stringtranslate.com

Пост-напряженный камень

Southwark Gateway Needle, каменная конструкция с пост-напряжением.

Постнапряженный камень — это высокоэффективный композитный строительный материал: камень, удерживаемый при сжатии с помощью натяжных элементов. Натяжные элементы могут быть соединены с внешней стороной камня, но чаще всего используются сухожилия , продетые внутри через канал, образованный из совмещенных просверленных отверстий.

Камень после напряжения («PT-камень») может состоять из одной детали, но ограничения сверления и другие соображения означают, что обычно это сборка из нескольких компонентов с раствором между частями. Камень PT использовался как в вертикальных колоннах (столбах), так и в горизонтальных балках (перемычках). Его также использовали в более необычных применениях в каменной кладке : стабилизации арок, гибких пешеходных мостах и ​​консольных скульптурах.

Близкий метод — предварительно напряженный камень . [1] В камне просверлен канал, в котором размещается стальной стержень, удерживаемый домкратами, в то время как канал заполняется эпоксидным раствором. После застывания эпоксидной смолы концы стержня можно освободить из домкратов, поместив камень под сжатие. Подобно предварительно напряженному бетону , методы предварительного и последующего напряжения могут использоваться в разных контекстах.

Постнапряженный камень также имеет тесную связь с массивным предварительно вырезанным камнем , который является центральной техникой современной несущей каменной кладки .

Обоснование

Павильон будущего, Севилья Экспо'92: первое завершенное новое здание с использованием камня с пост-напряжением.

«Камень после растяжения увеличивает разрушающую нагрузку камня при изгибе, а также жесткость конструкции за счет уменьшения растрескивания швов. Этот метод строительства широко используется для бетонных конструкций, но преимущества использования аналогичных методов с камнем только начинают проявляться. осуществленный.". [2]

Камень обладает большой прочностью на сжатие, поэтому идеально подходит для сжимающих конструкций, таких как каменные арки . [3] Однако он имеет относительно слабую прочность на изгиб (по сравнению со сталью или деревом), поэтому изолированно его нельзя безопасно использовать в широких пролетах под напряжением. [3]

Что касается бетона, то эта проблема уже давно решена: в дополнение к обычной растянутой арматуре инженеры разработали методы предварительно напряженного бетона , начиная примерно с 1888 года. отдельные компоненты и широко используются на протяжении десятилетий. Один из первых инженеров-бетонщиков Эжен Фрейсине усовершенствовал методы предварительного напряжения бетона и, как утверждается, также применил методы пост-напряжения бетона к камню. [4] Что касается бетона, пост-напряжение удерживает камень при сжатии, тем самым увеличивая его прочность.

Последующее натяжение достигается стальными тягами, продетыми через каналы внутри каменных элементов или вдоль их поверхности. После установки каменных компонентов на место сухожилия натягиваются с помощью гидравлических домкратов, а сила передается на камень через крепления, расположенные на концах сухожилий. Процесс натяжения придает камню сжимающую силу, которая повышает его способность противостоять растягивающим напряжениям, которые в противном случае могли бы вызвать растрескивание или разрушение.

Использование энергии и выбросы углекислого газа

Камень представляет собой «натуральный сборный железобетон», поэтому его нужно только разрезать (и проверить на прочность) и подвергнуть дополнительному натяжению перед использованием в строительстве. По сравнению с производством бетона и стали, производство камня после натяжения требует значительно более низких затрат на электроэнергию и сопутствующих меньших выбросов углекислого газа. [5]

Приложения

Каменная башня с часами Главпочтамта Сиднея усилена методом последующего натяжения.

Камень с пост-напряжением может в некоторых случаях заменить железобетон , поскольку, по словам инженера-строителя Стива Уэбба, «каменная балка с пост-напряжением такая же прочная, как сталь». [6] «После-напряжение открывает новый потенциал для возрождение каменной кладки как конструкционного материала». [7] Камень после напряжения может использоваться в сочетании с массивным предварительно вырезанным камнем в различных конструкциях.

