Развитие технологии бетона, направленное на повышение его прочностных характеристик, можно разделить на 3 основных этапа [1]. Первый этап продолжался до 60-х годов прошлого столетия. Этот этап связан с повышением активности цемента, качества заполнителя и развитием технологии уплотнения бетонной смеси. За счет этого прочность бетона была повышена до 30–40 МПа.
На втором этапе развития технологии бетона повышенной прочности в его состав вводилась высокоэффективная водоредуцирующая добавка – суперпластификатор. Это позволило снизить водоцеменное отношение до 0,5–0,35 и получить прочность бетона 60–70 МПа.
Трети этап обеспечил значительный прогресс в технологии бетона за счет появления суперпластификаторов нового поколения и введения их в бетонную смесь совместно с пуццолановыми добавками (микрокремнезем, золы, шлаки, метакаолин). Значительное снижение водоцементного отношения до 0,25 обеспечивало прочность бетона до 120-140 МПа. Такие бетоны производились не только в лабораториях, но и на строительных площадках. График эволюции прочностных характеристик бетона представлен на рис. 1.
Рис. 1. Развитие прочности бетонов в зависимости от В/Ц:
1 – высокопрочные бетоны, 1990 г; 2 – обычные бетоны, 1970 г; 3 – бетоны с нормальной прочностью, 1950 г (по данным [1])
Эффективной областью применения высокопрочных бетонов является изготовление несущих конструкций высотных зданий, работающих на сжатие [2, 3]. При проектировании высотных зданий наряду с прочностью важными характеристиками являются повышенная долговечность и стойкость к физико-механическим воздействиям. Для конструкций с высокой прочностью на сжатие требуется высокопрочный бетон. В результате основной областью применения высокопрочных бетонов стали колонны и стены высотных зданий, которые изначально изготавливались с применением стали [1, 2].
Первым высотным сооружением в мире было 55-метровое офисное здание в Чикаго, построенное из стали в 1885 году. Одним из самых высоких зданий, конструкция которого изготовлена из стали, является 382-метровый 103-этажный небоскреб Empire State Building, построенный в Нью-Йорке в 1931 году [2, 6].
Бетон при строительстве высотных зданий впервые был применен только в 1903 году для возведения 15-этажного здания Ingalls Building в г. Цинциннати США [3]. Развитие высотного строительства в середине 20-го века было связано с повышением стоимости земли под застройку крупных городов США Нью-Йорка и Чикаго [6].
Применение высокопрочного бетона способствовало снижению стоимости конструкций в высотном строительстве и повышению пожаростойкости, а замена бетона на высокопрочный бетон обеспечивала значительное снижение веса конструкции.
Впервые высокопрочный бетон класса С140 был использован при строительстве высотного здания Two Union Square в Сиэтле в 1988 году [2, 6]. Несущие конструкции небоскреба были изготовлены из трубобетона и представляли собой 4 колонны диаметром по 3 м, которые использовались совместно с 14 колоннами диаметром по 1 м. Применение при строительстве здания трубобетона позволило одновременно снизить стоимость конструкции и уменьшить ее вес по сравнению с железобетоном. Высота построенного здания составляла 220 м, количество этажей 56. За 3 года в разных штатах США были построены высотные здания высотой свыше 125 м до 300 м и прочностью от 82,7 до 131 МПа. Наиболее знаковые сооружения этого периода представлены в табл.1.
Таблица 1. Высотные здания, построенные в США в 1988-1991 годы (по данным [4])
Год |
Название здания |
Прочность бетона, МПа |
Высота здания, м |
1988 |
225 West Wacker Drive*** (Чикаго) |
96,5 |
132 |
1988 |
Two Union Square**(Сиэтл ) |
131 |
226 |
1989 |
Two Prudential Plaza* (г. Чикаго) |
82,7 |
303 |
1989 |
311 South Wacker Drive* (Чикаго) |
82,7 |
293 |
1989 |
Pacific First Centre** (Сиэтл) |
131 |
185 |
1990 |
Gateway Tower**(Сиэтл) |
117,2 |
220 |
1991 |
One Peachtree Center*, (Атланта) |
82,7 |
264 |
1991 |
Trump Palace* (Нью-Йорк) |
82,2 |
190 |
1991 |
Dain Bosworth Tower* (Миннеаполис) |
96,5 |
164 |
Примечание: * – железобетонный каркас; ** – композитный бетон и металлический каркас, *** – экспериментальная колонна.
В Германии высокопрочный бетон класса С85 был впервые использован в 1990 году при строительстве 186-метрового высотного здания Trianon во Франкфурте-на-Майне [1, 2]. Впоследствии при изготовлении высотных зданий в Германии стал применяться бетон класса С105 и выше. Наблюдение за зданием небоскреба Taunustor из высокопрочного бетона класса С115 показало, что конструкция работает как на сжатие, так и на изгиб [1]. В связи с этим важной характеристикой бетона является прочность при растяжении. Испытания показали, что бетон конструкции здания Taunustor имеет высокую трещиностойкость, огнестойкость и коррозионную стойкость [1]. Долговечность высокопрочного бетона связана с его высокой плотностью и однородностью.
За счет достигнутого прогресса в технологии высокопрочных бетонов он перешел из разряда уникальных материалов в группу широко распространенных высокотехнологичных материалов [5-9]. Благодаря этому в различных странах мира с последней четверти 20 века высокопрочные бетоны заняли доминирующее положение в высотном строительстве. Новая разновидность бетона позволяет возводить здания с учетом разнообразных климатических особенностей регионов мира и требований нормативных документов в различных странах [5-6].
В последние пятнадцать лет существенно возросла высота зданий с 302 м до 828 м (см. табл. 2). Активность высотного строительства переместилась из Северной Америки в бурно развивающиеся азиатские страны [9].
Анализ данных в табл. 2 показывает, что при полном использовании возможностей высокопрочного бетона высота зданий может быть увеличена примерно в 1,5 раза. В настоящее время самые высокие здания построены в Тайване – небоскреб Taipei 100 (высота 509 м), в Америке – здание Всемирного торгового центра (высота 549 м), в Китае – Шанхайская башня (высота 632 м) и в ОАЭ – небоскреб Бурдж Халифа (высота 828 м) [9]. При строительстве здания Бурдж Халифа применялся бетон прочностью от 80 до 105 МПа. В настоящее время ведется строительство небоскреба
Kingdom Tower в Саудовской Аравии. Предполагается, что высота этого здания будет достигать свыше 1000 м.
Таблица 2. Применение высокопрочного бетона при строительстве высотных зданий в 2000-2015 годах (по данным [9])
Год |
Название здания |
Прочность бетона, МПа |
Высота здания, м |
2000 |
Emirates Tower One (Дубай, ОАЭ) |
80 |
355 |
2001 |
Menara Telekom ( Куала-Лумпур, Малайзия) |
90 |
310 |
2002 |
Kingdom Centre (Эр-Рияд, Саудовская Аравия ) |
96 |
302 |
2003 |
International Finance Centre (Гонконг ) |
90-100 |
415 |
2004 |
Taipei 101 (Тайвань) |
69-80 |
509 |
2005 |
Q1 Tower ( Голд-Кост, Австралия) |
60 |
323 |
2006 |
Shimao International Plaza ( Шанхай, Китай) |
70 |
333 |
2007 |
Rose Rayhaan by Rotana (Дубай, ОАЭ) |
70 |
333 |
2008 |
Shanghai world financial center (Шанхай, Китай) |
90 |
492 |
2009 |
Trump International Hotel/Tower (Чикаго, США) |
110 |
423 |
2010 |
Burj Khalifa (Дубай, ОАЭ) |
80-105 |
828 |
2011 |
Kingkey 100 (Шэньчжэнь, Китай) |
156 |
442 |
2012 |
Makkah Royal Clock Tower (Мекка, Саудовская Аравия) |
110 |
601 |
2013 |
JW Marriott Marquis (Дубай, ОАЭ) |
90 |
355 |
2014 |
One World Trade Center (Нью-Йорк, США) |
83-96 |
541 |
2015 |
Shanghai Tower (Шанхай, Китай) |
96 |
632 |
Рис. 2. Общее количество высотных зданий высотой свыше 200 м, возведенных в мире с 1920 по 2016 годы (по данным [5])
Согласно данным [5], опубликованным Советом по высотным зданиям и городской среде обитания, общее количество высотных зданий достигло в мире в 2015-2016 годах более 1000 (см. рис. 2). Активный рост строительства высотных зданий начался с 2000 года. С этого периода общее количество этих сооружений возросло в 4 раза. Ожидается, что эта тенденция в будущем будет увеличиваться.
Рис. 3. Распределение по странам 100 самых высоких зданий с 1940 по 2015 годы (по данным [9])
Важно отметить, что Центральная Америка (рис. 3) больше не доминирует по строительству высотных зданий. В конце прошлого века это первенство перешло в Азию. Если изначально 100 самых высоких зданий мира было сосредоточено в Америке, то в настоящее время на Америку приходится только около 17% всех зданий, на Азию -48% и на Ближний Восток -28 %. Снижение первенства США в высотном строительстве связано со снижением инвестиционной привлекательности строительства и влиянием на психологию террористических атак [9].
Рис. 4. Количество зданий высотой более 200 м, построенных с 2005 по 2015 гг (по данным [9])
Рис. 5. Средняя высота зданий свыше 200 м, построенных с 2005 по 2015 годы (по данным [6])
Число небоскребов с каждым годом возрастает. За период с 2005 по 2014 годы общее число построенных зданий имеющих высоту свыше 200 м возросло более чем в 3 раза, а по сравнению с 2015 годом – в 6 раз (см. рис. 4).
Средняя высота всех зданий выше 200 м, построенных в 2015 году, увеличилось по сравнению с 2005 годом в 1,5 раза, и составила 303 метра (см. рис. 5).
Максимальная высота небоскреба зависит от его способности противостоять действию не только гравитационной нагрузки, но и ветровому и сейсмическому воздействию, значение которых в таких зданиях значительно возрастает. Первая нагрузка зависит от веса здания, а вторая определяется динамическими воздействиями ветра и землетрясений.
Большинство конструкций высотных зданий, построенные с 1960 по 2005 годы, представляли собой обычную жесткую раму [5, 6]. Появившиеся впоследствии трубные системы, ядро и выносные системы позволили увеличить высоту здания [6]. В последнее десятилетие в конструкциях многих высотных зданий были применены другие конструкционные схемы.
Рис. 6. Доля различных видов строительных материалов на 100 самых высоких зданий, построенных в различный период времени (по данным [9])
При строительстве высотных зданий в разное время применялись различные материалы [2, 6, 9]. До 1980 года (см. рис. 6) основным материалом при строительстве высотных зданий была конструкционная сталь. Затем наметилась тенденция к использованию бетона и композитных материалов. В качестве композитного материала применялись сталебетонные конструкции. Наиболее распространенная система в конструкции высотного здания это стальная труба с бетонным сердечником [6]. В 2010-15 годах количество высотных зданий построенных из бетона составляло около 40%, а из композитных материалов – 33– 45%.
Выводы:
Показано, что эффективной областью применения высокопрочного бетона является строительство высотных зданий. Бетонные конструкции высотных зданий по сравнению со стальными конструкциями имеют более высокую коррозионную и пожарную стойкость. В последние годы строительство высотных зданий более активно ведется в экономически быстроразвивающихся азиатских странах. Высота конструкций зависит от географических особенностей региона, которые определяют боковые и ветровые нагрузки.
Библиографический список
-
Breitenbücher R. Developments and applications of high-performance concrete // Materials and structures. – 1998. – Vol. 31. – P. 209-215.
-
Aitcin P. C. High-performance concrete. – London: E&FN SPON, 1998. – 591 p.
-
Ali M. M., Moon K.S. Structural Developments in Tall Buildings: Current Trends and Future Prospects //Architectural Science Review. – 2007. – Vol. 50.3. – P. 205-223.
-
High-strength concrete / by J.A. Farny, W.C. Panarese. – Shokie: Portland Cement Association, 1994. – 48 p.
-
Kulkarni V.R. High performance concrete for high-rise buildings: some crucial issues // IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology. – 2016. – Vol. 5, Special Issue 20. – P. 26-33.
-
Gu Wenjia. Trends and innovations in high-rise buildings over the past decade. – Civil Engineering University of Illinois at Urbana-Champaign, 2015. – 53 p.
-
Gabel J. The Skyscraper Surge Continues in 2015, The «Year of 100 Supertalls»: Review report. – The Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 2015. – 10 p.
-
Калашников В.И. Эволюция развития составов и изменение прочности бетонов. Бетоны настоящего и будущего. Часть 1. Изменение составов и прочности бетонов // Строительные материалы. – 2016. –№ 1-2. – С. 96-103.
-
Калашников В.И. Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения // Бетон и железобетон. 2012. – № 1. – С. 82.
Количество просмотров публикации: Please wait