ИННОВАЦИОННЫЕ  ИНЖЕНЕРНЫЕ  УСТРОЙСТВА  НОВЫХ  ВЫСОТНЫХ  ЗДАНИЙ,  КИНЕМАТИЧЕСКИЕ  ФУНДАМЕНТЫ  И  ДЕМПФЕРЫ

Онищенко  Юлия  Владимировна

магистрант  1курса,  факультет  архитектуры  КазГАСА,  г.  Алматы

E-mail: 

Кисамедин  Гульжан  Мустаховна

научный  руководитель,  канд.  архитектуры,  профессор  КазГАСА,  г.  Алматы

Статья  посвящена  инновационным  инженерным  устройствам,  которые  применяются  в  высотных  зданиях  для  обеспечения  самого  важного  условия  при  возведении  —  устойчивости.

Актуальность  исследования  подтверждается  политикой  оптимизации  городских  территорий  и  строительством  высотных  зданий.  Создание  высотных  зданий  открыло  человеку  в  буквальном  смысле  новые  горизонты  —  вид  из  окна  высотного  здания  несравним  с  видом  из  окон  двухэтажных  домов.  Свет,  воздух,  пространство  воспринимается  иначе.  Высотный  дом  привлекателен  и  с  экономической  точки  зрения:  арендные  ставки  в  таком  доме  выше,  полезные  площади  больше.  Первым  небоскрёбом  принято  считать  здание  Страховой  компании  (The  Home  Insurance  Building),  построенное  в  1885  году  в  Чикаго  и  просуществовавшее  до  1931  года.  «Первоначально  оно  имело  всего  10  этажей  и  высоту  42  м;  позднее,  в  1891  году,  были  надстроены  ещё  два  этажа,  а  высота  здания  выросла  до  54,9  м.  Автор  проекта  —  американский  архитектор  Уильям  Ле  Барон  Дженни»  [5].  Каждое  высотное  здание  требует  от  разработчиков  инновационных  технологий,  особенно  когда  его  высота  увеличивается,  по  сравнению  небоскребом-предшественником,  а  суровые  условия  (низкие  или  высокие  температуры,  затопления,  повышенная  сейсмоактивность,  тайфуны),  и  другие  критически  неблагоприятные  факторы  для  строительства,  встают  на  пути.  Каждое  инновационное  изобретение,  направленное  на  повышение  устойчивости,  позволяет  создать  новое  уникальное  здание,  выше  прежнего.

Постановка  проблемы  настоящего  исследования  связана  с  обеспечением  устойчивости  высотных  зданий,  посредством  внедрения  в  архитектуру  неустойчивых  элементов  —  подвижных,  шарнирных  или  кинематических  инженерных  решений.  Каждое  высотное  здание  подвергается  вертикальным  и  горизонтальным  нагрузкам,  поэтому  сейсмоизоляция  и  ветроустойчивость  являются  актуальными  проблемами.  Современные  инженеры  предлагают  разнообразные  интеллектуальные  устройства  систем  сейсмоизоляции:  кинематические  фундаменты  и  гасители  энергии  колебаний  —  демпферы.  Достижения  современных  технологий  инженерного  искусства  в  каждом  новом  уникальном  здание  представляет  собой  шаг  в  будущее. 

Наиболее  уникальным,  в  том  числе  с  точки  зрения  местоположения,  является  башня  Тайпей  101,  (рис.  1)  построенная  в  столице  Тайваня,  в  одном  из  самых  сейсмоопасных  и  непригодных  для  строительства  небоскребов  городе.  Высота  101-этажного  здания  составляет  508  м.  Чтобы  построить  такое  здание  в  Тайпее  нужно  было  убрать  с  пути  три  главных  препятствия:  землетрясения,  сильные  тайфуны  и  нестабильный  глинистый  грунт.  Инженеры  проекта  предложили  новаторское  решение.  Они  разработали  конструкцию,  состоящую  из  2-х  конструкционных  элементов,  и  новый  подход  к  строительству  фундаментов:

Рисунок  1.  Небоскреб  Тайпей  101

Рисунок  2.  Идея  двойной  трубы

1.  Каркас,  укрепленный  раскосами,  соединен  с  восемью  сверхпрочными  колоннами  из  стали  и  бетона.

