Геотехническое проектирование высотных зданий реферат

Обновлено: 28.06.2024

В процессе строительства и в назначенный проектом период эксплуатации высотного здания следует выполнять наблюдения за его основаниями, фундаментами, конструкциями подземной и надземной частей и их поведением (геотехнический мониторинг) с составлением отчета по проведенной работе.

Цель мониторинга — проведение наблюдений, в т.ч. инструментальных, за возводимыми высотными зданиями для изучения их поведения и своевременного выявления недопустимых отклонений от проектных решений или нормативных требований с разработкой мероприятий по их совершенствованию, предупреждению и устранению возможных аварийных ситуаций, обеспечению сохранности существующей застройки, находящейся в зоне влияния нового строительства, а также сохранению окружающей природной среды.

К разработке и проведению геотехнического мониторинга, как правило, должны привлекаться специализированные, научно-исследовательские организации, имеющие лицензии на данный вид деятельности.

Геотехнический мониторинг представляет собой комплекс работ, который должен проводиться начиная с градостроительного обоснования (см. приложение Г) в период всего срока строительства и не менее, чем в течение 5 лет после его завершения.

Для разработки технического задания заказчиком должны быть представлены следующие материалы и данные:

Ситуационный план в масштабе 1:500 или 1:2000 с изображением проектируемых, строящихся и существующих объектов;
технология разработки и крепления стен котлована для заглубленного сооружения и его глубина;
сведения о мощности сжимаемой толщи грунтов под новым объектом;
график производства строительных работ с целью разработки графика производства наблюдений;
технические решения фундаментов, подземных и надземных конструкций объекта с указанием нагрузок, габаритных размеров, характеристик материалов, армирования и др.

Техническое задание разрабатывается заказчиком совместно с исполнителем и утверждается заказчиком. Порядок согласования технического задания определяется для каждого объекта индивидуально.

Разработку программы наблюдений выполняет специализированная организация на основании технического

задания генерального проектировщика, утвержденного заказчиком с учетом результатов обследования технического состояния объектов мониторинга. В программе должны быть проработаны следующие вопросы:

состав контролируемых конструкций и их деформативные характеристики;
разработка схем (проекта) расположения контролируемых точек и реперов геодезической основы, приборов,
оборудования (автоматизированных станций) и коммутационных линий;
периодичность наблюдений (календарный план);
выбор методик производства измерений;
контроль стабильности реперов геодезической основы, приборов и линий;
оценка качества выполненных измерений;
отчетность.

В состав наблюдений, как правило, должны входить:

измерение напряжений оснований и деформаций фундаментов конструкций надземной и подземной части (осадки, крены, горизонтальные смещения и др.);
фиксация и наблюдения во времени за раскрытием трещин; измерения усилий в распорных и анкерных конструкциях;
измерения уровня колебаний фундаментов при наличии вибродинамических и потенциальных сейсмических и техногенных воздействий и др.;
наблюдения за составом и режимом подземных вод; наблюдения за развитием неблагоприятных инженерно-геологических процессов (карст, суффозия, оползни, оседание поверхности и др.), а также за состоянием температурного, электрического и других физических полей, уровнем загрязнения грунтов и подземных вод, газовыделением, радиационным излучением и т.п.;
обследование застройки и оснований на прилегающей к месту строительства территории с постоянным последующим наблюдением за ними .

Обследование технического состояния объектов мониторинга выполняется в соответствии с действующими нормами СНБ 1.04.02 и др .

Состав, объем, и методы мониторинга должны назначаться в зависимости от его конструктивных особенностей и способа возведения, особенностей территорий, инженерно-геологических условий площадки, ее удаленности от окружающей существующей застройки, требований эксплуатации и в соответствии с результатами геотехнического прогноза.

Частота и время наблюдений должны определяться интенсивностью и длительностью протекания процессов деформирования массива грунта основания и конструкций подземной и надземной частей высотного здания.

Точность измерений должна, обеспечивать достоверность получаемой информации и согласовываться с точностью расчетов.

Геотехнический мониторинг должен быть увязан с системами мониторинга подземных вод, сетью геодезических и геодинамических наблюдений и в целом с системой мониторинга проекта, геологической среды подземных и надземных конструкций.

Геотехнический мониторинг проводится в соответствии с программой и разработанным на ее основе проектом установки оборудования, систем коммуникации и регистрации (пульта) для проведения автоматического мониторинга и включает в себя:

По результатам мониторинга проектная организация производит корректировку проекта (при необходимости) .

Конкретное расположение деформационных марок приборов и сетей на зданиях, а также их конструкцию определяет организация, выполняющая наблюдения, по согласованию с проектной, строительной или эксплуатирующей организацией с учетом конкретной ситуации, обеспечения их длительной сохранности и возможности производства измерений с целью определения их планового и высотного положения.

