Аутригерные конструкции высотных зданий
Канал конструктивных решений в строительстве @Otto_structures
Обоснование необходимости использования аутригерных систем
При возведении зданий высотой более 40 метров, конструктивная схема, которая состоит из ядра жесткости колонн и перекрытий, как правило, становится малоэффективной, так как для создания жесткости здания необходимо увеличить расход материалов. Наиболее эффективным решением является применение горизонтальных поясов жесткости, или, как еще их называют, аутригеров за счет включения в работу наружных колонн каркаса здания.
Классическая пилонная конструктивная схема жилого дома
Многоэтажные здания имеют «центральное ядро», в котором располагают лестнично-лифтовой узел (ЛЛУ), при этом эффективность работы ядра сокращается при уменьшении отношения его площади поперечного сечения к принятой высоте здания. При соотношении менее значения 0,125, в проект высотного здания необходимо вводить несущую структуру, которая получила название аутригерные этажи. Аутригерные системы могут применятся в различных вариантах (металлические, монолитные, с применением композитных материалов).
Технический этаж с аутригерными стенами высотного здания
Для корректного использования аутригеров в контексте планировок этажей вводят отдельные технические этажи, где концентрируются технические помещения обслуживания и эксплуатации коммуникаций здания. Система аутригеров в некоторых случаях может эффективно включать силы тяжести колонн в боковую систему сопротивления ветровой нагрузке, что в свою очередь приведет к сокращению затрат.
Согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» приложение Л, таблица Л.2, принятое допустимое значение предельного перемещения здания или отдельных элементов согласно формуле 1 составляет 0,6 м:
В подавляющем большинстве случаев высотное здание без аутригерных этажей имеет перемещения, превышающие нормативное значение согласно СП.
Определение эффективности поясов жесткости по высоте здания
В качестве критериев, по которым определяется эффективность размещения аутригера, приняты следующие характеристики: горизонтальное перемещение верха здания, ускорение в горизонтальной плоскости от действия динамической составляющей ветровой нагрузки, а также рекомендуемая частота первой формы собственных колебаний от динамического воздействия ветра.
В ходе эксперимента аутригер поочередно устанавливался на определенных этажах расчетной схемы, и для каждого случая фиксировались расчетные характеристики. После того, как по относительному перемещению находилось оптимальное положение одного аутригера, в расчетную схему вводился второй, который также устанавливался на определенных этажах. По относительному перемещению верха здания определялось оптимальное положение второго аутригера.
После анализа полученных данных можно заключить следующее:
При высоте 45 этажей уменьшение относительного горизонтального перемещения здания с рациональным положением аутригера по сравнению с перемещением здания без аутригера составляет 26 %, при высоте 60 этажей – 20 %, а при высоте 75 этажей – 14 % (рис. 2).
Этажность рассмотренных зданий начинается с 45, у зданий небольшой этажности, при наличии аутригера степень совместной работы ядра и периметральных колонн больше, перемещения меньше. Однако для невысоких зданий выгоднее увеличить момент инерции ядра жесткости (ЛЛУ), чем вводить технический этаж с аутригерами.
Рациональное положение первого аутригера зависит от высоты здания и определяется на высоте (5/6–13/14)Н от верха фундаментной плиты, где Н – общая высота здания.
Как показывают кривые на рис. 2, заметное уменьшение относительных горизонтальных перемещений также дает расположение аутригеров на верхнем этаже здания. Для здания высотой 45 этажей (180 м) уменьшение перемещений составляет 24%, для 60-этажного (240 м) – 18%, а для 75-этажного (300 м) – 13%.
По экспериментальным данным расчетной схемы определено, что для повышения жесткости здания вместо двух аутригеров на разных уровнях рациональнее устанавливать их в уровне одного этажа. При этом высота аутригерных стен должна быть большей, чем высота типового этажа, или же дублировать конструктивные системы на два этажа подряд. В этом случае уменьшение перемещений по сравнению со зданием без аутригеров: 45-этажное здание – 37%, 60-этажное здание – 29%, 75-этажное здание – 21%.
Определение эффективности поясов жесткости в плане здания
Здесь мы рассмотрели различные комбинации элементов аутригера и условия их примыкания друг к другу и ядру жесткости. В качестве исследуемой принята расчетная схема 60-этажного здания, с аутригерными конструкциями на 55-м этаже, где их установка дает максимальное уменьшение горизонтального прогиба от ветровой нагрузки.
Отмечено, что наиболее жесткая конструкция аутригера (схема А), при которой вертикальные связи установлены в каждом шаге периметральных колонн, дает уменьшение горизонтального перемещения верха здания на 22 % по отношению к зданию без этажа жесткости. Однако такой вариант труден для реализации на практике, так как в некоторых точках конструкции, например, в углах ядра жесткости, сходится достаточно большое количество элементов с жесткими узлами.
Из конструктивно реализуемых вариантов наибольший выигрыш в перемещениях (19 %) дает вариант Б. В нем связи расположены равномерно по периметру обстройки и обеспечивают равномерную передачу горизонтальных воздействий на внешние колонны. Заметим, что данный вариант расстановки связей конструктивно значительно проще схемы А при незначительной (менее 3%) разнице показателей.
Варианты В и Г по рассматриваемым параметрам имеют одинаковые показатели, значит, установка вертикальных связей по длинной стороне может быть выполнена на любом удалении от углов ядра жесткости.
Постановка угловых связей, располагаемых между углами ядра жесткости и углами периметральной обстройки, дает выигрыш в горизонтальном перемещении при отсутствии вертикальных связей по короткой стороне на 5 % по сравнению со схемой без связей по углам. Так, перемещение верха (схема Е) составляет 188 мм, в то время как для схемы Д – 180 мм.
В то же время вариант, при котором устанавливаются вертикальные связи по короткой стороне в комбинации с угловыми вертикальными связями, не дает существенного выигрыша в горизонтальном перемещении. Отметим, что угловые вертикальные связи не компенсируют отсутствие связей по длинной стороне. Установка только угловых связей дает самый низкий показатель уменьшения перемещений по сравнению с остальными вариантами.
Величины ускорений avib в горизонтальной плоскости верха здания незначительно отличаются при разных комбинациях вертикальных связей и находятся в диапазоне величин 25,2–25,7 мм/с2. Максимальное ускорение зафиксировано в схемах с наименьшим количеством вертикальных связей, а минимальное, напротив, – с наибольшим количеством связей (схема А).
Так же как и ускорения, частоты трех форм собственных колебаний от схемы к схеме меняются незначительно и в среднем имеют следующие значения: 0,151–0,161 Гц для первой формы, 0,202–0,213 Гц – для второй и 0,613 Гц – для третьей. Рассматриваемые изменения конструкции аутригера практически не влияют на вторую и третью формы колебаний.
Выбор положения аутригера в плане будет зависеть от усилий в ядре и колоннах/пилонах по периметру здания. В месте примыкания аутригерной стены в периметральной колонне возникает большой крутящий момент, необходимо это учитывать при выборе поперечного армирования (картинка ниже отражает изменения момента в т*м в зависимости от наличия/отсутствия примыкающей стены)
Происходят всплески роста армирования пилонов на смежных с техническим этажах из-за концентрации напряжений в месте резкой смены сечения (добавления стены), которые необходимо учесть при конструировании продольного армирования пилонов.
Примеры практического применения аутригеров в строящихся высотных зданиях
Реализация аутригерных систем нашлась в ММДЦ «Москва-Сити», на примере двух участков оценим пользу этого решения на практике. Конструктивно здания выполнены по одной схеме «труба в трубе», но имеют разную этажность (75 и 57 этажей).
Последовательная установка аутригеров в расчетную схему 75-этажного здания, расположенного на 12-м участке ММДЦ «Москва-Сити», показала, что аутригер, расположенный на 8-м этаже, уменьшает горизонтальное перемещение верха здания на 1,1 % по сравнению с расчетной схемой без аутригеров, а расположенный на 55-м этаже – на 12,24 %. Разница между горизонтальными перемещениями здания с одним аутригером на 55-м этаже и здания с двумя аутригерами на 8-м и 55-м этажах составляет чуть более 1,5 %. Эти показания говорят о неэффективности аутригера, расположенного на 8-м этаже.
Последовательная установка аутригеров в расчетную схему 57-этажного здания, расположенного на 10-м участке ММДЦ «Москва-Сити», показала, что аутригер, расположенный на 26-м этаже, уменьшает горизонтальные перемещения на 9,0 % по сравнению с расчетной схемой без аутригеров, а расположенный на 57-м этаже – на 10,6 %. Разница между перемещениями верха здания с одним аутригером на 57-м этаже и здания с двумя аутригерами на 26-м и 57-м этажах составляет около 7 %. Таким образом, данный вариант расстановки аутригеров представляется более рациональным по сравнению с вариантом 12-го участка.
Выводы
· Рациональное положение первого аутригера зависит от высоты здания и определяется на расстоянии (5/6–13/14)Н от уровня верха фундамента.
· Заметное уменьшение горизонтальных перемещений верха здания дает расположение второго аутригера в непосредственной близи от первого (на смежном уровне в два этажа).
· Для невысоких зданий, например, высотой до 40–50 этажей (160–200 м) и меньше выгоднее увеличить момент инерции ядра жесткости, чем устанавливать сложную систему аутригеров.
· Аутригерные конструкции практически не влияют на величины ускорений верха зданий от динамического действия ветра, которые можно понизить путем увеличения жесткости ядра или иными конструктивными мероприятиями.
· Наиболее рациональным расположением вертикальных связей аутригера считается то, при котором они расположены равномерно по плану здания,то есть их шаг по всему периметру здания примерно одинаков. Не рекомендуется применять схемы, при которых вертикальные связи установлены только по длинной стороне здания, а особенно – только по короткой.
· Работа аутригерной конструкции вызывает дополнительные усилия в пилонах периметра здания, а также в местах перехода с аутригерного этажа на типовой, это следует учитывать при подборе армирования.
· Аутригерные конструкции уже хорошо зарекомендовали себя на выполненных объектах ММДЦ «Москва-Сити».
Источники:
1. Хи С. Ч., Тхорнтон Т., Гоман Х., Аруп Х. К., Невилл М. Проектирование аутригерных систем // Высотные здания. 2013. №5. С. 5-8.
2. Карамышева А.А., Колотиенко М.А., Ковалев В.В., Даниленко И.Ю. Аутригеры высотных зданий // Инженерный вестник Дона.2018. №3.
3. Травуш В.И., Конин Д.В. Работа высотных зданий с применением этажей жесткости (аутригеров) // Вестник ТГАСУ. 2009. №2. С. 77-91.