Архитектоника высотных зданий

И внизу не хватает  только поля из миллиона роз...

Чем так привлекают небоскребы:  они занимают мало земли, устремляясь в небо;  каждый небоскрёб заменяет собой целый город;  электроэнергию легко получить от солнца или порывов ветра.  И конечно, небоскрёбы будущего соответствуют принципа аркологии (слово-гибрид из двух слов: архитектура и экология). Аркологические проекты – мечта рядового гринписовца. Основная идея: уменьшение площади города за счёт сокращения нерационально используемых площадей, уменьшение вредных выбросов за счёт использования экологических факторов местности и, как следствие, природное безотходное производство электроэнергии – кровеносной системы городов будущего. Протоаркологический комплекс – общежитие со столовой на первом этаже и электрогенератором в подвале.  Аркологический комплекс в типичном понимании – это «город в городе», в котором всё включено; частично замкнутая социо- и экосистема.  Один из первых аркологических проектов - Co-op City в Бронксе. Сейчас практически каждый новый небоскрёб – аркологичен.

За ними ли будущее? Покажет время. Не будем забывать, что в мире реализуются и другие проекты, некоторые из которых диаметрально противоположны концепции небоскрёбов. Но это уже совсем другая история.

Ствольная конструктивная система

Ствольная конструктивная система, как  основная несущая конструкция сооружения, которая воспринимает нагрузку и  воздействие, идет с вертикальным пространственным стержнем – стволом жесткости, где  закрытое, или открытое сечение, на всю высоту сооружения. Ствол, в основном, располагается в геометрическом плановом центре плана, и поэтому  стал использоваться распространенный термин - ядро жесткости. 
Ствольная система органично использовалась в высотном строительстве, потому, что удачно шла в сочетании с планировочной схемой сооружения. 
Здесь, было совмещено расположение стен, относящихся центральному узлу вертикальной коммуникации, в виде лифтовой шахты и холла, и ствола жесткости. Наилучшими условиями для пространственной работы конструкции ствольного здания обеспечиваются центральным расположением ствола, и геометрическим подобием форм планов сооружения и ствола, где площадь ядра жесткости составляет примерно 20 процентов площади всего плана сооружения. 
Наибольшее распространение для строительства сооружений с различным назначением такие, как офис, гостиница, жилище, и высота 60 этажей, было у комбинированной каркасно-ствольной системы, в основном, с каркасным расположением исключительно, по наружному контуру сооружения. Совместность горизонтального перемещения ствола и каркаса, обеспечивали в горизонтальном положении, аутригеры-ростверки, которые были расположены через двадцать этажей. 
Несущая конструкция ствольного здания, в основном, железобетонная. Сечение, связанное со стеной монолитного ствола, в зависимости от количества этаже, должна меняться до 100 см, на нижних этажах до 30 см верхних.В редких моментах, ствол состоит из стоечно-балочной стальной бетонированной решетчатой клетки.

Конструктивные  решения высотных зданий

Высотные здания во всем мире относят  к объектам самого высокого уровня ответственности и класса надежности. Удельная стоимость их строительства  значительно выше обычных зданий. Это обусловлено не только технологическими, конструктивными и другими факторами, но в значительной степени и мерами комплексной безопасности, принимаемыми на всех стадиях – проектирования, строительства и эксплуатации. Возникновение  и развитие аварийных ситуаций в  высотных зданиях может иметь  очень тяжелые последствия не только материального, экономического, экологического, но и социального  характера.

Сравнительный анализ затрат на строительство и расходов страховых  компаний по возмещению ущерба для различных вариантов обеспечения безопасности объектов высотного строительства приведен в статье дра техн. наук проф. В.О. Алмазова [1]. Рассмотрены три решения, основанные “на анализе потенциально возможных повреждений конструкций” и обеспечивающие различные по характеру последствий уровни устойчивости к прогрессирующему разрушению при развитии аварийной ситуации:

1) конструкции не достигают предельных  состояний несущей способности  и пригодности к нормальной  эксплуатации;

2) конструкции не достигают предельных  состояний несущей способности  и не теряют устойчивости, при  этом предельное состояние по  пригодности к нормальной эксплуатации  достигнуто и может быть даже  превышено;

3) конструкции достигают предельных  состояний по несущей способности  и пригодности к нормальной  эксплуатации, но при этом сохраняется  возможность эвакуации людей.

Как видно из табл. 1, наиболее дорогим  из рассмотренных вариантов является первый, однако он приводит и к наименее существенным потерям и связанным  с ними расходам на возмещение ущерба, включая ремонтновосстановительные мероприятия. В то же время наименее затратный на стадии строительства третий вариант, он хотя и влечет заметное увеличение потерь страховых компаний, но почти вдвое сокращает потери, если бы меры безопасности не принимались совсем.

Таблица 

Затраты по обеспечению устойчивости высотных зданий в чрезвычайных ситуациях (по данным [1])

Анализируя приведенные данные [1], можно понять, почему при возведении высотных зданий не просто целесообразны, а жизненно важны соответствующие  меры безопасности, гарантирующие максимальную сохранность жизни людей и  материальнотехнических ценностей.

События 11 сентября 2001 г. в НьюЙорке показали и доказали, насколько тщательно нужно подходить к их выработке, чтобы упредить и уменьшить последствия развития чрезвычайных ситуаций.

Преамбула, посвященная безопасности объектов высотного строительства, сделана не случайно. Говоря о конструктивных особенностях высотных зданий, необходимо иметь в виду, что приведенные  ниже технические решения несущих  систем в той или иной степени  удовлетворяют рассмотренным критериям. К сожалению, насколько принятые в проекте решения адекватны  вероятным воздействиям, показать может  только практика.

Высотные здания и их отдельные  конструктивные элементы в процессе возведения и эксплуатации подвергаются действию нагрузок и испытывают усилия, намного превосходящие эффект от внешних воздействий, характерных  для обычных объектов строительства. Так, ветровые нагрузки заметно возрастают с удалением от поверхности земли  и характеризуются не только существенной статической, но и динамической составляющей. Для большинства высоток горизонтальные (главным образом ветровые) нагрузки превалируют над вертикальными.

Кроме того, в связи с высокими темпами производства строительномонтажных работ на несущие конструкции, выполненные из монолитного бетона (подавляющее большинство высоток возводят с применением монолитного бетона и железобетона), в раннем возрасте передаются достаточно большие усилия, что требует принятия соответствующих решений. В несущих системах высотных зданий возникает опасность накапливания еще в процессе строительства неравномерных вертикальных перемещений, которые в сочетании с деформациями от эксплуатационных нагрузок могут приводить к достижению бетоном и сталью, в том числе арматурной, предельных состояний в отдельных сечениях некоторых элементов, что также следует учитывать при оценке напряженнодеформированного состояния конструкций.

Конструктивные  системы высотных зданий

В современном высотном строительстве  применяют различные конструктивные системы и схемы с разнообразными вариантами компоновок. Вместе с тем  все конструктивные системы можно  разделить на три категории (рис. 1): каркасные, стеновые и смешанные (каркасностеновые). В свою очередь каркасные системы подразделяются на рамнокаркасные, каркасные с диафрагмами жесткости, каркасноствольные. Среди стеновых систем следует выделить схемы с перекрестными стенами и коробчатые (оболочковые). Смешанные системы сочетают в себе отдельные признаки двух других систем, к ним относят каркасноствольные и коробчатоствольные.

Анализ несущих систем высотных зданий, построенных по всему  миру, показывает, что их 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, инженерногеологические условия, атмосферные и в первую очередь ветровые воздействия, архитектурнопланировочные требования.

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 перечисленных  выше обстоятельств.

Здания высотой до 200–250 м возводят преимущественно с несущим каркасом (рамный каркас, каркас с диафрагмами  жесткости). При строительстве жилых  домов и гостиниц применяют и  перекрестностеновую систему, которая благодаря высокой жесткости наиболее эффективна в зданиях высотой до 150 м. Эти конструктивные системы имеют компоновочные схемы, наилучшим образом удовлетворяющие объемнопланировочным решениям и функциональному назначению объектов строительства. В связи с этим необходимо отметить, что независимо от высоты здания при разработке его объемнопланировочного решения максимально стараются придерживаться пропорций, обеспечивающих требуемую жесткость строения и ограничивающих колебания верхней части при знакопеременных горизонтальных нагрузках. Обычно отношение меньшего размера в плане к высоте здания составляет 1:7 – 1:8. При соотношениях больше указанных неоправданно увеличивается площадь застройки, а при уменьшении – заметно возрастает деформативность несущего остова, что негативно сказывается как на техникоэкономических показателях, так и на пребывании людей на верхних этажах.

Увеличение высоты зданий сопровождается существенным ростом горизонтальных нагрузок, действующих на них в процессе строительства и эксплуатации. Как уже было отмечено, при некоторых условиях напряжения, возникающие в элемент ах несущего остова здания, определяются в большей степени горизонтальными усилиями. Превалирующее влияние горизонтальных нагрузок приводит к неравномерному распределению вертикальных усилий и деформаций в вертикальных несущих конструктивных элементах остова здания, его закручиванию, сдвиговым деформациям. Для повышения сопротивления внешним воздействиям несущей системы зданий высотой более 250 м применяют преимущественно ствольные конструктивные системы: “труба в трубе” и “труба в ферме”. Их компоновочная схема включает центральный ствол, воспринимающий основную долю всех нагрузок, и расположенные по периметру здания несущие элементы в виде отдельных стоек (колонн), решетчатых систем (ферм, составных стержней и др.), пилонов, которые также могут быть объединены в единую конструкцию. Жесткость ствольной системы, ее устойчивость и способность к гашению вынужденных колебаний обеспечиваются заделкой центрального ствола в фундамент.

В случаях, когда жесткости стеновой, каркасной или ствольной системы  недостаточно, прибегают к комбинированным  решениям, сочетающим в себе признаки разных конструктивных решений. В частности, для повышения сопротивления  несущего остова здания возрастающим с высотой над уровнем земли  ветровым нагрузкам применяют комбинацию ствольной и стеновой систем. В  этом случае горизонтальные нагрузки воспринимаются не только внешней оболочкой  и центральным стволом, но и внутренними  несущими стенами. Комбинированная  конструктивная система обладает большей  конструктивной гибкостью в части  возможности распределения доли воспринимаемых усилий за счет варьирования жесткости несущих элементов  остова.

Следует заметить, что повышения  сопротивляемости здания ветровым нагрузкам  можно достигнуть не только за счет применения соответствующих конструктивных систем, но и путем придания определенной формы в плане. Многочисленные зарубежные исследования, выполненные продуванием  моделей в аэродинамических трубах и компьютерной симуляцией с помощью  программного обеспечения, показали, что  оптимальной формой плана высотного  здания является круг или фигура, близкая по форме к кругу. Эллиптическая и квадратная формы хотя и уступают круглой, но также обеспечивают достаточную сопротивляемость здания горизонтальным нагрузкам. В качестве примеров можно привести здания Marina City в г. Чикаго (США), Petronas Towers в г. КуалаЛумпур (Малайзия), Taipei101 в г. Тайпей (Тайвань). Другие высотные здания близкой этажности имеют аналогичные очертания в плане.

Говоря о предпочтительных формах планов высотных зданий, необходимо отметить, что при прочих равных условиях наилучшими показателями обладают сечения минимум  с двумя осями симметрии. Такие  здания менее других чувствительны  к изменению направления действия горизонтальных нагрузок, а количество типоразмеров несущих конструкций  сокращается до минимума. Практика свидетельствует о том, что сооружения сложной формы целесообразно  проектировать составными из нескольких блоков, имеющих более простые по форме сечения.

Высотное строительство  часто осуществляется в сейсмически  активных районах. Это порой приводит к противоречивым результатам влияния  жесткости каркаса на поведение  здания при ветровых и сейсмических нагрузках. 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. С уменьшением поперечной жесткости  несущей системы наблюдается  обратная картина – при более  гибком скелете заметно ухудшаются комфортные условия на верхних этажах, испытывающих значительные колебания.