Kierunki prac badawczo-rozwojowych w budownictwie

Transkrypt

1 Lech Czarnecki 1 Marek Kaproń 2 Instytut Techniki Budowlanej Kierunki prac badawczo-rozwojowych w budownictwie 1. Przesłanki rozwoju MoŜna postawić tezę, Ŝe postęp w budownictwie realizuje się przez rozwój budowlanych, który wymusza z kolei rozwój metod projektowania i wznoszenia. Ogromne ilości materii masy i energii konsumowane w budownictwie powodują, Ŝe rozwój budowlanych odbywa się przede wszystkim przez modyfikację. Budowano i buduje się z ziemi, kamieni naturalnych i sztucznych (beton, cegła), drewna i drewnopodobnych, bitumicznych, metali, a ostatnio takŝe z tworzyw sztucznych (polimery). Odpowiedzialność związana z wnoszeniem i bezpiecznym uŝytkowaniem obiektów budowlanych, a takŝe zapewnieniem ich trwałości (powyŝej 50 lat według PN-EN i powyŝej 200 lat w mostownictwie) narzuca stosowaną ostroŝność we wprowadzaniu nowatorskich rozwiązań materiałowo-technologicznych. W warstwie prawnej powoduje to, Ŝe stan techniki w obszarze wyrobów budowlanych wyznaczają: aprobaty i certyfikaty. W świadomości inŝynierskiej wytwarza to pewne pozytywno-konserwatywne nastawienie. Przejawia się to równieŝ w nazewnictwie: betonem nazywamy materiał, z którego budowano 500 lat przed Chrystusem i buduje się współcześnie podczas gdy pod względem cech technicznych są to całkowicie odmienne materiały; w tradycji wydawniczej: fundamentalne dzieło Budownictwo Ogólne od dziesięcioleci ukazuje się pod tym samym tytułem i w nawiązaniu do pierwszego autora Wacława śenczykowskiego. Wszystko to powoduje, Ŝe wizerunek budownictwa nie oddaje właściwie dynamiki rozwoju dziedziny. Powoduje to często nieprawdziwy odbiór osiągnięć inŝynierii lądowej przez inne dziedziny nauki, a takŝe w świadomości społecznej. Przykładowo opublikowana w 2001 roku Biała Księga Europejska Badań Materiałów [1] pokazuje (rys. 1) rozwój i konstrukcji w sposób nadzwyczaj uproszczony belka: słup, łuk, beton i Ŝelbet. Dalszy postęp przypisuje się w tej ksiąŝce roli polimerów w technologii betonów. Jest charakterystyczne, Ŝe polimery do budownictwa zostały wprowadzone przede wszystkim jako modyfikatory, spoiwa, wyroby wykończeniowe i naprawcze, a tylko w niewielkim zakresie jako elementy konstrukcyjne wykonywane z betonów polimerowych i laminatów Ŝywicznych [2]. W artykule starano się przedstawić kierunki prac badawczo-rozwojowych z punktu widzenia Instytutu, którego jednym z zadań statutowych jest inspirowanie rozwoju inŝynierii lądowej. Rys. 1 Biała Księga Europejska o podstawowych badaniach ; rozwój budownictwa na osi czasu [1] 1 Sekretarz Naukowy ITB 2 Dyrektor ITB 1