Контрольные точки для определения невертикальности и наклона должны закладываться парами в одной вертикальной плоскости .

Желательно чтобы точки верхнего яруса были закреплены с помощью катафотов, позволяющих измерять расстояния до них с помощью лазерных (световых) дальномеров.

Периодичность наблюдений должна быть определена на этапе разработки и согласования технического задания на производство работ. Программой должна быть предусмотрена необходимость анализа полученных деформационных и прочностных характеристик и возможность изменения периодичности наблюдений в случае появления деформаций, превышающих предельные дополнительные деформации объектов мониторинга.

Радиус зоны влияния Rзв высотного здания на окружающую застройку вновь строящегося заглубленного сооружения или реконструируемого здания с заглубленным сооружением, в пределах которой следует проводить геотехнический мониторинг, определяется расчетом по действующим нормам и должен составлять не менее размера глубины сжимаемой зоны фундамента и не менее большей его стороны (диаметра) и трех глубин 3Нк котлована.

Для получения оперативной и достоверной информации о работе конструкций высотных зданий и колебаниях прилегающих к зданиям грунтов в проектах следует предусматривать размещение в них на специально оборудованных участках автоматизированных станций инженерно-геологической службы (ИГС).

Обязательная установка станций ИГС должна производиться на объектах высотой более 75м .

Расходы на приобретение оборудования и аппаратуры, а также на выполнение проектных и строительно-монтажных работ по их установке и устройству должны предусматриваться в сметах на строительство высотных зданий, а эксплуатационные затраты – в бюджетах местных органов самоуправления в размере 5-10% от стоимости строительно-монтажных работ.

После завершения строительства должны выполняться: паспортизация возведенного здания, а также обследование и паспортизация существующих объектов в соответствии с действующими нормативными документами по оценке технического состояния и паспортизации промышленных и гражданских зданий (сооружений).

Динамическая паспортизация включает следующие виды работ:

определение реакции зданий на специальные динамические воздействия в частотном диапазоне волн от 0,2 до 40 Гц;
определение частот, форм собственных колебаний зданий и декрементов колебаний и сравнение их с проектными данными;
формирование динамического паспорта здания на основе периодических динамических обследований, а также в обязательном порядке при обследовании после прошедших землетрясений средней и сильной интенсивности (5 баллов и выше).

На основе полученных результатов натурных наблюдений следует уточнять прогнозы напряженно-деформированного состояния основания гидрогеологического режима застраиваемой площадки, вносить (при необходимости) коррективы в проектную документацию и разрабатывать необходимые противоаварийные и защитные мероприятия.

Сегодня уже трудно себе представить современный мегаполис без зданий, упирающихся в облака. Архитектурные гиганты, представляющие собой различные вариации на тему стекла, бетона и металла, – непременный атрибут крупнейших мировых столиц. Отличительной особенностью высотных зданий является то, что они возводятся, как правило, в глубоких котлованах, имеют большую площадь опирания и передают значительные нагрузки на грунты основания. При этом взаимодействие с подземными и надземными частями высотных зданий вовлекаются огромные массивы грунта, как под фундаменты, так и за ограждением котлована.

При проектировании и строительстве таких зданий особое место занимают проблемы обеспечения надежности оснований, фундаментов и конструкций подземных частей. Эти обстоятельства приобретают особую значимость в выполнении инженерных изысканий, проектировании и строительстве высотных зданий.

Цель реферата – изучить геотехнические проблемы строительства высотных зданий.

Задачи, поставленные при написании реферата:

рассмотреть мировой опыт в решении геотехнических проблем строительства высотных зданий;
рассмотреть отечественную практику опыт в решении геотехнических проблем строительства высотных зданий.

Как известно, основная особенность высоких зданий по сравнению с обычными сооружениями заключается в том, что к их основанию прикладываются более значительные по величине и, зачастую, более неравномерные давления. Эти обстоятельства вызваны как большим (порядка сотен тысяч тонн) весом здания, так и тем, что высокие здания часто проектируются по архитектурно-планировочным соображениям как сооружения башенного типа. Высота современных высоких зданий обычно значительно превышает горизонтальные размеры. Удельное давление на основание под фундаментной конструкцией ряда возведенных и эксплуатируемых высотных зданий достигает величин 500-800 кПа и более, что особенно опасно при сейсмических и ветровых воздействиях.

