Конструктивные схемы высотных зданий

1/2П11 ВЕСТНИК

j/2012_мгсу

КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИИ HIGH-RISE BUILDINGS'S DESIGN SCHEME

M.B. Козлов, Е.Л.Безбородов

M.V.Kozlov, E. L.Bezborodov

ГОУ ВПО МГСУ

В статье анализируются отличительные особенности высотных зданий решающим образом влияющих на выбор конструктивных схем. Влияние выбираемой конструктивной схемы на объемно планировочное решение здания . Приведено обоснование выбора оптимальной конструктивной схемы здания исходя из функционального назначения , диапазона высот и технико-экономического сравнения альтернативных схем.

The author analyzes the distinctive features of high-rise buildings have a decisive influence on the selection of design schemes. Influence of chosen structural layout for volumetric planning decision of the building. The substantiation of the choice of the optimum structural layout of the building based on the functionality, range of altitudes and techno-economic comparison of alternative schemes.

Высотные здания имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий и решающим образом влияющую на применяемые конструкции и конструктивные схемы.

По мере увеличения высоты зданий влияние горизонтальных нагрузок возрастает в нарастающей степени. При определенной высоте горизонтальный прогиб становится настолько большим, что требования жесткости несущих конструкций становятся при расчете решающими. Величина жесткости зависит в первую очередь от конструктивной схемы здания. Более того, эффективность конкретной системы зависит от объема используемого материала несущих конструкций. Оптимизация сооружения при определенных требованиях к объемно-планировочному решению сводится к достижению максимальной жесткости при минимальном весе. [4]

В целях снижения ветровых воздействий проектировщики часто выбирают эффективную в аэродинамическом отношении объемную форму здания - цилиндрическую (с планом в форме круга или эллипса, примером может послужить небоскрёб Мэри-Экс (Mary Axe), Лондон (рис.1 ) [8], пирамидальную или призматическую (с планом в виде квадрата, треугольника или прямоугольника со скругленными углами), характерным примером может послужить здание «Джон Хэнкок»2 в Чикаго, имеющее форму усеченной пирамиды (рис 2) [8]. В целях повышения устойчивости здания прибегают к расширению его сечения к основанию в одном или двух направлениях. [1]

Такие факторы как высокая нагрузка на несущие конструкции, в особенности на основания и фундаменты; повышенная значимость воздействия природных и техногенных факторов, таких как сейсмические воздействия, солнечная радиация, аэроди-

намика, вибрации, шумы, аварии, пожары, а также террористические акты на безопасность эксплуатации; неравномерная загруженность элементов конструкций, повышенные требования пожарной безопасности, так же являются отличительными особенностями высотного строительства, требующие повышенного внимания и существенным образом влияющие на выбор конструктивных и объемно-планировочных решений. [5]

Все вышеперечисленное приводит к разработке схем, наиболее рациональных для определенного диапазона высот. Конструктивное и компоновочное решение зависит главным образом от высоты объекта. Однако существенное влияние на выбор конструктивной схемы оказывают и такие факторы, как сейсмическая активность района строительства, инженерно-геологические условия, атмосферные и в первую очередь ветровые воздействия, архитектурно-планировочные требования, функциональное назначение. 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 перечиленных выше обстоятельств. [4]

Анализируя ход развития конструктивных схем можно выделить две основополагающие конструктивные группы, это стержневые конструктивные схемы и стеновые (диафрагмовые). В следствии сочетания этих двух групп можно выявить четыре основные конструктивные схемы (не имеется ввиду что основные конструктивные схемы более распространены, смысл в том что это основополагающие схемы) - это стеновая, система со стержневыми конструкциями ( каркасная), ствольная и оболочковая (коробчатая схема). [6] Каждая из перечисленных схем имеет свои разновидности, так конструктивная схема со стволом жесткости имеет два вида, а именно схема с передачей нагрузок на ствол посредствам оголовка и подвесок примером может служить две разновидности «ствольно-подвесная система» (Приложение 1е), а также «ствольно-

Рис. 1.

Рис. 2.

1/2011

ВЕСТНИК

МГСУ

консольная» передающая нагрузки на ствол через консоли в основании ствола, по этой схеме было построено здание ( Приложение 1г,д).

На ряду с основными конструктивными схемами более широко применяются комбинированные конструктивные, зачастую более эффективные с точки зрения восприятия нагрузок и более рациональные с позиции расхода материалов и технико-экономического обоснования. Так например, оболочковой системе сопутствуют несколько комбинированных схем, так называемая оболочково-ствольная «труба в трубе» и оболочково-диафрагмовая «пучок труб». Также часто применимыми являются каркасно-ствольные конструктивные схемы, так например большинство здание возводимых в Московском Международном Деловом центре «Москва Сити» выполнены по этой схеме, например, строящийся комплекс «Федерация» (рис 3).