2 2. Obszary badawcze Specyfika budownictwa wymagania bezpieczeństwa, uŝytkowalności i trwałości; zawsze powodowała konieczność formułowania wymagań podstawowych wobec obiektu budowlanego. Witruwiusz w czasach Chrystusa w swoich Dziesięciu Księgach o Architekturze formułował to jako: trwałość, korzyść, piękno. Współczesna Dyrektywa Europejska 89/106/EWG korzyść czyli uŝyteczność rozwinęła w sześć podstawowych wymagań: - nośność i stateczność, - bezpieczeństwo poŝarowe, - bezpieczeństwo uŝytkowania, - higieniczność, zdrowie, ochrona środowiska, - ochrona przed hałasem i drganiami, - oszczędność energii; ochrona cieplna. Ostatnio (2008r.) dodano wymaganie - zrównowaŝonego rozwoju [3]. Obiekt budowlany powinien być zaprojektowany, wzniesiony, uŝytkowany i rozebrany zgodnie z wymaganiami zrównowaŝonego rozwoju. Z istoty rzeczy staje się to wymaganiem nadrzędnym w stosunku do pozostałych. Oznacza to nowe wyzwania w zakresie projektowania konstrukcji z uwzględnieniem trwałości, a takŝe w obszarze inŝynieryjnych metod utrzymania, modernizacji i naprawy konstrukcji [4]. MoŜna oczekiwać, Ŝe odtąd dokumentacja projektowa będzie zawierać nie tylko wskazania w zakresie uŝytkowania i utrzymania obiektu, ale takŝe odnośnie do rozbiórki, recyklizacji i powtórnego uŝycia ( re-use ). Konsekwencją przyjęcia zrównowaŝonego rozwoju jako głównej wytycznej postępu (tabl. 1) jest powstanie nowej przestrzeni badawczej [7], dotyczącej materiałowych uwarunkowań tego rozwoju (rys. 2). Przestrzeń ta obejmuje dotychczasowe obszary badawcze: kryteria uŝyteczności materiału budowlanego, metody oceny przydatności, modyfikacja i nowe rozwiązania materiałowe, zachowanie materiału w warunkach uŝytkowania, a takŝe aspekty ekologiczne, zagospodarowanie odpadów i recyklizacja wykorzystanych budowlanych dla potrzeb budownictwa oraz wtórne wykorzystanie wyrobów budowlanych. Z samego tylko porównania ilości wytwarzanych odpadów i produkowanych budowlanych wynika, Ŝe w najbliŝszych dziesięcioleciach zagospodarowanie odpadów w budownictwie stanie się kolejnym wyzwaniem cywilizacyjnym, podobnie jak naprawy i modernizacje istniejących zasobów budowlanych i związane z tym potrzeby materiałowe. Pojęcie zrównowaŝonego rozwoju stanowi przesłankę, która przenika obszar badawczy i gospodarczy i moŝna sądzić, Ŝe będzie wyraŝała mega trend XXI wieku. Równocześnie z realizacją tej idei wiąŝe się rozwiązanie jednego z najpowaŝniejszych problemów cywilizacyjnych zagospodarowania odpadów, w tym design for recycling, DFR - projektowanie dla recyklizacji. Wydaje się, Ŝe jest to program zorientowany nie tylko na naprawienie błędów przeszłości i zapewnienie następnym pokoleniom przyszłości, ale stanie się równieŝ kreatorem postępu. 2

3 Tablica 1. Kształtowanie kierunków badawczych w zakresie budowlanych [7] Czynniki Wymagania ZrównowaŜony obiekt budowlany Obszary (International Concrete, 1998) podstawowe wg ER 89/106/EEC (C.J. Kibert, [5]) Sustainable Building Code [6] badawcze zrównowaŝony rozwój bezpieczeństwo minimalizacja zapotrzebowanie na kryteria oddziaływanie środowiska oszczędność energii minimalizacja kosztów wznoszenia i utrzymania oraz rozbiórki i recyklingu wykorzystanie wysokiej uŝyteczności; optymalizacja rozwiązań konstrukcyjnych duŝy i rosnący udział napraw i modernizacji w pracach budowlanych zorientowanie projektowania na uŝyteczność obiektu budowlanego konstrukcji: nośność i stateczność bezpieczeństwo poŝarowe higiena, zdrowie i środowisko bezpieczeństwo uŝytkowania ochrona przed hałasem i drganiami energooszczędność, ochrona cieplna zrównowaŝony rozwój zuŝycia (ochrona zasobów) maksymalizacj a wtórnego wykorzystania elementów moŝliwość renowacji elementów lub ochrona środowiska zdrowotność komfort uŝytkowania (jakość) energię / emisja CO 2 zuŝycie wody (dm 3 /osoba/dzień) wpływ stosowanych wyrobów na środowisko odprowadzenie wody powierzchniowej gospodarka odpadami zanieczyszczenia zdrowie i komfort zarządzanie procesem budowlanym i budynkiem ekologia uŝyteczności materiału budowlanego metody oceny przydatności modyfikacja i nowe rozwiązania materiałowe zachowanie materiału w warunkach uŝytkowania dobór materiału do danego obiektu recyklizacja budowlanych; wykorzystanie odpadowych Materiałowe uwarunkowania zrównowaŝonego rozwoju budownictwa ZrównowaŜony rozwój to zadanie budowania szeregu równowag na róŝnych poziomach (rys. 3). Najogólniejsze ujęcie dotyczy: społeczeństwa, środowiska i ekonomii. W odniesieniu do budownictwa oznacza to całościowe ujęcie oddziaływania na środowisko w ciągu pełnego cyklu istnienia obiektu budowlanego (Life Cycle Assessment, LCA analiza w pełnym cyklu istnienia). Ze względu na charakter przemysłu budowlanego szczególnie istotne są materiałowe uwarunkowania trwałości i niezawodności konstrukcji. 3

