Železobeton - Reinforced concrete

Železobeton
Talbruecke-Bruenn 2005-08-04.jpg
Těžký železobetonový sloup, viděný před a po odlití betonu na místo kolem své výztužné klece
Typ Kompozitní materiál
Mechanické vlastnosti
Pevnost v tahut ) Pevnější než beton

Železobeton ( RC ), také nazývaný železobetonový beton ( RCC ), je kompozitní materiál, ve kterém je relativně nízká pevnost v tahu a tažnost betonu kompenzována zahrnutím výztuže s vyšší pevností v tahu nebo tažností. Výztuž je obvykle, i když ne nezbytně, z ocelových tyčí ( výztuž ) a je obvykle pasivně zapuštěna do betonu, než beton ztuhne. Celosvětově je to z hlediska objemu naprosto klíčový inženýrský materiál.

Popis

Výztužná schémata jsou obecně navržena tak, aby odolávala tahovým napětím v konkrétních oblastech betonu, která by mohla způsobit nepřijatelné praskání a/nebo strukturální selhání. Moderní železobeton může obsahovat různé výztužné materiály z oceli, polymerů nebo alternativního kompozitního materiálu ve spojení s výztuží nebo bez ní. Železobeton může být také trvale namáhán (beton v tlaku, výztuž v tahu), aby se zlepšilo chování konečné konstrukce při pracovním zatížení. Ve Spojených státech jsou nejběžnější způsoby, jak toho dosáhnout, známé jako předpětí a předpětí .

Pro pevnou, tvárnou a trvanlivou konstrukci musí mít výztuž alespoň následující vlastnosti:

  • Vysoká relativní pevnost
  • Vysoká tolerance tahového namáhání
  • Dobrá přilnavost k betonu, bez ohledu na pH, vlhkost a podobné faktory
  • Tepelná kompatibilita, která nezpůsobuje nepřijatelná napětí (jako je roztahování nebo smršťování) v reakci na měnící se teploty.
  • Trvanlivost v betonovém prostředí, například bez ohledu na korozi nebo trvalé napětí.

Dějiny

Nového tvaru pavilonu Philips postaveného v Bruselu pro Expo 58 bylo dosaženo použitím železobetonu

François Coignet byl první, kdo použil železobeton jako techniku ​​stavby stavebních konstrukcí. V roce 1853 postavil Coignet první železobetonovou konstrukci, čtyřpodlažní dům na adrese 72 rue Charles Michels na předměstí Paříže. Coignetův popis výztužného betonu naznačuje, že to neudělal kvůli prostředkům na zvýšení pevnosti betonu, ale kvůli tomu, aby se stěny v monolitické konstrukci nepřevrátily. V roce 1854 anglický stavitel William B. Wilkinson vyztužil betonovou střechu a podlahy v dvoupodlažním domě, který stavěl. Jeho umístění výztuže ukázalo, že na rozdíl od svých předchůdců měl znalosti tahových napětí.

Joseph Monier , francouzský zahradník 19. století, byl průkopníkem ve vývoji strukturálního, prefabrikovaného a železobetonu, protože nebyl spokojen se stávajícími materiály dostupnými pro výrobu trvanlivých květináčů. Byl mu udělen patent na vyztužení betonových květináčů smícháním drátěného pletiva a skořápky malty. V roce 1877 získal Monier další patent na pokročilejší techniku ​​vyztužování betonových sloupů a nosníků pomocí železných tyčí umístěných v mřížkovém vzoru. Ačkoli Monier nepochybně věděl, že výztužný beton zlepší jeho vnitřní soudržnost, není jasné, zda vůbec věděl, jak moc se pevnost betonu v tahu výztuží zlepšila.

Před 70. lety 19. století nebylo používání betonové konstrukce, ačkoli sahá až do římské říše , a které bylo znovu zavedeno na počátku 19. století, dosud prokázanou vědeckou technologií. Thaddeus Hyatt , publikoval zprávu s názvem Účet některých experimentů s portlandsko-cementovým betonem kombinovaným se železem jako stavebním materiálem, s odkazem na hospodárnost kovu ve stavebnictví a na zabezpečení proti požáru při výrobě střech, podlah a pochozích povrchů , ve kterém hlásil své experimenty na chování železobetonu. Jeho práce hrála hlavní roli ve vývoji betonové konstrukce jako osvědčené a studované vědy. Bez práce Hyatta by na pokroku v technologii mohly záviset nebezpečnější metody pokusů a omylů.

Ernest L. Ransome , anglický inženýr, byl raným inovátorem technik železobetonu na konci 19. století. S využitím znalostí železobetonu vyvinutých během předchozích 50 let Ransome vylepšil téměř všechny styly a techniky dřívějších vynálezců železobetonu. Klíčovou inovací společnosti Ransome bylo zkroucení výztužné ocelové tyče, čímž se zlepšilo její spojení s betonem. Ransome získal rostoucí slávu díky svým betonovým budovám a dokázal postavit dva první železobetonové mosty v Severní Americe. Jednou z prvních betonových budov postavených ve Spojených státech byl soukromý dům navržený Williamem Wardem , dokončený v roce 1876. Dům byl navržen zejména jako protipožární.

GA Wayss byl německý stavební inženýr a průkopník železobetonové konstrukce. V roce 1879 koupil Wayss německá práva na Monierovy patenty a v roce 1884 jeho firma Wayss & Freytag provedla první komerční použití železobetonu. Až do devadesátých let 19. století Wayss a jeho firma významně přispěli k rozvoji Monierova systému posilování a zavedli jej jako dobře rozvinutou vědeckou technologii.

Jedním z prvních železobetonových mrakodrapů byla 16patrová budova Ingalls v Cincinnati, postavená v roce 1904.

První železobetonovou budovou v jižní Kalifornii byla Laughlin Annex v centru Los Angeles , postavená v roce 1905. V roce 1906 bylo údajně vydáno 16 stavebních povolení na železobetonové budovy ve městě Los Angeles, včetně Temple Auditorium a 8patrového Haywardu. Hotel.

V roce 1906 částečný kolaps hotelu Bixby v Long Beach zabil při stavbě 10 dělníků, když bylo předpažbí odstraněno. Tato událost vyvolala zkoumání konkrétních postupů montáže a stavebních inspekcí. Konstrukce byla postavena ze železobetonových rámů s dutou hliněnou taškovou žebrovanou podlahou a dutými hliněnými výplňovými stěnami. Tato praxe byla odborníky silně zpochybňována a byla učiněna doporučení pro „čistou“ betonovou konstrukci s použitím železobetonu pro podlahy a stěny i rámy.

V dubnu 1904 dokončila Julia Morgan , americká architektka a inženýrka, která byla průkopníkem estetického využití železobetonu, svoji první železobetonovou konstrukci El Campanil, zvonici o délce 72 stop (22 m) na Mills College , která se nachází naproti záliv ze San Franciska . O dva roky později El Campanil přežila zemětřesení v San Francisku v roce 1906 bez jakéhokoli poškození, které jí pomohlo vybudovat si pověst a zahájit plodnou kariéru. Zemětřesení v roce 1906 také změnilo počáteční odpor veřejnosti vůči železobetonu jako stavebnímu materiálu, který byl kritizován kvůli vnímané tuposti. V roce 1908 San Francisco dozorčí rada změnila stavební předpisy města, aby umožnila širší využití železobetonu.

V roce 1906 vydala Národní asociace uživatelů cementu (NACU) standard č. 1 a v roce 1910 standardní stavební předpisy pro použití železobetonu .

Použití ve stavebnictví

Výztuž ze střechy Sagrady Famílie ve výstavbě (2009)

Pomocí železobetonu lze stavět mnoho různých typů struktur a komponent konstrukcí včetně desek , stěn , nosníků , sloupů , základů , rámů a dalších.

Železobeton lze klasifikovat jako prefabrikovaný nebo litý beton .

Návrh a implementace nejefektivnějšího podlahového systému je klíčem k vytváření optimálních stavebních struktur. Malé změny v návrhu podlahového systému mohou mít významný dopad na náklady na materiál, harmonogram stavby, maximální pevnost, provozní náklady, obsazenost a konečné využití budovy.

Bez vyztužení by nebylo možné stavět moderní konstrukce z betonového materiálu.

Chování železobetonu

Materiály

Beton je směsí hrubých (kamenných nebo cihelných třísek) a jemných (obecně pískových nebo drcených) kameniv s pastou z pojivového materiálu (obvykle portlandského cementu ) a vody. Když je cement smíchán s malým množstvím vody, hydratuje se za vzniku mikroskopických neprůhledných krystalových mřížek zapouzdřujících a zajišťujících agregát do tuhé struktury. Agregáty používané k výrobě betonu by neměly obsahovat škodlivé látky, jako jsou organické nečistoty, bahno, jíl, hnědé uhlí atd. Typické betonové směsi mají vysokou odolnost vůči tlakovým tlakům (asi 4 000 psi (28 MPa)); nicméně jakékoli znatelné napětí ( např. v důsledku ohýbání ) rozbije mikroskopickou tuhou mřížku, což má za následek popraskání a oddělení betonu. Z tohoto důvodu musí být typický nevyztužený beton dobře podepřen, aby se zabránilo vzniku napětí.

Pokud je do betonu umístěn materiál s vysokou pevností v tahu, jako je ocel , pak kompozitní materiál, železobeton, odolává nejen tlaku, ale také ohybu a dalším přímým tahovým akcím. Kompozitní část, kde beton odolává tlaku a výztuž „ výztuž “ odolává napětí, lze pro stavební průmysl vyrobit téměř do jakéhokoli tvaru a velikosti.

