Posadzki na palach z betonu zbrojonego włóknami stalowymi

Kiedy warunki gruntowe nie są wystarczająco stabilne pod po­sadzkę przemysłową, posadzka powinna być posadowiona na palach. W takim przypadku posadzka staje się elementem konstrukcyjnym, bardziej skomplikowanym i droższym od zwy­kłej posadzki posadowionej na grun­cie. Opracowane w ostatnich latach przez firmę Bekaert nowe włókna sta­lowe Dramix^® 4D i 5D, przeznaczone na główne zbrojenie betonowych po­sadzek na palach, pozwalają zastoso­wać technicznie rzetelne, ekonomicz­ne i łatwe w wykonaniu rozwiązanie.

Posadzki na palach jako zastosowanie konstrukcyjne włókien stalowych

Przemysłowa, betonowa posadzka na palach jest konstrukcją wspartą na palach wbijanych w ziemię w regularnej, jeśli to możliwe kwadrato­wej, siatce od 2 x 2 m do 5 x 5 m. W miarę upływu czasu grunt pod po­sadzką osiada lub kurczy się i po ja­kimś czasie płyta jest podparta tylko na palach. Taka płyta zachowuje się jak niezależny element konstrukcyj­ny, nie jest połączona ani z palami, ani z konstrukcją budynku. Posadz­ka może być wykonana jak posadzka bezszwowa (bez żadnych dylatacji) lub jako posadzka bezspoinowa (z dyblowanymi dylatacjami konstrukcyj­nymi i polami roboczymi o rozpiętości do 50 m).

Rys. 1 Rodziny włókien Dramix^® 3D, 4D i 5D

Dramix^® 4D i 5D – włókna stalowe o ultra wysokiej efektywności

Po latach intensywnych badań Bekaert odkrył nowe zachowanie się włókien stalowych w betonie, co zapoczątkowało rewolucyjne spojrzenie na ten materiał. W wyniku tego, w 2012 r. Bekaert wprowadził na rynek dwie nowe rodziny włókien stalowych: Dra- mix® 4D i Dramix^® 5D. Obie rodziny zostały opracowane w celu zoptyma­lizowania efektywności mechanicznej włókien w betonie. Włókna 4D – za­projektowane głównie do współpracy z tradycyjnym zbrojeniem w celu ak­tywnego kontrolowania powstawania rys w granicznym stanie użytkowalności, włókna 5D – zaprojektowane do przejmowania bardzo dużych momen­tów zginających w granicznym stanie nośności.

Sposób kotwienia włókien w betonie, wytrzymałość stali na rozciąganie i jej ciągliwość są trzema zasadniczymi parametrami określającymi efektyw­ność włókien stalowych. Zakotwie­nie włókien kontroluje ich wyciąganie z betonu w chwili pojawienia się rysy. Im bardziej końcówka kotwiąca jest rozwinięta, tym większy jest opór włókna przed wyciąganiem. Każda ro­dzina włókien Dramix® ma inny kształt kotwienia, co obrazuje rys. 1. Włókna 5D mają końcówkę kotwiącą dwa razy mocniejszą niż włókno 3D.

Rys. 2 Wykres rozciągania stali, z której są wykonane włókna stalo­we Dramix^® 3D, 4D i 5D

Kiedy mocniejsze kotwienie włókien powoduje ich większą odporność na wywlekanie, wytrzymałość drutu musi być odpowiednio dobrana, aby uniknąć jego zerwania. Dlatego wytrzymałość stali, z jakiej są wykonane włókna 4D wynosi 1500 MPa, a wytrzyma­łość stali włókien 5D wynosi nawet 2300 MPa! I ostatnia rzecz: ciągliwość drutu. Ma najistotniejsze znaczenie dla wpływu włókien na wytrzymałość betonu. Jeśli końcówki kotwiące wyeg­zekwują prawie perfekcyjne zakotwie­nie włókien w betonie, co ma miejsce w przypadku włókien Dramix^® 5D, to włókna poddają się wywleczeniu w bar­dzo małym stopniu. Aby uzyskać pla­styczny beton z włóknami stalowymi, sam drut musi być wykonany z bardzo odkształcalnej stali. W przypadku włó­kien 5D wydłużenie jednostkowe drutu osiąga 7%. Różnice między jakością stali poszczególnych rodzin włókien pokazuje rys. 2.

Rys. 3 Wykres wytrzymałości betonu z dodatkiem włókien stalowych Dramix^® 3D, 4D i 5D, gdzie: Fr – wytrzymałość resztkowa fibrobetonu na zginanie po pierwszym zarysowaniu, Fl – wytrzyma­łość fibrobetonu na zginanie przy pojawieniu się pierwszej rysy

Wytrzymałość na rozciąganie, zdol­ność do wydłużenia i kształt końcówek kotwiących nie wskazują bezpośred­nio, jaki wpływ mają włókna stalowe na wytrzymałość betonu. Dopiero normowe badanie fibrobetonu na bel­ce zginanej idealnie pokazuje różnice w wytrzymałościach. Badanie porów­nujące włókna Dramix^® 3D, 4D i 5D o tych samych długościach, tej sa­mej smukłości oraz dodane do betonu o tych samych właściwościach jasno pokazuje różnice w wytrzymałościach fibrobetonu (rys. 3). Zachowanie się włókien Dramix^® 5D jest nazywane „wzmocnieniem przy zginaniu”, po­nieważ wartość wytrzymałości rów­noważnej na zginanie osiąga wartość wyższą niż wytrzymałość resztkowa przy powstaniu pierwszej rysy. To zachowanie jest podobne do zacho­wania się betonu zbrojonego prętami stalowymi w stanie zginania i dlatego pozwala projektantowi zwymiarować posadzkę na palach zbrojoną tylko włóknami stalowymi Dramix^® 5D, bez dodatkowego zbrojenia w postaci siatki lub prętów stalowych.

Zasady wymiarowania: historia i teraźniejszość

W przeszłości wykonywano czasami posadzki na palach zbrojone włóknami stalowymi, ale zawsze w kombinacji ze zbrojeniem tradycyjnym. Oto dwie koncepcje zastosowania hybrydowego zbrojenia (włókna stalowe + siatki/ pręty stalowe) w projektowaniu posa­dzek na palach:

– koncepcja Brunswick – zakładają­ca miejscowe zbrojenie posadzki wzdłuż osi pali,

– koncepcja holenderska – zakładająca miejscowe zbrojenie nad palami.

W każdej posadzce na palach naj­większe momenty zginające poja­wiają się nad palami. Natura tych momentów nie pozwala użyć kla­sycznych włókien stalowych, tj. z podwójnym wygięciem końcówek kotwiących (takie jak mają włókna 3D), ponieważ wykazują osłabienie przy zginaniu pod wpływem izosta­tycznych warunków zginających. Dzięki wynalezieniu włókien 5D i ich zdolności do wywołania wzmocnie­nia betonu przy zginaniu, można wyeliminować zbrojenie tradycyjne wzdłuż osi pali i nad palami. Jeżeli są szczególne wymagania inwestora co do szerokości rys (np. konstruk­cja wodoszczelna) lub nie mogą występować dylatacje dyblowane, preferowanym rozwiązaniem dla ta­kich posadzek są włókna Dramix^® 4D w połączeniu z ciągłą siatką stalo­wą w górnej części przekroju płyty. Synergia siatki stalowej i włókien stalowych Dramix^® 4D, optymalnie kontrolujących szerokość rys, jest najbardziej ekonomicznym rozwiąza­niem dla takiej posadzki.

Fot. 1 Układanie wodosz­czelnej posadzki na palach; zbrojenie: 30 kg/m³ Dramix^® 4D 65/60BG i siatka stalowa 08, 150 x 150 mm na całej powierzchni, beton: C28/35, grubość: 180 mm

Projekt referencyjny

Projekt Thales w Hengelo (Holandia) może być ciekawym projektem refe­rencyjnym posadzki na palach, ponie­waż zawiera obie wyżej wymienione koncepcje. Jedna część jest wyko­nana jako posadzka wodoszczelna (fot. 1), a druga część jest wykona­na jako posadzka bezspoinowa zbro­jona tylko włóknami stalowymi o roz­piętości pola roboczego do 40 m (fot. 2). Obie posadzki mają powierzchnię 2000 m². Pale zostały wy­konane w rozstawie 2,4 x 2,4 m, a ich średnica wynosiła 18 cm. Posadzka wodoszczelna została zwymiarowana dla obciążenia równomiernego rów­nego 25 kN/m² i średniej szerokości rys równej 0,25 mm. Bekaert zapropo­nował ekonomiczne rozwiązanie: gru­bość posadzki równa 180 mm, beton klasy C28/35 z dodatkiem 30 kg/m³ włókien Dramix^® 4D 65/60BG i siatką stalową 08, 150 x 150 mm w górnej części przekroju na całej powierzchni płyty. Posadzka bezspoinowa na palach została zwymiarowana dla obciążenia równomiernego równego 25 kN/m³, a szerokość rys została ograniczona dylatacjami konstrukcyjnymi (z profi­lami stalowymi i systemem dyblującym). Bekaert zaproponował posadzkę o grubości równej 180 mm, wykonaną z betonu C28/35 z dodatkiem 30 kg/m³ włókien Dramix^® 5D 65/60BG, i tak wykonana płyta speł­niła wymagania inwestora.

Fot. 2 Układanie bezspoinowej posadzki na palach; zbrojenie: 30 kg/m³ Dramix^® 5D 65/60BG, beton: C28/35, grubość: 180 mm

Fibrobetonowe przemysłowe posadzki na palach: tylko zalety

Poza tym, że konstrukcje posadzek na palach są projektowane w sposób wiarygodny i rzetelny, tj. całkowicie zgodnie z odpowiednimi normami, mają również inne zalety. Najbardziej oczywistą jest ekonomiczność. Jest uzyskana dzięki optymalnemu wymia­rowaniu, w wyniku którego koszt ma­teriałów jest niższy niż w tradycyjnym rozwiązaniu, i zyskaniu na czasie wy­konywania. W przypadku bezspoinowej posadzki na palach, zaprojekto­wanej wyłącznie z włóknami stalowymi Dramix^® 5D, można sobie wyobrazić, ile czasu można zaoszczędzić, jeśli podłoże nie jest w ogóle wzmacniane. Te prace mogą być całkowicie wyeliminowane, ponieważ zbrojenie trady­cyjne jest nieobecne. Brak zbrojenia tradycyjnego oznacza też łatwiejszą logistykę na miejscu budowy i krótszy czas wznoszenia budowli. W przypad­ku wodoszczelnych posadzek na pa­lach stosuje się rozwiązanie hybrydo­we, czyli połączenie włókien stalowych i siatki stalowej z małym rozstawem prętów. Ponadto, wszystkie rozwiąza­nia z włóknami stalowymi zmniejszają ilość ludzkich błędów, są ergonomicz­ne i bezpieczne w użyciu oraz dosto­sowane do potrzeb klienta.