Примерно 25-30 лет назад внимание строительной отрасли привлекала постоянно растущая доступность бетона с прочностью на сжатие в 6000 фунтов на кв. дюйм (413,7 МПа). Тогда во многих регионах такая прочность считалась революционной. Некоторые даже ставили под сомнение необходимость в таком бетоне.
Сейчас же, в 2014, проектировщики закладывают в проектах бетон с прочностью от 10000 до 12000 фунтов на кв. дюйм (от 68,95 до 82,74 МПа) и выше. Новое 42-этажное жилое здание в центре Сиэтла является одним из первых в стране примеров использования бетона с прочностью 15000 фунтов на кв. дюйм (103,42 МПа), отражая последние достижения в области строительных материалов. Эффективное использование этого «супербетона» позволяет проектировать колонны, диафрагмы жесткости и другие конструктивные элементы с меньшими размерами, чем при применении обычного бетона. Это приводит к дополнительному пространству внутри здания. И этот бетон вкупе с современной технологичной опалубкой и современными бетононасосными установками выводит высотное строительство на новые горизонты.
Прогресс в бетонном строительстве
Бетон используется в качестве строительного материала уже тысячи лет, и он сыграл свою роль в строительстве некоторых выдающихся сооружений. Например, Пантеон в Риме – его монолитный неармированный бетонный купол, строительство которого завершилось в 126 году н.э., стоит до сих пор. Долговечность сооружения подчеркивает превосходство его конструкции. На самом деле каждый задается вопросом, если его строить заново, но уже в наши дни, можно ли построить его лучше. С тех пор использование бетона расширилось до сооружений почти в 2000 футов в высоту, и именно для таких строений высокопрочный бетон нашел свое применение.
Прочность бетона начала расти вверх в прошлом столетии, когда начали применять суперпластификаторы. До 1950-1960 гг. производители бетона боролись за то чтобы увеличить прочность бетона, сохраняя при этом удобоукладываемость. Было хорошо известно, что прочность бетона можно увеличить, уменьшив количество воды, однако в результате уменьшения воды получался чрезвычайно жесткая смесь, которую почти невозможно было уложить в дело. Когда ученые начали разрабатывать более эффективные химические добавки, проблема с жестким неудобоукладываемым бетоном начала исчезать.
Суперпластификаторы, такие как «Mighty 150», быстро стали набирать популярность и к 1980-м гг. достигла широкого применения. Эти химические добавки позволили создать бетон, обладающий высокой прочностью и в то же время с необходимой удобоукладываемостью. Исследования и разработки суперпластификаторов начали набирать силу одновременно с исследованиями и разработками, связанными с заменителями цемента, такими как летучая зола, микрокремнезем, доменный шлак. Результатом этих исследований стало появление высокопрочных бетонов, которые используются в настоящее время.
По мере увеличения прочности бетона опалубочные системы и бетононасосные технологии также достигли значительных успехов, что позволило инженерам и архитекторам использовать бетон в зданиях, где раньше применяли другие материалы. Опалубочные системы, сборка которых раньше была весьма трудоемкой, значительно усовершенствованы, что позволяет их быстро собирать и разбирать, благодаря чему увеличились производительность и скорость строительства. Бетононасосные технологии также продвинулись вперед, что исключило необходимость подачи бетона в бадьях даже в очень высоких сооружениях. Бетон на Бурдж Халифа (бывший Бурдж Дубай) в Объединенных Арабских Эмиратах закачивался на высоту почти в 2000 футов (609,6 м); начиная с этой высоты, для завершений строительства 163 этажного здания высотой 2722 фута использовалась уже конструкционная сталь. Строительство Бурдж Халифа завершилось в январе 2010 года.
Колонны
Сегодня высокопрочный бетон нашел свою нишу в основном в колоннах высотных зданий. Всего пару десятилетии назад, многие проектировщики полагали, что бетон не подходит для высотных зданий, поскольку бетон более низкой прочности, который был доступен тогда, потребовал бы устройство колонн значительных размеров. Эти массивные колонны заняли бы значительную часть столь ценного пространства, сдаваемого в аренду. Сейчас, когда высокопрочный бетон стал достаточно доступен, размеры сечения колонн можно уменьшить и они часто остаются постоянными на всю высоту здания, при этом для устройства конструкции на верхних этажах используется бетон с более низкой прочностью, чем на нижних. После того как были стандартизированы размеры колонн и в связи с тем, что конструкции здания по высоте в основном не менялись, стоимость опалубочных работ значительно снизилась.
Одно самых высоких жилых зданий в центре Сиэтла, Premiere on Pine, является 42-этажным бетонным строением, в котором для колонн используется бетон с прочностью от 8000 фунтов на кв. дюйм (55,15 МПа) на верхних этажах до 15000 фунтов на кв. дюйм (103,42 МПа) на нижних. Конструкторы решили увеличить прочность колонн, чтобы максимально эффективно использовать преимущества бетона и увеличить внутренне пространство здания. Размеры поперечного сечения колонн – 24х30 дюймов и 20х42 дюйма – постоянны почти до самого верха здания, что позволило максимизировать повторное использование опалубки и помогло сохранить быстрые темпы строительства. Размеры колонн для зданий такой высоты обычно бывают на 20-40% больше. Завершение строительства Premiere on Pine запланировано на апрель 2015 года.
Сиэтл не является единственным городом, где бьются рекорды по строительству высотных бетонных зданий. Две башни жилого комплекса высотой 400 футов (121,9 м), начало строительства которых ожидается в конце этого года, станут самыми высокими железобетонными зданиями в Лос-Анжелесе, которые когда-либо строились в этом городе. Для колонн зданий здесь также будет использован высокопрочный бетон.
Помимо использования в колоннах высотных зданий высокопрочный бетон используется также и в диафрагмах жесткости и рамных конструкциях тех же зданий. В результате увеличилась не только прочность, но и жесткость несущего каркаса, что важно для высотных зданий, испытывающих значительные боковые нагрузки.
Разные рынки, разный бетон
Верхний предел прочности бетона в конкретном регионе в большой степени зависит от заполнителей. Некоторые регионы имеют лучший заполнитель, чем другие и в результате производят более прочный бетон. Например, Чикаго и Сиэтл имеют доступ к карьерам, которые производят щебень из гранита – магматической горной породы, имеющей низкое водопоглощение и которая идеально подходит для бетона. В отличие от гранита известняк и другие осадочные породы, которые имеются на других рынках, таких как Лос-Анжелес, Техас и Флорида, более пористый материал, что увеличивает количество требуемой воды и делает производство бетонов высоких классов более сложным.
Исторически так сложилось, что география ограничила типы бетонов используемых в конкретном регионе ввиду того, что транспортировка заполнителей на большие расстояния обходится слишком дорого. Однако объем высокопрочного бетона, используемого в колоннах высотных зданий, относительно небольшой по сравнению с общим объемом бетона, используемого в данном проекте. Поэтому некоторые инженеры-конструкторы закладывают в колоннах высокопрочный бетон, даже если в данном регионе нет соответствующих заполнителей для бетона, решив пожертвовать экономией на стоимости материалов ради достижения производительности и дополнительных квадратных метров площади в здании.
В то время как использование высокопрочного бетона растет, бетон более низких классов все еще занимает львиную долю в бетонном строительстве. Большинство зданий строящихся в США не настолько велики, чтобы использование высокопрочных бетонов в них оправдывалось. Кроме того многие конструктивные элементы, такие как плиты перекрытий и фундаменты, не намного выиграют от применения высокопрочного материала. Тем не менее, по мере увеличения использования бетона и высоты строящихся зданий спрос на высокопрочный бетон, вероятно, будет расти.
Сложности в применении высокопрочного бетона
Использование высокопрочного бетона имеет ряд сложностей. Поскольку с экономической точки зрения не имеет смысла делать плиты перекрытий из высокопрочного бетона – обычно прочности в 4000-6000 фунтов на кв. дюйм (27,6-41,4 МПа) достаточно для плит и других элементов, работающих на изгиб – передача нагрузки на колонны от перекрытий из бетона более низкого класса – задача непростая.
При соблюдении определенных требований ACI 318 область плиты в месте сопряжения с колонной может выполняться из бетона той же прочности, что и основные участки плиты, т.е. из бетона более низкого класса, чем в колонне. Если же нет, то есть несколько способов добиться цельности колонны из высокопрочного бетона в местах сопряжения с плитой перекрытия.
Один из способов – это заливка высокопрочного бетона в участки сопряжения плиты с колонной непосредственно перед заливкой основного бетона плиты, т.е. таким образом, чтобы избежать появления швов в плите перекрытия. На практике это осуществить довольно сложно, поскольку требует очень жесткого графика доставки бетонных смесей на площадку и рабочих, обладающих достаточной квалификацией и навыками, чтобы не допустить появления швов в плите перекрытия.
Менее распространенный, но часто более эффективным подход – это когда бетон плиты заводится в колонну на несколько дюймов по периметру путем установки специальной опалубки. Таким образом, создается проем, который заливается высокопрочным бетоном. В этом случае обычно требуется установка дополнительной арматуры (shear-friction rebar) для обеспечения прочности соединения колонны и плиты.
Кэри Копчински (Cary Kopczynski)
глава компании Cary Kopczynski & Company, г. Белвью, шт. Вашингтон
Источник: www.structuremag.org