КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Высотные здания – это новые градостроительные функционально-планировочные образования, формируемые по вертикальной оси.

Строительство высотных зданий в любое время и во всех странах всегда было важным направлением в формировании городской структуры, создающей комфорт условий жизни для населения.

Конструктивная схема высотного здания определяется требованием к сохранению свободной планировки нижних этажей, предназначенных для выполнения различных функций: торговля, образование, спорт, досуг, развлечения, питание.

Конструкция каркаса здания, его параметры напрямую зависят от обеспечения свободы пространства для всех высотных сооружений на уровне подвалов.

Конструктивной основой многоэтаж­ного здания служит пространственная несущая система из стержневых и панель­ных железобетонных элементов, взаимо­связанных между собой в порядке, обеспе­чивающем прочность, устойчивость и долговечность системы в целом, а также ее отдельных элементов. Пространствен­ная работа системы проявляется в том, что при загружении одного из ее элемен­тов в работу включаются и другие элементы.

Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость. Конструкция каркаса здания, его параметры напрямую зависят от обеспечения свободы пространства для всех высотных сооружений на уровне подвалов.

По конструктивной схеме многоэтаж­ные здания разделяют на каркасные, бескаркасные и комбинированной систе­мы, а по назначению – на промышленные и гражданские.

Каркасную систему используют в основном для зданий промышленного, административного и общественного на­значения, где требуются большие не перего­роженные помещения. Бескаркасную и комбинированную системы применяют для жилых домов, в которых несущие и внутренние стены являются межквартир­ными и межкомнатными перегородками. В зданиях комбинированной системы ниж­ние этажи каркасные, а остальные панель­ные.

При действии горизонтальных нагрузок обеспечение совместной работы разно­типных вертикальных конструкций в многоэтажном здании достигается благо­даря высокой жесткости при изгибе в плоскости междуэтажных перекрытий, ра­ботающих как горизонтальные диафраг­мы.

В целях уменьшения собственных на­пряжений от перепада температуры, усад­ки бетона и осадки опор железобетонные и каменные конструкции зданий разде­ляют по длине и ширине на отдельные части (деформационные блоки) температурно-усадочными и осадочными швами. Температурно-усадочными швами разре­зают здания до верха фундамента, а оса­дочными — включая фундамент.

При расчете зданий на ветровые нагрузки дополнительно следует учиты­вать среднюю и пульсационную составляющие расчетной ветровой нагрузки, воздействия, вызывающие нарушения комфортности пешеходных зон и другие. Рекомендуется также проводить испытания моделей в аэродинамиче­ских трубах.

При проектировании фундаментов и подземной части здания инженер­но-геологические изыскания должны проводиться дважды - на предпроектной стадии и на стадии «проект» или «рабочая документация». Кроме того, часть полевых испытаний следует проводить со дна котло­вана.

При проектировании плитных фундаментов бетонная подготовка должна быть не менее 150 мм и из бетона класса не ниже В10, а сама плита из класса не ниже В25.В высотных зданиях для повышения устойчивости целесообразно пре­дусматривать подземные этажи и большие стилобаты. Фундаменты, как правило, проектируются в зависимости от грунтовых условий, свайными, плитно-свайными или плитными.

Надземная часть зданий может быть весьма разнообразной по конст­руктивным решениям.

Нецелесообразно применять в высотных зданиях сборных железобетонных несущих конструкций, особенно крупнопанельных, так как они не обладают достаточной прочностью, жесткостью узловых сопряжений и устойчивостью. Таким образом, конструктивные решения могут быть из стальных эле­ментов, монолитного железобетона и комбинированными.

К стальному каркасу у нас сейчас предъявляются очень жесткие требо­вания по пожаростойкости - 3 часа, что в большинстве случаев вынуждает проектировать железобетонные колонны с жесткой арматурой.

Сравнительная оценка конструктивных решений зданий проводится по 4 основным критериям: архитектурным, конструктивным, технологическим и экономическим.

Монолитные здания соответствуют наиболее высоким архитектурным требованиям - они могут обеспечивать «свободную» планировку внутри здания любой конфигурации с выразительным фасадом.

Примером системы с несущими стенами могут служить разрушенные башни-близнецы в Нью-Йорке. Особенность этой системы заключается в том, что по периметру здания располагаются стальные колонны, а внутри здания имеется мощное ядро жесткости. Однако недостаточная защита пе­рекрытия и колонн каркаса от воздействия высоких температур при пожаре привела к обрушению здания. Перекрытие состояло из легких фермочек с раскосами из стержневой арматуры и поясами из уголков, поверх которых был уложен профнастил и монолитный бетон.

Эта система для инвесторов представляется соблазнительной кажу­щейся технологичностью, но на деле монолитные каркасы возводятся бы­стрее при условии обеспечения возможности возводить вышележащие эта­жи до полного набора прочности бетоном нижележащих этажей.

Для повышения технологичности возведения зданий ряд фирм приме­няет стальные каркасы с пенопластовыми элементами, служащими одно­временно звукоизоляцией и обеспечивающими высокую скорость бетони­рования. Таким же способом обеспечивается тепло- и звукоизоляция стен. Некоторые конструкторы считают, что в зданиях до 30 этажей связе­вые каркасы перспективнее, а в более высоких предпочтение отдается уже рамным каркасам.

Вопрос материала - металл, железобетон, высокопрочный бетон - ре­шается в каждом отдельном проекте, и, поскольку архитектурных решений бесконечное множество, главной задачей является выбор по возможности, наиболее рациональных решений.

