Аутригерные конструкции высотных зданий со стальным каркасом
В данной статье рассматриваются проблемы определения рационального положения аутригера по высоте в конструкциях высотных зданий различной этажности, рациональной формы расположения вертикальных связей в плане, а также их формы и способов прикрепления к основным элементам конструкции. Даются практические рекомендации по проектированию аутригеров в высотных зданиях.
При высоте здания более 40 этажей его конструктивная система, состоящая из ядра жесткости, колонн и перекрытий, становится малоэффективной, так как для устройства вертикальных элементов жесткости требуется значительный расход материалов. Эффективность конструктивной системы повышается за счет устройства горизонтальных поясов жесткости (аутригеров), включающих в работу наружные (или периметральные) колонны каркаса.
В этом случае ветровая нагрузка частично воспринимается ядром жесткости, а частично – периметральными колоннами, которые препятствуют горизонтальному перемещению ядра и догружаются вертикальной нагрузкой от момента. Степень совместной работы ядра жесткости и периметральных колонн повышается с увеличением числа поясов жесткости.
Аутригер представляет собой сочетание опоясывающей фермы, располагаемой по наружным колоннам, и вертикальных связей, соединяющих ферму с центральным ядром. В реализованных конструкциях также встречаются двухэтажные аутригеры и аутригеры без опоясывающих ферм или вертикальных связей. Конструкция аутригеров для каждого высотного здания уникальна, а в зависимости от расположения по высоте – может быть разной в пределах одного объекта.
В литературе даются некоторые рекомендации по поводу размещения аутригеров по высоте здания. В частности, для 60-этажных зданий рекомендуют размещение аутригеров вверху и посередине высоты здания. В для 50-этажных небоскребов наиболее эффективным считается размещение аутригеров на расстоянии 3Н/5 от уровня земли (32-й этаж) и в уровне 8-го этажа, что на первый взгляд кажется абсурдным.
Возможно, в этих расчетах при определении оптимального положения аутригеров использовались разные расчетные модели и методики оценки их эффективности. В данной статье эффективность работы той или иной системы аутригеров оценивалась по деформационным и динамическим характеристикам, регламентируемым строительными нормами.
С полным содержанием этого номера Вы можете ознакомиться здесь
Полную версию статьи Вы можете прочитать в нашем печатном издании или подписавшись на электронную версию нашего журнала
Текст: ВЛАДИМИР ТРАВУШ, докт. техн. наук, проф., академик РААСН, ДЕНИС КОНИН, канд. техн. наук (ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, ОАО «НИЦ «Строительство»)
Небоскреб, аутригеры и самолет
Сегодня аутригерная технология дает возможность архитекторам проектировать устойчивые небоскребы разнообразных форм.
Аутригерные этажи помогают распределять нагрузку между ядром и колоннами. Даже если башня окажется подвержена одномоментному деструктивному воздействию (удар самолета) — последствия должны быть сведены к минимуму.
На практике это означает, что даже если в 462-метровом петербургском небоскребе Лахта Центр будет разрушена часть периметральных колонн, аутригеры распределят нагрузку на оставшиеся элементы устойчивости.
Допущение «если в башню влетит самолет» после трагедии 9/11 стало обязательным при проектировании всех небоскребов.
Аналогичная схема работы аутригеров при урагане или стандартном ветре: распределяют нагрузку и затем гасят ее.
Аутригерные системы могут быть горизонтальными, диагональными, двухэтажными или без опоясывающих ферм или вертикальных связей. Конструкция для каждого высотного здания уникальна, а в зависимости от расположения по высоте – может быть разной в пределах одного объекта.
Зачем это надо?
Конструктивно аутригеры выполняют несколько функций сразу: увеличение изгибной жесткости здания, устойчивость к ветровым нагрузкам, противодействие прогрессирующему обрушению.
Что такое прогрессирующее обрушение?
Вытащите одну карту из карточного домика: разрушилась одна конструкция, отвечающая за устойчивость — посыпались все остальные. Обрушение нарастает в геометрической прогрессии.
Конструкции, препятствующие прогрессивному обрушению, – одно из обязательных требований после событий 9/11.
Центральное ядро может обеспечить достаточное сопротивление опрокидывающему моменту и препятствует «дрейфу» здания. Вопрос о введении в несущую структуру аутригеров рассматривается, если в здании более 40 этажей.
Аутригерные уровни Лахта Центра
Итак, ветер будет вызывать ускорения на самом верху здания. Чтобы при этих ускорениях люди ощущали себя комфортно, находясь в башне, колебания-частоты нужно контролировать.
— Как это делать наилучшим способом, определяется после продувки всего здания в аэродинамической трубе, — рассказывает Сергей Никифоров, главный инженер Лахта Центра . — Когда происходит такое испытание, появляются самые надежные данные по давлению ветра на фасад, а из этого уже определяется, какие колебания и частоты возникают, как считать устойчивость здания, как крепить фасад. Собрав все эти неизвестные воедино, а ветер – это функция всех этих неизвестных, мы пришли к решению, как сделать оптимальные конструкции. Изюминка всего процесса именно в том, как сделать всё рационально и оптимально, без излишнего увеличения и утолщения конструкций, чтобы места хватило и инженерному оборудованию, и людям.
На основании данных аэродинамических испытаний, принято решение по аутригерным элементам системы устойчивости башни.
В небоскребе Лахта Центра — четыре аутригерных этажа и пятый, нетипичный аутригер сконструирован в виде полутораметровой железобетонной плиты на 82-м этаже.
С учетом скрученности формы Лахта Центра и поворота здания на 89 градусов, возведение аутригерных этажей — ответственный этап и кропотливая работа, сравнимая с изготовлением фундамента.
При последующей эксплуатации здания аутригерные этажи станут техническими. На них разместится оборудование и узлы коммуникаций.
Благодаря описанным конструктивным особенностям, у башни минимальная, по сравнению с многими другими небоскребами, амплитуда горизонтальных колебаний.
Максимальное отклонение под воздействием «среднестатистического» петербургского ветра на уровне обзорной площадки составит 27 см. Эта величина практически не ощутима. Например, обитатели башни «Федерация» не замечают отклонений, величина которых составляет до 46 см по вершине.
Что касается более экстремальных случаев, то, согласно исследованиям, пиковые ветровые нагрузки на небоскреб составят около 500 паскалей. Ветер такой силы в Лахте ждут раз в 5 лет. Это соответствует скорости ветра около 30 м/с. Для сравнения — примерно в таком темпе прошел по городу ураган «Святой Иуда» в 2013 году.
И еще один важный показатель. Благодаря введению в систему устойчивости башни аутригерных поясов, небоскреб сможет выдерживать землетрясения силой до 6 баллов. Этого вполне достаточно: для Петербурга проявления сейсмической активности редки — за всю историю существования города их было менее 10, сила толчков не превышала 2-3 баллов по Рихтеру.
Другие подробности о строительстве небоскреба Лахта Центр в Санкт-Петербурге — в материалах нашего канала. Подписывайтесь! Читайте!
Может ли небоскреб сдуть ураганом?
Недавно в сети было видео , на котором от сильного ветра якобы обрушился один из строящихся небоскребов в Тегеране. На проверку оказалось, что упали строительные леса, а не здание. Тоже ЧП, конечно, но не того масштаба. А все-таки, может ли сильный ураган повредить небоскребу? Ведь у высоких объектов и ветровые нагрузки под стать.
В Петербурге, где расположен самый высокий небоскреб Европы, башня Лахта Центра, бывают и штормы, и ураганы. При самом сильном за последнее время — урагане «Святой Иуда» ветер дул со скоростью 90 км/ч. Но во время стройки Лахта Центра на высоте строители фиксировали ветер куда сильнее — 120 км/ч и даже 141 км/ч! И это — без всякого урагана на земле.
Ветер – одна из важных составляющих плохой репутации петербургского климата. Принято считать, что в городе на Неве всегда «холодно и дует».
Хотя, откровенно, в России немало мест, где дует куда сильнее.
В случае Петербурга есть разница, в какой части города находится здание. Самые ветреные районы – прилегающие к Финскому заливу. Разница в скорости ветра может составлять 3-4 и более м/с в пользу побережья.
Прототип фольклора на тему В.О. – ветроуказатель штата Вайоминг , что не делает локальный ремейк шутки менее популярным среди тех, кто знает об островной жизни не понаслышке.
Лахта Центр расположится как раз в таком ветреном Приморском районе – на берегу гавани, в излюбленном месте кайтеров и сочувствующих, которым, как известно, чем сильнее дует – тем лучше летает.
Но даже такой «усиленный» ветер неспособен причинить вред башне: слишком мощная у нее система устойчивости. То, что реально он мог бы сделать — это доставить неудобства людям на верхних этажах, вызвав колебания. Чтобы этого не случилось, проектировщики добавили небоскребу аутригеры.
Конструкция устойчивости небоскреба: аутригеры + ядро + внешние колонны.
Что такое аутригеры в небоскребе?
Аутригерный этаж — мощные горизонтальные металлические конструкции — неотъемлемая часть системы устойчивости супертолла. Подобные элементы являются для небоскреба своеобразными кольцами жесткости, которые «держат форму» здания в горизонтальной плоскости.
Эта схема впервые опробована в Азии – регионе небоскребов и повышенной сейсмической активности.
Сегодня аутригерная технология дает возможность архитекторам проектировать устойчивые небоскребы разнообразных форм.
В чем суть?
Аутригерные этажи помогают распределять нагрузку между ядром в центре и колоннами по периметру здания. Даже если башня окажется подвержена одномоментному деструктивному воздействию (удар самолета) — последствия должны быть сведены к минимуму. На практике это означает, что даже если в Лахта Центре будет разрушена часть колонн, аутригеры распределят нагрузку на оставшиеся элементы устойчивости.
Допущение «если в башню влетит самолет» после трагедии 9/11 стало обязательным при проектировании всех небоскребов и отразилось в изменениях в техрегламенты на проектирование и строительство сверхвысотных сооружений.
Аналогичная схема работы аутригеров — при менее экстремальных и просто «бытовых условиях» — при урагане или стандартном ветре: распределяют нагрузку и затем гасят ее.
Конструкция аутригеров для каждого высотного здания уникальна. Вот так выглядит типичный аутригер у башни Лахта Центра:
В итоге — колебания на вершине башни минимальны. На уровне обзорной площадки — последнего обитаемого пространства, колебания могут составить 27 см. Для сравнения: Burdj Khalifa и 432 Park Avenue могут отклонится от оси на 1, 5м , а Останкинская телебашня — на 12,5! Но это — по проекту, реально ее максимальное отклонение зафиксировано на уровне 5. Эти ветровые отклонения не приносят никакого ущерба — ведь они были предусмотрены заранее, так же как и меры по их снижению.
Другие интересные новости об архитектуре, технологиях и Лахта Центре читайте на нашем канале