www.kablobeton.pl

Pomimo dość wczesnego historycznie zastosowania betonu sprężonego w Europie tak naprawdę największy jego rozwój nastąpił w USA i w Australii. Tam też konstrukcje te stosowane są dość powszechnie, szczególnie stropy sprężone na budowie. W USA tego rodzaju technologię stosuje się od lat 50-tych ubiegłego wieku. Według statystyk w Stanach wykonano do tej pory ponad 50 milionów m² stropów i posadzek sprężonych. W Australii, gdzie również technologię tą stosuje się od dziesięcioleci prawie każdy wielopiętrowy budynek ma stropy sprężone. W Europie od pewnego czasu zainteresowanie betonem sprężonym na budowie rośnie. Główny wpływ na wybór tej technologii konstrukcji mają czynniki ekonomiczne i techniczne, a także łatwość i szybkość wykonania.

W Polsce kablobeton wykorzystywany był i nadal jest głownie do sprężonych dźwigarów dachowych i mostowych. Ostatnimi laty jednak coraz więcej inwestorów, głównych wykonawców, architektów zainteresowanych jest zastosowaniem kablobetonu do stropów monolitycznych. Może być on atrakcyjniejszą alternatywą od stropów żelbetowych czy też stropów z prefabrykatów strunobetonowych.

Strop taki wykonany jest z betonu, zbrojenia i oczywiście kabli sprężających wraz z ich zakotwienieniami. Pojęcie „kabel” oznacza cięgno lub kilka cięgien sprężających w osłonkach chroniących przed kontaktem z mieszanką betonową stropu. Cięgno stanowi splot kilku drutów ze stali o wysokiej wytrzymałości (zwykle 1860 MPa). Kable wytrasowuje się według projektu. Zwykle podparte są co 1m. Ich trasa przypomina trajektorię naprężeń rozciągających w stropie i najczęściej ma kształt paraboliczny ciągły. Na końcach kabli znajduje się zakotwienie czynne lub bierne. Cięgna przechodzą przez zakotwienie czynne poza brzeg płyty stropowej, tak by umożliwić naciąg. Gdy zbrojenie oraz kable wraz zakotwieniami są zamontowane i zaaprobowane, można przystąpić do betonowania. Po osiągnięciu przez beton wymaganej wytrzymałości na ściskanie strop można sprężać. Cięgna naciąga się w miejscach zakotwień czynnych, po czym blokuje się je w zakotwieniu.

Wyróżniamy dwa systemy sprężania monolitycznego: z przyczepnością i bez przyczepności.

System sprężania z przyczepnością

System ten charakteryzuje się tym, że zapewnia przyczepność cięgien sprężających do betonu na całej ich długości. Przed zabetonowaniem stropu cięga układa się w cienkościennych osłonkach z metalu lub tworzyw sztucznych. Taką grupę cięgien w jednej osłonce nazywa się kablem. Na obu końcach kabla znajduje się zakotwienie czynne lub bierne. Zakotwienie czynne jest wspólne dla całej ich grupy a jego rozmiar zależy od ilości cięgien w kablu. Zwykle jest to to 3, 4 lub 5 cięgien. Zakotwienie bierne w typowym systemie stosowanym w stropach zwykle wykonywane jest poprzez formowanie końca cięgna w tzw. „cebulę” (poszczególne druty splotu są odwijane). Siła sprężająca przenosi się z zakotwienia czynnego na beton poprzez docisk a z zakotwienia biernego na beton poprzez przyczepność betonu do zwojów drutu. Po naciągnięciu i zablokowaniu cięgna w zakotwieniu czynnym, wolną przestrzeń w osłonkach (kanałach kablowych) wypełnia się zaczynem cementowym. W ten sposób zapewniona jest przyczepność kabla do betonu na całej jego długości.

Przecięcie cięgna lub awaria zakotwienia nie są w tym systemie tak niebezpieczne jak w systemie bez przyczepności gdyż siła sprężająca z cięgna przenosi się na beton przez przyczepność splotów do betonu.

Budowa stropu sprężonego w systemie z przyczepnością odbywa się następujących etapach:
• szalowanie stropu;
• wycinanie otworów pod zakotwienia czynne w deskowaniu krawędziowym;
• układanie zbrojenia dolnego, jeśli występuje, ewentualnego zbrojenia na przebicie;
• układanie osłonek kablowych;
• umiejscowienie kabli w osłonkach i mocowanie zakotwień do deskowania krawędziowego;
• wytrasowanie w pionie kabli, uszczelnienie połączeń osłonek, montaż rurek odpowietrzających;
• ułożenie zbrojenia górnego;
• odbiór techniczny stropu;
• oznaczanie farbą tras kabli na szalunku;
• betonowanie i pielęgnacja;
• wstępne sprężanie stropu do około 20% końcowej siły sprężającej (zwykle po 24 godzinach od betonowania);
• sprężanie końcowe stropu po osiągnięciu przez próbki betonu odpowiedniej wytrzymałości na ściskanie (zwykle po 3-4 dniach);
• pomiar wydłużeń cięgien i porównanie z wartościami wydłużeń z projektu;
• iniekcja kanałów kablowych zaczynem cementowym;
• obcięcie wystających cięgien;
• zabezpieczenie stref zakotwień zaprawą niskoskurczową;

Zdjęcia z budowy - stropy sprężone w systemie z przyczepnością:

Animacje medialne i filmy obrazujące budowę stropu sprężonego w systemie z przyczepnością:

System sprężania bez przyczepności

Pojedyncze cięgna pokryte są smarem i prowadzone są w osłonkach HDPE. Rozwiązanie to zmniejsza straty od tarcia na długości cięgna. Może być to korzystne przy długich kablach. Kable w tym systemie mogą być również zakrzywione w planie. W ogólnie stosowanym na świecie systemie bez przyczepności każde cięgno posiada indywidualne zakotwienie czynne lub bierne na obu końcach. Zakotwienia te wyglądają jednakowo i są dużo mniejsze niż zakotwienie czynne w systemie z przyczepnością. Łatwiej je umiejscowić w miejscach gdzie ze względu na zagęszczenie prętów zbrojeniowych duże zakotwienie systemu z przyczepnością się nie zmieści, np. wewnątrz zbrojenia słupa, które przechodzi przez strop. Cięgna łączy się często w grupy (taśmy) i wytrasowuje jako jeden kabel, przy czym zakotwienie nie jest dla nich wspólne lecz indywidualne dla każdego cięgna.

System bez przyczepności ma tę wadę, że w razie awarii skutkującej przecięciem cięgna lub zniszczenia zakotwienia cięgno traci nośność na całej swej długości. Należy mieć to na uwadze na etapie projektowania. Nie zaleca się stosowania tego systemu w układach jednokierunkowych, w elementach konstrukcji, których awaria może mieć efekt lawinowy. Co ciekawe w Australii, gdzie monolityczne stropy kablobetonowe stosowane są w budownictwie od dziesięcioleci system ten jest dozwolony jedynie do posadzek na gruncie. Powszechnie w stropach stosuje się tam system z przyczepnością.

Realizację prac wykonawczych stropu bez przyczepności można podzielić na następujące etapy:
• szalowanie stropu;
• wykonanie otworów pod zakotwienia w deskowaniu krawędziowym;
• prefabrykacja kabli i zakotwień;
• układanie zbrojenia dolnego, ewentualnego zbrojenia na przebicie;
• montaż zakotwień do deskowania krawędziowego i układanie kabli;
• układanie zbrojenia górnego;
• wytrasowanie kabli w pionie, zabezpieczenie zakotwień;
• oznaczanie farbą przebiegu kabli na płytach szalunkowych;
• betonowanie i pielęgnacja;
• sprężenie stropu gdy próbki betonu osiągną wymaganą wytrzymałość na ściskanie (zwykle po 3-4 dniach);
• pomiar wydłużeń cięgien i porównanie z wartościami wydłużeń z projektu;
• obcięcie wystających cięgien;
• zabezpieczenie stref zakotwień zaprawą niskoskurczową;

Zdjęcia z budowy - stropy sprężone w systemie bez przyczepności:

Animacje medialne i filmy obrazujące budowę stropu sprężonego w systemie bez przyczepności:

Zastosowanie stropów sprężonych w budynkach może być pod wieloma względami korzystne:

Większe rozpiętości

Większe rozpiętości stropów redukują ilość potrzebnych słupów i ścian. W rezultacie otrzymujemy więcej otwartej przestrzeni nie zakłóconej słupami czy ścianami co skutkuje łatwiejszym zaadoptowaniem wnętrza do potrzeb inwestora. Podkreślić należy, że również w przyszłości łatwiej wnętrza w takim obiekcie przetransponować w zależności od wymagań podmiotu wynajmującego budynek.

