Шуллер - Конструкции высотных зданий
В. Шуллер
Конструкции высотных зданий
Перевод с английского канд. техн. наук Л.Ш. Килимника
Под редакцией Г. А. Казиной
Москва Стройиздат 1979
Шуллер В. Конструкции высотных зданий: Пер. с англ. — Стройиздат, 1979. — 248 с. ил.— Перевод изд.: High —Rise Building Structures /
Систематизированы конструктивные решения зданий большой этажности. Приведена подробная классификация систем несущих конструкций, даны описание конструктивных элементов и примеры расчетов их прочности и перемещений при ветровых и.сейсмических нагрузках, а также при действии вертикальных и горизонтальных сил. Приведены рекомендации по конструктивным схемам железобетонных и стальных каркасов в зависимости от этажности зданий.
Книга предназначена для архитекторов, проектировщиков и конструкторов.
Табл. 4. рис. 220, список лит.: 113 назв.
© Перевод на русский язык, Стройиздат, 1979
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Предлагаемая вниманию советского читателя книга американского специалиста В. Шуллера посвящена вопросам проектирования и строительства за рубежом высотных зданий. Автору удалось в достаточно четком и систематизированном виде представить обширный материал по высотному строительству, обобщающий опыт разработки архитектурно-планировочных и конструктивных решений, особенно за несколько последних десятилетий.
Основное внимание автор уделил описанию особенностей и закономерностей работы различных систем высотных зданий, выявлению взаимосвязи между характером распределения усилий в конструкциях при разных по своей природе внешних воздействиях и принципами восприятия этих усилий, установлению тенденций развития и совершенствования архитектурно-планировочных решений. Подробно рассмотрены наиболее современные конструктивные схемы, в том числе принципиально новые решения, которые находят применение в практике проектирования и строительства в последние годы.
Заслуживает внимания стремление автора изложить сложные и взаимосвязанные вопросы проектирования зданий с позиций комплексного подхода как единых систем, функционирование которых определяется воздействием окружающей среды, разнообразием силовых, кинематических и метеорологических воздействий, требованиями по обеспечению архитектурной выразительности, рациональному и экономичному выбору конструкций, огнестойкости, санитарных норм, а также учетом социологических и экологических проблем крупных городов.
Благодаря этому книга В. Шуллера найдет в нашей стране широкий круг читателей: студентов, аспирантов и преподавателей архитектурных и строительных вузов, архитекторов, инженеров-проектировщиков и строителей.
При знакомстве с книгой В. Шуллера следует иметь в виду, что далеко не все изложенные в ней принципы проектирования и строительства высотных зданий применимы к отечественной практике высотного строительства. Развитие объемно-планировочных и конструктивных решений высотных зданий в нашей стране характеризуется прежде всего максимальным использованием индустриальных методов полносборного домостроения, широким применением железобетонных конструкций заводского производства, поиском областей рационального применения различных конструктивных схем, мероприятиями по экономному расходованию материалов и в первую очередь стали, снижению трудоемкости монтажа. К основным достижениям отечественной школы проектирования высотных зданий относятся создание унифицированного набора конструкций для зданий различного назначения, широкие масштабы типового проектирования, обеспечивающего сооружение зданий, разнообразных по объемно-планировочным решениям, архитектуре, этажности и назначению при использовании минимального числа типов изделий. Опыт высотного строительства в Москве и других городах страны, получившего большое развитие в последние годы, убедительно демонстрирует достижения отечественной школы строительной науки и техники. Заинтересованному читателю можно рекомендовать, например, монографию Ю. А. Дыховичного «Конструирование и расчет жилых и общественных зданий повышенной этажности» (М., Стройиздат, 1970).
Изложенные в книге В. Шуллера принципы расчета и конструирования высотных зданий базируются, естественно, на принятых в США и в других зарубежных странах нормативных документах.
Основные положения отечественных строительных норм и правил по определению расчетных нагрузок и усилий в элементах конструкций, проверке их несущей способности и устойчивости и другим вопросам во многом отличны от положений зарубежных нормативных документов.
К сожалению, при изложении основных вопросов высотного строительства автор ограничился детальным и конкретным описанием конструктивных схем зданий без их критического анализа. В книге отсутствуют рекомендации по выбору тех или иных рациональных и оптимальных решений для конкретных условий (выбор принципиальных конструктивных схем, материала несущих конструкций, систем связей, конструкций, стен и т. п.). В книге широко представлены примеры расчета (в виде отдельных заданий), которые предназначены для детального ознакомления читателей с особенностями расчета и конструирования отдельных типов несущих элементов. Для сохранения целостности изложения эти задания приводятся в русском издании лишь с незначительными сокращениями. Однако следует обратить внимание читателя на то, что в ряде заданий без должного обоснования принято много допущений и упрощающих методику расчета предпосылок, которые в некоторых случаях указаны в примечаниях переводчика.
В целом монография В. Шуллера, в которой широко представлен зарубежный опыт высотного строительства, несмотря на отличие в принципах и тенденциях развития архитектурно-планировочных и конструктивных решений, будет, по нашему мнению, весьма полезна советским специалистам — архитекторам и инженерам-конструкторам. Она поможет им в продолжающихся поисках рациональных архитектурных и конструктивных решений высотных зданий и будет способствовать новым, достижениям в этой сложнейшей области строительной науки и техники.
Л. Ш. Килимник
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Целью этой книги является систематизированный обзор конструкций высотных зданий. Компоновка несущих конструкций различных зданий рассматривается с точки зрения взаимодействия элементов. Конструктивные решения построенных и проектируемых высотных зданий сопоставляются в плане, в разрезе и в аксонометрии. Форма зданий анализируется с точки зрения восприятия внешних нагрузок, сочетание которых может быть достаточно сложным. Эта книга представляет собой изложение сложных вопросов строительной техники в простой форме, доступной читателю, интересующемуся вопросами строительства зданий.
Поскольку характер работы конструкций высотных зданий является во многом неопределенным, основное внимание уделено описанию конструктивных схем. Числовые примеры расчета используются в качестве необходимых приемов аппроксимации качественных особенностей работы строительных конструкций. Знания по математике (расчеты выполняются с точностью, достижимой при использовании логарифмической линейки) и строительной механике требуются в объеме основных курсов. Различные конструктивные элементы зданий рассчитываются достаточно простыми методами с использованием действующих рекомендаций Американского института бетона (ACI), Американского института по стальным конструкциям (AISC) и рекомендаций Института керамики (SCPI), отдельные положения которых кратко изложены в книге.
Весь сложный характер нагрузок на здание рассмотрен в гл. I. Читателю, не знакомому с основными принципами проектирования зданий повышенной этажности, может потребоваться ознакомление сначала с вопросами, изложенными в гл. II. Здесь высокие здания рассматриваются с точки зрения принципов компоновки, истории развития и других предпосылок при проектировании. В гл. III и VII исследуются основные несущие конструкции зданий: вертикальные конструкции (рамы и стены-диафрагмы) и горизонтальные конструкции (перекрытия). Конструкции обычных зданий с точки зрения принципов их проектирования рассматриваются в гл. IV. Гл. VI посвящена приближенным методам расчета наиболее распространенных конструктивных схем зданий. В гл. V и IX основное внимание уделено принципам компоновки и расчета зданий, отличающихся по своим конструктивным решениям от обычно применяемых. Особенности применения сборных конструкций кратко рассмотрены в гл. VIII с точки зрения взаимозаменяемости и конструирования типовых элементов.
Книга предназначена в первую очередь для архитекторов, которые создают первоначальный облик зданий и должны понимать закономерности и характер распределения сил в конструкциях зданий. Поэтому им потребуется знание основ физики как одного из наиболее важных факторов, определяющих законы формы сооружений. Эти знания необходимы и для тесного сотрудничества с инженером-конструктором.
