При строительстве высотных зданий все чаще применяют в виде вертикальных несущих конструкций высокопрочные, экономичные и безопасные трубобетонные колонны (ТБК). Они успешно применяются в Великобритании, Италии, Канаде, Китае, США, Франции, Японии и других, экономически развитых странах мира [1].
В настоящее время в США эксплуатируются восемь таких зданий [5]. Самое высокое — 58 — этажное административное здание «TwoUnionSquare» высотой 231 метр в Сиэтле. В Вене интересен опыт возведения башни «Millenium» высотой 202 м. В Китае уже построено более 30 небоскребов в таких городах, как Гуанчжоу, Шинцзэн, Тяньцзинь, Чжунцин, Пекин, Куньминь, Фучжоу, Наньань [6]. Наиболее ярким примером можно считать 72-этажное торгово-административное здание SEGPlaza в городе Шинцзэн.
В России тоже начинает возрастать интенсивность возведения высотных зданий. Применение ТБК в нашей стране ограниченов связи с отсутствием отечественных норм по их проектированию и расчету. Поэтому наиболее часто в виде вертикальных несущих конструкций используют стальные колонны, обладающие малым весом и простотой монтажа.
Цель статьи — показать эффективность использования трубобетонных и стальных колонн на примере расчета 100 — этажного здания.
Исходные данные для расчета:
Район строительства — г. Челябинск.
Габариты плана: 38,02х33,17 м.
Общая высота здания — 406 м.
Общее количество этажей — 100 эт.
Здание состоит из надземной и подземной частей. В подземной части находится автомобильная парковка высотой 8 м, а надземная часть состоит из блоков (1 блок — 14 этажей, каждый 14 этаж технический):
− 1 этаж 8 м, 2 этаж 6 м — магазины;
− 4 нижних блока — офисные помещения, высотой 4 м (56 этажей);
− 3 верхних блока — жилые помещения, высотой 4 м (42 этажа).
Конструктивная схема здания каркасно-ствольная (рисунок 1).
Колонны расположены по периметру здания с шагом 7,2 м.
В центре расположено железобетонное ядро жесткости, которое является основной несущей конструкцией здания, представляя собой вертикальный пространственный стержень на всю высоту здания, состоящий из двух стволов: внутреннего и внешнего. Размеры в плане внутреннего ствола 10,9х12,5 м, толщина стенки 1м. Размеры в плане внешнего ствола 20х16,8 м, толщина стенки 0,6м. Во внутреннем ядре жесткости расположен лифтовый узел, а во внешнем — лестничная клетка.
Совместность горизонтальных перемещений каркаса и ствола обеспечивают сталежелезобетонные горизонтальные аутригеры, расположенные в технических этажах.
Перекрытия монолитные железобетонные толщиной 0,18 м.
Наружное ограждение представляет собой раздельную конструкцию толщиной 0,5 м:
− наружный слой в виде сборных тонкостенных железобетонных панелей-скорлуп высотой на этаж с вентилируемым воздушным зазором и эффективных несгораемых плитных утеплителей;
− внутренний слой из ячеистых блоков.
Внутренние перегородки толщиной 0,1 м, выполнены из гипсокартона.
Фундамент представляет собой сплошную монолитную железобетонную плиту толщиной 5 м.
Так же для выполнения статического расчета в программном комплексе (ПК) «Лира 9.6» создали конечно — элементную расчетную схему здания. Она включает в себя (рисунок 2):
− фундаментную плиту (рисунок 3), которая моделировалась при помощи универсальных трех- и четырехугольных конечных элементов (КЭ) толстой оболочки (тип КЭ 46 и 47 соответственно). Плита принималась на упругом основании с коэффициентом постели С1=1200т/
. На узлы рассчитываемой фундаментной плиты накладывались связи, запрещающие линейные перемещения по направлению горизонтальных осей Х и Y;
− колонны для двух вариантов расчета ТБК и стальные высотой 8, 6 и 4 м (рисунок 4), которые моделировались при помощи универсального пространственного стержневого конечного элемента (тип КЭ 10);
− плиты перекрытия (рисунок 5), которые моделировались при помощи универсальных трех- и четырехугольных конечных элементов оболочки (тип КЭ 42 и 44 соответственно). При таком типе КЭ учитываются не только усилия: M, Q, N, но мембранные;
− ядро жесткости (рисунок 6), которое моделировалось при помощи универсальных трех- и четырехугольных конечных элементов оболочки (тип КЭ 42 и 44 соответственно);
− аутригеры (рисунок 7), которые моделировались при помощи универсального пространственного стержневого конечного элемента (тип КЭ 10).
