Основы проектирования высотных зданий (небоскребов)

Многоэтажные здания с этажностью 9-16 этажей относятся к 1й категории.

17-25 этажей – 2я категория

26-40 этажей – 3я категория

Более 40 этажей – высотные здания.

Здания высотой более 75 м относятся к небоскребам, т.к. требуют особого подхода к решению их пространственного объема и инженерно-технического обеспечаения.

Основы конструирования

Несущая конструкция работает в трех последующих фазах:

1. восприятие нагрузки

2. распределение нагрузки

3. передача нагрузки

Эти три этапа называются работой конструкции, что является основополагающей предпосылкой для ее проектирования, в особенности это важно для высотных зданий. Конструкции высотных зданий и сооружений требуют неразрывности элементов, которые передают нагрузку на основание и тем самым согласованности передачи нагрузок для каждого этажа. Поэтому распределение точек передачи нагрузок должно определяться соображениями не только статической целесообразности, но и рационального использования площадей.

Высотные конструкции для передачи вертикальных нагрузок нуждаются в значительных площадях поперечного сечения опорных частей, которые ограничивают полезную площадь этажа. В связи с необходимостью ограничения до минимума поперечного сечения элемента в передающих нагрузку для оптимального использования площадей все пространственные элементы, необходимые для высотного строения, являются потенциальными несущими конструкциями: шахты лифтов, санитарно-технические каналы, лестничные клетки.

Чтобы создать гибкую планировочную структуру этажей и возможности для последующих перепланировок помещений на каждом этаже проект несущих систем высотных зданий нацелен на максимально возможное уменьшение поперечного сечения элементов, а также уменьшения их числа.

По типу несущей конструкции высотные сооружения подразделяются:

- растровые высотные сооружения (рис.1)

- высотные сооружения с оболочкой (рис.2)

- ствольные высотные сооружения (рис.3)

- пролетные высотные сооружения – мостовые (рис.4)

Для понимания работы несущих систем конструкции высотных зданий необходимо рассмотреть три основных вида действующих нагрузок:

- система горизонтальных нагрузок на этажах

- система вертикальных нагрузок и их передача с этажей на основания

- система боковых горизонтальных нагрузок и повышение пространственной жесткости сооружения

Основная задача проектировщика состоит в том, чтобы интегрировать эти системы и создать такую конструктивную основу, которая бы взяла на себя все эти функции.

Ветровые нагрузки

Особую важность представляют по определению ветровых нагрузок и их воздействия на здания не только с точки зрения статической надежности, но и определения реакции здания на образование шумов от ветра, завихрений и т.д.

Задача проектировщика состоит в том, чтобы обеспечить такую работу здания, под воздействием ветровых нагрузок, которая отвечала бы требованиям надежности и пригодности к нормальной эксплуатации в течение всей его службы.

Воздействие ветра на высотные здания определяется рельефом, наличием зданий и сооружений на этой территории, а также объемно-пространственной структурой самого здания.

Общие сведения о ветре

В проектировании ветер рассматривается как кратковременная нагрузка и источник вибрации конструкции. Для большепролетных конструкций мостов и др. зданий четкое представление о структуре ветра, законах распространения, интенсивности, частоте, порывистости является обязательным условием проектирования, поскольку воздействие ветра определяет прочность и стоимость конструкции.

Движение масс воздуха относительно земной поверхности происходит под воздействием разности атмосферного давления, силы трения, отклоняющей силой вращения Земли и центробежной силы.

В следствии турбулентности воздушного потока скорость и направление ветра колеблются. Величину скорости определяют с помощью стационарных приборов (флюгер), а в свободной атмосфере – с помощью зондов. Скорость ветра измеряется в м/с, узлами (мили/час) или баллами. Трение частиц воздуха о поверхность Земли отклоняет направление ветра от прямолинейного. С ростом высоты над поверхностью Земли влияние силы трения уменьшается, что приводит к повышению скорости ветра.

Ветровые нагрузки согласно ДБН

Требования по ветровым нагрузкам, приведенные в ДБН, распространяются на здания и сооружения простой геометрической формы, высота которых не превышает 200 м. При определении ветровой нагрузки для зданий и сооружений сложной конструктивной формы, стальных решетчатых мачт и башен зданий и сооружений высотой более 200 м, следует выполнять специальные динамические расчеты для определения влияния пульсационной составляющей нагрузки, а в необходимых случаях – обдувку модели в аэродинамической трубе. Ветровая нагрузка является переменной, а устанавливается два расчетные значения – предельное расчетное и эксплуатационное расчетное.

Ветровые нагрузки на сооружения рассматриваются как совокупность:

А) нормального давления, приложенного к внешней поверхности сооружения или элемента

Б) сил трения, направленных по касательной к внешней поверхности и относительных к площади ее горизонтальной (волнистые покрытия и покрытия с фонарями) или вертикальной проекции (стены с лоджиями)

В) нормального давления, приложенного к внутренней поверхности здания с воздухопроницаемым ограждением.

Предельное расчетное значение ветровой нагрузки

W_m = f_{Fm *} W_{0 *} C

Коэффициент надежности по предельному значению f_Fm = 1,14

W₀ – характеристическое значение ветровой нагрузки (прил. Е)

С – коэффициент, определяемый по формуле

С = С_{aer *} C_{h *} C_{alt *} C_{rel *} C_{dir *} C_d

C_h – коэффициент высоты сооружения, зависящий от типа местности

1. – открытые водные поверхности, плоские равнины без препятствий действия ветра на участках не менее 3 м.

2. – сельская местность с небольшими сооружениями, домами и рельефами

3. – пригородные и промышленные районы

4. – городские территории

C_alt – коэффициент географической высоты

C_alt = 4Н – 1 (Н>0,5 км)

C_alt = 1 (Н<0,5 км)

C_rel – коэффициент рельефа местности

Этот коэффициент учитывает микрорельеф местности вблизи площадки строительства и принимается = 1, за исключением случая, когда объект расположен на холме или склоне.

C_dir – коэффициент направления, учитывающий неравномерность ветровой нагрузки, принимается = 1 во всех случаях, кроме проектирования на открытой равнинной местности при наличии достаточных статических данных.

C_d – коэффициент динамичности, учитывает влияние пульсационной составляющей ветровой нагрузки и пространственную корреляцию ветрового давления на сооружение, зависит от материала здания, конструктивного решения и размеров здания (0,95…1,2).

В случаях, когда C_d > 1,2, необходимо выполнить специальный динамический расчет для определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки.

С_aer – аэродинамический коэффициент, который зависит от формы здания по высоте и в плане.

В определение ветровой нагрузки входит определение давления ветра активное с наветренной стороны и пассивное с противоположной подветренной стороны. В большинстве случаев значения этих ветровых нагрузок имеют одинаковую направленность (Се).

В зданиях и сооружениях сложных геометрических форм может возникнуть необходимость учета сил трения ветра (Сf), учета ветрового давления, приложенного перпендикулярно к внутренним поверхностям здания с открывающимися или с постоянно открывающимися проемами (Сі), коэффициент лобового сопротивления Сх для висячих, решетчатых и т.п. сорружений.

Помимо расчетов на снеговые и ветровые воздействия для некоторых типов сооружений решетчатые и висячие конструкции необходимо производить расчет на гололедную нагрузку.