Что крепче бетон или металл
Что эффективнее: бетонные здания или металлические?
Нас часто ставят перед задачей сравнить здание из бетона со зданиями на основе металлического каркаса, поставляемыми ГК ААА ЕвроАнгар. При этом заказчик в 90% случаев ставит вопрос следующим образом: посчитайте мне стоимость металла на здание такими-то размерами, и я сравню ее со стоимостью бетонного здания.
Почему это ошибка? Как и что, в действительности, необходимо сравнивать? На эти вопросы мы постарались ответить ниже.
Почему нельзя просто сравнить стоимость бетона и стоимость металла? Давайте пофантазируем, как это сделать?
Из курсов строительных материалов известно, что есть некий абстрактный показатель легкости (тяжести) конструкций, где за этот показатель принимают отношение плотности материала к его прочности. Для металлических конструкций, изготовленных из стали марки С345 данный показатель равен 2,453 (7850 кг/куб.м / 3200 кг/кв.см = 2,453), а для наиболее распространенной марки бетона В25 он составляет 13,228 (2500 кг/куб.м / 189 кг/кв.см = 13,228). Получается, что сталь лучше бетона в 5,4 раза? (13,228/2,453 = 5,4). Но, что будет если посчитать деньги, стоимость 1 тонны металла в деле (т. е. с учетом изготовления, доставки, монтажа) не должна превышать стоимость тонны бетона больше чем в 5,4 раза, в противном случае выгодней строить из бетона. Стоимость куба бетона по состоянию на 1 апреля 2020 года составляет 12 500 рублей за куб, или 5000 руб./тонна (12 500 руб./куб.м /2,5 тн/куб.м = 5 000 руб./тн). Выходит, конкурентная стоимость металла не должна быть выше 27 000 руб. за тонну (5 000 * 5,4 = 27 000 руб./тн). По данным на 1 апреля 2020 года стоимость металла в деле составляет порядка 135 000 руб/тн. Казалось бы вопрос закрыт, строим из бетона? Не спешите делать вывод. Дело в том, что у бетона есть обратная сторона — прочность бетона при работе на растяжение на порядок ниже, чем при сжатии. Тот же коэффициент легкости, хотя для бетона скорее тяжести, марки В25 равен 153,37 (2 500 кг/кв.м / 16,3 кг/кв.см = 153,37), то есть бетон в 62,52 раза тяжелее стали. Для того, чтобы бетонные конструкции были можно было хотя бы сравнению с металлическими, в несущих конструкциях должна соблюдаться следующая пропорция: >75% объема бетона должно работать на сжатие, и
Сталь против бетона
Для возведения зданий, мостов, опор высоковольтных линий и многих других сооружений используются сталь, дерево или бетон. Хотя древесина способна выдерживать высокую нагрузку (см. раздел 2.19), для оценки эффективности материалов целесообразнее сравнить сталь с бетоном. Руководствуясь концепцией MIPS, «стальная группа» в Вуппертальском институте, которую возглавляет Криста Лидтке, сравнила стальные и бетонные опоры, несущие магистральные провода сети напряжением 110 кВ. Их функцию можно определить как передачу электроэнергии напряжением 110 кВ в течение фиксированного периода времени, например 40 лет. С помощью такого определения была оценена оборачиваемость материалов или входящий поток на единицу выполненной работы — MIPS (Лидтке и др., 1993).
В соответствии с положениями упомянутой концепции сталь предпочтительнее по двум основным причинам.
q На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материала, чем на стальные (соответственно 90 тонн и 36 тонн для типичной опоры в Центральной Европе). Сама бетонная опора весит около 45 тонн, а стальная — 6 тонн.
q Стальные опоры служат в 2 с лишним раза дольше, чем бетонные, правда, через каждые 10—20 лет, в зависимости от климатических условий, требуется профилактический ремонт.
Кроме того, стальные опоры можно делать из чугунного и стального лома, что тоже смещает баланс в пользу стали. Здесь достижим фактор 2,5.
В общем и целом переход от бетонных опор к стальным обеспечивает шестикратное увеличение эффективности использования материала (см. рис. 8).
Для линий электропередач, опор, мостов и т. д. традиционно использовалась только сталь. Но после Второй мировой войны бетон завоевал ведущие позиции даже в странах с развитой сталелитейной промышленностью. Историко-экономический анализ Лидтке и соавторов показывает, что причины вытеснения стали бетоном мало связаны с затратами. Скорее, это было данью моде или объяснялось субъективным выбором инженерных школ. Бетон считался более современным и более «изящным», но сооружения из него нуждаются в частом ремонте, и потому он может потерять свою привлекательность.
Преимущества стали еще более очевидны, если оптимизировать эффективность ее производства. Она по-прежнему производится в кислородных конвертерах, при этом вхолостую тратятся энергия, вода и материалы. Внедряемый метод электрической выплавки все еще далек от того, чтобы заменить старые способы, хотя он требует значительно меньшей массы материалов, чем оксигенизация. На тонну электростали — одна десятая часть топлива, одна восьмая воды, одна пятая воздуха и менее одной сороковой части других материалов по сравнению с традиционной конвертерной сталью. С другой стороны, на электрическую выплавку идет на 30% больше электроэнергии. Если при этом учитывать «экологический рюкзак», который обычно формируется в условиях Германии, то баланс уже не выглядит столь выигрышным для этого метода. И все же, «фактор четыре» в повышении эффективности материалов при переходе от кислородной стали к электростали можно обосновать.
Коммерческий интерес к конструкциям и сооружениям, имеющим большой срок службы, и, следовательно, интерес к стали можно подстегнуть, если опоры, мосты и другие подобные сооружения сдавать в аренду, а не продавать. При лизинге строительная фирма уделяла бы чрезвычайно большое внимание долговечности и малым эксплуатационным затратам. Действительно, быть может, уже настало идеальное время для введения концепции лизинга. У многих муниципальных корпораций в Германии и других странах высокая задолженность, и им пришлось бы занять деньги для строительства новых мостов. Договора о долгосрочной аренде станут привлекательными, когда их стоимость не будет превышать обременительных капитальных и эксплуатационных затрат на бетонные мосты — если, конечно, технологии углеродных волокон, которые подешевеют с развитием новых отраслей типа производства гиперавтомобилей, не выиграют эту гонку благодаря своей высокой коррозионной стойкости, усталостной прочности и другим возможностям уменьшения веса, растущим как снежный ком.
buildingbook.ru
Информационный блог о строительстве зданий
Сравнение железобетона и металлокаркаса
В этой статье мы сравним 2-е технологии строительства промышленных зданий: металлокаркасного и железобетонного здания.
Прежде всего давайте определим что такое металлокаркасное и железобетонное здание.
Металлокаркасное здание
В металлокаркасном здании несущие элементы (колонны, связи, балки перекрытия и фермы) выполнены из стали.
Колонны выполняют преимущественно из двутавра или составного сечения из уголков, швеллеров.
Перекрытия до 12 м выполняют из прокатных или сварных балок, более 12 м из ферм. Поверх балок и прогонов монтируют профлист или кровельную сэндвич-панель. В межэтажном перекрытии иногда используют профлист как несъёмную опалубку и делают монолитное перекрытие. Также можно поверх стальных балок монтировать ж.б. перекрытия для увеличения скорости монтажа.
Жесткость каркаса обеспечивается жесткой заделкой колонн в фундамент и/или применением связей и ригелей, либо жестким соединением колонны с фермой или балкой.
Ограждающие стены, как правило, выполняют из сэндвич-панелей.
Преимущества металлокаркасного здания
— Высокая скорость монтажа, которая обеспечивается изготовлением элементов здания на заводе, а на строительной площадке элементы только соединяются при помощи болтового или сварного соединения.
— Отсутствие мокрых процессов, что позволяет вести строительство зимой без устройства тепляков.
— Меньшая нагрузка на фундамент: несмотря на то, что плотность стали выше чем у бетона, у нее и прочность гораздо выше чем у бетона и, при прочих равных условиях, здание из металлокаркаса будет легче чем из железобетона. Посоревноваться с металлом в этом показатели может только дерево.
— Нет необходимости иметь завод под рукой — элементы можно изготовить за тысячу километров от строительной площадки. При строительстве монолитного здания требуется наличие завода не далеко от строительной площадки или устройство мобильного бетонно-растворного узла, что ограничивает его применение в районах Крайнего Севера или Дальнего Востока.
— Металлокаркасное здание легко модернизировать под новые требования при модернизации производства. Элементы легко демонтируются, усиление несущих элементов производится просто приваркой к существующему усиливающего элемента (полосы стали или профиля). При этом усиление конструкции может производится без демонтажа элементов. Иметь способ модернизировать промышленное здание без существенных вливаний финансовых средств очень важно для успешной деятельности предприятия. Установка нового оборудования может потребовать постройки нового здания, если старое не удовлетворяет условиям технологии. В этом случае рациональнее реконструировать здание чем сносить здание и строить новое.
— При демонтаже здания металл можно переплавить, что позволяет повторно использовать данный материал. Это, на мой взгляд, одно из самых важных преимуществ металлокаркасного здания для промышленности. Жизненный цикл пром.здания может быть совсем малым т.к. меняются технологии, из-за дорожания земли или по другим причинам рационально перенести производство в другое место, а старое здание не имеет смысла модернизировать. В этом случае использовать металл для переплавки гораздо эффективнее и экологичнее, чем выбрасывать железобетон на свалку.
— Возможность перенести здание в другое место. Здание можно не только демонтировать, но и смонтировать заново в другом месте. Выполнить это можно не во всех случаях, но иногда можно хотя бы частично. Например очень часть можно встретить бывшие в употреблении кровельные фермы с демонтированного здания.
— Есть множество типовых проектов складов, пром.зданий, административных зданий, что позволяет уменьшить срок проектирования, изготовления и строительства.
— Простота контроля за расходом материала. Иногда это очень важно т.к. не заметно своровать колонну или балку не получится в отличии от бетона, цемента.
— Для монтажа требуется меньше строительной техники, и в большинстве случаев можно ограничится краном.
— Возможность сделать большие пролеты здания. Хотя можно использовать стальные фермы и в железобетонном здании.
Недостатки металлокаркасного здания
— Одним из самых больших недостатков металлокаркасного здания является низкая пожаростойкость конструкций. Несмотря на то, что металл не горит, он очень сильно теряет свои несущие способности при пожаре. Существуют способы для увеличения пожаростойкости, но они приводят к удорожанию и увеличению срока строительства здания. Существуют специальные окрасочные материалы, которые могут увеличить пожаростойкость стальных конструкций до 30 минут. Для большей защиты применяют конструктивную пожарозащиту (обшивка металлоконструкций минеральной ватой, гипсоволокнистыми листами или обетонирование конструкций).
— Низкая коррозионная стойкость, однако при правильном проектировании и эксплуатации этой проблемы нет. Конструкции должны быть хорошо окрашены, регулярно осматриваться на предмет увлажнения, появления коррозии, герметичности конструкции. При правильной эксплуатации конструкции будут служить вечно.
— Более высокая стоимость по сравнению с железобетонными зданиями. Если по близости есть завод по производству бетона, то молонит будет дешевле (на Севере и Востоке нашей страны с этим можно поспорить т.к. там бетон раза в 3 дороже чем в других регионах России). Хотя если мы будем сравнивать не только показатели по общей стоимости, но и разнице во времени на постройку и упущенной прибыли предприятия от работы в это время, то металлокаркас, возможно, выиграет и монолита. Кроме того при строительстве зимой стоимость монтажа мололита возрастает т.к. необходимо прогревать бетон. В каждом конкретном случае нужно сравнивать варианты, но обычно кто что умеет, тот то и строит.
Железобетонное здание
В железобетонном здании несущие конструкции (стены, перекрытия) выполнены из армированного бетона.
Здание может быть монолитным или из сборных железобетонных конструкций (часть элементов изготавливается на заводе, а затем соединяются на площадке при помощи сварки выпущенной арматуры и замоноличивания участка).
Жесткость каркаса обеспечивается жесткой заделкой колонн в фундамент, жестким соединением колонны с перекрытием, использованием диафрагм (монолитных стен).
В промышленном строительстве не редко железобетонные и стальные конструкции используют вместе, например изготавливают колонны из железобетона, а жесткость каркаса обеспечивается наличием стальных связей. Перекрытие тоже может быть из стальных конструкций т.к. использование стальных ферм при больших пролетах более рационально чем использование монолита или плит перекрытия.
Для ограждающих конструкций также можно использовать сэндвич-панели, либо выполнить стены из блоков и утеплить снаружи.
Преимущества железобетонного здания
— Более низкая стоимость по сравнению с металлокаркасным (имеется ввиду там, где бетон имеет не завышенную стоимость). Этот вопрос уже поднимал выше, в каждом отдельном случае необходимо рассчитывать, но в большинстве случаев это утверждение верно.
— Высокая пожаростойкость конструкции. Бетон не сильно изменяет свои свойства от воздействия температуры и защищает арматуру.
— Высокая коррозионная стойкость, которая обеспечивается защитой арматуры бетоном.
— Высокая скорость монтажа при использовании готовых заводских изделий. По скорости монтажа может посоревноваться с металлокаркасным зданием если все изделия выполнены на заводе и на строительной площадке не требуется производить монолитных работ.
— Большой ассортимент готовых железобетонных изделий (плиты перекрытия, колонны, фундаментные блоки).
— Также как и у металлокаркасных зданий есть достаточно много типовых серий зданий.
Недостатки железобетонного здания
— Самым главным недостатком является наличие мокрых процессов при строительстве, что ограничивает, либо затрудняет монтаж конструкций в зимнее время, но это относится к монолитным конструкциям.
— Большие сроки строительства монолитного здания по сравнению с металлокаркасом. Это в основном связано с тем, что бетону нужно время для набора прочности (100% прочности бетон набирает за 28 дней).
— Усилить железобетонные конструкции при реконструкции более затратно и трудоемко чем в металлокаркасном здании.
— Можно еще добавить как недостаток сложность обследования здания т.к. чтобы узнать какая арматура находится в колонне или балке необходимо вскрывать её, но это только при отсутствии проектной документации на здание, что встречается нередко.
— Более ограниченные возможности при реконструкции по сравнению с металлокаркасом.
— Более высокие нагрузки на фундамент.
Вывод
Нельзя сказать что одна технология явно лучше другой, в каждой есть свои плюсы и минусы. Нет плохих материалов, есть не правильное их применение.
Кроме того очень часто в металлокаркасном здании испозуются ж.б. элементы и наоборот. Хорошим примером является использование ж.б. колонн и стальных ферм в промышленном здании, что позволяет сэкономить на колоннах, обеспечить пожаростойкость конструкции и при этом сделать большой и легкий пролет здания.
По стоимости эксплуатации здания практически не отличаются, единственное металлокаркасные здания требуют периодического осмотра на предмет появления коррозии и обновление огнезащитного покрытия (при ее наличии).
Также не корректно сравнивать металлокаркасное и железобетонное здание по теплоизолирующим способностям — в обоих случаях каркас закрывается современными утеплителями снаружи и не контактирует с внешней средой, не создает мостика холода (естественно при грамотном проектировании).
При выборе технологии строительства нужно ответить на несколько вопросов:
— Какие строительные материалы и другие ресурсы доступны на месте строительства?
— Какие сроки строительства?
— Какие противопожарные требования предъявляются к зданию?
— Какие технологические требования предъявляются к будущему зданию?
— Продумать способы доставки материалов на строительную площадку.
— Предусмотреть возможность расширения и модернизации производства.
Металл против стеклопластика: на чем держится бетон
Какая бывает арматура
Без арматурного каркаса невозможна ни одна монолитная бетонная конструкция. Прочность, устойчивость к деформациям — все это обеспечивается именно арматурным каркасом. За много десятилетий все привыкли к тому, что арматура — это металлические прутья или проволока. Не так давно на рынке появилась композитная арматура — стеклопластиковая или стеклобазальтовая, под нее даже разработан свой собственный свод правил — СП 295.1325800.2018 «Конструкции бетонные армированные полимерной композитной арматурой». Разбираемся, в чем различия между этими двумя типами арматуры и в чем заключаются некоторые секреты обустройства металлического арматурного каркаса.
Как работает арматура
Монолитный бетон — и прочный, и долговечный, и универсальный материал. Но у него есть один большой изъян — он хрупкий. Именно поэтому, чтобы придать всей монолитной конструкции устойчивость к деформациям и разрушению, бетон укрепляется своеобразным «скелетом» — арматурным каркасом. Именно арматура удерживает общую конструкцию: например, стальной прут на растяжение прочнее бетона в две сотни раз — и после заливки и застывания вся масса приобретает единые свойства.
Так что, если мы хотим получить прочный бетонный монолит, нужно, чтобы внутри него обязательно был каркас из арматуры. Это касается подавляющего большинства случаев: и для фундамента, и в перекрытиях, и в лестницах, и в других монолитных конструкциях.
Арматурный каркас бывает плоским (горизонтальный или вертикальный) или пространственным. Выбирается способ монтажа в зависимости от того, какую работу должна выполнять конструкция.
Фото: sdelai-lestnicu.ru
Два типа арматуры
Металлическая арматура — это стальной прокат, длинные пруты разного сечения (от 6 до 40 мм). Пруты эти бывают гладкими или ребристыми. Гладкий профиль (класс А1) используют, чтобы делать конструкционные перемычки. Ребристый обеспечивает более серьезное сцепление с бетоном, поэтому из него собирают несущий каркас для ленточных и плитных фундаментов. Разумеется, ребристый профиль дороже. Чтобы строить дома, в качестве рабочей арматуры используют арматуру классов А300 и А400. Металлическая арматура может быть сварена в сетчатый каркас, но этого делать не рекомендуется: прут станет хрупким из-за перегрева. Лучше вязать ее специальной проволокой или пластиковыми хомутами.
Композитная арматура была придумана около сорока лет назад. Она чаще всего бывает стеклопластиковая, но иногда бывает и стеклобазальтовая (сделанная из расплава горной породы и выскопрочного полимерного волокна). Профиль композитной арматуры чаще всего ребристый, сечение может быть от 4 до 20 мм. Такой каркас связывается проволокой или пластиковыми хомутами.
К достоинствам стеклопластиковой арматуры причисляют:
Пластиковая арматура никогда не заржавеет — а значит, не нужно пытаться во что бы то ни стало выдерживать защитный слой бетона. Она прочная — бетонная конструкция будет хорошо удерживать форму десятилетиями.
Фото: stpulscen.ru
Зато есть у «новичка» и серьезный недостаток — у стеклопластиковой арматуры модуль упругости примерно втрое меньше, чем у стальной. Иными словами, при пиковой нагрузке по упругости стальная арматура растянется, а стеклопластиковая — порвется, то есть плита перекрытия просто рухнет моментально. Так что многие профессионалы рынка не советуют использовать такую арматуру в фундаментах, особенно в ленточных и плитных.
И еще одна проблема стеклопластиковой арматуры — она не очень выгодна, армирование стальными прутьями выходит дешевле, даже с учетом сильного подорожания металла в строительстве за последнее время. Так что многие эксперты сомневаются в целесообразности использования подобных каркасов в частном домостроении.
Секреты армирования бетона
Прежде чем делать арматурный каркас, нужно все хорошо рассчитать: в зависимости от нагрузки, от типа грунта и уровня его промерзания. Есть умельцы, которые умеют рассчитать параметры «скелета» бетонной конструкции самостоятельно. Но если вы никогда этого не делали — лучше оставить эту работу специалистам. Но есть и общие правила, о которых было бы не лишне знать каждому начинающему домовладельцу.
Строить из стали или бетона?
На протяжении многих лет капитальные строения строились в основном из кирпича, бетона и дерева. В последнее время, в связи с развитием технологий производства теплоизоляционных материалов в строительстве, все большее распространение получает строительство с применением стальных конструкций. Означает ли это закат эры бетона? Попробуем разобраться.
Любое строительство требует использование сотен строительных материалов. Основу строительных конструкций составляют бетон и строительные смеси различного состава, разнообразные изделия из конструкционных сталей, керамика, дерево, пластик и т.п. С точки зрения расчета нагрузки на несущую конструкцию, которая чаще всего изготавливается из стали, бетона, кирпича и (или) дерева и т. п., существует возможность и необходимость выбрать из бесконечного количества вариантов сочетания этих материалов самый оптимальный.
Подавляющее большинство строений коммерческого и промышленного назначения построены с использованием конструкционной стали или железобетона. При проектировании, специалист должен решить, какой из двух материал лучше всего подходит для дизайна строения. Есть много факторов, которые учитываются при выборе строительного материала. Стоимость зачастую является определяющим фактором, однако, существуют и другие факторы, которые должны приниматься во внимание для принятия окончательного решения, такие как вес, прочность, технологичность, доступность, огнестойкость и экологическая безопасность.
Стоимость
Стоимость железобетонных конструкций занимает около половины всех затрат на строительство. Размер затрат на приобретение железобетона зависит, в первую очередь от географического положения объекта и близости основных производителей, а также цен на топливо и энергоносители в конкретно взятом регионе. Производственные процессы изготовления железобетонных конструкций достаточно энергоемки. Кроме того, промышленное строительство из бетона требует применения значительного количества строительной техники – бетонно—растворные узлы и станции, миксеры, бетононасосы и др. При монолитном домостроении используется большое количество опалубки, не говоря уже о строительном инструменте и большом количестве квалифицированного и не очень труда.
В этом смысле применение строительных конструкций из металла является более привлекательным и приобретает все более широкое распространение. Конечно, данный вид строительства также требует применения подъемно-транспортной техники и проведения большого количества сварочных работ. Тем не менее, применение стальных конструкций позволяет значительно сэкономить на материалах, их монтаж занимает гораздо меньше времени. Еще один плюс сборных стальных конструкций, возможность использования стандартов количества и размера ее составных частей, используемых при строительстве, что облегчает процесс производства колонн, балок, профилей и т.п.
Трудно представить современное строительство без использования широко известного в наше время металлического изделия, такого как швеллер стальной, также известного как швеллер гнутый, его используют для придания конструкции повышенной жесткости и устойчивости. Применение швеллера дает возможность существенно увеличить несущие нагрузки на всю конструкцию.
Полезная нагрузка
Еще один важный фактор – соотношение удельного веса и нагрузки, которую способна нести конструкция. В этом смысле у бетона есть еще один минус – как известно, бетон достаточно хрупкий материал. Сопротивляемость бетона сжатию в десять раз выше, чем сопротивление на растяжение. Таким образом, стальные конструкции имеют преимущества, за счет своей удельной легкости и эластичности.
Пожаробезопасность. Сравнение по этому показателю не в пользу стальных конструкций. Несмотря на то, что сталь и бетон – оба негорючие материалы, все-таки сталь это материал с высокой теплопроводностью, кроме того подверженный деформации, особенно при высоких температурах и под нагрузкой. Бетон является практически нетеплопроводным материалом, преграждающим распространение огня. Низкая теплопроводность бетона является несомненным плюсом в условиях продолжительного периода низких температур с точки зрения экономии затрат на обогрев помещений. Однако, стальные конструкции с отделкой из алюминиевых композитных панелей, сайдинга и других современных теплоизоляционных материалов зачастую ничем не уступают изделиям из бетона.
Срок службы
Понятно, что бетон является более долговечным материалом, поскольку он в отличие от большинства материалов из стали абсолютно не подвержен коррозии. Применение в строительстве нержавеющих (антикоррозионных) сталей экономически нецелесообразно. Использование материалов с покрытием – оцинкованной стали и стали с полимерным покрытием – ведет к значительному удорожанию строительства, тем самым снижая основное преимущество стальных конструкций – низкой стоимости.
Выводы
И сталь и бетон, несомненно, будут и в дальнейшем активно использоваться в строительстве, каждая в отдельности или в сочетании друг с другом.
Стальные конструкции целесообразно использовать при строительстве быстровозводимых зданий, благодаря более высокой скорости монтажа, или строительстве высотных зданий, когда вопрос нагрузки на конструкцию является критичным. При использовании стальных конструкций необходимо особое внимание уделять вопросам утепления и пожаробезопасности. Последние случаи возгорания высотных зданий тому наглядный пример.
Бетон незаменим при малоэтажном строительстве и строительстве жилых домов из-за его негорючести, долговечности. И еще, для принятия решения необходимо изучить близость расположения и доступность предприятий, производящих материалы, будь это стальные конструкции или бетон, для определения стоимости доставки материалов для строительства объекта.