Процесс проектирования высотных зданий изменился за последние годы. В последние годы нет ничего необычного в моделировании полных трехмерных моделей зданий с использованием конечных элементов. Прогресс в проектировании конструкций высотных зданий начался в 20 веке, в то время как его формирование было заложено в 1880-х годах с использованием чугуна в качестве строительного материала, который был легче, а также лучше каменной кладки. Постепенно лифты проложили путь для высотных зданий. За последние несколько десятилетий к высотным зданиям возобновился интерес во многих городских деловых центрах, где не хватает земли, с точки зрения их экономичности, устойчивости и других преимуществ. Во всем мире строятся все более высокие башни. Однако возросшая частота многоаварийных катастроф затрудняет поиск баланса между устойчивостью и экологичностью строительства. Соответственно, важно понимать поведение таких конструкций при многократных нагрузках, чтобы применить эти знания к проектированию.
Компонент проектирования высотных зданий
IS 16700: 2017 определяет высотное здание как здание, высота которого превышает 50 метров, но меньше или равна 250 метрам. Кодекс классифицировал высотное здание как:
- Структурная система стен
- Моментная каркасная система
- Моментная рама, структурная система стен
- Структурная стена
- Пол из плоских плит
- Структурная система труб с каркасом из стен
- Каркасная трубная система Труба в трубной системе.
- Многотрубная система.
- Гибридная система
- Любой из вышеперечисленных с дополнительной системой каркаса — например. Выносные фермы, ленточные фермы.
Дизайн высотных зданий состоял в основном из трех уникальных элементов:
В современных высотных зданиях во многих случаях требуются большие пролеты для обеспечения свободы пространства на типичных этажах и широкие атриумы для обеспечения непрерывности с внешними помещениями на нижних этажах. Для достижения этих размеров необходимо обеспечить высокую прочность конструктивных элементов, составляющих конструкцию здания, в частности колонн. Можно избежать колонн чрезмерно большого объема, используя соответствующие комбинации высокопрочных материалов.
- Новый дизайн с четкими линиями, прямоугольниками, в которых тяжелые конструкции из стали определяют мощь и престиж.
- Объединение внутренних пространств и внешнего фасада в единое целое.
- Использование стали и бетона в качестве конструкций и элементов
Здания обычно подвергаются статическим нагрузкам, таким как вес жильцов, оборудования, мебели и вес конструкции. Однако две важные экологические нагрузки, которые различаются по своей природе, могут воздействовать на наши здания один или два раза в течение их срока службы. Природа этих двух нагрузок полностью отличается от статической нагрузки, и даже если бы их можно было выразить как эквивалентные статические нагрузки, высокие здания и гибкие конструкции могут усиливать внутренние нагрузки, приводя к дополнительным инерционным нагрузкам, которые могут нарушить работоспособность и комфорт людей в здании или даже привести к полному обрушению. Когда дело доходит до динамики и взаимодействия нагрузки и конструкции, присущее зданиям низкое демпфирование является ключевым параметром, который можно использовать для управления поведением конструкции при таких динамических нагрузках. Кроме того, изменение ориентации здания может привести к реакции ветра / снижению нагрузки. Высотные здания становятся все более распространенным видом, потому что они обеспечивают высокое соотношение арендуемой площади на единицу площади земли, в дополнение к другим факторам, таким как архитектурные и энергетические перспективы. Высокие здания или “небоскребы” могут быть искусственно освещены, а потребности в энергии могут быть покрыты за счет возобновляемых источников энергии или другого производства электроэнергии с более низкими выбросами парниковых газов. Отопление и охлаждение небоскребов могут быть эффективными благодаря централизованным системам ОВКВ, окнам, блокирующим тепловое излучение, и небольшой площади здания. Для небоскребов существует сертификат LEED (лидерство в области энергетического и экологического проектирования).
Динамика зданий в значительной степени зависит от характеристик внешнего возбуждения, а также физических свойств здания с точки зрения обобщенных масс, частот и демпфирования. Ветровые нагрузки характеризуются низкими частотами, в то время как землетрясения обычно содержат компоненты нагрузки более высокой частоты.
