Двухосная пустотная плита

Концепция облегчения плоских конструкций путём формирования внутренних полостей восходит к глубокой древности. Исследователи указывают, что Пантеон в Риме (125 г. н. э.) использовал кессоны — декоративные углубления в куполе — для снижения общей массы конструкции, несмотря на отсутствие армирования.^[1] В XIX — первой половине XX века развитие получили ребристые и сборные многопустотные плиты, однако все они работали лишь в одном направлении и требовали опоры на балки или несущие стены.^[5]

Сборные многопустотные плиты перекрытий получили широкое распространение начиная с 1950-х годов, особенно в странах Северной Европы и социалистических государствах Восточной Европы с их развитой индустрией сборного железобетона. В нормативных значениях собственный вес многопустотной плиты при толщине 220 мм составлял около 300 кг/м², тогда как монолитная плита сплошного сечения толщиной 160—200 мм создаёт нормативную нагрузку 400—500 кг/м².^[5] Таким образом, переход строительной отрасли к монолитному домостроению в конце XX века сопровождался объективным ростом нагрузок от собственного веса конструкций, что стимулировало поиск решений для их снижения.^[2]

В середине 1980-х годов датский инженер Йорген Брённинг разработал принципиально новую концепцию плиты, в которой пластиковые шары-вкладыши, помещённые между двумя арматурными сетками, заполняют пространство в нейтральной зоне бетонного сечения.^[6] Технология получила коммерческое название BubbleDeck и стала широко известна в 1992 году.^[7] Принципиальное новшество состояло в том, что впервые в монолитном строительстве удалось создать плиту, работающую в двух направлениях (биаксиально) подобно сплошной, но со значительно меньшей массой благодаря устранению избыточного бетона.

В 2001 году итальянский инженер Роберто Иль Гранде запатентовал систему пустотных вкладышей U-Boot Beton (U-boot®) в виде переработанных пластиковых элементов, стекируемых при транспортировке, что существенно снижало расходы на перевозку. Первые строительные объекты с использованием U-Boot® были реализованы в 2002 году.^[1] В 2003 году был запатентован концепт Airdeck — система с перевёрнутыми пластиковыми вкладышами, вибрируемыми в нижний слой плиты роботизированным манипулятором, что исключало необходимость удерживающих сеток.^[1] Несколько ранее, в конце 1990-х годов, швейцарская компания Heinze Cobiax International GmbH разработала систему Cobiax с эллиптическими и тороидальными пустотообразователями, зафиксированными лёгкой металлической сеткой между нижним и верхним армированием.^[1][2][6]

В конце 1990-х — начале 2000-х годов технологии биаксиальных пустотных плит прошли широкую научную апробацию в ведущих европейских университетах — Дармштадтском техническом, Эйндховенском, Копенгагенском и других. Технология BubbleDeck была включена в национальный нидерландский строительный стандарт CUR (рекомендация 86), а в Германии и Великобритании разработаны отдельные стандарты DIN 1045 (2001) и EN 13747 (2005) для расчёта подобных плит.^[4] Промышленные награды укрепили репутацию новых систем: BubbleDeck получила, в частности, Индустриальную экологическую премию Нидерландов (1999), награду за инновации Нидерландов (2000), премию RIO в Германии (2003), а Cobiax — Швейцарскую экологическую премию за технические инновации (2010) и Немецкую премию за материальную эффективность (2011).^[1]

К середине 2010-х годов технологии биаксиальных пустотных плит применялись более чем в 50 странах мира.^[7] В России технология начала применяться в ряде жилых и коммерческих объектов: в частности, система Cobiax использовалась компанией «Донстрой» при строительстве жилого комплекса «Символ» и компанией «СК Прогресс» при строительстве многоэтажного дома в Ярославле.^[7] Вместе с тем в России технология по-прежнему остаётся относительно новой: отсутствие отечественных нормативных методик и производственного опыта сдерживает её более широкое внедрение.^[6]