Czynniki ekonomiczne - oszczędności

Całkowity koszt materiałów, robocizny, deskowań może być mniejszy niż przy tradycyjnym stropie żelbetowym. To zwykle uzależnione jest od rozpiętości stropu. Przy rozpiętościach słupów powyżej 7 m stropy sprężone są zwykle bardziej ekonomicznym rozwiązaniem niż stropy żelbetowe.

Czynniki ekologiczne

Konstrukcje sprężone zmniejszają ilość potrzebnego do budowy betonu i stali w porównaniu z konstrukcjami żelbetowymi, przez co są bardziej przyjazne środowisku redukując ilość wyemitowanych gazów cieplarnianych w tym CO2.

Zmniejszenie grubości i wysokości międzypiętrowej

Przy tych samych obciążeniach użytkowych stropy sprężone będą cieńsze od ich odpowiedników żelbetowych. Może to być wykorzystane do zmniejszenia wysokości między piętrami przy zachowaniu tej samej odlełości między podłogą a sufitem. Wiązać to się może z oszczędnościami na kosztach fasady a przy dużej ilości pięter możliwe jest wprowadzenie dodatkowej kondygnacji zachowując tą samą wysokość budynku.

Zmniejszenie ugięć stropu

Stropy sprężone uginają się mniej niż żelbetowe przy tych samych obciążeniach. Jest to wynikiem ‘unoszącego’ działania odpowiednio profilowanych cięgien. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na różnice ugięcia w stropie żelbetowym i sprężonym jest pełzanie betonu. Zjawisko to powoduje zwiększenie ugięcia stropu z czasem w obecności sił długotrwałych. Ciężar własny stropu jest właśnie taką siłą długotrwałą działąjącą niezmiennnie w czasie. W przypadku stropów sprężonych mamy również doczynienia z innymi siłami działającymi długotrwale a mianowicie z siłami od kabli wypychającymi strop do góry. Siły te dziąłają w środku stropu w kierunku przeciwnym do ciężaru tak więc redukują odkształcenia długotrwałe od pełzania betonu.

Szczelność

W przypadku stropów sprężonych łatwiej osiągnąć szczelność płyty betonowej niż w przypadku stropów żelbetowych. Sprężanie przeciwdziała powstawaniu zarysowań w betonie. Nie każdy strop sprężony będzie wodoszczelny. Uzależnione jest to od uwarunkowań projektowych i wykonawczych. Wybór odpowiedniej mieszanki betonowej jest również ważny, jednak odporność na powstawanie zarysowań w elementach sprężonych sprawia iż częściej wykorzystuje się kablobeton tam gdzie szczelność jest wymagana: zbiorniki, stropodachy, parkingi wielopiętrowe a nawet ściany oporowe.

Wcześniejsze zdjęcie szalunku

Stropy kablobetonowe już po sprężeniu, czyli 3-4 dniach mogą być pozbawione szalunku. Może to się wiązać z oszczędnością gdy jest on wynajmowany i płacimy za każdy dzień.

Transport materiałów

Mniej betonu i stali zbrojeniowej oznacza zmniejszenie zapotrzebowania na jej transport na budowę jak i na terenie budowy. Wiąże się to ze zredukowaniem ilości godzin pracy dźwigu czy roboczogodzin związanych z noszeniem i montażem zbrojenia.

Mniejsze fundamenty

Zmniejszenie grubości stropów powoduje zmniejszenie obciążenia budynku na fundamenty. 1cm daje oszczędność 24kg na m² powierzchni stropu. Zwykle redukcja grubości stropu przy przeprojektowaniu stropu żelbetowego na kablobetonowy wynosi kilka cm. Ma to oczywisty wpływ na zmniejszenie obciążeń fundamentów a więc może w rezultacie wpłynąć na redukcję kosztów wykonania fundamentów przez zmniejszenie głębokości posadowienia fundamentu (roboty ziemne) i ilości stali i betonu użytego na wykonanie fundamentów (materiały).

Zmniejszenie korozyjności

Sprężanie poprawia właściwości antykorozyjne stropu. Zarysowania, szczeliny w betonowej otulinie zbrojenia są podstawową drogą którą czynniki powodujące korozję dostają się do stali zbrojeniowej. Sprężanie minimalizuje możliwość powstania zarysowań i pęknięć w betonie przez co uszczelnia strop i chroni zbrojenie przed korozjogennym działaniem otoczenia zewnętrznego.

W kablobetonie oprócz wprowadzenia naprężeń ściskających element zginany (strop czy belkę) mamy możliwość dołożenia dodatkowych sił oddziałujących prostopadle do osi, czy płaszczyzny tego elementu. Wyobraźmy sobie, że naciągamy ugięte cięgno o kształcie lekko parabolicznym. Załóżmy, że kształt cięgna nie jest przez nic blokowany i może się ono swobodnie odkształcać między punktami naciągu. Oczywiście w miarę naciągania jego ugięcie będzie malało aż przyjmie ono kształt prostoliniowy między punktami, do których przyłożona jest siła naciągu. Cięgno „wyprostuje” się, co jest dość oczywiste. Co stanie się jednak, gdy umieścimy je w kanale znajdującym się w elemencie betonowym i będzie miał on kształt paraboliczny? Gdy będziemy naciągać cięgno, będzie ono ponownie dążyć do „wyprostowania” się, jednakże beton zablokuje możliwość zmiany jego profilu. Cięgno w miarę sprężania będzie oddziaływać na ten blokujący element w kierunku, w którym powinno się odkształcić, by przyjąć profil prostoliniowy. Tak więc, gdy nadamy cięgnu sprężającemu jakikolwiek kształt (trasę), naciągając je powodujemy, że będzie dążyło do przyjęcia kształtu prostoliniowego między punktami zakotwień. Profilując trasę kabli w odpowiedni sposób możemy sprawić, że siła nacisku kabla na beton będzie miała na przykład w środkowej części belki, czy stropu kierunek przeciwny do działania sił grawitacji, a więc będzie miała działanie unoszące belkę czy strop. W ten sposób można zaprojektować i wykonać stropy czy też belki, które mają sporą rozpiętość, są cieńsze niż ich żelbetowe odpowiedniki dla takiej rozpiętości, a ich ugięcie jest dużo mniejsze. Jeśli przesadzimy z ugięciem kabli lub ich ilością możemy również sprawić, że strop czy belka będzie wygięta do góry. Tak jest w przypadku, gdy te wcześniej opisane siły nacisku cięgna na beton będą większe od ciężaru stropu. Możliwość wprowadzania dodatkowych sił oddziałujących na konstrukcję jest czymś unikalnym w przypadku projektowania konstrukcji budowlanych, czymś co wyróżnia kablobeton i podnosi jego atrakcyjność i efektywność, jeśli chodzi o możliwości projektowo-wykonawcze. W tradycyjnym żelbecie nie możemy wprowadzić dodatkowych sił oddziałujących np. „unosząco" na strop. Zbrojenie działa w sposób bierny. W kablobetonie jest to możliwe a sprężone cięgna oddziałują na strop w sposób czynny. Najczęściej spotykanym profilem cięgna jest profil paraboliczny, jednakże możliwości trasowania profilu cięgien są dość szerokie. W stropach czy belkach przenoszących obciążenia punktowe np. słupów z wielu pięter powyżej, bardziej zasadny może być inny profil kabli.

Czy stropy te oprócz kabli potrzebują jeszcze dodatkowo zbrojenia prętami?

Zwykle zbrojenie daje się w strefie zakotwień, wzdłuż brzegów płyty, ogólnie dozbraja się miejsca gdzie naprężenia ściskające od kabli nie występują lub są zredukowane przez elementy blokujące sprężenie stropu np żelbetowe ściany. Dodatkowo zbrojenie występuje nad słupami. Nie jest ono jednak zwykle tak duże jak w stropach żelbetowych i zwykle w typowych płytach stropowych jest to kilka prętów fi12, 16 czy 20. Niekiedy wymagane jest zbrojenie na przebicie. Zbrojenie pasywne może być również wymagane, jeśli strop nie jest sprężany etapami, jako zabezpieczenie przed powstaniem rys skurczowych.

Co może utrudnić wykonanie stropu kablobetonowego?

Ważnym czynnikami decydującym o zasadności użycia technologii kablobetonu lub stopniu skomplikowania projektu stropu są:

• Stopień skomplikowania geometrycznego stropu. W przypadku dużych uskoków w poziomie kontynuacja kabli może być niemożliwa. W przypadku zmian w pochyłości płyt stropowych (np rampy parkingowe) zasadność użycia kabli powinna być zbadana przez projektanta.
• Ilość ścian żelbetowych, klatek schodowych itp elementów o dużej sztywności mogących zredukować naprężenia ściskające w stropie. Możliwe jest tymczasowe odizolowanie stropu od ścian za pomocą 1m pasma stropu wykonanego z opóźnieniem. Stosuje się również tymczasowe lub trwałe połączenia ślizgowe.
• Dostęp do naciągu sprężającego strop powinien zostać ustalony na etapie projektowania. Zwykle potrzeba około 1m szerokości od zakotwienia czynnego umiejscowionego na brzegach płyty. Możliwy jest również naciąg z góry płyty stropowej w przypadku zastosowania zakotwień czynnych wewnątrz płyty.
• Zbyt krótkie cięgna, poniżej 6m długości nie są zbyt efektywne jako, że straty naciągu przy zakotwieniu cięgien powodują znaczne zmniejszenie siły sprężającej.
• Przy długich cięgnach straty siły naciągu są również znaczne i zalecane jest wtedy jeśli możliwe zastosowanie zakotwień czynnych na dwóch końcach kabli.
• Lokalizacja połączeń konstrukcyjnych, podział na płyty przy dużych powierzchniach powinien być uzgodniony na etapie projektowania stropu.
• W przypadku pojedynczych rozpiętości bez ciągłości konstrukcji (ukłądy jednoprzęsłowe), np ściana strop i ściana kable nie będą tak efektywne jak w przypadku ukłądów ciągłych, wieloprzęsłowych
• Możliwości dostawy odpowiedniej ilości betonu potrzebnej do wykonania płyty o rozmiarach jak w projekcie. Z racji na to że w stropie sprężonym może być bardzo mało zbrojenia przeciwskurczowego nie powinno się opóźniać zbyt długo sprężania stropu.
• Lokaizacja zakotwień kabli sprężających nie powinna kolidować z systemem zakotwień fasady. Rzecz ważna do rozpatrzenia na etapie projektowania stropu.

Czy słupy w stropie sprężonym na budowie muszą być usytuowane w osiach budynku, w tej samej linii? Czy powinny tworzyć regularną siatkę w przypadku stropów płytowych?

Swoboda doboru siatki słupów podpierających stropy sprężone płytowe jest jedną z zalet tych stropów. Słupy nie muszą być ustawione w linii ani też nie muszą tworzyć regularnej siatki. Oczywiście łatwiej jest zaprojektować strop z regularną siatką słupów niemniej nieregularności są dopuszczalne i możliwe praktycznie bez ograniczeń. Łatwość kształtowania formy budynku ze stropami płytowymi sprawia, że są one rozwiazaniem często wybieranym przez Architektów.

Czy możliwy jest zupełnie inny rozstaw słupów nad i pod stropem sprężonym?

Tak, oczywiście i jest to rozwiązanie spotykane w budynkach wielopiętrowych gdy ze względów funkcjonalności budynku niekorzystne jest kontynuowanie tego samego rozstawu słupów od fundamentów aż po dach. Przykładem może być wielopiętrowy budynek mieszkalny czy biurowy w którym najniższe piętra przeznaczone są na powierzchnie handlowe czy parkingi. W takich przypadkach na poziomie zmiany rozstawu słupów stosuje się tzw stropy typu 'transfer', przenoszące obciążenia ze słupów obciążających strop na słupy podpierające.