Высотное здание
Полезная модель относится к строительству, в частности, к многоэтажным и высотным жилым и общественным зданиям с повышенной устойчивостью к прогрессирующему обрушению, техногенным, сейсмическим и террористическим воздействиям.
Целью предлагаемого технического решения является повышение устойчивости высотного здания к прогрессирующему обрушению при локальных повреждениях несущих конструкций, авариях инженерных систем, пожарах, взрывах, ускорение строительства, возможность повышения этажности, надежности и безопасности здания при сейсмических или несанкционированных воздействиях, снижение значительных трудозатрат на возведение несущих конструкций и перекрытий, уменьшение удельной стоимости строительства.
Сущность полезной модели заключается в том, что высотное здание, включающее фундаментную конструкцию, центральный ствол жесткости и двойную конструктивную несущую систему, первичная несущая конструкция которой представлена пространственной многоярусной рамой, а вторичная по-ярусным безригельным каркасом, при этом в первичную систему включены вертикальные диафрагмы жесткости, возводимые в скользящей опалубке, и состоящие из нижнего плоского перекрытия и верхнего арочного перекрытия (балок-стенок) жестко соединенные с центральным стволом опорные платформы, которые размещены по-ярусно по высоте здания в пределах технических этажей, и на которые опираются многоэтажные вторичные несущие конструкции безригельного каркаса, представленного трубобетонными колоннами и плоскими плитами перекрытий с внешнелистовым армированием, устанавливаемыми в проектное положение методом подъема.
Полезная модель относится к строительству, в частности, к многоэтажным и высотным жилым и общественным зданиям с повышенной устойчивостью к прогрессирующему обрушению, техногенным, сейсмическим и террористическим воздействиям.
Известно каркасно-ствольное высотное здание, включающее центральный ствол со стенами-диафрагмами, каркас с железобетонными и/или стальными колоннами, размещенными по периметру здания (см. ВНИИНТПИ. Экспресс-информация. Зарубежный и отечественный опыт в строительстве. Серия Строительные конструкции и материалы, вып.4, М. 2002, с.1-5, рис.3). Конструкция такого здания получила наиболее широкое применение (Хайдуков Г.К., Богданова Е.Н. Железобетонные конструкции высотных зданий: Обзорная информация. Серия: Строительные конструкции и материалы, вып.4 - М.: ВНИИНТПИ, 2001, вып. 3/4, с.1-105, рис.27, 33, 35) вследствие относительной простоты технологии возведения.
Однако в известном каркасно-ствольном здании вследствие значительных по величине горизонтальных нагрузок, характерных для всех типов высотных зданий, кроме изгиба в вертикальной плоскости, имеют место большие усилия закручивания его в плане, воспринимаемые в основном стенками центрального ствола жесткости, поэтому центральный ствол жесткости имеет развитые размеры сечения и отличается высокой материалоемкостью. Кроме того, вследствие значительных вертикальных усилий, возникающих при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок в наружном контуре (оболочке) здания, по контуру здания в плане требуется разместить значительное количество колонн для восприятия этих усилий. Таким образом, в целом известное здание отличается повышенной материалоемкостью. Кроме того, сквозные по всей высоте здания колонны с относительно небольшими размерами рами сечений уязвимы при техногенных авариях, а также террористических воздействиях, т.к. возможное повреждение нескольких колонн может вызывать общее обрушение здания. Это указывает на недостаточную надежность известного здания в современных условиях.
Известно также каркасно-ствольное высотное здание, в котором основными конструкциями также являются центральный ствол и наружный каркас, который содержит попарно размещенные по главным осям здания железобетонные мегаколоны, а по его углам в плане - стальные колонны (см. ВНИ-ИНТПИ. Экспресс-информация. Серия: Строительные конструкции и материалы, вып.2, М.: 2001, с 1-3. Конструктивное и архитектурно-планировочное решение высотного здания Jin Мао Tower (Китай)). Колонны и мегаколоны стальными решетчатыми поясами в нескольких местах по высоте здания жестко связаны с центральным стволом жесткости, а диски перекрытий каждого этажа опираются как на колонны и мегаколоны, так и на центральное ядро жесткости. Вследствие значительных по величине размеров сечений всех основных вертикальных несущих элементов надежность этого здания на все виды статических и динамических воздействий достаточно высокая.
Однако материалоемкость известного здания является неоправданно высокой. Вследствие недостатка конструктивного решения, выражающегося в том, что все вертикальные несущие конструкции выполнены цельными и сквозными на всю высоту здания, создается неэффективное распределение усилий в элементах несущей системы. Аналогичные недостатки содержатся и в известных вариантах подобного каркасно-ствольного здания (см. Граник Ю.Г., Магай А.А. Архитектурно-конструктивные особенности высотных зданий за рубежом. - Журнал «Уникальные и специальные технологии в строительстве». М.: 2004, 
1, с.20-30, рис.1в, г на с.27; Николаев СВ. Безопасность и надежность высотных зданий - это комплекс высокопрофессиональных решений. - Журнал «Уникальные и специальные технологии в строительстве». М.; 2004, 1, с.8-18, рис.13, на с.13).
Известно высотное здание с двойной (двухступенчатой) конструктивной системой (см. Енделе М., Шейнога и. Высотные здания с диафрагмами и стволами жесткости: Пер. с чеш. - М.: Стройиздат, 1980. - 336 с, илл. (с.10-11, рис.1.7)). В известном здании несущая система включает первичную несущую конструкцию в виде многоярусной рамной конструкции, крайние колонны которой, сквозные на всю высоту здания, вынесены за пределы наружных стен зданий. Вторичная конструкция включает отдельные каркасы, которые могут быть оперты только на ригели первичной рамы так, что вертикальные несущие элементы вторичного каркаса оказываются в пределах середины высоты каждого яруса первичной рамы, разорванными по высоте.
Разделение несущей системы на две ступени позволяет дифференцированно распределить усилия от приложенных к зданию нагрузок и воздействий по всем его несущим элементам и обеспечить не только повышение их несущей способности, но и оптимальную материалоемкость здания.
Однако в известном здании в полной мере реализовать указанное не представляется возможным, поскольку отсутствуют конкретные решения несущих систем и не определены конструкции сопряжений их между собой и условия их нормального функционирования под нагрузкой.
Наиболее близким к предлагаемому является (см. Евразийский патент 007114, Е04Н 1/00, Е04Н 9/02, Е04В 1/18, опубликовано 30.06.2006, «Высотное здание»). По указанному решению в высотном здании, включающем фундаментную конструкцию, центральный ствол жесткости и двойную конструктивную несущую систему, первичная несущая конструкция которой в виде пространственной многоярусной рамы с крайними колоннами, частично или полностью вынесенными за пределы наружных стен здания, выполнена с ригелями, размещенными поярусно по высоте здания в пределах технических этажей, на ригели рам между техническими этажами оперты многоэтажные вторичные несущие конструкции, снабженные ограждающими конструкциями. При этом ригели рамы первичной несущей конструкции в пределах каждого технического этажа жестко объединены в единую опорную платформу, которая жестко связана с центральным стволом жесткости здания, многоэтажные вторичные конструкции в нижнем и каждом среднем по высоте здания ярусе выполнены в виде отдельного вторичного несущего каркаса, включающего колонны, диафрагмы жесткости, перекрытия и покрытие, опертого в нижнем ярусе на фундаментную конструкцию, а в средних ярусах опертого на опорную платформу. Каждый вторичный несущий каркас в пределах нижнего и средних ярусов выполнен с зазором между внутренними краями его перекрытий и центральным стволом жесткости, а также между покрытием вторичного каркаса и расположенной над ним опорной платформой с размерами, обеспечивающими свободные линейные и угловые перемещения вторичного каркаса нижнего и каждого среднего яруса относительно ствола жесткости и рам первичной несущей конструкции, а в пределах верхнего яруса здания вторичный несущий каркас, опертый на опорную платформу, жестко связан по всем перекрытиям с центральным стволом жесткости, колонны крайних рядов вторичного каркаса верхнего яруса выполнены совмещенными с колоннами рам первичной несущей конструкции и размещены в пределах объема здания.
При этом каждая опорная платформа выполнена в виде плоской монолитной железобетонной плиты коробчатого сечения, ригели которой в плане образуют перекрестную железобетонную раму, замкнутую по периметру и выполненную заодно с центральным стволом жесткости. В узлах пересечения ригелей рамы сверху жестко заделаны колонны вторичного каркаса и колонны верхнего яруса первичной конструкции, а снизу в узлах пересечения ригелей рамы по периметру с опорной платформой жестко сопряжены колонны нижнего яруса первичной конструкции.
Кроме того, выносные колонны каждого яруса первичной несущей конструкции выполнены постоянного сечения на всю высоту яруса, снабжены сквозной продольной арматурой, заанкеренной по концам в соседних верхней и нижней платформах или в фундаментной конструкции.
При этом покрытие каждого вторичного каркаса в нижнем и средних ярусах здания выполнено с тепловой защитой в виде сплошного слоя теплоизоляции, опорные платформы снизу снабжены слоем теплоизоляции, а зазоры между перекрытиями вторичного каркаса и центральным стволом жесткости на уровне каждого перекрытия снабжены упругими вкладышами из огнестойких материалов.
Известное высотное здание позволяет решить задачу обеспечения требуемой надежности и безопасности при техногенном воздействии, а также минимализации материалоемкости высотного здания.
Однако при реализации известного решения не представляется возможным устранить главную угрозу при строительстве высотных зданий, а именно возможность прогрессирующего обрушения.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение устойчивости высотного здания к прогрессирующему обрушению при локальных повреждениях несущих конструкций, авариях инженерных систем, пожарах, взрывах, ускорение строительства, возможность повышения этажности, надежности и безопасности здания при сейсмических или несанкционированных воздействиях, снижение значительных трудозатрат на возведение несущих конструкций и перекрытий, уменьшение удельной стоимости строительства.
