Lech Czarnecki1 Marek Kaproń2 Instytut Techniki Budowlanej

Kierunki prac badawczo-rozwojowych w budownictwie 1.

Przesłanki rozwoju

MoŜna postawić tezę, Ŝe postęp w budownictwie realizuje się przez rozwój materiałów budowlanych, który wymusza z kolei rozwój metod projektowania i wznoszenia. Ogromne ilości materii – masy i energii konsumowane w budownictwie powodują, Ŝe rozwój materiałów budowlanych odbywa się przede wszystkim przez modyfikację. Budowano i buduje się z ziemi, kamieni naturalnych i sztucznych (beton, cegła), drewna i materiałów drewnopodobnych, materiałów 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 206.1 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 materiałów 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 materiałów; rozwój budownictwa na osi czasu [1]

1 2

Sekretarz Naukowy ITB Dyrektor ITB

1

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 materiałów i nowe rozwiązania materiałowe,

–

zachowanie materiału w warunkach uŜytkowania,

a takŜe aspekty ekologiczne, zagospodarowanie odpadów i recyklizacja wykorzystanych materiałów budowlanych dla potrzeb budownictwa oraz wtórne wykorzystanie wyrobów budowlanych. Z samego tylko porównania ilości wytwarzanych odpadów i produkowanych materiałów 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

Tablica 1. Kształtowanie kierunków badawczych w zakresie materiałów budowlanych [7]

Czynniki

Wymagania

(International

podstawowe wg

(C.J. Kibert,

Sustainable

Concrete, 1998)

ER 89/106/EEC

[5])

Building Code [6]

zrównowaŜony rozwój bezpieczeństwo

ZrównowaŜony obiekt budowlany

Obszary badawcze

minimalizacja

zapotrzebowanie na kryteria

oddziaływanie

konstrukcji:

zuŜycia

energię / emisja

uŜyteczności

środowiska

nośność i

materiałów

CO2

materiału

stateczność

(ochrona

zuŜycie wody

budowlanego

bezpieczeństwo

zasobów)

(dm3/osoba/dzień)

metody oceny

poŜarowe

maksymalizacj wpływ stosowanych przydatności a wtórnego wyrobów na modyfikacja wykorzystania środowisko materiałów i

oszczędność energii minimalizacja kosztów wznoszenia i utrzymania oraz

higiena, zdrowie

rozbiórki i recyklingu

i środowisko

wykorzystanie

bezpieczeństwo

materiałów wysokiej

uŜytkowania

uŜyteczności;

ochrona przed

optymalizacja

hałasem i

rozwiązań

drganiami

konstrukcyjnych

energooszczęd-

duŜy i rosnący udział

ność, ochrona

elementów

odprowadzenie

nowe

moŜliwość

wody

rozwiązania

renowacji

powierzchniowej

materiałowe

gospodarka

zachowanie

odpadami

materiału w

elementów lub materiałów ochrona środowiska

napraw i modernizacji cieplna

zdrowotność

w pracach

zrównowaŜony

komfort

budowlanych

rozwój

uŜytkowania (jakość)

zorientowanie projektowania na uŜyteczność obiektu budowlanego

zanieczyszczenia zdrowie i komfort

warunkach uŜytkowania – dobór materiału

zarządzanie procesem

do danego obiektu

budowlanym i budynkiem

recyklizacja materiałów

ekologia

budowlanych; wykorzystanie materiałów 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

ZrównowaŜony rozwój * przesłanka filozoficzna * konieczność Ŝyciowa * wymóg konstytucyjny

C.Kiber t

ZRÓWNOWAśONY ROZWÓJ

ZrównowaŜony obiekt budowlany

Materiał budowlany

wznoszenie/uŜytkowanie * ochrona zasobów min. materii * powtórne wykorzystanie elementów * renowacja & recyklizacja * ochrona środowiska * zdrowotność * komfort uŜytkowania

ZRÓWNOWAśONY OBIEKT BUDOWLANY

Materiał o dobrze zdefiniowanych właściwościach do danego zastosowania; WDPP

MATERIAŁOWE UWARUNKOWANIA

Przestrzeń badawcza

kryteria uŜyteczności (trwałość, funkcjonalność, niezawodność),

metody oceny,

modyfikacja materiałów,

zachowanie w warunkach uŜytkowania,

recyklizacja,

zagospodarowanie odpadów.

Rys. 2 Schematyczne przedstawienie przestrzeni badawczej „materiałowe uwarunkowania zrównowaŜonego rozwoju”; WDPP – Well Defined Performance Products

4

Środowisko

Wytwarzanie materiałów

Ekonomia

Wznoszenie i uŜytkowanie

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 materiałów myślą przewodnią staje się kompatybilność, rozumiana jako taki dobór materiałów, 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 materiałów 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

uwarunkowań energetycznych mogą symbolizować trzy liczby odnoszące się do sezonowego zapotrzebowania na ciepło w budynkach: 250, 200, 50 [kWh/m2]. 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/m2) 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

Narzędzia oceny wyrobów i obiektów budowlanych WYROBY: - Ekoznaki - wieloparametrowe stwierdzenia - Pojedyncze stwierdzenia ekologiczne - Deklaracje środowiskowe BUDYNKI - Ekoznaki - 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

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. 1. 2.

Literatura

European White Book on Fundamental Research in Material Science, Max-Planck-Institute Stuttgart, 2001 L. Czarnecki: Betony polimerowe. Cement-Wapno-Beton, C-N-B 2/2010

3.

S. Wall: Budownictwo spełniające wymagania rozwoju zrównowaŜonego w nowych dokumentach UE. Biuletyn ITB 1/2010-04-25

4.

L. Czarnecki, P. Łukowski, WdraŜanie normy PN-EN 1504 – do stosowania w Polsce. Materiały budowlane 2/2010

5.

C. J. Kilbert, Establishing Principles and Model for Sustainable Construction, Proceedings for the First International Conference of CIB TH 16, Florida, 1999, p. 3-12

6.

Code for Sustainable Homes Dept. Communities and Local Government, London 2006, p. 29 8

7.

L. Czarnecki, M. Kaproń, ZrównowaŜone budownictwo jako zadanie badawcze L IV Konferencja KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 2008

8.

L. Czarnecki, ZałoŜenia systemu rozpoznawania kierunków rozwojowych inŜynierii materiałów budowlanych, Prace Instytutu Techniki Budowlanej, Warszawa, 2/2005

9.

L. Czarnecki, M. Kaproń, Definiowanie zrównowaŜonego budownictwa, Materiały Budowlane 1/2010 i 2/2010

10. M. Kaproń, M. Wójtowicz, Doświadczenia ITB jako instytucjonalnego rzeczoznawcy – wnioski i propozycje, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str. 55-56 11. P. Sulik, Instytucjonalny rzeczoznawca budowlany w zakresie zagadnień konstrukcyjnych, na przykładzie ITB, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str. 67-80 12. A. Borowy, Doświadczenia ITB z działalności rzeczoznawczej – problematyka bezpieczeństwa poŜarowego, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str. 95-102 13. S. Łukasik, Doświadczenia ITB w zakresie rzeczoznawstwa geotechnicznego, XI Konferencja Naukowo-Techniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str. 81-94 14. B. Szudrowicz, Doświadczenia ITB jako instytucjonalnego rzeczoznawcy w zakresie problematyki specjalistycznej odnoszącej się do fizyki budowli i ochrony środowiska, XI Konferencja NaukowoTechniczna: Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego, ITB, Warszawa, 2010, str. 103-120

9