Особенности конструирования высотных зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Учет условий, влияющих на выбор несущих конструкций, объемнопространст-венного решения здания, его инженерных систем и оборудования при проектировании, строительстве и эксплуатации, представляет собой сложный комплекс архитектурных и технических задач. К ним относятся такие проблемы как: состояние и оценка грунтов, горизонтальные аэродинамические нагрузки, вертикальные нагрузки от здания, воздействия температуры и влаги.

Кроме этого учитываются противопожарные, санитарно-гигиенические требования, вопросы эксплуатации и установки инженерного оборудования, безопасности здания. Также немаловажным считаются проблемы, связанные с психологическим воздействием высоты на людей, как на работающих, так и на проживающих в здании [31].

В настоящее время при проектировании, строительстве и эксплуатации высотных зданий возникают «конфликтные ситуации», вызванные имеющимися противоречиями между современными требованиями к архитектуре, к современной комфортной среде, к безопасности и строительными нормами, стандартами. Для преодоления этих разногласий необходимо решить целый ряд проблем, связанных с разработкой и согласованием технических условий, проектной документации. Очевидно, что для высотного строительства должен использоваться принцип первоочередной безопасности через создание запаса прочности конструктивных систем. С увеличением высоты здания выбор эффективных конструктивных систем приобретает все большую важность.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ

До того как рассмотреть воздействие различных факторов на высотные здания, необходимо определить основные принципы действия нагрузок и значение несущей конструкции для существования объекта, неизменяемости его формы, способности противостоять этим нагрузкам.

Понимание значения несущих конструкций при архитектурном проектировании и проектирование самих несущих конструкций подробно рассмотрены Хайно Энгелем. В частности, он отмечает, что задача несущих конструкций заключается не только в том, чтобы контролировать и нести собственный вес сооружения, но и воспринимать дополнительные нагрузки. Расчетчики данный процесс называют сопротивлением. При этом наибольший интерес представляет процесс не восприятия нагрузки, а передачи нагрузки, происходящий внутри конструкции.

Любая несущая конструкция работает в трех последовательных фазах: А восприятие нагрузки; Б - распределение нагрузки; В - передача нагрузки.

Эти фазы называют работой конструкций, понимание которой является основополагающей предпосылкой для проектирования несущей конструкции, ее основной идеей. Движение сил достаточно ясно до тех пор, пока форма объекта соотносится с направлением воздействующих сил. Но возможна такая ситуация, когда работа конструкции не может быть осуществлена кратчайшим путем, напрямую с землей, и необходимо действовать обходными путями.

Изменение направления сил является предпосылкой для создания новых картин внешних воздействий, т.е. передача сил должна распределяться и проводиться по новым каналам. Поэтому отвод сил является принципом регулирования усилий в объекте. Проектирование несущей конструкции несет в себе задачу разработки системы восприятия нагрузок, которая соответствует уже заданной функциональной разработке или приближается к ней вплотную. Без несущей конструкции нет системы. Несущая конструкция должна проектироваться так, чтобы она могла противостоять действующим силам, т.е. мобилизовать силы противодействия, которые гарантируют равновесие.

Проект несущих систем высотных сооружений не только предполагает обшир-ные знания механизмов всех несущих систем, но и требует из-за своей зависимости от структуры плана и интеграции элементов технического оборудования, основополагающих знаний о внутренней взаимосвязи всех факторов, определяющих это сооружение.

В несущей конструкции учитывают следующие основные виды нагрузок: постоянные нагрузки, переменные нагрузки, инерционные нагрузки, нагрузки при защемлении. В свою очередь постоянные нагрузки состоят: из собственного веса и из полезной (временной) нагрузки. Переменные нагрузки - из ветровой нагрузки, снеговой нагрузки и давления грунта. Инерционные нагрузки включают в себя: ударную силу, тормозную силу, сейсмическую нагрузку, резонансную силу. И нагрузки при защемлении - это деформационная сила, старение, усадочная сила, температурная нагрузка.

Конструкции высотных сооружений требуют неразрывности элементов, которые передают нагрузку на основание, и тем самым согласованности передачи нагрузок для каждого этажа. Поэтому распределение точек передачи нагрузок должно определяться соображениями не только статической целесообразности, но и рационального использования площадей.

