A высотное это высокое здание или сооружение.
- -Здания высотой от 75 до 491 фута (от 23 до 150 м) считаются высотными. Здания высотой более 492 футов (150 м) классифицируются как небоскребы.
- Материалы, используемые в конструктивной системе высотных зданий, – железобетон и сталь. Большинство американских небоскребов имеют стальной каркас, в то время как жилые многоэтажки обычно строятся из бетона.
- Высотные сооружения имеют определенные особенности. Высокие конструкции приводят к более высоким вертикальным нагрузкам и более высоким боковым нагрузкам (в основном из-за ветровой нагрузки) по сравнению с более низкими зданиями.
НАГРУЗКИ НА ВЫСОТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Вертикальные нагрузки
Мертвые нагрузки возникают от веса отдельных элементов конструкции и финишных нагрузок.
Живая нагрузка зависит от использования в зависимости от количества этажей; живая нагрузка может быть уменьшена для передачи нагрузки и определения размеров вертикальных несущих элементов.
– Однако снижение общей живой нагрузки на элемент конструкции не должно превышать 40%.
Горизонтальные нагрузки
Расчет боковых нагрузок должен быть тщательно изучен.
Как правило, они возникают при неожиданных прогибах, ветровых и сейсмических нагрузках.
Неожиданные прогибы
Возникают из-за неточности при изготовлении строительных элементов и более крупных деталей.
Другой причиной является неравномерное оседание фундамента на неоднородном участке.
Любой прогиб создает дополнительные боковые силы.
Ветровые нагрузки
Высотные здания подвержены колебаниям. Их не следует рассматривать как статически эквивалентные нагрузки, а необходимо исследовать в аспекте поведения при колебаниях.
Эксперименты в аэродинамической трубе используются для того, чтобы увидеть влияние формы здания на ветровую нагрузку.
Необходимо также учитывать способность ветровой нагрузки приводить здание к колебаниям. Это колебание приводит как к ощутимому боковому ускорению для людей, так и к максимальному боковому прогибу.
Нагрузки при землетрясении
Определение
Сейсмология (от греческого seismos= землетрясение и logos= слово)
научное изучение землетрясений
Распространение упругих волн через Землю.
изучение последствий землетрясений, таких как цунами
различные сейсмические источники, такие как вулканические, тектонические, океанические, атмосферные и искусственные процессы, такие как взрывы.
Землетрясение
Производит различные типы сейсмических волн.
Они проходят сквозь горные породы и обеспечивают эффективный способ получения изображений как источников, так и структур, находящихся глубоко в недрах Земли.
Сейсмические волны
Существует три основных типа сейсмических волн в твердых телах:
P-волны
\S-волны
P- и/или S-волны.
Два основных вида поверхностных волн (Рэлея и Любви).
Волны давления,/Первичные волны /P-волны,
Движутся с наибольшей скоростью внутри твердых тел и поэтому являются первыми волнами, появляющимися на сейсмограмме.
P-волны являются фундаментальными возмущениями давления, которые распространяются через материал путем попеременного сжатия и расширения (дилатации) среды, где движение частиц параллельно направлению распространения волны.
Волны сдвига/вторичные волны/S-волны,
Поперечные волны, которые распространяются медленнее, чем Р-волны, и поэтому появляются на сейсмограмме позже, чем Р-волны.
Движение частиц перпендикулярно направлению распространения волн. Сдвиговые волны не существуют в жидкостях, таких как воздух или вода.
Тип высотного сооружения
Консольная рама
Жесткая каркасная конструкция
Заполненная каркасная конструкция
Конструкция с плоской плитой и плоским перекрытием
Конструкция сдвигаемой стены
Конструкция сопряженной стены
Конструкция стеновой рамы
Рамная трубчатая конструкция
Ферменная труба
Труба в трубе или конструкция с корпусным сердечником
Конструкция из труб в пучках
Система сердечника и аутригеров
Гибридная конструкция
Консольная рама
Консольные рамы – это консольные вертикальные фермы, сопротивляющиеся боковым нагрузкам в основном за счет осевой жесткости элементов рамы.
Эффективность системы, характеризующаяся высоким отношением жесткости к количеству материала, признана для многоэтажных зданий в диапазоне от низкой до средней высоты.
Считается исключительно стальной системой, поскольку диагонали неизбежно подвергаются растяжению для или в других направлениях боковой нагрузки.
Способность создавать очень жесткую в поперечном направлении конструкцию при минимальных затратах дополнительного материала делает ее экономичной конструктивной формой для зданий любой высоты, вплоть до самых высоких.
