Weź do ręki gumkę do mazania. Ściśnięta między palcami trochę się spłaszczy, ale wytrzyma. Rozciągnięta pęknie znacznie szybciej. Wygięta zaczyna się rozciągać po jednej stronie, a ściskać po drugiej. Tak samo pracuje każdy element domu, tylko siły są większe, a materiały zachowują się bardzo różnie. Beton świetnie znosi ściskanie i fatalnie rozciąganie. Stal radzi sobie z obydwoma. Drewno jest zaskakująco mocne jak na swój ciężar. W tym artykule zestawiamy je w jednej skali, żeby oznaczenia z projektu domu przestały być zagadką.
Ściskanie, rozciąganie, zginanie, ścinanie: jak pracują materiały konstrukcyjne
- Ściskanie – siła zgniata element, jak ciężar dachu i stropów słup albo ścianę.
- Rozciąganie – siła wydłuża element, jak dolny pas wiązara dachowego albo dolną część belki.
- Zginanie – połączenie obu: w belce stropowej górne włókna są ściskane, a dolne rozciągane.
- Ścinanie – dwie części elementu chcą przesunąć się względem siebie, najczęściej przy podporach belek i w połączeniach.
Projekt sprawdza każdy element pod kątem tego, jak naprawdę pracuje. Dlatego te same materiały pojawiają się w domu w różnych miejscach: beton w fundamentach i słupach, stal tam, gdzie beton jest rozciągany, a drewno w dachu, gdzie liczy się mały ciężar. W kratownicy dachowej widać to szczególnie wyraźnie, bo każdy pręt jest albo ściskany, albo rozciągany.
Wytrzymałość mierzona w MPa
Wytrzymałość podaje się w megapaskalach (MPa). Jeden megapaskal to siła ok. 10 kilogramów na każdy centymetr kwadratowy. Beton C20/25 ma charakterystyczną wytrzymałość na ściskanie 20 MPa. To znaczy, że każdy centymetr kwadratowy jego przekroju, mniej więcej powierzchnia paznokcia, wytrzymuje nacisk ok. 200 kg. Wartość „charakterystyczna” oznacza, że 95% próbek z dobrej produkcji ma wytrzymałość co najmniej taką. Projektant dzieli ją jeszcze przez współczynnik bezpieczeństwa i dopiero na tej podstawie liczy konstrukcję.
Wszystkie materiały w jednej tabeli
| Materiał i oznaczenie | Ściskanie [MPa] | Rozciąganie [MPa] | Moduł E [GPa] | Ciężar [kg/m³] | Zniszczenie |
|---|---|---|---|---|---|
| Beton C16/20 | 16 | 1,9 | 29 | ok. 2400 | kruche |
| Beton C20/25 | 20 | 2,2 | 30 | ok. 2400 | kruche |
| Beton C25/30 | 25 | 2,6 | 31 | ok. 2400 | kruche |
| Beton C30/37 | 30 | 2,9 | 33 | ok. 2400 | kruche |
| Stal zbrojeniowa B500SP | 500 (granica plastyczności) | 500, zerwanie min. 575 | 200 | 7850 | plastyczne |
| Drewno lite C24 | 21 (wzdłuż włókien) | 14,5 (wzdłuż włókien) | 11 | 350-420 | mieszane |
| Drewno klejone GL24h | 24 | 19,2 | 11,5 | 385-420 | mieszane |
| Mur z cegły pełnej kl. 15 na zaprawie M5 | ok. 6 | pomijane | ok. 6 | ok. 1800 | kruche |
| Mur z pustaka ceramicznego kl. 15 na zaprawie M5 | ok. 4,5-5 | pomijane | ok. 5 | ok. 800-1000 | kruche |
| Mur z betonu komórkowego 600 na cienkiej spoinie | ok. 2,6 | pomijane | ok. 2,5 | ok. 600 (suchy) | kruche |
Wartości betonu pochodzą z tablicy 3.1 Eurokodu 2, drewna z norm PN-EN 338 i PN-EN 14080, a stali z normy PN-H-93220. Dla murów podajemy wartości orientacyjne, policzone wzorem z Eurokodu 6. Mur jest zawsze słabszy od samego bloczka, bo o jego nośności decyduje też zaprawa i spoiny. Szczegóły klas betonu i ich zastosowania w domu opisujemy w osobnym tekście, a tu zajmujemy się porównaniem materiałów.
Słupek 25 × 25 cm: eksperyment myślowy
Najłatwiej porównać materiały na jednym elemencie. Wyobraź sobie krótki słupek o przekroju 25 × 25 cm, ściskany osiowo, i policz, przy jakim obciążeniu przekrój się zgniecie.
| Materiał | Według wartości charakterystycznej | Z zapasem bezpieczeństwa |
|---|---|---|
| Beton C20/25, bez zbrojenia | ok. 127 t | ok. 90 t |
| Drewno C24 | ok. 134 t | ok. 80 t |
| Mur z cegły pełnej | ok. 38 t | ok. 17 t |
| Mur z betonu komórkowego 600 | ok. 17 t | ok. 8 t |
| Dla porównania: jeden pręt Ø12 B500SP, rozciąganie | ok. 5,8 t | ok. 4,8 t |
Wynik zaskakuje: krótki słupek z drewna C24 przenosi przy ściskaniu mniej więcej tyle samo co betonowy, choć waży prawie sześć razy mniej. Ten sam betonowy słupek przy rozciąganiu puściłby już przy ok. 14 tonach, czyli dziewięć razy wcześniej. To liczby poglądowe. Prawdziwy słup o wysokości kondygnacji może się wyboczyć, czyli wygiąć na bok, długo przed zgnieceniem przekroju. Drewniany jest pod tym względem bardziej wrażliwy od betonowego. Dlatego wymiary słupów i belek zawsze podaje projektant konstrukcji. Zapas bezpieczeństwa policzyliśmy uproszczonymi współczynnikami z Eurokodów: 1,4 dla betonu, 1,3 i 0,8 dla drewna, 2,2 dla muru.
Wytrzymałość w przeliczeniu na ciężar
Jeśli podzielić wytrzymałość przez ciężar, kolejność się zmienia. Stal ma ok. 64 MPa na każdą tonę na metr sześcienny, a drewno C24 przy ściskaniu ok. 50. Beton C20/25 ma ok. 8, a mury od 3 do 5. Stąd biorą się konstrukcje dachów: drewniana więźba czy wiązar kratowy przenoszą śnieg i pokrycie, a same dociążają ściany niewiele. Stąd też rosnąca popularność drewna klejonego i CLT w budynkach wielokondygnacyjnych. Mury wygrywają czymś innym: masą, izolacyjnością akustyczną, odpornością ogniową i trwałością przy niewielkich kosztach.
Materiały kruche i plastyczne: jak się niszczą
Stal zbrojeniowa B500SP po przekroczeniu granicy plastyczności nie pęka od razu. Wydłuża się, przy największej sile o co najmniej 8%. Konstrukcja zaczyna się wtedy wyraźnie uginać i pękać, zanim dojdzie do zniszczenia. Taką stal Eurokod 2 zalicza do klasy C, czyli najwyższej ciągliwości. Beton i mury są kruche: pod nadmiernym obciążeniem nie dają wiele sygnałów i pękają gwałtownie.
Żelbet łączy obie cechy. Beton przejmuje ściskanie, stal rozciąganie, a dobrze zaprojektowany element najpierw się ugina i rysuje, dopiero potem niszczy. Drewno zachowuje się pośrednio: ściskane wzdłuż włókien odkształca się stopniowo, rozciągane pęka nagle, zwłaszcza przy sękach. Dlatego projektant zostawia w drewnie większe zapasy na rozciąganie niż na ściskanie. Rysy na ścianach starego domu warto czytać właśnie przez ten pryzmat: o tym, które są groźne, piszemy w poradniku o oględzinach starego domu przed zakupem.
Wpływ czasu, wilgoci i korozji
Twardnienie betonu
Klasa betonu dotyczy próbek badanych po 28 dniach dojrzewania. Według wzoru z Eurokodu 2 po 7 dniach beton osiąga ok. 68-82% tej wytrzymałości, a po 3 dniach ok. 46-66%. Zakres zależy od cementu: szybko twardniejący (R) przybiera najszybciej, wolno twardniejący (S) najwolniej. Przy niskiej temperaturze proces dodatkowo zwalnia. Stąd zasady pielęgnacji i to, że stemple pod stropem zdejmuje się dopiero za zgodą kierownika budowy.
Wilgotność drewna
Wartości dla klas drewna odnoszą się do wilgotności 12%. Mokre drewno jest słabsze i bardziej podatne na pełzanie, a przy wilgotności powyżej ok. 20% grozi mu grzyb. Projektant uwzględnia to współczynnikiem zależnym od klasy użytkowania. Drewno konstrukcyjne kupuje się suszone komorowo i chroni przed deszczem także na budowie.
Otulina zbrojenia
Pręt w betonie chroni otulina, czyli warstwa betonu między stalą a powierzchnią elementu. W domu ma zwykle 20-40 mm, zależnie od warunków. Za mała otulina to rdza, która rozsadza beton od środka. Dlatego zbrojenie układa się na dystansach, a nie bezpośrednio na deskowaniu.
Sześć wniosków dla Twojej budowy
- Nie podmieniaj klasy betonu ani stali bez zgody projektanta. C16/20 zamiast C20/25 to 20% mniej wytrzymałości na ściskanie, a różnica w cenie betonu jest niewielka.
- Sprawdzaj, co przyjeżdża na budowę. Klasa betonu jest w dokumencie dostawy. Na prętach B500SP często widać nawalcowany znak producenta, a do dostawy dołączona jest deklaracja właściwości użytkowych.
- Pielęgnuj beton co najmniej przez pierwszy tydzień. Polewanie i przykrycie folią w upał, ochrona przed mrozem zimą. Przesuszony beton nie osiągnie swojej klasy.
- Pilnuj otuliny. Dystanse pod zbrojeniem kosztują grosze, a chronią stal przed korozją przez dziesięciolecia.
- Trzymaj drewno w suchym i przewiewnym miejscu. Nie składuj go na ziemi i nie podcinaj belek ani krokwi pod instalacje bez konsultacji.
- Nie osłabiaj ścian nośnych. Poziome bruzdy pod instalacje i nowe otwory w murze zmniejszają przekrój, który przenosi obciążenie. Każdą taką zmianę uzgodnij z konstruktorem.
Ściągawka parametrów materiałów konstrukcyjnych (PDF, 1 strona A4)
Tabela parametrów betonu, stali, drewna i murów, objaśnienie oznaczeń z projektu i przykład ze słupkiem. Wydrukuj i trzymaj obok projektu konstrukcji.
Pytania, które padają najczęściej
Jaka jest wytrzymałość betonu na ściskanie?
Wynika z klasy betonu. Pierwsza liczba w oznaczeniu to wytrzymałość charakterystyczna na próbce walcowej w MPa, druga na próbce sześciennej. Beton C20/25 ma 20 MPa, a C30/37 ma 30 MPa po 28 dniach dojrzewania.
Ile MPa wytrzymuje stal B500SP?
Granica plastyczności stali B500SP wynosi co najmniej 500 MPa, a wytrzymałość na rozciąganie co najmniej 575 MPa. Stal ma wysoką ciągliwość: przy największej sile wydłuża się o co najmniej 8%, co daje jej klasę C według Eurokodu 2.
Dlaczego beton zbroi się stalą?
Bo przy rozciąganiu beton jest ok. 10 razy słabszy niż przy ściskaniu. W belkach, stropach i fundamentach rozciąganą strefę przejmują pręty stalowe. Ściskanie zostaje dla betonu.
Co jest mocniejsze: drewno czy beton?
Przy ściskaniu krótkiego elementu drewno C24 (21 MPa wzdłuż włókien) jest porównywalne z betonem C20/25 (20 MPa). Przy rozciąganiu drewno jest kilkakrotnie mocniejsze. Waży przy tym prawie sześć razy mniej, ale jest wrażliwe na wilgoć i ogień oraz łatwiej się wybocza.
Co oznacza 1 MPa?
Jeden megapaskal to milion niutonów na metr kwadratowy, czyli w przybliżeniu nacisk 10 kilogramów na każdy centymetr kwadratowy.
Czy beton osiąga pełną wytrzymałość po 7 dniach?
Nie. Po 7 dniach ma zwykle ok. 70-80% wytrzymałości 28-dniowej, zależnie od cementu i temperatury. Pełną klasę osiąga po 28 dniach, a później jeszcze powoli zyskuje.
Źródła
- PN-EN 1992-1-1 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1, tablica 3.1 i wzór 3.2 (rozwój wytrzymałości w czasie)
- PN-EN 1996-1-1 Eurokod 6: Projektowanie konstrukcji murowych. Część 1-1, wytrzymałość charakterystyczna muru na ściskanie
- PN-EN 338:2016 Drewno konstrukcyjne – Klasy wytrzymałości
- PN-EN 14080 Konstrukcje drewniane – Drewno klejone warstwowo i drewno klejone z litego drewna
- PN-H-93220:2018-02 Stal do zbrojenia betonu – Spajalna stal zbrojeniowa B500SP
- Centrum Promocji Jakości Stali, „Stal zbrojeniowa B500SP Epstal według wymagań nowej normy”, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne 2018