Строительство фундаментов для высотных домов

Конструктивные решения высотных зданий

Прочность, устойчивость и пространственная жесткость высот­ных зданий обеспечиваются совместной работой горизонтальных (пе­рекрытий) и вертикальных (стен и рам) конструкций. Через перекрытия вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие на здание, пе­редаются вертикальным несущим конструкциям, а от них на грунт. Ин­тенсивность, направление и характер передачи нагрузок зависят от геометрии вертикальных элементов и их расположения в плане.

В проектировании и строительстве высотных зданий приме­няются разнообразные конструктивные решения, принимаемые про­ектировщиками в зависимости от различных факторов:

• функционального назначения;
• высоты здания;
• природно-климатических условий;
• комплексной безопасности высотных зданий;
• градостроительной ситуации;
• архитектурно-планировочных решений;
• архитектурно-композиционных требований;
• инженерно-технических систем и оборудования.

Важное значение имеют четыре первых фактора, остальные во многом зависят от конкретных условий строительства.

В зависимости от принятой конструктивной схемы здания вертикальные несущие конструкции могут состоять либо из системы стоек и балок типа каркасов, либо из системы стен-диафрагм – сплошных или решетчатых, либо из тех и других вместе (комбини­рованные системы). Стены-диафрагмы могут быть из линейных элементов или объединяться в трехмерные конструкции – ядра (стволы) жесткости. Плоские стены, в свою очередь, могут быть не­прерывными в плане, пересекающими все здание или иметь произ­вольное расположение.

Так как решающее значение при проектировании высотных зданий имеют горизонтальные нагрузки, например ветровые и сейс­мические, вертикальные несущие конструкции должны состоять из достаточно жестких конструктивных элементов, чтобы исключить нежелательные деформации здания. С целью увеличения жесткости в продольном и поперечном направлениях здания устраивается система горизонтальных связей. Горизонтальные нагрузки через перекрытия передаются вертикальным связевым конструкциям. Передача горизонтальных нагрузок происходит с помощью соединении, воспринимаемых сдвигающие усилия и устраиваемых между верти­кальными несущими конструкциями и перекрытиями.

Выбор вертикальных несущих конструкций, их комбинаций и связей является выбором конструктивной системы здания, жест­кость которой определяется расчетом и зависит от многих факторов. Наиболее важным фактором с точки зрения обеспечения устойчиво­сти высотного здания является оказание им сопротивления ветро­вым нагрузкам, увеличивающимся с повышением высоты здания.

По функциям конструктивные элементы, из которых состоит высотное здание, в зависимости от их назначения подразделяется на две группы: несущие и ограждающие. Несущие конструкции здания состоят из взаимосвязанных горизонтальных и вертикальных эле­ментов. В совокупности они образуют конструктивную систему, которую называют несущим остовом здания.

Критерием выбора конструктивной системы высотного здания является удовлетворение условиям жесткости и устойчивости, а также комфортности пребывания людей на верхних этажах, зависящим от величины и характера ветровых нагрузок:

• горизонтальные перемещения здания от действия суммы полных нормативных вертикальных нагрузок и средней составляю­щей (статической) ветровой нагрузки с учетом поворота фундамента должны составлять не более 1/500 его высоты;
• ускорение колебаний перекрытий верхних этажей при дей­ствии нормативной пульсационной составляющей ветровой нагрузки не должно превышать 0,08 м/с 2 .

В случае невыполнения этих условий требуется увеличить же­сткость высотного здания, что достигается либо заменой конструк­тивной системы на более жесткую, либо включением в работу дополнительных вертикальных несущих конструкций, к которым от­носятся стены, рамы, стволы (ядра жесткости) и их комбинации. Для увеличения жесткости зданий вертикальные несущие конструкции, в свою очередь, дополнительно могут усиливаться связями, в качестве которых применяются связевые системы как в виде отдельных пло­ских или решетчатых диафрагм, устраиваемых в плане, так и в виде связевых поясов – ферм, предусматриваемых в одном или несколь­ких уровнях по высоте здания.