Klíčové vlastnosti

Tři fyzikální vlastnosti dodávají železobetonu jeho speciální vlastnosti:

  1. Koeficient teplotní roztažnosti betonu je podobný jako u oceli, eliminuje velké vnitřní napětí v důsledku rozdílů v tepelné roztažnosti.
  2. Když cementová pasta v betonu ztvrdne, odpovídá to povrchovým detailům oceli, což umožňuje efektivní přenos napětí mezi různými materiály. Ocelové tyče jsou obvykle zdrsněny nebo zvlněny, aby se dále zlepšilo spojení nebo soudržnost mezi betonem a ocelí.
  3. Alkalické chemické prostředí poskytuje alkalické rezervy (KOH, NaOH) a portlanditu ( hydroxid vápenatý ), obsažené v cementového způsobuje pasivační film podobě na povrchu oceli, což je mnohem více odolné vůči korozi , než by být v neutrálních nebo kyselých podmínkách. Když je cementová pasta vystavena vzduchu a meteorická voda reaguje s atmosférickým CO 2 , portlandit a hydrát křemičitanu vápenatého (CSH) ztvrdlé cementové pasty se postupně sytí a vysoké pH postupně klesá z 13,5 - 12,5 na 8,5, pH vody v rovnováze s kalcitem ( uhličitan vápenatý ) a ocel již není pasivována.

Zpravidla platí, že pouze pro představu řádově je ocel chráněna při pH nad ~ 11, ale začíná korodovat pod ~ 10 v závislosti na vlastnostech oceli a místních fyzikálně-chemických podmínkách, když beton zuhelnatí. Karbonatace betonu spolu s vniknutím chloridů patří k hlavním důvodům selhání výztužných tyčí v betonu.

Relativní průřezová plocha z oceli požadované pro typické železobetonu je obvykle poměrně malý a pohybuje se od 1% pro většinu nosníků a desek na 6% pro některé sloupce. Výztužné tyče mají obvykle kruhový průřez a liší se průměrem. Železobetonové konstrukce někdy obsahují opatření, jako jsou odvětrávaná dutá jádra, která kontrolují jejich vlhkost a vlhkost.

Rozdělení pevnostních charakteristik betonu (navzdory výztuži) podél průřezu svislých železobetonových prvků je nehomogenní.

Mechanismus složeného působení výztuže a betonu

Výztuž v RC konstrukci, jako je ocelová tyč, musí projít stejným namáháním nebo deformací jako okolní beton, aby se zabránilo nespojitosti, skluzu nebo oddělení dvou materiálů při zatížení. Udržování kompozitního účinku vyžaduje přenos zatížení mezi betonem a ocelí. Přímé napětí se přenáší z betonu na rozhraní tyče tak, aby se změnilo tahové napětí ve výztužné tyči po její délce. Tento přenos zatížení je dosažen pomocí vazby (ukotvení) a je idealizován jako souvislé napěťové pole, které se vyvíjí v blízkosti rozhraní oceli a betonu. Důvody, proč mohou dvě různé materiálové složky beton a ocel spolupracovat, jsou následující: (1) Vyztužení může být dobře spojeno s betonem, takže mohou společně odolávat vnějšímu zatížení a deformaci. (2) Koeficienty tepelné roztažnosti betonu a oceli jsou tak blízké (1,0 × 10-5 ~ 1,5 × 10-5 pro beton a 1,2 × 10-5 pro ocel), že poškození vazby mezi těmito dvěma vyvolané tepelným napětím komponentům lze zabránit. (3) Beton může chránit zapuštěnou ocel před korozí a změkčením způsobeným vysokými teplotami.

Kotvení (vazba) v betonu: Kódy specifikací

Protože skutečné napětí vazby se mění po délce tyče ukotvené v zóně napětí, používají současné mezinárodní kódy specifikací spíše délku vývoje než napětí vazby. Hlavním požadavkem na bezpečnost proti selhání vazby je zajistit dostatečné prodloužení délky tyče za bod, kde je požadována ocel, aby vyvinula své mez kluzu, a tato délka musí být alespoň stejná jako její vývojová délka. Pokud je však skutečná dostupná délka pro úplný vývoj nedostatečná, musí být k dispozici speciální ukotvení, například ozubená kola nebo háčky nebo mechanické koncové desky. Stejný koncept platí pro délku svaru spojenou v kódech, kde spoje (překrývající se) jsou uspořádány mezi dvěma sousedními tyčemi, aby byla zachována požadovaná kontinuita napětí v zóně spoje.

Protikorozní opatření

Ve vlhkém a chladném podnebí může být železobeton pro silnice, mosty, parkovací stavby a další stavby, které mohou být vystaveny rozmrazovací soli, těžit z použití výztuže odolné proti korozi, jako je nepotažený nízko uhlík/chrom (mikrokompozit) potažený epoxidem , žárově pozinkovaná nebo nerezová výztuž. Dobrý design a dobře zvolená betonová směs poskytne další ochranu pro mnoho aplikací. Nepotažená výztuž s nízkým obsahem uhlíku a chromu vypadá podobně jako standardní výztuž z uhlíkové oceli, protože chybí povlak; jeho vysoce korozivzdorné vlastnosti jsou vlastní ocelové mikrostruktuře. Lze jej identifikovat podle jedinečného označení mlýna specifikovaného ASTM na hladkém, tmavém povrchu dřevěného uhlí. Epoxidem potaženou výztuž lze snadno identifikovat podle světle zelené barvy jejího epoxidového povlaku. Žárově pozinkovaná výztuž může být světlá nebo matně šedá v závislosti na délce expozice a nerezová výztuž vykazuje typický bílý kovový lesk, který je snadno odlišitelný od výztužné tyče z uhlíkové oceli. Referenční standardní specifikace ASTM A1035/A1035M Standardní specifikace pro deformované a obyčejné nízkouhlíkové, chromové, ocelové tyče pro vyztužení betonu, A767 standardní specifikace pro žárově pozinkované výztužné tyče, standardní specifikace A775 pro epoxidové ocelové výztužné tyče a A955 standardní specifikace pro deformované a hladké nerezové tyče pro vyztužení betonu.

