24. Конструкции традиционных высотных зданий. Классификация конструктивных схем. Недостатки, ограничения дальнейшего развития.
С точки зрения экономической и конструктивной целесообразности каждая из традиционных схем имеет как свой предел применимости по высоте, так и диапазон оптимальной этажности.
При увеличении этажности высотных зданий до 120 этажей и более однообъемная компоновка зданий исчерпывает свои возможности вследствие громоздкости плана и недостаточной жесткости. Если точечное здание способно быть жестким при соотношении высоты к ширине наименьшей стороны в плане равной 7-8, то в такой пропорции здание не способно расти бесконечно.
Ограничивающими факторами являются:
Размеры температурных блоков (60-70 м в ЖБК);
Глубина корпуса по инсоляции (предельная глубина корпуса 14 м в России и 60 м в США);
Большие затраты на фундаменты для отсутствия кренов и неравномерных осадок при стороне более 60 м;
Неравномерное распределение сдвиговых и продольных усилий между крайними и средними колоннами фасада (Shear lag-effect);
Это наводит на мысль, что особо высокое здание должно быть организовано по принципиально иной, структурно-подчиненной схеме, в которой первичными являются дискретные отдельно стоящие макроэлементы, устраняющие проблемы сплошного неразрывного корпуса, размещенного на грунте и образующие макроструктуру. При этом сильно развитая в плане башня может быть превращена в трех- и более –точечную башню сложной макроструктуры, объединенную системой перемычек, диафрагм или связей.
В этом случае отдельно стоящие башни выполняют роль поясов фермы, а диагональные связи, перемычки или рамные ригели выполняют функцию решетки, объединяющих башни в единое – в здание сложной макроструктуры.
25. Решение проблем традиционных высотных зданий, классификация, особенности статической и динамической работы. Конструктивное противоречие.
В связи с постоянно возрастающей высотой и этажностью высотных зданий в настоящее время практически исчерпан ресурс ее увеличения при применении традиционной точечной их компоновки. В зданиях высотой более 30-40 этажей напряжения в вертикальных несущих элементах от горизонтальных нагрузок (ветровых и сейсмических) сравнимы с усилиями от вертикальных нагрузок, а в более высоких зданиях становятся определяющими.
Кроме проблемы прочности остро стоит проблема комфортности высотных зданий. Ускорения, вызванные ветровыми колебаниями, создают неблагоприятные условия для длительного пребывания в них человека на верхних этажах. Требования к комфортности и снижению зыбкости верхних этажей постоянно ужесточаются (Amax = 0.08 м/c2). Поэтому высотные здания должны обладать максимально высокой жесткостью. Кроме этого существуют высокие требования к пожарной безопасности (дублирование пожарных выходов) и ограничения по инсоляции глубины здания (16 м в России, 40 м в США). Наиболее эффективный путь комплексного выполнения данных требований – это использование зданий сложной макроструктуры.
Здание сложной макроструктуры (ЗСМ) – это здание, состоящее из 2-х и более башен, пластин, блоков, объединенных отдельными или регулярными связями или перемычками по высоте, включающими их в совместную работу. Здания сложной макроструктуры легко позволяют обеспечить горизонтальную жесткость, необходимую для восприятия ветровых нагрузок.
Большая жесткость таких зданий делает их однако уязвимыми при сейсмических воздействиях. Поэтому разрешение указанного противоречия является актуальной задачей расчета и рационального проектирования высотных зданий.
Рис. 1. Классификация ЗСМ по форме композиции плана
По количеству башен, очевидно, ЗСМ делятся на двух-, трех-, четырехбашенные и многоветвевые (рис. 2).
Рис. 2. Классификация ЗСМ по количеству башен
По типу систем жесткости ЗСМ делятся на две разновидности: рамные (ригельные), предающие жесткость за счет больших моментов инерции и способности воспринимать изгибающий момент, и ферменные (связевые), работающие на растяжение-сжатие за счет образования жесткого геометрически-неизменяемого треугольника (рис. 3).
По регулярности связей – регулярные и дискретые (рис.3).
Рис. 3. Классификация ЗСМ по типам системы жесткости.
Конструктивное противоречие :
Одной из целей использования зданий сложной макроструктуры (ЗСМ) является повышение их горизонтальной жесткости и комфортности при колебаниях от действия ветровых нагрузок.
Как известно, крестовые связи и регулярная связевая решетка наделяют здание высокой жесткостью при ветровом воздействии и, как следствие, повышают собственные частоты и инерционные силы при сейсмическом воздействии. Жесткие здания становятся уязвимыми при сейсмических воздействиях.
Разрешить это противоречие можно введением в ЗСМ внутренних упругопластических связей (УПС), которые при ветровых воздействиях работают упруго.
Применение упруго-пластических связей позволяет снизить ускорения колебаний высотного здания сложной мактроструктуры при сейсмическом воздействии практически до значений отдельно стоящего здания, а значит снизить сейсмические силы и усилия в элементах башен.