Горизонтальные несущие конструкции – перекрытия и покрытия здания воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции, последние, в свою очередь, передают эти нагрузки и воздействия через фундаменты основанию. Горизонтальные несущие конструкции высотных зданий, как прави­ло, однотипны и обычно представляют собой железобетонный диск (сборный, монолитный или сборно-монолитный) или (в последнее время) сталежелезобетонный, они воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, пере­давая их поэтажно на вертикальные несущие конструкции – колон­ны, стены, пилоны и через фундамент на основание (грунт).

Вертикальные несущие конструкции классифицированы на четыре основные конструктивные системы высотных зданий – кар­касную (рамную), стеновую (бескаркасную, диафрагмовую), ствольную и оболочковую:

каркасная – с пространственным рамным каркасом, применя­ется преимущественно в строительстве многоэтажных сейсмостойких зданий. В свою очередь, каркасные системы подразделяются на рамно­каркасные, каркасные с диафрагмами жесткости, каркасно-ствольные;

• стеновая (бескаркасная) – самая распространенная в жи­лищном строительстве, ее используют в зданиях различных плани­ровочных типов высотой от одного до 30 этажей;
• ствольная система применяется в зданиях выше 16 этажей. Наиболее целесообразно применение ствольной системы для ком­пактных в плане многоэтажных зданий, особенно в сейсмостойком строительстве, а также в условиях неравномерных деформаций ос­нования (на просадочных грунтах, над горными выработками и др.);
• оболочковая (коробчатая) система присуща уникальным высотным зданиям жилого, административного или многофункцио­нального назначения;
• комбинированные (смешанные) системы сочетают в себе от­дельные признаки двух других систем, к ним относят каркасно­стеновые, каркасно-ствольные и коробчато-ствольные и др.

Основные конструктивные системы ориентированы на вос­приятие всех силовых воздействий одним типом несущих элемен­тов. Так, например, при стержневых конструкциях узлы сопряжения колонн с ригелями должны быть жесткими (рамными) в обоих на­правлениях, чтобы обеспечить восприятие вертикальных и горизон­тальных воздействий.

Наряду с основными системами широко применяют и комбинированные конструктивные системы. В этих системах вертикальные несущие конструкции компонуются их различных видов элементов. К их числу относятся системы: каркасно-диафрагмовая со связями в виде стен – диафрагм жесткости, с неполным каркасом (несущие на­ружные стены и внутренний каркас), каркасно-ствольная, ствольно­стеновая, ствольно-оболочковая и др. (рисунок ниже).

Применяемые конструктивные системы высотных зданий

а – бескаркасная (стеновая); б – рамная; в – каркасная с диафрагмами жесткости; г – ствольная; д – каркасно-ствольная; е – коробчатая (оболочковая); ж – коробчато-ствольная (оболочково-ствольная)

Высотные здания состоят из различных конструктивных эле­ментов, располагаемых как в подземной, так и в надземной частях высотного здания.

Подземные конструкции. В системе «высотное здание – фун­даменты – основание» наиболее нагруженными конструкциями яв­ляются конструкции подземной части, на которые передаются все действующие на здание вертикальные, ветровые (или сейсмические] нагрузки. Промежуточным звеном в этой системе являются фунда­менты, от выбора типа которых зависит как надежное функциониро­вание остальных несущих конструкций высотного здания, так и комфортное пребывание в них людей.

Футдаментом называется подземная часть здания или соору­жения, воспринимающая все нагрузки, как постоянные, так и временные, возникающие в надземных частях, и передающая давление от этих нагрузок на основание.

Одним из основных факторов, влияющих на выбор типа фундаментов, являются инженерно-геологические условия площадки строительства. Результаты этих изысканий обеспечивают предварительную оценку несущей способности основания, его возможность осадок и их неравномерности, общей устойчивости основания. Не­благоприятные результаты могут служить основанием для отказа от выбранной площадки строительства по требованиям безопасности или из-за высокой стоимости мероприятий по понижению интен­сивности влияния этих процессов. Кроме того, изыскания позволяют выявить возможное влияние строительства высотного здания на ок­ружающую застройку.

Глубина заложения фундаментов принимается такой, чтобы обеспечить жесткость подземной части здания, заделку здания в ос­нование и уменьшение осадок и кренов сооружения.

С учетом изложенного выше для высотных зданий наиболее эф­фективными решениями фундаментов могут быть следующие варианты:

• плитные фундаменты повышенной жесткости, плитные переменной толщины, а также коробчатого типа с развитой подземной частью, на естественном или укрепленном основании;
• свайные фундаменты, в том числе в виде глу­боких опор с заделкой нижних концов в коренные породы грунтов – известняки;
• комбинированные свайно-плитные (КСП) фундаменты (рисунки ниже).

Конструктивные типы фундаментов высотных зданий

а – плитный; б – плитный переменной толщины; в – плитный коробчатого типа; г – свайный со сплошным плитным ростверком; д – комбинированный свайно-плитный

Выбор конструкции фундамента осуществляется на основании технико-экономического сравнения вариантов и зависит от конст­руктивно-планировочной схемы здания, характера напластований грунтов, их физико-механических характеристик и взаимодействия строящегося здания с массивом грунта и окружающей застройкой.

Плитный фундамент представляет собой сплошную железо­бетонную плиту повышенной жесткости (толщиной 1,5 и более мет­ров), расположенную под всей площадью возводимого здания. Нагрузки от здания распределяются по всей по­верхности фундаментной плиты и передаются на грунты основания главным образом через подошву.

Применяются фундаментные плиты переменной толщины с утоньшением в области краев плиты.

Плитные фундаменты традиционно являются наиболее простым конструктивным решением. Однако условия взаимодействия таких фундаментов с основанием при применении их для высотных зданий требуют тщательного расчетного обоснования из-за возмож­ного возникновения кренов, выпоров грунта из-под края фундамен­та, значительных изгибающих усилий в конструкции фундамента, потенциальной возможности потери общей устойчивости здания. При достаточно прочных и малодеформируемых грунтах плитные фундаменты могут применяться при больших (более 500 кПа) удельных нагрузках на основание, если расчетами доказано отсутст­вие сколько-нибудь значительного локального выпора грунта из-под фундамента и прогнозируются допустимые для нормальной экс­плуатации величины осадок. Для обеспечения перечисленных усло­вий могут применяться следующие мероприятия:

• усиление грунтов в основании;
• устройство консольных выпусков из фундаментной плиты за пределы контура здания;
• устройство отсечных стенок, препятствующих выпору грун­та из-под фундаментной плиты;
• организация деформационных швов;
• разработка оптимальных схем передачи нагрузок на основа­ние, учитывающих очередность возведения зданий, входящих в комплекс строящегося объекта.

Плитные (сплошные) фундаменты проектируют в виде балочных или безбалочных, бетонных или железобетонных плит. Ребра балочных плит могут быть обращены вверх и вниз. Места пересечения ребер слу­жат для установки колонн каркаса. При большом заглублении сплошных фундаментов и необходимости обеспечить большую их жесткость фун­даментные плиты можно проектировать коробчатого сечения с разме­щением между ребрами и перекрытиями коробок помещений подвалов.

Фундаменты в виде коробчатого сечения применяются при возведении высотных зданий с большими нагрузками. Ребра такой плиты выполняются на полную высоту подземной части здания и жёстко соединяются с перекрытиями, образуя, таким образом, замк­нутые различной конфигурации сечения. Этот тип фундамента фор­мирует под зданием развитое подземное пространство, представляя собой нижнюю фундаментную плиту, наружные и внутренние вер­тикальные несущие конструкции (стены, колонны, стволы) и пере­крытия одного или нескольких подземных этажей. Количество уча­ствующих в работе перекрытий определяется по расчету.