Сущность полезной модели заключается в том, что высотное здание, включающее фундаментную конструкцию, центральный ствол жесткости и двойную конструктивную несущую систему, первичная несущая конструкция которой представлена пространственной многоярусной рамой, а вторичная по-ярусным безригельным каркасом, при этом в первичную систему включены вертикальные диафрагмы жесткости, возводимые в скользящей опалубке, и состоящие из нижнего плоского перекрытия и верхнего арочного перекрытия (балок-стенок) жестко соединенные с центральным стволом опорные платформы, которые размещены по-ярусно по высоте здания в пределах технических этажей, и на которые опираются многоэтажные вторичные несущие конструкции безригельного каркаса, представленного трубобетонными колоннами и плоскими плитами перекрытий с внешнелистовым армированием, устанавливаемыми в проектное положение методом подъема.
Технический результат:
В высотном здании, включающем фундаментную конструкцию, центральный ствол жесткости и двойную конструктивную несущую систему, первичная несущая конструкция которой в виде пространственной многоярусной рамы с вертикальными диафрагмами жесткости, в виде сквозных монолитных железобетонных стен высотой на все здание, выполнена с балками-стенками, размещенными по-ярусно по высоте здания в пределах технических этажей, на балки-стенки рам между техническими этажами оперты многоэтажные вторичные несущие конструкции, снабженные ограждающими конструкциями.
При этом балки-стенки рам и нижние перекрытия первичной несущей конструкции в пределах каждого технического этажа жестко объединены в единую опорную платформу, которая жестко связана с центральным стволом жесткости здания и вертикальными диафрагмами жесткости, каждый вторичный несущий каркас в пределах ярусов выполнен с зазором между внутренними краями его перекрытий и центральным стволом жесткости, а также вертикальными диафрагмами жесткости с размерами, обеспечивающими свободные линейные и угловые перемещения вторичного каркаса относительно ствола жесткости, рам первичной несущей конструкции и вертикальных диафрагм жесткости.
При этом каждая опорная платформа выполнена в виде пространственной конструкции и включает в себя нижнее плоское перекрытие и верхнее перекрытие (балку-стенку) в виде арочной конструкции из монолитного железобетона, выполненные заодно с центральным стволом жесткости и вертикальными диафрагмами жесткости. В пределах опорной платформы отсутствуют колонны, т.е. вертикальные несущие элементы, что позволяет не передавать нагрузку от вторичного несущего каркаса на нижеследующий.
Многоэтажные вторичные несущие конструкции в нижнем и каждом среднем по высоте здания ярусе выполнены в виде отдельного вторичного несущего каркаса, включающего трубобетонные колонны постоянного сечения и диафрагмы жесткости в виде плит перекрытий с внешнелистовым армированием, которые устанавливаются в проектное положение методом подъема перекрытий.
При этом колонны вторичного несущего каркаса выполнены постоянного круглого сечения на всю высоту яруса, снабжены сквозной продольной арматурой за счет выполнения конструкции из трубобетона. Постоянные размеры сечения колонн позволяют упростить технологию возведения сооружения и не требуют применения опалубки. Колонны жестко закреплены по концам в соседних верхней и нижней платформах.
При этом плиты перекрытия вторичного несущего каркаса изготовляются пакетом и устанавливаются в проектное положение методом подъема перекрытий. Армирование таких плит осуществляется внешнелистовой арматурой.
При этом вертикальные диафрагмы жесткости в виде монолитных железобетонных глухих стен высотой на все здание возводятся с опережением на один ярус вторичного каркаса в скользящей опалубке.
Выполнение высотного здания в предложенном виде с балками-стенками рамы и нижним перекрытием первичной несущей конструкции, жестко объединенными в пределах каждого технического этажа в единую опорную платформу, которая, в свою очередь, жестко связана с центральным стволом жесткости и вертикальными диафрагмами жесткости здания, позволило создать единый жесткий остов на всю высоту здания. Для всех элементов этого несущего остова характерно четкое распределение усилий от приложенных к зданию нагрузок. Они характеризуются развитыми в соответствии с этими усилиями размерами сечений и надежно обеспечивают общую устойчивость предложенного высотного здания. Опорные платформы с жестким соединением элементов между собой, с центральным стволом жесткости и вертикальными диафрагмами жесткости позволяет воспринять и перераспределить как изгибающие и сжимающие усилия в вертикальной плоскости, так и обеспечить эффективное сопротивление усилиям закручивания в горизонтальной плоскости. Кроме того, наличие общей жесткой платформы, связанной с центральным стволом жесткости и вертикальными диафрагмами жесткости позволяет даже в случае повреждения части этих конструкций с потерей ими несущей способности сохранять общую несущую способность каждой платформы и обеспечить общую устойчивость всего предлагаемого высотного здания в целом при любых сочетаниях внешних нагрузок и воздействий.