В 2020 году постнапряженный камень занял видное место на выставке «Новый каменный век» в Строительном центре . [8]

Архитектор Джеймс Симпсон пишет: «Термин «инженерная древесина» уже широко используется в строительстве, так почему бы не использовать конструкционный «инженерный камень»? ... Самая захватывающая возможность для каменной промышленности ... - это возможное создание системы из искусственного камня для каркасных или частично каркасных конструкций. При этом будет использоваться прочность камня на сжатие, которая может быть выше, чем у бетона, в сочетании с последующим натяжением стержней из нержавеющей стали. Стены, колонны, балки и плиты могут быть выполнены. изготовлен из небольших кусков камня, распиленного на заводе, вырезанного и предварительно просверленного в соответствии со стандартными компонентами». [9]

Преимущества

Структурные преимущества

При строительстве Храма Святого Семейства используются каменные панели с пост-напряжением.

По сравнению с железобетоном постнапряженный камень имеет как минимум четыре преимущества. [7] [3]

  1. Сокращение расхода материала. Повышая структурные характеристики камня, пост-напряжение позволяет использовать более тонкие каменные плиты или стены, снижая общие требования к материалам и связанные с этим затраты.
  2. Стройность. Менее громоздкие балки из-за большей прочности камня PT по сравнению с бетоном PT. [3]
  3. Долговечность, обеспечиваемая устойчивостью камня к погодным условиям. Это снижает затраты на техническое обслуживание.
  4. Эстетика. Вместо облицовки бетона камнем несущий камень имеет вид камня.
  5. Уменьшение внедренного углерода. Постнапряженный камень вызывает выбросы <1/3 углекислого газа, вызывающего парниковый эффект, по сравнению с бетоном. [3] [10]
  6. Расширенные возможности дизайна. Пост-напряжение предоставляет дополнительные возможности проектирования, позволяя архитекторам, инженерам и скульпторам создавать более инновационные и сложные конструкции, которые было бы трудно достичь с помощью традиционных методов строительства из камня.
  7. Сейсмическая устойчивость. По сравнению с обычным камнем, каменные конструкции PT могут иметь улучшенные сейсмические характеристики, поскольку сжимающие силы могут помочь сохранить целостность конструкции во время движения грунта. В некоторых случаях это может быть уравновешено устойчивостью скользящих каменных компонентов.
  8. Более низкая стоимость. Исследование 30-этажного офисного здания показало, что использование напольных панелей из камня PT обходится дешевле, чем бетонные полы. [5]

Эксплуатационные преимущества

По сравнению с традиционной каменной кладкой постнапряженный камень имеет существенные структурные и весовые преимущества. [11] Кроме того, по сравнению со стандартной каменной кладкой, предварительная сборка камня с последующим натяжением имеет как минимум три эксплуатационных преимущества [12]

  1. Предварительную сборку деталей можно производить на уровне земли, что снижает затраты и повышает безопасность.
  2. Упрощенный осмотр сборки, включая проверку прочности и водонепроницаемости раствора.
  3. Легче планировать задачи, поскольку готовые каменные конструкции с пост-напряжением можно хранить перед использованием.

Проблемы, стоящие перед усыновлением

Portcullis House , Вестминстер, Великобритания
Справа: Финсбери-сквер, 30, каменное здание с пост-напряжением в Лондоне.

Широкое внедрение постнапряженного камня в настоящее время сталкивается с рядом проблем, в том числе:

