Pevnost betonu v tlaku: Komplexní průvodce

Pevnost betonu patří mezi nejdůležitější technické vlastnosti tohoto stavebního materiálu. Právě pevnost rozhoduje o tom, jaké zatížení je beton schopen dlouhodobě přenášet, jak se bude chovat v provozu a jaká je jeho životnost. Správné pochopení pevnosti betonu je důležité nejen pro projektanty a statiky, ale také pro investory, správce objektů a provozovatele průmyslových či komerčních prostor.

Pevnost betonu (Stress strenght of concrete) je velikost napětí dosaženého v místě porušení při zániku celistvosti betonu. Jednodušeji řečeno: je to pevnost betonu, při které se zkušební těleso poruší. Pevnost betonu je jedním z nejzásadnějších parametrů, který ovlivňuje bezpečnost, únosnost a životnost betonových konstrukcí a podlah. Správné pochopení pevnosti betonu je klíčové při návrhu, realizaci, údržbě i renovaci betonových ploch. Tento klíčový parametr určuje, jak dobře bude materiál odolávat tlakovým silám, které na něj působí. Je to jako s lidskou páteří; bez dostatečné pevnosti se pod náporem tíhy zhroutí.

Co je pevnost betonu v tlaku?

Pevnost v tlaku je nejdůležitější a nejčastěji sledovaná vlastnost betonu. Vyjadřuje schopnost betonu odolávat silám, které jej stlačují. Pokud bychom měli definovat pevnost betonu v tlaku, tak se jedná o velikost napětí, kterým musí podlehnout vzorek betonu. Jeho velikost při porušení zkušebního vzorku se poté rovná třídě betonu. Ty jsou odvozeny od maximálního napětí, které přirozeně zkušební vzorek již poškodí. Na rozdíl od tlaku má beton poměrně nízkou pevnost v tahu, která vyjadřuje schopnost betonu odolávat kombinovanému namáhání v tlaku a tahu.

Zkušební tělesa pro měření pevnosti v tlaku

Podle tvaru zkušebního tělesa, na kterém se zkouška provádí, jde buď o pevnost v tlaku krychelnou nebo válcovou. Pevnost v tlaku fck,cyl se stanovuje po 28 dnech na válcích o průměru 150 mm a délce 300 mm, nebo fck,cube na krychlích o délce hrany 150 mm.

Klasifikace betonu podle pevnosti v tlaku

Beton a jeho klasifikace, jak ji stanovuje norma PN-EN 206.2014, rozděluje tento stavební materiál do několika tříd na základě jeho schopnosti odolávat tlakovému zatížení. K rozdělení na třídy podle pevnosti v tlaku se používá tabulka 7 normy ČSN EN 206+A2 pro obyčejný a těžký beton a tabulka 8 téže normy pro lehký beton. Norma ČSN EN 206-1 tímto způsobem stanovuje 16 pevnostních tříd obyčejného a těžkého betonu a 14 tříd lehkého betonu.

Čtěte také: Využití červeného dřeva

Vysvětlení označení tříd betonu

Potřebujete zjistit, jak pevný beton pro Váš projekt potřebujete, ale nemáte tušení, co znamenají písmena a čísla, které označují jeho pevnost? "C" v C20/25 označuje slovo "Concrete", což je v angličtině slovo beton. Čísla za "C" nám říkají, jak silný beton je. První číslo (např. 20 v C20/25) říká charakteristickou pevnost. To je minimum, jak silný beton by měl být, když je zatížený. Někdy se nazývá nominální pevnost a dává nám trochu víc prostoru.

  • První číslo představuje pevnost betonu v tlaku na válcových vzorcích.
  • Druhé číslo za lomítkem je pevnost při stlačení krychlového vzorku.
  • Vyšší číslo = beton s vyšší pevností tlaku.

Díky optimálnímu rozložení napětí mají krychlové vzorky vyšší pevnost. V reálných podmínkách však konstrukční prvky často nemají tak ideální geometrii, což znamená, že pevnost určená na základě válcových vzorků poskytuje realističtější hodnoty pro praktické aplikace. Betonová směs označená písmenem B je starší metoda měření, která byla založena na krychlových vzorcích. Například současná třída C8/10 odpovídá staršímu označení B10 a třída C25/30 zase B30. Na mnoha staveništích se stále používá toto starší značení.

Tyto čísla jsou důležitá, protože každý stavební projekt má jiné potřeby. Pokud budujete něco, co nebude nést mnoho váhy, jako je malý zahradní chodníček, budete Vám stačit beton s nižší pevností. Vybírání správné pevnostní třídy betonu není jen o splnění minimálních standardů; jde o zajištění dlouhodobé bezpečnosti a odolnosti vaší konstrukce. Každý typ betonu má různé schopnosti plnit specifické stavební potřeby. Některé směsi jsou lehké, určené pro méně náročné aplikace, zatímco jiné jsou robustní, připravené nést těžké břemeno. Výběr správné třídy betonu není jednoduchý. V potaz je třeba brát mnoho faktorů, situaci pak neulehčuje ani změť kódových označení, či příslušných norem. Jak vidíme, při výběru vhodné třídy betonu je nutné brát v potaz jeho zatížení fyzickými, chemickými a mechanickými vlivy. Jednotlivé třídy jsou rozděleny velmi podrobně, nemělo by se proto stát, že budete váhat mezi dvěma alternativami.

Mezní stavy použitelnosti

Mezní stavy použitelnosti jsou posuzovány dle kapitoly 7 normy ČSN EN 1992-1-1. Cílem posouzení mezních stavů použitelnosti je ověřit, zda bude konstrukce během své životnosti schopna plnit funkci, pro kterou byla navržena. Při posouzení mezních stavů použitelnosti je uvažováno s rozvojem trhlin při libovolném tahovém napětí v betonu. Uživatelskou volbou lze nastavit, aby s rozvojem trhlin bylo uvažováno až po překročení pevnosti betonu v tahu fctm.

Mezní stav omezení napětí

Posouzení je založeno na kapitole 7.2. Mezní stav omezení napětí je ověřován pro "charakteristické" zatěžovací případy (kombinace). Tlakové napětí v betonu má být omezeno z důvodu možného vzniku podélných trhlin případně nadměrného dotvarování. Maximální tlakové napětí v betonu je omezeno vztahem:

Čtěte také: Použití lamino desek dub

kde je:

  • k1 součinitel, který nabývá hodnoty 0,6
  • fck charakteristická válcová pevnost betonu v tlaku ve stáří 28 dní

Posudek je v souladu s 7.2(2) posuzován pouze pokud je zadán stupeň vlivu prostředí XD, XF nebo XS. Tahové napětí v betonářské výztuži musí být omezeno, aby se zabránilo vzniku nepružných poměrných přetvoření, nepřijatelných trhlin a deformací. V souladu s 7.2(5) je maximální tahové napětí omezeno vztahem:

kde je:

  • k3 součinitel, který nabývá hodnoty 0,8
  • fyk charakteristická mez kluzu betonářské výztuže

Pro návrhovou normu EN 1992-2 je možné zadat u jednotlivých zatěžovacích případů vlastní hodnotu poměru modulů pružnosti oceli a betonu, který je použit při výpočtu napětí v ideálním průřezu. Lze tak zohlednit vliv dotvarování či požadavky navazujících norem (například ČSN 73 6214, článek 6).

Mezní stav omezení trhlin

Mezní stav omezení trhlin je posuzován dle kapitoly 7.3. Velikost trhlin má být omezena tak, aby nedošlo k narušení řádné funkce nebo trvanlivosti konstrukce, popř. k nepříznivému ovlivnění jejího vzhledu. Šířka trhlin je kontrolována pro zatěžovací případy (kombinace) typu "kvazistálé". Výpočet šířky trhlin je proveden dle kapitoly 7.3.4. Šířka trhlin wk je dána vztahem 7.8:

Čtěte také: Široké využití modřínového dřeva

kde je:

  • sr,max maximální vzdálenost trhlin
  • εsm průměrná hodnota poměrného přetvoření výztuže. Uvažuje se pouze přídavné tahové poměrné přetvoření od stavu nulového poměrného přetvoření betonu ve stejné úrovni
  • εcm průměrná hodnota poměrného přetvoření betonu mezi trhlinami

Vztah εsm-εcm lze stanovit vztahem 7.9:

kde je:

  • σs napětí v tahové výztuži stanovené v průřezu porušeném trhlinou
  • αe poměr návrhové hodnoty modulu pružnosti oceli a sečnového modulu pružnosti betonu
  • kt součinitel závisící na době trvání zatížení. Nabývá hodnoty 0,6 pro krátkodobé zatížení a 0,4 pro dlouhodobé zatížení
  • kde je:
  • As průřezová plocha betonářské výztuže
  • Ac,eff účinná plocha taženého betonu obklopující betonářskou výztuž

Maximální vzdálenost trhlin sr,max je dána vztahem 7.11:

kde je:

  • k1 součinitel, kterým se zohledňují vlastnosti soudržné výztuže, pro žebírkovanou ocel nabývá hodnoty 0,8
  • k2 součinitel, kterým se zohledňuje rozdělení poměrného přetvoření, pro prostý tah nabývá hodnoty 1,0, pro ohyb hodnoty 0,5
  • k3 součinitel, který nabývá hodnoty 3,4
  • k4 součinitel, který nabývá hodnoty 0,425
  • c krytí podélné výztuže
  • d průměr vložek podélné výztuže. Pokud jsou v průřezu použity vložky různých velikostí, použije se ekvivalentní průměr výztuže

Ekvivalentní průměr výztuže d je dán vztahem 7.12:

kde je:

  • n1 počet vložek průměru d1
  • n2 počet vložek průměru d2

Maximální šířka trhlin wmax vychází z tabulky 7.1N.

Mezní stav omezení deformace (pouze program Betonový výsek)

Průhyb konstrukce je zjištěn přímým výpočtem dle doporučení v 7.4.3(7). Je spočítána křivost v jednotlivých bodech po délce prvku, průhyb je poté získán numerickou integrací. Přetvárné veličiny v místech, kde nedochází k plnému rozvoji trhlin, jsou získány dle vztahu (7.18), který je uveden v odstavci 7.4.3(3):

kde je:

  • α přetvárná veličina (např. poměrné přetvoření, křivost nebo pootočení)
  • ζ rozdělovací součinitel, který zohledňuje tahové zpevnění průřezu
  • α| přetvárná veličina pro stav bez trhlin
  • α|| přetvárná veličina pro stav s trhlinami

Rozdělovací součinitel ζ je dán vztahem (7.19):

kde je:

  • ζ rozdělovací součinitel, který zohledňuje tahové zpevnění průřezu
  • β součinitel, kterým se zohledňuje vliv doby trvání na průměrnou hodnotu poměrného přetvoření. Nabývá hodnoty 1,0 (krátkodobé zatížení) nebo 0,5 (dlouhodobé zatížení)
  • σsr napětí v tahové výztuži vypočtené pro průřez s trhlinami při zatížení, které způsobuje vznik prvních trhlin
  • σs napětí v tahové výztuži vypočtené pro průřez s trhlinami

Křivost od smršťování je dána vztahem (7.21):

kde je:

  • 1/rcs křivost od smršťování
  • εcs poměrné přetvoření od celkového smršťování
  • αe účinný poměr modulů pružnosti
  • S statický moment průřezové plochy výztuže k těžišti průřezu
  • I moment setrvačnosti průřezu

Účinný poměr modulů pružnosti αe je dán vztahem:

kde je:

  • αe účinný poměr modulů pružnosti
  • Es modul pružnosti oceli
  • Ec,eff účinný modul pružnosti betonu (včetně vlivu dotvarování)

Účinný modul pružnosti betonu Ec,eff je dán vztahem (7.20):

kde je:

  • Ec,eff účinný modul pružnosti betonu (včetně vlivu dotvarování)
  • Ecm sečnový modul pružnosti betonu
  • φ(∞,t0) příslušný součinitel dotvarování

Faktory ovlivňující pevnost betonu

Poměr cementu, vody a kameniva má zásadní vliv na výslednou pevnost. Podíl cementového kamene má být vždy takový, aby se zaplnily veškeré mezery. Pevnost neboli soudržnost rozhraní vnitřního povrchu betonu (povrchu kameniva) je také důležitá. Tyto činitele však nejsou jediné, které ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu; stejně důležité jsou i vnější činitele.

Klimatické podmínky

Činitele, které ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu, jsou klimatické podmínky, mezi které patří teplota při výstavbě. Největším problémem při betonování v letním období je vysoká teplota vzduchu, která často překračuje 30 °C. V takovýchto podmínkách dochází k rychlému odpařování vody z čerstvého betonu už během jeho dopravy a samozřejmě i po jeho zabudování do bednění/konstrukce. Zvýšení teploty betonu vede též k urychlení chemických reakcí, které způsobují tuhnutí a tvrdnutí betonu a které se souhrnně označují jako hydratace cementu.

Pevnost betonu v tlaku ve věku t závisí především na druhu a třídě cementu, teplotě a podmínkách při hydrataci ošetřování. Je všeobecně známo, že se snižováním teploty se zpomalují procesy hydratace cementu. K podstatnému zpomalení dochází už při teplotě +5 °C. V důsledku toho se zpomaluje i vývoj pevnosti betonu a prodlužuje se doba k dosažení potřebných pevností. Pokles teploty pod 0 °C může mít navíc velmi nepříznivý (až fatální) vliv na strukturu betonu, a tedy i na jeho vlastnosti. Při záporných teplotách dochází postupně k zamrzání pórové kapaliny čerstvého betonu. Přeměna vody v led je provázena zvětšením jejího objemu přibližně o 9 %. Toto zvětšení objemu může způsobovat vnitřní napětí v betonu. Z hlediska poškození čerstvého betonu je velmi důležité, kdy dojde k zamrznutí této pórové kapaliny. Také proto se v praxi setkáváme s doporučením dodržet minimální teplotu prostředí na úrovni cca 5 °C, a to alespoň do doby, než pevnost betonu nabude min. 3,5 MPa, resp. teplota nad 0 °C až do dosažení pevnosti betonu 5,0 MPa.

Je zřejmé, že teplotní podmínky ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu v tlaku. Takže při optimální teplotě 20 °C tento beton dosáhne průměrné pevnosti v tlaku (fcm), která je stanovena v tabulce 3.1 v STN EN 1992-1-1: 2007 po 28 dnech.

Z tohoto důvodu je potřebné podle klimatických podmínek navrhnout technologickou přestávku po betonáži a optimalizovat přijatá opatření pro zefektivnění výstavby. Při snížené teplotě dochází ke zpomalení procesu hydratace cementu, a tím ke zpomalení nárůstu pevnosti betonu. Naopak při zvýšené teplotě dochází ke zrychlení procesu hydratace cementu, a tím ke zrychlení nárůstu pevnosti betonu.

Technologie zpracování betonu

Dalším činitelem, který ovlivňuje rychlost nárůstu pevnosti betonu, je technologie zpracování betonu. Významným procesem je hlavně zhutňování betonu, které ovlivňuje zvýšení počáteční i konečné pevnosti betonu.

Zhutňování betonu

Čerstvý beton je možné zhutňovat staticky (působením tlaku) nebo dynamicky (nárazy, vibrací) nebo kombinací obou způsobů. Nejpoužívanější technologie zhutňování na staveništi jsou: pěchování, ubíjení, vibrování a vakuování.

  • Pěchování: Pěchováním se zhutňují čerstvé betony, které jsou řídké (měkké a tekuté). Pěchují se pomocí ocelové tyče, která uvolňuje cestu ucpanou většími zrny kameniva mezi hustější výztuží nebo v jiných stísněných podmínkách.
  • Ubíjení: Ubíjení se používá ke zhutňování hustějších čerstvých betonů, ale je málo účinné. Tloušťka vrstvy čerstvého betonu při této technologii zhutňování má být nejvýše 150 mm. K zhutňování se používají ruční nebo mechanické pěchy (výbušné, pneumatické nebo elektrické).
  • Vibrování: Vibrování je účinný a velmi rozšířený způsob zhutňování. Z vibračního zařízení se přenáší kmitání do čerstvého betonu. Zrna čerstvého betonu mají různou hmotnost a beton jim klade různý odpor. Vibrační vlnění se odráží od stěn bednění a na jeho průběh má vliv i rozkmitání bednění a výztuže. Rozkmitaný čerstvý beton nabývá vlastnosti těžké kapaliny, uvolňuje se z ní vzduch a zrna kameniva vyplňují dutiny. Vibrace může být přímá nebo přenášená. U přímé vibrace je vibrační zařízení v kontaktu s čerstvým betonem. Používají se na ni ponorné nebo povrchové vibrátory.

Expoziční třídy betonu

Při výběru betonu je kromě pevnostní třídy klíčové zohlednit i podmínky, ve kterých bude beton použit. Expoziční třídy určují, jak beton odolává různým environmentálním vlivům, což je nezbytné pro zajištění dlouhodobé trvanlivosti konstrukce. Správný výběr betonové směsi tedy vyžaduje pečlivé zvážení obou aspektů - pevnostní třídy pro zajištění strukturální integrity a expoziční třídy pro odolnost vůči vnějším vlivům. Expoziční třídy, které klasifikují účinky různých environmentálních podmínek na beton, železobeton a zapuštěné kovové části, jsou rovněž důležité. Tyto třídy nejsou zahrnuty do běžných výpočtů zatížení, ale mají zásadní vliv na složení ze kterého je beton vyroben, výběr ochranných opatření a limitní hodnoty pro šířku trhlin.

Cementy a jejich složky

Cement neboli umělý kámen, je stavební surovina skládající se z plniva, pojiva, vody a speciálních příměsí. U běžného betonu je pojivem kvalitní portlandský cement. Norma definuje a určuje specifikace pro 27 jmenovitých cementů pro obecné použití, 7 síranovzdorných cementů pro obecné použití, jakož i pro 3 jmenovité vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a 2 síranovzdorné vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a pro jejich složky. Definice každého cementu zahrnuje poměry složek, jejichž kombinací je možno vyrobit určitou skupinu výrobků v rozsahu devíti pevnostních tříd.

Cement podle EN 197-1, označovaný jako cement CEM, musí při odpovídajícím dávkování a smíchání s kamenivem a vodou umožnit výrobu betonu nebo malty zachovávající po dostatečnou dobu vhodnou zpracovatelnost. V souboru cementů je podle ČSN EN 197-1 ed. 2 27 výrobků pro obecné použití. Evropská norma ČSN EN 197-1 ed. 2 specifikuje celou skupinu portlandských cementů směsných CEM II, které obsahují kromě portlandského slínku jedinou hlavní složku. Portlandské směsné cementy další skupiny obsahují kromě slínku více než jednu hlavní složku. V českých podmínkách jde hlavně o strusku (S), vápenec (L, LL) a popílek (V). Portlandské cementy s vápencem obsahují kromě slínku, jakou jedinou hlavní složku vápenec (L, LL). Kvalitní a trvale dostupné vápence s minimálním obsahem jiných doprovodných látek umožňují vyrábět pro zákazníka cementy s trvale stabilními vlastnostmi.

Každá z hlavních složek má jiný vliv na vlastnosti cementu a jejich optimální kombinace dovoluje vyrobit cement právě požadovaných vlastností. Jemně mletý vápenec má přímý vliv na zlepšení zpracovatelnosti, snížení nebo odstranění odlučivosti vody a stabilizaci barevnosti betonu, na druhé straně může snižovat konečné pevnosti. Struska s popílkem snižují naopak počáteční pevnosti, příznivě však ovlivňují plynulost nárůstu pevností a dosahování vyšších konečných pevností. Dále tyto složky obvykle zvyšují odolnost betonu proti agresivnímu prostředí, zejména proti síranové agresivitě. Popílek zlepšuje vlastnosti čerstvého betonu, zejména čerpatelnost a homogenitu a ve ztvrdlém betonu zlepšuje jeho odolnost vůči působené vody. Při výrobě betonu je dnes běžné a neodmyslitelné používání přísad stavební chemie.

tags: #druhy #napeti #v #tlaku #beton

Oblíbené příspěvky: