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»)
Может ли небоскрёб сдуть ветром?
В понедельник на Петербург обрушился снежный шторм и ураганный ветер — до 23 м/с вдоль побережья и чуть ниже — в других районах.
А может ли таким ветром сдуть небоскреб? А каким может? Давайте разбираться — конечно, на примере возводимого в Северной столице «Лахта центра».
Строительная климатология. Задача про ветер
Ветер – одна из важных составляющих плохой репутации петербургского климата. Принято считать, что в городе на Неве всегда «холодно и дует». Но, будем откровенны – если взять ветер отдельно, без дружеской компании в виде влажности, холода и изменчивости погоды, то сам по себе он не выбивается за рамки довольно средних по стране значений. Даже так: в России немало мест, где дует куда сильнее.
Конечно, в случае Петербурга есть разница, в каком районе города находится сооружение. Самые ветреные районы – прилегающие к Финскому заливу. Разница в скорости ветра может составлять 3-4 и более м/с, разумеется, в пользу побережья.
«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. Зато он может доставить неудобства находящимся на ее верхних этажах, вызвав вполне ощутимые колебания.
Ответ проектировщиков «Лахта центра» на этот климатический вызов – современная конструкция устойчивости небоскреба: аутригеры + ядро + внешние колонны. Она же убережет башню и от более экстремальных случаев «горизонтального» воздействия.
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 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 «Лахта центре» 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 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.
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?
Механизм демонстрирует выдергивание карты 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 ( imgur.com )
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 центр» будет 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 будет 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.
Чтобы пешеходов не сдувало
Один из параметров аэродинамических испытаний — пешеходная комфортность. У небоскребов есть такая особенность: когда высотное здание стоит рядом с другими, то происходит концентрация ветровых потоков. Внизу скорость ветра увеличивается. Это то, что мы частенько называем «трубой».
Классический пример «трубы» — подворотня, или узкий проход между домами. Иногда «аналог» может образоваться из-за неудачного взаимного расположения высотных зданий.
Чтобы не было дискомфорта для пешеходов, ветровой анализ делается в самом начале строительства.
— Когда скорость продувки известна, то уже решают – отодвинуть здания друг от друга или форму-профиль зданий менять, — поясняет Сергей Никифоров. — Подобное упражнение было сделано и у нас, в самом начале. В итоге, одно здание было немного отодвинуто от другого, чтобы создать зону комфорта при вихревых порывах ветра.
Видео по теме. Демпфер — альтернатива аутригерам
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.
На основании данных аэродинамических испытаний, принято решение по аутригерным элементам системы устойчивости башни.
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.