Opis:

Zwyczajowo nazywa się wieżowiec o wysokości ponad 75 m (ponad 25 pięter). Budynki te mogą mieć różne przeznaczenie: być hotelami (Leningradskaya, Kievskaya), biurami (Ministerstwo Spraw Zagranicznych na Plac Smoleński), budynki mieszkalne(Plac Kudrinskaya, Nabrzeże Kotelnicheskaya), budynki edukacyjne (MGU). Najczęściej wieżowiec jest wielofunkcyjny. Oprócz głównego lokalu mieszczą się w nim parkingi, sklepy, biura, kina itp.

projekt i konstrukcja wysokie budynki

Konstrukcje nośne wieżowca „Edelweiss”

W wielu krajach, zwłaszcza w USA, zdobyto duże doświadczenie w projektowaniu, budowie i eksploatacji budynków wysokościowych. Za jeden z pierwszych wieżowców można uznać budynek Woolworth Building w Nowym Jorku o wysokości 241 m (57 pięter), wzniesiony w 1913 roku. Przez długi czas najwyższym budynkiem na świecie był Empire State Building, który ma 102 piętra i całkowita wysokość 381 m (z anteną - 448 m). Później został zastąpiony przez budynki World Trade Center w Nowym Jorku (415, 417 m) i Sears Tower w Chicago (442 m). W ostatnie lata budowa najwyższych budynków przeniosła się na wschód – do Malezji, Tajwanu i Chin.

W 1998 roku w Kuala Lumpur zbudowano dwie bliźniacze wieże Petronas Towers (Petronas Towers) o wysokości 452 m, z iglicą 508 m). Budynek Shanghai World Financial Center (World Financial Center), który ma zostać ukończony w 2007 roku, będzie miał 492 m. W Seulu jest projekt wybudowania 580-metrowego budynku (International Business Center) w Seulu do 2008 roku.

W ostatnich latach w Moskwie aktywnie budowano wieżowce. Wśród nich są wieżowce kompleksy mieszkaniowe„Szkarłatne żagle” (ryc. 1) i „Edelweiss” (ryc. 4).

Budynki wysokościowe, zwłaszcza budynki o znacznej wysokości, mają swoją specyfikę, która znacząco odróżnia je od zwykłych budynków. Po pierwsze, wraz ze wzrostem wysokości budynku, obciążenia konstrukcji wsporczych gwałtownie wzrastają, a zatem wraz z rozwojem konstrukcja wysokościowa Opracowano kilka systemów konstrukcyjnych takich budynków: szkieletowy, szkieletowy, krzyżakowy, trzonowy, skrzynkowy, trzonowy („rura w rurze”, „rura w gospodarstwie”) itp.

Z kolei systemy trzonowe mają swoje odmiany: wspornikowe podparcie stropów na pniu, zawieszenie zewnętrznej części stropu do górnej konsoli nośnej „wiszący dom” lub jej podparcie przez ściany na leżącej pod spodem konsoli nośnej, pośrednie ułożenie podłogi -konsole nośne wysokie z przenoszeniem na nie obciążenia z niektórych kondygnacji (rys. 3). Pień lub rdzeń w wysokich budynkach to sztywny (monolitycznie wykonany) zespół windy schodowej.

Wybór systemu konstrukcyjnego zależy od wielu czynników, z których główne to wysokość budynku, warunki budowy (sejsmiczność, cechy gleby, warunki atmosferyczne, zwłaszcza wiatr, uderzenia), wymagania architektoniczne i planistyczne. Należy zauważyć, że według niemieckich badaczy obciążenia wiatrem są w większości przypadków bardziej znaczące niż skutki sejsmiczne. Niektóre z najwyższych dziś budynków - John Hancock Center w Chicago i Międzynarodowe Centrum Finansowe w Taipei - są wykonane według schematu „rura na farmie”, w którym zewnętrzny obwód ścian jest sztywno połączony z pniem i dodatkowo wzmocniony z mocnymi ukośnymi krawatami. W tym przypadku cały budynek działa jak sztywna konsola osadzona w korpusie fundamentu.

W ostatnich latach zawieszone w ich górnej części masy bezwładnościowe zastosowano do redukcji drgań budynków wysokościowych pod wpływem naporu wiatru.

Praktyka budowlana przyjęła, że ​​systemy ramowe i ramowo-ramowe o ograniczonej sztywności powinny być stosowane w budynkach o wysokości do 40 pięter, systemy trzonowe do 50-60 pięter, systemy trzonowo-skrzyniowe do 80-90 pięter, a powyżej tego schematu „fajka w gospodarstwie”.

Jednym z głównych wymagań dla budynków wysokościowych, jak pokazała światowa praktyka, są wymagania zintegrowanego bezpieczeństwa, zapewniającego zapewnienie dróg ewakuacyjnych w sytuacjach kryzysowych, środki przeciwpożarowe i antyterrorystyczne, niezawodną kontrolę i zarządzanie wszystkimi systemami sprzęt inżynieryjny, powielanie wielu systemów podtrzymywania życia itp.

W związku z tym rosyjskie przepisy (SNiP 10-01-94 i SNiP 21-01-97 *) przewidują obecnie rozwój specyfikacje do projektowania każdego wieżowca. Wspólnie z wieloma innymi organizacjami, TsNIIEP Zhilya, OJSC, wraz z wieloma innymi organizacjami, opracowała w 2002 r. Ogólne przepisy dotyczące wymagań technicznych dla projektowania budynki mieszkalne wysokość powyżej 75 m. Stanowią praktyczny przewodnik po przygotowaniu specyfikacji, odzwierciedlający cechy projektowe budynków wysokościowych.

„Postanowienia ogólne” obejmują rozdziały dotyczące rozwiązań architektonicznych i planistycznych, fundamentów, fundamentów i części podziemnych budynków wysokościowych, ich wsparcia inżynieryjnego i sanitarno-higienicznego, a także zestaw środków przeciwpożarowych.

Architektoniczny planowanie decyzji wysokościowego budynku mieszkalnego musi spełniać wymagania dla mieszkania kategorii I pod względem komfortu. Przepustowość projektowanych parkingów musi być zapewniona zgodnie z wymaganiami MGSN 1.01.99 dla mieszkań kategorii I. Biorąc pod uwagę warunki eksploatacji budynków wysokościowych, wymagane jest umieszczenie specjalnych środki techniczne do napraw elewacji i zabezpieczeń przeszklonych. Pomieszczenia letnie przy mieszkaniu podlegają obowiązkowemu przeszkleniu i zastosowaniu odpowiednich ogrodzeń, aby zmniejszyć dyskomfort psychiczny mieszkańców wysokiego ryzyka, a dla bezpieczeństwa zaleca się okna powyżej 20-22 pięter z nieotwieranymi żaluzjami zewnętrznymi.

Szczególną uwagę należy zwrócić na zastosowanie ogrodzeń przeszklonych. Analiza projektów pierwszych wieżowców pokazuje, że architekci mają tendencję do powszechnego stosowania przeszklonych ogrodzeń zewnętrznych i witraży. Nie uwzględnia to, że opory przenikania ciepła tych konstrukcji nie przekraczają 0,8 (m 2 K)/W, czyli 4 razy mniej niż wymagany opór przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych. W efekcie niemożliwe staje się zapewnienie energooszczędności budynków wysokościowych z takimi rozwiązaniami elewacji.

Projektowanie podstaw, fundamentów i części podziemnych budynków wysokościowych mogą być wykonywane wyłącznie przez organizacje posiadające uprawnienia do projektowania budowlanego budynków I i II stopnia odpowiedzialności w trudnych warunkach inżynierskich i geologicznych.

Przy projektowaniu budynków wysokościowych należy je umieszczać w miejscach, w których nie występują przejawy zagrożenia krasowego i zjawisk osuwiskowych, a także w strefach występowania innych procesów niebezpiecznych i antropogenicznych.

Podczas projektowania budynków wysokościowych istnieje szereg specjalnych wymagań dotyczących badań inżynieryjnych i geologicznych. Jako fundamenty zalecane są płyty fundamentowe, w tym zwiększona sztywność (w kształcie skrzyni), połączone fundamenty płytowo-palowe i palowe. Biorąc pod uwagę specyfikę moskiewskich gleb i trudne warunki technologiczne, obciążenie właściwe podstawy pod elementami płyty fundamentu nie powinno przekraczać 0,5 MPa. Same fundamenty muszą być wykonane z betonu klasy nie niższej niż B25.

Obliczenia podstaw, fundamentów i części podziemnych budynku wysokościowego należy przeprowadzić zgodnie z dwoma stanami granicznymi: nośnością i odkształceniami (opady, kołyski, ugięcia itp.). Specyficzne dla tego typu budynków jest wymaganie, aby obliczenia posadowienia systemowego - fundament - konstrukcje nadfundamentowe były prowadzone z uwzględnieniem kolejności i przyjętej technologii wznoszenia budynku. W trakcie procesu projektowania, od etapu przedprojektowego do rozpoczęcia budowy, konieczne jest opracowanie programu monitoringu obejmującego inwentaryzację okolicznych budynków, ich fundamentów i fundamentów.

Przy projektowaniu konstrukcji części naziemnej budynki wysokościowe należy przypisać I poziomowi odpowiedzialności, a współczynniki niezawodności odpowiedzialności należy przyjąć na wysokości budynku od 75 do 100 m równej 1,1; w zakresie wysokości od 101 do 125 m - 1,15, a powyżej - 1,2. Pod wpływem obciążenia wiatrem ruch szczytu wieżowca nie powinien przekraczać 1/500 jego wysokości, co zapewnia integralność oszklenia i ścianek działowych oraz normalną pracę wind. Zgodnie z zagranicznymi doświadczeniami warunek ten jest spełniony, gdy stosunek szerokości do wysokości budynku nie przekracza 1/7. Sztywność konstrukcji budynku wysokościowego powinna zapewnić wartość przyspieszenia drgań górnych kondygnacji pod dynamicznym wpływem wiatru nie większą niż 0,08 m/s 2 . Symetryczny układ mas i sztywności umożliwia również poprawę warunków pracy budynku pod obciążeniem i zwiększenie jego sztywności, a także bardziej równomierny rozkład obciążeń pionowych na elementy nośne budynku, a dla budynków punktowych – a symetryczny przekrój poziomy zbliżony do kwadratu. Należy powiedzieć, że analiza pierwszych projektów wieżowców pokazuje, że w niektórych przypadkach architekci zaniedbują te wymagania, co zmniejsza niezawodność wieżowca, wymaga dodatkowych środków konstrukcyjnych i kosztów.

Główne konstrukcje nośne powinny być wykonane z betonu zbrojonego z elastycznym i sztywnym zbrojeniem oraz stali. Doświadczenia zagraniczne pokazują, że celowe jest stosowanie żelbetu na wysokości budynku do 60 pięter. Według źródeł niemieckich stosowanie betonu o wysokiej wytrzymałości klasy B80 i wyższej jest nieracjonalne ze względu na jego kruchość, niższą niż konwencjonalną produkcję i wysoki koszt. Stalowe konstrukcje wsporcze powinny być niezawodnie chronione przed skutkami pożaru, zapewniając ich odporność ogniową równą R 180. Jako szyby (rdzenie) budynków wysokościowych należy stosować żelbetowe zespoły schodów schodowych, jeśli to możliwe, w połączeniu z blok szybów wentylacyjnych.

Dach wieżowca powinien być zaprojektowany z wewnętrznym odpływem.

Ochronę konstrukcji i całego wieżowca jako całości przed postępującym zawaleniem zapewniają takie środki jak ciągłość (nieokreślenie statyczne) głównych części nośnych, odpowiednie zaprojektowanie zespołów i połączeń elementy konstrukcyjne, gwarantowana jakość użytych materiałów i inne środki.

