Благодаря современным исследованиям прочность бетонов, их долговечность и другие характеристики могут быть повышены в несколько раз не только в лабораторных условиях, но и при промышленном производстве строительных изделий и конструкций. Основные проблемы, связанные с применением высокопрочных и особо высокопрочных бетонов, связаны со снижением их стоимости, расширением сырьевой базы производства, упрощением технологии и разработкой конструктивных схем зданий и сооружений, в которых в максимальной степени используются преимущества этих новых разновидностей бетонов. Для решения этих проблем необходим анализ технологических особенностей высокопрочных бетонов и разработка новых строительных систем, учитывающих их повышенные эксплуатационные характеристики (рис. 1).

Рисунок 1. Основные эксплуатационные свойства высокопрочных бетонов (по данным [1-3])

В настоящее время продолжается дискуссия о том, какие бетоны являются высокопрочными и особовысокопрочными. Многие авторы [1, 2, 4, 6, 7] придерживаются классификации, приведенной в таблице 1. Эта классификация связана с особенностями технологи и структуры бетонов.

Таблица 1 – Классификация бетонов по прочности

Примечание: СП – суперпластификатор, ГП – гиперпластификатор.

Структурообразование высокопрочного бетона имеет сходные черты с процессами, протекающими в обычном бетоне. Основной отличительной особенностью высокопрочного бетона является более низкая пористость, повышение однородности структуры, уменьшение количества макродефектов в цементном камне и контактной зоне. Это достигается за счет снижения расхода воды по сравнению с обычным бетоном, уплотнения структуры в результате замещения цемента минеральной добавкой и улучшением структуры контактной зоны между цементным камнем и заполнителем. Присутствие тонкодисперсных наполнителей и добавок снижает количество портландита и эттрингита и обеспечивает заполнение капиллярных пор продуктами гидратации [1, 2], что снижает пористость и приводит к достижению высокой прочности бетона.

Технология получения высокопрочных бетонов мало отличается от технологии обычных бетонов. Существенное отличие состоит в соотношении компонентов, повышенных требованиях к точности дозирования, использование высокоэффективных суперпластификаторов для обеспечения низких водоцементных отношений, уменьшение крупности заполнителя.

Многими исследователями отмечается, что для получения высокопрочных бетонов особые требования в технологии изготовления предъявляются к выбору сырьевых материалов и их оптимальному содержанию. В таблице 2 приведены основные виды сырьевых материалов с учетом их роли в высокопрочном бетоне.

Таблица 2 –Требования к сырьевым материалам для получения высокопрочных бетонов (по данным [2-4])

Кроме основных требований, предъявляемых к сырьевым материалам (см. табл.2), различные исследователи отмечают и дополнительные. В частности для обеспечения сверхвысокой прочности рекомендуется применять цемент без макродефектов и сфероидальной формы с дисперсностью 400 м²/кг и более [5, 6]. Кроме того для улучшения реологических свойств бетонной смеси ограничивается содержание в цементе C3A до 6 % [7], в противном случае снижается его совместимость с суперпластификаторами, что может повысить расход воды и снизить прочностные характеристики бетона.

Выбор вида и содержания минеральных добавок производится с учетом их влияния на водопотребность смешанного цемента и активности добавки. Важное значение имеет стоимость минеральной добавки в связи с этим часто используются промышленные отходы – шлаки и золы. Показано [2, 4, 8-13], что при использовании инертных минеральных добавок – кварцевой и известняковой муки их дозировка может достигать 40 -60 %, а активных пуццоланов – золы-уноса, доменного гранулированного шлака, метакаолина, микрокремнеза – до 20-40 %.

Введение микрокремнезема в качестве минеральной добавки способствует повышению стойкости к расслоению. Наряду с эффектом уплотнения, микрокремнезем в результате пуццолановых реакций повышает прочностные свойства бетона. По данным [2, 4, 14] для достижения более плотной упаковки частиц и пуццолановый реакционной способности микрокремнезема его оптимальная дозировка в составе высокопрочного бетона составляет 20-30% от объема вяжущего.

Основной проблемой высокопрочного бетона является хрупкость. Для повышения вязкости разрушения бетона рекомендуется использовать фибровое армирование [16].

Для достижения бетоном сверхвысокой прочности 150 МПа и более авторами [4, 16] предлагается снижать В/Ц отношение до 0,13-0,2 и при этом обеспечивается максимальная плотность бетонной смеси.

Для повышения удобоукладываемости бетонной смеси необходимо обеспечение совместимости суперпластификатора с цементом и минеральными добавками. За счет повышения совместимости можно значительно снизить дозировку СП c 8 до 1 % [7, 17]. Согласно [18] совместимость СП с известняком при одной и той же дозировке СП более высокая, чем при использовании метакаолина за счет высокой площади поверхности метакаолина. Еще одним технологическим приемом повышения подвижности бетонной смеси является поэтапное введение СП [19].

Заполнитель играет важную роль в высокопрочном бетоне. Aitcin [2] рекомендует использовать для получения высокопрочного бетона мелкий заполнитель с более высоким модулем крупности около 3,0. В соответствии с представлениями этого автора:

- в бетонной смеси содержится большое количество мелких частиц цемента и пуццолановых добавок, поэтому мелкие частицы заполнителя не улучшают удобоукладываемость смеси;

- использование крупного песка требует меньшего количества воды для обеспечения высокой удобоукладываемости смеси;

- при перемешивании крупного песка снижается коагуляция цементного теста.

При выборе заполнителя необходимо учитывать следующие рекомендации [2]:

а. должна обеспечиваться плотная и компактная упаковка частиц крупного заполнителя для снижения пористости бетона.

б. для получения бетона с прочностью до 70 МПа необходимо применять крупный заполнитель с максимальным размером 20- 28 мм.

в. для получения бетона с прочностью до 100 МПа размер крупного заполнителя от 10 до 20 мм.

г. для получения бетона с прочность более 125 МПа рекомендуется применять крупный заполнитель от 10 до 14 мм.

Анализ данных различных исследователей показывает, что для получения высокопрочного бетона необходимо соблюдение некоторых условий, приведенных на рис. 2.

Рисунок 2. Различные способы получения высокопрочного бетона [20]

Таким образом, согласно рис. 2 основные условия получения высокопрочного бетона заключаются в создании прочной цементной матрицы, использовании заполнителя с оптимальной гранулометрией и прочностью, обеспечении высокой прочности контактной зоны цементной матрицы и заполнителя.

Рассмотрев особенности технологии получения высокопрочных бетонов (рис.2 и табл. 2) можно сформулировать основные правила, позволяющие существенно улучшить прочностные и другие эксплуатационные свойства бетона:

- повышение однородности бетона за счет полного или частичного удаления крупного заполнителя;

- снижение внутренних напряжений за счет замены крупного заполнителя мелким;

- повышение плотности бетона за счет оптимизации гранулометрического состава и достижения максимальной плотности упаковки частиц;

- снижение усадочных деформаций и улучшение структуры бетона за счет применения минеральных добавок;

- повышение темпов набора прочности в результате применения цемента с низким содержанием алюминатных фаз, микрокремнезема и тепловой обработки;

- улучшение вязкости разрушения бетона за счет использования фибры.

Важными фактором распространения высокопрочных бетонов в строительной практике является выявление условий их эффективного применения. Повышение прочности бетона позволяет снизить сечение строительной конструкции, что актуально для колонн, работающих на сжатие. Для сохранения устойчивости этих конструкций из высокопрочного бетона они должны исполняться в коробчатом, двутавровом и других эффективных сечениях. Для конструкций, работающих на изгиб, оптимизация геометрии сечения имеет еще большее значение.

Повышение деформативно-прочностных характеристик высокопрочного бетона приближают этот материал к стали, что увеличивают эффективность его использования в комбинированных сталебетонных конструкциях. В последние годы увеличилось применение таких конструкций в виде трубобетона. Преимуществом таких конструкций является снижение их стоимости за счет применения несъемной опалубки, которая в конструкции играет роль арматуры. Использование для производства трубобетонных конструкций самоуплотняющегося бетона значительно упрощает технологию бетонирования.

Рациональными областями применения высокопрочных бетонов являются технология монолитных железобетонных покрытий с применением стального профилированного настила в качестве несъемной опалубки и внешней арматуры плиты, технология напорных железобетонных труб со стальным сердечником [20, 21].

Опыт зарубежных исследователей показывает, что высокопрочные бетоны находят применение при изготовлении тонкостенных фибробетонных конструкций, в частности изделий из архитектурно-декоративного бетона, а также могут применяться при строительстве различных инженерных сооружений – резервуаров для нефте- и газохранилищ, морских сооружений, взлетно-посадочных полос аэродромов, мостов, конструкций для сейсмического строительства и т.д. [2, 3, 20].

Выводы:

Проанализированы особенности технологии высокопрочных бетонов, формирования их структуры, и возможности снижения стоимости бетона. Произведен анализ возможных областей применения высокопрочных бетонов в строительстве.

Установлено, что основные условия получения высокопрочного бетона заключаются в создании прочной цементной матрицы, выборе заполнителя, обеспечении высокой прочности контактной зоны цементной матрицы и заполнителя. Выявлены основные методы повышения прочности бетона.

В стандарте, действующем в странах Европейского Союза [2] самым высоким классом по прочности на сжатие является С 100/115. При определении прочности на образцах кубической формы ее средние значения для обеспечения данного класса должны ориентировочно составлять 150 МПа. Интересно отметить, что в редакции СНиП, которая действовала в нашей стране с 2004 по 2013 год, самым высоким классом бетона по прочности на сжатии был класс В120 [3]. Средняя прочность бетона для обеспечения этого класса также как и для бетона С 100/115 по стандарту [2] Европейского Союза должна составлять около 150 МПа. Возможно, что снижение класса бетона по прочности с В120 до В100 в новой редакции российских строительных норм [1] связано с более реалистичной оценкой современного уровня развития технологии бетона.

Другим критерием разграничения высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов может служить технологический фактор: сверхвысокопрочный бетон не может быть получен при использовании крупного заполнителя. Исключение из рецептуры бетона крупного заполнителя и снижение максимального размера мелкого заполнителя до значений 0,6 мм позволяет получить более однородную на макроуровне структуру, что наряду с применением высокоэффективных водоредуцирующих и минеральных добавок позволяет получить прочность бетонов 200 МПа и более [4]. Благодаря тому, что в таких бетонах в качестве заполнителя используются только мелкие фракции песка, а для повышения прочности применяется высокоактивная пуццолановая добавка (микрокремнезем), они получили в отечественной научной литературе название «тонкозернистые реакционно-порошковые бетоны» [5].

В зарубежной научно-технической литературе для бетонов, полученных по такой технологии, используется термин реакционно-порошковый (Reactive powder concrete) [4] или ультравысококачественный бетон (Ultra-High Performance Concrete) [6]. Использование в технологии сверхвысокопрочного бетона фибрового армирования позволяет преодолеть основной недостаток этих материалов – высокую хрупкость.

Прочность, долговечность и другие свойства ультравысококачественных бетонов значительно выше, чем у бетонов общестроительного назначения. Однако, несмотря на относительную доступность получения новой разновидности бетонов, у проектировщиков нет ясного представления о том, каким образом преимущества особовысокопрочных бетонов могут быть использованы. Ожидания снижения сечения и массы конструкций оказались на практике неоправданными. Тем не менее, интерес к новому материалу велик и некоторые крупные строительные фирмы совместно с исследовательскими организациями используют особовысококачественный бетон в экспериментальных сооружениях.

Первым сооружением, возведенным с применением реакционно-порошкового бетона, был пешеходный мост в городе Шербрук (Канада). Это экспериментальное сооружение длиною 60 м было построено в 1997 (рис. 1). В проектировании и строительстве принимало участие несколько фирм, а разработка материалов для моста была выполнена в университете Шербрука. Для долговременного мониторинга поведения моста в климактерических условиях Канады была разработана программа, предусматривающая установку различных датчиков для оценки динамического поведения сооружения в течение длительного периода [7].

Рис 1. Пешеходный мост из сверхвысокопрочного бетона (Шербрук, Канада)

Мост в Шербруке был первым сооружением, в котором использовался реакционно-порошковый бетон (см. табл.1). Ежегодные обследования моста показали, что он находится в хорошем состоянии и его характеристики практически не меняются с течением времени [7].

Реакционно-порошковый бетон в некоторых фирмах прошел стадию лабораторных испытаний и находится на этапе опытно-промышленного применения. На основе этой технологии в конце 1990-х годов компанией Lafarge под торговой маркой Ductal было освоено производство ультравысококачественного бетона. Компании Eiffage и Sika совместно производят реакционно-порошковый бетон под торговой маркой BSI/Ceracem® [6]. Из такого бетона было построено несколько пешеходных мостов, характеристики некоторых из которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Опыт применения высокопрочного бетона (по данным [6, 8-16])

Значительный прогресс в развитии ультравысококачественных бетонов был достигнут на рубеже нового тысячелетия, когда в практику были внедрены более высокоэффективные суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных соединений, упростилась технология высокопрочных бетонов, а также были получены данные долговременных исследований, подтвердивших отсутствие снижения механических свойств и высокую долговечность бетона в различных условиях эксплуатации. Это способствовало расширению области применения высокопрочного бетона, из которого стали изготавливаться тонкостенные особовысокопрочные конструкции.

Кроме того ультравысококачественные бетоны стали производиться на основе промышленных отходов по ресурсо- и энергосберегающим технологиям без тепловой обработки, что также обеспечивает их перспективность применения. С 2000-х годов, некоторые страны участвуют в применении ультравысококачественного бетона (табл.1). Во Франции много конструкций было возведено компанией Lafarge с применением сверхвысокопрочного бетона – мосты, плиты, элементы фасадов [12].

Одним из знаковых сооружений последних лет является мост Мийо́ вантовой системы во Франции с максимальной высотой конструкции 341 м.

