Трубобетонный каркас – рациональный выбор при проектировании высотных зданий

И. Н. Могилевцева, О. В. Разумова

Введение

Современные технологии в сфере строительства позволяют не только увеличить надежность зданий, но и сделать их значительно привлекательнее. Применяя разнообразные архитектурно-планировочные решения и новые технологии в строительстве, архитекторы имеют возможность для самовыражения и создания индивидуальных проектов, коренным образом отличающихся от предыдущих.

Сейчас во многих странах получил распространение такой вид монолитных железобетонных конструкций как трубобетон, его использование позволяет увеличить устойчивость зданий в несколько раз.

Анализ публикаций

В первых сооружениях с использованием трубобетона применялось многотрубное армирование, при котором несущим элементом был пакет из трубобетонных стержней малого диаметра. Примером использования многотрубных пакетов является арочный мост пролетом 9 м в восточном предместье Парижа, построенный в 1931 г. (рис. 2). Две арки этого моста состоят каждая из шести труб диаметром 60 × 3,5 мм, заполненных бетоном.

Рис. 1. Пример здания с применением трубобетона

Рис. 2. Мост в предместье Парижа

В 1936 г. под руководством академика Г. П. Передерия был сооружен мост пролетом 101 м через р. Нева в Санкт-Петербурге, в котором применена известная схема безраскосной фермы. Крупногабаритный пакет из 40 труб диаметром 140 × 5 мм использован в качестве верхнего параболического пояса пролетного строения. Трубы изготовлены из малоуглеродистой стали марки Ст5. Впоследствии система пакетного трубобетона не применялась из-за сложности изготовления.

Рис. 3. Общий вид моста через р. Нева

Рис. 4. Поперечное сечение арки моста

Цель статьи

Изучить историю возникновения трубобетонных конструкций. Рассмотреть конструкционные и строительно-технические свойства трубобетона, а также показать возможность его применения в самых различных областях строительства.

Началом широкого развития трубобетонных конструкций следует считать появление монотрубной системы. В 1940-х годах проф. В. А. Росновский предложил использовать в качестве конструктивного элемента мостов одну тонкостенную стальную трубу, заполненную бетоном, и в ряде проектов показал ее преимущества по сравнению с обычными решениями. Им были предложены различные конструкции мостов с применением такого решения, а впоследствии по одному из этих предложений был построен железнодорожный мост через р. Исеть вблизи г. Каменск-Уральский.

Рис. 5. Общий вид моста р. Исеть вблизи г. Каменск-Уральский

Рис. 6. Схема конструкции моста р. Исеть

Изготовление трубобетона. При изготовлении трубобетона используются круглые цилиндрические, а также призматические (квадратные или прямоугольные) трубы. В некоторых случаях внутри бетонного ядра устанавливается арматура: гибкая – в виде стержней или жесткая – уголки, двутавры и др. В нашей стране такие конструкции используют для свай, представляющих собой металлические цилиндрические оболочки диаметром 1 600 мм с армированным бетонным ядром. Армирование ядра позволяет уменьшить диаметр оболочки и, следовательно, поперечный габарит конструкции, что имеет большое значение.

Рис. 7. Армирование бетонного ядра: а – гибкой арматурой; б – жесткой арматурой в виде трубы; в – то же, уголком; г – тоже, двутавром

Рис. 8. Примеры армирования бетонного ядра: а – трубобетонный сердечник неармированный; б – то же, с высокопрочной арматурой; в – жесткий рамный узел, колонна с перекрытием

Технология заполнения труб бетоном. При широком применении трубобетонных конструкций необходим индустриальный и высокопроизводительный способ заполнения труб бетоном, обеспечивающий высокую прочность и однородность бетонного ядра.Существуют три способа уплотнения бетона в трубах: глубинным вибрированием, штыкованием и внешним вибрированием.

Наиболее эффективным и универсальным является внешнее вибрирование, осуществляемое с помощью вибростола с вертикальным и гармоническими колебаниями. При этом способе трубы, прочно прикрепленные квибростолу в вертикальном положении, вибрируют вместе с ним. Бетон подается сверху через загрузочные воронки в вибрирующую трубу, заполняет ее и одновременно уплотняется.

Существует также инъекционный способ заполнения трубы бетоном. При использовании данного способа бетон подается снизу вверх по трубе через отверстие в ее боковой грани.

Рис. 9. Схема заполнения трубы бетоном инъекционным способом

Преимущества трубобетона

• позволяет в 1,5 – 2 раза снизить расход бетона;

• в 1,8 – 3 раза снижает массу конструкции;

• вдвое экономит затраты труда в связи с отсутствием арматурных, сварочных работ и работ по монтажу опалубки;

• по сравнению со стальными конструкциями применение трубобетонных колонн позволяет в 1,5 – 2 раза сократить расход металла при одинаковой массе конструкций;

• трубобетонные конструкции обладают всеми достоинствами металлических конструкций в плане монтажа, отличаясь при этом более высокой огнестойкостью;

• конструкционные свойства трубобетона позволяют применять его в самых различных областях строительства;

• конструкции с трубобетоном работают более гибко, по сравнению с обычными армированными опорами, и выдерживают значительно большие нагрузки;

• в открытой опалубке бетон всегда имеет усадку, в жесткой оболочке, наоборот, происходит его распирание;

• металл, работая в связке с бетоном в закрытой конструкции, обеспечивает гораздо более высокий коэффициент устойчивости, чем в конструкциях с армированным открытым бетоном;

• в трубобетоне трещин практически не бывает.

Недостатки трубобетона

• относительно высокая стоимость стальных труб большого диаметра;

• пониженная, по сравнению с обычным железобетоном, коррозионная стойкость, что ведет к дополнительным затратам на ее обеспечение;

• возможность расслоения бетонной смеси при заполнении труб небольшого диаметра;

• отсутствие надежных вариантов стыков трубобетонных колонн с несущими конструкциями перекрытий зданий;

• возможность отслаивания бетонного ядра от оболочки вследствие неблагоприятного влияния усадки бетона;

• возможность разрыва металлической оболочки под действием внутреннего давления паров связанной воды, освобождающейся при сильном нагревании во время пожара;

• сложность обеспечения совместной работы бетонного ядра и внешней стальной оболочки при эксплуатационных нагрузках .

Строительство с применением трубобетонных каркасов. В мире накоплен достаточный опыт строительства высотных сооружений с применением трубобетона и монолитных конструкций в сейсмоопасных зонах. В качестве примера можно упомянуть Японию или Китай, где, несмотря на расположение крупных городов в зонах высокой сейсмичности, возводятся небоскребы, которые неоднократно выдерживали мощные удары подземной стихии. В Китае ни одно из 80-этажных зданий (!) не пострадало во время землетрясений.

В нескольких новых небоскребах в Китае, в частности, в 610-метровой башне в Гуанчжоу, в качестве несущих конструкций предусмотрено использование трубобетона.

Комбинированные сталежелезобетонные несущие конструкции применены и в 508– метровой мегабашне в Тайпэе, столице Тайваня. В качестве колонн там использованы сварные металлические короба сечением 2,4 × 3,0 метра, заполненные бетоном. Каждая из колонн рассчитана на нагрузку 38 тысяч тонн.

Рис. 10. Телебашня в Гуанчжоу, Китай

Рис. 11. Высотное здание Taipei 101 в Тайване, Китай: а – общий вид; б – план этажа

Украина. Логично и экономически целесообразно в стране, изобилующей рудными месторождениями и металлопрокатными заводами, вести строительство с применением металлокаркаса, особенно учитывая тот факт, что экспорт металлопродукции уменьшается, и увеличение внутреннего потребления отечественной продукции для поддержания общего объема производства становится все более актуальным. Нужно помнить, что в Украине за последние десятилетия значительно сокращен объем кирпичного и каркасно-панельного домостроения. Панельное домостроение (самый быстрый и дешевый вид строительства на протяжении последних 40 лет) сведено «на нет» за счет уменьшения количества домостроительных комбинатов с 84 в советское время до 8 производственных комбинатов сегодня. Увеличение же монолитно-каркасного домостроения требует значительных капиталовложений на опалубку, оно зависит от погодных условий, характеризуется значительной материалоемкостью и, как следствие, – достаточно высокой стоимостью и значительными сроками строительства.

Металлокаркасное же строительство в трубобетонном варианте обладает всеми достоинствами традиционного домостроения, но экономичнее и быстрее, как минимум в два раза. Уже поэтому строительство на основе трубобетона должно стать на поток вместо панельного домостроения. При этом нам не нужно заново, как в советское время, нести расходы и создавать 84 новых домостроительных комбината – по этой технологии такие комбинаты просто ненужны. Производство организуется непосредственно на строительной площадке, а о скорости строительства уже упоминалось.

Экономичность и скорость – не главный «козырь» трубобетона, во многих случаях важней его сверхустойчивость, способность выдерживать длительные предельные нагрузки (вспомним трагедии с обрушениями российского аквапарка и торгового центра, сколько погибло людей!) Кроме того, земля в городах дорожает, стройки «растут» ввысь, а строить высотки с применением трубобетона, как показала мировая практика, и дешевле (доступность), и быстрей (не нарушается ритм жизни города), и надежней (строим-то на века): в трубобетоне, как ни в какой другой конструкции, идеально сочетаются свойства металла, как обоймы, работать на изгиб и растяжение и способность бетона работать на сжатие.

Что касается применения трубобетона современными днепропетровскими застройщиками, то в этой области успешно работает компания «Созидатель», которая возвела по этой технологии здания, АЖК «Аркадиевская башня» и АЖК «Днепровский» (рис. 12 – 14).

Рис. 12. АЖК «Аркадиевская башня»

Рис. 13. АЖК «Днепровский»

Рис. 14. Возведение АЖК «Днепровский» с использованием трубобетоного каркаса

В ПГАСА ведется активная работа по изучению трубобетонных конструкций. Применение этой конструктивной системы используется для разработки и выполнения дипломных проектов на различных кафедрах академии (рис. 15, 16).

Рис. 15. Проектные предложения жилого многофункционального комплекса. Автор – студ. С. Картынник, руководитель – асс. И. Н. Могилевцева

Рис. 16. Проектные предложения жилого многофункционального комплекса. Автор – студ. Ю. Коняхина, руководитель – О. В. Разумова

Выводы

Широкое применение трубобетонных конструкций сдерживается отсутствием нормативных документов по их проектированию и расчету. Несмотря на весьма обстоятельные исследования в этой области, надо признать, что до сих пор нет надежной и приемлемой для практического использования расчетной модели трубобетонного сечения в предельном состоянии, адекватно отражающей его специфические особенности.

Использование именно этой конструктивной системы дает огромные возможности архитекторам для разработки самых необычных зданий и сооружений, практически без ограничений, позволяя воплотить в жизнь самые смелые объемно-планировочные решения.

Трубобетонные конструкции экономичны. Их применение уменьшает вес сооружения в 2 – 3 раза, трудозатраты – в 4 – 5 раз, стоимость в 2 – 3 раза по сравнению с железобетонными. По сравнению с металлическими конструкциями при незначительном увеличении веса достигается существенное уменьшение стоимости (до 40 %) и расхода стали (в 2-3 раза).

Прекрасные конструкционные и строительно-технические свойства трубобетона позволяют применять его в самых различных областях строительства: мостостроении, строительстве метро, промышленных, жилых и общественных зданий различной этажности.

Поэтому можно сделать вывод, что дальнейшие исследования в этой области необходимы, полезны и перспективны.

Использованная литература

1. Кикин А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном / А. И. Кикин, Р. С. Санжаровский, В. А. Трулль // М. : Стройиздат, 1974 г. – 144 с.

2. Турчин Л. Трубобетон: строим в два раза быстрей, легче, экономичней, надежней / Л. Турчин, Блог Леонида Турчина //: http://blog.liga.net

3. Иванов А. Трубобетонные конструкции / А. С. Иванов // Железобетонные изделия и конструкции. ‒ 2011. – № 10. ‒ С. 13.

4. Хамиев Р. Трубобетон – технология будущего / Р. Хамиев // Строительный весник. Элек. Издание //: subscribe.ru/archive/build .gsv/200702/28114728.html

5. Кикин А. Конструкции из стальных труб, заполненныхбетоном. / А. И. Кикин, Р. С. Санжаровский, В. А.Трулль. М. : Стройиздат, – 1974.

6. Лукша Л. Прочность трубобетона / Л. К. Лукша. – Минск : Высшая школа, 1977. – 96 с.

7. Горев В. Металлические конструкции / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов // В 3т. Т.2. Конструкции зданий: учеб. для строит. вузов и др. – М. : Высшая школа, 1999. – 528 с.

8. Горев В. Металлические конструкции / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов // В 3т. Т.1. Элементы конструкций: учеб. для строит. узов – М. : Высшая школа, 2004. – 551 с.

9. Шуллер В. Конструкции высотных зданий / В. Шуллер. – М. : Стройиздат, 1979. – 248 с.