Високи сгради от стоманобетон

от „Ингълс” до „Бурдж Халифа”, част I

Строителството на небостъргачи винаги се е свързвало със стоманата, като основен материал за носещата конструкция. И с право, тъй като преобладаващият брой от много високи сгради са изградени от стомана. Като материал стоманата има редица предимства, които я правят най-подходящия в конструктивно отношение материал за такъв тип конструкции. Високата якост на материала предполага по-малки напречни сечения на носещите елементи, което е от значение, когато сградата е много висока и натоварването в най-ниската част се увеличава с всеки следващ етаж нагоре. Нямаме за цел, обаче, да разглеждаме предимствата на стоманата за строителството на високи сгради, а да покажем и възможностите на друг материал – стоманобетонът, за изграждането на подобни конструкции.

Бетонът е композитен строителен материал, който се отличава с това предимство, че дава възможност на проектантите, освен да определят технологията му на производство, но и да влияят по такъв начин върху нея до добиването на материал с желаните свойства и характеристики (якост, устойчивост, възможност за уплътняване, втвърдяване и др.).

Изкуството на създаване на бетонната смес е било известно още на древните римляни и египтяни, макар тогава чрез доста примитивни начини и технологии.

Значителната изследователска и развойна дейност настъпва в средата на 19 век и се свърза с името като Жозеф Моние. Различни техники на бетониране и създаване на интересни архитектурни шедьоври са дело на проектанти като Франк Лойд Райт, Пиер Луиджи Нерви и др.

Всеки един, със своята работа и проектирани сгради, има своя съществен принос към развитието на технологиите до вида им в наши дни и възможностите за изграждане на все по-сложни конструкции.

Първи технологични стъпки в развитието на стоманобетона
Металът, бетонът и зидарията от различни материали са използвани от човечеството за строителство преди векове, но, разбира се, във вид и конструкции, отличаващи се от съвременните. Изследвания показват, че древните общества – финикийци, месопотамци, египтяни, са използвали хоросан за изграждането на своите жилища. Намерени са части от подови конструкции, направени от варо-циментови разтвори и цветна мазилка, датиращи от 1200 г. пр. Хр. С упадъка на Римската империя, обществото изглежда загубва способността да извайва архитектурни шедьоври от цимент. Само запазените и до днес находки оттогава свидетелстват както за римската изобретателност, така и за ранната история на бетона като строителен материал. Използването на бетон замира за векове, до съживяването му през 19 век, когато започва и все по-масовото му използване за изграждане на жилищни сгради, фабрики, складове и др.

От началото на 20 век стоманобетонът става приемлив заместител в строителството на всички предишни структурни материали, като камък, дърво и стомана. Инженери като Joseph Monie, Robert Maillart, Ernest Ransome и други са развили полезни техники за проектиране и строителство. Като отправна линия назад във времето, която може да се счита за начало на развитието на високите сгради от стоманобетон, е изложението Centennial във Филаделфия през 1876 г. На изложението са представени едни от първите разработки в областта на стоманобетона. През 1884 г. Ernest Leslie Ransome патентова система за оребрени армировъчни пръти, след проведени експерименти за повишаване на сцеплението между бетона и стоманата при стоманобетонни тротоари. Ransome е и сред първите, които правят опити за създаване на сглобяеми стоманобетонни елементи.

Швейцарският инженер Robert Maillart е един от ярките примери, оставили след себе си значими разработки, дали напредък в развитието на бетонните технологии и конструкциите от стоманобетон. Той развива строителството на безгредови плочи. Самият той отдава голямо значение на естетическото оформление на стоманобетонната конструкция. Известен е със своя иновационен дизайн на колоната, с капител при плочата. Оттам и плочите, които се подпират на такива колони, се наричат Mushroom slabs – от гъбовидната форма на колоната с капител. Първата подобна плоча той изгражда през 1910 г. – склад в Цюрих (Giesshübel Warehouse).

Първият стоманобетонен небостъргач
Сградата Ингълс, построена през 1903 г. в Синсинати, щата Охайо, е първият в света стоманобетонен небостъргач. В днешно време, разбира се, тези 15 етажа (64 метра височина) не биха били наречени от никой небостъргач, но за времето, през което е била проектирана и построена, тя е била предизвикателство и е дала своя принос в развитието на стоманобетонните технологии. Сградата е считана за смел подвиг на инженеринга по това време, а успехът й допринася за възприемането на идеята за бетонна конструкция при високите сгради и последващото й развитие в Съединените щати и по цял свят.

Тъй като до 1902 г. най-високата сграда от стоманобетон е била на 6 етажа, много хора от публичната и инженерна сфера през онова време приемат скептично идеята за 15 етажната стоманобетонна сграда,

очаквайки нейното разрушаване след построяването. Дори с насмешка след годините хората се отнасят към куриозна случка, когато репортер остава буден през цялата нощ, за да види първи разрушаването на сградата, станала повод за много противоречиви дискусии.

След дълги преговори, и две години след представяне на проекта, строителството започва.

Инженер Хенри Хупър е убеден, че благодарение на системата на Ernest L. Ransome на оребрени армировъчни пръти и влагането им в обема на бетонната плоча (системата за стоманобетонна плоча е патентована през 1884 г.), както и монолитното изливане на бетонната смес на плочите, гредите и колоните, ще направят надеждна и устойчива конструкция.

Друго много съществено предимство на стоманобетонната конструкция е по-малкият разход за пожарозащита, тъй като бетонът е негорим материал.

На всяка работна смяна по време на изграждането на конструкцията са влагани по 67 кубични метра бетонна смес. Подовите плочи са изливани без фуги, по три етажни плочи на месец. Колоните са с напречно сечение 760 на 860 милиметра на първите десет етажа, и с квадратно сечение със страна 300 милиметра за останалите етажи нагоре. Използвани са три типови групи кофражни форми.

Иновации в конструктивните/кофражните технологии
Голяма част от технологичните промени в бетонната конструкция се развиват през първата половина на 20 век - напредък в кофражното оборудване и укрепителни системи, в производство на бетонната смес, техники за бетониране и различни химически добавки за подобряване на качеството и работата с бетонната смес. При производството на кофражни системи се търси този материал и оптимална конфигурация на елементите, които позволяват многократното използване на кофражната система. Първоначално кофражът е бил от дърво, но в днешно време с технологичното развитие в практиката се срещат различни примери – кофражни форми от дърво, стомана, алуминий, фибростъкло, пластмаса и др. Появяват се нови попълнения в семействата на кофражните форми за различните конструктивни елементи – типизация на кофражните форми за греди, плочи, колони, кофражни маси. Унифицират се размерите, за да може да се използват многократно и за други обекти.

След набиране на необходимата яскост на бетона, кофражните форми се отстраняват, почистват и преместват за следващото етажно ниво. Макар историята на бетона като строителен материал да е дълга, употребата му във високи сгради е значително ограничена, заради трудностите при доставяне и изливане на височина. Едва през 1947 г. влизат в експлоатация първите хидравлично задвижвани миксери за бетон. В последните години бетонирането достигна значителни висоти. Jin Mao (1993 – 1998 г.), сграда в Шанхай, Китай, е един от първите примери, където строителите могат да се похвалят с бетониране на високоякостен бетон на височина 1 200 фута (366 m).

Иновации в бетонните технологии
Наред с напредъка в техниките на полагане на бетонна смес, иновациите в кофражните системи, транспортирането и доставката на бетонна смес до различни работни условия, през миналия век е направен и значителен напредък в подобряване на химичните и механичните свойства на бетонната смес.

Много от тях, разработени през първата половина на 20 век, са валидни и днес. Например специални бетони – лек бетон, високоякостен бетон, бетон без фини агрегати, водоустойчив бетон, шприцбетон и др.

Лек бетон
Лекият бетон е особено подходящ за изграждане на високи сгради. Намаляването на обемното тегло на бетона може да бъде постигнато по няколко начина. Един от начините е чрез добавяне на леки добавъчни материали - порьозни минерали като вулканични пемзи, да са термично третирани природни материали като глина, шисти (например керамзит) или да са произведени от индустриални остатъчни продукти като тецови пепели и шлака. Пенобетонът е друг вид лек бетон, който представлява еднородна маса с равномерно разпределени, малки, сферични, затворени пори, достигащи до 50% от обема. Броят и големината на порите е различен при различните по предназначение пенобетони, като съответно те са подбрани така, че да се осигури добра топлопроводност или достатъчна якост, в зависимост от употребата.

Основните ползи от използването на бетони с леки добавъчни материали включват: намаляване на собственото тегло на сградите, подобряване на топлоизолационните качества, подобряване на устойчивостта на огън, олекотяване и опростяване на кофражната и подпорната конструкция. Лекият бетон има приложение в строителството на различни конструкции – тънкостенни черупки, нагънати черупки. За пример: първата висока сграда, чиято конструкция е изпълнена от лек бетон, са двете сгради Marina City в Чикаго, от 1964 г., които са с височина 65 етажа (179 метра височина). Друг характерен пример е 52 етажната сграда от 1971 г. One Shell Plaza в Хюстън, Тексас, изцяло построена от лек бетон.

Високоякостен бетон
През годините се е променила дефиницията за високоякостен бетон. Например, през 50-те години на миналия век за високоякостен се приема бетон с якост на натиск над 30Mpa, а в съвременното строителство се прилагат дори бетони с якост на натиск, достигаща и надхвърляща 80MPa.

Най-голямо приложение високоякостните бетони имат за носещи колони, защото имат по-голяма носеща способност при по-малко напречно сечение, сравнено с колони от обикновен бетон. Това позволява повече възможности при планировката и оформяне за по-големи използваеми площи. Когато се използва за високи сгради също е предимство заради по-малките напречни сечения в долните етажи. Сградата 311 South Wacker Drive в Чикаго, от 1990 г., е изпълнена с високоякостен бетон – 83 МРа, и се извисява на височина 293 метра (65 етажа).

Най-високата в момента сграда в света – Burj Khalifa, е изпълнена от стоманобетон до височина 585 метра, а останалите етажи, до 828 метра, са стоманена носеща конструкция. Тази сграда притежава и световния рекорд за бетониране на най-голяма височина.