Одним из ведущих направлений в строительной области считается исследование новых и совершенствование уже известных строительных материалов и конструкций. Целью таких изысканий является возможность снижения стоимости материалов и строительства в целом, уменьшения затрат труда. Тогда одним из путей дальнейшего развития строительного производства становится применение высокопрочного бетона в качестве основного строительного материала для конструкций. Использование бетонов высоких классов прочности экономически целесообразно в первую очередь в конструкциях, работающих на сжатие [1].

Сжатые железобетонные элементы, например железобетонные колонны, составляют практически четверть от общего объёма строительных конструкций, поэтому вопросы проектирования таких конструкций из высокопрочных бетонов весьма актуальны.

Анализ отечественных и зарубежных исследований в этой области показал, что использование бетонов высоких классов позволяет существенно повысить прочностные характеристики сжатых элементов, значительно уменьшить размеры сечения и вес таких конструкций, а также количество используемой арматуры и, как следствие, снизить затраты на строительство в целом [2, 4]. Учитывая, что при строительстве высотных зданий из монолитного железобетона наиболее армированными конструкциями являются колонны первых этажей, перспективным направлением исследований будет являться выявление критериев эффективного применения высокопрочных бетонов, а также анализ экономической эффективности таких конструкций. В настоящее время практически во всех европейских нормах прочность бетона на сжатие по-прежнему остаётся основной классификационной характеристикой. В соответствии с требованиями европейских норм [6] к высокопрочным бетонам относят бетоны, имеющие прочность на сжатие более Rcub = 60 МПа (fck = 50 МПа), приготовленные по традиционным технологиям на портландцементном вяжущем и качественных рядовых заполнителях. В японских нормах [7] установлены три группы бетонов, исходя из значения их нормативного сопротивления сжатию: обычные конструкционные бетоны (18..36 МПа), высокопрочные бетоны «1» (36..60 МПа), высокопрочные бетоны «2» (более 60 МПа). В России предусмотрен максимальный класс бетона В100 в соответствии с СП 63.13330.2012 [5].

Рис. 1. Армирование колонн 1 и 2 этажей по осям 6, 7. Сечение 600х600, бетон В25

Рис. 2. Армирование колонн 1 и 2 этажей по осям 6, 7. Сечение 600х600, бетон В80

Для оценки экономической эффективности применения высокопрочных бетонов в строительстве высотных зданий был проведен расчет многоэтажного жилого дома в городе Ростове-на-Дону по улице Стадионная. Расчет был выполнен в программном комплексе ЛИРА-САПР 2013. В расчете учтены все эксплуатационные нагрузки и воздействия на здание: постоянные нагрузки от собственного веса каркаса, вес ограждающих конструкций, полов и т.п., полезные нагрузки на перекрытиях, снеговая нагрузка на покрытии, а также ветровое воздействие как сумма статической и динамической составляющих. Расчет армирования выполнен в соответствии с требованиями СП 63.13330.2012 [5]. Для наглядности результатов в данной статье рассмотрено армирование только колонн первого и второго этажей.

На первом этапе расчета колонны были приняты по аналогии с другими подобными проектами: сечение колонн первых этажей 600х600 мм, класс бетона для всех конструкций В25, класс рабочей арматуры А400. На рис. 1 приведена суммарная площадь армирования сечения колонн, то есть сумма площадей всей арматуры в углах и у граней колонн. Для каждой колонны представлены 4 значения As,tot: в уровне низа и верха первого, а затем второго этажей.

Для наглядной картины эффективности применения высокопрочных бетонов пересчитаем нашу схему с учетом замены бетона В25 на бетон В80. Сечение колонн оставим без изменений. Результаты отображены на рис. 2.

Из представленных выше рисунков можно отметить существенное снижение расхода арматуры – до 75 %. Кроме того, следует отметить, что армирование колонн на рис. 2 подобрано из конструктивных требований, а не требуется по расчету. С целью снижения расхода бетона был выполнен третий этап расчетов – сечение колонн уменьшено до 500х500 мм. Результаты расчета представлены на рис. 3.

Рис. 3. Армирование колонн 1 и 2 этажей по осям 6, 7. Сечение 500х500, бетон В80

Из рис. 3 мы видим, что арматура в колоннах принята скорее по конструктивным требованиям, чем по расчету, поэтому на четвертом этапе расчета еще раз уменьшим сечение колонн – до 400х400 мм. Далее пересчитаем нашу схему с новыми данными. Результаты отображены на рис. 4.

Рис. 4. Армирование колонн 1 и 2 этажей по осям 6, 7. Сечение 400х400, бетон В80

Для определения экономической эффективности принятых решений данные расчетов сведены в таблицу. В ней проанализирован суммарный расход материалов (бетона и арматуры) на строительство колонн 1 и 2 этажей. Стоимость бетона принята по данным завода-изготовителя товарного бетона [3]. Стоимость 1 т арматуры А400 принята актуальной на момент написания статьи – 25 т.р.

К определению эффективности применения высокопрочного бетона

Рассмотрев и проанализировав результаты, по приведенным в таблице данным следует сделать вывод о том, что несмотря на существенный рост стоимости бетона, при замене класса В25 на бетон класса В80 экономический эффект достигается за счёт уменьшения размеров поперечного сечения колонн и снижения расхода арматуры. Так, уменьшив размеры поперечного сечения колонн с 600х600 мм до 400х400 мм и заменив бетон В25 на В80, затраты на материалы для изготовления колонн первых этажей здания удалось снизилить на 57 %. Отсюда следует вывод, что применение высокопрочного бетона в колоннах экономически эффективно при строительстве высотных зданий.