Вместе с подземной частью такой плитный фундамент еще называется «плавающим». Применение его может оказаться эффективным при строительстве высотных зданий на основаниях, сложенных не столь прочными грунтами, которые рекомендуются для сплошных фундаментных плит. В то же время повышение этажно­сти подземной части высотного здания потребует как геотехниче­ского обоснования проектов, так и решения ограждающих конст­рукций котлованов.

Примером плитного фундамента под высотным зданием мо­жет служить фундамент Дрезднер банка во Франкфурте-на-Майне (1978 г.). Это офисное здание высотой 166 м (32 надземных этажа) в качестве фундамента имеет железобетонную плиту толщиной 4,0 м и общей площадью 3400 м 2 .

Плитный фундамент коробчатого типа был реализован при возведении высотного здания «Эдельвейс» (высота 175 м) на Да­выдковской улице в Москве.

Свайные фундаменты устраивают при строительстве зданий на слабых сильносжимаемых водонасыщенных грунтах, а также при пе­редаче на основание больших нагрузок от колонн и стен. Этот тип фундамента обеспечивает передачу нагрузки на более плотные грун­ты, расположенные на некоторой глубине. Свайный фундамент под высотным зданием предполагает устройство свайного поля чаще все­го из буронабивных или буроинъекционных свай различной конфигу­рации, объединенных сплошным массивным жестким ростверком, занимающим всю площадь пятна застройки возводимого здания. Ра­бота этого типа фундамента заключается в следующем: нагрузки от здания воспринимаются ростверком, распределяются на сваи и пере­даются на грунты основания за счет трения по боковой поверхности и сопротивления под нижним концом сваи (рисунок ниже). Классическим вариантом свайного фундамента для высотного здания является фун­дамент здания Коммерцбанка во Франкфурте-на-Майне: 111 свай длиной 45 м передают нагрузку от надфундаментной конструкции на слой прочного франкфуртского известняка.

При недостаточной несущей способности плита фундамента может быть эффективно дополнена мощными буронабивными опо­рами и превратиться в комбинированный свайно-плитный фундамент, повышающий взаимодействие здания с основанием. Однако применение такого конструктивного варианта допустимо лишь при отсутствии в основании высоко расположенных водоносных пластов или при осуществлении водопонижения.

Схемы работы свайного и комбинированного свайно-плитного (КСП) фундамента:

а – свайный фундамент; б – комбинированный свайно-плитный фундамент (КСП)

Комбинированный свайно-плитный фундамент (КСП) состоит из свай и железобетонной плиты, располагаемой при наличии подземных этажей у пола нижнего этажа. В отличие от свайного фундамента нагрузка в КСП-фундаменте воспринимается и плитой, и сваями одновременно (рисунок выше), причем доля нагрузки, воспри­нимаемая плитой или сваями, зависит от расстояния между сваями, которое обычно принимается равным 5-6 диаметрам. Примером применения комбинированного свайно-плитного фундамента явля­ется высотный жилой комплекс с подземной автостоянкой, проекти­руемый по ул. Краснобогатырская, вл. 28 в г. Москве, где приняты буронабивные сваи диаметром 1,2 м, длиной 17 м и фундаментная плита толщиной 1,8 м.

В зависимости от несущей способности и конструктивной схемы здания сваи размещают в один или несколько рядов или кус­тами, верхним концам последних укладывают монолитные или сборные железобетонные ростверки, а на кусты свай – оголовки.

Мировой опыт показывает, что случайный учет приведенных выше условий приводит к негативным явлениям. Так, в частности, в Шанхае, в центре города, где размещено значительное количество небоскребов, подстилающая порода начинает проседать под их тяжестью.

Надземные конструкции высотных зданий представляют собой наружные и внутренние стены, каркас, стволы и оболочки. Конструкции внутренних стен и колонн высотных зданий по существу технического решения мало отличаются от применяемых в зданиях высотой до 75 м. Наиболее существенное отличие заключается в увеличении их сечений как по требованиям увеличения несущей способности, так и по резко возросшим требованиям к пределу огнестойкости.

Для наиболее нагруженных элементов используются сталежелезобетонные конструкции с жесткой арматурой из прокатных или сварных элементов, дополненной гибкой арматурой по контуру.

Радикальное увеличение несущей способности колонн дает переход к колоннам из трубобетона. В таких колоннах стальная оболочка из круглой стальной трубы, заполненной бетоном высокой прочности, создает обжатие бетонного ядра, служа одновременно вертикальной и горизонтальной арматурой колонн. За счет вертикального и горизонтального обжатия бетонного ядра несущая способность колонны увеличивается вдвое (по сравнению с железобетонной колонны из бетона того же класса) с соответствующим уменьшением размеров поперечного сечения.

Колонны из трубобетона широко внедрены в строительство высотных зданий преимущественно в Юго-Восточной и Восточной Азии. Процент армирования трубобетонных колонн составляет 4-5%, не превышая, таким образом, процента армирования железобетонных колонн с жесткой арматурой.

Еще одним важным несущим элементом высотного здания являются междуэтажные перекрытия, отличающиеся большим разнообразием и зависящие от конструктивной системы несущего остова, этажности гадания, его габаритных размеров в плане и действующих на перекрытия вертикальных и, что особенно важно, горизонтальных нагрузок.

Конструктивные решения перекрытий подчинены требованиям пожарной безопасности, обеспечения их прочности и минимальной деформативности в плоскости (на горизонтальные), из плоскости (на вертикальные нагрузки и воздействия).

Первое требование ограничило вариантность конструкций перекрытий по их материалу: они должны быть несгораемыми и соответственно железобетонными. Основные варианты железобетонных перекрытий – монолитная плоская или ребристая плита, монолитная с оставляемой сборной железобетонной опалубкой, сборная из мно­гопустотных, сплошных или ребристых настилов. В зарубежной практике основным вариантом перекрытия является сталежелезобе­тонная конструкция из стальных балок и монолитной железобетон­ной плиты по профилированному стальному настилу, который слу­жит одновременно несъемной опалубкой и отчасти армированием плиты. Этот вариант конструкции перекрытия, как правило, проек­тируют с подвесным потолком, который скрывает в интерьере стальные балки и создает пространство для разводки многочислен­ных коммуникаций — электрических, вентиляционных и др.

В зависимости от конструктивной системы здания применяют те или иные виды наружных стен, которые проектируют несущими и ненесущими (навесными).

Несущие стены участвуют в работе конструктивной системы здания на все виды силовых воздействий и воспринимают перемен­ные по высоте здания ветровые нагрузки, включая их пульсационную составляющую.

Следует отметить, что наружные стены подвергаются в про­цессе строительства и эксплуатации значительным силовым и тем­пературно-климатическим воздействиям, поэтому их проектируют с учетом конструктивных систем высотных зданий. В каркасных сис­темах и их разновидностях с колоннами, расположенными по пери­метру, применяют навесные конструкции. Как правило, это легкие элементы с листовыми обшивками из стали или алюминия и сред­ним теплоизоляционным слоем.

В последнее время получили распространение навесные сте­новые панели с применением закаленного и армированного стекла. Такие конструкции при требуемой по условиям эксплуатации прочности и жесткости имеют малый вес, что весьма актуально для вы­сотных зданий, высота которых может достигать нескольких сотен метров, с точки зрения максимально возможного снижения нагрузок на несущие элементы каркаса, фундаменты и грунты основания.

Конструктивные решения высотных зданий – важнейший эле­мент проектирования. От выбора конструктивного решения зависит прежде всего безопасность пребывания в высотном здании, а также объемно-пространственные, архитектурно-планировочные и инженерно-технические решения. Правильный выбор конструкций позволит создавать современные безопасные и высокохудожественные высотные здания.

Источник