Высокие здания вовлекают в работу большие массивы грунтов, обладающие, как правило, существенной неоднородностью в плане и по глубине. В таких условиях неравномерность передачи нагрузок, неоднородность грунтов и их повышенная деформируемость при недостаточно эффективных проектных решениях могут привести к развитию недопустимых осадок, прогибов и кренов фундаментных частей зданий и, как следствие, к развитию чрезмерных усилий в конструкциях здания, а также к дополнительному отклонению верха здания от вертикали. Это, как правило, приводит к смещению центра тяжести здания и увеличению моментных нагрузок на основание, что вызывает еще большее усиление неравномерности деформаций основания. Значительные отклонения здания от вертикальной оси, которые могут вызываться не только креном фундаментной части здания, недопустимы в основном из соображения безопасной эксплуатации лифтов, коммуникаций и других возникающих технологических неудобств. Специалисты отмечают, что при возведении высоких зданий развиваются более значительные, чем при строительстве обычных сооружений, зоны деформаций грунтового массива вне контура здания. Это, вместе с увеличением значений напряжений в массиве грунта, может приводить, в частности, к тому, что осадки высоких зданий стабилизируются относительно медленнее и достигают конечных значений за более длительные интервалы времени, чем обычных зданий. Увеличение размеров зоны влияния приходится учитывать при проектировании сооружений, примыкающих к высокому зданию, и при разработке мероприятий по защите прилегающей застройки.

Обследование зданий и сооружений незавершенного строительства. Методика. Примеры

. отвесы, уровни, молотки, скарпели, дрели. При обследовании высоких зданий полезным является бинокль. Для визуально-инструментального обследования кроме . размораживании, эрозии и коррозии; - дефектов при строительстве и По нормам и с учетом фактической . Визуальное обследование, выполненное квалифицированными специалистами, позволяет получить значительный объем информации о состоянии конструкций и .

Отмеченные геотехнические особенности учитываются при строительстве высоких зданий существенным повышением требований к детальности и содержательности инженерных изысканий, к расчетам оснований и фундаментов, а также к выбору конструктивных типов фундаментов и технологий их устройства, рациональных для конкретных условий.

Такое повышение требований продиктовано также и тем обстоятельством, что степень ответственности выбора проектных решений нулевого цикла при строительстве высоких зданий выше, чем для обычных сооружений, так как исправление допущенных геотехнических ошибок в процессе строительства для таких зданий значительно сложнее и дороже обычных, а иногда такие исправления могут оказаться невозможными.

Выбор конструкции фундамента высокого здания должен осуществляться на основании технико-экономического сравнения вариантов и определяется конструктивной схемой здания, характером напластований и свойствами грунтов, нагрузками, передаваемыми зданием на основание, взаимодействием строящегося здания с массивом грунта и с окружающей застройкой; особенностями организации и технологии строительства здания. При использовании различных современных конструктивных решений (стилобат, заглубление фундамента и т.д.) следует учитывать весь комплекс последствий их принятия, включая усложнение проектирования и повышение сложности работ по устройству фундаментов. При этом определяющими в выборе варианта устройства фундаментов являются факторы обеспечения их безопасной и эффективной эксплуатации. Обоснованными являются дополнительные требования не только к проектированию, но и по организации, технологии возведения и приемке работ по устройству оснований, фундаментов и подземных частей.

Для высоких зданий, характеризующихся большими и неравномерными нагрузками на фундамент и основание, эффективным решением могут быть комбинированные свайно-плитные и плитно-анкерные фундаменты.

Свайные фундаменты

фундамент свая вибропогружатель копровый 2. Способы устройства свайных фундаментов Для устройства свайных фундаментов применяют забивные, винтовые и набивные сваи. Два первых типа свай изготовляют на заводах, а третий устраивают . грунты. Перед устройством ростверков -- конструкций, объединяющих сваи и служащих для передачи нагрузки от надземной части здания на сваи и грунтовое основание,-- .

2. Мировой и отечественный опыт

Сплошной свайно-плитный фундамент

Система сплошного свайно-плитного фундамента состоит из свай, плиты-ростверка и грунта. При традиционном проектировании свайных фундаментов предполагается, что суммарную нагрузку должны нести на себе только сваи, причем с определенным запасом прочности относительно несущей способности. С одной стороны, учет вклада несущей способности опорной плиты-ростверка может привести к устройству более экономичного фундамента по сравнению с обычным свайным фундаментом. С другой стороны, вклад свай значительно уменьшает осадку по сравнению с обычным сплошным фундаментом. Более того, в таких случаях могут быть запроектированы сваи, которые будут нести нагрузки, близкие к их предельной несущей способности, если вся система (плита и сваи) будет обладать необходимым запасом прочности. Измерения показали, что подобное представление о поведении свай под нагрузкой не очень точно соответствует реальности. Контактные напряжения в ростверке ведут к увеличению несущей способности набора свай в свайно-ростверковой системе.

Свайно-ростверковые системы широко применяются в Германии для оптимизации устройства фундаментов высотных зданий, а также мостов в различных инженерно-геологических условиях.

По мере превращения в мировой финансовый центр центральная часть такого мегаполиса на Рейне и Майне, как Франкфурт, приобрела свой нынешний уникальный облик (см. рис. 1).

Рис. 1. Вид на центральную часть Франкфурта

Чтобы уменьшить осадку до 14,4 см и наклон до 1:2400, оказалось достаточно установить в его основании всего лишь 64 сваи длиной 29–35 м и диаметром 1,3 м.

Сплошной свайно-плитный фундамент на песках средней плотности

Расчет и конструирование фундаментов мелкого заложения и свайных .

. их по технико-экономическим показателям. К расчету нами приняты: 1. фундамент мелкого заложения; 2. свайный фундамент на забивных железобетонных сваях; 2.3. Оценка конструктивной характеристики здания или сооружения. Проектируемое сооружение - сварочный цех. .

К окончанию строительства наблюдалась общая осадка величиной 3 см.

Для песков от средних до плотных в качестве экономичной фундаментной системы для высотных зданий существует относительно новый метод устройства сплошных свайно-плитных фундаментов с оптимизацией толщины опорной плиты-ростверка. Основной целью устройства такого фундамента в данном случае является уменьшение внутренних напряжений в плите и моментов сил путем выбора оптимального расположения свай (прямо под несущими элементами).

Это ведет к экономичному уменьшению мощности опорной плиты и соответственно к уменьшению количества и стоимости работ по выемке грунта, дренажу и укреплению стен котлована при его разработке.

Основание сплошной плиты фундамента располагается на глубине 8 м от поверхности земли. Ее грунтовое основание представляет собой песок от среднего до плотного вплоть до значительной глубины.

Значительное количество возведенных и запроектированных за последнее время высотных зданий, особенно в странах Персидского залива, породило такую действительно сложную инженерную задачу, как устройство фундаментов за максимально короткое время. И в этом как раз может помочь сооружение сплошных свайно-плитных фундаментов с оптимальным количеством свай и оптимальной конструкцией опорной плиты-ростверка, что даст большие преимущества и в экономическом отношении, и в плане сроков выполнения.

Сплошной свайно-плитный фундамент представляет собой наиболее подходящее решение для большинства грунтовых условий стран Персидского залива, в большинстве городов которых (например, в Дубае, Абу-Даби и Дохе) имеется поверхностный слой песчаного грунта, подстилаемого скальными горными породами различной степени выветренности. Уровень фундамента в большинстве случаев находится в этих скальных грунтах. Поскольку высотные здания передают на свои основания колоссальные нагрузки, а скальные породы характеризуются большой неоднородностью свойств, то для фундаментов глубокого заложения в основном используются сильно заглубленные буронабивные сваи большого диаметра. Эти сваи используются главным образом для профилактики и удерживания осадок и неравномерных осадок в допустимых пределах. В таких случаях, чтобы уменьшить количество свай и время строительства, можно успешно использовать устройство сплошных свайно-плитных фундаментов.

Проектирование фундаментов силосного корпуса

. работы является проектирование фундаментов силосного корпуса, оценки инженерно геологических условий площадки, расчет фундамента мелкого заложения, расчет свайных фундаментов . размеры 1212м, высотой 10,5м. подвальное помещение расположено в осях . плит, и стены, собираемой из бетонных блоков. Основным типом фундаментов, устраиваемых под колонны, являются монолитные железобетонные фундаменты, .

Примеры похожих учебных работ

Расчет и конструирование фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов на естественном .

. основанием оказывают влияние на величину осадок и частично их выравнивают. 3. Проектирование фундамента мелкого заложения Проектирование фундамента мелкого заложения будет вестись в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и .

Расчет и проектирование фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов

. - учебная, принимаем глубину заложения фундамента из предыдущем расчёте, т.е. Под подошвой фундамента находится песок мелкозернистый, поэтому . 34 кПа, E = 24,5 МПа, ц = 24,5?. 2. Расчет площади подошвы с 2.1. Предварительно размеры фундамента в плане .

Свайные фундаменты

. реализовано в конструкциях вибропогружателей, которые нагружают сваю периодически изменяемой по значению и . динамические (ударные) вертикальные нагрузки. Способы погружения свай сочетанием указанных нагрузок называют соответственно вибровдавливанием .

Усиление фундаментов набивными сваями. Корневидные сваи

. инъекции; 4 - шгьекторы; 5 - закрепленный грунт Рис.11 Усиление ленточных и одиночных фундаментов набивными сваями: 1 - существующий фундамент; 2 - рандбалка (железобетонная или металлическая); 3 - .

Расчет фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов

Проектирование оснований фундаментов

Геотехническое проектирование выполняется по данным инженерно-геологических изысканий, а также данных геотехнических изысканий, которые выполняются на предпроектном этапе строительства здания или сооружения.

При выполнении геотехнического проектирования учитываются сведения о географическом положении и границах территории, сведения о существующих сооружениях, уровень геологического, экономического и социального риска, материалы региональных геологических исследований, данные инженерных изысканий, данные градостроительной документации и пр.

ГЕОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

ОБЛАСТЬ ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Геотехническое проектирование имеет очень широкую область инженерной деятельности. Такие задачи встречаются не только при строительстве гражданских и промышленных зданий и сооружений, а также в строительстве автомобильных и железнодорожных дорог, при освоении новых территорий, при реализации проектов линейных сооружений, инфраструктуры ГО ЧС и пр. Достаточно часто приходится встречать площадки строительства со сложными инженерно-геологическими условиями, в том числе со слабыми грунтами - илы, рыхлые пески, заторфованные отложениями и пр.. Различным регионам России свойственны свои специфические грунты - вечномерзлые грунты, лессовые, просадочные, озерно-ледниковые, засоленные, набухающие и др.. В условиях плотной городской застройки регулярно приходится работать с техногенными или антропогенными образованиями - грунты сформированные в результате человеческой жизнедеятельности или созданные в результате строительного преобразования - отсыпка отвалов, намыв грунтов.

Ряд из указанных грунтов в природном естественном состоянии имеют низкие значения прочностных и деформационных характеристик, низкую несущую способность - насыпные грунты, рыхлые пески, илистые грунты или заторфованные слои. Некоторые породы значительно изменяют свои свойства при некоторых воздействиях - повышении температуры, замачивании, механическом (динамическом) воздействии и пр. Также грунты могут быть переувлажненными, трещиноватыми или содержать значительное количество органического материала.

Все эти свойства и характеристики должны быть учтены не только при разработке проектной и рабочей документации, а также на концептуальной стадии проектирования, для изменения неблагоприятных строительных свойств.

Таким образом, в случае присутствия в толще основания фундаментов слабых (неблагоприятных) грунтов, часто получается, что проектирование оснований зданий и сооружений (искусственных оснований, оснований с преобразованными свойствами), является наиболее целесообразным решением по устройству фундаментов зданий или сооружений.

Геотехническое проектирование является нашей специализацией. Мы выполняем расчеты, разрабатываем проектную и рабочую документацию на следующие геотехнические сооружения:

Небоскребы

По степени сложности проектирование высотных зданий, а также возведение их превосходят мосты и тоннели, главным образом за счет многократного преобладания высоты над площадью основания, что создает значительные нагрузки на несущие конструкции.

Огромная высота небоскреба приводит к значительно превосходящей типичную для среднеэтажной застройки степени воздействия природных факторов, таких как солнечная радиация и ветровая нагрузка, зачастую превышающая суммарный вес сооружения. Влияние оказывают и общая геологическая ситуация (качество подстилающих грунтов, сейсмическая опасность региона, наличие карстовых разломов), и ряд техногенных факторов (вибрации, шумы, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения). Проектирование высотных зданий – это решение комплекса градостроительных, природно-климатических, геологических, архитектурно-планировочных, конструктивных задач.

Должны быть решены и инженерные вопросы (вентиляция, отопление, водоснабжение, канализация, электрика и системы их управления), вопросы комплексной безопасности проживания, управления и мониторинга конструкций, а также меры, направленные на снижение негативного психологического воздействия на человека.

Каждая высотка сложна и уникальна, и ее сложность возрастает пропорционально ее высоте. В работе над ней принимают участие специалисты из разных областей. Например, в проектировании высотного здания Commerzbank принимали участие свыше 400 исследовательских групп. Основная ответственность ложится на архитекторов, координирующих работу. Поэтому во всем мире при архитектурных школах создаются специальные факультеты, готовящие специалистов по небоскребам. Существуют и проектные организации, специализирующиеся на высотных зданиях, – архитектурные Skidmore, Owings and Merrill, De Stefano and Partners, Foster and Partners, конструкторские Ove Arup and Partners, Thornton Tomasetti Groupe, Cantor Seinuk Group, инженерные RSE Engineering, Flack & Kurtz Consulting Engineers, строительная Turner Construction.

ГЕОЛОГИЯ И ГРУНТЫ

По современным способам расчетов основания армирования фундаментной плиты определяется достаточно приблизительно.

В процессе строительства и эксплуатации продолжают измеряться значения контактных напряжений характерных точек, опорных сил, осадки. Если данные не соответствуют рас- четным, то проводится упрочнение грунта. По прогнозам экспертов, развитие геотехнических модельных вычислений, опыт применения эффективных строительных технологий со временем сведут к минимуму риски, связанные с непредсказуемостью поведения грунтов.

АЭРОДИНАМИКА

Можно сказать, что для высотных зданий влияние климата, ветра, изменение атмосферного давления являются экстремальными. До перехода на каркасную систему этой проблемы просто не существовало. Первые кирпичные высотки не были подвержены ветровому воздействию, в отличие от современных сооружений с большими пролетами несущих конструкций, навесными фасадами и предельной высотой.

Изучение воздействия ветра возможно с помощью физического или математического моделирования. Первое осуществляется при испытании в специальных аэродинамических трубах моделей в масштабе от 1:150 до 1:500. Это позволяет определять градостроительно-планировочные недостатки, чрезмерные нагрузки на конструкции, возможные места возникновения вибраций и шумов. Полученные результаты переносятся на реальный объект с корректирующими коэффициентами точности. При математическом моделировании учитываются скорость, направление и характер ветра, а также рельеф местности, плотность окружающей застройки, наличие поблизости леса и объемно-пространственная структура самого здания. Чем больше объектов находится рядом, тем больше высота, на которой достигается максимальная ветровая нагрузка. В области пограничного слоя воздуха скорость ветра может увеличиться в четыре раза. Под пограничным слоем понимается приземной слой атмосферы (в центре городов ~ 460 м), в котором поверхность земли оказывает тормозящее воздействие на движущую массу воздуха, выше его скорость ветра постоянна.
Нагрузки, вызванные воздушными потоками повышенной скорости вокруг здания (турбулентные, круговые восходящие, всасывающие), создают колебания, сравнимые с 4- и даже 5-балльным землетрясением.

Существуют надежные методики учета аэродинамики, следуя которым проектировщик может добиться снижения ветровых нагрузок. Они должны применяться с самого начала проектирования высотных зданий, с постановки сооружения на участке в соответствии с розой ветров, с выбора объемно-пространственного решения.

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЪЕМНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РЕШЕНИЯ

Наиболее рациональные формы высоток можно расположить в определенной последовательности, по степени уменьшения воздействия воздушных потоков на их конструкции. Абсолютным лидером является круглый план. Отсутствие выступов позволяет воздуху обтекать объем, не создавая при этом завихрений, появляющихся на углах прямоугольных в плане построек.

Примерами могут служить Marina City в Чикаго или Torre Agbar в Барселоне. Второе место принадлежит планам в форме, производной от круглой, – овальной, в форме линзы или капли. С середины ХХ века все больше высоток имеют подобные планы, что связано с увеличением их высоты, при которой оптимальный объем с точки зрения аэродинамики – не художественный прием, а необходимость. Переходная форма треугольника со скругленными углами чрезвычайно популярна благодаря своей пространственной жесткости. Прекрасный примердля подражания – Commerzbank во Франкфурте.

На третьем месте – столь же распространенные, как и сто лет назад, квадратные или ромбовидные планы. Это решение наиболее популярно для зданий не выше 60 этажей, поскольку они более подвержены горизонтальным нагрузкам. На четвертом месте – высотки, спаренные конструктивно или композиционно. Они, как правило, имеют круглую форму, как, например, Petronas Towers (Башни Петронас) в Куала-Лумпуре. Объединяющий их мост на 42-м этаже является фермой с подпорками, которая работает как стабилизатор колебательных деформаций обеих башен.
При помощи Г- и Н-образного плана можно добиться увеличения показателей прочности и жесткости сооружения. Однако в подобном типе зданий, которые в нашей классификации находятся на пятом месте, приходится размещать несколько лестнично-лифтовых узлов, что снижает выход полезной площади.

Замыкают ряд протяженные здания в виде пластины, дуги или волны. В последнее время, преимущественно в Китае, подобные сооружения делаются жилыми, их высота составляет 40–60 этажей. При этом архитекторам приходится искать альтернативные пути борьбы с воздушными потоками, вызванными огромной парусностью домов.

Стереотипные представления о небоскребах как о прямоугольных башнях, балансирующих на маленьком пятачке, зажатом среди соседних городских кварталов, на сегодня устарели. С тех пор, как высотки перестали быть только офисными зданиями и сделались жилыми домами, гостиницами, многофункциональными комплексами, они значительно расширили свою типологию. Их формы в зависимости от расположения и функции могут быть очень разнообразными – напоминающими парус, огурец, ворота или пагоду-переростка.

Аэродинамические нагрузки и распределение веса конструкций здания по вертикали требуют, как минимум, сохранения конфигурации по всей его высоте. С точки зрения устойчивости сужающаяся кверху форма предпочтительна. В этом случае сооружение занимает весь участок, а затем площадь этажей уменьшается. Это могут быть плавные изменения в силуэте здания по наклонной или дугообразной линии либо скачкообразные, уступчатые формы.

В здании, имеющем форму пирамиды, наклон наружных плоскостей может увеличить жесткость конструкций на 10–50%. Уменьшить ветровую нагрузку можно с помощью переменного расширения и сужения горизонтального сечения здания. В этом случае для потоков воздуха создаются каналы, по которым им легче обтекать объем. Эту роль выполняют сквозные проемы, которые могут располагаться в разных частях здания. В любом случае испытания в аэродинамической трубе проектных моделей подобных сооружений должны проводиться с особой тщательностью, поскольку проемы могут оказывать усиливающее влияние на скорость ветра.

