Stellen Sie sich vor, Sie wurden gebeten, einen Betonbalken für einige Gebäudeteile zu entwerfen. Was wählen Sie? Reiner Beton oder Stahlbeton?
Letzteres, richtig? Aber welche Art von Stahlbeton? Ausgeglichen, unterbewehrt oder überbewehrt?
Hier beantworten wir diese Frage und sprechen auch allgemeiner über die Geschichte des Betons und seine physikalischen Eigenschaften. Für all diese "Beton-Philes" da draußen, essen Sie Ihre Herzen aus!
VERBINDUNG: 19 GROSSE ERFINDUNGEN, DIE DIE GESCHICHTE REVOLUTIONIERTEN
Wie alt ist Beton?
Bevor wir uns mit dem Hauptthema befassen, werfen wir einen kurzen Blick auf die interessante Geschichte des Betons.
Auch wenn Sie mit Beton bereits mehr als vertraut sind, werden Sie wahrscheinlich nicht erkennen, wie alt er ist. Da er heute so allgegenwärtig ist, halten Sie dieses Wundermaterial wahrscheinlich für selbstverständlich.
Dies ist jedoch grob unfair - Beton ist ein sehr altes und faszinierendes Material.
Einige der ersten Hinweise auf betonähnliche Strukturen stammen aus der Umgebung 6500 v. Chr. Es gibt Hinweise darauf, dass in einigen Regionen Syriens und Jordaniens sowie entlang der Donau frühe Strukturen wie Fußböden, einige Wohnelemente und unterirdische Zisternen gebaut wurden.
Das nächste Mal, wenn eine Betonsorte weit verbreitet zu sein scheint, gab es sie 3000 v. Chr. . Alte Ägypter mischten gewöhnlich Schlamm mit Stroh, um getrocknete Ziegel herzustellen.
Um diese Ziegel miteinander zu verbinden, verwendeten die alten Ägypter eine Kombination aus Gipsmörtel und Kalkmörtel - auch in den Pyramiden. Mörtel dieser Art ist eine Art Zement, der ein wesentliches Element von Beton ist.
Die großen Pyramiden von Gizeh, zum Beispiel irgendwo in der Region von eine halbe Million Tonnen von diesem Mörser.
Einige Studien haben festgestellt, dass Teile einiger Pyramiden möglicherweise mithilfe einer Bautechnik aus gegossenem Beton gebaut wurden. Diese Methode scheint an Ort und Stelle auf den Pyramiden angewendet worden zu sein, anstatt riesige Steine zu ziehen.
Eine der wichtigsten Neuerungen in der frühen konkreten Geschichte war das Aufkommen von römischer Beton . Während die Römer sicherlich nicht die ersten waren, die Beton erfanden, waren sie die ersten, die ihn verwendeten en masse - soweit wir wissen. Um das 2. Jahrhundert v. Chr. Hatten die Römer die Technik mehr oder weniger mit einer Kombination von v perfektioniert Vulkanasche, Kalk und Meerwasser bilden die Mischung. Sowohl die Römer als auch die Griechen haben puzzolanische Asche eingearbeitet, die die Ausbreitung von Rissen verhindert.
Diese Mischung wurde dann zum Aushärten in Holzrahmen verpackt und stapelte die Betonblöcke nach dem Aushärten wie Ziegel. Römischer Beton war so gut verarbeitet, dass viele römische Betonkonstruktionen noch heute stehen, wie die Kuppel des Pantheons.
Nach dem Fall Roms hatte Beton eine gewisse Unterbrechung in seiner Entwicklung, bis John Smeaton 1793 eine ausgefeiltere Herstellungsmethode entdeckte. Später, im 19. Jahrhundert Joseph Aspdin würde später Portlandzement erfinden, der die Tür für unsere moderne Verwendung des Betons öffnet.
Wie hoch ist die Zugfestigkeit von Beton?
Beton wurde aus einem guten Grund für viele Bauprojekte im Laufe der Geschichte verwendet - er ist stark, sehr stark. Darüber hinaus ist er relativ einfach zu erstellen und zu verwenden.
Aber nicht jeder Beton ist gleich. Heutzutage wird die Qualität des Betons weitgehend von seiner Festigkeit bestimmt. Während die physikalischen Eigenschaften des Betons je nach Zusammensetzung geringfügig variieren, kennen wir die Eigenschaften einiger gängiger Betonformen.
Zum Beispiel Portlandzement eine der häufigsten Formen von Beton hat die folgenden physikalischen Eigenschaften :
- Dichte - ρ : 2240 - 2400 kg / m 3 140 - 150 lb / ft 3
- Druckfestigkeit : 20 - 40 MPa 3000 - 6000 psi
- Biegefestigkeit : 3 - 5 MPa 400 - 700 psi
- Zugfestigkeit - σ : 2 - 5 MPa 300 - 700 psi
Andere Formen von Beton, insbesondere solche, die für strukturelle Zwecke verwendet werden, müssen normalerweise eine deutlich verbesserte Druck- und Zugfestigkeit aufweisen als Portlandzement "Vanille". Zum Beispiel bestimmte Industriestandards wie ACI 318 Beton muss Druckfestigkeiten von haben 5.000 bis 6.000 psi oder mehr
Wenn wir über die Festigkeit von Beton sprechen, wird normalerweise angenommen, dass sich dies auf seine Druckfestigkeit bezieht - wie oben beschrieben. Viele strukturelle Anwendungen von Beton erfordern jedoch auch, dass er dem Biegen widersteht, was technisch als Biegung bezeichnet wird.
Dies hängt von der Art der Last ab, die die Betonkonstruktion In Frage kommt, um Widerstand zu leisten, sei es ein ganzes Gebäude oder nur eine einzelne Etage eines Büros. Aus diesem Grund werden verschiedene Betonsorten für verschiedene Anwendungen in einem Gebäude verwendet.
Je nach Verwendungszweck muss der betreffende Beton auf seine Fähigkeit hin untersucht werden, sich zu biegen oder nicht zu biegen biegen, Spannungen Dehnen, Scheren verschiedene Schichten, die sich in eine andere Richtung bewegen und Torsionskräften zu widerstehenVerdrehen usw.
In Bezug auf die Zugfestigkeit von Beton haben Tests ergeben, dass Beton in der Regel Zugfestigkeit ist normalerweise in der Nähe 10% von seiner Druckfestigkeit wie wir oben für Portlandzement sehen.
Wie viel Druck kann Beton aufnehmen?
Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, was unter "Druck" zu verstehen ist. Der Druck wird im Allgemeinen als "t" definiert. er Aktion von a Kraft gegen einige Hindernis oder Gegenkraft ".
Während Sie davon ausgehen können, dass dies bedeutet, auf etwas zu drücken, kann es auch Biegen, Biegen, Verdrehen usw. einer Betonstruktur umfassen, abhängig von ihrer Anwendung z. B. eine Säule, eine Wand, ein Boden usw.Diese unterschiedlichen "Drücke" auf ein Stück Beton werden vom Beton auf unterschiedliche Weise behandelt.
Tatsächlich werden die meisten Betonformeln speziell entwickelt, um der einen oder anderen dieser Kräfte je nach Verwendungszweck auf unterschiedliche Weise zu widerstehen. Wenn der Beton für Stützen in einem Hochhaus wie a verwendet werden soll Wolkenkratzer muss eine sehr hohe Druckfestigkeit aufweisen über 5.000 psi sowie hohe Scher- und Torsionsfestigkeit.
Wenn der Beton für einen Boden bestimmt ist, ist die Druckkraft weniger wichtig und es muss wahrscheinlich die beste verfügbare Zug- und Biegefestigkeit vorliegen.
Wie wird Beton verstärkt?
Wenn Sie versuchen, mit der Chemie einer Betonmischung herumzuspielen, müssen irgendwann andere Dinge hinzugefügt werden. Hier kommt Stahlbeton zur Geltung.
effektiv eine zusammengesetzte Struktur, Stahlbeton kombiniert die Festigkeiten von Beton und Stahl zu einem noch stärkeren Material als beide allein. Beton widersteht Druckkräften sehr gut, bei anderen Kräften wie Scherung oder Spannung jedoch weniger. Es wird daher allgemein als sprödes Material angesehen.
Stahl hingegen ist weniger in der Lage, Kompressionen zu widerstehen, widersteht jedoch hervorragend Scher- und Zugbelastungen - wie sie durch Wind, Erdbeben, Vibrationen usw. verursacht werden. Deshalb wird Stahl häufig als duktiles Material bezeichnet.
In der Praxis bedeutet dies, dass Beton bis zu einem gewissen Punkt einer Dehnung standhält, dann aber spektakulär versagt. Stahl hingegen widersteht einer viel höheren Dehnung als Beton zuerst, verformt sich dann und reißt schließlich ein.
Durch Kämmen der beiden Materialien entsteht eine Struktur, die starken Kompressionen standhält und gleichzeitig hohen Scher- und Zugkräften standhält.
Dadurch kann Stahlbeton verwendet werden, um größere Spannweiten zu erzeugen, als dies sonst sicher möglich wäre. Stahlbeton wurde erstmals im 19. Jahrhundert hergestellt und revolutionierte danach die Bauindustrie.
Was ist der Unterschied zwischen über- und unterbewehrten Betonbalken?
Wenn Betonbalken zum Überspannen eines Hohlraums verwendet werden, ist die Primärkraft oder Last auf die Balken im Allgemeinen nach unten gerichtet dank der Schwerkraft. Dies führt dazu, dass der oberste Teil, insbesondere die Fasern des Balkens, zusammensacktDies führt zu Druckkräften in der gesamten oberen Hälfte des Betonträgers. Umgekehrt wird die unterste Hälfte des Trägers gespannt oder gedehnt.
Es gibt auch einen dünnen Bereich des Trägers, genau in der Mitte seines Querschnitts, der als "neutrale Achse" bezeichnet wird, in dem Fasern weder Zug- noch Druckkräften ausgesetzt sind.
Wie wir bereits gesehen haben, ist das Widerstehen gegen Druckkräfte das Brot und die Butter von Beton, aber es ist weniger in der Lage, Zugkräften ungefähr zu widerstehen. 10% seiner Druckfestigkeit.Das obige Szenario ist praktisch ein potenzieller Albtraum.
Wie kann dieses potenzielle Problem gemindert werden? Wenn Sie den obigen Abschnitt lesen, kennen Sie wahrscheinlich bereits die Antwort - kleben Sie hochfesten Stahl in den unteren Teil des Trägers!
Wenn es darum geht, Stahl hinzuzufügen Betonbalken Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun :
- ausgeglichener Abschnitt
- Über verstärkter Abschnitt
- Unter verstärktem Abschnitt
Jeder hat seine Stärken und Schwächen, wie Sie sich vorstellen können.
Ausgewogene Abschnitte bieten, wie der Name schon sagt, einen Kompromiss, bei dem Ober- und Unterseite des Trägers gleichzeitig ihre maximalen Dehnungsausbeuten oder -grenzen erreichen. Dies wird erreicht, indem eine Reihe von Stahlstangen strategisch um den untersten Umfang gelegt werdenin Bezug auf seinen Querschnitt des Betons.
Ein überbewehrter Abschnitt enthält, wie der Name schon sagt, mehr Stahl als normalerweise erforderlich, um den Betonbalken zu verstärken. Die Einbeziehung von mehr Stahl an der Basis des Betons führt dazu, dass die Linie "NA" näher an der Linie liegtBasis des Trägers als für unverstärkte oder ausgeglichene Abschnitte.
Im Gegensatz dazu haben unterbewehrte Querschnittsbalken, ja Sie haben es erraten, weniger hochfeste Stäbe als ein ausgeglichener Querschnitt. Dies führt dazu, dass die "NA" des Betonträgers näher an der Oberseite des Betonträgers liegtals entweder ausgeglichen oder über verstärkten Abschnitten.
Unter Belastung führen sowohl ausgeglichene als auch überbewehrte Abschnitte dazu, dass die oberste Betonhälfte des Trägers zuerst brüchig versagt. Bei unterbewehrten Trägern nimmt der Stahl die Hauptlast der Beanspruchung und versagt lange vor dem Beton.
Aber ist das nicht ein Problem? Nein. Wenn der Stahl seine Dehnungsgrenze erreicht, beginnt er sich zu dehnen und zu biegen.
Dies führt dazu, dass sich der Balken ebenfalls biegt, was den Ingenieuren nicht nur einen visuellen Hinweis auf eine bevorstehende Katastrophe gibt, sondern auch Zeit, etwas dagegen zu unternehmen. Ausgeglichene und über verstärkte Abschnitte versagen dagegen in kurzer Zeit, bevor jemand überhaupt etwas hatder geringste Hinweis darauf, dass ein Problem vorliegt.
In beiden Fällen versagt der Balken letztendlich, wenn der Beton zerkleinert wird und bricht.
Aber es gibt auch andere Vorteile für unterbewehrte Abschnitte. Überbewehrte und bis zu einem gewissen Grad ausgeglichene Abschnitte sind im Vergleich zu unterbewehrten Abschnitten im Allgemeinen teurer zu bauen.
Aus diesem Grund werden Betonbalken mit unterbewehrtem Querschnitt in den meisten Fällen entweder ausgeglichenen oder überbewehrten Betonbalken vorgezogen, da sie wirtschaftlicher und im Allgemeinen sicherer sind.
Also los geht's. Wenn Sie sich das nächste Mal in einem Streit darüber befinden, welche Art von Betonbalkenabschnitt Sie wählen sollen, können Sie jetzt mit Zuversicht antworten.