowych;
kompendium wiedzy o połączeniach zgromadzone w dokumencie Komisji fib „Prefabrykacja” [13].

Bardzo duży nacisk kładziony jest w przepisach europejskich na udokumentowanie dużej klasy przystosowania płyt HC na możliwość wystąpienia pożaru. Nowym trendem w realizacji stropów z elementów kanałowych typu HC jest wykorzystywanie ich do rozprowadzenia instalacji grzewczych lub łazienkowych (tak zwane bathrooms hollow core slabs [14] – rys. 5).

Rys. 5 Strop z wykorzystaniem elementów bathrooms hollow core slabs [14]

Stropy belkowo-pustakowe na belkach sprężonych
Technologia betonu sprężonego znalazła również zastosowanie w realizacji stropów dla mniejszych obiektów użyteczności publicznej lub mieszkalnych. W krajach Europy Zachodniej już przed laty rozwinęły się systemy gęstożebrowych stropów belkowo-pustakowych, w których belki są elementami strunobetonowymi – obecne są one już w Polsce. Te technologie znacznie upraszczają proces budowlany, ponieważ nie wymagają angażowania ciężkiego sprzętu budowlanego – wszystkie elementy, ze względu na ich mały ciężar, są bardzo łatwe do transportu i montażu. Gęstożebrowe stropy na prefabrykowanych belkach sprężonych mogą osiągać rozpiętości dochodzące nawet do ponad 10 m, co w połączeniu ze stosunkowo niską wysokością przekroju, wahającą się od 14 cm do 30 cm,stanowi ich główny atut. Stropy te wykonywane są z wykorzystaniem:

strunobetonowych belek stropowych o przekroju poprzecznym w kształcie odwróconej litery T. Technologia wykonywania belek, podobnie jak w przypadku płyt HC, uniemożliwia umieszczenie w belkach jakiegokolwiek zbrojenia poprzecznego, dlatego dla zwiększenia nośności na ścinanie podłużne między prefabrykowaną belką a nadbetonem powierzchnia górna środnika ukształtowana jest w postaci fali o przebiegu sinusoidalnym;
lekkich zazwyczaj żwirobetonowych lub keramzytobetonowych pustaków stropowych (rys. 6a) bądź kształtek wykonanych z wytrzymałego drewna prasowanego (rys. 6b);
warstwy betonu uzupełniającego o grubości co najmniej 4 cm powyżej górnej krawędzi pustaków, stanowiącej górną płytę.

Tradycyjnie stosowane żebra rozdzielcze, zabezpieczające przed klawiszowaniem belek stropowych, w tym systemie zastąpione zostały odpowiednim zbrojeniem układanym w nadbetonie.

Rys. 6 Elementy prefabrykowane stropu gęstożebrowego: a) z wykorzystaniem keramzytobetonowych pustaków, b) z wykorzystaniem kształtek z drewna prasowanego [15]

Zapobieganie katastrofie postępującej
Po słynnej katastrofie postępującej budynku Ronan Point w Wielkiej Brytanii opracowano wiele przepisów z myślą, przede wszystkim, o wielokondygnacyjnym budownictwie wielkopłytowym i zagrożeniach wybuchami gazu dla tego typu konstrukcji.
Inicjatorem badań i studiów, w skali europejskiej, w tematyce zapobiegania katastrofie postępującej w budynku prefabrykowanym był profesor Bohdan Lewicki. To dzięki tym pracom zdążyliśmy w Polsce wdrożyć do praktyki odpowiednie przepisy – w kilku przypadkach budynków wielkopłytowych obserwowaliśmy po katastrofie utworzenie się wtórnego ustroju nośnego między innymi takiego, jak pokazano na fot. 4.

Fot. 4 Budynek wielkopłytowy po wybuchu gazu

W Eurokodzie 2 [16] sformułowany został wymóg zapewnienia tak zwanej ogólnej spójności konstrukcyjnej budynku według terminologii angielskiej robustness of structure, który ma na celu eliminację ryzyka zaistnienia katastrofy postępującej w przypadku uszkodzenia lub zniszczenia jednego elementu nośnego w budynku ścianowym lub szkieletowym. Realizacji tego wymogu służy odpowiednie zbrojenie wieńców oraz pręty łączące płyty stropowe i ścienne z wieńcami – rys. 7. Rozwinięcie zagadnienia projektowania budynków z betonu w celu ograniczenia ryzyka zaistnienia katastrofy postępującej można znaleźć w najnowszej publikacji [17] oraz w raporcie Komisji [18].

Rys. 7 Ideowy schemat zapewnienia ogólnej spójności konstrukcyjnej budynku o konstrukcji prefabrykowanej

Uwaga końcowa
Kongres ZBI (Zakłady Betonowe International), który miał miejsce w Polsce w lutym tego roku, pokazał nie tylko ogromne zainteresowanie polskiego przemysłu prefabrykacją betonową, ale i już istniejące możliwości produkcyjne – szeroką ofertę produktów i usług.
Jest to trend, który również dla rozwoju naszej gospodarki powinno się rozwijać i wspierać. Autorzy widzą potrzebę wypełnienia pewnej luki, która powstała pomiędzy środowiskiem producentów i odbiorców (inwestorów). Wymaga to większego otwarcia na technologię prefabrykacji betonowej środowisk naukowych i dydaktycznych (np. przez dostosowanie programów nauczania) oraz grona projektantów różnych branż, w tym przede wszystkim architektów i konstruktorów.

Bibliografia
1. „Prefabrication for affordable housing”, fib Bulletin No. 60, 2011.
2. „Planning and design handbook on precast building structures”, final draft of fib Bulletin, główny autor: A. Van Acker, 2014.
3. „Facade with a loadbearing function”, „Ed Züblin” AG BFT International nr 3/2013.
4. J. Vambersky, Najwyższy w Europie prefabrykowany budynek mieszkalny, „Inżynieria i Budownictwo” nr 4/2006.
5. Seminarium Prefabrication in Europe, Ed.: W. Derkowski, Politechnika Krakowska, Kraków 2007.
6. „Consolis Technical Guide and Product Manual”, Consolis, 2004.
7. A. Cholewicki, Prefabrykacja – atrakcyjna technika budowlana, „Inżynieria i Budownictwo” nr 9/2013.
8. W. Derkowski, Niezamierzony efekt częściowego zamocowania stropów ze sprężonych płyt kanałowych, „Przegląd Budowlany” nr 1/2014.
9. W. Derkowski, M. Surma, Wpływ nadbetonu na pracę sprężonych płyt stropowych HC na podporach podatnych, „Budownictwo i Architektura” Vol. 12(1) 2013.
10. PN-EN 1168:2008 Prefabrykaty z betonu. Płyty kanałowe, PKN, 2008.
11. „Special design considerations for precast prestressed hollow core floors”, fib Bulletin No 6, 2000.
12. „Precast prestressed hollow core floors”, fib recommendation 1988.
13. „Structural connections for precast concrete buildings”, fib Bulletin No. 43, 2008.
14. „Precast concrete applications – general overview”, Elematic Group, Finlandia 2010.
15. strona internetowa: www.rector.pl
16. PN-EN 1992-1-1:2008 Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków, PKN, 2008.
17. A. Cholewicki, J. Szulc, T. Nagórski, Projektowanie żelbetowych budynków szkieletowych w celu ograniczenia ryzyka katastrofy postępującej, Instrukcje Wytyczne Poradniki, ITB, Warszawa 2013.
18. „Design of precast concrete structures against accidental actions”, fib Bulletin No. 63, 2012.