Стальные каркасы многоэтажных и высотных зданий Почему

Стальные каркасы многоэтажных и высотных зданий

Почему строят многоэтажные и высотные здания? [-] Удорожание строительства вследствие усложнения конструктивных решений, инженерных коммуникаций, технологий возведения [-] Повышенная пожарная опасность вследствие быстрого распространения пожара по зданию, затруднения эвакуации и спасения людей [+] Престижность [+] Архитектурная выразительность [+] Экономия площади под застройку Накопленный за рубежом опыт свидетельствует о том, что с учётом стоимости земли и ростом населения оптимальными по экономическим показателям являются 30… 50 -этажные здания. Основные предпосылки строительства многоэтажных промышленных зданий 1. Вертикальная организация технологического процесса (перемещение материалов за счёт собственного веса); 2. Невысокие технологические нагрузки; 3. Отсутствие взрыво- и пожароопасных производств, требующих быстрой эвакуации.

Сталь или железобетон? При строительстве современных высотных зданий широко используются положительные возможности как стали, так и железобетона. • По сравнению с железобетоном сталь обладает большей несущей способностью при меньшей собственной массе. • С повышением этажности здания целесообразность применения стального каркаса увеличивается. • В смешанных каркасах колонны нижних этажей выполняют из стали, а верхних – из железобетона.

Первые многоэтажные здания Проектирование и строительство высотных зданий началось более 100 лет назад в Чикаго. Идея американских архитекторов о максимально рациональном использовании каждого квадратного метра земли в деловых центрах крупных городов была с несомненным интересом подхвачена архитектурной элитой всего мира. Уильям Дженни. Хоум Иншуренс билдинг, Чикаго (построено в 1884 -1885 г. , снесено в 1931)

Первые многоэтажные здания и сооружения Жюль Сонье. Шоколадная фабрика под Парижем (построено в 1871 -1872 г. ) Гюстав Эйфель. Конструкции статуи Свободы (1881 г. )

Первый патент на металлическую конструкцию небоскрёба Лерой Баффингтон. 28 -этажный небоскрёб «Cloudscraper» , проект (1888 г. )

Первый построенный небоскрёб Д. Бэрнхем, Дж. У. Рут. 21 -этажный небоскрёб Мезоник Темпл, Чикаго (построен в 1891 -1892 г. , снесён в 1939)

«Empire State Building» (1931) Уже в 1931 г. в центре Нью-Йорка за 15 месяцев был построен «Эмпайр Стейт» высотой 312 м с причальной башней для дирижаблей высотой 62 м.

«Empire State Building» (1931)

«Empire State Building» (1931)

«Empire State Building» (1931)

Московские высотки (начало 50 -х г. г. ) Главный корпус МГУ, 25 этажей

Московские высотки (начало 50 -х г. г. ) МИД

ВТЦ в Нью-Йорк-Сити Время строительства: 1966 -1973 Число этажей – 110 Высота – 411 м Размеры в плане: 63, 5 х 63, 5 м

Конструктивное решение каркаса ВТЦ

Высотные здания Колонны – пустотелого сечения 450 х450 мм Ригели высотой 1320 мм из стального листа, жёстко соединён с колоннами Перекрытия – сборномонолитные по стальным фермам высотой 900 мм. Опирание фермы на колонну - шарнирное

«Sears Tower» , Chicago, 1972 -1974 Чикаго, «Сирс-билдинг» (1972 -1974 г. ) 109 этажей, высота 445 м.

Самые высокие здания мира «Sears Tower» Taipei 101 (Тайбэй), Тайвань (2003 г. ) 101 этаж, высота 509 м. Petronas Twin Towers (Петронас) Малайзия (1988 -1994 г. ) 88 этажей, высота 452 м

Проект башни «Россия» в ММДЦ «Москва-СИТИ»

Проект башни «Россия» в ММДЦ «Москва-СИТИ»

Проект башни «Россия» в ММДЦ «Москва-СИТИ» Здесь будут строить башню «Россия»

Несущие системы зданий и сооружений 4 Взаимосвязанная совокупность несущих конструкций здания (сооружения) называется его несущей, или конструктивной, системой. Несущие системы зданий и сооружений Бескаркасные Каркасные вертикальные элементы – несущие стены вертикальные элементы – колонны Смешанные колонны снаружи и ядро жёсткости внутри (ствольная система); несущие стены снаружи и колонны внутри (неполный каркас). Рамная Связевая Рамно-связевая (жёсткие узлы) (шарнирные узлы) (комбинированная) Высота – до 20… 25 этажей Высота – до 40… 45 этажей Высота – до 150 этажей [-] Повышенный расход металла [+] Лучшее восприятие горизонтальных нагрузок [+] Свободное пространство между колоннами [-] Слабая устойчивость к прогрессирующему разрушению Содержит элементы рамной и связевой систем

Рамная и связевая системы Рамная Жёсткий узел Стойки (колонны) Ригели (балки) Связевая Связи Геометрическая неизменяемость и восприятие горизонтальных нагрузок в рамной системе обеспечивается жёсткостью узлов, а в связевой – установкой системы связей.

