Високи сгради от стоманобетон

от „Ингълс” до „Бурдж Халифа”, част II

В първата част на статията (Списание СТРОИТЕЛИ 2’2014) разгледахме историческото развитие на високите сгради от стоманобетон и как са се променяли технологиите. В тази част ще се на най-често използваните конструктивни системи, както и на някои реализирани обекти.

Високите сгради може да бъдат класифицирани по няколко признака, но основен сред тях е видът на конструктивната система, който се обуславя от идеализирана статическа схема на носещата конструкция. Основните конструктивни системи са: скелетна, безскелетна, смесена, с носещи ядра, комбинация от външни и вътрешни ядра (система „тръба в тръба”).

Kонструктивни системи
Изборът на всяка една конструктивна система е продиктуван основно от – височина на сградата, постоянно и временно натоварване, да е устойчива на сеизмично въздействие, вятър, динамично натоварване от машинно оборудване, да е пожароустойчива, в зависимост от вида на почвените условия и др. Като се прибави към тези изисквания и човешкият фактор или конкретните изисквания на обитатели/инвеститори за функционалност, безопасност, естетика и комфорт на сградата, имаме факторите, които оказват пряко влияние върху планировката и конструктивната система.

С увеличаването на етажността на сградите възникват и много други проблеми, сред които: осигуряване на комфорт на ползвателите, необходимост да се ограничават трептенията в сградите и максималните премествания, обезпечаване на достатъчна носеща способност, проблеми, свързани с рационален вертикален транспорт, възможност за евакуация при пожар и др.

Връщайки се назад в историята на високите сгради, може да видим, че технологичните промени са много, и също така – значителни. Някои от тези промени са резултат именно от потребностите на обитателите. В ранните години на високите сгради, има много примери, които илюстрират функционалното организиране на една сграда. Първите етажи, непосредствено с излаз на самата улица, са били за магазини, ателиета, работилници. Над тях са се помещавали помещенията за офиси, кантори, администрации. И най-последните етажи са били за жилищни апартаменти. Комбинирането на подобни функции в една сграда, която да изпълнява едновременно различни предназначения, се оказва по-трудно при планировка на етажите и избора на конструктивна система. Постепенно обединяването на няколко предназначение под общата обвивка на една сграда губи своята роля. В последните години, обаче, отново се забелязва тенденцията на комбиниране на различни функции в една сграда, което поставя отново предизвикателства пред проектанти и конструктори.

Като се оставят настрана чисто функционалните характеристики на сградата, това, с което се отличават в структурно отношение високите сгради, е, че основното натоварване, на което са подложени, и което оказва влияни върху конструктивната система, е собственото тегло и ветровото натоварване. Разбира се, това не означава, че другите натоварвания се омаловажават, но предвид височината на сградата, значително се увеличава натоварването от собствено тегло при долните етажи, а във височина – натоварването от вятър. Когато стоманобетонът започва масово да навлиза в сградното строителство, има ограничение за височината на сградите. Инженерите, занимаващи се с развойна дейност, постепенно научават повече за качествата на този материал и развиват конструктивните системи.

С развитието на скелетната носеща конструкция и благодарение на предимствата, които тя има, се изпълняват сгради с все по-голяма височина. Скелетната конструкция дава възможност и за по-свободна планировка. Основната носеща функция при сградите със скелетна конструкция се изпълнява от многоетажни корабни рамки. Мрежата на колоните се избира в резултат на функционалните изисквания и от възможностите за типизация и унификация.

Здравината на скелета се осигурява от якостта на отделните конструктивни елементи, които го формират и от връзката между тях. Благоприятно се отразява изграждането на вертикални диафрагми, разположени на подходящи места. Като такива може да се използват стените на стълбища, асансьорни шахти или други специално предвидени стени – шайби.

Безскелетните конструкции се прилагат в повечето случаи за жилищни сгради и не много голяма етажност. Носещата система се образува от стени, взаимосвързани чрез подовите конструкции.

Смесената конструктивна система представлява комбинация от скелетна и безскелетна. В тези комбинации скелетната се среща като гредова или безгредова. Основната носеща конструкция в смесената скелетно-гредова система се състои от многоетажни рамки, вертикални диафрагми (стени) в двете направления и свързващите ги подови конструкции. Подовите конструкции се разглеждат като хоризонтални диафрагми, разпределящи хоризонталните натоварвания между вертикалните елементи. Вертикалните натоварвания се поемат от рамките и вертикалните диафрагми. Сериозни хоризонтални натоварвания за високите сгради са натоварванията от вятър и земетръс. Те се поемат от рамките и вертикалните диафрагми пропорционално на коравините им. Най-често вертикалните диафрагми поемат цялото хоризонтално натоварване. Етажността на сградите със смесена конструктивна система може да достигне до 30 етажа. При по-голяма етажност, част от диафрагмите се обединяват и в план образуват затворено напречно сечение – ядро. В ядрата на многоетажните сгради обикновено се разполагат стълбищни клетки, асансьори, вентилационни шахти и др. Сградите с ядро достигат до височина 50 и повече етажа.

При много високи сгради и невъзможност за поемане на хоризонталното натоварване само с едно вътрешно ядро, в поемането на товарите и осигурявана на общата коравина и устойчивост на сградата, се включват и външните ограждащи конструкции. Така се създава системата „тръба в тръба”. Външната „тръба” може да бъде от монолитни носещи стени или скелетна система от ригели и колони. Съвместната работа на външната и вътрешна „тръба” се осъществява чрез подовите конструкции и гредите. Двете тръби трябва да бъдат фундирани с обща фундамента плоча. Системата тръба в тръба дава възможност да се изграждат сгради с височина 60-70 етажа.

Развитие на високите сгради през годините
След строителството на сградата Ингълс, многоетажните сгради от стоманобетон са рядкост докъм 60-те години на миналия век.

Сред първите, по-ембламатични представители на високи сгради от средата на 20 век, са кулите Marina City. Те са построени в центъра на индустриален парк. Концепцията на архитекта Bertrand Goldberg е била да се създадат сгради, които да обединяват няколко функции – офиси, развлекателен център, паркинг, всичко в една структура, за да бъде в удобство и на разположение 24 часа за живеещи в района.

В Marina City има киносалон, боулинг зала, магазини, офиси, ресторанти, конферентни зали, фитнес, ледена пързалка, паркинг за автомобили и лодки, и накрая – жилищни апартаменти. Комплексът се състои от две кули и е сред първите със смесено предназначение в Чикаго и със своята височина от 180 метра стават най-високите в света през тази година. Кулите са с кръгло напречно сечение в план – също иновация за този период. Друга иновация е 20 етажният паркинг, разположен под жилищните апартаменти. Изградено е ядро с кръгло напречно сечение, което поема около 70% от страничното натоварване.

Place Water Tower е друга емблематична висока стоманобетонна сграда, също разположена в централната част на Чикаго. Завършена през 1975 г., тя се извисява на 262 метра, и също е от типа сгради със смесено предназначение – търговски център, офис помещения и апартаменти. За конструкцията на сградата е използван високоякостен бетон (62МРа) за колоните и бетон с якост 20.7 МРа за стоманобетонните плочи. Сградата смело демонстрира амбициите за тогавашното време стоманобетонът да конкурира успешно стоманата при изграждането на високи сгради, тъй като за времето си Place Water Tower е била 2/3 от височината на най-високата стоманена сграда тогава. Носещата конструкция на сградата представлява стоманобетонни рамки по периферията на сградата, стоманени колони във вътрешната част и комбинирани стомано-стоманобетонни плочи.

311 South Wacker от 1990 г. е още една много висока сграда в Чикаго, достигаща височина 295 метра. Конструктивната система на сградата се състои от стоманобетонни рамки по периферията и стоманени колони във вътрешността. Отново комбинирана стомано-стоманобетонна плоча. Сградата е проектирана по такъв начин, че коравината на външните и вътрешните елементи се запазва една и съща по цялата височина на сградата. Използван е високоякостен бетон (якости 70 МРа и 80 МРа).

Central Plaza, дело на Dennis Lau & Ng Chun Man Architects & Engineers (HK), е 78 етажна сграда, и със своята височина от 374 метра е третата по височина сграда в Хонг Конг и една от най-високите стоманобетонни сгради в света. Строителството й завършва през 1995 г. Сградата е с триъгълно напречно сечение в план и осигурява с 20% повече офеси с изглед към пристанището, отколкото подобна сграда с квадратно или правоъгълно сечение в план.

Още една сграда на Азиатския континет (Окръг Гуанджоу, Китай), дело на Dennis Lau & Ng Chun Man Architects & Engineers (HK), рекордьор за времето, когато е била завършена – 1997 г., е CITIC Plaza. Със своите 80 етажа - 390 метра височина, тя е била сред най-високите сгради от стоманобетон.

Отново в Чикаго е следващият рекордьор по височина – сградата Trump International Hotel and Tower, чието строителство завършва през 2009 година. Небостъргачът с височина 423 метра и 96 етажа помещава търговски център, паркинг-гараж, хоетел и апартаменти. Във височина сградата е оформена като стъпаловидна пирамида, оформена от три части. Всяка една от тези части на „пирамидата” е ориентирана в различна посока, за да кореспондира хармонично с сградите в близост.

Бурдж Халифа в Дубай, със своята височина от 828 метра, е най-високата сграда, строена някога. Официално е открита през 2010 г. след близо 6 годишно строителство. Макар носещата конструкция да е от стоманобетон и стомана, тази част от конструкцията, изградена от стоманобетон също впечатлява със своята височина – 586 метра (до 155-я етаж). Освен всичките етикети „най”, с които се отличава сградата в редица отношения, тя държи рекорда и за най-голяма височина на изпомпване на бетон – 606 метра.