  1. Культурная связь несущего камня со старомодной, низкотехнологичной архитектурой.
  2. Путаница с использованием косметического камня в элитном строительстве и ощущение высокой стоимости.
  3. Ограниченные знания среди большинства инженеров-строителей, за исключением таких элитных фирм, как Arup Group , Buro Happold и Webb Yates. Обучение строительному проектированию не включает в себя камень. Ситуация меняется с повышенным вниманием со стороны Института инженеров-строителей [2]
  4. Отсутствие международных стандартов по инженерным работам с камнем.
  5. Нехватка каменщиков со знанием методов обработки камня PT.
  6. Отсутствие крупной промышленности по производству сборного камня PT.
  7. По аналогии со сборным железобетоном, отсутствие изготавливаемых модульных каменных компонентов ПТ.
  8. Высокая стоимость некоторых ранних громких каменных проектов с пост-напряжением, в частности, Portcullis House .
  9. Нехватка карьеров по добыче камня, которые проводят регулярные испытания на прочность и могут выдать сертификаты прочности на каменные компоненты.
  10. Необходимость разработки лучшего программного и аппаратного обеспечения CAD-CAM для автоматизированной резки камня с ЧПУ точных форм.

В начале 2020-х годов индустрия облицовочного камня в большинстве стран была почти полностью ориентирована на производство плитки и облицовки.

История

Пост-напряженный камень используется в самых разных областях. После экспериментального использования в 1990-х годах его применение расширилось в начале 2020-х годов, отчасти из-за осведомленности о высоких выбросах углерода, связанных с бетоном.

Каменные пешеходные мосты с пост-напряжением пролетами до 40 м были построены в Японии, Швейцарии, Германии и Испании [7] и продавались на коммерческой основе компанией Kusser Granitwerke с пролетами до 20 м.

ПТ кирпичная и бетонная кладка

В то время как камень с пост-напряжением использовался в строительстве только с 1990-х годов, каменная кладка с пост-напряжением в целом восходит, по крайней мере, к началу 1800-х годов: «В 1825 году в Англии был использован метод пост-напряжения для прокладки туннелей под рекой Темзой. Проект предполагалось строительство вертикальных трубчатых кессонов диаметром 15 м и высотой 21 м. Кирпичные стены толщиной 0,75 м были армированы и предварительно натянуты стержнями из кованого железа диаметром 25 мм». [13] В середине 20-го века корпуса Сиднейского оперного театра были построены из сборных бетонных балок, которые были собраны в крыши с использованием последующего натяжения. К 1982 году кладка после напряжения получила достаточно широкое распространение, чтобы заполнить книгу, опубликованную Институтом инженеров-строителей , хотя это была кладка из кирпича и сборного железобетона. [14] В 1985 и 1986 годах инженер-строитель Ремо Педрески и другие опубликовали исследования постнапряженного кирпича. [15]

20 век

Каменный мост PT Инахус в Беппу, Оита, Кюсю
Массивные каменные арки PT в святилище Святого Пио Пьетрельчинского в Сан-Джованни Ротондо, Фоджа, Италия
Каменный мост PT Пунт-да-Сурансунс, Швейцария
  1. В 1947 году компания Compagnons du Devoir протестировала концепцию камня с последующим натяжением и обнаружила, что пролет длиной 8 м может выдержать нагрузку в 7 тонн. [16]
  2. В 1980-х годах компания Kluesner Engineering разработала каменные панели с пост-напряжением. [17]

    «Преимущества постнапряженного камня во многом такие же, как и у бетона. Он позволяет камню выдерживать большие нагрузки на более длинные пролеты, чем это было бы возможно с обычными блоками. Каменные блоки могут быть изготовлены на заводе в виде гораздо более крупных блоков, чтобы перекрывать колонну за колонной. В здании оконные системы можно переносить непосредственно на каменные панели, тем самым устраняя отдельную систему поддержки окон… Некоторые конструктивные решения были построены с использованием балок для таких элементов здания, как портики, где временные нагрузки ограничиваются нагрузками на крышу. и ветровые нагрузки». [17]

  3. В 1980-х годах корпорация Rock of Ages разработала натяжные гранитные пресс-валки для использования в бумажной промышленности. Перед размещением и натяжением стальных стержней гранитную колонну обточили, а затем просверлили по ее длине.
  4. В 1980-х годах Главное почтовое отделение Сиднея подверглось реставрации, в ходе которой использовалось усиление путем последующего натяжения башни с часами из песчаника. В результате армирования Сиднейский GPO может стать первым каменным зданием с пост-напряжением.

    «Здание из песчаника, построенное более ста лет назад… Башня GPO будет укреплена четырьмя вертикальными арматурными стержнями, 19 нитями диаметром 0,5 дюйма каждая, а также несколькими горизонтальными стержнями предварительного напряжения диаметром 35 мм на уровне пола. ... Для фиксации сухожилий и распределения силы крепления в 1771 кН (400 тысяч фунтов) будут использоваться специальные стальные стулья. Крепления несвязанных сухожилий позволяют контролировать и регулировать силы сухожилий, чтобы при необходимости компенсировать изменения объема песчаника». [13]

  5. Первое задокументированное реальное использование камня с пост-напряжением в новом здании было для Павильона Будущего, построенного в Севилье для Всемирной выставки в 1992 году и спроектированного легендарным инженером-строителем Питером Райсом из Ove Arup and Partners . [7] Райс работала над Сиднейским оперным театром , который был крупным техническим достижением, отчасти из-за использования в нем сборных бетонных балок из каменной кладки, которые были собраны в надстройку крыши с использованием последующего натяжения; это предшествующее использование кладки с пост-напряжением, возможно, способствовало использованию Райс камня с пост-напряжением десятилетия спустя.
  6. Арки святилища Святого Пио из Пьетрельчины площадью 6000 кв. м были спроектированы и построены в период с 1991 по 2004 год архитектором Ренцо Пиано и структурным проектированием под руководством Маурицио Милана из инженеров Favero & Milan [18] и Arup Group . [19]
  7. Построенный в 1994 году пешеходный мост Инахус длиной 34 метра в Оите , Япония, использует камень с пост-напряжением, спроектированный инженером Мамору Кавагути. [7] «Мост имеет чечевицеобразную форму с арочным верхним поясом и подвешенным нижним поясом, соединенными друг с другом посредством элементов перемычки, состоящих из стальных трубок, расположенных в форме перевернутых пирамид».
  8. Завершено в 1995 году [20] Здание Королевы в колледже Эммануэль в Кембридже [7] архитекторами Хопкинса и Бюро Хаппольда [4] совместно с Уве Арупом и партнерами . [21] «Колонны также использовались для обеспечения боковой устойчивости здания и подвергались посленапряжению с помощью стержней из нержавеющей стали, прикрепленных непосредственно к фундаменту». [22]
  9. Завершенный в 1999 году Punt da Suransuns в Швейцарии, 40-метровый пешеходный мост [23] , спроектированный инженером-строителем Юргом Концеттом .

    «Пунт-да-Сурансунс — это ленточный мост с пролетом 40 м… построенный из плит гранита Андир, которые предварительно напряжены на прямоугольных стальных стержнях… При переходе по мосту можно почувствовать вертикальные колебания, но пешеходы отмечают, что мост не так гибок, как кажется». [24]

  10. Возведенный в 1999 году проект Southwark Gateway Needle Эриком Парри состоит из 25 блоков портлендского камня, удерживаемых на высоте 16 метров путем последующего натяжения. [25] [22] [26]
Здание Королевы в колледже Эммануэль в Кембридже было первым завершенным зданием, в котором использовался камень с внутренним натяжением.

2000-е

  1. Построенное в 2001 году здание Парламента Великобритании Portcullis House , спроектированное компанией Hopkins Architects . [4] Это здание представляло собой неудачу в строительстве из камня PT, поскольку все здание было дорогим.
  2. Завершенный в 2002 году дом 30 Finsbury Square был построен Эриком Парри Архитекторами [27] [28] и инженерами Whitbybird. «Колонны были изготовлены традиционным способом и оставлены на 7 дней перед последующим натяжением». [22]
  3. В 2004 году компания Kusser Graniteworks построила гранитно-диоритовые флагштоки из постнапряженного материала. [29]
  4. В 2005 году был изготовлен прототип первой винтовой каменной лестницы с пост-напряжением; под названием «Escalier Ridolfi», он был спроектирован Клаудио Д'Амато и Джузеппе Фаллакарой. [30] В 2006 году на Венецианской биеннале архитектуры была представлена ​​полномасштабная лестница Escalier Ridolfi , построенная каменщиками Ateliers Romeo [31]
  5. В 2007 году компания Kusser Granitwerke построила свой первый натяжной каменный пешеходный мост в Розенхайме . [32]
  6. Построенное в 2009 году здание на Саутгемптон-Роу , [4] спроектированное архитекторами Шеппарда Робсона , использовало камень с пост-напряжением.

2010-е годы

  1. Начиная с 2011 года, отмеченные наградами высокопрочные каменные лестницы для роскошных жилых домов были построены в сотрудничестве каменщика Пьера Бидо и инженера-строителя Стива Уэбба, [33] [16] [34]
  2. В 2013 году Джузеппе Фаллакара и Марко Стильяно продемонстрировали первый прототип «тенсегрилита», сочетающий камень со стальными стержнями и кабелями в структуру тенсегрити . [35]
  3. С 2019 года инженеры Webb Yates использовали расширенные горизонтальные каменные перемычки в жилищном строительстве [36] и проверенные каменные панели для пола. [37] [3]
  4. Винтовая лестница с углом поворота 330˚, спроектированная компанией Foster and Partners для построенной в 2019 году виллы Dolunay в Турции [38] и построенная компанией Stonemasonry Company совместно с Уэббом Йейтсом. [39]

2020-е годы

  1. IABSE наградила Медалью Милна 2020 года Стиву Уэббу за его работу по разработке низкоуглеродистых материалов для строительного проектирования, включая растянутый камень. [40]
  2. В соборе Саграда Фамилия , строящемся в Барселоне в сотрудничестве с Arup Group , который должен быть завершен в 2026 году, используются каменные конструкции с пост-напряжением. [12] «Хорди Фаули, архитектор, отвечающий за Храм Святого Семейства в Барселоне, заявил, что они реализуют эту технику для 800 панелей, которые составляют часть центральных башен базилики; на самом деле предварительное напряжение позволит обеспечить более высокое сопротивление. к ветрам с меньшим весом». Использование пост-напряжения позволяет избежать использования в конструкции бетона, облицованного камнем. [41]

Смотрите также

Викискладе есть медиафайлы, связанные с камнем после натяжения .

Рекомендации

  1. ^ Себастьян, Вендел; Уэбб, Стив (2021). «Испытания прототипов предварительно напряженных балок из натурального камня». Строительство и строительные материалы . 271 : 121555. doi : 10.1016/j.conbuildmat.2020.121555. S2CID  234318783.
  2. ^ аб Бут, Скотт; Лайнс, Алекс (2020). «Камень как конструкционный материал. Часть 3: Постнапряженные каменные конструкции». Инженер-строитель . 98 (8): 22–28. дои : 10.56330/FZDA2725. S2CID  226721423.
  3. ^ abcdef Уэбб, Стив (2020). «Почему настало время вернуться к камню как конструкционному материалу». Журнал РИБА . Проверено 2 мая 2023 г.
  4. ^ abcd Бигнелл, Эрик (2009). «Внешнее производство: пост-натяжение».
  5. ^ ab Групповая работа; Джексон Коулз; Восемь партнеров; Уэбб Йейтс; Каменная компания; Поликор (2020). «Исследовательский проект Каменной башни» (PDF) . Строительный центр .
  6. ^ «Плюсы и минусы каменных построек» . Файнэншл Таймс . 17 июня 2022 г.
  7. ^ abcdef Тодиско, Леонардо; Стокс, Элизабет; Леон, Хавьер; Коррес, Хьюго (2018). «Повышение конструктивных характеристик каменных конструкций путем последующего натяжения». Сетевой журнал Nexus . 20 (3): 671–691. дои : 10.1007/s00004-018-0374-z . S2CID  253601720.
  8. ^ «Новый каменный век | Выставки | Что происходит | Строительный центр» .
  9. ^ Симпсон, Джеймс (2020). «Камень и известь в постмодернистском строительстве: изменение климата и новый каменный век».
  10. ^ Уэбб, Стив (2022). «Каменный век: новая архитектура из старого материала». Архитектурное обозрение . Проверено 2 мая 2023 г.
  11. ^ «Панели из натянутого камня: структура и компоненты». 22 августа 2018 г.
  12. ^ ab "Напряжённый камень". 6 июня 2018 г.
  13. ^ аб Ганц, Ганс Рудольф (1988). «КАМННЫЕ КОНСТРУКЦИИ, НАПРЯЖЕННЫЕ ПОСЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ» (PDF) . структурные технологии . ВСЛ ИНТЕРНЕШНЛ, ООО.
  14. ^ Армированная и предварительно напряженная кладка. Томас Телфорд. 1982. дои : 10.1680/rapm.01619. ISBN 978-0-7277-4902-4.
  15. ^ https://www.pure.ed.ac.uk/ws/portalfiles/portal/5952527/R_pedreschi_post_tensioned_stone.pdf
  16. ^ ab https://www.stoneshow.co.uk/stone-digital-conference/innovation-for-sustainable-design-back-to-basics-post-tensioned-stone-and-lightweight-fa%C3%A7ades
  17. ^ Аб Дональдсон, Барри (1988). Новая каменная технология, проектирование и строительство систем наружных стен. АСТМ Интернешнл. ISBN 9780803111646.
  18. ^ "Паломническая церковь Падре Пио / Мастерская по строительству фортепиано Ренцо" . 27 августа 2018 г.
  19. ^ "Паломническая церковь Падре Пио, Сан-Джованни Ротондо - мастерская Ренцо по строительству фортепиано" .
  20. ^ «Королевское здание, Эммануэль-колледж Кембридж – Образование – Hopkins Architects» .
  21. ^ https://www.archinform.net/projekte/4999.htm
  22. ^ abc Педрески, Ремо (2013). «Технико-экономическое обоснование использования камня после напряжения для облицовки». Строительство и строительные материалы . 43 : 225–232. doi :10.1016/j.conbuildmat.2013.02.008. hdl : 20.500.11820/478b44bf-8f16-4ba7-a0c7-f742112b05d1 . S2CID  55570473.
  23. ^ https://www.researchgate.net/figure/Segmented-post-tensioned-bridges-a-Punt-da-Suransuns-J-Conzett-Switzerland-b_fig3_362652352
  24. ^ Концетт, Юрг (2000). «Пешеходный мост Пунт-да-Сурансунс, Швейцария». Международный структурный инжиниринг . 10 (2): 104–106. дои : 10.2749/101686600780557965. S2CID  109661483.
  25. ^ "Игла ворот Саутварка" .
  26. ^ "Игла ворот Саутварка от Eric Parry Architects (1999)" .
  27. ^ «Площадь Финсбери, 30: перспектива на северо-восток | Произведения искусства | Коллекция RA | Королевская академия художеств» .
  28. ^ "Финсбери-сквер, 30" .
  29. ^ «Флагштоки из предварительно напряженного гранита».
  30. ^ "Пьетре д'Италия".
  31. ^ "ПЕРВАЯ лестница из массивного камня с пост-натяжением" .
  32. ^ "Пешеходный мост в Розенхайме" .
  33. ^ «Пост натянут и усилен».
  34. ^ «Посмотрите на инженерные решения этой плавающей отмеченной наградами каменной винтовой лестницы» . 22 ноября 2016 г.
  35. ^ http://www.atelierfallacara.it/_download/Monografie/21_Architectural_stone_elements.pdf
  36. ^ «Зачем строить из бетона, если можно строить из камня?».
  37. ^ «От поля к форме: Камень».
  38. ^ "Вилла Долунай / Фостер + Партнеры" . 30 марта 2020 г.
  39. ^ «Частная вилла».
  40. ^ https://www.istructe.org/resources/training/iabse-milne-medal-lecture-2020/
  41. ^ "Камни для центральных башен". 15 ноября 2017 г.

Внешние ссылки