Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

За тысячелетия своей истории человечество построило множество высоких сооружений. Долгое время над городами высились религиозные здания -- колокольни, храмы, минареты.

В древнем Риме возводились дома высотой до 30 метров - предназначавшиеся для беднейшего населен я, они назывались инсулы. Потрясла мир своими 300 метрами Эйфелева башня -- а к концу 20 века телевышки и радиомачты пришли даже в небольшие города. Но все-таки слово «небоскреб» впервые прозвучало именно в США, применительно к заурядным по нынешним меркам офисным зданиям ростом в 7-10 этажей.

Задолго до появления высотных зданий британские моряки называли небоскребом (skyscraper) самую высокую мачту на корабле.

Что же сейчас считается высотным зданием?

Высотными зданиями в России считаются здания высотой более 75 м или более 25 этажей. В других странах под термином «высотное здание» обычно понимают здание высотой от 35 до 100 м, здания выше 100 м (в США и Европе -- выше 150 м) считаются небоскрёбами.

Высотные здания могут иметь разное назначение: быть гостиницами, офисами, жилыми домами, учебными зданиями.

Чаще всего высотные здания выполнены многофункциональными: помимо помещений основного назначения в них размещаются автостоянки, магазины, офисы, кинотеатры и т. д.

Высотные сооружения делятся на свободно стоящие и поддерживаемые. К первым относятся телебашни и дымовые трубы; ко вторым -- передающие мачты и антенны, которые держатся в вертикальном положении за счет тросов-растяжек. А самые «вертикально длинные» рукотворные сооружения -- морские нефтяные платформы, высота которых скрыта под водой.

Небоскреб - (с английского skyscraper - в дословном переводе «скребущий небо») свободно стоящее сооружение, равномерно распределённое по вертикали на этажи, предназначенные для жизни и работы людей, с высотой последнего этажа не менее 100 - 150 м.

Небоскрёбы выше 300 м называют сверхвысокими. К концу 2007 года в мире асчитывалось больше полутора тысяч небоскребов, четыре десятка из них -- сверхвысокие.

Минимальная высота здания-небоскрёба является спорной. В США и Европе небоскрёбами принято считать здания высотой не менее 150 м (500 футов).

Категорирование высотных зданий и составление их рейтингов имеет некоторую неоднозначность ввиду разнообразия способов измерения. В настоящее время общепринятыми критериями являются разработанные Советом по высотным зданиям и городской среде.

Согласно этим критериям, под зданием подразумевается сооружение, спроектированное для использования в качестве жилого, офисного (коммерческого) или производственного помещения.

Существенной характеристикой здания является наличие этажей.

Таким образом, описываемый рейтинг заведомо не включает теле- и радиобашни.

Совет предлагает три критерия измерения высоты здания (во всех случаях измерения производятся от наиболее низкого значимого входа в здание):

· конструктивная высота здания -- высота от уровня тротуара до наивысшей точки конструктивных элементов здания (включая шпили и исключая телевизионные и радио антенны и флагштоки).

· до наивысшего доступного этажа -- высота здания до уровня пола наиболее высокого доступного этажа корпуса.

· до кончика антенны/шпиля -- высота здания до самой высокой точки антенны, шпиля и т. п.

Первый критерий является основным. Именно он используется при составлении рейтинга самых высоких зданий.

Неоднозначное мнение Совета по высотным зданиям о том, как измерять небоскребы вызывает множество споров при определении высочайших зданий мира.



История. Начало начал

На протяжении истории человечества численность городского населения постоянно увеличивалась. Особенно быстро этот процесс шел в девятнадцатом столетии, когда индустриальные центры стали активно заселять крестьяне из провинции. Большая часть домов в те времена была одно-двухэтажной, и размещаться возрастающему количеству жителей в пределах городской черты становилось все сложнее.

Строительные технологии первой половины девятнадцатого века не позволяли строить высокие здания. Так же и перспектива несколько раз в день преодолевать десяток-другой лестничных пролетов устраивала далеко не всех. Однако вскоре ситуация стала меняться:

В пятидесятых годах девятнадцатого века молодой инженер Элиша Отис изобрел первый безопасный паровой лифт. Задолго до него подъемники использовались в горном деле, строительстве, но в домах они не приживались. Причина проста - они падали, когда рвался тррс. У лифта Отиса была страховка: в случае обрыва троса срабатывал аварийный пружинный механизм, который блокировал пассажирскую кабину и останавливал падение. Несмотря на это, публика отнеслась к новой машине настороженно, мало кто верил в эффективность такой системы безопасности. Отису пришлось доказывать надежность собственного изобретения на себе. Он поднялся на лифте на большую высоту, после чего его помощники попросту обрезали трос, но пружинный механизм спас жизнь изобретателя. Усилия Отиса не пропали даром: уже в 1857 году лифт был установлен в одном из административных зданий Нью-Йорка.

Другой помехой возведению высоток были несовершенные строительные технологии. Изначально основной вес здания брали на себя несущие стены. Поэтому для высоких домов их приходилось делать достаточно большой толщины. Пример первого и последнего каменного небоскреба - 16-этажное Monadnock Building (Монаднок), построенный в 1893 году в Чикаго. Величина стен MB у основания составила 1,83 метра. Из-за мягкости грунта здание просело на 0, 51 см. Опыт Монаднок Билдинг показал несостоятельность каменных материалов, как основы для высотного строительства.

Решить эту проблему помогло каркасное строительство, основные принципы которого были разработаны в семидесятые-восьмидесятые годы девятнадцатого столетия. Основную нагрузку здания брал на себя стальной каркас, прочность же собственно стен уже имела не столь важное значение. Наружые стены «навешивались» на каркас, подобно шторам. Внедрение каркаса позволило уменьшить вес зданий почти на треть.

Импульсом для разработки и внедрения новейших строительных технологий был пожар 1871 года, из-за которого большая часть зданий Чикаго, крупнейшего индустриального центра Америки, погибла в огне.

Именно поэтому Чикаго суждено было стать родиной небоскребов. Здесь в 1884 году по проекту архитектора Уильяма де Барона Дженни было построено здание страхового общества. Среди своих собратьев оно выделялось не столько высотой (в нем было всего девять этажей), сколько технологиями, которые были использованы при его создании. Это был первый дом, построенный с использованием каркаса.

Золотой век

Число высотных домов стало быстро увеличиваться. Россия и европейские державы отнеслись к небоскребам достаточно скептически, оставаясь верными собственным традициям. Европейцы не считают высотки частью своей культуры. Ни одно из 50 самых высоких зданий мира не находится в Старом Свете. А вот в Америке новый тип зданий быстро завоевал популярность. Первые небоскребы выглядели достаточно примитивно по сегодняшним меркам. Они были перегружены внешними элементами декора и поэтому смотрелись довольно громоздко. Их создателей, очевидно, вдохновляли архитектурные особенности готических храмов, поэтому элементы средневековья видны невооруженным глазом почти во всех американских высотках первой половины двадцатого века.

Чикаго недолго оставался главным городом небоскребов. Уже через несколько лет эстафету принял Нью-Йорк. Это был главный финансовый центр страны, и большинство новых высоток строились именно по заказу крупных фирм и компаний. Понять, почему капитаны американского бизнеса так полюбили небоскребы, несложно. Высота должна была символизировать богатство владельца, его мощь и процветание. Долгое время пальму первенства удерживал 242-метровый небоскреб архитектора Гаса Гилберта, построенный по заказу мультимиллионера Фрэнка Вулворта и названный его именем. Лишь в 1930 году здание, которому было дано название «Крайслер», смогло побить установленный ранее рекорд.

Однако рубеж в 319 метров, установленный небоскребом Крайслер, оставался непреодоленным лишь несколько месяцев. Уже в 1931 году было закончено возведение знаменитого нью-йоркского небоскреба Эмпайр Стейт Билдинг. 102 этажа этого дома выросли над Нью-Йорком на высоту в 391 метр. Планировалось, что к 102 этажу Эмпайр Стейт Билдинг будут приставать дирижабли (причальные мачты сохранились до наших дней), но сильные потоки воздуха вокруг здания и катастрофа «Гинденбурга» поставили крест на этой идее. В 1952 году на небоскреб установили антенну, которая увеличила высоту до 443 метров. Только 20 лет спустя звание высочайших в мире перешло к башням-близнецам ВТЦ (крыша -- 417 метров, антенна -- 526 метров). Любопытный факт: за 70 с лишним лет существования Эмпайр Стейт Билдинг более 30 человек покончило с жизнью, спрыгнув с небоскреба. Но больше всех отличилась некая Элвита Адамс: ветер задул ее обратно в здание, и неудавшаяся самоубийца отделалась переломом бедра

Следует отметить, что уже тогда самые знаменитые небоскребы обладали солидным запасом прочности. Так, Эмпайр Стейт Билдинг смог выдержать удар десятитонного бомбардировщика Б-25, врезавшегося в него в 1945 году. В результате этого несчастного случая погиб весь экипаж самолета и 11 человек в небоскребе, однако сама высотка устояла.

Большинство исследователей склонны считать 20-30-е годы золотым веком американских небоскребов. Конечно, с наступлением в 1929 году Великой депрессии масштабы городского строительства значительно сократились, но самые знаменитые нью-йоркские высотки, например Эмпайр Стейт Билдинг, были созданы именно в тридцатые годы.

Второе дыхание

После Второй мировой войны небоскребы начинают приобретать современные очертания. Становятся проще и лаконичнее архитектурные формы -- готические элементы, столь популярные в первой половине столетия, уступают место «чистой геометрии». Здания все чаще напоминают огромные кубы и параллепипеды из учебника по стереометрии. Классикой этого жанра принято считать построенные в начале пятидесятых годов по проекту известного архитектора Миса небоскребы Лэйкшор Драйв в Чикаго и Сигрэм в Нью-Йорке. Эти дома на долгое время стали объектами для подражания. Их черты до сих пор легко просматриваются не только во многих высотках, возведенных позднее в различных странах мира, но и в отечественных высотных зданиях конца советского периода. В это же время небоскребы перестают быть исключительно многоэтажными офисами, в них появляются торговые центры, кинотеатры, рестораны, магазины и другие объекты инфраструктуры.

В семидесятые годы высотки по всему миру получают новый импульс роста: в Нью-Йорке возводят теперь уже печально знаменитые башни-близнецы. Это были первые офисные здания, перешагнувшие порог в 400 метров. Однако и этот высотный рекорд оказался недолговечен. Уже в 1973 году в Чикаго был построен небоскреб Сирс-Тауэр в 443 метра. Это 110-этажное здание на момент окончания работ было чудом инженерной мысли. В нем работали 15 скоростных лифтов, за считанные секунды поднимавших людей на почти полукилометровую высоту. Мытьем шестнадцати тысяч окон занимались автоматические машины.

