Проанализирован опыт применения сталежелезобетонных стержневых конструкций за рубежом и перспективы его применения в России. Приведены сведения о трубобетонных конструкциях, их экономические, конструкционные и технологические преимущества.
Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, трубобетон, стержневые элементы, композитные материалы, высотное строительство, сталь, бетон
Современное строительство — это разработка новых материалов, имеющих высокие прочностные и эксплуатационные характеристики, поиск новых решений, позволяющих сэкономить как трудовые, так и денежные ресурсы.
На данном этапе развития строительства все чаще применяется такой термин как «композитные материалы». Они, как правило, состоят из пластинчатой основы и наполнителя, в качестве которых выступают, обычно, уже изученные материалы. Таким образом, совмещая различные свойства традиционных материалов, можно получить совершенно новый, обладающий свойствами, количественно и качественно отличающимися от свойств каждого из составляющих. Сталежелезобетон, сочетая в себе железобетонную и стальную составляющие, является отличным примером композитного материала.
Применение сталежелезобетонных конструкций
Для стержневых элементов, таких как балки и колонны, применяются трубобетонные конструкции, которые являются разновидностью сталежелезобетонных. Они выполнены из обоймы в виде металлической трубы, заполненной железобетонной составляющей, образующей внутреннее ядро. При такой комбинации материалов наиболее полно используются их специфические свойства, что позволяет существенно снизить массу конструкции, уменьшить расход стали и бетона, и, как следствие, сократить общие затраты на строительство.
Трубобетонные конструкции широко применяются при строительстве таких ответственных сооружений, как метрополитены, мосты, тоннели и высотные здания. Связано это с тем, что применение такого материала при действии как статических, так и различных динамических воздействий существенно улучшает механические свойства конструкции — прочность, жесткость, устойчивость, огнестойкость.
Опыт применения трубобетона имеют США, Япония и ряд Европейских стран. Но, наиболее широко, на данный момент, трубобетон применяется в Китае. В стране насчитывается более 30 небоскребов, несущие конструкции которых выполнены в трубобетонном исполнении [2]. Ярким примером является телебашня «Canton Tower» в городе Гуанчжоу, построенная в 2009 году. Ее высота достигает 600 метров. Несмотря на то, что здание имеет криволинейную форму, основными несущими элементами являются прямолинейные трубобетонные колонны (рис.1).
Рис. 1. Телебашня Canton Tower в городе Гуанчжоу
Другими примерами применения трубобетона в гражданском строительстве могут служить 58-этажное административное здание «Two Union Square» высотой 230,7 м (США), 72-этажное административное здание в Шинзиэне (КНР), 62-этажное административное здание «Key Bank Tower» (США) [1]. В мостостроении — мост «Manaus-Iranduba» через левый приток Амазонки, его опоры выполнены в виде массивных трубобетонных стоек.
Еще одной разновидностью сталежелезобетонных стержневых конструкций являются конструкции с жесткой арматурой. Они также сочетают в себе свойства двух материалов — стали и бетона, только, в этом случае, ядром служат стальные профили, представленные в виде уголков и швеллеров, а обойма выполнена из железобетона. Такие конструкции применяют, в основном, в промышленном строительстве, при наличии больших нагрузок.
Достоинства сталежелезобетонных конструкций
В трубобетонных конструкциях стальная оболочка выступает в качестве несъемной опалубки, что значительно упрощает процесс возведения конструкции и уменьшает сроки строительства. Помимо этого, стальная труба играет роль продольного и поперечного армирования.
Так как пространство внутри трубы полностью заполнено бетоном, значительно возрастает коррозионная стойкость металла, вследствие уменьшения воздействия негативных факторов на металлическую «опалубку» изнутри. Железобетонный массив, в свою очередь, обжат обоймой равномерно со всех сторон, что обеспечивает его трехосное сжатие, при котором прочность бетона возрастает в несколько раз. Также, наличие стальной оболочки снижает процесс трещинообразования в бетоне, уменьшает влияние таких факторов, как ползучесть и усадка.
Следует отметить, что заполнение стальной трубы бетоном повышает жесткость элементов, локальную устойчивость стенок трубы, значительно увеличивает несущую способность и огнестойкость.
Конструкции из трубобетона используются при строительстве ответственных сооружений, так как они очень надежны в эксплуатации. В отличие от железобетонных элементов, которые при развитии больших деформаций могут мгновенно потерять несущую способность, трубобетонные конструкции способны выдерживать значительные нагрузки в течение более долгого времени. Таким образом, исключается возможность хрупкого разрушения, которое считается особенно опасным.
Именно поэтому, возможно применение таких конструкций при строительстве особо важных объектов, высотных зданий в любых условиях, даже в сейсмоопасных районах.
К экономическим преимуществам относятся: сокращение расхода металла при возведении каркасов высотных зданий в 1,8–2 раза, сокращение сроков строительства коробок зданий и сооружений в 1,5–2 раза, снижение себестоимости строительства на 25–35 %. К технологическим: возможность работы в зимнее время, снижение объема сварочных работ, высокая скорость возведения [5].
Недостатки применения
Сложность обеспечения совместной работы стали и бетона существенно осложняет применение трубобетонных конструкций, требуя разработки эффективных узлов сопряжения. Также, достаточно трудоемко сопряжение трубобетонных колонн с элементами перекрытия.
Помимо этого, расчет таких конструкций является достаточно сложным. На данный момент, не существует единой методики расчета, учитывающей все факторы, влияющие на работу такой составной конструкции.
Несмотря на то, что история применения сталежелезобетона берет свое начало еще в середине XIX века, в России материал пока не получил широкого применения. Связано это, отчасти, с тем, что процесс проектирования сталежелезобетонных конструкций усложняется из-за отсутствия нормативной базы. На данный момент, идет разработка Свода Правил по проектированию сталежелезобетонных конструкций, и очень хочется надеется, что после их утверждения трубобетонные конструкции найдут широкое применение в нашей стране.
Литература:
- Афанасьев А. А., Курочкин А. В. Трубобетонные конструкции для возведения каркасных зданий // Academia. Архитектура и строительство. — 2016. — № 2. — С. 113–118.
- Дуванова И. А., Сальманов И. Д. Трубобетонные колонны в строительстве высотных зданий и сооружений // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2016. — № 6. — С. 89–103.
- Кришан А. Л. Трубобетонные колонны для многоэтажных зданий // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2009. — № 4. — С. 75–80.
- Овчинников И. И., Овчинников И. Г., Чесноков Г. В., Михалдыкин Е. С. О проблеме расчета трубобетонных конструкций с оболочкой из разных материалов. Часть 2. Расчет трубобетонных конструкций с металлической оболочкой // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». — 2015. — № 4.
- http://elima.ru/articles/index.php?id=177