Ри ) й1 Сцдооий:* 1ймгИЕ*( "с^йер—.р' М скшиине£М( и изучение «ею э'йнии

На основании вышеуказанных основных конструктивных схем можно составить можно составить различные комбинации на основе 2х, 3х и даже 4х систем. Хотелось бы отметить что конструктивную схему здания выбирают как виде основной схемы, так и в виде комбинации основных схем. В общем же количество комбинированных схем, учитывая доминантное и рецессивное участие сочетаемых схем, насчитывает несколько десятков.

Большое значение на выбор конструктивной схемы здания оказывает и функциональное назначение проектируемого объекта.

Рассмотрим основные конструктивные схемы.

Стеновая конструктивная схема. Большой вес, негибкая планировка в плане , а также большая масса и толщины несущих элементов и как следствие ограниченная высота здания, определили неэффективность использования данной схемы для высотных зданий. Однако развитие новых методов использования кладки и применение предварительно изготовленных железобетонных панелей сделало принцип строительства зданий с несущими стенами экономичным для диапазона средних высот. Схемы с несущими стенами применимы для зданий разной формы и компоновки. Стеновые

и

системы представляют собой комбинацию несущих стен и в зависимости от их положения в объеме здания их можно разделить на 3 основные группы:

- несущие стены располагаются вдоль здания;

- несущие стены расположены перпендикулярно, поперек здания;

- несущие стены расположены в обоих направления.

В целом же стеновая конструктивная схема является мало применимой ввиду ограниченности планировочных решений, часто расположенные несущие стены существенно ограничивают их возможность. Конечно стеновая система обладает достаточно высокой жесткостью, но она просто непригодна для строений, где нужна гибкая планировочная система (офисы, общественные здания и т.д.). Но, при строительстве жилых домов или гостиниц, эта схема может оказаться более эффективной, так как в большей степени подходит по планировочным решениям этих зданий, где требуется частое членение внутреннего пространства, наиболее полно отвечают этому принципу. И как уже было отмечено выше, в виду большого веса несущих конструкций, может быть эффективна, в том числе и с экономической точки зрения, лишь для зданий средних высот.

Каркасные схемы. Данная схема достаточно широко применяется в строительстве высотных зданий, в чистом виде данная схема может быть эффективна в строениях до 30-35 этажей. Высота 35 этажей считается предельной для рассматриваемого типа здания, поскольку не может обеспечить достаточную жесткость более высоких зданий. По экономическим критериям строительство свыше 30 этажей становится не рентабельным. [4] С ростом этажности неизбежное усложнение конструкции рамных узлов для восприятия возрастающих горизонтальных нагрузок диктует переход к связевому каркасу со сквозными раскосными стальными вертикальными диафрагмами жесткости или со сплошными железобетонными стенами-диафрагмами жесткости.

Рамные каркасы обычно состоят из прямоугольной сетки горизонтальных балок и вертикальных колонн, соединенных между собой жесткими узлами. Рамы могут включать в себя внутренние и наружные стены здания.

Жесткие рамы работают при горизонтальных нагрузках за счет изгиба балок и колонн. Неразрезность жестких рам зависит от прочности и жесткости узловых сопряжений при изгибе, которые не допускают податливости узлов.

Несущая способность рамы во многом зависит от несущей способности отдельных балок и колонн, снижается с повышением высоты этажа и увеличением расстояния между колоннами.

Горизонтальный прогиб жестких рам определяется двумя факторами:

1) прогибом от изгиба сооружения как консоли. При восприятии опрокидывающего момента рамы работают как изгибаемые вертикальные консольные балки, отдельные волокна которых испытывают осевые деформации. При этом удлинение и укорочение колонн приводит к горизонтальным перемещениям. Эта форма прогиба составляет около 20% общей величины горизонтального перемещения здания;

2) прогибом за счет работы балок и колонн на изгиб. Это явление известно как сдвиговая деформация или искажение элементов рамы. Горизонтальные и вертикальные сдвигающие силы, действующие на колонны и балки, вызывают изгибающие моменты в этих элементах. При их изгибе рама в целом искажается.

