Приложение на високоякостните бетони в строителните конструкции

Цанко Колев, докторант, УАСГ Въпреки че често високоякостният бетон се смята за сравнително нов материал, всъщност той се е развивал постепенно през годините, с което се променя и определението за него. През 1950 г. бетон с якост на натиск 34 МРа е смятан за високоякостен. Днес за такъв се приема бетон с характеристична цилиндрична якост на натиск между 50 и 100 МРа, а бетон с характеристична цилиндрична якост на натиск над 100 МРа се определя като супервисокоякостен. Високоякостните бетони се изготвят от високоякостни цименти и добавъчни материали. Те притежават по-голяма якост на натиск, на опън и са с по-голям модул на еластичност. Характеризират се с повишена дълготрайност, намалено съсъхване и пълзене, по-добро съпротивление на удар на изтриваемост. В продължение на дълги години за изпълнението на строителни съоръжения са използвани бетони с по-ниски якости, което от своя страна води до получаване на по-големи размери на напречните сечения на конструктивните елементи (колони, стени и др.). В последните десетилетия прилагането на високоякостен бетон се увеличава и сега той се използва навсякъде по света. Днес е основен компонент за изпълнението на обекти с големи мащаби, като небостъргачи, мостове, тунели и др. Приложение в строителните конструкции С развитието на технологиите и стремежа за изпълнение на съвременни иновативни сгради и инженерни съоръжения високоякостният бетон намира все по-голямо приложение. Той се прилага в: – сгради: многоетажни жилищни, обществени и промишлени, складове и гаражи; – мостови конструкции; – пристанищни съоръжения; – пътни настилки; – хидротехнически съоръжения; – тежконатоварени индустриални подове. Стоманобетонни конструкции, изпълнени с високоякостен бетон През 1962 г. бетон с проектна якост на натиск 41 МРа е използван за строежа на 40-етажната офис сграда в Чикаго, САЩ. През 1972 г. бетон с якост на натиск 52 МРа е произведен за 52-етажна офис сграда отново там. Двадесет и пет години след началото се стига до материал с натиск 95 МРа, а в края на 80-те години на ХХ в. и супервисокоякостен - 130 МРа, за 58-етажната сграда в Сиатъл, САЩ. През 1993 г. започва строежът на небостъргачите близнаци. До 2004 г. това са най-високите сгради в света. За изграждането на конструкцията им е използван високоякостен бетон с якост на натиск 100 МРа. През 2004 г. започва строежът на „супер” небостъргача „Бурж Дубай” („Бурж Халифа”) в Дубай, който официално е открит през 2010 г. (фиг. 1б). За нея е използван високоякостен бетон с якост на натиск 80 МРа. Освен в сградите високоякостният бетон се използва и при изграждането на мостови конструкции. През 1989 г. в Норвегия е построен такъв с високоякостен бетон с леки добавъчни материали с якост на натиск 55 МРа. По този начин е реализирано олекотяване и висока носимоспособност на конструкцията на моста. През 1993 г. за подобно съоръжение в Япония е използван високоякостен бетон с якост на натиск 100 МРа. През 1998 г. е построен мост в Уелс, Великобритания. Той представлява многоотворен вантов мост, в който е вложен бетон с кубова якост на натиск 70 МРа. Комбинирани стомано-стоманобетонни конструкции, изпълнени с високоякостен бетон В сравнение със стоманените и стоманобетонните конструкции комбинираните започват да се прилагат значително по-късно, но тяхното използване в строителната практика има достатъчно голям обхват и непрекъснато се разширява. През 1999 г. във Виена е построена 55-етажна сграда. За изпълнението са използвани комбинирани стомано-стоманобетонни рамки и стоманобетонно ядро. За да се постигнат по-малки размери на колоните, се използват комбинирани стомано-стоманобетонни сечения със запълнени с бетон кръгли стоманени сечения и вбетонирани стоманени ядра и с изцяло вбетонирани 2Т-стоманени сечения. Използвана е конструкционна стомана клас 8355 и самоуплътняващ се бетон с кубова якост на натиск от 40 до 60 МРа. През 1999 г. започва строителството на 101-етажна офис сграда в Тайпе, Тайван (фиг. 2а) и завършва през 2004 г. Конструкцията е изпълнена от стоманени рамки с комбинирани стомано-стоманобетонни греди и комбинирана стомано-стоманобетонна подова конструкция. За поемането на вертикалните товари са използвани осем комбинирани стомано-стоманобетонни мегаколони със запълнено с високоякостен бетон съставено квадратно стоманено сечение. Използван е високоякостен бетон с якост на натиск 70 МРа и високоякостна стомана 8М570М с граница на провлачване 420 МРа. През 1994 г. в Шанхай, Китай, започва строителството на 91-етажна сграда Jin Mao и завършва през 1999 г. (фиг. 2б). Използван е бетон с клас по якост на натиск от С40/50 до С60/75. През 2008 г. в Дубай, Обединени арабски емирства, е построено 70-етаж­но здание. Използвана е конструктивна система тръба в тръба, състояща се от периферни стоманобетонни рамки и централно стоманобетонно ядро. В по-ниската част на сградата са изпълнени комбинирани стомано-стоманобетонни колони със запълнени с бетон кръгли стоманени сечения и изцяло вбетонирани 2Т-стоманени сечения. По този начин са намалени напречните сечения на колоните. Използван е бетон с кубова якост на натиск от 45 до 70 МРа, армировъчна стомана с граница на провлачване 460 МРа и конструкционна стомана клас 8355. Предимства и недостатъци Високоякостният бетон често се използва в конструкции не само заради високата си якост на натиск, а и поради други негови характеристики, като увеличен модул на еластичност, повишена водоплътност, намалено съсъхване и пълзене, по-добро съпротивление на удар, на изтриваемост или по-голяма дълготрайност. При сградите използването на високоякостен бетон довежда до намаляване на размерите на напречните сечения на стоманобетонните елементи, което води до получаване на по-големи свободни пространства, олекотяване на конструкциите, реализиране на икономия на материали, средства и труд при тяхното изготвяне, транспорт и монтаж. В мостовите конструкции високоякостните бетони се използват за увеличаване на дължината на отвора, увеличаване на разстоянието между гредите в напречно направление и намаляване на размерите на напречните сечения на стоманобетонните елементи. Увеличената водоплътност и намалената пропускливост на вредни вещества на високоякостния бетон дават възможност за увеличаване на дълготрайността и осигуряване на експлоатационната годност на мостовата конструкция. Като недостатъци на високоякостния бетон може да се приемат необходимият строг контрол на състава на бетона при производството му и повишената себестойност за производството на 1 т3 бетон. Проблеми в комбинирани елементи и конструкции у нас В комбинирани елементи и конструкции у нас се явяват редица проблеми. Първо, в България те са малко прилагани в строителната практика поради следните причини: – липса на нормативна база за тяхното проектиране и изпълнение до навлизането на БДС ЕМ 1994-1-1:2005 (Еврокод 4); – епизодични и недостатъчни научни изследвания на комбинирани елементи и конструкции у нас, независимо от обстоятелството, че теоретични и експериментални изследвания на такива конструкции в световен мащаб се извършват от много години и че периодично се провеждат международни симпозиуми и конференции; – незаинтересованост в миналото на определени строителни организации и строителни фирми да се снабдят с необходимата съвременна технологична съоръженост за заваряване на болтови дюбели. С навлизането на стандарта БДС ЕМ 1994-1-1:2005 възниква нов проблем пред българските проектанти. В този стандарт се допуска използването на бетони до клас С60/75 за комбинирани стомано-стоманобетонни плочи и греди и до клас С50/60 за комбинирани стомано-стоманобетонни колони, т.е. не се позволява прилагането на високоякостни бетони в комбинираните стомано-стоманобетонни колони. Проблем е и липсата на производство. Това се дължи на необходимостта от високоякостни материали за изготвянето му, подходящи рецепти за проектиране на състава на бетона и необходимостта от строг контрол при производството му. Заключение В последните десетилетия прилагането на високоякостен бетон в строителните конструкции се увеличава значително. Днес той е основен компонент за изпълнението на обекти с големи мащаби, като небостъргачи, мостове, тунели и др. Основните предимства на високоякостния бетон са неговата висока якост на натиск, увеличен модул на еластичност, повишена водоплътност и др. Тези характеристики са съчетани и с изключителна дълготрайност, което обуславя ниски експлоатационни разходи и дълъг живот на съоръженията. Това разширява значително областите на приложение на високоякостния бетон в сравнение с бетоните с нормална якост. Освен това използването на тези бетони за по-тънкостенни сечения води до намаляване на количеството на бетонните работи, на кофража, на вложената армировка и олекотяване на стоманобетонната конструкция. В България използването на високоякостен бетон и изпълнението на комбинирани стомано-стоманобетонни елементи и конструкции е много ограничено, а комбинирани елементи и конструкции от високоякостен бетон не се прилагат в строежите у нас. ЛИТЕРАТУРА БДС ЕМ 1994-1-1:2005 и БДС ЕМ 1994-1-1:2005ЛЧА - Еврокод 4: Проектиране на комбинирани стомано-стоманобетонни конструкции. Част 1-1: Общи правила и правила за сгради. Венков. Л., Захариева-Георгиева Б. Еврокод 4: Проектиране на комбинирани стомано-стоманобетонни конструкции в сгради. София, 2013. Caldarone Michael A.. High-Strength Concrete. A practical guide, 2009. Chandunni R., Berahman F. The structural design of Almas Tower, Dubai, 2010. High-Strength Concrete in Bridge Construction, A state-of-the-art report, 2005. Huber G. Semi-continuous beam-to-column joints at the Millennium Tower in Vienna, Austria, Steel and composite structures, 2001. Kribanandan G. N. The Petronas Tower: The World’s Tallest Building, 1995. Sarkisian M., Mathias N., Long E., Mazeika A., Gordon J., Chakar J. Jin Mao Tower’s Influence on China’s New Innovative Tall Buildings, 2006. Shaw-Song Shieh, Ching-Chang Chang., Jiun-Hong JONG. Structural Design of Composite Super-Columns for The Taipei 101 Tower, 2009