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ

Вопросы ветровой нагрузки и связанные с ними оптимальные формы высоток неотделимы от их конструктивных решений, от которых зависит и рациональное распределение площадей каждого этажа. В планировке нужно максимально экономно и компактно разместить лестнично-лифтовые узлы. Для определения количества лифтов стоит рассчитать, сколько человек будет ими пользоваться в час пик, ведь максимальное время ожидания кабины может составлять не более 28 секунд. Архитектору также предстоит расположить несущие конструкции с учетом оптимального использования площади, по возможности освободив периметр от массивных элементов.

Конфигурация сооружения, расположение его центрального ядра и соотношение размеров ядра и здания – это базовые параметры в проектировании высотных зданий. Взаимосвязь планировочных, объемных и конструктивных показателей превращает придуманную архитектором форму в работающую схему.

Надежность и безопасность высотного здания зависит от принятых решений по сложнейшей системе, состоящей из подземной (фундаментов, отвечающих за восприятие и передачу суммарных нагрузок от здания на грунтовое основание) и наземной частей.

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

Высотное здание – это вертикальная консоль, жестко закрепленная в фундаменте, поэтомуего надежность гарантирует устойчивость всего сооружения. Суммарная удельная нагрузка на основание может достигать 0,8–1 МПа. Основным правилом для высотных зданий является соблюдение симметричной центрированной нагрузки на фундамент.
В высотном строительстве большое распространение получили следующие фундаменты:

плитный фундамент. Применяется при хорошей несущей способности грунта и является наиболее экономичным для высотного строительства. Выполняется либо сплошным, монолитным, причем его толщина может доходить до 5 м, либо монолитным железобетонным коробчатым. В Москве особенности грунтов и сложные техногенные условия не позволяют принимать удельные нагрузки на основание под плитными элементами фундамента более 0,4–0,5 МПа;
свайный фундамент. Применяется при низкой несущей способности грунта. Могут быть применены сваи-стойки или висячие сваи, которые в зависимости от геологии грунтов и нагрузок на основание могут составлять в диаметре 3–4 м, а в некоторых случаях даже 6 м при длине 30–40 м;
свайно-плитный фундамент. При таком фундаменте расположение и длина свай определяются неравномерностью восприятия нагрузок грунтом, от чего зависит плотность свайного поля и толщина плиты. Кроме того, может быть применен комбинированный фундамент под разные части здания в различных сочетаниях, например: под менее загруженную часть – ленточный, а под ядро –глубокого заложения. При этом необходимо учитывать разность осадки таких фундаментов.

НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ НАЗЕМНОЙ ЧАСТИ

Для повышения жесткости конструкции и обеспечения свободной планировки применяют ствольные и каркасно-ствольные системы. Стволом, или ядром, как правило, является монолитно выполненный лестнично-лифтовый узел. Данная система обеспечивает необходимую жесткость здания до высоты в 50–60 этажей, поскольку его геометрия зависит от геометрии ядра, предельное соотношение ширины которого к высоте определяется как 1:6 (максимум 1:10). При этом ядро не должно занимать больше 20% от площади этажа.

Каждая из схем экономически целесообразна для зданий определенной высоты или соотношения высоты и ширины. Показателем экономической эффективности является расход материала на изготовление несущих конструкций, поделенный на общую площадь. Таким образом, перед конструкторами стоит задача свести к минимуму вес сооружения при обеспечении необходимой надежности. Улучшить условия работы здания под нагрузкой и повысить его жесткость позволяет равномерное распределение вертикальных нагрузок на несущие элементы.

Если необходимость восприятия ветровых нагрузок требует повышения жесткости, сейсмические воздействия, напротив, диктуют повышение его гибкости, чтобы колебания гасились конструкцией без ее разрушения. Гибкость большинства высоток, коэффициент отношения высоты к ширине, обычно 1:8. Большие значения приводят к недопустимым колебаниям верха здания и необходимости использования демпфирующих элементов.

Эти колебания должны быть ограничены по соображениям надежности (не более 0,08 м/с2), а также для обеспечения психологического комфорта. Определить баланс между показателями гибкости и жесткости – еще одна сложность в разработке конструкций высоток. Особые требования к конструктивному решению предъявляют также проблемы безопасности, в частности защиты от прогрессирующего обрушения. Теперь в методиках расчета предусматривается моделирование поведения системы в случае выхода из работы части несущих конструкций, способных повлечь за собой падение всего здания.

МАТЕРИАЛЫ

После второй мировой войны все чаще высотные здания стали строить из железобетонных конструкций, которые позволяют механизировать монтажно-строительные процессы, а также разнообразить архитектурный облик сооружений. Они обладают большей огнестойкостью, устойчивостью, обусловленной большим весом, быстрым затуханием колебаний.

