Архитектоника высотных зданий

Для устранения указанных противоречий в особо высоких зданиях (до 300 м и более) на верхних этажах устраивают пассивные маятниковые демпферы. В частности, такой демпфер установлен в башне Taipei101. Он имеет вес около 800 т, подвешен с помощью тросов на 92м этаже и предназначен для  гашения инерционных колебаний. В обычных условиях эксплуатации демпфер обеспечивает отклонение верха  здания в пределах до 10 см, а при  воздействиях катастрофического характера (тайфуны, землетрясения и т.п.) сам  раскачивается с амплитудой до 150 см, гарантируя колебания здания в  безопасных пределах.

Повышение изгибной жесткости несущего остова высотных зданий со ствольными конструктивными системами и  их сопротивляемости действию динамических горизонтальных воздействий достигают  введением в каркас аутригерных структур (рис. 2), выполняющих функцию элементов, несущих на себе часть нагрузки от перекрытий. Как правило, это достаточно жесткие плоские или пространственные конструкции, расположенные по высоте здания с определенным шагом и соединенные между собой вертикальными стержневыми элементами. Включение аутригерных структур принципиально изменяет характер работы каркаса и позволяет регулировать его реакцию на внешние воздействия. Аутригеры высотных зданий, в конструктивном отношении представляющие собой раскосные или безраскосные фермы (последние известны под названием “балка Веренделя”), обычно располагают в уровнях технических этажей, разбивающих здания на отдельные функциональные и противопожарные отсеки.

Говоря о проектировании высотных зданий, рассчитываемых на воздействие  сейсмических нагрузок, следует иметь  в виду, что землетрясения силой  до 4 баллов на уровне поверхности земли  приводят к возникновению на верхних  этажах эффектов, соответствующих воздействиям силой 6, 7 и более баллов. Об этом свидетельствуют результаты расшифровки  сейсмо и акселерограмм, записанных в Москве в 1977 и 1986 гг. Согласно В.В. Севостьянову и его коллегам [3], при проектировании высотных зданий и их комплексов высотой 100 м и более в Москве следует обязательно учитывать сейсмические воздействия. Как показывает анализ землетрясений, зафиксированных в Московском регионе за весь период инструментальных наблюдений, подвижки земной коры или ощутимые отголоски колебаний в других регионах могут происходить с временным интервалом в 50–100 лет. С учетом расчетного срока службы высотного здания, который составляет не менее 100 лет, каждый объект минимум один раз может подвергнуться воздействию сейсмических нагрузок достаточно высокой интенсивности.

Сопротивление высотного здания совокупности вертикальных и горизонтальных нагрузок зависит не только от очертания в  плане, но и от формы вертикального  сечения и регулярности структуры  несущей системы. В этом отношении  к оптимальным очертаниям приближаются трапеция с бульшим нижним основанием и прямоугольник (рис. 3, а). Такие профили обладают достаточной поперечной жесткостью, особенно в сочетании с регулярной структурой несущей системы (рис. 3, б). При сооружении высотного комплекса, состоящего из нескольких объемов, последние следует соединять шарнирно (рис. 3, в), чтобы в случае воздействий чрезвычайного характера, в том числе динамических нагрузок, не передавать на соседние строения дополнительные усилия.

Несущие элементы конструктивных систем высотных зданий

Для возведения высотных зданий применяют  материалы с особыми качествами. В первую очередь это относится  к прочности и деформативности, поскольку именно данные показатели определяют общую прочность остова здания и его устойчивость к различного рода внешним воздействиям.

Современные высотные здания возводят из высокопрочного бетона и стали, преимущественно  монолитного бетона и железобетона. Сборные железобетонные изделия  находят ограниченное применение, главным  образом в качестве составных  элементов сборномонолитных диафрагм жесткости или несъемной опалубки вертикальных и горизонтальных несущих конструктивных элементов.

Для стеновых систем используют высокоподвижные  и литые бетоны класса по прочности  на сжатие С³⁰/₃₇ и выше (В40 и выше по классификации СНиП 2.03.01–84*). Армирование стеновых конструкций выполняют арматурой класса S500. В практике высотного строительства Российской Федерации получила широкое распространение арматура класса Ат500С по ГОСТ 10884–94, которую применяют для рабочего армирования как в растянутой, так и сжатой зоне сечения.

Колонны

Стойки каркасных систем – колонны, пилоны и другие аналогичные элементы возводят с применением так называемого высокопрочного (HSC – High Strength Concrete) и высококачественного бетона (HQC – High Quality Concrete), прочность на сжатие которого достигает 100 МПа и более. Это бетоны с заданными свойствами, определенными из условий технологии производства работ и обеспечения требований безопасности, в том числе в случае пожара. Для бетонирования элементов, густо насыщенных арматурой, применяют литые самоуплотняющиеся бетонные смеси, модифицированные химическими добавками в зависимости от технологии производства бетонных работ. Так, например, при бетонировании больших массивов, таких, как фундаменты высотных зданий, имеющие объемы до нескольких тысяч кубометров, в бетоны вводят замедлители схватывания, которые препятствуют разогреву свежеуложенного бетона за счет тепла, выделяемого при гидратации цементного камня. Ограничение температуры внутри массива необходимо для исключения образования температурноусадочных трещин, особенно в холодный период года.

Для повышения огнестойкости высокопрочного бетона, для которого характерно взрывное хрупкое разрушение при высокотемпературном  нагреве, в состав бетонной смеси  вводят полимерный наполнитель. При  нагреве полимерные волокна плавятся и искусственно создают поризацию цементного камня, которая в свою очередь обеспечивает возможность расширения водяных паров без отрыва поверхностных участков бетона.

В современных небоскребах  крайне редко можно встретить  “чисто” стальные или железобетонные в традиционном понимании (с обычным  процентом армирования) конструкции. Габаритные размеры колонн и количество рабочей арматуры определяются целым  рядом факторов и зависят от тех  конкретных требований, которые инженер  предъявляет к несущей системе  здания. Варьируя прочность бетона и количество продольного армирования (рис. 4), можно добиться оптимизации  конструктивных решений и минимизации  их стоимости без снижения надежности, что для высотных зданий весьма и  весьма актуально. При недостаточной  несущей способности, жесткости  или продольной устойчивости стоек  каркаса применяют сталебетонные  колонны с внешней стальной оболочкой  либо с внутренней жесткой арматурой (рис. 5). Такие решения позволяют  также повысить и огнестойкость  конструкций.

Конструкция колонн, расположенных  по периметру здания со ствольной  несущей системой, в значительной мере определяет его способность  к сопротивлению действующим  нагрузкам. Для гашения ускорений  и уменьшения амплитуды колебаний  верхних этажей в этих местах устраивают колонны с демпфирующими свойствами, которые способствуют ограничению  раскачивания строения. Такие колонны  в сочетании с уже упоминавшимися аутригерными балками в несущей системе башен Petronas Towers позволили ограничить до требуемых значений отклонения по горизонтали и отказаться от устройства маятниковых демпферов.

Стены

Стены высотных зданий независимо от того, несущие ли это конструкции  или диафрагмы жесткости, выполняют  из менее прочных бетонов по сравнению  с применяющимися для устройства колонн, однако, как правило, прочность  бетона в стенах составляет не менее 40 МПа. 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  сборномонолитном варианте.

В зданиях большой этажности  особенность стеновых систем заключается  в повышенной чувствительности к  неравномерным деформациям силового и усадочного характера. Эти деформации в сочетании с традиционно  небольшим процентом армирования  могут привести к образованию  трещин и нарушению сплошности стеновых конструкций. И если в обычных зданиях подобные дефекты не оказывают существенного влияния на работу здания, то в высотных строениях они могут заметно изменять жесткостные параметры несущего остова и снижать его сопротивление силовым и температурноклиматическим воздействиям.

В местах пересечения или сопряжения стен разных направлений для уменьшения влияния концентраторов напряжений в виде входящих углов устраивают вуты, которые дополнительно армируют для повышения трещиностойкости наиболее уязвимых участков конструкции.

Наружные стены, подвергающиеся в  процессе строительства и эксплуатации значительным силовым и температурноклиматическим воздействиям, проектируют с учетом конструктивных систем высотных зданий. В каркасных системах и их разновидностях с колоннами, расположенными по периметру, применяют навесные конструкции. Как правило, это легкие элементы с листовыми обшивками из стали или алюминия и средним теплоизоляционным слоем. В последнее время получили распространение навесные стеновые панели с применением закаленного и армированного стекла. Такие конструкции при требуемой по условиям эксплуатации прочности и жесткости имеют малый вес, что весьма актуально для строений, высота которых может достигать нескольких сотен метров, с точки зрения максимально возможного снижения нагрузок на несущие элементы каркаса, фундаменты и грунты основания.

Элементы наружного ограждения изготавливают на специальном оборудовании, обеспечивающем заданную точность с  минимальными допусками, измеряемыми  миллиметрами. Такие требования обусловлены  необходимостью обеспечения надежного  крепления стеновых панелей к  каркасу и исключением податливости в соединениях, недопустимых в условиях значительных динамических и знакопеременных нагрузок.

