Czy rysy w żelbetowych elementach domu to zjawisko naturalne, czy sytuacja awaryjna?
Zarysowanie, a tym bardziej pękanie elementów domu to dla jego mieszkańców zrozumiały powód dodużego niepokoju. Takie uszkodzenia najczęściej widoczne są na powierzchni murowanych ścian – zarówno nośnych, jak i działowych. Zdecydowanie rzadziej rysy i pęknięcia zauważane są przez domowników na żelbetowych elementach konstrukcyjnych, a jeśli już, to raczej na styku prefabrykowanych płyt stropowych niż na belkach, stropach monolitycznych, schodach czy słupach.
Nie zmienia to faktu, że po stronie rozciąganej wszystkie zginane oraz mimośrodowo ściskane (czyli jednocześnie ściskane i zginane) elementy żelbetowe są „z definicji” zarysowane. Dotyczy to zarówno stropów oraz schodów, jak i belek, słupów i… nadproży okiennych (Fot. 1). Bez tego ich zbrojenie, wykonane z wiotkich prętów stalowych, nie mogłoby w pełni przejąć naprężeń rozciągających, a przez to elementy te nie miałyby projektowanej nośności.
Beton ma bowiem mniej więcej 10 razy większą wytrzymałość na ściskanie niż na rozciąganie. Dlatego wszystkie wykonane z niego elementy konstrukcyjne domu muszą być wzmacniane prętami stalowymi w tych strefach, w których mogą pojawić się w nich naprężenia rozciągające.
Zobacz: Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?
Należy zatem przyjąć, że – poza sytuacjami awaryjnymi – zarysowanie elementów żelbetowych jest zjawiskiem naturalnym i bezpiecznym. Nie oznacza to jednak, że mieszkańcy muszą zobaczyć w swoim domu rysy na żelbetowych stropach, belkach, słupach czy schodach. Jest tak dlatego, że jeśli tylko elementy te zostały poprawnie zaprojektowane i wykonane, to nawet pod pełnym obciążeniem szerokość rozwarcia takich rys jest bardzo mała i nie przekracza dziesiątych części milimetra. Dlatego są one praktycznie niewidoczne dla domowników, tym bardziej wtedy, gdy ich powierzchnia jest wykończona tynkami gipsowymi lub cementowo-wapiennymi (Fot. 2).
Stany graniczne nośności i użytkowalności
Projektowanie żelbetowych elementów konstrukcyjnych polega na takim dobraniu ich przekroju poprzecznego i zbrojenia, by nie wystąpiły w nich zarówno stan graniczny nośności, jak i stany graniczne użytkowalności. Niewystąpienie tego pierwszego stanu oznacza, że pod pełnym obciążeniem, dla bezpieczeństwa dodatkowo powiększonym obliczeniowo o kilkadziesiąt procent, nie ulegną one zniszczeniu.
Natomiast dla konstrukcji żelbetowych pozytywny wynik sprawdzenia stanów granicznych użytkowalności oznacza, że pod wpływem rzeczywistych, maksymalnych obciążeń ich ugięcia oraz szerokości rozwarcia powstałych w nich rys nie przekroczą wartości dopuszczalnych. Przy czym wartości te są na tyle małe, że nawet ugięcia monolitycznego stropu nad parterem, silnie obciążonego drewnianą więźbą dachową (Fot. 3), będą niewyczuwalne dla przemieszczających się po nim mieszkańców. Także od strony parteru nie powinni oni zobaczyć na dolnej powierzchni rys wywołanych zginaniem takich stropów.
Tym bardziej, że w domach jednorodzinnych elementy konstrukcyjne bardzo rzadko obciążone są w maksymalnym stopniu, więc w rzeczywistości zarówno ich ugięcia, jak i rysy są wyraźnie mniejsze od dopuszczalnych. Ponadto żelbetowe elementy konstrukcyjne bardzo często są ze sobą monolityczne połączone w przestrzenny szkielet, dzięki czemu współpracują przy przenoszeniu występujących w domu obciążeń na fundamenty. To również sprawia, że zarówno ich odkształcenia, jak i naturalne zarysowanie są w rzeczywistości mniejsze od obliczeniowych.