Стальные конструкции необходимо защищать от воздействия огня при помощи специальных покрытий или бетона. Благодаря своим характеристикам сталь и бетон могут комбинироваться при учете разницы их свойств. Для высоконагруженных несущих конструкций (колонн, стоек, ригелей) применяют железобетон с жесткой арматурой в виде прокатных профилей, а также комбинированные сталебетонные конструкции.

Использование бетона для подобных целей стимулирует совершенствование этого материала. Разрабатываются новые смеси, обладающие специальными качествами. Созданы бетоны классов В80 и В100, по прочности приближающиеся к стали. Широко применяются более низкие классы высокопрочных бетонов В60 и В70, так как с ростом прочности бетона возрастает его стоимость, повышается хрупкость и снижается огнестойкость. Тем не менее применение высокопрочного бетона и его модификаций позволяет сократить расход арматуры до 35% и обеспечивает набор прочности за двое-трое суток не только в нормальных, но и в зимних условиях без применения электропрогрева. Бетоны высокой консистенции и самоуплотняющиеся бетоны позволяют возводить густоармированные конструкции совершенно без вибрации либо с очень небольшим виброуплотнением.

ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

Каркасная система, ставшая базовой при строительстве высоток, изменила и принципиальное решение наружных ограждающих конструкций. Толстые массивные стены уступили место легким конструкциям, либо опирающимся на межэтажные перекрытия, либо подвешивающимся к ним и выполняющим только функцию защиты от климатических, атмосферных факторов и обеспечивающим тепловую изоляцию. С развитием фасадных технологий со второй половины ХХ века появилась возможность использовать легкие профильные системы с заполнением панелями из алюминия, специального стекла, полимерных материалов. В современных высотках широко применяют вентилируемые системы, отделанные натуральным или искусственным камнем, декоративными металлическими листами, фибробетонными экранами и другими материалами.

Требования к фасадным системам, предназначенным для высотного домостроения, значительно превосходят требования к ограждающим конструкциям обычных домов, благодаря многократному возрастанию всех видов нагрузок – как динамических, так и климатических. Фасады высоток должны быть воздухо- и паронепроницаемыми, погодостойкими, огнестойкими, технологичными, шумоизоляционными, долговечными и надежными в эксплуатации, ремонтопригодными, а также обладать хорошими теплоизоляционными свойствами, низким коэффициентом температурного расширения и небольшой массой.

Фасадные конструкции должны не только выдерживать прямое давление ветра (до 20–25 м/с), но и сопротивляться усилиям на отрыв, возникающим при движении воздуха вдоль стены и появлении зон отрицательного давления из-за турбулентности. Климатическое воздействие на фасадные системы не ограничивается ветром. В зависимости от климатических условий на конструкции могут оказывать воздействие солнечная радиация, ливневые дожди, грозы и смог.
Фасадные системы постоянно совершенствуются, разрабатываются новые технологии изготовления и монтажа конструкций, материалы (керамика в комбинации с боросиликатным стеклом, панели из металлической пены, нанокомпозиты, стеклянные панели с супергидрофобным самоочищающимся слоем и т.д.).

Совершенствуются и стыковые соединения, узлы крепления и внешний дизайн. Особую роль в истории высотного строительства сыграли светопрозрачные ограждающие конструкции. Возможность сделать максимально прозрачными наружные стены придавала идее сверхвысоких зданий особое значение. Вид с высоты птичьего полета можно было получить, просто сидя в кресле за рабочим столом на 40-м этаже небоскреба.

С развитием конструктивных систем, позволяющих строить все более высокие и сложные структуры с наружными раскосными решетками, ограждающие конструкции вновь стали выполнять несущую функцию. Пространственные стальные и бетонные скелеты с диагональными распорками взяли на себя часть веса здания. При этом стеклянные фасады сохранили за собой главную роль – ограждающей и защищающей сооружение оболочки.

Светопрозрачные системы для высотных зданий проектируются с соблюдением нескольких условий. Профильные несущие элементы для увеличения прочностных качеств и долговечности, как правило, изготавливаются из стали. В светопрозрачном заполнении используются особо прочные, пожаростойкие, низкоэмиссионые и солнцезащитные стекла. Окна традиционной конструкции при использовании в высотных зданиях не обеспечивают требуемого сопротивления воздухопроницанию, поэтому разрабатываются специальные конструкции заполнения световых проемов. Во всем мире широко применяются системы double skin с внешними защитными экранами из особо прочного стекла. Они позволяют делать внутреннее остекление частично или полностью открывающимся. В обычных одинарных фасадах стеклянные конструкции делаются неоткрывающимися из соображений безопасности и из-за сильных воздушных потоков вокруг здания. В них применяют окна с воздухозаборными клапанами.

Читайте также: