Фундамент небоскреба в нью йорке
Обновлено: 03.05.2024
111 West 57th Street строится в Нью-Йорке, в центре Манхэттена. Высота 435 м. Соотношение ширины здания к высоте – 1:24.
«Мы невероятно гордимся, что добавили новую икону к горизонту Нью-Йорка», - сказал Грег Паскуарелли, директор архитектурного бюро SHoP Architects, спроектировавшее супертолл с таким драматически тонким профилем.
Бетонные работы завершились еще в мае, а вот верхушку – декоративную стальную корону в 91,4 м закончили только что.
Стройная 91-этажная башня, как ожидается, будет завершена к концу 2020 года. Строительство началось в 2014 году. Стоимость башни на сегодняшний день - 2 миллиарда долларов.
Нынешняя осень в Нью-Йорке урожайна на topping out. Архитектурной высоты также достигли супертоллы Central Park Tower (472 м) и One Vanderbilt (427 м).
Небоскреб 111 West 57th Street – второе по высоте жилое здание в мире после своего соседа - Central Park Tower.
Силуэт у башни – сужающийся. Вместо того, чтобы отступать от здания большими кусками, архитекторы уменьшили массу тонкими шагами, придав ей пернатый вид гусиного пера.
Для устойчивости башни есть 800-тонный демпфер. Две крепкие бетонные боковые стены имеют толщину до метра. В них – небольшие стрельчатые окна между фасадной бронзой и терракотой, а вот в двух других стенах – южной и северной – огромные стеклянные окна.
111 West 57th Street спроектирована как «уникальный Нью-Йорк» - от терракотового, стеклянного и бронзового фасада до интерьеров в стиле ар-деко.
Башня имеет два лифта для жильцов + служебный.
Кроме бассейна и тренажерного зала в башне есть концертный зал. Это своего рода архитектурная ссылка на тот факт, что здание строится на вершине Steinway Hall - бывшего фортепианного салона и концертного зала. Здесь играли Сергей Рахманинов, Нина Симона и Марвин Гэй. Здание Steinway, спроектированное в 1925 году компанией Warren & Wetmore, было отремонтировано и преобразовано в роскошный оздоровительный клуб и 14 кондоминиумов. Иногда теперь новый супертолл зовут The Steinway Tower.
На 43 этаже уже создана жилая типовая резиденция. Занимает всю ширину башни. Есть своя входная галерея с белокаменными полами – вход в лифт. Стоимость квартиры - $ 28,75 млн. Интерьеры сделаны студией Sofield.
«Миниатюрная бронзовая модель башни служит дверной ручкой, которая поворачивается с дорогим лязгом, чтобы показать логово невыразимого богатства», – так писала The Guardian.
Диапазон цен на квартиры - от $ 16 млн до $ 57 млн за пентхаус на 72 этаже.
Небоскребы способствовали появлению и развитию технологий, без которых сегодняшняя стройиндустрия уже немыслима.
Цена на сталь
Развитие сталелитейной промышленности снизило цены на стальной прокат - основу любого высотного здания.
Раньше высокими считались 10-12 этажные здания, кирпичные, с несущими внешними стенами, высота - не более 80 метров.
Революция произошла, когда стали применять металлические каркасы с несущей центральной опорой. Прочность стали примерно в 10 раз выше, чем у самого качественного бетона, каменной или кирпичной кладки. Здания стали опираться на металлический каркас, поддерживающий как внешние, так и внутренние стены.
Это позволило значительно уменьшить вес зданий, использовать сплошное остекление наружных стен и, главное, увеличить высоту объектов.
И пошел рост ввысь.
Идея лифта восходит к Древней Греции. Конструкторские разработки привели к появлению лифтов в зданиях в начале ХIХ в., однако первые образцы были крайне несовершенными – медленными, небезопасными.
Желанный безопасный лифт изобрел американский инженер Элайша Отис. И не только изобрел, но и как грамотный предприниматель, лично представил публике.
В 1853 г. при большом стечении народа в Нью-Йоркском Хрустальном дворце изобретатель взобрался на тяжелую, груженую платформу. На высоте десять метров, к ужасу присутствующих, перерубил канат. Платформа не упала благодаря изобретенному Отисом автоматическому предохранительному устройству. Эта демонстрация имела большой успех, и вскоре наряду с созданием каркасных конструкций использование пассажирских лифтов позволило начать строительство высоких зданий.