Рис. 1. Конструктивная схема здания
Рис. 2. Расчетная схема здания 1–3 этаж
Рис. 3. Плита перекрытия
Рис. 4. Трубобетонная и стальная колонны
Рис. 5. Плита перекрытия
Рис. 6. Фрагмент ядра жесткости в пределах этажа
Рис. 7. Аутригер
Далее были предусмотрены виды нагрузки: постоянная нагрузка от собственного веса конструкций, ветровая, пульсационная составляющая от ветра, полезная, временно длительная и снеговая.
Узлы и элементы расчетной схемы нагружают:
− 1-е: постоянная нагрузка — собственный вес [3];
− 2-е: расчетное значение средней составляющей ветровой нагрузки [2]. На рисунках 8–9 показаны эпюры активного и пассивного давлений ветра;
− 3-е: пульсация ветровой нагрузки;
− 4-е: полезная кратковременная нагрузка [4, табл. 8.3 и табл. 8.4]:
- квартиры (39 эт.) — 1,8 кПа;
- офисы (52 эт.) — 2,0 кПа;
- магазины (2 эт.) — 5,0 кПа;
- технические этажи (7 эт.) — 10,0 кПа.
− 5-е: временно длительная нагрузка (35 % от полезной кратковременной нагрузки);
− 6-е: снеговая нагрузка принята не в соответствии снеговому району строительства, а с завышенными требованиями как для V снегового района [4, табл. 10.1].
Рис. 8. Эпюра ветровой нагрузки активного давления
Рис. 9. Эпюра ветровой нагрузки пассивного давления
Для достижения нужной несущей способности ТБК колонн было произведено два расчета: приближенный и основной.
В приближенном расчете, на основе полученных усилий от сбора нагрузок на колонну, подобрали примерное сечение колонны с помощью программы «CFST10.7» (программа итерационного расчета позволяет определять прочность ТБК круглого поперечного сечения с учетом нелинейного характера работы и объемного напряженного состояния бетонного ядра и стальной оболочки). Произвели статический расчет в ПК «Лира 9.6». В результате получили недопустимые горизонтальные перемещения от ветровой нагрузки (рисунок 10), согласно таблице Е.4 [4]. Исходя из этого, был выполнен основной расчет, который включал в себя ниже следующее:
− разделение здания по ярусам (1 ярус — 25 этажей) и присвоение каждому ярусу свой тип сечения колонн.
− выполнение ручного расчета 1-ого яруса и расчетов 2, 3 и 4-ого ярусов в программах ПК «Лира 9.6» и «CFST10.7».
Итого, благодаря предпринятым мерам, горизонтальные перемещения от ветровой нагрузки находятся в допустимых границах (рисунок 11). Окончательные сечения колонн на рисунках 12–13.
Рис. 10. Мозаика перемещений по оси Х от ветровой нагрузки, мм
Рис. 11. Мозаика перемещений по оси Х от ветровой нагрузки, мм
Рис. 12. Сечения ТБК 1-го и 2-го ярусов соответственно
Рис. 13. Сечения ТБК 3-го и 4-го ярусов соответственно
Для достижения нужной несущей способности стальных колонн был произведен статический расчет.