Виды решёток связей Работает только на растяжение Раскосная Позволяет устраивать проёмы Крестовая Полураскосная [+] Уменьшает пролёт балки Железобетонные диафрагмы жёсткости

Размещение связей в плане Связи следует располагать: • симметрично относительно главных осей здания, чтобы не возникало его закручивание; • не обязательно на всю ширину здания, но обязательно на всю его высоту. Жёсткий диск перекрытия распределяет горизонтальную нагрузку между связевыми элементами, поэтому их можно устанавливать не в каждом ряду, а через 2 -3 ряда.

Рамно-связевая система • В продольном направлении – рамная, в поперечном – связевая (или наоборот); • На нижних этажах связевая, на верхних – рамная. Связевая часть воспринимает 70… 90 % горизонтальных нагрузок Аутригерная ферма способствует более полному включению вертикальных элементов каркаса в работу по восприятию горизонтальных нагрузок

Применение аутригерных систем Исходное состояние Деформация без влияния аутригеров Деформация с изменением углов поворота под влиянием аутригеров

Аутригерные конструкции башни «Федарация» ММДЦ «Москва-СИТИ»

Башня «Евразия»

Башня «Евразия»

Виды рамных и связевых систем Рамные системы: Связевые системы: а) обычная; а) с диафрагмами жёсткости; б) с внешней пространственной рамой; б) с внутренним решётчатым стволом; в) рамно-секционная. в) с внутренним железобетонным стволом; В системе с «решётчатой трубой» угловые колонны нагружены сильнее, чем в аналогичной сплошной трубе. г) с внешним стволом.

Области применения несущих систем По условиям жёсткости отношение высоты здания к его ширине должно быть не более 8. В США и странах Азии допускают строить здания шириной до 50 -60 м, поэтому их максимальная высота достигает 500 м. Нормы европейских стран ограничивают ширину зданий 30 -40 м, поэтому их максимальная высота составляет 240 -320 м. Повысить жёсткость (и высоту) здания позволяют более эффективные решения несущих систем (применение аутригеров и др. )

Системы с подвесными и консольными этажами

Сопряжение ригеля с колонной Болты, рассчитанные на растяжение Жёсткое А Шарнирное А-А Рёбра жёсткости Усилия в болтах Монтажные болты М Опорный фланец из толстого листа, рассчитан на изгиб Диаметр отверстия на 3… 4 мм больше диаметра болта, чтобы болты не могли воспринимать опорную реакцию и работать на срез в случае неплотного опирания фланца на опорный столик 10 -20 мм Торцы строгать Опорный столик 30 -40 мм А 20 -30 мм 10 -16 мм Сварные швы, рассчитанные на восприятие опорной реакции Опорный фланец из гибкого листа, рассчитан только на смятие торцевой поверхности

Сопряжение ригеля с колонной Жёсткое Шарнирное А-А А Сварные швы, рассчитанные на действие усилия F 10 -15 мм F = M/h h М F Монтажный болт Сварные швы, рассчитанные на восприятие вертикальной опорной реакции Верхняя «рыбка» Нижняя «рыбка» А Монтажный болт, диаметр отверстия на 3… 4 мм больше диаметра болта Опорный столик

Сопряжение ригеля с колонной Жёсткое [+] Предотвращение поворота балки закреплением стенок М [+] Сварные швы, рассчитанные на восприятие только вертикальной опорной реакции [+] Монтажные болты, удерживающие балку в проектном положении при выполнении сварных швов «Полужёсткое» [-] Предотвращение поворота балки только закреплением стенки М [-] Образование трещин в швах [-] Отсутствие монтажных болтов

Сопряжение ригеля с колонной Жёсткое Шарнирное N M N=M/h «Рыбка» Монтажный болт В чём здесь ошибка?

Другие решения узлов

Стыки и базы колонн

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11) При проектировании был проведён расчёт на прочность от удара самолёта (Боинг-707, вес 150 т). Каждая башня выдержала удар самолёта Боинг-767, который весил примерно на 30 т больше. Пожар начался от разлива топлива из баков самолётов, которые были заполнены на 70 %. Огнезащитная обработка стальных конструкций – слой вермикулитовой штукатурки толщиной 3 мм – была способна обеспечить огнестойкость в течение часа.

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11) «очертание дьявола»

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11)

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11) Температура 1000… 1200°С вызвала быстрый нагрев стальных элементов каркаса, потерю ими несущей способности и в результате – прогрессирующее разрушение башен (соответственно через 103 и 62 минуты после удара).

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11) 103 минуты 62 минуты

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11)

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11)

Взрыв и пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001/9/11) Число погибших: 2973, включая 247 на борту самолётов (без учёта 19 террористов), 2602 — в Нью-Йорке в башнях и на земле, и 125 — в Пентагоне.

Благодарим за внимание