Каковы основные конструктивные особенности высоких сооружений? - Строительство и ремонт

Высокий каркас – это структурная система, разработанная для противостояния боковым силам, возникающим в результате ветра или землетрясений, с учетом критериев прочности, смещения и удобства для жильцов.

Высокие каркасы не являются новинкой для любой территории мира, поскольку эта форма архитектуры существует уже много веков. Несколько исторических памятников, таких как пирамида Хуфу, храм Йонгнинг, храм Хвангрюнгса и т.д., являются свидетельством такого архитектурного чуда.

Область гражданского строительства стала свидетелем многочисленных достижений и постоянно развивается, чтобы адаптироваться к современным требованиям. Развитие в области стиля и строительства высоких сооружений является одним из таких революционных скачков, заметных широким массам.

Основные конструктивные особенности высоких сооружений

При проектировании высоких сооружений учитываются такие основные характеристики, как нагрузка, прочность, устойчивость, долговечность и т.д. следует уделить должное внимание, о чем речь пойдет ниже:

1. Нагрузка

Вертикальные нагрузки, т.е. мертвые и живые, не вызывают проблем при проектировании, поскольку они в основном детерминированы по своей природе. Однако боковые нагрузки, возникающие в результате ветров или землетрясений, усложняют проектирование. Эти боковые силы могут создавать жизненно важные напряжения в конструкции, задавать нежелательные вибрации или создавать чрезмерные боковые колебания конструкции, что требует особых соображений.

Разработки в области проектирования многоэтажных конструкций подчеркнули важность ограничения бокового раскачивания, а также активности боковых нагрузок. Стенка сдвига, в отличие от обычных негибких каркасов, минимизирует боковое раскачивание конструкции. Хорошо спроектированная стена сдвига обеспечивает структурную безопасность и защиту неструктурных элементов, таких как подвесные потолки, стеновые панели и т.д., от сейсмических воздействий.

Резервуар для воды, подверженный гравитационным и ветровым нагрузкам.

2. Прочность

Важнейшим аспектом проектирования высоких конструкций является их прочность, позволяющая выдерживать и сохранять устойчивость при наихудшем возможном сочетании нагрузок, которые могут возникнуть в течение всего срока службы конструкции, включая период строительства.

Кроме того, в критерии прочности конструкции должны быть включены деформации, вызванные контролируемыми дифференциальными воздействиями, такими как ползучесть, усадка или температура.

3. Устойчивость

Высокие сооружения должны обладать присущей им устойчивостью основания из-за сочетания вертикальных и боковых сил. Таким образом, они должны быть построены так, чтобы обеспечить применение простого правила, согласно которому результирующая сила проходит в пределах одной трети основания, в результате чего результирующее напряжение основания становится сжимающим.

Необходимо учитывать условие равновесия, чтобы установить, что рассчитанные боковые силы не должны опрокидывать всю конструкцию из-за движения жесткого тела относительно одного края основания. Аналогично, момент сопротивления собственного веса конструкции должен быть больше опрокидывающего момента с соответствующим коэффициентом безопасности.

4. Прочность

Конструкции, построенные с использованием правильных материалов и методов, будут более прочными и устойчивыми по сравнению с базовым зданием меньшего размера, построенным без учета кодовых положений и с использованием необученной рабочей силы.

Долговечность железобетона зависит от следующих факторов в дополнение к качеству материала и конструкции:

1) Химические вещества, создающие коррозионное воздействие
2) Проницаемость или пористость бетона
3) Усадка
4) Покрытие бетона сталью
5) Затвердевание бетона
6) Тепловое воздействие
7) Акустическое воздействие, а также воздействие замораживания и оттаивания (для холодных мест)

5. Ограничения по жесткости и дрейфу

Обеспечение соответствующей жесткости, особенно боковой, является жизненно важным для предотвращения возможного прогрессирующего разрушения. Одной из прямых характеристик, позволяющих оценить боковую жесткость конструкции, является индекс смещения. Индекс дрейфа определяется как отношение максимального прогиба в верхней части здания к общей высоте.

По этой причине установление ограничения на индекс сноса является важным выбором при проектировании, который зависит от таких факторов, как использование здания, тип здания, используемый материал, ветровые нагрузки и т.д. Однако для обычных конструкций подходящий диапазон составляет примерно от 1/600 до 1/300, и необходимо обеспечить достаточную жесткость, чтобы верхний прогиб не превышал этого значения при любой возможной комбинации нагрузок.

Влияние боковой силы на высокую конструкцию с боковой жесткостью и без нее.

6. Взаимодействие грунта и конструкции

Гравитационные и боковые силы, действующие на здание, передаются на грунт под зданием через фундамент. Основной проблемой инженера-конструктора является влияние разрушения фундамента и оседания конструкции.

В случае высоких зданий нагрузка, передаваемая колоннами, может быть очень большой из-за их высоты. Если хорошая порода или жесткий грунт залегают на большой глубине, фундаменты могут быть расположены на большей глубине с использованием свай или кессонных фундаментов. В этом случае проблем обычно не возникает, поскольку огромные различия в нагрузке на колонны и расстоянии между ними могут быть сбалансированы с минимальным дифференциальным оседанием.

В местах с бедным грунтом нагрузки на элементы фундамента должны быть ограничены, чтобы избежать разрушения от сдвига или экстремальной дифференциальной осадки. Облегчение может быть достигнуто путем выемки грунта, равного значительной части общего веса конструкции.

Особое внимание необходимо уделить проектированию фундаментной системы для выдерживания моментов и сдвигов. Это важно, особенно когда предварительного сжатия за счет собственного веса конструкции недостаточно для преодоления растягивающих напряжений и напряжений от ветровых моментов, вызывающих подъем конструкции.

Свайный фундамент для высотных зданий.

7. Результаты измерения уровня ползучести, усадки и температуры

В высоких бетонных конструкциях вертикальные моменты, вызванные ползучестью и усадкой, могут быть достаточно большими, чтобы вызвать деформации в неструктурных частях и вызвать значительные структурные действия в горизонтальных компонентах и верхней части конструкции. Дифференциальные действия из-за ползучести и усадки должны быть проанализированы в архитектурных деталях на ранней стадии проектирования.

В конструкциях с частично или полностью открытыми наружными колоннами между наружными и внутренними колоннами могут возникать значительные перепады температур. Любое ограничение их относительной деформации приведет к возникновению напряжения и деформации в соответствующих элементах.

Оценка таких действий требует знания дифференциальных температурных уровней. Это позволит оценить беззатратные тепловые изменения, которые произошли бы в отсутствие ограничения. Следовательно, результирующие тепловые напряжения и деформации могут быть рассчитаны с помощью обычного упругого анализа.

8. Огонь

Пожар следует рассматривать как ключевой фактор в процессе проектирования высоких сооружений. Уровень и период температуры можно оценить на основе знания основных критериев, особенно количества и характера горючего продукта.

Механические свойства материалов, а именно модуль упругости, жесткость и прочность, могут быстро разрушаться при повышении уровня температуры, а также значительно снижается устойчивость к нагрузкам. Уровень температуры, при котором происходит прогиб или обрушение, зависит от используемых материалов, характера конструкции и условий нагрузки.

Повреждения в результате пожара в высоких зданиях

9. Требования к комфорту человека

Если боковой или крутильный прогиб возникает в конструкции из-за колебаний ветровой нагрузки, то возникающие колебания могут вызвать дискомфорт у жильцов здания. Движения, оказывающие психологическое воздействие на жильцов, могут привести к тому, что подходящее в других отношениях сооружение останется нежелательным и даже непригодным для аренды.

Общеизвестно, что ускорение является основным фактором, определяющим реакцию человека на резонанс, в то время как такие элементы, как продолжительность, амплитуда, ориентация тела, визуальный и даже прошлый опыт могут оказывать влияние. Поэтому предельные контуры могут обеспечить многочисленные ограничения для поведения человека в плане ускорения и периода.

Часто задаваемые вопросы:

Чем обусловлена потребность в высоких сооружениях?

Факторами, которые способствуют возникновению потребности в высоких сооружениях, являются:
(i) Нехватка земли
(ii) нехватка средств
(iii) Архитектурные требования
(iv) Рост стоимости земли
(v) Резкий рост численности населения

С ростом урбанизации строительство высоких сооружений приобретает массовый характер. Существует несколько аспектов, которые ограничивают высоту высоких зданий. В отдельных городах строительные нормы и правила, а также муниципальные подзаконные акты устанавливают максимальную высоту, до которой можно возводить строения, а в некоторых местах фундамент может оказаться неудовлетворительным для поддержки многоэтажных зданий.

Каковы требования к бетону и стали при строительстве высоких сооружений?

Сталь дороже бетона, соотношение затрат варьируется от 60 до 90, в то время как коэффициент эквивалентной прочности составляет от 15 до 20. Почти все высотные здания строятся из железобетона с использованием деформированных стержней с высоким пределом текучести. Прочность используемого бетона варьируется от M20 до M35, а прочность несущих стержней составляет 415 Н/мм2. Кроме колонн, в нижних этажах высотных зданий доля арматуры, используемой во многих элементах конструкций, должна составлять менее 2%. Доля арматуры в балках и перекрытиях должна составлять около одного процента.

Читайте далее: