Конструктивные системы высотных зданий

Конструктивные системы высотных зданий.

Желание построить что-то большое не ново. Большие здания были использованы, чтобы показать власть и богатство, в честь лидеров или религиозных убеждений; простирались за пределы того, что возможно, и даже просто из-за конкуренция среди владельцев, семей, архитекторов и строителей. Некоторые из самых драматических зданий прошлого, это пирамиды в Египте, тощие башни, простирающиеся к небу в итальянских городах, и готические соборы Франции. Два события в 19 веке подготовили почву для совершенно нового типа здания: небоскреба. Первое было - разработка безопасных лифтов. Второе- был разработан новый метод строительства, в котором использовали сетку из стальных балок и колонн, такие, что выдерживают любые напряжения и силы возникающие в здание, в том числе и вес этажей здания, а также силы ветра или даже, в некоторых районах, землетрясения. И с этим новым методом родилась и началась гонка за высоким зданием. Эта статья описывает строительство небоскребов и их особенности. Описать влияние различных факторов на выбор структурной системы.

В современном высотном строительстве применяют различные конструктивные системы и схемы с разнообразными вариантами компоновок. Вместе с тем все конструктивные системы можно разделить на категории (рис. 1): рамно-связьевые, каркасные с диафрагмами жесткости, бескаркасные с перекрестно-несущими стенами, ствольные, коробчатые, ствольно-коробчатые ( труба в трубе, ферма в ферме) . Высотные здания можно разделить на диапазоны по высоте, для каждого из которых характерны свои конструктивные решения. При этом следует заметить, что границы диапазонов в определенной степени условны в силу перечисленных выше обстоятельств.

[1]

Следует заметить, что повышения сопротивляемости здания ветровым нагрузкам можно достигнуть не только за счет применения соответствующих конструктивных систем, но и путем придания определенной формы в плане. Многочисленные зарубежные исследования, выполненные продуванием моделей в аэродинамических трубах и компьютерной симуляцией с помощью программного обеспечения, показали, что оптимальной формой плана высотного здания является круг или фигура, близкая по форме к кругу. (Рис. 2). Эллиптическая и квадратная формы хотя и уступают круглой, но также обеспечивают достаточную сопротивляемость здания горизонтальным нагрузкам. В качестве примеров можно привести здания Marina City в г. Чикаго (США), Petronas Towers в г. КуалаЛумпур (Малайзия), Taipei101 в г. Тайпей (Тайвань). Другие высотные здания близкой этажности имеют аналогичные очертания в плане. [2]

Говоря о предпочтительных формах планов высотных зданий, необходимо отметить, что при прочих равных условиях наилучшими показателями обладают сечения минимум с двумя осями симметрии. Такие здания менее других чувствительны к изменению направления действия горизонтальных нагрузок, а количество типоразмеров несущих конструкций сокращается до минимума.

Практика свидетельствует о том, что сооружения сложной формы целесообразно проектировать составными из нескольких блоков, имеющих более простые по форме сечения.

Высотное строительство часто осуществляется в сейсмически активных районах. Это порой приводит к противоречивым результатам влияния жесткости каркаса на поведение здания при ветровых и сейсмических нагрузках. Если для улучшения сопротивления ветровому напору и уменьшения амплитуды и частоты колебаний верха здания прибегают к увеличению жесткости несущего остова, то при сейсмических нагрузках такие здания не способны поглотить энергию толчков земной коры, что вызывает значительные перемещения и ускорения на верхних этажах.

Для устранения указанных противоречий в особо высоких зданиях (до 300 м и более) на верхних этажах устраивают пассивные маятниковые демпферы. В частности, такой демпфер установлен в башне Taipei101.(рис. 3) Он имеет вес около 800 т, подвешен с помощью тросов на 92м этаже и предназначен для гашения инерционных колебаний. В обычных условиях эксплуатации демпфер обеспечивает отклонение верха здания в пределах до 10 см, а при воздействиях катастрофического характера (тайфуны, землетрясения и т. п.) сам раскачивается с амплитудой до 150 см, гарантируя колебания здания в безопасных пределах.

Повышение изгибной жесткости несущего остова высотных зданий со ствольными конструктивными системами и их сопротивляемости действию динамических горизонтальных воздействий достигают введением в каркас аутригерных структур (рис. 5, 6), выполняющих функцию элементов, несущих на себе часть нагрузки от перекрытий. Как правило, это достаточно жесткие плоские или пространственные конструкции, расположенные по высоте здания с определенным шагом и соединенные между собой вертикальными стержневыми элементами. Включение аутригерных структур принципиально изменяет характер работы каркаса и позволяет регулировать его реакцию на внешние воздействия. Аутригеры высотных зданий, в конструктивном отношении представляющие собой раскосные или безраскосные фермы (последние известны под названием “балка Веренделя”), обычно располагают в уровнях технических этажей, разбивающих здания на отдельные функциональные и противопожарные отсеки. [3]

Рис.5. Аутригерная ферма на 2-м этаже в башне «Евразия».

Так Комплекс “Федерация” представляет собой многоуровневый

подиум с двумя разновысотными башнями, объединёнными общей стило-

батной частью. Между ними размещена мачта двух панорамных лифтов,

связанная переходами с башнями в трёх уровнях на отметках 106, 214 и

330 м, что не случайно, так как в противном случае по закону Бернулли

между двумя башнями возникали бы очень сильные ветровые нагрузки.

Лестнично-лифтовые узлы расположены в центрах башен. По периметру эти узлы обнесены мощными железобетонными стенами, обеспечивающими совместно с другими конструкциями поперечную жёсткость башен. По наружному треугольному контуру башен расставлены мощные мегаколонны прямоугольного сечения железобетонного каркаса здания. Между лестнично-

лифтовыми узлом и колоннами наружного контура установлены промежуточные колонны круглого сечения, обеспечивающие приемлемые значения расчётных пролётов монолитных перекрытий.

Констркутивная часть башен – ствольно-каркасная. Несущие конструкции спроектированы из монолитного железобетона. Вертикальные

несущие выполняют из высокопрпочного бетона класса В60 и выше, перекрытия – из бетона В40. В комплексе задачей ужесточения несущего каркаса и перераспределения давления, в основном от горизонтальных воздействий на периферийные колонны является проектирование металлических ферм внутри башен. Для этих целей проектируются дополнительные металлические фермы, включая аутригерные (коромысловые), жёстко связанные с монолитным железобетонным ядром здания и опоясывающие (бандажные) по несущему контуру (рис. 7). [5]

Рис.7