Dlaczego w prostokątnych płytach żelbetowych większe zbrojenie jest równoległe do ich mniejszego boku?
Projektowanie elementów żelbetowych dla konkretnego budynku lub obiektu budowlanego to oczywiście zadanie dla konstruktora z uprawnieniami. Także prawo budowlane wymaga, by to on wziął odpowiedzialność za ich bezpieczeństwo i trwałe spełnianie funkcji użytkowych. Na budowach małych domów bywa z tym jednak różnie i czasem za projektowanie biorą się osoby do tego nieuprawnione. Dotyczy to szczególnie mniej ważnych – w ich ocenie – konstrukcji żelbetowych.
Tak było na przykład wiele lat temu na prowadzonej systemem gospodarczym budowie pewnego domu jednorodzinnego. Jego wykonawca, a jednocześnie właściciel nie był zawodowo związany z budownictwem. Dlatego swój dom starał się wykonać dokładnie według projektu gotowego. Dotyczyło to oczywiście także jego elementów żelbetowych.
Gdy dom był gotowy, uznał, że ma już na tyle duże doświadczenie budowlane, że wolnostojący garaż postanowił wykonać samodzielnie. Dotyczyło to nie tylko jego murowanych ścian, ale i żelbetowej płyty stropu o wymiarach 3,6 x 6,0 m. Nie byłoby z nią prawdopodobnie większych problemów, gdyby wykonując jej zbrojenie kierował się wiedzą budowlaną, a nie własnym wyczuciem, które okazało się zawodne.
Tak jednak nie zrobił i grube pręty zbrojeniowe rozmieścił na deskowaniu równolegle do dłuższego boku płyty, a cieńsze i w większym rozstawie – do krótszego. Było to błędem, którego skutki ujawniły się zaraz po usunięciu deskowania – na spodzie stropu szybko pojawiły się bowiem podłużne rysy. Sytuacja pogorszyła się jeszcze bardziej, gdy wykonawca-właściciel zaczął obciążać strop materiałami pozostałymi po budowie domu – wtedy rysy zmieniły się w pęknięcia, a strop ugiął się do tego stopnia, że trzeba go było podeprzeć stemplami…
PŁYTY TO NIE BELKI
Błąd przy wykonywaniu zbrojenia pechowego stropu garażu wynikł najprawdopodobniej z tego, że płyta żelbetowa pod względem konstrukcyjnym została potraktowana jak belka (Fot. 1). Rzeczywiście, jeśli mamy dwie, tak samo obciążone i o takim samym przekroju poprzecznym, belki żelbetowe (Rys. 1), to ta o większej rozpiętości musi mieć większe zbrojenie.
Podobnie byłoby, gdyby płyta stropowa była podparta jedynie na dwóch przeciwległych krawędziach. Jeśli jednak jest ona podparta na całym obwodzie, to pod obciążeniem, którego część stanowi jej ciężar własny, wygina się przestrzennie, a nie tylko w jednej płaszczyźnie jak belka. Dlatego takie płyty – swobodnie podparte lub zamocowane na całym obwodzie (lub przynajmniej na trzech krawędziach) – muszą być zbrojone w obu prostopadłych do siebie kierunkach, a nie tylko w jednym.
Jakie to ma znaczenie praktyczne, zobaczmy, posługując się – dla uproszczenia – przykładem pojedynczej płyty, swobodnie podpartej na obwodzie i równomiernie obciążonej na całej swojej powierzchni.
Gdyby była ona kwadratowa, to oczywiście jej zbrojenie powinno być takie samo w obu kierunkach. Ponieważ jednak krzyżujących się ze sobą prętów nie da się umieścić w jednej płaszczyźnie, więc żeby zapewnić płycie jednakową nośność, te, które zostaną ułożone w drugiej warstwie, powinny mieć nieco większą średnicę lub mieć trochę mniejszy rozstaw.
Przejdźmy jednak do sytuacji, gdy płyta ma kształt prostokąta, czyli taki, jak wspomniany wcześniej żelbetowy strop pechowego garażu. W takich płytach ich obciążenie nie oddziałuje w takim samym stopniu na dwa wzajemnie prostopadłe do siebie kierunki.
Zobaczmy, jak wygląda to dla wzajemnie krzyżujących się pasm płyty, usytuowanych wzdłuż jej osi symetrii X-X i Y-Y (Rys. 2). Pod wpływem siły P, przyłożonej w środku płyty, pasma te w połowie swoich rozpiętości muszą ugiąć się oczywiście jednakowo – są przecież elementami tej samej płyty.
Nie trzeba mieć doświadczeń budowlanych, by zauważyć, że dłuższe pasmo jest zdecydowanie łatwiej ugiąć o maksymalną wielkość „a” niż krótsze. A ponieważ ugięcia te muszą być takie same, to oznacza to, że znacznie większa część siły P „pracuje” nad wyginaniem pasma krótszego niż dłuższego. To właśnie dlatego większość obciążeń jest przejmowana przez pasma płyty równoległe do krótszego boku i dlatego muszą być one w tym kierunku silniej zbrojone (Rys. 3).
To, jak dużą część obciążeń przejmuje płyta w kierunku swojej mniejszej rozpiętości zależy oczywiście od proporcji jej boków. Przyjmuje się, że jeśli dłuższy z nich jest ponad dwa razy większy od krótszego, to praktycznie całe obciążenie przejmuje płyta w kierunku mniejszej rozpiętości i jedynie dla niego projektuje się zbrojenie, w kierunku równoległym do dłuższego boku dając jedynie pręty rozdzielcze (zobacz: Co w stropach żelbetowych rozdzielają żebra i pręty rozdzielcze?).
Szkoda więc, że wykonawca pechowego stropu nad garażem, nie był tego świadomy. Gdyby miał taką wiedzę, to zazbroiłby żelbetową płytę przede wszystkim w kierunku jej mniejszej rozpiętości i uniknąłby późniejszych z nią problemów. Przy okazji zaoszczędziłby też część prętów zbrojeniowych, które bez pożytku zatopił w betonie, rozmieszczając je w niewłaściwym kierunku.
PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH
Żelbet jest wyjątkowo „cierpliwym” materiałem budowlanym i zniesie wiele błędów projektowych i wykonawczych. Wszystko ma jednak swoje granice, dlatego należy zadbać o to, by wykonywane z niego konstrukcje były poprawnie zaprojektowane. Tylko wtedy można mieć pewność, że w rzeczywistości będą one miały większe zapasy bezpieczeństwa niż wynikałoby to z obliczeń projektowych.
Zasada poprawnego projektowania dotyczy oczywiście także żelbetowych stropów płytowych (Fot. 2). Dlatego zawsze podejmować się tego powinni konstruktorzy nie tylko z odpowiednimi uprawnieniami, ale i doświadczeniem. Bardzo ważne jest bowiem, by grubości i zbrojenie płyt były właściwie dobrane do ich rozpiętości i kształtu oraz wszystkich działających na nie obciążeń.
Trzeba przy tym mieć świadomość, że rzadko kiedy żelbetowe stropy mają postać prostokątnych płyt, podpartych swobodnie na swoim obwodzie. Zdecydowanie częściej – nawet w domach jednorodzinnych – są to stropy, składające się z kilku, monolitycznie ze sobą połączonych płyt o niejednakowych powierzchniach (Fot. 3). Do tego zazwyczaj są one w większym lub mniejszym stopniu zamocowane na podporach na przykład przez ściany wyższej kondygnacji. Mogą też znajdować się w nich otwory o różnych kształtach i wymiarach.
Nie należy też oczywiście zapominać o wykonawstwie. Dotyczy to zarówno stabilnego i poprawnie ustawionego deskowania oraz zgodnego z projektem montażu zbrojenia stropu. Ważne jest też właściwe ułożenie, zagęszczenie i pielęgnacja mieszanki betonowej, a przede wszystkim zadbanie o to, by była ona przygotowana z pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni.
Użycie zamiast niego różnego rodzaju mieszanek cementowo-popiołowych, niespełniających wymagań normy cementowej, nie tylko nie daje gwarancji, że wykonane płyty żelbetowe będą miały odpowiednią trwałość, ale także nośność, co przy stropach może być wysoce niebezpieczne dla mieszkańców.
Na szczęście do wykonania stropów nawet małego domu jednorodzinnego potrzeba na tyle dużo mieszanki betonowej, że nie opłaca się, także ze względów finansowych, przygotowywać jej samemu na placu budowy. Dużo korzystniej jest zamówić ją w wytwórni betonu towarowego, która dostarczy ją na budowę betonowozami.
Najważniejsze jest jednak pewność, że taka mieszanka przygotowana jest z pewnego cementu, pochodzącego z cementowni. Żadna wytwórnia nie zaryzykuje bowiem użycia do tego celu mieszanek popiołowo-cementowych, gdyż zysk z tego ma praktycznie żaden, natomiast utrata dobrej opinii to najłagodniejsza z konsekwencji, która mogłaby ją za to spotkać.
WIĘCEJ NA TEN TEMAT:
Dlaczego na budowie domu warto używać tylko prawdziwego cementu?
Które stropy z betonu stosuje się w domach jednorodzinnych najczęściej?
Który strop jest lepszy: monolityczny czy częściowo prefabrykowany?
Co w stropach żelbetowych rozdzielają żebra i pręty rozdzielcze?
Czy można przezbroić strop żelbetowy?
Jak układać i zagęszczać beton w monolitycznych stropach żelbetowych?
Dlaczego w domach ze stropami żelbetowymi mieszkańcy mogą czuć się bezpiecznie?
Dlaczego bardziej opłaca się zrobić grubszy strop żelbetowy zamiast silnie go zbroić?
Jak układać i zagęszczać beton w monolitycznych stropach żelbetowych?