Теперь высота зданий больше не зависела от физических возможностей их обитателей и стала признаком престижности. Второй этаж, как раньше, перестал быть «аристократическим». Состоятельные люди стремились к небу и солнцу.
Вентиляция и электрическое освещение
Не только металлический каркас сделал небоскребы успешными. Большая роль в этом принадлежит инженерным системам - от водопровода и канализации до освещения и вентиляции.
Электрический свет и вентиляция – именно эти технические системы помогли в свое время архитектору сделать высотное здание независимым от погоды и природы. В небоскребе появился свой микроклимат, который не зависит от погоды на улице.
Ступенчатая форма американских небоскребов - борьба за инсоляцию офисов - следствие дороговизны электрического освещения в первых небоскребах.
Наряду с естественной вентиляцией начали применять механическую, принудительную систему вентиляционных труб, находившихся в помещениях, и мощный вентилятор, расположенный в конце общего вентиляционного канала здания. Вентиляторы приводились в движение электромоторами и двигателями внутреннего сгорания. В вентиляционную систему больших зданий входили также приборы для увлажнения и фильтрации воздуха. В конце XIX— начале XX в. широко были известны механические вентиляторы английского инженера Блекмэна и американца Стертевэн-та, увлажнители воздуха Брюссинга и воздушные фильтры Гроувса и Мёллера.
Сегодня в небоскребе работают более тридцати различных инженерных систем. Создание небоскреба превратилось в науку.
Технологии фундаментов
Лишь небольшие участки Чикаго и Нью-Йорка расположены на скале. Остров Манхэттен, например, в верхней своей части состоит из морских наносных пород.
Первые высотки пытались строить на деревянных сваях, но сваи быстро гнили.
Решение проблемы предложил инженер-мостовик Чарльз Сойсмит.
Основной компонент — это опускной колодец из бетонных колец. Внутри – или пара рабочих с отбойными молотками, или небольшой экскаватор. Порода вынимается со дна, а колодец под собственным весом опускается. Сверху надстраивается еще одно бетонное кольцо. И так, пока этот «вертикальный тоннель» не упрется в скальное основание – метров двадцать - тридцать. Затем труба заполняется бетоном.
Рекордная глубина опускания кессона (кессон - конструкция для образования в водонасыщенном грунте рабочей камеры, свободной от воды) – 66,5 м при строительстве небоскреба Центр Джона Хэнкока в Чикаго.
С некоторыми дополнениями технология работает в сложных условиях до сих пор.
Опускные колодцы применяются при строительстве сверхвысоких зданий в ОАЭ и Саудовской Аравии, где под слоем песка таятся прочные скальные породы. При достижении необходимой глубины колодцы заливаются бетоном, становясь обсадной трубой.
Под самым высоким в мире «Бурдж Халифа» - почти 200 таких бетонных опор длиной 45 м и диаметром 1,5 м.
Еще одно инженерное изобретение - фундаменты-плиты. Например, здание МГУ в Москве строилось пирамидами на огромной плите. На плите пятнадцатиметровой толщины стоит основная колонна CN Tower в Торонто.
Свайные фундаменты глубокого заложения - с выемкой грунта и без неё. В первом случае применяются забивные или вдавливаемые сваи. Во втором — буровые сваи, опускные колодцы-кессоны и полые сваи из стальных труб. Фундамент небоскреба Цзинь Мао в Шанхае стоит на 1062 прочных стальных столбах, которые уходят в землю на глубину более 80 метров.
Свайно-плитный фундамент – комбинированный вариант. Например, для точечных небоскребов в Китае делают большой подиум в виде мощной развитой коробки, чтобы снизить нагрузку на слабые грунты, а под ним – сваи.
Фундамент корейского супернебоскрёба Lotte Super Tower состоит из 6,5-метровой плиты и бетонных свай - 108 штук длиной от 30 до 72 м.
В первых небоскребах никакая защита не спасала обитателей от огня и дыма. Как предупредить обрушение стального каркаса при пожаре?
Для огнезащиты небоскрёбов в 1880-1920 использовали облицовку каркасов и кирпичных стен керамическими плитами. Как следствие, возникла немалая индустрия терракоттовой керамики, которая - в своих интересах - долгое время задавала тон архитектурного оформления зданий.
