Стрелец К.И., к.т.н., доцент ВШПГиДС, ИСИ • Классификация высотных зданий • Общие сведения о высотных зданиях • Конструктивные решения надземных частей высотных зданий Классификация высотных зданий •Высотные здания – выше 75 м (выше 100 м уникальные, повышенный уровень ответсвенности) • Высокие – выше 30 м, • Небоскребы – выше 150 м • Сверхвысокие небоскребы выше 300 м 2 Классификация высотных зданий 3 Классификация высотных зданий 4 Классификация высотных зданий 5 В США, где высотное строительство имеет долгую историю и широкий размах, вплоть до конца 70-х годов XX в. в высотных зданиях преимущественно использовали стальные несущие конструкции. Однако в течение последних двадцати пяти лет там стало очень популярным использование бетона. А включившиеся в высотную гонку страны Юго-Восточной Азии при выборе материала несущих конструкций высотных зданий сразу отдали предпочтение бетону. Материал несущих конструкций – металл , конец 70х бетон… ЮгоВосточная Азия. Бетон – мосты… большепролетные.. Небоскребы 70 е прорыв – модифицированные бетоны Преимущества бетона: Лучшее восприятие ветровых нагрузок Более низкая деформативность зданий с железобетонным ядром жесткости Более высокий предел огнестойкости Энергоэффективность… • • • Преимущества бетона лучшее восприятие ветровых нагрузок, более низкая деформативность зданий с железобетонным ядром жесткости, значительно более высокий предел огнестойкости железобетонных конструкций по сравнению со стальными, возможность придания зданию практически любой формы. Создание модифицированных бетонов Преимущества стали: небольшой вес и давление на фундамент , сейсмостойкость - Потеря прочности и несущей способности при пожаре 6 Конструктивные решения высотных зданий 7 Конструктивные системы зданий In tall buildings, shear walls are generally located at the center of the building, normally in the form of core wall system to accommodate the vertical translation system such as lifts for the tall building. There are two major types of cores: concrete core and steel framed cores. Concrete walls are used widely in the tall building design; on certain occasions, steel core can be found in buildings built before 9/11, they being much lighter, can save the cost of the foundation. Reinforced concrete cores are a more standard option for tall buildings in general, as seen from the history, concrete structure is dominant in the market because they provide more stiffness than steel cores, and it is relatively cheaper to use a concrete core in certain countries such as China. IReinforced concrete cores are a more standard option for tall buildings in general, as seen from the history, concrete structure is dominant in the market because they provide more stiffness than steel cores, and it is relatively cheaper to use a concrete core in certain countries such as China. ITherefore, a lightweight solution will make a cost-effective foundation design possible. However, the investigation of NIST NCSTAR [1] “Final Report of the National Construction Safety Team on the Collapses of the World Trade Center Towers,” shows that fire was the major cause of the collapse of the World Trade Center as majority of its structural members were steel and this will be explained in detail in the next section. So for supertall buildings designed after 9/11, steel core is rarely used. As a result of 9/11 attack, more and more design engineers began to focus on how to design a tall building to be able to resist a similar attack. Therefore, a concrete core became 8 one of the major choices for consideration. Конструктивные решения высотных зданий Основные требования к бетону при строительстве высотных зданий: • высокий класс по прочности при максимально низкой объемной массе, позволяющий снижать массу высотного здания за счет уменьшения расчетных сечений; • высокие технологические характеристики, позволяющие подавать бетонную смесь к месту укладки с помощью бетононасосов и значительно упрощать технологию укладки бетона; • высокая долговечность бетона и стойкость к различным видам коррозии. 9 Конструктивные решения высотных зданий. Факторы, влияющие на строительство высотных зданий • экономические (стоимость земли и стоимость возведения здания). Строительство и эксплуатация высотного здания возмещают высокую стоимость земли, увеличивают отдачу с ограниченного участка; • экологические (строительство и эксплуатация здания не приносят вреда окружающей среде). При высотном строительстве снижается площадь занимаемой земли, не происходит разрастания города; • социальная и культурная привлекательность высотных зданий, которые нередко становятся ориентирами и/или достопримечательностями данной местности. 10 Конструктивные решения высотных зданий. Достоинства и недостатки • достижение качественной ступени развития строительства; • высокая экономическая результативность; • создание дополнительных рабочих мест • транспортно-градостроительные проблемы; • высокие риски. 11 • достижение качественной ступени развития строительства; • высокая экономическая результативность;. Строительство небоскребов обходится иногда одинаково со стоимостью возведения обычных многоэтажек, так как дороже всего стоят земля и подготовка площадки под строительство. Кроме того, жить в небоскребах престижно, поэтому квартиры быстро раскупают. • создание дополнительных рабочих мест. Эксплуатация высотных зданий достаточно выгодный бизнес. Стоимость услуг невысока - $2 за м2, но она обеспечивает и доход эксплуатирующей компании, и хорошее качество и объем предоставляемых жильцам услуг. • Недостатки высотного строительства: • -транспортно-градостроительные проблемы. Возведение высотки создает транспортный коллапс не только в микрорайоне, где ее сооружают, но и в близлежащих; • высокие риски. 12 • В США, где высотное строительство имеет долгую историю и широкий размах, вплоть до конца 70-х годов XX в. в высотных зданиях преимущественно использовали стальные несущие конструкции. Однако в течение последних двадцати пяти лет там стало очень популярным использование бетона. А включившиеся в высотную гонку страны Юго-Восточной Азии при выборе материала несущих конструкций высотных зданий сразу отдали предпочтение бетону. 13 Конструктивные решения высотных зданий Основные особенности высотных зданий: • значительные величины как статических, так и динамических нагрузок на несущие конструкции и на основания; • высокое, иногда критическое значение горизонтальных (в первую очередь, ветровых) нагрузок; • проблемы неравномерности, как величин нагрузок, так и характера их приложения; • тщательный корректный подбор материалов конструкций, исключающий раздельную работу элементов конструкций и обеспечивающий однородность физико-механических характеристик; • повышенная значимость воздействия природных (воздушные потоки, сейсмичность, температура и т.д.) и техногенных факторов (вибрации, аварии, пожары) на безопасность строительства и эксплуатации; • сложные решения внутренних инженерных систем и коммуникаций, сопровождающиеся созданием дополнительных инженерных узлов, что обусловлено высотой здания; • повышенные требования в вопросах обеспечения комплексной безопасности, включая и пожарную, предполагающие использование технических решений качественно иного уровня, и в существенной степени влияющих на выбор как объемно-планировочных, так и конструктивных решений. 14 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий Для высотного здания очень важной, а в ряде случаев критериальной, является его способность противостоять воздействиям горизонтальных нагрузок без значительных прогибов его верхних частей. Значения этих горизонтальных прогибов по нормам Евросоюза и США не должны превышать 1/500 . Значительно меньше.. .1/2000 Отношение высоты небоскреба к ширине (наименьшему размеру в плане) называют коэффициентом гибкости. Его значение, как показала практика высотного строительства, не должны быть более 8, так как в противном случае либо не выдерживаются эксплуатационные характеристики здания (ускорение колебаний перекрытий верхних этажей превышает нормативные), либо требуются дорогостоящие конструктивные мероприятия для обеспечения необходимой . Рост стоимости затрат на жесткости здания. обеспечение требуемой жесткости здания 20 40 60 80 Число этажей 15 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий Рациональные формы высотных зданий: а - треугольная призма; б - эллипсовидная; в - форма, сужающаяся к верху; г - конусовидная; д - цилиндрическая Как показали многочисленные зарубежные исследования и опыт эксплуатации, наиболее целесообразной в отношении воздействия ветра является круглая в плане форма здания. Несколько уступает ей эллиптическая (овальная) форма, а затем и квадратная 16 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий От правильного выбора конструктивной системы высотного здания в значительной степени зависит расход материалов на несущие конструкции и стоимость строительства. Повышение жесткости достигают также приданием высотному зданию некоторой конусности (100-этажное здание «Джон Хэнкок Сентер», г. Чикаго и 49-этажное здание, г. Нью-Йорк, США). Если для восприятия ветровых нагрузок требуется увеличение жесткости высотного здания в целом, то для более эффективного поглощения сейс мической энергии - наоборот - увеличение его гибкости. В целях устранения этого противоречия в башне «Тайбэй» (г. Тайбэй, Тайвань) предусмотрен пассивный маятниковый сферический демпфер массой 800 т, подвешенный с помощью тросов на 92-ом этаже и предназначенный для гашения инерционных колебаний здания/ При обычных условиях эксплуатации демпфер обеспечивает отклонение здания от вертикали в пределах 10 см, при катастрофических землетрясениях и тайфунах, происходящих раз в столетие, он может раскачиваться с амплитудой 150 см, обеспечивая безопасные отклонения самого здания. 