Dlaczego nawet osiowo ściskane słupy z betonu potrzebują zbrojenia ze stalowych prętów?
Beton ma stosunkowo dużą wytrzymałość na ściskanie i około 8-12 razy mniejszą od niej wytrzymałość na rozciąganie. Dlatego praktycznie nie da się z samego betonu wykonać elementów budowlanych, w których – oprócz naprężeń ściskających – występują także rozciągające. Wiedzieli już o tym starożytni budowniczowie i dlatego tak kształtowali na przykład sklepienia dużych budowli sakralnych, by ich własny ciężar oraz wiatr i śnieg wywoływały w nich wyłącznie naprężenia ściskające.
Z powodu małej wytrzymałości na rozciąganie kiedyś w domach nie wykonywano stropów z betonu, a jedynie drewniane, a później także takie, w których głównymi elementami nośnymi były belki stalowe. Było tak do czasu wynalezienia żelbetu, a więc kompozytu, składającego się z betonu i stali, co – odnosząc do historii ludzkości – stało się całkiem niedawno, bo zaledwie około półtora wieku temu.
W wykonanych z żelbetu konstrukcyjnych elementach zginanych i mimośrodowo ściskanych, czyli jednocześnie ściskanych i zginanych, beton odpowiada przede wszystkim za zapewnienie im odpowiedniej sztywności oraz przeniesienie naprężeń ściskających, a stal – naprężeń rozciągających.
Zobacz: Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?
Słupy osiowo ściskane
Obciążone osiowo słupy z betonu są wyłącznie ściskane. Czy zatem nie dałoby się całkowicie zrezygnować w nich ze zbrojenia? Zapewne byłoby to możliwe, ale nawet w domach jednorodzinnych słupy musiałyby mieć wtedy bardzo duży przekrój poprzeczny. Przy czym powodem tego byłby nie tylko brak w ich narożach choćby minimalnego zbrojenia, w postaci czterech prętów stalowych o średnicy 12 mm.
Konieczność stosowania zbrojenia w słupach wynika z tego, że w konstrukcjach żelbetowych są one monolitycznie połączone z opierającymi się na nich belkami, a to sprawia, że nigdy tak naprawdę nie są one osiowo ściskane. W większym lub mniejszym stopniu każdy obrót belki w miejscu podparcia słupem powoduje jego wyginanie. Łatwo można sobie to wyobrazić, patrząc na skrajny słup żelbetowej ramy (Fot. 1). Jest tak jednak także w słupach podpierających belkę o kilku przęsłach (Fot. 2) – wystarczy, żeby jedno z nich było bardziej obciążone niż drugie.
Dodatkowym powodem niewystępowania w słupach z betonu „czystego” osiowego ściskania jest jego niejednorodna budowa. Granitowe lub bazaltowe kruszywo ma większą wytrzymałość na ściskanie niż zaczyn cementowy, a jego większe i mniejsze ziarna rozmieszczone są w różnych przekrojach słupa w sposób przypadkowy. Z tego powodu „wytrzymałościowa” oś betonowego słupa nie jest idealnie prosta i nie pokrywa się z jego osią geometryczną. W niektórych więc przekrojach słup jest wprawdzie równomiernie ściskany, ale w innych – nie.
Takich problemów nie ma w konstrukcjach stalowych, a nawet w drewnianych, w których osiowe przekazywanie obciążeń na słupy da się zrealizować stosunkowo prosto. Gdyby próbować to zrobić w konstrukcjach żelbetowych, trzeba by obciążenia z belek przekazywać na słupy za pomocą na przykład stalowych łożysk, czego się nie praktykuje, choć takie rozwiązanie stosuje się czasem w mostach żelbetowych.
Jak z tego widać, dobra współpraca betonu i stali potrzebna jest nie tylko dla zapewnienia nośności stropów i belek żelbetowych, lecz także żelbetowych słupów, ponieważ zawsze są one nie tylko ściskane, ale i – w większym lub mniejszym stopniu – zginane. Dotyczy to także ścian żelbetowych, zarówno tych, które wykonywane są w technologii monolitycznej, jak i prefabrykowanych, stosowanych często w budynkach mieszkalnych.
Ważnym argumentem za zbrojeniem słupów z betonu jest także ich ochrona przed niesygnalizowanym zniszczeniem, do którego doszłoby, gdyby uległy zarysowaniu. To ostatnie nie jest takie trudne, jeśli weźmie się pod uwagę małą wytrzymałość betonu na rozciąganie. Mogłoby więc to się stać nawet przy niewielkim, przypadkowym zginaniu słupa lub jego wyboczeniu, spowodowanym zbyt dużą smukłością.
