Dlaczego bardziej opłaca się zrobić grubszy strop żelbetowy zamiast silnie go zbroić?
W piętrowych domach murowanych prawie zawsze stosuje się stropy o konstrukcji żelbetowej. To dobry wybór, gdyż są one nie tylko trwałe, wytrzymałe i odporne na ogień, ale też lepiej niż na przykład stropy drewniane izolują od siebie akustycznie pomieszczenia, które rozdzielają.
Do tego stropy żelbetowe znakomicie usztywniają budynek (jeśli tylko w miejscach oparcia ich na ścianach wykonano wieńce stropowe), dzięki czemu jest on zdecydowanie bardziej odporny na zarysowania, spowodowane na przykład przez nierównomierne osiadanie gruntu pod jego fundamentami lub… trzęsienie ziemi.
STROPY W DOMACH JEDNORODZINNYCH
W domach jednorodzinnych najczęściej stosuje się częściowo prefabrykowane stropy żelbetowe z kratownicowymi belkami i pustakami wypełniającymi (Fot. 1). Za takim wyborem przemawia przede wszystkim to, że do ich wykonania nie jest potrzebne pełne deskowanie, a jedynie montażowe podstemplowanie belek na czas betonowania płyty i żeber.
Pełne płyty monolityczne wykonuje się w takich domach rzadziej, choć oczywiście nie brakuje prywatnych inwestorów, którzy się na nie decydują (Fot. 2), zwłaszcza jeśli w okolicy nie ma wytwórni prefabrykowanych elementów stropowych.
Coraz powszechniejsze stosowanie żelbetowych stropów monolitycznych w domach wielorodzinnych sprawia jednak, że wiele firm zajmujących się „małym” budownictwem ma już na swoim wyposażeniu inwentaryzowane deskowania, podpory i metalowe stemple o regulowanej wysokości. Mogą więc one zaoferować swoim klientom wykonanie stropów monolitycznych – po bardzo konkurencyjnych cenach – także w domach jednorodzinnych.
Fot. 1 – W murowanych domach jednorodzinnych najczęściej wykonuje się częściowo prefabrykowane stropy żelbetowe – mają one stałą grubość, więc przy rozpiętościach mniejszych od maksymalnej są stosunkowo sztywne.
Fot. 2 – Coraz większa liczba inwestorów decyduje się na zrobienie w swoim domu monolitycznego stropu żelbetowego, nawet wtedy, gdy w pobliżu budowy jest wytwórnia prefabrykowanych elementów stropowych.
ŻELBETOWE STROPY MONOLITYCZNE
Stropy monolityczne pozwalają najlepiej wykorzystać walory żelbetu jako materiału konstrukcyjnego. Oczywiście jest tak jedynie pod warunkiem, że są one poprawnie zaprojektowane oraz wykonane z betonu, do którego produkcji użyto pewnego cementu z cementowni. Z cementu niepewnego pochodzenia, a mówiąc wprost – z mieszanki cementowo-popiołowej – nie da się bowiem wyprodukować odpowiednio mocnego betonu. Dotyczy to nie tylko jego trwałości, ale przede wszystkim wytrzymałości niezbędnej dla zapewnienia wystarczającej nośności stropom, czyli tym elementom konstrukcyjnym, które bezpośrednio odpowiadają za bezpieczeństwo użytkowników, nie tylko oczywiście w budynkach mieszkalnych.
Szczególne znaczenie ma tutaj też opracowanie projektu stropu monolitycznego, ponieważ wymaga ono zdecydowanie większej wiedzy i zawodowego doświadczenia od konstruktora niż wtedy, gdy ma on jedynie dobrać elementy stropu prefabrykowanego.
Jedną z ważnych różnic między stropami monolitycznymi i prefabrykowanymi jest ta, że te drugie mają zazwyczaj stałą grubość, niezależną od ich rozpiętości. Przy projektowaniu płyt monolitycznych tak nie jest i mogą one mieć grubość dostosowaną nie tylko do konkretnych obciążeń i rozpiętości, ale także proporcji swoich boków. Szczególnie korzystne jest, gdy stropy te są w planie zbliżone do kwadratu, ponieważ wtedy obciążenia rozkładają się w nich prawie równomiernie na dwa prostopadłe do siebie kierunki, dzięki czemu ich ugięcia są mniejsze.
W takich żelbetowych płytach zbrojenie projektuje się w obu kierunkach, więc w sumie może być ono mniejsze niż wtedy, gdy stropy podparte są tylko na dwóch przeciwległych krawędziach i zbroi się je w jednym kierunku.
To samo dotyczy grubości płyt – w dwukierunkowo (krzyżowo) zbrojonych może być ona mniejsza niż przy jednokierunkowych, co oczywiście oznacza mniejsze zużycie betonu.
Tu jednak pojawia się problem natury projektowej, związany z użytkowaniem takich stropów. Jeśli zaprojektuje się je tylko ze względu na nośność, to są one zazwyczaj zbyt mało sztywne. Czasem można spotkać tak źle pod względem sztywności zaprojektowane płyty monolityczne, że wprawdzie nie ulegają one awarii pod obciążeniem, ale chodząc po nich czuje się, że drżą i uginają się pod każdym krokiem, jakby były zrobione ze stalowej blachy.
Nawet jednak, gdy projektant tak zaprojektuje żelbetowy strop monolityczny, by jego maksymalne ugięcie pod pełnym obciążeniem nie przekraczało wartości dopuszczonych przez przepisy normowe, to i tak będzie on za mało sztywny, by wymurowane na nim ściany działowe nie rysowały się i nie pękały.
Przepisy budowlane wymagają, by maksymalne ugięcie stropów nie przekraczało 1/200 ich rozpiętości i nie było większe niż 3 cm. To wystarczy, żeby nie było ono zauważalne dla osób poruszających się po stropie lub patrzących na jego sufit. Jest ono jednak zbyt duże, by uchronić wymurowane na stropie ściany działowe przed zarysowaniem. Przyjmuje się, że gdyby maksymalne ugięcie było nie większe niż 10 mm i 1/500 ich rozpiętości, to zagrożenie pękania murowanych ścian działowych byłoby znacznie mniejsze.
Jest to bardzo trudne do osiągnięcia nawet wtedy, gdy stropy – zaprojektowane ze względu na wymaganą nośność – będą betonowane z niewielkim wygięciem do góry, czyli z ujemną strzałką ugięcia.
W celu ograniczenia maksymalnych ugięć stropów, zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest zwiększenie ich sztywności ponad wymagania normowe i ten kierunek jest czasem wybierany przez projektantów żelbetowych płyt monolitycznych. Niestety często zapominają oni o tym, że to beton ma największy wpływ na sztywność konstrukcji żelbetowych i próbują ją poprawić przez zwiększenie ilości zbrojenia stropu, umieszczając go nie tylko w strefach rozciąganych, ale także ściskanych (Fot. 3 i 4).
Fot. 3 – Jeśli projektant będzie chciał uzyskać większą sztywność stropu monolitycznego za pomocą zbrojenia, to program komputerowy jest w stanie „zagospodarować” prawie wszystkie pręty stalowe, jakie ma pobliska hurtownia materiałów budowlanych.
Fot. 4 – W środku tego prawie kwadratowego stropu monolitycznego, opartego na obwodzie na ścianach parteru, zbrojenie górne, które ma zwiększyć jego sztywność jest prawie takie samo jak dolne, chociaż zgodnie ze sztuką budowlaną nie powinno być go tu wcale.
Mimo dużego zagęszczenia prętów zbrojeniowych nie daje to spodziewanych efektów, a jedynie zwiększa koszt wykonania takiego stropu. Dzieje się tak dlatego, że stal, która pod względem wytrzymałościowym bardzo wzmacnia beton nie tylko w strefach rozciąganych, ale i ściskanych, na sztywność zginanych elementów żelbetowych, a więc belek i stropów, nie ma już takiego dużego wpływu. Zdecydowanie korzystniejszym jest więc wykonywanie stropów monolitycznych o grubości większej niż wynika to potrzeb wytrzymałościowych. Oznacza to oczywiście większe zużycie betonu, ale ponieważ jest on znacznie tańszy niż stal zbrojeniowa, więc w końcowym rachunku otrzymujemy sztywniejszy strop za mniejsze pieniądze. Do tego mamy większe szanse zaoszczędzić na ewentualnych naprawach zarysowanych ścian działowych i ułożonych na nich tynków. Taki grubszy strop, to także lepsza izolacja akustyczna pomiędzy pomieszczeniami na piętrze i parterze.
BETON LEPSZY (I TAŃSZY) OD STALI
Można wykazać, że dla zwiększenia sztywności zginanego elementu żelbetowego bardziej opłaca inwestować w beton niż stal zbrojeniową. Żeby nie komplikować i tak dość trudnych obliczeń, zamiast żelbetowej płyty monolitycznej, posłużymy się belką o przekroju prostokątnym (Rys. 1).
Rys. 1 – Umieszczenie w belce żelbetowej dwóch dodatkowych prętów zbrojeniowych może przynieść różne efekty, w zależności od tego, czy umieścimy je górą, czy dołem – jeśli jednak mają jedynie zwiększać sztywność belki, to korzystniej jest nieznacznie zwiększyć wysokość jej przekroju.
Przyjmijmy, że ma ona 6 m rozpiętości i przekrój 20 x 40 cm. Wykonana jest z betonu klasy C16/20 (dawne B20) i zbrojona prętami żebrowanymi o średnicy 16 mm, wykonanymi ze stali klasy AIII (gatunku 34GS).
