Andrzej Ajdukiewicz
Zintegrowana ocena konstrukcji betonowych
w projektowaniu na okres użytkowania
INTEGRATED ASSESSMENT OF CONCRETE STRUCTURES AT DESIGN
FOR SERVICE LIFE
Streszczenie
Zintegrowane projektowanie konstrukcji betonowych stanowi nowe podejście, włączające
wszystkie związane i ważne wymagania w jeden proces projektowania. To podejście integruje
projektowanie w zakresie materiałowym, projektowanie elementów oraz całych konstrukcji,
i rozważa wybrane kryteria spośród szerokiego zakresu kryteriów podzielonych na cztery
grupy: środowiskowe, ekonomiczne, techniczne i społeczne. Stosunkowo nową i ważną czę-
ścią zintegrowanego projektowania jest zintegrowana ocena konstrukcji betonowych w okre-
sie użytkowania, obejmująca zależną od czasu wielokryterialną ocenę całej konstrukcji. To
podejście powinno brać pod uwagę różne kryteria użytkowe, kolejne fazy okresu użytkowania
i różne poziomy rozpoznania  materiały, elementy i całą konstrukcję. Szczególnie istotne
w tej ocenie są wpływy środowiskowe w kolejnych fazach okresu użytkowania konstrukcji
betonowych, które są związane z różnymi procesami technologicznymi.
Abstract
Integrated design of concrete structures is a new approach implementing all relevant and
significant requirements into one single design process. This approach integrate material,
elements, and whole structures design and considers selected criteria from a wide range of
criteria sorted in four basic groups: environmental, economical, technical and social. Relatively
new and important part of integrated design is integrated assessment of concrete structures for
service life, representing time dependent multi-parametric assessment of the whole structure.
This approach should take into account: different performance criteria, sequential service life
phases, and various recognition levels  material, elements and entire structure. Particularly
important in this assessment are environmental impacts in sequential service life phases of
concrete structure, which are associated with different technological processes.
prof. dr inż. Andrzej Ajdukiewicz  Politechnika Śląska, Katedra Inżynierii Budowlanej
Zintegrowana ocena konstrukcji betonowych w projektowaniu na okres użytkowania
1. Wprowadzenie
Zintegrowana ocena okresu użytkowania konstrukcji betonowych (Integrated life-cycle asses-
sment of concrete structures) stanowi nowe podejście, ujmujące kompleksowe oszacowanie
zachowania się konstrukcji w czasie. Problematyka ta, zainspirowana wcześniejszymi
dokumentami międzynarodowymi, była przedmiotem działalności Grupy Roboczej TG 3.7
w ramach Komisji 3  Środowiskowe aspekty projektowania i wznoszenia konstrukcji beto-
nowych Międzynarodowej Federacji Betonu Konstrukcyjnego (fib). Potrzeba działania na
tym polu wyłoniła się podczas prac nad wcześniejszym dokumentem międzynarodowym
przygotowanym w tej Komisji, zatytułowanym  Projektowanie środowiskowe [1]. Treść
niniejszego opracowania opiera się przede wszystkim na roboczej wersji nowego doku-
mentu (przygotowanej z udziałem autora) w ramach Grupy TG 3.7 w roku 2006 [2].
Postawione zadanie dotyczyło określenia metodologii oceny okresu użytkowania
konstrukcji betonowych, z uwzględnieniem głównych przesłanek strategii zrównoważo-
nego rozwoju, takich jak aspekty środowiskowe i ekonomiczne, niezawodność w pełnym
zakresie, czyli: bezpieczeństwo, użytkowalność i trwałość, a wreszcie aspekty utrzymania
i remontów. Głównym celem było ustalenie podstawowych specyfikacji, warunków ogra-
niczających i danych potrzebnych do ustalenia narzędzi projektowania, ukierunkowanych
na zapewnienie dużej użyteczności i jakości z punktu widzenia środowiska w całym
okresie użytkowania konstrukcji.
Warto przypomnieć, że dotychczasowe podejście do projektowania konstrukcji be-
tonowych miało na celu przede wszystkim uzyskanie konstrukcji o wymaganej charak-
terystyce, przy zachowaniu możliwie niskich nakładów finansowych na jej wzniesienie.
Przedział czasu brany pod uwagę w ocenie poprawności rozwiązania, towarzyszącej
tradycyjnemu projektowaniu, był zwykle ograniczony do etapu realizacji i kilku lat na-
stępnych, stanowiących okres gwarancyjny. Reszta pozostawała w gestii użytkownika,
w zasadzie bez specyfikacji jego działań, określonej dla konkretnego obiektu.
Przewidywane obecnie do wprowadzenia nowe podejście do projektowania konstrukcji
obejmuje działanie zintegrowane, ujmujące różne poziomy rozpoznania zadania (materiały,
elementy, całość konstrukcji) i ukierunkowane na uzyskanie optymalnych parametrów
funkcjonalnych obiektu, postrzeganych jako szerokie spektrum kryteriów w całym okresie
użytkowania. Innowacyjność podejścia polega na projektowaniu z takich materiałów kon-
strukcyjnych i elementów, których zachowanie w przyszłości jest możliwe do przewidzenia
i to takie, że spełnią one wymagania wynikające ze specyfiki konkretnej konstrukcji w
całym zakładanym okresie użytkowania. Innymi słowy, projektowanie powinno wpro-
wadzać optymalizację wszystkich składników we wszystkich fazach okresu użytkowania,
od wzniesienia konstrukcji do rozbiórki. Warunkiem uzyskania parametrów do takiego
projektowania jest integracja różnych składników procesu projektowego  materiałowych,
konstrukcyjnych i środowiskowych. Jednocześnie powinny być brane pod uwagę dalsze
przesłanki zrównoważonego rozwoju, ekonomiczne i społeczno-kulturalne.
Zintegrowane projektowanie z uwagi na środowisko stanowi nowy obszar, łączący
aspekty materiałowe, konstrukcyjne i środowiskowe w jeden proces kompleksowego
projektowania opartego na optymalizacji. Zintegrowana optymalizacja konstrukcji z uwagi
na środowisko jest procesem mającym na celu obniżenie negatywnego oddziaływania na
środowisko z jednoczesnym zwiększeniem użyteczności konstrukcji, jej bezpieczeństwa
i trwałości w całym okresie spodziewanego użytkowania. Te cele są osiągnięte, gdy
koszty są utrzymane na rozsądnie niskim poziomie, a cechy użytkowe na możliwym do
uzyskania wysokim poziomie.
3
Andrzej Ajdukiewicz
Cele tego działania mają charakter wielokryterialny i wchodzą tu tak różne kryteria,
jak jakość funkcjonalna, koszty, wpływ na środowisko, trwałość i pozostałe aspekty nie-
zawodności. Zasadnicze podejście metodologiczne zintegrowanego projektowania zawie-
ra optymalizację wielokryterialną parametrów funkcjonalnych oraz analizę wrażliwości
i ryzyka. Wymaganie, aby przewidywać wszystkie działania na cały czas użytkowania,
prowadzi do podejścia probabilistycznego. Zasady zintegrowanego projektowania mogą
być stosowane bardzo szeroko  zarówno na poziomie całych konstrukcji do energo- i ma-
teriałooszczędnych konstrukcji w budynkach, jak również do optymalizacji zarządzania
w czasie ich eksploatacji.
2. Zasady zintegrowanej oceny w okresie użytkowania
2.1. Zintegrowane projektowanie
Zintegrowane projektowanie to nowe podejście wprowadzające wszystkie związane i waż-
ne wymagania do jednego wspólnego procesu projektowania. A
ączy się tu projektowanie
na poziomie materiału, elementu konstrukcyjnego i całej konstrukcji, a dalej rozważa na
każdym z tych poziomów wybrane kryteria z szerokiego zakresu kryteriów podzielo-
nych na cztery grupy: środowiskowe, ekonomiczne, techniczne i społeczno-kulturalne.
Przedstawia to schemat na rys. 1. Wagi poszczególnych kryteriów są zróżnicowane dla
różnych typów obiektów lub ich części.
Rys. 1. Zasada podejścia do zintegrowanego projektowania konstrukcji budowlanej
Wiele elementów zintegrowanego projektowania stosowano dotychczas w praktyce,
choć na pewno powszechniejsze były przypadki bardzo ograniczonego wariantowania niż
rozwiniętej optymalizacji. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy schemat trójstop-
niowej optymalizacji dotyczącej wpływu na środowisko (Environment-based optimization)
projektowanej konstrukcji betonowej. W niedalekiej przyszłości problematyka wpływu
na środowisko będzie istotnym i niezbędnym elementem dokumentacji projektowej.
4
Zintegrowana ocena konstrukcji betonowych w projektowaniu na okres użytkowania
Rys. 2. Fazy optymalizacji projektowania konstrukcji betonowych z uwagi na redukcję negatyw-
nego oddziaływania na środowisko
O ile w projektowaniu mieszanki betonowej w dotychczasowej praktyce stosowane
są elementy postępowania optymalizacyjnego, o tyle znacznie rzadziej występuje to
w przypadku projektowania konstrukcyjnego, gdzie czasem prowadzone jest jedynie
wariantowanie rozwiązań  z reguły nie pod kątem kryteriów środowiskowych. Trzeci
blok działań wskazany na rys. 2  optymalizacja w całym okresie użytkowania  dotych-
czas nie występował. Działo się tak dlatego, że projektanci nie byli zobowiązani do takiej
oceny, a w dodatku nie istniały normy ani zalecenia takiego postępowania.
Potoczne określenie  projektowania na trwałość nie obejmuje całego problemu, w tym
zwłaszcza wpływów środowiskowych i dlatego wprowadzono termin  projektowanie
na okres użytkowania . Jednym z elementów tego nowego obszaru projektowania jest
obowiązek uzyskania świadectwa energetycznego dla budynków nowo wznoszonych już
od 2008 r. Oszczędność energii w okresie użytkowania jest oczywiście jednym z najważ-
5
Andrzej Ajdukiewicz
niejszych kryteriów wpływu na środowisko, ale konstrukcje betonowe nie są tu głównym
kierunkiem natarcia.
2.2. Ocena w całym okresie użytkowania
Ogólna metodologia oceny w całym okresie użytkowania LCA (Life-cycle assessment) została
zdefiniowana w międzynarodowej normie ISO 14040:97 [3] jako zebranie lub oszacowanie danych
początkowych i wyników oraz potencjalnego oddziaływania na środowisko projektowanego systemu
w całym okresie jego użytkowania. Norma ta została przyjęta przez CEN za normę europejską.
Tę ogólną normę uzupełniają normy ISO 14041, 14042 i 14043, wydane w latach 1997-2000
i obejmujące różne fazy oceny (LCA). Nie ma jednak jednej metody głównej dla wszystkich
przypadków oceny. Wyniki takiej oceny mogą być przydatne jako punkty wyjścia do różnych
dalszych oszacowań, postępowań optymalizacyjnych lub innych procedur decyzyjnych. We
wszystkich zastosowaniach postępowanie to zawiera fazę oceny potencjalnego oddziaływania
na środowisko związanego z całym okresem istnienia projektowanego obiektu.
Wskazana w międzynarodowej normie ISO 14040:97 [3] metoda oceny jest metodą
iteracyjną. Zawiera cztery podstawowe etapy, obejmujące w każdej pętli:
1) określenie celu i zakresu, 2) analizę składników oceny, 3) oszacowanie oddziaływań
i 4) interpretację wyników z uwagi na przewidywane wykorzystanie oceny. Etapy te są roz-
ważane na zasadzie wzajemnej interakcji zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 3.
Rys. 3. Etapy oceny w całym okresie użytkowania i korespondujące normy ISO
Określenie celu i zakresu powinno być jednoznaczne i zgodne z zamierzonymi za-
stosowaniami. Zakres musi brać pod uwagę wszystkie związane aspekty i kryteria oraz
powinien być dostatecznie dobrze zdefiniowany.
Analiza składników oceny zawiera zbiór danych i procedury obliczeniowe służące
ilościowemu ustaleniu związanych danych wejściowych i wyników dla poszczególnych
składników projektowanego systemu (np. elementu betonowego lub całej konstrukcji
betonowej) w całym okresie jego użytkowania.
Celem oszacowania oddziaływania jest przebadanie projektowanego systemu pod wzglę-
dem znaczenia potencjalnego oddziaływania na środowisko poszczególnych składników
projektowanego systemu.
6
Zintegrowana ocena konstrukcji betonowych w projektowaniu na okres użytkowania
Interpretacja stanowi etap, w którym wyniki albo analizy składników, lub oszacowania
oddziaływania (lub obydwu etapów łącznie), są zestawiane pod względem zgodności
z określonym celem i zakresem, aby uzyskać wnioski i zalecenia.