2.  Демпфер  —  «гигантский  маятник  весом  660  тонн»  [1],  придает  зданию  устойчивость  при  сильном  ветре.

3.  Уникальный  фундамент,  обединяет  здание  с  землей  в  единое  целое.

Остров  Тайпей  расположен  на  стыке  двух  тектонических  плит,  их  трение  друг  об  друга  вызывает  землетрясения.  Весь  остров  является  сейсмически  опасной  зоной.  Три  разлома  меньшего  размера  проходят  непосредственно  зданием  Тайпей  101.  Каждый  год  на  острове  происходят  сотни  землетрясений.  Во  время  землетрясений  мощные  сейсмические  волны  передаются  на  все  части  здания,  и  оно  сотрясается  до  самого  фундамента.  Чтобы  выдержать  эти  удары,  здание  должно  двигаться  одновременно  с  движением  земной  коры,  то  есть  быть  гибким.  Если  здание  жесткое  и  ломкое,  то  серьезные  повреждения  внутреннего  стального  каркаса  неизбежны.  Землетрясение  в  здании  вызывает  вертикальные,  горизонтальные  и  скручивающие  напряжения.  Сложная  внутренняя  система  небоскреба  Тайпей  101,  обеспечивает  зданию  устойчивость  при  самых  сильных  землетрясениях.  Колонны  действуют  как  гибкий  позвоночник.  Подобные  колонны  уже  применялись  в  других  зданиях,  но  масштаб  в  здании  Тайпей  101  вывел  их  на  качественно  новый  уровень.  Основная  идея  конструкции  —  идея  так  называемой  двойной  трубы  (рис.  2).  Для  этого  небоскреба  было  изготовлено  5  видов  стали  с  разным  соотношением  гибкости  и  жесткости.  36  колонн  в  центре  здания  из  сверхпрочной  стали  выдерживают  нагрузки  на  растяжение,  а  бетон  внутри  этих  колонн,  нагрузки  на  сжатие.  Бетон  был  разработан  специально,  он  «на  60  %  прочнее  обычного  бетона  и  способен  выдерживать  давление  —  700  кг/см²»  [1].  Пассивный  демпфер  небоскреба  (рис.  3)  предназначен  для  того,  чтобы  противостоять  ветру.  Когда  здание  отклоняется  в  одном  направлении,  демпфер  движется  в  противоположную  сторону,  препятствуя  накоплению  энергии,  и  гасит  колебания,  создающиеся  завихрениями.  Прочный  фундамент  находится  ниже  ненадежного,  мягкого  глинистого  грунта.  Он  заглублен  примерно  на  60  метров  и  стоит  на  скалистом  основании.  Бетонная  плита  объемом  23  000  м³  уложена  на  сложную  систему  из  382  бетонных  свай  повышенной  прочности,  (рис.  4).  Эти  сваи  переносят  вес  здания  и  его  структуру  глубоко  в  грунт. 

Рисунок  3.  Демпфер

Рисунок  4.  Бетонные  сваи

Небоскреб  не  просто  стоит  на  земле,  он  сливается  с  ней.  Фундамент  в  сочетании  с  гигантским  каркасом  небоскреба  и  демпфером  обеспечивает  зданию  стопроцентную  защиту  от  землетрясений.  Испытание  позвоночного  столба  здания  произошло  раньше,  чем  это  ожидалось.  «В  2002  году  31  марта  город  сотрясли  толчки  силой  6,8  баллов  по  шкале  Рихтера  [1].  Пострадал  весь  город,  находящийся  в  135  км  от  эпицентра:  было  разрушено  более  100  домов,  рухнуло  5  высотных  зданий,  два  крана  обрушились  с  высоты  250  метров  здания  Тайпей  101,  но  внутренний  каркас  здания  не  пострадал.  Этот  тест  природы  показал,  что  здание  способно  устоять  при  сильном  землетрясении. 

Самым  сейсмоустойчивым  зданием  в  мире  на  сегодняшний  день,  является  Тайпей  101,  а  самым  высоким  здание  Бурдж  Халифа  в  Дубаях  (рис.  5).  Это  сверхвысокое  здание  в  песках  пустыни  поставило  перед  инженерами  задачу  поиска  особого  подхода.  В  Дубаях  скальная  порода  залегает  не  так  глубоко,  как  в  Тайпее,  но  она  слишком  хрупка  и  не  способна  удерживать  большой  вес.  Что  бы  получить  мощность  породы  достаточную,  что  бы  держать  здание  пришлось  бурить  грунт  на  пределе  возможностей  вращательного  бура,  на  глубину  50  м. 

Рисунок  5.  Башня  Бурдж  Халифа

В  Дубаях  сложно  бурить,  но  еще  сложнее  приходится,  когда  бур  извлечен  из  породы,  потому  что  порода  насыщенна  влагой  и  начинает  обваливаться.  Что  бы  решить  эту  проблему  инженеры  применили  материал  космической  эры  —  вязкую  жидкость,  состоящую  из  молекулярных  цепочек,  которая  при  контакте  с  водой  образует  очень  длинные  волокна,  вязкость  которых  предотвращает  обрушение  скважины.  Этот  сиропообразный  полимер  плотнее  воды,  но  легче  бетона,  бетон  вытесняет  смолу  и  застывает,  образуя  сваи  фундамента.  200  свай  образующих  единую  систему,  не  позволяют  зданию  весом  в  500  000  тонн  уйти  под  землю.  Каркас  Бурдж  Халифа  сочетает  все  лучшее,  что  может  быть  в  стали  и  камне.  В  его  конструкцию  входит  более  30  000  тонн  стали.  Металл  внедрен  в  искусственный  камень  -  бетон,  усиленный  таким  образом  бетонный  костяк  здания,  облачен  в  высокотехнологичные  шторы  из  стекла  и  металла.  Стены  крепятся  к  каркасу  секциями  высотой  до  2-х  этажей,  панели  стен  жесткие,  а  соединения  между  ними  подвижные.  Если  в  здании  кто-то  передвигает  мебель  к  внешней  стене,  пол  наклоняется  и  стена  опускается  вниз,  но  подвижное  соединение  компенсирует  сдвиг.  Подвижные  соединения  позволяют  каждой  секции  расширяться  и  сжиматься  под  действием  изменений  температуры,  когда  горячее  солнце  пустыни  обходит  небоскреб  со  всех  сторон.  Стены-шторы  Бурдж  Халифа,  стоят  сотни  миллионов  долларов,  поэтому  перед  закреплением,  инженеры  испытывали  их  на  прочность  и  ветроустойчивость. 

Что  бы  избавить  от  морской  болезни  обитателей  башни  Бурдж  Халифа,  разработчики  обратились  к  аэродинамическим  решениям  самого  продвинутого  уровня.  Аэродинамическая  труба,  была  неотъемлемой  частью  всего  процесса  разработки  башни  Бурдж  Халифа.  Каждый  элемент  здания  продували  в  аэродинамической  трубе.  Когда  высотные  здания  подвергаются  сильнейшим  ветровым  нагрузкам,  стальной  каркас  при  этом  гнется  и  раскачивается,  так  что  на  верхних  этажах  ощущается  самая  настоящая  качка,  которая  может  привести  к  морской  болезни.  При  высоте  башни  Бурдж  Халифа,  разработчики  не  могли  воспользоваться  ранее  изобретенной  технологией,  выноса  каркаса  наружу,  который  был  разработан  создателями  Sears  Tower.  Секции  башни  Бурдж  Халифа,  спроектированы  так,  чтобы  гонять  ветер  в  разные  стороны  это  разрушает  мощь  вихрей  и  не  дает  ветру  захватить  здание  (рис.  6,7).  Обдувая  башню  Бурдж  Халифа,  ветер  никогда  не  образует  единого  потока.  Вокруг  каждой  части  здания  вихри  образуются  с  различной  скоростью.  Разработчики  Бурдж  Халифа,  фактически  спроектировали  ветер,  моделируя  его  поведение  вокруг  башни.