Терракотой был облицован Flatiron Building, построенный в Нью-Йорке в 1902 году
При строительстве небоскребов стали применять спринклерное пожаротушение – это сеть водопроводных труб, в которых постоянно находится вода или воздух под давлением.
На первый взгляд, его реализация (как и лифта) не требовала революционных новшеств, но привело к поэтапному развитию технологий как самой системы (насосы, датчики, автоматика, разводка и балансировка труб), так и городского хозяйства - ведь потребности пожарного водоснабжения городского центра в десятки раз превысили прежние нормы водозабора.
Технологии логистики и управления
Типичный стальной каркас небоскрёба 1890 годов (15-18 этажей) весил около 2 000 тонн при общем весе конструкции до 12 000 тонн. Задумайтесь, как все это доставлялось на площадку в плотной застройке делового центра. Ведь грузовиков еще не было.
Еще высотная стройка потребовала колоссальной мобилизации специалистов. На строительстве 77-этажного здания Крайслера работали
• 400 каменщиков с подмастерьями
• 256 водопроводчиков
• 130 электриков
• 100 плотников
• 100 слесарей по вентиляции и отоплению
• 60 плиточников
• 50 монтажников стальных конструкций, 25 слесарей по металлу
• 40 крановщиков
• 35 монтажников ограждений
• 35 стекольщиков
• 20 краснодеревщиков, 8 глазуровщиков, 4 мраморщика, 3 камнереза
• 15 слесарей по спринклерным системам, 6 - по строительным кранам, 4 - на монтаже пневмопочты
• 14 гидроизолировщиков, 10 мастеров по асбестовой изоляции, 4 кровельщика
А кроме них, не обошлось без
• архитекторов, инженеров-механиков, инженеров-конструкторов, экспертов по планировке, старших сантехников, инженеров-теплотехников, вентиляционщиков
• конструкторов и производителей лифтов, инженеров по холодильной технике и кондиционерам
• кузнецов, бетонщиков, водителей бетоновозов, машинистов растворного узла
• водителей, бригадиров, прорабов, контролеров, охранников, бухгалтеров, страховщиков, риэлторов, и сотен других людей.
Все они работали в условиях крайне ограниченного времени, большинство - в ограниченном пространстве и в крайне опасных условиях. Они строили башни в камне и металле, мечтали о высоте и победили силу ветра.
Преодолеть ветер
Ветер очень влияет на башни. Шли поиски не только эстетически красивых, но и оптимальных аэродинамических форм для высоток.
Сужение по высоте снижает влияние ветра. Еще ветер обтекает круглые здания, в форме овала и треугольника со скругленными углами.
И все-таки при сильной непогоде небоскребы колеблются. Для снижения колебаний применяют массивные грузы-противовесы – демпферы или же аутрирегрные системы, придающие зданиям дополнительную горизонтальную жесткость.
Сегодня компьютерное моделирование и аэродинамические испытания форм и материалов обязательны. Множество возникающих проблем, порождает весьма интересные решения, а негативные факторы зачастую используются архитекторами во благо.
Например, панели Taipei 101 при сильном ветре могут «прогибаться» на глубину 18 сантиметров и возвращаться на место.
Для справки:
В 1890-ом году в Нью-Йорке было лишь шесть зданий выше 10 этажей. А в 1910-ом - уже 538.
Сейчас в Нью-Йорке уже более 600 зданий выше ста метров.
Сегодня в мире около 4000 зданий выше 150 метров. И это число небоскребов ежегодно растет. В 2014 год на планете построили 97 зданий выше 200 м, в 2016-м – уже 128. Их совокупная высота – более 30 км.
В 2017-ом году «выросло» еще 144 новых таких высоких зданий.
День сегодняшний добавил в небоскребостроение высокие и биологические совместимые технологии, органические элементы, принципы натуралистичной философии…
Понравилась публикация? Ставьте лайк ( 💙 ), делитесь этой статьей в соцсетях с друзьями.
Подписывайтесь на журнал, если вам интересна урбанистика, архитектура, технологии и как создается в Санкт-Петербурге самый высокий небоскреб Европы.
Первые небоскребы строились по каркасной технологии. Сотни стальных профилей несли всю нагрузку. На этот стальной несущий каркас крепились остальные конструктивные элементы здания.