17 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий Рис. 3.11. Конструктивные системы зданий: а - рамно-связевая; б - каркасная с диафрагмами жесткости; в - бескаркасная с перекрестно-несущими стенами; г ствольная; д - коробчатая (оболочковая); е - ствольно-коробчатая («труба-в-трубе» или «труба-в-ферме») 18 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий Традиционные каркасные и рамные системы применяют при относительно небольшой высоте здания, хотя в 1913 г. по каркасной схеме в г. Нью-Йорке был построен небоскреб высотой 250 м (60 этажей). Такая высота считается предельной для рассматриваемых систем, поскольку они не обеспечивают необходимой жесткости более высоких зданий. По экономическим критериям строить по этим системам здания выше 30 этажей нерентабельно. При строительстве высотных жилых домов и гостиниц в ряде случаев применяют схемы с перекрестно-несущими стенами - планировочная структура таких зданий соответствует этой схеме. Несущие конструкции этих зданий выполняют как в сборном, так и монолитном вариантах. Классическим примером здания с перекрестно-несущими стенами является Сити-Тауэр (г. Чикаго), высота которого достигает 442 м (110 этажей). Эта система обеспечивает наибольшую жесткость здания, но она не пригодна для строений, в которых необходима гибкая планировка помещений (офисных, общественных и других). 19 Конструктивные варианты ствольных систем В ствольной системе жесткость высотного здания обеспечивается лестнично-лифтовым узлом, располагающимся, как правило, в центральной части здания и выполняемым из монолитного железобетона, жестких стальных конструкций или их комбинации. В соответствии с европейскими нормами расстояние от наружных стен до ствола по условиям естественной освещенности не должно превышать 8 м. Американские нормы разрешают принимать это расстояние равным 16 м (рис. 3.12). Ствольная система может выполняться с консольным опиранием перекрытий на ствол, с подвешиванием нижележащих перекрытий и наружных стен к расположенной наверху консоли («аутригеру»), либо опиранием вышерасположен- ных перекрытий на расположенную снизу консоль с промежуточным расположением несущих консолей высотой в этаж с передачей на них нагрузки от части этажей (рис. 3.13). Благодаря этому ствольная система позволяет не только обеспечивать гибкую (свободную) планировку, но и в довольно широких пределах применять развитую пластику фасадов. Наружные стены ненесущие 20 Конструктивные варианты ствольных систем Схемы допускаемой глубины помещений в Европе и США: 21 Конструктивные варианты ствольных систем Конструктивные варианты ствольных систем высотных зданий: а - вантовая; б- с опиранием на нижнюю консоль; в - поэтажноконсольная; г - консольно-ферменная 22 Конструктивные решения высотных зданий. Конструктивные особенности надземных частей зданий Однако, в связи с ограниченными в плане размерами лестнично-лифтовых узлов (стволов) в зданиях большой высоты (более 200 м) ствольная системы приводит к более концентрированным нагрузкам на основание и не может обеспечить необходимой жесткости, в связи с чем в мировой практике была разработана коробчатая (оболочковая) конструктивная система, в которой требуемая из- гибная жесткость обеспечивается наружной оболочкой здания. В коробчатых системах наружная несущая оболочка может выполняться в виде безраскосной и раскосной решетки из стали или железобетона. Безраскосная решетка не вызывает затруднений при размещении светопрозрачных ограждений по фасаду высотного здания, но уступает раскосной в отношении обеспечения его жесткости. Поэтому для повышения жесткости наружной оболочки применяют диагональные связи (рис. 3.13, я, б). Большей жесткостью обладают ствольно-коробчатые системы с диагональными связями («труба в ферме»). Вместе с тем эти системы не позволяют применять пластические решения фасадов и требуют частого расположения несущих стоек по периметру здания. Система «труба в ферме» эффективна для зданий свыше 100 этажей. 23 Конструктивные варианты несущих оболочек коробчатых систем Конструктивные варианты ужесточения наружных несущих оболочек высотных зданий: а - система крестообразных связей (с раскосной решеткой); б система К-образных связей; в - система двойных крестовых связей (с двойной раскосной решеткой); г - решетчатый оголовок над центральным решетчатым стволом; д угловые стволы жесткости с большепролетными высокими балками; е - система с основными угловыми и вспомогательными внутренними колоннами; ж - большепролетные высокие балки 24 Конструктивные системы зданий 25 .For tall buildings, purely rely on the core wall system to resist горизонтальные нагрузки lateral loading is not sufficient, which will result in a very thick wall thickness. Therefore, it is quite common that firm horizontal members (such as outriggers) are used to connect the main core to the exterior columns. Outrigger structures have been used widely in tall building, the famous project examples are Shard in London (310-m tall) and Shanghai Tube structures are one of the major lateral resisting systems in tall buildings A building is designed to act like a hollow cylinder, cantilevered perpendicular to the ground in order to resist lateral loads. There are different types of tube structures, such as framed tubes, braced tubes, tube-in-tube and bundle tube. The famous examples for tube structures are John Hancock Centre (344-m tall) and Willis Tower (442-m tall). Фасадная диагональнорешетчатая конструкция Diagrid system is another lateral stability system. With their structural efficiency as a adapted version of the bracing systems, diagrid structures have been emerging as a new aesthetic trend