Tak zwana Wiosna Ludów, czy też rewolucje burżuazyjne w Europie, jak chcą inni, w 1848 nie trwała długo. Ale podczas gdy polityczne zmiany na kontynencie skupiały powszechną uwagę. Inna, znacznie cichsza rewolucja, dokładnie w tym czasie trwale zmieniła (budowlany) świat. Mianowicie, miało to miejsce również w 1848 roku, kiedy to pewien Francuz wynalazł zasadę działania żelbetu. Dziś połączenie betonu i metalu jest jedną z najważniejszych zasad konstrukcyjnych nowoczesnego budownictwa: w zbrojeniu, ale także w technice kotwienia i paru innych dziedzinach
Przełomowy pomysł jest autorstwa francuskiego ogrodnika Josepha Moniera, który zastanawiał się nad metodą, dzięki której betonowe donice byłyby mniej podatne na pęknięcia. Już w 1848 r., zaledwie kilka lat po wynalezieniu cementu portlandzkiego (patrz opowiastka o betonie), przedstawił rozwiązanie: w formy do donic z roślinami wkomponował szkielet z żelaznych drutów przed wypełnieniem ich świeżym betonem. W ten sposób opracował nowy materiał kompozytowy z metalu i betonu: wzór dla dzisiejszego żelbetu.
Metale były właściwie zawsze w budownictwie stosowane, począwszy od brązu w starożytnej epoce o nazwie tego metalu, po inne metale i wreszcie żelazo. W coraz większym stopniu i w coraz lepszej technologii wytwarzania, a potem produkcji, tak jak ewoluowała jego produkcja. Najpierw dymarki i dość prymitywne piece do wytopu żelaza, które było następnie kute w pożądane kształty. Potem coraz lepsze piece z węglem i koksem, a nie węglem drzewnymi topnikami. Efektem tego było to, co pan Monier miał do dyspozycji, kiedy wynajdywał żelbet: całkiem dobrej jakości żelazo kute, dalej żelazo lane i żeliwa. Napędzane – jak zawsze i wszędzie – potrzebą uzyskania przewagi militarnej – nowe technologie metalurgiczne osiągnęły pod koniec pierwszej połowy XIX wieku całkiem wysoki poziom. Ale
Prawdziwa, wszystko zmieniająca rewolucja to - stal
Czyli stop żelaza z węglem, plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie, o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11% + mnóstwo różnych, przeważnie też metali, dodatków stopowych. Była w użyciu od samego początku epoki żelaza. Tyle że w śladowych ilościach i tylko jako broń lub narzędzia. Po prostu dla wyprodukowania stali istotna jest nie tylko procentowa zawartość węgla, ale nadanie jej odpowiedniej struktury chemiczno-przestrzennej, gdzie podstawową rolę determinującą właściwości stali pełnią metastabilne struktury układu węgiel-żelazo, z których najważniejszy jest martenzyt oraz węglik żelaza, czyli cementyt. Wykres eutektyki fazowej żelazo-węgiel to podstawa i jednocześnie abecadło metalurgii żelaza, która dzisiaj jest bardzo rozbudowaną, choć bardzo wąsko specjalistyczną wiedzą. Nasi przodkowie potrafili w pocie czoła, bo to długa i trudna praca, robić doskonałą stal bez tej wiedzy teoretycznej: np. stal damasceńską, toledańską, japońskie katany, itp.. Stalbyła produkowana od bardzo dawna, ale w śladowych ilościach.
Historia stali przemysłowej zaczyna się chyba w 1735 roku, kiedy niejaki Abraham Darby jako pierwszy wytopił surówkę, stosując koks zamiast węgla drzewnego. Potem było mnóstwo ulepszeń, aż w 1856 r. Henry Bessemer opatentował metodę produkcji stali bezpośrednio z rozgrzanego żelaza, poprzez przedmuchiwanie surówki (płynnego metalu) powietrzem, którego tlen redukował w niej nadmiar węgla, i zamieniał ją w stal, bezpośrednio w konwertorze (tzw. gruszce Bessemera). Jednak sam wynalazek Bessemera miał poważną wadę, mianowicie żelazo otrzymywane jego metodą zawierało zbyt duże ilości siarki i fosforu, a zatem było kruche. Metodę ich usuwania opatentował dopiero w 1877 r. Sidney Gilchrist Thomas.
Metody Bessemera i Thomasa zostały udoskonalone później przez francuskich metalowców ojca i syna Martin oraz niemieckich braci Siemens, pojawił się – w języku polskim pewnie z ówczesnego sentymentu do francuszczyzny, bo mieli oni tylko w tym dość skromny udział – piec martenowski, czyli pierwsze, naprawdę rewolucyjne urządzenie do ciągłej, przemysłowej i wkrótce - ze względu na błyskawicznie rosnący popyt – masowej produkcji stali. Najważniejsze, niejako podstawowe wynalazki metalurgii żelaza zakończyło opatentowanie i zbudowanie przez pana Louisa Héroulta (tzw. piec Héroulta) w USA w 1907 roku elektrycznego pieca łukowego, co umożliwiło mu opracowanie metody produkcji żelazochromu i żelazowolframu, pierwszych stali wysokostopowych
Produkcję stali trzeba to rozumieć jako liczbę mnogą. Tych stali było i jest mnóstwo. Wystarczy zajrzeć do polskiej Wikipedii, by się o tym przekonać. To stal była – jak się to teraz modnie określa – ‘game changer’. Cała reszta tej drugiej rewolucji przemysłowej: narzędzia, maszyny, przemysł metalowy, motoryzacja, produkcja przemysłowa w dzisiejszym kształcie, również produkcja prądu, czyli energetyka, praktycznie wszystko, powstało tylko dzięki nowemu, rewolucyjnemu materiałowi kompozytowemu – stali. Natychmiast powstały wydajne metody przemysłowej obróbki stali: obróbka cieplna (hartowanie, odpuszczanie) i obróbka plastyczna (kucie, walcowanie na zimno i gorąco). Nagle pojawiły się dosłownie miliony kilometrów drutu, prętów o wielu różnych przekrojach/profilach, blachy, płyt, kęsisk, bloków, itd.. W dodatku w dziesiątkach typów, odmian i przeznaczeń, o zróżnicowanej zawartości węgla, z zawartością przeróżnych dodatków stopowych i przeróżnych właściwościach. Nowy materiał kompozytowy - bo stal, jak beton i żelbet, jak mawiają prawnicy, ‘wyczerpuje znamiona’ kompozytu, zmienił warunki gry o nazwie ‘cywilizacja techniczna’. Na co dzień nie uświadamiamy sobie, że świat bez stali, ten sprzed 1856 roku, kiedy Sir (tytuł mu się należał jak mało komu) Henry Bessemer wdrożył pierwszą przemysłową metodę otrzymywania stali za pomocą tzw. procesu konwertorowego, wyglądał kompletnie inaczej.
Wyjątkowo korzystny związek - zbrojenia stalowe
Jednym z pierwszych, zaraz po wykładniczo rosnących zastosowaniach militarnych, obszarów wykorzystywania nowego, rewelacyjnego materiału, było – jakżeby inaczej – budownictwo. Połączenie betonu i stali daje w efekcie zupełnie nową jakość – żelazobeton lub krótko żelbet. Oczywiście od wynalezienia stali ta nazwa nie ma już sensu, powinno się mówić stalobeton lub stalbet, ale języki naturalne bywają niekonsekwentne i szalenie zachowawcze, a poza tym żelazo było łączone z betonem, od czasu kiedy ten ostatni został ponownie odkryty dla budownictwa (patrz opowiastka: Beton to najważniejszy materiał budowlany)
Obecnie zbrojenia stalowe są oczywistością w wielu zastosowaniach betonu - takich jak budynki wysokie, tunele czy mosty. Ze względu na niską wytrzymałość betonu na rozciąganie, takie konstrukcje w przeciwnym razie trudno byłoby zrealizować. Z kolei stal ma dużą wytrzymałość na rozciąganie i przy dużych obciążeniach – pisząc w uproszczeniu - przenosi znaczną część naprężeń rozciągających działających na żelbetowy materiał kompozytowy. Wkładki metalowe montuje się w betonie w postaci prętów (dla wąskich elementów konstrukcyjnych) lub mat stalowych (dla elementów konstrukcyjnych o dużej powierzchni, takich jak stropy i ściany). Maty żelbetowe składają się z przecinających się prętów podłużnych i poprzecznych.
Podczas gdy wkładka stalowa poprawia wytrzymałość betonu na rozciąganie, powłoka betonowa ma również zalety dla stali. Wysoka wartość pH betonu chroni metal przed korozją. Ponadto stal jest lepiej chroniona w przypadku pożaru i topi się w wysokich temperaturach dopiero po znacznym opóźnieniu. Przykłady pokazują, że kompozyt stali i betonu to doskonała symbioza, z której oba materiały czerpią korzyści poprzez poprawę właściwości.
Co to jest beton sprężony?
Szczególną formą betonu zbrojonego jest tzw. beton sprężony. Elementy konstrukcyjne wykonane z betonu sprężonego zawierają oprócz normalnego zbrojenia wkładki ze stali sprężonej, czyli pozostającej trwale pod działaniem siły wewnętrznej, które zapewniają, że beton zbrojony jest jeszcze bardziej odporny na siły rozciągające, a tym samym jest mniej podatny na pękanie. Beton sprężony jest stosowany w szczególności w budownictwie mostowym, ale także w budynkach biurowych i komercyjnych. W budynkach mieszkalnych często spotykany jest w konstrukcjach stropowych, głównie dlatego, że stropy strunobetonowe mogą być wymiarowo cieńsze niż odpowiadające im elementy wykonane z czystego żelbetu przy zachowaniu tej samej nośności.
Jak można przeczytać w dowolnym eksperckim tekście na temat właściwości betonu, beton łatwo wytrzymuje duże obciążenia ściskające, ale ma relatywnie bardzo niską wytrzymałość na rozciąganie. W betonie sprężonym wysoka wytrzymałość na ściskanie jest wykorzystywana do przeciwdziałania "słabości" pod obciążeniem rozciągającym. Ze względu na wydłużenie wkładek ze stali sprężającej, przenoszą one dodatkowe obciążenie ściskające na beton i mocniej go ściskają. Jeśli na element działają teraz siły rozciągające, muszą one pokonać większy opór, aby spowodować pęknięcie żelbetu. Nawet konwencjonalne zbrojenie stalowe w betonie sprężonym pochłania dużą część sił rozciągających, ale jednocześnie sama masa betonowa jest trudniejsza do "rozerwania". Siły rozciągające muszą również pokonać siłę ściskającą, którą stal sprężająca wywiera na beton.
Nie tylko siły zewnętrzne wywołują naprężenia rozciągające w elementach betonowych. Budynki składają się z dużej liczby pojedynczych części, które są ze sobą połączone i w naturalny sposób oddziaływają na siebie, wywierają na siebie siły. Na przykład obciążenia, które prowadzą do dużych sił rozciągających, często muszą być przenoszone na elementy betonowe. Należy zastosować odpowiednie techniki, aby obciążenie betonu (stalowego) nie było zbyt duże. Również w tym przypadku połączenie betonu i stali sprawdziło się w praktyce.
Branża oferuje na przykład tzw. kanały kotwiące, za pomocą których można mocować obciążenia do elementów betonowych. Można je również wykorzystać do łączenia betonu i innych materiałów budowlanych. Kanały kotwiące to stalowe profile w kształcie litery C, które są odlewane w elementach betonowych i mieszczą specjalne śruby mocujące. Śruby tworzą połączenie między betonem a mocowanymi elementami. W ten sposób można np. przymocować kanały wentylacyjne lub rurociągi do betonowych stropów lub balustrady do betonowej płyty balkonu. Elewacje na zewnętrznych ścianach betonowych mogą być również bezpiecznie mocowane za pomocą takich kanałów kotwiących.
Zbrojenie betonu - po co, dlaczego ?
Beton jest wspaniałym materiałem budowlanym – ale, jak wspomniano, niestety może przyjąć tylko duże siły ściskające. Jeśli chodzi o obciążenia rozciągające, to jest raczej słaba. Na szczęście w przypadku stali jest dokładnie odwrotnie i oba materiały doskonale się uzupełniają. Żelbeton - czyli beton zbrojony stalą - jest rozwiązaniem wielu problemów budowlanych. Eksperci określają to jako wzmocnienie. Na czym to polega?
Konieczne jest zachowanie równowagi sił
Każdy, kto chce zbudować schody, ścianę, strop - jednym słowem konstrukcję z żelbetu - musi dokładnie wiedzieć, jak taka konstrukcja pracuje, dosłownie. Innymi słowy, jak i jakie działają tam siły, a także jak mocno i czy występuje jakaś dynamika, czyli zmienność w czasie. Dzięki odpowiedniej kombinacji betonu i stali projektant musi zapewnić, że siły pozostaną w równowadze - a jeśli to możliwe, to nawet w przypadku nietypowych zdarzeń, takich jak trzęsienie ziemi. Krótko pisząc - projektowany element musi stać i pełnić swoją funkcję bez względu na okoliczności. Teraz ktoś może wpaść na pomysł, żeby po prostu równomiernie rozprowadzić stal w betonie, wtedy będzie pasować. Jakoś może, ale mimo wszystko stal jest dość droga i żaden budowniczy nie chce płacić więcej niż jest to absolutnie konieczne. Poza tym wybór przekroju stali ma bezpośredni wpływ na nośność żelbetu. W tym celu trzeba najpierw powiedzieć coś o tym, jak to działa:
Jak działa żelbeton
Żelbeton to materiał kompozytowy z betonu i stali, to wiadomo. Ale jest to też materiał, który sprawdza się tylko wtedy, gdy w betonie powstały mikroskopijne pęknięcia. Dopiero wtedy stal rozwija i pokazuje swój pełny efekt. Nie jest więc celowe umieszczanie w betonie zbyt dużej ilości stali, a tym bardziej o niewłaściwej średnicy.
Dlaczego stal zbrojeniowa jest żebrowana?
Odpowiedź jest dość prosta: aby siły były lepiej przenoszone z betonu na stal. Żebra zapewniają optymalne zazębianie się betonu i stali. Poza tym zwiększa to znacznie powierzchnię styku obu materiałów, co dodatkowo poprawia właściwości kompozytu. W przeszłości stosowano również stal gładką. Wtedy trzeba było stosować dodatkowe rozwiązania konstrukcyjne, na przykład formowanie jej w pętlach, by całość miała sens inżynierski.
Zbyt duże żebrowanie też nie jest korzystne
Aby optymalnie pracować, zbrojenia stalowe winny być odpowiednio użebrowane. Zbrojony beton po, aby funkcjonować, ale wtedy same, wynikowe powierzchnie w betonie nie mogą być zbyt duże. Wtedy istnieje nie tylko ryzyko zardzewienia zbrojenia na skutek wnikania wilgoci, ale także wiele innych. Od pęknięć po całkowite niepowodzenie konstrukcji. Na przykład zawalenie się budynku. Teraz staje się jaśniejsze, dlaczego proporcje między betonem a stalą muszą pasować w każdym obszarze konstrukcji. Zadaniem inżyniera budowlanego jest dokładne obliczenie tego, a następnie wykorzystanie planów do określenia sposobu wykonania zbrojenia. Pracownik na budowie musi następnie wykorzystać plany zbrojenia, aby prawidłowo rozmieścić stal w betonie.
Stal zbrojeniowa - rodzaje?
Stal zbrojeniowa dostępna jest w postaci prętów, siatek lub strzemion. Stal prętowa dostępna jest w szerokim zakresie średnic od 6 do 40 milimetrów. Istnieje również około 20 różnych rodzajów siatek ze stali zbrojeniowej. Jest więc spory wybór, jeśli chodzi o zbrojenie betonu. Maty zbrojeniowe stosuje się do płaskich elementów konstrukcyjnych, takich jak ściany czy stropy z żelbetu; strzemiona i pręty to środki wybierane do słupów, belek, ław fundamentowych, czy nadproży. Te ostatnie są często przerabiane na klatki wzmacniające. Tutaj strzemiona i pręty są zespawane ze sobą lub połączone za pomocą drutu wiążącego. Taka klatka zbrojeniowa może mieć kształt sferyczny lub prostopadłościenny - podobnie jak słup żelbetowy. Jeżeli taki słup jest obciążony równomiernie od góry, to zbrojenie jest również równomiernie rozłożone w przekroju poprzecznym.
Najważniejszy czynnik - obciążenia
Statyka nie wydaje się skomplikowanym problemem – obciążenia raz się pojawiają i dalej nic się nie dzieje – ale to jednak dość skomplikowana sprawa i jeden z głównych powodów, dla których poniżej tylko o najbardziej podstawowych rzeczach, jeśli chodzi o zbrojenie betonu.
Element konstrukcyjny wykonany z żelbetu może być zasadniczo obciążony na cztery różne sposoby:
• Siły normalne (rozciąganie i ściskanie)
• Siły zginające
• Siły reakcji (przeciwstawne siły poprzeczne)
• Siły skręcające (skręcanie)
Ponieważ jednak wszystko to byłoby zbyt proste, obciążenia te często występują łącznie. Ściana nie tylko odbiera nacisk z góry, ale zwykle także z boku. Na przykład od wiatru lub od sił w gruncie, jeśli jest to piwnica. Albo obciążenie przesuwa się - jak na moście kolejowym z powodu przejeżdżającego po nim pociągu. W zależności od wysokości i rodzaju obciążenia, zbrojenie musi być różnie rozmieszczone w betonie. Ogólnie rzecz biorąc, im większe siły rozciągające, tym więcej stali jest używane. A przede wszystkim w strefie rozciągania. W przypadku belki poziomej podpartej z obu stron jest to spód. W pewnych warunkach konieczne może być również wzmocnienie strefy ściskania. Na przykład w przypadku dużych naprężeń zginających lub gdy te same wymiary belki są pożądane dla szerokiego zakresu naprężeń. Jednak konieczne wzmocnienie przy ściskaniu nigdy nie będzie tak duże jak to w strefie rozciągania. Oprócz statycznie koniecznego wzmocnienia często stosuje się tzw. wzmocnienie konstrukcyjne. Są one szczególnie potrzebne tam, gdzie należy spodziewać się szczytów naprężeń, które nie są uwzględnione w obliczeniach. Na przykład w przypadku zagłębień lub otworów w betonie. Wzmocnienie konstrukcyjne zapobiega wtedy powstawaniu pęknięć.
Ogólne zasady wzmacniania
Odpowiednie normy budowlane dokładnie określają , w jaki sposób zbrojenie musi być umieszczone w betonie. Dotyczy to na przykład odległości między prętami, ale także pokrycia betonem czy sposobu wygięcia prętów.
Rozstaw prętów
Ważne jest nie tylko to, ile stali umieszcza się w betonie, ale także odległość między poszczególnymi prętami. Jeśli jest on zbyt mały, nie można prawidłowo ułożyć i zagęścić świeżego betonu. Dodatkowo zapewnia to wystarczające wiązanie. Rozstaw prętów zależy od średnicy pręta i największej średnicy ziarna w betonie. Powinna ona wynosić co najmniej 20 milimetrów, a w każdym razie być co najmniej równa średnicy pręta. W przypadku pręta o średnicy 24 milimetrów, rozstaw musi być zatem 24 milimetry lub większy. W przypadku zastosowania w betonie kruszywa o średnicy większej niż 16 milimetrów, rozstaw prętów musi być większy o 5 mm. Dla 16 milimetrów oznacza to 21 milimetrów, dla 17 milimetrów 22 milimetry, itd....
Płyta betonowa
Tu kluczowe znaczenie dla zbrojenia ma otulina z betonu - czyli odległość od powierzchni do stali. I to z trzech powodów jednocześnie:
• Ochrona stali przed korozją
• Połączenie między stalą a betonem
• Ochrona przeciwpożarowa
W zależności od średnicy stali i przewidywanych wpływów środowiska, pokrywa betonowa wynosi od 20 do 55 milimetrów. Wymagania dla płyt betonowych są zapewniona w różny sposób. Na przykład z przekładkami w postaci małych stopek z tworzywa sztucznego lub włókno cementu. W przypadku ścian są one mocowane do zewnętrznej strony zbrojenia. W przypadku płyt, przekładki umieszcza się na szalunku przed ułożeniem zbrojenia.
Zginanie stali zbrojeniowej
Czasami konieczne jest wygięcie zbrojenia. Na przykład do haków, pętli i strzemion lub do prętów pochylonych i innych prętów wygiętych. Gięcie nie jest wielkim problemem, ale należy przestrzegać pewnych zasad. W przeciwnym razie istnieje ryzyko odprysku betonu lub zniszczenia konstrukcji betonowej w obszarze zgięcia. Pęknięć pręta można również uniknąć poprzez prawidłowe gięcie. Przy wykonywaniu haków, pętli lub haków kątowych minimalna średnica zagięcia wynosi czterokrotność średnicy pręta (średnica mniejsza niż 20 mm) lub siedmiokrotność średnicy pręta (średnica 20 mm lub większa). W przypadku prętów kątowych i innych prętów giętych minimalna średnica gięcia powinna być 7, 15 lub 20 razy większa od średnicy pręta. W przypadku zgrzewanych prętów i siatek zbrojeniowych sytuacja jest znowu inna. W tym miejscu należy dokonać rozróżnienia między działaniami w przeważającej mierze statycznymi i nie w przeważającej mierze statycznymi. Minimalna wymagana średnica gięcia może być nawet 500 razy większa od średnicy pręta. Ale to już szczegóły…
Wniosek: Mam nadzieję, że stało się jasne, dlaczego nie wolno rozmieszczać zbrojenia w betonie "na wyczucie". Może się to sprawdzić w przypadku ściany ogrodowej o niewielkim obciążeniu lub w przypadku fundamentu pod domek letniskowy. Albo w wykonaniu inżyniera budownictwa z wieloletnim doświadczeniem zawodowym. Jednak lepiej jest, zanim konstrukcja zostanie poddana rzeczywistym obciążeniom, aby zbrojenie betonu zostało profesjonalnie i dokładnie zwymiarowane.
Podsumowanie opowieści
Trudno przecenić wartość i znaczenie zbrojonego betonu (żelazobetonu, żelbetu) dla dzisiejszego budownictwa. Całego budownictwa: lądowego i wodnego. To jest jego dosłowny i symboliczny fundament. Drapacze chmur, zapory wodne, fabryki domów, stadiony pod dachem na sto tysięcy widzów, wielokilometrowe i wysokie na setki metrów mosty, generalnie cała nowoczesna architektura z całą swoją rozmaitością kształtów i rozwiązań przestrzennych – to wszystko powstało, powstaje i będzie powstawać wyłącznie dzięki betonowi i stali, czyli optymalnemu połączeniu. Są, rzecz jasna, inne materiały, które żelbetowi towarzyszą na współczesnych placach budów – na przykład szkło. Budowla z żelazobetonu bez szkła to schron, bunkier, albo inny silos, ale to temat na kolejną opowiastkę.
Zdjęcie autorstwa Störfix - Fotografia własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=381181