1.Beton i stal w konstrukcjach żelbetowych Trwałość budynku w znacznym stopniu zależy od jakości zastosowanych materiałów. Duże znaczenie ma również staranność wykonania poszczególnych elementów konstrukcyjnych, zgodnie z zasadami sztuki budowlanej. Jednym z materiałów stosowanych do budowy domu jest żelbet – beton zbrojony prętami stalowymi. Beton, nazywany niekiedy sztucznym kamie¬niem, charakteryzuje się dużą wytrzy¬małością na ściskanie i niestety znacznie mniejszą wytrzymałością na rozciąga¬nie. Tę jego wadę można wyelimino¬wać przez umieszczenie prętów stalo¬wych w tych strefach elementów z be¬tonu, które pod wpływem obciążeń są rozciągane. Celowość połączenia tych dwóch, całkowicie odmiennych mate¬riałów jest bezdyskusyjna, ma jednak swoje konsekwencje, o których nie można zapominać. Beton i stal, choć różniące się pod wieloma względami, charakteryzują się podobnym współczynnikiem roz¬szerzalności termicznej. Dzięki temu, bez niekorzystnych skutków, żelbet można podgrzewać lub oziębiać oko¬ło 30-40°C w stosunku do temperatu¬ry, w jakiej został wyprodukowany. Chociaż żelbet znacznie lepiej niż in¬ne materiały znosi działanie wysokiej temperatury (np. w czasie pożaru), to znaczne jego ogrzanie może spowo¬dować uszkodzenie konstrukcji. Stal ma dużą przyczepność do be¬tonu, czyli mówiąc popularnie beton się do stali mocno przykleja. Zapew¬nienie przyczepności stali do betonu jest podstawowym warunkiem po¬wstania żelbetu, a właściwa współ¬praca betonu i stali pozwala na przy¬porządkowanie elementom konstruk¬cyjnym odpowiednich parametrów wytrzymałościowych. Warunkiem dobrego zespolenia tych dwóch ma¬teriałów jest odpowiednia jakość po¬wierzchni prętów zbrojeniowych: stal nie może być zabrudzona, zardze¬wiała, pomalowana, czy też zatłuszczona. Przed zabetonowaniem prę¬ty powinny być tak składowane, aby ich powierzchnia była zabezpieczo¬na przed powstaniem zanieczysz¬czeń. Świeży beton jest silnie alkaliczny (zasadowy): jego wskaźnik pH kształ¬tuje się nawet powyżej 13. Środowisko zasadowe sprawia, że znajdujące się w nim pręty zbrojeniowe są chronione przed korozją. Utrata tej ochrony mo¬że nastąpić wtedy, gdy do betonu prze¬dostaną się związki chemiczne, np. zwy¬kła sól kuchenna, które sprzyja powsta¬waniu korozji nawet w środowisku zasadowym. O tym, jaki wpływ na ko¬rozję stali ma sól, wie każdy właściciel samochodu. Należy chronić elementy żelbetowe przed przedostawaniem się do wewnątrz konstrukcji różnych związków chemicznych. Najlepszym sposobem jest wykonanie betonu wy¬sokiej jakości – nieporowatego, a więc szczelnego i trudno nasiąkliwego. Beton w pewnych warunkach mo¬że jednak utracić odczyn zasadowy, a w konsekwencji zdolność ochron¬ną stali. Dealkalizacja jest zjawiskiem starzenia się betonu. Spadek zasado¬wości jest procesem powierzchnio¬wym, zależnym od szczelności betonu (czyli staranności jego wykonania), od stężenia zanieczyszczeń gazowych w atmosferze i od – niestety dość czę¬sto występujących – zanieczyszczeń kruszywa. Postępuje on stopniowo, w głąb elementów. Gdy dealkalizacja dotrze do warstwy otulającej stal, zbrojenie przestaje być chronione przed korozją. Stal zaczyna korodo¬wać tym później, im grubsza jest war¬stwa ochronna betonu. Znane mi są przykłady konstrukcji żelbetowych, w których betonowe otuliny zbrojenia były tak małe (nieraz kilkumilimetrowe), że korozja stali rozpoczynała się już po kilku latachBeton w pewnych warunkach mo¬że jednak utracić odczyn zasadowy, a w konsekwencji zdolność ochron¬ną stali. Dealkalizacja jest zjawiskiem starzenia się betonu. Spadek zasado¬wości jest procesem powierzchnio¬wym, zależnym od szczelności betonu (czyli staranności jego wykonania), od stężenia zanieczyszczeń gazowych w atmosferze i od – niestety dość czę¬sto występujących – zanieczyszczeń kruszywa. Postępuje on stopniowo, w głąb elementów. Gdy dealkalizacja dotrze do warstwy otulającej stal, zbrojenie przestaje być chronione przed korozją. Stal zaczyna korodo¬wać tym