2.3. Zintegrowana ocena w okresie użytkowania
Przykładem zasady zintegrowanej oceny jest model 3D pokazany na rys. 4. Na poziomej
osi x znalazły się cztery wybrane grupy kryteriów wskazane schematycznie na rys. 1. Na
poziomej osi y wymienione są kolejne fazy typowego  cyklu życia przedmiotu oceny.
Na osi pionowej z umieszczono różne poziomy projektowania.
Rys. 4. Koncepcja modelu 3D dla zintegrowanego projektowania
W istocie schemat na rysunku 4 pokazuje cztery równoległe ścieżki oceny okresu
użytkowania w zintegrowanym projektowaniu:
 ocena środowiskowa (life-cycle environmental assessment  LCEA),
 ocena ekonomiczna łącznie z kosztami utrzymania i napraw (life-cycle cost assessment
 LCC),
 ocena techniczno-technologiczna (life-cycle technical assessment  LCTA),
 ocena społeczna (life-cycle social assessment  LCSA).
Fazy analizowane dla okresu użytkowania (cyklu) konstrukcji betonowej  od koncep-
cji projektowej do likwidacji konstrukcji  w bardzo różnym stopniu decydują o wpływie
na środowisko i konsekwencjach wpływu środowiska na konstrukcję.
Przedstawione jest to na schemacie (rys. 5).
Przykładowy wykres na rysunku 5, opracowany na podstawie analizy różnych ty-
pów konstrukcji betonowych, wskazuje na szczególne znaczenie początkowej (koncepcja)
i końcowej (likwidacja) fazy zintegrowanego projektowania.
7
Andrzej Ajdukiewicz
Rys. 5. Wykres potencjalnego wpływu na stopień oddziaływania na środowisko i ulegania wpły-
wom środowiska konstrukcji betonowej w całym okresie użytkowania
3. Zasady oceny wpływu na środowisko
Całkowite oddziaływanie na środowisko powinno być rozważone  jak wspomniano
wcześniej  w całym okresie użytkowania. Charakterystyczny cykl istnienia konstrukcji
Rys. 6. Schemat cykli okresu użytkowania konstrukcji betonowych w aspekcie oddziaływania
na środowisko
8
Zintegrowana ocena konstrukcji betonowych w projektowaniu na okres użytkowania
betonowej, z typowym przepływem energii i materiałów oraz oddziaływaniem na śro-
dowisko, przedstawiono na rys. 6.
Istotne w tym schemacie jest to, że głównym celem wysiłków optymalizacyjnych jest
dążenie do zachowania zamkniętego cyklu materiałów konstrukcyjnych tak dalece jak
to tylko możliwe (obszar otoczony ramką na rys. 6). W pierwszym rzędzie ewidentne
jest tu znaczenie procesów konserwacji i napraw konstrukcji, które zwiększają trwałość
konstrukcji. Jednak równie istotne są procesy rekonstrukcji (przedłużające przydatność
konstrukcji w warunkach zmian użytkowania) i wreszcie ogólnie rozumianego recyklin-
gu.
Opracowano zaawansowane metody ujęcia ilościowego oddziaływania na środowisko
całych obiektów. Ich podstawą jest najczęściej jedna z dwóch zasad postępowania:
 profil środowiskowy  złożony ze zbiorów wartości odniesionych do różnych kryte-
riów,
 oddziaływanie na środowisko  wyrażone przez jedną charakterystyczną wartość jako
sumę ważoną wartości odniesionych do różnych kryteriów.
Wiele informacji z tego zakresu zawarto w biuletynie [1]. Szczególnie przydatne
mogą być zebrane z różnych krajów doświadczenia i zalecenia z zakresu praktycznego
stosowania oceny w projektowaniu, a także liczne cytowane materiały z
ródłowe.
4. Projektowanie na okres użytkowania
Ostatnie dwie dekady były okresem gwałtownego zwiększenia się zainteresowania pro-
blemami trwałości we wszelkich konstrukcjach z betonu. Ujmując to najprościej należy
podkreślić, że zmniejszona trwałość to nie tylko wczesne zagrożenie bezpieczeństwa, ale
także  w kompleksowym podejściu  zwiększone zużycie materiałów i energii, a w konse-
kwencji zwiększone negatywne oddziaływanie na środowisko i nieuzasadnione koszty.
Wymagania trwałości konstrukcji budowlanej powinny być wypadkową różnych
analiz. W przypadku konstrukcji z betonu wskazany obecnie w normach europejskich
i w polskiej normie projektowania konstrukcji z betonu (PN-B-03264:2002) wybór prze-
widywanej klasy ekspozycji jest zaledwie jednym elementem specyfikacji trwałości.
