Porovnání betonových sloupů a ocelových trubek plněných betonem

Při plánování rozsáhlých stavebních projektů čelí inženýři a architekti kritickému rozhodnutí mezi ocelovými konstrukcemi a betonovými konstrukcemi. Tato volba výrazně ovlivňuje časové harmonogramy projektu, rozpočet a dlouhodobý výkon. Ocelové konstrukce nabízejí zřejmé výhody z hlediska rychlosti výstavby, flexibility návrhu a konstrukční účinnosti, zatímco betonové konstrukce poskytují vynikající odolnost a požární bezpečnost. Pochopení zásadních rozdílů mezi těmito dvěma stavebními metodami umožňuje projektovým manažerům dělat informovaná rozhodnutí, která odpovídají jejich konkrétním požadavkům a omezením.

Stavební průmysl zažil v posledních desetiletích významný vývoj v oblasti výběru materiálů a stavebních technologií. Velké projekty, včetně komerčních komplexů, průmyslových zařízení a rozvoje infrastruktury, vyžadují pečlivé zvážení stavebních materiálů, které splňují náročné požadavky na výkon. Ocelové konstrukce získaly značnou popularitu díky svému vynikajícímu poměru pevnosti k hmotnosti a přizpůsobivosti různým architektonickým návrhům. Mezitím betonové konstrukce zůstávají tradiční volbou pro mnoho developerů, kteří dávají přednost dlouhověkosti a tepelné hmotě budov.

Betonem plněné ocelové trubky (CFST)

Betonová ocelová trubka se týká konstrukčních prvků vytvořených vyplněním betonu v ocelové trubce a ocelová trubka a její jádro z betonu mohou nést vnější zatížení. Podle různých průřezových forem může být rozdělena na kulatý ocelový trubkový beton, čtvercový, obdélníkový beton ocelové trubky a polygonální ocelový trubkový beton atd. Je dobře známo, že beton má vysokou pevnost v tlaku. Avšak odolnost proti ohýbání je velmi slabá a ocel, zejména ocel, má silnou odolnost proti ohýbání a dobrou elasticitu, ale snadno ztrácí svou stabilitu a ztrácí svůj axiální kompresní odpor, když je pod tlakem.

Struktura betonové trubky, která je naplněna betonem, může kombinovat výhody obou konstrukčních prvků, může vytvořit beton v příčném tlaku a jeho pevnost v tlaku se může zdvojnásobit. Současně se z důvodu přítomnosti betonu zvyšuje tuhost ocelové trubky, obě jsou běžné. Hrát roli, čímž výrazně zlepší únosnost. Jako nově vznikající kompozitní konstrukce se betonem naplněná ocelová trubka (CFST) používá hlavně pro kompresní součásti s relativně nízkým axiálním napětím a excentrickou silou a je široce používána v rámových konstrukcích (jako jsou tovární budovy a výškové budovy).

Mechanické vlastnosti

Rychlý vývoj konstrukce z ocelových trubek naplněných betonem je způsoben jeho dobrými mechanickými vlastnostmi a konstrukčním provedením, které se projevují v následujících aspektech: vysoká nosnost, dobrá tažnost, vynikající seismický výkon. V betonem naplněném ocelovém trubkovém sloupku omezující účinek ocelové trubky na vnitřní beton činí beton ve třech směrech kompresního stavu, což zlepšuje pevnost v tlaku betonu. Beton uvnitř ocelové trubky může účinně zabránit lokálnímu prohnutí ocelové trubky. Studie ukázaly, že únosnost ocelových trubicových sloupků naplněných betonem je vyšší než součet odpovídající únosnosti ocelových trubkových sloupků a únosnosti betonových sloupů.