Рисунок  6.  Форма  моделирует  ветровые  потоки

Рисунок  7.  Поток  ветра  вокруг  формы

Достижения  современных  технологий  инженерного  искусства,  бросают  вызов  природе.  Новые  открытия  позволяют  возводить  здания  способные  без  ущерба  взаимодействовать  с  силами  природы,  выдерживать  бушующие  стихии,  преодолевать  трудности  связанные  с  суровым  климатом,  перепадами  температуры  от  жары  пустыни  до  арктического  холода. 

Разработчики  здания  Пирамиды  Мира  и  Согласия  в  г.  Астана  столкнулись  именно  с  такой  проблемой.  Даже  самые  прочные  здания  реагируют  на  значительные  изменения  температуры.  Стены  зданий  сжимаются  при  зимнем  холоде  и  расширяются  при  летней  жаре.  Колебания  температуры  в  г.  Астана  составляют  +40  летом  и  –40  градусов  в  зимнее  время.  При  форме  пирамиды  расширение  и  сокращение  стен  привело  бы  к  неминуемой  катастрофе,  они  провалились  бы  внутрь.  Поэтому  инженеры  конструкторы  разместили  40  опор  колон  под  пирамидой  на  специальных  скользящих  платформах,  36  колонн  могут  двигаться  практически  в  любом  направлении,  только  4  колонны  закреплены  (рис.  8).

Рисунок  8.  Подвижность  здания  в  ширину

Рисунок  9.  Уникальности  примеров

Если  проследить  128-летнюю  историю  высотных  зданий,  то  можно  заметить,  что  каждое  новое  изобретение  позволяет  создать  новое  здание  выше  прежнего.  С  каждым  новым  небоскребом  архитекторы  и  инженеры  делают  шаг  в  будущее.  Здания,  рассмотренные  в  статье,  являются  ведущими  примерами  применения  инновационных  решений,  направленных  на  обеспечение  самого  важного  условия  при  возведении  зданий  -  устойчивости.  Башня  Бурдж  Халифа  является  примером  формы,  моделирующей  направления  ветровых  потоков,  и  примером  применения  архитектурно-строительной  аэродинамики  для  обеспечения  ветроустойчивости  и  прочности  (рис.  9).  Здание  Тайпей  101  является  ведущим  примером  сейсмоустойчивости  благодаря  двойному  каркасу  из  уникальной  стали,  сверхпрочному  бетону,  демпферу  и  фундаменту,  который  объединяет  здание  с  землей  в  единое  целое  (рис.  9).  Дворец  Мира  и  Согласия  в  г.  Астана  является  примером  полностью  кинематического  каркаса,  который  позволяет  зданию  в  форме  пирамиды  свободно  дышать  (рис.  9). 

Список  литературы:

1.Документальный  фильм  «Рукотворные  чудеса:  Азия-Тайпей  101»,  Discovery  Channel  2006  CD-диск

2.Международный  казахский  сервер  —  документальный  фильм  —  Создавая  будущее.  Дом  XXI  века  Дворец  мира  и  согласия.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.kazakh.ru/news/video/?videoid=li0MSj1aaj4  (дата  обращения  18.10.2013).

3.«Небоскребы  еще  себя  покажут»  журнала  «НАУКА  И  ЖИЗНЬ»  №  12  2006  Портал  журнала  «Наука  и  жизнь»  ©  2005—2013,  АНО  Редакция  журнала  «Наука  и  жизнь»  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.nkj.ru/  (дата  обращения  16.10.2013).

4.Проекты  Дворец  мира  и  согласия,  Астаны,  Казахстан  2004—2006  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.fosterandpartners.com/projects/palace-of-peace-and-reconciliation/  (дата  обращения  18.10.2013).

5.Энциклопедия  википедия  —  The  Home  Insurance  Building.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://ru.wikipedia.org/wiki/The_Home_Insurance_Building  (дата  обращения  20.10.2013).