Высотные конструкции для передачи вертикальных нагрузок нуждаются в значительных площадях поперечных сечений опор, которые ограничивают полезную площадь этажа. В связи с необходимостью ограничения до минимума поперечного сечения элементов, передающих нагрузку, для оптимального использования площадей, все пространственные элементы, необходимые для высотного строения, являются потенциальными несущими конструкциями: лестничные клетки, шахты лифтов, санитарно-технические каналы. Чтобы создать гибкую планировочную структуру этажей и возможности для последующих перепланировок помещений на каждом этаже, проект несущих систем высотных зданий нацелен на максимально возможное уменьшение поперечного сечения элементов, передающих нагрузку, а также их числа

Несущие системы высотных сооружений - это системы из прочных жестких элементов, располагаемых преимущественно в вертикальном протяжении, в которых перераспределение сил, а именно, фокусирование и заземление горизонтальных сил, осуществляется определенной «устойчивой по высоте» структурой - высотной конструкцией.

По типу несущей конструкции высотные сооружения подразделяются: на растровые высотные сооружения, высотные сооружения с оболочкой, ствольные высотные сооружения, пролетные высотные сооружения, их еще называют мостовые высотные сооружения (рисунок 1).

Рисунок 1 - Классификация несущих систем высотных зданий: 1 - растровые; 2 - оболочковые; 3 - ствольные; 4 - мостовые.

Высотные сооружения - растровые. Этот тип сооружений, в свою оче-редь, подразделяется на четыре вида: рамный растр, фахверковый растр, растр из стабилизирующих опор и тастина-растр (рисунок 2).

Рисунок 2 - Растровый тип высотных сооружений: 1 - рамный растр; 2 - растр из стабилизирующих опор; 3 - фахверковый растр; 4 - пластина-растр

Рисунок 3. Оболочковый тип высотных сооружений: 1 - рама-оболочка; 2 - фахверк-оболочка; 3 - оболочка из стабилизирующих опор; 4 - пластина-оболочка

высотный здание конструктивный

Высотные сооружения - оболочка, имеет четыре вида: рама-оболочка фахверк-оболочка, оболочка из стабилизирующих опор и пластина-оболочка (рисунок 3).

Высотные сооружения - ствол. Подразделяются на консольный ствол, ствол под косвенной нагрузкой, комбинации стволов (рисунок 4).

Рисунок 4. Ствольный тип высотных сооружений: а - консольный ствол, б - ствол под косвенной нагрузкой, в - комбинации стволов

Высотные сооружения - мост. Имеют три вида: ферма-мост, одноярусные мосты и многоярусные мосты (рисунок 5).

Для элементарного понимания работы несущих систем конструкций высотных зданий необходимо рассмотреть три основных вида действующих на-грузок: система горизонтальных нагрузок на этажах, система вертикальных нагрузок и их передача с этажей на основание, система боковых горизонтальных нагрузок и повышение жесткости сооружения (рисунок 137). Основная задача проектировщика состоит в том, чтобы по возможности интегрировать эти три системы и создать такую конструктивную основу, которая бы взяла на себя все эти функции (рисунок 6).

Рисунок 5. Высотные сооружения - мост: 1 - ферма-мост, 2 - одноярусные мосты, 3 - многоярусные мосты (рисунок 5)

Система горизонтальных нагрузок - это горизонтальные силы, вызванные воздействием ветра или землетрясением, создают различные комплексные движения и деформации в сооружении. При воздействии горизонтальных сил появляются такие деформации как: изгиб, сдвиги на разных уровнях сооружения, опрокидывание, накчон, преломление, кручение, колебания (рисунок 7).

Поэтому одной из главных задач при проектировании несущих конструкций является защита сооружений от такого рода изменений или сведение их к минимуму.

Для придания жесткости высотной конструкции при воздействии горизонтальных нагрузок используют различные приемы, в том числе: защемление опоры с шарнирным соединением балок, неразрезную (жесткую) рамную решетку, рамную решетку с элементами жесткости на этажах, вертикальную многоэтажную раму (рисунок 8).