Čtěte také: Vlastnosti a vzhled betonových pražců

Interakce mezi ocelovou trubkou a betonem způsobuje selhání betonu uvnitř ocelových trubek, aby se změnilo od křehkého selhání k poškození plastů. Tažnost komponentu je samozřejmě zdokonalena, kapacita rozptylu energie je výrazně lepší a seizmická účinnost je lepší. Plastnost se týká schopnosti plastického deformace za statického zatížení. Zkouška axiální stlačení krátké kolony betonových ocelových trubkových sloupků ukazuje, že když je vzorek stlačen na 2/3 původní délky a podélné namáhání dosahuje 30% nebo více, vzorek má dosud nosnou kapacitu. Po odlupování ocelové trubky, ačkoli vnitřní beton má velké vyboulení a přehyb, zůstává neporušený, není uvolněný a stále má přibližně 5% nosné kapacity. Je rozdrcena a vyhozena poté, co byla kladena kladivkem.

Seizmická účinnost se týká dobré tažnosti a absorpce energie za dynamického zatížení nebo zemětřesení. V tomto ohledu jsou betonové trubky ocelové trubky mnohem silnější než železobetonové prvky. Hysterezní křivka zakřivení ohybového momentu při cyklickém zatížení ohybem ukazuje, že účinnost absorpce energie konstrukce je obzvláště dobrá, nedochází k degradaci tuhosti a neexistuje padající úsek, který by byl stejný jako ocelový sloupec bez ztráty lokální stability, ale v některých budovách, ocelové sloupky často používají velmi tlusté ocelové desky k zajištění místní stability. Místní stabilita se však i po ohýbání plastů ztrácí. Seizmické chování betonových ocelových trubkových sloupů je proto nadřazeno ocelovým sloupům.

Stavební vhodnost a doba výstavby

Konstrukce je vhodná a doba výstavby je výrazně zkrácena. Při konstrukci konstrukcí z ocelových trubek naplněných betonem mohou být ocelové trubky použity jako tuhé kostry pro konstrukční zatížení a konstrukční hmotnost během konstrukční fáze. Konstrukce není ovlivněna dobou vytvrzování betonu. Vzhledem k tomu, že uvnitř betonové oceli nenastává žádná ocel, beton se snadno nasytí a zhutňuje. Při konstrukci není požadována žádná šablona, která šetří náklady na materiály a práci při odstraňování forem a forem a šetří čas.

Existuje jen málo částí z ocelových trubkových sloupků naplněných betonem a existuje jen málo svarů a konstrukce je jednoduchá. Nohy sloupku často používají vložené sloupové patky, které jsou vyhrazeny na betonovém podkladu. Proto je výroba továrny relativně jednoduchá a hmotnost součástí je malá a transport a zvedání jsou také relativně nízké. Snadná konstrukce je velmi jednoduchá a sloupky z ocelových trubek naplněné betonem jsou vyrobeny z plechu. Tloušťka listů není velká, obecně do 40 mm. Bez ohledu na to, zda je tovární svařování nebo dokování na místě, není problém.

Zároveň ve srovnání s železobetonovými sloupy má ocelová trubka betonových ocelových trubicových sloupků funkci vyztužení ocelových tyčí a má funkci podélných ocelových tyčí a bočních třmínků. Proto v trubkách nejsou žádné ocelové tyče a ušetří se řada procesů, jako je například ocelový plechový pás a ocelové tyče. Vzhledem k tomu, že samotná vnější trubková trubice sloupku je šablonou pro boční tlakovou odolnost, šetří také proces podpory formy a odstraňování forem. V posledních letech jsou čerpací čluny poměrně časté a na místě není potíže s vodou. Konstrukční metoda betonu, která byla vytvořena a široce používána v Číně a nemůže být snadno vyhozena, zjednodušila proces plnění betonu na místě a konstrukce byla zjednodušena. V dolní části sloupku je také dočasný odlévací otvor a způsob nalijení betonu ze spodní strany betonovým čerpadlem je rychlý a zajišťuje kvalitu zavlažování. Navíc po nalití je ocelová trubka v relativně stabilní vlhkosti, vlhkost se nedá snadno odpařit, vynechá se úsporná údržba a vytvrzuje proces vytvrzování betonu.

Čtěte také: Vlastnosti překladů RZP

Požární odolnost

Dobré pro požární odolnost a požární ochranu ocelových trubek. Protože je ocelová trubka vyplněna betonem, může absorbovat velké množství tepelné energie. Rozložení teplotního pole potrubní části je proto během požáru velmi nerovnoměrné, což zvyšuje dobu žáruvzdornosti sloupku, zpomaluje vzrůst teploty ocelového sloupce a po dosažení výnosu ocelového sloupce může beton odolat většině axiálním zatížením a zabraňuje kolapsu konstrukce. Požární odolnost kompozitního nosníku se také zvýší, protože teplota ocelového nosníku bude snížena přenosem tepla z horní příruby na beton. Z experimentálních statistik vyplývá, že povlak zabraňující požáru může ušetřit 1/3 až 2/3 nebo dokonce více v porovnání s ocelovým sloupcem v prvotřídní požární odolnosti po dobu 3 hodin. S nárůstem průměru ocelových trubek se ušetří více barvy.

Odolnost proti korozi

Odolnost proti korozi je lepší než ocelová konstrukce. Nalévání betonu do ocelové trubky snižuje exponovanou plochu ocelových trubek a plocha koroze vnějším vzduchem je mnohem menší než plocha ocelových konstrukcí a náklady na odolnost proti korozi a odolnost proti korozi jsou také ušetřeny ve srovnání s ocelové konstrukce.

Vliv průřezu na mechanické vlastnosti

Průřezová forma betonových ocelových trubicových prvků má velký vliv na mechanické vlastnosti, snadnost konstrukce, dobu výstavby a náklady na projekt betonových ocelových trubicových konstrukcí. Ocelová trubková betonová kompresní složka je účinně omezena kruhovou ocelovou trubkou k jejímu vnitřnímu betonu tak, aby beton uvnitř ocelového potrubí byl ve třech směrech kompresního stavu, takže beton má vyšší pevnost v tlaku. Stavba betonových konstrukcí z kulatých ocelových trubek je však obtížná a stavební náklady jsou vysoké. Naproti tomu konstrukce čtvercových betonových ocelových trubkových konstrukcí je pohodlnější, ale betonový ocelový trubkový beton je méně omezený a konstrukční nosná kapacita je nižší.

Porovnání ocelových a betonových konstrukcí

Pevnost a tažnost

• Ocelové konstrukce: Vykazují vynikající pevnost v tahu, díky čemuž jsou ideální pro překlenování velkých vzdáleností bez mezilehlých podpěr. Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti oceli umožňuje lehčí základy a sníženou spotřebu materiálu u nosných prvků. Tažnost oceli zajišťuje vynikající výkon při dynamickém zatížení, včetně větrných a seizmických sil. Ocelové konstrukce dokážou absorbovat a rozptýlit energii prostřednictvím řízené deformace, čímž brání katastrofálním poruchám běžným u křehkých materiálů.
• Betonové konstrukce: Vynikají v aplikacích s tlakovou pevností, protože zajišťují vynikající rozložení zatížení na velkých plochách. Monolitická povaha železobetonu vytváří nepřetržité dráhy přenosu zatížení, které efektivně přenášejí síly celým stavebním systémem. Železobeton kombinuje tlakovou pevnost betonu s tahovou pevností ocelové výztuže a vytváří tak kompozitní materiál, který dobře pracuje za různých podmínek zatížení.

Rychlost výstavby

• Ocelové konstrukce: Nabízejí výrazné výhody z hlediska rychlosti výstavby díky možnostem předvýroby a standardizovaným spojovacím systémům. Výroba ocelových prvků ve vybavených továrnách zajišťuje stálou kvalitu a zároveň umožňuje paralelní probíhání přípravných prací na stavbě. Závislost na počasí představuje minimální problém při montáži ocelových konstrukcí.
• Betonové konstrukce: Vyžadují pečlivé plánování s ohledem na dobu tuhnutí a práce citlivé na počasí. Postupný charakter betonáže, zejména u vícepodlažních budov, vytváří závislosti kritické cesty, které mohou výrazně prodloužit časový harmonogram projektu. Kontrola kvality při výstavbě betonových konstrukcí vyžaduje nepřetržité sledování procesů míchání, pokládky a tuhnutí betonu.

Náklady

• Ocelové konstrukce: Obvykle vyžadují vyšší počáteční náklady na materiál, ale často dosahují nižších celkových nákladů projektu díky kratší době výstavby a nižším nárokům na pracovní sílu. Náklady na základy obecně upřednostňují ocelové konstrukce díky jejich nižší hmotnosti a předvídatelnějším zatěžovacím schématům.
• Betonové konstrukce: Porovnání počátečních nákladů mezi ocelovými a betonovými konstrukcemi závisí do značné míry na rozsahu projektu, složitosti návrhu a dostupnosti materiálů na místě. Betonové konstrukce však mohou být ekonomičtější u určitých typů staveb, jako jsou parkovací objekty nebo průmyslové zařízení, kde dominují vysoké zatížení.

Údržba a životnost

• Ocelové konstrukce: Vyžadují pravidelnou kontrolu a údržbu ochranných povlaků za účelem prevence koroze, zejména v agresivním prostředí. Jednotlivé ocelové prvky však lze snáze nahradit nebo modernizovat ve srovnání s betonovými prvky. Během 50leté životnosti vyžadují ocelové konstrukce častější, ale méně nákladné údržby, které se zaměřují především na obnovu povlaků a kontrolu spojů.
• Betonové konstrukce: Obvykle vyžadují méně časté údržby, ale v případě výskytu problémů mohou být náklady na opravy vyšší. Uhlíkání betonu, pronikání chloridů a poškození způsobené cykly zmrazování a rozmrazování mohou postupem času ohrozit nosnou funkci konstrukce. Dobře navržené a řádně provedené betonové konstrukce mohou poskytovat životnost přesahující 100 let při minimální údržbě.

Flexibilita návrhu

• Ocelové konstrukce: Poskytují výjimečnou flexibilitu v návrhu díky možnosti dlouhých rozpětí a minimálním požadavkům na výšku konstrukce. Architekti mohou vytvářet otevřené půdorysy s prostory bez sloupů. Modularita ocelových systémů usnadňuje budoucí rozšíření a úpravy stávajících budov.
• Betonové konstrukce: I když mohou mít omezené možnosti v rozpětích, nabízejí jedinečné architektonické příležitosti prostřednictvím sochařských forem a integrovaných povrchů. Plastická povaha čerstvého betonu umožňuje architektům vytvářet zakřivené plochy, složité geometrie a umělecké prvky.

Dopad na životní prostředí

• Ocelové konstrukce: Výroba oceli vyžaduje významný přívod energie, ale těží z vysokých mír recyklace a schopnosti začlenit recyklovaný materiál bez degradace výkonu. Ocelové konstrukce generují minimální množství stavebního odpadu díky přesné prefabrikaci a standardizovaným rozměrům.
• Betonové konstrukce: Výroba betonu významně přispívá ke globálním emisím skleníkových plynů prostřednictvím výrobních procesů cementu. Betonové stavby obvykle produkují více stavebního odpadu prostřednictvím řezání, vrtání a tvárnicových prací. Odpad z betonu však lze drtit a znovu použít jako kamenivo v novém betonu nebo ve vozovkách.

