Мероприятия по снижению влияния ветровой и сейсмической нагрузки на высотные здания.

Введение

Строительство высотных зданий востребовано во всем мире, поскольку является одним из естественных этапов развития больших городов. Такая тенденция обусловлена дефицитом и, соответственно, высокой стоимостью земельных участков.
Высотными считаются здания, имеющие высоту более 75 м (от 25 этажей и выше). По своему назначению они могут быть гостиничными, офисными, учебными, жилыми зданиями. Но чаще всего они являются многофункциональными. Помимо помещений основного назначения в них размещаются автостоянки, магазины, кинотеатры, офисы и т.д.
Высотные здания относятся к сооружениям, которые имеют высокий уровень ответственности. К ним предъявляются особые требования, поскольку с ростом высоты резко увеличиваются нагрузки на несущие конструкции. В связи с этим было разработано несколько конструктивных систем: каркасная, рамно-каркасная, поперечно-стеновая, ствольная, коробчатая, ствольно-коробчатая («труба в трубе», «труба в ферме») и др., а также их разновидности. Выбор конструктивной системы определяется факторами, влияющими на устойчивость здания. Среди них следует особо отметить сейсмичность и ветровые воздействия. Изучение их влияния и предотвращение негативного воздействия на здания является актуальным вопросом современного высотного строительства, поскольку от этого зависит безопасность людей.
Цель данной работы состоит в изучении негативных воздействий ветровых и сейсмических нагрузок на высотные здания и методов их предотвращения.
Задачи работы:
- изучить особенности влияния ветровых нагрузок на здания и методы их предотвращения;
- изучить особенности влияния сейсмических нагрузок на высотные здания и методы их предотвращения.
Объект исследования – ветровые и сейсмические нагрузки.
Предмет исследования – методы предотвращения негативного влияния ветровых и сейсмических нагрузок на высотные здания.
В настоящее время накоплен значительный опыт в данном вопросе. При этом исследования эффективным методов продолжаются, что ведет к появлению новых разработок, учитывающих современные требования к безопасности, экологичности, экономичности строительства и эксплуатации высотных объектов.


1. Меры по снижению ветровых нагрузок на высотные здания

Большое значение для обеспечения безопасной и комфортной эксплуатации высотного здания имеет учет ветровых нагрузок. Требуется корректный расчет для определения значений и комбинаций нагрузок, который может быть выполнен с использованием современных методов математического моделирования или экспериментальным путем на основе продувки макета здания в аэродинамической трубе. Данные расчетов необходимы для дальнейшего проектирования конструкций здания с целью обеспечения их прочности и устойчивости, а также комфорта для людей, находящихся в здании. Кроме того, математическое моделирование ветровых нагрузок дает возможность производить расчет фасадных систем высотного здания, определять их ресурс эксплуатации, энергоэффективность.
В результате была составлена группа основных параметров и конструкций высотных зданий, которые при грамотном проектировании позволяют значительно снизить ветровую нагрузку:
- выбор оптимальной формы небоскреба;
- ориентация здания в соответствии с «розой ветров»;
- одиночное или групповое расположение высотки, учитывающее снижение ветровой нагрузки;
- устройство аутригеров;
- установка пассивных маятниковых демпферов;
- эффективное внешнее ограждение.
В 2008 г. был создан перечень форм фасадов для высотных зданий, рекомендуемых для строительства в районах с повышенными ветровыми нагрузками:
- элементы фасада здания со скругленными углами – Международный финансовый центр Гуанчжоу, Китай;
- иглообразная фотма здания – Бурдж Халифа, ОАЭ;
- уступы на здании – Тайбэц 101, Тайвань;
- изменение поперечного сечения здания по высоте;
- наличие сквозных отверстий (рассеивателей) на фасаде здания (Шанхайский всемирный финансовый центр, Китай).
Были выделены схемы объемно-пространственного решения здания, которые используются при проектировании высоток: пластина, квадратная в плане башня, круглая в плане башня, треугольная в плане башня, многолучевая башня

. Круглая и треугольная в плане башни имеют преимущества, поскольку обладают наименьшей поверхностью сопротивления ветровому давлению, а также указанная форма обеспечивает пространственную работу конструкций, обладающих высокой технологичностью и экономичностью. Использование зданий в форме пластины или эллипса возможно при обеспечении благоприятного расположения относительно преобладающих ветров.
Кроме того, уменьшить влияние ветровой нагрузки можно за счет оптимизации формы. Для этого применяются следующие архитектурные приемы: здание выполняется в виде усеченной пирамиды; к зданию пристраиваются объемы меньшей высоты; разделение здания на два объема. Для снижения ветра в уровне пешеходных зон используются следующие архитектурные приемы: создание вокруг зданий подиумов, которые разбивают воздушные потоки, в том числе ниспадающие, снижая тем самым силу ветровых потоков на нижнем уровне; использование в благоустройстве прилегающей территории малых архитектурных форм, деревьев с низкой кроной, задерживающих ветер.
Для противостояния ветровым нагрузкам также используются дополнительные конструктивные элементы.
Один из таких способов противостояния ветровым нагрузкам – устройство аутригерных поясов. Аутригерами выступают металлические конструкции, опоясывающие небоскреб. За счет аутригеров нагрузка, возникающая при воздействии ветра, равномерно распределяется между ядром, колоннами каркаса, а также другими несущими конструкциями. Конструкция аутригера в каждом конкретном случае проектируется индивидуально, они могут быть одно- и многоэтажными, горизонтальными и диагональными, металлическими и железобетонными, сплошными и стержневыми системами, со связями и без них.
Еще одной конструкцией, способствующей противостоянию ветра, является пассивный маятниковый демпфер. Он является маятником, обладающим большой массой. При сильных порывах ветра и раскачивании верхней части здания маятник приобретает свои колебания, которые гасят колебания здания. В здании могут быть запроектированы один или несколько демпферов.
Еще одним методом борьбы с ветровыми нагрузками является правильный выбор ограждающих конструкций. В настоящее время в качестве ограждающих конструкций используются прозрачные фасадные системы из высокопрочного стекла на каркасе. Они выполняют также теплоизолирующую и солнцезащитную функцию. Ранее окна выполнялись невентилируемыми, для организации воздухообмена использовались системы кондиционирования. В последнее время была признана необходимость обеспечения естественного проветривания, что стало еще одной конструкторской задачей.


2. Принципы и методы сейсмозащиты высотных зданий

На территории РФ в сейсмически опасных районах при значениях сейсмической опасности, достигающих 9 балов и более, строительство высотных зданий и сооружений запрещено. Однако в мировой практике известны примеры успешного опыта строительства таких зданий в зоне сейсмической активности. Примеры таких реализованных проектов на данный момент существуют в Японии, Китае, Малайзии. Высокотехнологичные решения , применяемые в данных проектах, имеют высокую стоимость. Однако она оправдывается в случае высокой стоимости земли и отсутствии альтернативных решений.
Увеличение этажности зданий оказывает значительное влияние на проектные решения и обуславливает необходимость применения новейших достижений в технологиях строительства. Это находит отражение в изменениях очертаний зданий, выборе конструктивной системы и особенно, фундаментов.
Разработка новых конструктивных методов сейсмозащиты является наиболее экономически эффективной и целесообразной