На эту форму деформирования приходится около 80% общего перемещения здания, из которых 65% из-за изгиба балок и 15% из-за изгиба колонн. Кривизна изогнутой формы соответствует эпюре при сдвигающей нагрузке: угол наклона максимален в основании здания, где действует наибольшая сдвигающая нагрузка [7]

1/2011 ВЕСТНИК

_1/2011_мгсу

В целом же каркасные конструктивные схемы, благодаря обилию свободного пространства являются весьма эффективными с точки зрения объемно-планировочных решений. Вертикальные несущие конструкции минимально ограничивают свободу планировки и тем самым обеспечивают универсальность здания. В каркасных зданиях легко выполнять стеновое заполнение из кирпичной кладки и в них свободно устраиваются проемы дверей, окон и размещения коммуникаций. Каркасные схемы применяют для зданий различного назначения - жилых, административных, торговых, гостиниц, офисов.

Ствольная схема. В качестве основной несущей конструкции, используется вертикальный пространственный стержень - ствол жесткости. Эти стволы используются как системы стен-диафрагм, обеспечивающих необходимую боковую устойчивость здания. Толщина стенок ствола колеблется по высоте здания и может достигать от 30 до 100см, в зависимости от этажа. Стволы могут выполнятся из стали, железобетона или их комбинации. Стволы жесткости можно рассматривать как большие консольные балки защемленные в грунте и воспринимающие горизонтальные нагрузки. Вместе с тем ствол воспринимает и вертикальные нагрузки. Создается предварительное сжатие, которое может исключать расчет на растяжение ствола при изгибе от действии горизонтальных нагрузок. Однако при высоте зданий около 200 м, в связи с ограниченностью площади ствола, данная схема перестает обладать достаточной жесткостью и становится не эффективной.

Основная ствольная система получила внедрение в двух конструктивных модификациях - с передачей всех нагрузок на ствол через подвески и оголовок

Модификация ствольной системы консольного типа имеет в качестве основной горизонтальной несущей конструкции мощную железобетонную структуру в нижней зоне ствола. Она представляет собой, как правило, пространственную консольную в двух направлениях преднапряженную коробчатую конструкцию высотой в 3-5 м. [1]

В редких случаях, когда здание имеет сложную форму или большую протяженность, возможно применение нескольких стволов жесткости.

Что же касается зданий требующих максимума гибкости при планировке, то обычным в этом случае оптимальным решением является сосредоточение систем вертикального транспорта, энергоснабжения и др. (например, лифтов, лестниц, туалетов, инженерных коммуникаций) с образованием ствола.

Данная схема прекрасно подходит для строений, функционально предназначенных для офисов, контор, торговых зданий, где необходимы максимально гибкая планировка этажа, большие открытые пространства, которые могут члениться с помощью передвижных перегородок, так называемое «ландшафтное бюро».

Единственным недостатком этих конструктивных схем в вопросе планировки является ограниченность пространства этажа. Расстояние от ствола жесткости до ограждающих конструкций наружных стен по условиям освещения ограничивается 8м, по европейским нормам, и 16 м по американским, а с увеличением высоты здания площадь этажа занимаемая стволом возрастает.

Оболочковая схема. Современному направлению развития методов проектирования строительных конструкций соответствует концепция оболочковой схемы. Оболочковые системы настолько эффективны, что в большинстве случаев суммарный расход материалов на 1 м2 полезной площади сопоставим с расходами для традиционных рамных конструкций с высотой зданий, вдвое меньшей. Обладает максимальной жесткостью из рассмотренных схем.

Расчет зданий по оболочковой схеме предполагает, что наружные конструкции воспринимают горизонтальные нагрузки как консольный замкнутый полый стержень коробчатого сечения. Данная система обладает наибольшей жесткостью, в связи с тем, что смещение несущих конструкций к внешнему контуру обеспечивает таким зданиям высокое сопротивления горизонтальным нагрузкам. Поскольку наружные стены воспринимают всю или большую часть ветровых нагрузок, стоимость внутренних элементов связей и стен-диафрагм ограничена. В связи с этим оболочковая схема наиболее эффективна для высотных зданиях свыше 150-200 м. Стены наружной коробки состоят из близко расположенных по периметру здания колонн, связанных между собой обвязочными балками. При этом фасад здания выглядит как перфорированная стена, что в некоторой степени ограничивает пластичность фасада.

Жесткость конструкции наружных стен может быть еще более повышена с помощью диагональных связей, обеспечивающих работу конструкций по типу ферм. Жесткость оболочки настолько высока, что она работает при горизонтальных нагрузках как консольная балка. [7]

Помимо перечисленных выше схем в чистом виде, применяются комбинированные схемы, сочетающие в себе разные типы вертикальных несущих конструкций (см. Приложение 1). [4]

В объмно-планировочном решении это весьма удачная конструктивная схема. В центре плана располагается ствол с размещением в его пространстве лифтовыми шахтами и холлами. Данная схема обладает большой планировочной гибкостью и может быть предназначена для зданий практически любого функционального назначения. Она удачно подходит, как для контор, офисов и торговых залов, так и для апартаментов и гостиниц.

Из выше написанного можно судить о том, что ни одна конструктивная схема не является безусловно предпочтительной. Конструктивную схему разумно подбирать, исходя из определенного диапазона высот. Обоснование ее выбора должна включать рассмотрение экономических факторов, функциональное назначение здания и требования к объемно планировочному решению. Поэтому при проектировании конкретного сооружения следует рассматривать два или более различных решений, которые хотя и кажутся подчас похожими, но отличаются технико-экономическими показателями. Проектировщик должен учитывать не только первоначальную стоимость проекта, но и затраты на функционирование законченного здания, т. е. должен принимать во внимание вопросы экономики здания.

Выводы и рекомендации.

По мере увеличения высоты зданий влияние горизонтальных нагрузок возрастает в нарастающей степени. При определенной высоте горизонтальный прогиб становится настолько большим, что требования жесткости несущих конструкций становятся при расчете решающими.

Ни одна конструктивная схема не является, безусловно, предпочтительной. Конструктивную схему разумно подбирать исходя из определенного диапазона высот.

1/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

а

е

з>

±

Приложение 1 Конструктивные решении

ЬыСДОык зданий

О

п

ж

Л

В

ш

Г '

!Г

7Т

;;;;

ДЩЩ, *  сЧпГ»мИ| t 1ЧС?ыиии : я

инювоннон, г  е кеиоольными

ГМИН. Д ' й ШнСЙЛМЫ |Н»ПЙ К| ДТШ ЦТ1СЧ I йАЦДйтв йтрЛЛ ЗТйта, Я

«ШЩ и  с «плини»писаны

ЦЗМЮГМИ! ИПРЩЦН! 1 " ргиш-трничип .1 . щиы Г пппыог • - 1«Ииен Е

лмнррлптй; п -ЫШ№<ЛР и рвиетчвшни

рчиппншлрлди; к. пйщп-ицр

Ц -I т-Ц"

гггт

Î  - Т

I" I

Обоснование ее выбора конструктивной схемы должно включать рассмотрение экономических факторов, функциональное назначение здания и требования к объемно планировочному решению. При проектировании конкретного сооружения следует рассматривать два или более различных решений, отличающихся технико-экономическими показателями.

Более эффективны комбинированные конструктивные схемы, сочетающие в себе достоинства обычных схем.

Для высоконагруженных конструкций более эффективно применение железобетона с жесткой арматурой в виде прокатных профилей а также сталебетонные конструкции.

Литература

1. Маклакова Т.Г. «Высотные здания. Градостроительные и архитектурно-конструктивные проблемы проектирования.: Монография. - М.: издательство АСВ, 2006 -160 с.»

2. МГСН 4.19-2005 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве»

3. МГСН 1.04-2005 - "Временные нормы и правила проектирования планировки и застройки участков территории высотных зданий-комплексов, высотных градостроительных комплексов в городе Москве

4. Современное высотное строительство. Монография. М.: ГУП «ИТЦ Москомархитекту-ры», 2007. - 440с.: ил

5. Строительный мир. http://www.stroinauka.ru/

6. Ю. Козак «Конструкции высотных зданий» / пер с чешского Г.А. Казиной. -М.:Стройиздат, 1986.- 308с., ил.

7. Шуллер В. «Конструкции высотных зданий»: Перевод с англ. - Стройиздат, 1979 - 248с

8. http://images.yandex.ru/

The literature

1. Maklakova T.G. "High-rise buildings. Town planning and architectural design design problems.: Monograph. - Moscow: Publishing DIA, 2006 -160 p. "

2. MGSN 4.19-2005 "Time norms and standards for design of multifunctional high-rise buildings and building complexes in Moscow "

3. MGSN 1.04-2005 - "Time norms and standards for design planning and construction sites area high-rise buildings, complexes, urban high-rise complexes in Moscow

4. Modern high-rise building. Monograph. M.: GUP Moscomarchitecture ITC, 2007. - 440p.: il

5. Building the world. http://www.stroinauka.ru/

6. Yu Kozak, "Construction of tall buildings" / translation from Czech, GA Casinos. - M.: Stroiizdat, 1986 .- 308p., il.

7. Schuller W. "Construction of tall buildings": Translated from English. - Stroiizdat, 1979 -

248p

8. http://images.yandex.ru/

Ключевые слова: высотные здания, основные конструктивные схемы, комбинированные конструктивные схемы.

Keywords: high-rise buildings, the basic design scheme, the combined design scheme.

E-mail aemopa: Mih8891@Mail.ru

Рецензент А.И. Полтев, главный инженер ЗАО «МОСЖИЛЭКСПЕРТИЗА»