Проектирование высотных зданий
Общие положения
Нормативные документы, устанавливающие понятия о высотных и уникальных зданиях, а также регламентирующие особенности их проектирования:
1. Градостроительный кодекс РФ;
2. ГОСТ 27751-2014. Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения;
3. СП 267.1325800.2016. Здания и комплексы высотные. Правила проектирования.
Пункт 3.5 СП 267.1325800.2016: к высотным относятся здания, имеющие высоту более 75 м. Здесь высота здания определяется высотой расположения верхнего этажа, не считая верхнего технического этажа. Она вычисляется как разность отметок поверхности проезда для пожарных машин и нижней границы открывающегося проема (окна) в наружной стене. При наличии эксплуатируемого покрытия высота здания определяется по максимальному значению разницы отметок поверхности проездов для пожарных машин и верхней границы ограждений покрытия
Статья 48-1 Градостроительного кодекса РФ: к уникальным объектам относятся объекты капитального строительства, в проектной документации которых предусмотрена хотя бы одна из следующих характеристик:
1) высота более чем 100 метров;
2) пролеты более чем 100 метров;
3) наличие консоли более чем 20 метров;
4) заглубление подземной части (полностью или частично) ниже планировочной отметки земли более чем на 15 метров.
Учёт ответственности сооружений выполняется в соответствии с требованиями раздела 10 ГОСТ 27751-2014. Коэффициент надёжности по ответственности γn назначается в зависимости от класса сооружения:
| Класс сооруже-ния | Уровень ответственности | Коэффициент надёжности γn (минимальное значение) | Примечания |
| КС-3 | Повышенный | 1,1 | См. ниже |
| 1,2 | Для зданий высотой более 200 м (п.7.8.2 СП 267.1325800.2016) и большепролётных сооружений с пролётом более 120 м | ||
| КС-2 | Нормальный | 1,0 | Всё, не вошедшее в КС-3 и КС-1 |
| КС-1 | Пониженный | 0,8 | теплицы, парники, мобильные здания, сооружения с ограниченными сроками службы, в которых не предусматривается постоянное пребывание людей |
К классу КС-3 относятся:
- здания особо опасных и технически сложных объектов (в соответствии со статьей 48-1 Градостроительного кодекса: сооружения атомной энергетики; ЛЭП и другие объекты электросетевого хозяйства напряжением 330 кВ и более; объекты космической, авиационной, железнодорожной инфраструктуры; метрополитены; морские порты; опасные производственные объекты и др.);
- уникальные здания;
- все сооружения, при проектировании и строительстве которых используются принципиально новые конструктивные решения и технологии, которые не прошли проверку в практике строительства и эксплуатации;
- объекты жизнеобеспечения городов и населенных пунктов;
- тоннели, трубопроводы на дорогах высшей категории или имеющие протяженность более 500 м;
- пролетные строения мостов с пролетом более 200 метров.
Расчет конструкций и оснований сооружений повышенного уровня ответственности (класса КС-3) рекомендуется проводить на основе результатов специальных теоретических, апробированных численных и экспериментальных исследований, проводимых на моделях или натурных конструкциях (п. 5.2.4 ГОСТ).
Для зданий и сооружений класса КС-3 должны предусматриваться научно-техническое сопровождение при проектировании, изготовлении и монтаже конструкций, а также их технический мониторинг при возведении и эксплуатации (п. 10.5 ГОСТ).
Расчет на прогрессирующее обрушение проводится для зданий и сооружений класса КС-3, а также зданий и сооружений класса КС-2 с массовым нахождением людей (здания высотой 5 этажей и более, музеи, госархивы, зрелищные объекты на 500 человек и более, детские сады, школы, другие учебные заведения на 100 человек и более и т.д.) Расчет на прогрессирующее обрушение допускается не проводить, если предусмотрены специальные мероприятия, исключающие прогрессирующее обрушение сооружения или его части (п.5.2.6 ГОСТ).
Требования к контролю качества проектирования установлены в разделе 12 ГОСТ 27751-2014:
| Класс сооружений | Уровень ответственности | Контроль качества проектирования |
| КС-3 | Повышенный | Независимый контроль, осуществляемый организацией отличной от той, которая разрабатывала проект |
| КС-2 | Нормальный | Контроль внутри организации, которая разрабатывала проект, лицами, которые не участвовали в разработке проекта |
| КС-1 | Пониженный | Самопроверка: проверка проводится лицами, которые разрабатывали проект |
Нагрузки и воздействия
Учет нагрузок и воздействий выполняется согласно положениям СП 20.13330, за исключением приведённых ниже дополнений.
При проектировании и расчете необходимо учитывать особые воздействия, возникающие при локальных разрушениях несущих конструкций в результате природных и антропогенных ЧС. К особым воздействиям относятся: образование карстовых воронок, провалов в основаниях зданий; взрывы снаружи или внутри сооружения; пожары, аварии и разрушение несущих конструкций вследствие дефектов в материалах, некачественного производства работ.
При расчете зданий на особое сочетание нагрузок необходимо учитывать постоянные, длительные и одно из перечисленных особых воздействий. При этом коэффициент надёжности по ответственности принимается равным γn=1,0.
Нормативные значения временных нагрузок на перекрытия принимаются по СП 20.13330 за следующими исключениями:
| Помещения | Нормативные значения нагрузок, кН/м2 (кгс/м2) |
| 1. Технические этажи | 10,0 (1000) |
| 2. Вестибюли, фойе, коридоры первого этажа | 4,0 (400) |
| 3. Лестницы и входы | 5,0 (500) |
| 4. Карнизы | 1,4 (140) |
Нормативные значения нагрузок в жилых помещениях от веса временных перегородок допускается учитывать, как равномерно распределенные по площади нагрузки интенсивностью не менее 1,0 кПа (100 кгс/м²).
На покрытии стилобатных и подземных частей зданий необходимо учитывать нагрузку от автотранспорта и пожарных автомобилей. Нормативная нагрузка от техники массой более 16т, в т.ч. пожарных автомобилей, при отсутствии паспортных данных принимается не менее 30 кПа (3 т/м2). Масса наиболее тяжёлых машин (автоподъёмников) принимается 46 т (не менее 16 т на ось). При расчёте их следует располагать в наиболее неблагоприятных местах покрытия. Размеры площадки для передачи нагрузки от колес пожарного автомобиля принимаются 0,2х0,6 м.
Давление на покрытие от выносных опор пожарного автомобиля следует учитывать в отдельном расчетном сочетании нагрузок и принимать из расчета наибольшей нагрузки на опору при перемещении гидроподъемника, составляющей 1,75 средней нагрузки на опору. Размеры основания выносной опоры или специальной подкладки – 0,5×0,5 м.
Если заданием на проектирование предусмотрена площадка для посадки вертолёта или аварийно-спасательной кабины пожарного вертолёта, то данные нагрузки надо учитывать в соответствии с п. 7.2.7 СП 267.1325800.2016. Вес вертолёта принимается с коэффициентом динамичности ξ=1,4, учитывающим влияние удара.
Гололёдные нагрузки учитываются при проектировании шпилей, решетчатых элементов конструкций, а также фасадных теплоизоляционных систем с воздушным зазором, элементов их крепления и т. п., расположенных на высоте 100 м и более. Коэффициент надёжности для гололёдных нагрузок принимается γf=2,0.
Учет сейсмических воздействий выполняется согласно положениям СП 14.13330, с учётом приведённых ниже дополнений. В качестве расчётных моделей допускается применять только пространственные расчётные схемы. Расчет должен выполняться методом конечных элементов в сертифицированных и верифицированных программных комплексах.
При расчете высотных зданий на сейсмические воздействия следует применять три типа расчётных моделей:
1) упругая (без учёта нелинейности) модель деформирования несущих конструкций. Нагрузки определяются в частотной области;
2) неупругая модель при значении коэффициента надежности сейсмической нагрузки, вводимом к интенсивности воздействия, равном 1,5. Нагрузки определяются во временн о й области с использованием инструментальных записей ускорений основания при землетрясениях, наиболее опасных для данного здания или сооружения, а также с применением синтезированных акселерограмм;
3) модель высотных зданий с поврежденными несущими конструкциями при значении коэффициента надежности сейсмической нагрузки 1,5. Степень и локализацию повреждений несущих конструкций высотных зданий оценивают расчетами по модели 2). Нагрузки определяются в частотной области. Целями расчетов являются сохранение упругого несущего ядра конструкции и недопущение прогрессирующего обрушения высотного здания.
Вертикальное направление сейсмического воздействия обязательно учитывается при расчете:
- горизонтальных и наклонных консольных конструкций;
- рам, арок, ферм, пространственных покрытий зданий пролетом 24 м и более.
Для объектов повышенного уровня ответственности, строящихся в районах с сейсмичностью 6 баллов на площадках строительства с грунтами категории III по сейсмическим свойствам, расчетную сейсмичность следует принимать равной 7 баллам.
Конструктивные системы
Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость. Горизонтальные конструкции - перекрытия и покрытия здания - воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции. Последние, в свою очередь, передают эти нагрузки и воздействия через фундаменты на основание.
Горизонтальные несущие конструкции высотных зданий обычно представляют собой жесткий несгораемый диск – железобетонный (монолитный, сборно-монолитный, сборный) либо сталежелезобетонный
Вертикальные несущие конструкции более разнообразны. Различают:
1. стержневые (каркасные) несущие конструкции;
2. плоскостные (стеновые, диафрагмовые);
3. внутренние объемно-пространственные стержни полого сечения на высоту здания (стволы жесткости);
4. объемно-пространственные наружные конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого сечения.
Соответственно примененному виду вертикальных несущих конструкций различают четыре основные конструктивные системы высотных зданий - каркасную (рамную), стеновую (бескаркасную, диафрагмовую), ствольную и оболочковую.
Основные системы ориентированы на восприятие всех силовых воздействий одним типом несущих элементов. Так, например, при стержневых конструкциях узлы сопряжения колонн с ригелями должны быть жесткими (рамными) в обоих направлениях, чтобы обеспечить восприятие вертикальных и горизонтальных воздействий.
Наряду с основными, широко применяют и комбинированные конструктивные системы. В этих системах вертикальные несущие конструкции компонуют, сочетая разные виды элементов. К их числу относятся системы: каркасно-диафрагмовая со связями в виде стен - диафрагм жесткости, с неполным каркасом (несущие наружные стены и внутренний каркас), каркасно-ствольная, ствольно-стеновая, ствольно-оболочковая и др.
В комбинированной системе могут сочетаться несколько типов вертикальных несущих элементов (плоскостных, стержневых, объемно-пространственных) и схем их работы. При таких сочетаниях полностью или частично дифференцируется восприятие нагрузок и воздействий (например, горизонтальных - стенами жесткости, а вертикальных - каркасом). Соответственно количество возможных вариантов комбинированных систем весьма обширно.
В наиболее высоких зданиях мира преимущественно используются следующие конструктивные системы:
1. Каркасно-ствольная;
2. Ствольно-оболочковая;
3. Ствольно-стеновая.
1) 2) 3)
Стеновая система на протяжении столетий была основной для зданий любого назначения, однако, в высотном строительстве она применяется редко и преимущественно для жилых зданий и гостиниц. Самое высокое из построенных зданий стеновой системы - 47-этажный жилой дом «Конкордия Хаус» в Кёльне имеет поперечно-стеновую конструктивную систему (шаг стен 4,5 м) и выполнено с монолитными железобетонными несущими внутренними стенами и перекрытиями. Малый объем использования стеновой системы и ориентация на применение ее только в жилище можно объяснить ограничениями свободы планировки.
Конструктивные особенности
Фундаменты
В качестве фундаментов высотных зданий применяют плитные, свайные и комбинированные свайно-плитные фундаменты. Особые требования к инженерно-геологическим изысканиям приведены в п. 8.1.1 и 8.1.2.
Расчет основания должен выполняться численным методом в соответствии с нормативными требованиями в объемной постановке с учетом совместной работы системы «основание – фундамент – здание» с учетом этапности строительства и нелинейной работы каркаса. Для зданий высотой более 100 м необходимо выполнять параллельный расчет основания независимой организацией с применением программных комплексов, реализующих МКЭ и разработанных независимо от программных комплексов, используемых для основного расчета.
Для снижения неравномерных осадок и крена здания необходимо:
- элементы жесткости размещать симметрично центру тяжести здания.
- высотное здание размещать в центре котлована;
- при одновременном возведении различных частей многофункционального комплекса предусматривать специальные мероприятия, снижающие неравномерные осадки.
При использовании свай их количество, длину и расстановку в свайном поле необходимо определять путём расчета пространственной модели с учётом взаимодействия свай не только с грунтом, но и между собой.
Для свай следует применять бетоны класса прочности на сжатие не менее В35, водонепроницаемостью не менее W8, для фундаментных плит – тяжелые бетоны класса прочности на сжатие не менее В40 и водонепроницаемостью не менее W8.
Для исключения передачи изгибающего момента на сваи и повышения качества устройства гидроизоляции можно применять двуслойный ростверк:
