Beton armat, de la ghivece simple la cele mai înalte clădiri din lume

Este un material atât de comun și utilizat atât de frecvent, încât majoritatea inginerilor nu se gândesc la el în profunzime. Pentru majoritatea dintre noi, este doar un material care trebuie să îndeplinească parametrii necesari în diverse forme. Dar când lucrați cu el, v-ați întrebat vreodată din ce țară provine? Sau care este istoria unui material fără de care multe clădiri celebre din lume nu ar fi fost construite niciodată?

Pentru acest articol, să lăsăm deoparte problemele complexe de inginerie, proiectarea și evaluările structurale, analiza încărcărilor și aplicarea standardelor. Să facem împreună o scurtă incursiune în istorie și să vedem de unde provine acest material, originile sale și cum s-a dezvoltat, dând naștere unui număr incredibil de clădiri funcționale și admirabile.

După cum sugerează numele, betonul armat timpuriu era compus din două componente esențiale: fier și beton. Înainte de a discuta despre betonul armat în sine, să aruncăm o privire rapidă asupra betonului. Acesta este cunoscut omenirii de mai bine de 2000 de ani.

Beneficiile betonului au fost utilizate deja de romani (unii spun că și de egipteni). Unele dintre clădirile pe care le-au construit folosindu-l există și astăzi. Un exemplu excelent este cea mai mare cupolă monolitică din lume de pe Panteonul din Roma (imaginea de mai jos), construită folosind tehnologia betonului turnat in situ în secolul al II-lea d.Hr. Acesta nu este singurul exemplu de adoptare timpurie a betonului: există multe structuri similare în lume.

Este, prin urmare, surprinzător că ideea de a arma betonul cu elemente de fier nu a apărut decât în secolul al XIX-lea. Cu o oarecare exagerare, această perioadă poate fi numită perioada Renașterii Tehnice. Pe lângă betonul armat, utilizarea oțelului a revoluționat și ea construcțiile. A început să apară pe scară mai largă sub formă de elemente portante cu puțin timp înainte de betonul armat însuși.

În secolul al XIX-lea^lea, mai mulți pionieri au experimentat cu betonul armat. Printre cei mai timpurii și mai importanți s-a numărat englezul William Boutland Wilkinson, care a experimentat soluții de protecție la foc în construcția clădirilor. În 1854, a folosit bare și frânghii de oțel pentru a arma betonul în construcția unei case pentru servitorii săi. A brevetat o soluție care s-a dovedit a fi de succes.

Un alt pionier a fost industriașul francez François Coignet, primul care a construit o clădire cu patru etaje realizată în întregime din beton armat în orașul francez Saint-Denis în 1853. Și el și-a brevetat soluția în 1855.

Primul „strămoș" al betonului armat așa cum îl cunoaștem astăzi, care combină eficient ce este mai bun din ambele materiale, adică rezistența la compresiune a betonului obișnuit cu rezistența la întindere a fierului, poate fi datat din 1867. În acel moment, un grădinar francez, Joseph Monier (imaginea de mai jos), căuta un înlocuitor pentru ghivecele din lut și lemn. A încercat să facă ghivece din beton, dar acestea se crăpau – așa că a încercat să găsească o modalitate de a le face suficient de rezistente.

A venit cu ideea de a folosi o structură simplă din fier, pe care a acoperit-o apoi cu beton. Rezultatul a depășit toate așteptările, iar Joseph Monier și-a brevetat soluția pe 16 iulie 1867.

Și-a expus chiar invenția la Expoziția de la Paris din acel an, unde soluția sa a avut un mare succes. În iulie al acestui an (2022), acest brevet și-a sărbătorit cea de-a 155^-a aniversare.

Betonul armat a cunoscut ulterior o expansiune rapidă în industria construcțiilor din lumea modernă. S-a răspândit în Statele Unite înainte de sfârșitul secolului.

A devenit rapid un material care și-a găsit utilizarea în toate tipurile de clădiri – de la drumuri și case până la clădiri monumentale din cele mai mari aglomerări urbane ale lumii. Odată cu această expansiune, însă, cerințele privind proprietățile sale au crescut. Betonul, ca element esențial, a suferit o evoluție revoluționară de-a lungul anilor. Inginerii au experimentat cu compoziția și încărcarea, au fost create noi clase de rezistență, iar posibilitățile de utilizare în diverse medii s-au extins.

Prin urmare, la fel cum tehnologia de producere a betonului a evoluat și proprietățile sale s-au îmbunătățit, aceeași evoluție a avut loc și în metodele de calcul al structurilor din beton.

Fiecare structură conține așa-numitele zone B și D, care se caracterizează printr-o abordare de proiectare diferită.

Ce sunt zonele B?

Zonele B pot fi definite ca regiuni în care se aplică ipoteza Bernoulli-Navier, care presupune că o secțiune transversală plană înainte de deformare rămâne plană după deformare. Pentru astfel de regiuni, soluția și judecata oferite în standarde pot fi utilizate în siguranță. IDEA StatiCa RCS și IDEA StatiCa Beam oferă soluții pentru zonele B în care teoria grinzilor este valabilă.

Ce sunt zonele D?

Locurile în care ipoteza Bernoulli-Navier nu se aplică sunt numite regiuni de discontinuitate sau regiuni de defect: zonele D. Acestea sunt regiuni de rezemare, în jurul grinzilor izolate, locuri de schimbări bruște ale secțiunilor transversale, goluri etc. În proiectarea structurilor din beton, întâlnim o serie de alte zone D, cum ar fi pereți, grinzi de pod, console scurte etc.

În ciuda dezvoltării mai multor instrumente de calcul în ultimele decenii, metoda Bielă-tiranți este încă utilizată în calculele manuale. Cu toate acestea, aplicarea sa la structuri reale necesită mult timp, deoarece trebuie efectuate mai multe iterații și trebuie luate în considerare și mai multe cazuri de încărcare. Mai mult, această metodă este inadecvată pentru verificarea criteriilor de serviciu (deformații, lățimi ale fisurilor, ...).

Aceste și alte provocări similare legate de analiza structurilor din beton au determinat companiile să colaboreze cu mediul academic. IDEA StatiCa a urmat aceeași abordare și, în colaborare cu ETH Zurich, IDEA StatiCa a dezvoltat și testat temeinic o metodă numită Metoda Câmpului de Tensiuni Compatibil (CSFM) pentru proiectarea regiunilor de discontinuitate.

Această metodă a fost implementată în aplicația IDEA StatiCa Concrete și se bazează pe o implementare informatică a unui model de câmp de tensiuni, utilizând proprietățile de bază ale materialelor specificate în standardele de proiectare a betonului. CSFM depășește limitările abordărilor clasice și poate fi considerată o metodă generalizată de analogie cu grinda cu zăbrele, dar în care sunt luate în considerare regiunile efectiv solicitate în loc de forțele rezultante.

Betonul și betonul armat au devenit astfel un material a cărui utilizare este adesea precedată de analize complexe. Primii pionieri care au experimentat cu el cu siguranță nu ar fi ghicit cât de largă este fundația pe care au pus-o pentru industrie și cât de mult ar evolua construcțiile din beton armat.

Care este viitorul betonului armat? Conform prof. Kolísko, directorul Institutului Klokner din Praga, betonul armat este atât de utilizat pe scară largă și este un material atât de ușor de folosit, încât nu ne putem aștepta la înlocuirea sa în curând. Cu toate acestea, vor exista optimizări mai frecvente ale structurilor din beton legate de utilizarea mai economică a cimentului, care este un contributor semnificativ la așa-numita amprentă de carbon.

Viitorul va consta, fără îndoială, în UHPC (beton de înaltă rezistență ultraînaltă), cu care se experimentează deja și care produce rezultate promițătoare pentru optimizarea structurilor din beton.

Suntem încântați că aplicația noastră IDEA StatiCa și altele vor face parte din această poveste. De câțiva ani, ajutăm inginerii din întreaga lume să proiecteze și să optimizeze structuri din oțel și beton, economisind timp în proiectarea și verificarea conform codului a oricăror elemente din beton.

... Știați că navele de marfă au fost proiectate și din beton armat? Dar mai multe despre acestea data viitoare.