Sodininko išradimas, kuris negrįžtamai pakeitė pasaulį: kaip veikia gelžbetonis? (Mokslo populiarinimo konkursas)

Žodis betonas (angl. concrete) yra kilęs iš lotyniško žodžio concretus, reiškiančio „suspaustas“ ar „sutelktas“. Būtent šie žodžiai ir perteikia betono esmę.

Betonas – tai dirbtinis akmuo, gaunamas sukietėjus mišiniui iš rišamosios medžiagos, užpildų, vandens ir priedų. Betono struktūros sudėtingumas pasireiškia tuo, kad jį sudaro skirtingo dydžio dalelės – nuo kelių mikronų skersmens cemento dalelės iki kelių centimetrų dydžio užpildų dalelių. Be to, betono struktūra laikui bėgant nuolat kinta, kadangi vyksta fiziniai ir cheminiai procesai. Kintant struktūrai, keičiasi ir betono savybės.

Kalbant apie betono mišinį, svarbu paminėti, kad nuo tikslių medžiagų proporcijų priklauso ir mišinio savybės, tokios kaip atsparumas gniuždymui ar slankumas. Dėl savo puikių savybių betono mišiniai plačiai naudojami statyboje. Pirmuosius betonus žmonės sukūrė prieš maždaug 8500 metų; ypač gerą betono mišinį naudojo romėnai, kurie statė iš jo statinius iki pat Romos Imperijos žlugimo 476 m. Jų naudojamo betono stipris gniuždant siekė apie 20 MPa (šiuo metu dažnai naudojamo betono stipris).

Plienas – tai metalų lydinys, sudarytas iš dviejų pagrindinių – geležies ir anglies – ir daug kitų cheminių elementų, tokių kaip magnis, nikelis ir kitų. Plienas laikomas homogenine medžiaga, kadangi skirtingų metalų atomai yra proporcingai išsidėlioję vieni kitų atžvilgiu. Dėl savo homogeniškumo plienas yra labiau „nuspėjamas“ nei betonas. Tai reiškia, kad, atliekant inžinerinius skaičiavimus, plienui taikomi daug mažesni atsargos koeficientai nei betonui. Plienas plačiai naudojamas įvairiose srityse: nuo automobilių gamybos iki kasdien mūsų naudojamų virtuvės įrankių. Seniausiam rastam plienui yra apie 4000 metų. Jis buvo rastas dabartinės Turkijos teritorijoje. Daug plačiau plienas gaminti pradėtas tik XIX a. viduryje, išradus naują jo gaminimo būdą. Šiuo metu plieno pagaminama apie 1,6 milijardo tonų per metus. Įprasto statyboje naudojamo plieno stipris tempiant siekia 500 MPa.

Josephas Monier buvo sodininkas, kuris pastebėjo, kad, įdėjus plieninį tinklelį į paruoštą formą ir užpylus betono mišiniu, sukietėję vazonėliai būdavo daug stipresni ir ne tokie trapūs nei tie, kuriuose plieninio tinklelio nebūdavo. Su šiuo savo išradimu sodininkas 1867 m. apsilankė pasaulinėje naujovių parodoje Paryžiuje, kurioje naujovė sulaukė didelio pasisekimo. Tais pačiais metais jis savo išradimui gavo patentą, kurį 1885 m. nupirko vokiečių inžinierius Gustavas Adolfas Wayssas ir toliau tobulino. Sodininkas ir jo gėlių vazonėlis pakeitė statybos pramonę amžiams.

Įprastai gelžbetonis naudojamas statyboje, tačiau, kad ir kur jis naudojamas, jo veikimo principas išlieka tas pats. Gelžbetonis pritaikomas ten, kur veikia lenkimo momentas. Lenkimo momentas atsiranda ten, kur yra apkrova, tarkim, savasis svoris ar žmonės, stovintys tam tikru atstumu nuo įtvirtinimo. Šį atstumą tarp įtvirtinimo ir jėgos veikimo vietos (žmogaus) galima vadinti petimi.

Paprasčiausias konstrukcinis pavyzdys, kuriame atsiranda lenkimo momentas, yra perdangos plokštė. Galima įvertinti ir žmonių svorį, bet lengviau suprasti, kai apkrova yra tik viena. Tarkime, kad perdangos plokštė galuose įtvirtinta lanksčiai (yra ir kitokių įtvirtinimo būdų) ir gali suktis.

Savasis perdangos svoris sukelia įlinkimą per visą plokštės ilgį (įlinkis šiuo atveju yra parabolės formos, o jo didžiausia reikšmė – plokštės viduryje). Dėl įlinkimo susidaro suspaudimo zona (angl. compression zone) viršutinėje perdangos plokštės dalyje ir tempimo zona (angl. tension zone) apatinėje perdangos plokštės dalyje. Plokštės viduryje yra neutrali lenkimo ašis (angl. neutral axis), kuri nėra veikiama nei gniuždymo, nei tempimo. Zonų susidarymą pamatyti galima ir namuose lenkiant liniuotę per vidurį. Viena liniuotės pusė tarytum susitraukia (yra gniuždoma), o kita pusė pailgėja (yra tempiama).

Pagal apkrovas sudaroma lenkimo momento diagrama, kurioje matosi lenkimo momento reikšmė kiekvienoje elemento dalyje. Remianti šia diagrama (ir kitomis), atliekami skaičiavimai.

Tipinio betono gniuždomasis stipris yra apie 10 kartų didesnis nei jo tempiamasis stipris, o plieno gniuždomasis stipris dažniausiai prilyginamas tempiamajam stipriui.

Gelžbetonis veikia, nes abi medžiagos atlieka būtent tai, ką „moka“ geriausiai: pigus betonas, kurio gelžbetonio elementuose būna daug, puikiai atlaiko gniuždymą, o daug brangesnis plienas, kurio būna kur kas mažiau, yra tempiamas. Kadangi gniuždymo ir tempimo jėgos yra lygios, bet priešingų krypčių, gelžbetonio elementas atlaiko apkrovą. Kita vertus, abi ar viena medžiaga gali būti per silpna, jei bus netinkamai išdėliota gelžbetonio elemente, bus panaudotas netinkamas jos kiekis ar bus panaudotos netinkamo stiprio medžiagos. Tokiu atveju prasidės irimas ir elementas gali visiškai netekti savo laikomosios galios.

Šiame perdangos pavyzdyje plieną, kuris statyboje dažniausiai būna armatūros pavidalo, reikėtų išdėlioti apatinėje plokštės dalyje, nes ji yra tempiama. Žinoma, gelžbetonis taip puikiai veikia ne tik dėl gerai išnaudotų vien tik gniuždymo ir tempimo savybių, tačiau, kalbant apskritai, tai yra esminė priežastis.

Šiuo metu mokslininkai kuria naujus, daug stipresnius betonus, kurie pasižymi ne tik didžiuliais gniuždomaisiais stipriais, bet ir daug didesniais tempiamaisiais stipriais. Kol kas tokie betonai ypač brangūs ir naudojami tik laboratorijose, o plieną galima pakeisti į anglies pluoštą, kuris tempiamuoju stipriu smarkiai pranoksta plieną, bet kol kas tokios medžiagos yra per brangios naudoti statybose. Galbūt ateityje bus naudojamos naujos, pranašesnės medžiagos, tačiau kol kas puikiai veikia ir sodininko iš Prancūzijos pradėtas naudoti gelžbetonis.