Стабилизация конструкции высотных зданий
Знания, технологии и строительные материалы постоянно развиваются, как и борьба за возведение более высоких зданий. Однако это не обходится без некоторых проблем. Во-первых, вертикальные нагрузки увеличиваются с высотой здания. Существует также большое влияние горизонтальной ветровой нагрузки на здание. Поведение здания при боковой нагрузке можно рассматривать как консоль, закрепленную на земле. Если предположить, что ветер имеет равномерное распределение, базовый момент увеличивается квадратично с высотой. Однако реальная форма давления ветра увеличивается с высотой, что дает еще больший базовый момент. Одной из основных задач при проектировании высотных зданий является их способность поглощать горизонтальные усилия и передавать результирующий момент на фундамент. Одним из способов эффективного достижения этого являются соединенные несущие вертикальные стены. Однако это приведет к растягивающим напряжениям в бетонных стенах с нагруженной стороны. Чтобы свести к минимуму эти напряжения, на стены накладывается собственный вес плит и т.д. Для получения сжимающих напряжений.
Чем выше здание, тем важнее учитывать выбор поперечных сечений, материалов и конструктивных систем, а также требования к функциональности. Факторами, которые необходимо учитывать, являются отклонения и ускорения от горизонтальной нагрузки, которая в основном возникает в результате неожиданных отклонений, ветра или землетрясений. Неожиданные прогибы могут возникнуть, когда дефекты элементов возникают во время изготовления или если фундамент неровный из-за неоднородного участка. Любой неожиданный прогиб вызывает дополнительные боковые силы и должен быть учтен. Горизонтальная нагрузка от ветра также может вызывать раскачивание здания. Это связано с тем, что высотные здания подвержены колебаниям. Поэтому ветер следует рассматривать не только как статическую нагрузку, но и как динамическую нагрузку. Чтобы определить, как здание реагирует на ветровые нагрузки, часто проводятся эксперименты в аэродинамической трубе. Колебание влияет на здание несколькими способами, на то, как люди внутри воспринимают раскачивание и возникающий максимальный горизонтальный прогиб.
Бетонные здания могут быть отлиты на месте, составлены из сборных элементов или из комбинации того и другого. Если здание отлито на месте, то можно начать работы на месте на ранней стадии. Подготовка к возведению лесов и формовке может начаться, как только контракт будет передан подрядчику и начнется проектирование здания. Это невозможно при возведении сборных элементов, поскольку все решения относительно размеров, форм и так далее должны быть приняты задолго до начала работ на объекте. При использовании сборных элементов важно индустриализировать производство. Это подразумевает производство на закрытых заводах, использование автоматических инструментов и тщательное планирование производственного процесса. Существуют некоторые важные различия в отношении монолитных и сборных зданий. Когда здание отливается на месте, элементы создаются в формах на месте и постоянно проверяются на правильность высоты. Но когда здание строится из сборных элементов, элементы создаются на заводе, где рабочий завода полностью зависит от чертежа. Если, например, колонна имеет неправильную высоту на чертеже, никто не исправит это на заводе-изготовителе, и будет создана неправильная колонна, вызывающая проблемы на стройплощадке.
При проектировании сборного здания важно учитывать соединения между элементами, которые являются частью процедуры сборки и не должны мешать. Соединения можно разделить на мокрые и сухие соединения. Разница между ними заключается в использовании бетона или строительного раствора. Мокрые соединения — это, например, растворные швы, монолитные блоки или монолитные плиты, которые более огнестойки, менее чувствительны к критериям допуска и более пластичны, чем сухие соединения. Примерами сухих соединений являются свободные опоры, сварные соединения и холодные швы, которые быстро монтируются.
Нагрузки при проектировании высотных зданий
Фундаменты высотных зданий выдерживают очень большие нагрузки, но используются системы, разработанные для малоэтажных зданий, хотя и увеличенные в масштабе. К ним относятся бетонные кессонные колонны, опирающиеся на скалу, или здание на самой открытой скале. Также используются несущие сваи и плавающие фундаменты.
