все записи



Дата: 13.09.2010
«Вестник строительного комплекса» № 70
Рубрика: ***

Инновации в армировании высотных зданий


Знаменитый изобретатель Эди-сон в 1908 г. запатентовал метод возведения домов из монолитного бетона в многократно оборачиваемой опалубке. Начиная с начала XX века, технология железобетона стала развиваться и распространяться достаточно широко. В то время были проведены эксперименты заложившие базу для развития данной технологии. Известно, что бетон плохо работает на растяжение, но хорошо на сжатие. Металлическая арматура, наоборот, хорошо работает на растяжение. Симбиоз этих двух материалов и дал нам возможность получить железобетон как таковой.

Возведение высотных зданий предполагает комплексный подход к выбору проектных и, особенно, технологических решений. Увы, но попытка внедрения зарубежного опыта без учета наших российских условий, отечественной практики проектирования и производства работ обречена на провал. Необходимо опираться на фундаментальные результаты исследования отечественной строительной науки, максимально используя их потенциал для решения поставленных задач.

Основным материалом для возведения несущих каркасов высотных зданий стал высокопрочный бетон (В50 и выше). При этом возникают многочисленные проблемы с качеством монолитных и железобетонных конструкций, как и при монтаже многоэтажных зданий. А.Мочаловым и А.Пасютой из Научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института бетона и железобетона им. А.А.Гвоздева (НИИЖБ) предлагается иной подход к проектированию несущих конструкций каркаса высотных зданий. Данный метод актуален тем, что к прочности бетона предъявляются минимальные требования, вопрос сдвигается в сторону новых системных армирующих решений каркаса высотного здания, имеющих показатели на уровне мировых стандартов и впитавших лучший отечественный опыт.

Отечественная школа позволяла проектировать рамные железобетонные каркасы в зданиях со средней этажностью (до 60 метров).

В этом случае применялась стержневая арматура, стандартно размещаемая в плоскости каркаса – в соответствии с особенностями технологии сборного железобетона, активно применяемой в советской стройиндустрии.

За последние 15 лет накоплен определенный опыт в строительстве рамных каркасов из монолитного железобетона, однако нужно признать, что основные недостатки железобетона как основного материала для несущих элементов каркасов высотных зданий преодолеть не удается. Среди них – большой собственный вес каркаса здания, что существенно увеличивает нагрузку на фундамент и основание, приводя к резкому удорожанию нулевого цикла; большие габариты элементов каркаса. Например, габариты колонн здания высотой около 100 м составляют 1х1м и более, что негативно сказывается на коммерческих показателях проекта в целом, поскольку «съедает» полезную площадь. Массивные колонны, выходящие на фасад, ухудшают эксплуатационные показатели здания, затемняют помещения, перегружают периметр здания, что создает определенные трудности при проведении мер по предотвращению так называемого прогрессирующего обрушения; ограничения в применении больших пролетов. При использовании конструкций из традиционного железобетона сооружение пролетов свыше 7-8 м вызывает трудности. Необходимо либо увеличивать толщину плоских перекрытий до 300 мм и более, что приводит к повышению расхода бетона и увеличению веса здания, либо создавать ребра и капители, что приводит к повышению стоимости строительных работ и уменьшает полезную высоту помещений.

В связи с тем, что развитие идеологии проектирования каркасов высотных зданий идет инерционно, это неизбежно ведет к ухудшению экономических показателей строительства и снижению качества работ. Применение высокопрочного бетона, осуществленное на отдельных уникальных высотных зданиях, приводит к существенному удорожанию строительства, требует высочайшей технологической культуры и не может быть реализовано повсеместно. Кроме того, повышение прочности бетона до В60-В80 с соответственно высоким модулем упругости приводит к повышению хрупкости конструкции в целом и препятствует полезному для бетона рядовых классов перераспределению усилий.

Перечисленные выше недостатки железобетонных каркасов широко известны и привели к широкому внедрению в развитых странах так называемых комбинированных конструкций, где полезные свойства стали и бетона используются наиболее рациональноКак правило, в качестве армирующих элементов кроме обычной стержневой арматуры можно использовать и элементы из профильного железа. На нашем рынке широко используются элементы перекрытий из несущего профильного листа. В советской практике использовались такие инструменты как «эффект обоймы», предварительное напряжение в построечных условиях, рациональное использование распора. Все это не было освоено массово и не заслужено забыто специалистами.

При проектировании монолитного железобетонного здания следует придерживаться следующих правил:

  • жесткость и габариты сечений сжатых элементов должны убывать от центра здания к периферии. Это достигается повышением жесткости ядра здания (лифтовой узел) и примыкающих к нему колонн, находящихся в пределах ядра сечения здания в целом;
  • сечение колонны должно быть минимальным. Данное требование исходит от инвестора, наиболее заинтересованного в максимальном «выходе площадей»;
  • процент армирования должен быть максимальным. Это требование связано с предыдущим и означает, что только высокое насыщение сечения арматурой позволяет получить максимальную несущую способность и жесткость при минимальном габарите сечения. Традиционный подход к проектированию железобетона не позволяет в полной мере выполнить это требование, при этом принятые в развитых странах проценты армирования превосходят отечественные в 2-3 раза и доходят до 16%.

Ныне предлагаемые конструктивные решения колонн позволяют в несколько раз повысить данный показатель, что достигается благодаря «эффекту обоймы», который позволяет в несколько раз повысить прочность и деформативность бетона при условии конструктивного ограничения его поперечных деформаций. Такой подход позволяет использовать доступные бетоны рядовых классов (В25-В35), а также получать на них показатели прочности, соответствующие бетонам класса В50-В60. Используя для ограничения деформаций спиральные хомуты и трубчатые сердечники, можно повысить несущую способность колонны по бетону на 30% в первом случае и на 100% во втором, и использовать для армирования колонны высокопрочную арматуру класса А800, что позволяет повысить несущую способность по арматуре на 100%. Процент армирования при этом может достигать 30% и более, а габариты сечений колонн позволяют архитекторам воплощать самые смелые замыслы.

Самым негативным моментом, является следующее: при незначительном отклонении арматурных каркасов от проектного положения в сечении бетона возникают значительные дополнительные усилия. Для точного позиционирования стержневой арматуры, а также для надежного ее соединения необходимо использовать механическое соединение, обеспечивающее непосредственную передачу усилий от одного арматурного стержня к другому. В развитых странах они подразделяются на резьбовые и гильзовые. Большинство специалистов отдают предпочтение резьбовым соединениям, однако их устройство требует применения на строительной площадке сложного специального оборудования для нарезки резьбы.

Применение механического соединения арматуры позволит существенно уменьшить габариты сечения бетонных изделий, повысить точность монтажа каркасов, сократить расход арматуры на перепуски (до 10%), облегчить бетонирование.

Для повышения надежности работы конструкции при пожаре она может бетонироваться комплекс-но с использованием дисперсно-армированного бетона с применением высокопрочной стальной фибры. В случае с башнями-близнецами WTC жизнеспособность здания была бы выше, если бы применили дисперсно-армированный бетон.

Производство монолитного бетона. Сегодняшний день

На сегодняшний день ежегодное производство бетона для монолитного строительства в мире превышает два миллиарда кубометров. Объемы производства и применения монолитного бетона намного опережают другие виды строительных материалов. В наиболее развитых странах показатель применения на душу населения монолитного бетона составляет:

  • в США – 0,75 м;
  • в Японии – 1,20 м;
  • в Германии – 0,80 м;
  • во Франции – 0,50 м;
  • в Италии – 1,10 м;
  • в Израиле – 2,0 м и т.д.
  • В России, для сравнения, эта цифра составляет 0,15–0,20 м.

Как видно из цифр, именно в высокотехнологичной Японии данный показатель один из самых высоких. На изготовление бетона для монолитного строительства расходуется больше половины мирового производства цемента.

Сегодня в России именно в последние годы также наметилась тенденция к увеличению применения монолитного бетона и железобетона в жилищно-гражданском строительстве с использованием инвентарной опалубки, различных высокопроизводительных технологий, в том числе механизации и автоматизации приготовления, транспортировки и укладки бетонной смеси.

Быстрое возведение жилых и общественных зданий с использованием монолитного бетона подтвердило возможность применения различных архитектурных решений как для индивидуальной, так и для массовой застройки при относительно меньших затратах. В нашей стране не приходится правда говорить о снижении расхода металла и энергоресурсов по сравнению с другими видами индустриального строительства, так как наши монолитные здания остаются густоармированными и энергоемкими в части подготовки армокаркасов.

При определенных условиях применение монолитного железобетона может быть рационально и экономически выгоднее использования сборного железобетона. При этом сборный железобетон, изготавливаемый в заводских условиях будет качественнее по сравнению с монолитным бетоном, изготовленным в полевых условиях. Монолит актуален в первую очередь в районах со сложными геологическими условиями, при повышенной сейсмичности, в местах, где отсутствуют производства полносборного домостроения, где нет развитой сети автодорог, в сельских районах при наличии местных заполнителей и др.

