ВЫСОТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

Страница создана Яна Кузьмина
 
ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ
В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин

                     ВЫСОТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

                 В. М. УЛИЦКИЙ – д-р. техн. наук, профессор, лауреат государственной пре-
                 мии, научный руководитель «НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект»,
                 зав. кафедрой оснований и фундаментов ПГУПС, председатель ГЭККОФиПС,
                 г. Санкт-Петербург.
                 А. Г. ШАШКИН – канд. техн. наук, член РОМГГиФ, генеральный директор
                 НПО «Геореконструкция–Фундаментпроект», г. Санкт-Петербург.
                 К. Г. ШАШКИН – канд. техн. наук, член РОМГГиФ, ведущий специалист
                 НПО «Геореконструкция–Фундаментпроект», г. Санкт-Петербург.

                 В статье рассмотрена сложившаяся практика проектирования и строительства зданий по-
                 вышенной этажности, рассмотрены исторические примеры строительства высоких зда-
                 ний в Санкт-Петербурге. Отмечается, что переход к строительству высотных зданий тре-
                 бует принципиального изменения подхода к проектированию и расчету таких зданий.
        В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин
        Высотное строительство в Санкт-Петербурге
        ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ
                ГОТОВЫ ЛИ МЫ К НЕМУ?                                       (ростверк). Распространенным приемом была
                                                                           укладка бута (известняковых плит, реже
          Санкт-Петербург возник на «мшистых,                              гранитных валунов) в траншею поверх насти-
     топких берегах» дельты Невы, лишенных                                 ла из деревянных лежней.
     перепадов рельефа. Абсолютная отметка по-                                  Слой песков, залегающий под подошвой
     верхности земли в центре сегодня колеблется от                        фундаментов, или уплотненное сваями осно-
     + 2,5 м до + 3,5 м. На протяжении 200 лет за-                         вание играли роль распределительной подуш-
     стройка города велась по строгому регламенту,
                                                                           ки, передающей нагрузку от фундамента на
     ограничивающему высоту жилых и обществен-
     ных зданий уровнем карниза Зимнего дворца                             подстилающую толщу слабых грунтов.
     (23,4 м). Этому регламенту мы во многом                                    Следует признать, что ограничение высо-
     обязаны тем неповторимым городским пейза-                             ты рядовой застройки оказалось весьма эффек-
     жем, который принес Петербургу славу одного                           тивным: при соответствующем уровне нагрузок
     из красивейших городов мира.                                          на слабые подстилающие грунты основания и
          Но этим отнюдь не исчерпывается значение                         обычных для того времени скоростях их при-
     высотного регламента для Санкт-Петербурга. В                          ложения, как правило, удавалось избежать
     современном геотехническом понимании регла-                           выпора грунтов из-под подошвы. Осадки
     ментирование высоты застройки есть ограниче-                          носили длительный (реологический) характер,
     ние давления на основание, что было чрезвы-                           с годами уменьшаясь по интенсивности до
     чайно существенным для сложных инженерно-
                                                                           осадок «вековой» ползучести, которые и по сей
     геологических условий города.
          В качестве естественного основания для                           день прослеживаются у исторической застрой-
                                                                           ки города и составляют 1...3 мм в год.
     бутовых фундаментов использовался припо-
     верхностный слой пылеватых и мелких пес-                                   Самое известное высотное (и самое тяже-
     ков, залегающий на глубину до нескольких                              лое) здание города – Исаакиевский собор –
                                                                           крупнейший православный храм мира (рис. 1).
     метров. Если у поверхности встречались
     глинистые грунты (которые уже тогда име-                                   Строительство здания началось с откопки
     новались слабыми), их стремились «уплот-                              котлована глубиной 5 м, со дна которого были
                                                                           забиты 24000 сосновых свай диаметром 26 см
     нить» деревянными сваями длиной 6...8 м, по
     которым устраивался деревянный настил                                 и длиной 8,4 м под столбы и 6,3 м под стены
                                                                           [1]. В составе свайного поля использовались
     © В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин, 2005                     сваи, забитые при строительстве предшест-

