В высотных домах выбор правильного обеспечения жесткости имеет огромное значение, так как значительная часть расходов при строительстве высотных зданий падает на обеспечение жесткости (до 50 % расхода стали). Основные горизонтальные нагрузки определяются ветром и сейсмическими воздействиями. Так как последние в большинстве случаев не играют большой роли, то рассматривается только влияние ветра. Ветер вызывает деформации и, в связи с образованием завихрений, колебания зданий.
Давление ветра
Скорость ветра
Рисунок 1. Статическое ветровое давление зависит от скорости ветра, высоты здания, формы здания и гладкости его поверхности. В большинстве стран в основе расчета лежит наибольшая скорость ветра, замеренная за период в 50 или 100 лет на высоте h10=10 м над поверхностью земли (расчетная скорость ветра). В ФРГ она составляет V10=30 м/с.
Скорость ветра Vn возрастает с увеличением высоты. Отношение Vn/V10 представлено на рис. 1 для различных условий. DIN 1055 (лист 4) предусматривает для ФРГ только одну ступень нагрузки (кривая а) и не предусматривает данных для очень высоких сооружений. В США (по Липотсу) принято более медленное возрастание скорости ветра с увеличением высоты в застроенных районах.
Скоростной напор ветра qb = V2/16.
Аэродинамический коэффициент
Рисунок 2. Форма здания имеет большое значение для ветровой нагрузки w=cq, где с — аэродинамический коэффициент, который для башенных зданий имеет значение 1,4—1,6. Более точные значения для высоких зданий может дать лишь аэродинамическое испытание. Всегда следует стремиться к симметричным планам (рис. 2.1 и 2.2). Несимметричные или обратносимметричные планы, как на рис. 2.3, неприемлемы для высотных зданий, так как они вызывают кроме напряжений изгиба еще и крутящие моменты. Обеспечение их жесткости является причиной значительного повышения стоимости.
Шероховатые или гладкие поверхности здания могут оказывать на значение коэффициента с большое влияние, определяемое путем исследований.
Горизонтальные деформации здании
Размеры деформаций
Горизонтальное отклонение растет с высотой здания и тем меньше, чем надежнее система обеспечения жесткости. Допустимое отклонение не ограничивается инструкциями. По американским данным, теоретическое отклонение возведенных высотных домов лежит в пределах от 1/200 до 1/800 их высоты. В общем случае здания с отклонением от 1/400 до 1/600 своей высоты могут расцениваться как достаточно жесткие. Знание ожидаемой деформации сооружения имеет значение для расчета и возведения присоединяемых пристроек. Наружные и внутренние стены, которые не участвуют в передаче горизонтальных сил, должны быть так устроены, чтобы они могли выдерживать ожидаемые деформации здания без нежелательных трещин или других повреждений.
Характер колебаний
Рисунок 3. Характер колебаний высоких сооружений подлежит исследованию. Собственная частота колебаний должна значительно отличаться от частоты ветровых колебаний. Для того чтобы ускорение, полученное вследствие ветровых воздействий, не было неприятным для людей, оно должно быть менее 0,5 м/с2.
На рис. 3 представлены зависимости между временем собственных колебаний ? здания, размахом колебаний (амплитудой) ?g и появляющимися отсюда максимальными ускорениями с в % от ускорения силы тяжести g=9,81 м/с2. Обозначения:
Для наглядного объяснения: ускорение 15% от g, т. е. 0,15g=0,15·9,81=1,57 м/с2 соответствует рывку легкового автомобиля, который за 10 с из состояния покоя достигает скорости 53 км ч.
Общее отклонение
Рисунок 4. Границы деформации ? являются суммой (рис. 4) статического отклонения ?c и динамического отклонения:
замеренных на уровне верхнего этажа здания. Часто ?g?12?c так что ?=1,5?.
Конструктивные возможности
Рисунок 5. Жесткость высотных зданий обеспечивается работой описанных в этой главе конструкций: рам, связей, стеновых дисков.
Зачастую все ригели и колонны дополнительно жестко присоединяются к решетчатым связям или в нижних этажах дополнительно вводятся железобетонные стены.
Конструкции, обеспечивающие жесткость, должны проходить через все этажи до земли. Требование больших свободных от колонн помещений в первом этаже может привести к значительному увеличению стоимости вследствие введения специальных тяжелых элементов для передачи усилий с колонн верхних этажей на колонны других осей.