4 ZrównowaŜony rozwój * przesłanka filozoficzna * konieczność Ŝyciowa * wymóg konstytucyjny C.Kiber t ZrównowaŜony obiekt budowlany wznoszenie/uŝytkowanie * ochrona zasobów - min. materii * powtórne wykorzystanie elementów * renowacja & recyklizacja * ochrona środowiska * zdrowotność * komfort uŝytkowania Materiał budowlany Materiał o dobrze zdefiniowanych właściwościach do danego zastosowania; WDPP ZRÓWNOWAśONY ROZWÓJ ZRÓWNOWAśONY OBIEKT BUDOWLANY MATERIAŁOWE UWARUNKOWANIA Przestrzeń badawcza kryteria uŝyteczności (trwałość, funkcjonalność, niezawodność), metody oceny, modyfikacja, zachowanie w warunkach uŝytkowania, recyklizacja, zagospodarowanie odpadów. Rys. 2 Schematyczne przedstawienie przestrzeni badawczej materiałowe uwarunkowania zrównowaŝonego rozwoju ; WDPP Well Defined Performance Products 4

5 Środowisko Wytwarzanie Wznoszenie i uŝytkowanie Ekonomia Społeczeństwo Rozbiórka i recyklizacja Paradygmat zrównowaŝonego rozwoju Cykl Ŝycia budowli Rys. 3. Materiałowe uwarunkowania zrównowaŝonego rozwoju w budownictwie Specyfika budownictwa narzuca jako motyw przewodni trwałość i niezawodność rozwiązań materiałowych, rozumiane jako materiałowe uwarunkowania trwałości i niezawodności konstrukcji. W zakresie doboru myślą przewodnią staje się kompatybilność, rozumiana jako taki dobór, pod względem właściwości fizycznych i chemicznych, aby zapewniał on spełnianie warunków granicznych stanów nośności i uŝytkowalności przez kaŝdą z części układu w przewidzianym czasie i warunkach uŝytkowania. Strategia zrównowaŝonego rozwoju stawia nowe zadania przed inŝynierią budowlanych. ZrównowaŜony obiekt budowlany określa 9 wymagań odniesionych do okresu wznoszenia i uŝytkowania: minimalizacja zuŝycia materii (ochrona zasobów), w tym minimalizacja zuŝycia wody, maksymalizacja powtórnego wykorzystania elementów, moŝliwość renowacji lub recyklizacji, ochrona środowiska, zagospodarowania odpadów, minimalizacja powstających zanieczyszczeń (emisja), racjonalne zarządzanie procesem budowlanym i budowlą, zdrowotność, komfort uŝytkowania (jakość). Ostatnio coraz częściej wymienia się równieŝ wymaganie zdolności przetrwania surviveability w tym w przypadku ataku terrorystycznego. Zadania badawcze podyktowane przesłaniem zrównowaŝonego rozwoju moŝna podzielić na: intensywne wpisanie postulatu zrównowaŝonego rozwoju w dotychczasową tematykę badawczą, ekstensywne kreacja nowych pól badawczych. Ten podział jest nieostry, ale moŝna stwierdzić, Ŝe uwarunkowania materiałowe naleŝą do pierwszej grupy, a uwarunkowania energetyczne do drugiej. Skalę zadań i ambicji w obszarze 5

6 uwarunkowań energetycznych mogą symbolizować trzy liczby odnoszące się do sezonowego zapotrzebowania na ciepło w budynkach: 250, 200, 50 [kwh/m 2 ]. Liczby te charakteryzują budynki wznoszone przed 1970 rokiem i nie poddane zabiegom termomodernizacyjnym, budynki istniejące i budynki energooszczędne. Prowadzone są równieŝ prace nad budynkami pasywnymi (< 15 kwh/m 2 ) i zero energetycznymi. W grupie badań intensywnych powaŝnym problemem staje się rodzaj i poziom kryteriów; pojęcie uŝyteczności wymaga przedefiniowania celem zapewnienia zrównowaŝonego rozwoju. ZrównowaŜony rozwój wymaga doboru rozwiązań materiałowotechnologicznych według kryteriów uŝyteczności performance concept; cechy techniczne niewykorzystane w danym zastosowaniu bądź reprezentujące wartości nadmiarowe stanowią nieracjonalny koszt (nakład energetyczny). Powstaje konieczność wytwarzania wyrobów o dobrze zdefiniowanych cechach technicznych Well Defined Performance Product, WDPP. Ilustrację tych tendencji stanowi skala zróŝnicowania wyrobów budowlanych; według Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego, CEN istnieje 1500 norm na wyroby budowlane i drugie tyle na metody badań. 3. Na przykładzie ITB Instytut Techniki Budowlanej wiele wysiłku badawczego poświęca odczytywaniu [8] i upowszechnianiu [9], a w obrębie europejskiego obszaru badawczego współkreowaniu (Instytut przez swoich przedstawicieli uczestniczy w pracach 10 organizacji międzynarodowych) tendencji rozwojowych budownictwa. Instytut przez wydawanie Aprobat Technicznych, AT i Zaleceń Udzielania Aprobat Technicznych ZUAT, kreuje współczesny i oczekiwany stan techniki, oparty na wiedzy. Ponadto, jako jednostka akredytowana w systemie krajowym i notyfikowana w systemie europejskim moŝe dokonywać oceny zgodności (certyfikacja) wyrobów, procesów i usług budowlanych. W chwili obecnej (2010r.) obowiązuje 101 Zaleceń Udzielania Aprobat Technicznych i 2620 wydanych Aprobat Technicznych; Instytut dysponuje 4049 akredytowanymi metodami badawczymi, w tym 2785 według norm europejskich. Strategia zrównowaŝonego budownictwa wymaga technicznych mierników osiągnięcia celów, pozwalających na ocenę stopnia zrównowaŝenia rozwoju (rys.4). Wiele z nich juŝ istnieje zarówno w odniesieniu do budowli i budynków jak i wyrobów budowlanych. Są to ekoznaki, deklaracje środowiskowe, stwierdzenia ekologiczne. Instytut Techniki Budowlanej oferuje: certyfikację wyrobów budowlanych na znak EKO-ITB, deklaracje środowiskowe wg metodyki oceny pełnego cyklu Ŝycia (LCA), weryfikacje deklaracji środowiskowych składanych przez producenta, certyfikacje systemów zarządzania środowiskowego, systemy oceny zrównowaŝenia budynków oraz ekspertyzy z zakresu efektywności energetycznej budynków, izolacyjności cieplnej wyrobów, akustyki, jakości powietrza wnętrz itd. Narzędzia wypracowane w ITB uwzględniają doświadczenia wynikające z udziału w europejskich programach badawczych ManuBuild (ochrona przed hałasem i wpływ drgań) oraz EnVie (jakość powietrza wewnętrznego budynków). Instytut przewodniczył pracom UEAtc nad włączeniem kryteriów środowiskowych do oceny przydatności wyrobów budowlanych. Obecnie ITB uczestniczy w programie OPEN HOUSE, zmierzającym do wypracowania europejskiego, ogólnie dostępnego narzędzia oceny zrównowaŝenia budynków. We współpracy z krajowym przemysłem realizuje równieŝ projekt celowy Miejski Budynek Jutra 2030, w ramach którego powstanie budynek wzniesiony zgodnie z zasadami zrównowaŝonego budownictwa. 6