Нагрузки, которые необходимо учитывать при проектировании здания, — это вертикальные нагрузки от собственного веса, наложенные нагрузки, снеговые нагрузки и горизонтальные нагрузки как от ветра, так и от непреднамеренных наклонов. Для высотных зданий, как упоминалось ранее, горизонтальная нагрузка от ветра обычно является расчетной нагрузкой. Вертикальные нагрузки — это собственные веса, нагрузки на отделку и действующие нагрузки, и они передаются на фундамент через колонны, несущие стены или башни. Нагрузка под напряжением зависит от типа использования в здании и от стандарта, используемого при проектировании. Более высокое значение часто используется для офисов, чтобы учесть переменное разделение и большую нагрузку под напряжением в зонах коридоров. В зависимости от этажности можно добиться некоторого снижения нагрузки под напряжением, но она никогда не может превышать 40% для любого строительного элемента.
Горизонтальная нагрузка от ветра действует как распределенная нагрузка на фасад, которая передает нагрузку на перекрытия. Плиты работают как диафрагмы и обеспечивают поперечную передачу сдвиговой нагрузки на вертикальные элементы, а также как блок устойчивости для компрессионного фланца стальной балки внизу. Силы сдвига в диафрагмах возникают главным образом в бетоне из-за его жесткости в плоскости. Горизонтальные нагрузки передаются от плит к балкам через приваренные шпильки. В зависимости от того, как плиты соединены с фасадом, распределение напряжений в плитах будет различным. Например, плиты могут быть соединены непосредственно с фасадом, что обеспечивает распределенную нагрузку. Фасад также может быть соединен с колоннами, которые вместо этого будут обеспечивать точечные нагрузки. Распределение нагрузки зависит от жесткости элементов, поскольку более жесткие элементы воспринимают большую нагрузку, чем более слабые. При проектировании вертикальных стен в здании могут возникать деформации как сдвига, так и изгиба. Для низких прочных стен изгиб незначителен, а для высоких тонких конструкций сдвиг незначителен. При рассмотрении всего здания стена сдвига становится высокой и тонкой, однако стены в каждой плоскости низкие и прочные, что делает ее восприимчивой как к сдвигу, так и к изгибу. Для высокого здания деформация формируется в результате изгиба и сдвига.
Структурные системы проектирования высотных зданий
Здание необходимо стабилизировать для горизонтальной нагрузки, и для достижения этой цели можно выбрать несколько различных конструктивных систем. Все различные системы произошли от традиционного каркаса с жесткими соединениями. Основной конструкцией всех этих конструктивных систем было размещение как можно большего количества несущего материала вокруг внешней кромки здания, чтобы максимизировать его жесткость при изгибе. Для всех конструктивных систем преимущество может быть получено за счет расположения основных вертикальных элементов и за счет сжимающих напряжений от собственного веса подавлять растягивающие напряжения при боковой нагрузке. Это делается для того, чтобы избежать натяжения вертикальных элементов и подъема фундаментов. Для достижения этого в некоторых конструктивных системах необходимо, чтобы внешние вертикальные элементы имели собственный вес.
Каркасные трубчатые конструкции
Для каркасных трубчатых конструкций боковое сопротивление обеспечивается очень жесткими, выдерживающими момент каркасами, которые образуют трубу по периметру здания. Каркасы состоят из близко расположенных колонн, 2-4 метра между центрами, соединенных балками. Труба принимает на себя всю боковую нагрузку, а собственный вес распределяется между внешней трубой и внутренними колоннами или стенами. Для боковой нагрузки рамы по периметру, выровненные в направлении нагрузки, действуют как перемычки трубчатого кронштейна, а те, что перпендикулярны направлению нагрузки, действуют как фланцы. Трубчатая конструкция подходит как для стальных, так и для железобетонных зданий и использовалась в диапазоне 40-100 этажей. Каркасные трубчатые системы были наиболее значительным современным достижением в области высотных конструктивных форм, их легко сконструировать и использовать для больших высот. Эстетика трубчатой конструкции вызывает неоднозначный энтузиазм: некоторым нравится логика четко выраженной структуры, в то время как другие критикуют решетчатый фасад за то, что он с маленькими окнами и повторяющийся.
Труба в жгуте
Конструкция из пучковых труб состоит из четырех параллельных жестких рам в каждом ортогональном направлении, соединенных между собой для образования девяти пучковых труб. Принцип тот же, что и для однотрубной конструкции, где рамы в горизонтальном направлении нагрузки действуют как перемычки, а перпендикулярные рамы — как фланцы. Благодаря использованию внутренних перемычек значительно уменьшается задержка сдвига, и в результате напряжения в колоннах распределяются более равномерно, а их вклад в поперечную жесткость более значителен. Это позволяет расположить колонны дальше друг от друга и быть менее заметными.
Труба в трубе
Что отличает концепцию «труба в трубе» от других конструктивных систем, так это то, что внешняя каркасная труба (корпус) работает вместе с внутренней трубой (сердечником), обычно шахтами лифтов и лестницами, чтобы противостоять как боковой, так и вертикальной нагрузке. Это обеспечивает повышенную поперечную жесткость и может рассматриваться как компоненты сдвига и изгиба каркасной конструкции.
Диагональный и жесткий каркас
В каркасных стяжках боковое сопротивление обеспечивается диагональными элементами, которые вместе с балками образуют сеть вертикальных ферм, где колонны действуют как хорды. Системы крепления высокоэффективны при сопротивлении боковым нагрузкам. Горизонтальные компоненты здания оказывают сопротивление горизонтальному сдвигу, что приводит к растягивающим и сжимающим воздействиям на элементы полотна. Система крепления представляет собой почти исключительно стальную систему, поскольку диагонали неизбежно подвергаются растяжению при одном или другом направлении боковой нагрузки. Стяжные системы способны создавать очень жесткую боковую конструкцию с минимальными затратами дополнительного материала, что делает ее экономически эффективной для любой высоты. Основным недостатком диагональных креплений является то, что они ограничивают внутреннюю планировку и расположение окон. Кроме того, соединения с диагоналями являются дорогостоящими в изготовлении и монтаже.
Система выносных опор
Система выносных опор представляет собой эффективную конструктивную форму, которая состоит из центрального сердечника с выносными опорами, соединяющими сердечник с внешними колоннами. Центральный сердечник содержит либо распорные рамы, либо срезные стенки. Когда здание нагружено сбоку, выносные опоры препятствуют вращению вертикальной плоскости за счет натяжения наветренных колонн и сжатия подветренных колонн. Это увеличивает боковую жесткость здания и уменьшает боковые прогибы, а также моменты в сердцевине. Кроме того, выносные опоры соединяют колонны и придают зданию вид почти как составной консоли. Даже колонны по периметру, те, которые непосредственно не соединены с выносными опорами, могут быть использованы для увеличения поперечного сопротивления здания путем соединения всех колонн по периметру горизонтальной балкой вокруг фасада здания. Многоуровневые системы выносных опор могут обеспечивать в пять раз большую моментную устойчивость, чем одна система выносных опор. Системы выносных опор использовались для зданий высотой до 70 этажей, но концепция должна быть применима и к еще более высоким зданиям.
Гибридная конструкция
Гибридные конструкции часто используются для непризматических конструкций, когда в одном здании используются две или более базовых конструкций, описанных ранее. Эта концепция может быть использована либо для прямого сочетания, например, трубы и системы выносных опор, либо путем применения различных систем для разных частей здания, например, системы труб на трех стенах и каркаса на четвертой стене.
Заключение
Динамические эффекты следует учитывать как с точки зрения удобства обслуживания, так и безопасности. При рассмотрении безопасности представляют интерес риски резонанса, а при рассмотрении возможности обслуживания — реакция человека на движение. Движение в высотном здании может вызвать широкий спектр реакций человека, от беспокойства до острой тошноты. Это может сделать здание нежелательным и вызвать трудности с арендой площади. Почему важно учитывать не только вопросы устойчивости, но и движения. Движения в зданиях обычно вызываются ветром, землетрясениями, работой механизмов, близлежащих промышленных предприятий и различными видами транспорта. Было бы дорого построить высотное здание, которое могло бы выдержать все перемещения. Вот почему существуют различные рекомендации относительно ускорений в зданиях в зависимости от загруженности.