ПОЧЕМУ НЕБОСКРЁБЫ НЕ ПАДАЮТ. ОБЪЯСНЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ НА ПРИМЕРЕ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

WHY SKYSCRAPERS DON'T FALL. AN EXPLANATION OF RIGIDITY AND STABILITY USING HIGH-RISE BUILDINGS

Ilyenko Anastasia Grigoryevna

Student, Department of Construction Engineering, I.T. Trubilin Kuban State University,

Russia, Krasnodar

Vysotskaya Kira Denisovna

Student, Department of Construction Engineering, I.T. Trubilin Kuban State University,

Russia, Krasnodar

Nikolenko Alexander Yuryevich

scientific supervisor, assistant professor of the Department of Strength of Materials, I.T. Trubilin Kuban State University,

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

Настоящее исследование посвящено систематизации инженерных принципов, обеспечивающих устойчивость и жесткость высотных сооружений в условиях значительных статических и динамических нагрузок. Цель работы заключается в создании образовательного ресурса, доступно раскрывающего сложные концепции строительной механики на примере передовых архитектурных решений.

В статье проводится физический анализ ключевых понятий жесткости и устойчивости, а также дается классификация основных конструктивных систем небоскребов. Особое внимание уделяется роли инновационных технологий демпфирования, повышающих комфорт и безопасность эксплуатации зданий.

Практическая часть исследования включает детальный разбор инженерных решений, реализованных в башне «Бурдж-Халифа» и Шанхайской башне. Рассматривается влияние архитектурной формы, такой как спиралевидный план и Y-образная конфигурация, на снижение ветрового воздействия. Анализируются специфические конструктивные системы — ядро с аутригерами и монолитный арматурный каркас, обеспечивающие перераспределение нагрузок и общую стабильность конструкций. Подчеркивается функциональность уникальных демпфирующих устройств, включая первое в мире индуктивное демпфирование, для гашения механических колебаний и минимизации физиологического дискомфорта у пользователей.

Материалы статьи представляют ценность для студентов строительных и архитектурных специальностей, способствуя углубленному пониманию принципов проектирования сверхвысоких зданий.

ABSTRACT

This study aims to systematize engineering principles that ensure the stability and rigidity of high-rise structures under significant static and dynamic loads. The goal of the work is to create an educational resource that clearly explains complex concepts of structural mechanics using examples of advanced architectural solutions.

The article provides a physical analysis of the key concepts of rigidity and stability and classifies the main structural systems of skyscrapers. Particular attention is paid to the role of innovative damping technologies, which improve the comfort and safety of building operations.

The practical part of the study includes a detailed analysis of the engineering solutions implemented in the Burj Khalifa and the Shanghai Tower. The influence of architectural forms, such as the spiral plan and Y-shaped configuration, on reducing wind effects is examined. Specific structural systems—a core with outriggers and a monolithic reinforcement cage—are analyzed, ensuring load redistribution and overall structural stability. The functionality of unique damping devices, including the world's first inductive damping, is highlighted for damping mechanical vibrations and minimizing physiological discomfort for users.

The article's materials are valuable for students majoring in civil engineering and architecture, promoting a deeper understanding of the design principles of ultra-tall buildings.

Ключевые слова: небоскребы, жесткость, устойчивость.

Keywords: skyscrapers, rigidity, stability.

В наше время тяжело представить мегаполис без небоскребов. Высотные здания являются не только показателями того, что город развит экономически, но и решают проблемы дефицита доступных для строительства территорий. С момента появления первых небоскребов, высота которых едва превышала 40 метров, инженерия совершила явный рывок, предоставив сейчас возможность возводить сооружения высотой более 800 метров. Несмотря на выгоду в территориальном плане, увеличение высоты означает, что сооружение будет больше подвергаться статическим и динамическим нагрузкам, таким как: ветер, сейсмическая активность, собственный вес, эксплуатационные воздействия. Благодаря тщательно продуманным инженерным решениям в сферах жесткости и устойчивости здания могут сохранять свою целостность. 

Проблема данного исследования заключается в необходимости синтеза и популяризации сложных инженерных принципов, обеспечивающих устойчивость небоскребов.

Цель статьи - систематизация и объяснение фундаментальных концепций жесткости и устойчивости на примере конструктивных решений конкретных высотных зданий.

Задачи: 1. Раскрыть с физической стороны понятия «жесткость» и «устойчивость» применительно к высотным сооружениям. 2. Классифицировать и описать основные конструктивные системы, обеспечивающие устойчивость небоскрёбов (рамные, связевые, ствольные, аутригерные и др.). 3. Проанализировать роль современных технологий, таких как демпфирующие системы (настроенные массовые и жидкостные демпферы), в повышении комфортности и безопасности зданий.

Практическая значимость состоит в создании образовательного ресурса, который может быть использован для ознакомления с темой студентов строительных и архитектурных вузов.

Шанхайская башня характеризуется выдающейся сейсмостойкостью и ветроустойчивостью, благодаря чему внешние метеорологические факторы не оказывают значимого влияния на её стабильность. Инновационная система стабилизации, именуемая демпфером, существенно снижает амплитуду механических колебаний конструкции вследствие воздействия воздушных потоков, одновременно минимизируя скорость изменения положения верхней части сооружения.

Традиционные системы демпфирования основаны на использовании взаимосвязанных подвижных элементов (маятников), выполненных из высокопрочной стали, обеспечивающих компенсацию динамических нагрузок путем смещения центра тяжести против направления отклонения основного корпуса. Однако применение стандартных решений было признано недостаточным для достижения требуемого уровня устойчивости уникальной архитектуры Шанхайской башни высотой 632 метра.

При проектировании были учтены специфические требования к комфорту пользователей высотного комплекса. Интенсивные вибрации верхних этажей могли бы вызвать физиологический дискомфорт («воздушную болезнь") среди персонала, помимо психологического стресса, вызванного ощущением нестабильности структуры. Для предотвращения указанных рисков специалисты внедрили уникальную систему амортизации: на вершине небоскреба была установлена специально подобранная масса с максимальным весом, соединенная с высокоэффективным электромагнитным устройством, образуя первое в мире устройство индуктивного демпфирования.

Форма здания, выполненная в виде спирали, обеспечивает снижение влияния ветра на 24 % относительно аналогичных сооружений традиционной прямоугольной формы.

Арматурный каркас небоскреба выполнен из монолитного железобетона, охватывающего сооружение на всю высоту, обеспечивая дополнительную прочность и жесткость несущих конструкций.

Бурдж-Халифа является уникальным сооружением с точки зрения инженерии. Высота здания составляет 828 метров, 180 из которых шпиль. В силу своей высоты здание подвержено колоссальной ветровой нагрузке, климатические условия создают значительные температурные перепады (в среднем 15 градусов), механическое оборудование, скоростные лифты машины создают ударные воздействия, из-за особенностей грунта могут стать причиной неравномерной деформации основания.

Для наиболее эффективной борьбы с ветровой нагрузкой был разработан план здания в виде трилистника, также борьбе способствует ярусность небоскрёба - здание сужается к вершине. Y-образная форма здания с тремя листами, спиралевидно сужающимися по высоте, значительно снижает ветровые нагрузки и вихревые возбуждения. Она не позволяет создавать синхронные вихри, которые могли бы стать причиной колебаний.

Конструктивная система Бурдж-Халифа - "buttressed core system" (ядерная система с аутригерами). Центральным ядром жесткости является монолитный железобетонный свайный плот в форме трехлучевой звёзды. При возвышении ядро сужается, лучи постепенно отсекаются, образуя неравномерную спиралевидную форму, которая воздействует на ветер, не давая ему создать резонанс. Сваи и колонны, расположенные в лучах ядра равномерно распределяют вертикальную нагрузку, разгружая ядро. Колонны, работающие на сжатие и растяжение, являются важным аспектом в противодействии ветровым нагрузкам. При воздействии ветра колонны растягиваются с подветренной стороны и сжимаются с противоположной. Система аутригеров перераспределяет нагрузки между ядром и колоннами, предотвращая концентрацию напряжения в одной точке, также система позволяет увеличить частоту колебаний здания, что позволяет снизить его восприимчивость к порывам ветра.

Фундамент здания свайно-ростверковый. Он состоит из 194 свай длинной 50 метров и диаметром 1,5 метра. Сваи расположены по всей площади застройки, наибольшая концентрация приходится на ядро жесткости. Для равномерного распределения нагрузки был залит ростверк - железобетонная плита толщиной 3,7 метра. Данная система обеспечивает равномерную осадку, устойчивость и жёсткость.

Список литературы:

1. Бейкер, У. Ф.; Користа, Д. С.; Новак, Л. С. Бурдж Дубай: инженерия самого высокого здания в мире // Конструктивный дизайн высоких и специальных зданий. 2007. Том 16, № 4. С. 361–375.
2. МакКарти, Сесилия Пинто. Инженерия Бурдж-Халифа. Миннеаполис: Abdo Publishing, 2017. 112 с.
3. Ашер, Кейт. Высоты: анатомия небоскрёба. Нью-Йорк: Penguin Books, 2011. 224 с.
4. Дюпре, Джудит; Смит, Эдриан. Небоскрёбы: история самых выдающихся зданий мира. Обновлённое издание. Нью-Йорк: Hachette, 2013. 176 с.
5. Фливбьерг, Бент; Брузелиус, Нильс; Ротенгаттер, Вернер. Мегапроекты и риски: анатомия амбиции. Кембридж: Cambridge University Press, 2003. 208 с.
6. Вайнґардт, Ричард. Инженерные легенды: великие американские инженеры-строители. Рестон: Американское общество инженеров-строителей, 2005. 256 с.
7. Великое приключение: Бурдж-Халифа — самое высокое сооружение в мире // Журнал строительной безопасности (ICC-Safe). 2010.
8. Ашер, Кейт. Город: как это работает. Анатомия мегаполиса. Нью-Йорк: Penguin Press, 2005. 256 с.
9. Shanghai Tower : [веб-сайт] / Thornton Tomasetti. – URL: https://www.thorntontomasetti.com/project/shanghai-tower
10. Shanghai Tower // Gensler : официальный сайт. – URL: https://www.gensler.com/projects/shanghai-tower?q=Shanghai%20Tower