Двухосная пустотная плита представляет собой монолитную железобетонную плиту, в которой пустоты размещены в центральной (нейтральной) зоне поперечного сечения — там, где бетон при изгибе испытывает наименьшие напряжения. Верхняя и нижняя зоны плиты при этом сохраняются сплошными: в них располагаются арматурные сетки, воспринимающие сжимающие и растягивающие усилия от изгиба. Такая конструкция позволяет плите полноценно работать на изгиб как в положительном, так и в отрицательном направлении.^[1]

Принципиальное отличие от сборных многопустотных плит состоит в том, что в последних пустоты ориентированы строго вдоль одной оси и плита работает только в одном направлении, тогда как в биаксиальных системах сферические или эллиптические пустотообразователи обеспечивают равнопрочную работу по обоим направлениям, как у сплошной плиты.^[8] Расчёт истинно биаксиальных систем (например, BubbleDeck) выполняется по методике сплошной плиты, тогда как ребристые системы типа U-Boot рассчитываются как система балок.^[1]

В поперечном сечении биаксиальной пустотной плиты выделяются три конструктивные зоны. Нижняя сплошная зона включает защитный слой бетона и нижнюю арматурную сетку, воспринимающую растяжение при положительном изгибе. Центральная зона содержит пустотообразователи — пластиковые тела шарообразной или эллиптической формы, уменьшающие объём бетона без снижения несущей способности; бетон между соседними пустотообразователями образует конструктивные рёбра в двух направлениях. Верхняя сплошная зона включает верхнюю арматурную сетку и надпустотный слой бетона, воспринимающий сжатие при положительном изгибе и растяжение при отрицательном. В системе Cobiax бетонные «перемычки» между любыми двумя соседними пустотообразователями образуют так называемую X-zone, пространственная геометрия которой имеет решающее значение для сохранения несущей способности.^[6]

Особого внимания при проектировании требует узел сопряжения плиты с колоннами. Из-за снижения объёма бетона уменьшается сопротивление продавливанию (punching shear), поэтому в зонах высоких поперечных сил — у колонн и стен — пустотообразователи не укладываются, и плита сохраняет сплошное сечение. При правильном конструировании, согласно исследованиям, проводившимся по Евронормам, снижение сопротивления сдвигу не создаёт практических проблем.^[1] При расчёте сопротивление сдвигу двухосных пустотных плит принимается пропорциональным количеству бетона, причём специальная геометрия, создаваемая эллипсоидальными пустотами, действует по принципу римской арки, что обеспечивает эффективную работу всего бетона.^[1]

BubbleDeck — старейшая и наиболее исследованная система биаксиальных пустотных плит, разработанная Йоргеном Брённингом в середине 1990-х годов. Ключевой элемент — эллипсоидальные или сферические полые пластиковые шары, зафиксированные между верхней и нижней арматурными сетками. Геометрия плиты описывается единым параметром — модулем «A», на основании которого определяются толщина плиты (с шагом 50 мм от 230 до 450 мм) и диаметр шаров (с шагом 25 мм). Диаметр шаров в стандартных типоразмерах составляет от 18 до 36 см.^[2][4] Расчёт ведётся как для сплошной плиты по Еврокоду 2, британским стандартам или местным нормам.^[3] Для предельных пролётов действуют следующие рекомендации BubbleDeck International: L/d ≤ 30 для однопролётных конструкций свободного опирания, L/d ≤ 41 для многопролётных неразрезных конструкций, L/d ≤ 10,5 для консолей.^[4]

Система Cobiax, разработанная компанией Heinze Cobiax International GmbH (Швейцария), использует сферические и эллиптические пластиковые пустотообразователи, удерживаемые лёгкой металлической сеткой. Инновационной особенностью является X-zone — бетонная перемычка между любыми двумя соседними вкладышами специальной пространственной формы, которая обеспечивает высокую несущую способность и надлежащую работу на сдвиг. Линейка Cobiax включает несколько серий: EL (EcoLine) — первая сертифицированная линейка для плит толщиной 300—600 мм; SL (SlimLine) — разборная конструкция оболочки для более тонких плит 200—350 мм; CLS (Concrete Lightweight Structures) — для широкого диапазона применений с оптимизированной логистикой.^[6] По данным производителя, технология позволяет сократить объём бетона на 25-35 %, снизить потребление невозобновляемых ресурсов на 22 % и сократить выброс CO₂ на 20 % по сравнению с плитами сплошного сечения.^[6]

Система U-Boot® (Daliform Group, Италия) использует модульные пластиковые элементы из переработанного пластика грибовидной формы, которые стекируются при хранении и транспортировке. Ключевое преимущество — компактность: один грузовик с вкладышами U-Boot® соответствует примерно 5000 м² плиты в разложенном виде.^[1] Геометрически вкладыши создают в бетоне ортогональную решётку двутавровых (I-образных) сечений, поэтому конструкция рассчитывается как система ребристых балок, а не как сплошная плита.^[2] Технология U-Boot® совместима с преднапряжённым армированием.^[1]

Система Airdeck, запатентованная в 2003 году, представляет собой перевёрнутые (инвертированные) пластиковые литые элементы, которые вибрируются в нижний слой плиты роботизированным манипулятором непосредственно в процессе укладки. Главное конструктивное преимущество — отсутствие необходимости в удерживающей сетке, поскольку форма вкладышей обеспечивает их фиксацию в нижнем слое бетона. Элементы могут вкладываться друг в друга при транспортировке, что облегчает логистику. Расчёт выполняется по Еврокоду 2.^[1]

Наряду с перечисленными системами применяется классический метод облегчения плит с использованием полистирольных блоков. Данная технология отличается высокой трудоёмкостью ручного монтажа и не обеспечивает той же степени оптимизации конструкции, что системы с заводскими пластиковыми вкладышами. Экспериментальные исследования, проведённые в Тольяттинском государственном университете, использовали именно пенопластовые шары в качестве модели пустотообразователей типа BubbleDeck.^[5]

Для монолитной части двухосных пустотных плит применяется стандартный портландцементный бетон с максимальной крупностью заполнителя не более 19 мм (3/4 дюйма). В российских условиях распространён бетон класса B25 (M350).^[3][4] Бетон укладывается в две стадии: первая слоем покрывает нижнее армирование и нижнюю часть пустотообразователей — для их анкеровки и исключения всплытия; вторая завершает заполнение плиты на полную проектную толщину.^[3] Удобоукладываемость бетонной смеси имеет значение: более текучая смесь облегчает работу и ускоряет укладку.^[8]

Пенопластовые шары диаметром 40 мм, использованные при экспериментальном изучении, позволили снизить собственный вес плиты-модели на 19 % по сравнению с эталонной плитой сплошного сечения аналогичных размеров.^[5]

Конструкция включает нижнюю и верхнюю арматурные сетки, которые располагаются в сплошных зонах сечения. Дополнительно предусматривается соединительная арматура (каркасы, поддерживающие вкладыши между сетками). По данным расчётов для системы BubbleDeck, расход арматуры в 1 м³ плиты составляет: нижнее армирование — 24,56 кг/м³, верхнее армирование — 14,68 кг/м³, соединительное армирование — 12,80 кг/м³, суммарно — около 52 кг/м³ плиты.^[3][4] В зонах продавливания у колонн дополнительно устанавливается поперечное армирование. В российской практике применяется, как правило, арматура класса A500C.^[4]

Пустотообразователи изготавливаются из полимерных материалов — преимущественно из полиэтилена высокой плотности (HDPE) или полипропилена (PP). Пластиковые шары системы BubbleDeck изготавливаются из полипропилена (термопласт, допускающий переработку); возможно использование около 30 % вторичного пластика.^[4] Пустотообразователи Cobiax на 100 % изготавливаются из переработанного пластика.^[6] Для российского производства шаров применяется полиэтилен марки PE2NT22 12 (ТУ 2243-176-00203335-2007) с плотностью 0,963 г/см³, пределом прочности при растяжении не менее 28 МПа и относительным удлинением при разрыве не менее 500 %.^[4]

Пластиковые пустотообразователи типа HDPE имеют следующие стандартизованные характеристики: прочность при сжатии — 30 000 кН/м², коэффициент Пуассона — 0,42, коэффициент теплового расширения — 2,0·10⁻⁵, плотность — 10,01 кН/м³.^[8] Принципиально важно: 1 кг переработанного пластика заменяет в конструкции около 100 кг бетона.^[1][2][4]

Биаксиальная пустотная плита может реализовываться в трёх конструктивных вариантах в зависимости от степени заводской готовности.

