УДК 691.32: 693.5

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА В ВЫСОТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Петухов Андрей Владимирович1, Коровкин Марк Олимпиевич2, Ерошкина Надежда Александровна3
1ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», аспирант
2ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
3ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент

Аннотация
Показано, что эффективной областью применения высокопрочного бетона является строительство высотных зданий. Здания, построенные из такого бетона, имеют наиболее высокую коррозионную и пожарную стойкость.

Ключевые слова: высокопрочный бетон, высота здания, высотные здания, прочность


APPLICATION OF HIGH-STRENGTH CONCRETE IN TALL BUILDINGS

Petukhov Andrey Vladimirovich1, Korovkin Mark Olimpievich2, Eroshkina Nadezhda Alexandrovna3
1Penza State University of Architecture and Construction, postgraduate student
2Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
3Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Abstract
The paper shows that the effective area of application of high-strength concrete is construction of high-rise buildings. Buildings constructed from such concrete have the highest corrosion and fire resistance.

Keywords: height of building, high-rise buildings, high-strength concrete, strength


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Петухов А.В., Коровкин М.О., Ерошкина Н.А. Применение высокопрочного бетона в высотном строительстве // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/03/79416 (дата обращения: 02.06.2017).

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
  1. Breitenbücher R. Developments and applications of high-performance concrete // Materials and structures. – 1998. – Vol. 31. – P. 209-215.
  2. Aitcin P. C. High-performance concrete. – London: E&FN SPON, 1998. – 591 p.
  3. 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.
  4. High-strength concrete / by J.A. Farny, W.C. Panarese. – Shokie: Portland Cement Association, 1994. – 48 p.
  5. 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.
  6. Gu Wenjia. Trends and innovations in high-rise buildings over the past decade. – Civil Engineering University of Illinois at Urbana-Champaign, 2015. – 53 p.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Калашников В.И. Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения // Бетон и железобетон. 2012. – № 1. – С. 82.


Все статьи автора «Ерошкина Надежда Александровна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: