Вертикальные несущие конструкции

Конструктивные системы высотных зданий выполняют с применением:

- монолитного или сборно-монолитного железобетона;

- стального каркаса;

- стального каркаса в сочетании с монолитным железобетоном;

- сталежелезобетонного каркаса.

Применение сборного железобетона допускается только для устройства плит перекрытий, лестничных маршей и площадок при технико-экономическом обосновании.

Необходимо стремиться к повышению пространственной жесткости конструктивных систем высотных зданий путём применения:

- развитых в плане и симметрично расположенных диафрагм и ядер жесткости;

- коробчатых (оболочковых) конструктивных систем с несущими наружными стенами по всему контуру здания или часто установленными стальными колоннами;

- конструктивных систем с регулярным расположением несущих конструкций в плане и по высоте здания;

- жестких дисков перекрытий, объединяющих вертикальные несущие конструкции и выполняющих функции горизонтальных диафрагм жесткости при действии ветровых или сейсмических нагрузок;

- жестких узловых сопряжений между несущими конструкциями;

- аутригерных конструкций, которые, как правило, располагают в уровне технических этажей.

Для районов сейсмичностью не выше 6 баллов наиболее эффективно проектирование аутригерных конструкций в уровне верхних и (в зависимости от высоты здания) средних технических этажей. Для районов строительства сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов необходимость использования аутригеров и уровни их расположения определяются расчетом.

При наличии у высотного здания развитой в плане и малоэтажной стилобатной части, а также разновысоких зданий в высотном комплексе следует предусматривать деформационные осадочные швы, отделяющие их друг от друга.

В вертикальных несущих железобетонных конструкциях – колоннах, пилонах, стенах и ядрах жесткости – следует применять тяжелые бетоны классов по прочности на сжатие не менее:

В35 – для зданий высотой от 75 до 150 м (включительно);

В45 – для зданий высотой от 150 до 200 м (включительно);

В60 – для зданий высотой от 200 до 250 м (включительно);

В80 – для зданий высотой более 250 м.

Допускается применять различные классы бетона по высоте здания.

В перекрытиях следует применять легкие и тяжелые бетоны классов по прочности на сжатие не менее В30.

Для железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры в качестве продольной расчетной арматуры следует преимущественно применять стальную арматуру классов А400, А500 и А600; для поперечного и косвенного армирования – А240, А400 и А500. Для всех конструкций толщину защитного слоя бетона рабочей арматуры следует принимать не менее диаметра арматуры, но не менее 25 мм.

Размеры сечений колонн, толщину стен диафрагм и ядер жесткости допускается принимать переменными по высоте здания. Гибкость железобетонных колонн и стен из плоскости (λ=l₀/i) следует принимать не более 60. Для стальных конструкций гибкость не должна превышать 80.

Сечение железобетонных колонн должно быть не менее 400х400 мм. Рекомендовано симметричное армирование. Допускается расположение стержневой арматуры в несколько рядов. Минимальный диаметр продольной арматуры колонн – 20 мм. Наибольший суммарный процент армирования колонн не должен превышать 6 %.

Для пилонов, стен и ядер жесткости рекомендуется использовать симметричную вертикальную и горизонтальную арматуру, расположенную у боковых граней стен. Минимальная толщина пилонов – 250 мм, стен – 200 мм. Минимальный диаметр арматуры 12 мм.

Для повышения несущей способности колонн допускается их армирование жёсткой арматурой. Толщина защитного слоя для жесткой арматуры должна быть не менее 50 мм. В таком случае процент армирования ограничивается максимальным значением 15 %.

Кроме того, возможно использование трубобетонных колонн. 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 до двух раз (по сравнению с железобетонной из бетона того же класса) с соответствующим уменьшением размеров поперечного сечения.

Стволы жесткости представляют собой наиболее специфичную для высотного строительства внутреннюю вертикальную несущую конструкцию. Она присуща большинству высотных зданий различных конструктивных систем: ствольных, каркасно-ствольных, ствольно-стеновых и оболочково-ствольных.

Самый распространенный вариант конструкции - центрально расположенный монолитный железобетонный ствол. В зависимости от нагрузки (этажности) толщина стен ствола в нижнем ярусе может достигать 60-80 см, а в верхних сокращаться до 20—30 см. Минимальный класс бетона для вертикальных несущих конструкций В 30, но в нижних этажах высотных зданий приемлемо применение высокопрочных бетонов классов В50 и В60.

В конструктивно-планировочном отношении удачна относительно редко принимаемая конструкция ствола открытого профиля, например крестообразного сечения. Она исключает трудоемкое и металлоемкое устройство многочисленных надпроемных перемычек, необходимых в стволах закрытого сечения, и упрощает установку лифтов. Ограничение в их применении оправдано только в особо высоких сооружениях, когда жесткость ствола открытого сечения может оказаться недостаточной.

 

Перекрытия

Конструктивные решения перекрытий подчинены требованиям пожарной безопасности, обеспечения их прочности и минимальной деформативности. Основные варианты железобетонных перекрытий – монолитная плоская или ребристая плита, монолитная с оставляемой сборной железобетонной опалубкой, сборная из многопустотных, сплошных или ребристых настилов.

В зарубежной практике основным вариантом перекрытия является сталежелезобетонная конструкция из стальных балок и монолитной железобетонной плиты по несущему профилированному стальному настилу, который служит одновременно несъемной опалубкой и отчасти армированием плиты. Этот вариант конструкции перекрытия, как правило, проектируют с подвесным потолком, который скрывает в интерьере стальные балки и создает пространство для разводки многочисленных коммуникаций - электрических, вентиляционных и др. А сам потолок может способствовать улучшению акустического режима помещении при выполнении его из звукопоглощающих материалов.

Однако в отечественных условиях складывается неблагоприятная обстановка для расширенного внедрения сталежелезобетонной конструкции перекрытий в связи с предусмотренным МГСН 4.19-2005 требованием увеличения предела огнестойкости перекрытий в зданиях выше 100 м до REI 240. Это потребует омоноличивания стальных балок.

Особенности расчёта

Расчет несущей конструктивной системы следует проводить в пространственной постановке с учетом совместной работы надземных и подземных конструкций, фундамента и основания под ним.

Для зданий высотой более 100 м необходимо выполнять параллельный расчет каркаса независимой организацией с применением программных комплексов, реализующих МКЭ и разработанных независимо от программных комплексов, используемых для основного расчета. По результатам параллельного расчета, составляется отчёт, а также выполняется сопоставление с результатами основного расчета по следующим параметрам:

- давление под подошвой фундамента;

- разница осадок и крены фундаментных конструкций;

- усилия и/или напряжения в основных несущих элементах (фундаментных конструкциях, сваях, колоннах, элементах ферм, стенах, перекрытиях);

- деформации здания от основного сочетания нагрузок (в т. ч. с учетом действия ветра), горизонтальное смещение верха здания;

- укорочение наиболее нагруженных колонн;

- деформации и прогибы наиболее ответственных конструкций (перекрытия пролетом более 20 м, консоли вылетом более 6 м);

- формы и частоты собственных колебаний здания;

- ускорение верхнего эксплуатируемого этажа.

Расчет конструктивных систем высотных зданий выполняют с учетом линейных (упругих) и нелинейных (неупругих) жесткостей стальных железобетонных элементов. Линейные жесткости элементов определяют как для сплошного упругого тела. Нелинейные жесткости определяют по поперечному сечению с учетом фактически установленного армирования, возможного образования трещин и развития неупругих деформаций в бетоне и арматуре, отвечающих кратковременному и длительному действиям нагрузки.

Допускается горизонтальные перемещения верха высотных зданий из монолитного железобетона определять при пониженных упругих жесткостях железобетонных элементов. В первом приближении значения модуля упругости материала Eb допускается принимать с понижающими коэффициентами: 0,6 – для вертикальных сжатых элементов; 0,2 – для плит перекрытий (покрытий) при наличии трещин; 0,3 – то же, при отсутствии трещин.

Кроме расчёта по прочности и деформациям необходимо выполнять расчёты на устойчивость формы и положения. Для зданий из монолитного железобетона коэффициент запаса по устойчивости формы, представляющий собой отношение расчетного значения нагрузки, при которой возникает возможность потери общей устойчивости здания, к значению эксплуатационной нагрузки, должен быть не менее 2. Для высотных зданий со стальным каркасом коэффициент запаса по устойчивости формы должен быть не менее 1,3.

При расчете устойчивости формы необходимо учитывать нелинейную работу материалов. Допускается выполнять расчет устойчивости формы высотных зданий при пониженных упругих жесткостях элементов (см. выше).

При расчете устойчивости положения здания (расчёт на опрокидывание) следует рассматривать его конструктивную систему как жесткое недеформируемое тело. При расчете на опрокидывание удерживающий момент от вертикальной нагрузки должен превышать опрокидывающий момент от горизонтальной нагрузки с коэффициентом запаса 1,5.

 

Прогрессирующее обрушение

При проектировании высотных зданий необходимо учитывать вероятность локальных разрушений несущих конструкций, которые не должны привести к прогрессирующему (цепному) обрушению здания.

В случае аварийных воздействий допускаются локальные разрушения отдельных вертикальных несущих элементов в пределах одного этажа или участка перекрытия одного этажа, не приводящие к обрушению всего здания. Расчет здания в случае локального разрушения конструкций проводят только по предельным состояниям первой группы. Развитие неупругих деформаций, перемещения конструкций и раскрытие в них трещин в рассматриваемой ЧС не ограничивают.

Устойчивость высотного здания против прогрессирующего обрушения следует обеспечивать наиболее экономичными средствами:

- рациональным конструктивно-планировочным решением здания с учетом возможности возникновения рассматриваемой аварийной ситуации;

- конструктивными мерами, обеспечивающими неразрезность конструкций;

- применением материалов и конструктивных решений, обеспечивающих развитие в элементах конструкций и их соединениях пластических деформаций.

В качестве локального гипотетического разрушения следует рассматривать разрушение (удаление) несущих конструкций одного (любого) этажа здания на участке, ограниченном кругом диаметром 10 м для зданий высотой до 200 м и диаметром 11,5 м для зданий выше 200 м. Схемы локальных разрушений могут быть следующими:

1) пересекающиеся стены на участках от места их пересечения (например, от угла здания) до ближайшего проема в каждой стене или до следующего вертикального стыка со стеной другого направления. Или на участке указанного размера при размещении центра круга в месте пересечения стен;

2) разрушение отдельно стоящей стены на участке указанного размера при размещении центра круга на краю стены;

3) разрушение отдельно стоящей стены на участке указанного размера при размещении центра круга в центре тяжести сечения стены;

4) колонн (пилонов), в том числе с примыкающими к ним участками стен, расположенных на участке указанного размера [при размещении центра круга в центре тяжести сечения одной из колонн (пилона)].

Расчет по прочности и устойчивости проводят на особое сочетание нагрузок и воздействий, включающее в себя постоянные и временные длительные нагрузки, которые принимаются с коэффициентами надежности γ_f=1,0. Прочностные и деформационные характеристики материалов принимаются равными их нормативным значениям.

Для расчета на прогрессирующее обрушение необходимо использовать пространственную расчетную модель, в которой дополнительно могут учитываться элементы, не являющиеся несущими при нормальных условиях эксплуатации (например, навесные наружные стеновые панели, железобетонные ограждения балконов и т. п.) Расчет здания следует выполнять с использованием программных комплексов, реализующих МКЭ, допускающих возможность учета физической и геометрической нелинейности жесткостных характеристик элементов.

В общем случае необходимо выполнить проверку прочности и устойчивости вертикальных и горизонтальных несущих конструкций, прилегающих к локальному разрушению. При этом следует рассматривать как конструкции этажа, на котором возникает локальное разрушение, так и конструкции вышележащего и нижележащего этажей.

Каждое перекрытие высотного здания должно быть рассчитано на восприятие веса участка перекрытия вышележащего этажа (постоянная и длительная нагрузки с коэффициентом динамичности k_f = 1,5) на площади 80 м² для зданий высотой до 200 м и 100 м² для зданий выше 200 м.

Основные средства защиты высотных зданий от прогрессирующего обрушения – резервирование прочности конструктивных элементов в соответствии с расчетами; повышение пластических свойств применяемой стали и арматуры; включение в работу пространственной системы ненесущих элементов.

Для повышения эффективности сопротивления прогрессирующему обрушению здания следует:

- проектировать колонны, пилоны, стены с введением жесткой арматуры в виде прокатных или сварных вертикальных элементов, проектировать сталежелезобетонные перекрытия;

- вводить, при необходимости, в несущую систему здания аутригерные конструкции в виде систем перекрестных ферм или стен;

- для опорных сечений балок и ригелей, а также узлов их соединений с колоннами (стенами, пилонами) принимать прочность по поперечной силе в 1,5 раза выше их несущей способности по изгибу с учетом пластических свойств в пролете;

- шпоночные соединения в сборно-монолитных конструкциях проектировать так, чтобы прочность отдельных шпонок на срез была в 1,5 раза больше их прочности при смятии;

- нижнее армирование изгибаемых железобетонных конструкций принимать неразрезным по всей длине.

Минимальная площадь сечения (суммарная для нижней и верхней арматуры) рабочей продольной арматуры в изгибаемых железобетонных конструкциях должна составлять не менее 0,25 % площади сечения бетона.

Продольную (вертикальную) междуэтажную арматуру пилона (колонны, стены) следует проектировать на восприятие возникающих растягивающих усилий, но не менее 10 кН (1 тс) на каждый 1 м² грузовой площади этого пилона (колонны, стены).

 

Приложение

В наиболее высоких зданиях мира преимущественно используются следующие конструктивные системы:

1. Каркасно-ствольная;

2. Ствольно-оболочковая;

3. Ствольно-стеновая.

 

1) 2) 3)