Сравнение систем несущих конструкций высотных зданий

зданий

На рис. 4.30 приведены разные конструктивные схемы высотных зданий и показано, что каждая схема экономически целесообразна для зданий определенной высоты или отношений высоты к ширине. В качестве начальной точки отсчета на этих рисунках приняты здания высотой 20 этажей (около 60 м). Конструктивные решения из стали и железобетона рассмотрены отдельно. Определенные высоты, указанные для разных схем, не следует считать абсолютными. Так, 102-этажное здание Эмпайр Стэйт Билдинг, характеризуемое совместной системой жесткого каркаса и стен-диафрагм, отмечено как здание, применимое для высот менее 40 этажей. График построен в порядке экономической эффективности по расходу материалов на 1 м² (вес несущих конструкций всего здания, поделенный на общую полезную площадь).

Рис. 4.30. График экономической эффективности по расходам материалов: а - каркас; б - стена-диафрагма; в - каркас и стены-диафрагмы; г - наружная безраскосная решетчатая коробка; д - коробка с центральным стволом; е - многосекционная коробка; ж - безраскосная решетчатая коробка с внутренними стенами-диафрагмами; з - фермы в шахматном порядке; и - каркас с жесткими узлами; к - каркас и стены-диафрагмы; л - решетчатые пояса; м - безраскосная решетчатая коробка; н - раскосная решетчатая коробка с внутренними колоннами; о - многосекционная коробка; п - мегасистема в виде наружной раскосной решетчатой

коробки

Здания низкой и средней этажности обычно рассчитываются на вертикальные нагрузки, а затем проверяются при горизонтальных воздействиях. Высотные здания значительно в большей степени подвержены горизонтальным воздействиям. На рис. 4.31 приведен рост расхода материалов для пятипролетного здания со стальным каркасом. В зависимости от вертикальных нагрузок вес здания увеличивается почти линейно с ростом числа этажей. Однако расход материалов при восприятии горизонтальных нагрузок возрастает со значительно большей скоростью. Пунктирная линия показывает результат совместного учета вертикальных и ветровых или сейсмических нагрузок.

Рис. 4.31. Расход материалов несущих конструкций на 1 м² площади перекрытий: 1 - при применении оптимальных конструктивных систем; 2 - колонны (стены); 3 - несущие элементы перекрытий; 4 - материалы, расходуемые на восприятие горизонтальных нагрузок; 5 - материалы, расходуемые на восприятие вертикальных нагрузок;

6 - материалы, расходуемые на обеспечение прочности при вертикальных и горизонтальных нагрузках

Следующий пример иллюстрирует нецелесообразность использования принципа жесткого каркаса (расход стали около 268 кг/м²) для 90-этажного здания по сравнению с коробчатой системой (например, для здания Стандард Ойл Бнлдинг в Чикаго расход стали 166 кг/м²). Наиболее эффективным является конструктивное решение, для которого суммарные напряжения от ветра и вертикальных нагрузок превышают напряжения от вертикальных нагрузок не более чем на 33 %.

Удельный расход материалов для некоторых наиболее характерных схем высотных зданий приведен в табл. 4.5. Система в виде рам и стен-диафрагм здания Эмпайр Стэйт Билдинг далека от оптимального решения, поскольку расход стали 206 кгс/м² достаточно велик по сравнению с 145 кгс/м² для коробчатой системы Джон Хэнкок Сентер. Еще больший контраст наблюдается между 60-этажным зданием Чэйз Манхэттен Билдинг с расходом 268 кгс/м² и немного меньшим по высоте 54-этажным зданием IDS Билдинг, имеющим расход только 87 кгс/м². Здание Чэйз Манхэттен Билдинг представляет собой большепролетную жесткую раму, в которой для восприятия горизонтальных ветровых нагрузок требуются ригели развитого сечения. Эффективность конструкций IDS Билдинг обусловлена использованием системы с решетчатыми поясами жесткости.

Таблица 4.5

Удельный расход материалов высотных зданий

Окончание табл. 4.5

Несопоставимость расходов стали необязательно свидетельствует о недостатках конструктивного решения. Например, для здания Сивик Сентер в Чикаго израсходовано почти вдвое больше стали, чем для других зданий подобной высоты. Но для этого здания необходимо было выполнить функциональные требования к размерам и расположению внутренних помещений. Поэтому пролет ригелей был принят равным 26,5 м, а высота намного превышала обычную (общая высота 30 этажей равнялась 195 м).

Здания, предназначенные исключительно для административных целей, имеют большие нагрузки и значительную высоту этажа 3,65-4,3 м. В случае использования части административного здания под жилые помещения нагрузки снижаются, и высоты этажей принимаются меньшими: 2,75-3,35 м.

Анализируя разнообразные конструктивные решения, можно выбрать оптимальную схему для любого типа здания.