Какой фундамент у небоскребов

Обновлено: 28.04.2024

Hei, my great readers) Have you been waiting this article? Yes?

Да, мы решили Вам рассказать, что такое "стройка до высоты", или иными словами: "Сможет ли человек построить здание высотой в 10-30 км".

Наверняка все ответят "Да, человеку возможно всё" или "Всмысле? Нет, конечно". Но это и не да, и не нет. Тут имеется много факторов, которые влияют на высотное строительство. Небо и земля — две разных вещи, но это две вещи, которой принадлежат Земле.

Наверное, каждый мечтал построить дом на дереве, поселиться в горах или слетать до космоса? Мечты человеческие как правило, сбываются, лишь бы их самому исполнять. Небоскрёб — это здание, направленное вверх. Уже изобрели такое количество строительных технологий, что скоро небоскрёб станет. Мы даже не можем этого сказать! Ведь это настолько интересное, огромное здание, которое можно совершенствовать бесконечно!

Человек научился строить ещё с десятых тысячелетий до н.э. Смысл жилья — это работа, отдых, сон, занятие жизнедеятельностью и источник спасения, тепла и уюта. Со временем начало развиваться строительство, что иным словом мы назовём это Архитектурой — наукой о строительстве и проектировании зданий. Начали вырабатываться самые первые стили, такие как: Архитектура Неолита, Древнеегипетский стиль, Древнеарабская Архитектура, и другие. С приходом стилей человеку надо было создавать что-то новое, что будет поражать глаз другого человека. Всё более функциональнее, надёжнее и выразительнее стали здания.

Человек всегда хотел построить здание, которое будет раза в два выше его самого, которое будет видно за 1 километр, 2, 10! Архитектура для древнего человека — это отражение его культуры, интеллекта и передача истории того времени, той эпохи, в которой он жил. Самые древние пирамиды — это место погребения правителей, знати и просто богатых людей. Посмотрите на Древнеегипетскую пирамиду — она только и стремиться вверх, стать выше и грандиознее. Но появляется такой скрытый вопрос — а зачем пирамиде нужна такая высота? Ведь того же фараона можно похоронить и в горизонтальном дворце или просто вырыть для него могилу, которая будет отделана золотом, драгоценными камнями?

Скорее всего, высота и площадь пирамиды передавали то, что внутри неё похоронен именно правитель, и высота передаёт его величественность, его могущество, чтобы его гробницу выделить среди других зданий, чтобы она была символом страны, орденом Искусства.

И из этого мы может сделать вывод: чем выше здание, тем оно значительнее, главнее и выразительнее.

Высота любого здания зависит от высоты, вида и плотности фундамента. Фундамент — самая важная инженерная часть, самый важный элемент любого сооружения, ведь на нём стоит каркас, на котором стоят стены, колонны, перекрытия. Современная технология строительства небоскрёбов — это возведение мощного несущего каркаса. Самой тяжёлой и ответственной частью небоскрёба должен быть фундамент. Его строят из свай и заливной бетонной плиты. Строительство небоскрёбов на сваях привело строительство к свободному возведению каркасов на огромные высоты. Именно длина свай способствует становлению мощного прочного фундамента. Чаще всего используют стальные сваи. Их длина может колебаться от 20 до 40-50 метров. Завинчивание свай — один из самых сложных процессов на этапе строительства фундаментов.

Фундамент на сваях распределяет нагрузку здания равномерно и плавно. Самые высокие и тяжелые элементы и части здания стоят на более длинных сваях.

А теперь давайте приведём такой пример-наблюдение. Если высота фундамента зависит от высоты небоскрёба, тогда какая высота фундамента должна быть у здания высотой в 30 километров?

За пример возьмём Петербургский "Лахта-центр", имеющий ультрасовременный фундамент, построенный на сваях. Высота всего небоскрёба составляет 462 метра, высота фундамента — 82 метра. Выведем отношение глубины фундамента к высоте небоскрёба — 1:5,6.

Мы выяснили, что фундамент такого небоскрёба составит 5357 метров. В наши дни прорыть яму даже в 1000 метров — целая научная экспедиция, и прорыть 5000 метров — физически невозможно для человека нашего времени. Изготовить сваи длиной в 5 км — это потребуется строить специальные заводы, где будут отливать огромное количество стали и специальным способом скреплять стальные сегменты для получения нормальных свай нужной длины.