później, im grubsza jest war¬stwa ochronna betonu. Znane mi są przykłady konstrukcji żelbetowych, w których betonowe otuliny zbrojenia były tak małe (nieraz kilkumilimetrowe), że korozja stali rozpoczynała się już po kilku latach. Oczywiście opis ten jest bardzo uproszczony, gdyż na korozję stali w elementach żelbetowych mają wpływ również inne czynniki oraz zja¬wiska, nieraz bardzo skomplikowa¬ne. Przykłady elementów żelbetowych, których zbrojenie stalowe przestało być chronione i zaczęło korodować, pokazano na fotografiach. Inwestor, który zgodził się na za¬stosowanie w budynku elementów żel¬betowych, powinien odpowiedzieć so¬bie na pytanie: po jakim czasie będzie musiał przeprowadzać ich naprawę lub będzie musiał pogodzić się z wido¬kiem, jaki przedstawiają fotografie. Należy również pamiętać, że korodu¬jące elementy żelbetowe mogą w pew¬nym momencie utracić swoją nośność (zmniejsza się przekrój pręta zbroje¬nia decydującego o nośności elementu) i konstrukcja może ulec awarii. Wszelka renowacja żelbetu jest za¬biegiem dość trudnym, kłopotliwym i kosztownym. Najlepszym sposobem jej uniknięcia lub przynajmniej odsu¬nięcia w czasie jest właściwe wykona¬nie żelbetu i ukształtowanie zeń za¬projektowanej budowli.

2. Zasady konstruowania belek. Zasady konstruowania wynikające ze zginania W ogólnym przypadku konstruowanie elementu polega na jak najlepszym dostosowaniu go do rzeczywistych warunków pracy oraz na uwzględnieniu sposobów i możliwości jego wykonania w warunkach budowy lub zakładu prefabrykacji. Szereg tzw. zaleceń konstrukcyjnych służy również uwzględnieniu pewnych specyficznych okoliczności, które na etapie obliczeń są pomijane. Przykładowo można do nich zaliczyć uwzględnianie częściowego zamocowania belek na podporze, zapewnienie odpowiedniej współpracy zbrojenia. Pierwszym krokiem po obliczeniu powierzchni niezbędnego zbrojenia ze względu na zginanie jest określenie ilości i średnicy prętów o odpowiedniej wielkości. Decydując się na wybór określonej ilości prętów o danej średnicy należy uwzględnić poniższe względy i czynniki: a) pręty o mniejszej średnicy mają lepszą przyczepność do betonu i łatwiej jest przy ich użyciu spełnić warunki stanu granicznego zarysowania; kryterium to jest szczególnie ważne, gdy alim = 0,2 mm (przy alim = 0,1 mm oprócz małej średnicy pręta konieczne jest ograniczenie naprężeń w stali) b) ilość prętów, przy określonej szerokości belki, powinna w zasadzie umożliwić ich ułożenie w jednym rzędzie przy zachowaniu odpowiednich odstępów (rys. 3.17); przy zbrojeniu w dwóch rzędach pogarsza się warunki przyczepności, a pręty są w rzeczywistości wytężone w różnym stopniu. c) mniejsza ilość prętów o takich samych średnicach (dużych) znakomicie ułatwia i obniża koszty wykonania, co jest jednym z celów dobrego projek¬towania, d) w przypadku, gdy ścinanie stanowi istotny problem, celowe jest takie zaplanowanie ilości prętów, aby część z nich można było wykorzystać po odgięciu do przenoszenia naprężeń rozciągających w przekrojach ukośnych (mocno obciążone krótkie belki). Minimalna średnica rozciąganych prętów w belkach wykonywanych na miejscu budowy nie powinna być mniejsza niż 8 mm. Nie zaleca się również stosowania bez wyraźnej potrzeby średnic większych niż 25 mm (belki o takim zbrojeniu wymagają stosowania zbrojenia przypowierzchniowego). Maksymal¬na średnica prętów ściskanych nie powinna być natomiast mniejsza niż 12 mm. Pręty zbrojeniowe wymagają odpowiedniego otulenia. Grubość otulenia liczona jest od zewnętrznej powierzchni betonu do najbliższego pęta (strzemie¬nia). W związku z tym grubość otuliny ar lub az należy liczyć ze wzoru: a1 = c+fis+0,5fi, (3.93) gdzie c - otulenie, fis - średnica strzemienia, fi - średnica pręta. Wzór (3.93) jest słuszny, gdy pręty ułożone są w jednym rzędzie. W sytuacji, kiedy znajdują się w dwóch rzędach, należy wyznaczyć środek ich ciężkości i trzeci człon równania będzie równy odległości tego środka od powierzchni strzemienia.

3. Zasady konstruowania słupów. Słupy zespolone stalowo-betonowe można projektować jako elementy stalowe całkowicie obetonowane, częściowo obetonowane, bądź jako rury okrągłe lub prostokątne wypełnione betonem Elementy stalowe słupów zespolonych mogą być walcowane na gorąco, kształtowane na zimno lub spawane, o przekrojach jednolitych. Słupy zespolone stalowo-betonowe mogą występować jako oddzielne elementy konstrukcyjne lub jako elementy składowe ram zespolonych. Wymagania projektowe Rozwiązanie konstrukcyjne, rodzaj i jakość materiału, kształt i wymiary przekroju słupa należy dobrać z uwzględnieniem warunków i technologii wykonania. Należy spełnić wymagania dotyczące: • stanów granicznych nośności i użytkowalności, • zabezpieczenia stali przed korozją, • zabezpieczenia konstrukcji przed ogniem. Opis sposobu i kolejności wykonania konstrukcji należy traktować jako integralną część projektu. Elementy stalowe słupów zespolonych należy projektować według normy PN-EN 1993-1-1. W sytuacji montażowej (przed zespoleniem) należy przewidzieć stężenia zabezpieczające konstrukcję stalową przed utratą stateczności. Stężenia te mogą być usuni ęte po osiągnięciu przez beton 80% wytrzymałości podanej w projekcie. Przemieszczenia podpór i węzłów konstrukcji w poszczególnych stadiach realizacji powinny być obliczone i kontrolowane w trakcie wykonania. Stany graniczne nośności Sprawdzenie stanów granicznych nośności słupów zespolonych powinno obejmować: • określenie nośności elementu, • sprawdzenie stateczności miejscowej, • sprawdzenie ścinania między stalą i betonem, • określenie sposobu wprowadzenia obciążeń. Obliczenia słupów osiowo i mimośrodowo ściskanych należy wykonywać wg normy PN-EN 1994-1-1. Stosuje się dwie metody obliczeń: • metoda ogólna – obowiązująca przy projektowaniu słupów zespolonych o dowolnym przekroju poprzecznym, • metoda uproszczona – stosowana do obliczania słupów o stałym bisymetrycznym przekroju poprzecznym, Stany graniczne użytkowalności Sprawdzenie stanów granicznych użytkowalności powinno obejmować: • stan graniczny ugięć, • stan graniczny zarysowania betonu. Ugięcia słupów stalowych w sytuacji montażowej należy sprawdzać według PN-90/B-03200. Ugięcia słupów zespolonych w sytuacji trwałej należy obliczać zgodnie z zasadami mechaniki budowli, sumując ugięcia powstałe przed zespoleniem od obciążeń długotrwałych z przyrostem ugięć po zespoleniu od całkowitych obciążeń uzupełniających. Sztywność przekroju zespolonego należy określać według normy PN-EN 1994-1-1. Zarysowanie betonu należy sprawdzać w elementach całkowicie obetonowanych oraz częściowo obetonowanych w przekrojach mimośrodowo ściskanych z dużym mimośrodem, gdzie beton jest narażony na rozciąganie. Przekrój minimalnego zbrojenia można sprawdzać jak w elementach zginanych według normy PN-EN 1994-1-1, przyjmując przekrój betonu w strefie rozciąganej, tak jak przy mimośrodowym ściskaniu. Wymagania konstrukcyjne Powierzchnia stali przewidziana do zespolenia z betonem nie powinna być malowana, ale oczyszczona z luźnych produktów korozji, brudu i smarów. W elementach obetonowanych należy stosować zbrojenie złożone z prętów podłużnych oraz strzemion, odpowiadające warunkom określonym w normie PN-EN 1992-1-1 dla słupów żelbetowych. W elementach częściowo obetonowanych strzemiona powinny być spawane do słupa stalowego lub przepuszczone przez otwory nawiercone w środniku. Stopień zbrojenia podłużnego w stosunku do przekroju betonu powinien być nie mniejszy niż 0,3% oraz nie większy niż 6%. W rurach stalowych wypełnionych betonem o średnicy d ≤ 400 mm zbrojenie nie jest wymagane. Stosowanie zbrojenia może być jednak konieczne ze względu na wymaganą odporność ogniową. W rurach stalowych wypełnionych betonem należy przewidzieć otwory do odprowadzenia pary z betonu na wypadek pożaru. Otwory należy usytuować przy końcach słupa oraz w przekrojach pośrednich w odległości nie większej niż 5 m. W każdym przekroju należy wykonać co najmniej dwa otwory, a łączna powierzchnia wszystkich otworów powinna być nie mniejsza niż 6 cm2. Grubość otulenia słupa stalowego w elementach całkowicie obetonowanych powinna być nie mniejsza niż 40 mm i nie mniejsza niż 1/6 szerokości półki. Grubość otulenia prętów zbrojeniowych powinna być zgodna z wymaganiami normy PN-EN 1992-1-1. Beton w słupach zespolonych powinien być starannie zagęszczony, szczególnie w otoczeniu łączników oraz w rurach wypełnionych betonem. Połączenia słupów między sobą należy konstruować tak, aby przekazywanie sił następowało bezpośrednio ze stali na stal oraz z betonu na beton. W przypadku, gdy naprężenia styczne między stalą i betonem przekraczają wartości graniczne wg normy PN-EN 1994-1-1, należy stosować łączniki stalowe. Łączniki takie powinny być zawsze stosowane w strefach złączy oraz w strefach zmiany przekroju poprzecznego.

4. Zasady konstuowania schodów. Konstrukcja schodów żelbetowych musi być zawsze dokładnie opisana i przedstawiona na rysunkach w projekcie budowlanym. Jeśli nie jest skomplikowana, najprościej wykonać ją na miejscu budowy w sposób tradycyjny, czyli zbrojenie i betonowanie w uprzednio przygotowanym deskowaniu. Zatrudniona ekipa powinna być doświadczona – błędy popełnione na tym etapie są trudne do naprawienia. Schody monolityczne realizuje się razem ze stropem, ponieważ świeży beton najlepiej wiąże ze świeżym betonem. Możemy je zabetonować także po wykonaniu stropu. Wtedy wyprowadzamy zbrojenie (minimum 50 cm) do połączenia go z płytą biegową. Jednak jeśli wylejemy osobno strop i schody (oba elementy związane zbrojeniem), po jakimś czasie na miejscu styku zaczną pojawiać się pęknięcia. Schody żelbetowe wykonuje się w konstrukcji płytowej, policzkowej lub wspornikowej. Schody płytowe tworzy płyta biegowa połączona bezpośrednio z płytą spocznikową (spocznikiem, podestem) lub oparta na belkach spocznikowych (zwanych żebrami) stanowiących fragment spocznika. Belkę jako element przenoszący obciążenia specjalnie się zbroi. Z tego względu jest ona znacznie grubsza od płyty i wystaje poniżej stropu. Może być też w niej ukryta, wtedy jej szerokość musi być równa czterokrotnej grubości płyty spocznikowej. Każda płyta biegowa wymaga podparcia z dołu i góry: w podłodze (podwalina), stropie lub ścianie. Dzięki temu obciążenia ze schodów są przenoszone na konstrukcję budynku. Płyta biegowa w połączeniu ze spocznikami tworzy schody jednobiegowe, które muszą być oparte na dwóch przeciwległych ścianach. W przypadku bardzo dużej wysokości kondygnacji lub umieszczenia schodów w narożniku stosuje się dodatkowe podparcie pośrednie na płycie lub dwóch poprzecznych belkach spocznikowych zamocowanych w ścianach przylegających do biegu. Tak powstają schody dwubiegow