Czym żelbet różni się od betonu sprężonego?
Wydawać by się mogło, że pomiędzy żelbetem i betonem sprężonym nie ma większej różnicy. Zarówno bowiem do zrobienia elementów żelbetowych, czyli z betonu zbrojonego, jak i betonowych elementów sprężonych potrzebujemy betonu i stali. A jednak pod względem konstrukcyjnym i technologicznym elementy żelbetowe i sprężone bardzo różnią się od siebie.
Beton jest materiałem kruchym o niewielkiej wytrzymałości na rozciąganie. Jest pod tym względem podobny do skał, dlatego bywa nazywany sztucznym kamieniem.
Z powodu niewielkiej wytrzymałości na rozciąganie z samego betonu nie robi się zginanych elementów konstrukcyjnych, na przykład belek lub stropów, gdyż musiałyby mieć bardzo duży przekrój poprzeczny w stosunku do swojej rozpiętości lub niszczyłyby się szybko nawet pod niewielkim obciążeniem (Rys. 1A).
Sytuacja zmienia się radyklanie, gdy zginane elementy betonowe wzmocnimy w strefie rozciąganej prętami stalowymi (Rys. 1B). Takie belki lub stropy, nazywane żelbetowymi, nie ulegają zniszczeniu już w chwili zarysowania betonu, lecz mogą nadal przenosić obciążenia, ponieważ od tego momentu naprężenia rozciągające przenosi stalowe zbrojenie.
Nośność wykonanych z betonu elementów zginanych można jednak również zwiększyć bez oczekiwania na pojawienie się rys, lepiej wykorzystując przy tym jego dużą wytrzymałość na ściskanie. Trzeba je jedynie wstępnie sprężyć w taki sposób, by po obciążeniu nie powstały w nich naprężenia rozciągające (Rys. 1C). Takie elementy z betonu nazywamy sprężonymi.
Rys. 1 – Porównanie trzech belek wykonanych z betonu: niezbrojonej (A), zbrojonej (żelbetowej) (B) oraz sprężonej (C)
Rys. 2 – Istota konstrukcji sprężonych: belkę spręża się tak, by po obciążeniu nie powstały w niej naprężenia rozciągające
ISTOTA BETONU SPRĘŻONEGO
W konstrukcjach z betonu sprężonego – przez specjalny zabieg technologiczny, nazywany sprężaniem – wywołuje się wstępne naprężenia ściskające w tych strefach przekroju belki lub stropu, w których podczas ich użytkowania powstają naprężenia rozciągające.
Wywołane sprężaniem maksymalne naprężenia ściskające są na dolnej krawędzi środkowego przekroju elementu zginanego (Rys. 2A) równe naprężeniom rozciągającym, jakie powstałyby w tym miejscu pod obciążeniem belki lub stropu, wykonanych z materiału jednorodnego, czyli takiego, który ma taką samą wytrzymałość na rozciąganie jak na ściskanie (Rys. 2B).
Dzięki temu po obciążeniu tak sprężonego elementu betonowego powstają tylko naprężenia ściskające (Rys. 2C), a z nimi – jak wiadomo – beton radzi sobie bardzo dobrze. Oczywiście jest tak tylko wtedy, jeśli został on wykonany z pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni.
Korzyścią ze sprężania elementów z betonu jest jednak nie tylko to, że jest w nich w pełni wykorzystana najlepsza jego cecha, czyli duża wytrzymałość na ściskanie.
Dzięki sprężeniu, w elementach z betonu sprężonego nie powstają pod obciążeniem rysy, które w pewnych warunkach mogą być istotną wadą żelbetu. Także mniejsze są ich ugięcia, gdyż podczas sprężania elementy wyginają się do góry, a więc w kierunku przeciwnym niż później, pod obciążeniem.
Do wykonania konstrukcji sprężonych konieczne jest stosowanie betonu o wysokiej wytrzymałości. Jednak dzięki temu, że ich przekroje poprzeczne są mniejsze niż zaprojektowanych na takie same obciążenia konstrukcji żelbetowych, zużywa się go mniej.
METODY SPRĘŻANIA ELEMENTÓW Z BETONU
Są różne metody sprężania elementów betonowych, ale najpopularniejsze z nich to strunobeton i kablobeton.
Elementy strunobetonowe spręża się za pomocą cięgien (strun) o niewielkiej średnicy, naprężonych i zakotwionych na końcach specjalnych form, które następnie wypełnia się mieszanką betonową. Po jej związaniu, przecina się końce cięgien i siły sprężające przenoszą się z nich na wykonywany element konstrukcyjny dzięki przyczepności betonu do stali.