Однако выше 300 метров стальной «скелет» из колонн и балок уже не так эффективен. Архитекторы фирмы Skidmore, Owings and Merrill (SOM) разработали совершенно новую структурную систему высотных зданий – «поддерживаемое ядро». По этой технологии ядро находится в центре, а по сторонам - опоры.
Сегодня эта технология лежит в основе почти всех современных сверхвысоких небоскребов, в том числе и 462-метрового Лахта Центра в Санкт-Петербурге.
фото Vitaliy Romanov
Человечество училось строить высокие дома постепенно. Когда-то дом в три этажа считался высоким. Потом небоскребом назвали десятиэтажное здание. В двадцатом веке рекордом стало строительство 440-метрового Эмпайр Стейт Билдинг. А вот за последние 15 лет появились технологии, которые позволили еще шагнуть вверх еще почти на 400 метров. Например, Burj Khalifa - 828 метров. В Саудовской Аравии строится Jeddah Tower, который будет выше 1 километра. В прошлом году в Китае все рекорды била 632-метровая Shanghai Tower.
К 2020 – прогноз – число мегатоллов, то есть зданий выше 600 м, достигнет 8.
Европа более консервативна, здесь самый высокий строящийся небоскреб – Лахта Центр - 462 метра. Находится он в России, в Санкт-Петербурге. Фото @Igor Brundasov
Как происходило освоение высоты?
Выше 300 метров стальной скелет из колонн и балок уже не так эффективен в качестве системы устойчивости. В более позднее время пришло понимание, что стальные колонны, плавящиеся при сильном пожаре, несут риски коллапсирующего обрушения конструкции.
Альтернативные инженерные решения, легшие в основу системы устойчивости сверхвысоких объектов, появились в середине 60-х годов 20 века. Fazlur Khan, уроженец Бангладеша, работавший на архитектурную фирму Skidmore, Owings and Merrill (SOM), придумал инновационную конструкцию - «несущую трубу». Вместо привычной внутренней сетки из колонн инженер предложил использовать колонны по периметру, соединив их с мощной «сердцевиной» здания. По этой технологии были построены Sears Tower, John Hancock Center, World Trade Center.
В начале 1980-х годов появились проблемы. «Труба» позволяет строить здания любой, даже заоблачной высоты. Есть лишь непременное условие: основание увеличивается пропорционально высоте постройки. Это резко ограничивает фантазии архитекторов.
Ядро – центральная конструктивная часть Лахта Центра. Это – железобетонный «позвоночник» здания, который возводился с помощью самоподъемной опалубки. Внешний диаметр в нижней части - 28 метров. Толщина стен ядра - 2,5 метра. Для бетонирования используется бетон по классу прочности выше, чем в фундаменте, - B 80. На кубометр бетона – треть занимает арматура. Внутри ядра размещаются все инженерные коммуникации — трубы и кабели, а также – вертикальный транспорт.
Вокруг ядра собирались этажи полезной площади длиной от ядра до наружного периметра от 8 до 18 метров. Всего в небоскребе 87 этажей.
Сегодня эта идея - «поддерживаемое ядро» - лежит в основе почти всех современных сверхвысоких небоскребов.
Если в пропорции высота небоскреба / поперечное сечение ядра значение больше 8, в конструкцию вводятся аутригеры. Это - плоские или пространственные конструкции - раскосные или безраскосные фермы, придающие конструкции горизонтальную жесткость и препятствующие прогрессирующему обрушению.
Например, в комплексе «Федерация» в ММДЦ «Москва-Сити» на 120-ти метровой высоте (32-36 этажи) небоскреба «Восток» смонтирована аутригерная рама – своеобразное кольцо жесткости - размером с пятиэтажный дом. Всего на «Востоке» четыре аутригерных этажа – с 32-го по 36-й, с 46-го по 50-й, с 60-го по 64-й и с 89-го по 93-й.
TAIPEI 101. Фото supertalls.fr
В сеульском 555-метровом гиганте два аутригерных уровня – на 39-ом – 44-м и 72-ом – 76-м этажах. Они соединяют ядро с восемью периметральными суперколоннами. Эти колонны противостоят опрокидывающему моменту, принимают на себя ветровые и сейсмические нагрузки, которые распределяются на стальные аутригерные фермы.
В петербургском Лахта Центре - четыре аутригерных уровня. Через каждые 16 этажей от центрального ядра горизонтально располагаются распорные элементы – десять мощных консолей, которые передают нагрузку на внешние колонны. Система постоянно балансирует между растяжением и сжатием. При этом почти на сорок процентов уменьшается опорный момент.
CCTV Building, Пекин, China. 234 метра высоты, 54 этажа. Завершённое в 2012 году, петлеобразное здание было "преднамеренной атакой" на привычные формы небоскрёбов – трехмерная композиции в виде петли с усиленным 75-метровым консольным выносом.
Заканчивается строительство петербургского Лахта Центра. Фото @Nikita Bochkarev
632-метровая Шанхайская башня совершенно неподвижна. По сути, это самый устойчивый небоскреб в мире – ни ветер, ни другие погодные явления не способны нарушить ее равновесие. Впрочем, это иллюзия: конечно, колебания присутствуют, просто благодаря сверхсовременной демпферной системе ни один человек не почувствует «волнение» здания.
Представьте себе, что вы держите в вертикальном положении трость длиной примерно в метр. Если вы пошевелите рукой, придется приложить усилие, чтобы снова вернуть ее в устойчивое положение. Но если к верхнему концу трости прикрепить небольшой груз на пружине, его инерция компенсирует часть кинетической энергии законцовки, и резкое движение (рывок) последней превратится в плавное колебание. Представили? А теперь увеличьте эту конструкцию в несколько сотен раз — и получите Шанхайскую башню. Но как строят высокие здания, подобные этому, и почему небоскребы не падают?
Как китайцы строят небоскреб
Система, задействованная при ее строительстве, называется демпфером и способствует уменьшению амплитуды колебаний от ветра, а также снижению скорости «верхушки» здания, набираемой при этих колебаниях. Аналогичные демпферы — подпружиненные грузы — использовались некогда в болидах «Формулы-1» для снижения вертикальных колебаний носовой части автомобиля. Теперь их используют, когда строят небоскребы.
1. Спиралевидная форма здания позволяет снизить влияние ветра на 24% по отношению к аналогичному зданию в форме параллелепипеда. 2. Как и большинство небоскребов, возведенных после 11 сентября 2001 года, Шанхайская башня имеет массивную бетонную арматуру, пронизывающую здание по всей высоте. 3. Двухслойное остекление позволяет снизить нагрев внутренних помещений и упростить систему вентиляции. 4. Бетонный фундамент имеет толщину 3,3 м. Его заливка заняла 63 часа. Последние пять этажей Шанхайской башни занимает помещение, где установлен демпфер, гасящий колебания здания.
Обычный демпфер, применяемый при строительстве, представляет собой «комплект» маятников — гибко сцепленных стальных пластин. Когда рабочие строят небоскреб, он отклоняется в одну сторону, а инерция пластин работает в качестве противовеса, толкая здание в противоположном направлении. Но такого демпфера для Шанхайской башни оказалось недостаточно.
1. Стальные кабели позволяют маятнику-демпферу свободно раскачиваться таким образом, что его инерция противостоит движению здания. 2. Маятник устроен очень просто – это 1000-тонный «штабель» из стальных пластин. 3. Гидравлическая система предохраняет маятник от слишком резких отклонений и слишком больших амплитуд. 4. Электромагнитная система активируется при движении маятника, усиливая демпфирующий эффект.
Как строят небоскребы на последнем этапе
На последних этажах 632-метрового небоскреба колебания могут быть столь заметными, что вызовут у сотрудников или обитателей «воздушную болезнь», иначе говоря, людей будет укачивать! Не говоря уже о подсознательном страхе, связанном с обрушением здания. Поэтому китайцы, которые строят небоскреб, применили оригинальную технологию. На верхних этажах они установили тщательно рассчитанную массу — самый тяжелый груз, какой когда-либо использовался в архитектурных демпферах — и связали ее с мощным электромагнитом, создав первый в истории строительства индукционный демпфер. Без этого механизма мы бы не смогли увидеть, как строят небоскребы — они бы просто обрушились еще до начала строительства.
«Сердцем» устройства служит медная пластина площадью 100 м 2 , на нее установлено 125 мощных магнитов, и вся эта конструкция расположена под подвешенным демпфером классического типа. Когда здание сдвигается, 1000-тонный стальной груз движется над магнитами, вызывая появление электрического тока в пластине. Это, в свою очередь, создает сопротивляющееся движению демпфера магнитное поле, увеличивая демпфирующий эффект. При этом никакого активного контроля над системой не требуется, поскольку вся работа демпфера определяется правилом Ленца: «Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток». Вот так использование демпфера помогает улучшить процесс того, как строят небоскребы.
В результате получается как изящное инженерное решение, так и видимый результат. Архитекторы утверждают, что 99,99% посетителей последних этажей не чувствуют никаких колебаний даже летом, когда тайфуны в Шанхае особенно активны. Не секрет, что Китай строит небоскребы очень хорошо. Но это вопрос не только необходимости, но и умения, ведь, как вы уже могли заметить, строят небоскребы очень опытные люди с нестандартным мышлением.
Почему не падают небоскребы?
Мы уже поняли, как строят небоскребы, но не менее важным является процесс их эксплуатации. Почему же эти высокие здания не падают? На то есть несколько причин:
Небоскребы стали строить когда-то из желания сэкономить стремительно дорожавшую землю в американских городах. Сейчас это соображение, похоже, давно не является решающим. Сверхвысокие здания в наши дни воздвигают с иной целью – показать богатство, мощь, амбиции. Однако будь гонка небоскребов хоть тысячу раз ярмаркой тщеславия, их возведение не перестанет быть сложнейшей инженерной проблемой.
Когда рассказывают об очередном рекордно высоком сооружении, обычно говорят о том, что вздымается над землей: о высоте, количестве этажей и лифтов, о смотровых площадках, с которых видно полмира, и о том, например, как доставить воду на сто-какой-нибудь этаж, чтобы водопровод при этом не разорвало от огромного давления в трубах. Меньше говорят о подземной части, хотя вопрос о том, как гигантские, почти километровые «иглы», вроде построенной Burj Khalifa, держатся в грунте, весьма интересен.
Почему они не падают? Почему не проваливаются в грунт и как выдерживают колоссальные ветровые нагрузки?
Чтобы не потеряться и всегда быть на связи, читайте нас в Яндекс.Дзене и не забывайте подписаться на нас в Telegram, ВКонтакте и Одноклассниках!
Чтобы разобраться в технологии сооружения оснований для небоскребов, «ПМ» обратилась в московский институт «Горпроект», занимающийся, в частности, проектированием высотных зданий. Нашим консультантом любезно согласилась выступить руководитель конструкторского отдела ЗАO «Горпроект», кандидат технических наук Елена Зайцева.
Самый высокий в мире небоскреб Burj Khalifa - пример возведения сверхвысокого здания на сильнодеформируемом основании. Для придания зданию устойчивости были использованы 192 сваи по 1,5 м в поперечнике.
Здесь вам не Манхэттен
«Основным при проектировании фундамента высотного здания является, безусловно, высокая нагрузка, передаваемая сооружением на основание, — говорит Елена Зайцева. — Необходимо различать понятия "фундамент" и "основание здания". Под фундаментом понимают часть здания (нижние конструкции — плита, свайный ростверк, сваи ), которая передает нагрузку от сооружения на грунт. И, соответственно, под основанием понимают массив грунта, в котором возникают дополнительные напряжения и осадки в результате воздействия на него здания через его фундамент. Задача состоит в том, чтобы правильно спроектировать и основание, и фундамент. Основная сложность возникает в связи с тем, что высота здания большая, а площадь передачи нагрузки на основание по отношению к высоте сооружения мала. Это приводит к высоким напряжениям как в самой конструкции фундамента (большие изгибающие моменты и значительная продавливающая нагрузка от стен и колонн), так и в основании (фундамент-грунт)».
Таким образом, от характеристик грунта напрямую зависит конструкция фундамента. Известно, что в самом знаменитом парке небоскребов — на острове Манхэттен — скальный грунт находится у поверхности, что значительно облегчает работу проектировщиков. Достаточно расчистить ровную площадку — и на нее можно поставить фундамент в виде толстой плиты из армированного бетона. Однако в наши дни чемпионат по сверхвысотному строительству происходит в другом уголке мира — на Аравийском полуострове. Именно там стоит самый высокий небоскреб Burj Khalifa (828 м, ОАЭ) и готовится возведение другого монстра высотой в 1007 м — Kingdom Tower (Саудовская Аравия). Последний хотели сделать высотой в милю (1609 м), но геологи сказали решительное «нет» — грунт не выдержит. Аравия — пустынная земля, сформированная донными отложениями древнего океана, то есть состоящая преимущественно из песчаных пород. Только на глубине встречаются относительно твердые породы типа известкового скалистого грунта. Этот фактор приходилось учитывать чикагскому архитектору Эдриану Смиту, главному творцу аравийских чудес, и другим авторам проектов небоскребов на песке.
Держась за недра
Фундамент Burj Khalifa был разработан как свайно-плитный. Плита толщиной 3,7 м являет собой нечто вроде цветка с тремя лепестками, что отражает общую конструкцию здания, состоящую из центрального шестигранного ядра и трех крыльев, выполняющих роль контрфорсов (вертикальных подпирающих конструкций). Это придает зданию большую жесткость на боковую нагрузку и кручение. Плиту решено было опереть на 192 сваи диаметром 1,5 и длиной 43 м. Сваи под небоскребы в большинстве случаев являются буронабивными, то есть изготавливаются путем бурения скважин нужных диаметра и глубины и последующего их заполнения элементами арматуры и бетонным раствором.
Схема показывает распределение нагрузки на плиту фундамента. Желтым и коричневым выделены зоны наибольших вертикальных нагрузок. Они приходятся на крылья, выполняющие роль контрфорсов.
Иногда сваи пронизывают слои мягкого грунта и достигают на определенной глубине твердой скальной породы, давая твердую опору фундаменту. Но в Аравии даже на глубине 50 м породы мягкие, с низкой степенью цементации. Сваи, подпирающие плиту фундамента, являются по сути «висячими», то есть нагрузка от здания передается верхним слоям грунта через плиту и нижним — в основном через трение поверхностей сваи и грунта.
Интересную инженерную проблему пришлось решать при строительстве куала-лумпурских башен-близнецов — Petronas Towers. Под местом их будущего фундамента присутствовал твердый скальный грунт, но в виде довольно крутого склона. Была возможность выбрать вариант со сваями, опирающимися на скалу, но тогда одни из них были бы совсем короткими, а другие — намного более длинными. Проектировщики опасались, что под весом зданий более длинные сваи со временем сожмутся и их длина существенно сократится, в результате чего возникнет крен. В конце концов было решено перенести строительство туда, где скальный грунт не подходил близко к поверхности, и поставить небоскребы на «висячих сваях».
Бетон отлично работает на сжатие, но не так хорошо — на растяжение и изгиб. «При возведении фундаментов используют железобетон, включающий в себя стальную арматуру и тяжелый бетон, — объясняет Елена Зайцева. — Плиты армируются горизонтальными сетками, воспринимающими изгиб, а нагрузки на сжатие принимает на себя бетон. Диаметр стальной арматуры в плитах достигает 40 мм, но в сваях могут использовать специальную арматуру и большего диаметра». Таким образом, сверхвысокое здание передает вертикальную нагрузку и изгибающие моменты основанию через плитный или плитно-свайный фундамент. Но как происходит крепление самого здания к фундаменту?
Непрерывная связь
«В настоящее время, если речь идет о высотных зданиях, соединение непосредственно конструкций здания с плитой или ростверком (балкой, распределяющей нагрузку на сваи) выполняется по жесткой схеме, — говорит Елена Зайцева. — Из плиты делаются выпуски арматуры в местах опоры на нее вертикальных конструкций таким образом, чтобы они совпадали с арматурой этих конструкций. Впоследствии при бетонировании стен и колонн арматура плиты и конструкций соединяется, образуя непрерывную связь. Это позволяет небоскребу иметь надежный "якорь", куда будет передаваться горизонтальная нагрузка, возникающая при порывах ветра или сейсмических толчках, оказывающих сдвигающее воздействие. Что же касается соединения свай с ростверком, то здесь возможно шарнирное соединение, когда арматура сваи не заводится в плиту ростверка, или жесткое — когда не только арматура, но и часть головы сваи заводится в плиту. В первом случае от здания передаются только вертикальные нагрузки на сваи, во втором — также и изгибающий момент».
Читайте также: