Dlaczego beton potrzebuje wzmocnienia?

Aby zrozumieć największą słabość betonu, najpierw musimy trochę wiedzieć o siłach działających na materiały budowlane. Analizując wytrzymałość materiałów budowlanych badamy zazwyczaj trzy podstawowe siły: kompresja (pchanie), rozciąganie (odrywanie) i ścinanie (przesuwanie wzdłuż linii lub płaszczyzny). Nie wszystkie materiały mogą jednakowo wytrzymać każdy rodzaj siły. Okazuje się, że beton ma bardzo silną odporność na kompresję, ale bardzo słabo radzi sobie w napięciu. Dowiedz się dlaczego beton sam w sobie nie tworzy dobrego materiału konstrukcyjnego.

 

Test wytrzymałości struktur z czystego betonu

 

Dwa cylindry betonowe zostały odlane z dokładnie tej samej partii. Zobaczymy, ile nacisku są w stanie wytrzymać. Najpierw test ściskania. Podczas kompresji cylinder złamał się przy obciążeniu około 450 kilogramów. W przypadku betonu jest to dość niski próg wytrzymałości, ponieważ mieszanka ta zawierała dużo wody.

Skorzystajmy teraz z innego urządzenia. Dwa betonowe cylindry odlane w dokładnie taki sam sposób zostały zaopatrzone w haczyki umieszczone po obu końcach cylindra. Jeden koniec cylindra zostaje przyczepiony do nieruchomej powierzchni, podczas gdy drugi zostaje przyczepiony do siłownika ciągnącego w dół ze stale rosnącą siłą. Cylinder poległ przy sile rozciągającej równej 36 kg – to mniej niż 10% wytrzymałości poprzedniego testu na ściskanie. Najwyraźniej robienie liny z betonu nie jest najlepszym pomysłem.

W rzeczywistości, bez jakiejkolwiek metody naprawienia tej słabości na naprężenia i rozciąganie, nie powinieneś tworzyć żadnego elementu konstrukcyjnego z betonu, ponieważ rzadko element konstrukcyjny doświadcza tylko kompresji. W rzeczywistości prawie wszystkie struktury doświadczają mieszanki wszystkich trzech sił.

Najlepszym sposobem na zaobserwowanie wszystkich tych sił w praktyce jest klasyczny przykład belki. Wykonana z czystego betonu belka użyta w budownictwie będzie ściskana, pchana i rozciągana. Szczyt belki ulegnie ściskaniu, dolna cześć będzie doświadczała naprężenia rozciągającego. Dosyć szybko, pracująca belka z betonu przełamie się w dwie belki w punkcie gdzie naprężenie rozciągające jest największe i zaobserwujemy pęknięcie na dole belki.

Jaki jest z tego wniosek? Beton sam w sobie nie tworzy dobrego materiału konstrukcyjnego!

 

Jak wzmocnić beton?

 

Istnieje zbyt wiele źródeł napięcia, których sam beton nie jest w stanie się oprzeć. Dlatego w większości konstrukcji betonowych dodajemy wzmocnienia, aby poprawić ich wytrzymałość. Wzmocnienie w betonie tworzy materiał kompozytowy, przy czym beton zapewnia wytrzymałość na ściskanie, a zbrojenie zapewnia wytrzymałość na naprężenia rozciągające. A najbardziej powszechnym rodzajem zbrojenia stosowanego w betonie jest zdeformowana stal, bardziej znana jako pręt zbrojeniowy.

Pora na kolejny eksperyment. Nowa belka z kilkoma stalowymi prętami gwintowanymi odlanymi w dolnej części betonu, zostanie podobnemu naciskowi jak poprzednia belka wykonana z czystego betonu. Pierwszą rzeczą, którą zauważamy, jest to, że ta belka jest znacznie silniejsza niż poprzednia. Drugą rzeczą, którą widać gołym okiem, jest to, że ewentualne uszkodzenie postępuje znacznie wolniej. Poprzednie pęknięcie dolnej części belki następowało w mgnieniu oka po przekroczeniu progu wytrzymałości materiału.

Bardzo ważnym elementem oceny wadliwości materiałów budowlanych jest czas w jakim zaobserwujemy potencjalną niewydolność takiego elementu jak belka. Zastosowanie zbrojenia, zmienia rodzaj uszkodzenia z kruchego trybu, gdzie nie ma żadnego ostrzeżenia, że ​​coś jest nie tak, w tryb plastyczny, w którym widzisz pęknięcia powstające przed całkowitą utratą wytrzymałości. Daje to szansę na rozpoznanie potencjalnej katastrofy i naprawę lub wyburzenie konstrukcji, zanim ta stanie się zagrożeniem.

 

Wady i zalety zbrojenia stalą

 

Zbrojenie stalowe działa świetnie w większości przypadków. Jest stosunkowo tanie, dobrze przetestowane i szeroko opisane w metodologii budowlanej. Ma jednak kilka wad, z których jednym jest to, że jest to wzmocnienie pasywne. Stal wydłuża się wraz z napięciem, dlatego pręt zbrojeniowy nie może zacząć działać, aby powstrzymać napięcie, dopóki nie będzie miał szansy na rozciągnięcie. Często oznacza to, że beton zacznie pęknąć, zanim pręt zbrojeniowy zdoła przejąć jakąkolwiek porcję działającej na belkę siły naciskowe. Pękanie betonu niekoniecznie jest złe – w końcu zadaniem betonu jest głównie przyjęcie siły kompresji, co może zrobić pomimo kilku pęknięć. Są jednak przypadki, w których chcemy uniknąć pęknięć lub nadmiernego ugięcia, które mogą pochodzić z pasywnego pręta zbrojeniowego. W takich przypadkach można rozważyć przejście na aktywne zbrojenie, znane również jako beton sprężony.

 

Czym jest beton sprężony?

 

Wstępne sprężanie betonu oznacza zastosowanie naprężenia na zbrojeniu przed oddaniem betonu do eksploatacji. Jednym ze sposobów, aby to zrobić, jest naciągnięcie stalowych cięgien wzmacniających w trakcie odlewania betonu. Po utwardzeniu betonu napięcie pozostanie wewnątrz, przenosząc naprężenia ściskające na beton poprzez tarcie ze zbrojeniem. Większość betonowych belek mostu jest sprężana w ten sposób.

Innym sposobem wstępnego naprężania zbrojenia jest napinanie. W metodzie tej naprężenie w zbrojeniu powstaje po utwardzeniu betonu.

Sprawdźmy ten proces w praktyce. Do następnej belki którą odlewamy wkładamy plastikowe rękawy w kształcie rurek. Dzięki temu jesteśmy w stanie wsunąć stalowe pręty w plastikowe rękawy. Po utwardzeniu belki dokręcamy nakrętki do prętów, aby je naprężyć. Pod prasą ta belka nie będzie mocniejsza od konwencjonalnie wzmocnionej belki, ale zanim pojawią się pęknięcia, wywierana na belkę siła znacznie przekroczy wartość jaką przyjęła poprzednia belka zanim zaczęła pękać. Również w przypadku tak wzmocnionej belki, samo postępowanie uszkodzenia nie było tak dramatyczne, ponieważ zamiast uszkodzić faktyczne pręty stalowe, to gwinty na nakrętkach poległy jako pierwsze.

 

Czy faktycznie beton potrzebuje wzmacniania?

 

Po kilku eksperymentach, możemy zdecydowanie stwierdzić, że konstrukcje betonowe narażone na wszystkie trzy siły, wymagają wzmocnienia. Mamy nadzieję, że podane przykłady pomogły pokazać, dlaczego zbrojenie jest niezbędne w przypadku większości zastosowań betonu.