НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ

Виды нагрузок

При проектировании и расчете высотных зданий учитывается значительное количество весьма разнообразных нагрузок, большая часть которых не принимается во внимание при расчетах обычных зданий [4; 5]. Основные виды расчетных нагрузок на высотные здания:

• • Постоянные нагрузки (вес конструкций).
• • Временные нагрузки (полезные).
• • Монтажные нагрузки (нагрузки в период строительства).
• • Нагрузки от снега, дождя и гололеда (атмосферные воздействия).
• • Ветровые нагрузки (атмосферные воздействия).
• • Сейсмические нагрузки (природные воздействия).
• • Нагрузки от давления воды и грунта (на подземную часть здания).
• • Нагрузки от изменения объема материала в замкнутом ограниченном объеме (пластические деформации).
• • Импульсивные и динамические нагрузки.
• • Нагрузки от взрыва.
• • Осадка фундаментов и просадка грунтов основания.

Нагрузки, действующие на здание, вызываются природными явлениями или действиями людей, т. е. существует два основных источника нагрузок: геофизический и искусственный.

Геофизические нагрузки возникают в результате непрерывных природных процессов. Их можно разделить на гравитационные, метеорологические и сейсмические.

Гравитационная нагрузка (сила тяжести) от собственного веса здания действует постоянно. Метеорологические нагрузки (воздействие ветра, дождя, снега, льда, колебаний температуры и влажности) переменны и действуют периодически. Сейсмические нагрузки действуют непредсказуемо, во время землетрясений.

Искусственно созданные нагрузки носят в основном динамический характер (воздействие лифтов, движения людей и оборудования, взрывов, ударов). Кроме того, в конструкциях могут возникать усилия при их изготовлении и строительстве (например, предварительное напряжение конструкций). Разные типы нагрузок часто связаны между собой: например, если деформации отдельных конструкций искусственно стеснены, то при температурных или влажностных перепадах в них возникают усилия.

С увеличением высоты зданий растут горизонтальные (ветровые) нагрузки. А их рост вызывает неравномерные распределения вертикальных усилий и деформаций в каркасе здания (вследствие возникновения эксцентриситета). Все это приводит к кручению и сдвиговым деформациям (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Деформации здания от внешней нагрузки

В дополнение к вертикальной силе тяжести на небоскребы воздействует горизонтальная сила ветра. Большинство небоскребов может легко раскачиваться на несколько метров в любом направлении (как качающееся дерево), не повреждая их структурную целостность. Основная проблема состоит в том, что люди внутри здания ощущают это воздействие (неосознанная тревога, нарушения ориентации в пространстве и др.).

Очень часто при проектировании высоких зданий именно их планировка определяет отношение его высоты к размерам в плане. При этом если горизонтальные ветровые нагрузки хорошо воспринимает жесткий каркас, то при сейсмических нагрузках ужесточение каркаса здания не позволяет поглотить энергию толчков земной коры (ужесточение вызывает значительные перемещения и ускорения на верхних этажах). Если уменьшить жесткость здания (гибкий каркас), то при этом верхние этажи испытывают значительные колебания от воздействия ветра (условия обитания ухудшаются).

Проектировщик должен выбрать наиболее экономичную конструктивную схему, которая должна обеспечить необходимые горизонтальную жесткость и размеры пролетов.

Наиболее значимые виды нагрузок рассмотрены ниже.