Точной границы между высотным и невысотным строительством нет, но, поднимаясь на каждый этаж, мы создаем условия для проявления ранее неучитываемых нами факторов работы конструкций, могущих привести к гибели людей и серьезным экономическим последствиям для народного хо­зяйства. Поэтому возникли некоторые новые дополнительные ограничения.

Необходимо также добиваться симметричного расположения масс и жесткостей.

Необходимо обратить внимание на появление разности вертикальных деформаций в стенах и колоннах, которой ранее всегда пренебрегали, так как в зданиях высотой до 20 этажей это практически не проявляется. В высотных каркасах это недопустимо, особенно при рамно-связевой схеме, где нагрузки воспринимаются малонапряженными ядрами и сильно нагруженными колон­нами. Эти колонны оседают и получается «горка» возле каждого ядра и, соот­ветственно, совершенно другое напряженное состояние. В результате этого мы получаем измененную расчетную схему. Проектировщик вынужден, раз­бив каркас на плоские системы, рассчитывать их на вертикальные и горизон­тальные нагрузки, включив все дополнительные усилия.

При определении жесткостных параметров железобетонных элементов следует учитывать возможность образования трещин и развития неупругих деформаций в бетоне и арматуре.

Необходимо также учитывать требования по предотвращению обру­шения.

Ранее считалось, что физически и геометрически нелинейная модель не обязательна, а МГСН 4.19-05 требует несущую колонну рассчитать два­жды - сначала вручную (по Эйлеру, как это делалось ранее), а потом по результатам расчета геометрически нелинейной модели с учетом эксцен­триситетов, которые были получены, и принять наиболее неблагоприятный результат. Существует несколько трактовок термина «геометрически нели­нейная модель». Ранее это называлось «расчет по деформированной схеме». Стандартный расчет не предусматривает «деформированности», и незави­симо от способа нагружения конструкции она всегда остается в первона­чальном состоянии, а расчет по «деформированной схеме» учитывает, что конструкция под воздействием нагрузки принимает новую форму, а из опыта исследования колонн известно, что эта новая форма ведет к измене­нию напряженного состояния. Сегодня СНиП позволяет нам при кратко­временном загружении легко определить модуль упругости бетона. Причем следует обратить внимание на коэффициент 0,85, который не позволяет использовать табличное значение модуля. Однако наши нагрузки в основ­ном длительные, и для них СНиП предлагает коэффициент ползучести от 2 до 4, следовательно, модуль упругости умножается на 0,3.

Инженерные системы в высотных зданиях имеют ряд особенностей. В подвальном или на первом этаже, а также на технических этажах следует предусмотреть помещения для размещения зонного оборудования (ЦТП, ТП, теплообменники, насосы, системы вентиляции и кондиционирования и т.д.).

При проектировании инженерного оборудования необходимо учиты­вать влияние температурного удлинения трубопроводов и колебание верх­ней зоны от действия ветровой нагрузки.

Конструирование высотных зданий имеет свою специфику с точки зрения объемной формы, пропорций, выбора конструктивных систем и элементов зданий.

В систему высотного каркаса к этим элементам относят вертикальные элементы (колонны, рамы, диафрагмы и стволы жесткости) и горизонтальные элементы (плиты и балки перекрытий, горизонтальные связи). Вертикальные элементы выполняют в системе главные несущие функции, воспринимая все действующие на здание нагрузки с передачей их на фундамент. Горизонтальные элементы обеспечивают неизменяемость системы в плане, передают прилагаемые к ним нагрузки на вертикальные элементы, обеспечивают пространственную работу всей системы, выступая в качестве распределительных горизонтальных дисков.

Каркасные и смешанные системы в зависимости от распределения функций между элементами каркаса, для обеспечения пространственной жесткости и устойчивости, подразделяют на рамные, связевые и рамно-связевые. 

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.

Стены высотных зданий независимо от того, несущие ли это конструкции или диафрагмы жесткости, выполняют из менее прочных бетонов по сравнению с теми, которые применяются для устройства колонн. В высотных зданиях несущую стеновую систему устраивают с применением монолитного бетона. Это обусловлено необходимостью придания остову максимально возможной жесткости, которую технически сложно обеспечить в сборном и сборно-монолитном варианте.

Список литературы:

1. Белоконев Е. Н., Абуханов А. З., Белоконева Т. М., Чистяков А. А. Основы архитектуры зданий и сооружений; Феникс - Москва, 2009. - 336 c.
2. Стаценко А. С. Монтаж стальных и железобетонных конструкций; Вышэйшая школа - Москва, 2008. - 368 c.
3. Сахновский, К.В. Железобетонные конструкции / К.В. Сахновский. - М.: Литература по строительству, архитектуре и строительным материалам; Издание 8-е, перераб., 1981. - 840 c.
4. СНиП 31-06-2009. Общественные здания и сооружения. Действующая редакция
5. Шерешевский И. А. Конструирование гражданских зданий; Архитектура-С - Москва, 2007. - 176 c.
6. Шерешевский И. А. Конструирование промышленных зданий и сооружений; Архитектура-С - Москва, 2010. - 168 c.
7. O. Akin, B. Dave, and S. Pithavadian. "Problem structuring in architectural design." Technical Report EDRC-48-05-87, Engineering Design Research Center, Carnegie Mellon University, 1987.