Преимущества:-
Балки принимают минимальное участие в боковом армировании – конструкция каркаса перекрытия не зависит от его уровня в конструкции.
Может повторяться по высоте здания с очевидной экономией при проектировании и изготовлении.
Недостатки:-
Мешают внутренней планировке и расположению окон и дверей; по этой причине скобообразные изгибы обычно включаются внутрь вдоль линий стен и перегородок, особенно вокруг лифтов, лестниц и шахт обслуживания; – Диагональные соединения дороги в изготовлении и монтаже.
Башня ACT, Химацу, Япония
Жесткая рамная конструкция
Состоит из колонн и балок, соединенных соединениями, устойчивыми к моментам. Боковая жесткость жесткой рамной конструкции зависит от изгибной жесткости колонн, балок и соединений в плоскости изгибов. Идеально подходит для железобетонных зданий из-за жесткости, присущей железобетонным соединениям. Также используется для зданий со стальным каркасом, но соединения с сопротивлением моменту в стали, как правило, дорогостоящие. В то время как жесткие рамы типичного масштаба, которые служат только для сопротивления боковым нагрузкам, имеют экономичный предел высоты около 25 этажей, жесткие рамы меньшего масштаба в виде труб по периметру или, как правило, жесткие рамы в сочетании со сдвиговыми стенами или консольными прогибами могут быть экономичными на гораздо большей высоте.
Каркас может быть размещен в ядре или вокруг него, снаружи или внутри здания с минимальными ограничениями на планировочный модуль.
Каркас может быть архитектурно обнажен, чтобы выразить решетчатую природу структуры.
Расстояние между колоннами в каркасе с сопротивлением моменту может соответствовать расстоянию, требуемому для гравитационного каркаса. – Подходит только для зданий высотой не более 20-30 этажей; пропорции элементов и стоимость материалов становятся нецелесообразными для зданий выше этого уровня.
Рис. ВТЦ ОСАКА ЯПОНИЯ
Заполненная каркасная конструкция
Наиболее распространенная форма конструкции для высоких зданий высотой до 30 этажей Колонно-балочный каркас из железобетона, а иногда и стали, заполняется панелями из кирпичной кладки, блоков или монолитного бетона. Поскольку заполнение служит также в качестве внешних стен или внутренних перегородок, эта система является экономичным способом усиления и укрепления конструкции. Сложное интерактивное поведение заполнителя в каркасе и довольно случайное качество кладки затрудняет точное прогнозирование жесткости и прочности заполненного каркаса.
Рис. Заполненная рама.
Конструкция с плоской плитой и плоским перекрытием
Является самой простой и логичной из всех структурных форм, поскольку состоит из однородных плит, жестко соединенных с несущими колоннами.
Система, состоящая в основном из железобетона, очень экономична, поскольку имеет плоский софит, требующий самой несложной опалубки, и, поскольку софит можно использовать в качестве потолка, создает минимально возможную глубину перекрытия.
Боковое сопротивление зависит от изгибной жесткости элементов и их соединений, при этом перекрытие соответствует балкам жесткой рамы.
Особенно подходит для строительства гостиниц и квартир, где не требуется потолочное пространство и где плита может служить непосредственно в качестве потолка.
Экономична при пролетах до 25 футов (8 м), выше которых можно добавить опускающиеся панели для создания конструкции с плоским перекрытием при пролете до 38 футов (12 м).
Подходит для зданий высотой до 25 этажей.
Конструкция сдвиговой стены
Бетонные или каменные сплошные вертикальные стены могут служить как архитектурными перегородками, так и конструктивно для восприятия гравитационной и боковой нагрузки. Очень высокая жесткость и прочность в плоскости делают их идеально подходящими для армирования высоких зданий в качестве вертикальных консолей в виде отдельных плоских стен, а также в качестве не плоских узлов соединенных стен вокруг лифтовых, лестничных и служебных шахт. хорошо подходят для гостиниц и жилых зданий, где поэтажное повторное планирование позволяет сделать стены вертикально непрерывными и где они одновременно служат отличными акустическими и противопожарными изоляторами между комнатами и квартирами. Армирование на минимальную усадку там, где напряжения в стене низкие, что может быть для значительной части стены.
Растягивающее армирование для участков, где в стенах возникают напряжения растяжения, когда нагрузки от ветрового подъема превышают гравитационные нагрузки.
Сжимающее армирование с помощью стяжек, когда высокие сжимающие усилия требуют, чтобы стены проектировались как колонны. Отдельные сдвигаемые стены, например, на краю высокого здания, проектируются в виде лопастных стен или колонн, сопротивляющихся сдвигу и изгибу в зависимости от необходимости.
Высокопрочный бетон позволяет минимизировать толщину стен, тем самым максимизируя арендуемую площадь.
Существует технология закачки и укладки высокопрочного бетона на большой высоте.
Огнестойкость шахт служебных и пассажирских лифтов достигается простой укладкой бетона определенной толщины.
При этом отпадает необходимость в сложных болтовых или боковых сварных стальных соединениях.
Бетон с хорошим армированием деталей развивает примерно в два раза больше демпфирования, чем конструкционная сталь. Это преимущество используется там, где ускоренная работоспособность является критическим предельным состоянием, или для проектирования предельного состояния в сейсмоопасном районе.
Действия, которые следует рассмотреть: –
Стенка сдвига, сформированная вокруг лифтовых и служебных стояков, требует концентрации отверстий на уровне земли, где напряжения являются критическими.
На жесткость на кручение и изгиб существенно влияет количество и размер проемов вокруг сдвигаемых стен по всей высоте здания.
Вертикальные перемещения сдвиговых стен будут продолжаться в течение всего срока службы здания.
Время строительства, как правило, медленнее, чем для здания со стальной рамой.
Дополнительный вес вертикальных бетонных элементов по сравнению со стальными приведет к снижению стоимости фундамента.
Увеличение массы приведет к снижению собственной частоты и, следовательно, скорее всего, окажет негативное влияние на реакцию ускорения в зависимости от диапазона частот здания. Но системы стен сдвига обычно жесткие и вызывают компенсирующее увеличение собственной частоты.
Проблема, связанная с опалубочными системами:
Между возведением фундамента и возведением стен возникает значительный разрыв во времени из-за изготовления и возведения на месте подвижных опалубочных систем.
Время будет потеряно на тех уровнях, где стена прекращает свое существование или уменьшается в толщине, выравнивание сдвигаемых стен находится в пределах допуска.
Необходимо регулярно проводить проверку, чтобы убедиться в том, что вертикальное и крутильное выравнивание сдвигаемых стен находится в пределах допуска.
В целом, трудно добиться хорошей отделки опалубочных систем со скользящей формой, поэтому может потребоваться облицовка или другой вид отделки.
Конструкция сдвигаемой стены
Конструкция сопряженной стены
Состоит из двух или более сдвиговых стен в одной плоскости или почти в одной плоскости, соединенных на уровне пола балками или жесткими перекрытиями.
Устойчивые к сдвигу соединительные элементы заставляют наборы стен вести себя частично как составная консоль, изгибаясь вокруг общей центроидальной оси стен.
Подходит для жилых зданий, где поперечные стены, разделяющие квартиры, устойчивые к боковым нагрузкам, состоят из связанных в плоскости пар или трио сдвиговых стен, между которыми находятся коридоры или оконные проемы. Помимо использования бетонной конструкции, иногда сооружается из тяжелых стальных листов, в виде массивных вертикальных пластин или коробчатых балок, как часть стальной каркасной конструкции.
Конструкция со сдвиговыми стенами
Стеново-каркасная конструкция
Стены и рама взаимодействуют в горизонтальном направлении, особенно в верхней части, для создания более жесткой и прочной конструкции. Комбинация взаимодействующих стен и каркаса подходит для зданий в диапазоне 40-60 этажей, значительно превышая возможности жестких рам или только сдвигаемых стен.
При тщательной настройке конструкции сдвиг каркаса можно сделать приблизительно равномерным по высоте, что позволяет повторять обрамление перекрытий. Хотя стеновая каркасная конструкция обычно воспринимается как бетонная структурная форма, со сдвигаемой стеной и бетонными рамами, стальной аналог с использованием консольных рам и стальных жестких рам предлагает аналогичные преимущества горизонтального взаимодействия.
Рамы с консолями ведут себя с общей тенденцией к изгибу, взаимодействуя с режимом сдвига жестких рам.
Стеновая каркасная конструкция
Здание Majestic, Веллингтон, Новая Зеландия.
Боковая устойчивость каркасно-трубчатых конструкций обеспечивается очень жесткими рамами, устойчивыми к моментам, которые образуют “трубу” по периметру здания. Принципиальная неэффективность каркасной системы для железобетонных зданий высотой более 15 этажей приводила к тому, что пропорции элементов были непомерно большими, а стоимость конструкционных материалов – высокой, и поэтому такая система была экономически нецелесообразной. Рамы состоят из 6-12 футов (2-4 м) между центрами, соединенных глубокими распорными балками. Гравитационная нагрузка распределяется между трубой и внутренней колонной или стенами. Когда действует боковая нагрузка, периметральная рама, выровненная по направлению нагрузки, действует как “перегородки” массивной трубы консолей, а нормальные к направлению нагрузки – как “фланцы”. Трубчатая форма была разработана первоначально для зданий прямоугольного плана, и, вероятно, наиболее эффективно она используется именно в такой форме.
Подходит для железобетонных и стальных конструкций и использовалась для зданий высотой от 40 до более чем 100 этажей. С эстетической точки зрения, внешне очевидная форма трубы воспринимается со смешанным энтузиазмом; одни хвалят логику четко выраженной структуры, другие критикуют решетчатый фасад как мелкооконный и неинтересно повторяющийся. В зависимости от высоты и размеров здания расстояние между наружными колоннами должно составлять от 1,5 м до 4,5 м по центру максимум. Глубина распорных балок для обычных офисных или жилых помещений обычно составляет от 600 мм до 1200 мм. Каркасные трубы из конструкционной стали требуют сварки соединения балки с колонной для создания жесткости и непрерывности. Формирование изготовленных из дерева элементов, где вся сварка выполняется в цехе в горизонтальном положении, сделало систему стальных рамных труб более практичной и эффективной. 110-этажные башни-близнецы Всемирного торгового центра в Нью-Йорке являются примером того, как структуралистское понятие перфорированной трубы с очень близко расположенными наружными колоннами используется в архитектуре для визуального выражения вертикальности, присущей высотному зданию.
Ферменная труба:
Система ферменных труб представляет собой классическое решение для трубы, уникально подходящее для качеств и характера конструкционной стали.
Соедините все наружные колонны, чтобы сформировать жесткий короб, который может сопротивляться боковым сдвигам за счет осевых в своих элементах, а не за счет изгиба.
Внедрение минимального количества диагоналей на каждом фасаде и обеспечение пересечения диагоналей в одной точке у угловой колонны.
Система является трубчатой, так как диагонали фасции не только образуют ферму в плоскости, но и взаимодействуют с фермами на перпендикулярных гранях, влияя на поведение труб. Это создает х-образную форму между угловыми колоннами на каждом фасаде.
Относительно большое расстояние между колоннами может привести к появлению больших свободных пространств для окон, что особенно характерно для стальных зданий.
Дигитализация фасада служит для выравнивания гравитационных нагрузок на наружные колонны, которые оказывают значительное влияние на внешнюю архитектуру.
Труба в трубе или корпусно-стержневая конструкция
Этот вариант каркасной трубы состоит из внешней каркасной трубы, “корпуса”, вместе с внутренним лифтовым и сервисным ядром.
Корпус и сердечник совместно противостоят как гравитационной, так и боковой нагрузке.
Внешняя каркасная труба и внутренний сердечник взаимодействуют в горизонтальном направлении как сдвиговые и изгибающие компоненты стеновой каркасной конструкции, с преимуществом повышенной поперечной жесткости.
Структурная труба обычно играет доминирующую роль, поскольку ее структурная глубина намного больше.
Конструкции с пучками труб
Эта концепция позволяет увеличить расстояние между колоннами в трубчатых стенах, чем это было бы возможно при использовании только трубчатой формы наружного каркаса.
Такие расстояния позволяют размещать внутренние каркасные линии без серьезного ущерба для планирования внутреннего пространства.
Способность модулировать ячейки по вертикали может создать мощный словарь для разнообразных динамических форм, поэтому предлагает большую свободу действий при архитектурном планировании высокого здания.
Ядро и системы аутригеров
Аутригеры служат для уменьшения опрокидывающего момента в ядре, которое в противном случае действовало бы как чистая консоль, и для передачи уменьшенного момента на колонны вне ядра путем соединения растяжения и сжатия, которые используют преимущество увеличения плеча момента между этими колоннами.
Это также позволяет уменьшить критическое соединение мачты с килевой балкой.
В высотных зданиях это преимущество реализуется за счет уменьшения опрокидывающих моментов базового ядра и связанного с этим уменьшения потенциальных подъемных сил ядра.
В системе фундаментов такая система сердечника и аутригеров может привести к необходимости следующего:
Добавление дорогих и трудоемких каменных анкеров к “простому” варианту фундамента, такому как свайный фундамент.
Значительно увеличенные размеры и глубина грунта только для того, чтобы противостоять опрокидывающим силам.
Трудоемкие и дорогостоящие каменные гнезда для кессонных систем, а также необходимость создания арматуры по всей глубине кессона.
Дорогостоящее и требующее интенсивных полевых работ соединение на стыке между керном и фундаментом. Это соединение может стать особенно проблемным, если учесть разницу в строительных допусках между фундаментом и основной конструкцией.
Исключение из рассмотрения систем фундаментов, которые могли бы быть значительно дешевле, например, свайных, только из-за их неспособности противостоять значительному подъему.
Преимущества:
Системы аутригеров могут быть сформированы в любой комбинации из стали, бетона или композитной конструкции.
Опрокидывающие моменты ядра и связанные с ними индуцированные деформации могут быть уменьшены за счет “обратного” момента, приложенного к ядру на каждом пересечении аутригеров. Этот момент создается парой сил на наружных колоннах, к которым присоединяются выносные опоры. Он может потенциально увеличить эффективную глубину структурной системы от только ядра до почти всего здания.
Значительное снижение и, возможно, полное устранение подъемных сил и сил натяжения по всей системе колонн и фундамента.
Расстояние между наружными колоннами не определяется конструктивными соображениями и может легко сочетаться с эстетическими и функциональными соображениями.
Наружное обрамление может состоять из “простых” балок и колонн без необходимости использования соединений типа жесткой рамы, что приводит к экономии.
Для прямоугольных зданий аутригеры могут задействовать средние колонны на длинных сторонах здания при приложении ветровой нагрузки в более критическом направлении. В одиночных и трубчатых системах эти колонны, несущие значительную гравитационную нагрузку, либо не задействованы, либо задействованы недостаточно. В некоторых случаях аутригерные системы могут эффективно включать почти все гравитационные колонны в систему сопротивления боковым нагрузкам, что приводит к значительной экономии.
Недостатки
Наиболее существенным недостатком использования систем аутригеров является их потенциальное вмешательство в жилые и арендуемые площади. Это препятствие может быть минимизировано или, в некоторых случаях, устранено путем применения одного из следующих подходов:
Размещение аутригеров в механических и межэтажных уровнях
Размещение аутригеров на естественных наклонных линиях профиля здания
Включение многоуровневых однодиагональных аутригеров для минимизации вмешательства в конструкцию на любом отдельном уровне.
Перекос и смещение аутригеров для согласования с функциональной планировкой пространства.
Еще одним потенциальным недостатком является влияние установки аутригеров на процесс возведения здания. При возведении обычного здания повторяющийся характер каркаса и уменьшение размеров элементов обычно приводят к тому, что процесс обучения ускоряется.
Встраивание аутригеров на промежуточных или верхних уровнях может, при неправильном подходе, оказать негативное влияние на процесс возведения. Для минимизации этой возможности можно предпринять несколько шагов. Обеспечьте четкое и ясное руководство по монтажу в контрактной документации, чтобы монтажник мог предвидеть ограничения, которые накладывает монтаж. По возможности избегайте мест установки аутригеров или конструктивных ограничений, которые потребуют “обратного хода” в процессе строительства для установки или подключения аутригера. Включение промежуточных аутригеров в бетонную конструкцию или большие различия в напряжениях в колоннах под нагрузкой между ядром и наружной частью в некоторых случаях могут привести к необходимости “отступления”. Такая необходимость может быть сведена к минимуму, если такие вопросы, как ползучесть и дифференциальное укорочение, будут тщательно изучены в процессе проектирования, чтобы минимизировать их влияние. Избегайте добавления дополнительных уровней аутригеров для контроля граничных усилий или прогибов.
Гибридная конструкция
Комбинация двух или даже более основных структурных форм либо путем прямого сочетания, либо путем использования различных форм в различных частях конструкции. Эта система обеспечивает жесткость в плоскости, ее недостаточная жесткость на кручение требует принятия дополнительных мер, что привело к появлению одного пролета вертикальной наружной арматуры и нескольких уровней периметральных “бандажей” Виренделя – возможно, одного из лучших примеров искусства структурной инженерии. Гибридные конструкции, скорее всего, станут скорее правилом, чем исключением для будущих очень высоких зданий, будь то для создания приемлемых динамических характеристик или для размещения сложных форм, требуемых современной архитектурой. Высокопрочный бетон, в котором жесткость и демпфирующие способности крупных бетонных элементов сочетаются с легкостью и конструктивностью стальной рамы, обладает значительно меньшей ползучестью и усадкой и поэтому легче укладывается в гибридную раму.