Методы строительства с использованием монолитных несущих конструкций можно рассматривать как резерв повышения общего уровня интенсификации строительного производства. Выпущенная ранее нормативная и техническая документация обеспечивает возможность проектирования и изготовления монолитных железобетонных конструкций для любых видов строительства.

Годовой объем производства монолитного бетона и железобетона в России составляет около 30 млн. м3. В применении к отдельным видам строительства данный показатель распределяется следующим образом:

  • промышленное и специальное – 35-40%;
  • жилищно-гражданское – 26-30%;
  • подземное и транспортное – 20-30%;
  • сельскохозяйственное и др. – 5-10%.

Однако за высокую скорость и определенные экономические преимущества приходится платить, трудоемкость арматурных работ в монолитном строительстве в 1,5–2 раза выше, чем при производстве сборного железобетона, но данную ситуацию могут выправить различного рода волокна, а именно фибры. Направление дисперсного армирования в мире приобретает все большую и большую популярность, а разработки в этой области с каждым годом приобретают фундаментальный характер, ярким доказательством этого являются различные нормативные документы, принятые в последнее время, как за рубежом, так и у нас в стране. С помощью дисперсного армирования можно создать множество архитектурных форм.

К сожалению, в нашей стране культура монолитного бетона, даже в скрытых несущих конструкциях зданий, оставляет желать лучшего.

От правильной укладки стержневой арматуры зависит несущая способность бетонной конструкции. Существуют различные технологии укладки. Например в консольных конструкциях, защемленных с одной стороны, арматуру укладывают в верхней части бетонной массы. В конструкциях, защемленных с обеих сторон, арматуру укладывают в нижних слоях. В наиболее ответственных конструкциях сталь распределяют равномерно по всей массе бетона, связывая в каркас. В любом случае арматура должна находиться в толще бетона, приближаясь к поверхности на расстояние не менее 3 диаметров арматуры. Это расстояние и называется защитным слоем. При правильном соотношении вяжущих, заполнителей и арматуры получается мощная конструкция, способная выдержать очень большие нагрузки.

Арматура и бетон не всегда подвергаются коррозии под влиянием одних и тех же причин, однако, зачастую условия, влияющие на коррозию бетона, приводящие к понижению его плотности, содействуют коррозии арматуры. Арматура в бетоне подвергается коррозии в местах с высокой относительной влажностью, при наличии в воздухе сернистых газов, хлора, сероводорода и др. Одной из основных причин коррозии металла в бетоне являются электрохимические процессы, возникающие из-за неоднородности условий работы металла при неравномерном смачивании поверхности и неравномерной аэрации. Вследствие этого участки металла с более низкими значениями потенциала являются анодами, а с более высокими – катодами. Ионы металла на анодных участках будут переходить в раствор, а на катодных ионы водорода будут восстанавливаться в молекулы. При этом скорость коррозии зависит от воздухопроницаемости защитного слоя бетона и наличия в нем трещин. При высокой влажности, когда все капилляры в бетоне заполнены влагой, бетон становится воздухонепроницаемым и арматура коррозии не подвергается. Наличие в воде электролитов усиливает коррозию арматуры по мере повышения их концентрации. Карбонизация бетона углекислотой воздуха повышает стойкость бетона против коррозии, но способствует развитию коррозии арматуры. Одним из надежных способов защиты арматуры от коррозии является пассивирование поверхности арматуры, образование окисных пленок на металле в водной щелочной среде бетона. Этот эффект может быть усилен введением в состав бетонной смеси специальных пассивизаторов, например, нитрита натрия в количестве 2-3% от веса цемента.

В заключение хочется отметить, что внедрение инноваций и использование опыта зарубежных и отечественных специалистов в возведении высотных монолитных зданий предопределит тенденции развития технологий производства и армирования бетонов.

К сожалению, на сегодняшний день данный вид строительства по прежнему дорог, не защищен от ошибок, и зачастую опасен для дальнейшей эксплуатации. Может быть, амбициозным заказчикам и застройщикам следует вспомнить знаменитое высказывание Н.С. Хрушева: «Земли у нас много, зачем нам небоскребы!?».

Города теряют зеленые насаждения, тут и там возводятся многоэтажные здания и высотные жилые комплексы, архитектурное и технологическое исполнение которых оставляет желать лучшего. Возможно, стоит всерьез задуматься над перспективами малоэтажного строительства?


Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!


«« назад