архив» все записи»

Автор: А. Ю. Калинин, А. Р. Ирискулов
Дата: 05.10.2012
«СтройПРОФИ» № 7
Рубрика: Фасадные системы


Высотное строительство

В последние годы в строительном комплексе наметилась тенденция к возрождению высотного строительства, согласно действующим нормам, высотными считаются жилые здания высотой более 75 м и общественные здания высотой более 50 м.

В Москве на сегодняшний день уже возведены жилые дома в 30 и более этажей, разработана и внедряется программа «Новое кольцо Москвы», в соответствии с которой в столице намечено строительство около 60 высотных многофункциональных зданий и комплексов.

Однако при возведении высотных зданий проектировщики и строители столкнулись с рядом специфических задач, для решения которых необходима серьезная научная проработка. Одной из таких задач стало проектирование и монтаж навесных фасадных систем (далее — НФС) при отделке фасадов здания.

Основываясь на опыте, который был накоплен в результате мониторинга высотных зданий в течение последних трех лет, можно сделать вывод о необходимости введения более жестких требований по обеспечению надежности, безопасности и долговечности применяемых НФС.

Для обеспечения надежности и безопасности требуется выполнять:
– расчеты несущей способности системы (с учетом предельных значений ветровых нагрузок, в том числе и знакопеременных);
– испытания системы на долговечность при условии воздействия на нее импульсных знакопеременных ветровых нагрузок;
– расчеты систем на собственные колебания (несовпадение собственной частоты системы с собственными колебаниями здания и колебаниями, вызванными знакопеременными ветровыми нагрузками) во избежание резонансных разрушений;
– оценку надежности и долговечности НФС с точки зрения коррозийной устойчивости (включая стык несущих кронштейнов и анкеров, заклепок, саморезов, стыков других элементов конструкции и т. д.);
– разработку проектных решений в части обеспечения высокой пожарной безопасности в связи со сложностью тушения пожаров на высотных зданиях.

В качестве примера можно остановиться на проблеме проектирования фасадов высотного здания с точки зрения воздействия ветра.
На больших высотах ветер может создавать нагрузки, вызывающие необходимость специального (и значительного) усиления конструкции применяемых фасадных систем.
Исследования на предмет воздействия ветровой нагрузки на конструкции НФС дали интересные результаты.
Дело в том, что поток (в том числе и ветровой) имеет две составляющие: ламинарную (прямолинейную) и турбулентную (вихревую).

В СП 20.13330.20111 «Нагрузки и воздействия» давление ветра учитывается только с точки зрения ламинарной составляющей, а влияние турбулентностей регламентируется повышающими коэффициентами применительно к определенным зонам здания. При этом все расчеты приведены для зданий прямоугольной формы. Однако в современном строительстве здания часто имеют значительно более сложную форму.

Десятилетний опыт эксплуатации зданий высотой более 40 м показывает, что ветровые нагрузки на здания значительно превышают расчетные по СНиП. При этом нельзя забывать, что тонкостенная металлическая конструкция НФС под воздействием ветровых нагрузок работает отдельно от монолитного (с точки зрения ветра) ограждения — наружных стен. В результате отсутствия корректных методик расчета конструкции НФС на действия ветровых нагрузок на отдельных фасадах зафиксированы значительные деформации, которые могут привести к отрыву и падению плит облицовки.

Более того, в недалеком будущем можно прогнозировать появление случаев отрыва облицовки из-за накапливаемой усталости металла под конструкции НФС при воздействии импульсных знакопеременных ветровых нагрузок.

Все вышеперечисленное может привести к значительной угрозе безопасности при эксплуатации высотных зданий. Если же учесть, что на конструкцию НФС действуют также нагрузки от температурных деформаций и коррозионное разрушение, то через определенный промежуток времени процесс обрушения облицовки может принять массовый характер. При этом необходимо учесть, что сильный ветер может вызвать «эффект планирования» оторвавшейся облицовки и, как следствие, значительное увеличение опасной зоны по периметру здания.

Таким образом, все говорит о том, что на сегодняшний день возникла острая необходимость введения жестких мер по обязательному повышению требований к конструкциям, применяемым на высотных зданиях, контролю соответствия смонтированных конструкций НФС заданным характеристикам.

Сложность проектирования высотных зданий состоит еще и в том, что нагрузки от турбулентной составляющей могут значительно превышать ламинарные нагрузки. Кроме того, из-за постоянного ветра появляются зоны со знакопеременной нагрузкой. Актуальность этой задачи и невозможность ее решения на основе существующей нормативно-расчетной базы привели к тому, что ведущие НИИ приступили к разработке специальных программ для расчета ветровых нагрузок на здание с применением методик, принятых в других областях науки (самолетостроение, расчеты атмосферных и океанических потоков и т. д.).

Характеристика объекта:
жилой дом, высота — 67 м, набережная Москвы-реки.
Анализ расчетов показал следующее.
1. Предельная ветровая нагрузка на отсос на высоте 67 м при скорости ветра 40 м/с — 220 кг/кв. м. Расчет нагрузки по СП 20.13330.20111 «Нагрузки и воздействия» при том же ветре показал предельную нагрузку 67 кг/кв. м. Разница в 3,28 (!) раза.
2. На здании выявлены зоны знакопеременных (пульсационных) нагрузок, которые не учтены в СП 20.13330.20111.
3. Расчет ветровых нагрузок на здания сложной формы по методикам СП 20.13330.20111 начинает давать значительные отклонения от фактических нагрузок уже с высоты в 40 (!) м.

Подобные разработки появились также в ОАО ЦНИИЭПжилища, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко и других ведущих институтах.

Следует отметить, что в основном существуют два направления исследований ветровой нагрузки: продувка моделей зданий в аэродинамической трубе и построение численных моделей на базе CDF-технологий математического моделирования аэрогидродинамических процессов на основе так называемых «тяжелых программных пакетов» (FLOW3D, FLUENT, STAR-CD, УР2/З и т. д.).

Анализ результатов расчетов по обоим методам показал, в общем, приемлемую схожесть результатов. Однако из-за нарушения принципа подобия при продувке первый способ дает значительно большую погрешность из-за необходимости строить максимально большие модели зданий (минимум 1:50, 1:40), что значительно удорожает такой метод, увеличивает сроки получения результатов и сокращает возможность продувки из-за отсутствия аэродинамических труб соответствующего диаметра.

Поэтому в 2005 г. в НИИ строительной физики на базе уже существующих двухмерных (плоскостных) аэрогидродинамических моделей начата разработка пакета прикладных программ для расчета трехмерной аэрогидродинамической модели распределения ветровых нагрузок на здание.

Кроме того, расчеты показали, что СП 20.13330.20111 «Нагрузки и воздействия» не может служить расчетной базой для определения ветровых нагрузок на зданиях сложной формы выше 40 м.

Подводя итог всему вышеизложенному, хочется отметить, что учет ветровой нагрузки при проектировании — только один из немногих аспектов гарантии безопасности, надежности и долговечности конструкции НФС.

Необходимо иметь в виду, что соблюдение качества применения НФС является комплексной задачей. Поэтому для обеспечения точных расчетов несущей способности и долговечности НФС на предпроектной стадии необходимо иметь предельно корректное Техническое задание.

Фирмы-производители НФС должны иметь собственные лицензированные проектные группы, а фирмы-производители работ должны быть сертифицированы компаниями-производителями НФС.

В конечном счете, значительные отклонения по кривизне стен и применение материалов заполнения стеновых проемов, несущая способность которых с точки зрения анкерного крепежа недопустима, могут просто не позволить сделать применяемые НФС безопасными!

Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*

Литература
1. Бедаш С. Н., Борисов А. В., Гагарин В. Г., Гувернюк С. В., Козлов В. В., Петров Д. Н. «Расчет аэродинамики и дождевого увлажнения стен высотных зданий» (НИИ механики МГУ, НИИ строительной физики). Тезисы докладов. Ломоносовские чтения. Научная конференция. Секция механики. Апрель, 2005 г.
2. Международная конференция «Технологии, машины, оборудование, материалы и нормативное обеспечение для подземного и высотного строительства», 25–27 января 2006 г. Секция 2 «Высотное строительство». Сборник докладов.
2.1. Николаев С. В., д. т. н., проф., генеральный директор ОАО ЦНИИЭПжилища: «Опыт зарубежного и отечественного строительства»;
2.2. Николаев С. В., д. т. н., проф., генеральный директор ОАО ЦНИИЭПжилища, Капустин Н. К., д. ф.-м. н., ОАО ЦНИИЭПжилища: «Аэродинамические испытания высотных зданий».
3. ГУП ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. Научно-технический отчет по теме «Прочность и деформативность системы вентилируемого фасада». Этап 1–6. — М, 2002 г.
4. ГУП ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. Научно-технический отчет по теме «Анализ работы несущей системы «ДИАТ» наружной облицовки вентилируемых фасадов при действии расчетных нагрузок. Анализ напряженно-деформированного состояния системы». — М, 2003 г.


Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!


«« назад