     Internet: www.georec.spb.ru
56
     РЕКОНСТРУКЦИЯ ГОРОДОВ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, №9/2005
Высотное строительство в Санкт-Петербурге
вующего собора (по проекту А. Ринальди).
Общее количество этих свай составляло
13000, длина – 10,5 м под столбами и 8,4 м –
под стенами. Между сваями был втрамбован
щебень,     пролитый    известково-песчаным
раствором, а поверх свайного поля устроен
массивный ростверк толщиной 7,5 м из из-
вестняковой кладки и гранитных блоков.
    Общая длина собора составила 102 м,
ширина – 92 м, высота – 101,5 м, вес – 300
тыс. т, из которых 100 тыс. т. приходится на
плиту ростверка. Инженерно-геологические
условия основания характерны для центра
города (рис. 2).
                                                                                      Рис.1. Исаакиевский собор

                                                                                                      Восток
                 Запад

                                                                                                                 Скв13
      Скв№3
                                                                                                                + 2,79 м
      + 2,62 м
           2,0                                                                                                     2,0
           0,0                                                                                                     0,0
          –2,0                                                                                                     –2,0
          –4,0                                                                                                     –4,0
          –6,0                                                 mlVL                                                –6,0
          –8,0                                                                                                     –8,0
         –10,0                                                                                                     –10,0
         –12,0                                                                                                     –12,0
         –14,0                lgIIIvdb                                                                             –14,0
         –16,0                       3                                                                             –16,0
         –18,0                                                                                                     –18,0
         –20,0                                                                                                     –20,0
         –22,0                                                                                                     –22,0
         –24,0                                                                                                     –24,0
         –26,0                                                                                                     –26,0
         –28,0                                                                                                     –28,0
         –30,0                                                                                                     –30,0
         –32,0                                                      gIIIvd3 lz v                                   –32,0
         –34,0                                                                                                     –34,0
         –36,0                                                                                                     –36,0
         –38,0                                                                                                     –38,0
         –40,0                                                                                                     –40,0
         –42,0                                                                                                     –42,0
         –44,0                                                                                                     –44,0
         –46,0                                                                                                     –46,0
         –48,0                Vkt                                                                                  –48,0
         –50,0                                                                                                     –50,0

                                         –5    0     5    10   15       20
                       Четвертичные отложения                                Верхнекотлинские отложения венда
                  Пески пылеватые          Суглинки пылеватые
                  тонкозернистые
                  Пески                       Суглинки пылеватые                     Плотные алевритовые
                  среднезернистые             ленточные                              глины

                  Супеси пылеватые            Суглинки пылеватые
                                              с гравием и галькой