Выполнение многоэтажных вторичных конструкций в виде отдельного вторичного несущего каркаса, включающего колонны, диафрагмы жесткости в виде плит перекрытий, опертых на опорные платформы, позволяет расчленить предлагаемое высотное здание по высоте на отдельные ярусы. Каждый ярус представляет собой, по сути, отдельные многоэтажные здания, способные воспринять приложенные к ним нагрузки самостоятельно и передать их только на опорные платформы. При этом существенно упрощается конструкция высотного здания в целом, обеспечивается четкое распределение усилий между как первичной, так и вторичной несущими системами. Вследствие уменьшения длин вертикальных несущих элементов практически исключается отрицательное влияние на работу перекрытий различий в жесткости сечений этих элементов, сокращается величина абсолютных температурных деформаций, определяемых не всей высотой здания, а только высотой яруса.
Выполнение каждого вторичного несущего каркаса с зазором между внутренними краями его перекрытий и центральным стволом жесткости, вертикальными диафрагмами жесткости обеспечивает свободные линейные и угловые перемещения каждого вторичного несущего каркаса относительно ствола жесткости, рам первичной несущей системы и вертикальными диафрагмами жесткости, что позволяет в полной мере обеспечить автономную работу под нагрузкой при эксплуатации каждого встроенного в пределах яруса вторичного каркаса и полностью реализовать раздельную статическую схему работы несущей системы предлагаемого высотного здания под нагрузкой и при температурных воздействиях.
Таким образом, предлагаемое высотное здание в общем виде представляется состоящим по высоте из отдельных многоэтажных зданий, размещенных друг под другом, каждое из которых оперто на опорные платформы. Все эти здания под нагрузкой при эксплуатации работают независимо друг от друга. Высота каждого яруса может быть легко оптимизирована. Кроме того, высота каждого яруса предлагаемого высотного здания определяется архитектурно-планировочными решениями, а также архитектурным решением фасадов.
Выполнение каждой опорной платформы в виде пространственной конструкции, позволяет одновременно решить несколько задач. Во-первых, создана жесткая конструктивная система, эффективно воспринимающая как изгибающие моменты при нормальном режиме эксплуатации, так и крутящие моменты, возникновение которых возможно в нестандартных ситуациях при выключении из работы части конструкций. Во-вторых, в пределах технических этажей можно разместить как требуемое для обслуживания высотного здания инженерное оборудование, так и емкости и резервуары для накопления воды и других средств пожаротушения в требуемом объеме. В таком случае в каждом ярусе предлагаемого здания подача средств пожаротушения может быть осуществлена не снизу - вверх, как обычно принято, а сверху -вниз. Это позволяет повысить надежность здания на пожароустойчивость, так как предельно сокращено время от момента обнаружения очага возгорания до начала его тушения. Эти же резервуары, снабжены дополнительными устройствами, могут быть использованы в качестве инерционных гасителей общих колебаний высотного здания. Причем эффективность их работы по сравнению с известными аналогами выше, поскольку инерционные гасители колебаний здания размещены не только традиционно в верхнем чердачном техническом этаже, а дискретно по всей высоте здания.
Выполнение каждой опорной платформы заодно с центральным стволом жесткости позволяет обеспечить надежную работу опорных платформ, как при нормальном, так и нештатном режиме эксплуатации, поскольку платформой эффективно воспринимаются как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки, исключена опасность закручивания здания в горизонтальной плоскости относительно ствола жесткости. Этому в полной мере содействует выполнение жесткого сопряжения вертикальных диафрагм жесткости и опорных платформ. Причем вертикальные диафрагмы жесткости могут иметь соответствующее сечение и быть ориентированы с возможностью полного обеспечения требуемых жесткостей на кручение и изгиб высотного здания.
Выполнение жесткой заделки колонн вторичного каркаса в опорную платформу обеспечивает прочность и устойчивость вторичного каркаса, исключает потерю местной устойчивости от нагрузок, передаваемых на опорную платформу от вторичного каркаса вышележащего яруса.
Выполнение колонн вторичного несущего каркаса каждого яруса на всю его высоту постоянного сечения и снабжение их сквозной продольной арматурой, закрепленной по концам жестко в верхней и нижней опорных платформах яруса позволяет обеспечить способность колонн вторичной несущей системы воспринимать не только нормативные и расчетные нагрузки при обычном режиме эксплуатации, но и работать при аварийном режиме, когда одна или несколько колонн оказались разрушенными и выключенными из работы. Колонны при аварийном разрыве могут работать по двум схемам: на сжатие с опиранием на верхнее перекрытие опорной платформы или на растяжение, подвешиваясь к нижнему перекрытию опорной платформы. Таким образом, выход из строя любой из колонн не может привести к прогрессирующему обрушению ни вторичной несущей системы, ни здания в целом.
Выполнение колонн вторичного несущего каркаса из трубобетона позволяет реализовать более широкий пролет между несущими колоннами, дает возможность более свободной планировки при обеспечении высокой надежности каркаса высотного здания. Применение трубобетонных колонн повышает устойчивость высотного здания в связи со способностями трубобетона не подвергаться обвальному обрушению, практически при любых воздействиях, в отличие от стальных или железобетонных колонн, способных обрушаться при предельных нагрузках практически мгновенно. Применение трубобетона позволяет наиболее эффективным образом армировать несущие конструкции вторичного каркаса, так как металлическая труба находится на максимальном расстоянии от центра тяжести бетонного ядра. Благодаря возможности заполнения труб самоуплотняющимся бетоном, уплотнение бетонной смеси не требуется, что позволяет повысить производительность работ, снизить трудозатраты, при обеспечении высокой прочности и однородности бетонного ядра. Изоляция бетона от окружающей среды позволяет создать лучшие условия для его работы под нагрузкой и позволяет защитить бетон от агрессивных воздействий внешней среды. Заполнение стальной трубы бетоном повышает ее противокоррозионную стойкость, защищая от коррозии ее внутреннюю поверхность, уменьшает гибкость элементов. Достоинством трубобетона в сравнении с железобетоном является отсутствие опалубки, кружал, хомутов, отгибов, петель, закладных деталей. Вследствие меньшей площади наружной поверхности трубобетонных колонн в сравнении с выполненными из проката, снижаются расходы по окраске и эксплуатации. Так же на цилиндрических поверхностях задерживается меньше пыли и грязи, являющихся активизаторами процессов атмосферной коррозии, трубобетонные колонны имеют повышенную коррозионную стойкость. Применение трубобетонных колонн не требует окраски, металлизации или герметизации внутренних поверхностей труб. Достоинством трубобетонных колонн является их способность к большим сейсмическим горизонтальным и вертикальным перемещениям без разрушения, причем не, только в упругой области, но и пластическом состоянии.
Применение внешнего армирования в плитах перекрытий вторичного несущего каркаса позволяет уменьшить размеры сечения и снизить массу данных элементов, при обеспечении прочности и жесткости конструкции, что способствует удовлетворению тенденции к увеличению пролетов и шага колонн в зданиях. Применение полосовой арматуры исключает ее многорядное расположение по высоте сечения, благодаря чему можно более экономично использовать сталь, значительно упростить укладку и уплотнение бетонной смеси, а также снизить трудозатраты. Использование листовой стали в качестве металлической изоляции и несущей арматуры позволяет достичь значительной экономии стали в железобетонных плитах перекрытий, кроме того, сократить сроки строительства, повысить сборность и производительность труда при возведении здания. Возможность использования внешней арматуры в качестве опалубки при устройстве монолитных перекрытий способствует значительной экономии материалов, сокращению сроков изготовления конструкции и ее стоимости, снижению трудозатрат на строительной площадке, а так же является эффективным средством увеличения жесткости железобетонных плит. Плиты перекрытий с внешним армированием обладают наибольшим моментом сопротивления, так как концентрированное сечение полосовой, листовой арматуры располагается на максимально возможном удалении от центра тяжести сечения. Использование внешнего армирования позволяет снизить актуальность вопроса трещинообразования (появление и раскрытие трещин) в растянутой зоне в процессе эксплуатации конструкции.
Применение метода подъема перекрытий при установке плит перекрытий в проектное положение позволяет сочетать положительные качества сборного и монолитного железобетона, что снижает расход основных строительных материалов и затрат труда и открывает широкие возможности для возведения архитектурно-выразительных зданий различного функционального назначения и этажности, в том числе зданий с различной высотой этажей, по единой технологии. Благодаря применению метода подъема перекрытий, возможны разнообразные планировочные решения в пределах этажа, осуществление гибкой планировки, позволяющей объединять и разъединять объемы или менять их назначение в зависимости от конкретных требований. Это обеспечивается наличием безбалочных плоских перекрытий и применением ненесущих, легкотрансформирующихся перегородок. Возможна также полная трансформация планировочного решения и, в конце концов, получение помещений нового функционального назначения, в том числе с измененной высотой этажа. Таким образом, в зданиях, возводимых с использованием метода подъема, обеспечивается универсальность использования их внутреннего пространства. Метод подъема перекрытий позволяет максимально эффективно использовать механизированное оборудование, за счет использования его только непосредственно в момент подъема, и предоставляет возможность создания этажей различной высоты. Экономия при использовании метода подъема достигается за счет максимального облегчения строительных конструкций, применения высокоэффективного подъемного оборудования, а также в результате усовершенствования архитектурно-планировочных, конструктивных и технологических решений, приводящих в итоге к уменьшению физических объемов конструкций и видов работ.
Использование вторичного несущего каркаса из безбалочных плит перекрытий площадью на весь этаж и свободной сетки колонн позволяет применять плиты перекрытий любой функционально требуемой формы, обусловленной архитектурно-планировочным решением, поскольку контур плит обеспечивается только бортовой опалубкой. Бетонирование плит перекрытий в виде пакета позволяет осуществить комплексную механизацию процессов, улучшить условия труда и повысить безопасность строительства, а также повышает экономию и уменьшает затраты труда за счет использования переставной бортовой опалубки. Цельные неразрезные плиты выполняют роль горизонтальных диафрагм и надежно передают нагрузки на вертикальные несущие элементы.