Первый вариант — «арматурные модули» (reinforcement modules, монолитный): заводские «пузырьково-арматурные» сандвич-элементы (сетки + вкладыши) укладываются на традиционную съёмную опалубку, после чего выполняется монолитное бетонирование на площадке. Подходит для большинства объектов нового строительства.^[1]

Второй вариант — «файлигри-элементы» (filigree elements, сборно-монолитный): нижняя поверхность «пузырьково-арматурного» элемента снабжается тонким (около 60 мм) слоем сборного бетона, который заменяет горизонтальную часть опалубки на строительной площадке и повышает качество за счёт заводского изготовления. Поверхность готовой плиты образует бесшовный потолок.^[1][4]

Третий вариант — «готовые элементы» (finished elements, полностью сборный): законченные сборные плитные элементы полной заводской готовности. Применяются для ограниченных площадей — балконов, лестничных клеток.^[1][2]

Технологический процесс возведения монолитной биаксиальной пустотной плиты включает следующие основные этапы.

1. Монтаж опалубки. Устанавливается традиционная или несъёмная опалубка. Рекомендуется применять ламинированные щиты для получения гладкой потолочной поверхности; в центре пролёта опалубку поднимают на 1-2 см для компенсации прогиба.^[9]
2. Укладка нижней арматуры и усиливающей стали. Монтируется нижняя арматурная сетка; усиливающая арматура дополнительно укладывается совместно с первым слоем для обеспечения максимальной рабочей высоты.^[9]
3. Монтаж пустотообразователей. Арматурно-пузырьковые модули или отдельные вкладыши размещаются на нижней сетке. Интервал между элементами выдерживается с точностью ±1 см. Принципиально важно предотвратить всплытие вкладышей при вибрировании бетона — в проекте производства работ предусматриваются специальные меры фиксации (привязка к верхней сетке или частичное бетонирование первым слоем).^[6][5]
4. Монтаж верхней арматуры. Укладываются верхняя арматурная сетка, «грибовидные» шляпки у колонн (для восприятия продавливания), арматура продавливания и другие усиливающие элементы.^[9]
5. Первый слой бетонирования. Заливается первый слой бетона с целью тщательного уплотнения под нижней поверхностью вкладышей и снижения давления всплытия.^[9]
6. Второй слой бетонирования. После схватывания первого слоя (как правило, через 2-3 часа) заливается бетон на полную толщину плиты.^[3][8]

В зонах высоких поперечных сил (у колонн, по периметру лестничных клеток) пустотообразователи не укладываются, сохраняется сплошное сечение. В процессе бетонирования при необходимости могут быть интегрированы трубы систем отопления и охлаждения активированного перекрытия.^[1]

Одним из существенных логистических преимуществ является компактность систем с несобранными вкладышами: один грузовик с вкладышами U-Boot® в разложенном виде заменяет примерно 25 грузовиков с бетоном, а один грузовик с собранными модулями Cobiax заменяет около 7 грузовиков бетона.^[6] Вместе с тем для монтажа сборно-монолитных файлигри-элементов необходимы грузоподъёмные механизмы — краны или манипуляторы, а площадка должна иметь достаточное место для хранения заводских элементов или обеспечена чётким производственным планированием поставок.^[4]

Несущая способность двухосной пустотной плиты при изгибе обеспечивается за счёт сохранения сплошных верхней и нижней зон с арматурой. При условии что нижняя граница сжатой зоны находится в пределах сплошной полки, несущая способность по изгибающему моменту практически не отличается от сплошной плиты.^[5] Согласно данным BubbleDeck International, при одинаковой несущей способности требуется только 50 % объёма бетона по сравнению со сплошной плитой; при одинаковом объёме бетона несущая способность может быть увеличена до двух раз.^[1]

Сравнительные испытания показали: при одинаковой прочности жёсткость на изгиб плиты BubbleDeck составляет 87 % от жёсткости сплошной при использовании лишь 66 % бетона.^[3][4] Момент трещинообразования у облегчённых плит со сферическими пустотообразователями наступает примерно на 25 % раньше, чем у эталонных плит сплошного сечения, а характер трещинообразования иной: первые трещины образуются по диагонали («конверт»), тогда как в сплошной плите — параллельно торцевым плоскостям.^[5]

Сопротивление сдвигу пропорционально объёму бетона в сечении, поэтому снижается по сравнению со сплошной плитой. Для BubbleDeck специальная геометрия эллипсоидальных пустот создаёт эффект сводчатой конструкции (аналогично римской арке), что позволяет эффективно использовать весь бетон в зоне сдвига. Коэффициент снижения сопротивления сдвигу (fsr) для пустотных плит составляет 0,50-0,60 в зависимости от производителя.^[8]

Огнестойкость определяется толщиной сплошного слоя над и под пустотами, в котором расположена арматура. Согласно испытаниям по ISO 834, огнестойкость плиты BubbleDeck составляет от 60 до 180 минут, а дымостойкость — в 1,5 раза превышает огнестойкость.^[1][2] Звукоизоляционные испытания в Германии, Великобритании и Нидерландах по стандартам ISO 140 и ISO 717 показали, что плиты толщиной 230 мм и более соответствуют национальным нормам по воздушному и ударному шуму.^[1][2]

^[1][6][5]

По сравнению со сплошной монолитной плитой биаксиальные пустотные плиты имеют следующие задокументированные преимущества.

• Снижение собственного веса на 25-50 %: позволяет уменьшить размеры фундамента (снижение нагрузки до 50 %), применять краны с меньшей грузоподъёмностью и строить на слабых грунтах.^[1][6]
• Увеличение пролётов между колоннами: до 18 м для системы BubbleDeck при толщине плиты 450 мм, что на 50 % больше традиционных безбалочных конструкций.^[4]
• Свобода планировки: отсутствие балок обеспечивает гибкую планировку и возможность перепланировки; ровная потолочная поверхность улучшает эстетику интерьера.^[1]
• Экологичность и соответствие стандартам LEED, DGNB, BREEAM: сокращение объёма бетона снижает выбросы CO₂ на 20-40 кг/м² поверхности и потребление невозобновляемых ресурсов.^[1][6][4]
• Возможность интеграции инженерных систем: трубы отопления и охлаждения могут быть замоноличены непосредственно в плиту, что обеспечивает активацию тепловой массы перекрытия.^[1]
• Сейсмостойкость: повышенная пластичность конструкции вследствие высокого соотношения несущей способности к собственному весу.^[1]
• Снижение транспортных расходов: один грузовик с вкладышами Cobiax эквивалентен 7-25 грузовикам с бетоном, что снижает трафик на строительной площадке и нагрузку на окружающую среду.^[6]

• Снижение сопротивления сдвигу (punching shear) пропорционально уменьшению объёма бетона; требует специального конструктивного решения в зонах колонн и сосредоточенных нагрузок.^[1]
• Риск смещения и всплытия вкладышей при вибрировании бетона: если крепление пустотообразователей нарушается, часть из них поднимается, что уменьшает площадь сжатой зоны и снижает несущую способность плиты; экспериментально зафиксировано снижение несущей способности до 25 % при некачественном монтаже.^[5]
• Повышенная деформативность: при одинаковом уровне нагружения прогибы пустотных плит выше, чем у сплошных, вследствие меньших геометрических характеристик поперечного сечения.^[5]
• Высокая стоимость материалов: по расчётам для российского строительного рынка, стоимость материалов для плиты BubbleDeck примерно вдвое превышает стоимость материалов для сплошной плиты сопоставимой несущей способности (без учёта стоимости опалубки, рабочей силы и транспортировки).^[3][4]
• Необходимость специализированных компетенций: новизна технологии требует квалифицированных монтажников, понимающих принципы работы системы; ошибки при монтаже могут обернуться дополнительными затратами на обследование и устранение последствий.^[6]
• Ограниченная нормативная база в России: отсутствие отработанных отечественных расчётных методик и стандартов сдерживает широкое применение технологии.^[6][7]

Двухосные пустотные плиты применяются прежде всего в объектах, где экономически оправдано применение безбалочных монолитных перекрытий с увеличенными пролётами. Функциональные области применения: жилые здания, офисные здания, торговые и общественные центры, многоуровневые паркинги, промышленные и складские корпуса, образовательные и медицинские учреждения.^[1][8] Технология оптимальна для нерегулярных и криволинейных планов, где использование сборных многопустотных плит затруднено.

Среди наиболее известных реализаций технологии BubbleDeck можно выделить следующие объекты: Millennium Tower в Роттердаме (Нидерланды) — 35-этажная башня высотой 130,8 м, одна из первых крупных реализаций технологии; городская ратуша и офисы в Глострупе (Дания); жилой комплекс The Curve в Амстердаме; спортивная арена LaBahn Arena в Мэдисоне (Висконсин, США).^[1] В числе объектов с применением технологии Cobiax — небоскрёб Altra Sede в Милане (Италия), проектировавшийся с участием архитектурного бюро Caputo Partnership и консультантов Pei Cobb Freed & Partners: 39 этажей, пролёты 10 м при толщине плиты 350 мм.^[1] Система U-Boot применялась при возведении многозального кинотеатра в Королёве (Россия), больницы в Италии и ряда жилых объектов в Иране.^[1]

В России технология Cobiax использовалась компанией «Донстрой» при строительстве нескольких корпусов жилого комплекса «Символ» в Москве, что позволило улучшить звукоизоляцию перекрытий, сократить расход бетона до 20 %, арматуры — до 15 % без снижения несущей способности.^[7] Компанией «СК Прогресс» технология была применена при строительстве многоэтажного дома в Ярославле.^[7]

Технология биаксиальных пустотных плит совместима с постнапряжённым армированием. Комбинирование пустот и предварительного напряжения позволяет ещё более увеличить перекрываемые пролёты при уменьшении толщины плиты. Проектирование таких систем ведётся методом конечных элементов (МКЭ) с учётом коэффициентов снижения жёсткости (стiffness correction factor) и коэффициентов уменьшения вес (weight ratio).^[8] В зонах постнапряжённых пучков сечение плиты сохраняется сплошным.

Наиболее резонансным инцидентом, связанным с технологией биаксиальных пустотных плит, стало частичное обрушение многоуровневой парковки аэропорта Эйндховена (Нидерланды) в мае 2017 года. По результатам расследования, проведённого строительной компанией BAM, техническая причина аварии была установлена: применявшиеся файлигри-элементы не были шершавыми, вследствие чего монолитный бетон, залитый поверх заводского элемента, не смог образовать надёжного сцепления (адгезии) с его поверхностью. Одновременно была выявлена недостаточная опора у колонн, что в совокупности привело к разрушению конструкции.^[10]

В октябре 2017 года Эразмусский университет в Роттердаме эвакуировал и временно закрыл здание Polak Building в кампусе Вудестейн по соображениям безопасности: безопасность перекрытий не могла быть гарантирована.^[11] Министерство внутренних дел Нидерландов призвало муниципалитеты по всей стране проверить здания, возведённые с применением аналогичных строительных технологий. Помимо этого, была отложена плановая сдача новой начальной школы в Хувене из-за невозможности подрядчика подтвердить безопасность конструкции.^[11] Здание Polak Building, открытое в 2015 году и рассчитанное на 850 студенческих мест, лекционные залы и торговые помещения, проверялось на предмет применения той же технологии, что и в эйндховенской парковке.^[11]

Два упомянутых инцидента обнажили принципиальный операционный риск технологии: несоблюдение требований к шероховатости контактной поверхности файлигри-элементов и контролю качества монтажа может привести к потере монолитности конструкции и её обрушению. Эти события усилили требования строительных надзорных органов ряда европейских стран к процедурам входного контроля и авторского надзора при применении технологии.