Ю. С. ВОЛКОВ, канд. техн. наук (НИИЖБ), Монолитный железобетон
В настоящее время ежегодное производство бетона для монолитного строительства в мире превышает 1,5 млрд.м3. По объему производства и применения монолитный бетон намного опережает другие виды строительных материалов. В наиболее развитых странах душевой показатель применения монолитного бетона составляет (в м3): США — 0,75; Япония — 1,2; Германия — 0,8; Франция — 0,5; Турция — 0,35; Италия — 1,1; Израиль — 2. Для сравнения, в России этот показатель находится в пределах 0,15-0,2.
На изготовление бетона для монолитного строительства расходуется больше половины мирового производства цемента.
В монолитном исполнении возводятся промышленные и жилые здания, объекты соцкульта, плотины, энергетические комплексы, телебашни и тп. Самая высокая в мире телебашня возведена из монолитного бетона. Самые высокие здания на всех континентах построены с монолитным железобетонным каркасом, в том числе мировые рекордсмены — два небоскреба нефтяного концерна “Петронас” в Куала-Лумпуре, Малайзия (432 м). Б США насчитывается уже более 100 небоскребов с монолитным каркасом, бетон уверенно вытесняет сталь из этого вида строительства.
Обширной областью применения монолитного бетона являются инженерные сооружения (градирни, трубы, резервуары, защитные оболочки АЭС и т.д.). Современные градирни достигают высоты 150 м при диаметре основания 120 м. При этом толщина стены сооружения может составлять всего 19 см. Резервуары для хранения воды, сжиженного газа и т.д. могут достигать объема в несколько сот тысяч кубометров. Ярким примером строительных возможностей монолитного бетона являются морские платформы для добычи нефти высотой в несколько сот метров.
В России в последние годы также наметилась тенденция к увеличению применения монолитного бетона и железобетона в промышленном и жилищно-гражданском строительстве с использованием инвентарной опалубки, высокопроизводительной технологии и комплексной механизации приготовления, транспортировки и укладки бетонной смеси. Все шире используется монолитный бетон при возведении не только общественных и жилых зданий, но и индивидуальных многоэтажных усадебных домов и хозяйственных построек. Годовой объем производства монолитного бетона и железобетона в России составляет 25-30 млн.м3.
Для приготовления бетона в настоящее зремя используются смесители различной производительности Современные бетоносмесительные установки выпускаются производительностью 7, 12, 20 и 30 м3/ч, автобетоновозы с вместимостью 2,5; 3,5; 4,8 м3, автобетоносмесители объемом барабана 3,5; 5,7; 8 и 9 м3. Укладку бетона в дорожном и аэродромном строительстве производят с помощью высокопроизводительных широкозахватных бетоноукладчиков, а для ухода за бетоном применяют пленочные покрытия.
Повышение производительности труда достигается путем автоматизации приготовления бетонной смеси, с применением микропроцессорной техники для запоминания рецептуры составов, учета заданных и фактических показателей, контроля влажности и управления параметрами бетонной смеси. Процесс дозирования составляющих, перемешивание и выгрузка смеси полностью компьютеризирован. Распечатка сопроводительной документации содержит сведения о цементе, данные о продукции, времени ее доставки, адресе и даже оптимальном маршруте движения автобетоновоза или автомиксера.
Современные системы переставной блочной опалубки для строительства монолитных многоэтажных зданий могут быть размером в плане до 9x21 м и массой до 12 т.
Более широкое применение современной технологии укладки бетона при помощи автобетононасосов и использование пластификаторов предъявляет повышенные требования к конструктивным решениям опалубки. Разработаны основные типы унифицированных опалубок: разборно-переставная, мелкощитовая, блочная, скользящая, объемно-переставная, греющая, несъемная многофункционального назначения. Основные требования к опалубке зафиксированы и введены в государственных стандартах.
Объем бетона, укладываемого в унифицированные опалубки, в настоящее время составляет порядка 70-80%.
Значительный резерв повышения эффективности использования монолитного железобетона в массивных конструкциях — внедрение несъемной опалубки в виде тонкостенных элементов из армоцемента, стеклофиброцемента или тонких железобетонных плит.
При бетонировании в скользящей опалубке пространственная форма поднимается по мере наращивания сооружения. Скорость подъема опалубки определяет собственно весь технологический цикл. Темп бетонирования в зависимости от условий выдерживания бетона составляет обычно 3-4 м в сутки. Скользящую опалубку можно перенастраивать для образования сложных поверхностей, а также обеспечения примыкания диафрагм и т.д.
Наиболее успешно бетонирование в скользящей опалубке применяется при возведении вертикальных сооружений типа силосов, дымовых труб, водонапорных башен и резервуаров. Особенно эффектно выглядят в бетоне телевизионные башни, являющиеся достопримечательностями многих городов, особенно в Германии. Выдающимся сооружением явилась построенная по проекту Н.В.Никитина московская телебашня, при общей высоте которой 537 м железобетонная часть составляет 380 м
На сегодня телебашня в Торонто является самым высоким в мире отдельно стоящим сооружением (555 м). Есть более высокие стальные мачты, но они раскреплены растяжками. Поперечное сечение башни в виде трилистника оказалось весьма удачным для выполнения работ в скользящей опалубке и размещения напрягаемой арматуры. В центральной части башни размещены 48 канатов сечением 15,8 см2 каждый, в “ногах" на различном удалении расположены еще 72 каната. Площадь арматуры составила: напрягаемой — 2566 см2 при прочности 1900 Н/мм2, обычной —4 860 см2 при прочности 525 П/мм2 Площадь бетона — 98,5 м2 при прочности 35Н/мм2 (в цилиндрах). Ветровой опрокидывающий момент на башню составляет 4 150 МНм (415 тыс.тсм), вертикальная составляющая 622 МН (62 тыс.тс).
В Германии и Японии широко возводят в переставной опалубке резервуары яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени их построено общей емкостью более 1 млн.м3. Единичные емкости таких резервуаров колеблются от 1000 до 12 тыс.м3.
Наиболее выдающимся примером применения скользящей опалубки следует считать бетонирование кессона нефтедобывающей платформы в Норвегии, где периметр одновременно бетонируемых стен и диафрагм суммарно достигал 2 км Скользящая опалубка одномоментно перемещалась с помощью 1000 гидравлических домкратов.
Современные самоподъемные опалубки позволяют менять угол наклона стен. Так, при бетонировании стен здания солнечных часов в Диснейленде во Флориде угол их наклона менялся от 11 до 5 градусов Наклон стены выставочного павильона на выставке ЭКСПО-92 в Севилье составил 15 градусов (для сравнения, наклон Пизанской башни — 6 градусов). Опалубка также может перенастраиваться и на плане. Разработаны системы, где радиус опалубочной поверхности может меняться от 1 м до бесконечности, те. в плане очертание стены меняется от круглой до горизонтальной прямой.
При бетонировании стен тоннеля в Саксонии радиус поворота оси тоннеля составил 160 м, что было обеспечено конструкцией катучей опалубки. Современная опалубка рассчитывается на давление от свежеуложенного бетона до 12 тс/ м2 (120 кН/м2). Такие опалубки проектируются с применением новейших компьютерных программ.
Возможности реализации сложных планов зависят от конструктивных систем опалубки. Можно утверждать, что разработанные системы опалубки позволяют решать самые разнообразные задачи. Так, при строительстве гостиницы в Гамбурге на плане первого этажа были запроектированы колонны различных сечений (круглая, крестообразная, трилистник и т.д.). Высота колонн составила 11 м. Арматурный каркас монтировался внутри опалубки в горизонтальном положении перед ее установкой в проектную позицию. Повышенная скорость монтажа различных систем опалубки из-за высокой стоимости рабочей силы может дать существенный экономический эффект.
Примером высокоточных бетонных работ с помощью само подъемной опалубки может служить строительство небоскреба высотой около 200 м во Франкфурте, где проемы в монолитных стенах фасада выполнялись с допуском ±5 мм. Периметр наружных стен здания в плане составлял 210 м. Темп бетонирования достигал 8 сут на один этаж. Качество поверхностей стен после смены опалубки делало возможным выполнение отделочных работ без дополнительной доводки (затирки).
Монолитный бетон в малоэтажном строительстве также находит достаточно широкое применение. Так, опалубочные системы компании “Утинорд” (Франция) позволяют бригаде в 7 человек бетонировать ежедневно одну блок-секцию на две квартиры трех-, четырехэтажного дома. В малоэтажном строительстве перспективно применение несъемной опалубки из пенополистирола. Такая опалубка собирается с применением связей между наружными и внутренними слоями из отдельных блоков толщиной 7-10 см нескольких типоразмеров. После затвердения бетона, залитого внутрь, снаружи такая стена штукатурится полимерным раствором по сеткам из стекловолокна или цементным раствором по стальной сетке.
Разработаны эффективные методы выдерживания бетона в зимних условиях, позволяющие возводить бетонные и железобетонные конструкции практически при любых температурах наружного воздуха без снижения их качества.
Монолитный железобетон обладает рядом преимуществ по сравнению с металлом при использовании в каркасах высотных зданий. Одно из основных преимуществ — более эффективная диссипация (рассеяние)энергии колебания зданий при ветровых нагрузках. Во-вторых, поперечные сечения ядер могут иметь большие площади, что обеспечивает существенное повышение моментов сопротивления и соответственно незначительную деформативность таких зданий. Например, горизонтальные отклонения верха здания относительно высоты обычно не превышают 1/1000 Наконец, с разработкой высокоподвижных, высокопрочных бетонов подача материала на высоту может осуществляться бетононасосами, что намного эффективнее крановых операций, неизбежных при монтаже стальных конструкций.
При возведении высотных монолитных зданий применяются различные конструктивные системы Наиболее распространенными являются системы с ядрами (стволами) жесткости в центре плана. Обычно в ядре жесткости находятся лифтовые шахты. Ядро или ствол имеет по периферии плана каркас или систему диафрагм для обеспечения пространственной работы здания. Вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются стволом и диафрагмами. Среди других конструктивных систем следует упомянуть этажерочный каркас, когда несколько ядер (стволов) жесткости соединены массивными поперечными архитравами в нескольких уровнях по высоте здания. На архитравы опирается блок из 10-20 этажей.
Укладку значительных объемов бетона производят, как правило, с помощью мощных бетононасосов. Мировой рекорд подачи бетонной смеси на высоту, составляющий 500 м, был достигнут насосом фирмы “Putzmeister” в Альпах (Италия). При возведении небоскребов “Петронас" высота подачи смеси составила 432 м. Мировой рекорд перекачки бетонной смеси по горизонтали превышает 2 км.
Здания нефтяной компании “Петронас” в Куала-Лумпуре (Малайзия) на сегодня мировой рекордсмен среди небоскребов (см.рисунок). Американский небоскреб "Сперс”, державший пальму первенства более 20 лет, в настоящее время второй. Каждое здание “Петронас” круглого очертания в плане имеет по периметру 16 железобетонных колонн диаметром 2,4 м каждая, связанных в уровне каждого этажа кольцевыми балками, образуя внешний несущий каркас. Перекрытия выполнены монолитными по стальному профилированному настилу и опираются на кольцевые балки и ствол жесткости по центру сечения. Полная высота сооружения от основания свайного фундамента до верхней точки телеантенны на крыше 582 м. Бетонирование велось в переставной опалубке.
За последние годы в США было построено более 100 млн.м2 монолитных перекрытий с натяжением арматуры на бетон. Значительный объем таких перекрытий возведен в Канаде. Предварительно напряженная арматура в монолитных железобетонных конструкциях (перекрытия, мосты, высотные сооружения и т.д.) в последнее время применяется без сцепления с окружающим бетоном. Для защиты от коррозии арматурные элементы (канаты) помещаются в специальные оболочки, заполненные антикоррозионным составом. В монолитных перекрытиях, мостах, емкостных сооружениях, напорных сосудах и т.д. траектории напрягаемой арматуры могут иметь весьма сложные очертания, исходя из эпюр действующих усилий.
Монолитное бетонирование является основным методом при строительстве дорог. Современные машины позволяют бетонировать основание проезжей части шириной до 16 м за один проход.
Следует отметить, что монолитный предварительно напряженный железобетон, помимо традиционных строительных целей, нашел широкое применение для возведения корпусов реакторов и защитных оболочек АЭС. В настоящее время мощность атомных электростанций в мире превышает 150 млн. кВт, в том числе доля АЭС с применением лреднапряженного железобетона для корпусов реакторов и защитных оболочек составляет более 40 млн. кВт. Защитных оболочек из преднапряженного железобетона построено более 100. В корпусах реакторов бетон находится в очень суровых условиях эксплуатации. На атомной электростанции “Вилфа” в Великобритании возведено два реактора с корпусами из преднапряженного железобетона. Масса каждого корпуса 50 тыс.т. Бетон работает при постоянной температуре 400°С и под давлением внутри корпуса 28 атм.
Морские сооружения из железобетона, построенные в последние десятилетия за рубежом, потребовали мобилизации всей суммы инженерных знаний, достигнутых в области строительства. Идея предварительного изготовления сооружения в котловане или в доке в виде блока с последующей его буксировкой к месту эксплуатации получила распространение в самых различных областях строительной практики. Сюда можно отнести нефтедобывающие платформы, швартовые палы, массивные якоря, туннели и другие стационарные сооружения, силовые установки, плавучие доки, а также другие плавучие средства, используемые для работ в океане.
Выдающимся примером строительно-технических возможностей монолитного железобетона является возведенная в 1995 г. в Норвегии платформа “Тролл” для добычи нефти (всего их построено более 20). Ее полная высота 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной воды более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 31,5 м На ее изготовление было израсходовано 250 тыс.м3 высокопрочного бетона класса С80, 100 тыс.т обычной стали и 11 тыс.т напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок эксплуатации платформы 70 лет. Скорость перемещения скользящей опалубки при бетонировании вертикальных колонн составляла 4-5 м в день.
За рубежом возведен ряд интереснейших объектов с применением пространственных конструкций из монолитного железобетона, относящихся к наиболее примечательным достижениям строительной практики. Так, в Сиэтле (США) построен ребристый железобетонный купол пролетом 220 м. Вообще монолитные оболочки обладают эффектной архитектурной выразительностью. Например, здание Национального центра техники и промышленности в Париже в районе Дефанс пролетом 21G м имеет опирание на три точки.
Обширной областью применения железобетона, и прежде всего преднапряженного, является мостостроение. Только в США насчитывается более 500 тыс. железобетонных автодорожных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено около 20 вантовых мостов длиной 600700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м
Выдающиеся достижения в мостостроении имеют не только США. Мировой рекорд для вантовых мостов принадлежит мосту “Нормандия", где достигнут пролет 864 м. Ненамного ему уступает мост “Васко да Гама” в Лиссабоне, построенный к Всемирной выставке ЭКСПО-98, где общая протяженность мостового перехода превышает 18 км Основные несущие конструкции этого моста (пилоны и пролетные строения) выполнены из бетона класса С45 (по старому — марка 600). Центральный пролет достигает 830 м. Гарантированный срок службы моста 120 лет по критерию долговечности бетона.
В Европе к 2010 г. должна быть полностью обновлена железнодорожная сеть с переводом движения на скорости 200-250 км/ч. Для этого необходимо построить 9 тыс. км новых линий, рассчитанных на движение поездов со скоростью 250 км/ч и реконструировать 150 тыс. км старых линий.
Европейская промышленность товарного бетона примет самое широкое участие в этой работе. Только во Франции такой бетон выпускают 150 заводов, поставки цемента для которых осуществляют 10 цементных заводов и 70 ка- рьеров-заготовителей.
Организация производства товарного бетона для монолитного строительства переходит на сертификации в соответствии со стандартами серии ИСО 9000. Большое внимание уделяется контролю качества бетона. Так, во Франции при сооружении одного из мостов на 18 тыс. м3 уложенного бетона было отобрано 4,5 тысячи образцов для испытания в различные сроки твердения.
Таким образом, на основе изложенного можно сделать вывод, что монолитное строительство за последние 10-20 лет получило значительное развитие. Анализ достигнутого уровня в области технологии бетона, конструктивных решений разнообразных сооружений, выполненных в последние годы в монолитном железобетоне, позволяют утверждать, что монолитное строительство будет развиваться по следующим направлениям: •дальнейшее вытеснение стали в качестве материала для каркасов высотных зданий. До 2010 г. можно ожидать появление небоскребов с железобетонным каркасом высотой 500-600 м;
• поскольку значительная часть потребности во внеклассных мостах относится к пролетам до 1 км, то здесь вантовые системы с железобетонной балкой жесткости обладают существенными преимуществами перед висячими системами. По-этому монолитный железобетон здесь будет основным материалом как для пилонов, так и для пролетных строений;
• однозначно можно прогнозировать расширение применения монолитного бетона для престижных жилых и административных зданий, при реконструкции сложившейся городской застройки, создании архитектурных акцентов;
• благодаря появлению разнообразных опалубочных систем здания, возводимые в монолитном железобетоне, будут приобретать сложные архитектурные очертания;
• монолитный бетон и железобетон по-прежнему широко будут применяться в подземном, транспортном, гидротехническом и 8 других специальных видах строительства
Бетон и железобетон, 2000 №1