calosc.pdf

budownictwo • technologie • architektura

Warto tu przypomnieç, jakiego rodzaju prze∏om
w ﬁ lozoﬁ i projektowania wprowadzi∏o spr´˝enie.
Poprzednio, projektant konstrukcji ˝elbetowej,
podobnie jak dawniej konstrukcji metalowej lub
drewnianej, przy du˝ym obcià˝eniu elementu móg∏
wykorzystaç jednà z trzech mo˝liwoÊci:
• przyj´cie du˝ego przekroju, co pociàga∏o przy-

rost ci´˝aru w∏asnego

• zmian´ kszta∏tu, rozpi´toÊci lub schematu sta-

tycznego

• zastosowanie materia∏u o wi´kszej wytrzyma∏oÊci.
Od po∏owy XX wieku projektant uzyska∏ najbardziej
nowoczesnà mo˝liwoÊç, jakà jest aktywne kontrolo-
wanie zachowania si´ konstrukcji pod obcià˝eniem
za pomocà wst´pnie wywo∏anego obcià˝enia prze-
ciwnego, zwanego w∏aÊnie spr´˝eniem.
Konstrukcje z

betonu spr´˝onego wywodzà si´

oczywiÊcie z konstrukcji ˝elbetowych, a ich po-
mys∏ wiàza∏ si´ z dà˝eniem do eliminacji wad
˝elbetu, zw∏aszcza zarysowaƒ i ugi´ç. Pomimo
podobieƒstwa materia∏owego ró˝nice sà jednak
du˝e. Cz´sto przytaczana jest maksyma przypi-
sywana znakomitemu francuskiemu teoretyko-
wi konstrukcji spr´˝onych Yves Guyonowi: Bel-
ka spr´˝ona jest podobna do belki ˝elbetowej:

w obydwu beton pracuje na Êciskanie, a stal na
rozciàganie. I na tym koƒczà si´ podobieƒstwa.
W konstrukcjach ˝elbetowych rol´ zbrojenia okreÊla
si´ jako biernà, gdy˝ si∏y w zbrojeniu pojawiajà si´
dopiero w chwili obcià˝enia. W betonie spr´˝onym
rola zbrojenia jest od poczàtku czynna, gdy˝
niezale˝nie od obcià˝eƒ zewn´trznych zbrojenie
to wywo∏uje zamierzone si∏y wst´pne. W elemen-

Wielkie realizacje i projekty nowych obiektów, podobnie jak prezentacje wyników intensywnych badaƒ w ró˝nych
Êwiatowych oÊrodkach wskazujà na nieprzerwany i wielokierunkowy rozwój konstrukcji betonowych. W rozwoju
tym inwencja projektantów jest wspierana przez mo˝liwoÊci zastosowania nowych materia∏ów i nowych metod
wznoszenia, a dà˝enia sà ukierunkowane nie tylko na efektywne technicznie i ekonomicznie konstrukcje,
ale w równym stopniu na trwa∏oÊç tych konstrukcji. Szczególne miejsce w tych osiàgni´ciach zajmujà
konstrukcje spr´˝one.

Konstrukcje z betonu spr´˝onego
– nadbudowa ˝elbetu

fot. Archiwum

Zdj´cie górne – p∏ytowo-
s∏upowy szkielet
ze spr´˝onymi stropami.
Poni˝ej – prefabrykaty stru-
nobetonowe dla zespolo-
nych stropów

budownictwo

paêdziernik – grudzieƒ 2003

tach ˝elbetowych zginanych strefa Êciskana beto-
nu stanowi w praktyce mniej ni˝ 1/3 wysokoÊci
przekroju, a zatem beton w przewa˝ajàcej cz´Êci
przekroju znajduje si´ w streﬁ e rozciàganej. Sta-
nowi w istocie balast o drugorz´dnym znaczeniu.
W

zginanych elementach spr´˝onych przekroje

sà mimoÊrodowo Êciskane i w ca∏ym praktycznie
przekroju dzia∏ajà znaczne napr´˝enia Êciskajàce.
Te szczególne warunki pracy konstrukcji
spr´˝onych pozwalajà na dobre wykorzystanie
w nich materia∏ów wysokiej wytrzyma∏oÊci. Im
wy˝sza wytrzyma∏oÊç stali (lub zbrojenia nieme-
talicznego) w ci´gnach spr´˝ajàcych, tym mniej-
szy przekrój tego zbrojenia pozwala na realizacj´
wymaganej si∏y spr´˝ajàcej. Brak kontaktu ci´gien
z betonem w chwili naciàgu nie ogranicza bowiem
odkszta∏ceƒ stali, jak to ma miejsce w ˝elbecie.
Jeszcze bardziej znamienne jest, ˝e wysoka
wytrzyma∏oÊç betonu daje równie˝ bezpoÊrednià

korzyÊç w postaci wysokich napr´˝eƒ, jakie mo˝na
przy spr´˝eniu dopuÊciç w przekroju.
Rozwój technologii betonu i

metalurgii spra-

wi∏, ˝e przy stosunkowo nieznacznym wzroÊcie
kosztów uzyskuje si´ betony i

stale o

wyso-

kich wytrzyma∏oÊciach. W

ci´gnach stalowych

wytrzyma∏oÊç na rozciàganie si´ga 2500 MPa,
a

betony osiàgajà wytrzyma∏oÊç na Êciskanie

100 MPa w

powszechnej praktyce i

znacznie

ponad 200 MPa w

prototypowych zastosowa-

niach. Takie materia∏y nie mogà byç prawie ni-
gdy efektywnie zastosowane w ˝elbecie. Stale,
niezale˝nie od wytrzyma∏oÊci, majà praktycznie
jednakowy modu∏ spr´˝ystoÊci. Tym samym, do-
puszczenie wy˝szych wartoÊci napr´˝eƒ w zbro-
jeniu elementów ˝elbetowych by∏oby niew∏aÊciwe
ze wzgl´du na towarzyszàce temu nadmierne za-
rysowanie betonu. Równie˝ zastosowania betonów
wysokowartoÊciowych jest zwykle ma∏o celowe,
gdy˝ prowadzi w niewielkim stopniu do redukcji
wymiarów przekrojów, zw∏aszcza zginanych. Pew-
nym wyjàtkiem sà elementy Êciskane, a zw∏aszcza
kr´pe s∏upy.
Wskutek braku kontaktu stali z betonem w chwi-
li naciàgu, mo˝e byç w konstrukcjach spr´˝onych
wykorzystana w pe∏ni wysoka wytrzyma∏oÊç sta-
li. W porównaniu z ˝elbetem, w którym w fazie
u˝ytkowej napr´˝enia w zbrojeniu si´gajà najwy˝ej
100 MPa, przy naciàgu stali spr´˝ajàcej stosuje si´
napr´˝enia wst´pne rz´du 1200 MPa i wi´cej. Wy-
soka wytrzyma∏oÊç betonu na Êciskanie, a tak˝e na
rozciàganie, nie tylko mo˝e byç wykorzystana, ale
w wielu przypadkach jest ona koniecznoÊcià, gdy˝
warunkuje bezpieczne wprowadzenie du˝ych si∏
spr´˝ajàcych.
Praktyczne zalety konstrukcji spr´˝onych w porów-
naniu z ˝elbetowymi to:
• zmniejszenie ugi´ç elementów zginanych dzi´ki

wst´pnemu ugi´ciu odwrotnemu, a tak˝e dzi´ki
znacznemu rozszerzeniu przedzia∏u spr´˝ystego
zachowania si´ betonu i

wynikajàcej stàd

wi´kszej sztywnoÊci

• mo˝liwoÊci trwa∏ego ∏àczenia prefabrykowanych

segmentów z suchymi stykami

• smuk∏e, stosunkowo lekkie elementy, o wyso-

kich walorach estetycznych i funkcjonalnych.

Zalety te skutkujà z jednej strony w mo˝liwoÊci
wielokrotnego zwi´kszenia rozpi´toÊci elementów
zginanych, a z drugiej – w zapewnieniu szczelnoÊci
rozciàganych cz´Êci konstrukcji.
Trwa∏oÊç konstrukcji spr´˝onych nie mo˝e
byç w

podobnie prosty sposób porównywana

z ˝elbetem. Mo˝e byç zarówno znacznie lepsza, ale
tak˝e i gorsza – gdy jakoÊç wykonania jest niska.
Konstrukcje z betonu spr´˝onego ch∏onà ze znako-
mitymi efektami wszystkie nowoÊci materia∏owo-
technologiczne, w tym betony wysokowartoÊciowe
i ultrawysokowartoÊciowe, w∏óknobetony, niemeta-
liczne ci´gna zast´pujàce stal.
Wspomniane tu oszcz´dnoÊci materia∏owe
i

korzyÊci techniczne nie muszà si´ jednak

odzwierciedlaç proporcjonalnie w

efektach eko-

nomicznych, zw∏aszcza przy indywidualnych
realizacjach. Konstrukcje spr´˝one wymagajà bo-
wiem znacznie wy˝szych kwaliﬁ kacji projektan-
tów i wykonawców, specjalnego sprz´tu, wyso-
kiej dok∏adnoÊci i zaostrzonej kontroli. Wszelkie

Maszty elektroenerge-
tyczne z w∏óknobetonu
wysokowartoÊciowego
(130 MPa) spr´˝one
ci´gnami w´glowymi (3000
MPa) rysunek nr 15-181
z materia∏ów do ksià˝ki

fot. Archiwum

budownictwo • technologie • architektura

wznoszonych, jak te˝ wzmacniania konstruk-
cji istniejàcych, tak˝e zabytkowych. Wzros∏a rola
spr´˝enia jako zabiegu tymczasowego, znane-
go dawniej g∏ównie w budownictwie mostowym.
Obecnie spr´˝a si´ du˝e p∏yty stropów lub na-
wierzchni, a tak˝e Êciany zbiorników, w bardzo
wczesnym okresie twardnienia, w celu eliminacji
zarysowaƒ termicznych i skurczowych.
W innowacjach budownictwa miejskiego dominujà
rozwiàzania obiektów wysokich, budynki szkieleto-
we p∏ytowo-s∏upowe, zaawansowane prefabryka-
ty stropowe, ró˝norodne obiekty podziemne oraz
wszelkiego rodzaju hale sportowe i widowiskowe.
Nadal rozwijane sà nowe koncepcje zastosowaƒ
w ró˝nych obiektach przemys∏owych, zw∏aszcza
w ró˝nego typu zbiornikach.
Szczególnie wielkie wyzwania stawia rozwój ko-
munikacji i infrastruktury miejskiej – stàd nieprze-
rwany rozwój obserwowany w mostach, tunelach
oraz nawierzchniach dróg i lotnisk. Nowe mosty,
o niewyobra˝alnych do niedawna rozpi´toÊciach
lub wznoszone w sytuacjach skrajnie trudnych,
urzeczywistniajà marzenia ludzkoÊci datowane na
tysiàclecia. Niektóre sà ju˝ w realizacji (most Rion-
Antirion przez Zatok´ Korynckà w Grecji), w za-
awansowanym stanie przygotowania (most przez
CieÊnin´ Messyƒskà) lub fazie realnych koncepcji
(mosty przez CieÊnin´ Gibraltarskà i CieÊnin´ Be-
ringa).
Oprócz rekordów w prze∏amywaniu kolejnych ba-
rier, konstrukcje z betonu spr´˝onego pozwalajà na
uzyskiwanie wyjàtkowych walorów funkcjonalnych
i estetycznych. Dynamika dotychczasowego roz-
woju tych konstrukcji sprawia, ˝e przewidywanie
ich przysz∏oÊci wkracza w zakres futurologii.

prof. Andrzej Ajdukiewicz

Politechnika Âlàska

usterki wykonawcze i wady materia∏owe majà tu
znacznie powa˝niejsze skutki ni˝ w konstrukcjach
˝elbetowych. Stosowanie konstrukcji spr´˝onych
wymaga zatem wy˝szego poziomu technicznego,
ale te˝ prowadzi do znacznie nowoczeÊniejszych
i Êmielszych rozwiàzaƒ.
Udzia∏ betonu spr´˝onego w ogólnej produkcji be-
tonu konstrukcyjnego jest nieformalnie, ale konse-
kwentnie zestawiany i uznawany za miar´ pozio-
mu technicznego lub nowoczesnoÊci budownictwa
w danym kraju. W krajach o szybkim tempie roz-
woju w minionej dekadzie (Daleki Wschód) udzia∏
ten przekracza∏ okresowo 20% ca∏ej kubatury pro-
dukowanego betonu. Sprzyja temu kilka przyczyn
ekonomiczno-technicznych:
• dà˝enie do mniej materia∏och∏onnych rozwiàzaƒ
• wykonywanie du˝ych inwestycji z efektownymi

obiektami o du˝ych rozpi´toÊciach

• kompleksowa kalkulacja ekonomiczna i dà˝enie

do wysokiej trwa∏oÊci

• realizacje w

szczególnych warunkach (s∏abe

grunty, tereny sejsmiczne, trudnoÊci klimatycz-
ne)

• dost´pnoÊç w konkurencyjnej ofercie i relatyw-

nie niskie koszty materia∏ów podstawowych
i akcesoriów dodatkowych, a tak˝e sprz´tu do
spr´˝ania konstrukcji.

Spr´˝enie wkroczy∏o do wszystkich dziedzin bu-
downictwa, zachowujàc dominujàce znacze-
nie w

tradycyjnych obszarach zastosowaƒ, ta-

kich jak mosty, zbiorniki lub przekrycia wielkich
rozpi´toÊci. Szczególnie szybki ostatnio rozwój do-
tyczy zastosowaƒ podziemnych – kotwy spr´˝one
stabilizujà Êciany oporowe, obudowy tuneli, zapo-
ry i nabrze˝a.
Post´p w systemach spr´˝ania sta∏ si´ w wie-
lu typach obiektów g∏ównym motorem post´pu
technicznego w ogóle, dzi´ki stworzeniu nowych
mo˝liwoÊci. Dotyczy to zarówno obiektów nowo

Nowa generacja
– mosty dopr´˝ane

fot. Archiwum