Особенности объемно-планировочных и конструктивных решений стальных каркасов высотных зданий

а) Как отмечено в [1], при разработке объемно-планировочных и конструктивных решений многоэтажного здания и систем его инженерно-                                                                  

го обслуживания необходим комплексный учет функциональных, эстетических, технических и экономических требований. Эти же требования учитываются и при проектировании высотных зданий. При этом помещения, близкие по назначению и размерам, размещают в типовых этажах здания, а входные узлы и крупные залы – в нетиповых. Инженерное оборудование устанавливают в технических этажах. Для прокладки инженерных коммуникаций используют вертикальные шахты, горизонтальные каналы в пределах габаритов колонн и строительных высот перекрытий. Число технических этажей зависит от числа этажей в здании. Согласно [3], технические этажи по возможности совмещают с этажами жесткости и располагают:

– для зданий высотой H = 60 этажей – на середине высоты здания и вверху;

– для зданий высотой H = 50 этажей – на расстоянии 3/5 Н от уровня земли (» 32 этаж) и в уровне 8-го этажа. Однако число технических этажей может потребоваться больше, чем этажей жесткости, так как число первых определяется требованиями по размещению инженерного оборудования и противопожарными нормами.

б) В соответствии с действующими нормами противопожарные мероприятия по предупреждению и локализации пожара и эвакуации людей должны быть учтены в объемно-планировочном решении здания: размеры противопожарных отсеков, эвакуационные пути и выходы, незадымляемые лестницы и лифтовые холлы, материалы ограждающих и несущих конструкций и способы обеспечения их требуемой огнестойкости.

в) Конструктивное решение высотного здания, разрабатываемое в тесной  связи  с  решением  объемно-планировочных  задач и систем инженерного обслуживания, должно удовлетворять требованиям надежности и долговечности, технологичности конструкций для изготовления и монтажа, требованиям экономичности.

Значимость рационального обеспечения всех перечисленных требований возрастает с увеличением высоты здания.

Главное назначение несущих конструкций здания состоит в обеспечении его прочности, устойчивости, жесткости, как в период строительства, так и в течение всего срока эксплуатации на действия разнообразных статических и динамических нагрузок. В конструктивной системе здания можно выделить две основные группы несущих конструкций: горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные конструкции: железобетонные плиты, стальные балки перекрытий, горизонтальные связи, - обеспечивают неизменяемость каркаса в плане и передают нагрузки с перекрытий на вертикальные конструкции, а также участвуют в пространственной работе всего каркаса.

Вертикальные конструкции: колонны, рамы, диафрагмы, стволы жесткости, этажи жесткости, - выполняют в каркасе главные функции по восприятию всех нагрузок, усилий от них и передаче этих усилий на фундаменты. При этом по стоимости конструкций «в деле» важное значение приобретает анализ выбираемого материала для них (сталь, железобетон). Так, в зданиях высотой > 30 этажей стальные несущие конструкции имеютряд преимуществ по сравнению с железобетонными:

– относительно меньший вес, позволяющий снижать расходы на фундаменты;

– возможность членения конструкций на монтажные марки крупных размеров;

– ускорение возведения зданий;

– конструктивные удобства для крепления ограждающих конструкций;

– меньшие габариты колонн, увеличивающие полезные площади помещений;

– возможности создания большепролетных перекрытий, допускающих свободную планировку помещений.

Основные недостатки несущих стальных конструкций: малая огнестойкость и подверженность коррозии, - эффективно устраняются с помощью защитных мероприятий с увеличением стоимости здания на (1-2)%.

Железобетон в высотных зданиях эффективнее стали при числе этажей ≤ 30.

В ряде случаев в зависимости от этажности экономичные конструктивные решения получаются при сочетании положительных свойств стали и железобетона. В смешанных решениях одни несущие элементы выполняются из стали, другие – из железобетона (монолитного). При этом эффективно применение трубобетонных и железобетонных конструкций с жесткой арматурой в монолитном исполнении.

г) Важная роль в снижении горизонтальных перемещений стального каркаса отводится этажам жесткости. В [3] приведены результаты численного эксперимента вариантов размещения этажей жесткости:

– рациональное положение первого этажа жесткости зависит от высоты (Н) здания и равно от верха фундамента высотного здания;

– заметное уменьшение относительных горизонтальных перемещений дает расположение этажа жесткости на верхнем этаже высотного здания:

= для зданий высотой 45 этажей (»180 м) уменьшение перемещений составляет ≤ 24%;

= для зданий высотой 60 этажей (»240 м) – уменьшение перемещений составляет ≤ 18%;

= для зданий высотой 75 этажей (»300 м) – уменьшение перемещений составляет ≤ 13%;

- рациональное расположение второго этажа жесткости находится в зоне расположения первого, т.е. с точки зрения повышения жесткости здания по [3] вместо двух этажей жесткости (в разных уровнях) выгоднее устанавливать один этаж жесткости большей высоты (может быть двухэтажный). В этом случае уменьшение относительного горизонтального перемещения по сравнению с одним этажом жесткости по данным [3] составило дополнительно:

= для зданий высотой 75 этажей – 8% (т.е. ≤ 21%);

= для зданий высотой 60 этажей – 11% (т.е. ≤ 29%);

= для зданий высотой 45 этажей – 15% (т.е. ≤ 39%), - в зависимости от формы плана высотного здания.

– вместо устройства сложной системы этажей жесткости (двухэтажных) может оказаться более выгодным вариант увеличения момента инерции ядра жесткости каркаса.

Таким образом, рациональное размещение этажей жесткости и технологических этажей для размещения оборудования находится в некотором противоречии. Более подробно о влиянии этажей жесткости на горизонтальные перемещения высотных зданий можно ознакомиться в       [3, с. 158 - 172].