7 WYROBY: - Ekoznaki - wieloparametrowe stwierdzenia - Pojedyncze stwierdzenia ekologiczne - Deklaracje środowiskowe BUDYNKI -Ekoznaki Narzędzia oceny wyrobów i obiektów budowlanych - Charakterystyki ekologiczno-energetyczne - Charakterystyki komfortu i jakości - Charakterystyki efektywności środowiskowej Rys.4. Narzędzia oceny wyrobów i obiektów budowlanych Kierując się potrzebami praktyki i doświadczeniami z przeszłości w Instytucie między innymi ostatnio opracowano: - projekt wspólnej wykładni procedur wyrobów budowlanych, - studium przebiegu katastrofy postępującej betonowych konstrukcji szkieletowych w przypadku sytuacji wyjątkowej, - zasady oceny stanu technicznych i zagroŝeń bezpieczeństwa obiektów wielkoprzemysłowych, - aktualizację mapy oddziaływania wiatru i śniegu, - system zdalnego nadzoru robót budowlanych, w tym wizualno-laserowy system pomiaru przemieszczeń. W trakcie jest między innymi opracowanie optymalnych energetycznie, typowych rozwiązań strukturalno-materiałowych i instalacyjnych budynków. ITB jako rzeczoznawca instytucjonalny [10], wykorzystując swoje moŝliwości opracowań kompleksowych przez zespoły specjalistów z roŝnych dyscyplin, a takŝe wszechstronne moŝliwości badawcze i obliczeniowe, w tym symulacje numeryczne, uczestniczy w rozwiązywaniu wielu praktycznych zagadnień. Instytut opracował [11] wiele powaŝnych ekspertyz konstrukcyjnych, posługując się sprawdzonym sposobem postępowania: - przyjęcie/opracowanie modelu obliczeniowego, - weryfikacja doświadczalna modelu obliczeniowego opracowanie algorytmu obliczeń, - zastosowanie algorytmu do wyznaczenia obciąŝeń elementów róŝniących się np.: rozpiętością, przekrojem itp. - ocena poprawności konstrukcji. Działania te dotyczą równieŝ problematyki bezpieczeństwa poŝarowego [12], zagadnień geotechnicznych [13], a takŝe charakterystyki energetyczne budynków, ochrony przed hałasem, czystości powietrza i pomiaru promieniotwórczości naturalnej [14]. 7

8 Rys. 5 Przykładowe stanowiska badawcze Laboratorium Konstrukcji i Elementów Budowlanych ITB 4. Podsumowanie Wiodąca idea cywilizacyjna zaadresowana do budownictwa zrównowaŝone budownictwo, staje się nadrzędnym wymaganiem podstawowym w zakresie projektowania, wznoszenia, uŝytkowania i rozbierania obiektów budowlanych. Oznacza to nowe wyzwanie w zakresie projektowania konstrukcji z uwzględnieniem trwałości, a takŝe metod utrzymania, modernizacji i naprawy oraz rozbiórki konstrukcji. 5. Literatura 1. European White Book on Fundamental Research in Material Science, Max-Planck-Institute Stuttgart, L. Czarnecki: Betony polimerowe. Cement-Wapno-Beton, C-N-B 2/ S. Wall: Budownictwo spełniające wymagania rozwoju zrównowaŝonego w nowych dokumentach UE. Biuletyn ITB 1/ L. Czarnecki, P. Łukowski, WdraŜanie normy PN-EN 1504 do stosowania w Polsce. Materiały budowlane 2/ C. J. Kilbert, Establishing Principles and Model for Sustainable Construction, Proceedings for the First International Conference of CIB TH 16, Florida, 1999, p Code for Sustainable Homes Dept. Communities and Local Government, London 2006, p. 29 8

9 7. L. Czarnecki, M. Kaproń, ZrównowaŜone budownictwo jako zadanie badawcze L IV Konferencja KILiW PAN i KN PZITB, Krynica L. Czarnecki, ZałoŜenia systemu rozpoznawania kierunków rozwojowych inŝynierii budowlanych, Prace Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa, 2/ L. Czarnecki, M. Kaproń, Definiowanie zrównowaŝonego budownictwa, Materiały Budowlane 1/2010 i 2/ M. Kaproń, M. Wójtowicz, Doświadczenia ITB jako instytucjonalnego rzeczoznawcy wnioski i propozycje, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str P. Sulik, Instytucjonalny rzeczoznawca budowlany w zakresie zagadnień konstrukcyjnych, na przykładzie ITB, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str A. Borowy, Doświadczenia ITB z działalności rzeczoznawczej problematyka bezpieczeństwa poŝarowego, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str S. Łukasik, Doświadczenia ITB w zakresie rzeczoznawstwa geotechnicznego, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str B. Szudrowicz, Doświadczenia ITB jako instytucjonalnego rzeczoznawcy w zakresie problematyki specjalistycznej odnoszącej się do fizyki budowli i ochrony środowiska, XI Konferencja Naukowo- Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str