Вы здесь

Высотное строительство – поиски новых конструктивных решений

Версия для печати

За более чем столетний период проектирования и строительства высотных зданий [1], в том числе и небоскребов, в мире накоплен большой теоретический и практический опыт, выявлены основные проблемы по всем направлениям их создания и эксплуатации. Этот опыт должен учитываться в белорусской практике высотного строительства.

По современной классификации высотным является здание высотой от 75 до 120–150 м. Все, что выше, – это “небоскребы”, довольно часто своей верхней частью уходящие в низкую облачность. На наш взгляд, для условий Беларуси оптимально установить верхнюю градацию на 120 м.

Главным приоритетом в проектировании и строительстве высотных зданий является обеспечение их прочности и устойчивости, а также жесткости с учетом воздействия значительных ветровых усилий. Необходимо, чтобы прогиб верха здания от вертикали составлял не более его высоты: при 120 м – 0,12 м. Это возможно при суммарной жесткости (момента инерции) сооружения не менее 630 м4 [4].

В мировой практике принято, что отношение ширины здания к его высоте должно быть не более 1:8 [2], что (за редким исключением) и закладывается при назначении геометрических размеров высотных сооружений. Значит, при высоте 120 м ширина его может быть 15 м. Для такого здания при весе 1 м3 строительного объема 4 кН, т.е. 60 кН на 1 м2 фасада, обеспечивается нормируемое ускорение собственных колебаний не более w = 0,1 м/сек2. При этом период собственных колебаний составит Т = 2,52 сек.

Мировая практика высотного строительства выявила один из самых сложных аспектов для несущих вертикальных конструкций из железобетона – неравномерное их укорачивание под действием нагрузки. Данная неравномерность усиливается при разной площади поперечного сечения конструктивных элементов – стен и колонн.

Опыт проектирования и строительства высотных зданий в Москве [3] в разные периоды также вскрыл существенные недостатки в части необходимой надежности высотного строительства. Это требует поиска новых технических и технологических решений.

В связи со значительной разницей в нагрузках на несущие элементы зданий, например на колонны каркаса, в нижних этажах высоток необходимо сечение колонн больших размеров. Однако это усложняет технологию возведения сооружений, так как требует изменения применяемой опалубки.

Один из серьезных недостатков высотных каркасных зданий – противоречие между необходимостью установить расчетное количество диафрагм жесткости и объемно­планировочным решением. Кроме того, размещая диафрагмы жесткости только в габаритах здания, приходится вводить ограничения по их высоте, так как жесткость этих диафрагм бывает недостаточной. Помимо жесткости диафрагм обязательна еще их пригрузка прилегающими конструкциями, обусловленная необходимостью учета горизонтальной (ветровой) нагрузки.

Краевые напряжения в диафрагмах жесткости определяются по известной формуле:

,

где N – суммарная вертикальная нагрузка на диафрагму жесткости;

А – площадь этой диафрагмы;

М – изгибающий момент от действия ветра, г;

W – момент сопротивления диафрагмы жесткости.

Из формулы видно, что при небольших значениях или при больших значениях  происходит “отрыв” диафрагмы от фундамента или фундамента от грунта основания.

При традиционных конструктивных решениях высотных зданий пригрузка диафрагм жесткости осуществляется только половинной нагрузкой прилегающих к диафрагмам пролетов каркаса, что снижает возможности увеличения высоты.

Основное требование к конструктивной системе высотного здания –надежность каждого конструктивного элемента, устойчивость к прогрессирующему обрушению при локальных повреждениях несущих конструкций, авариях инженерных систем, пожарах, взрывах и т.п.

Компоновка здания должна предоставлять возможность принимать необходимые габариты диафрагмам жесткости, максимально загруженным вертикальными нагрузками. При его возведении следует предусмотреть использование ограниченного комплекта опалубки.

В предлагаемом авторами конструктивном решении* поставленные задачи решаются следующим образом. Несущими конструкциями, передающими вертикальные и горизонтальные нагрузки на фундамент здания, являются только диафрагмы жесткости, установленные у торцов здания и в его середине. На диафрагмы жесткости опираются, значительно увеличивая значения в формуле, многоэтажные несущие модули, разделенные между собой этажами, в которых отсутствуют колонны, т.е. вертикальные несущие элементы. Это позволяет не передавать нагрузку от модулей на нижеследующие. Сущность данного конструктивного решения поясняется чертежами (рис. 1–7).

Каркас здания состоит из несущих модулей 1 и разделительных этажей 2. Несущие модули включают в себя 8–12 и более этажей, выполненных в каркасных конструкциях из монолитного железобетона. В верхних и нижних этажах модулей 1 в створах продольных рядов колонн 5 выполнены монолитные стены 6, образующие продольные балки­стенки, опирающиеся на поперечные диафрагмы жесткости 3. Эти балки­стенки выполняют роль аутригеров, повышающих пространственную жесткость модуля [2]. В них предусмотрены необходимые по планировочным решениям проемы и отверстия.

Шаг колонн в продольном направлении принят не более высоты этажа, а колонны продольных рядов объединены выступающими ниже монолитных перекрытий 7 балками 8, соответствующими ширине колонн. Таким образом, каждый продольный ряд колонн совместно с выступающими балками представляет многоэтажную решетчатую пролетную конструкцию, передающую нагрузки на поперечные диафрагмы жесткости. В сочетании с нижним и верхним этажами, в которых каждый продольный ряд колонн объединен монолитными стенами, несущий модуль представляет собой пространственную пролетную конструкцию, передающую все нагрузки только на диафрагмы жесткости, надежно загружая и повышая их устойчивость при восприятии ветровой нагрузки.

Сечения и армирование колонн для всех модулей по высоте приняты одинаковыми, что упрощает технологию возведения здания. Колонны каркаса в пределах каждого модуля при их аварийном разрыве могут работать по двум схемам: на сжатие с опиранием на нижний этаж модуля или на растяжение, подвешиваясь к верхнему его этажу.

Таким образом, выход из строя любой из колонн не может привести к прогрессирующему обрушению ни модуля, ни здания в целом.

Исключение передачи нагрузок от вышележащих модулей на нижележащие необходимо не только в период эксплуатации, но и в период его возведения. Для этого в армировании нижних этажей модулей применена жесткая арматура в виде продольных ферм по числу продольных рядов колонн в модуле. Эти фермы воспринимают нагрузку от подвесной опалубки и монолитного бетона и передают их только на поперечные диафрагмы жесткости.

В поперечных диафрагмах жесткости выполнены продольные участки, размещенные в створах как средних, так и крайних продольных рядов колонн длиной на один шаг этих колонн, что повышает жесткость опоры каждого модуля и диафрагм в продольном направлении.

Для увеличения жесткости диафрагм возможно их утолщение от центральной части к внешним краям, ширина диафрагм может быть переменной по высоте здания и выступать за его габариты. Это позволяет принимать жесткостные характеристики диафрагм независимо от планировочных решений.

В центральной части высотного здания между двумя средними диафрагмами жесткости размещается лестнично­лифтовой узел. Возможны и другие лифты, а также лестничные клетки различного типа.

В пределах центральной шахты лифта на период строительства могут монтироваться конструкции растущего башенного крана для подачи бетона и строительных материалов по мере роста здания.

Учитывая архитектурную значимость высотных сооружений, предлагаемое решение открывает широкие возможности архитекторам для выбора разнообразных вариантов фасадов. Так, различие конструктивных решений верхнего и нижнего этажей модуля (стеновая система) и разделительного этажа (отсутствие колонн и стен) позволяет создавать определенный ритм архитектурных приемов по высоте здания. Кроме того, расположение конструкций по высоте и длине здания таково, что в любом месте фасада возможно устройство консольных участков в виде балконов, лоджий, эркеров, лестничных клеток и других объемных элементов.

Своеобразие фасадам способны придавать и выступающие за габариты здания диафрагмы жесткости, которые по высоте здания могут иметь различную ширину, а их контур очерчиваться по кривой линии, например по параболе. В сочетании с завершающими элементами высотное здание будет отвечать современным архитектурным требованиям.

В связи с необходимостью развития фундаментов по площади их опирания подземные этажи ступенчато, расширяясь книзу, выступают за габариты надземной части здания. В них достаточно места для размещения автостоянок на одном или нескольких уровнях.

 

Литература

1. Абрамсон Л.А. (ЦНИИЭПжилища). Развитие строительства высотных зданий // Жилищное строительство. 2005. № 10.

2. Николаев С.В. (ЦНИИЭПжилища). Высотные здания – это комплекс высокопрофессиональных решений // Жилищное строительство. 2005. № 10.

3. Горин С.С. Жилые небоскребы в Москве – прошлое, настоящее, будущее // Жилищное строительство. 2003. № 9–10.

4. Дыховичный Ю.А., Максименко В.А. Сборный железобетонный унифицированный каркас. М.: Стройиздат, 1985.



comments powered by HyperComments
Читайте также
14.12.2006 / просмотров: 5 670
…Создать Парк высоких технологий для разработки в Республике Беларусь программного обеспечения, информационно­коммуникационных, иных новых...
28.02.2007 / просмотров: 15 686
Основным отличием зданий повышенной этажности от многоэтажных является их значительная высота, диктующая особые требования к инженерному оборудованию...
28.02.2007 / просмотров: 5 680
То, что высотные здания должны быть градостроительными акцентами, – аксиома. Им, подобно любому акценту, следует отличаться от окружающей...