Колонны

Несущие элементы конструктивных систем высотных зданий

Для возведения высотных зданий применяют материалы с особыми качествами. В первую очередь это относится к прочности и деформативности, поскольку именно данные показатели определяют общую прочность остова здания и его устойчивость к различного рода внешним воздействиям.

Современные высотные здания возводят из высокопрочного бетона и стали, преимущественно монолитного бетона и железобетона. Сборные железобетонные изделия находят ограниченное применение, главным образом в качестве составных элементов сборномонолитных диафрагм жесткости или несъемной опалубки вертикальных и горизонтальных несущих конструктивных элементов.

Для стеновых систем используют высокоподвижные и литые бетоны класса по прочности на сжатие С³⁰/₃₇ и выше (В40 и выше по классификации СНиП 2.03.01–84*). Армирование стеновых конструкций выполняют арматурой класса S500. В практике высотного строительства Российской Федерации получила широкое распространение арматура класса Ат500С по ГОСТ 10884–94, которую применяют для рабочего армирования как в растянутой, так и сжатой зоне сечения.

Стойки каркасных систем – колонны, пилоны и другие аналогичные элементы возводят с применением так называемого высокопрочного (HSC – High Strength Concrete) и высококачественного бетона (HQC – High Quality Concrete), прочность на сжатие которого достигает 100 МПа и более. Это бетоны с заданными свойствами, определенными из условий технологии производства работ и обеспечения требований безопасности, в том числе в случае пожара. Для бетонирования элементов, густо насыщенных арматурой, применяют литые самоуплотняющиеся бетонные смеси, модифицированные химическими добавками в зависимости от технологии производства бетонных работ. Так, например, при бетонировании больших массивов, таких, как фундаменты высотных зданий, имеющие объемы до нескольких тысяч кубометров, в бетоны вводят замедлители схватывания, которые препятствуют разогреву свежеуложенного бетона за счет тепла, выделяемого при гидратации цементного камня. Ограничение температуры внутри массива необходимо для исключения образования температурноусадочных трещин, особенно в холодный период года.

Для повышения огнестойкости высокопрочного бетона, для которого характерно взрывное хрупкое разрушение при высокотемпературном нагреве, в состав бетонной смеси вводят полимерный наполнитель. При нагреве полимерные волокна плавятся и искусственно создают поризацию цементного камня, которая в свою очередь обеспечивает возможность расширения водяных паров без отрыва поверхностных участков бетона.

В современных небоскребах крайне редко можно встретить “чисто” стальные или железобетонные в традиционном понимании (с обычным процентом армирования) конструкции. Габаритные размеры колонн и количество рабочей арматуры определяются целым рядом факторов и зависят от тех конкретных требований, которые инженер предъявляет к несущей системе здания. Варьируя прочность бетона и количество продольного армирования (рис. 4), можно добиться оптимизации конструктивных решений и минимизации их стоимости без снижения надежности, что для высотных зданий весьма и весьма актуально. При недостаточной несущей способности, жесткости или продольной устойчивости стоек каркаса применяют сталебетонные колонны с внешней стальной оболочкой либо с внутренней жесткой арматурой (рис. 5). Такие решения позволяют также повысить и огнестойкость конструкций.

Конструкция колонн, расположенных по периметру здания со ствольной несущей системой, в значительной мере определяет его способность к сопротивлению действующим нагрузкам. Для гашения ускорений и уменьшения амплитуды колебаний верхних этажей в этих местах устраивают колонны с демпфирующими свойствами, которые способствуют ограничению раскачивания строения. Такие колонны в сочетании с уже упоминавшимися аутригерными балками в несущей системе башен Petronas Towers позволили ограничить до требуемых значений отклонения по горизонтали и отказаться от устройства маятниковых демпферов.