На первом этапе: задали сечение стальной колонны и произвели статический расчет в ПК «Лира 9.6». По результатам этого расчета были подобраны сечения колонн (рисунки 14–15) с помощью «ЛИР-СТК» по ярусам (1 ярус — 25 этажей, как уже ранее упоминалось). Задав подобранные сечения в ПК «Лира 9.6», мы произвели второй статический расчет. По результатам расчета получили недопустимые горизонтальные перемещения от ветровой нагрузки (рисунок 16), согласно таблице Е.4 [4]. Исходя из этого, были вынуждены поставить дополнительные связи между колоннами по всему периметру здания с 1-ого по 100-ый этаж, чтоб увеличить жесткость конструкции здания (рисунок 17). Связи между колоннами моделировались при помощи универсального пространственного стержневого конечного элемента в виде сечения из двух стальных профилированных уголков. Далее выполнили третий статический расчет. Из которого видно, что горизонтальные перемещения от ветровой нагрузки находятся в допустимых границах (рисунок 18).
Рис. 14. Сечения стальных колонн 1-го и 2-го ярусов соответственно
Рис. 15. Сечения стальных колонн 3-го и 4-го ярусов соответственно
Рис. 16. Мозаика перемещений по оси Х от ветровой нагрузки, мм
Рис. 17. Связи между колоннами
Рис. 18. Мозаика перемещений по оси Х от ветровой нагрузки, мм
На основании произведенных расчетов ТБК и стальных колонн сделан вывод об эффективности использования их в высотных зданиях.
ТБК с небольшой гибкостью и малыми эксцентриситетами приложения продольной силы (что характерно для вертикальных несущих элементов, каркасов высотных зданий) обладают исключительно высокой несущей способностью при относительно малых поперечных сечениях, являясь примером удачного сочетания наиболее ценных свойств металла и бетона. Сжатые трубобетонные элементы, имеющие ядро из высокопрочного бетона, имеют пластичный характер разрушения. Кроме того, трубобетонные конструкции обладают гораздо большей огнестойкостью и противокоррозионной стойкостью, чем металлические. Следовательно, трубобетонные конструкции гораздо надежнее в эксплуатации.
Стальные колонны обладают высокой прочностью при небольших размерах поперечных сечений. Монтаж металлических конструкций, как правило, осуществляется быстрее. Но в современном высотном строительстве, применение металла существенно ограничилось после известной катастрофы с небоскребами 11 сентября 2001 года в городе Нью-Йорке [7]. У которых несущие колонны были из металла. Разрушение произошло мгновенно ввиду низкой огнестойкости.
На основании локальных сметных расчетов стоимость ТБК и стальных колонн, графика расхода стали (рисунок 19) можно сделать следующие выводы: сравнение технико-экономических показателей металлических и трубобетонных колонн показывает, что экономия стали при трубобетонном исполнении конструкции по сравнению с металлическими составляет до 66 %, их стоимость уменьшается до 2,6 раз.
Рис. 19. Зависимость удельной величины расхода стали на секцию от этажности
Сравнительная характеристика показала, что использование трубобетонных колонн как с конструктивной, так и с экономической точки зрения применять лучше, чем металлические при высотном строительстве зданий.
Литература:
- Кришан А. Л., Заикин А. И., Сагадатов А. И. Трубобетонные колонны высотных зданий. Магнитогорск: ООО «МиниТип», 2010. — 196с.: ил.
- Кришан А. Л. Ветровые воздействия: методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Проектирование строительных конструкций» для студентов специальности 270800.62 дневной формы обучения. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та. Г. И. Носова, 2014. 7 с.
- Кришан А. Л. Общие сведения по нагрузкам на высокое здание. Постоянная нагрузка на перекрытие: методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Проектирование строительных конструкций» для студентов специальности 270800.62 дневной формы обучения. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та. Г. И. Носова, 2014. 12 с.
- СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*. — М., 2011. — 76 с.
- Трубобетонные колонны высотных зданий из высокопрочного бетона в США // Бетон и железобетон. — 1992. — № 1. — С. 27–30.
- Цай Шаохуай. Новейший опыт применения трубобетона в КНР // Бетон и железобетон — 2001. — № 3. — С. 20–24.
- https://www.youtube.com/watch?v=eJBWluKSwHg