В высотных зданиях с несущим  остовом на основе вариантов стеновых систем наружные стены могут устраиваться как с применением навесных панелей, так и различных фасадных систем. В последнем случае наружные стены  должны иметь несущую часть, к  которой эти системы крепят механически  с помощью дюбелей, анкеров и  др. Легкие штукатурные системы и  навесные фасады традиционной конструкции  применяют в относительно невысоких  зданиях (рис. 6). Это обусловлено  как величиной возникающих усилий, так и сложностью ремонта, особенно на большой высоте, в процессе эксплуатации здания. Следует отметить, что вопросы  использования навесных фасадных систем и различного рода облицовок сопряжены  не только с эксплуатационными качествами, но также безопасностью людей  и сохранностью имущества, например автотранспорта, припаркованного вблизи здания. Падение облицовочной плитки с высоты больше ста метров (рис. 7) может иметь эффект, аналогичный прямому попаданию пули из боевого оружия.

Говоря о конструкции наружных стен высотных зданий, необходимо упомянуть  и о светопрозрачных элементах. К оконным заполнениям, воспринимающим значительные по величине статические и динамические нагрузки, предъявляют особые требования прочности, безопасности и надежности. Стеклопакеты и рамы не только должны выдерживать ветровой напор, но также обязаны не допускать возникновения низкочастотных вибраций, опасных для человеческого организма. Крепление оконных заполнений к стенам должно воспринимать многоцикловые знакопеременные нагрузки без увеличения податливости. В целях обеспечения безопасности находящихся в высотном здании и около него людей окна в верхней части делают глухими, поскольку их открывание и закрывание сопряжено не только с достаточно большими физическими усилиями и опасностью получения травм, но и повреждением или даже разрушением самой конструкции. В нижней части высотных зданий применяют окна с параллельным открыванием наружу на величину не более 10 см. При этом запорная и поворотная фурнитура рассчитана на действие ветровых нагрузок, которые, будучи обусловлены нисходящими потоками, могут достигать значительной величины и составлять до нескольких килопаскалей (1кПа » 100 кг/м²).

Междуэтажные  перекрытия

Технические решения междуэтажных перекрытий высотных зданий отличаются большим разнообразием и зависят  от конструктивной системы несущего остова, этажности здания, его габаритных размеров в плане и действующих  на перекрытия вертикальных и, что особенно важно, горизонтальных нагрузок. При  относительно небольшом шаге сетки  колонн (до 7,2 м), а также в зданиях  со стеновыми конструктивными системами  применяют плоские монолитные железобетонные перекрытия. Армирование таких конструкций  выполняют по направлениям силовых  потоков, возникающих в дисках перекрытий от вертикальных и горизонтальных нагрузок. С увеличением шага колонн или  стен конструкций прибегают к  устройству несущих балок, расположенных  в одном или двух направлениях.

В большинстве современных высотных зданий, имеющих, как правило, достаточно большую глубину, при компоновке объемнопланировочного решения стремятся максимально открыть внутреннее пространство и освободить его от несущих элементов. Это продиктовано как необходимостью создания условий для свободной планировки этажей, так и требованиями противопожарной защиты вертикальных несущих конструкций. Последние при относительно большом шаге целесообразно располагать в угловых зонах помещений и других местах с ограниченным доступом и обзором. При этом колонны, пилоны и другие элементы могут быть защищены от воздействия высоких температур и декоративно оформлены.

При шаге несущих конструкций более 9 м применение плоских или ребристых  монолитных железобетонных перекрытий с обычной стержневой арматурой  становится экономически и технически нерациональным. В этом случае используют ребристые перекрытия, в которых  балки армируют жесткой арматурой  из прокатных или сварных стальных профилей. Использование жесткой  арматуры в первую очередь продиктовано необходимостью ограничения прогибов, а также повышения огнестойкости перекрытия.

Несмотря на достаточно высокие  техникоэкономические и эксплуатационные показатели монолитного железобетона, такие конструкции имеют достаточно большой собственный вес, что в ряде случаев приводит к дополнительному увеличению материалоемкости колонн и фундаментов. В практике строительства высотных зданий в США и ряде других стран получили распространение сталебетонные сборномонолитные конструкции перекрытий (рис. 8). Они представляют собой систему несущих стальных балок (балочную клетку), объединенных по верху монолитной железобетонной плитой. Для устройства плиты применяют несъемную опалубку из профилированного стального настила, который в замоноличенной конструкции выполняет функции внешнего армирования.