СОЗДАНИЕ ОБЛИКА ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЯ ЕГО ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Ветровые и сейсмические воздействия являются определяющими факторами проектирования высотных зданий. Использование высокопрочных материалов для несущих конструкций приводит к уменьшению размеров элементов и веса зданий, что в свою очередь обусловливает их большую гибкость и подверженность аэродинамическим воздействиям [9; 16]. Современные небоскребы характеризуются повышенными прогибами и колебаниями по сравнению с тяжелыми высотными зданиями строительства прошлых лет. Например, Эмпайр Стэйт Билдинг (1931 г.) (рис. 5.1) имеет прогиб только 16,5 см и амплитуду колебаний 18,3 см, максимальный прогиб составляет 25,7 см при скорости ветра 36 м/с.

Ограничение динамической реакции высотных зданий может быть достигнуто следующими методами:

• - увеличением жесткости путем применения эффективной конструктивной схемы;
• - увеличением веса здания (неприемлемо);
• - увеличением веса единицы объема здания применением большего количества материалов несущих и ограждающих конструкций (неприемлемо);
• - выбором эффективной формы здания;
• - созданием дополнительных усилий в здании для уравновешивания внешних горизонтальных воздействий.

Эффективные формы зданий

Как правило, многоэтажные здания выполняют в форме прямоугольных призм, которые с геометрической точки зрения подвержены горизонтальным перемещениям. Здания других форм не столь восприимчивы к горизонтальным нагрузкам. Обладая прочностью благодаря их геометрической форме, такие здания имеют более высокие технико-экономические показатели или допускают увеличение высоты здания при меньшей стоимости [5; 9; 11; 14; 16].

Жесткость здания может быть существенно увеличена с помощью наклона наружных стен, т. е. к усеченной пирамиде (Джон Хэнкок Сентер, Чикаго, рис. 5.1). Уменьшение величины горизонтального прогиба достигает 10-50 %, причем в наибольшей степени это проявляется в более высоких и узких зданиях. По расчетам при угле наклона наружных колонн всего 8° уменьшение горизонтального прогиба 40-этажного здания достигает 50 %.

Аналогично решено 50-этажное здание высотой 260 м - Трансамерика Билдинг в Сан-Франциско (рис. 5.2, д). Это здание состоит из наружной рамы с жесткими узлами, которая имеет только четыре угловые колонны, образующие А-образную раму. Внутренние вертикальные колонны не пересекаются с наружными наклонными колоннами. Они обрываются на уровне 4,6 м до пересечения и только поддерживают перекрытия.

Уменьшение горизонтального прогиба здания может быть также достигнуто сужением кверху наружного каркаса, как, например, в 60-этажном здании Ферст Нэшнл Бэнк, Чикаго (рис. 5.2, г), у которого наружные стальные колонны наклоняются в нижней трети высоты здания. Преимущества такой конструкции проявляются наиболее полно, когда здание сужается по всей высоте.

Цилиндрическая форма здания обеспечивает пространственный характер работы конструкции при горизонтальных нагрузках. Первыми зданиями такой формы были здания Марина Сити Тауэре в Чикаго (рис. 5.2, е). Типовая башня состоит из кольца колонн по периметру и вокруг коридора, примыкающего к центральному железобетонному стволу. Эти колонны уменьшают требуемый размер радиальных балок и распределяют нагрузки на фундаменты глубокого заложения. Ствол жесткости воспринимает примерно 70 % горизонтальных нагрузок. Для сохранения горизонтальной жесткости ствола проемы в нем устраиваются вразбежку от этажа к этажу. Кроме того, здания цилиндрической формы имеют меньшую поверхность сопротивления ветровому напору.

Рис. 5.1. Здания рациональной формы

Рис. 5.1. Здания рациональной формы (окончание)

Рис. 5.2. Схемы рациональных форм зданий: а - треугольная призма; б - эллиптический цилиндр; в - вертикальная оболочка; г - форма, сужающаяся кверху; д - пирамида; е - круглый цилиндр

Здания эллиптической формы обладают подобными преимуществами. В здании «Монпарнас» в Париже (рис. 5.2, б) ветровая нагрузка понижена благодаря его эллиптической форме. Горизонтальные нагрузки воспринимаются центральным стволом, а также внутренними и наружными стенами-диафрагмами. Поскольку система стен-диафрагм распределяет горизонтальные нагрузки по широкой площади, требуемая глубина заложения фундаментов невелика.

Другой эффективной конфигурацией здания является треугольная призма. В здании US Стил Билдинг в Питтсбурге

(см. рис. 5.1) использована треугольная призма со скошенными углами (для снижения воздействия ветровых нагрузок на здание).

Здание Америкэн Бродкастинг Компани Билдинг в Лос-Анджелесе (рис. 5.2, а) также имеет форму треугольной призмы. Высота здания 175 м. В качестве конструкций наружных стен принята безраскосная решетка из колонн и ригелей (фермы Виренделя). Ригели наружных стен передают вертикальные нагрузки на угловые колонны, в то время как горизонтальные нагрузки передаются диафрагмами перекрытий центральному стволу.

Здание для увеличения горизонтальной жесткости может иметь серповидную или змеевидную форму. Его работа напоминает схему деформирования гофрированного стального настила и складчатых или волнистых оболочек покрытий, эффективных при вертикальных нагрузках.

По этому принципу выполнено здание Торонто Сити Холл (рис. 5.2, в), состоящее из двух серповидных башен высотой 20 этажей (79 м) и 27 этажей (100 м) над двухэтажным подиумом. Наружные вертикальные оболочки каждой башни решены без оконных проемов; от них к центральному ряду колонн уложены радиальные балки, имеющие консоли вылетом 2 м для опирания панелей ограждения. Плиты перекрытия укладываются по радиальным балкам. Вертикальные нагрузки воспринимаются колоннами и каркасом оболочки. Горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальной оболочкой, жесткость которой увеличена за счет работы плит перекрытий как ребер жесткости.

Серповидная оболочка является эффективной формой при симметричном действии горизонтальных нагрузок. Однако при асимметричном нагружении она становится нерациональной. Это обусловлено напряжениями от кручения, которые в здании Торонто Сити Холл уравновешиваются высокими вертикальными торцовыми балками по концам башен. Изогнутая форма оболочки в сочетании с близким расположением башен приводит к значительному увеличению ветрового напора. Испытания в аэродинамической трубе показали, что величина отсоса по концам здания почти в четыре раза превышает нормативные нагрузки.