10616

35

Рис. 6.7. Пример сетчатого купола системы Чебышева в г.Душанбе, Д=65м

( Дн ≤ 150 м) и двухпоясные ( Дн ≤ 600 м) с высотой поперечного сечения между поя-

Панельный купол представляет собой дальнейшее развитие сетчатого купола путем включения в его работу ограждающих кровельных конструкций. Такой купол собирают из гнутоштампованных панелей, изготовленных из стальных или алюминиевых листов толщиной 2…4 мм. По контуру панелей делают отбортовку, с помощью которой панели соединяют друг с другом на монтажных болтах. За счет перелома граней смежных панелей купол приобретает необходимую жесткость по общей устойчивости, а листы панелей, закрепленные бортовыми элементами, обеспечены от потери местной устойчивости

36

ют рисунок сетчатого купола с его геометрической формой. Для увеличения жесткости и несущей способности купола между вершинами панелей прикрепляют [3] стержни, которые создают дополнительную сетку купола с наружной или с внутренней поверхностей купола (панельно-сетчатый купол). На рис. 6.7 [10] приведен пример сетчатого купола системы Чебышева в г.Душанбе, Д = 65 м.

37

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К РАЗДЕЛУ 2.1

1.Федеральный государственный образовательный стандарт ВПО по специальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений» [Электронный ресурс] : утв. М-вом образования и науки России 24.12.2010 № 2055 : [ред. от 31.05.2011]. – Режим доступа : Консультант-Плюс. Законодательство. ВерсияПроф.

2.Градостроительный кодекс Российской Федерации [Электронный ресурс] : [федер. закон Рос. Федерации от 29.12.2004 № 190-ФЗ] : [ред. от 19.10.2015]. – Режим доступа : КонсультантПлюс. Законодательство. ВерсияПроф.

3.Металлические конструкции : учебник для студентов высш. учеб. заведений / Ю. И. Кудишин, Е. И. Беленя, В. С. Игнатьев [и др.] ; под ред. Ю. И. Кудишина. – 9- е изд. cтер. – Москва : Академия, 2007. – 688 с.

4.Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3. Специальные конструкции и сооружения : учеб. для строит. вузов / под ред. В. В. Горева. – Москва : Высш. шк., 1999. – 544 с. : ил.

5.Металлические конструкции : спец. курс : учеб. пособие для строит. вузов / Е. И. Беле-

ня, Н. С. Стрелецкий, Г. С. Ведеников [и др.] ; под ред. Е. И. Беленя. – 3- е изд., перераб. и доп. – Москва : Стройиздат, 1991. – 687 с.

6.Файбишенко, В. К. Металлические конструкции : учеб. пособие для вузов / В. К. Файбишенко. – Москва : Стройиздат, 1984. – 336 с. : ил.

7.Кирсанов, Н. М. Висячие и вантовые конструкции : учеб. пособие для вузов / Н. М. Кирсанов. – Москва : Стройиздат, 1981. – 158 с. : ил.

8.Трофимов, В. И. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений : учеб. пособие / В. И. Трофимов, А. М. Каминский. – Москва : АСВ, 2002. – 576 с.

9.Кутухтин, Е. Г. Легкие конструкции одноэтажных производственных зданий / Е. Г. Кутухтин, В. М. Спиридонов, Ю. М. Хромец [и др.]. – 2- е изд., перераб. и доп. – Москва : Стройиздат, 1988. – 263 с. : ил. – ( Справочник проектировщика).

10.Металлические конструкции : учеб. для строит. вузов. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов [и др.] ; под ред. В. В. Горева. – Москва :

Высш. шк., 1999. – 528 с. : ил.

11.Петропавловская, И. А. Летопись инженерной и научной деятельности почетного академика В.Г. Шухова / И. А. Петропавловская ; отв. ред. Ю. М. Батурин ; Ин-т истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН ; комиссия РАН по разработке научного наследия почет. акад. В. Г. Шухова ; Междунар. Шухов. фонд. – Москва : Фест-

партнер, 2014. – 416 с.

39

25. Колесов, А. И. Металлические висячие мембраны-оболочки : учеб. пособие для вузов / А. И. Колесов, А. А. Лапшин, Д. А. Морозов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2015. –

57с.

26.СП 20.13330.2011. – Нагрузки и воздействия : актуализир. ред. СНиП 2.01.07–85* / Минрегион России. – Изд. офиц., актуализир. ред. – Москва : ЦПП, 2011. – 78 с.

27.Катюшин, В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет,

проектирование, строительство) / В. В. Катюшин. – Москва : Стройиздат, 2005. – 656 с.

: ил.

40

РАЗДЕЛ 2.2. КОНСТРУКЦИИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ.

2.2.1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ СО СТАЛЬНЫМ КАРКАСОМ

Анализ развития многоэтажного и высотного строительства [3] показал, что применение стали в несущих конструкциях таких зданий и сооружений началось более 100 лет назад. При этом до середины XX века в стальных каркасах зданий для снижения горизонтальных перемещений применяли рамные, связевые и рамно-связевые системы. Однако с ростом высоты зданий эффективность этих систем против горизонтальных перемещений каркасов снижалась. Возникла необходимость совершенствования методик расчетов, монтажа и применения новых материалов для конструкций и соединений.

Примерно с 1960 г. в высотное строительство стали активно внедряться новые конструктивные системы: ствольные и оболочковые, – позволившие значительно повысить этажность без существенного роста горизонтальных перемещений каркаса.

Одновременно с развитием металлических конструкций в практику строительства высотных зданий внедряется железобетон. До середины XX века его применение ограничивалось недостаточной прочностью. Однако создание бетонов с классом прочности В60… В100 позволило расширить применение железобетона в высотных зданиях.

К середине 2011 года высотных зданий высотой более 300 м в мире насчитывалось всего 54 шт. По определению международной организации «Совет по высотным зданиям и городской среде» такие здания относятся к сверхвысотным. Авторы работы [3] полагают, что, несмотря на штучность таких соору-

жений, уникальность их конструкций и инженерных решений, они находятся на вершине научно-технического прогресса в области строительства. К их проектированию и строительству привлекаются лучшие в мире инженеры. Поэтому реализованные в них принципы и подходы к проектированию, примененные материалы можно успешно использовать в зданиях меньшей высоты.

Таким образом, уникальные сверхвысотные здания являются ориентиром для мировой строительной практики высотного строительства. Все требования к таким объектам изложены в Градостроительном кодексе РФ [12].

В конструктивной системе высотного здания есть много возможностей для инженерного поиска рациональных решений, отвечающих критерию минимальной стоимости: сокращение расхода стали, снижение трудоемкости изготовления и монтажа, повышение скорости возведения. Применение металлоконструкций в высотном строительстве упрощает прокладку коммуникаций; снижает общий вес здания; позволяет увеличить свободное пространство внутри здания. Комбинированные сталежелезобетонные ядра жесткости

41

за счет уменьшения толщины ограждающих конструкций позволяют снизить нагрузки на фундамент ствола и увеличить рабочие пролеты перекрытий.

Причины проектирования и строительства высотных зданий и области их

применения

Современное проектирование и строительство высотных зданий (XX…XXI вв.) вызвано несколькими причинами. Так, в [4] указывается на рост населения городов, недостаток земельных участков и их высокая стоимость.