В США растет применение высокопрочного бетона в инженерных сооружениях автомобильных дорог[13]. Первый автодорожный мост из высокопрочного бетона в США был построен в 2006 году в штате Айова и представлял собой однопролетный мост с трехбалочным поперечным сечением длиной 33,5 м без применения стальной арматуры (см. рис.2).

Рис. 2. Первый автодорожный мост из высокопрочного фибробетона в штате Айова, США [13]

Высокопрочный бетон использовался в восстановительных целях при укреплении отстойного бассейна на реке Кинсуа-Дэм в США [6, 8]. В Австралии значительное применение высокопрочный бетон нашел при строительстве мостовых конструкций [14]. В Швейцарии ультравысококачественный бетон в основном применяется при изготовлении армированных монолитных конструкций [15]. Опытные образцы мостов и сооружения были построены в Канаде, Германии, Австрии, Японии и Кореи [6, 8, 13]. В Японии был построен пешеходный мост Sakata Mirai из сборного особовысокопрочного железобетона с повышенной стойкостью к деформациям и воздействию ветру, а также стойкостью к перепадам температур.

В Китае ультравысококачественный бетон используется для изготовления конструкций перекрытия кабельных каналов вдоль высокоскоростных железных дорог [16].

Опыт применения высокопрочных бетонов имеется и в России – в г. Москва был возведен комплекс высотных зданий «Москва-Сити» [10], а также комплекс сооружений, приуроченных к празднованию Дня Победы в Великой Отечественно войне в г. Красноярске с прочностью бетона 180-200 МПа [11].

Использование высокопрочного бетона в будущем будет возрастать вследствие его уникальных свойств. Благодаря стойкости к воздействию хлоридов высокопрочный железобетон можно применять при строительстве морских сооружений. Высокая прочность бетона обеспечивает уменьшение сечения и веса конструкций, что позволяет эффективно использовать бетон при строительстве большепролетных конструкций мостов через моря. Высокопрочный бетон также может применяться для восстановления и укрепления морских сооружений, таких как причалы и нефтяные платформы [6, 8]. Благодаря химической стойкости и долговечности конструкции из высокопрочного бетона могут эксплуатироваться в суровых условиях окружающей среды – в соленой воде, в экстремально холодных регионах. Эффективной областью применения бетона может стать строительство и ремонт инфраструктуры. Бетон может использоваться при строительстве зданий и сооружений в сейсмических районах. Колонны и балки из армированного высокопрочного бетона при землетрясении способны рассеивать больше энергии, чем конструкции из обычного железобетона, предотвращая разрушение зданий или сооружений [8]. Бетонная смесь отличается высокой технологичностью, что облегчает работу с ней, время и сроки строительства и позволяет создавать монолитные и сборные элементы. Высокопрочный бетон может повторно использоваться в технологии самоуплотняющихся бетонов в качестве заполнителей и наполнителей.

Несмотря на преимущества, высокопрочный бетон имеет и недостатки, связанные со стоимостью и высоким потреблением энергии. В связи с этим ключевым моментом технологии высокопрочных бетонов является снижение стоимости и повышение экологичности материала. Опыт исследований показывает, что стоимость бетона можно снизить за счет использования рационально подобранного состава смеси, местного сырья и промышленных отходов [6-9, 11]. Наряду со снижением стоимости бетона вовлечение в его производство промышленных отходов снижает вред окружающей среде и повышает его экологические преимущества. Конструкции из высокопрочного бетона вследствие их высокой долговечности обладают высоким сроком службы, что существенно снижает затраты на обеспечение жизненного цикла изделий, по сравнению с обычным бетоном за счет сокращения затрат на ремонт и замену элементов конструкции [8].

На основе вышеизложенного можно отметить, что дальнейшие исследования в области эффективного применения высокопрочных бетонов должны быть направлены на:

- разработку рекомендаций по проектированию и строительству конструкций из высокопрочного бетона;

- разработку гармонизированных стандартов на технические требования и методы контроля свойств высокопрочных бетонов и конструкций из них;

- создание экспресс-методов определения долговечности конструкций из высокопрочного бетона;

- улучшение эксплуатационных свойств – хрупкости, трещиностойкости бетона;

- снижение стоимости бетона.

Вывод:

Особовысокопрочные бетоны обладают высокими деформативно-прочностными характеристиками и долговечностью. Эти материалы могут успешно применяться в высотном строительстве, восстановительных работах, при возведении несущих и архитектурно-декоративных конструкций, при строительстве мостов и других транспортных сооружений. Основные причины, сдерживающие применение высокопрочного бетона связаны с его высокой стоимостью, недостаточным опытом долговременной эксплуатации и отсутствием стандартов.

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.