Do czego potrzebne są strzemiona w belkach żelbetowych?
Beton ma wytrzymałość na rozciąganie ponad 10 razy mniejszą niż na ściskanie. Dlatego pomysł, żeby te strefy elementów zginanych, w których w występują naprężenia rozciągające, wzmocnić prętami stalowymi, zrewolucjonizował budownictwo. Od tego momentu z betonu zaczęto wykonywać nie tylko konstrukcyjne elementy ściskane, ale także zginane oraz jednocześnie ściskane i zginane, a beton zbrojony stalą zaczęto nazywać żelazobetonem, potem – żelbetonem, aż w końcu – żelbetem.
Dla nośności, wykonanych z betonu, belkowych elementów zginanych najważniejsze są oczywiście wymiary ich przekroju poprzecznego oraz liczba, średnica i rozmieszczenie podłużnych prętów zbrojeniowych, umieszczonych w ich dolnej strefie. Nic zatem dziwnego, że to właśnie te pręty uważa się za najważniejsze dla elementów żelbetowych i nazywa głównymi lub nośnymi.
Będą one jednak pełnić swoją rolę jedynie wtedy, gdy zostaną zabetonowane w deskowaniu w taki sposób, że znajdą się w przewidzianym w projekcie konstrukcyjnym miejscu elementu żelbetowego. Należy bowiem zdawać sobie sprawę z tego, że pręty zbrojeniowe nie mogą się stykać ani z jego zewnętrznymi powierzchniami, ani ze sobą nawzajem (Fot. 1), ponieważ muszą być dookoła „otulone” odpowiedniej grubości warstwą betonu.
Tylko wtedy bowiem wszystkie pręty nośne będą mocno i trwale połączone z betonem. Dla nośności konstrukcji żelbetowych jest to bardzo ważne, ponieważ to właśnie wzajemna przyczepność jest fundamentem współpracy betonu i stali (zobacz: Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?).
Odpowiedniej grubości betonowa otulina chroni również pręty stalowe przed korozją, wytwarzając na ich powierzchni warstwę pasywną. Jest to bardzo ważne dla nośności i trwałości konstrukcji żelbetowych, ponieważ gdyby doszło do korozji zbrojenia, to nie miałoby ono przyczepności do betonu, a zwiększające swoją objętość produkty korozyjne powodowałyby systematyczną destrukcję elementów żelbetowych (zobacz: Jak zapewnić właściwą otulinę prętom zbrojeniowym?).
Jak z tego widać, właściwe rozmieszczenie prętów zbrojeniowych ma dla konstrukcji żelbetowych bardzo duże znaczenie. Do tego właśnie celu służą strzemiona, czyli przeważnie prostokątne ramki (Fot. 2), najczęściej wykonane z gładkich prętów średnicy 6 mm. To dzięki nim – z pomocą dodatkowych prętów konstrukcyjnych – możliwe jest powiązanie prętów zbrojeniowych w sztywne szkielety (Fot. 3).
Wykonanie strzemion nie jest skomplikowane nawet w warunkach małej budowy – cienkie pręty, nawet żebrowane, da się łatwo wygiąć w ramki za pomocą prostej giętarki (Fot. 4). Nie jest także trudne przygotowanie z ich pomocą szkieletów zbrojeniowych (Fot. 5) – wystarczą do tego nawet prowizorycznie zrobione koziołki i trochę drutu wiązałkowego, którym łączy się ze strzemionami pręty zbrojeniowe.
NOŚNA ROLA STRZEMION
Rola montażowa strzemion jest oczywiście bardzo ważna. Niemniej są one potrzebne także ze względów wytrzymałościowych. Widać to wyraźnie na przykładzie swobodnie podpartej belki żelbetowej, w której pod obciążeniem górna strefa jest ściskana, a dolna, ze znajdującym się w niej zbrojeniem podłużnym – rozciągana (Rys. 1A)
W takiej belce strzemiona, odpowiednio zagęszczone w strefach przypodporowych, w których naprężenia ścinające są większe niż w środku belki, „zszywają” ze sobą strefy ściskaną i rozciąganą (Rys. 1B), nie dopuszczając do ich rozwarstwienia.
STRZEMIONA I PRĘTY ODGIĘTE
Jednak przeciwdziałanie rozwarstwieniu belki to niejedyna wytrzymałościowa rola strzemion. Są one potrzebne także strefach przypodporowych belek, w których może dojść do utraty ich nośności, czyli mówiąc prościej – do ich zniszczenia. Swobodnie podparte belki żelbetowe mogą się bowiem nie tylko zarysować i zniszczyć w środkowej części, która jest najbardziej zginana, ale także w przekrojach ukośnych, na skutek ścinania (Rys. 2A).
Oczywiście najlepiej przed możliwością takiego zniszczenia chroniłyby belkę pręty odgięte ze zbrojenia głównego pod kątem 45°. Byłyby one bowiem prostopadłe (lub prawie) do rys ukośnych, sygnalizujących zniszczenie belki w strefach przypodporowych (Rys. 2B).
Odginanie prętów głównych, które zwykle mają średnicę znacznie większą niż strzemiona, jest jednak pracochłonne, a w warunkach małej budowy – także dość trudne, a przez to rzadziej spotykane. Na szczęście można z prętów odgiętych całkowicie zrezygnować i podobny efekt zabezpieczenia belek przed zniszczeniem w przekrojach ukośnych uzyskać przez odpowiednie zagęszczenie samych strzemion (Rys. 2C).
Rezygnacja z prętów odgiętych oznacza szybszą i tańszą budowę, choć czasem wymaga zwiększenia wymiarów przekroju poprzecznego belek, by dało się uchronić je przed zniszczeniem jedynie za pomocą strzemion. Oznacza to oczywiście konieczność zużycia dodatkowej ilości betonu, ale ma to także swoje dobre strony. Większy (zwłaszcza wyższy) przekrój poprzeczny oznacza bowiem większą sztywność elementów, a zatem mniejsze ich ugięcia i zarysowanie, co ma praktyczne znaczenie nie tylko dla innych elementów domu (na przykład wymurowanych na belkach ścian), ale i dla ich użytkowników.
BELKI TYLKO Z PEWNEGO CEMENTU
Niezależnie od tego, czy belki żelbetowe będą miały zapewnioną nośność w przekrojach ukośnych (przy podporach) za pomocą strzemion i prętów odgiętych czy tylko samych strzemion, muszą być one wykonane z mieszanki betonowej, przygotowanej z pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni.
Użycie do tego celu mieszanki cementowo-popiołowej, której skład chemiczny i właściwości nie spełniają wymagań normy cementowej, nie dawałoby gwarancji, że belki miałyby wystraczającą nośność nie tylko w przekrojach podporowych, ale i w środku przęsła, czyli w miejscu, w którym zazwyczaj jest one najsilniej zginane.
Szczególnie groźne dla jakości i trwałości belek żelbetowych (i nie tylko ich) są części organiczne (na przykład niespalone okruchy węgla), które mogą znajdować się w popiele dodawanym do cementu, podczas przygotowywania mieszanek cementowo-popiołowych. Ich obecność może powodować korozję zbrojenia i obniżać przyczepność betonu do stali, bez której – przypomnijmy – nie ma konstrukcji żelbetowych.
Dlatego wszystkie konstrukcje żelbetowe należy zawsze wykonywać z mieszanki betonowej, do której przygotowania użyto pewnego cementu, pochodzącego z cementowni. Tym bardziej, że zastępowanie go różnymi mieszankami nie daje żadnych korzyści i wiąże się z dużym ryzykiem, także finansowym.
WIĘCEJ NA TEN TEMAT:
Dlaczego na budowie domu warto używać tylko prawdziwego cementu?
Jakie oznaczenia powinny mieć worki z cementem?
Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?
Jak zapewnić właściwą otulinę prętom zbrojeniowym?
Czy beton też może korodować, podobnie jak stal?
Dlaczego mieszankę betonową po ułożeniu w formie trzeba starannie zagęścić?
Dlaczego w elementach betonowych nie powinno być „raków”?
Dlaczego w elementach żelbetowych pręty zbrojeniowe muszą być właściwie zakotwione w betonie?