Od jednoduché výztuže, přes květináče až k nejvyšším stavbám světa

Železobeton – jde o tak obvyklý materiál a využívá se tak často, že většina inženýrů o něm hlouběji nijak nepřemýšlí. Pro většinu z nás je to pouze prvek, který musí v nejrůznějších podobách splňovat požadované parametry. Ale napadla vás při práci s ním někdy otázka, kde je jeho původ? Nebo jaká je historie materiálu, bez něhož by celá řada světově proslulých staveb vůbec nevznikla?

Vynechme protentokrát řešení složitých inženýrských problémů, návrhy a posudky konstrukcí, analýzy zatížení a aplikaci norem. Vydejme se společně na krátký výlet do historie a podívejme se, kde je původ materiálu, kterému dáváme tvar, a který dává vzniknout účelným i obdivuhodným stavbám.

Jak již název sám napovídá, železobeton se skládá ze dvou základních složek: železa a betonu. Než se budeme věnovat ale jemu samotnému, podívejme se ve stručnosti na beton. Ten lidstvo zná již více než 2000 let.

Výhod betonu využívali již staří Římané. Některé stavby, které s jeho použitím postavili, stojí dodnes. Krásným příkladem může být monolitická kopule na Pantheonu v Římě (na obrázku níže), která byla postavena za použití technologie litého betonu ve druhém století našeho letopočtu. A zdaleka není jediná. Podobných staveb bychom na světě našli mnoho.

Je proto až s podivem, že myšlenka vyztužení betonu železnými prvky přišla až v devatenáctém století. Toto období můžeme s trochou nadsázky nazývat obdobím technické Renesance. Vedle železobetonu, prošlo revoluční proměnou ve stavebnictví také použití oceli. Ta se v širší míře začala objevovat v podobě nosných prvků jen nedlouho před samotným železobetonem.

V 19. století se zabývalo experimenty s železobetonem více průkopníků. Mezi první a významnější patřil Angličan William Boutland Wilkinson, který experimentoval s protipožárním řešením při stavbě budov. V roce 1854 použil ocelové pruty a lana k výztuze betonu při stavbě domu pro své služebnictvo. Řešení, které se osvědčilo, si nechal patentovat.

Dalším průkopníkem byl francouzský průmyslník François Coignet, který v roce 1853 začal jako první se stavbou čtyřpodlažní budovy kompletně z vyztuženého betonu ve francouzském městě Saint-Denis. Svoje řešení si v roce 1855 také patentoval.

O prvním „prapředku“ železobetonu v podobě, v jaké jej známe dnes, který účelně kombinuje nejlepší z obou materiálů, tedy pevnost v tlaku běžného betonu s pevností v tahu železa, lze hovořit od roku 1867. Tehdy francouzský zahradník a inženýr Joseph Monier (na obrázku níže) hledal náhradu za hliněné a dřevěné květináče. Vyzkoušel vyrobit betonové, které však praskaly. Pokoušel se tedy najít způsob, jak je dostatečně zpevnit.

Napadlo jej využít jednoduchou železnou konstrukci, kterou následně zalil betonem. Výsledek předčil všechna očekávání a Joseph Monier si nechal svoje řešení 16. července 1867 patentovat. Svůj vynález dokonce vystavoval v témže roce na Pařížské výstavě, na které se se svým řešením setkal s velkým ohlasem. A právě tento patent oslavil letos v červenci výročí 155 let.

Železobeton se následně lavinově šířil napříč stavitelstvím v moderním světě. Do Spojených států amerických se rozšířil ještě před koncem století.

Stal se tak poměrně rychle stavebním materiálem, jež našel využití u všech typů staveb – od silnic, rodinných domů, až po monumentální stavby v největších aglomeracích světa. Ruku v ruce s touto expanzí však vzrůstaly i nároky na jeho vlastnosti. Zejména beton, jakožto klíčový prvek, prošel v průběhu následujících letech doslova revoluční evolucí. Inženýři experimentovali se složením, zatížením, vznikaly nové třídy a rozšiřovaly se možnosti použití v nejrůznějších prostředích. 

Proto stejně jako se vyvíjela technologie výroby betonu a zlepšovaly se jeho vlastnosti, tak se rozvíjely i přístupy k výpočtu betonových konstrukcí. 

Každá konstrukce v sobě skrývá takzvané B a D oblasti, které se vyznačují odlišným přístupem řešení.

Co jsou B-oblasti? 

B-oblasti je možné definovat jako oblasti, ve kterých platí Bernoulliho–Navierova hypotéza, která předpokládá, že průřez, jež je před deformací rovinný, zůstává rovinný i po deformaci. Pro takové oblasti lze bezpečně využít řešení a posudek, který je uveden v normách. Řešení B-oblastí, ve kterých platí nosníková teorie nabízí IDEA StatiCa RCS a IDEA StatiCa Beam.

Co jsou D-oblasti? 

Místa, kde Bernoulliho–Navierova hypotéza neplatí, nazýváme oblasti diskontinuit neboli poruchové oblasti: D-oblasti. Jde o oblasti uložení, okolí osamělých břemen, místa náhlých změn průřezů, otvorů apod. Při návrhu betonových konstrukcí se setkáváme s celou řadou dalších D-oblastí, jakými jsou stěny, mostní příčníky, krátké konzoly atd. 

Navzdory vývoji celé řady výpočetních nástrojů v posledních desetiletích je metoda vzpěra-táhlo stále používána při manuálních výpočtech. Její použití pro stavební konstrukce v reálném světě je však časově náročná, protože je třeba provést několik iterací a je také nutné zvážit několik zatěžovacích stavů. Tato metoda navíc není vhodná pro ověření kritérií použitelnosti (deformace, šířky trhlin, ...).

Tyto a další podobné výzvy, které souvisely s analýzou betonových konstrukcí zapříčinily to, že společnosti začaly spolupracovat s akademickým prostředím. Stejně postupovala i IDEA StatiCa, která ve spolupráci s univerzitou ETH v Curychu IDEA StatiCa vyvinula a důkladně otestovala metodu nazvanou Compatible Stress Field Method (CSFM) pro návrh oblastí diskontinuit. 

Tuto metodu následně implementovala do aplikace IDEA StatiCa Concrete. Metoda samotná je založena na počítačové implementaci modelu tlakových polí a využívá základní materiálové vlastnosti uvedené v normách pro navrhování betonových konstrukcí. CSFM překonává omezení klasických postupů a lze ji považovat za zobecněnou metodu příhradové analogie, ve které jsou však uvažovány skutečné oblasti namáhané napětím namísto výslednic sil.

Beton a železobeton se tak stal materiálem, jehož použití často předchází složité analýzy. První průkopníky, kteří se s ním experimentovali by jistě nenapadlo, jak široké základy tomuto odvětví položili a jak dalece se stavitelství s využitím železobetonu vyvine.

A jaká je jeho budoucnost? Podle prof. Kolíska, ředitele Kloknerova ústavu v Praze, je železobeton tak široce rozšířen a jedná se o tak jednoduše použitelný materiál, že jeho náhradu v blízké budoucnosti očekávat spíše nemůžeme. Bude však častěji docházet k optimalizaci související s hospodárnějším využitím cementu, který je významným přispěvatelem k tzv. uhlíkové stopě lidstva. 

Budoucností bude zcela jistě UHPC (ultra-vysokopevnostní beton), s jehož využitím se již experimentuje a jež přináší slibné výsledky pro optimalizaci betonových konstrukcí.

Jsme rádi, že naše aplikace IDEA StatiCa je společně s ostatními součástí tohoto příběhu. Již několik let pomáháme inženýrům po celém světě s návrhem a optimalizací ocelových i betonových konstrukcí, s úsporou času při návrhu i s tvorbou odborných posudků.

… A věděli jste, že železobeton se používal i ke stavbě nákladních lodí? Ale o těch někdy příště.