Конструктивные схемы небоскрёбов

Constructive schemes of skyscrapers

Кузнецов В.А. , Вильданов Р.Р , Тамбовцева Е.Е., Московский государственный строительный университет

Kuznetsov Vladimir Aleksandrovich, Vildanov Ruslan Rasimovich, Tambovtseva Elena Evgenievna, Moscow state University of civil engineering

Аннотация: В данной статье рассмотрены требования, предъявляемые конструктивным схемам небоскребов. Определены конструктивные схемы подземных и наземных конструкций. В статье особое внимание уделено конструктивным решениям которые  зависят от различных факторов принимаемые про­ектировщиками. В статье так же рассмотрены вертикальные и горизонтальные несущие конструкции, применяемые при проектировании небоскребов. Не оставлен без внимания вопрос  о конструктивных решениях перекрытий, к которым предъявляются требования пожарной безопасности, прочности и минимальную деформативность. В зависимости от конструктивной системы здания применяют разные виды наружных стен, проектируют которые несущими и навесными (ненесущими).

Abstract: this article discusses the requirements of the constructive schemes of skyscrapers. The design schemes of underground and aboveground structures are determined. In the article, special attention is paid to the design solutions that depend on various factors taken by designers. The article also discusses the vertical and horizontal supporting structures used in the design of skyscrapers. Not left without attention the question about the structural solutions of floors, which have to meet fire safety requirements, durability and minimal deformation. Depending on the structural system of the building used different types of exterior walls, which are designed bearing and hinged (curtain).

Ключевые слова: небоскреб, жесткость, прочность, комфортность, безопасность, конструктивные решения.

Keywords: skyscraper, rigidity, strength, comfort, safety, design solutions.

   Устойчивость, пространственная жесткость и прочность небоскребов обеспечиваются совместной работой пе­рекрытий и стен и рам конструкций. Через перекрытия горизонтальные и вертикальные нагрузки, действующие на здание, пе­редаются несущим вертикальным конструкциям, а уже от них на грунт. Характер, направление и ин­тенсивность передачи нагрузок зависят от геометрии вертикальных элементов и расположения данных элементов в плане. [7]

   В строительстве и проектировании небоскребов приме­няется множество конструктивных решений, в зависимости от различных факторов которые принимаются про­ектировщиками:

• высоты здания;
• градостроительной ситуации;
• функционального назначения;
• условий природно-климатических;
• решений архитектурно-планировочных;
• архитектурно-композиционных требований;
• безопасности небоскребов;
• оборудования и инженерно-технических систем.

   В зависимости от конструктивной схемы высотного здания вертикальные несущие конструкции состоять могут или из системы балок и стоек типа каркасов, либо из системы стен-диафрагм – решетчатых,  сплошных или комбини­рованные системы. Стены-диафрагмы конструируют из линейных элементов или объединяются в трехмерные конструкции, которые называются стволами жесткости. Плоские стены в плане могут быть пересекающими, не­прерывными все здание или иметь произ­вольное расположение. [4]

   Основополагающее значение при проектировании небоскребов имеют горизонтальные нагрузки, а именно сейс­мические и ветровые, несущие вертикальные конструкции состоять должны из достаточно жестких конструктивных элементов, чтобы исключить деформации здания. Для  увеличения жесткости в поперечном и продольном направлениях здания устраивается система горизонтальных связей. Через перекрытия передаются горизонтальные нагрузки вертикальным связевым конструкциям.

   Выбор вертикальных несущих конструкций, их связей и комбинаций считаются основой конструктивной системы здания, жест­кость которой расчетом определяется и находится в зависимости от многих факторов. С точки зрения обеспечения устойчиво­сти важным фактором небоскребов считается оказание им сопротивления ветро­вым нагрузкам, которые увеличиваются с увеличением высоты небоскребов. [5]

   Конструктивные элементы небоскребов подразделяют на 2 категории: ограждающие и несущие. Несущие конструкции здания состоят из взаимосвязанных между собой вертикальных и горизонтальных эле­ментов,  образующих конструктивную систему, которая является несущим остовом здания.

   Критерием выбора конструктивной системы небоскребов считается удовлетворение условиям устойчивости и жесткости, а также на верхних этажах комфортности пребывания людей, которое зависит от характера и величины ветровых нагрузок: горизонтальные перемещения здания от действия суммы средней статической ветровой нагрузки и вертикальных нагрузок с учетом поворота фундамента составлять должны не более 1/500 его высоты; ускорение колебаний перекрытий верхних этажей при дей­ствии нормативной пульсационной составляющей ветровой нагрузки превышать не должно 0,08 м/с². [10]

   При невыполнении данных условий необходимо увеличить же­сткость небоскреба, что достигается заменой конструк­тивной системы на более жесткую, либо включением в работу несущих дополнительных вертикальных конструкций, к которым от­носятся стволы, рамы, стены и комбинации их. Жесткость зданий увеличивается связями, которые представляют собой  связевые системы отдельных решетчатых или пло­ских диафрагм, которые  устанавливаются в  плане, в виде ферм (связевых поясов), предусматриваемых по высоте здания в одном или несколь­ких уровнях.

   Горизонтальные несущие конструкции –покрытия и перекрытия здания воспринимают приходящиеся на них горизонтальные и вертикальные воздействия и нагрузки, передавая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции, которые, передают эти и воздействия нагрузки через фундаменты основанию. Горизонтальные несущие конструкции небоскребов,  однотипны и представляют собой железобетонный диск (сборно-монолитный, монолитный или сборный) или сталежелезобетонный, они воспринимают приходящиеся на них горизонтальные и вертикальные воздействия и нагрузки, пере­давая поэтажно их на вертикальные несущие конструкции – пилоны, стены, колон­ны и через фундамент на грунт (основание). [8]

   Вертикальные несущие конструкции подразделяются на 4 основные конструктивные системы небоскребов – рамную (кар­касную), стеновую (диафрагмовую, бескаркасную), оболочковую и ствольную.

   Вместе с основными системами применяют широко и комбинированные конструктивные системы. В данных системах несущие вертикальные конструкции компонуются элементами: каркасно-диафрагмовая в виде стен – диафрагм жесткости со связями, с неполным каркасом (внутренний каркас и несущие на­ружные стены), ствольно-оболочковая, ствольно­стеновая, и каркасно-ствольная др.

   Здания небоскребов состоят из конструктивных эле­ментов, которые располагаются как в надземной, так и подземной в частях зданий.

   Подземные конструкции в  связке «небоскреб – фун­дамент – основание» самыми нагруженными конструкциями считаются конструкции подземной части, на которые передаются все на здание действующие ветровые, вертикальные, сейсмические нагрузки. Промежуточным звеном в данной  связке  считаются фунда­менты, от которых зависит как надежное функциониро­вание  всех остальных несущих конструкций небоскреба, так и комфорт людей в таких зданиях. [6]

   Глубина заложения фундаментов рассчитывается такой, чтобы полностью обеспечить жесткость подземной части здания, заделку здания в ос­нование и уменьшение кренов и осадок сооружения.

   С учетом проведенного выше анализа для небоскребов эф­фективными решениями фундаментов являются варианты: фундаменты плитные повышенной жесткости, переменной толщины, а также коробчатого типа с развитой подземной частью, на укрепленном или естественном основании; фундаменты свайные, в виде глу­боких опор с заделкой нижних концов в  известняки (коренные породы грунтов); свайно-плитные комбинированные (КСП) фундаменты. [9]

   Надземные конструкции небоскребов представляют собой внутренние и наружные стены, оболочки, стволы и каркас. Для нагруженных элементов используются сталежелезобетонные конструкции с жесткой арматурой из сварных или прокатных элементов, дополненной по контуру гибкой арматурой.

   Радикальное увеличение несущей способности колонн дает переход к колоннам из трубобетона. В таких колоннах стальная оболочка из круглой стальной трубы, заполненной бетоном высокой прочности, создает обжатие бетонного ядра, служа одновременно вертикальной и горизонтальной арматурой колонн. За счет вертикального и горизонтального обжатия бетонного ядра несущая способность колонны увеличивается вдвое (по сравнению с железобетонной колонны из бетона того же класса) с соответствующим уменьшением размеров поперечного сечения.

   Колонны из трубобетона широко внедрены в строительство небоскребов преимущественно в Юго-Восточной и Восточной Азии. Процент армирования трубобетонных колонн составляет 4-5%, не превышая, таким образом, процента армирования железобетонных колонн с жесткой арматурой. [4]

   Важным несущим элементом небоскреба считаются междуэтажные перекрытия, которые отличающиеся большим разнообразием и зависят от конструктивной этажности задания, системы несущего остова, его габаритных размеров в плане и действующих на перекрытия  горизонтальных и вертикальных нагрузок.