Применение скользящей опалубки при бетонировании вертикальных диафрагм жесткости в виде глухих железобетонных стен протяженностью на всю высоту здания позволяет механизировать процесс бетонирования, сократить сроки возведения здания, уменьшить трудозатраты на строительной площадке, повысить производительность труда. Выполнение вертикальных диафрагм жесткости с опережением на один ярус вторичного каркаса дает возможность обеспечения требуемых жесткостных характеристик здания в период его возведения.
Подземные этажи выступают за габариты надземной части здания, в связи с необходимостью развития фундаментов по площади их опирания, что позволяет разместить в них автостоянку на одном или нескольких уровнях.
Для высотных зданий серьезное значение приобретают цикличные ветровые горизонтальные нагрузки. При воздействии таких нагрузок, имеющих динамический характер, каркас по предлагаемому решению позволяет предотвратить раскачивание высотного здания. Действующие изгибающие нагрузки гасятся за счет значительной демпфирующей способности конструктивной системы: центральный ствол - опорные платформы - вертикальные диафрагмы жесткости.
Предложенное сочетание конструктивных элементов существенно увеличивает безопасность высотных зданий и исключает прогрессирующее обрушение. Даже в случае повреждения части трубобетонных колонн при нештатной ситуации, предлагаемое высотное здание не обрушится, так как опорные платформы, закрепленные на центральном стволе жесткости способны выдержать значительные изгибающие и растягивающие нагрузки. Огнестойкость трубобетонных колон диаметром более 40 см превышает 2 часа без какой-либо специальной огнезащиты, а с достаточно простым оштукатуриванием поверхности трубобетона по сетке огнестойкость повышается до 4-6 часов.
При эксплуатации несущие конструкции предлагаемого высотного здания испытывают воздействие вертикальных и горизонтальных нагрузок, изменений температуры воздуха окружающей среды, а также реакции на общие локальные деформации, вызываемые приложенными нагрузками и изменением температуры. Вертикальные нагрузки складываются из нагрузок, приложенных к вторичному каркасу и переданных в виде опорных реакций на опорные платформы. Далее опорными платформами, как изгибаемой конструкцией, они перераспределяются на центральный ствол жесткости и вертикальные диафрагмы жесткости.
Горизонтальная (ветровая) нагрузка, собранная с наружных стеновых поверхностей вторичного каркаса, сосредоточенно передается на центральный ствол жесткости в уровнях опорных платформ. Тем самым, при изгибе ствола горизонтальной нагрузкой, на ее восприятие включаются платформы и вертикальные диафрагмы жесткости. Таким образом, центральный ствол жесткости оказывается снабженным опорными аутригерами из вертикальных диафрагм жесткости и платформ, существенно разгружающим ствол жесткости от изгибающих усилий и, соответственно, уменьшающих горизонтальную деформацию верха здания.
Для высотных зданий важным фактором является предотвращение его раскачивания при воздействии ветровой нагрузки, имеющей циклически динамический характер. Эта задача в предлагаемом здании решается применением опорных платформ, жестко соединенных в середине с центральным стволом жесткости и с вертикальными диафрагмами жесткости. Образовавшаяся аутригерная система является достаточно жесткой с большими демпфирующими способностями, существенно погашающими раскачивание здания. Кроме этого в качестве демпфирующих средств в предлагаемом здании представляются возможности устройства гидравлических виброгасителей в объемах опорных платформ и технического этажа, а также назначением при проектировании здания частотно-жесткостных конструктивных параметров первичных и вторичных несущих конструкций, обеспечивающих вследствие запаздывания или наложения колебаний обратного цикла частичное погашение общих колебаний.
В соответствии со статической расчетной схемой деформации и перемещения элементов вторичной несущей системы на всех ярусах здания независимы от деформаций первичной несущей конструкции. Горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются рамно-связевым каркасом, включающим колонны и плиты перекрытия. Они передаются в виде опорных реакций колонн на опорную платформу. Величина зазора между перекрытиями и центральным стволом жесткости определяется по максимальной величине горизонтального смещения верха вторичного каркаса каждого яруса, исключив расчетом их контакт при расчетном напоре ветра.
Перечисленные преимущества в своей сумме означают, что предлагаемое высотное здание отличается простотой конструктивного решения и использованием в них для вторичной несущей системы традиционных многоэтажных каркасных конструкций с хорошо освоенной технологией возведения. Это позволяет применять предложенное техническое решение на практике при минимальных подготовительных работах.