Книга может быть использована как учебное пособие по строительным конструкциям для студентов архитектурных и строительных факультетов, которым нужны знания основ строительной механики, методов расчета железобетонных и стальных конструкций.
Наличие большого числа примеров по расчету конструкций сделает книгу полезным справочным пособием по расчету высотных зданий. Она поможет также молодому инженеру, впервые столкнувшемуся с вопросами проектирования. Сопоставительный характер рассмотрения конструкций современных зданий (в форме каталогов и справочников), а также наличие списка литературы сделают книгу полезной для инженера-конструктора и архитектора-проектировщика. Наше изложение принципов проектирования высотных зданий является не больше чем вводным курсом. Однако можно надеяться, что в процессе ознакомления с основами проектирования и практики строительства читатель глубоко заинтересуется конструкциями высотных зданий, и эти знания заложат в нем фундамент для последующего накопления знаний и созидательного творчества.
Автор приносит благодарность всем лицам, принимавшим участие в подготовке книги к изданию.
Сиракузы, Нью-Йорк, ноябрь 1976 г.
В. Шулер
ВВЕДЕНИЕ
Высотные здания появились вследствие роста населения городов, недостатка земельных участков и их высокой стоимости. Массовое строительство высотных зданий отражает взгляд проектировщиков на решение задач градостроительства. Высотное здание может быть отдельно стоящим (развитым в вертикальной плоскости и достаточно гибким или простирающимся в горизонтальном направлении) или примыкать к другим высоким зданиям, образуя, таким образом, целый комплекс зданий. В обоих случаях здание представляет собой в основном обособленный объект. Однако высокое здание в будущем может быть также интегральной частью большого строительного комплекса города, в котором дома и деловые центры соединяются системами многоуровневых коммуникаций.
К высотным мы относим здания от 10 до 100 и более этажей. Определение высотности и степени развития здания в плане является достаточно сложным процессом выбора объемно-планировочного решения. Многие факторы должны быть учтены при этом: с одной стороны, требования заказчика, с другой — имеющаяся территория для застройки, расположение здания относительно объектов окружающей застройки (например, коммуникаций и служб, необходимых для функционирования здания и его обитателей), экологическая выразительность здания или декоративные особенности ландшафта.
ВЫСОКОЕ ЗДАНИЕ В ОБЩЕЙ ПЛАНИРОВКЕ ГОРОДА
Развитие высотного строительства тесно связано с ростом города. Процесс урбанизации, который начался в век индустриализации, во многих частях земного шара все еще продолжается. В Соединенных Штатах Америки этот процесс начался в девятнадцатом столетии. Население мигрировало из сельских районов в городские, тем самым ускоряя процесс увеличения плотности застройки городов. Следствием этого процесса было создание легких каркасных сооружений из стальных конструкций, лифтового оборудования, системы энергоснабжения, необходимых в условиях развитой по высоте плотной городской застройки.
В начале настоящего столетия отдельные здания высотой около 20 этажей располагались напротив друг друга, отделенные только узкими темными улицами, образуя городские каньоны. Основной задачей было размещение максимального числа людей на минимальной по площади территории. Появившуюся в результате этого перенаселенность и ее влияние на людей и на город как на единую органически связанную систему вряд ли учитывали в процессе проектирования. Потребность в свете, воздухе и открытом наземном пространстве для жизнедеятельности людей привела к появлению отдельно стоящего небоскреба. Он намного выше объектов окружающей застройки, так как должен обеспечить плотность заселения, по крайней мере эквивалентную плотности при строительстве на данной территории обычных зданий, которые он заменяет.