Изначально небоскребы создавались прежде всего как место для работы. Но постепенно высокие этажи начали использовать и для жилья. Самыми популярными среди квартир в высотных зданиях стали пентхаусы на верхних этажах зданий.

Мировая слава

Во второй половине двадцатого столетия небоскребы постепенно завоевывают мир. Во многом толчком к столь быстрому развитию послужила война, стершая с лица земли десятки городов. Некоторые населенные пункты приходилось попросту отстраивать заново, так как большая часть довоенных конструкций восстановлению не подлежала. Весьма активно высотные здания возводили в Германии. Франкфурт-на-Майне, финансовую столицу страны, нередко сравнивают с Нью-Йорком или Чикаго из-за большого количества небоскребов. Благосклонно отнеслись к строительству высотных домов и в Советском Союзе. В СССР проекты первых высоток были разработаны еще до войны, однако реализовать их тогда не удалось. После победы в Великой Отечественной войне Сталин вернулся к планам строительства в столице высотных зданий. Тогда и родился проект знаменитых сталинских высоток. При их создании архитекторы активно использовали американский опыт.

С началом экономического роста в странах Юго-Восточной Азии бум строительства небоскребов переместился в те края. В течение последних десятилетий там были построены сотни высотных домов. Именно они во многом определяют сейчас внешний облик основных мегаполисов региона. Здесь же сегодня разворачивается основная борьба за звание самого высокого дома в мире. До недавнего времени пальму первенства удерживали 453-метровые малайзийские башни-близнецы из Куала-Лумпура, построенные в 1990 году. Однако в прошлом году в Тайбэе был торжественно открыт небоскреб, перешагнувший полукилометровый рубеж. На 101 этаже этого 508-метрового колосса разместились бесконечные офисы, торговый центр и даже обсерватория. Конечно, строительство таких зданий -- дело недешевое. Нынешний чемпион обошелся своим хозяевам в 1,7 миллиарда долларов, однако компания-владелец рассчитывает окупить затраты достаточно быстро.

На сегодняшний день пять самых высоких небоскребов мира:

1. Бурдж-Халимфа - небоскрёб, напоминающий по форме сталагмит, находится в крупнейшем городе Объединенных Арабских Эмиратов -- Дубае. С 21 июля 2007 года -- самое высокое строение в мире. C 19 мая 2008 года -- самое высокое когда-либо существовавшее сооружение в мире (до этого рекорд принадлежал упавшей в 1991 году Варшавской радиомачте). Точная окончательная высота 828 метров (по высоте антенны), 163 этажа. Башня оборудована 56 лифтами (кстати, самыми быстрыми в мире), бутиками, бассейнами, апартаментами класса «люкс», отелями и наблюдательными площадками. Отличительной характеристикой строительства является интернациональный состав работающей команды: южнокорейская фирма подрядчик, американские архитекторы, индийские строители. В строительстве принимали участие четыре тысячи человек. Башня будет полностью самостоятельно вырабатывать электроэнергию для себя: для этого будут использоваться 61-метровая турбина, вращаемая ветром, а также массив солнечных панелей (частично располагающихся на стенах башни) общей площадью около 15 тыс. мІ.

2. Тайбей - 101 - небоскрёб, расположенный в столицеТайваня Тайбэе. Этажность небоскрёба составляет 101 этаж, высота -- 509,2 м (вместе со шпилем). На нижних этажах находятся торговые центры, на верхних расположены офисы. Строительство небоскрёба началось в 1999 году. Официальное открытие состоялось 17 ноября 2003 года, в эксплуатацию был введён 31 декабря 2003 года. Стоимость небоскрёба составила 1,7 млрд долларов. В этом небоскрёбе находятся одни из самых быстрых в мире лифтов -- они поднимаются со скоростью 63 км/ч. С первого этажа до обзорной площадки на 89-м можно доехать за 39 секунд. Здание из стекла, стали и алюминия поддерживают 380 бетонных опор, каждая из которых уходит в землю на 80 м. Опасность обрушения при урагане или землетрясении снижает огромный 660-тонный шар-маятник, помещённый между 87 и 91 этажами. По словам инженеров, башня сможет выдержать сильные колебания в течение 2500 лет. Здание является одним из главных символов современного Тайбэя и всего Тайваня. Имеет 101 надземный и 5 подземных этажей. Его архитектурный стиль в духе постмодернизма сочетает современные традиции и древнюю китайскую архитектуру. Многоэтажный торговый комплекс в башне содержит сотни магазинов, ресторанов и клубов.

3. Шанхайский всемирный финансовый центр - небоскрёб в Шанхае, строительство которого завершено летом 2008. Высота центра составляет 492 м. Построила башню японская компания Mori Building Corporation. Главный дизайнер проекта -- Дэвид Малотт. Строительство здания началось 27 августа 1997 года, но из-за финансового кризиса 1998 года растянулось на десять лет. В 2003 году были внесены изменения в проект, в частности, компанией-разработчиком Мори Груп была увеличена высота здания до 492 м. и количество этажей до 101. Также, в 2005 году была изменена форма окна на вершине здания, предназначенного для уменьшения сопротивления воздуха. Первоначально предполагалось окно округлой формы 46 м. в диаметре. Однако этот дизайн вызвал большие протесты со стороны китайцев, включая и мэра Шанхая, который считал, что это очень похоже на восходящее солнце на флаге Японии. Круглое отверстие было заменено на трапециевидное, что удешевляло конструкцию и упрощало реализацию проекта. Инвесторы хотели увеличить высоту здания установкой на него шпиля, чтобы побить рекорд высоты Тайбэй 101 (509,2 м.), однако архитектор Вильям Педерсен и разработчик Минору Мори выступили против добавления шпиля на здание, объяснив что такому величественному зданию как SWFC вполне достаточно существующих размеров. Площадь здания составляет 377 300 мІ, имеется 31 высокоскоростной лифт и 33 эскалатора.

4. Башни Петромнас -- 88-этажный небоскрёб. Высота -- 451,9 метров. Находится в столице Малайзии Куала-Лумпуре. В проектировании небоскрёба участвовал премьер-министр Малайзии Махатхир Мохамад, который предложил построить здания в «исламском» стиле. Поэтому в плане комплекс представляет собой две восьмиконечные звезды, а архитектор добавил полукруглые выступы для устойчивости. Для строительства отводилось 6 лет (1992--1998 гг.). Башни возводились двумя разными компаниями для создания конкуренции и повышения производительности. В ходе геологических изысканий, выяснилось, что предполагаемая площадка для строительства находится одной частью на краю скальной породы, а другой - на мягком известняке. После постройки на данном месте таких тяжёлых башен, одна из них неминуемо просела бы. В итоге здания полностью перенесли на мягкий грунт, сдвинув на 60 метров, и вбили сваи на глубину более чем 100 метров -- самый большой бетонный фундамент в мире. Для строительства башен должны были быть использованы только материалы производимые в Малайзии, поэтому невозможно было обеспечить строителей необходимым количеством стали. Специально для башен-близнецов был разработан особо прочный и немного гибкий бетон, который можно было производить в Малайзии. Из него и были построены Башни Петронас. Небоскрёб получился вдвое тяжелее аналогичных стальных. Бетон благодаря добавлению кварца должен был выдерживать давление ~137 МПа. Во время строительства пришлось разобрать один построенный этаж из-за некачественного бетона.

5. Уимллис-тамуэр , до 2009 года -- Сирс-тамуэр (Sears Tower) -- небоскрёб, находящийся в городе Чикаго, США. Высота небоскрёба составляет 443,2 м, количество этажей -- 110. До сих пор это сооружение остается самым высоким небоскребом на территории США. Главный архитектор Брюс Грэм, главный проектировщик Фазлур Хан. Сооружение состоит из девяти квадратных труб, образующих в основании здания большой квадрат. Он стоит на бетонных с каменной насыпкой сваях, вбитых в лежащую под ним твёрдую породу. На 50 этажей поднимаются девять сварных стальных труб. Затем здание начинает сужаться. Ещё семь труб идут до 66-го этажа, а пять поднимаются до 90-го этажа, и только две трубы образуют оставшиеся 20 этажей. На крыше установлены две телевизионные антенны. В небоскрёбе 104 скоростных лифта, которые делят здание на три зоны и помогают людям ориентироваться в нём. Огнеупорный остов покрыт облицовкой из чёрного алюминия с более чем 16 тысячами окон тёмного стекла. Шесть автоматических машин для мойки окон чистят всё здание восемь раз в год.

Особенности возведения высотных зданий

Высотные здания, особенно здания значительной высоты -- 250 м и более, имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий. К особенностям высотных зданий относятся:

· превалирующее значение горизонтальных (в первую очередь, ветровых) нагрузок над вертикальными;

· очень высокая нагрузка на несущие конструкции, в том числе на основания и фундаменты;

· повышенная значимость воздействия ряда природных факторов(сейсмика, солнечная радиация, аэродинамика) и техногенных (вибрации, шумы, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения) на безопасность эксплуатации;

· проблемы обеспечения совместной работы в несущих конструкциях таких материалов, как сталь и бетон, а также неодинаково нагруженных элементов конструкций, например, колонн и стен.

Эти особенности необходимо учитывать при выборе материалов, конструктивной схемы высотного здания и проектировании несущих конструкций, фундаментов.

Материалы

Выбор материла для несущих конструкций каркаса, на долю которых приходится треть всех затрат, является одной из важнейших задач.

Несущие конструкции высотных зданий в начальный период развития этого вида строительства преимущественно выполняли из стали. В последние годы эти конструкции все чаще предпочитают выполнять из железобетона, поскольку этот материал обладает большей огнестойкостью, дешевле, а его прочностные характеристики приближаются к прочности стали. Созданы и применяются бетоны классов В80 и В100, хотя в широкой строительной практике применяют более низкие классы высокопрочных бетонов В60 и В70, так как с ростом прочности бетона возрастает его стоимость, повышается хрупкость и снижается огнестойкость. Поэтому для высоконагруженных несущих конструкций (колонн, стоек, ригелей) применяют железобетонные конструкции с жесткой арматурой в виде прокатных профилей, а также комбинированные сталебетонные конструкции. Толщину несущих железобетонных стен по условиям надежного проформования применяют 250 мм и более.

Самое высокое строящееся здание в мире - башня Burj Dubai (Дубай) выполняется из монолитного железобетона. Монолитный каркас комплекса “Федерация” в Москве, например, возведен из бетона класса В60 и В80-В90.

С конструктивной точки зрения целесообразно использовать класс бетона в соответствии с действующими нагрузками по высоте здания. Примером рационального подбора классов бетона может служить каркас “Jin Mao Building w Szanghaju” (Шанхай) Мегаколонны на нижних этажах сооружения имели сечение 1,5х5,0 м, с переходом на более высокие этажи - 1,0х3,5 м. При этом класс бетона варьировался от С80 до С40.

Требования к бетону как конструкционному строительному материалу для высотных зданий становятся особенно жесткими. И без современных технологий модификации монолитного бетона, обеспечивающих необходимую морозо-, огне-, ударостойкость и долговечность при агрессивных воздействиях, в высотном строительстве не обойтись.

Фундамент

Геотехнические особенности высотных зданий.

При проектировании и строительстве высотных зданий особое место занимают проблемы обеспечения надежности оснований и конструкций подземных частей. Грунтовое основание является частью природной геологической среды, его свойства обладают большей изменчивостью и с меньшей определенностью поддаются количественному описанию, чем свойства искусственно создаваемых, конструктивных элементов любого сооружения. Эти обстоятельства приобретают особую значимость при выполнении инженерных изысканий, проектировании и технологии строительства высотных зданий. Главная особенность высотных зданий по сравнению с обычными сооружениями заключается в том, что удельное давление на основание под фундаментной конструкцией достигает значительных величин. В частности, как показали проведенные наблюдения за рядом возведенных и эксплуатируемых высотных зданий, значения удельного давления достигают величин 500-800 кПа и более, что особенно опасно при наличии эксцентриситета приложения нагрузки. Помимо того фундаменты высотных зданий вовлекают в работу большие массивы грунтов, обладающие, как правило, существенной неоднородностью в плане и по глубине.

Это, вместе с увеличенными значениями напряжений в массиве грунта, приводит к тому, что:

* осадки высотных зданий стабилизируются относительно медленнее и достигают конечных значений за более длительные интервалы времени;

* фундаменты существующих зданий, попавших в зону влияния, получат необратимые деформации.

Увеличение размеров зоны влияния нужно учитывать при проектировании сооружений, примыкающих к высотному зданию, и при разработке мероприятий по защите окружающей застройки. Указанные геотехнические особенности высотных зданий делают необходимым существенное повышение требований к детальности и содержательности инженерных изысканий, к расчетам оснований и фундаментов, к выбору конструктивных типов фундаментов и технологий их устройства.

Для высотных зданий требуется выполнение двух обязательных мероприятий, обеспечивающих их безопасность при проектировании, строительстве и эксплуатации:

* независимая геотехническая экспертиза (проверка) принятых оценок и расчетных моделей оснований;

* геотехнический мониторинг в процессе строительства и эксплуатации.

Выполнение данных мероприятий позволяет избежать проектных ошибок, а также производить соответствующую корректировку, изменения или адаптацию проектных и производственных решений.

Конструкции фундаментов

Эффективность технического решения фундамента высотного здания существенно возрастает при его заглублении. Глубина заложения фундаментов может составлять 15-25 м, а в отдельных случаях - 50 м. В настоящее время при проектировании и строительстве высотных зданий широкое применение получили три типа фундаментов: свайные, плитные и свайно-плитные.

Массивные плитные фундаменты традиционно используются для ВЗ и являются наиболее простым и экономичным конструктивным решением. Однако условия взаимодействия таких фундаментов с основанием (возникновение кренов, выпор грунта из-под края фундамента, потенциальная возможность потери общей устойчивости здания, значительные сосредоточенные и изгибающие усилия в конструкции фундамента в местах точечного приложения значительных нагрузок) требуют тщательного расчетного обоснования возможности их применения.

Эффективность использования плитного фундамента существенно возрастает в случае его заглубления, при котором уменьшается разница между сжимающими напряжениями под подошвой фундамента от приложенной сверху нагрузки и природными вертикальными напряжениями в ненарушенном массиве грунта.

Такая плита вместе с подземной частью здания образует так называемый “плавающий” фундамент.

На благоприятных (прочных) песчаных, гравийных основаниях (без слабых обводненных прослоек) с центрально приложенной нагрузкой (без больших эксцентриситетов и местных сосредоточенных нагрузок) плитные фундаменты - самые экономичные.

Такой тип фундамента был применен при строительстве башни "Trianon" и здания "Main Plaza" во Франкфурте-на-Майне.

Свайные фундаменты в виде свайного ноля или глубоких опор - наиболее применяемые в последнее время для ВЗ при большой мощности четвертичных отложений с невысокими или неоднородными значениями показателей физико-механических свойств грунтов основания, при значительной площади ВЗ и больших сосредоточенных или моментных нагрузках от него на фундамент.

Фундаменты в виде глубоких опор, непосредственно передающих нагрузку от высотного здания на глубоко залегающие несущие грунты, являются более надежными, т.к. обеспечивают наименьшие осадки здания. Однако экономичность и техническая реализуемость их использования значительно ухудшаются при увеличении глубины залегания несущих слоев. Для свай в таких фундаментах на первое место выходит несущая способность по материалу, а не по грунту. Учитывая это, использование свай малого диаметра для них нецелесообразно.

Высотные здания Америки и Юго-Восточной Азии возводились, в основном, на свайных фундаментах или на фундаментах "стена в грунте". Так, при строительстве здания "BoCom Tower" в Шанхае глубина заложения до несущих материковых грунтов достигла 100 м.

Вместе с тем практика последних лет показывает, что наиболее эффективно располагать сваи не в виде равномерных полей, а отдельных кустов и лент под сосредоточенными нагрузками, что позволяет уменьшить высоту плит-ростверков и их материалоемкость и улучшает условия работы надфундаментной конструкции.