for tall buildings in this era. The triangular geometry of diagrid structures can effectively prevent structural failure as a result of both horizontal and vertical loads resulted by the externally imposed lateral loads and gravity load. The famous examples are Gherkin in London and CCTV Tower in Beijing. Superframe (or mega frame) structures use mega columns and mega girders to work together as the primary lateral resisting structural systems. The famous example is Shanghai Tower in Shanghai and HSBC headquarters in Hong Kong. However, in the current design practice, few tall buildings only use one single structural system. For example, the structural system of Shanghai Tower is in the combination of mega frame, core wall system and outriggers. Some conventional combinations such as braced core, core and perimeter tube, braced core and outriggers, braced core and outriggers with ring truss, etc. can be found in the current design projects. 26 Конструктивные системы зданий • Ствол (ядро свыше 200м! – диафрагма жесткости hybrid systems with core wall (especially concrete core) as one of the key stability systems is dominant in the design of serval supertall buildings such as Jeddah Tower (1000-m tall), Burj Khalifa (828-m tall), Shanghai Tower (632-m tall), China Zun Tower (528-m tall), and Guangzhou International Financial Center (432-m tall). • some supplementary systems such • as outriggers, • belt truss поясные фермы, or buttress wall(подпорные стены, контрфорс) are needed • concrete core and steel framed cores. • Concrete walls are used widely in the tall building design; on certain occasions, steel core can be found in buildings built before 9/11, • It is also quite common to install the steel embedment such as steel plate in the core to further strengthen the core Здание конструируется как полый цилиндр, представляющий собой вертикальную к поверхности земли консоль, устойчиваю ко внешним нагрузкам 27 Конструктивные системы зданий • Reinforced concrete cores are a more standard option for tall buildings in general, as seen from the history, concrete structure is dominant in the market because they provide more stiffness than steel cores, and it is relatively cheaper to use a concrete core in certain countries such as China. In certain countries such as China, the steel production was not sufficient in the past; therefore, most of the tall buildings were built in concrete. In addition, some codes require that the core of the building be constructed using reinforced concrete in case of fire and for emergency safety 28 Конструктивные варианты ствольных систем 29 Конструктивные решения высотных зданий. Несущие конструкции высотных зданий Внутренние стены и стены стволов (лестнично-лифтовых узлов) монтируют из железобетона или обетонированных стальных конструкций. 60…75 см нижние этажи (до 110 см) 20…30 см верхние этажи. Сборные конструкции внутренних стен и стены стволов (лестнично-лифтовых узлов) В высотном здании Коммерц-банка (г. Франкфурт-на-Майне) металлоконструкции стен лестнично-лифтовых узлов усилены железобетонными панелями. 30 Конструктивные системы зданий In tall buildings, shear walls are generally located at the center of the building, normally in the form of core wall system to accommodate the vertical translation system such as lifts for the tall building. There are two major types of cores: concrete core and steel framed cores. Concrete walls are used widely in the tall building design; on certain occasions, steel core can be found in buildings built before 9/11, they being much lighter, can save the cost of the foundation. Reinforced concrete cores are a more standard option for tall buildings in general, as seen from the history, concrete structure is dominant in the market because they provide more stiffness than steel cores, and it is relatively cheaper to use a concrete core in certain countries such as China. IReinforced concrete cores are a more standard option for tall buildings in general, as seen from the history, concrete structure is dominant in the market because they provide more stiffness than steel cores, and it is relatively cheaper to use a concrete core in certain countries such as China. ITherefore, a lightweight solution will make a cost-effective foundation design possible. However, the investigation of NIST NCSTAR [1] “Final Report of the National Construction Safety Team on the Collapses of the World Trade Center Towers,” shows that fire was the major cause of the collapse of the World Trade Center as majority of its structural members were steel and this will be explained in detail in the next section. So for supertall buildings designed after 9/11, steel core is rarely used. As a result of 9/11 attack, more and more design engineers began to focus on how to design a tall building to be able to resist a similar attack. Therefore, a concrete core became 31 one of the major choices for consideration. Конструктивные системы зданий From the introduction of these systems, it will be seen that for supertall buildings, core is a key element in those lateral stability systems. Although structural systems such as diagrid system and mega-frame can work alone without any assistance of the core for certain height of tall buildings, it is very rare that core is not used in any of these systems when the height increases to above 200 m. When the height increases to above 400 m, hybrid systems with core wall (especially concrete core) as one of the key stability systems is dominant in the design of serval supertall buildings such as Jeddah Tower (1000-m tall), Burj Khalifa (828-m tall), Shanghai Tower (632-m tall), China Zun Tower (528-m tall), and Guangzhou International Financial Center (432-m tall). Therefore, in this chapter, the core wall system will be discussed in detail. For buildings with height between 200 and 500 m, purely relying on core wall to resist the lateral load is also very rare, some supplementary systems such as outriggers, belt truss, or buttress wall are needed, and therefore these types of structural systems 32 Конструктивные системы зданий • Для высотных зданий со ствольной системой для восприятия горизонтальных нагрузок только стволом необходимо значительное увеличение толщины стен ствольной системы. Поэтому используются горизонтальные связующие элементы – аутригеры для связи ядра с колоннами (мега-колонами по периметру здания). 33 Конструктивные системы зданий. Ствольные системы с аутригерами. Аутригеры могут состоять из • стальных ферм, • двутавровых балок, • бетонных стен (диафрагм жесткости), • высоких балок. Высота аутригера может быть один или несколько этажей. Например: стальные фермы высотой в один этаж; жесткие бетонные стены, балки-стены Гибридные аутригеры – стальные фермы и бетонные аутригерные стены 34 Ствольные системы с аутригерами. Гибридная система аутригеров: балки и бетонные стены 35 Конструктивные системы зданий 36 Ствольные системы с аутригерами. The Shard, Лондон, ВБ Система композитных перекрытий, стальные колонны и балки. Железобетонной ядро. Система аутригреных ферм 66-68 этаж. Распределение горизонтальных нагрузок через ядро и аутригерры на37 мега-колонны Конструктивные системы зданий 38 Конструктивные системы зданий The cross-walls are extended outside the main perimeter at the location of each side of the service riser in order to form buttresses. Similar to the design of the collapsed Twin Towers in New York (see Chapter 4 for details), in the high level plant rooms at levels 66–68, a “hat truss” (outriggers) of large steel members transfer forces between the core and the perimeter columns 39 Демпферная аутригерная система (сейсмоопасные районы) Raffles City Chongqing, Китай 40 Демпферная аутригерная система (сейсмоопасные районы) Кейс № 1 Raffles City Chongqing, Китай 41 Демпферная аутригерная система (сейсмоопасные районы) Кейс № 1 Raffles City Chongqing, Китай 42 Демпферная аутригерная система (сейсмоопасные районы) Кейс № 1 Raffles City Chongqing, Китай 43 Конструктивные системы зданий • Большинство аутригеров по высоте не ниже высоты этажа, что приводит к потерям площади в связи с невозможности иногда даже разместить оборудование на технических этажах . • Аутригеры снижают опрокидывающий момент для ядра, но не уменьшают горизонтальную нагрузку, а напротив сила сдвига в ядре на аутригерных этажах может увеличится с учетом внешних горизонтальных нагрузок • Сложность монтажа соединения аутригера и колонны • Неравномерное распределение нагрузок во время строительства (решение: связи элементов после монтажных работ) 44 Конструктивные системы зданий. Аутригерная система опоясывающих ферм • Система опоясывающих ферм, соединяющих все периметральные колонны и передающие горизонтальные нагрузки на фундамент. • Нет сложностей крепления к ядру, • Свободное пространство • Нет необходимости учитывать разную осадку ядра и колонны под действием силы тяжести 45 Конструктивные системы зданий 46 Ствольные системы с аутригерами. Лахта Центр, СанктПетербург, Россия 47 Ствольные системы с аутригерами. Кейс № 1 Лахта Центр, Санкт-Петербург, Россия 48 Конструктивные системы зданий • Аутригер представляет собой сочетание опоясывающей фермы, располагаемой по наружным колоннам, и диагональных металлических ферм, которые идут от ядра к колоннам по периметру фасада. Как и колонны, аутригеры являются композитными конструкциями, выполненными из высокопрочной стали с обетонированием. 49 Конструктивные системы зданий 15 железобетонных колонн со стальным сердечником установлены по периметру наружного контура перекрытия. В поперечном разрезе они имеют крестообразную сердцевину – мальтийский (восьмиконечный) крест, образуемый двумя сваренными между собой двутавровыми профилями. В башне Лахта Центра они фиксируют закручивание и наклон, придают конструкции пространственную жесткость, то есть перераспределяют нагрузки внутри здания, передавая усилия от ядра на внешние колонны, а также гасят колебания от ветровых ускорений, воздействующих на верхнюю часть здания. Всего в башне Лахта Центра пять аутригерных уровней, из которых четыре – это сдвоенные этажи, а пятый – нетипичный, представлен в виде мощной железобетонной «шайбы». Аутригеры служат своего рода фундаментом для последующих 14 уровней здания и несут дополнительную функциональную нагрузку в качестве технических помещений, где размещается инженерное обо 50 Конструктивные системы зданий. Ствольная система с контрфорсами • Ствол с контрфорсами (buttressed core) • Контрфорс – архитектурная конструкция поддерживающая основную структуру • Каждое крыло контрфорсируется двумя другими (крылья увеличивают момент инерции и обеспечивают сопротивления сдвигу. 51 Конструктивные системы зданий 52 Конструктивные системы зданий. Ствольная система с контрфорсами. Burj Khalifa, Дубаи, ОАЭ 53 • Jeddah Tower, previously known as Kingdom Tower, is a skyscraper under construction in Jeddah, Saudi Arabia. On its completion, it • will become the tallest building in the world, as it is planned to be more thanм1000-m tall with 170 floors. The triangular shape of the building can be considered as a direct descendant of Burj Khalifa, particularly, it also uses the buttress core as its major structural stability system. As buttress core system is proved to be successful for extremely tall buildings following the completion of the Burj Khalifa. Similar to the Shard, a system of combined piled raft • has been selected for the tower. It uses concrete walls with concrete slabs. High-strength concrete is used. • The strength of the concrete used in the tower is 85 MPa from the base to level 95, 75 MPa up to the spire, and 65 MPa in the spire. The yield strength of the reinforcing bars are 420 and 520 MPa with diameters of up to 40 mm 54 Конструктивные системы зданий. Ствольная система с контрфорсами, Кейс №5, Jeddah Tower, Jeddah, Саудовская Аравия The central core plays an essential role in torsional strength of the tower. The wall thicknesses are between 1200 mm at the base and 600 mm in the spire and the coupling beams’ depth are 1500 or 1600 mm Each wing is also braced by a series of buttress walls which are connected by coupling beams and radiated from a central closed prismatic tube. Figs. 3.23–3.25 show the floor plan at different levels. There are three groups of walls: end walls, corridor walls, and fin walls. 55 Конструктивные системы зданий. Ствольно-коробчатая система • коробчатая система – вертикальная консоль (полый цилиндр). Независимая жесткая оболочка вокруг здания Конструктивные типы: • труба в трубе, • труба в ферме (связевая труба) • гибридная коробчатая система Система труба-в трубе: внутреннее ядро и внешняя оболочка (бетонные или со стальным каркасом) Связь между ядром и оболочкой через диафрагмы жесткости на этажах (стены), возможно использование аутригеров Наружная оболочка – несущая 56 Конструктивные системы зданий • Система Труба в раме и труба в ферме Система внешней трубы более жесткая чем «труба в трубе» Внутреннее ядро и внешняя оболочка, обычно представляет собой часто расположенные колонны (1.5–4.5 m) связанные Несущими балками 0.5 to 1.2 m. Высокая стоимость, Сложность монтажных работ большое количество сварочных работ Необходимость расчета на эффект (эффект сдвигового запаздывания) • The disadvantage of this type of structure is the huge cost. To be able to • ensure the rigidity of the connection in the outer tube, high level workmanship • is needed for welding and high-strength bolt connections are required. • The erection and the fabrication are also more expensive in terms of the • working hours. 57 Конструктивные системы зданий. Ствольно-коробчатая система (труба в трубе). Кейс №6 Petronas Towers, KL, Malaysa 58 Кейс №6 Petronas Towers, KL, Malaysa • The building is built primarily in concrete. Most of the structural members are madewith high-strength concrete. High-strength concretewas used in the central core, perimeter columns, perimeter ring beams, and outrigger beams. The two towers are connected through a sky bridge. The foundation of the tower was constructed using 104 concrete piles; the towers sit on a large concrete raft. The structural system of each tower comprises a 25 m25 m central core • and an outer ring of widely spaced 16 cylindrical supercolumns. constructed using high-strength reinforced concrete. These columns are • linked by ring beams to build a moment frame outer tube. This is one of • the good examples of tube-in-tube system • This is one of • the good examples of tube-in-tube system, as there is a pair of “soft tubes.” 59 Конструктивные системы зданий. Система «труба в трубе» • • • • Высокая стоимость, Сложность монтажных работ Большое количество сварочных работ Необходимость расчета на эффект сдвигового запаздывания 60 Конструктивные системы зданий. Ствольно-коробчатая система (труба-в-ферме) 61 Конструктивные системы зданий • The structural system of twin tower is a typical framed tube as shown in Fig. 4.8. It used the steel core and perimeter columns to create a relatively lightweight structure to resist the lateral loadings. • Therefore, it was primarily a steel structure, as most of the major structural elements were steel members. steel internal core was used in the World Trade Center. The core columns were connected to each other at each floor by large square girders and I-beams about 2-ft. deep. As it has been explained in the previous chapters, the main purpose for using a steel core is to save the total weight of the building. This, in turn, also saves the cost of the foundation. The core contained 47 steel columns from the bedrock to the top of each tower 62 Конструктивные системы зданий. Ствольно-коробчатая система (труба-в-ферме). Кейс №7 World Trade Center (Twin Towers), NY, USA Внешняя жесткая оболочка: 60 внешних стальных колонн, связанных по периметру балками 63 Twin Towers 64 Конструктивные системы зданий • the perimeter tube and central core was linked by composite trusses floor system. The floors consisted of 10 cm thick lightweight concrete slabs on a steel deck with shear connections for composite action. The slabs were supported with trusses apart from resisting the gravity load, the floor system provides lateral stability to the exterior tube. The trusses are connected to the perimeter at alternate columns. The top chords of the trusses were bolted to seats welded to the spandrels on the exterior side and a channel welded to the core columns on the interior side. 65 Конструктивные системы зданий • Труба в ферме • Преимущества в диагональных связях, которые воспринимают часть горизонтальных нагрузок и компенсируют эффект сдвигового запаздывания • Позволяет снизить число колонн, что уменьшает стоимость • - блокировка окон, до 60 этажей . 66 Конструктивные системы зданий (труба-в-ферме). John Hancock Center in Chicago • Труба в ферме • Преимущества в диагональных связях, которые воспринимают часть горизонтальных нагрузок и компенсируют сдвиговое … • Позволяет снизить число колонн, что уменьшает стоимость - блокировка окон, - до 60 этажей 67 Конструктивные решения высотных зданий. Сетчатые оболочки зданий Несущие наружные стены выполняют в виде ортогональных (прямоугольных) или диагональных (раскосых) решеток из стали или железобетона. Диагональные решетки наружных стен обладают большей жесткостью, но ограничивают возможности расположения окон на фасаде здания. Наружные несущие стены могут выполняться в сборном, монолитном и сборно-монолитном вариантах. Кроме того, в практике высотного строительства применяли комбинированные схемы, когда, например, стальную решетку наружных стен замоноличивали бетоном, причем, наружной опалубкой служили декоративные сборные железобетонные фасадные элементы. 68 Конструктивные решения высотных зданий. Сетчатые оболочки зданий Наиболее часто используют монолитные железобетонные решетки различной конфигурации, обеспечивающей, помимо требуемой конструктивной жесткости, архитектурную выразительность здания. Жесткость наружной оболочки высотного здания повышают также диагональными связями различной конфигурации (см. рис. 3.21), которые представляют собой систему крупномасштабных ферм на фасадах здания (система «труба в ферме»). Системы эффективны для сверхвысоких зданий, однако, они, как и все коробчатые схемы, существенно ограничивают пластические решения фасадов 69 Несущие системы внешней оболочки высотных зданий Несущие наружные стены выполняют в виде ортогональных (прямоугольных) или диагональных (раскосых) решеток из стали или железобетона. 70 Несущие системы внешней оболочки высотных зданий Жесткость наружной оболочки высотного здания повышают также диагональными связями различной конфигурации которые представляют собой систему крупномасштабных ферм на фасадах здания . Типы диагональных раскосов а) одинарный; б) Ч – образный; в,г) К - образный 71 Конструктивные системы зданий Диафрагмы жесткости монтируют в виде сплошных железобетонных стенок и стальных диагональных раскосов. При необходимости устройства в железобетонных диафрагмах жесткости различных проемов применяют армирование. При стальных диагональных раскосах это достигается за счет их конфигурации (в зависимости от расположения проема). Этот тип раскосов применяют в сочетании со стальным несущим каркасом здания. Широко используются диагональные раскосы трех конфигураций: одинарные, двойные 72 Одинарные раскосы в зависимости от направления действия на высотное здание горизонтальных нагрузок могут работать как на растяжение, так и на сжатие. В последнем случае они должны рассчитываться на продольный изгиб, что требует их существенного усиления. Двойные (Х-образные) раскосы следует конструировать таким образом, чтобы они работали только на растяжение, что достигается соответствующим соединением их с каркасом здания. Расход стали по сравнению с одинарными и К- образными раскосами в этом случае будет меньше. В связи со сжатием колонн из-за увеличения веса вышележащих конструкций и передачи на них полезной нагрузки, целесообразно предусматривать преднапряжение Х-образных раскосов, исключающее их прослабление в процессе монтажа и эксплуатации. Но при этом возникает дополнительная нагрузка на колонны и ухудшаются условия работы жесткостной системы при знакопеременных динамических воздействиях на здание, в том числе при землетрясениях. К-образные раскосы целесообразно применять для уменьшения пролета перекрытия и в качестве эффективного гасителя горизонтальных воздействий на высотное здание, поскольку относительно гибкие перекрытия при этом выполняют роль амортизаторов. В ряде случаев для рассеяния энергии от сейсмических толчков в узлах соединения диагоналей К-образных раскосов применяют пластические (скользящие) компенсаторы, улучшающие реакцию здания на динамические воздействия (К-образные раскосы, например, применены в Эмпайр Стейт Билдинге). 73 Конструктивные решения высотных зданий. Несущие конструкции высотных зданий Жесткая арматура в виде прокатных профилей (для колонн, стоек, ригелей) или сталебетонные конструкции, трубобетонные конструкции (Китай). 74 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Gherkin, Swiss Re, 30 St Mary Ax, Лондон фасадная диагонально-решётчатая конструкция (решетчатая система) Внешняя система воспринимает как горизонтальные нагрузки, так и нагрузки от веса здания. Отличие – могут быть исключены вертикальные колонны 75 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. фасадная диагонально-решётчатая конструкция • За счет треугольной конфигурации сопротивление опрокидывающему моменту, возможность уменьшить размер ядра • Снижение веса конструкции • Упрощает перераспределение нагрузок 76 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. 77 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Кейс, Guangzhou International Finance Centre (IFC), Гуанджоу, Китай Guangzhou International Finance Centre (IFC) 103-story, 438.6-mIt Внутреннее ж/б ядро и наружный решетчатый ствол, связанные балками. Решетчатая структура состоит из стальных труб заполненных бетоном. 78 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Кейс, Guangzhou International Finance Centre (IFC), Гуанджоу, Китай 79 Конструктивные системы зданий Bundle tube – структурная система, объединяющая несколько ядер жесткости, объединенных вместе, формирующие мультистволовую структуру с отдельными башнями. Подходит для сверх высоких зданий. 80 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий 81 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий 82 Конструктивные системы зданий. Кейс Slender Tower Allianz Tower, Millan 83 Конструктивные системы зданий One World Trade Center , Freedom Tower, New York, USA Гибридная ствольно-коробчатая система перекрытий поддерживаются композитными балками. Наружный стальной рамный ствол и ж/б ядро соединяются балками поддерживающими перекрытия 90 см. Бетон 100 Mpa (выше B80) 84 Конструктивные системы зданий. Кейс № 8 on Superslender Tower 432 Parke Avenue, NY, USA Система труба в трубе. Наружный ствол сформирован бетонной рамной системой. Каждые 12й этаж аутригерные балки высотой в два этажа. 85 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. 86 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега-структура. eHSBC Headquarters in Hong Kong 8 стальных мачт и фермы поддерживающие перекрытия 87 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега-структура Мега- рама mega frame structure, superframe structure. Мега-колонны и мега-решетка. Связь каждые 10-25 этажей. 88 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега-структура. China Zun Tower 89 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега каркас. 90 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега каркас. Shanghai Tower . The 632-m tall Shanghai Tower is the tallest building in China and the world’s third tallest structure. The building has 128 stories with five underground floors. The total floor area is 380,000 m2 Конструктивная система: Железобетонное ядро, мега-каркас 8 мега колонн, диагональные колонны через 10 этажей, опоясывающие фермы в каждой из 9 зон (80 м) 91 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега каркас. Shanghai Tower . 92 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега каркас. Shanghai Tower . 93 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. As shown in Fig. 5.36, the building is divided into nine separate zones along its height, which are separated by eight zones strengthening the floors. Each zone is about 80-m high. The core of the structure is approximately 30 m2 . The mega frame is made up of supercolumns and diagonal columns along with double belt truss at each zone. there are eight supercolumns along with four corner columns with two-story high-belt truss to connect these columns. The supercolumns are composite structures made up of steel sections encased in concrete. As shown the internal core and outer mega fame are also connected by outriggers at six levels (at zones 2, 4, 5, 6, 7, and 8) 94 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега каркас. 95 Конструктивные решения надземных частей высотных зданий. Мега каркас. 96 Конструктивные системы зданий 97 Конструктивные системы зданий Танцующие башни, Канада, MAD Architects 98 99 100 101 102 Башня Urban Tree, MAD Architects Мельбурн Башня BEULAH PROPELLER CITY Coop Himmelb(l)au X Architectus, Мельбурн 103 250 метров, не официально называемая Vanke 3D City, начала строиться в середине 2019 года. Здание представляет собой кластер из восьми взаимосвязанных блоков, которые помимо офисов штаб-квартиры компании Vanke будут включать жилые помещения и объекты социально-культурного и бытового назначения. Эта новаторская идея предвещает следующий шаг на пути дизайна небоскреба, который станет не просто зданием, а моделью «трехмерного города». 104 105 106