By sprężenie było odpowiednio duże i nie zmniejszało się w czasie, użyta do sprężania stal musi mieć bardzo dużą wytrzymałość oraz charakteryzować się małą relaksacją, czyli niewielkim spadkiem naprężeń, występującym bez zmiany długości cięgien.
Elementy kablobetonowe wykonuje się inaczej niż strunobetonowe. Najpierw w formach układa się w specjalnych osłonach kable lub liny, a także zazwyczaj szkielety zbrojeniowe, wykonane ze zwykłej stali, stosowanej w konstrukcjach żelbetowych. Do sprężania elementów kablobetonowych przystępuje się dopiero wtedy, gdy beton, którym wypełnia się formy, osiągnie odpowiednią wytrzymałość. W tym celu napręża się cięgna sprężające, a następnie kotwi je mechanicznie na końcach wykonanych elementów kablobetonowych.
Z kablobetonu wykonuje się obiekty budowlane o znacznych rozpiętościach i obciążeniach, takich jak mosty, wiadukty czy przekrycia dużych hal. Nieco inaczej jest ze strunobetonem, z którego można wykonywać nie tylko długie dźwigary, ale również mniejsze belki i płyty stropowe, które z powodzeniem można zastosować w budynkach użyteczności publicznej i mieszkalnych, także jednorodzinnych (Fot. 1).
Fot. 1 – W domach jednorodzinnych też można zastosować płytowe stropy kanałowe z betonu sprężonego, choć jest to rozwiązanie wciąż jeszcze rzadko wybierane przez projektantów i inwestorów
W przeciwieństwie do elementów strunobetonowych, które produkuje się wyłącznie w wytwórniach, kablobetonowe mogą być wykonywane także na placu budowy. Niezależnie od miejsca, do ich wykonania używa się oczywiście jedynie pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni, i to nie tylko dlatego, że z różnego rodzaju mieszanek cementowo-popiołowych nie da się zrobić wystarczająco mocnego betonu. Po prostu osprzęt, niezbędny do wykonania elementów sprężonych, jest na tyle kosztowny, że nikt nie zaryzykuje użycia do przygotowania mieszanki betonowej spoiwa o niepewnych właściwościach i jakości.
ŻELBET CZY BETON SPRĘŻONY
Mimo wielu niewątpliwych zalet, beton sprężony jest rzadziej wykorzystywany w budownictwie niż żelbet. Szczególnie dotyczy to domów jednorodzinnych, ponieważ elementy z betonu zbrojonego mogą być bez trudu wykonywane na każdej budowie, niezależnie od jej wielkości.
Nikogo więc nie dziwi, że również osoby zatrudnione na budowie domu jednorodzinnego są w stanie – przy zachowaniu niezbędnej staranności – zrobić samemu żelbetowe belki (Fot. 2) lub stropy (Fot. 3), dysponując przy tym jedynie podstawowymi narzędziami oraz mniej lub bardziej powtarzalnymi deskowaniami.
Fot. 2 – Nawet na małej budowie da się bez większych trudności wykonać poprawnie belki z betonu zbrojonego
Fot. 3 – Dotyczy to także żelbetowych stropów monolitycznych, które w całości można wykonać na placu budowy
W porównaniu z żelbetem, technologia produkcji elementów konstrukcyjnych z betonu sprężonego jest bardziej skomplikowana i wymaga specjalistycznego osprzętu technologicznego. Znacznie większa musi być też wiedza i umiejętności wykonawców, jeśli porównać je z wymaganiami stawianymi osobom, które zajmują się jedynie konstrukcjami żelbetowymi.
Nie oznacza to jednak, że i na małej budowie nie warto rozważyć możliwości zastosowania na przykład stropów z betonowych płyt sprężonych. Układa się je na ścianach i podciągach bezpośrednio z samochodu, więc nawet w sporym domu strop nad parterem można zrobić w jeden dzień (Fot. 4) lub dwa – jeśli uwzględni się wypełnienie styków między płytami i betonowanie wieńców stropowych (Fot. 5).
Fot. 4 – Ułożenie stropowych płyt sprężonych nad parterem nawet sporego domu jednorodzinnego zabiera mniej niż jeden dzień
Fot. 5 – By strop był gotowy, wystarczy jedynie później wykonać wieńce obwodowe i wypełnić betonem styki pomiędzy płytami
W tak krótkim czasie z pewnością nie da się wykonać stropu żelbetowego – ani gęstożebrowego, ani tym bardziej monolitycznego, który wymaga pełnego deskowania.
WIĘCEJ NA TEN TEMAT:
Dlaczego na budowie domu warto używać tylko prawdziwego cementu?
Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?