Zobacz: Dlaczego konstrukcje monolityczne można wykonywać tylko z żelbetu?
W konstrukcjach żelbetowych za kształt i sztywność elementów odpowiada beton, który przenosi też najczęściej całość naprężeń ściskających, natomiast stal – oprócz przejęcia wszystkich naprężeń rozciągających – dba również o to, by rysy w nich były możliwie małe.
To dlatego te belki, które ze względu na małe w stosunku do wielkości obciążeń przekroje poprzeczne są silnie zbrojone, mają stosunkowo duże ugięcia oraz gęsto rozmieszczone rysy o małej szerokości rozwarcia. Inaczej jest z belkami o dużym w stosunku do obciążeń przekroju, które uginają się wprawdzie w niewielkim stopniu, ale za to znacznie od siebie rozstawione rysy mają w nich większą szerokość rozwarcia niż w mniejszych belkach silniej obciążonych.
Awaryjne rysy i ugięcia
To, że w zginanych i mimośrodowych elementach żelbetowych mikrorysy są zjawiskiem naturalnym, nie oznacza, że w sytuacjach awaryjnych nie mogą się one zacząć powiększać, przekraczając wyraźnie wartości dopuszczalne. Dotyczy to także ich ugięć, jeśli elementy te zostaną znacznie przeciążone.
Nawet jednak i w takich sytuacjach konstrukcje żelbetowe wykazują się rzadką zaletą – na długo przed zniszczeniem będą sygnalizować swój awaryjny stan wyczuwalnymi, wolno narastającymi ugięciami oraz powiększającymi się szerokościami rozwarcia rys, zostawiając mieszkańcom odpowiednio dużo czasu na bezpieczną ewakuację (Fot. 4).
Jest tak dlatego, że nie tylko pręty zbrojeniowe, które podczas „normalnej” pracy konstrukcji żelbetowej odkształcają się sprężyście, po osiągnięciu granicy plastyczności stali wydłużają się znacznie bez przyrostu naprężeń aż do momentu zerwania. Także beton, który jedynie wydaje się być materiałem kruchym, po osiągnieciu swojej wytrzymałości na ściskanie przez pewien czas skraca się plastycznie aż do chwili, gdy zostanie zmiażdżony.
Zobacz: Czy beton jest rzeczywiście tak samo kruchy jak kamień?
Pewny cement i ochrona zbrojenia przed korozją
Nie tylko ze względu na ugięcia i zarysowanie zginanych i mimośrodowo ściskanych elementów żelbetowych ważne jest, żeby były one wykonane z mieszanki betonowej, przygotowanej z pewnego cementu, wyprodukowanego w Polsce lub innym kraju Unii Europejskiej. Jest to przede wszystkim niezbędne do tego, by wszystkie żelbetowe i betonowe elementy domu miały odpowiednią nośność, sztywność i trwałość. Istotne jest również to, że takie cementy mają niższy niż inne ślad węglowy, przez co są bardziej przyjazne dla klimatu i środowiska naturalnego.
Zobacz: Dlaczego do budowy domu należy używać tylko pewnego cementu?
Stosowanie betonu, w którym spoiwem jest pewny cement, spełniający wymagania normy cementowej, ma znaczenie również dla miejsc, w których w rozciąganych strefach elementów żelbetowych pojawiają się mikrorysy. Wykonane z pewnego cementu betony tworzą bowiem na powierzchni prętów trwałą warstwę pasywną, która skutecznie chroni pręty stalowe przed korozją. Jest to szczególnie ważne dla tych żelbetowych elementów domu, które wystawione są na destrukcyjne oddziaływanie czynników atmosferycznych.
WIĘCEJ NA TEN TEMAT
Czy beton może korodować w podobny sposób jak stal?
Jakie warunki muszą być spełnione, by elementy z betonu miały odpowiednią nośność i trwałość?
Co najbardziej odróżnia beton od innych materiałów stosowanych do budowy domu?
Od czego zależy nośność, sztywność i trwałość konstrukcji betonowych i żelbetowych?
Dlaczego konstrukcje z betonu – bardziej niż z innych materiałów – są odporne na ogień?
Dlaczego konstrukcje żelbetowe nie są łatwe do poprawnego zaprojektowania i wykonania?