Многоэтажные здания высотой более 21 м или здания высотой от 21 до 29 этажей с неизвестной высотой называются высотными сооружениями. При строительстве высотных зданий могут использоваться различные конструктивные системы.
В этой статье представлены различные типы структурных систем высотных зданий.
Типы структурных систем высотных зданий
1. Конструктивная система с консольной рамой
- Консольные рамы – это консольные вертикальные фермы, сопротивляющиеся боковым нагрузкам в основном диагональными элементами, которые вместе с балками образуют “полотно” вертикальной фермы, а колонны выступают в качестве “хорды”.
- Консоли устраняют изгиб балок и колонн.
Различные типы кронштейнов
Используется в стальных конструкциях
Эта система подходит для многоэтажных зданий малой и средней высоты.
эффективная и экономичная для повышения боковой жесткости и сопротивления жесткой каркасной системы.
Эта система позволяет использовать тонкие элементы в здании.
Выдающимся преимуществом консольной рамы является то, что она может повторяться по высоте здания с очевидной экономией при проектировании и изготовлении.
Однако это может помешать внутренней планировке и расположению дверей и окон. Поэтому она должна быть встроена внутрь здания вместе с линиями стен и перегородок.
Рамная конструкция
2. Жесткая рамная конструктивная система
В жесткой рамной конструкции балки и колонны построены монолитно, чтобы выдерживать моменты, возникающие под действием нагрузок.
Поперечная жесткость жесткой рамы зависит от изгибной жесткости колонн, балок и соединений в плоскости.
Она подходит для железобетонных зданий.
Ее можно использовать и в стальных конструкциях, но соединения будут дорогостоящими.
Одним из преимуществ жестких рам является возможность планирования и установки окон благодаря открытому прямоугольному расположению.
Элементы жесткой каркасной системы выдерживают изгибающий момент, сдвигающую силу и осевые нагрузки.
С помощью жесткой каркасной системы можно строить 20-25-этажные здания.
Преимущества жесткой рамы включают простоту строительства, рабочие могут легко освоить строительные навыки, быстрое строительство и экономичное проектирование.
Максимальный пролет балок составляет 12,2 м, при большем пролете балки будут испытывать боковой прогиб.
Недостатком является то, что собственный вес сопротивляется действию жестких рам.
Наконец, Бурдж Аль Халифа, которое является самым высоким сооружением в мире, построено с использованием жесткой рамной системы.
Жесткая рамная структурная система
3. Стеново-каркасная система (двойная система)
Она состоит из стены и рамы, которые взаимодействуют по горизонтали, обеспечивая более прочную и жесткую систему.
Стены обычно сплошные (не перфорированные проемами) и могут располагаться вокруг лестничных клеток, лифтовых шахт и/или по периметру здания.
Стены могут положительно влиять на эксплуатационные характеристики каркаса, например, предотвращая мягкое обрушение этажей.
Стеново-каркасная система подходит для зданий с этажностью от 40-60 этажей, что больше, чем у сдвиговых или жестких каркасов в отдельности.
Консольные рамы и стальные жесткие рамы обеспечивают аналогичные преимущества горизонтального взаимодействия.
стеновая каркасная система
4. Система сдвиговых стен
Это непрерывная вертикальная стена, построенная из железобетона или каменной кладки.
Стены сдвига выдерживают как гравитационные, так и боковые нагрузки и действуют как узкая глубокая консольная балка.
Обычно строятся в качестве основы зданий.
Она хорошо подходит для укрепления высоких зданий из железобетона или стальных конструкций. Это объясняется тем, что сдвиговые стены обладают значительной жесткостью и прочностью в плоскости.
Система сдвиговых стен подходит для гостиниц и жилых зданий, где поэтажное повторное планирование позволяет сделать стены вертикально непрерывными.
Она может служить отличным акустическим и противопожарным изолятором между комнатами и квартирами.
Конструктивная система со сдвиговыми стенами может быть экономичной при строительстве зданий высотой до 35 этажей.
Стригущие стены не обязательно должны быть симметричными в плане, но симметрия предпочтительна, чтобы избежать эффекта кручения.
система сдвиговых стен
5. Конструктивная система ядра и аутригера
Аутригеры – это жесткие горизонтальные конструкции, предназначенные для повышения жесткости и прочности здания при опрокидывании путем соединения ядра или позвоночника с близко расположенными внешними колоннами.
Центральное ядро содержит стены сдвига или рамы со скобами.
Системы аутригеров функционируют путем объединения двух структурных систем (основной системы и системы периметра), и заставляют здание вести себя почти как составная консоль.
Аутригеры имеют форму стен в железобетонных зданиях и ферм в стальных конструкциях.
Многоуровневые системы аутригеров могут обеспечить в пять раз большее сопротивление моменту, чем одиночная система аутригеров.
Практически, системы аутригеров используются для зданий высотой до 70 этажей. Тем не менее, она может быть использована и для более высоких зданий.
Система аутригеров не только снижает деформации здания, возникающие в результате опрокидывающих моментов, но и достигается большая эффективность в сопротивлении силам.
Система аутригерных конструкций
6. Заполненная каркасная конструктивная система
Заполненная каркасная конструктивная система состоит из каркаса из балок и колонн, некоторые пролеты которого заполнены каменной кладкой, железобетонными или блочными стенами.
Наливные стены могут иметь частичную высоту или полностью заполнять каркас.
Стены могут быть связаны или не связаны с опалубкой.
Большая в плане жесткость и прочность стен предотвращает изгиб балок и колонн под действием горизонтальных нагрузок. В результате улучшаются конструктивные характеристики каркаса.
Во время землетрясения в заполнителях образуются диагональные стойки сжатия, поэтому конструкция ведет себя скорее как рама с консолями, чем как рама момента.
С ее помощью можно строить до 30-этажных зданий.
Система каркасной конструкции с заполнением
7. Конструктивная система из плоских плит и плоских перекрытий
Эта система состоит из перекрытий (плоских или плитных), соединенных с колоннами (без использования балок).
Плоская плита – это двухсторонняя железобетонная каркасная система, использующая плиту равномерной толщины, простейшую конструктивную форму.
Плоская плита представляет собой двусторонне усиленную конструктивную систему, которая включает в себя либо опускные панели, либо капители колонн для сопротивления большим нагрузкам и, таким образом, позволяет увеличить длину пролетов.
Боковое сопротивление зависит от изгибной жесткости компонентов и их соединений, при этом плита соответствует балкам жесткой рамы.
Подходит для зданий высотой до 25 этажей.
Система конструкций с плоскими плитами и плоскими перекрытиями
8. Трубчатая конструктивная система
Эта система состоит из наружных колонн и балок, которые создают жесткую раму, и внутренней части системы, которая представляет собой простую раму, предназначенную для восприятия гравитационных нагрузок.
Здание ведет себя как эквивалентная полая труба.
Оно существенно экономично и требует в два раза меньше материалов, чем при строительстве обычных каркасных зданий.
Боковые нагрузки воспринимаются различными соединениями, жесткими или полужесткими, дополненными, при необходимости, элементами жесткости и фермами.
Она используется для строительства зданий высотой до 60 этажей.
Типы систем трубчатых конструкций включают рамную трубчатую систему (рис.9), ферменную трубчатую систему (рис.10), связную трубчатую систему (рис.11) и систему “труба в трубе” (рис.12).
Ферменная трубчатая система образуется при добавлении внешней арматуры для придания конструкции жесткости. Этот тип конструкции подходит для зданий высотой до 100 этажей.
Система “труба в трубе” состоит из соединенных труб и выдерживает большие нагрузки.
Система “труба в трубе” (сердечник корпуса) получается, если сердечник помещен внутрь трубчатой каркасной конструкции.
Каркасная система трубчатых конструкций
Ферменная трубчатая система
Система трубчатых конструкций в пучках
Система “труба в трубе
9. Система сопряженных стен
Эта система состоит из двух или более взаимосвязанных сдвиговых стен.
Стенки сдвига, соединенные на уровне пола балками или жесткими перекрытиями.
Жесткость всей системы намного больше, чем жесткость ее компонентов.
Устойчивые к сдвигу соединительные элементы заставляют комплекты стен вести себя частично как составная консоль, изгибаясь вокруг общей центроидальной оси стен.
Система подходит для зданий высотой до 40 этажей.
Поскольку плоскостные сдвиговые стены воспринимают нагрузку только в своей плоскости, стены в двух ортогональных направлениях должны выдерживать боковые нагрузки в двух направлениях.
Объединенная система стен
10. Гибридная конструктивная система
Это комбинация двух или более основных структурных форм либо путем прямого сочетания, либо путем использования различных форм в различных частях конструкции.
Недостаточная жесткость на кручение требует принятия дополнительных мер, что привело к появлению одного пролета вертикальной наружной арматуры и нескольких уровней периметральных “бандажей” vierendeel
Каркас из вирендееля
Может использоваться для зданий высотой до 300 м.
Согласно китайскому кодексу (JGJ3-2002), гибридная система может быть использована для строительства зданий высотой не более 150 м в сейсмических районах.
Гибридная система конструкции