Projektowanie konstrukcji żelbetowych. Zobacz, jak powstają zbrojone konstrukcje z betonu

Zobacz, w jaki sposób projektowane są konstrukcje żelbetowe. Dowiedz się więcej o żelbetowych belkach.

Wszystkie ustroje żelbetowe można przedstawić jako modele belek, słupów albo płyt. Są to uproszczone schematy konstrukcji określające jej wymiary, sposób podparcia i wszystkie zewnętrzne obciążenia. Cechy materiałowe określonych rodzajów betonu i stali również są wartościami stałymi niezależnie od warunków pracy ustroju.

Jak projektuje się konstrukcje z betonu?

Proces projektowania konstrukcji żelbetowej składa się z dwóch etapów:

• Pierwszy to wstępne założenie modelu, czyli określenie na podstawie sposobu podparcia i obciążenia, czy jest to belka, słup, płyta, czy schemat złożony, oraz wyznaczenie wymiarów obliczeniowych (niekoniecznie liczonych w osiach podpór). Dla przyjętego modelu przeprowadza się analizę wszystkich obciążeń i wywołanych nimi odkształceń, a następnie na ich podstawie dobiera optymalne parametry betonu i stali.
• Drugim etapem jest weryfikacja modelu pod kątem spełniania warunków konstrukcyjnych i użytkowych. Ma ona na celu sprawdzenie, jak zachowa się pod wpływem rzeczywistych obciążeń, jak poradzi sobie z powstającymi naprężeniami. Chodzi nie tylko o zachowanie stabilności, ale też o optymalizację zużycia materiałów – konstrukcja nie może być zbyt słaba, jednak nie powinna również być przewymiarowana, bo rodzi to niepotrzebne koszty.

Podstawowa różnica między prostymi elementami żelbetowymi a skomplikowanymi formami polega nie tyle na stopniu trudności obliczeń, ile na ich żmudności. Dla osiągnięcia satysfakcjonujących rezultatów cały proces trzeba bowiem nierzadko przeprowadzić kilkakrotnie, a im model bardziej złożony, tym praca nad nim dłuższa.

Belki żelbetowe

Są obciążane od góry i uginają się w dół, czyli pracują głównie na zginanie. Czasami dodatkowo są skręcane, gdy obciążenie działa mimośrodowo – czyli w płaszczyźnie, która nie przechodzi przez oś belki. Jeśli z obu stron opierają się na ścianach, słupach lub innych belkach, to określa się je jako swobodnie podparte. Pod wpływem obciążeń uginają się w dół, co wywołuje rozciąganie dolnej części i ściskanie górnej. Tak pracują na przykład nadproża i podciągi. Z kolei utwierdzone tylko z jednej strony, jak choćby wystające ze ściany belki podpierające balkon albo daszek nad wejściem, nazywa się wspornikowymi. One pod wpływem obciążenia uginają się najmocniej na niepodpartym końcu, rozciągając górną część. Wszystkie pozostałe, które mają na swojej długości podpory pośrednie w postaci filarów czy podciągów albo są podtrzymywane od góry ściągami lub zakotwione w żebrach rozdzielczych stropu, traktuje się jako ustroje złożone, tak zwane wieloprzęsłowe.

Przęsła

Jako przęsło rozumie się część belki między poszczególnymi podporami. Należy określić jego długość i typ podpory. W ten sposób tworzy się indywidualny dla całej belki schemat statyczny i na jego podstawie określa się sposób ugięcia i strefy ściskane oraz rozciągane belki. To najważniejsza część etapu projektowania, bo od tego, czy wszystkie warunki są dobrane poprawnie, zależą prawidłowe obliczenia działających przy podporach sił i ich wpływ na pracę całego ustroju. Po określeniu dokładnego schematu konstrukcyjnego przyjmuje się koncepcję wymiarów przekroju i zbrojenia.

Zbrojenie belek

Do dużych belek najczęściej stosuje się stal A-III i beton klasy co najmniej C16/20. Stopień zbrojenia, czyli jego ilość, zależy od obliczonych naprężeń zginających i klasy betonu – im są wyższe, tym powinien być większy. Standardowo przyjmuje się stopień zbrojenia 1-1,5% i średnicę prętów głównych nie mniejszą niż 12 mm. Zbrojenie główne umieszcza się w tej strefie belki, która podlega rozciąganiu, a więc na dole w belkach swobodnie podpartych lub na górze w belkach wspornikowych. Oprócz tego w strefach ściskanych jest konieczne tak zwane zbrojenie przypowierzchniowe z dwóch lub więcej prętów, a w belkach wyższych niż 45 cm dodatkowo pręty w środku wysokości przekroju. Belki zginane i jednocześnie skręcane powinny mieć jeszcze podłużne zbrojenie obwodowe, a ich strzemiona muszą być dwuramienne i najlepiej spajane.

Obliczenia sprawdzające

Ostatnim etapem projektowania belek jest weryfikacja założonego modelu, czyli przeprowadzenie obliczeń sprawdzających nośność i ugięcia pod wpływem obciążeń. W tym celu wyznacza się wykresy momentów zginających i sił tnących wywołanych obciążeniami własnymi i zewnętrznymi, a następnie na ich podstawie wylicza się ugięcia i naprężenia w belkach. Ich wartości nie mogą przekroczyć maksymalnych, przyjmowanych normowo dla danego typu belki w zależności od jej rozpiętości efektywnej leff, czyli liczonej w osiach lub w świetle podpór. I tak maksymalne ugięcie belki swobodnie podpartej o długości do 6 m nie może być większe niż 1/200 leff, belki o długości 6,5-7 m – nie większe niż 3 cm, a dłuższej niż 7,5 m – nie większe niż 1/250 leff. Wartości te są nieco bardziej rygorystyczne w przypadku przekryć dachowych. Belki wspornikowe niezależnie od wysięgu mogą się uginać nie więcej niż o 1/150 rozpiętości efektywnej równej w tym przypadku długości belki liczonej do lica ściany.