Особенности компоновки каркаса по высоте здания

Пространственная композиция здания по высоте может оказывать различное влияние на работу конструкций каркаса от горизонтальных ветровых нагрузок:

– в зданиях с планом прямоугольной ступенчатой формы по высоте уменьшение поверхности в верхней части здания приводит к снижению

Рис. 3.6.1а, б, в, г, д, е

Варианты компоновки ячеек

балочных перекрытий:

1 – главная балка (ригель);

2 – второстепенная балка;

3 – балка настила;

L₁ – пролет главной балки;

L₂ – пролет второстепенной

   балки;

В₂ – шаг второстепенных балок

 

Рис. 3.6.2 а. Вариант 1 компоновки перекрытия в системе с внутренним центральным стволом и внешними колоннами

1 – внешние колонны;

2 – главные балки между колоннами;

3 – главные балки от колонн до центрального ствола;

4 – второстепенные балки;

5 – центральный ствол;

6 – балки центрального ствола

 

 

1 - центральный ствол;

2 – горизонтальные связи;

3 – главные балки;

4 – второстепенные балки;

5 – колонны внешней пространственной рамы

 

Рис. 3.6.2 б. Вариант 2 компоновки перекрытия в системе с центральным стволом и внешней пространственной рамой

 

расчетных усилий и горизонтальных перемещений от нормативных ветровых нагрузок и сейсмических воздействий;

– в зданиях пирамидальной формы, в которых колонны имеют наклон внутрь каркаса внешних граней здания, существенно повышается горизонтальная жесткость. Так, при и отношении  горизонтальные перемещения снижаются на 25…30%;

– цилиндрическая форма здания по высоте обеспечивает меньшую поверхность сопротивления ветровому напору. В таких зданиях давление ветра снижается на 20…40% по сравнению с расчетными значениями для аналогичных зданий прямоугольной формы [1, 4];

– здания эллиптической формы обладают теми же преимуществами, что и цилиндрические;

– треугольная призма со скошенными углами [4, рис.V,1, с.120; рис. VII.3.м, с.188] является еще одной эффективной конфигурацией высотного здания. Из построенных в форме такой призмы – 78-этажное треугольное в плане здание [4, рис. VII.3, м], которое имеет открытые наружные колонны коробчатого сечения, расположенные с шагом 11,9 м и связанные коробчатыми ригелями в уровне каждого 3-го перекрытия, образуя внешнюю оболочку, и треугольный в плане внутренний ствол для инженерных коммуникаций (одновременно – ствол жесткости). Ствол жесткости имеет диагональные связи через три этажа с наружным контуром колонн, а верхняя пространственная рама связывает наружный контур колонн и верх ствола жесткости. Здание составлено из ряда 3-х этажных конструкций, в которых каждое третье перекрытие является основным и сопряжено с наружным контуром колонн. Вспомогательные перекрытия поддерживаются стволом жесткости и балками перекрытий вблизи наружного контура колонн.

Таким образом, в компоновке каркаса по высоте определяющая роль принадлежит колоннам. Их общий вес по данным [3] может составлять до 60% общего веса здания. Поэтому окончательное решение о форме сечения колонн и типа профиля должно приниматься после анализа таких фактов, как:

– минимальный расход стали и минимальная занимаемая площадь колонн на этаже;

– минимальная трудоемкость изготовления;

– максимальная возможность типизации поперечных сечений колонн в пределах здания;

– простые узлы стыковки колонн по высоте, узлы изменения поперечных сечений;

– выбор марок сталей для колонн с учетом современных тенденций развития проката.

Другим не менее важным компонентом в компоновке каркаса по высоте здания являются основание и фундамент. Они воспринимают нагрузки (и усилия от них) от всего здания и оказывают решающее влияние на его надежность и эксплуатационную пригодность. Выбор фундаментов определяется инженерно-геологическими условиями площадки строительства, конструктивной схемой здания и схемой приложения и значениями нагрузок (усилий), а также эксплуатационными требованиями и другими ограничениями. Конструкции фундаментов высотных зданий выполняют в виде железобетонных плоских плит под всем зданием толщиной в пределах 1…3 м; железобетонных ребристых плит с меньшей толщиной плитной части и развитыми по высоте ребрами; коробчатых одно- и многоярусных. Глубина заложения фундамента зависит от геологических условий и архитектурно-конструктивных решений подземной части здания и может составлять 4…6 м (в отдельных случаях – 15…25 м).

В свайных фундаментах применяют сваи, заглубленные в материковый грунт: забивные, буронабивные: призменные и с уширенной пятой. Верхние концы свай объединяют ростверком, на который устанавливают общую монолитную плиту. Современные тенденции по проектированию фундаментов высотных зданий выражены в [11, с. 32] применении свайно-плитных фундаментов, снижающих осадки; в использовании надфундаментного пространства для гаражей, что является весьма удобным для жителей высотного дома и снижает экономические затраты на строительство отдельных гаражей вне территории высотного здания.

Из ограждающих конструкций важное значение отводится наружным стенам. Стены высотных зданий обеспечивают теплотехнические, санитарно-гигиенические и эстетические функции. Как правило, в каркасных высотных зданиях несущая способность стен обеспечивается в пределах одного этажа без участия их в общей работе несущей системы. Но наружные стены в пределах каждого этажа должны воспринимать собственный вес, ветер, температурные воздействия, передавая их на каркас здания. Это позволяет унифицировать стеновые ограждения, применять для них легкие материалы, улучшающие композиционные возможности для архитектурного оформления зданий. Для обеспечения пространственной надежности наружных стен высотных зданий от воздействия ветровых и сейсмических нагрузок используют стальные связи в форме вертикальных и горизонтальных рам. Как показано в [4], связевые системы для наружных стен могут быть двух типов:

– горизонтальные ячейки, повторяющиеся по всей высоте здания или частично;

– вертикальные связи в виде диагоналей, располагаемых по всей поверхности наружных стен. Для внутренних стен и перегородок применяют легкобетонные панели со стальным каркасом; металлические обшивки с внутренним тепло- и звукоизоляционным слоем.

Стены подвергаются неблагоприятным воздействиям вынужденных перемещений от горизонтальных деформаций каркаса здания, которые следует учитывать при их проектировании путем устройства швов из мягкого материала на стыках с потолками и полами, в вертикальных углах пересечений стен. Важное значение для высотных зданий имеют фасадные конструкции. Особенности проектирования и расчета фасадных конструкций связаны с ветровой нагрузкой. Различают глобальную ветровую нагрузку на фасад и локальную аэродинамическую. Локальная нагрузка, как отмечено в монографии [11, с.99…100], может достигать до 500 кгс/м², в то время как глобальная – только до 150 кгс/м². Поэтому оба вида ветровой нагрузки имеют значение для проектирования элементов крепления оконных проемов фасада и остекления переплетов. Таким образом, активное давление ветра с наветренной стороны на фасад и отрицательное давление на внутреннюю и их распределение на термостекла являются важным фактором для создания безопасного состояния застекленных окон от ветрового воздействия.