Vēsturisks kolonnu attīstības apskats

Senākās atziņas par kolonnu izmantošanu būvēs meklējamas Senajā Ēģiptē pat 2600 gadus pirms mūsu ēras. Par to pamatlicēju tiek uzskatīts arhitekts Imhoteps, kura radītās kolonnas Sakkarā, Ēģiptē ar niedru saišķus virsmu vēl šodien ir iespējams aplūkot. Mūsdienu betona sastāvdaļas ir strauji attīstījušās pēdējos divos gadsimtos, lai gan kaļķakmens javu pirmssākumi meklējami Turcijā jau 12 000 gadu pirms mūsu ēras.

Mūsdienās lietotais portlandcements tika izgudrots tikai 1824. gadā Anglijā. Tas pēc savas krāsas atgādināja Portlandē iegūto kaļķakmeni, tāpēc tā izgudrotājs Džozefs Aspdins (Joseph Aspdin) to nosauca par portlandcementu. Šis nosaukums vēl ir saglabājies līdz mūsdienām. Pirmie eksperimenti ar metāla stiegrām betonā aizsākās 19. gadsimta sākumā. 1849. gadā dzelzsbetonu oficiāli izgudroja franču dārznieks Džozefs Monjē (Joseph Monier). Ar portlandcementa attīstību sekoja strauja betona konstrukciju attīstība. Laikā starp 1871. un 1875. gadu Vācijā uzbūvēja pirmās betona daudzstāvu ēkas un 1877. gadā Vācijā izstrādāja pirmos cementa standartus. Vecākās dzelzsbetona ēkas, kas vēl šodien pastāv, Vācijā tika uzbūvētas laikā no 1871. līdz 1875. gadam.

Mūsdienās celtnieki ir radījuši kolonnas, kas pārsniedz 100 metru robežu. Iespējams, ka viens no ievērojamākajiem projektiem kolonnu sarežģītības ziņā ir Milau tilts Francijā. To projektēja franču inženieris Mišels Virložo (Michel Virlogeux) un angļu inženieris NormansFosters (Norman Foster). Tas ir augstākais tilts pasaulē ar augstāko mastu 343 metru augstumā.

“Tradicionālo kolonnu” definējums

Lai gan neviens nav veicis statistisku izpēti par to, kādas kolonnas tiek izmantotas visplašāk, var samērā viennozīmīgi teikt, ka kolonnas ar taisnstūra un apļašķērsgriezumu ir vispopulārākās. Turpmāk šīs kolonas tiks definētas, kā “tradicionālās kolonnas”. “Tradicionālajām kolonnām” ir viena galvenā ass, kas iet caur visiem šķērsgriezumu smagumu centriem, kas ir perpendikulāri šai galvenajai asij. Turklāt visi škērsgriezumi, kas ir perpendikulāri šai galvenajai asij, ir nemainīgi un savstarpēji paralēli.

Šīs kolonnas ir veidotas no monolīta betona ar dažādām stiprības klasēm un īpašībām. Tajās nav iebūvēti citi materiāli vai būvizstrādājumi, izņemot metāla stiegrojumu. “Tradicionālās kolonnas” visbiežāk ir lietas būvlaukumā uzstādītajos veidņos, taču tās varētu būt arī ražotas rūpnīcā un piegādātas būvlaukumā gatavā veidā, ja tās nepārkāpj priekšnosacījumus. “Tradicionālajām kolonnām” vairums gadījumos tiek izmantots stiegrojums, taču tas varētu arī nebūt īpašu iemeslu dēļ. Šis stiegrojums sastāv no savstarpēji paralēli novietotām garenstiegrām ar vienādu diametru un materiāla īpašībām. Šīm kolonnām var būt arī perpendikulāri piestiprinātas aptveres.

“Tradicionālo kolonnu” priekšrocības

“Tradicionālo kolonnu” plašais pielietojums, pirmkārt, skaidrojams ar to tehnoloģiski izdevīgajām īpašībām. Tehnologi ir izstrādājuši ātri uzstādāmus veidņus, iekārtas ātrai un enerģiski izdevīgai betona novibrēšanai, izmaksu un montāžas laika samazināšanai. Otrkārt, “tradicionālās kolonnas” nemainīgais škērsgriezums un simetriskā forma padara aprēķinus relatīvi vieglākus, nekā citām kolonnām.

“Tradicionālo kolonnu” asspēka epīrai teorētiski ir nedaudz lielāka vērtība tās apakšējā šķērsgriezumā, jo papildus lietderīgajai slodzei apakšējā škērsgriezumā darbojas visa pašsvara slodze, taču vairumos gadījumu šī slodze nesastāda vairāk par 5%, kas praktiski ļauj vienkāršot epīru. Turklāt veikt aprēķinus nemainīga šķērsgriezuma kolonnām ir nesalīdzināmi vieglāk, jo formulas ir īsākas un datorā ir jāievada mazāk informācijas, kas samazina darbaspēka izmaksas.

Būvniecības industrija turpina attīstīties un tiek izstrādāti arvien izdevīgāki un interesantāki būvizstrādājumi, taču nevar noliegt to, ka akadēmiķi un profesionāļi ir pavadījuši neskaitāmas stundas, projektējot un ceļot “tradicionālās kolonnas”. Šajā laikā ir izstrādātas datorprogrammas, instrumenti, veidņi, aprēķinu metodes un kontroles sistēmas ekonomiskākai un ātrākai “tradicionālo kolonnu” celtniecībai.

“Tradicionālo kolonnu” trūkumi

Kolonnu aprēķinos bieži vien vienkāršo asspēka epīras, pieņemot, ka kolonnu pašsvars ir nemainīgs visos šķērsgriezumos, lai gan teorētiski tā nav. Teorētiski iespējams samazināt patērētā materiāla daudzumu, projektējot kolonnas ar samazinātu augšējo šķērsgriezumu. Turklāt vairākās būvēs, it īpaši tiltos, sastopamas kolonnas ar iespīlējumu vienā galā un lielu momenta vērtību iespīlējumā, kas pastiprina nepieciešamību palielināt apakšējo šķērsgriezumu, nepalielinot augšējo un izsaucot papildus materiāla nelietderīgu izmantošanu.

Alternatīvas kolonnas risinājuma pamatideja

Koniskas un piramīdveida kolonnas – tie ir alternatīvi konstruktīvi risinājumi, kas paredzētu materiāla lietderīgāku izmantošanu. Konstruējot epīru, kas ievērtē kolonnas pašsvaru, kas mainās šķērsgriezumos atkarībā no augstuma, var secināt, ka kolonnas augšējam šķērsgriezumam jābūt mazākam, nekā apakšējam. Tās šķērsgriezumus atkarībā no asspēka var aprēķināt, pieņemot, ka kolonnas augšējā šķērsgriezumā darbojas tikai pieliktā slodze un tās apakšējā šķērsgriezumā darbojas pieliktā slodze un pašsvars. Ideja alternatīvam kolonnas risinājumam kļūst īpaši pievilcīga, ja kolonnām iespīlējuma galā tiek pielikts moments. Tas rada nepieciešamību palielināt apakšējo šķērsgriezumu, kas nozīmē, ka konusveida vai piramīdveida kolonnas būs ekonomiskāks risinājums.

Stiegrojuma projektēšana

Dzelzsbetona būvkonstrukcijās metāla stiegras galvenokārt ievieto stiepes spēku uzņemšanai, taču tās arī uzņem spiedes spēkus. To novietojumu un izmērus nosaka, izmantojot Eirokodu, bet principā ir nepieciešams noteikt maksimālo un minimālo kopējo stiegrojuma šķērsgriezuma laukumu. Sakarā ar to, ka kolonnas malas nav paralēlas tās asij, ir ieteicams novietot garenstiegras paralēli tās malām. Visefektīvākais garenstiegru novietojums ir cik vien konstruktīvi iespējams kolonnu ārējām sienām. Šāds novietojums mazina garenstiegru iespējamību ļodzīties, kā rezultātā kolonna nespētu uzņemt projektēto slodzi.

Perpendikulāri garenstiegrām kolonnām ierīko arī aptveres stiegras, kas uzlabo kolonnu spēju uzņemt slodzi un saglabā stiegrojuma novietojumu betona liešanas laikā. Aptveres stiegrām izvirza šādus nosacījumus:

• Stiegru minimālais diametrs ir vismaz ¼ no garenstiegras diametra, bet ne mazāks par 6 mm;
• Maksimālais attālums starp aptveres stiegrām nedrīkst būt lielāks, kā mazākās garenstiegras reizinājums ar 20 vai 400 mm. Turklāt šo atstatumu jāpareizina ar 0.6, kur

(a) attālums starp aptveres stiegrām ir vienāds ar kolonnas virs vai zem pārseguma vai sijas vertikālo garumu;

(b) atrodas aptveres stiegru (ar vismaz 14 mm lielu diametru) savienojuma vietas;

• Vietā, kur mainās garenstiegru virziens, atstatums starp aptveres stiegrām ir jārēķina, ievērtējot vertikālās slodzes. Ja izmaiņas virzienā ir mazākas vai vienādas ar 1/12, šāds aprēķins nav nepieciešams;
• Katra garenstiegrai, kas atrodas stūrī, jābūt savienotai ar šķērsstiegrojumu;
• Neviena spiedes stiegra nedrīkst atrasties tālāk par 150 mm no balstītas stiegras.

Alternatīva aptveres stiegrām ir hēliskas stiegras. To projektēšanas secība ir līdzīga iepriekš minētajām stiegrām un tās piešķir papildus stiprību, kā arī aizsardzību pret zemestrīču izraisītām iedarbēm.

Alternatīvas kolonnas tehnoloģiskās projektēšanas izpēte

Kolonnu celtniecību atkarībā no tās izgatavošanas tehnoloģijas var iedalīt divās kategorijās: kolonnu izgatavošanā uz vietas un iepriekš izgatavotu kolonnu montāžā. Lietojot terminu “tiešās formas izgatavošana” tiek domātas kolonnas, kas pēc formas ideāli atbilst projektētajai kolonnai. Veidņu risinājums ar malām, kas nav paralēlas elementa asij, parasti ir sarežģītāks un dārgāks, tāpēc ieteicams izveidot kolonnu ar malām paralēlām kolonnas asij, pakāpeniski samazināt kolonnas šķērsgriezumu. Uz vietas iespējams izgatavot gan tiešas, gan tuvinātas formas kolonnas. Veidņu risinājumu jāizvēlas atkarībā no kolonnas formas.

Pastāv dažādi veidņošanas veidi:

• gatavu veidņu uzstādīšana;
• kāpjošās sistēmas;
• pakāpiena metode.

Veicot tuvinātas formas kolonnu izbūvi taisnstūrveida šķērsgriezumiem, iespējams izmantot pēri plāksnes, kuras var savstarpēji nobīdīt, lai iegūtu dažādus škērsgriezuma izmērus. Šāds veidņu risinājums ir īpaši izdevīgs, jo ar vienu veidņu komplektu ir iespējams konstruēt visu kolonnu, atkārtoti lietojot veidņus nākamajam kolonnas posmam un izmainot to šķērsgriezumu.

Kolonnu ar apaļu šķērsgriezumu konstruēšanai ir jāizmanto dažādu šķērsgriezumu izmēru veidņi vai sistēma ar maināmu šķērsgriezumu. Šie veidņi sastāv no īpašiem šauriem dēļiem, kas ievietoti metāla veidņu rāmī. Katram dēlim ir ierīkoti caurumi, kuros var ievietot regulējamu slēdžu mehānismu. Izņemot kādu dēli ārā vai ieliekot kādu papildus dēli klāt un regulējot slēdžu mehānismu, iespējams panākt plašu šķērsgriezumu spektru. Regulējamie slēdži notur dēļus paredzētajā vietā, taču tos var arī izmantot veidņa pacelšanai ar celtņa palīdzību.

Šo mehānismu neaizvietojama īpašība ir tas, ka tos var izmantot plaša spektra šķērsgriezumiem, turklāt no tiem var veidot ne tikai apaļa šķērsgriezuma kolonnas, bet arī ovālveida vai praktiski jebkādas citas formas kolonnas, kā arī tos var ērti pārvadāt, krāmējot kaudzē. Alternatīvs kolonnu risinājums, galvenokārt, ir piemērots augstām kolonnām, kuras var izbūvēt, izmantojot kāpjošās sistēmas, taču ir iespējams pielietot arī vienkāršāku metodi. Sakarā ar to, ka kolonnas šķērsgriezuma izmērs pakāpeniski samazinās, katru nākamo veidņu posmu var novietot uz iepriekšējo veidņu pakāpiena.

Pastāv dažādas kāpjošas veidņu sistēmas, sākot no vienkāršākām vienas plaknes sistēmām līdz sarežģītām paškāpjošām sistēmām. Vienkāršākas veidņu sistēmas sastāv no platformas, uz kurām var atrasties strādnieki un veikt veidņa uzstādīšanu, kronšteina, kas balsta platformu, kā arī enkurojuma sistēmas stiprināšanai pie gatavās kolonnas posma.

Augstākām kolonnām ieteicams izmantot paškāpjošās veidņošanas sistēmas. Šādām betonēšanas sistēmām nav nepieciešams celtnis, kas paātrina darba gaitu un padara kolonnu betonēšanu neatkarīgu no citiem darbiem. Tas ļauj efektīvi uzturēt darbu veikšanas ātrumu. Darbiniekiem ir nodrošinātas ērtākas un drošākas platformas darbu veikšanai, kā uz zemes. Darba platformas var noslēgt, lai nodrošinātu ideālu aizsardzību pret laikapstākļu ietekmi. Darba platformas var arī uzņemt samērā lielas slodzes, piemēram, stiegrojuma novietošanai.

Stiegrojuma ierīkošana

Stiegrošanas darbi sastāv no divām pastāvīgām operācijām:

• stiegrojuma sagatavošanas;
• stiegrojuma montāžas.

Stiegrojums jāsagatavo specializētās rūpnīcās vai dzelzsbetona rūpnīcu stiegrojuma cehos. Stiegras, kuru diametrs ir lielāks par 6 mm, metalurģiskā rūpnīcā piegādā 6…12 m garos stieņos, bet pēc īpaša pasūtījuma – pat līdz 24 m garos stieņos. Stiepļu tērauda stiegras ar diametru līdz 10 mm piegādā 80…100 kg smagos rituļos. Stiegras jāuzglabā atsevišķi pēc profila, stiegru diametriem un tērauda partijām. Agresīvas vides iedarbībai pakļautu betona konstrukciju stiegrošanai bieži lieto augstas stiprības stikla šķiedras stiegrojumu, kuram ir periodisks profils un diametrs 3…6 mm. Ievērojot relatīvi mazo elastības moduli, stikla šķiedru stiegrojums konstrukcijās obligāti jāuzspriedz.

Stiegrojuma sagatavošanas process sastāv no vairākām tehnoloģiskām operācijām, kuru skaits atkarīgs no stiegru veida un izgatavojamās produkcijas tipa. Rūpnīcās stiegras parasti sagatavo divās tehnoloģiskās līnijās. Pirmajā līnijā apstrādā rituļos piegādātās stiegras (vieglās stiegras), bet otrajā – stieņos piegādātās (smagās stiegras). Stiegras, kuras piegādā taisnu stieņu veidā, speciāla iztaisnošana parasti nav vajadzīga. Rūsas notīrīšanai var lietot speciālas apaļas metāla sukas ar elektrisko piedziņu. Ja stiegru diametrs nav lielāks par 20 mm, tad to sagarumošanai var lietot ar roku darbināmas darbmašīnas vai pat metāla šķēres, bet, ja stiegru diametrs ir lielāks, tad jālieto speciālas elektrificētas darbmašīnas, kas paredzētas līdz 70 mm diametra stiegru sagarumošanai.

Kolonnām, kuru garums pārsniedz stiegras garumu, ko praktiski var izgatavot, stiegrojums ir jāmetina vai kā citādi jāsavieno, lai kolonnas spēju uzņemt projektētās slodzes. Metināšana, it sevišķi strādājot pie lieliem augstumiem uz relatīvi mazas platformas, var būt iespējama, bet ir neērta un laikietilpīga. Tādēļ būvniecībā tiek izmantoti mehānismi stiegru savstarpējai savienošanai. Taču reizēm ir izdevīgi pasūtīt no rūpnīcas jau gatavus stiegrojuma elementus, kurus savstarpējai savienošanai izdevīgi izmantot skrūvi ar pretēja virziena vītnēm, jo, pagriežot to, abas stiegras pietuvojas šīs skrūves centram (pievelkas).

Iespējams arī izmantot skrūvsavienojumu, kas neprasa speciāli sagatavotas stiegras. Šāds skrūvsavienojums ir tehnoloģiski izdevīgāks garu un lielu stiegru savienošanai, jo tas neliek stiegras pagriezt ap savu asi un iepriekš īpaši sagatavot. Tomēr tas ir lielāks, nekā savstarpējais skrūvsavienojums, kas nevajadzīgi aizņem vietu, un tam ir vairākas skrūves, kuras aizskrūvēšana aizņem vairāk laiku. Turklāt nepieredzējis strādnieks skrūves var pārvilkt.

Betonēšana

Betonmasu sagatavo rajona un centrālajās betona rūpnīcās, kur galvenie procesi ir mehanizēti vai automatizēti, kā arī inventārajās vai pārvietojamās betona sagatavošanas iekārtās. Atkarībā no objekta lieluma ir ieteicams izvēlēties visekonomiskāko betona ražotnes tipu. Betonmasas transportēšanas tehnoloģiskais process sastāv no betonmasas saņemšanas un pārvešanas ar dažādiem transportlīdzekļiem līdz būvlaukumam, padošanas uz iestrādes vietu vai pārkraušanas citā transporta mašīnā vai ierīcē. Betonmasas īpašības transportēšanas laikā nedrīkst izmainīties, tāpēc jātransportē pa īsāko ceļu, izvairoties no pārkraušanām. Betonmasu var transportēt porcijveidā, nepārtraukti un kombinēti.

Visplašāk betonmasas transportam lieto automobiļu transportu. Pašizgāzēju automobiļu lietošana ir efektīva, ja betonmasu iespējams izkraut tieši betonējamās konstrukcijas veidņos. Maksimālais pārvadāšanas attālums atkarībā no betonmasas īpašībām ir 10…30k m. Kvalitatīvu betonmasas transportu nodrošina auto betonvedēji. Uz parastā kravas automobiļa šasijas ir uzmontēta aizverama, apgāžama kulba. Šajā gadījumā cementa piens neizšļakstās un nenoplūst, kā arī samazinās betona atslāņošanās. Ja betonmasas brīvā kritiena augstums pārsniedz 3 m, tad vertikālajam transportam uz leju var lietot snuķus. Snuķus var lietot, ja augstums nepārsniedz 7 m. Citādi lieto cilindriskas caurules, kas sastāv no 1000…1500 mm gariem posmiem ar starpējiem un galu bremzētājiem.

Betonmasas iestrādāšana sastāv no sagatavošanas un pārbaudes operācijām, betona masas pieņemšanas, sadalīšanas un sablīvēšanas, kā arī no vairākām palīgoperācijām, kuras veic betonēšanas laikā. Pirms betonēšanas jāpārbauda sagatavotā dokumentācija un jāpārbauda veidņu atbilstība projektam, stiegrojuma un ieliekamo detaļu montāžas pareizība, pamatojuma un hidroizolācijas ierīkošanas kvalitāte utt.

Īsi pirms betonmasas iestrādes veidņi jāattīra no gružiem un netīrumiem ar ūdens vai smilšu strūklu. Koka veidņi apmēram vienu stundu pirms betonēšanas jāsamitrina, lai tie neuzsūktu ūdeni no betonmasas. Spraugas, kas lielākas par 8 mm, jāaizdrīvē vai jāaizklāj ar koka līstēm. Lai novērstu betona pielipšanu pie metāla un plastmasas veidņu virsmām, saskarsmes virsmas ar betonu jāpārklāj ar smērvielām vai polimēru pārklājumu. Stiegras ir jāattīra no rūsas. Betons ir jāsablīvē, lai likvidētu tukšumus un poras, tādējādi palielinot betona blīvumu un pretestību. Parasti betonmasu būvlaukumā sablīvē, to blietējot, durstot vai vibrējot.

Izšķir šādus vibratoru veidus:

• dziļuma;
• virsmas;
• ārējos.

Dzelsbetona rūpnīcās vēl lieto vibrospiešanas, vibrovelmēšanas un vibrositienu paņēmienus. Betona kopšanas uzdevums ir nodrošināt normālu temperatūras un mitruma režīmu tā cietēšanas laikā. Betona kopšanas paņēmieni ir atkarīgi no konstrukciju tipa, cementa veida, klimatiskajiem apstākļiem utt. Kopšanas laiks betoniem ar lēniem cietējošajiem cementiem ir 14 dienas, ar parasto portlandcementu – 2…3 dienas. Karstā un sausā laikā kopšanas ilgums palielinās. Lai ilgāk saglabātu mitrumu konstrukcijās ar lielu atklātu laukumu (grīdas, ceļi u.c.), tās ieteicams nosegt ar polietilēna plēvi vai noklāt ar plēvi veidojošiem sastāviem. Atveidņošanai ir jāsastāda atveidņošanas projekts. Tajā ir jāievēro, ka kolonnu veidņus var noņemt pēc 8…72 stundām.

Ja faktiskā slodze pārsniedz 70% no normatīvās, tad dzelzsbetona konstrukciju veidņu nesošos elementus var atveidņot tikai tad, kad betons sasniedzis 70% no normatīvās.

Iepriekš izgatavotu kolonnu montāža

Alternatīva kolonnu izgatavošanai uz vietas ir kolonnu vai to daļu izgatavošana rūpnīcā un piegādāšana objektā, kur to ieveido būvē. Iepriekš izgatavotas kolonnas arī var veidot gan tiešas formas kolonnas, gan tuvinātas. Iespējams izgatavot konstrukcijas, kur vēlāk objektā ievieto stiegrojumu un aizbetonē ciet. To izgatavošanā jāievēro tehnoloģisko procesu īpašības, kas jau tika apskatītas, un jāizvērtē, vai ietaupītais laiks un darba spēks ir pietiekami liels, lai atmaksātu transportēšanas izmaksas.

Izmantotie informācijas avoti

• Bangash M Y H. (2003). Structural detailing in concrete. London: Columns, frames and walls.
• Delfi.lv. (2015). Foto: Tilts Francijas dienvidos, kas caurdur pat mākoņus [tiešsaiste]. Pieejams: https://www.delfi.lv/turismagids/jaunumi/foto-tilts-francijas-dienvidos-kas-caurdur-pat-makonus.d?id=46435511
• Iyengar N G R. (1988). Structural stability of columns and plates: Biaxial bending.
• Kind-Barkauskas F., Kauhsen B., Polonyi S. (2002). Concrete Construction Manual. Šveice: Birkhauser –Publishers for Architecture.
• Mosley B., Bungey J., Hulse R. (2007). Reinforced concrete design to Eurocode 2: Column design.
• Noviks J., Šnepste T. (1991). Dzelzsbetona darbi. Rīga: Zvaigzne.
• Paterson W S., Ravenhill K R. (1981). Reinforcement connector and anchorage methods: Construction Industry Research and Information Association.
• www.peri.de
• Theconstructor.com. 14 types of columns in building construction [tiešsaiste]. Pieejams: https://theconstructor.org/tips/types-columns-building-construction/24764/