Современный уровень развития техники достаточно высок, что обеспечивает возможность строительства отдельно стоящего небоскреба при сравнительно умеренных экономических затратах. С технической точки зрения проектирование высоких зданий в настоящее время достаточно хорошо разработано, однако познание потребностей человека и его приспособляемости к пространству находится только на начальном этапе. Изолированность и недостаточный контакт между жителями дома, потеря контакта с жизнью улицы являются частью тех проблем, которые пытаются преодолеть проектировщики.
Хотя в некоторой степени плотность застройки городов высокими зданиями сейчас регламентируется нормами планировки, этот расчет не базируется на достаточно общем и динамичном подходе к формированию городов. Последствия скученности высоких зданий чрезвычайно существенны для жизни города.
Воздействие масштабности ряда супернебоскребов на город, например 109-этажного здания «Сире Тауэр» в Чикаго высотой около 440 м, очевидно. Система электроснабжения здания может обслужить город с населением 147 тыс. чел., а с помощью комплекса кондиционирования—6000 домов на одну семью. Для транспортировки в разные части здания 16 500 чел. в день необходимо 102 лифта. Для многих столичных городов высокое здание является единственно возможным решением проблемы непрерывного роста плотности населения. От него не следует отказываться, несмотря на отрицательные воздействия на жизнь людей, или потому, что оно является символом технического прогресса. Наоборот, учебным и научно-исследовательским учреждениям необходимо приложить больше усилий для систематического исследования застройки города высотными зданиями и изучения проблемы влияния внутренней среды таких зданий на улучшение условий проживания в них.
ВЫСОКОЕ ЗДАНИЕ И ЕГО НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ
Проектирование высокого здания независимо от его целевого назначения, например в качестве жилого дома, административного, школы, больницы или для более широкого многоцелевого назначения, требует комплексного учета различных аспектов проектирования, изготовления строительных конструкций и производства работ. Архитектор координирует работу группы специалистов таким образом, что выбор материалов, коммуникаций и обеспечение функционирования здания рассматриваются как единое целое.
Нельзя больше говорить о свободе принятия решения только архитектором. Он ограничен не только замкнутым объемом небоскреба и необходимостью эффективного применения материалов, но и должен обеспечить выполнение многих других условий, связанных с обеспечением общей безопасности, условий огнестойкости и санитарных норм.
Архитектор должен подходить к проектированию здания как к единой системе, в которой основная несущая конструкция как органическая часть сооружения возникает в процессе создания проекта; ее нельзя рассматривать отдельно как обособленное дополнение инженера в общую функциональную схему сооружения.
Хотя такой комплексный подход применим к проектированию любого архитектурного объекта, его роль возрастает в связи с масштабами высотного строительства, которое требует создания сложных несущих конструкций для восприятия физических нагрузок и воздействий окружающей среды, являющихся определяющими факторами при проектировании.
Здание должно противостоять вертикальным постоянным нагрузкам и горизонтальным ветровым нагрузкам, а также сейсмическим воздействиям. Наружные конструкции здания должны воспринимать разницу в температуре, атмосферном давлении и влажности между внешней и внутренней средой. Несущие конструкции здания должны воспринимать все эти воздействия. Элементы конструкции должны располагаться и сопрягаться таким образом, чтобы воспринимать эти воздействия, надежно и с минимальными затратами передавать их на грунт.
Архитектор, способный понимать эти нагрузки и источники их возникновения, а также чувствующий работу конструкций, может на начальной стадии проектирования предложить рациональное архитектурно-планировочное решение. Он может договориться с инженером-конструктором, так как говорит на одном с ним техническом языке. Другими словами, архитектор, понимающий основные строительные принципы, может эффективно сотрудничать со специалистами-строителями в разработке оптимального решения здания.
Несущие конструкции составляют скелет здания, и дело архитектора представить и подчеркнуть эти конструкции для обеспечения архитектурной выразительности здания, отражая и определяя таким образом его назначение как внешнего объема для разных взаимодействующих систем сооружения.
...