Dalším, levnějším způsobem ochrany výztužných prutů je jejich potažení fosfátem zinečnatým . Fosforečnan zinečnatý pomalu reaguje s vápenatými kationty a hydroxylovými anionty přítomnými ve vodě z cementových pórů a vytváří stabilní vrstvu hydroxyapatitu .

Penetrační tmely je obvykle nutné aplikovat nějakou dobu po vytvrzení. Mezi tmely patří barvy, plastové pěny, fólie a hliníkové fólie , plsti nebo textilní rohože utěsněné dehtem a vrstvy bentonitové hlíny, někdy používané k utěsnění vozovek.

Inhibitory koroze , jako je dusitan vápenatý [Ca (NO 2 ) 2 ], lze také přidat do vodní směsi před litím betonu. Obecně platí, že 1–2 hm. % [Ca (NO 2 ) 2 ] vzhledem k hmotnosti cementu je zapotřebí, aby se zabránilo korozi výztužných prutů. Dusitanový anion je mírné oxidační činidlo, které oxiduje rozpustné a mobilní ionty železa (Fe 2+ ) přítomné na povrchu korodující oceli a způsobuje jejich srážení jako nerozpustný hydroxid železitý (Fe (OH) 3 ). To způsobuje pasivaci oceli v místech anodické oxidace. Dusitany jsou mnohem aktivnějším inhibitorem koroze než dusičnany , což je méně účinné oxidační činidlo dvojmocného železa.

Výztuž a terminologie nosníků

Dva protínající se nosníky integrální k desce parkovací garáže, které budou obsahovat jak výztužnou ocel, tak elektroinstalaci, spojovací skříně a další elektrické komponenty nutné k instalaci stropního osvětlení úrovně garáže pod ní.
Krátké video posledního paprsku umístěného na vyvýšené silnici, která je součástí nové silnice poblíž Cardiffského zálivu ve Walesu

Paprsek se ohýbá pod ohybovým momentem , což má za následek malé zakřivení. Na vnějším povrchu (tahová plocha) zakřivení beton působí tahovým napětím, zatímco na vnitřní ploše (tlakové ploše) působí tlakové napětí.

Jednotlivě zesílený nosník je taková, ve které je beton vyztužený prvek pouze v blízkosti tahu obličej a výztuže, tzv napětí ocel, je navržen tak, aby odolávat napětí.

Dvojnásobně zesílený nosník je úsek, ve kterém kromě tahové výztuže betonu prvek je posílena v blízkosti tlakové ploše pomoci betonu odolávat stlačení a se namáhání. Druhá výztuž se nazývá tlaková ocel. Pokud je tlaková zóna betonu nedostatečná k tomu, aby odolala tlakovému momentu (kladný moment), je nutné zajistit dodatečnou výztuž, pokud architekt omezí rozměry řezu.

Nedostatečně vyztužený nosník je ten, ve kterém je napínací schopnost tahové výztuže menší než kombinovaná tlaková kapacita betonu a tlakové oceli (v tahové ploše nedostatečně vyztužená). Když je železobetonový prvek vystaven rostoucímu ohybovému momentu, tažná ocel se získá, zatímco beton nedosáhne svého konečného stavu porušení. Jak se tažná ocel podepírá a natahuje, „podztužený“ beton se také poddajně táhne, vykazuje velkou deformaci a varování před konečným selháním. V tomto případě je posouzením mez kluzu oceli.

Přes zesílený nosník je takový, ve kterém je napětí kapacita tažné oceli, je větší, než kombinované kompresní kapacity betonu a kompresní oceli (nad vyztuženého v tahu obličeje). Takže paprsek „nadměrně vyztuženého betonu“ selhává rozdrcením betonu v tlakové zóně a předtím, než se podepne ocel v tahové zóně, což neposkytuje žádné varování před poruchou, protože porucha je okamžitá.

Dáno zesílený nosník je takový, ve kterém oba tlakové a tahové zóny dosáhnou získá současně uložené zatížení nosníku a betonové rozdrtí a ocelový se získá ve stejnou dobu. Toto konstrukční kritérium je však stejně rizikové jako nadměrně vyztužený beton, protože selhání je náhlé, protože beton drtí současně s výtěžky tahové oceli, což dává velmi malé varování před stresem při porušení tahem.

Ocelové železobetonové momentové prvky by normálně měly být navrženy jako nedostatečně vyztužené, aby uživatelé konstrukce dostali varování před blížícím se kolapsem.

Charakteristická pevnost je pevnost materiálu, kde méně než 5% vzorků má nižší pevnost.

Pevnost konstrukce nebo jmenovité pevnosti je pevnost materiálu, včetně materiálu, bezpečnostní faktor. Hodnota součinitele bezpečnosti se obecně při návrhu přípustného napětí pohybuje od 0,75 do 0,85 .

Mezní stav je teoretická selhání bod s určitou pravděpodobností. Udává se pod faktorizovanými zátěžemi a faktorizovanými odpory.

Železobetonové konstrukce jsou obvykle navrhovány podle pravidel a předpisů nebo doporučení kódu, jako je ACI-318, CEB, Eurokód 2 nebo podobně. Při navrhování konstrukčních prvků RC se používají metody WSD, USD nebo LRFD. Analýzu a návrh RC členů lze provádět pomocí lineárních nebo nelineárních přístupů. Při aplikaci bezpečnostních faktorů stavební kódy obvykle navrhují lineární přístupy, ale v některých případech nelineární přístupy. Chcete-li zobrazit příklady nelineární numerické simulace a výpočtu, navštivte odkazy:

Předpjatý beton

Předpětí betonu je technika, která výrazně zvyšuje únosnost betonových nosníků. Výztužná ocel ve spodní části nosníku, která bude při provozu vystavena tahovým silám, se napne, než se kolem ní nalije beton. Jakmile beton ztvrdne, napětí na výztužné oceli se uvolní a na beton se vloží zabudovaná tlaková síla. Při zatížení působí výztužná ocel na větší napětí a tlaková síla v betonu se sníží, ale nestane se tahovou silou. Protože je beton vždy pod tlakem, je méně náchylný k praskání a selhání.

Běžné způsoby poruch ocelového železobetonu

Železobeton může selhat v důsledku nedostatečné pevnosti, což vede k mechanické poruše, nebo v důsledku snížení její trvanlivosti. Cykly koroze a zmrazování/rozmrazování mohou poškodit špatně navržený nebo postavený železobeton. Když výztuž koroduje, oxidační produkty ( rez ) expandují a mají tendenci se odlupovat, praskají beton a uvolňují výztuž z betonu. Níže jsou popsány typické mechanismy vedoucí k problémům s trvanlivostí.

Mechanické selhání

Prasknutí betonové části je téměř nemožné zabránit; velikost a umístění trhlin lze však omezit a kontrolovat vhodnou výztuží, kontrolními spoji, metodikou vytvrzování a návrhem betonové směsi. Praskání může umožnit pronikání vlhkosti a korozi výztuže. Toto je chyba použitelnosti v návrhu mezního stavu . Praskání je obvykle výsledkem nedostatečného množství výztužné výztuže nebo výztužné tyče umístěné v příliš velké vzdálenosti. Beton pak při vytvrzování praská buď při nadměrném zatížení, nebo v důsledku vnitřních vlivů, jako je rané tepelné smrštění.

Konečné selhání vedoucí ke zhroucení může být způsobeno rozdrcením betonu, ke kterému dochází, když tlaková napětí překročí jeho pevnost, poddajností nebo porušením výztužné tyče, když ohybová nebo smyková napětí překročí pevnost výztuže, nebo selháním vazby mezi betonem a výztuž.

Karbonatace

Prasknutí betonové zdi jako ocelová výztuž koroduje a bobtná. Rez má nižší hustotu než kov, takže se při tvorbě rozpíná, praská dekorativní obklad ze zdi a poškozuje konstrukční beton. Odlomení materiálu z povrchu se nazývá odlupování .
Podrobný pohled na odlupování pravděpodobně způsobené příliš tenkou vrstvou betonu mezi ocelí a povrchem, doprovázenou korozí z vnějšího působení.

Karbonatace neboli neutralizace je chemická reakce mezi oxidem uhličitým ve vzduchu a hydroxidem vápenatým a hydratovaným křemičitanem vápenatým v betonu.

Při navrhování betonové konstrukce je obvyklé specifikovat betonový kryt pro výztuž (hloubka výztuže v objektu). Minimální betonový kryt je normálně regulován konstrukčními nebo stavebními předpisy . Pokud je výztuž příliš blízko povrchu, může dojít k brzkému selhání v důsledku koroze. Hloubku krytí betonu lze měřit krycím měřičem . U uhličitanového betonu však nastává problém trvanlivosti pouze tehdy, je -li také dostatek vlhkosti a kyslíku, které způsobují elektropotenciální korozi výztužné oceli.

Jednou z metod testování struktury pro karbonataci je vyvrtat čerstvý otvor do povrchu a poté oříznout povrch řezaného indikačního roztoku fenolftaleinu . Toto řešení při kontaktu s alkalickým betonem zrůžoví , takže je možné vidět hloubku karbonatace. Použití stávajícího otvoru nestačí, protože obnažený povrch již bude sycen.

Chloridy

Chloridy mohou podporovat korozi vložené výztuže, pokud jsou přítomny v dostatečně vysoké koncentraci. Chloridové anionty indukují jak lokální korozi ( důlková koroze ), tak generalizovanou korozi ocelových výztuží. Z tohoto důvodu by se pro míchání betonu měla používat pouze čerstvá surová voda nebo pitná voda, zajistit, aby hrubé a jemné kamenivo neobsahovalo chloridy, spíše než příměsi, které by mohly obsahovat chloridy.