                  Рис. 2. Геолого-литологический разрез основания Исаакиевского собора [1]
                                                                                                      Internet: www.georec.spb.ru
                                                                                                                                    57
                                                                                                           ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ
В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин
          Деформации собора начались уже в про-               Исаакиевский собор остается для нас при-
     цессе его почти полувекового строительства.          мером принципиальной возможности строи-
     Западная часть осела больше, чем восточная,          тельства тяжелого высотного здания на слабых
     базирующаяся на сваях, оставшихся от по-             грунтах. Отметим, что успех обусловлен дос-
     стройки А. Ринальди. Из-за неравномерного            таточно высокой пространственной жестко-
     нагружения (максимальное – под куполом,              стью здания, обусловленной чрезмерной
     минимальное – под портиками) здание полу-            массивностью его конструкций (стены храма
     чило осадочные деформации в форме прогиба.           достигают 5 м, толщина сводов – 1,25 м), а
     Колонны портика стали наклоняться внутрь             также близким к пирамидальному построени-
     здания, возникла угроза их разрушения [2]. В         ем сечения (что способствует выравниванию
     1873 г., т. е. меньше чем через 15 лет после         контактной эпюры давления от «жесткой» на-
     окончания строительства собора, были начаты          грузки). Бесперспективность достижения ус-
     работы по выпрямлению портиков. Были                 пеха в высотном строительстве таким путем
     устроены силовые леса, воспринимающие                стала очевидна еще на рубеже XIX и XX вв.,
     нагрузку от фронтона; верхнюю часть колонн           когда в Соединенных Штатах активно велось
     вырубали и с помощью клиньев выправляли              строительство «кирпичных небоскребов».
     крен. Далее на колонны заводили гранитные                Санкт-Петербург обладает одним из уди-
     блоки, с помощью которых передавали нагруз-          вительных строений, которое не стало первым
     ку от фронтона на колонны.                           российским      небоскребом   американского
          В начале XX в. профессор Института гра-         образца только благодаря действующему в
     жданских инженеров (ныне СПбГАСУ) А. И.              столице высотному регламенту. Речь идет о
     Дмитриев писал в отчете о причинах осадки            знаменитом доме Зингера (бывш. «Доме
     собора: «Ввиду того, что сваи, не достигая           Книги») на углу Невского пр. и канала Гри-
     плотного грунта, держатся только трением о           боедова (рис. 3).
     грунт, происходит постоянная осадка собора».
          После Великой Отечественной войны в
     связи с возникновением трещин в модульонах
     возник вопрос о необходимости закрытия и
     срочного усиления собора. Согласно исследо-
     ваниям профессора Б. Д. Васильева (заведую-
     щего кафедрой оснований и фундаментов
     ЛИСИ), трещины не имели осадочного проис-
     хождения, а были обусловлены температур-
     ными деформациями неотапливаемого здания
     в годы блокады.
          В 1983 г. по результатам съемки террито-
     рии, примыкающей к зданию собора (прове-
     денной профессором СПбГАСУ С. Н. Сотни-
     ковым), было зафиксировано наличие «оса-
     дочной воронки» и выпора грунта с южной,
     западной и северо-западной сторон [3]. Наи-
                                                               Рис. 3. «Дом Книги» на углу Невского пр.
     большая разница отметок поверхности соста-                           и канала Грибоедова
     вила 0,85 м.
          К сожалению, постоянный мониторинг                  Здание было построено в 1902–1904 гг. по
     состояния столь значимого памятника до сих           проекту петербургского архитектора графа
     пор не организован, что не позволяет следить         П. Ю. Сюзора в стиле модерн. Участок за-
     за его техническим состоянием. Полагаем, что         стройки размером 28,5×53 м был куплен за
     Исаакиевский собор заслуживает постоянного           1,0 млн р., что даже для центра Санкт-
     внимания специалистов, для чего необходимо           Петербурга по тем временам было довольно
     соответствующее финансирование.                      дорого. Компания «Зингер» собиралась по-
                                                          строить высотное здание с одной лестницей и
     Internet: www.georec.spb.ru
58
     РЕКОНСТРУКЦИЯ ГОРОДОВ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, №9/2005
Высотное строительство в Санкт-Петербурге
несколькими лифтами, но уже после покупки             он бы нарушил гармонию исторического
участка была неприятно удивлена ограниче-             центра. В современном Петербурге за преде-
нием высоты застройки в городе. Единствен-            лами города конца XIX в. имеются обширные
ной возможностью обойти запрет было уст-              зоны малопривлекательной застройки, кото-
ройство башенки (вытянутого застекленного             рые строительство высотных зданий только
купола) и мансардного этажа. Впервые в                украсило бы. К тому же инженерно-гео-
России для увеличения размеров окон и                 логические условия в этих районах значитель-
уменьшения простенков несущая конструкция             но более благоприятны, чем в островной части
была выполнена по типу американских высот-            города.
ных зданий. Основная часть здания вдоль                    До 60-х гг. прошлого столетия дореволю-
канала Грибоедова и Невского пр. имеет                ционное ограничение этажности оставалось в
металлический остов, заключенный внутрь               силе, что объяснялось прежде всего отсутст-
кирпичной кладки стен. Согласно обследова-            вием принципиальных изменений в геотехно-
ниям «НПО «Геореконструкция-Фундамент-                логиях. Фундаменты возводились преимуще-
проект» [4], металлический каркас здания (ко-         ственно на естественном основании, ленточ-
лоны, перемычки, ригели и балки) является             ными, хотя вместо бутовой кладки все чаще
несущей конструкцией для перекрытий и по-             использовался бетон. Применение забивных
крытия, а кирпичные простенки – самонесу-             железобетонных свай привело к повышению
щими. Стойки каркаса обложены кирпичом на             этажности зданий. Рядовая застройка 70–
цементном растворе. Узел сопряжения стоек в           80-х гг. XX в. достигала уже 10–14 этажей. На
уровне пола 5–го этажа приведен на рис. 4:            Московском пр., у въезда в город, были возве-
ветви стойки каркаса выполнены из двутавра            дены два 22-этажных здания, самых высоких
№ 30, база стойки чугунная; стойка выполнена          на тот момент в городе.
цельной на два этажа. Стык стоек – в уровне                Со второй половины 1990-х гг. на отече-
плинтуса пола. Все соединения – на заклепках          ственном строительном рынке стали появ-
и болтах.                                             ляться современные зарубежные геотехноло-
                                                      гии, успешно осваиваемые российскими
                                                      подрядчиками.
                                                           Диктуемое рыночными отношениями
                                                      стремление к повышению этажности за-
                                                      стройки привело к появлению в городе зданий
                                                      высотой 16, 18, в последнее время – 25 эта-
                                                      жей. Здания такой высоты, конечно же, нельзя
                                                      назвать небоскребами, но их строительство в
                                                      сложных инженерно-геологических условиях
                                                      нашего города является очень непростой
                                                      задачей. Привычное понятие «слабый грунт»
                                                      (традиционно относимое нами к текучим и
                                                      текучепластичным      морским    и    озерно-
                                                      ледниковым глинистым отложениям цен-
   Рис.4. Узел сопряжения стоек в уровне пола         тральной части города) с ростом этажности и,
                   5-го этажа                         следовательноно, нагрузок на основание,
                                                      существенно меняет свое содержание. При
    Но идея «металлокирпичных» небоскре-              нагрузках более 300 кПа «слабыми грунтами»
бов быстро исчерпала себя: слишком велик              оказываются уже тугопластичные моренные
был вес конструкций такого здания. Высотное           отложения.
строительство в Северной Америке пошло по                  В Петербурге практически отсутствует
пути применения металлического каркаса и              опыт проектирования зданий повышенной
железобетонных конструкций.                           этажности. Проекты 16 и 25-этажных зданий
    Наверное, не стоит огорчаться по поводу           представляют собой, по сути, «развитие»
несостоявшегося небоскреба на Невском пр. –           решений, апробированных для зданий высо-

