UVOD U GRADITELJSTVO 7. MATERIJALI ZA GRADNJU Sadržaj poglavlja: -kamen -drvo -opeka -beton -željezo i čelik -novi materijali Prof. dr. sc. NEDIM SULJIĆ, dipl.ing.građ. 1 2 KAMEN: Kroz historiju kamen osnovni građevinski materijal Prve građevine, spomenici kamen kao materijal Kamen za nosive konstrukcije period od cca 4000 godina (do 19 vijeka) Podjela kamena po postanku: a) iz eruptivne magme (lave) osobine: -tvrdi kamen (γ=2100 do 3300 kg/m 3 ) -čvrstoća 100 do 500 N/mm 2 Kamen najmasovnija primjena u niskogradnji donji stroj saobraćajnica Kamen gradnja objekata sa monumentalnim karakterom (spomenici...) Kamen rekonstrukcija vidljivih dijelova historijskih građevina podvrste: -granit i gabro (za oblaganje, zidni blokovi...) -bazalt (najčvršći i najteži kamen) -diorit, sienit, dijabaz... Most u Kini Najveći kameni luk na svijetu L=146 m 3 Granit Tekstura granita 4 1
b) sedimentni kamen nastanak taloženjem materijala zemljine kore osobine: -meki kamen (γ=2000 do 2700 kg/m 3 ) -čvrstoća 50 do 160 N/mm 2 podvrste: -šljunak i pijesak (podloge i proizvodnja betona) -pješčanik (smjesa šljunka i pijeska) -krečnjak (laka obrada, zidne obloge, proizvodnja kreča) -dolomit (sličan krečnjaku ali čvršći) -sadrovac (proizvodnja gipsa) c) metamorfni kamen promjena osobina kamena prve dvije vrste usljed visoke t i p osobine: -tvrdi i srednje tvrdi kamen (γ=2500 do 2900 kg/m 3 ) podvrste: -mramor, gnajs, serpentin Krečnjak Dolomit Mramorni blokovi Mramor crveni za oblaganje 5 6 Podjela kamena po obradi: a) lomljeni (običani lomljeni, pločasti lomljeni, dotjerani lomljeni kamen) b) obrađeni (poluklesani, klesani, klesanci, kvadri) c) drobljeni (sitni se drobilicama do potrebne granulacije) Opšte osobine kamena: a) dobar provodnik toplote b) tvrđi kamen trajniji c) trajnost i boja f-ja vrste kamena d) otpornost na t iznad 500 o C u eruptivnom nastaju pukotine iznad 500 o C krečnjaci se raspadaju živi kreč Lomljeni kamen Klesani kamen 7 8 2
OPEKA: Prvi i najstariji vještački građevinski materijal Proizvodnja prije više od 5000 godina osušeni glineni komadi Opeka manji komadi lako rukovanje i zidanje veći komadi praktičniji u gradnji nejednoliko pečenje pojava pucanja danas opeke većih dimenzija sa šupljinama (nema pucanja) opekarski blokovi Način proizvodnje opeke: -sirovina glina -glina ne smije biti premasna niti previše pjeskovita -glina bez soli i drugih štetnih primjesa -u ciglani glinena masa istiskuje se kroz kalupe automatsko rezanje u komade (LxBxH) komadi se suše oduzimanje 10 do 20% vlage pečenje u kružnim ili tunelskim pećima (t=900 do 1000 o C) proces pečenja i hlađenja oko 7 dana 9 10 Vrste opeka: a) puna opeka -nosivi i nenosivi zidovi -vanjski i unutarnji zidovi poslije malterisanje -dimenzije 250x120x65 mm -težina 3,1 do 3,5 kg -čvrstoća na pritisak 7,5 do 20 N/mm 2 -puna opeka obična i rupičasta podvrsta fasadna opeka bez malterisanja 11 12 3
