Лекции и пособия / 05_Maklakova_Vysotnye_zdania

Рис. 4.5. Мадрид. 45-этажный офис. Арх. Р. Роджерс. Проект 2002 г. Схема несущих конструкций

Каркасно-рамная конструктивная система послужила основой для создания небоскребов на рубеже XIX–XX вв. и до настоящего времени достаточно широко применяется в строительстве зданий высотой до 60 этажей (в варианте со стальным, позднее

– с железобетонным каркасом). На ее применении основано проектное решение таких выдающихся объектов как 59-этажное многофункциональное здание «Пан-Америка» (арх. В. Гропиус) в Нью-Йорке или 50-этажное «Трансамерика билдинг» в Сан-Франци- ско (арх. У. Перейра). Однако 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. К наиболее поздним примерам применения торцевых сквозных диафрагм жесткости в каркасных зданиях относятся Олимпийская гостиница в Барселоне (арх. Ф. Герц, 1992г.), Башня столетия в Токио (арх. Н. Фостер, 1991г.), офис фирмы Сони в Берлине (арх. Х. Ян, 2000г.) (рис. 4.6).

В течение столетия конструкции стальных каркасов пережили много модификаций в расчетных схемах (рамная, рамно-связевая, связевая), типах сечений элементов (прокатных, открытого и закрытого сечения, и сварных) и способах соединений – заклепочных, сварных, болтовых. Широко распространилось изготовление на заводах металлоконструкций укрупненных отправочных марок, объединяющих по нескольку элементов (колонн, ригелей), что обеспечивает резкое сокращение сроков монтажа и его большую точность.

Аналогичную эволюцию претерпели и конструкции железобетонных каркасов. Здесь в тех же трех расчетных схемах освоено возведение как монолитных, так и сборных конструкций, как для обычных, так и для сложных инженерно-геологических условий строительства.

70

1 2

Рис. 4.6. Высотные каркасные здания с торцевыми решетчатыми связями жесткости:

1 - Барселона. Олимпийская гостиница. Арх. Б.Герц, фирма СОМ. 1992 г.; 2 - Берлин. Офис фирмы Сони. Арх. Х.Ян. 2000 г.

Отечественная инженерная школа стала пионером создания в конце 1940 годов промышленного изготовления сборных железобетонных конструкций, в том числе каркасных. Сборный связевый и рамно-связевый каркас получил в бывшем СССР широкое применение в зданиях различного назначения высотой до 35 этажей. Каркасно-рамные сборные железобетонные конструкции получили применение в сейсмостойком строительстве (до 9 баллов включительно) с конца 1960 годов в зданиях высотой до 20 этажей.

В последние десятилетия по конъюнктурным обстоятельствам объем производства железобетонного каркаса в России сократился. С 1970 годов это направление получило мощное развитие в высотном жилищном строительстве в Японии, где элементы сборного рамно-связевого каркаса для зданий высотой 30–50 этажей изготовляют из бетонов классов В60 и В70.

С 1960 годов в высотное строительство активно внедряются вновь изобретенные конструктивные системы – ствольная и оболочковая. Их изобретение запатентовано американским инженером Ф. Каном (Khan) в 1961г. В 1958 г. Хуберт Бек (Германия) опубликовала методику расчета ствольной системы.

Ствольная конструктивная система в качестве основной несущей конструкции здания, воспринимающей нагрузки и воздействия, содержит вертикальный пространственный стержень – ствол жесткости (закрытого или открытого сечения) на всю высоту здания. Поскольку ствол чаще всего располагают в геометрическом центре плана, возник и распространенный термин «ядро жесткости».

71

Ствольная система очень органично вошла в практику высотного строительства, так как удачно сочеталась с планировочной схемой здания.

Здесь совместилось расположение стен центрального узла вертикальных коммуникаций (лифтовых шахт и холлов) и ствола жесткости. Наилучшие условия для пространственной работы конструкций ствольных зданий обеспечивает строго центральное расположение ствола в плане и геометрическое подобие форм планов здания и ствола (рис. 4.7).

Âдостаточно редких случаях проектирования высотного здания протяженной формы в нем могут быть применены два–три ствола по длине здания или центрально расположенный ствол с плоскими стенами – диафрагмами жесткости ближе к торцам.

Наряду с главным приемом конструктивно-планировочной структуры ствольных зданий (со стволом в центре) получили распространение и альтернативные структуры.

Âних применено несколько стволов, размещенных по краям здания: два ствола в сооружениях с планом в виде прямоугольника, три – треугольника, четыре – квадрата. Между стволами располагают стены либо большепролетные перекрытия без промежуточ- ных опор (рис. 4.8).

Таким образом, если при основной конструктивно-планировочной структуре обеспечена свободная планировка внешнего пространства вокруг ствола, то в альтернативной – между стволами на всю ширину и длину здания.

Âстроительстве ствольных зданий применяют основную систему (с передачей всех нагрузок и воздействий на ствол) и комбинированные – каркасно-ствольную и стволь- но-стеновую. В свою очередь комбинированные системы могут иметь варианты по вовлечению дополнительных конструкций (стен или каркаса) в работу на горизонтальные воздействия. Для обеспечения совместности горизонтальных перемещений и повышения жесткости комбинированной системы по высоте здания размещаются горизонтальные жесткие ростверки.

Следует отметить, что в строительстве зданий различного назначения – офисов, отелей, жилья – высотой до 60 этажей каркасно-ствольная система является самой распространенной* (рис.4.9). Комбинированная ствольно-стеновая система в силу меньшей гибкости планировочных решений применяется значительно реже и только для жилых зданий и отелей.

Своеобразный вариант ствольно-стеновой системы применен в ряде 30–40-этаж- ных жилых домов в Москве с заменой несущих стен короткими (в плане) монолитными пилонами (рис. 4.10).

Основная ствольная система получила внедрение в двух конструктивных модификациях – с передачей всех нагрузок на ствол через подвески и оголовок (ствольно – подвесная система) (рис.4.11, л–о), или через мощную консоль в основании ствола (ствольно – консольная система) (рис. 4.11, г–к).

Âствольно-подвесных зданиях перекрытия опирают по внутренней стороне на ствол, по наружной – на подвески. Подвески крепят к оголовку на вершине ствола – пространственной конструкции из перекрестного балочного ростверка из преднапряженных железобетонных балок или перекрестных стальных ферм с консолями (рис. 4.12, 4.13). В противопожарном отношении первый вариант предпочтителен.

Âвысоких зданиях ростверки размещают в нескольких уровнях по высоте ствола.

* В частности, в работе 21, посвященной анализу около 100 высотных объектов в разных странах мира, здания каркасно-ствольной системы преобладают

72

Рис. 4.7. Ствольные здания: схемы, формы и размещение внутренних жесткостных элементов закрытого и открытого сечения: а - в башенных, б - в протяженных зданиях

Рис. 4.8. Ствольные здания: а - формы сборных и монолитных стволов в плане; б - схемы их центрального размещения, в – схемы периферийного размещения

73

Рис. 4.9. Хьюстон. Конторское здание. План. Арх. фирма СОМ. 1962 г. Одно из первых зданий каркасно-ствольной системы

Рис. 4.10. Москва. Схема плана высотного жилого дома со ствольно-стеновой (ствольно-пилонной) конструктивной системой

74

Рис. 4.11. Конструктивные варианты ствольных систем: а - каркасно-ствольная, б - ствольно-сте- новая, в – каркасно-ствольная с консольными перекрытиями, г-к – консольные: г -ствольная с консилированием перекрытий каждого этажа, д, е - ствольная с консольным поясом в нижнем ярусе, ж - то же, с консольными поясами в двух уровнях по высоте здания, и - с консолями перекрытий различного выноса на подкосах, к - с консольными балками - стенками через этаж, л- р - подвесные, л - с подвеской перекрытий к жесткому оголовку в верхнем уровне, м - то же, к двум оголовкам по высоте здания, н - к вершине

ствола на оттяжках и подвесках, о - с перднапряженными подвесками, работающими совместно со стволом, п - комбинированная система с подвесками и жесткими консолями, р - с подвеской к двум стволам по торцам здания прямоугольной формы

75

Рис. 4.12. Пример конструктивного решения оголовка из перекрестных стальных ферм офиса Норкор-билдинг в Претории: 1 - верхний пояс главной фермы, 2 - нижний пояс главной фермы, 3 - элемент решетки главной фермы, 4 - нижний пояс контурной фермы, 5 - элемент решетки контурной фермы, 6 - подвеска

76

à á âã

Рис. 4.13. Схема и пример конструктивного решения стволь- но-подвесного здания с перекрестными консольными железобетонными ростверками (оголовками) в нескольких ярусах по высоте здания и предвари- тельно-напряженными железо-

бетонными подвесками: а - схема, б - общий вид ствольно-подвесного

31-этажного офиса «Стандарт бэнк сентр» в Иоганнесбурге с ростверками в уровнях 11, 21 и 31 этажей; в - план офиса в уровне ростверка, г - то же, между ростверками: 1 - плита перекрытия, 2 - ростверк,

3 - подвески, 4 - ненесущие наружные стены

77

За последние десятилетия возведено свыше 100 уникальных зданий ствольно-под- весной системы. При этом количество подвешенных к ростверкам этажей колеблется в очень широких пределах: от 3–4 до 20.

В ходе внедрения ствольно-подвесной системы были применены различные конструкции подвесок – стальных и железобетонных. Наименее деформативными оказались преднапряженные железобетонные подвески с канатной или стержневой арматурой.

Первоначальная ориентация на стальные подвески – полосовые, канатные или из жестких профилей – не оправдалась. Под воздействием переменных температур наружного воздуха и релаксации стали такие подвески оказались деформативными, что повлекло за собой необходимость частых косметических ремонтов в помещениях из-за возникновения трещин в отделке при перемещении подвешенных краев перекрытий.

Кроме того, стальные подвески требуют дополнительной защиты от огня и коррозии. Обычно стальные подвески проектируют только на вертикальные нагрузки. Однако не исключено их участие в совместной работе со стволом на горизонтальные нагруз-

ки. Для этого преднапряженные подвески должны быть целостной системой, заанкеренной в основании ствола (рис. 4.11, о).

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 (рис. 4.14).

На ней монтируют различные 10–15-этажные конструкции (от стержневых до объемно – блочных), воспринимающих преимущественно вертикальные нагрузки.

Рис. 4.14. Леуварден. Нидерланды. Пример конструктивного решения железобетонного преднапряженного монолитного консольного пояса в административном здании. 1 - главная балка, 2 - обвязочная балки, 3 - второстепенная балка, 4 - нижняя плита, 5 - консольный выступ обвязочной балки, 6 - колонна, 7 - напрягаемая арматура, 8 - ствол

78

Конструкции зданий ствольной системы могут быть решены в нескольких вариантах. Например, нижняя группа этажей размещена на мощной консоли в основании ствола, а верхняя – подвешена к оголовку в его вершине. Между этими группами формируется промежуточный этаж, свободный от вертикальных несущих (кроме ствола) элементов.

При наличии на различных отметках по высоте здания мощных консолей они могут быть использованы двояко: часть этажей оперта на консоль, часть – подвешена к ней (рис. 4.11 п).

Несущие конструкции ствольных зданий преимущественно железобетонные. Сече- ние стен монолитного ствола в зависимости от этажности меняется от 40–100 см, в нижних этажах до 20–30 см в верхних.

Âредких случаях ствол представляет собой стоечно-балочную стальную обетонированную решетчатую клетку.

Консольный и подвесной варианты ствольной системы по-разному позволяют менять размеры консольных вылетов плит перекрытий. При этом меняется силуэт и объемная форма здания: при вылетах в одном направлении оно получает силуэт трапециевидной призмы («бабочку»), при вылетах в двух направлениях – силуэт опрокинутой пирамиды (рис 4.11 в, и).

Возможно решение всей трапециевидной призмы или опрокинутой пирамиды как единой консоли на всю высоту здания. При этом все нагрузки передают на ствол через наклонные стойки, работающие как подкосы, и перекрытия, работающие как затяжки (рис. 4.11 и).

Ствольные системы с единой горизонтальной несущей конструкцией (оголовком или мощной консолью) экономичней вариантов с отдельными группами этажей на повторяющихся консолях (или оголовках). Их применение оправдано при необходимости устройства технических этажей функциональной или композиционной необходимостью введения между группами повторяющихся этажей горизонтальных прослоек открытого пространства.

Подвесной вариант системы обладает некоторыми функциональными и технико – экономическими преимуществами перед консольным вариантом.

Âней проще менять размеры высот этажей и благодаря работе подвесок на растяжение уменьшить расход стали по сравнению с консольным.

Применяют основной вариант ствольной системы преимущественно для офисов и гостиниц высотой до 30–40 этажей, комбинированный – до 50–70.

Ствольные здания имеют характерный внешний облик с открытым нижним участком ствола* и соответственно относительно малую площадку опирания на грунт. Фундаменты при этом выполняют из монолитной плиты свайными или плитно-свайным.

Все варианты ствольных зданий отличает повышенная сопротивляемость ветровым и сейсмическим воздействиям благодаря податливости системы и повышенной способности к амортизации динамических воздействий, что подтверждается хорошей сохранностью таких зданий при землетрясениях.

Оболочковая конструктивная система отличается максимальной жесткостью среди рассмотренных в связи с тем, что отнесение несущих конструкций к внешнему контуру здания обеспечивает таким сооружениям наибольшую величину момента инерции их сечения при горизонтальных воздействиях. Поэтому оболочковая система наиболее часто применяется в проектировании самых высоких зданий – 200 м и выше.

*По архитектурному решению ствол в нижней зоне здания может быть скрыт малоэтажной многофункциональной обстройкой.

79