Сопоставление предлагаемого технического решения с наиболее близким аналогом позволяет сделать вывод о том, что от известного оно отличается новыми признаками:
- в высотном здании, включающем фундаментную конструкцию, центральный ствол жесткости и двойную конструктивную несущую систему, первичная несущая конструкция которой в виде пространственной многоярусной рамы с вертикальными диафрагмами жесткости выполнена с балками-стенками, размещенными по-ярусно по высоте здания в пределах технических этажей;
- на балки-стенки рам между техническими этажами оперты многоэтажные вторичные несущие конструкции, снабженные ограждающими конструкциями. При этом балки-стенки рам и нижние перекрытия первичной несущей конструкции в пределах каждого технического этажа жестко объединены в единую опорную платформу, которая жестко связана с центральным стволом жесткости здания и вертикальными диафрагмами жесткости;
- многоэтажные вторичные несущие конструкции в нижнем и каждом среднем по высоте здания ярусе выполнены в виде отдельного вторичного несущего каркаса, опертого на опорную платформу и включающего колонны, диафрагмы жесткости в виде плит перекрытий. При этом каждый вторичный несущий каркас в пределах ярусов выполнен с зазором между внутренними краями его перекрытий и центральным стволом жесткости, а также вертикальными диафрагмами жесткости с размерами, обеспечивающими свободные линейные и угловые перемещения вторичного каркаса относительно ствола жесткости, рам первичной несущей конструкции и вертикальных диафрагм жесткости;
- каждая опорная платформа выполнена в виде пространственной конструкции и включает в себя нижнее плоское перекрытие и верхнее перекрытие (балку-стенку) в виде арочной конструкции из монолитного железобетона, выполненные заодно с центральным стволом жесткости и вертикальными диафрагмами жесткости. В пределах опорной платформы отсутствуют колонны, т.е. вертикальные несущие элементы, что позволяет не передавать нагрузку от вторичного несущего каркаса на нижеследующий;
- колонны вторичного несущего каркаса выполнены постоянного круглого сечения на всю высоту яруса, снабжены сквозной продольной арматурой за счет выполнения конструкции из трубобетона. Постоянные размеры сечения колонн позволяют упростить технологию возведения сооружения и не требуют применения опалубки. Колонны жестко закреплены по концам в соседних верхней и нижней платформах;
- плиты перекрытия вторичного несущего каркаса изготовляются пакетом и устанавливаются в проектное положение методом подъема перекрытий. Армирование таких плит осуществляется внешнелистовой арматурой;
- вертикальные диафрагмы жесткости в виде монолитных железобетонных глухих стен высотой на все здание возводятся с опережением на один ярус вторичного каркаса в скользящей опалубке.
Все перечисленные признаки предлагаемого технического решения работают на единую цель - обеспечение требуемой надежности и безопасности, включая и общую устойчивость при техногенном воздействии или террористической атаке на уникальное сооружение, каким является высотное здание, а также минимизацию его материалоемкости.
В целом предложенное высотное здание по сравнению с наиболее близким аналогом обеспечивает эффективную и надежную работу всех его несущих конструкций под нагрузкой, и всеми другими воздействиями. Конструкция здания легко моделируется существующими программными средствами, технико-эксплуатационные и санитарные нормы в предлагаемом здании обеспечены. Конструкция высотного здания благодаря разделению несущей системы позволяет создать новые архитектурно-компоновочные формы, существенно отличающиеся от архитектуры известных высотных зданий, сблизить их с традиционными художественно-пластическими решениями, характерными для конкретных условий строительства. Четкая расчетная модель эффективного конструктивного решения, обозначает, что все элементы здания будут равнонагруженными и, следовательно, такое здание по сравнению с известными будут обладать меньшей материалоемкостью и, соответственно, стоимостью.
Разделение несущих конструкций в представленном виде на первичные и вторичные позволяет обеспечить полную безопасность здания, уязвимого по габаритам даже для обычных авиационных средств. Устройство опорных платформ, жестко соединенных со стволом жесткости и вертикальными диафрагмами жесткости позволяет даже в случае повреждения вертикальных диафрагм жесткости обеспечить геометрическую неизменяемость положения платформы. В этом случае центральный ствол, оставшиеся целыми вертикальные диафрагмы жесткости и опорная платформа должны выдержать без повреждений нагрузку от находящихся на ней как первичных, так и вторичных несущих конструкций здания до устранения повреждений. Несущие конструкции первичной несущей системы в силу размеров их сечений невозможно выключить из работы в нижнем ярусе при скрытой подготовке взрыва, а возможные повреждения одной или нескольких вертикальных диафрагм жесткости не может вызвать его обрушения. Таким образом, возможно локальное повреждение здания с обрушением части вторичных конструкций одного из ярусов, но в целом обрушение всего здания без длительной и целенаправленной подготовки невозможно. Совершенно очевидно, что здание после указанных локальных повреждений восстановимо в первоначальном виде.
В целом представленная технология возведения несущих конструкций сравнительно проста в исполнении и позволяет получить требуемую точность размеров и положения конструкций, требуемое качество материалов. Она отличается всепогодностью и высоким темпом строительства. Все это обеспечивается как конструктивным решением, представленным выше, так и возможностями по применению современных материалов и изделий. Предлагаемое техническое решение будет реализовано на практике с максимальным использованием современных эффективных и конструкционных бетонов с кубиковой прочностью до 80 МПа, с применением современных арматурных сталей и арматурных изделий, а также используя имеющиеся прогрессивные опалубочные системы, доступные для строительства.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлено предлагаемое высотное здание, общий вид в вертикальном разрезе;
на фиг.2 - то же, разрез А-А на фиг.1, план рядового перекрытия яруса вторичной конструкции;
на фиг.3 - то же, разрез Б-Б на фиг.1, план опорной платформы.
Предлагаемое высотное здание (фиг.1-3) включает фундаментную конструкцию 1, центральный ствол жесткости 2 и двойную конструктивную несущую систему, первичная несущая конструкция которой включает вертикальные диафрагмы жесткости 3, возводимые в скользящей опалубке, и опорные платформы 4, размещенные по-ярусно по высоте здания в пределах технических этажей. Опорная платформа 4 снабжена нижним плоским перекрытием 5 и верхним арочным перекрытием 6 (балкой-стенкой) жестко соединенными с центральным стволом жесткости 2. Многоэтажные вторичные несущие конструкции в пределах каждого яруса высотного здания включают безригельный пространственный каркас, образованный трубобетонными колоннами 7 и плоскими плитами перекрытий 8 с внешнелистовым армированием, устанавливаемыми в проектное положение методом подъема.
Предложенное здание возводят в следующей последовательности. Устраивают заглубленные фундаментные конструкции 1, которые, как правило, представляют собой в плане монолитную плиту. Фундаментную конструкцию 1 устраивают из монолитного бетона с предварительным фиксированием опалубочных систем, укладкой арматурных изделий и с подачей бетонных смесей бетононасосами. На готовой фундаментной конструкции 1 из монолитного железобетона возводят центральный ствол жесткости 2 и вертикальные диафрагмы жесткости 3 на высоту до низа нижней опорной платформы 4. При этом для их бетонирования используется скользящая опалубка. Затем распалубливают боковые поверхности ствола 2 и диафрагм 3. Возводят вторичный каркас первого яруса. Его возведение начинают с трубобетонных колонн 7. Для этого устанавливают металлические трубы, которые после закрепления в проектном положении заполняются бетонной смесью. Далее бетонируют пакет плит перекрытий 8 с внешнелистовым армированием. Для этого устанавливают бортовую опалубку, обеспечивающую требуемую конфигурацию плитам перекрытий 8. Затем происходит армирование плиты 8 листовой арматурой, после чего ведется бетонирование первой плиты пакета. После набора первой плитой пакета требуемой прочности происходит перестановка бортовой опалубки, укладка листовой арматуры и бетонирование второй плиты пакета. Действие повторяется количество раз равное количеству плит перекрытий в пакете. Установку плит перекрытий 8 в проектное положение производят методом подъема. На оголовки колонн 7 устанавливается подъемное оборудование и подъемные тяги, закрепляемые на плитах перекрытий 8 и осуществляется их постадийный подъем. По достижению плитами перекрытий проектного положения происходит их закрепление посредством металлических воротников. После завершения строительства вторичного каркаса над ним, используя его в качестве опоры для опалубки, бетонируют нижнюю плиту 5 опорной платформы 4. После набора бетоном нижней плиты 5 требуемой прочности устанавливают боковую опалубку и арматуру вертикальных диафрагм жесткости 3, а также центрального ствола жесткости 2 в пределах высоты платформы 4, и выполняют их бетонирование с подачей бетонных смесей бетононасосами. После набора бетоном ствола 2 и диафрагм 3 требуемой прочности производят их распалубку и устанавливают над ними опалубку верхней плиты (балки-стенки) 6 арочного очертания и завершают бетонирование верхней плиты (балки-стенки) 6. При этом на платформе 4 сверху устроены выпуски арматуры колонн 7 вторичного каркаса. После завершения строительства первого яруса, на втором и каждом последующем ярусе цикл полностью повторяется. При этом следует иметь в виду, что в процессе возведения по высоте здания на перекрытиях готового нижнего вторичного каркаса, а также над готовой платформой 4 устанавливают дополнительные насосы станций перекачки бетонной смеси.
Высотное здание, включающее фундаментную конструкцию, центральный ствол жесткости и двойную конструктивную несущую систему, первичная несущая конструкция которой представлена пространственной многоярусной рамой, а вторичная поярусным безригельным каркасом, отличающееся тем, что в первичную систему включены вертикальные диафрагмы жесткости, возводимые в скользящей опалубке, и состоящие из нижнего плоского перекрытия и верхнего арочного перекрытия, в виде балки-стенки, жестко соединенные с центральным стволом опорные платформы, которые размещены поярусно по высоте здания в пределах технических этажей, и на которые опираются многоэтажные вторичные несущие конструкции безригельного каркаса, представленного трубобетонными колоннами и плоскими плитами перекрытий с внешнелистовым армированием, устанавливаемыми в проектное положение методом подъема.
