Пластика высотных зданий на основе оболочковых систем

 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

     на  тему:

     «Пластика высотных зданий на основе оболочковых  систем» 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

    

1. Введение
2. Конструктивные системы высотных зданий
3. Оболочковая конструктивная система
4. Оболочки в природе
5. Выводы
6. Список литературы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Введение

     Высотным обычно называют здание высотой более 75 м (выше чем 25 этажа). Такие здания могут иметь разное назначение: гостиница, офисное, жилой дом, учебное. Практически всегда высотное здание является многофункциональным. В нем помимо помещений основного назначения размещаются автостоянки, магазины, офисы, кинотеатры и др.

      Высотные здания имеют свою специфику, существенно  отличающую их от обычных зданий. К  особенностям высотных зданий относится:  
— очень высокая нагрузка на основания и фундаменты;

      — высокое значение ветровых нагрузок;

       — повышенная значимость на  безопасность эксплуатации сейсмических, атмосферных, а также факторов  шума, вибрации и т. д.;

     — сложность систем коммуникаций, обусловленная  высотой здания;

       
— повышенные требования пожарной безопасности.

     Для высотного здания очень важной является способность противостоять воздействиям горизонтальных нагрузок без  значительных прогибов его верхних частей. Значения этих горизонтальных прогибов по нормам Евросоюза и США не должны превышать 1/500 от высоты здания, хотя на практике для многих высоток они значительно ниже. Например, фактические прогибы 412-метровых башен Всемирного торгового центра не превышали 1/1470, а 214- метрового здания ) —1/1190.

      Отношение высоты небоскреба к ширине называют коэффициентом гибкости. Его значение не должно быть более 8.       Конструктивная система высотного здания представляет собой взаимосвязанную совокупность его вертикальных и горизонтальных несущих конструкций, совместно обеспечивающих прочность, жесткость и устойчивость сооружения. Горизонтальные конструкции – перекрытия и покрытия здания воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции. Последние, в свою очередь, передают эти нагрузки и воздействия через фундаменты основанию.

      Выбор той или  иной конструктивной системы зависит  от многих факторов, основными из которых  считаются высота здания, условия  строительства (сейсмичность, грунтовые  особенности, атмосферные, особенно ветровые, воздействия), архитектурно-планировочные требования. Следует отметить, что по данным немецких исследователей ветровые нагрузки в большинстве случаев более значимы, нежели сейсмические воздействия. Одни из наиболее высоких на сегодняшний день зданий – Джон Хенкок Сентер в Чикаго и  – выполнены по схеме «труба в ферме», при которой наружный периметр стен жестко связан со стволом и дополнительно укреплен мощными диагональными связями. В этом случае все здание работает как жесткая консоль, заделанная в тело фундамента. 
Для уменьшения колебаний высотных зданий под действием ветрового напора в последние годы стали применять подвешенные в их верхней части инертные массы.

      taipei financial center Практикой строительства установлено, что каркасные и рамно-каркасные системы, обладающие ограниченной жесткостью, целесообразно применять в зданиях высотой до 40 этажей, ствольные – до 50–60 этажей, ствольно-коробчатые и коробчатые – до 80–90 этажей, а свыше этого – по схеме «труба в ферме».

     От  правильного выбора конструктивной системы высотного здания в значительной степени зависит расход материалов. На расход материалов влияет и выбор рациональной обтекаемой формы высотного здания, что повышает его сопротивляемость ветровым нагрузкам. Как показали многочисленные зарубежные исследования, наиболее целесообразной в отношении воздействия ветра является круглая в плане форма здания. В связи с этим высотные здания за рубежом имеют круглую или овальную в плане форму (здание Марина Сити в Чикаго, башни Петронас в Куала-Лумпуре).

      Высотные здания во всем мире относят к объектам самого высокого уровня ответственности  и класса надежности. Удельная стоимость  их строительства значительно выше обычных зданий. Это обусловлено  не только технологическими, конструктивными  и другими факторами, но в значительной степени и мерами комплексной безопасности, принимаемыми на всех стадиях – проектирования, строительства и эксплуатации. Возникновение и развитие аварийных ситуаций в высотных зданиях может иметь очень тяжелые последствия не только материального, экономического, экологического, но и социального характера.

Конструктивные  системы высотных зданий

      Конструктивная  система высотного здания представляет собой взаимосвязанную совокупность его вертикальных и горизонтальных несущих конструкций, совместно обеспечивающих прочность, жесткость и устойчивость сооружения. Горизонтальные конструкции – перекрытия и покрытия здания воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции. Последние, в свою очередь, передают эти нагрузки и воздействия через фундаменты основанию.

     Вертикальные  несущие конструкции более разнообразны. Различают:

• стержневые (каркасные) несущие конструкции;
• плоскостные (стеновые, диафрагмовые);
• внутренние объемно-пространственные стержни с полым сечением на высоту здания (стволы жесткости);
• объемно-пространственные наружные конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого сечения.

     Соответственно  примененному виду вертикальных несущих конструкций различают четыре основные конструктивные системы высотных зданий:

• каркасную (рамную);
• стеновую (бескаркасную, диафрагмовую);
• ствольную;
• оболочковую. 
  

     Основные  системы ориентированы на восприятие всех силовых воздействий одним типом несущих элементов. Так, например, при стержневых конструкциях узлы сопряжения колонн с ригелями должны быть жесткими (рамными) в обоих направлениях, чтобы обеспечить восприятие вертикальных и горизонтальных воздействий.

      
  Наряду с основными широко применяют и комбинированные конструктивные системы. В комбинированной системе могут сочетаться несколько типов вертикальных несущих элементов (плоскостных, стержневых, объемно-пространственных) и схем их работы (например, рамно-связевая или связевая). При таких сочетаниях полностью или частично дифференцируется восприятие нагрузок и воздействий (например, горизонтальных – стенами жесткости, а вертикальных – каркасом). Такое разделение часто позволяет упростить построечные работы или более четко увязать конструктивную систему с планировочной. Соответственно количество возможных вариантов комбинированных систем весьма обширно. 
 
       Стеновая система, которая на протяжении столетий была основной для зданий любого назначения, в высотном строительстве применяется редко и преимущественно для жилых зданий и гостиниц, где мелкоячеистая планировочная структура совпадает с конструктивной. Самое высокое из построенных зданий стеновой системы – 47-этажный жилой дом «Конкордия Хаус» в Кельне имеет поперечно-стеновую конструктивную систему (шаг стен 4,5 м) и выполнено с монолитными железобетонными несущими внутренними стенами и перекрытиями. Малый объем использования стеновой системы и ориентацию ее применения только на жилище можно объяснить лишь тривиальным восприятием системы в поперечно-стеновом варианте с сопутствующими ему ограничениями свободы планировки.

              Каркасно-рамная конструктивная система, послужившая основой для создания небоскребов на рубеже XIX–XX вв., и до настоящего времени достаточно широко применяется при строительстве зданий высотой до 60 этажей (в варианте со стальным, позднее – с железобетонным каркасом). На ее применении основано проектное решение таких выдающихся объектов, как 59-этажное многофункциональное здание «Пан-Америка» (арх. В. Гропиус) в Нью-Йорке или 50-этажное «Трансамерика билдинг» в Сан-Франциско (арх. У. Перейра).

             Появление современного бетонного оборудования открыло перед строителями принципиально новые возможности доставки бетона как по высоте (до 400 м), так и по дальности (до 2 км).

            Однако с ростом этажности неизбежное усложнение конструкции рамных узлов для восприятия возрастающих горизонтальных нагрузок диктует переход к связевому каркасу со сквозными раскосными стальными вертикальными диафрагмами жесткости или со сплошными железобетонными стенами – диафрагмами жесткости. К наиболее поздним примерам применения торцевых сквозных диафрагм жесткости в каркасных зданиях относятся Олимпийская гостиница в Барселоне (арх. Ф. Герц, 1992 г.), здания офиса в Токио (арх. Н. Фостер, 1991 г.), офис фирмы Sony в Берлине (арх. Х. Ян, 2000 г.).

     В течение последних десятилетий  прошли внедрение целый ряд конструкций: 

• пространственная безраскосная многоэтажная и многопролетная решетка с частым шагом колонн и поэтажными ригелями-перемычками;
• пространственная решетчатая макроферма крупного модуля, раскосы которой охватывают 10 – 15 этажей, с редким шагом колонн;
• пространственная безраскосная решетка, жесткость которой повышает глухое заполнение диагонально расположенных проемов;
• решетки из диагональных стержней;
• решетки из диагональных и горизонтальных стержней;
• решетки из ортогональных и диагональных стержней.  
  

     В свою очередь каркасные системы  подразделяются на рамнокаркасные, каркасные с диафрагмами жесткости, каркасноствольные. Среди стеновых систем следует выделить схемы с перекрестными стенами и коробчатые (оболочковые). Смешанные системы сочетают в себе отдельные признаки двух других систем, к ним относят каркасноствольные и коробчатоствольные.

      Анализ  несущих систем высотных зданий, построенных  по всему миру, показывает, что их конструктивное и компоновочное  решение зависит главным образом  от высоты объекта. Однако существенное влияние на выбор конструктивной схемы оказывают и такие факторы, как сейсмическая активность района строительства, инженерногеологические условия, атмосферные и в первую очередь ветровые воздействия, архитектурнопланировочные требования.

     Высотные  здания можно разделить на диапазоны по высоте, для каждого из которых характерны свои конструктивные решения. При этом следует заметить, что границы диапазонов в определенной степени условны в силу перечисленных выше обстоятельств.

     Конструкции современных высотных зданий должны отвечать одному неукоснительному требованию – здания не должны чрезмерно раскачиваться на ветру. Поэтому идеальной формой здания высотой 100 и более метров является башня с повышенной устойчивостью в обоих направлениях. Достигается устойчивость благодаря развитому поперечному сечению цилиндрического или пирамидального объема. В целях сохранения в целостности стен, лифтовых шахт, лестничных клеток во время горизонтальных перемещений верха здания под действием ветра, найдены «золотые пропорции» таких сооружений - отношение ширины здания к высоте должно быть не меньше 1:8 или 1:10. При соотношениях больше указанных неоправданно увеличивается площадь застройки, а при уменьшении – заметно возрастает деформативность несущего остова, что негативно сказывается как на техникоэкономических показателях, так и на пребывании людей на верхних этажах.

     Здания  высотой до 200–250 м возводят преимущественно  с несущим каркасом (рамный каркас, каркас с диафрагмами жесткости). При строительстве жилых домов  и гостиниц применяют и перекрестностеновую систему, которая благодаря высокой жесткости наиболее эффективна в зданиях высотой до 150 м. Эти конструктивные системы имеют компоновочные схемы, наилучшим образом удовлетворяющие объемнопланировочным решениям и функциональному назначению объектов строительства. В связи с этим необходимо отметить, что независимо от высоты здания при разработке его объемнопланировочного решения максимально стараются придерживаться пропорций, обеспечивающих требуемую жесткость строения и ограничивающих колебания верхней части при знакопеременных горизонтальных нагрузках. Следует заметить, что повышения сопротивляемости здания ветровым нагрузкам можно достигнуть не только за счет применения соответствующих конструктивных систем, но и путем придания определенной формы в плане. Многочисленные зарубежные исследования, выполненные продуванием моделей в аэродинамических трубах и компьютерной симуляцией с помощью программного обеспечения, показали, что оптимальной формой плана высотного здания является круг или фигура, близкая по форме к кругу. Эллиптическая и квадратная формы хотя и уступают круглой, но также обеспечивают достаточную сопротивляемость здания горизонтальным нагрузкам. В качестве примеров можно привести здания , Petronas Towers в г. КуалаЛумпур (Малайзия), Taipei101 в г. Тайпей (Тайвань). Другие высотные здания близкой этажности имеют аналогичные очертания в плане.