Interakce betonu a oceli

Příspěvek se zabývá problematikou vylévání ocelových sloupů betonem a otázkou, jak se projeví rozdílnost součinitelů příčné kontrakce obou materiálů. Přestože se na první pohled, pro případ prostého tlaku, zdá být úloha zcela banální, mohou prezentované skutečnosti svým způsobem překvapit. Za pozornost určitě stojí nezanedbatelné tahové napětí kolmo na osu betonové výplně. K napsání tohoto příspěvku vedla otázka, jaké napětí vznikne na vnitřním povrchu ocelové trubky vylité betonem.

Trubka v konstrukci funguje jako sloup a pro jednoduchost uvažujeme, že nastane případ prostého tlaku. Je všeobecně známo, že součinitel příčné kontrakce oceli je větší než součinitel příčné kontrakce betonu, a to by se mělo v namáhání trubky vylité betonem nějak projevit. Fyzikální rovnice pro izotropní lineárně pružné těleso známe jako zobecnělý Hookeův zákon se dvěma materiálovými parametry, Youngovým modulem pružnosti a součinitelem příčné kontrakce.

Čtěte také: Obrubník 100x20x5 cm

Řešme ocelový sloup, jehož průřez je mezikruží, je opět tlačen konstantní silou, ale navíc je vylit betonem. Youngův modul pružnosti oceli uvažujeme a Poissonův součinitel, stejně jako v předchozí úloze. Pro beton jsme zvolili parametry. Ocelové sloupy vylité betonem jsou celkem standardním konstrukčním prvkem, přesto se naskýtá otázka, zda spřažení betonu a oceli je věnována patřičná pozornost. Pokud bychom předpokládali, že styku betonu a oceli nemůžeme důvěřovat, jednalo by se o dva nezávislé sloupy, vzhledem ke stejné defomaci, paralelně spojené. Je celkem paradoxní, že spřažením oceli a betonu namáhání trubky zhoršíme, tlakové napětí při stejné osové deformaci vzroste, v našem případě v absolutní hodnotě o cca 2,5 %. Rovněž i beton si výrazným tahem znatelně pohorší. Takže pokud bychom věděli, že pro náš sloup, asi krátký, je rozhodující porušení tlakem, bylo by dobré jakémukoliv spojení oceli i betonu zabránit. Význam spřažení nachází opodstatnění až v případě, že musíme uvažovat vzpěr.

Beton a ocel jako kompozitní materiály

Beton a ocel mají perfektní vlastnosti, díky kterým se vzájemně podporují a vytváří tak jeden pevný celek. Mají odlišné vlastnosti, a přesto díky velmi podobné délkové teplotní roztažnosti, jsou v souhře. Tam kde beton nestačí, tam mu ocel pomůže a na druhou stranu, on ji bude chránit před korozí a odvede těžší práci. Betonářská ocel neboli výztuž je známá jako roxor, což není její správné označení, ale spíše lidový název. Pokud bude zalitá v betonu, tak se v podstatě vytvoří železobeton. A s ním se setkáte na všech stavbách.

Existuje několik typů výztuže:

• Výztužná kostra: může být vázaná nebo svařovaná.
• Výztuž tuhá: tvořená z ocelových válcovaných nosníků.
• Výztuž předpínací: definuje se jako výztuž vyvozující předpětí v betonu.

Betonářská ocel ve srovnání s betonem má mnohonásobně větší pevnost. Zajímavé je to, že má stejnou pevnost v tlaku i tahu, která se pohybuje v rozmezí od 350 MPa a to až do 600 MPa.

Poznámka: Hodnoty jsou orientační a mohou se lišit v závislosti na konkrétním typu materiálu a jeho specifikacích.

tags: #porovnání #betonovy #sloup #ocel #roura

Oblíbené příspěvky:

• Vše o tyčích a podpěrách pro sádrokarton
• Parametry a postup instalace betonových sloupků k plotu
• Zdeňka Tesařová a Klokánek: Příběh pomoci
• proč zvolit dlažbu Country Kombi
• Kompletní průvodce výběrem okapových žlabů