Złożony Wsparcie techniczne wieżowiec obejmuje ponad 30 systemów. Pomiędzy sąsiednimi kondygnacjami technicznymi, które powinny znajdować się na wysokości nie większej niż 50 m., które mogą być umieszczone zarówno w budynku, należy rozdzielić szereg instalacji inżynieryjnych, takich jak wodociągi, kanalizacje, zsypy śmieci itp. samą siebie oraz w postaci oddzielnych obiektów. Wymaganą liczbę wind, ich nośność i prędkość określa się na podstawie obliczeń z przyjętym interwałem ruchu wind 80-100 s, a każda winda musi znajdować się w osobnym szybie.

W budynkach wysokościowych wszystkie odbiorniki elektryczne pod względem niezawodności należą do kategorii 1 i 2. Kategoria niezawodności 1 obejmuje systemy przeciwpożarowe, alarmy przeciwpożarowe i antywłamaniowe, windy, oświetlenie ewakuacyjne i awaryjne, ostrzeganie ludzi w przypadku pożaru, lekkie balustrady i inne krytyczne odbiorniki elektryczne. Muszą być zasilane z dwóch niezależnych źródeł zasilania z automatycznym przełącznikiem zasilania (ATS).

Szczególną uwagę przy projektowaniu i eksploatacji budynków wysokościowych poświęca się środkom przeciwpożarowym. Konstrukcje nośne budynków muszą spełniać podwyższone wymagania odporności ogniowej co najmniej REI 180. To samo dotyczy szybów komunikacyjnych i szybów oddymiających. Sam budynek musi odpowiadać I stopniowi odporności ogniowej o wysokości do 100 m, wyższym - o specjalnym stopniu odporności ogniowej oraz konstrukcyjnej klasie zagrożenia pożarowego CO. Aby zapewnić dostęp strażakom do każdego mieszkania na elewacjach budynku, zaleca się wyposażenie w specjalnie przetestowane urządzenia dźwigowe z możliwością wykorzystania ich do napraw elewacji i mycia szyb. Powyższe dotyczy tylko części dużego kompleksu środków przeciwpożarowych, które są obowiązkowe przy projektowaniu i eksploatacji budynków wysokościowych.

Ponadto przy opracowywaniu MGSN „Wielofunkcyjne budynki i kompleksy wysokościowe” zostaną uregulowane ich zintegrowane bezpieczeństwo, w tym niezawodność i sterowność wszystkich systemów inżynieryjnych i działań związanych z działaniami antyterrorystycznymi. Światowe doświadczenia w eksploatacji takich budynków potwierdzają ich konieczność.

Zwyczajowo nazywa się wieżowiec o wysokości ponad 75 m (ponad 25 pięter). Budynki te mogą mieć różne przeznaczenie: być hotelami, biurami, budynkami mieszkalnymi, budynkami edukacyjnymi. Najczęściej wieżowiec jest wielofunkcyjny. Oprócz głównego lokalu mieszczą się w nim parkingi, sklepy, biura, kina itp.

Istotnym czynnikiem negatywnie wpływającym na rozwój budownictwa wysokościowego jest brak nowoczesnych ram regulacyjnych, bez których pomyślny rozwój tego typu budownictwa jest niemożliwy.

W związku z tym Gosstroy of Russia wraz z rządem Moskwy planował w 2004 r. stworzenie ram prawnych, w tym opracowanie moskiewskich kodeksów budowlanych (MGSN) dotyczących projektowania wielofunkcyjnych wieżowców oraz szeregu zaleceń obejmujących różne aspekty projektowania takich budynków. W opracowanie tych dokumentów zaangażowało się ponad 20 wiodących organizacji badawczych, projektowych, budowlanych i operacyjnych. Główną organizacją koordynującą całą tę pracę był JSC TsNIIEP Zhilya.

W wielu krajach, zwłaszcza w USA, zdobyto duże doświadczenie w projektowaniu, budowie i eksploatacji budynków wysokościowych. Za jeden z pierwszych wieżowców można uznać budynek Woolworth Building w Nowym Jorku o wysokości 241 m (57 pięter), wzniesiony w 1913 roku. Przez długi czas za najwyższy budynek na świecie uważano Empire State Building (Empire State Building), który ma 102 piętra i całkowitą wysokość 381 m (z anteną - 448 m). Później został zastąpiony budynkami Międzynarodówki Centrum handlowe(World Trade Center) w Nowym Jorku (415, 417 m) oraz Sears Tower (Sears Tower) w Chicago (442 m). W ostatnich latach budowa najwyższych budynków przeniosła się na Wschód – do Malezji, Tajwanu i Chin.

W 1998 roku w Kuala Lumpur zbudowano dwie bliźniacze wieże Petronas Towers (Petronas Towers) o wysokości 452 m, z iglicą 508 m). Budynek Shanghai World Financial Center (World Financial Center), który ma zostać ukończony w 2007 roku, będzie miał 492 m. W Seulu jest projekt budowy 580-metrowego budynku (International Business Center) w Seulu do 2008 roku.

W ostatnich latach aktywnie budowano wieżowce. wysokie budynki, zwłaszcza budynki o znacznej wysokości, mają swoją specyfikę, która znacząco odróżnia je od zwykłych budynków. Po pierwsze, wraz ze wzrostem wysokości budynku, obciążenia konstrukcji nośnych gwałtownie wzrastają, w związku z czym wraz z rozwojem budownictwa wysokościowego opracowano kilka systemów konstrukcyjnych takich budynków: rama, rama, poprzeczna, pień, skrzynkowa, beczkowa („rura w rurze”, „rura w gospodarstwie”) itp.

Z kolei systemy trzonowe mają swoje odmiany: wspornikowe podparcie stropów na pniu, zawieszenie zewnętrznej części stropu do górnej konsoli nośnej „wiszący dom” lub jej podparcie przez ściany na leżącej pod spodem konsoli nośnej, pośrednie ułożenie podłogi -wysokie konsole nośne z przenoszeniem na nie obciążenia z części stropów Korpus lub rdzeń w wieżowcach to sztywny (wykonany monolitycznie) zespół windy schodowej.

Wybór systemu konstrukcyjnego zależy od wielu czynników, z których główne to wysokość budynku, warunki konstrukcyjne (sejsmiczność, cechy gleby, warunki atmosferyczne, zwłaszcza wiatr, uderzenia), wymagania architektoniczne i planistyczne. Należy zauważyć, że według niemieckich badaczy obciążenia wiatrem są w większości przypadków bardziej znaczące niż skutki sejsmiczne. Niektóre z najwyższych dziś budynków - John Hancock Center w Chicago i Międzynarodowe Centrum Finansowe w Taipei - są wykonane według schematu „rura na farmie”, w którym zewnętrzny obwód ścian jest sztywno połączony z pniem i dodatkowo wzmocniony z mocnymi ukośnymi krawatami. W tym przypadku cały budynek działa jak sztywna konsola osadzona w korpusie fundamentu.

W ostatnich latach zawieszone w ich górnej części masy bezwładnościowe zastosowano do redukcji drgań budynków wysokościowych pod wpływem naporu wiatru.

Praktyka budowlana ustaliła, że ​​systemy ramowe i ramowo-ramowe o ograniczonej sztywności powinny być stosowane w budynkach o wysokości do 40 pięter, systemy trzonowe do 50-60 pięter, systemy trzonowo-skrzyniowe do 80-90 pięter, a powyżej tego schematu „fajka w gospodarstwie”.

Jednym z głównych wymagań dla budynków wysokościowych, jak pokazała światowa praktyka, są wymagania zintegrowanego bezpieczeństwa, zapewniającego zapewnienie dróg ewakuacyjnych w sytuacjach kryzysowych, środki przeciwpożarowe i antyterrorystyczne, niezawodną kontrolę i zarządzanie wszystkimi systemami sprzęt inżynieryjny, powielanie wielu systemów podtrzymywania życia itp.

W związku z tym rosyjskie przepisy (SNiP 10-01-94 i SNiP 21-01-97 *) przewidują obecnie opracowanie specyfikacji technicznych dotyczących projektu każdego wieżowca. Wspólnie z wieloma innymi organizacjami TsNIIEP Zhilyazhina OJSC, wraz z wieloma innymi organizacjami, opracował w 2002 r. „Ogólne przepisy dotyczące wymagań technicznych dotyczących projektowania budynków mieszkalnych o wysokości większej niż 75 m” w celu zapewnienia kompletnego i rozsądne przygotowanie specyfikacji technicznych zgodnie z instrukcjami Moskiewskiego Komitetu Architektury. Stanowią praktyczny przewodnik po przygotowaniu specyfikacji, odzwierciedlający cechy projektowe budynków wysokościowych.

„Postanowienia ogólne” obejmują rozdziały dotyczące rozwiązań architektonicznych i planistycznych, fundamentów, fundamentów i części podziemnych budynków wysokościowych, ich wsparcia inżynieryjnego i sanitarno-higienicznego, a także zestaw środków przeciwpożarowych.

Rozwiązania architektoniczne i planistyczne dla wieżowca mieszkalnego musi spełniać wymagania dla mieszkań kategorii I pod względem komfortu. Przepustowość projektowanych parkingów musi być zapewniona zgodnie z wymaganiami MGSN 1.01.99 dla mieszkań kategorii I. Biorąc pod uwagę warunki eksploatacji budynków wysokościowych, wymagane jest umieszczenie na zewnątrz specjalnych środków technicznych do naprawy elewacji i przegród szklanych. Pomieszczenia letnie przy mieszkaniu podlegają obowiązkowemu przeszkleniu i zastosowaniu odpowiednich ogrodzeń, aby zmniejszyć dyskomfort psychiczny mieszkańców wysokiego ryzyka, a dla bezpieczeństwa zaleca się okna powyżej 20-22 pięter z nieotwieranymi żaluzjami zewnętrznymi.

Szczególną uwagę należy zwrócić na zastosowanie ogrodzeń przeszklonych. Analiza projektów pierwszych wieżowców pokazuje, że architekci mają tendencję do powszechnego stosowania przeszklonych ogrodzeń zewnętrznych i witraży. Nie uwzględnia to, że opory przenikania ciepła tych konstrukcji nie przekraczają 0,8 (m2 K)/W, czyli 4 razy mniej niż wymagany opór przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych. W efekcie niemożliwe staje się zapewnienie energooszczędności budynków wysokościowych z takimi rozwiązaniami elewacji.

Projektowanie podstaw, fundamentów i części podziemnych budynków wysokościowych mogą być wykonywane wyłącznie przez organizacje posiadające uprawnienia do projektowania budowlanego obiektów I i II stopnia odpowiedzialności w trudnych warunkach inżynieryjno-geologicznych.

Przy projektowaniu budynków wysokościowych należy je umieszczać w miejscach, w których nie występują przejawy zagrożenia krasowego i zjawisk osuwiskowych, a także w strefach występowania innych procesów niebezpiecznych i antropogenicznych.

Podczas projektowania budynków wysokościowych istnieje szereg specjalnych wymagań dotyczących badań inżynieryjnych i geologicznych. Jako fundamenty zalecane są płyty fundamentowe, w tym zwiększona sztywność (w kształcie skrzyni), połączone fundamenty płytowo-palowe i palowe. Biorąc pod uwagę specyfikę moskiewskich gleb i trudne warunki technologiczne, obciążenie właściwe podstawy pod elementami płyty fundamentu nie powinno przekraczać 0,5 MPa. Same fundamenty muszą być wykonane z betonu klasy nie niższej niż B25.

Obliczenia podstaw, fundamentów i części podziemnych budynku wysokościowego należy przeprowadzić zgodnie z dwoma stanami granicznymi: nośnością i odkształceniami (opady, wałki, ugięcia itp.). Specyficzne dla tego typu budynków jest wymaganie, aby obliczenia posadowienia systemowego - fundament - konstrukcje nadfundamentowe były prowadzone z uwzględnieniem kolejności i przyjętej technologii wznoszenia budynku. W trakcie procesu projektowania, od etapu przedprojektowego do rozpoczęcia budowy, konieczne jest opracowanie programu monitoringu obejmującego inwentaryzację okolicznych budynków, ich fundamentów i fundamentów.

Przy projektowaniu konstrukcji części naziemnej budynki wysokościowe należy przypisać I poziomowi odpowiedzialności, a współczynniki niezawodności odpowiedzialności należy przyjąć na wysokości budynku od 75 do 100 m równej 1,1; w zakresie wysokości od 101 do 125 m - 1,15, a powyżej - 1,2. Pod wpływem obciążenia wiatrem ruch szczytu wieżowca nie powinien przekraczać 1/500 jego wysokości, co zapewnia integralność oszklenia i ścianek działowych oraz normalną pracę wind. Zgodnie z doświadczeniami zagranicznymi warunek ten jest spełniony, gdy stosunek szerokości do wysokości budynku nie przekracza 1/7. Sztywność konstrukcji budynku wysokościowego powinna zapewnić, że wartość przyspieszenia drgań górnych kondygnacji pod dynamicznym wpływem wiatru nie będzie większa niż 0,08 m/s2.

Symetryczny układ mas i sztywności umożliwia również poprawę warunków pracy budynku pod obciążeniem i zwiększenie jego sztywności, a także bardziej równomierny rozkład obciążeń pionowych na elementy nośne budynku, a dla budynków punktowych – a symetryczny przekrój poziomy zbliżony do kwadratu. Należy powiedzieć, że analiza pierwszych projektów wieżowców pokazuje, że w niektórych przypadkach architekci zaniedbują te wymagania, co zmniejsza niezawodność wieżowca, wymaga dodatkowych środków konstrukcyjnych i kosztów.

Główne konstrukcje nośne powinny być wykonane z betonu zbrojonego z elastycznym i sztywnym zbrojeniem oraz stali. Doświadczenia zagraniczne pokazują, że celowe jest stosowanie żelbetu na wysokości budynku do 60 pięter. Według źródeł niemieckich stosowanie betonu o wysokiej wytrzymałości klasy B80 i wyższej jest nieracjonalne ze względu na jego kruchość, niższą niż konwencjonalną produkcję i wysoki koszt. Stalowe konstrukcje wsporcze powinny być niezawodnie chronione przed skutkami pożaru, zapewniając ich odporność ogniową równą R 180. Jako szyby (rdzenie) budynków wysokościowych należy stosować żelbetowe zespoły schodów schodowych, jeśli to możliwe, w połączeniu z blok szybów wentylacyjnych.

Dach wieżowca powinien być zaprojektowany z wewnętrznym odpływem.

Ochronę konstrukcji i całego wieżowca jako całości przed postępującym zawaleniem zapewniają takie środki jak ciągłość (nieokreśloność statyczna) głównych części nośnych, odpowiednie zaprojektowanie zespołów i połączeń elementów konstrukcyjnych, gwarantowana jakość materiałów stosowane i inne środki.

Kompleks wsparcia inżynierskiego dla budynku wysokościowego obejmuje ponad 30 systemów. Pomiędzy sąsiednimi kondygnacjami technicznymi, które powinny znajdować się na wysokości nie większej niż 50 m., które mogą być umieszczone zarówno w budynku, należy rozdzielić szereg instalacji inżynieryjnych, takich jak wodociągi, kanalizacje, zsypy śmieci itp. samą siebie oraz w postaci oddzielnych obiektów. Wymaganą liczbę wind, ich nośność i prędkość określa się na podstawie obliczeń z przyjętym interwałem ruchu wind 80-100 s, a każda winda musi znajdować się w osobnym szybie.

W budynkach wysokościowych wszystkie odbiorniki elektryczne pod względem niezawodności należą do kategorii 1 i 2. Kategoria niezawodności 1 obejmuje systemy przeciwpożarowe, alarmy przeciwpożarowe i antywłamaniowe, windy, oświetlenie ewakuacyjne i awaryjne, ostrzeganie ludzi w przypadku pożaru, lekkie balustrady i inne krytyczne odbiorniki elektryczne. Muszą być zasilane z dwóch niezależnych źródeł zasilania z automatycznym przełącznikiem zasilania (ATS).

Szczególna uwaga, gdy projektowanie a eksploatacja wysokich budynków jest poświęcona środkom przeciwpożarowym. Konstrukcje nośne budynków muszą spełniać podwyższone wymagania odporności ogniowej równe co najmniej REI 180. To samo dotyczy szybów komunikacyjnych i szybów oddymiających. Sam budynek musi odpowiadać I stopniowi odporności ogniowej o wysokości do 100 m, wyższym - o specjalnym stopniu odporności ogniowej oraz konstrukcyjnej klasie zagrożenia pożarowego CO. Aby zapewnić dostęp strażakom do każdego mieszkania na elewacjach budynku, zaleca się wyposażenie w specjalnie przetestowane urządzenia dźwigowe z możliwością wykorzystania ich do napraw elewacji i mycia szyb. Powyższe dotyczy tylko części dużego kompleksu środków przeciwpożarowych, które są obowiązkowe przy projektowaniu i eksploatacji budynków wysokościowych.

Ponadto przy opracowywaniu MGSN „Wielofunkcyjne budynki i kompleksy wysokościowe” zostaną uregulowane ich zintegrowane bezpieczeństwo, w tym niezawodność i sterowność wszystkich systemów inżynieryjnych i działań związanych z działaniami antyterrorystycznymi. Światowe doświadczenia w eksploatacji takich budynków potwierdzają ich konieczność.

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

Wschodniosyberyjski Państwowy Uniwersytet Technologii i Zarządzania

Katedra Inżynierii Przemysłowej i Lądowej

Streszczenie na ten temat:

„Wzrostowe budynki i konstrukcje metalowe”

Wypełnił: św. B 331-61

Chankhabaev R.A.

Sprawdził: Dorzhiev P.A.

Ułan-Ude

Wstęp

Systemy konstrukcyjne wieżowców

Historia zastosowania metalu w budownictwie

Nazewnictwo i zakres konstrukcji metalowych

Budynek wysokościowy ze stalową ramą

Wniosek

Bibliografia

Wstęp

Wieżowce na całym świecie należą do obiektów najbardziej wysoki poziom odpowiedzialność i klasa bezpieczeństwa. Koszt jednostkowy ich budowy jest znacznie wyższy niż w przypadku budynków konwencjonalnych. Wynika to nie tylko z czynników technologicznych, konstrukcyjnych i innych, ale w dużej mierze także ze zintegrowanych środków bezpieczeństwa podejmowanych na wszystkich etapach - projektowania, budowy i eksploatacji. Pojawienie się i rozwój sytuacji awaryjnych w budynkach wysokościowych może mieć bardzo poważne konsekwencje nie tylko natury materialnej, ekonomicznej, środowiskowej, ale także społecznej.

Budynki wysokościowe i ich poszczególne elementy konstrukcyjne podczas budowy i eksploatacji poddawane są obciążeniom i siłom doświadczalnym, które są znacznie większe niż wpływ zewnętrznych wpływów charakterystycznych dla konwencjonalnych projektów budowlanych. Tym samym obciążenia wiatrem wyraźnie rosną wraz z odległością od powierzchni ziemi i charakteryzują się nie tylko znaczną składową statyczną, ale również dynamiczną. W przypadku większości drapaczy chmur obciążenia poziome (głównie wiatr) przeważają nad obciążeniami pionowymi.

Dodatkowo ze względu na duże tempo prac budowlano-montażowych na konstrukcjach nośnych wykonanych z beton monolityczny(zdecydowana większość drapaczy chmur budowana jest z betonu monolitycznego i żelbetu), sporo wysiłku przenosi się już w młodym wieku, co wymaga podjęcia odpowiednich decyzji. W systemach nośnych budynków wysokościowych istnieje niebezpieczeństwo kumulacji nierównomiernych ruchów pionowych nawet podczas procesu budowy, co w połączeniu z odkształceniami od obciążeń eksploatacyjnych może prowadzić do uzyskania betonu i stali, w tym zbrojenia , stany graniczne w niektórych przekrojach niektórych elementów, które również należy uwzględnić przy ocenie stanu naprężenia-odkształcenia konstrukcji.

Systemy konstrukcyjne wieżowców

W nowoczesnym budownictwie wysokościowym stosuje się różne systemy konstrukcyjne i schematy z różnymi opcjami układu. Jednocześnie wszystkie systemy konstrukcyjne można podzielić na trzy kategorie (ryc. 1): ramowy, ścienny i mieszany (ramowo-ścienny). Z kolei układy ramowe dzielą się na rama-rama, rama z przesłonami usztywniającymi, rama-trzon. Wśród systemów ściennych należy wyróżnić schematy ze ścianami poprzecznymi oraz skrzynkowe (powłokowe). Systemy mieszane łączą się indywidualne znaki dwa inne systemy, w tym z lufą ramową i lufą skrzynkową.

Analiza systemów nośnych budynków wysokościowych budowanych na całym świecie pokazuje, że ich rozwiązanie konstrukcyjne i układowe zależy głównie od wysokości obiektu. Jednak na wybór schematu projektowego istotny wpływ mają również takie czynniki jak aktywność sejsmiczna terenu budowy, warunki inżynieryjno-geologiczne, warunki atmosferyczne, a przede wszystkim oddziaływanie wiatru oraz wymogi planowania architektonicznego.

Budynki wysokościowe można podzielić na zakresy wysokości, z których każdy ma własne rozwiązania projektowe. Jednocześnie należy zauważyć, że granice przedziałów są w pewnym stopniu warunkowe ze względu na wymienione powyżej okoliczności.

Budynki o wysokości do 200–250 m wznoszone są głównie z ramą nośną (rama ramowa, rama z przeponami usztywniającymi). W budownictwie mieszkaniowym i hotelowym stosowany jest również system zaścienny, który ze względu na dużą sztywność najlepiej sprawdza się w budynkach o wysokości do 150 m. Te systemy konstrukcyjne mają schematy rozmieszczenia, które najlepiej pasują do rozwiązań w zakresie planowania przestrzeni oraz funkcjonalne przeznaczenie obiektów budowlanych. W tym względzie należy zauważyć, że niezależnie od wysokości budynku, opracowując jego rozwiązanie w zakresie planowania przestrzennego, starają się w miarę możliwości zachować proporcje, które zapewniają wymaganą sztywność konstrukcji i ograniczają wahania górna część ze zmiennymi obciążeniami poziomymi. Zazwyczaj stosunek mniejszej wielkości w rzucie do wysokości budynku wynosi 1:7 - 1:8. Przy proporcjach większych niż wskazane, powierzchnia budynku bezzasadnie wzrasta, a wraz ze spadkiem zauważalnie wzrasta odkształcalność ramy nośnej, co negatywnie wpływa zarówno na wskaźniki techniczne i ekonomiczne, jak i na pobyt ludzi na wyższych piętrach.