Продуктивность такого фундамента обеспечивается путем учета особенностей передачи нагрузки на основание сваями от центра к периферии и регулируется посредством изменения их длины, диаметра или шага. Такие фундаменты получили название свайно-плитные (СПФ).

По сравнению со свайными фундаментами свайно-плитные наиболее приемлемы с экономической и технической точек зрения, т.к. распределяют нагрузки не только через сваи, но и плиту - ростверк (от 15 до 60% в случае залегания под подошвой ростверка достаточно прочных грунтов на требуемую глубину).

Анализ применения СПФ показывает, что существует множество решений по их проектированию и применению, каждое из которых обладает своими особенностями.

Главная проблема заключается в том, что нет единого нормативного подхода по проектированию и возведению СПФ, которые являются пока еще мало изученной областью строительства и требуют дополнительных исследований перед началом их широкого применения.

Конструктивные схемы высотных зданий

С развитием высотного строительства было разработано несколько конструктивных схем (систем) таких зданий: каркасная с диафрагмами жесткости, рамно-каркасная, бескаркасная с перекрестно-несущими стенами, ствольная, каркасно-ствольная, коробчатая (оболочковая), ствольно-коробчатая («труба-в-трубе» или «труба-в-ферме») (рис. 1). Выбор той или иной конструктивной схемы (системы) зависит от многих факторов, основными из которых являются высота здания, условия строительства (сейсмичность, грунтовые особенности, атмосферные и в первую очередь ветровые воздействия), архитектурно-планировочные требования.

Каждая из вышеперечисленных систем имеет свои разновидности, в частности, ствольная система может выполняться с консольным опииранием перекрытий на ствол, с подвешиванием нижележащих перекрытий к расположенной наверху консоли («висячий дом»), либо опиранием вышерасположенных перекрытий на расположенную снизу консоль, с промежуточным расположением несущих консолей высотой в этаж с передачей на них нагрузки от части этажей (рис. 2). Стволом или ядром в высотных зданиях является жесткий (монолитно выполненный) лестнично-лифтовый узел.



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.

В целях повышения жесткости высотного здания и обеспечения свободной планировки применяют ствольные и каркасно-ствольные системы. Эти системы позволяют в довольно широких пределах применять развитую пластику фасадов. Такое решение использовано, например, при строительстве 260-метрового здания Коммерц-банка в г. Франкфурт-на-Майне (Германия), где светопрозрачные ограждения зимних садов заглублены внутрь здания. Стволы (ядра) изготовляют из железобетона, стали или их комбинаций. Стволы выполняют роль жестких вертикально расположенных консолей, защемленных в земле и воспринимающих горизонтальные нагрузки. Поскольку поперечное сечение лестнично-лифтовых узлов ограничено, жесткость стволов также ограничена, в связи с чем они могут обеспечивать необходимую жесткость здания в определенных пределах. многоэтажный небоскреб каркас геотехнический

Для повышения изгибной жесткости высотных зданий применяют коробчатые или оболочковые системы, в которых повышение жесткости достигается за счет включения в работу на поперечный изгиб наружных ограждений, выполняемых в этом случае несущими. Поперечное сечение жесткого ядра увеличивается до размеров наружной оболочки здания. Размеры здания в плане при этом имеют ограничения по условию обеспечения требуемого естественного освещения. На рис. 3 показаны максимальные размеры в плане высотных зданий в США и Германии, отвечающие требованиям естественной освещенности.



Максимально допустимая нормативная глубина помещений высотных зданий в США и Европе

Конструктивные варианты несущих наружных оболочек высотных зданий (коробчатые системы)

В коробчатых системах наружная несущая оболочка может выполняться в виде безраскосной и раскосной решетки из стали или железобетона. Безраскосная решетка не вызывает затруднений при размещении светопрозрачных ограждений по фасаду высотного здания, но уступает раскосной в отношении обеспечения жесткости здания. Поэтому для повышения жесткости наружной оболочки применяют диагональные связи. Большей жесткостью обладают ствольно-коробчатые системы с диагональными связями («труба в ферме»). Вместе с тем эти системы не позволяют применять пластические решения фасадов и требуют частого расположения несущих стоек по периметру здания. Система «труба в ферме» может эффективно применяться в зданиях свыше 100 этажей.

Несущие элементы конструктивных систем высотных зданий

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. 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, 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. 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.

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.

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.

Междуэтажные перекрытия

Перекрытия высотных зданий решаются в зависимости от принятого пролета. В США, где глубина помещений по условиям естественной освещенности допускается равной 16м (рис. 3), для обеспечения свободной планировки перекрытия также, как правило, имеют пролет, равный 16 м. В этом случае применяют балочные клети с главными и второстепенными балками, причем, первые выполняют из стали как сплошными, так и решетчатыми. Железобетонные балки выполняют сплошными, в том числе с жесткой арматурой в виде стальных прокатных профилей. Для устройства плитной части перекрытий широко применяют монолитную железобетонную плиту, укладываемую на стальной профилированный настил, при этом профнастил включают в совместную работу с железобетонной плитой с помощью анкеров, закрепляемых на нем (рис. 6).