   Конструктивные решения перекрытий должны обеспечивать пожарную безопасность, прочности и минимальную деформативность в плоскости (, из плоскости.

   Данное  требование ограничивает вариантность конструкций перекрытий по материалу: они должны быть железобетонными и несгораемыми. Варианты железобетонных перекрытий – монолитная ребристая или плоская плита, монолитная с оставляемой железобетонной сборной опалубкой, сборная из сплошных, ребристых или мно­гопустотных настилов. В зарубежной практике часто применяемым вариантом перекрытия считается конструкция сталежелезобе­тонная из монолитной железобетон­ной плиты и стальных балок по профилированному стальному настилу, который одновременно слу­жит несъемной опалубкой и частично армированием плиты. Данный вариант конструкции перекрытия, проек­тируют с подвесным потолком, который в интерьере скрывает стальные балки и пространство создает для разводки коммуникаций —  вентиляционных, электрических и т.д.

   В зависимости от конструктивной системы здания применяют разные виды наружных стен, проектируют которые несущими и навесными (ненесущими). [8]

   Несущие стены участвуют в работе конструктивной системы здания на все виды силовых воздействий и воспринимают перемен­ные по высоте здания ветровые нагрузки, включая и пульсационную составляющую.

   Наружные стены в про­цессе эксплуатации и строительства подвергаются значительным тем­пературно-климатическим и силовым воздействиям, поэтому проектируют их с учетом конструктивных систем небоскребов. В каркасных сис­темах и разновидностях их с колоннами, которые располагаются по пери­метру, применяют навесные конструкции. Обычно, это легкие элементы с листовыми обшивками из алюминия или стали и сред­ним теплоизоляционным слоем.

   В последнее время очень распространены навесные сте­новые панели с применением армированного и закаленного стекла. Данные конструкции при требуемой по условиям эксплуатации жесткости и прочности имеют малый вес, что для небоскребов очень актуально, высота которых достигать может нескольких сотен метров, если рассматривать вопрос со стороны максимально возможного снижения нагрузок на несущие элементы каркаса, грунты основания и фундаменты. [9]

   Конструктивные решения небоскребов это очень сложный и очень  важный эле­мент проектирования. Зависит от выбора конструктивного решения в первую очередь безопасность пребывания в небоскребах, а также инженерно-технические, архитектурно-планировочные объемно-пространственные и решения. Правильный выбор конструкций даст возможность создавать современные высокохудожественные и безопасные небоскребы.

Литература

1. Градостроительный кодекс Российской Федерации от 29.12.2004 N 190-ФЗ (ред. от 03.08.2018) (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.09.2018) // «Парламентская газета», N 5-6, 14.01.2005
2. МГСН 4.19-2005 Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве // СПС «Кодекс»
3. Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м// СПС «Кодекс»
4. Костарева М.В. Основание права на земельный участок, предоставляемый для целей строительства: проблема осознанного выбора // Актуальные проблемы российского права. 2018. N 6. С. 64 — 74.
5. Медведев И.Р. Разрешение городских конфликтов: монография. М.: Инфотропик Медиа, 2017. 372 с.
6. Сафарова М.Д. Практика применения института публичных слушаний в градорегулировании // Имущественные отношения в Российской Федерации. N 9. С. 21 — 35; N 10. С. 52 — 58.
7. Сафарова М.Д. Практика применения института развития застроенных территорий // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2013. N 12 (108).

Literature

1. The town-planning code of the Russian Federation of 29.12.2004 N 190-FZ (ed. from 03.08.2018) (with izm. and EXT., joined. in force since 01.09.2018) / / «parliamentary newspaper», in N 5-6, 14.01.2005
2. MGSN 4.19-2005 Provisional rules and regulations for the design of multi-functional high-rise buildings and complexes in Moscow / / ATP «Code»
3. General provisions for technical requirements for the design of residential buildings with a height of more than 75 m / / ATP » Code»
4. Kostreva M. V. the law of the land provided for construction purposes: the problem of informed choice // Actual problems of Russian law. 2018. N 6. P. 64 — 74.
5. And Medvedev.R. the Resolution of urban conflict]. M.: Infotropic Media 2017,. 372 p.
6. Safarova M. D. Practice of application of the Institute of public hearings in urban regulation.Property relations in the Russian Federation. 2015. N 9. P. 21-35; N 10. P. 52 — 58.
7. Safarova M. D. Practice of the Institute of development of built-up areas // land Management, cadastre and land monitoring. 2013. N 12 (108).