b) šuplja opeka i šuplji opekarski blokovi -manjom debljinom zida potrebna nosivost i bolja toplonska izolacija -veći komadi šupljih blokova mijenjaju i do tri komada pune opeke -šuplji blokovi često kod nenosivih zidova u skeletnim konstrukcijama -šupljine vertikalne (20 do 40% presjeka) -šupljine horizontalne (cca 50% presjeka) -čvrstoća na pritisak 2 do 20 N/mm 2 c) radijalna opeka -zidanje samostalnih tvorničkih dimnjaka Dimenzije=23,5x5x12 (R1=110) Masa = 2,5 kg/kom 13 14 d) specijalne vrste opeke d1/ klinker -pečenje na 1200 o C; velika čvrstoća opterećene površine d2/ vatrostalna opeka šamotna opeka -izdržava do 1600 o C; obloge ložišta; donji dijelovi dimnjaka vatrostalna opeka magnezitna, dolomitna, boksitna opeka d3/ silikatna opeka -za uređaje u hemijskoj industriji otporna na hemikalije BETON: Danas najviše korišten građevinski materijal Materijal sličan betonu star oko 7500 godina Lepenski Vir (R Srbija) Oko 3000 godina p.n.e. Egipćani koriste malter na bazi gipsa i kreča gradnja Piramida od opeke sušene na Suncu Kefrenova piramida obloga kamena krečnjakom Oko 800 godine p.n.e. beton u Staroj Grčkoj Prvi beton sličan današnjem oko 300 godine p.n.e. Stari Rimljani pucolanski cement blizu Vezuva grade rimske toplice, Koloseum, grade Pantheon u Rimu grade Pont du Gard akvadukt u Francuskoj Klinker opeka Šamotna opeka 15 16 4
Razvoj AB nakon pronalaska cementa (hidrauličko vezivo) 1850. god. Lambot gradi čamac od žičane mreže koju oblaže cementnim malterom Krupni agregat Sastav i spravljanje betona i proizvoda na bazi cementa: Smatralo se dugo da je izumitelj AB pariški vrtlar Monier Monier: 1867. god izradio betonske lonce ojačene čeličnom žicom Monier: poslije gradi AB rezervoare, cijevi, ploče, svodove Monier: nije poznavao bit nosivosti AB činio grube greške arm. u sredini Sitni agregat Cement 1950. god Francuzi slavili 100-godišnjicu AB dali značaj pronalska Lambotu Malter Injekcione mase Beton Torkret Voda Lambot čamac od žičane mreže ojačan cementnim malterom Aditivi 17 Kreč 18 Vrste betona: -laki betoni (<1900 kg/m3) -obični betoni (1900 2500 kg/m3) -teški betoni (>2500 kg/m3) Osobine betona: a) što obradiviji i trajniji b) dodatak aditiva (često) poboljšanje osobina -plastifikatori i superplastifikatori Laki beton: -saćasta struktura, neporozan -dosta lagan, otporan na požar veća čvrstoća na pritisak sa istom w/c faktorom povećanje tečenja betona i obradivost -veoma dobre termičke osobine c) čvrstoća na pritisak f-ja w/c faktora Teški beton: -prvo plutajuće stambeno naselje na svijetu -u Holandiji -plutajući temelji od teškog betona (kesoni) Superplastifikator: -smanjenje potrebne količine vode -povećanje čvrstoće betona -poboljšanje vodonepropusnosti -fasada od Al zbog korozije -smanjuje segregaciju... 19 20 5
Problemi trajnosti betona: Armirani beton: -spoj betona i čelične armature -armatura naponi zatezanja povećanje nosivosti betona -beton naponi pritiska Uticaj okoliša na beton -uticaj hlorida i sulfata na beton u kontaktu sa morskom vodom -korozija betona i armature 21 22 Prednapregnuti beton: -AB u kome je vještački stvoreno trajno naprezanje -trajno naprezanje prije nanošenja opterećenja ili sa njim zajedno -trajno naprezanje + naprezanje od vanjskog opterećenja ŽELJEZO I ČELIK: Željezo i drugi metali poznati više od 3000 godina razne rude iz zemlje Primjena željeza u gradnji nekoliko vijekova prije industrijskog doba Kina (14 17 vijek) željezni lančani viseći mostovi naprezanje koje u svakoj tački i za sva predvidiva vanjska opterećenja ne prelazi naprezanje koje AB može trajno podnijeti -ugradnja kablova ili šipki za prednaprezanje presama se rastežu nakon očvršćavanja betona sidre se u njegovu unutrašnjost 23 24 6
Početak primjene sirovo i ljevano željezo, potom kovano, poslije čelik Prva velika građevina od ljevanog željeza: Sirovine za proizvodnju sirovog željeza: -most L=30m na rijekom Severn kraj 18-og vijeka -magnetit, hematit, limonit, siderit Najvažnija građevina sa kovanim željezom: Ljevano željezo Čelik sirovo željezo koje se tali i sipa (ljeva) u kalupe vrsta željeza Željezna ruda - hematit -Kristalna palata Čelik 1851. godine Armaturne mreže Kristalna palata u Londonu 25 prva velika proizvodnja za željezničke šine Eiffelov toranj Hyde Park u Londonu primjesa ugljika (C) ne prelazi 1,7% 26 Faze proizvodnje čelika: za Svjetsku izložbu 1889. godine u Parizu Kontinuirani lijev Sirovine Visoka peć Željezne rude, koks Sirovo željezo Proces prečišćavanja Čelik Sirovi čelik Lijev u bloku Vrste građevinskih čelika: -čelik standardne kvalitete -čelik otporan na koroziju -visokotlačni čelik visokotlačni čelik 27 čvrstoća 300 do 490 N/mm2 primjese koje ga štite od korozije čvrstoća 500 do 1800 N/mm2 za prednaprezanje 28 7
Osnovne primjene čelika: -raznovrsno područje primjene (hale, mostovi, platforme, silosi, tornjevi...) -stalni razvoj novih vrsta čelika (Eiffelov toranj 1889 god.= 7000 t čelika) (danas bi trebalo = 2000 t čelika) -materijal za vrhunske tehničke i estetske zahtjeve -višestruka mogućnost prerade -povoljni ekonomski pokazatelji (veliki izbor čeličnih elemenata) -recikličnost materijala (demontaža i ponovna prerada) -ekološka prednost (razlaganje na elemente koji nisu štetni za okoliš) -velike rezerve sirovina (prirodni resursi i reciklirani materijal) Čelični profili 29 30 Osobine, prednosti i nedostaci čelika: -dobre mehaničke osobine (čvrstoća, E, plastičnost) -izražen zamor materijala (širenje pukotina zbog promjena naprezanja) -podložnost koroziji -prednost brzina gradnje, jednostavnost pri doradama i održavanju -potrebna visoka obučenost pri proizvodnji i izradi elemenata DRVO: Primjena od pradavnih vremena drvo i kamen prvi građevinski materijali I danas u upotrebi u graditeljstvu estetske vrijednosti Drvo kao građevinski materijal Najstariji građevinski materijal Prisutan u savremenom građevinarstvu kao i beton i čelik Koristi se kao osnovni i pomoćni materijal (oplate, skele...) Zadnjih decenija prisutan u savremenoj arhitekturi (lamelirano drvo) DRVENE KONSTRUKCIJE: Skup elemenata od drveta preko kojih se oblikuju određeni prostori i preko kojih se prenose određena opterećenja Korozija čelika Oblaganje čelika rigips pločama - povećanje vatrootpornosti - 31 32 8
OSNOVNE PREDNOSTI DRVETA: OSNOVNI NEDOSTACI DRVETA: Mala zapreminska težina (drvo 13x lakše od čelika i 4x lakše od betona) Lagana obrada i neovisna od vremenskih uslova Velika mogućnost oblikovanja (poprečni presjek i oblik konstrukcije) Mogućnost primjene različitih statičkih sistema Sloboda u izboru dužine konstruktivnog elementa Mala osjetljivost na temperaturne promjene Mogućnost montaže i demontaže Ugodan ambijent za boravak i radni prostor Kvalitet uslovljen rastom drveta (biološki faktor) Moguće greške u drvetu (trulenje, uticaj insekata) Zavisnost mehaničkih osobina od: a) vlažnosti b) zapaljivosti c) rad drveta (bubrenje i skupljanje) 33 34 Drvo se uspješno nosi sa betonom i čelikom Čvrstoća drveta I kvalitetne klase > čvrstoće nekih betona Kod nas i u propisima mnogih zemalja dop. naprezanja dosta su visoka Za pravilno projektovanje dobro poznavanje drveta kao materijala Drvene konstrukcije: za sve građevinske objekte (visokogradnja i niskogradnja) Drvene konstrukcije: za pomoćne i privremene objekte Drvene konstrukcije: građenje suptilnih konstrukcija mostova (lamelirano drvo) U BiH drvo se malo koristi za stalne konstrukcije Razlog ne korištenju: nerazvijenost drvene industrije, kadrovska neopremljenost, tehnička neopremljenost, svijest o drvetu kao materijalu za pomoćne objekte Stablo se sastoji: DEBLO (srednji dio) i KROŠNJA (grane nepotrebne za konst. Kod četinara deblo je gotovo do vrha drveta Deblo (osnovni nosač stabla) potrebno za drvene konstrukcije Poprečni presjek debla sličan krugu DEBLJINA STABLA: prečnik stabla na 1,30m od terena DEBLJINA DEBLA: prečnik stabla na ½ L debla 35 36 9
Unutrašnja građa drveta slična nizu tankih cilindara (koncentrični krugovi) Svaki krug (GOD DRVETA) nastaje 1-godišnjim rastom drveta Poprečni presjek drveta: a) SRŽ (dio drveta oko ose stabla) b) SRČEVINA (dio gdje se odigrao proces rasta) c) BELJIKOVINA (proces rasta u toku) Tehničke osobine drveta: Tehničke osobine posljedica građe i hemizma drveta Tehničke osobine: 1. ESTETSKE 2. FIZIČKE 3. FIZIČKO-HEMIJSKE 4. MEHANIČKE 5. UTICAJ VLAŽNOSTI 6. UTICAJ TEMPERATURE 7. GREŠKE U DRVETU 8. MEHANIČKE OZLJEDE DRVETA 9. KVALITETNE KLASE DRVETA 10. OBRADA DRVETA 11. ZAŠTITA DRVETA 37 38 Rodovi i vrste drveta: a) Crnogorično drvo -jela, bor, smreka, ariš -veoma bitno u građevinarstvu (krovne konstrukcije, skele, rešetkaste nosače...) -lagano, elastično b) Bjelogorično drvo -u graditeljstvu najčešće hrast i bukva -tvrdo, čvrsto i dovoljno elastično drvo, trajnije od crnogoričnog drveta Ljepljeno lamelirano drvo: -tanke drvene lamele ista širina jedna preko druge -ljepljenje određenim vrstama ljepila određeni uslovi (npr. t) -štapni element konstrukcije razni poprečni presjeci i L -mehaničke osobine ujednačenije od mehaničkih osobina masivnog drveta -proizvodnja lameliranih nosača fabrike ljepljenih konstrukcija -estetika objekata c) Egzotično drvo -u graditeljstvu kanadski bor, žuti bor -tvrdo i čvrsto drvo -dobro se polira -izrada furnira i drvenih ploča 39 40 10
Zaštite drveta: a) Nagorijevanje stari način pougljenjuje se drvo na površini (od bakterija) b) Premaz uljima i smolama bitumen i katran, umjetne smjese na površini c) Tlačno impregniranje u prostorijama pod p na drvo hemijske otopine NOVI MATERIJALI: Stalan tehnološki razvoj svih grana tehnike Novi materijali: -visoke čvrstoće -dobre izolacijske osobine -mala težina... izumi i stvaranje novih materijala mjesto u graditeljstvu d) Kijaniziranje prosušeno drvo natapa se u bazenima određenim otopinama e) Injektiranje umetanje specijalnih patrona u rupe iz kojih prodire otopina u pore drveta i impregnira ga f) Zaštita od vatre dovoljan razmak drveta od izvora vatre (dimnjak i rog) Sintetički materijali geotehnika, hidrotehnika, zgradarstvo... Sintetički (geosintetički) materijali: a) geotekstili b) geomreže c) geomembrane d) geokompoziti 41 42 Stabilizacija padine-armiranje geomrežama Upornjaci mostova Geomembrane temeljno (bazno) zatvaranje sanitarnih deponija otpada 43 44 11