В Европе, где глубина помещения в зданиях ограничена 8 метрами, преимущественно применяют плоские монолитные железобетонные плиты толщиной 250 мм (безригельный каркас). Особенностью перекрытий высотных зданий является то обстоятельство, что для размещения многочисленных инженерных систем (вентиляции, отопления, кондиционирования, электроснабжения и др.) и коммуникаций (компьютерных, сигнальных, видеонаблюдения, автоматики и т.п.) применяют подвесные потолки и технологические полы (рис. 7). Суммарная высота подвесных потолков и технологических полов может достигать 900 мм, так что при высоте этажа 3,6 м высота помещения может составлять всего 2,7 м.

Лестничнолифтовые узлы

Лестничнолифтовые узлы (ЛЛУ) высотных зданий играют особую роль в обеспечении сообщения между этажами и эвакуации людей в случае возникновения чрезвычайных ситуаций. В зависимости от компоновочного и объемнопланировочного решения ЛЛУ могут совмещать функции путей сообщения и эвакуации или выполняться раздельно. В обоих случаях к их техническому оснащению предъявляют определенные требования, связанные с обеспечением параметров безопасности.

Обычно ЛЛУ располагают в центральной части высотных зданий. Как правило, он размещается в пределах центрального ствола строений с каркасноствольной, коробчатоствольной или аналогичными несущими системами. Предел огнестойкости конструкций лестничнолифтового узла принимают по национальным нормам проектирования, и в большинстве случаев он составляет 2 ч. Исходя из этого показателя, назначают толщину стен и перекрытий и выполняют их проектирование.

Следует заметить, что после трагических событий 11 сентября в НьюЙорке во всем мире стали уделять повышенное внимание вопросам проектирования лестничнолифтовых узлов и путей эвакуации.

Фасадные конструкции

Фасад первого небоскреба - Хоум Иншуеранс Бидинг - был из натурального камня , что придавало зданию определенную громоздкость, напоминающую итальянское палаццо эпохи Возрождения. В архитектуре высотных зданий, как и во всей архитектуре того времени, главенствовал эклектический стиль, сочетавший в архитектуре здании различные стили от романского, готического до классики.

В 1952 году было построено 22-этажное здание «Левер хауз», в котором впервые применен прием выноса структуры стального каркаса на фасад с последующим остеклением образованных прямоугольников. Однако прототипом современных офисных зданий стало 38-этажное здание «Сиграм Билдинг», построенное в 1958 году (рис. 5), спроектированное Мис ван дер РОЭ совместно с Филиппом Джонсоном, которое и было провозглашено самым прекрасным стеклянным зданием из всех когда-либо возводившихся высотных зданий.

В последнее же 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. 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 может иметь эффект, аналогичный прямому попаданию пули из боевого оружия.

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. 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.

Дополнительные проблемы

Специфичность нагрузок, технологии возведения, эксплуатации высотных зданий вызывает ряд дополнительных трудностей:

Ветровые нагрузки.

Небоскреб раскачивается под порывами ветра, и зачастую такие колебания безопасны для самого здания, но оказывают большой дискомфорт его обитателям верхних этажей. Ветер обдувая здание создает завихрения - «мини смерчи», которые и создают опасность для сооружения.

Повышения сопротивляемости высотного здания ветровым нагрузкам можно достигнуть несколькими способами: например, при использовании рациональной формы. Как показали многочисленные зарубежные исследования и опыт эксплуатации, наиболее целесообразной в отношении воздействия ветра является круглая в плане форма здания. Несколько уступает ей элептическая (овальная) форма, а затем и квадратная. В связи с этим многие высотные здания за рубежом имеют круглую или овальную в плане форму, например, здания «Марина Сити» в г. Чикаго и «Вашингтон Плаза» в г. Сиэтле (США), башни «Петронас» в г. Куала-Лумпуре (Малайзия), башня «Тайпей» в г. Тайпей (Тайвань) и другие. Многие высотные здания имеют квадратную или близкую к ней форму в плане.

Рациональные формы зданий а - треугольная призма; б - эллиптический цилиндр; в - вертикальная оболочка; г - форма, сужающаяся кверху; д -пирамида; е - круглый цилиндр

Повышение жесткости достигают также приданием высотному зданию некоторой конусности (100-этажное здание «Джон Хэнкок Сентер» в г.Чикаго и 49-этажное здание в г.Нью-Йорк, США) , а также применением многосекционного варианта коробчатой системы (109-этажное здание «Сире тауэр» в г.Чикаго, США). В последнем варианте горизонтальные нагрузки помимо наружной оболочки воспринимают также внутренние межсекционные стены и при наличии -- стволы (ядра жесткости). Выступы здания делят ветровой поток и ослабляют его. Тот же принцип у здания Бурдж Халифа.

Второй способоб: специальные механизмы, которые гасят колебания высоток, - не для того, чтобы колебаний вообще не было (это невозможно), а чтобы не было резонанса. Один из способов - установить наверху демпфер (глушитель, устройство для гашения, успокоения (демпфирования) колебаний или предотвращения механических колебаний, возникающих в машинах и приборах при их работе.). Он колеблется вместе со зданием, но при этом настолько тяжел, что не успевает за колебаниями здания и за счет инерции гасит их. Роль демпфера иногда выполняет резервуар с водой, которую можно пустить на тушение пожара. На одном из небоскребов Нью-Йорка есть резервуар с тысячью тонн воды, которая, колеблясь, проходит через специальные фильтры и благодаря этому вырабатывается электричество.

Сейсмические нагрузки

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. Существует специальный раздел гражданского строительства: Сейсмостойкое строительство, который специализируется в области поведения зданий и сооружений под сейсмическим воздействием ^[1] в виде сотрясений земной поверхности, потери грунтом своей несущей способности, волн цунами. Защита от землетресений может осуществлятс различными способами:

Сейсмический амортизатор

Инерционный демпфер

Гистерезисный демпфер

Демпфирование вертикальной конфигурацией

Многочастотный успокоитель колебаний

Приподнятое основание здания

Свинцово-резиновая опора

Пружинный демпфер

Фрикционно-маятниковая опора

Во втором по высоте небоскрбе Тайбее 101 , построенном в прделах «Огненного кольца» - сейсмоопасной зоны установлен инерционный демпфер - огромный шар - маятник. Этот сложный, и гениально спроектированный механизм, придает сооружению упругость и устойчивость против таких природных катаклизмов, как тайфуны и землетрясения. Разработчики уверены, что механизм сможет придать зданию устойчивость даже при шквалистом ветре, дующем со скоростью 60 м/с и 7- бальном землетрясении. Гигантский стальной шар, который подвешен на прочных тросах в открытой сферической полости, расположенной между одной из смотровых площадок и ресторанным комплексом. Он представляет собой маятник весом в 728 (по некоторым данным - 900) тонн, установленный в промежутке между 88-ым и 92-ым этажами и служит для компенсации колебаний здания при сильных порывах ветра, а также подземных толчках. Стоимость механизма обошлась владельцам Тайпея в 4.000.000$. Сама система амортизации от посетителей торгового центра изолирована лишь прозрачными ограждениями и каждый желающий за небольшую плату может наблюдать огромную конструкцию в действии.

Устойчивость конструкции прошла испытания в 2002 году, когда 31 марта в Тайбэе произошло землетрясение силой 6,8 балла. Из-за землетрясения было разрушено два крана, установленных на строящемся здании, погибло 5 человек. Обследование показало, что никакого вреда землетрясением башне причинено не было.

Лифтовое хозяйство

Первое подъемное устройство в виде лифта было продемонстрировано Элита Грейвз Отисом в 1854 г. в Нью-Йорке на здании Кристал Палас.

Огромное разнообразие сегодня типов лифтов для жилых зданий, гостиниц, офисов, для низко - и высоко - этажных домов, пассажирских, грузовых и пожарных лифтов ставит перед проектировщиками непростую задачу выбора. Американские и европейские нормативы при выборе лифтов несколько разнятся, но при этом характеризуются высокими требованиями. Главной характеристикой при выборе лифтов является время ожидания {в Европе) или средняя продолжительность интервала между пробегом двух лифтов в главном вестибюле во время утренних часов пик (в США). Показатели ожидания или интервала характеризуют эффективность лифтовой системы: для престижных офисных зданий -- 20-20,5 с, для жилых зданий и гостиниц -- 40-100 с.

Важным фактором при выборе лифтов для высотных зданий является скорость лифта. Самый быстрый лифт - в небоскребе Тайбей 101. Всего 38 секунд занимает подъем до 89 этажа, а спуск - на 10 секунд больше. Как утверждают разработчики, при подъеме лифт развивает скорость 60,6 километров в час (16,83 м/с), в обычном жилом здании лифты движутся со скоростью 0,5-1,6 м/с.

Пределы скоростей и ускорений, на самом деле, устанавливаются не техникой, а пассажирами. Большинство людей болезненно воспринимает слишком большие ускорения или деускорения. Скорость выше 7 м/с, особенно при движении вниз, вызывает у многих неприятный эффект «заложенных ушей», как при быстром подъеме на гору на автомобиле. Это результат перепада давления.

Особое место занимают в высотных зданиях пожарные лифты. Согласно национальным законодательствам пожарные лифты подлежат установке в новых высотных домах сверх определенной нормы высоты. Эта норма в Европе в зависимости от страны колеблется от 18 до 30 м, в Японии -- 31, в Австралии --25, в Канаде -- 18 для жилых и 36 м для остальных зданий. В США все лифты пожарные; другими словами в Америке пожарные лифты стали нормой и используются для транспортировки пассажиров и грузов.

Пожарная безопасность, эвакуация

Высотные здания в силу своей специфики имеют большую степень потенциальной пожарной опасности в сравнении со зданиями нормальной этажности.

Пожарная опасность для людей, находящихся в высотных зданиях, усиливается тем, что в отличие от малоэтажных домов сильно затрудняется эвакуация, а также возрастает сложность борьбы с пожарами.

Основные причины трагических последствий при пожарах в высотных зданиях - блокирование путей эвакуации продуктами горения и огнем.

Для высотных зданий характерны быстрое развитие пожара по вертикали и большая сложность обеспечения эвакуации и спасательных работ. Продукты горения заполняют эвакуационные выходы, лифтовые шахты, лестничные клетки. Скорость распространения дыма и ядовитых газов по вертикали может достигать нескольких десятков метров в минуту. За считанные минуты здание оказывается полностью задымлено, а нахождение людей в помещениях без средств защиты органов дыхания невозможно. Наиболее интенсивно происходит задымление верхних этажей, где разведка пожара, спасение людей и подача средств тушения весьма затруднены. Помимо того, при пожаре часто выходит из строя лифтовое оборудование и системы противопожарной защиты.

Анализ последствий пожаров в небоскребах, построенных в конце ХХ века, а также пожар Всемирного торгового центра в Нью-Йорке после террористической атаки 11 сентября 2001 года, показали, что факторами, способствующими трагическому развитию событий, являлись:

...