betonske konstrukcije, nosive građevne konstrukcije koje su poglavito izgrađene od betona, a sastoje se od elemenata koji povezani tvore stabilnu građevinu. S obzirom na malu vlačnu čvrstoću betona, najčešće se primjenjuju armiranobetonske konstrukcije, kod kojih su elementi načinjeni od → betona koji preuzima tlačna naprezanja i armature (najčešće čelične šipke i mreže) koja preuzima vlačna naprezanja. Rabe se pri izgradnji raznih vrsta građevina, kao što su: mostovi, brane, ustave, pristaništa i ostale hidrotehničke građevine, zgrade različitih namjena, visoke zgrade, industrijske građevine, elektroopskrbna postrojenja, nuklearne elektrane, atomska skloništa, bunkeri, hale, stadioni, podzemne građevine, obloge tunela, dijelovi cesta, željeznički pragovi, itd.







Razvoj betonskih konstrukcija

Početkom uporabe armiranoga betona smatra se 1848., kada je Francuz Joseph-Louis Lambot izradio čamac od žičane mreže obložene mortom. Mort je bio načinjen od pijeska, sitnijega šljunka, cementa i vode, a žičana mreža služila je kao armatura. Nakon toga se uporaba armiranoga betona širila na izradbu različitih građevnih elemenata, a usporedno su se razvijale i metode proračuna nosivosti građevina. U drugoj polovici XIX. st. i početkom XX. st. temelji zgrada počinju se izvoditi isključivo od betona. Šira uporaba armiranobetonskih elemenata u nas počinje nakon I. svj. rata, kada se kao stropni elementi u zidane zgrade, umjesto drvenih, uvode armiranobetonske grede i ploče. Nakon II. svj. rata prevladavale su armiranobetonske konstrukcije, a prednapete betonske konstrukcije počele su se rabiti 1970-ih. Danas su u Hrvatskoj u uporabi norme za projektiranje betonskih konstrukcija utemeljene na europskim normama (Eurokod).

Projektiranje i građenje betonskih konstrukcija

Realizacija tipične betonske konstrukcije, poput onih u zgradama s armiranobetonskim nosivim elementima, počinje idejnim arhitektonskim rješenjem usklađenim sa željama investitora, koje se potom razrađuje u obliku detaljnih nacrta s dimenzijama elemenata konstrukcije. Nakon toga projektanti konstrukcije izrađuju proračun nosivosti (mehaničke otpornosti i stabilnosti) na sve kombinacije opterećenja, u kojem odabiru razred betona i detaljno proračunavaju i odabiru armaturu, a prema potrebi i povećavaju dimenzije pojedinih elemenata, te izrađuju nacrte oplate i detaljne planove armatura. Planovi armature moraju za svaku različitu šipku armature sadržavati profil, položaj u svakom elementu (u presjeku i uzduž elementa), broj komada te oblik s označenim pojedinim duljinama i ukupnom duljinom. Šipke se označuju brojkama, a u tablicama se daje iskaz armature, da bi se odredila ukupna količina pojedinog profila armature za cijelu građevinu. Na kraju ovlašteni revident (također inženjer građevinarstva) kontrolira proračune i nacrte te ovjerava dokumentaciju. Nakon ishođenja građevinske dozvole izvođači radova započinju gradnju, koju nadzire i odobrava nadzorni inženjer, stalno prisutan na gradilištu. Nakon završetka gradnje kod nekih se konstrukcija (npr. mostovi, stadioni) treba, prije nego što se puste u promet, izvršiti probno opterećenje.







Armirani beton

Osnovni su sastojci betona šljunak, pijesak, cement i voda. Vlačna čvrstoća očvrsnulog betona iznosi tek oko 1/10 tlačne i u većini slučajeva ne zadovoljava zahtjeve mehaničke otpornosti i stabilnosti. Zbog toga se u područja vlačnih naprezanja svih elemenata konstrukcije postavlja armatura, koja pretežno preuzima vlačna naprezanja dok beton pretežno preuzima tlačna; beton i armatura preuzimaju i određena posmična naprezanja.

Gustoća običnoga betona iznosi: ρ_c = 2400 kg/m³ za nearmirani beton i ρ_rc = 2500 kg/m³ za armirani i prednapeti beton. Beton i armatura u presjeku djeluju zajednički, pri čemu beton prianja uz armaturu te pri malim naprezanjima beton i armatura imaju jednake deformacije. U vlačnom području beton će popucati već pri malim naprezanjima, pa sva vlačna naprezanja preuzima armatura. Poprečna armatura greda i stupova naziva se sponama (vilice ili stremeni).

Beton je materijal dobrih svojstava s nizom prednosti nad ostalim materijalima, kao što su negorivost, dostupnost sastojaka, razmjerno mali troškovi i velika tlačna čvrstoća, koja se povećava starenjem do određene mjere, mogućnost izradbe raznih oblika u svim klimatskim zonama. Trajnost armiranobetonskih konstrukcija je 50 do 100 godina, a ispravnim se postupcima održavanja to vrijeme može i znatno produljiti. Nedostatci su betona velika provodljivost topline, znatna vlastita težina, mala vlačna čvrstoća, moguća korozija (čelične) armature u betonu i teško naknadno provjeravanje njezina stanja, otežani radovi pri niskim i visokim temperaturama, otežana naknadna adaptacija, djelomična dimenzijska nestabilnost izazvana puzanjem i skupljanjem, djelomična poroznost. Iako se može činiti da je nedostataka betona više od prednosti, prednosti su ipak značajnije pa je beton danas jedan od najraširenijih građevinskih materijala.

Proračun armiranobetonske konstrukcije

Od svake se konstrukcije zahtijeva da bude stabilna te da može preuzeti sva opterećenja koja se mogu dogoditi u njezinu vijeku trajanja. Zato se i betonske konstrukcije proračunavaju na vertikalna stalna (vlastita težina) i promjenljiva opterećenja (npr. ljudi, namještaj, skladišni materijal, itd.), kao i na izvanredna horizontalna djelovanja od vjetra ili potresa. Proračun se provodi prema graničnim stanjima nosivosti i uporabljivosti. Pod pojmom uporabljivost podrazumijeva se ograničavanje naprezanja, pukotina u betonu, deformiranja i zamora materijala, odn. osiguravanje da konstrukcija ili njezini dijelovi tijekom uporabe nemaju prevelike progibe, da se korisnici ne osjećaju neugodno (npr. zbog jačih vibracija) te da pukotine u betonu ne prijeđu neku propisima određenu veličinu. Pri proračunu graničnog stanja uporabljivosti treba uzeti u obzir reološka svojstva betona, tj. svojstva koja se mijenjaju tijekom vremena, poput puzanja i skupljanja betona. Puzanje betona nastaje zbog tlačnog naprezanja, a skupljanje betona događa se bez naprezanja zbog otpuštanja vode u betonu.

Konstrukcije se ne proračunavaju na istodobno opterećenje (djelovanje) vjetra i potresa, jer se smatra da je vjerojatnost da istodobno na konstrukciju djeluje najjači potres i najjači vjetar zanemariva. Pritom se za proračun stambenih građevina u kombinaciji opterećenja s horizontalnim silama potresa uzima stalno djelovanje u punom iznosu, a promjenljivo djelovanje s polovicom vrijednosti. Pri proračunu nosivosti konstrukcija skladišta promjenljivo se djelovanje uzima s punom vrijednosti. Za neke konstrukcije djelovanje snažnog vjetra može biti opasnije od djelovanja potresa. Pojedine osjetljivije konstrukcije konzolnog tipa ili konstrukcije velikih raspona proračunavaju se i na vertikalne komponente potresnog (seizmičkog) djelovanja. Osim navedenih djelovanja postoje i izvanredna djelovanja, kao što su udar vozila u konstrukciju ili eksplozija. Postoje još i temperaturna djelovanja, požarno djelovanje, učestalo ponavljana opterećenja koja uzrokuju zamor materijala te djelovanja izazvana slijeganjem oslonaca, deformiranjem i skupljanjem betona.

Nosivost i dimenzioniranje konstrukcije

Kao kod svih konstrukcija, i kod betonskih, nosivost mora biti znatno veća od učinka djelovanja na konstrukciju. To znači da ni jedno djelovanje ili kombinacija djelovanja ne smije znatno oštetiti, a kamoli srušiti konstrukciju. Svaka konstrukcija, pa tako i betonska, mora biti projektirana, proračunana i izvedena tako da pri svim kombinacijama djelovanja (uključujući i snažne potrese) može doživjeti pukotine ili deformacije, ali se ne smije srušiti. Da bi se osigurala nosivost konstrukcije veća od utjecaja djelovanja na nju, stvarna se nosivost proračunski smanjuje, a stvarno djelovanje proračunski povećava faktorima sigurnosti. I u tim uvjetima proračunska (smanjena) nosivost mora i dalje biti veća od proračunskog (povećanog) djelovanja.

Dimenzioniranje konstrukcije, tj. proračun ne znači samo proračun armature nego i proračun dimenzija betonskih elemenata u konstrukciji, koje se ne moraju poklapati s onim dimenzijama koje su pretpostavljene na početku proračuna. U pojedinim slučajevima treba povećati dimenzije presjeka greda, stupova i zidova. Zidovi su vertikalni elementi konstrukcije koji se najbolje odupiru djelovanju seizmičkih sila. Pritom se zidovi trebaju izvoditi u oba okomita smjera i protezati od temelja do vrha konstrukcije bez prekida. Konstrukcije koje u svojem prizemlju nemaju zidove, nego su oslonjene na stupove, znatno su osjetljivije na sile potresa od onih koje imaju zidove i prema tome mogu pretrpjeti znatna oštećenja ili čak rušenje pri snažnijem potresu. Na početku proračuna armiranobetonskih konstrukcija (dimenzioniranja) odabire se razred čvrstoće betona koji odgovara utvrđenoj vrijednosti karakteristične tlačne čvrstoće. Beton se dijeli na razrede prema karakterističnoj tlačnoj čvrstoći betonskoga valjka f_ck (promjera 15 cm i visine 30 cm) ili kocke f_ck,cube, (brida 15 cm). Razred čvrstoće betona C30/37 znači da je riječ o betonu karakteristične tlačne čvrstoće betonskoga valjka f_ck = 30 N/mm² ili kocke f_ck,cube = 37 N/mm² pri starosti betona od 28 dana. Uobičajeni razredi betona su: C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37, C35/45, C40/50, C45/55, C50/60, C55/67, C60/75, C70/85, C80/95, C90/105. U slučajevima prednapinjanja betonskih elemenata može biti potrebno procijeniti tlačnu čvrstoću betona prije i nakon 28 dana starosti.

Armatura

Betonske grede, stupovi i temelji armiraju se rebrastom armaturom. Rebrasta armatura osigurava dobro prianjanje uz okolni beton. Glatka pojedinačna armatura danas nije dopuštena jer ne zadovoljava uvjete prianjanja. Zavarenim armaturnim mrežama armiraju se ploče i zidovi, ali i temelji. Svojstva armature vrijede za temperature između -40°C i +100°C. Granice popuštanja čelične armature u rasponu su od f_yk = 400 do 600 N/mm². Armatura mora imati odgovarajuću savitljivost, duktilnost, zavarljivost i nosivost na zamor.

Betonski elementi osim tlačnih i vlačnih naprezanja trebaju preuzeti i posmična. Na mjestima gdje su glavna vlačna naprezanja uzrokovana posmikom veća od vlačne čvrstoće betona postavlja se poprečna armatura. Konstrukcijska uzdužna i poprečna armatura u betonu postavlja se i ondje gdje prema proračunu nije potrebna, ali je treba postaviti zbog mogućih izvanrednih djelovanja ili zbog oblikovnih razloga. Velika mana čelične armature jest to što čelik korodira, čak i u betonu. Ponekad se rabi i armatura od nehrđajućega čelika, ali njezina šira uporaba limitirana je visokom cijenom. U novije se doba eksperimentira s armaturom koja ne korodira. Jedna od novih vrsta armatura načinjena je od polimera armiranog vlaknima PAV (engl. fiber reinforced polymer, FRP). Vlakna, koja su glavni materijal takve armature, mogu biti karbonska, staklena ili aramidna. Osim što ne korodira, takva armatura ima visoku vlačnu čvrstoću, ali nema poželjno svojstvo velikoga plastičnog deformiranja prije sloma (duktilnost).

Duktilnost betonskih konstrukcija jedno je od najvažnijih svojstava, jer prije sloma (npr. od potresa ili od neke kombinacije djelovanja) konstrukcija treba moći pretrpjeti velike deformacije bez rušenja. Naime, kako je beton krhak ili nedovoljno duktilan materijal, tj. materijal koji puca pri malim vlačnim naprezanjima ili se drobi pri jačem tlačnom naprezanju, duktilnost u konstrukciji treba osigurati armatura. Pritom čelična armatura ima najbolja svojstva jer čelik ima izvrsnu duktilnost. Međutim konstrukcija može biti neduktilna ako je armirana armaturom koja je manja od minimalne ili je veća od maksimalne. Minimalna i maksimalna armatura u nekom presjeku određuje se u odnosu na ploštinu presjeka betonskog elementa, a definirana je svojstvima betona, a ne svojstvima armature. Minimalna armatura određuje se na temelju vlačne čvrstoće betona koji se rabio za određeni element konstrukcije, dok se maksimalna armatura određuje na temelju tlačne čvrstoće tog betona.

Izvedba

Elementi su betonskih konstrukcija temelji, zidovi, stupovi, grede, ploče i ljuske. Svi ti elementi mogu biti izrađeni na mjestu (na gradilištu) u oplati, no mogu biti izvedeni i kao predgotovljeni (montažni) elementi. Predgotovljeni se elementi izrađuju u specijaliziranim tvornicama, dopremaju se na gradilište i ondje spajaju u cjelinu. Predgotovljeni dijelovi mogu se izrađivati i na samom gradilištu. (→ montažna gradnja)

U slučajevima pojave većih raspona, nerijetko se primjenjuju prednapete betonske konstrukcije. Ideja prednapinjanja jest da se u konstrukcijske elemente u presjecima kojih vlada vlačno naprezanje unese tlačna sila s pomoću prednapete armature, tj. s pomoću prednapetih kabela od čeličnih žica visoke kvalitete. Tako se u betonskom elementu postiže tlačno naprezanje koje beton dobro podnosi, za razliku od vlačnoga. Prednapinjanje se osobito rabi kod konstrukcija velikih raspona kao što su mostovi i hale.

Ni jedan presjek u bilo kojem nosivom elementu armiranobetonske konstrukcije ne smije ostati nearmiran. Najvažnije je pri armiranju konstrukcija da se armatura pri nastavcima preklapa s armaturom koja je već ugrađena, npr. armatura iz temelja (koji je betoniran) strši za propisima određenu duljinu i preklapa se s armaturom koja se ugrađuje u element iznad temelja. Također, armatura iz donjega zida (koji je betoniran) strši za propisima određenu duljinu i preklapa se s armaturom koja se ugrađuje u zid gornjega kata. Ako se pri preklapanju dogodi da je u presjeku previše armature (tako da se beton ne može kvalitetno ugraditi u oplatu), tada je najbolje povećati betonski presjek. Ako to nije moguće, onda se armatura umjesto preklopa može zavarivati na sučeljak.

Nosiva, tj. proračunski odabrana armatura postavlja se u vlačnu zonu presjeka. Vlačna zona određuje se iz statičkoga proračuna i dijagrama momenata savijanja. Vlačna zona sredine raspona greda i ploča nalazi se najčešće u donjem dijelu presjeka, dok se na ležajevima i neposredno uz ležajeve vlačna zona nalazi u gornjem dijelu. Horizontalne konzole (npr. balkoni) imaju vlačnu zonu samo u gornjem dijelu presjeka, te zato kod njih nosivu armaturu treba postaviti u gornju zonu, a ta se armatura mora sidriti (za duljinu konzole) u gornju zonu elementa iz kojeg se nastavlja konzola.

U betonske se elemente (zidove, stupove i grede) uzdužna i poprečna armatura postavlja uz rubove poprečnog presjeka, udaljene od slobodnog lica presjeka za debljinu zaštitnoga sloja. Debljina zaštitnoga sloja određuje se prema agresivnosti okoliša u kojem se konstrukcijski element nalazi. U masivnim temeljima, osobito u temeljima strojeva koji proizvode vibracije, armatura se osim po rubu presjeka postavlja i po visini na određenim razmacima, i to u sva tri smjera (horizontalno uzdužno i poprečno, te vertikalno). Razmaci među šipkama armature moraju biti odgovarajuća kako bi se omogućila kvalitetna ugradnja betona, a time i njegova dobra prionljivost uz armaturu. Svijetli razmak (vodoravni i vertikalni) između pojedinih paralelnih šipki treba biti jednak ili veći od najveće vrijednosti promjera šipke, ili najvećega promjera zrna agregata koji osigurava zadovoljavajuće zbijanje betona s pomoću vibratora. Preklopljene šipke smiju se dodirivati na duljini preklopa.

Kod armiranobetonskih konstrukcijskih elemenata koji se izvode na gradilištu za svaki se element izrađuje oplata (kalup) koja mora biti čvrsta da se pri ugradnji svježeg betona ne bi poremetio njezin oblik. Prije postavljanja oplate ugrađuje se armatura koja se od oplate udaljuje držačima razmaka za debljinu propisanoga zaštitnog sloja. Kod predgotovljenih betonskih elemenata koji se izvode u tvornicama betona, armatura i beton ugrađuju se u unaprijed pripremljene kalupe. Oplata se skida nakon što beton postigne odgovarajuću čvrstoću. Oplata se nakon svake uporabe čisti, te se može ponovno uporabiti nakon popravka eventualnih oštećenja.

Danas se projektiranje, proračun i izradba planova armature velikim dijelom izvode uz pomoć računala. Bliska budućnost betonskih konstrukcija mogla bi biti u potpuno robotiziranoj izvedbi u vidu trodimenzionalnog tiskanja (engl. 3-D Printing), koje se danas intenzivno istražuje.

Armiranobetonske konstrukcije u Hrvatskoj

Među najdojmljivije građevne konstrukcije svakako spadaju mostovi, realizacijama kojih se Hrvatska može podičiti i u svjetskim razmjerima. Betonski lučni mostovi zbog svojeg su oblika pretežno naprezani tlačno pa u najvećoj mogućoj mjeri iskorištavaju prednost betona u njegovoj velikoj tlačnoj čvrstoći. Na taj način imitiraju nekadašnje lučne kamene mostove koji su mogli premostiti mnogo veće raspone od onih grednih. Danas je najveći lučni betonski most na svijetu most Wanxian u Kini, s rasponom luka od 420 m, izgrađen 1997. S njim se mogu mjeriti lučni betonski mostovi u Hrvatskoj, među kojima je Krčki most (otok Krk – otočić Sv. Marko – kopno) s dva raspona, 244 m i 390 m, otvoren za promet 1980., svojedobno bio najveći u svijetu. Osim dva mosta za otok Krk u Hrvatskoj je izgrađeno više betonskih lučnih mostova: Šibenski most (1966., 246,4 m), Paški most (1968., 193,2 m), Maslenički most (1997., 200 m), Skradinski most preko rijeke Krke (2005., 204 m). (→ mostovi)













Visoke zgrade, gdje su nosivi elementi (temelji, zidovi, stupovi, grede i ploče) izvedeni od armiranoga betona, grade se do visine od približno 40 katova, jer bi za više građevine dimenzije temelja, te zidova i stupova prizemlja i nižih katova morale biti vrlo velike. Katnost betonskih nebodera može se povećati uporabom betona visokih i vrlo visokih čvrstoća, ali se za takve zgrade češće primjenjuju čelične nosive konstrukcije. Neboderi od više od 100 katova imaju nosivu konstrukciju od čeličnih nosača obloženih betonom. Među značajnijim su neboderima u Hrvatskoj neboder u Ilici 1 (1958., visine 70 m), Zagrepčanka (1976., 95 m) i Cibonin toranj (1987., 92 m) u Savskoj cesti u Zagrebu te najnoviji i dosad najviši Dalmacija Tower u Splitu (2022., 115 m). (→ neboder)

Visoko školstvo i publicistika

Kolegij Željezno-betonske konstrukcije počeo se predavati još osnutkom Tehničke visoke škole u Zagrebu 1919 (iz koje se, među ostalim, razvio današnji → Građevinski fakultet). Kolegiji i nastavno gradivo su se postupno nadopunjavali, pa su npr. 1952. studenti slušali kolegije Betonske konstrukcije I, II i III. Prvi nastavnik koji je predavao armiranobetonske konstrukcije bio je → Aleksander Kaiser, zaslužan za rano promicanje tih konstrukcija u nas. Njega je naslijedio → Vladimir Juranović, koji je dugotrajnim djelovanjem obilježio nastavu tog područja. Nastavu danas organizira Katedra za betonske i zidane konstrukcije u sastavu Zavoda za konstrukcije Građevinskog fakulteta u Zagrebu, kao i srodne ustrojbene jedinice građevinskih fakulteta u Osijeku, Rijeci i Splitu.

Prvi je udžbenik iz tog područja Željezni beton (1922) A. Kaisera, a ističu se i djela Priručnik za armirani beton (1948–66) Branka Širole, Beton i armirani beton I i II (1970. i 1968) V. Juranovića, Betonske konstrukcije (1984) → Ivana Tomičića, Betonske ploče i ljuske (2004) i Betonske konstrukcije I–IV (2006–10) → Jure Radića, Betonske konstrukcije I i II (2014. i 2018) → Zorislava Sorića i Tomislava Kišićeka, te Betonske konstrukcije (2022) Josipa Galića.