Рисунок 6. 5. «Сигрем-билдинг» в Нью-Йорке (архит. Мис ван дер Роэ). Высота 158.5 м. Обеспечение жесткости верхней части только с помощью рам, ниже 29-го этажа — полураскосными решетчатыми связями, от 17-го вниз — бетонными стенами 30-см толщины.
6. Административный центр в Торонто (архит. Сидней Брегман). Высота 224 м. Жесткость обеспечивается вертикальными связями между лифтовыми шахтами, в поперечном направлении — дополнительно установленными вертикальными связями на всю ширину здания в технических этажах, с тем чтобы отклонения не превышали 1/500 высоты.
Рисунок 7. 7. Высотное здание Американского стального треста в Питтсбурге (США) (архитекторы Гаррисон, Абрамовиц, Аббе). Треугольный план. Жесткость обеспечивается вертикальными связями в стенах треугольного ядра жесткости здания и дополнительно в верхнем этаже по всей ширине здания. Благодаря этому уменьшается горизонтальная деформация здания примерно на 30%. Горизонтальное отклонение здания высотой 256 м под действием расчетного напора ветра составляет 1/500 высоты, причем половина приходится на динамическое воздействие.
Рисунок 8. 8. Административное здание гостиницы «Астор Плаза» в Нью-Йорке (архитекторы Кан и Джекобе). Высота 222,73 м. Жесткость обеспечивается вертикальными решетчатыми связями по четырем внешним сторонам ядра жесткости и четырьмя связями внутри ядра жесткости. Дополнительное усиление достигнуто благодаря жесткому соединению наружных колонн с ядром жесткости в 17-м и самом верхнем 54-м этажах.
Рисунок 9. 9. В высотных домах с компактным планом (круг, квадрат) можно совместить наружные колонны с расположенными снаружи здания связями или жесткими балками подоконных простенков в одну решетчатую коробку. Такая система имеет очень высокую жесткость, зависящую не только от оптимального пролета связей, но также от совместного действия наружных колонн и связей или ригелей простенков наружных стен.
Это объясняется следующим: в работе вертикальных связевых ферм (рис. 9.1), расположенных в середине здания по всей его ширине, участвуют только те наружные колонны, которые работают в качестве поясов этих ферм и лежат в их плоскости (а). Остальные наружные колонны (b) не сопротивляются напряжениям изгиба, так как не получают продольных деформаций. В расположенных снаружи здания связях (рис. 9.2) при ветровом напоре на стену а все вертикальные связи в стенах c и d работают точно так же, как вертикальные связи на рис. 9.1. Угловые стойки являются поясами связевых ферм. С помощью решетчатых связей или жестких рам все колонны в стенах а и b соединены с угловыми колоннами и вынуждены работать вместе с ними. Вследствие этого все колонны стен а и b работают как пояса решетчатых связей c и d. При этом поперечные сечения поясов очень велики, а напряжения в наружных колоннах малы.
Рисунок 10. 10. «Джон Ханкок центр» в Чикаго (архитекторы Грэхем, Скидмор, Оуингс и Меррил). В этом 100-этажном здании высотой 335,28 м все горизонтальные усилия воспринимаются расположенными снаружи связями, в результате чего достигается значительная экономия стали по сравнению с вариантом расположения связей внутри здания. Наружные связи определяют и архитектуру здания. Диагонали, которые при большой высоте здания имеют значительную ширину, пересекают окна.
Рисунок 11. 11. Международный торговый центр в Нью-Йорке (архит. Ямасаки и К°). Две башни этого комплекса имеют по 110 этажей и высоту 411,5 м. Их жесткость обеспечена рамными конструкциями наружных стен, которые состоят из колонн, расположенных с малым шагом, и высоких подоконных ригелей.
Наружные колонны и раскосы связей могут объединяться в ромбовидный фахверк, стержни которого одновременно являются и колоннами, и ветровыми связями. Окна повторяют форму ромбов или треугольников.
Рисунок 12. 12. Наружные колонны объединены со стержнями связей в ромбовидный фахверк Наружные стены стоят на треугольных опорах. Форма несущей конструкции определяет архитектуру здания. Наружные колонны облицованы алюминиевыми листами. Ромбообразные окна имеют отсеченные острые углы.
Рисунок 13. 13. Проект дома высотой 85 м с ромбической сеткой фасадных колонн шириной 12 см. Внутри здания с размерами в плане 30X30 м стоят только четыре внутренние шарнирные опоры сечением 30X30 см. Конструкции занимают очень мало места в плане. Треугольная форма окон обусловлена конструктивной схемой.
