Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость. Горизонтальные конструкции - перекрытия и покрытия здания - воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции. Последние, в свою очередь, передают эти нагрузки и воздействия черед фундаменты основанию.
Горизонтальные несущие конструкции высотных зданий, как правило, однотипны, и обычно представляют собой жесткий несгораемый диск - железобетонный (монолитный, сборно-монолитный, сборный) либо сталежелезобетонный.
Вертикальные несущие конструкции более разнообразны. Различают стержневые (каркасные) несущие конструкции, плоскостные (стеновые, диафрагмовые), внутренние объемно-пространственные стержни полого сечения на высоту здания (стволы жесткости), объемно-пространственные наружные конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого сечения. Соответственно примененному виду вертикальных несущих конструкций различают четыре основные конструктивные система высотных зданий - каркасную (рамную), стеновую (бескаркасную, диафрагмовую), ствольную и оболочковую.
Основные системы ориентированы на восприятие всех силовых воздействий одним типом несущих элементов. Так, например, при стержневых конструкциях узлы сопряжения колонн с ригелями должны быть жесткими (рамными) в обоих направлениях, чтобы обеспечить восприятие вертикальных и горизонтальных воздействий.
Наряду с основными, широко применяют и комбинированные конструктивные системы. В этих системах вертикальные несущие конструкции компонуют, сочетая разные виды элементов. К их числу относятся системы: каркасно-диафрагмовая со связями в виде стен - диафрагм жесткости, с неполным каркасом (несущие наружные стены и внутренний каркас), каркасно-ствольная, ствольно-стеновая, ствольно-оболочковая и др.
В комбинированной системе могут сочетаться несколько типов вертикальных несущих элементов (плоскостных, стержневых, объемно-пространственных) и схем их работы. При таких сочетаниях полностью или частично дифференцируется восприятие нагрузок и воздействий (например, горизонтальных - стенами жесткости, а вертикальных - каркасом). Соответственно количество возможных вариантов комбинированных систем весьма обширно.
Стеновая система на протяжении столетий была основной для зданий любого назначения, в высотном строительстве применяется редко и преимущественно для жилых зданий и гостиниц. Самое высокое из построенных зданий стеновой системы - 47-этажный жилой дом «Конкордия Хаус» в Кёльне имеет поперечно-стеновую конструктивную систему (шаг стен 4,5 м) и выполнено с монолитными железобетонными несущими внутренними стенами и перекрытиями. Малый объем использования стеновой системы и ориентация на применение ее только в жилище можно объяснить тривиальным восприятием системы в поперечно-стеновом варианте с сопутствующими ему ограничениями свободы планировки.
Конструктивные элементы
- Подземные конструкции высотных зданий
Фундаменты высотных зданий проектируют на базе результатов предпроектных тщательных и всесторонних инженерно-геологических и инженерно-гидрологических изысканий. Эти изыскания дают основания для предварительной оценки несущей способности основания, его осадок и их неравномерности, общей устойчивости основания и проводятся по предусмотренным действующими нормативными документами методикам.
Помимо этого, изыскания дают основания для прогнозирования вероятности развития опасных процессов в основании (карстово-суффозных, оползневых и др.). Неблагоприятный прогноз может служить основанием для отказа от выбранной площадки строительства по требованиям безопасности или из-за высокой стоимости мероприятий по понижению интенсивности влияния этих процессов.
Изыскания позволяют выявить возможное влияние строительства высотного здания на окружающую застройку. В первом периоде - при эскалации колоссальных объемов грунта (глубина котлована может превысить 10 м). В период эксплуатации - из-за влияния осадки основания под нагрузкой высотным зданием. Эти обстоятельства диктуют как выбор проектного защитного решения, так и постоянный мониторинг инженерно-геологических процессов, динамики движения подземных вод, деформаций основания в процессе эксплуатации здания.
В международной практике для устройства фундаментов высотных зданий примеряют достаточно широкий спектр конструктивных решений, а именно: буровые опоры глубокого заложения, забивные сваи-стойки и висячие сваи, свайно-плитные конструкции, монолитные плитные и коробчатые, ленточные фундаменты. Во всех случаях класс бетона фундаментов применяется не ниже В25.
Массивные свайные, буронабивные фундаменты, глубокого заложения под отдельные опоры применяют при соответствующей конструктивной системе при которой концентрация нагрузок до 50-100 тыс.тонн приходится на отдельные редко расположенные опоры, как например, в зданиях оболочковой системы с несущей оболочкой в виде раскосной макрофермы. Глубина заложения таких фундаментов в соответствии с грунтовыми условиями может составлять до 30-40 м.
При недостаточной несущей способности, плита фундамента может быть эффективно дополнена мощными буронабивными опорами и превратиться в свайно-плитный фундамент, повышающий взаимодействие здания с основанием. Однако применение такого конструктивного варианта допустимо лишь при отсутствии в основании высоко расположенных водоносных пластов.
- Надземные конструкции высотных зданий
Несущие конструкции
Конструкции внутренних стен и колонн высотных зданий по существу технического решения мало отличаются от применяемых в зданиях высотой до 75 м. Наиболее существенное отличие заключается в увеличении их сечений как по требованиям увеличения несущей способности, так и по резко возросшим требованиям к пределу огнестойкости (до REI 180 в зданиях высотой до 100 м и до REI 240 в более высоких зданиях).
Соответственно высоким требованиям к несущей способности вертикальных несущих конструкций для них применяют бетон класса по прочности на сжатие не менее ВЗО (в нижних этажах - В50 и В75), допускается изменение размеров сечений по высоте, предусматривается двухстороннее симметричное армирование.
Применение бетонов высоких классов по прочности на сжатие (В50, В75) для колонн с гибкой арматурой позволяет существенно уменьшать их сечение.
Для наиболее нагруженных элементов используются сталежелезобетонные конструкции с жесткой арматурой из прокатных или сварных элементов, дополненной гибкой арматурой по контуру. Процент армирования колонн принимают в пределах от 1 до 7 %, стен - до 0,5%.
Радикальное увеличение несущей способности колонн дает переход к колоннам из трубобетона. В таких колоннах стальная оболочка из круглой стальной трубы, заполненной бетоном высокой прочности, создает обжатие бетонного ядра, служа одновременно вертикальной и горизонтальной арматурой колонн.
За счет вертикального и горизонтального обжатия бетонного ядра, несущая способность колонны увеличивается вдвое (по сравнению с железобетонной из бетона того же класса) с соответствующим уменьшением размеров поперечного сечения.
Колонны из трубобетона широко внедрены в строительство высотных зданий преимущественно в Юго-Восточной и Восточной Азии.
Высокие прочностные свойства трубобетонных колонн позволяют пересмотреть рекомендации по выбору конструктивных систем.
Процент армирования трубобетонных колонн составляет 4-5%, не превышая, таким образом процента армирования железобетонных колонн с жесткой арматурой.
Стволы жесткости представляют собой наиболее специфичную для высотного строительства внутреннюю вертикальную несущую конструкцию. Она присуща большинству высотных зданий различных конструктивных систем: ствольных, каркасно-ствольных, ствольно-стеновых и оболочково-ствольных.
Самый распространенный вариант конструкции - центрально расположенный монолитный железобетонный ствол. В зависимости от нагрузки (этажности) толщина стен ствола в нижнем ярусе может достигать 60-80 см, а в верхних сокращаться до 20—30 см. Минимальный класс бетона для вертикальных несущих конструкций В 30, но в нижних этажах высотных зданий приемлемо применение высокопрочных бетонов классов В50 и В60.
В конструктивно-планировочном отношении удачна относительно редко принимаемая конструкция ствола открытого профиля, например крестообразного сечения. Она исключает трудоемкое и металлоемкое устройство многочисленных надпроемных перемычек, необходимых в стволах закрытого сечения, и упрощает установку лифтов. Ограничение в их применении оправдано только в особо высоких сооружениях, когда жесткость ствола открытого сечения может оказаться недостаточной.
Стальные конструкции стволов представляют собой в большинстве случаев решетчатую систему, обетонируемую после монтажа. Исключения из этого правила встречаются крайне редко, когда ствол имеет не только несущие, но и архитектурно-композиционные функции.
Перекрытия
Конструктивные решения перекрытий подчинены требованиям пожарной безопасности, обеспечения их прочности и минимальной деформативности в плоскости (на горизонтальные), из плоскости (на вертикальные нагрузки и воздействия).
Первое требование ограничило вариантность конструкций перекрытий по их материалу: они должны быть несгораемыми и, соответственно, железобетонными.
Основные варианты железобетонных перекрытий - монолитная плоская или ребристая плита, монолитная с оставляемой сборной железобетонной опалубкой, сборная из многопустотных, сплошных или ребристых настилов.
В зарубежной практике основным вариантом перекрытия является сталежелезобетонная конструкция из стальных балок и монолитной железобетонной плиты по профилированному стальному настилу, который служит одновременно несъемной опалубкой и отчасти армированием плиты. Этот вариант конструкции перекрытия, как правило, проектируют с подвесным потолком, который скрывает в интерьере стальные балки и создает пространство для разводки многочисленных коммуникаций - электрических, вентиляционных и др. А сам потолок может способствовать улучшению акустического режима помещении при выполнении его из звукопоглощающих материалов.
Однако в отечественных условиях складывается неблагоприятная обстановка для расширенного внедрения сталежелезобетонной конструкции перекрытий в связи с предусмотренным МГСН 4.19-2005 требованием увеличения предела огнестойкости перекрытий в зданиях выше 100 м до REI 240. Это потребует омоноличивания стальных балок. Не способствует таким высоким противопожарным требованиям также система стальных подвесок и каркаса подвесных потолков.
Наружные стены
В зависимости от конструктивной системы здания наружные стены проектируют несущими и ненесущими. При этом несущие стены конструируются различно в зависимости от того, являются ли они несущей оболочкой здания или образованы пилонами ствольно-стеновой системы.
На конструирование наружных стен в целом влияют нормативные требования к огнестойкости, тепловой защите и несущей способности.
Если для несущих стен, как и для колонн, регламентированы пределы огнестойко¬сти по несущей способности в REI 180 и REI 240 в зависимости от высоты здания, то для ненесущих - только по целостности - в REI 60.
Назначение тепловой защиты для глухой части наружных стен дифференцировано в зависимости от их высоты.
Регламентированы также величины сопротивления теплопередаче светопрозрачных конструкций.
Несущие стены участвуют в работе конструктивной системы здания на все виды силовых воздействий и воспринимают переменные по высоте здания ветровые нагрузки, включая их пульсационную составляющую.
Родоначальницей оболочковой стеновой несущей конструкции является стальная безраскосная пространственная многоэтажная многопролетная рама (решетка) из сварных стержней коробчатого сечения, примененная в зданиях-близнецах WTC в Нью-Йорке.
