Конструктивные системы высотных зданий

Возведение высотных зданий является новым этапом в развитии городского строительства не только для Беларуси, но и для стран СНГ. Специалисты УО «Брестский государственный технический университет» и РУП «Институт БелНИИС» отмечают, что сегодня появились новые технические проблемы, которые требуют оперативного решения. В этой ситуации важно грамотно использовать накопившийся мировой опыт в области высотного строительства.

Ни один мегаполис в мире сегодня не может обойтись без высотного строительства. Рост числа небоскребов в крупных городах объясняется экономическими соображениями и острым дефицитом свободных земельных участков.

Америка, Западная Европа, Юго-Восточная Азия, арабские страны к настоящему времени накопили огромный опыт в строительстве «высоток». Причем большая доля небоскребов сегодня возводится не в США, как это наблюдалось в последние десятилетия ХХ века, а в азиатских государствах: Корее, Китае, Малайзии, Японии. Значительно про­двинулись в освоении технологий высотного строительства Россия и Украина.

По мнению белорусских специалистов, рациональное использование мирового опыта возведения высотных зданий поможет Беларуси пополнить список стран, успешно реализующих на своей территории проекты строительства небоскребов.

Особенности конструктивной системы

Конструктивную систему здания задумывают так, чтобы она отвечала функциональным и архитектурным требованиям и в процессе эксплуатации справлялась со всеми необ­ходимыми нагрузками.

Данная система может включать любое число конструктивных частей, по-разному ориентированных в пространстве.

Конструктивные системы высотных зданий можно разделить на подсистемы по различным критериям, например:

• по положению относительно уровня земли – на нижнюю (подземную) и верхнюю (надземную) части;
• по расположению конструкции в здании – на фундаментные, горизонтальные (перекрытия, покрытия, ростверки), вертикальные конструкции (колонны, опоры);
• по виду применяемого материала – на конструкции из железобетона (монолитного, сборного), кирпичной кладки, стали.

Для большей наглядности, а также для упрощения статического анализа иногда целесообразно разделить конструктивную систему на две подсистемы в зависимости от способа восприятия нагрузки: на подсистему, воспринимающую вертикальные нагрузки (гравитационную), и подсистему, воспринимающую горизонтальные нагрузки, обес­печивающую пространственную жесткость и устойчивость (стабилизирующую).

Различают системы с внутренним и внешним расположением стабилизирующей подсистемы. К первым относятся конструктивные системы, в которых основная часть несущих конструкций находится внутри здания. Соответственно, если большая часть конструкций стабилизирующей подсистемы располагается по периметру здания, то ее следует рассматривать как систему с внешней стабилизирующей подсистемой. Возможно проектирование конструктивной системы высотного здания с комбинированным расположением стабилизирующих подсистем.

Гравитационная подсистема высотных зданий состоит из перекрытий, поддерживаемых вертикальными конструкциями, которые рассчитаны только на вертикальные нагрузки. В зависимости от способа передачи нагрузки с перекрытий на опоры можно выделить основные виды гравитационных подсистем:

• с точечным опиранием (безбалочная система). Вертикальная нагрузка собирается со всех сторон и передается на колонны;
• с опиранием в двух направлениях. Балки располагают ортогонально или диагонально;
• с опиранием в одном направлении. Все балки располагают в одном направлении.

Типы конструктивно-статических систем

1. Каркасные системы

В каркасных системах четко различаются несущие и ненесущие конструкции. Вертикальные конструкции минимально ограничивают свободу планировки, предоставляя широкие возможности для воплощения различных архитектурных идей.

В каркасах зданий, особенно рамных, легко выполняется стеновое заполнение с использованием кирпичной кладки, свободно устраиваются проемы для окон и дверей, размещаются коммуникации. Поэтому каркасные конструкции применяют при строительстве зданий различного назначения: жилых, административных, торговых.

В некоторых случаях стеновое заполнение рам, к примеру из кирпичной кладки на цементном растворе или из железобетонных панелей, может обладать сопротивляемостью сдвигу, что в значительной мере повышает жесткость здания.

Дома с каркасными системами могут иметь различную форму, причем наиболее часто встречается прямоугольная.

2. Системы с несущими стенами, каркасы со стенами-диафрагмами

Открытые, замкнутые или комбинированные системы с несущими стенами типичны для массивных конструкций из кладки или железобетона. Для железобетонных конструкций существует большое число специально разработанных систем: из сборного железобетона (панельные дома), из монолитного железобетона, из сборно-монолитного железобетона (часть конструкций состоит из элементов заводского изготовления, часть – из монолитного железобетона).

Оболочковая система

В конструктивной оболочковой системе воспринимает все боковые нагрузки и обеспечивает жесткость и устойчивость всего сооружения вертикальная пространственная замкнутая конструкция. Поперечную жесткость оболочки обеспечивают конструкции перекрытий. Стены оболочки располагаются по контуру здания или внутреннего дворика, в некоторых случаях они могут образовывать секции. Эти элементы здания состоят из рам решетчатых конструкций или стен с проемами. Оболочки, находящиеся внутри здания и одновременно используемые для размещения коммуникаций, называются ядрами.

Форма поперечного сечения оболочки различна и зависит от формы самого здания в плане. Исходя из статического расчета и ориентации стен, можно выделить несколько типов этой системы:

• внутренние оболочки, размещаемые по внутреннему фасаду, если в здании имеется атриум;
• наружные оболочки, размещаемые по контуру здания и наружному фасаду;
• оболочка в оболочке (труба в трубе);
• комбинация внутренней и наружной оболочек;
• многосекционная оболочка.

Конструкция оболочки здания может быть рамной, решетчатой, решетчатой с мелкими ячейками, стеновой (сплошные стены с проемами).

Поскольку в рамных конструкциях стен оболочковых систем возникают большие поперечные силы, то расстояние между стойками должно быть небольшим, обычно в пределах 1,5–3 м. При этом сечения стоек и особенно ригелей должны быть высокими.

Необходимо отметить, что применение «трубной» системы в высотных зданиях, возводимых из железобетона, наиболее рационально как в конструкционном, так и в архитектурном аспекте. Доказательством этого может служить жилое здание DeWitt-Chestnut, возведенное в Чикаго еще в 1965 году. Для его строительства была выбрана именно рамная оболочковая система, которая выполняла все предусмотренные функции.

Уникальной особенностью решетчатой системы является то, что ее конструктивные элементы либо подвержены незначительным деформациям, либо не подвержены им вовсе.

Решетчатая система может быть решена и в виде так называемой суперсистемы. В ней стержни стенового заполнения (раскосы) могут проходить через несколько этажей. В результате конструкции промежуточных этажей играют второстепенную роль. Примером реализации указанной схемы может служить здание Onterie Center в Чикаго.

Наибольшей жесткостью обладают оболочковые системы со сплошными стенами, в которых предусмотрены отдельные проемы. Для того чтобы эти конструкции действительно работали эффективно, в них необходимо предусмотреть минимальное число проемов. Поэтому в качестве фасадных стен они обычно не применяются.

Оболочковые системы широко применяются в США. Они использовались при возведении высотных зданий Brunswick Building и The Water Palace в Чикаго, One Shell Plaza в Хьюстоне.

Недостатком оболочковой системы является то, что наружные стены загромождаются несущими конструкциями и вследствие этого ограничиваются возможности вариантных решений окон.

Системы с ядрами

При разработке объемно-плани­ровочных решений высотных зданий вертикальные коммуникации (лифты, лестницы, шахты для электропроводки) целесообразно размещать в середине дома, в тех местах, где преду­смотрено расположить ядра. Такие пространственные конструкции со сплошными стенами необходимо учитывать в статическом расчете. Поскольку стены могут одновременно выполнять функции несущих и ограждающих конструкций, в зданиях со стальными конструкциями применяют ядра с железобетонными стенами.

Ядро в виде призматического ствола, проходящего через все здание, выполняет функции основной несущей конструкции, воспринимающей горизонтальные нагрузки. Остальные вертикальные конструкции являются частью гравитационной подсистемы и воспринимают только вертикальные нагрузки. Размещение гибких вертикальных конструкций в плоскости наружных стен позволяет добиться хорошего естественного освещения помещений.

С точки зрения статической работы ядро ведет себя как тонкостенный (толстостенный) стержень открытого или замкнутого сечения, жестко закрепленный в фундаменте, в котором по высоте здания расположены горизонтальные жесткие диски, выполняющие функции диафрагм и обеспечивающие неизменность сечения стержня.

Ядро способно воспринимать все виды воздействий: нормальные силы, силы сдвига в любом направлении, изгибающие моменты при действии горизонтальной нагрузки в любом направлении, а также горизонтальные нагрузки, которые не проходят через центр жесткости сечения и вызывают кручение ядра.

Площадь ядра, внутри которого размещено инженерное оборудование, в среднем составляет 15–35% от площади здания в плане. Обычно ширина ядра составляет 1/3–1/2 от ширины здания, поэтому оно имеет относительно небольшую высоту сечения. По этой причине в очень высоких зданиях ядра могут приобретать гибкость, и в таком случае не способны обеспечить сооружению достаточную жесткость. В таких высотках системы с ядрами необходимо дополнять другими системами.

В плане здания ядра желательно размещать симметрично, для того чтобы равномерно распределить нагрузки на них и предотвратить возникновение больших моментов кручения.

Ядра редко бывают односекционными. Обычно в них размещаются различные коммуникации, шахты, поэтому они разделяются стенами на несколько секций. Данные разделяющие стенки могут быть выполнены в виде заполнения или являться частью несущих конструкций.

Ядро и остальные вертикальные и горизонтальные конструкции могут находиться в различной зависимости друг от друга и образовывать многочисленные пространственные системы:

• чистые системы с ядром (ствольные). В таких системах ядро является единственной конструкцией, воспринимающей горизонтальные нагрузки и обеспечивающей пространственную жесткость здания. Выделяют несколько типов:

1) ядро с консольными конструкциями перекрытий (с консольными этажами);

2) ядро с колоннами по контуру здания;

3) ядро с консольной платформой на уровне нижних этажей;

4) ядро с перекрытиями, подвешенными к консольному поясу на уровне верхних этажей;

• комбинированные системы с ядрами. Горизонтальные нагрузки воспринимаются в них как ядром, так и конструкциями других систем. При сочетании двух систем могут быть получены следующие типы конструкций:

1) ядро в сочетании с каркасом;

2) ядро в сочетании с отдельными несущими стенами или диафрагмами жесткости;

3) ядро в сочетании с наружной оболочкой.

Выбор той или иной конструктивной системы при возведении высотного здания обуславливается многочисленными факторами: этажностью, требованиями безопасности, функциональным назначением сооружения, применяемыми материалами и технологиями. В последние десятилетия при проектировании и строительства небоскребов наиболее часто используется перспективная оболочковая конструктивная система в различных ее исполнениях.

По материалам В. В. Тура, доктора технических наук, профессора, заведующего кафедрой «Технология бетона и строительные материалы» Брестского государственного технического университета; А. В. Щербача, кандидата технических наук, заведующего научно-исследовательской лабораторией металлических конструкций и арматурных изделий в конструктивных системах зданий и сооружений РУП «Институт БелНИИС»