Защо небостъргачите не падат
Небостъргачи изпълниха света. Растат като гъби след дъжд във всички страни по света. Обединените арабски емирства са особено богати на необикновени небостъргачи.
Domik.ua наскоро съобщи за Бурж Халифа, най-високият небостъргач в света. Построена е сравнително бързо и изглежда внушително. Но мащабът е невероятен - как такава огромна конструкция се държи на земята и не пропада банално ?!
Някога небостъргачите бяха построени от желание да се спаси земя, която бързо поскъпваше в американските градове. Сега това съображение не изглежда да е решаващо за дълго време. Свръхвисоките сгради днес се издигат с друга цел - да покажат богатство, власт, амбиция. Но ако надпреварата на небостъргачите беше хиляди пъти панаир на суетата, изграждането им нямаше да престане да бъде най-трудният инженерен проблем.
Когато говорят за друга рекордно висока структура, те обикновено говорят за това, което се издига над земята. Разбира се, за височината, броя на етажите и асансьорите, платформите за наблюдение, от които се вижда половината свят, и за това, например, как да се достави вода до стотина етажа, така че водоснабдяването да не се счупи от огромното налягане в тръбите.
За подземната част се говори по-малко, но въпросът как гигантски, дълги почти километри "игли", като тази, построена от Бурж Халифа или строящата се Кралска кула, се съхраняват в земята, е доста интересен. Защо не падат? Защо не потъват в земята и как издържат колосални ветрови натоварвания?
За да разбере технологията за изграждане на основи за небостъргачи, "ПМ" се обърна към Московския институт "Горпроект", който се занимава по-специално с проектиране на високи сгради. Елена Зайцева, д-р, ръководител на проектантския отдел на ЗАО "Горпроект", любезно се съгласи да бъде наш консултант.
Диаграмата показва разпределението на натоварването върху фундаментната плоча. Зоните на най-големите вертикални натоварвания са подчертани в жълто и кафяво. Те падат върху крилата, които играят ролята на опори.
Това не е Манхатън
„Основното при проектирането на основата на висока сграда е, разбира се, голямото натоварване, прехвърлено от конструкцията към основата“, казва Елена Зайцева. - Необходимо е да се прави разлика между понятията "фундамент" и "основа на сградата". Фундаментът се разбира като част от сградата (долни конструкции - плоча, пилотна скара, пилоти и др.), Която пренася натоварването от конструкцията върху земята. И, съответно, основата се разбира като масив от почва, в който възникват допълнителни напрежения и валежи в резултат на въздействието на сградата върху нея чрез нейната основа.
Предизвикателството е правилното проектиране както на основата, така и на основата. Основната трудност възниква поради факта, че височината на сградата е голяма, а площта на прехвърляне на натоварването към основата по отношение на височината на конструкцията е малка. Това води до големи напрежения както в самата фундаментна конструкция (големи огъващи моменти и значителни натоварвания на срязване от стени и колони), така и в основата (фундамент-почва).“
По този начин дизайнът на основата директно зависи от характеристиките на почвата. Известно е, че в най-известния парк от небостъргачи - на остров Манхатън - скалистата почва е близо до повърхността, което значително улеснява работата на дизайнерите. Достатъчно е да разчистите равна площ - и върху нея можете да поставите основа под формата на дебела плоча от стоманобетон.
Тези дни обаче шампионатът по свръхвисоко строителство се провежда в друго кътче на света - на Арабския полуостров. Именно там се издига и подготвя най-високият небостъргач Бурж Халифа (828 м, ОАЕ).изграждането на друго чудовище с височина 1007 м - Кралската кула (Саудитска Арабия). Искаха да направят последния с височина една миля (1609 м), но геолозите казаха категорично „не“ - земята нямаше да издържи.
Задържане на червата
Основата на Бурж Халифа е проектирана като фундамент от пилоти и плочи. Плочата с дебелина 3,7 м е нещо като цвете с три венчелистчета, което отразява цялостната структура на сградата, състояща се от централно шестоъгълно ядро и три крила, които играят ролята на контрафорси (вертикални носещи конструкции). Това дава на сградата по-голяма здравина за странично натоварване и усукване. Беше решено плочата да се подпре на 192 пилота с диаметър 1,5 и дължина 43 m.
Пилотите за небостъргачи в повечето случаи са отегчени, т.е. те се правят чрез пробиване на кладенци с необходимия диаметър и дълбочина и след това запълване с армировъчни елементи и бетонов разтвор.
Понякога пилотите проникват в слоеве мека почва и достигат твърди скали на определена дълбочина, осигурявайки солидна опора на основата. Но в Арабия дори на дълбочина 50 м скалите са меки, с ниска степен на циментация. Пилотите, поддържащи фундаментната плоча, по същество са "висящи", т.е. натоварването от сградата се прехвърля към горните слоеве на почвата през плочата и към долните - главно чрез триенето на пилотните и почвените повърхности. Интересен инженерен проблем трябваше да бъде решен по време на изграждането на кулите близнаци в Куала Лумпур - Petronas Towers.
Под мястото на бъдещата им основа имаше здрава скалиста почва, но под формата на доста стръмен склон. Възможно е да се избере вариант с пилоти, лежащи върху скалата, но тогава някои от тях ще бъдат много къси, докато други ще бъдат много по-дълги. Проектантите се страхуваха, че под тежестта на сградите по-дългите пилоти ще се компресират с времето и дължината им ще бъде значителноще бъдат намалени, което ще доведе до ролка. В крайна сметка беше решено да се премести строителството там, където скалистата почва не се доближава до повърхността, и да се поставят небостъргачи на "висящи пилоти".
Бетонът работи чудесно при натиск, но не толкова добре при опън и огъване. „При изграждането на основи се използва стоманобетон, който включва стоманена армировка и тежък бетон“, обяснява Елена Зайцева. - Плочите са армирани с хоризонтални мрежи, които поемат огъването, а бетонът поема натоварванията на натиск. Диаметърът на стоманената армировка в плочите достига 40 мм, но в пилотите те могат да използват специална армировка и по-голям диаметър.
По този начин свръхвисоката сграда прехвърля вертикалното натоварване и моментите на огъване към основата чрез плоча или плоча. Но как самата сграда е прикрепена към основата?
Непрекъсната комуникация
„В момента, когато става дума за високи сгради, директното свързване на строителни конструкции с плоча или скара (греда, която разпределя натоварването върху пилоти) се извършва по твърда схема“, казва Елена Зайцева. - От плочата се правят изходи за армировка на местата, където върху нея се поддържат вертикални конструкции, така че да съвпадат с армировката на тези конструкции. Впоследствие, при бетониране на стени и колони, армировката на плочата и конструкциите се свързва, образувайки непрекъсната връзка.
Това позволява на небостъргача да има надеждна „котва“, където ще се прехвърли хоризонталното натоварване, което възниква при пориви на вятъра или сеизмични удари, които имат ефект на срязване. Що се отнася до свързването на пилоти с решетка, тук е възможно шарнирно свързване, когато армировката на купчината не е вкарана в плочата на скарата, или твърда - когато не само армировката, но и част от главата на купчината е вкарана в плочата.В първия случай се предават само вертикални натоварвания от сградата към пилотите, във втория случай се предава и огъващият момент.
Ако се приближим до строителната площадка, където тепърва започва строителството на небостъргач, няма да видим нито пилоти, нито плочи. Най-вероятно пред нас ще зее огромна дупка: във всеки, дори и най-високият небостъргач, са проектирани подземни етажи и следователно строителството започва с изкопаване на фундаментна яма.
За да не се срути фундаментната яма, чиито наклони могат да бъдат 5–10 метра или повече, ограждащите конструкции се издигат от шпунтови пилоти (обикновено са направени от метал) или под формата на „стена в земята“. И само в дъното на фундаментната яма ще бъдат пробити сондажи за сондажни пилоти, а след това там ще бъде излята плоча, която ще стане основната опора на небостъргача, невидима отвън.
Московска специфика
Една от характеристиките на дизайна на високите сгради в Москва е липсата на твърди скалисти почви и на някои места доста високо ниво на подпочвените води.
Земният слой в Москва е представен от слоеве от пясъчни и глинести почви с различна консистенция. Това е доста добра основа за обикновени сгради, но като се има предвид, че налягането под основата на основата на висока сграда е средно в диапазона от 7-11 kg / cm2, това става недостатъчно.
Вярно е, че в Москва почти навсякъде на достъпна дълбочина (за сгради с голяма подземна част) и при наличие на пилотна основа се появява слой варовик. На него се опитват да опрат основите на небостъргачи. Въпреки това, варовикът е материал, първо, значително по-малко издръжлив от, например, същия гранит, и, второ, склонен към разрушаване под въздействието на киселини.
Като се има предвид, че човешките отпадъци бавно, но сигурно замърсяват хоризонтитеподземни води, е необходимо да се има предвид това в дългосрочен план за съществуването на небостъргач. Но имахме късмет с липсата на урагани и земетресения с чести и катастрофални последици. Въпросите за защита на ямата от наводняване с подпочвени води по време на строителния период се решават или чрез дълбоко обезводняване с помощта на кладенци, които изпомпват вода от дълбочини под дъното на ямата, или чрез създаване на водоустойчива "стена в земята", долният край на която се спуска в глинеста почва, която е водопровод (непроницаема за вода).
Подземната част на сградата е защитена от вода или с помощта на различни хидроизолационни системи, или с помощта на така наречената бяла баня: това е специален бетон с намалена водопропускливост, а на местата, където са монтирани дилатационни и технологични фуги, са монтирани еластични дюбели, които предотвратяват проникването на вода през шевовете.
Разбира се, тези работи изискват добра квалификация на строителите, тъй като грешките, допуснати при изграждането на подземната част на сградата, са много трудни и много скъпи за отстраняване.