Żelbet

Żelbet (żelazobeton, żelbeton) – kompozyt strukturalny składający się z betonu wzmocnionego stalowymi prętami zbrojeniowymi lub jednym elementem stalowym zwanym wkładką stalową. Żelbet formuje się w elementy konstrukcyjne lub całe obiekty monolityczne za pomocą form drewnianych (szalowanie), stalowych lub plastikowych. Nazywany jest czasem wynalazkiem XIX wieku.

Częściowo wykonany żelbetowy element konstrukcyjny, widoczna wewnętrzna struktura wzmacniająca w postaci prętów zbrojeniowych

Żelbet jest uniwersalnym materiałem budowlanym stosowanym do budowy różnorodnych elementów konstrukcyjnych – fundamentów, ścian, płyt, powłok, ścian oporowych, słupów i innych. Powszechnie stosowany przy konstrukcjach budynków, z czego niektóre z nich wykonywane były jako żelbetowe monolity (np. stadiony, forty i schrony).

Etymologia

Nazwa tego materiału stanowi zlepek słów „żelazo” i „beton” z których jest wykonany. Najczęściej stosowane są nazwy „żelazobeton” lub w skrócie „żelbet”, rzadziej „żelbeton”. Niekiedy wskazuje się, że ostatnia z nazw jest nieprawidłowa.

Charakterystyka

Kolumna żelbetowa: szkielet z prętów w trakcie budowy oraz ukończona konstrukcja po wypełnieniu betonem

Przykład zastosowania żelbetu w budownictwie obronnym – polski ciężki schron bojowy „Sęp” zbudowany w 1939 roku i wchodzący w skład Ośrodka Oporu Jastarnia

Plaża żelbetowa w Monako

Beton jest materiałem przenoszącym duże naprężenia ściskające, jednak jego wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo mała. Stal w elemencie żelbetowym przenosi głównie naprężenia rozciągające, choć często stosuje się również zbrojenie ściskane. Połączenie stali i betonu pozwala budować konstrukcje różnego typu. Do zbrojenia stosuje się wkładki w postaci prętów, lin, strun, kabli i siatek. Można spotkać także konstrukcje ze „sztywnym zbrojeniem”, tzn. takie, w których elementy stalowe o dużych przekrojach (np. dwuteowniki, ceowniki) są wykorzystane jako rdzeń, np. w słupie żelbetowym.

Właściwa współpraca betonu i stali w konstrukcji możliwa jest dzięki przyczepności betonu do stali (w celu jej zwiększenia stosuje się pręty żebrowane) oraz zbliżonej rozszerzalności termicznej obu materiałów.

Do zalet żelbetu, jako materiału konstrukcyjnego, należą: ogniotrwałość, odporność na znaczne obciążenia statyczne i dynamiczne, swoboda w kształtowaniu elementów, duża odporność na korozję (przy zachowaniu właściwej otuliny wkładek stalowych i poprawnym zagęszczeniu układanej mieszanki betonowej). Odporność na wpływy atmosferyczne można podnieść, wykonując stosunkowo tanie zabezpieczenie powłokowe. Zabezpieczenia te stosuje się przede wszystkim w konstrukcjach mostów, wiaduktów i stropów dachowych.

Fazowy opis stanu przekrojów żelbetowych

W pracy zginanej belki żelbetowej pod stopniowo zwiększanym obciążeniem można wyróżnić 3 fazy:

• 1 faza, kiedy naprężenia w betonie nie przekraczają jeszcze jego wytrzymałości na rozciąganie. W tej fazie przekrój pracuje jak pełny przekrój betonowy wraz ze zbrojeniem.
• 2 faza zaczyna się po przekroczeniu wytrzymałości betonu na rozciąganie. W tej fazie pojawiają się rysy w strefie rozciąganej i w przekroju zarysowanym naprężenia rozciągające przenosi wyłącznie zbrojenie.
• 3 faza pracy przekroju następuje w momencie uplastycznienia zbrojenia rozciąganego, trwa aż do momentu przekroczenia wytrzymałości betonu na ściskanie (w wadliwie zaprojektowanym przekroju zniszczenie betonu nastąpi przed uplastycznieniem stali, czyli w fazie II).

Zarysowanie elementu żelbetowego jest naturalne i niemożliwe do wyeliminowania, normy nakazują jednak ograniczenie rozstawu i szerokości rozwarcia rys.