Znacznie trudniejsza jest decyzja o przewidywanym okresie użytkowania konstrukcji
lub o prawdopodobnych zmianach charakteru eksploatacji.
Problemy te były w latach 1995-1999 przedmiotem dużego projektu europejskiego
DuraCrete (Probabilistic Performance-Based Durability Design of Concrete Structures), omó-
wionego m.in. w pracy [4].
Międzynarodowa Federacja Betonu Konstrukcyjnego  fib  w roku 2002 ustanowiła
grupę zadaniową (Task Group 5.6) w celu przygotowania  normy wzorcowej projek-
towania na okres użytkowania (Model Code for Service Life Design). Zadaniem było
uzgodnienie modeli związanych z trwałością konstrukcji betonowych i przygotowanie
pierwszej normy MC-SLD.
W założeniu dokument ten miał także za zadanie przygotować materiały dotyczące
trwałości do włączenia do nowej normy wzorcowej projektowania konstrukcji betono-
wych (fib-Model Code), której zarys przedstawiono na kongresie fib w Neapolu w czerwcu
2006. W ten sposób norma międzynarodowa fib-MC obejmie trzy podstawowe aspekty
niezawodności: bezpieczeństwo, użytkowalność i trwałość.
9
Andrzej Ajdukiewicz
Założenia i zakres normy MC-SLD przedstawiono w przeglądowym referacie [5]
jeszcze na podstawie draftu tego dokumentu i wstępnych dyskusji, które towarzyszyły jej
pierwszej prezentacji, przedstawionej w imieniu zespołu autorskiego przez S. Hellanda
na sympozjum fib w Budapeszcie, w maju 2005r.
Norma MC-SLD ukazała się drukiem wiosną 2006 r. jako Biuletyn Nr 34 [6] i została
już zaakceptowana w ostatecznym brzmieniu na kongresie fib w Neapolu.
5. Podsumowanie
Zintegrowana ocena konstrukcji betonowych w całym okresie użytkowania jest stopnio-
wo wprowadzana do międzynarodowych przepisów projektowania i między innymi
adaptowana w przepisach europejskich. Nieuniknione jest włączenie tej problematyki
do projektowania konstrukcji betonowych także i w naszym kraju.
Innowacyjność podejścia polega na projektowaniu materiałowym i konstrukcyjnym
z wyprzedzającym określeniem wymagań użytkowych i wpływów środowiskowych.
Istotną część tej oceny stanowi  optymalizacja środowiskowa , czyli uwzględnianie wie-
lu kryteriów, jakie mają wpływ na oddziaływanie procesu powstawania, użytkowania,
konserwacji, napraw, rozbiórki i utylizacji materiałów z rozbiórki na środowisko.
Wyraz
ne przyspieszenie w publikowaniu międzynarodowych norm i zaleceń o świa-
towym zasięgu jest dowodem przypisywania dużego znaczenia rozszerzeniu zakresu
projektowania. Wynika to bezpośrednio z wprowadzania zasad strategii zrównoważonego
rozwoju w obszarze budownictwa.
Literatura
[1] fib-Bulletin 28: Environmental design. State-of-art report. International Federation for Structural
Concrete  fib, Lausanne, February 2004; 74 str.
[2] Integrated life-cycle assessment of concrete structures  State-of-art report (Editor P. Hajek)  fib
Commission 3 Task Group 3.7. Partial Draft  May 2006.
[3] International Standard ISO 14040:1997 Environmental management  Life cycle assessment  Principles
and framework. International Standard Organization, 1997.
[4] Edvardsen C., Mohr L.: DuraCrete  A Guideline for Durability-Based Design of Concrete Structures.
Proceedings of fib 1999 Symposium Structural Concrete  the Bridge between People, Prague, October
12-15, 1999; str. 425-432
[5] Ajdukiewicz A.: Projektowanie konstrukcji betonowych z uwzględnieniem okresu użytkowania.
Materiały XX Konferencji Naukowo-Technicznej  Beton i Prefabrykacja  Jadwisin 2006 , Serock,
17-19 maja 2006; tom materiałów + CD, str. 11-22.
[6] fib-Bulletin 34: Model Code for Service Life Design. International Federation for Structural Concrete
 fib, Lausanne, February 2006; 110 str.
10