Belka A ma zbrojenie obliczone ze względu na jej wymaganą nośność w postaci 2 prętów, umieszczonych oczywiście w dolnej, rozciąganej strefie. Przekrój prętów zbrojeniowych nie jest duży w stosunku do wymiarów przekroju betonowego, co oznacza, że belka ta nie jest zbyt mocno obciążona.
Belka B, w której dolne zbrojenie zwiększono dwukrotnie – z dwóch do czterech prętów – ma nośność prawie dwa razy większą niż belka A. Pokazuje to, jak duży wpływ na nośność żelbetowych elementów zginanych mają wiotkie przecież pręty stalowe, umieszczone w jej strefie rozciąganej.
Belka C ma też o dwa pręty więcej niż belka A, ale są one umieszczone w jej górnej, ściskanej strefie. Pod względem nośności belki C i B praktycznie się nie różnią, co pokazuje, że wzmacnianie belki w strefie ściskanej nie jest już tak efektywne, jak wtedy, gdy dodatkowe pręty zbrojeniowe znalazły się w jej strefie rozciąganej. Nie ulega jednak wątpliwości, że dwa dodatkowe pręty umieszczone w górnej strefie belki zwiększyły jej sztywność. Stal ma bowiem współczynnik sprężystości prawie 7 razy większy od modułu odkształcalności betonu, więc belka żelbetowa została w górnej części przekroju wzmocniona twardszym materiałem, co oczywiście poprawiło jej sztywność. Pytanie tylko, co by było, gdybyśmy zamiast dawać górą dwa dodatkowe pręty, zwiększyli nieco wysokość belki. Odpowiedź jest interesująca…
Belka D nie ma górą dwóch dodatkowych prętów, za to jest o 1 cm wyższa niż belka C. Okazuje się, że przy tak niewielkim zwiększeniu wysokości, jej sztywność jest teraz nawet nieco większa niż belki C z dwoma dodatkowymi prętami.
KOSZTY. Zakładając, że obie belki – C i D – mają taka samą sztywność, zobaczmy, ile kosztowało zwiększenie sztywności belki A przez dodanie prętów, a ile przez powiększenie jej wysokości przez dodanie betonu.
Belka C. 1 metr pręta o średnicy 16 mm waży 1,58 kg. Dwa pręty o długości 6 m to prawie 10 kg. Średnia cena prętów żebrowanych ø 16 wynosi 2,40 zł/kg. Dodatkowe pręty w tej belce kosztują więc 10 x 2,40 = 24 zł.
Belka D. Do zrobienia belki D o 1 cm wyższej niż pozostałe, potrzeba: 0,01 x 0,20 x 6,0 = 0,012 m³ betonu. Przy średniej cenie 300 zł za 1 m³ betonu z wytwórni oznacza to wydatek 3,60 zł.
Jak z tego widać, stawiając na beton możemy uzyskać ten sam efekt 6,7 razy taniej niż wtedy, gdy do zwiększenia sztywności belki użyjemy stali. Warto też podkreślić, że robiąc grubsze belki lub stropy, będziemy potrzebować mniejszej ilości stali zbrojeniowej, niezbędnej do przeniesienia naprężeń rozciągających – mamy więc z takiej decyzji jeszcze dodatkowe korzyści.
Na koniec jedna praktyczna informacja: powiększenie o 1 cm grubości dużego stropu żelbetowego – monolitycznego lub częściowo prefabrykowanego – o wymiarach 6 x 6 m kosztować nas będzie około 108 zł. To niewielki dodatkowy wydatek, jeśli weźmiemy pod uwagę całkowity koszt wykonania stropu, a może on nam się szybko zwrócić niewydanymi pieniędzmi na naprawę uszkodzonych ścian działowych.
RADA: Jeśli chcemy mieć sztywniejsze monolityczne stropy żelbetowe, by nie rysowały się wymurowane na nich ściany działowe, postawmy na beton, oczywiście ten wykonany z pewnego cementu, wyprodukowanego przez cementownię. Zastępowanie prawdziwego cementu różnymi produktami, które cement jedynie udają, to nie tylko nieroztropność, bo oszczędności, które możemy mieć z tego tytułu, są naprawdę niewielkie. To przede wszystkim narażanie na niebezpieczeństwo domowników, a w najlepszym razie bliska perspektywa dodatkowych wydatków na naprawy i remonty.
Poprawianie sztywności zginanych elementów żelbetowych przez zwiększenie ich grubości jest co najmniej 7-krotnie tańsze niż osiąganie tego za pomocą dodatkowych prętów zbrojeniowych. Ale jest tak tylko wtedy, gdy konstrukcje te będą wykonane z pewnej mieszanki betonowej, do której przygotowania użyto wyłącznie pewnego cementu.