Несущие конструкции для высотных зданий

Одним из самых сложных аспектов функциональности конструкций из железобетона является неравномерное укорачивание вертикальных несущих элементов (стен и колонн) ввиду пластических деформаций, сдвигов и сжатий. Сталь и бетон являются основными материалами для высотных зданий. Благодаря их специфическим характеристикам, они могут комбинироваться различными способами и создавать новые строительные материалы.

Строительство перекрытий в высотных зданиях вряд ли возможно без участия бетона. Используется ли он в армированном виде, в стальных составных перекрытиях или в виде предварительно напряженных конструкций перекрытий - это зависит от различных факторов. Чисто стальные вертикальные компоненты и элементы для обеспечения жесткости, конечно, тоже возможны, но армированный бетон и стальные композиты сегодня остаются самыми популярными материалами. Последние образцы высотных зданий демонстрируют нам тот факт, что предыдущие теории "чистой" стали или железобетона сегодня уже устарели. Быстрое развитие высокопрочного бетона стало значительным вкладом в высотное строительство. Насосные технологии, позволяющие закачивать материал на самые верхние уровни высоток, тоже повысили статус этого материала и поставили его в один ряд со сталью. В каждом проекте экономические аспекты являются решающими при выборе материалов и методов строительства.

С увеличением высот здания выбор эффективных систем жесткости приобретает все большую важность с точки зрения рентабельности высотного здания. Гибкость большинства высоток - то есть коэффициент высоты к ширине - обычно имеет значение от одного до восьми. Более высокие значения коэффициента гибкости приводят к возникновению недопустимых боковых ускорений наверху здания и необходимости использования демпфирующих элементов для обеспечения его нормальной эксплуатации.

В Европе нормативные акты, регулирующие глубину зданий, указывают, что для системы жесткости максимальная глубина здания ограничена 30-40 м. При коэффициенте гибкости восемь максимально допустимая высота при такой глубине равна 240-320 м. В США и Азии большие глубины зданий (50-60 м) позволяют реализовывать здания большей высоты. Например, "Петронас Тауэр" в Куала-Лумпуре имеет коэффициент гибкости 8,6 (подсчитан для 88 этажей) при диаметре 46,2 м. Такая высокая степень гибкости стала возможной благодаря чрезвычайно эффективной системе жесткости из аутригерных балок. Использование мегаколон, расположенных по периметру здания и обладающих естественными демпфирующими свойствами, позволило ограничить раскачивание.

Интересны зарубежные исследования и модели расчета трубных структур зданий коробчатого сечения. Высокая эффективность таких структур была продемонстрирована еще в 1970 году зданием Всемирного Торгового центра (110 этажей) в Нью-Йорке. Эти "решетчатые трубы" имеют одно существенное отличие их несущего поведения по сравнению с обычными трубами. Прежде всего речь идет о балке коробчатого сечения, заделанной в основание. Она подвергается боковой нагрузке. По условиям непрерывности, нормальные напряжения будут постоянными, в том числе и в углах балки, и будут действовать перпендикулярно направлению усилия.

В открытой трубной структуре, состоящей из колонн и балок, упругая неразрывность во фланцевых поверхностях обеспечивается только жесткостью балок к напряжениям сдвига. Эта жесткость явно ниже, чем жесткость цельной трубы. Колонны в центральных зонах обеих решеток могут, таким образом, уклоняться от деформаций, возникающих от нормальных усилий. Этот эффект называют "запаздыванием сдвига" (shear lag), и он ведет к большему напряжению в угловых колоннах. В случаях, когда центральный ствол отдельного здания слишком узок для принятия горизонтальных нагрузок, его соединяют с другим центральным стволом или с колоннами фасада, используя дополнительные фермы - аутригеры. Обычно фермы-аутригеры встраивают в технические этажи, чтобы не создавать ограничений в использовании площади пола. Высокая жесткость несущих элементов и их соединений с колоннами фасада означает, что аутригеры способны возвращать деформированный центральный ствол в вертикальное положение и таким образом уменьшать горизонтальную деформацию здания.

Самое высокое в мире здание - "Петронас Тауэр" в Куала-Лумпуре - также было построено с использованием аутригеров, жестко соединенных с центральным ядром и с мегаколонами, спрятанными за фасадом.

Обобщающим моментом для выбора несущих конструкций высотных зданий является их этажность. Стеновые жестко-рамные системы (включая панельные) эффективны для зданий до 20 этажей. Дальнейшее ограничение жесткости для этих систем связано с резким увеличением массивности зданий и негибкостью планировочных решений. Далее до 40-45 этажей "рубашка" здания превращается либо в перфорированный фасад, либо в универсальное решение со структурой, соединенной с внешним несущим каркасом здания (наружной трубой), заполненной навесными однослойными или двухслойными фасадами. Выше 45 этажей последнее решение применяется в подавляющем большинстве случаев.

Усиление здания системами центрального ствола, трубными или консольно-балочными системами позволяет создавать высокоэффективные объекты, отвечающие любым архитектурным запросам. 200-этажные меганебоскребы высотой до 600 метров казались утопией в начале 1990-х годов. Теперь они принимают конкретные формы.

 Использование несущей системы в виде балки с коробчатым сечением (центральным стволом) является сегодня высокоэффективным архитектурно-конструктивным решением для высотных зданий. Фасады проектируются как съемные панели и связываются по углам. Образованная таким образом труба дополнительно раскрепляется при помощи панелей перекрытий. Такая система идеально подходит для круглых планов, где отсутствует проблема связанных углов. По функциональным причинам, тем не менее, квадратные или почти квадратные планы также с успехом реализуются при использовании такой системы.