Baza wiedzy

Jaki co najmniej przekrój poprzeczny musi mieć zbrojenie belki żelbetowej?

W zginanych elementach żelbetowych, takich jak belki i płyty, beton przenosi naprężenia ściskające, a stal – rozciągające. To dzięki zgodnej współpracy tych dwóch materiałów, elementy żelbetowe mają nie tylko dużą nośność, sztywność i trwałość, ale także odporność na wysoką temperaturę, co nie tylko w domach jednorodzinnych ma dla bezpieczeństwa użytkowników bardzo duże znaczenie.

Żelbet, bez którego trudno sobie wyobrazić budowę domu w technologii murowanej, jest klasycznym kompozytem, czyli tworzywem powstałym z dwóch materiałów o różnych właściwościach. Beton w tym połączeniu, nie tylko przenosi naprężenia ściskające, ale również umożliwia praktycznie dowolne kształtowanie elementów żelbetowych oraz zapewnia im odpowiednią sztywność. Stal w tym związku odpowiada za przejmowanie naprężeń rozciągających, a czasem ma również swój udział w przenoszeniu naprężeń ściskających – dotyczy to przede wszystkim żelbetowych słupów i ścian.
W żelbecie stal dba też o to, by beton nie rysował się w sposób widoczny dla użytkowników obiektów budowlanych, natomiast ten rewanżuje się stali ochroną przed korozją i pożarem.

Uwaga! Oczywiście wszystko to dotyczy tylko tych betonów, które zostały przygotowane z pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni. Te, które przygotowano przy użyciu mieszanek cementowo-popiołowych z różnego rodzaju mieszalni, mogą mieć te właściwości w ograniczonym stopniu albo nie mieć wcale ich.

BELKI I PŁYTY BETONOWE
Beton ma małą wytrzymałość na rozciąganie – dla wyższych klas jest ona ponad dziesięć razy mniejsza niż na ściskanie. Z tego powodu z samego betonu nie wykonuje się elementów konstrukcyjnych, w których występują naprężenia rozciągające, a więc na przykład belek lub płyt stropowych.

Taka betonowa belka o małej rozpiętości i stosunkowo dużym przekroju (Rys. 1) może wprawdzie w niewielkim stopniu obciążona, jednak w momencie, w którym wyczerpie się jej zdolność do przenoszenia naprężeń rozciągających, ulegnie ona gwałtownemu zniszczeniu.

To, że taka belka niszczy się w sposób nagły, nie sygnalizując wcześniej awarii ani pojawieniem się rys, ani widocznym ugięciem, ma oczywiście dla praktyki budowlanej ogromne znaczenie. Dlatego nawet wtedy, gdy belka betonowa mogłaby poradzić sobie z obciążeniem, wykonuje się zamiast niej żelbetową (Fot. 1).

W belce żelbetowej to właśnie pręty zbrojeniowe, nawet gdy mają niewielką średnicę i jest ich mało, odpowiadają za jej nośność. Jednocześnie dzięki ich obecności, belka ta – w razie przeciążenia – ostrzeże o możliwości zniszczenia wyraźnymi i powiększającymi się powoli rysami, a gdy będzie silniej zbrojona – także znacznymi ugięciami. W dodatku zrobi to ze znacznym wyprzedzeniem, będzie więc czas na odpowiednią reakcję użytkowników obiektu, polegającą na przykład na awaryjnym podstemplowaniu takiej belki.

Warto przy tym wiedzieć, że w belce żelbetowej stal przejmuje naprężenia dopiero wtedy, gdy zarysuje się beton w strefie rozciąganej. Dlatego w belkach czy płytach żelbetowych obecność rys w ich strefie rozciąganej jest czymś naturalnym. Oczywiście zadaniem konstruktora jest takie zaprojektowanie elementów zginanych, by rysy te były małe i niewidoczne dla użytkowników.

MINMALNY STOPIEŃ ZBROJENIA BELEK I PŁYT
Z przedstawionego opisu zachowania belki betonowej i żelbetowej można łatwo wywnioskować, ile co najmniej musi być w tej drugiej zbrojenia, by to stal przejęła odpowiedzialność za jej nośność.

W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że w belce żelbetowej to od wielkości przekroju poprzecznego prętów zbrojeniowych zależy moment zginający, który może ona przenieść. W takim razie zbrojenia w belce żelbetowej powinno być minimum tyle, żeby obciążenie, które może ona przenieść, było co najmniej takie, jakie udźwignie belka betonowa (bez zbrojenia) o takiej samej rozpiętości i przekroju poprzecznym.

Jeśli zbrojenia będzie mniej, to takiej belki nie możemy traktować jako żelbetowej, bo to beton będzie decydował o jej nośności, a nie stal.

Uwaga! Minimalny stopień zbrojenia żelbetowych elementów zginanych rośnie wraz z klasą betonu. Im jest ona wyższa, tym większa jest bowiem wytrzymałość betonu na rozciąganie, a więc i zdolność wykonanych z niego zginanych elementów betonowych (niezbrojonych) do przenoszenia obciążeń.

Ta zależność ma oczywiście miejsce jedynie w tych betonach, które zostały przygotowane z pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni. Nie da się jej bowiem określić dla betonów, które powstały z różnego rodzaju mieszanek cementowo-popiołowych, gdyż ich parametry techniczne są wielką niewiadomą.

ELEMENTY Z BETONU ZE ZBROJENIEM MNIEJSZYM OD MINIMALNEGO
Uwzględnianie stopnia minimalnego zbrojenia podczas projektowania żelbetowych belek i płyt jest oczywiście obowiązkiem i odpowiedzialnością konstruktora. Tutaj chcielibyśmy pokazać, że zbrojenie elementów betonowych w stopniu mniejszym niż minimalny nie musi być błędem i może mieć swoje praktyczne znaczenie.

By się o tym przekonać, przyjrzyjmy się dwóm płytom fundamentowym. Pierwsza z nich (Fot. 2) jest „prawdziwą” płytą żelbetową, ze zbrojeniem rozmieszczonym górą i dołem w dwóch kierunkach. Zbrojenie to (średnice prętów i ich rozstaw) zostało zaprojektowane odpowiednio do naprężeń, które może wywołać w płycie fundamentowej wybudowany na niej dom.

Druga płyta (Fot. 3) jest fundamentową jedynie z wyglądu. W rzeczywistości są to ławy fundamentowe, tyle że wewnętrzne przestrzenie między nimi zostaną – na prośbę właściciela, który obawiał się okresowego podtapiania działki – wypełnione betonem. W tych płytach, wypełniających polach między ławami fundamentowymi, też zastosowano zbrojenie (na zdjęciu jest ono ułożone na razie tylko dołem i w jednym kierunku). Zastosowane pręty mają małą średnicę i są stosunkowo rzadko rozstawione – z pewnością więc będzie ich zbyt mało, by można było cały fundament tego domu traktować jako jednolitą płytę żelbetową.

Czy jednak z faktu, że z konstrukcyjnego punktu widzenia płyty między ławami będą tylko betonowe, można wnioskować, że niepotrzebnie ułożono w nich górą i dołem pręty zbrojeniowe? Na pewno nie. Dzięki tym prętom płyty te zostały bowiem nie tylko konstrukcyjnie połączone z ławami. Obecność takiego, nawet niewielkiego zbrojenia uchroni też cały fundament przed pojawień rys skurczowych, które mogą powstać podczas twardnienia betonu. A brak rys w fundamencie, to było właśnie to, na czym zależało właścicielowi domu, gdy zorientował się, że po deszczach bardzo podnosi się poziom wód gruntowych na działce.

Jak z tego widać zbrojenie elementów z betonu w stopniu mniejszym niż wymagany dla żelbetu może mieć w niektórych sytuacjach pozytywne skutki.

ZOBACZ TAKŻE:
Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?
Dlaczego na budowie domu warto używać tylko prawdziwego cementu?
Co zrobić, żeby przygotowany na budowie beton był mocny i trwały?
Dlaczego bardziej opłaca się zrobić grubszy strop żelbetowy zamiast silnie go zbroić?