Výztuž pro základy a stěny čerpací stanice odpadních vod.
Paulins zabít viadukt , Hainesburg, New Jersey, je 115 stop (35 m) vysoký a 1100 stop (335 m) dlouho a byl vyhlášen jako největší stavba železobetonového na světě, když to bylo dokončeno v roce 1910 jako součást Lackawanna Cut-Off železniční projekt. Lackawanna železnice byl průkopníkem v použití železobetonu.

Kdysi bylo běžné, že se chlorid vápenatý používal jako přísada na podporu rychlého tuhnutí betonu. Také se mylně věřilo, že zabrání zamrznutí. Tato praxe však upadla v nemilost, jakmile byly známy škodlivé účinky chloridů. Je třeba se tomu vyhnout, kdykoli je to možné.

Použití rozmrazovacích solí na vozovkách, používaných ke snížení bodu tuhnutí vody, je pravděpodobně jednou z hlavních příčin předčasného selhání mostovek, vozovek a parkovacích garáží z vyztuženého nebo předpjatého betonu. Použití výztužných tyčí potažených epoxidem a použití katodické ochrany tento problém do určité míry zmírnilo. Rovněž je známo, že výztuže FRP (polymer vyztužený vlákny) jsou méně citlivé na chloridy. Správně navržené betonové směsi, kterým bylo umožněno řádně vytvrzovat, jsou účinně odolné vůči účinkům odmrazovačů.

Dalším důležitým zdrojem chloridových iontů je mořská voda . Mořská voda obsahuje přibližně 3,5% hmotnostních solí. Tyto soli zahrnují chlorid sodný , síran hořečnatý , síran vápenatý , a hydrogenuhličitany . Ve vodě se tyto soli disociují ve volných iontech (Na + , Mg 2+ , Cl - , SO 4 2− , HCO 3 - ) a migrují s vodou do kapilár betonu. Chloridové ionty, které tvoří asi 50% těchto iontů, jsou obzvláště agresivní jako příčina koroze výztužných tyčí z uhlíkové oceli.

V šedesátých a sedmdesátých letech bylo také poměrně běžné , že jako materiál na vrchní vrstvu podlahy byl používán magnezit , minerál uhličitanu bohatého na chloridy . To bylo provedeno hlavně jako vyrovnávací a zvukově útlumová vrstva. Nyní je však známo, že když tyto materiály přicházejí do styku s vlhkostí, produkují slabý roztok kyseliny chlorovodíkové v důsledku přítomnosti chloridů v magnezitu. Po určitou dobu (obvykle desítky let) způsobí řešení korozi vložených výztuží . To bylo nejčastěji zjištěno ve vlhkých oblastech nebo oblastech opakovaně vystavených vlhkosti.

Alkalická křemičitá reakce

Tato reakce amorfního oxidu křemičitého ( chalcedon , chert , křemičitý vápenec ) je někdy přítomna v agregátech s hydroxylovými ionty (OH - ) z roztoku cementových pórů. Špatně krystalizovaný oxid křemičitý (SiO 2 ) se rozpouští a disociuje při vysokém pH (12,5 - 13,5) v zásadité vodě. Rozpustná disociovaná kyselina křemičitá reaguje v pórovité vodě s hydroxidem vápenatým ( portlanditem ) přítomným v cementové pastě za vzniku expanzivního hydrátu křemičitanu vápenatého (CSH). Alkalických oxid křemičitý reakce (ASR) způsobuje lokalizované otoky zodpovědný za napětí v tahu a trhlin . Podmínky požadované pro reakci alkalického oxidu křemičitého jsou tři: (1) kamenivo, obsahující alkalické reaktivní složka (amorfní oxid křemičitý), (2) dostatečné dostupnosti hydroxylových iontů (OH - ) a (3) dostatečné množství vlhkosti, vyšší než 75% relativní vlhkosti (RH) v betonu. Tento jev je někdy lidově označován jako „ betonová rakovina “. Tato reakce probíhá nezávisle na přítomnosti výztužných prutů; mohou být ovlivněny masivní betonové konstrukce, jako jsou přehrady .

Přeměna cementu s vysokým obsahem oxidu hlinitého

Tento cement, odolný vůči slabým kyselinám a zejména síranům, rychle tvrdne a má velmi vysokou trvanlivost a pevnost. Po druhé světové válce byl často používán k výrobě prefabrikovaných betonových předmětů. Může však ztrácet sílu teplem nebo časem (konverzí), zvláště když není řádně vyléčen. Po zřícení tří střech z předpjatých betonových nosníků s použitím cementu s vysokým obsahem oxidu hlinitého byl tento cement ve Velké Británii zakázán v roce 1976. Následná šetření této záležitosti ukázala, že nosníky byly vyrobeny nesprávně, ale zákaz zůstal.

Sulfáty

Sírany (SO 4 ) v půdě nebo v podzemních vodách, v dostatečné koncentraci, mohou reagovat s portlandským cementem v betonu a způsobit tvorbu expanzivních produktů, např. Ettringitu nebo thaumasitu , což může vést k časnému selhání struktury. Nejtypičtější útok tohoto typu je na betonové desky a základové zdi ve stupních, kde se může koncentrace síranového iontu prostřednictvím alternativního smáčení a sušení zvýšit. Jak se koncentrace zvyšuje, útok na portlandský cement může začít. U zakopaných staveb, jako je potrubí, je tento typ útoku mnohem vzácnější, zejména na východě USA. Koncentrace síranových iontů se v půdní hmotě zvyšuje mnohem pomaleji a je zvláště závislá na počátečním množství síranů v původní půdě. Chemická analýza půdních vrtů ke kontrole přítomnosti síranů by měla být provedena ve fázi návrhu jakéhokoli projektu zahrnujícího beton v kontaktu s původní půdou. Pokud se zjistí, že koncentrace jsou agresivní, lze použít různé ochranné nátěry. Také v USA lze do směsi použít portlandský cement ASTM C150 typ 5. Tento typ cementu je navržen tak, aby byl zvláště odolný vůči síranovému napadení.

Konstrukce z ocelového plechu

Při konstrukci ocelových plechů se podélníky spojují s rovnoběžnými ocelovými plechy. Deskové sestavy se vyrábějí mimo staveniště a svařují se na místě, aby vytvořily ocelové stěny spojené výztuhami. Stěny se stávají formou, do které se nalije beton. Konstrukce ocelových plechů urychluje konstrukci železobetonu tím, že omezí časově náročné manuální kroky vázání výztuže a stavebních forem. Výsledkem metody je vynikající pevnost, protože ocel je na vnější straně, kde jsou tahové síly často největší.

Vláknobeton

Vláknitá výztuž se používá hlavně do stříkaného betonu , ale lze ji použít i do normálního betonu. Vlákny vyztužený normální beton se většinou používá pro přízemní podlahy a chodníky, ale lze jej zvážit také pro širokou škálu stavebních dílů (trámy, pilíře, základy atd.), Buď samostatně, nebo s ručně vázanými výztužemi.

Beton vyztužený vlákny (kterými jsou obvykle ocel, sklo , plastová vlákna ) nebo celulózovým polymerním vláknem je levnější než ručně vázaná výztuž. Důležitý je tvar, rozměr a délka vlákna. Tenké a krátké vlákno, například krátké skleněné vlákno ve tvaru vlasů, je účinné pouze během prvních hodin po nalití betonu (jeho funkcí je omezit praskání, zatímco beton zpevňuje), ale nezvýší pevnost betonu v tahu . Vlákno normální velikosti pro evropský stříkaný beton (průměr 1 mm, délka 45 mm-ocel nebo plast) zvýší pevnost betonu v tahu. Vláknová výztuž se nejčastěji používá k doplnění nebo částečné výměně primární výztuže a v některých případech může být navržena tak, aby plně nahradila výztuž.

Ocel je nejsilnější běžně dostupné vlákno a dodává se v různých délkách (30 až 80 mm v Evropě) a tvarech (koncové háky). Ocelová vlákna lze použít pouze na povrchy, které mohou tolerovat nebo se vyhnout skvrnám od koroze a rzi. V některých případech je povrch z ocelových vláken potažen jinými materiály.

Skleněné vlákno je levné a odolné proti korozi, ale není tak tvárné jako ocel. V poslední době je v USA a západní Evropě k dispozici spředené čedičové vlákno , které je již dlouho dostupné ve východní Evropě. Čedičová vlákna jsou silnější a levnější než sklo, ale historicky neodolala zásaditému prostředí portlandského cementu natolik, aby mohla být použita jako přímá výztuž. Nové materiály používají k izolaci čedičových vláken od cementu plastová pojiva.

Prémiová vlákna jsou plastová vlákna vyztužená grafitem , která jsou téměř stejně pevná jako ocel, lehčí a odolná proti korozi. Některé experimenty měly slibné rané výsledky s uhlíkovými nanotrubičkami , ale materiál je pro každou budovu stále příliš drahý.

Neocelová výztuž

Mezi předměty ocelové výztuže a vyztužení betonu vlákny je značné překrývání. Zavedení betonářské výztuže mimo ocel je relativně nedávné; má dvě hlavní formy: nekovové výztužné tyče a neocelová (obvykle také nekovová) vlákna zabudovaná do cementové matrice. Roste například zájem o beton vyztužený skelnými vlákny (GFRC) a o různé aplikace polymerních vláken zabudovaných do betonu. Ačkoli v současné době není mnoho náznaků, že takové materiály nahradí kovovou výztuž, některé z nich mají zásadní výhody v konkrétních aplikacích a existují také nové aplikace, ve kterých kovová výztuž jednoduše nepřichází v úvahu. Konstrukce a aplikace neocelové výztuže je však plná výzev. Jednak je beton vysoce zásaditým prostředím, ve kterém má mnoho materiálů, včetně většiny druhů skla, špatnou životnost . Chování těchto výztužných materiálů se také liší od chování kovů, například pokud jde o pevnost ve smyku, dotvarování a pružnost.

Plast/polymer vyztužený vlákny (FRP) a plast vyztužený sklem (GRP) se skládá z vláken z polymeru , skla, uhlíku, aramidu nebo jiných polymerů nebo vysokopevnostních vláken zasazených do pryskyřičné matrice za vzniku výztužné tyče nebo mřížky, nebo vlákna. Tyto výztuže jsou instalovány v podstatě stejným způsobem jako ocelové výztuže. Náklady jsou vyšší, ale vhodně aplikované, struktury mají výhody, zejména dramatické snížení problémů souvisejících s korozí , buď vnitřní zásaditostí betonu nebo vnějšími korozivními kapalinami, které by mohly proniknout do betonu. Tyto struktury mohou být výrazně lehčí a obvykle mají delší životnost . Náklady na tyto materiály od jejich rozšířeného přijetí v leteckém průmyslu a v armádě dramaticky klesly.

Zejména tyče FRP jsou užitečné pro konstrukce, kde by přítomnost oceli nebyla přijatelná. Například stroje MRI mají obrovské magnety, a proto vyžadují nemagnetické budovy. Opět platí, že výběr mýtného , které čtou rozhlasové značky potřebují železobetonu, který je transparentní pro radiové vlny . Také tam, kde je životnost konstrukce betonové konstrukce důležitější než její počáteční náklady, má ocelová výztuž často své výhody tam, kde je koroze výztužné oceli hlavní příčinou selhání. V takových situacích může korozivzdorná výztuž podstatně prodloužit životnost konstrukce, například v přílivové zóně . Tyče FRP mohou být také užitečné v situacích, kdy je pravděpodobné, že v budoucích letech dojde k narušení betonové konstrukce, například hrany balkonů při výměně zábradlí a koupelnové podlahy ve vícepodlažní konstrukci, kde je životnost podlahové konstrukce je pravděpodobně mnohonásobně delší životnost hydroizolační stavební membrány.

Plastová výztuž je často silnější nebo má alespoň lepší poměr pevnosti k hmotnosti než výztužné oceli. Protože také odolává korozi, nepotřebuje ochranný betonový kryt tak silný jako ocelová výztuž (obvykle 30 až 50 mm nebo více). Konstrukce vyztužené FRP proto mohou být lehčí a vydrží déle. V souladu s tím budou u některých aplikací náklady na celou životnost cenově konkurenceschopné u železobetonu.

Tyto materiálové vlastnosti plastu vyztuženého vlákny nebo GRP tyčí výrazně liší od oceli, takže existují rozdíly v konstrukčních úvah. Tyče FRP nebo GRP mají relativně vyšší pevnost v tahu, ale nižší tuhost, takže průhyby budou pravděpodobně vyšší než u ekvivalentních jednotek vyztužených ocelí. Konstrukce s vnitřní FRP výztuží mají typicky pružnou deformovatelnost srovnatelnou s plastickou deformovatelností (tažností) ocelových vyztužených konstrukcí. K selhání v obou případech dochází spíše stlačením betonu než prasknutím výztuže. Průhyb je u železobetonu vždy hlavní konstrukční úvahou. Limity průhybu jsou stanoveny tak, aby bylo zajištěno, že šířky trhlin v železobetonu jsou kontrolovány, aby se zabránilo vniknutí vody, vzduchu nebo jiných agresivních látek do oceli a způsobení koroze. U FRP vyztuženého betonu bude limitujícím kritériem pro kontrolu šířky trhlin estetika a případně vodotěsnost. Tyče FRP mají také relativně nižší pevnost v tlaku než ocelová výztuž, a proto vyžadují různé konstrukční přístupy pro železobetonové sloupy .

Jednou nevýhodou použití výztuže FRP je jejich omezená požární odolnost. Pokud jde o požární bezpečnost, musí konstrukce využívající FRP udržovat svoji pevnost a ukotvení sil při teplotách, které lze v případě požáru očekávat. Pro protipožární ochranu je nutná adekvátní tloušťka cementobetonového krytu nebo ochranného pláště. Ukázalo se, že přidání 1 kg/m 3 polypropylenových vláken do betonu snižuje odlupování během simulovaného požáru. (Předpokládá se, že zlepšení je způsobeno tvorbou cest z velké části betonu, což umožňuje rozptýlení tlaku páry.)

Dalším problémem je účinnost smykové výztuže. Třmeny vyztužené výztuží FRP vytvořené ohýbáním před vytvrzováním mají obecně relativně špatný výkon ve srovnání s ocelovými třmínky nebo strukturami s přímými vlákny. Při namáhání je oblast mezi rovnými a zakřivenými oblastmi vystavena silnému ohybovému, smykovému a podélnému napětí. K řešení těchto problémů jsou nutné speciální konstrukční techniky.

Roste zájem o aplikaci vnější výztuže na stávající konstrukce pomocí pokročilých materiálů, jako je kompozitní (sklolaminátová, čedičová, uhlíková) výztuž, která může propůjčit výjimečnou pevnost. Na celém světě existuje řada značek kompozitních výztuží uznávaných různými zeměmi, jako jsou Aslan, DACOT, V-rod a ComBar. Počet projektů využívajících kompozitní výztuž se na celém světě každým dnem zvyšuje, v zemích od USA, Ruska a Jižní Koreje po Německo.

Viz také

Reference

Další čtení