Применение высокопрочного бетона в высотном строительстве
Развитие технологии бетона, направленное на повышение его прочностных характеристик, его основные этапы. Повышение активности цемента, качества заполнителя и развитие технологии уплотнения бетонной смеси. Снижение стоимости строительных конструкций.
Рубрика | Строительство и архитектура |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 03.12.2018 |
Размер файла | 302,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Применение высокопрочного бетона в высотном строительстве
Петухов Андрей Владимирович
Коровкин Марк Олимпиевич
Ерошкина Надежда Александровна
Аннотации
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
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
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 С 140 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]) бетон прочностный цемент
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 С 85 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 С 105 и выше. Наблюдение за зданием небоскреба Taunustor из высокопрочного бетона класса С 115 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. Breitenbьcher 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.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Определение водоцементного отношения, водопотребности бетонной смеси, расхода цемента и заполнителей. Построение математических моделей зависимостей свойств бетонной смеси и бетона от состава. Анализ влияния изменчивости состава бетона на его свойства.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 10.04.2015Изготовление штучных строительных конструкционных изделий и монолитов. Использование легкого пористого высокопрочного саморастущего бетона с регулируемой активностью. Улучшение физико-механических характеристик, упрощение технологии приготовления бетона.
статья [208,2 K], добавлен 01.05.2011Проектирование технологии строительства с учетом характеристик проектируемого предприятия. Выбор вида бетона, технологических параметров и способов изготовления и уплотнения бетонной смеси. Проектирование технологии арматурного и фасовочного цеха.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 10.08.2012Изучение порядка определения требуемой прочности и расчет состава тяжелого бетона. Построение графика зависимости коэффициента прочности бетона и расхода цемента. Исследование структуры бетонной смеси и её подвижности, температурных трансформаций бетона.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 28.07.2013Определение и краткая история высокопрочного бетона. Общие положения технологии производства бетонов: значение качества цемента, заполнителей, наполнителей и воды. Основные характеристики структурных элементов бетона. Способы повышения его прочности.
реферат [25,9 K], добавлен 07.12.2013Назначение марки цемента в зависимости от класса бетона. Подбор номинального состава бетона, определение водоцементного отношения. Расход воды, цемента, крупного заполнителя. Экспериментальная проверка и корректировка номинального состава бетона.
контрольная работа [46,7 K], добавлен 19.06.2012Определение и уточнение требований, предъявляемых к бетону и бетонной смеси. Оценка качества и выбор материалов для бетона. Расчет начального состава бетона. Определение и назначение рабочего состава бетона. Расчет суммарной стоимости материалов.
курсовая работа [84,9 K], добавлен 13.04.2012Проектирование технологии производства наружных стеновых панелей. Выбор вида бетона, технологических параметров и способов изготовления и уплотнения бетонной смеси. Основные положения технологии цехов. Расчёт потребности в энергетических ресурсах.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 13.01.2016Проектирование технологии производства. Обоснование строительства. Продукция предприятия и мощность. Сырьевая база и транспорт. Выбор вида бетона, технологических параметров и способов изготовления и уплотнения бетонной смеси. Транспорт цемента в бункера.
курсовая работа [266,7 K], добавлен 19.08.2016Первые бетонные постройки. Основные этапы развития технологии бетона в Древнем Риме. Жесткие и малоподвижные бетонные смеси. Применение силикатного, цементно-полимерного, декоративного бетона и фибробетона. Процесс создания новых видов бетонов.
реферат [43,9 K], добавлен 21.07.2011Технологии, используемые на бетонных заводах. Основные параметры и размеры песка, щебня и гравия из горных пород, применяемых для строительных работ. Классификация цемента, требования к нему. Контроль качества бетона, его условные обозначения и свойства.
отчет по практике [339,9 K], добавлен 10.11.2014Характеристика цемента, песка, щебня. Нормируемая отпускная прочность бетона. Форма и размеры арматурных изделий и их положение в балках. Материалы пониженного качества. Расход крупного и мелкого заполнителя. Расчет состава бетона фундаментной балки.
курсовая работа [25,4 K], добавлен 08.12.2015Оценка агрессивности водной среды по отношению к бетону. Определение параметров состава бетона I, II и III зон, оптимальной доли песка в смеси заполнителей, водопотребности, расхода цемента. Расчет состава бетонной смеси методом абсолютных объемов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 12.05.2012Классификация бетона по маркам и прочности. Сырьевые материалы для приготовления бетонов. Суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов. Проектирование, подбор и расчет состава бетона с химической добавкой. Значения характеристик заполнителей бетона.
курсовая работа [52,7 K], добавлен 13.03.2013Механические свойства бетона и состав бетонной смеси. Расчет и подбор состава обычного бетона. Переход от лабораторного состава бетона к производственному. Разрушение бетонных конструкций. Рациональное соотношение составляющих бетон материалов.
курсовая работа [113,6 K], добавлен 03.08.2014Виды бетона, подбор его состава с рациональным соотношением составляющих материалов. Характеристика зернового состава крупного заполнителя. Свойства бетонной смеси. Расчет расхода составляющих бетонную смесь материалов методом абсолютных объемов.
контрольная работа [47,7 K], добавлен 10.07.2013Расчет состава бетона В5 с подвижностью бетонной смеси 1-4 см (П1). Формулы технико-экономической оценки составов бетона. Расчет энергозатрат на производство материалов для 1 м3 бетонных смесей различного состава. Расход цемента на 1 м3 шлакобетона.
курсовая работа [408,9 K], добавлен 24.11.2012Требования, предъявляемые к опалубке. Методы обеспечения проектного защитного слоя бетона. Проектирование состава бетонной смеси. Конструирование и расчет опалубки. Уход за бетоном, распалубка и контроль качества. Транспорт бетонной смеси к месту укладки.
курсовая работа [66,3 K], добавлен 27.12.2012Технология производства тяжелого товарного бетона и его характеристики. Выбор метода производства бетона, расход цемента для получения нерасслаиваемой плотной смеси. Организация технологических процессов подготовки сырья, режимы производства продукции.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 01.09.2010Требования, предъявляемые к опалубке. Заготовка и монтаж арматуры. Методы обеспечения проектного защитного слоя бетона. Транспорт бетонной смеси к месту укладки. Уход за бетоном, распалубка и контроль качества. Укладка и уплотнение бетонной смеси.
курсовая работа [70,1 K], добавлен 25.03.2013