W tym wpisie na blogu przyjrzymy się właściwościom fizycznym prętów stalowych i betonu, ich uzupełniającym się rolom oraz powodom naukowym, dla których żelbet jest szeroko stosowany w konstrukcjach budowlanych.
Do budowy budynków używa się różnych materiałów. Jednym z najczęściej używanych materiałów jest żelbeton. Żelbeton to materiał wytwarzany przez dodanie prętów stalowych do betonu. Różni się on od zwykłego betonu, który jest wytwarzany wyłącznie z betonu, i prętów stalowych, które są wytwarzane wyłącznie ze stali. Żelbeton to materiał, który łączy te dwa materiały, aby stworzyć nowy materiał o nowych właściwościach.
Na pierwszy rzut oka wydaje się, że stworzenie nowego materiału zwanego żelbetem przy użyciu prętów stalowych i betonu jest proste. Chodzi tylko o ułożenie prętów stalowych wewnątrz betonu przed jego stwardnieniem i umożliwienie im stwardnienia razem. Istnieje jednak naukowy powód, dla którego te dwa materiały można stosować razem. Powodem tym jest współczynnik rozszerzalności cieplnej. Współczynnik rozszerzalności cieplnej to unikalna wartość zmiany objętości materiału w odpowiedzi na zmiany temperatury. Stal zbrojeniowa i beton mają prawie taki sam współczynnik rozszerzalności cieplnej. Innymi słowy, szybkość zmiany objętości spowodowana zmianami temperatury jest taka sama. Dlatego nie ma problemu ze stosowaniem tych dwóch materiałów razem. Gdyby współczynniki rozszerzalności cieplnej były różne, oba materiały zmieniałyby objętość w różny sposób, a żelbet, który jest połączeniem dwóch różnych materiałów, nie mógłby być stosowany na placach budowy.
Zastosowanie betonu zbrojonego ma zalety w porównaniu z użyciem samego betonu lub samej stali zbrojonej. Zalety te wynikają z cech każdego materiału, stali zbrojonej i betonu.
Materiały budowlane poddawane są różnym rodzajom sił, jednak najbardziej reprezentatywne są siły ściskające i rozciągające.
Gdy budynek jest poddawany obciążeniu, materiały wyginają się w dół, powodując działanie siły ściskającej na górze materiału i siły rozciągającej na dole. Każdy materiał ma inną zdolność do przeciwstawiania się siłom ściskającym i rozciągającym. Beton jest odporny na ściskanie, ale słaby na siłę rozciągającą. Dlatego w przypadku betonu zniszczenie następuje na dole, gdzie przyłożona jest siła rozciągająca, jak pokazano na powyższym rysunku. Z drugiej strony pręty stalowe dobrze opierają się zarówno ściskaniu, jak i rozciąganiu. Innymi słowy, cechą charakterystyczną betonu zbrojonego jest to, że pręty stalowe są umieszczane w pobliżu obszaru, w którym w betonie występuje siła rozciągająca, jak pokazano na powyższym rysunku, tak aby pręty stalowe opierały się sile rozciągającej. Dlatego pręty stalowe są zasadniczo umieszczane na dole betonu na powyższym rysunku, gdzie działa siła rozciągająca. Jako taki, beton zbrojony jest bardziej odporny na siły rozciągające niż zwykły beton, co jest zaletą w budowaniu bezpieczniejszych budynków.
Dowiedzieliśmy się powyżej, że żelbet jest lepszym materiałem niż zwykły beton. Nadal jednak nie jest jasne, czy jest lepszym materiałem niż stal. Zgodnie z powyższymi faktami stal jest wytrzymała zarówno na ściskanie, jak i rozciąganie, więc czy nie jest zbędne stosowanie żelbetu? Jednak mimo to stosuje się żelbet, a nie samą stal. Istnieje kilka powodów, ale najważniejszym jest zapobieganie korozji stali. Stal jest metalem, więc koroduje, gdy jest wystawiona na działanie powietrza. Korozja osłabia wytrzymałość stali. W żelbetonie stal znajduje się wewnątrz betonu, więc nie jest wystawiona na działanie powietrza, a beton zapobiega korozji stali. Innymi słowy, stosowanie żelbetu jest nadal bardziej skuteczne niż stosowanie samej stali pod względem stabilności budynku.
Powyżej przyjrzeliśmy się zaletom betonu zbrojonego w porównaniu do zwykłego betonu i stali. Ze względu na te cechy stal i beton są częściej używane razem jako beton zbrojony niż osobno.
