Betonske Konstrukcije - Prvi Deo - 0

Brujić: Betonske konstrukcije u zgradarstvu 1

0. UVOD

0.1. PRIMENA I ZNAČAJ ARMIRANOG BETONA

Armirani beton, u savremenom građevinarstvu, po funkcionalnosti, ekonomičnosti, mogućno-

sti primene, jednostavnosti, neograničenoj mogućnosti oblikovanja, te konstruktivnim dome-

tima, nadmašuje druge građevinske materijale, iako je relativno nov materijal (u savremenom

obliku).

Za veliki broj objekata (silosi, bunkeri, dimnjaci, kesoni, potporni zidovi, zgrade, mostovi,

hidrotehnički objekti...) armiranobetonske i/ili prednapregnute konstrukcije se teško mogu

zameniti konstrukcijama od drugih materijala, a povoljnije su u ekonomskom i funkcionalnom

pogledu, a neretko i u estetskom.

Armirani beton ima veliku čvrstoću i postojanost, a relativno je deformabilan i jeftin. Ovo ga

čini nezamenljivim gradivom kod objekata kao što su skloništa, tuneli, putevi, tornjevi... Re-

lativno velike je gustine i visokog sadržaja vodonika zbog čega ima sposobnost apsorpcije

gama-zraka, iz čega proizilazi njegova primena kod nuklearnih elektrana i, uopšte, u zaštiti

od ove vrste zračenja.

Primena prednaprezanja kod armiranog betona dodatno širi domen primene. Prednapregnuti

armiranobetonski elementi su osigurani od pojave pukotina, a odlikuju se manjim dimenzi-

jama i većom ekonomičnošću kod objekata velikih raspona, te kod nekih vrsta specijalnih

objekata.

0.2. PRIRODA ARMIRANOG BETONA

Armirani beton je kombinacija dvaju materijala vrlo različitih po svojim mehaničkim osobi-

nama – čelika i betona, koji zajednički, kao monolitna celina, učestvuju u prijemu i prenosu

opterećenja. Čelik se odlikuje visokom i podjednakom nosivošću na pritisak i zatezanje, dok

je nosivost betona na zatezanje, kao što je kod svakog kamena, 10 do 15 puta manja od

njegove nosivosti na pritisak. Osim u ovome, dva materijala se razlikuju u apsolutnim vred-

nostima nosivosti, linearnosti ponašanja, reologiji... Ipak, zajednički rad dva materijala, tako

različita po svojoj suštini, kao jedno telo je ne samo moguć nego i vrlo koristan. Glavni razlozi

u prilog ovome su [53]:

• Beton ima osobinu da u toku stvrdnjavanja čvrsto prijanja uz čelik, zbog čega, pod dej-

stvom spoljašnjih sila, oba materijala rade zajedno uz očuvanje kompatibilnosti deforma-

cija na spoju dva materijala (susedne čestice betona i čelika imaju jednake deformacije).

Čelik u ovom zajedničkom radu, kao jači, prihvata relativno veći deo napona kojima je

izloženo ovo kompleksno telo.

• Čelik i beton imaju podjednake koeficijente toplotnog širenja. Ovaj koeficijent za čelik ima

vrednost 0.000012 1/ºC, dok je njegova vrednost za beton u granicama između 0.000010

i 0.0000148 1/ºC. Ovako male razlike predmetnog koeficijenta, pri temperaturnim pro-

menama kojima je kombinovani materijal armirani beton izložen, rezultuju zanemarljivo

malim unutrašnjim naponima, nedovoljnim da izazovu bilo kakvo oštećenje u elementu.

Istovremeno, beton je znatno lošiji provodnik toplote od čelika, čime štiti čelik od naglih

Betonske konstrukcije u zgradarstvu

2

temperaturnih promena. Sloj betona oko armaturnog čelika je i osnova požarne otpornosti

armiranobetonskih elemenata i konstrukcija.

• Beton štiti ugrađeni čelik od korozije. Dobro ugrađen, kompaktan beton oslobođen širokih

prslina sprečava (zbog bazičnog karaktera hemijskih reakcija i obilnog lučenja Ca(OH)2)

prodor vlage i vazduha do čelika za armiranje obezbeđujući eksploatacioni vek konstruk-

ciji.

Kombinacija dvaju materijala obezbeđuje dobro iskorišćenje svakog od njih na način da se

betonom primarno primaju naponi pritiska, a čelikom zatezanja. Ako posmatramo prostu AB

gredu (Sl. 0/1) naprezanu savijanjem, iznad neutralne linije vlada pritisak, a ispod zatezanje

(posmatrano u podužnom pravcu). Da bi se smanjile dimenzije poprečnog preseka (u odnosu

na samo betonsku gredu), u zategnutu zonu se postavlja čelik, koji dobro prima zatežuća

naprezanja. Kod proračuna nosivosti grede smatra se da je beton pukao do visine neutralne

ose, te da ispod nje ne učestvuje u prijemu uticaja.

Sl. 0/1. Armiranobetonska greda

0.3. PREDNOSTI I MANE ARMIRANOG BETONA

Kao što je slučaj kod svakog materijala, i armirani beton (te armiranobetonske konstrukcije)

se odlikuju nizom prednosti i mana u odnosu na druge gradivne materijale. U osnovne pred-

nosti armiranog betona kao materijala treba ubrojati:

• Nezapaljivost i otpornost na požar. Za razliku od čelika koji se značajno deformiše na

visokim temperaturama, beton je, a ovo posebno zavisi od izbora agregata (posebno su

otporni betoni sa agregatom od šljake, zgure iz visokih peći, bazalta, dolomita...), materijal

(donekle) otporan na dejstvo visokih temperatura. Dejstvo visokih temperatura ga isušuje

(gubi vodu) i time se povećava njegova termička otpornost. U armiranobetonskim kon-

strukcijama beton, zaštitnim slojem, štiti čelik od brzog zagrevanja. Tako je zaštitnim slo-

jem betona debljine 2.5cm obezbeđen čelik od pregrevanja (temperature preko 550°C) u

trajanju od jednog sata.

• Trajnost. Trajnost armiranobetonskih konstrukcija je, pre svega, zasnovana na činjenici da

se čelik štiti od korozije okolnim betonom, ali i činjenicom da se beton odlikuje zadržava-

njem (čak uvećanjem) mehaničkih karakteristika tokom vremena. Ipak, zahteve trajnosti

mogu ispuniti samo konstrukcije izvedene u kompaktnom betonu, redovno i pravilno odr-

žavane.

• Otpornost prema spoljašnjim uticajima i dejstvima. Dobro ugrađen, kompaktan beton se

odlikuje visokom otpornošću na različite vrste hemijske agresije, a konstrukcije od armi-

ranog betona se primenjuju kod prijema i statičkih i dinamičkih dejstava. Svojom mono-

litnošću, krutošću i apsorpcionim (prigušenje) sposobnostima, armirani beton se pokazao

izuzetno pogodnim za izgradnju konstrukcija u područjima sa visokim rizikom od dejstva

jakih zemljotresa.

0. Uvod

Poglavlje 0 : strana 3 od 8 3

• Niski troškovi održavanja. Troškovi održavanja AB konstrukcija su, u poređenju posebno

sa čeličnim konstrukcijama, niski. Međutim, često se ovakvo razmišljanje svodi na potpuno

odsustvo održavanja, što, svakako, nije pravilno. Sadašnje, višedecenijsko iskustvo pri-

mene armiranog betona je ukazalo na činjenicu da je i on sklon različitim vrstama korozije,

te da se redovnost tehničkih pregleda i intervencija mora uspostaviti za sve vrste AB ele-

menata i konstrukcija. Naravno, kao i svi građevinski objekti, i armiranobetonski se pro-

jektuju i izvode za odgovarajući rok trajanja, zavisno od vrste objekta.

• Prilagodljivost oblika. Beton se lije u oplati i to ga čini materijalom u kojem je moguće

oblikovati proizvoljne forme. Ovim je omogućeno izvođenje konstrukcija i elemenata naj-

različitijih (i optimalnih) oblika i preseka, ali i zadovoljenje najrazličitijih arhitektonskih i

estetskih kriterijuma.

• Higijena. Beton je u prednosti nad čeličnim i drvenim konstrukcijama u pogledu higijene,

budući da nema šupljina u kojima bi bila legla parazita ili se zadržavala prašina.

U osnovne mane armiranog betona i armiranobetonskih konstrukcija treba ubrojati:

• Velika sopstvena težina. Imajući na umu dimenzije poprečnih preseka elemenata i zapre-

minsku težinu betona, armiranobetonske konstrukcije su teške. Ovo može da predstavlja

veliku manu u situacijama visokih intenziteta horizontalnog opterećenja, npr., ili ograni-

čenog dopuštenog opterećenja tla.

• Provodljivost zvuka i toplote. Na žalost, beton je dobar provodnik toplote i zvuka, što ga,

u izolacionom smislu, čini lošim materijalom i, u tom smislu, mora biti kombinovan sa

odgovarajućim, boljim, materijalima.

• Komplikovano i sporo izvođenje konstrukcija. Armiranobetonske konstrukcije su kompli-

kovane za izvođenje u smislu da traže mnogo stručno (različite struke) obučenog kadra.

Dodatno, neophodno vreme za očvršćavanje betona u oplati (izuzev kod montažnih kon-

strukcija) i nemogućnost (ili, bar, otežanost) betoniranja na niskim temperaturama, grad-

nju čine relativno sporom.

U ostale mane valja ubrojati malu mogućnost naknadnih intervencija, gubitak mehaničkih

svojstava pri dužoj izloženosti temperaturama preko 250°C, sklonost prskanju i formiranju

pukotina...

0.4. ISTORIJSKI PREGLEDi RAZVOJA ARMIRANOG BETONA

U poređenju sa drugim klasičnim građevinskim materijalima, armirani beton je relativno mlad.

Prve građevinske betonske konstrukcije su izgrađene u drugoj polovini XIX vekaii, a za kratko

vreme primena betona i armiranog betona se raširila na sve oblasti građevinarstva.

i Broj značajnih događaja i otkrića vezanih za razvoj betona i armiranog betona je izuzetno velik, razvoj

se paralelno odvijao na više lokacija i kontinenata, zavisno od nacionalnosti autora različit nivo značaja

je pridavan pojedinim događajima... Sve ovo čini da je korektan prikaz istorijskog razvoja moguće dati

samo u vrlo obimnoj formi. Kako to prevazilazi okvir ovog teksta, dati istorijski prikaz treba prihvatiti

samo kao informativan i nekompletan.

ii Iako su prve primene betona (hidrauličkih veziva) registrovana još kod starih Egipćana, Grka ili Rim-

ljana, beton, u smislu u kojem ga danas poznajemo, je razvijen tokom XIX veka.


4

Pronalazačem armiranog betonaiii smatra se pariski baštovan Joseph Monieriv, koji je svoj pro-

nalazak zaštitio 1867. Umesto velikih drvenih buradi za ukrasno bilje, on je počeo izrađivati

sudove sličnog oblika načinjene od žičane mreže obostrano omalterisane cementnim malte-

rom (Sl. 0/2). Nakon prvog patenta na baštovansku burad, Monier je patentirao izradu armi-

ranobetonskih rezervoara, cevi, ploča, svodova... od armiranog betona.

Sl. 0/2. Joseph Monier: Baštenska burad i shema AB grednog sistema (1867)

Sl. 0/3. Betonski čamac – Joseph-Louis Lambot

Ideja primene čelične okosnice obložene cementnim malterom je nešto starija. Sredinom XIX

veka, Francuz Joseph-Louis Lambotv je, na svetskoj izložbi u Parizu 1854., izložio čamac (Sl.

0/3) načinjen od žičane mreže premazane cementnim malteromvi, dok je Amerikanac Thad-

deus Hyattvii sprovodio eksperimente sa armiranobetonskim gredama i dao je opise mnogih

konstrukcija za koje je neophodno uvođenje čelika u betonviii. Takođe, na istoj izložbi sa Mo-

iii Ovo je više deklarativna tvrdnja. Naime, izuzetno je teško utvrditi šta su pravi počeci primene betona

budući da se niz bitnih otkrića vezanih za ovo dešavao već od početka XIX veka (npr., prvi portland ce-

ment je proizveden 1824. godine).

iv Joseph Monier (1823-1906), francuski baštovan.

v Joseph-Louis Lambot (1814-1887), francuski pronalazač.

vi Ovo je razlogom što se kod nekih autora, francuskih posebno, Lambot smatra izumiteljom betona.

vii Thaddeus Hyatt (1816-1901), američki industrijalac.

viii Njegovi radovi iz 1850-tih su ostali praktično nepoznati sve do 1877. godine, kada ih je prvi put

publikovao.

0. Uvod


nier-om, 1867. ali i u okviru publikovane knjige 1861. godine, drugi Francuz, Francois Co-

ignetix, je dao svoj predlog konstrukcija tavanica, svodova i cevi na bazi armiranog betona (Sl.

0/4). Ipak, Monier-ova zasluga je u tom što je uporno, uprkos prolaznim neuspesima, zastu-

pao i sprovodio svoju ideju štiteći je patentima (prvi francuski patent iz 1867. godine za armi-

ranobetonske posude, zatim za cevi, rezervoare, ravne ploče..., patenti u Nemačkoj, takođe),

i postizao praktične rezultate. Interesantno je da ove praktične uspehe nije pratilo nikakvo

kvantitativno znanje ili modeli proračuna.

Sl. 0/4. Fransois Coignet: detalji armiranja AB elemenata (1855-1860) i prva AB zgrada (1853)

Monier-ovi patenti su imali vrlo ograničenu primenu sve dok ih nekoliko nemačkih firmi nije

otkupilo. Uz materijalnu podršku ovih firmi, posebno su značajna istraživanja inženjera

Wayss-a i profesora Johann-a Bauschinger-ax, koji su sproveli niz naučnih eksperimenata sa

Monier-ovim konstrukcijama određujući im jačinu, otpornost na požar, očuvanost čelika, sile

prijanjanja betona i čelika i slično. Paralelno, Matias Kenan je počeo razrađivati teoretsku

stranu problema. On je prvi ukazao na potrebu prisustva čelika za armiranje u zonama u ko-

jima se očekuje zatezanje (prema Monier-u, čelik se polagao u sredinu debljine ploče). Pojava

prvih brošura sa opisima eksperimenata i metodama proračuna je značajno doprinela primeni

armiranog betona u Nemačkoj i Austrougarskoj.

U Francuskoj, gde je razvoj armiranog betona „kaskao“ za Nemačkom, 1892. se pojavio Fran-

cois Hennebiquexi sa svojim sistemom rebraste tavanice (Sl. 0/5), koji je izbegao potrebu za

čeličnim nosačima u konstrukciji i, tako, omogućio monolitno izvođenje armiranobetonskih

konstrukcija. U okviru tavanice, prvi je primenio armaturu radi ojačanja konstrukcije na smi-

canje. Osim toga, dao je i približne formule za proračun koje su postigle široku popularnost.

Hennebique je u armiranom betonu izvodio ne samo ploče i grede – njegov doprinos je mnogo

veći: stubovi, temelji, potporni zidovi, šipovi koji se mogu pobijati... Hennebique je ostvario

najveći broj osnovnih armiranobetonskih elemenata i konstrukcija.

Paralelno, u Americi je armirani beton sve više osvajao teren – izvođene su brojne i velike

armiranobetonske konstrukcije, pre svega zahvaljujući inženjeru Ernest-u Ransome-uxii, koji

ix Francois Coignet (1814-1888), francuski industrijalac.

x Johann Bauschinger (1834-1893), nemački matematičar i inženjer.

xi Francois Hennebique (1842-1921), francuski inženjer.

xii Ernest Leslie Ransome (1852–1917), američki arhitekta i inženjer.


6

je plasirao svoj sistem greda. Počev od 1894., u Americi se primenjuje sistem armiranobeton-

skih konstrukcija, posebno mostovskih, Melanxiii, čija je osnovna karakteristika da se armatura

sastoji iz čeličnih nosača ili, čak, iz čitavih čeličnih konstrukcija (rešetkasti lukovi i nosači).

Velika primena armiranog betona donela

je niz novih sistema armiranobetonskih

konstrukcija, koji se nisu u mnogome

razlikovali od sistema Monier-a ili Henne-

bique-a. Razlike su se mahom odnosila

na oblik preseka armature i njen položaj i

raspored. Mogućnost široke primene

armiranog betona se jasno pokazala na

svetskoj izložbi u Parizu 1900. godine,

kada je većina izložbenih paviljona bila

ostvarena u armiranom betonu.

Od mnogih istraživača armiranog betona

tog vremena valja izdvojiti francuskog

inženjera Armand-a Considere-axiv, koji

je 1902. predložio način spajanja betona

sa čelikom u kojem je beton obuhvaćen

čeličnom spiralom i, na taj način, izložen

troosnom pritisku.

Kraj XIX i početak XX veka je vreme prvih

značajnih primena armiranog betona i u

Rusiji, poput lučnog mosta raspona 45m

u Nižnjem Novogorodu iz 1896. (Sl.

0/6a), ili grednog mosta u Krapivnu iz

1900. godine (Sl. 0/6b). Treba izdvojiti i

prvu toranjsku, 40m visoku, armiranobe-

tonsku konstrukciju svetionika iz 1904. godine, u Nikolaevu [55].

Sl. 0/6. Prvi armiranobetonski mostovi u Rusiji

xiii Josef Melan (1854-1941), austrijski inženjer.

xiv Armand Considere (1841-1914), francuski inženjer.

Sl. 0/5. Rebrasta tavanica – Francois Hennebique

0. Uvod


U prvoj deceniji XX veka Prusko ministarstvo javnih radova izdaje proračunske formule i pravila

izvođenja armiranobetonskih radova, što značajno doprinosi razvoju tehnike građenja u ovom

materijalu. Takođe, osnovana je nemačka komisija za armirani beton, koja je na osnovu po-

dataka iz prakse, opita i ispitivanja, kao i na osnovu daljeg razvoja teorije, prerađivala i una-

pređivala propise.

Sl. 0/7. The Ingalls Building (1903); Medical Arts Building (1922)

Razvoj armiranobetonskih konstrukcija je, logično, išao u pravcu povećanja raspona. Međutim,

povećanje raspona je, zbog velike sopstvene težine armiranog betona, vodilo neracionalnim

konstrukcijama. Potreba za olakšanjem je dovela, tokom treće decenije XX veka, do pojave i

masovne primene prostornih konstrukcija u vidu tankih svodastih, prizmatičnih ili kupolastih

tavanica, tj. do ljuskastih konstrukcija, kojima je omogućeno savladavanje velikih raspona na

ekonomičan način. Posebno zaslužni za njihov razvoj bili su inženjeri Franz Dischingerxv, u

Nemačkoj, i Eugene Freyssinetxvi, u Francuskoj.

Sl. 0/8. Hoover Dam (1936)

Sl. 0/9. Madrid hippodrome (1935)

Iako se američka istraživanja armiranog betona u tom vremenu ne odlikuju svestranošću i

egzaktnošću evropskih, primena i razvoj novih sistema ne zaostaju za evropskim. Tako je

1908. razvijen i, kasnije, široko primenjivan (i u Evropi), Tarner (Claude Allen Porter Turner)

sistem pečurkastih tavanica. Prvi američki propisi su objavljeni 1921. godine.

xv Franz Dischinger (1887-1951), nemački građevinski inženjer.

xvi Eugene Freyssinet (1879-1962), francuski građevinski inženjer.


8

Neki od najznačajnijih pionirskih poduhvata izvedenih u armiranom betonu su:

• The Ingalls Building, Cincinnati, USA, 1903 – prvi AB neboder (Sl. 0/7a), petnaestosprat-

nica, visok oko 64m, izveden u sistemu Ransome,

• Medical Arts Building, Dallas, Texas, USA, 1922 – 70m visoka zgrada (Sl. 0/7b),

• Notre Dame du Raincy, Raincy, Paris, France, 1922 – armiranobetonska crkva,

• Algeciras Market Hall, Madrid, Spain, 1930. – ljuskasti krov raspona 45m,

• Madrid Hippodrome, Madrid, Spain, 1935 – ljuskasta složena stadionska konzolna nad-

strešnica raspona 22 m (Sl. 0/9),

• Hoover Dam, Black Canyon, Arizona/Nevada, USA, 1936 – prva velika (221m visoka) be-

tonska brana (Sl. 0/8)...

Naredne decenije su donele dalji razvoj armiranog betona, pojavu i primenu prednaprezanja,

montažnih betonskih konstrukcija, kompozitnih konstrukcija, primenu različitih vrsta agre-

gata, oblika, materijala... Paralelno, uvećavana su saznanja o prirodi i ponašanju armiranog

betona, sprovođena su brojna istraživanja, inovirani su propisi. Ipak, saznanja do kojih je do-

velo pionirsko vreme armiranog betona nisu u mnogome poljuljana. Za poslednje dekade,

posebno, karakteristični su napori u smeru uvećanja saznanja o ponašanju AB elemenata i

konstrukcija, uvećanje sigurnosti i trajnosti konstrukcija, ali i njihova optimizacija u smislu

ekonomičnosti.

Sl. 0/10. Neki od pionira armiranog betona: Lambot, Monier, Bauschinger, Hennebique

Documents

Betonske Konstrukcije - Prvi Deo - 0