Nie ma takich zagrożeń, jeśli stalowy szkielet, składający się co najmniej z narożnych prętów pionowych, połączonych ze sobą poziomymi strzemionami, zabezpiecza przed zniszczeniem zamknięty w nim betonowy rdzeń słupa, jednocześnie zwiększając jego nośność. Pionowe pręty zbrojeniowe przejmują bowiem część naprężeń ściskających, choć wytrzymałość stali na ściskanie nie jest w nich wtedy w pełni wykorzystana.
Wykonywanie słupów żelbetowych
Wszystkie te zastrzeżenia nie zmieniają faktu, że w słupach – nie tylko tych, które są „osiowo ściskane” – to beton odpowiada przede wszystkim za przeniesienie pionowych obciążeń na ławy czy stopy fundamentowe lub słupy niższej kondygnacji. Dlatego słupy powinno betonować się ze szczególną starannością. Dotyczy to także ich deskowań, które muszą być bardzo solidne (Fot. 3), pomimo tego, że do wykonania słupów przeważnie nie potrzeba dużych ilości betonu. Należy jednak zdawać sobie sprawę z tego, że świeża mieszanka betonowa wywiera bardzo duże ciśnienie, zwłaszcza na dolne fragmenty deskowania słupów.
Fot. 3 – Wbrew pozorom deskowanie nawet „szczupłego” słupa musi być bardzo solidne, ponieważ napór świeżej mieszanki betonowej na jego elementy jest bardzo duży
Fot. 4 – Nie jest łatwo zagęścić mieszankę betonową w słupie – najlepiej zrobić to za pomocą starannego opukiwania deskowania słupa za pomocą gumowego młotka
Bardzo ważne jest też staranne zagęszczenie mieszanki betonowej w deskowaniu słupa. Jest to z pewnością trudniejsze niż w stropach czy belkach żelbetowych, ponieważ w pełni nie da się tego zrobić za pomocą wibratora wgłębnego. Dobrze jest więc użyć do tego celu gumowego młotka i starannie ostukać deskowanie na całej wysokości i ze wszystkich stron (Fot. 4).
Zobacz: Jak zagęścić mieszankę betonową w słupach konstrukcyjnych?
Dotyczy to szczególnie jego dolnej części, by wykonany słup przekazywał obciążenia całą powierzchnią swojej podstawy (Fot. 5). Nie będzie tak, jeśli mieszanka betonowa nie dotrze na dno deskowania i przekrój poprzeczny słupa będzie u dołu mniejszy niż wyżej (Fot. 6). Dowodem braku umiejętności wykonawcy są też słupy, w których na prawie całej długości pozostaje niezabetonowana dość sporej szerokości szczelina.
Natomiast nawet w upalne lato nie ma większych problemów z pielęgnacją świeżo wykonanych słupów żelbetowych, ponieważ przez pierwsze dni twardnienia betonu przed utratą wilgoci bardzo dobrze chroni je deskowanie.
Słupy żelbetowe z pewnego cementu
Do betonowania nie tylko słupów żelbetowych, ale i innych elementów konstrukcyjnych z kompozytu betonu i stali należy używać wyłącznie takiej mieszanki betonowej, która wykonana jest z pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni. Tylko wtedy będą mieć one nie tylko odpowiednią nośność i sztywność, ale i trwałość.
Zobacz: Dlaczego do budowy domu należy używać tylko pewnego cementu?
Zastąpienie pochodzącego z cementowni pewnego cementu jakąkolwiek mieszanką cementowo-popiołową grozi tym, że słupy nie przeniosą projektowanych obciążeń z belek, co dla samego domu oraz bezpieczeństwa jego mieszkańców może mieć bardzo poważne konsekwencje.
Nieświadomie (lub świadome) użycie mieszanki cementowo-popiołowej zamiast pewnego cementu jest możliwe wtedy, gdy w budowanym domu jednorodzinnym jest mało słupów żelbetowych. Wykonawca może mieć wówczas pomysł, żeby – zamiast zamawiać mieszankę betonową w wytwórni betonu towarowego – przygotowywać ją w betoniarce na placu budowy, używając do tego celu worków z mieszanką cementowo-popiołową.
WIĘCEJ NA TEN TEMAT:
Do czego potrzebne są strzemiona w słupach żelbetowych?
Dlaczego konstrukcje monolityczne można wykonywać tylko z żelbetu?
Dlaczego mieszankę betonową po ułożeniu w formie trzeba starannie zagęścić?
Dlaczego elementy wykonane z betonu z wytwórni są lepsze od tych z betonu „wykręconego” na budowie?
Jak zrobić dobry beton w warunkach małej budowy?
Dlaczego przed zakupem cementu warto uważnie sprawdzić napisy na workach?