Wzrostowi wysokości budynków towarzyszy znaczny wzrost obciążeń poziomych działających na nie podczas budowy i eksploatacji. Jak już wspomniano, w pewnych warunkach naprężenia powstające w elementach ramy nośnej budynku są w większym stopniu determinowane przez siły poziome. Dominujący wpływ obciążeń poziomych prowadzi do nierównomiernego rozkładu sił pionowych i odkształceń w pionowych elementach konstrukcyjnych nośnych rdzenia budynku, jego skręcania i odkształceń ścinających. W celu zwiększenia odporności na wpływy zewnętrzne systemu nośnego budynków o wysokości powyżej 250 m stosuje się głównie systemy konstrukcyjne trzonu: „rura w rurze” i „rura w kratownicy”. Ich układ obejmuje centralny szyb, który przejmuje większość wszystkich obciążeń, oraz elementy nośne rozmieszczone wzdłuż obwodu budynku w postaci oddzielnych stojaków (kolumn), systemów kratowych (kratownice, pręty kompozytowe itp.), pylonów, które można również łączyć w jedną konstrukcję. Sztywność systemu trzpienia, jego stabilność i zdolność do tłumienia wymuszonych drgań zapewnia osadzenie trzpienia centralnego w fundamencie.

W przypadkach, w których sztywność ściany, ramy lub systemu trzonu jest niewystarczająca, uciekają się do rozwiązań łączonych, które łączą cechy różnych rozwiązań konstrukcyjnych. W szczególności, w celu zwiększenia odporności konstrukcji nośnej budynku na obciążenia wiatrem rosnące wraz z wysokością nad poziomem gruntu, stosuje się kombinację systemów trzonowych i ściennych. W tym przypadku obciążenia poziome są odbierane nie tylko przez zewnętrzną powłokę i centralny wał, ale także przez wewnętrzne ściany nośne. Połączony system konstrukcyjny ma większą elastyczność konstrukcyjną pod względem możliwości rozłożenia udziału odczuwanych sił poprzez zmianę sztywności elementów nośnych szkieletu.

Należy zauważyć, że zwiększenie odporności budynku na obciążenia wiatrem można osiągnąć nie tylko poprzez zastosowanie odpowiednich systemów konstrukcyjnych, ale także poprzez nadanie określonego kształtu w rzucie. Liczne zagraniczne badania przeprowadzone przez dmuchanie modeli w tunelach aerodynamicznych oraz symulacje komputerowe z wykorzystaniem oprogramowania wykazały, że optymalnym kształtem rzutu budynku wysokościowego jest koło lub figura zbliżona kształtem do koła. Kształty eliptyczne i kwadratowe, choć gorsze od okrągłych, zapewniają również wystarczającą odporność budynku na obciążenia poziome. Przykładami są Marina City w Chicago (USA), Petronas Towers w Kuala Lumpur (Malezja), Taipei101 w Taipei (Tajwan). Inne wieżowce o zwartej liczbie kondygnacji mają w planie podobny zarys.

Mówiąc o preferowanych formach rzutów dla budynków wysokościowych, należy zauważyć, że przy innych warunkach równorzędnych najlepsze parametry mają sekcje z co najmniej dwiema osiami symetrii. Takie budynki są mniej wrażliwe niż inne na zmianę kierunku obciążeń poziomych i liczbę standardowych rozmiarów konstrukcje nośne zredukowane do minimum. Praktyka pokazuje, że celowe jest projektowanie konstrukcji o złożonym kształcie jako złożonej z kilku bloków o prostszych przekrojach.

Budownictwo wysokościowe jest często prowadzone na obszarach aktywnych sejsmicznie. Prowadzi to niekiedy do sprzecznych wyników wpływu sztywności ramy na zachowanie się budynku pod wpływem wiatru i obciążeń sejsmicznych. Jeżeli w celu poprawy odporności na napór wiatru oraz zmniejszenia amplitudy i częstotliwości drgań wierzchołka budynku uciekają się do zwiększenia sztywności ramy nośnej, to przy obciążeniach sejsmicznych takie budynki nie są w stanie wchłonąć energia wstrząsów skorupy ziemskiej, która powoduje znaczne przemieszczenia i przyspieszenia na wyższych kondygnacjach. Wraz ze spadkiem sztywności poprzecznej układu nośnego obserwuje się odwrotny obraz - przy bardziej elastycznym szkielecie, komfortowe warunki na wyższych piętrach, które doświadczają znacznych wahań, zauważalnie się pogarszają.

Aby w szczególności wyeliminować te sprzeczności wysokie budynki(do 300 m i więcej) na wyższych kondygnacjach rozmieszczone są pasywne amortyzatory wahadłowe. W szczególności taki amortyzator jest zainstalowany w wieży Taipei101. Waży około 800 ton, jest zawieszony na linach na 92 ​​piętrze i ma za zadanie tłumić drgania bezwładnościowe. W normalnych warunkach pracy amortyzator zapewnia ugięcie szczytu budynku do 10 cm, a w przypadku katastrofalnych uderzeń (tajfuny, trzęsienia ziemi itp.) sam kołysze się z amplitudą do 150 cm, gwarantując drgania budynku w bezpiecznych granicach.

Zwiększenie sztywności zginania ramy nośnej budynków wysokościowych z trzonowymi układami konstrukcyjnymi i ich odporności na działanie dynamicznych oddziaływań poziomych uzyskuje się poprzez wprowadzenie do ramy konstrukcji wysięgników (rys. 2), które pełnią rolę elementów nośnych część obciążenia z sufitów. Z reguły są to raczej sztywne konstrukcje płaskie lub przestrzenne usytuowane wzdłuż wysokości budynku z pewnym stopniem i połączone ze sobą pionowymi elementami prętowymi. Włączenie struktur wysięgników zasadniczo zmienia charakter szkieletu i pozwala kontrolować jego reakcję na wpływy zewnętrzne. Podpory budynków wysokościowych, konstrukcyjnie reprezentujące ukośne lub niestężone kratownice (te ostatnie znane są jako „belka Verendla”), są zwykle usytuowane na poziomach kondygnacji technicznych, dzieląc budynki na oddzielne przedziały funkcjonalne i przeciwpożarowe.

Historia zastosowania metalu w budownictwie

Metal od XII wieku był używany w unikalnych na owe czasy budynkach (pałace, kościoły itp.) w postaci puszek i zszywek do murowania. Pufy były wykuwane z majsterkowicza i mocowane przez oczka na szpilkach. Pierwszą taką konstrukcją są zaciągnięcia katedry Wniebowzięcia we Włodzimierzu (1158). Katedra wstawiennicza w Moskwie to pierwsza konstrukcja składająca się z prętów pracujących w napięciu, zginaniu i ściskaniu. Tam pufy podtrzymujące podłogę i sufit są wzmocnione, aby ułatwić gięcie z rozpórkami. Projektant już wtedy wiedział, że do dokręcania gięcia konieczne jest zastosowanie listwy umieszczonej na krawędzi, a rozpórki dociskowe należy wykonać o przekroju kwadratowym (rys. 1). Rys.1. Nakładanie się korytarza w katedrze Pokrovsky (Moskwa, 1560) Od początku XVII wieku metal był stosowany w przestrzennych konstrukcjach kopuł głowic kościołów. Pręty konstrukcji wykonane są z prętów kutych i połączone z zamkiem i stężeniem za pomocą spawania górskiego. Od początku XVIII wieku opanowali proces odlewania prętów i części żelaznych. Budowane są żelazne mosty. Połączenia elementów żeliwnych wykonuje się na zamkach i sworzniach. Za pierwszą żeliwną konstrukcję w Rosji uważa się pokrycie ganku wieży Niewiańskiej na Uralu (1725 r.). W 1784 r. w Petersburgu zbudowano pierwszy most żeliwny. W latach 50. XIX wieku w Petersburgu zbudowano most Nikolaevsky o ośmiu łukowych przęsłach od 33 do 47 m, jest to największy most żeliwny na świecie. Od lat 30-tych XIX wieku do lat 20-tych XX wieku nastąpił szybki postęp techniczny w metalurgii i obróbce metali, pojawiły się połączenia nitowe, w latach 40-tych XIX wieku opanowano proces pozyskiwania blach profilowanych i walcowanych. Stal prawie całkowicie zastąpiła żeliwo z konstrukcji budowlanych. Wszystkie konstrukcje stalowe w ciągu następnych stu lat zostały wykonane nitami. Do końca XIX wieku budynki przemysłowe i cywilne w Rosji budowano głównie z ceglane ściany i małych przęseł do zakładki zastosowano trójkątne metalowe kratownice (rys. 3). Początkowo w wiązarach nie było klamer, pojawiły się pod koniec badanego okresu. Rys.3. Więźba dachowa (lata 70. XIX w.) W drugiej połowie XIX wieku nastąpił znaczący rozwój metalowego mostu, w którym zaczęto stosować kratownice z trójkątną kratownicą i pojawił się metalowy asortyment profili walcowanych. Na początku XX wieku zaczęto budować budynki przemysłowe z metalową ramą, która podtrzymywała zarówno przegrodę budynku, jak i tory suwnic. Elementem nośnym ramy był rama poprzeczna, składający się ze słupów i poprzeczek (kratownice). Stal zaczęła zastępować żeliwo. Pod koniec XIX wieku zaczęto stosować konstrukcje kratowo-łukowe do przykrywania budynków o znacznych rozpiętościach. Rozwija się konstrukcja mostów metalowych (np. most z kratownicami przez rzekę Ługę, 1853). Dalszy rozwój hutnictwa, budowy maszyn i innych gałęzi przemysłu wymagał wyposażenia budynków w suwnice. Początkowo montowano je na wiaduktach, ale wraz ze wzrostem nośności wskazane stało się budowanie budynków z metalową ramą podtrzymującą tory suwnic. Głównym elementem nośnym ramy była rama poprzeczna (rys. 5). Rys.5. rama budynek przemysłowy(początek XX wieku) Profesor F.S. Yasinsky jako pierwszy zaprojektował wieloprzęsłowy budynek przemysłowy. Akademik VG Shukhov jako pierwszy na świecie opracował i zbudował przestrzenne i kratowe konstrukcje dachów i wież do różnych celów. W budowanych przez niego konstrukcjach realizowane są idee sprężania konstrukcji i wykonywania powłok w postaci systemów podwieszania. Tym samym przewidział przyszłe kierunki rozwoju konstrukcji metalowych. Pod koniec lat 40. konstrukcje nitowane zostały prawie całkowicie zastąpione konstrukcjami spawanymi, bardziej ekonomicznymi. Pojawiają się stale niskostopowe i wysokowytrzymałe. Oprócz stali zaczęto stosować stopy aluminium, których gęstość jest prawie trzykrotnie mniejsza. Rozszerzył się zakres konstrukcji metalowych. Duże i różnorodne zadania związane z rozwojem konstrukcji metalowych zostały rozwiązane wysiłkiem zespołów projektowych, naukowych i produkcyjnych - Projectstalconstructions, Promstroyproekt i TsNIPS, później przemianowanej na TsNIISK. Za podstawę projektanci przyjęli schemat budowy ramy poprzecznej ze sztywnym połączeniem słupa z fundamentami i poprzeczką. Wraz z rozwojem konstrukcji metalowych, duża kubatura i związana z tym powtarzalność konstrukcji stworzyły warunki do rozwoju standardowych systemów i rozwiązań projektowych dla obiektów przemysłowych. Typizacja obejmowała przęsła mostów, zbiorników, zbiorników gazowych, wież radiowych i masztów radiowych. Typizacja, unifikacja i standaryzacja to jeden z głównych kierunków rozwoju konstrukcji metalowych. Zmniejszyło to złożoność produkcji i montażu konstrukcji, zmniejszyło zużycie stali. Od budynki publiczne można wyróżnić Pawilon Kosmiczny przy Wszechrosyjskim Centrum Wystawienniczym (Moskwa), strop Pałacu Sportu w Łużnikach, unikatowe konstrukcje o dużej rozpiętości z metalowymi konstrukcjami nośnymi zbudowane w Moskwie na Igrzyska Olimpijskie w 1980 roku. Wraz z udoskonalaniem projektów opracowano formy i metody obliczeń. Do 1950 roku obliczenia prowadzono metodą naprężeń dopuszczalnych. Takie obliczenia nie odzwierciedlały w pełni rzeczywistej pracy konstrukcji pod obciążeniem, doprowadziły do ​​nadmiernego wydatkowania metalu, dlatego opracowano metodę stanów granicznych. Pojawiają się komputery, co pozwala projektantowi szybko znaleźć konstruktywne optymalne rozwiązania. Nasz sukces w rozwoju konstrukcji metalowych zawdzięczamy profesorowi N.S. Równolegle z rozwojem budownictwa metalowego w Rosji jego zastosowanie rozszerza się również w krajach zachodnich. Pierwszy most żeliwny został zbudowany w Anglii przez rzekę Severn w latach 1776-1779 o rozpiętości 30,6 m. we Fryburgu w Szwajcarii wybudowano most o rozpiętości 273 m, a w 1889 r. zbudowano wieżę Eiffla w Paryżu o wysokości 300 m i wiele innych konstrukcji.

Nazewnictwo i zakres konstrukcji metalowych

Konstrukcje metalowe znajdują zastosowanie we wszystkich konstrukcjach inżynierskich o znacznych rozpiętościach, wysokościach i obciążeniach. W zależności od formy konstrukcyjnej i przeznaczenia konstrukcje metalowe można podzielić na osiem typów:

Zalety konstrukcji metalowych:

Niezawodność. Materiał (stal, stopy aluminium) ma bardzo jednolitą strukturę.

Łatwość. Konstrukcje metalowe są najlżejsze.

Przemysłowość. Produkcja i montaż konstrukcji metalowych są wykonywane przez wyspecjalizowane organizacje przy użyciu wysokowydajnego sprzętu.

nieprzepuszczalność. Charakteryzują się dużą wytrzymałością i gęstością, nieprzepuszczalnością gazów i cieczy.

Wady konstrukcji metalowych:

Korozja. Narażenie na wilgotne środowisko, atmosferę zanieczyszczoną agresywnymi gazami, stal koroduje (utlenia się) i zapada. Dlatego w stali zawarte są specjalne pierwiastki stopowe, pokryte foliami ochronnymi (lakiery, farby itp.).

Mała odporność na ogień. W przypadku stali w temperaturze 200˚С moduł sprężystości maleje, aw temperaturze 600˚С stal całkowicie przechodzi w stan plastyczny. Stopy aluminium przechodzą w stan plastyczny w temperaturze 300˚С. Dlatego konstrukcje metalowe zabezpiecza się okładzinami ognioodpornymi (beton, ceramika, powłoki specjalne itp.).

Budynek wysokościowy ze stalową ramą

Stalowa rama wieżowca składa się z kolumn i poprzeczek połączonych w dwóch kierunkach sztywnymi spawanymi złączami w układy ramowe, które odbierają obciążenia pionowe i poziome. Kolumny wykonywane są spawane (belka dwuteowa, kwadratowa, przekrój) ze standardowych profili walcowanych. Końce kolumn są zwykle frezowane, aby poprawić dokładność montażu. Aby zapewnić trwałość i ognioodporność Rama ze stali wzmacniać i wytwarzać beton. Poprzeczki stalowe ramy są najczęściej dwuteowe, spawane, z poszerzoną dolną półką, na której układane są płyty międzypodłogowe. Stropy międzykondygnacyjne można montować: z belek głównych i drugorzędnych (z pełną ramą stalową) z układaniem na nich prefabrykowanych płyt lub betonowaniem stropu monolitycznego; tylko z belek głównych (poprzeczek) z poszerzoną półką, na której układane są prefabrykowane płyty stropowe żelbetowe; z dystansowych płyt żelbetowych, układanych tylko w osi słupów, z osadzonymi częściami do łączenia płyt sąsiednich przęseł i poprzeczek z napawanymi nakładkami; z płyt lekkich lub wielootworowych, swobodnie układanych w rowkach poprzeczek stalowych lub żelbetowych, ale nie spawanych do nich (nie ma części osadzonych). Rdzeń usztywniający jest żelbetowy monolityczny lub ułożony w formie zamkniętego szybu wykonanego z konstrukcji metalowych. Wszystkie inne elementy ramy muszą być przymocowane do tego rdzenia usztywniającego, a każda podłoga musi reprezentować pojedynczy sztywny i niezmienny poziomy układ płaski (dysk). Budowę budynków o konstrukcji stalowej wykonuje się osobnymi lub złożonymi metodami. Osobną metodą najpierw montuje się stalową ramę na pełną wysokość, a następnie rozpoczynają się prace ogólnobudowlane. Dzięki tej technologii prace prowadzone są na szerokim froncie, z dużą ilością żurawi na kilku uchwytach. Ale jednocześnie wymagane jest zapewnienie zwiększonej sztywności ramy, co prowadzi do zwiększonego zużycia metalu. Z kompleksową metodą, montażem, budową ogólną i Roboty instalacyjne. Montaż konstrukcji metalowych odbywa się na górnej kondygnacji (górne dwa do czterech pięter): na samej górze - instalacja, nieco niżej - wyrównanie, aw dolnej części poziomu - końcowe spawanie lub nitowanie połączeń montażowych. Jednocześnie z opóźnieniem 2-3 kondygnacji (na kolejnej kondygnacji) kładzie się (lub betonuje) posadzki. Jeszcze niżej (na 4-5 piętrach) rama jest betonowana. Jeszcze niżej w pionie trwają prace wykończeniowe. Tym samym prace przy budowie budynku prowadzone są jednocześnie na 8...10 piętrach. 12.3. Zapewnienie stabilności ramy podczas montażu Montaż konstrukcji budynków wielokondygnacyjnych wymaga ścisłego przestrzegania następującej zasady: nie należy kontynuować montażu konstrukcji następnego poziomu (wysokość kolumny), dopóki leżący poniżej nie zostanie wyrównany i bezpiecznie zamocowany. Wymóg ten podyktowany jest koniecznością zapewnienia wytrzymałości i stabilności budynku przez cały okres jego budowy. W procesie montażu żurawia do wysokości 5,8 pięter należy podjąć następujące działania: sprawdzić stabilność ramy podczas montażu zgodnie z kolejnością montażu elementów ustaloną w PPR; przewidziano instalację tymczasowych połączeń montażowych między słupami, zapewniających ich stabilność aż do utwardzenia wytrzymałości monolitycznych połączeń w płytach stropowych; projektować stałe połączenia pionowe, połączenia ramowe poprzeczek ze słupami; wykonano urządzenie ze sztywnych stropów międzywarstwowych, zapewniające ogólną stabilność budynku; Sprawdzono wytrzymałość poszczególnych elementów ramy i węzłów na obciążenia od żurawi samopodnośnych i podwieszanych w miejscach ich podparcia na ramie. Montaż stelaża stalowego powinien odbywać się piętrowy – przede wszystkim należy skompletować wszystkie elementy rdzenia usztywniającego i dokładnie je wyrównać. Tymczasowe mocowanie słupów podczas montażu odbywa się za pomocą przewodów lub tymczasowych usztywnień, które zapewniają stabilność słupów do momentu ich odkręcenia za pomocą stałych elementów konstrukcyjnych połączeń, które zapewniają stabilność słupów do momentu ich odkręcenia na stałe elementy połączeń, które zapewniają stabilność montowanej części budynku. Jeśli połączenia projektowe nie są wystarczające, ustanawiane są połączenia tymczasowe. Projekt mocowania poprzeczek odbywa się natychmiast po zainstalowaniu i wyrównaniu elementów ogniwa - cztery kolumny połączone poprzeczkami. Możliwe jest przystąpienie do instalacji następnego poziomu dopiero po ustaleniu projektu wszystkich elementów poprzedniego.

Windy schodowe

Windy schodowe (LLU) budynków wysokościowych pełnią szczególną rolę w zapewnieniu komunikacji między kondygnacjami oraz ewakuacji ludzi w sytuacjach awaryjnych. W zależności od układu i rozwiązania przestrzennego, LL może łączyć funkcje ciągów komunikacyjnych i ewakuacyjnych lub być wykonywane oddzielnie. W obu przypadkach ich wyposażenie techniczne podlega określonym wymaganiom związanym z zapewnieniem parametrów bezpieczeństwa.

Zazwyczaj LLU znajduje się w centralnej części wieżowców. Z reguły znajduje się w centralnym pniu budynków z ramowo-beczkowymi, skrzynkowo-beczkowymi lub podobnymi systemami łożyskowymi. Granica odporności ogniowej konstrukcji zespołu windy schodowej przyjmowana jest zgodnie z krajowymi normami projektowymi iw większości przypadków wynosi 2 h. Na podstawie tego wskaźnika określa się grubość ścian i stropów oraz wykonuje się ich projekt .

Pod względem złożoności projektowanie budynków wysokościowych, a także ich konstrukcja, przewyższa mosty i tunele, głównie z powodu wielokrotnej przewagi wysokości nad powierzchnią podstawy, co powoduje znaczne obciążenia konstrukcji nośnych.

Ogromna wysokość drapacza chmur powoduje, że stopień narażenia na czynniki naturalne, takie jak promieniowanie słoneczne i wiatr, jest znacznie wyższy niż typowy dla budynków o średniej wysokości, często przekraczając całkowitą masę konstrukcji. Ogólna sytuacja geologiczna (jakość podłoża gruntowego, zagrożenie sejsmiczne regionu, występowanie uskoków krasowych) oraz szereg czynników spowodowanych przez człowieka (drgania, hałas, wypadki, pożary, akty sabotażu, lokalne zniszczenia) mieć wpływ. Projektowanie budynków wysokościowych jest rozwiązaniem kompleksu zadań urbanistycznych, przyrodniczo-klimatycznych, geologicznych, architektonicznych, planistycznych i konstrukcyjnych.

Należy również rozwiązać kwestie inżynierskie (wentylacja, ogrzewanie, wodociągi, kanalizacja, elektryka i ich systemy sterowania), kwestie zintegrowanego bezpieczeństwa mieszkalnego, kontroli i monitorowania konstrukcji, a także środki mające na celu zmniejszenie negatywnego wpływu psychicznego na człowieka .

Każdy wieżowiec jest złożony i niepowtarzalny, a jego złożoność wzrasta proporcjonalnie do jego wysokości. W pracach nad nim biorą udział eksperci z różnych dziedzin. Na przykład w projekt wieżowca Commerzbanku zaangażowanych było ponad 400 zespołów badawczych. Główna odpowiedzialność spoczywa na architektach, którzy koordynują prace. Dlatego na całym świecie w szkołach architektonicznych powstają specjalne wydziały kształcące specjalistów od drapaczy chmur. Istnieją również organizacje projektowe specjalizujące się w budynkach wysokościowych - architektoniczne Skidmore, Owings and Merrill, De Stefano and Partners, Foster and Partners, projekt Ove Arup and Partners, Thornton Tomasetti Groupe, Cantor Seinuk Group, inżynieria RSE Engineering, Flack & Kurtz Consulting Inżynierowie, budownictwo Turner Construction.

GEOLOGIA I GLEBY

Decyzja o budowie wysokościowca w dużej mierze zależy od jakości gruntu na terenie i jego nośności. Głównym czynnikiem ryzyka przy budowie wieżowców jest ocena nośności gruntu. Analizując go i obliczając płyty fundamentowe, należy wziąć pod uwagę specyfikę tego typu budynku. Ten sam grunt, w zależności od niejednorodności konstrukcji, technologii budowy, może mieć wartości „modułu odkształcenia”, które różnią się od siebie 2-5 razy. Obliczenia podziemnej części budynku wysokościowego wykonuje się według dwóch stanów granicznych: według nośności oraz według odkształceń (opady, przechyły, ugięcia itp.), z uwzględnieniem przyjętej technologii budowy. Projekt fundamentów uwzględnia charakterystykę gruntów, wyniki badań laboratoryjnych i terenowych, a także inwentaryzacje okolicznych budynków, ich podstaw i fundamentów.

Przez nowoczesne sposoby obliczenia fundamentów zbrojeniowych płyta fundamentowa określona w przybliżeniu.

W trakcie budowy i eksploatacji nadal mierzone są wartości naprężeń kontaktowych punktów charakterystycznych, sił podporowych i osiadań. Jeśli dane nie odpowiadają obliczonym, gleba jest wzmocniona. Według prognoz ekspertów, rozwój geotechnicznych obliczeń modelowania, doświadczenie w stosowaniu efektywnych ostatecznie zminimalizuje ryzyko związane z nieprzewidywalnością zachowania się gruntu.

AERODYNAMIKA

Można powiedzieć, że w przypadku budynków wysokościowych wpływ zmian klimatu, wiatru i ciśnienia atmosferycznego jest ekstremalny. Przed przejściem na system ramowy ten problem po prostu nie istniał. Pierwsze ceglane wieżowce nie były narażone na działanie wiatru, w przeciwieństwie do nowoczesnych budynków o dużych rozpiętościach konstrukcji nośnych, fasady na zawiasach i maksymalna wysokość.

Badanie skutków wiatru jest możliwe za pomocą modelowania fizycznego lub matematycznego. Pierwsza jest przeprowadzana podczas testowania modeli w specjalnych tunelach aerodynamicznych w skali od 1:150 do 1:500. Pozwala to na określenie niedociągnięć urbanistycznych i planistycznych, nadmiernych obciążeń konstrukcji oraz możliwych miejsc występowania drgań i hałasów. Otrzymane wyniki są przenoszone na rzeczywisty obiekt z korekcyjnymi współczynnikami dokładności. Modelowanie matematyczne uwzględnia prędkość, kierunek i charakter wiatru, a także ukształtowanie terenu, zagęszczenie otaczającej zabudowy, obecność pobliskich lasów oraz strukturę przestrzenną samego budynku. Im więcej obiektów znajduje się w pobliżu, tym większa wysokość, na której osiągane jest maksymalne obciążenie wiatrem. W obszarze przyściennej warstwy powietrza prędkość wiatru może wzrosnąć czterokrotnie. Przez warstwę przyścienną rozumie się warstwę powierzchniową atmosfery (w centrach miast ~ 460 m), w której powierzchnia ziemi ma hamujący wpływ na ruchomą masę powietrza, powyżej której prędkość wiatru jest stała.
Obciążenia powodowane przez prądy powietrza o dużej prędkości wokół budynku (turbulentne, okrężne wznoszenie, ssanie) wytwarzają wibracje porównywalne do trzęsienia ziemi o sile 4, a nawet 5 stopni.

Ponadto nieprzyjemne dźwięki powstają w wyniku zniekształcenia konstrukcji, wnikania takich przepływów w szczeliny okienne, a także „wycia” wokół budynku. Największe ciśnienie wiatru obserwuje się w środku powierzchni pionowej po stronie nawietrznej, gdzie ruch wiatru praktycznie ustaje. Ciśnienie stopniowo spada wraz ze wzrostem prędkości przepływu w kierunku szczytu budynku. Mniej więcej od połowy wysokości 40% strumieni powietrza zaczyna spływać wzdłuż elewacji. Może to powodować jeszcze większe obciążenia wiatrem na poziomie wejścia do budynku niż na wysokości 100 m.

Istnieją niezawodne metody uwzględniania aerodynamiki, dzięki którym projektant może osiągnąć zmniejszenie obciążenia wiatrem. Powinny być stosowane od samego początku projektowania budynków wysokościowych, od montażu konstrukcji na miejscu zgodnie z różą wiatrów, od wyboru rozwiązania wolumetrycznego i przestrzennego.

RACJONALNYROZWIĄZANIA OBJĘTOŚCIOWE

Najbardziej racjonalne formy drapaczy chmur można układać w określonej kolejności, zgodnie ze stopniem ograniczenia wpływu przepływów powietrza na ich konstrukcje. Absolutnym liderem jest okrągły plan. Brak występów umożliwia przepływ powietrza wokół bryły, bez tworzenia turbulencji pojawiających się w narożnikach budynków o planie prostokąta.

Przykładami są Marina City w Chicago czy Torre Agbar w Barcelonie. Na drugim miejscu plasują się plany w formie wywodzącej się z okrągło – owalnej, w formie soczewki lub kropli. Od połowy XX wieku coraz więcej drapaczy chmur ma podobne plany, co wiąże się ze wzrostem ich wysokości, przy której optymalna objętość pod względem aerodynamiki nie jest techniką artystyczną, a koniecznością. Kształt trójkąta przejściowego z zaokrąglonymi narożnikami jest niezwykle popularny ze względu na swoją sztywność przestrzenną. Świetnym wzorem do naśladowania jest Commerzbank we Frankfurcie.

Na trzecim miejscu - tak powszechne jak sto lat temu, plany w kształcie kwadratu lub rombu. To rozwiązanie jest najbardziej popularne w przypadku budynków nie wyższych niż 60 pięter, ponieważ są one bardziej narażone na obciążenia poziome. Na czwartym miejscu znajdują się drapacze chmur, sparowane strukturalnie lub kompozycyjnie. Zwykle mają Okrągły kształt, Jak na przykład, . Łączący je most na 42 piętrze to kratownica z podporami, która pełni funkcję stabilizatora drgań dla obu wież.
Za pomocą planu w kształcie litery L i H możliwe jest osiągnięcie wzrostu wytrzymałości i sztywności konstrukcji. Jednak w tego typu budynkach, które znajdują się na piątym miejscu w naszej klasyfikacji, konieczne jest umieszczenie kilku jednostek schodowo-windowych, co zmniejsza powierzchnię użytkową.

Serię zamykają długie zabudowania w formie płyty, łuku lub fali. W Ostatnio, głównie w Chinach, takie konstrukcje są mieszkalne, ich wysokość to 40-60 pięter. Jednocześnie architekci muszą szukać alternatywnych sposobów radzenia sobie z prądami powietrza powodowanymi przez ogromne wiatry domów.

Stereotypowe wyobrażenia o wieżowcach jako prostokątnych wieżowcach balansujących na niewielkim skrawku, wciśniętym między sąsiednie bloki miejskie, są dziś nieaktualne. Odkąd drapacze chmur przestały być tylko biurowcami, a stały się budynkami mieszkalnymi, hotelami, kompleksami wielofunkcyjnymi, znacznie rozszerzyły swoją typologię. Ich formy, w zależności od lokalizacji i funkcji, mogą być bardzo różnorodne – przypominają żagiel, ogórek, bramę czy zarośniętą pagodę.

Obciążenia aerodynamiczne i pionowy rozkład ciężaru konstrukcji budowlanych wymagają co najmniej zachowania konfiguracji na całej jej wysokości. Z punktu widzenia stabilności preferowany jest kształt zwężający się ku górze. W takim przypadku budynek zajmuje całą działkę, a następnie zmniejsza się powierzchnia podłogi. Mogą to być płynne zmiany sylwetki budynku wzdłuż nachylonej lub łukowatej linii, lub nagłe, półkowe formy.

W budynku w kształcie piramidy nachylenie płaszczyzn zewnętrznych może zwiększyć sztywność konstrukcji o 10-50%. Obciążenie wiatrem można zmniejszyć, zmieniając rozszerzanie i kurczenie poziomej części budynku. W tym przypadku tworzone są kanały do ​​przepływów powietrza, przez które łatwiej im opływać objętość. Rolę tę pełnią otwory przelotowe, które mogą znajdować się w różnych częściach budynku. W każdym razie testy modeli konstrukcyjnych takich konstrukcji w tunelu aerodynamicznym należy przeprowadzać ze szczególną ostrożnością, ponieważ otwory mogą mieć wpływ wzmacniający na prędkość wiatru.

RACJONALNYROZWIĄZANIA DO PLANOWANIA

Zagadnienia obciążenia wiatrem i związanych z nimi optymalnych form wieżowców są nierozerwalnie związane z ich rozwiązaniami projektowymi, od których zależy również racjonalne rozmieszczenie powierzchni poszczególnych pięter. W układzie konieczne jest umieszczenie jednostek schodowo-windowych tak ekonomicznie i kompaktowo, jak to tylko możliwe. Aby określić liczbę wind, warto obliczyć, ile osób będzie z nich korzystać w godzinach szczytu, ponieważ maksymalny czas oczekiwania na kabinę nie może przekroczyć 28 sekund. Architekt będzie też musiał rozmieścić konstrukcje wsporcze, biorąc pod uwagę: optymalne wykorzystanie obszar, jeśli to możliwe, uwalniając obwód od masywnych elementów.

Konfiguracja konstrukcji, położenie jej centralnego rdzenia oraz stosunek wymiarów rdzenia do budynku to podstawowe parametry przy projektowaniu budynków wysokościowych. Wzajemne powiązanie wskaźników planistycznych, wolumetrycznych i konstrukcyjnych zamienia wymyśloną przez architekta formę w działający schemat.
Niezawodność i bezpieczeństwo budynku wysokościowego zależy od decyzji podejmowanych w najbardziej złożonym systemie, składającym się z części podziemnej (fundamenty odpowiedzialne za postrzeganie i przenoszenie całkowitych obciążeń z budynku na podłoże gruntowe) oraz części naziemnej.

KONSTRUKTYWNE DECYZJE

Podwaliny

Wieżowiec to pionowa konsola sztywno osadzona w fundamencie, dzięki czemu jej niezawodność gwarantuje stabilność całej konstrukcji. Całkowite obciążenie właściwe podstawy może osiągnąć 0,8-1 MPa. Podstawową zasadą dla budynków wysokościowych jest utrzymywanie symetrycznego, wyśrodkowanego obciążenia na fundamencie.
W budownictwie wysokościowym szeroko stosowane są następujące fundamenty:

• płyta fundamentowa. Stosuje się go przy dobrej nośności gruntu i jest najbardziej ekonomiczny dla budownictwa wysokościowego. Wykonuje się go solidnie, monolitycznie, a jego grubość może dochodzić do 5 m, lub monolityczny żelbetowy w kształcie skrzyni. W Moskwie cechy gleby i złożone warunki technologiczne nie pozwalają na przyjmowanie określonych obciążeń fundamentu pod elementami płyty fundamentowej powyżej 0,4–0,5 MPa;
• fundament palowy. Stosuje się go przy niskiej nośności gruntu. Można stosować pale stelażowe lub wiszące, które w zależności od budowy geologicznej gruntów i obciążeń podłoża mogą mieć średnicę 3–4 m, a w niektórych przypadkach nawet 6 m przy długości 30–40 m;
  
• fundament palowo-płytowy. Przy takim fundamencie położenie i długość pali zależy od nierównomiernego postrzegania obciążeń gruntu, co determinuje gęstość pola pala i grubość płyty. Dodatkowo, fundament kombinowany może być stosowany do różnych części budynku w różnych kombinacjach, na przykład: pod mniej obciążoną częścią - taśmą, a pod rdzeniem - głęboką. W takim przypadku konieczne jest uwzględnienie różnicy w rozliczeniu takich fundacji.
  

KONSTRUKCJE ŁOŻYSKCZĘŚĆ NAZIEMNA

Początkowo były trzy główne schematy strukturalne wieżowce: ramowe, ramowo-słupowe i bezramowe z równoleżnikiem ściany nośne. Z biegiem czasu opracowano kilka kolejnych typów: ramowy z przeponami usztywniającymi, ramowo-ramowy, bezramowy ze ścianami nośnymi krzyżowymi, beczkowy, skrzynkowy (skorupowy), beczkowy („rura w rurze” lub „rura w gospodarstwie”) ).
Systemy ramowe i ramowo-ramowe są stosowane do wysokości budynków do 100-150 m. Schematy ze ścianami nośnymi krzyżowymi, które zapewniają większą sztywność, mogą być stosowane przy budowie budynków mieszkalnych i hoteli do 40 pięter, ponieważ odpowiadają struktura planistyczna takich budynków. Chęć uzyskania większej sztywności wiąże się z gwałtownym wzrostem masy konstrukcji i ograniczeniem rozwiązań planistycznych.

Aby zwiększyć sztywność konstrukcji i zapewnić swobodny układ, stosuje się systemy beczkowe i ramowo-lufowe. Pień lub rdzeń z reguły jest zespołem windy schodowej odlewanym na miejscu. Ten system zapewnia niezbędną sztywność budynku do wysokości 50-60 pięter, ponieważ jego geometria zależy od geometrii rdzenia, którego graniczny stosunek szerokości do wysokości jest określony jako 1:6 (maksymalnie 1:10). W takim przypadku rdzeń nie powinien zajmować więcej niż 20% powierzchni podłogi.

Ograniczenie wysokości systemów szybowych do 80-90 kondygnacji zostaje przezwyciężone, jeśli obwód zewnętrzny pełni rolę płaszcza nośnego. Takie systemy nazywane są systemami pudełkowymi lub powłokowymi. W nich zewnętrzna powłoka nośna może być wykonana w postaci kraty ukośnej i ukośnej ze stali lub żelbetu. Krata bez belek nie powoduje trudności przy umieszczaniu półprzezroczystych ogrodzeń wzdłuż elewacji, ale jest gorsza od ukośnej w zapewnieniu sztywności konstrukcji. Stężenia ukośne tworzące systemy skrzynkowo-bagażowe „rura w kratownicy” nie pozwalają na zastosowanie rozwiązań fasadowych z tworzywa sztucznego i wymagają częstego umieszczania stelaży nośnych na obwodzie konstrukcji.

System „rura w kratownicy” może być skutecznie stosowany w budynkach powyżej 100 pięter.
Do wysokości 250–300 m konstrukcja jest możliwa tylko z wałem nośnym i opartymi na nim wysięgnikami-konsolami (stropy wzmocnione, które mogą odbierać obciążenie z kilku poziomów powyżej lub poniżej i przenosić je na rdzeń), rozmieszczone co 5–20 pięter. W zależności od schematu wysięgniki mogą osiągać wysokość kilku metrów, w takim przypadku znajdują się one w obrębie kondygnacji technicznych. Wysięgniki muszą zostać wciągnięte w jeden system wokół obwodu budynku za pomocą rozciągliwych kolumn, aby zmniejszyć przyspieszenia oscylacyjne w górnej części spowodowane obciążeniem wiatrem.

Każdy ze schematów jest ekonomicznie wykonalny dla budynków o określonej wysokości lub stosunku wysokości do szerokości. Wskaźnikiem efektywności ekonomicznej jest zużycie materiału do produkcji konstrukcji nośnych podzielone przez powierzchnię całkowitą. W ten sposób projektanci stają przed zadaniem zminimalizowania ciężaru konstrukcji przy jednoczesnym zapewnieniu niezbędnej niezawodności. Poprawa warunków pracy obciążonego budynku oraz zwiększenie jego sztywności umożliwia równomierne rozłożenie obciążeń pionowych na elementy nośne.

Jeśli potrzeba postrzegania obciążeń wiatrem wymaga zwiększenia sztywności, efekty sejsmiczne wręcz przeciwnie, dyktują zwiększenie jej elastyczności, tak aby drgania były tłumione przez konstrukcję bez jej niszczenia. Elastyczność większości drapaczy chmur, stosunek wysokości do szerokości, zazwyczaj 1:8. Duże wartości prowadzą do niedopuszczalnych drgań szczytu budynku i konieczności zastosowania elementów tłumiących.

Wahania te powinny być ograniczone ze względu na niezawodność (nie więcej niż 0,08 m/s2), a także dla zapewnienia komfortu psychicznego. Znalezienie równowagi między elastycznością a sztywnością to kolejne wyzwanie w projektowaniu wieżowców. Specjalne wymagania dotyczące konstruktywnego rozwiązania nakładają również problemy bezpieczeństwa, w szczególności ochrona przed postępującym zawaleniem. Obecnie metody obliczeniowe umożliwiają modelowanie zachowania systemu w przypadku uszkodzenia części konstrukcji wsporczych, które może doprowadzić do upadku całego budynku.

MATERIAŁY

Przy budowie drapaczy chmur wykorzystuje się głównie stal i beton. Na początku „ery drapaczy chmur” w systemach ramowych stosowano metalowe słupy i belki. Elementy profilu połączono za pomocą nitów lub śrub w konstrukcje przestrzenne. Wynalazek żelbetu późny XIX wiek został zastąpiony przez stal, ale do połowy XX wieku nie można było twierdzić, że jeden materiał całkowicie zastąpił drugi. Oba były jednocześnie wykorzystywane w budownictwie.

Po II wojnie światowej zaczęto budować coraz więcej wieżowców z konstrukcje żelbetowe, które pozwalają zmechanizować procesy montażowe i konstrukcyjne, a także urozmaicić wygląd architektoniczny konstrukcji. Charakteryzują się większą odpornością ogniową, stabilnością dzięki dużej wadze, szybkim tłumieniem drgań.

Konstrukcje stalowe należy chronić przed skutkami pożaru specjalnymi powłokami lub betonem. Ze względu na swoje właściwości stal i beton można łączyć z uwzględnieniem różnicy ich właściwości. W przypadku wysoko obciążonych konstrukcji nośnych (słupy, filary, poprzeczki) stosuje się żelbet ze sztywnym zbrojeniem w postaci kształtowników walcowanych, a także konstrukcje zespolone stalowo-betonowe.

Zastosowanie betonu do takich celów stymuluje ulepszanie tego materiału. Opracowywane są nowe mieszanki o specjalnych właściwościach. Powstały betony klasy B80 i B100, które są zbliżone wytrzymałością do stali. Niższe klasy betonów o wysokiej wytrzymałości B60 i B70 są szeroko stosowane, ponieważ wraz ze wzrostem wytrzymałości betonu wzrasta jego koszt, wzrasta kruchość i zmniejsza się ognioodporność. Niemniej jednak zastosowanie betonu o wysokiej wytrzymałości i jego modyfikacji pozwala na zmniejszenie zużycia zbrojenia nawet o 35% i zapewnia przyrost wytrzymałości w ciągu dwóch do trzech dni nie tylko w normalnych warunkach, ale także w warunkach zimowych bez użycia ogrzewanie elektryczne. Betony o wysokiej konsystencji i betony samozagęszczalne umożliwiają budowanie gęsto zbrojonych konstrukcji bez wibracji lub z bardzo małym zagęszczeniem wibracyjnym.

ŚCIANA

System ramowy, który stał się podstawą do budowy drapaczy chmur, zmienił także fundamentalne rozwiązanie zewnętrznych konstrukcji otaczających. Grube, masywne ściany ustąpiły miejsca lekkim konstrukcjom, opartym na sufity międzypodłogowe lub zawieszone na nich i pełniące jedynie funkcję ochrony przed czynnikami klimatycznymi, atmosferycznymi oraz zapewniające izolację termiczną. Wraz z rozwojem technologii elewacyjnych od drugiej połowy XX wieku możliwe stało się zastosowanie lekkich systemów profili wypełnionych panelami z aluminium, szkła specjalnego i materiałów polimerowych. W nowoczesnych wieżowcach szeroko stosowane są systemy wentylowane, wykończone naturalnym lub Sztuczny kamień, blachy dekoracyjne, ekrany z betonu zbrojonego włóknem i inne materiały.

Wymagania dotyczące systemów fasadowych przeznaczonych do budownictwa wielorodzinnego znacznie przewyższają wymagania dotyczące konstrukcji otaczających. zwykłe domy, ze względu na wielokrotny wzrost wszystkich rodzajów obciążeń – zarówno dynamicznych, jak i klimatycznych. Elewacje wieżowców muszą być szczelne i paroszczelne, odporne na warunki atmosferyczne, ognioodporne, zaawansowane technologicznie, dźwiękochłonne, trwałe i niezawodne w eksploatacji, konserwowalne, a także posiadać dobre właściwości termoizolacyjne, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i niski waga.

Muszą nie tylko wytrzymywać bezpośrednie napory wiatru (do 20–25 m/s), ale także opierać się siłom odrywania, które występują, gdy powietrze przemieszcza się wzdłuż ściany i pojawianiu się stref podciśnienia w wyniku turbulencji. Wpływ klimatu na systemy elewacyjne nie ogranicza się do wiatru. W zależności od warunków klimatycznych na konstrukcje mogą mieć wpływ promieniowanie słoneczne, ulewne deszcze, burze i smog.
Systemy elewacyjne są stale ulepszane, opracowywane są nowe technologie wytwarzania i montażu konstrukcji, materiały (ceramika w połączeniu ze szkłem borokrzemianowym, panele z pianki metalowej, nanokompozyty, panele szklane z superhydrofobową warstwą samoczyszczącą itp.).

Udoskonalono również połączenia doczołowe, punkty mocowania i wygląd zewnętrzny. Szczególną rolę w historii budownictwa wysokościowego odegrały półprzezroczyste konstrukcje ogrodzeniowe. Możliwość uczynienia ścian zewnętrznych jak najbardziej przezroczystymi nadała idei ultrawysokich budynków szczególnego znaczenia. Widok z lotu ptaka można było uzyskać, siedząc na krześle przy biurku na 40. piętrze wieżowca.

Wraz z rozwojem systemów konstrukcyjnych pozwalających na budowę coraz wyższych i bardziej skomplikowanych konstrukcji z zewnętrznymi kratami ukośnymi, konstrukcje otaczające ponownie zaczęły pełnić funkcję nośną. Część ciężaru budynku przejęły przestrzenne szkielety stalowo-betonowe ze stężeniami ukośnymi. Jednocześnie fasady szklane zachowały swoją główną rolę – osłaniając i chroniąc konstrukcję skorupy.

Systemy półprzezroczyste do wysokich budynków są projektowane z uwzględnieniem kilku warunków. Elementy nośne profilu są zwykle wykonane ze stali w celu zwiększenia wytrzymałości i trwałości. W półprzezroczystym wypełnieniu zastosowano szczególnie trwałe, ognioodporne, niskoemisyjne i przeciwsłoneczne szkła. Okna o tradycyjnej konstrukcji stosowane w budynkach wysokościowych nie zapewniają wymaganej odporności na przenikanie powietrza, dlatego opracowywane są specjalne konstrukcje wypełniające otwory świetlne. Systemy dwuwarstwowe z zewnętrznymi ekranami ochronnymi wykonanymi z bardzo mocnego szkła są szeroko stosowane na całym świecie. Pozwalają na wykonanie przeszkleń wewnętrznych częściowo lub całkowicie otwieranych. W konwencjonalnych fasadach pojedynczych konstrukcje szklane są wykonane jako nieotwieralne ze względów bezpieczeństwa oraz ze względu na silne prądy powietrza wokół budynku. Używają okien z zaworami wlotowymi powietrza.

Wysokość budynków wpływa na wybór ich kształtu i rozwiązań przestrzennych, niezależnie od ich przeznaczenia funkcjonalnego. Budynki wysokościowe projektuje się głównie w formie wieżowej o zwartej, centrycznej bryle rzutu w oparciu o wymogi minimalnego ograniczenia nasłonecznienia sąsiednich budynków oraz potrzebę uformowania wyrazistej sylwetki budynku.

Ze względu na radykalny wpływ wiatru na stateczność budynku, uwzględniając możliwość rezonansowego wzbudzenia wirów drgań budynku, jego przekrój poziomy jest znacznie rozbudowany (do 40x40, 50x50, 40x60 m, w zależności od wysokości). Tym samym powierzchnia budynku wysokościowego nie przekracza 2-2,5 tys. mkw. nawet w 80-100-piętrowych wieżowcach. W celu ograniczenia wpływu wiatru wybiera się aerodynamicznie efektywny kształt wolumetryczny budynku – cylindryczny, piramidalny lub graniastosłupowy. W celu zwiększenia stabilności budynku uciekają się do poszerzenia jego przekroju do podstawy w jednym lub dwóch kierunkach.

Piramidalny kształt wieży, który jest bardzo efektywny pod względem aerodynamicznym, jest stosowany stosunkowo rzadko, zarówno do celów planowania przestrzennego, jak i projektowania. Nie zawsze pasuje do wielu powszechnych systemów konstrukcyjnych i wymaga zmiany rozwiązań planistycznych piętro po piętrze.
Na dobór proporcji budynków wysokościowych mają również bezpośredni wpływ ograniczenia normatywne dotyczące ruchów poziomych szczytu budynku, uwzględniające przechylenie fundamentów w zależności od jego wysokości (H). Powinny być dla budynków o wysokości do 150 m nie większej niż 1/500 N, powyżej 250 - 1/1000 N, dla wysokości pośrednich - przez interpolację.

Budynki wysokościowe z reguły są znacznie droższe niż budynki wielopiętrowe lub wysokościowe. Na ich wzrost cen wpływa również szereg czynników, które wpływają na decyzję o planowaniu przestrzennym budynków wysokościowych i prowadzą do wzrostu ich kosztów. Czynniki te obejmują:

- częściowa utrata powierzchni roboczych budynków wysokościowych z powodu umieszczenia poziomych konstrukcji nośnych (kraty, konsole) zajmujących w swojej objętości przestrzeń poszczególnych pięter;

- koszt 20-30% kubatury budynku na postawienie transportu pionowego i jego utrzymanie (hale wind, szyby wind, maszynownie itp.);

- rozmieszczenie podłóg technicznych do umieszczenia urządzeń inżynieryjnych (przepompownie, strefowe elementy wewnętrznego zaopatrzenia w ciepło, systemy wentylacji, elementy domowego zaopatrzenia w wodę pitną i przeciwpożarową itp.);

- urządzenia poziomych przegród pożarowych do czasowego przebywania ludzi podczas pożaru.

Oprócz wspólne cechy projektując budynki wysokościowe, ich funkcja w naturalny sposób ma radykalny wpływ na ich decyzje przestrzenne: biurowe, hotelowe, mieszkalne, wielofunkcyjne.

Budynki biurowe
Dominującą grupę obiektów w budownictwie wysokościowym stanowią budynki biurowe. To właśnie w celu pomieszczenia aparatu administracyjnego i banków powstał pod koniec XIX wieku typ wieżowca. Struktura planistyczna takich budynków stopniowo zmieniała się ze sztywnej (jedno- lub dwukorytarzowej) na elastyczną, ustalaną na długi czas (od końca 1950 do 1990)

Różnica między układami sztywnymi a elastycznymi polega na stacjonarnym utrwaleniu przestrzeni komunikacji poziomej (korytarze, hole, galerie) w budynkach o układzie sztywnym, przy jednoczesnym umożliwieniu przearanżowania składanych przegród między poszczególnymi pomieszczeniami.

W budynkach o elastycznym układzie sztywno ustalone jest jedynie rozmieszczenie węzłów komunikacji pionowej i urządzeń sanitarnych. Resztę powierzchni dzieli jedynie układ mebli, ustalający rozmieszczenie poszczególnych grup pracowników. Czasami na powierzchni kilka małych biur do zarządzania jest przydzielanych za pomocą lekkich ścianek działowych.

Podział powierzchni kondygnacji za pomocą małej architektury zdeterminował pojawienie się terminu „biuro krajobrazu” dla biur o elastycznym układzie. Możliwość zastosowania elastycznego układu została zdeterminowana brakiem w standardach projektowych większości krajów wymagań dotyczących naturalnego oświetlenia miejsc pracy oraz ograniczeń przeciwpożarowych dotyczących wielkości powierzchni pracowni i pomieszczeń. Niezbędne parametry mikroklimatu - w zakresie oświetlenia, warunków temperaturowo-wilgotnościowych, prędkości powietrza, warunków akustycznych - zapewniły jedynie środki inżynieryjno-techniczne (sztuczne oświetlenie, klimatyzacja, izolacja akustyczna, pochłanianie dźwięku itp.).

Wprowadzenie układów według typu „biura krajobrazowego” nastąpiło w latach 60. XX wieku. jednocześnie z wynalezieniem systemu konstrukcyjnego szkieletowo-trzonowego: schemat planowania z centralną lokalizacją pionowego węzła komunikacyjnego i konstrukcyjny - z centralnym położeniem wału usztywniającego i kolumn tylko wzdłuż ścian zewnętrznych - zbiegł się, co przyczyniło się do powszechne stosowanie „biur krajobrazowych”. Stopniowe ograniczanie korzystania z „biur krajobrazowych” zaczęło następować pod koniec lat osiemdziesiątych. ze względów organizacyjnych i ekonomicznych.
Pod koniec XX wieku. w związku z budową atriów stopniowo zmieniały się rozwiązania planistyczne biur w wieżowcach. Najbardziej radykalnie znalazły odzwierciedlenie w projekcie Bank komercyjny we Frankfurcie nad Menem, wybudowany w 1997 roku według projektu N. Fostera. Autor nazwał swoją pracę „pierwszym w świecie gabinetem przyjaznym środowisku”. Podstawą takiego stwierdzenia było: pełnoprawne naturalne oświetlenie miejsc pracy z wprowadzeniem atrium umysłu, naturalne napowietrzanie miejsc pracy przez atrium, wprowadzenie ogrodów zimowych w strukturę planistyczną poszczególnych pięter jako miejsca ulgi psychicznej oraz strefy wlotu świeżego powietrza do napowietrzania pomieszczeń roboczych.

Jednak idea „zielonego biura” jest powoli wdrażana. „Biuro Krajobrazu”, ze względu na prostotę rozwiązania planu i najmu, jest w dalszym ciągu wbudowywane różne kraje od Chin po Australię i Meksyk nawet na początku XXI wieku.
Połączony układ pięter roboczych biur staje się coraz bardziej powszechny. Jego wprowadzenie ułatwił także rozwój wyposażenia biurowego. Stanowiska do pogłębionej pracy indywidualnej znajdują się w biurach zlokalizowanych wzdłuż ścian zewnętrznych i wyposażonych w komputery.

budynki mieszkalne
Wieżowce mieszkalne stanowią nieznaczną część całkowitej objętości budownictwa wysokościowego, ich wysokość waha się od 30 do 70 pięter (z przewagą 30-40 pięter). Powody są funkcjonalno-techniczne i społeczne. Głównym wymogiem funkcjonalnym w projektowaniu mieszkań jest potrzeba naturalnego oświetlenia we wszystkich pomieszczeniach mieszkania o głębokości do 6 m. Ta okoliczność determinuje niewielką szerokość korpusu budynków mieszkalnych, co jest sprzeczne z wymaganiami do kształtowania szerokości budynku w celu zapewnienia jego stabilności pod wpływem wiatru lub prowadzi do nieefektywnego wykorzystania powierzchni budynku.

W związku z zwartym rozmieszczeniem wieżowców w centrach biznesowych miast, nieodłącznie związanym z szeroką praktyką, włączenie wieżowców do tego rozwoju nie jest wystarczająco wygodne i prestiżowe.

Hotele
Wysokościowe kompleksy hotelowe budowane są częściej niż budynki mieszkalne i znajdują się nie tylko w centrach biznesowych, ale także na obszarach węzłów komunikacyjnych (dworce, lotniska) oraz na obszarach turystycznych.

Rozwiązanie planowania przestrzennego hoteli podlega ogólnemu wymogowi budowy wieżowców o zwartej formie planu - trójkątnej, prostokątnej, owalnej, okrągłej. W tym ostatnim stosuje się promieniowo-centryczne lub ortogonalne rozmieszczenie liczb. Ale kompaktowa forma, nawet przy dużej liczbie kondygnacji, nie pozwala na gwałtowne (do 800-1000 miejsc) zwiększenie pojemności hoteli, wraz z kompaktową rozpowszechniły się układy węzłów i atrium.

Szybkie rozprzestrzenienie się planu atrium wynika z jego zalet architektonicznych, technicznych i ekonomicznych. Umożliwiło to prestiżowe i ekspresyjne rozwiązanie organizacji architektoniczno-przestrzennej budynku. Jednocześnie stworzono reprezentacyjną i wygodną przestrzeń wspólną zadaszonego atrium, zwiększono pojemność hotelu i oszczędzono koszty energii. Wysokość dotychczas wybudowanych hoteli w atrium zbliża się do 50 pięter.

Wielofunkcyjne wieżowce
Wielofunkcyjne wieżowce zaczęły powstawać od początku XX wieku, ale najbardziej rozpowszechniły się później.

Klasycznym przykładem budynku wielofunkcyjnego był budynek Pan Am (Pan America Building), wybudowany w 1958 roku w Nowym Jorku według projektu V. Gropiusa. Pod budynkiem znajdowała się stacja węzłowa na skrzyżowaniu dwóch linii metra, na dachu znajdował się heliport, a pomiędzy górnym i dolnym znakiem znajdowały się pomieszczenia na handel, biura, hotele itp. Rekord wysokości i wszechstronności PanAm pobił w 1969 roku wieżowiec John Hincock Building w Chicago (architekt B. Graham, inżynier F. Kahn) o wysokości 344 m.

W budynku znajdą się powierzchnie handlowe, parkingi, biura, apartamenty, restauracje, obserwatorium, studia telewizyjne oraz antena. Wieża ma kształt ściętej piramidy o wymiarach u podstawy 40x60 m. Pod tym względem uzasadnione jest umieszczenie części mieszkalnej w górnej, zwężonej części piramidy, gdyż unika się nieekonomicznego układu mieszkań o dużej użyteczności obszary, które nie mają naturalnego światła. Same mieszkania mają bardzo skromny rozkład, w większości jednopokojowy, co jest typowe dla mieszkań w wieżowcach w biznesowym centrum miast.

Pod koniec XX wieku. zmniejsza się liczba funkcji w wieżowcach. Rośnie liczba budynków jednofunkcyjnych - biurowych czy hotelowych, których druga funkcja (handlowo-rozrywkowa) skoncentrowana jest tylko na pierwszych kondygnacjach. To połączenie dwóch funkcji pozostaje charakterystyczne. Najczęściej jest to połączenie wysokości hoteli i biur z położeniem pomieszczeń mieszkalnych na najwyższych obrotach. Chociaż czasami istnieje odwrotne rozwiązanie. Obowiązkowe jest umieszczenie go pomiędzy różnymi obszarami funkcjonalnymi posadzki technicznej. Do tej pory obok tych podstawowych schematów połączeń funkcji pojawiają się także indywidualne: włączenie klubów czy sal konferencyjnych na niższych elewacjach.

Unikalny pozostaje funkcjonalny podział budynku na biura i mieszkania na całej wysokości budynku. Tę decyzję wykonał arch. F.-L. Wright w Price Tower w Bartesville w stanie Oklahoma. Zapewnił indywidualność wyglądu budynku oraz odizolowanie części mieszkalnej od części biurowej dzięki izolowanym wjazdom i windom.