Давайте посмотрим, можно ли построить фундамент для небоскрёба в 30 км другими способами?

Если для фундамента потребуются сваи длиной в 5 км, то для максимального сокращения их длины нужно увеличить плотность свай.

Пусть свая длиной в 5 км будет иметь длину в 500 метров вместо существующих 5000. Тогда плотность стали должна быть не 7 900 кг/м3, а 79 000 кг/м3. Такую плотность мы сможем получить, если молекулы стали будут иметь 21,14 % углерода вместо 0,02 — 2,14 %, процент железа 45 %. Такая сталь, следовательно, станет намного прочнее высокоуглеродистой стали. Такая сталь будет крайне негативно влиять на природу и загрязнять её.

Мы выяснили, что стальные сваи более высокой плотности изготовить не удастся, она будет опасна для природы и для населения, но прочность стали будет намного больше.

Для максимально равномерной нагрузки нужно расширить площадь свайных полей, тогда давление здания на фундамент не будет таким высоким.

Пусть объём здания = a, найдём силу (a*10Н/кг), получаем 10a кН — силу тяжести. Делим силу тяжести здания на площадь и мы имеем: 10a кН / площадь b — силу давления. Имеем: (с Па).

При этом всём, площадь самого здания не должна изменяться. Следовательно, здание будет иметь такую форму:

Причём эта форма будет логичной для здания, т.к. центральная точка давления (по оси) перераспределяет давление на всю площадь фундамента. Если обе стороны симметричны и не имеют углов (стороны в форме окружностей), то давление распределиться по всей площади фундамента.

Создать желаемую форму небоскрёба получиться лишь в том случае, если фундамент будет таким, чтобы он нормально выдержал нагрузку.

Второй случай, с которым можно столкнуться — это проложение коммуникаций внутри небоскрёба. Здесь нужно акцент на доставку в воды и тепла на все этажи небоскрёба. Водоснабжение будет весьма сложным и трудозатратным делом. Каскадная система водоснабжения будет также отдельным проектом, который требуется прорабатывать в течение всего проектирования небоскрёба. Естественно, небоскрёб должен быть вооружён огромными запасами воды на верхних этажах, и для этого нужно строить технические этажи, на которых будут расположены насосы и системы охлаждения воды. Тем не менее, подача кислорода в помещения должна производиться с помощью специальных чиллеров, которые быть установлены на крыше или на технических этажах. Такими же способами нужно обустраивать и канализацию.

Серьёзной проблемой является лифт, т.к. современные лифты способны подниматься на высоту примерно в 1 километр.

И наконец, самой главной проблемой является давление воздуха, смена температуры и выход с космическому пространству. Как построить такой небоскрёб? Подъемный краны поднимаются не на такие колоссальные высоты, и доставка строительных материалов будет не реальна в этом случае. Здесь придётся проектировать такие подъёмники, которые способны подняться на любую высоту. Самый главный момент — это смысл такого строительства. Зачем строить такие высокие здания?

Как мы выяснили, построить небоскрёб высотой в 10-30 км будет практически невозможным. Для жизни небоскрёб высотой в 30 км будет не годен, т.к. уровень кислорода снижается к низшей отметке и атмосферное давление будет меньше 600 мм.

С точки зрения строительства построить здание высотой до космоса возможно, но жить в нём, работать и находиться без скафандра — невозможно.

Возведение высотных зданий по уровню сложности сродни полету в космос. Рассмотрим инженерно-конструкторские особенности небоскребов.

Фундамент небоскреба

Для фундамента небоскребов применяют сплошную железобетонную плиту, коробку, сваи, а также их комбинацию. Рассмотрим детально конструкцию несущего основания на примере 462 метровой башни Лахта Центр.

Подземные этажи башни конструктивно образуют коробчатый фундамент, который выполняет функцию равномерного распределения нагрузки с ядра башни на свайное основание. В качестве основания для фундамента используются 264 буронабивные сваи диаметром два метра и глубиной бурения 72 и 82 метра.

На сваях лежит коробка, состоящая из нижней плиты толщиной 3,6 м, верхней плиты толщиной 2,0 м, центрального ядра жесткости диаметром 28,5 м. Совместную работу нижней и верхней плит коробчатого фундамента обеспечивают 10 диафрагм жесткости, расходящиеся от ядра здания в радиальном направлении.

Бетон в нижней и верхней плитах класса по прочности на сжатие В 60, марки по водонепроницаемости W 8, марки по морозостойкости F 150. Бетон в диафрагмах жесткости и стенах ядра в пределах коробчатого фундамента класса по прочности на сжатие В 80, марки по водонепроницаемости и по морозостойкости - W 8 и F 150.

Стальной скелет высотной конструкции

В конце XIX века в строительстве промышленных зданий и вокзалов стали применяться конструкции со стальным каркасом, а в начале XX века с их помощью возводились городские многоэтажки. Металлический каркас обеспечивал устойчивость первых небоскребов. Так, например, каркас Эмпайр-стейт-билдинг состоит из сотен стальных профилей и весит 59 тысяч тонн.

В современных реалиях при строительстве зданий 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.

Поддерживаемое ядро лежит в основе структуры почти всех современных сверхвысоких небоскребов, в том числе и 462 - метрового Лахта Центра в Санкт-Петербурге, особенности фундамента которого рассмотрены выше.

Ядро – центральная конструктивная часть небоскреба. Данный железобетонный костяк здания возводится с помощью самоподъемной опалубки. Для бетонирования используется бетон по классу прочности выше, чем в фундаменте, - B 80. Внутри ядра размещаются все инженерные коммуникации — трубы и кабели, а также – вертикальный транспорт. Вокруг ядра собираются этажи полезной площади длиной от ядра до наружного периметра.

Маятниковый баланс

Современные инженеры уравновешивают небоскребы при помощи демпферов - устройств, которые гасят механические колебания постройки.

Высотные здания в принципе могут обойтись и без них. Пока несостоявшийся петербургский небоскреб Ingria Tower (165 м), который должны возводить на Поклонной горе, по проекту не имеет свай – только плиту. Конечно, не от хорошей жизни: под землей в этом месте проходит зона влияния тоннелей метро. Тем не менее, расчеты компании подтверждали надежность конструкции, впоследствии решение одобрила «Главгосэкспертиза».

Проект строительства не получил согласования «Госстройнадзора». Не из-за свай. Причина – несоответствие Градплану и «лишний» подземный этаж. Авторы проекта – «Архитектурная мастерская Цыцина». Фотоисточник

Может, и в петербургском 462-метровом небоскребе Лахта Центр можно было обойтись без свай? Просто сделать плиту помощнее да поглубже?

Первое, что делают геотехники, получив результаты подземных изысканий – отвечают на этот вопрос. Вердикт однозначен – строительство на естественном основании для Лахта Центра невозможно. Опорные слои — вендские глины, расположены слишком глубоко. Как не заглубляй фундаментную плиту, до них все равно далеко.

Даже если бы опорный слой был близко – без свай не обойтись. На то есть причина.

Чего боятся геотехники

Любое здание дает осадку. Механику процесса легко представить – вы садитесь на диван и продавливаете подушку.

Здание и грунт работают также.

Сама по себе осадка не представляет угрозы. Проблемы начинаются только когда она проходит неравномерно. Страшный сон любого геотехника – это крен или прогиб фундамента до закритического состояния.

В случае супертолла ставки растут. Не только из-за высоты башни.

В Лахта Центре, как в большинстве современных небоскребов, основной элемент системы устойчивости – ядро.

У петербургской башни оно железобетонное, очень массивное – толщина стены от 2,5 до 0,8 метра с утоньшением по мере набора высоты. Диаметр тоже убывает, максимальный радиус – 26 метров в основании башни.

Большая часть нагрузки на фундамент должна прийтись именно на этот 26-метровый участок.

Наибольшее давление на основание – по центру, наименьшее – по краям. Сплошная плита фундамента будет прогибаться. В «стакан» она, конечно не превратится – закритическое состояние наступит еще на этапе «суповой тарелки».

Можно сделать плиту жестче – больше арматуры, больше железобетона, больше прочности! По расчетам, требуемая жесткость достижима в плите толщиной 8 метров.

Таких монолитных плит в мире нет.

Небоскреб Messe Torhaus (Франкфурт) имеет в фундаменте 6-метровые участки. Больше такой подвиг никто не повторял.

Есть причина, по которой никто и никогда не будет делать плиту толщиной 8 метров из бетона.

Парадоксально, но она просто не будет прочной. Это произойдёт из-за появления трещин во время остывания бетонной смеси. Управлять процессом экзотермии на монолите такой толщины вряд ли возможно.

Фото из инстаграма Саратовского завода бетонных смесей. (Иллюстрация, не является демонстрацией качества продукции завода)

Коробчатый фундамент не даст плите уподобиться суповой тарелке. Но добиться идеально одинакового давления по всей площади основания ему все же не под силу. Чтобы предотвратить эффект «блюдца», в бой вступает свайное поле.

Другие подробности о строительстве небоскреба Лахта Центр в Санкт-Петербурге - в материалах нашего канала.

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 комплекса «Москва-Сити», сколько бы ни было разных мнений об их архитектурных достоинствах, прочно заняли свое место среди достопримечательностей столицы. Они впечатляюще смотрятся из разных точек города и еще более интересно – с воздуха, особенно когда их макушки выступают над пеленой низкой облачности. Однако, когда приходишь по делам в одно из этих сооружений, редко видишь что-то необычное. Если абстрагироваться от панорамы из окна, то внутри небоскребов мы видим стандартные помещения, в которых люди работают и живут. Офисы, апартаменты, сфера услуг.

Все необычное, нестандартное скрыто в специальных помещениях, куда посторонним вход воспрещен, например на технических этажах. Чтобы увидеть, чем строения высокой этажности отличаются от более привычных сооружений, «ПМ» прогулялась по недрам делового комплекса «Империя», строительство которого завершено в 2011 году. Это 60-этажный небоскреб, облицованный зеленоватым стеклом и имеющий на фасаде, обращенном к набережной Тараса Шевченко, характерную арку. Нас сопровождал заместитель главного инженера управляющей компании ММДЦ «Москва-Сити» (ПАО «СИТИ») Вячеслав Шитов.

«Умный» дом и его мозг

«В отличие от серийных проектов, для каждого здания разрабатываются специальные технические условия, – говорит Вячеслав. – Прежде всего они касаются обеспечения безопасности и специфических особенностей функционирования высотных сооружений». 60 этажей у «Империи» над землей, а под землей еще пять. Еще ниже – фундамент, поставленный на свайное поле. В Москве нет идеальных грунтов типа скальных, которые отлично держат нагрузку. Чтобы зацепиться за плотные грунты, требуется много длинных свай. При всем этом «Империя» со временем изменяет свое положение. Здание дает усадку и даже незначительно (не более 5%) отклоняется от вертикали под ветровой нагрузкой. Процессы эти отслеживаются с помощью датчиков, установленных на конструкциях небоскреба. Информация с них идет в диспетчерскую, расположенную на минус втором подвальном этаже. Именно там понимаешь, что «Империя» – это настоящий гигантский «умный» дом.

Все помещения, системы, датчики внесены в детальную компьютерную модель, с помощью которой осуществляется контроль над инженерными системами и управление ими. Правильнее сказать, что диспетчерских две. Одна наблюдает за состоянием инженерных систем «Империи», другая ведет противопожарный контроль, отслеживает сигналы, поступающие с датчиков. Можно без преувеличения сказать, что большая часть небоскребной специфики связана именно с пожарной безопасностью. В случае возгорания на высоких этажах возможности пожарных расчетов серьезно ограничены – например, высотой пожарных лестниц. Поэтому в «Империи» сделано все необходимое для того, чтобы здание тушило себя само при помощи спринклерной и дренчерной систем пожаротушения. Они объединены в надежную систему. Разница в основном в способе приведения в действие. В спринклерах находится капсула, наполненная специальной жидкостью. При превышении определенной температуры окружающего воздуха жидкость расширяется, и колба лопается, открывая путь воде. Поначалу воду подкачивает небольшой насос-жокей, однако, если проблема не решается, в дело вступают основные насосы. В дренчерах вода отпирается электромагнитным клапаном, который приводится в действие по команде «Пожар!». С их помощью обычно устанавливают водяные завесы у эвакуационных выходов и выездов из паркинга.

Читайте также: