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])

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])

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.