Сегодня процесс урбанизации развивается во всех странах мира. Примером этого процесса стали США, в которых в конце XIX в. за счет миграции сельского населения увеличилась плотность застройки городов. Следствием этого стало создание высоких каркасных зданий из стальных конструкций, лифтового оборудования, систем электроснабжения, необходимых в условиях развивающейся по высоте плотной городской застройки. При этом здания высотой около 20 этажей располагались близко друг от друга, что привело к узким улицам, отсутствию достаточного света и чистого воздуха. Все это постепенно привело к появлению высоких зданий-небоскребов, обеспечивающих плотность заселения, эквивалентную плотности обычных зданий, которые они заменяли. Как отмечено в [4], современный уровень развития техники настолько высок, что обеспечивает возможность строительства отдельно стоящего небоскреба. А в учебном пособии [1] отмечается, что рост этажности зданий объясняется продолжающимся ростом городского населения и необходимостью улучшения условий его быта и профессиональной деятельности, а также стремлением к более рациональному использованию земли, сохранению природных зон вокруг городов, относительному сокращению затрат на строительство и эксплуатацию инженерных коммуникаций, транспортных и других систем городского обслуживания. При этом в зданиях с числом этажей 40 и более чаще применяют стальные каркасы. Ориентировочно верхняя граница целесообразного строительства высотных зданий – около 60 этажей. С увеличением числа этажей больше 60 растут воздействия природных сил, усложняются технические решения зданий, увеличиваются капитальные и эксплуатационные затраты, изменяются психофизиологические реакции людей. Поэтому не следует без достаточного обоснования чрезмерно увеличивать высоту зданий.

Особенности объемно-планировочных и конструктивных решений стальных

каркасов высотных зданий

а) Как отмечено в [1], при разработке объемно-планировочных и конструктивных решений многоэтажного здания и систем его инженерного обслуживания необходим комплексный учет функциональных, эстетических, техниче-

ских и экономических требований. Эти же требования учитываются и при проектирова-

42

нии высотных зданий. При этом помещения, близкие по назначению и размерам, размещают в типовых этажах здания, а входные узлы и крупные залы – в нетиповых. Инженерное оборудование устанавливают в технических этажах. Для прокладки инженерных коммуникаций используют вертикальные шахты, горизонтальные каналы в пределах габаритов колонн и строительных высот перекрытий. Число технических этажей зависит от числа этажей в здании. Согласно [3], технические этажи по возможности совмещают с этажами жесткости и располагают:

–для зданий высотой H = 60 этажей – на середине высоты здания и вверху;

–для зданий высотой H = 50 этажей – на расстоянии 3/5 Н от уровня земли (≈ 32

этаж) и в уровне 8-го этажа. Однако число технических этажей может потребоваться больше, чем этажей жесткости, так как число первых определяется требованиями по размещению инженерного оборудования и противопожарными нормами.

б) В соответствии с действующими нормами противопожарные мероприятия по предупреждению и локализации пожара и эвакуации людей должны быть учтены в объ- емно-планировочном решении здания: размеры противопожарных отсеков, эвакуационные пути и выходы, незадымляемые лестницы и лифтовые холлы, материалы ограждающих и несущих конструкций и способы обеспечения их требуемой огнестойкости.

в) Конструктивное решение высотного здания, разрабатываемое в тесной связи с решением объемно-планировочных задач и систем инженерного обслуживания, должно удовлетворять требованиям надежности и долговечности, технологичности конструкций для изготовления и монтажа, требованиям экономичности.

Значимость рационального обеспечения всех перечисленных требований возрастает с увеличением высоты здания.

Главное назначение несущих конструкций здания состоит в обеспечении его прочности, устойчивости, жесткости, как в период строительства, так и в течение всего срока эксплуатации на действия разнообразных статических и динамических нагрузок. В конструктивной системе здания можно выделить две основные группы несущих конструкций: горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные конструкции: железобетонные плиты, стальные балки перекрытий, горизонтальные связи, - обеспечивают неизменяемость каркаса в плане и передают нагрузки с перекрытий на вертикальные конструкции, а также участвуют в пространственной работе всего каркаса.

Вертикальные конструкции: колонны, рамы, диафрагмы, стволы жесткости, этажи жесткости, - выполняют в каркасе главные функции по восприятию всех нагрузок, усилий от них и передаче этих усилий на фундаменты. При этом по стоимости конструкций «в

43

деле» важное значение приобретает анализ выбираемого материала для них (сталь, железобетон). Так, в зданиях высотой > 30 этажей стальные несущие конструкции имеют ряд преимуществ по сравнению с железобетонными:

–относительно меньший вес, позволяющий снижать расходы на фундаменты;

–возможность членения конструкций на монтажные марки крупных размеров;

–ускорение возведения зданий;

–конструктивные удобства для крепления ограждающих конструкций;

–меньшие габариты колонн, увеличивающие полезные площади помещений;

–возможности создания большепролетных перекрытий, допускающих свободную планировку помещений.

Основные недостатки несущих стальных конструкций: малая огнестойкость и под-

верженность коррозии, - эффективно устраняются с помощью защитных мероприятий с увеличением стоимости здания на (1-2)%.

Железобетон в высотных зданиях эффективнее стали при числе этажей ≤ 30.

В ряде случаев в зависимости от этажности экономичные конструктивные решения получаются при сочетании положительных свойств стали и железобетона. В смешанных решениях одни несущие элементы выполняются из стали, другие – из железобетона (монолитного). При этом эффективно применение трубобетонных и железобетонных конструкций с жесткой арматурой в монолитном исполнении.

г) Важная роль в снижении горизонтальных перемещений стального каркаса отводится этажам жесткости. В [3] приведены результаты численного эксперимента вариантов размещения этажей жесткости:

– рациональное положение первого этажа жесткости зависит от высоты (Н) здания и рав-

–заметное уменьшение относительных горизонтальных перемещений дает расположение этажа жесткости на верхнем этаже высотного здания:

= для зданий высотой 45 этажей (≈180 м) уменьшение перемещений составляет ≤

24%;

= для зданий высотой 60 этажей (≈240 м) – уменьшение перемещений составляет ≤

18%;

= для зданий высотой 75 этажей (≈300 м) – уменьшение перемещений составляет ≤

13%;

44

- рациональное расположение второго этажа жесткости находится в зоне расположения первого, т.е. с точки зрения повышения жесткости здания по [3] вместо двух этажей жесткости (в разных уровнях) выгоднее устанавливать один этаж жесткости большей высоты (может быть двухэтажный). В этом случае уменьшение относительного горизонтального перемещения по сравнению с одним этажом жесткости по данным [3] составило дополнительно:

=для зданий высотой 75 этажей – 8% ( т.е. ≤ 21%);

=для зданий высотой 60 этажей – 11% ( т.е. ≤ 29%);

=для зданий высотой 45 этажей – 15% ( т.е. ≤ 39%), - в зависимости от формы плана высотного здания.

–вместо устройства сложной системы этажей жесткости (двухэтажных) может оказаться более выгодным вариант увеличения момента инерции ядра жесткости каркаса.

Таким образом, рациональное размещение этажей жесткости и технологических

этажей для размещения оборудования находится в некотором противоречии. Более подробно о влиянии этажей жесткости на горизонтальные перемещения высотных зданий

Учет экономических требований при проектировании высотных зданий

Вобщем случае экономический анализ затрат на строительство здания включает: стоимость проектных работ, материалов, изготовления конструкций; стоимость перевозки

имонтажа конструкций, монтажа оборудования; анализ затрат на функциональную и техническую эксплуатацию, на отчуждение территории, на городские сети и коммуникации.

Врезультате такого анализа можно выявить общую стоимость здания и ожидаемый эффект от сокращения сроков строительства и более раннего ввода здания в эксплуатацию. По данным [1] стоимость в деле зданий высотой 30…50 этажей распределяется по элементам затрат в следующих соотношениях в процентах:

– фундаменты и основания – 14%;

– стальной каркас – 16…24%;

– плиты перекрытий – 5…9%;

– стены и лестницы – 12…20%;

– отделка – 8…16%;

– системы инженерного обслуживания – 30…40%.

С увеличением этажности относительная стоимость частей здания перераспределя-

ется:

– для стен, лестниц и отделки – уменьшается;