TTÜ ehituskonstruktsioonide õppetool Raudbetoonkonstruktsioonide üldkursus I Vello Otsmaa Johannes Pello 2007.a (0)

 
 
TTÜ ehituskonstruktsioonide   õppetool  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Raudbetoonkonstruktsioonide üldkursus 
I 
 
 
 
 
 
 
 
Vello   Otsmaa  
 
  Johannes  Pello  
 
 
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
2007.a
 
Raudbetoonkonstruktsioonide üldkursus  
1 
SISSEJUHATUS 
1  Raudbetooni  olemus 
 
Raudbetoon  on liitmaterjal (komposiitmaterjal), kus koos töötavad kaks väga erinevate oma-
dustega materjali: teras ja  betoon . Neist  betoon  on suhteliselt odav kohalik materjal, mis töö-
tab  hästi   survel ,  kuid  üsna  halvasti   tõmbel   (betooni   tõmbetugevus   on  10-15  korda  väiksem 
survetugevusest).  Teras  seevastu  töötab  ühteviisi  hästi  nii  survel  kui  ka  tõmbel,  kuid  tema 
hind on küllalt kõrge. Osutub, et survejõu vastuvõtmine  betooniga  on  kordi  odavam kui  tera -
sega,   tõmbejõu   vastuvõtmine  on  kordi  odavam  aga  terasega.  Siit tulenebki raudbetooni ma-
janduslik olemus: võtta ühes ja samas konstruktsioonis esinevad survesisejõud vastu be-
tooniga, tõmbesisejõud aga  terasega. 
Ülaltoodu  seisukohalt  on  iseloomulikuks  raudbetoonkonstruktsiooniks  painutatud   raudbe -
toonelement ( tala ), kus väliskoormus kutsub alati esile nii surve- kui ka tõmbepinged. Vaat-
leme  betoonist  ja  raudbetoonist  lihttala.  Olgu   talade   mõõtmed,  koormamisviis  ja  betooni 
omadused mõlemal juhul sarnased,  raudbetoontala  on aga oodatavate  tõmbepingete   piirkon -
nas (ja suunas) tugevdatud  terasest  armatuuriga (joonis 1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Joonis 1 
 
Betoontala koormamisel tekivad nulljoonega teineteisest eraldatud surve- ja tõmbetsoon. Suu-
rimad normaalpinged on mõlemas tsoonis enam-vähem võrdsed. Kui väliskoormuse suurene-
des tõmbepinged  suurima paindemomendiga ristlõikes ( kriitilises  lõikes) saavutavad betooni 
tõmbetugevuse, siis tekib selles lõikes  pragu , betooni tõmbetsoon langeb tööst välja ja  konst -
ruktsioon   variseb . Seega on betoontala  kandevõime  määratud betooni tõmbetugevusega, 
kusjuures  betooni suur  survetugevus  jääb põhiliselt kasutamata.  
Raudbetoontala töötab kuni esimese prao tekkimiseni analoogiliselt betoontalaga. Prao tekki-
mine kriitilises lõikes ei põhjusta aga tala purunemist, vaid viib normaalpingete ümberjaotu-
misele praoga ristlõikes: kogu tõmbetsooni  sisejõud , mis seni võeti vastu betooniga kantakse 
nüüd üle tõmbetsoonis olevale pikitõmbearmatuurile. Edasisel koormamisel tekivad  praod  
ka  teistes  ristlõigetes  vastavalt   paindemomendi   suurenemisele  neis.  Õigesti  projekteeritud 
raudbetoontala puruneb siis, kui kriitilises lõikes üheaegselt ammendub tala surve- ja tõmbe-
tsooni  vastupanu,  s.o.  kui  tõmbearmatuuri  pinge  saavutab  terase  voolavustugevuse,  betooni 
pinge survetsoonis aga betooni  survetugevuse . Sõltuvalt eeskätt  armatuuri  hulgast võib raud-
betoontala  kandevõime  kümneid  kordi  ületada  vastava  betoontala  kandevõimet.  Mõõdukalt 
avanenud (kuni 0,1-0,3 mm)  pragude  esinemine on raudbetoonkonstruktsiooni kasutus-
 
Raudbetoonkonstruktsioonide üldkursus  
2 
seisundis  täiesti  normaalne  nähtus  ega  pruugi  viidata  konstruktsiooni  ebapiisavale  kande-
võimele. 
Siiski on teatud juhtudel praod kasutusseisundis ebasoovitavad (näiteks korrosiooni  soodusta -
va  keskkonna  või  korrosioonitundliku  armatuuri  korral).  Sellisel  juhul  võimaldab  pragusid 
vältida  pingebetooni  kasutamine.  Pingebetoon  on  raudbetooni  eriliik,  milles  valmistamise 
ajal  betoonis  tekitatud  survepinged  vähendavad  konstruktsiooni  kasutusseisundis    tekkivaid 
betooni  tõmbepingeid  või  väldivad  neid.  Betooni  eelpingestamiseks  kasutatakse   konstrukt -
siooni  paigaldatavat  kõrgtugevat pingearmatuuri.  
 
Joonis  2                  
 
Joonisel 2 näeme pingbetoontala, kus betooni eelsurvepinge saadakse betoneerimisel  kanalis -
se  jäetud  pingearmatuuri  pingestamisel  jõuga  P0  vastu  elemendi  otsapindu.  Eelpingestusjõu 
suuruse ja asukoha sobiva valikuga on võimalik saavutada, et betooni eelsurvepinge σcp ja vä-
liskoormuse põhjustatud pinge σcF summa σc jääb kogu ristlõike  ulatuses survepingeks, mis 
ühtlasi väldib ka prao tekkimise ristlõikes. 
 
Betooni  ja  terasarmatuuri  koostöö   eelduseks   on  nende  materjalide  mõningate  füüsikalis-
mehaaniliste omaduste  sobivus : 
−  kivistumisel betoon nakkub armatuuriga, mistõttu konstruktsioonis on mõlema materjali 
suhtelised  deformatsioonid  võrdsed; 
−  terase ja betooni soojuspaisumise tegurid on ligikaudu võrdsed [terasel 1,2×10-5, betoonil 
(1,0 ÷ 1,4)×10-5], mistõttu keskkonna temperatuuri muutumine ei kutsu konstruktsioonis 
esile olulisi temperatuuripingeid; 
−  hästitihendatud betoon kaitseb selles paiknevat armatuuri korrosiooni eest. 
 
Sõltuvalt konstruktsiooni valmistamisest liigitatakse raudbetoon järgnevalt: 
−  monoliitne raudbetoon, mis valmistatakse konstruktsiooni  tulevases  kasutuskohas; 
−  monteeritav raudbetoon, mis valmistatakse tehases, polügonil või ka ehitusplatsil ja mon-
teeritakse peale  valmistamist  ehitisse; 
−  monteeritav-monoliitne  ( kombineeritud )  raudbetoon,  mis  saadakse  monteeritavate  ele-
mentide  kasutamisel  monoliitse raudbetooni  koosseisus . 
 
 
Raudbetoonkonstruktsioonide üldkursus  
3 
2 Raudbetooni kasutusalad 
 
Raudbetoon on 100 aasta vältel olnud üheks põhilisemaks ehituskonstruktsiooni  materjaliks . 
Ajalooliselt edestavad raudbetooni oma levikult kivikonstruktsioonid, millede kasutamine al-
gas aga ka aastatuhandeid enne raudbetooni kasutuselevõttu. Viimastel  aastakümnetel  konku-
reerivad raudbetooniga edukalt ka teised, raudbetoonist vanemad, ehitusmaterjalid nagu puit 
ja teras, jättes siiski terve rea ehitusvaldkondi ainult raudbetooni pärusmaaks. 
 
Lühike  loetelu  raudbetoonkonstruktsioonide peamistest kasutusvaldkondadest: 
−  hoonete  (elamud,  ühiskondlikud  ja  tööstushooned)  kandekonstruktsioonid  nagu   postid , 
talad ,  vahelaed  (valdavalt), katuslaed,  vundamendid  (tänapäeval peaaegu eranditult); 
−  insenerirajatised (silod, punkrid, estakaadid, gradiirid, korstnad,  mastid  jne.); 
−  hüdroehitised (tammid,  sadamaehitised ); 
−  teedeehitised ( sillad  ja viaduktid, lennuvälja- ja teekatted); 
−  suurte seadmete ja agregaatide vundamendid (näiteks keerukad generaatorivundamendid 
elektrijaamades); 
−  Ebatraditsioonilise  kasutusalana  võiks  mainida  ka  laevaehitust  (näiteks  ujuvdokid,  liht-
rid). 
 
 
3 Raudbetooni eelised ja puudused 
 
Ühegi  konstruktsioonimaterjali puhul ei saa rääkida absoluutsest eelisest mingi teise materjali 
suhtes. Materjali suhtelised eelised või puudused sõltuvad alati konkreetsest konstruktsioonist, 
sellele  esitatavatest  nõuetest,  mõjuvast  koormusest  ja  konstruktsiooni  töötamistingimustest. 
Mõningatest  üldistest tendentsidest võib siiski rääkida. 
 
Eeliseid  
−  Suur loomulik (s.o. odavalt saavutatav)  tulekindlus  võrreldes teras- ja puitkonstruktsioo-
nidega.  Terase  kui  eriti  tuleohtliku  materjali  tulekindlus  on  saavutatav  vaid  konstrukt-
siooni katmisega soojust isoleeriva  materjaliga : betooniga (aeglustab suure soojamahtu-
vuse tõttu terase kuumenemist) või tuldtõkestava, kuumenemisel paisuva värviga (kõrge 
hind). Puitkonstruktsioon nõuab spetsiaalset immutamist. 
−  Konstruktsiooni pikaealisus ja väikesed hoolduskulud. Kui veel mõni aeg tagasi vaadeldi 
neid  omadusi  kui  absoluutseid,  siis  nüüd  on  ilmnenud,  et  see  kehtib  siiski  normaalsete 
(väheagressiivsete) keskkonnatingimuste korral. Eelis, eriti võrreldes teraskonstruktsioo-
nidega, on siiski ilmne. 
−  Monoliitse  raudbetooni  hea   vastupanuvõime   dünaamilistele  koormustele,  monteeritava 
raudbetooni korral vähendab seda eelist jätkude järeleandlikkus. 
−  Vormitavus, mis annab suured võimalused konstruktsiooni (ehitise) arhitektuursel kujun-
damisel. 
−  Ökonoomsus, sõltuvalt muidugi konkreetsetest tingimustest. 
 
Raudbetoonkonstruktsioonide üldkursus  
4 
 
Puudusi 
−  Suhteliselt suur  omakaal  võrreldes puit- ja teraskonstruktsioonidega. 
−  Pragude tekkimise võimalus (välditav pingbetooni kasutamisega). 
−  Monoliitse raudbetooni korral betoonitööde kallinemine  talvetingimustes  (vajadus kaitsta 
värsket betooni läbikülmumise eest). 
 
4 Märkusi raudbetooni arenguloost 
 
Raudbetooni tekkimise  majandulikud eeldused kujunesid välja 19. saj. keskpaigaks, kui oli 
küllaldaselt välja arenenud raudbetooni põhikomponentide – portlandtsemendi ja valtsterase – 
tootmine. Raudbetoonile eelnes sajandi esimesel poolel betooni  tehnoloogia  areng ja betoon-
tehiskivide kasutamine.  
Esimeseks teadaolevaks raudbetoonkonstruktsioonis võib lugeda 1850.a. Lambot’ valmistatud 
paati, mis oli välja pandud 1854.a. Pariisi Maailmanäitusel. Ligikaudu samal ajal tekkis mõte 
siduda  betoon  ja  teras  tulekindlaks  paindele  töötavaks  ehitusmaterjaliks  (ameeriklane  T. 
Hyatt). 1861.a. kirjeldas raudbetooni omadusi  prantslane  Fr. Coignet. Vaatamata raudbetooni 
juba küllaltki märkimisväärsele arengule võttis esimese sellealase  patendi  prantslasest  aednik  
J.  Monier  1867.a.  ja   sedagi    armeeritud   betoontoobrile.  Esimesed  raudbetooni  arvutusalused 
publitseeriti  1886 . a. (sakslane M. Koenen). Järgnes raudbetooni teooria ja praktilise kasuta-
mise  kiire areng terves reas riikides: Saksamaal, Inglismaal, Prantsusmaal, USA-s, sajandiva-
hetusel ka Venemaal. Suure panuse raudbetooni  arengusse  andis E. Mörsch, kelle teos “Raud-
betoon,  selle  teooria  ja   rakendus ”  (1912)  sai  aastakümneteks  raudbetooni  arengu  aluseks. 
Esimesed  raudbetooni  normid  ilmusid   1904 .  a.  Saksamaal  ja  Šveitsis.  Enne  I   Maailmasõda  
leidis raudbetoon kasutamist peamiselt tööstus- ja sillaehituses, hiljem järgnes sellele laialda-
ne kasutamine ühiskondlikes hoonetes ja  elamutes . 
Pingbetooni loojaks peetakse prantslast E. Freyssinet’d. Pingbetooni idee oli tuntud juba va-
rem, kuid selle  elluviimine  viibis kõrgtugevusega terase puudumise taga.  
Monteeritava  raudbetooni  levik  algas  käesoleva  sajandi  kolmekümnendail  aastail  ja  jõudis 
haripunktile N. Liidus kuuekümnendail ja seitsmekümnendail aastail, kus monoliitne raudbe-
toon tsiviil-  ja  tööstusehitusest tõrjuti praktiliselt kõrvale.  Praeguseks  on meil normaalne su-
he monoliitse ja monteeritava raudbetooni vahel jälle taastunud. 
Õhukeseseinaliste suureavaliste raudbetoonkonstruktsioonide (raudbetoonkoorikute) ehitami-
ne algas juba enne I  Maailmasõda , kuid nende laiem levik on seotud vastava arvutusteooria 
väljatöötamisega neljakümnendail aastail ja hiljem. 
Eestis  algas  raudbetoonkonstruktsioonide  levik  20.-nda  sajandi  esimeselteisel   aastakümnel . 
Euroopa ulatuses silmapaistvateks ehitisteks olid Tallinna Miinisadama  koorikud  avaga 35x35 
m, Kasari  sild  (tollal Euroopa pikim raudbetoonsild), Vene-Balti tehaste  monoliitsed  silindri-
lised koorikud, Tallinna merekindluse rajatised. Projekteerima hakati Eestis raudbetoonkonst-
ruktsioone 30-ndatel aastatel, näiteks  Kadrioru   staadioni  tribüün (ins. Komendant), Pärnu ran-
nahoone (ins. T. Randvee), arvukad raudbetoonsillad jne. Raudbetoonkonstruktsioonide areng 
pärastsõjaaegses Eestis on lahutamatult seotud  inseneri , teadlase ja pedagoogi H. Laulu nime-
ga. 
 
 
Raudbetoonkonstruktsioonide üldkursus  
5 
I   MATERJALID 
1  Betoon 
1.1 Liigitus 
 
Betoon on ehitusmaterjal, mis saadakse  sideaine , vee ja täitematerjalide õigesti  koosta -
tud segu kivinemisel. 
 
Betoone liigitatakse: 
 
−  sideaine järgi (  tsement -,  silikaat -, kips-, polümeerbetoon jt.); 
 
−  täitematerjali  järgi  (betoon  tiheda  või  poorse  täitematerjaliga,  eritäitematerjaliga,  näit 
tulekindel betoon šamotttäitematerjaliga); 
 
−  struktuuri järgi  
−  tihebetoon, kus  täiteaine  terade vahe on täidetud kivistunud sideainega; 
−   poorne  betoon, kus täiteaine terade vahe on täidetud kivistunud sideainega ja kunstli-
kult tekitatud pooridega; 
−   mullbetoon , betoon peeneteralise täiteaine ja kunstlikult tekitatud suletud pooridega; 
−   korebetoon , betoon, kus jämedateralise täitematerjali vahele jääv ruum ei ole täielikult 
täidetud peene täitematerjali ja kivistunud sideainega; 
 
−   terastikulise