Рисунок 6 - Интеграция трех систем при проектировании несущих конструкций, активных по высоте

Рисунок 7 - Деформации однородных высотных конструкций под горизонтальной нагрузкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - Придание жесткости высотным конструкциям

При проектировании высотных зданий, подверженных динамическим нагрузкам, одним из главных критериев, определяющих устойчивость зданий, является взаимосвязь плана и профиля. Хайно Энгель [74] дает возможность графически показать влияние ветровых нагрузок в продольном и поперечном направлениях на формообразование планов и размещение узлов жесткости высотных зданий на примере прямоугольного в плане здания: с применением ядра жесткости (центральным и боковым ядром); с применением внешних или внутренних стен; с полным каркасом или с использованием крайних рам; элементами стен лестничной клетки через фахверки (рисунок 9).

Рисунок 9 - Влияние ветровых нагрузок в продольном и поперечном направлениях на формообразование планов и размещение узлов жесткости высотных зданий

Если рассмотреть возможности передачи нагрузок, то они могут быть сконцентрированы - или над всеми опорами, или в центре, или на периферии (рисунок 10 а). Нагрузки могут быть также направлены через ванты наверх, где поперечная балка, расположенная выше, передаст нагрузки на центральные или периферийные пилоны (рисунок 10 б). Возможно также создать систему навешивания этажей на промежуточные балки или систему раздельного навешивания и опирания групп этажей (рисунок 10 в).

Для наглядности можно представить конструктивные системы, удержи-вающие этажи в мостовых несущих конструкциях (рисунок 11): а - несущая арка с навесными этажами; б - ферма с установленными на нее группами этажей; в - несущие элементы в виде многопанельных рам с промежуточными этажами без опор; г - система опорных балок над первым этажом (прогонная балка, балки для опоры стены в подоконной части, балки в подоконной части в двух этажах и многопролетная рама).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10 - Системы вертикальной передачи нагрузок

Существуют системы непрямой вертикальной передачи нагрузок. В этом случае необходима, как правило, расположенная выше отдельная несущая система, которая воспринимает всю нагрузку с отдельно стоящего несущего сооружения и отводит ее, подобно мосту, через большие пролеты на несколько пилонов - это мостовые высотные сооружения (рисунок 12).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 - Конструктивные системы, удерживающие этажи в мостовых несущих конструкциях

При проектировании высотных зданий, в процессе поиска формы плана, решая проблему концентрации горизонтальных нагрузок, применяют различные композиционные сетки (рисунок 13).

На основе рассмотренных выше конструктивных систем, анализируя воздействие различных нагрузок, созданы типичные формы планов высотных сооружений, построенных: на квадратном плане; 2 - на круглом плане; 3 - на прямоугольном плане; 4 - на плане изогнутой формы (рисунок 14).

Считается, что наиболее устойчивой (в частности, к воздействию ветровых нагрузок) является круглая форма плана, несколько уступает ей овальная.

Рисунок 12 - Мостовые системы несущих конструкций высотных сооружений (системы непрямой вертикальной передачи нагрузок)

Отсутствие выступов позволяет воздуху обтекать объем, не создавая завихрений, появляющихся на умах прямоугольных в плане построек.

Рисунок 13 - Растровые системы плана для горизонтальной концентрации нагрузок

На втором месте находятся здания, форма плана которых имеет либо овальную, либо форму линзы или капли. Весьма популярна форма треугольника со скругленными углами. Это связано с пространственной жесткостью треугольника.

Квадратная или ромбовидная форма плана уступает круглой и овальной. Но эти формы весьма распространены и наиболее популярны для зданий свыше 60 этажей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14 - Типичные формы планов высотных сооружений

Далее идут высотки спаренного типа. Они. как правило, имеют круглую форму («Petronas Towers» в Куала-Лампуре).

Увеличение показателей прочности и жесткости работы сооружения можно добиться, применяя «Г»- и «Н»-образные формы в плане. Но в этих зданиях необходимо размещать несколько лестнично-лифтовых узлов, что снижает выход полезной площади, поэтому они не столь предпочтительны.

И замыкают ряд предпочтений башни в виде пластины или дуги. Здания этого типа проектируют, как правило, жилыми и их высота составляет 40-60 этажей. Ввиду огромной парусности архитекторам приходится искать пути борьбы с возникающими воздушными потоками.

Литература

1. В. П. Генералов 2009 Особенности проектирования высотных зданий

Размещено на Allbest.ru