Сверхлегкие перекрытия — к чему привела модернизация бетона
Изящества и легкости бетонной конструкции уже давно добиваются многие разработчики по всему миру. Но только ученым из высшей технической школы Цюриха это удалось в полной мере. Исследования в области модернизации бетона, группой швейцарских ученых под руководством профессора факультета архитектуры Филиппа Блока, велась не один год.
В результате их полномасштабной работы были разработаны две технологии по созданию сверхлегкого и тонкого бетонного покрытия. Они кардинально отличаются друг от друга, и в то же время нельзя с уверенностью сказать, что одна разработка лучше дугой. Каждая прекрасна по-своему.
Все новое — хорошо забытое старое
Самый большой недостаток железобетона заключается в его весе и потребности в укреплении арматурой. От этого и так тяжелые бетонные конструкции «набирают в массе» практически вдвое. Это требует дополнительных вложений в строительство всего здания начиная с фундамента.
Швейцарские ученые представили всему миру свою интересную разработку — самонесущие бетонные плиты, имеющие вес меньше на 70% аналогичных классических железобетонных изделий. При этом для их укрепления совсем не использовалась тяжеловесная металлическая арматура.
Как говорит Филипп Блок: «Мы обратились к средневековой готической архитектуре. Именно такие техники строительства стали нашей основой».
Подобная технология строительства хоть и была забыта на время, но в 19 веке в США ее привез испанский архитектор Рафаэль Гуаставино. Он укрепил стены и свод своего дома ребрами жёсткости, которые образуя замысловатый узор сходились во всех углах.
Такие элементы скреплялись между собой металлическими связями. В швейцарских же плитах не используется стальное армирование, а только бетон.
Подобное замысловатое переплетение самонесущих элементов не только обеспечивает предельную жесткость и прочность сборному изделию, но и обладает хорошей стойкостью к ассиметричным нагрузкам.
По словам Филиппа Блока, результаты испытания подобных плит весьма впечатляют. Они выдерживают нагрузку до 4,2 тонн. Аналогов подобному материалу в Швейцарии до сегодняшнего дня не было.
Но, команда Филиппа Блока пошла дальше, и при этом нашли оригинальное решение, а именно, использование 3D принтера. С его помощью они «напечатали» перекрытие, в состав которого преимущественно входит песок. Подобное изделие в состоянии выдерживать нагрузку до 1,2 тонн.
И как утверждает создатель сверхлегкой самонесущей конструкции, подобная характеристика также удовлетворяет швейцарским строительным нормам и стандартам.
Подобная разработка не только решает извечный недостаток бетона — большой вес, но и экологическую проблему. С уменьшением объема бетона или при его полной замене, решается вопрос минимизации производства цемента, выбросы которого создают парниковый эффект на планете.
Новая бетонная опалубка — удивительная вещь
Создание сборных изделий не остановило швейцарских ученых. Они обратили свой взор на монолитное строительство. Плодом точнейших вычислений и применения инновационных материалов стало ультратонкое, сверхлегкое, необычайно гибкое и обладающее повышенной прочностью бетонное покрытие.
Оно представляет собой многослойную конструкцию, состоящую из сети стальных кабелей, фотокаталитических элементов, формообразующие элементы и бетона.
Что самое интересное, подобная технология не предусматривает традиционной опалубки. Ее функцию выполняет специальное полимерное полотно весом 300 кг и кабельный каркас массой 500 кг. Они вместе создают сверхпрочный скелет, который выдерживает с легкостью вес сырого бетона массой в 20 тонн.
Испытания подобной уникальной конструкции происходили в робототехнической лаборатории высшей технической швейцарской школы в течение 6 месяцев, группой разработчиков под руководством уже известного нам Филиппа Блока, совместно со старшим научным сотрудником Омом Ван Меле при участии архитектурного бюро «Supermanoeuvre». Такой проект получил название Hilo.
Команда создала полномасштабный макет крыши площадью 160м2. Толщина подобного покрытия колеблется от 5 см до 3 см по краям и до 12 см на опорной поверхности. В результате проведения монтажных работ, выяснилось еще одно приятное преимущество такой технологии — вся площадь под подобной крышей была свободна для проведения любых строительных работ, в то время, когда установка перекрытия шла полным ходом.
Филипп Блок для разработки особого состава бетона пригласил к сотрудничеству компанию Holcim. Совместно была создана идеальная рабочая смесь, которая обладает достаточной подвижностью для самоуплотнения и в тоже время не имеет свойства растекаться по опалубке. Его удобно подавать под давлением, при этом опалубка может выдержать его любую величину.
К тому же сам бетон достаточно прочен, чтобы выдерживать значительные несущие нагрузки благодаря укрепляющему стальному каркасу. «Мы добились такого колоссального результата только благодаря точным вычислениям, а также использованию современных технологий и материалов.
Весь процесс создания нашего проекта занял четыре года, за которые мы не только добились технического совершенства, но и нашли профессиональных партнеров» — рассказывает Филипп Блок.
Важней всего — погода в доме
Легкость, прочность и гибкость — это далеко не все преимущества покрытия Hilo. Как уже упоминалось, при его конструировании использовались специальные фотокаталитические элементы. Благодаря им, такая конструкция может генерировать тепло, снабжая им соседнее помещение.
Подобная идея принадлежит профессору Арно Шлютеру. Он создал уникальные световые датчики, которые способны генерировать тепло при минусовой температуре, и отдавать его внутрь помещения. Совместно с встроенной интеллектуальной системой, создается комфортный микроклимат.
Технология Hilo позволила архитекторам не только сэкономить на основном материале, но и открыть для себя новые дизайнерские решения.
Доказательства, что это не фантазии безумных ученых
На сегодняшний день наиболее полномасштабным исполненным проектом пока стал макет Hilo. Но на этом разработчики не останавливаются. По словам Филиппа Блока, в будущем году планируется сделать пристройку к лаборатории организаций Empa и Eawag в швейцарском Дюбендорфе.
При этом такая «умная» кровля будет подсоединена к прочим интеллектуальным и адаптивным системам здания. Как утверждает разработчик, подобный материал еще пока тестируется, но уже оправдывает ожидания, так же, как и ультралегкие плиты перекрытия.
Подобные облегченные изделия также не останутся в стороне. Готовится проект строительства двухэтажной постройки, с использованием инновационных плит перекрытия, который именуется NEST. Пока он носит чисто экспериментальный характер. Но автор проекта уверен, что у него большого будущее, и со временем NEST станет площадкой для тестирования и выставки разработок ETH Zürich.