Podział

Ze względu na sposób współpracy wkładek stalowych z betonem rozróżnia się:

• żelbet – szkielet z prętów stalowych (zbrojenie) układa się w deskowaniu (szalunku) na miejscu wbudowania elementu (na budowie) lub w formie (w wytwórni prefabrykatów) i zalewa mieszanką betonową. Po uzyskaniu przez beton wymaganej wytrzymałości otrzymuje się element, w którym stal przenosi naprężenia rozciągające, a beton ściskające. Współpraca tych materiałów opiera się na przyczepności betonu do stali i zbliżonej wartości współczynników rozszerzalności termicznej;
• siatkobeton – zbrojenie ma postać siatek – tkanych lub zgrzewanych, o kwadratowych oczkach o wymiarach 6–12 mm. Charakteryzuje się zwiększoną odpornością na obciążenie dynamiczne, dużą jednorodnością, zwiększonym wydłużeniem względnym i wytrzymałością na rozciąganie, dobrą szczelnością i odpornością na powstawanie rys;
• beton sprężony – zbrojenie wykonuje się ze stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (stale wysokogatunkowe). Do elementu betonowego wprowadza się sztucznie wywoływane naprężania ściskające. Wprowadzone naprężenia w betonie są przeciwne do naprężeń powstających od naprężeń użytkowych. Dzięki temu część tych naprężeń równoważy się wzajemnie. Ze względu na sposób wprowadzenia naprężeń sprężających rozróżnia się:
  • strunobeton – struny (pojedyncze druty lub ich wiązki złożone z kilku strun) napręża się w formie i stabilizuje na naciągu. Po zalaniu formowanego elementu i uzyskaniu przez beton przynajmniej 70% wymaganej wytrzymałości naciąg jest zwalniany. Stal wprowadza do betonu naprężenia ściskające – w ten sposób uzyskujemy beton sprężony;
  • kablobeton – w deskowaniu (formie) układa się kanały wzdłuż tras przebiegu kabli sprężających. Deskowanie wypełnia się mieszanką betonową. Po uzyskaniu przez beton min. 70% wartości wymaganej wytrzymałości wprowadza się kable do kanałów i naciąga się je. Kable są mocowane na końcach, a kanały wypełniane zawiesiną – zaczynem cementowo-wodnym. Po związaniu zaczynu otrzymuje się element monolityczny, w którym beton i stal współpracują ze sobą. Elementy kablobetonowe można sprężać w miejscu ich wbudowania;
• fibrobeton (drutobeton, włóknobeton) – beton zbrojony krótkimi kawałkami cienkich drutów stalowych lub z tworzyw sztucznych rozmieszczonych równomiernie w masie betonowej.

Historia

Most żelbetowy przy ulicy Zamojskiej w Lublinie zbudowany w 1909 roku przez Mariana Lutosławskiego

BGPŁ – dawny magazyn zakładów Towarzystwa Akcyjnego Wyrobów Wełnianych Fryderyka Wilhelma Schweikerta z 1912 roku – jeden z pierwszych budynków żelbetowych w Europie.

Praktyczne zastosowanie żelazobetonu (brutalizm) w bloku marsylskim przez Le Corbusiera w 1952 roku

Historia żelbetu rozpoczęła się w XIX w. Jako pierwszy, beton ze zbrojeniem, połączył Joseph-Louis Lambot, który w roku 1848 z tego materiału zbudował barkę zaprezentowaną na wystawie w Paryżu w 1855 r. W 1867 francuski ogrodnik Joseph Monier wykonał z betonu zbrojonego siatką doniczki na kwiaty. Gdy zauważył, że nie popękały na mrozie, pomysł opatentował. Koncepcję zbrojenia betonu uzasadnił naukowo w 1892 roku francuski inżynier Francois Hennebique, w 1894 powstał w oparciu o jego teorię i jego projekt pierwszy żelbetowy most w Viggen w Szwajcarii, w tym samym roku wybudowano najstarszy most żelbetowy w północnej Polsce na Kanale Elbląskim, na drodze Drulity – Lepno. Elementy sprężone jako pierwszy zastosował w 1920 roku Eugène Freyssinet.

W Polsce pionierem zastosowania żelbetu w budownictwie był polski wynalazca oraz inżynier Marian Lutosławski, który w 1902 roku w Warszawie założył biuro projektowo-konstrukcyjne. Jako pierwszy w kraju opracował naukowo i praktycznie zagadnienia konstrukcji żelbetowej, a także był pionierem zastosowania tych technologii w praktyce . Zaprojektował stropy żelbetowe pierwszego domu zbudowanego z użyciem tej techniki przy ul. Solec w Warszawie oraz elementy konstrukcji nośnej w kościele św. Zbawiciela w Wilnie. W latach 1908–1909 zaprojektował i zbudował dwa pierwsze żelbetowe mosty w Lublinie.

Bibliografia

• BogdanB. Klukowski BogdanB. (red.), Lutosławscy w kulturze polskiej, Drozdowo: Towarzystwo Przyjaciół Muzeum Przyrody, 1998, ISBN 83-910590-0-6, OCLC 43215883 .
• MarianM. Lutosławski MarianM., Warunki techniczne do projektowania i wykonania robót żelbetowych w budownictwie szkieletowem miejskiem, Warszawa 1914 .
• KazimierzK. Dopierała KazimierzK. (red.), Encyklopedia polskiej emigracji i Polonii, Toruń: Oficyna Wydawnicza Kucharski, 2003–2005, ISBN 83-89376-10-5, OCLC 53173146 .