                                                                             Internet: www.georec.spb.ru
                                                                                                           59
                                                                                ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ
В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин
     той 9–14 этажей. Между тем для проектирова-            ния, строительства и эксплуатации зданий
     ния зданий повышенной этажности (не говоря             высотой в 9–12 этажей свидетельствует о
     уже о высотных) требуются совершенно иные              возможности принятия для данного здания
     подходы, отличающиеся от привычной схемы               наиболее дешевого фундамента – сплошной
     проектирования (в которой сначала формиру-             монолитной плиты. Вот здесь-то и начинается
     ется «образ» здания, затем – планировка                разрыв между «опытом» предшествующего
     квартир (помещений), а потом конструктору              проектирования и реальным поведением
     предлагается «придумать», как это построить).          высотных зданий на податливом основании
     При строительстве таких зданий архитектор              (под высотным будем подразумевать здание,
     обязан мыслить «конструктивно», обеспечить             поперечный размер сечения которого сущест-
     их прочность и устойчивость.                           венно меньше высоты).
          К сожалению, столь банальные требова-                  Прежде всего, задумаемся: какой пара-
     ния, как обеспечение прочности и устойчиво-            метр деформаций (абсолютная осадка, относи-
     сти зданий, обретают весьма нетрадиционное             тельная неравномерность осадок, крен) наибо-
     наполнение при рассмотрении зданий повы-               лее важен для высотного здания? Обычный
     шенной этажности. Чтобы лучше почувство-               опыт подсказывает, что это относительная
     вать это, обратимся к одной из самых извест-           неравномерность осадок и, следовательно, их
     ных строительных ошибок последнего време-              абсолютная величина, поскольку при возрас-
     ни – жилому дому на Шипкинском пер. в                  тании последней увеличивается и неравно-
     Санкт-Петербурге, который к концу 2003 г.              мерность осадок.
     получил крен 80 см (к настоящему времени в                  Но высотное здание должно обладать вы-
     результате проведения противоаварийных                 сокой пространственной жесткостью и взаи-
     работ крен выправлен).                                 модействовать с основанием по схеме, близ-
          Здание имеет всего 17 этажей, трапецие-           кой к жесткому штампу. В этом случае на
     видный план с примерным отношением длины               первое место выступает их крен, а не нерав-
     к ширине 2:1; возведено на сплошной моно-              номерность осадок.
     литной железобетонной плите толщиной                        Среди проектировщиков распространено
     800 мм с глубиной заложения порядка 3,0 м от           мнение: если давление на основание меньше
     дневной поверхности (рис. 5).                          расчетного сопротивления грунта – проблем
                                                            не будет. В действительности же расчетное
                                                            сопротивление является условной величиной,
                                                            ограничивающей возможность применения
                                                            линейной зависимости между напряжениями и
                                                            деформациями для расчета осадок.
                                                                 Считается, что при давлении, равном рас-
                                                            четному сопротивлению, под подошвой
                                                            фундамента развиваются локальные зоны
                                                            пластических деформаций на глубину не
                                                            более четверти ширины подошвы. В этом
                                                            случае нелинейность зависимости осадки от
                                                            нагрузки проявляется весьма незначительно.
                                                            (Забегая вперед, отметим, что здесь не идет
                                                            речь о крене). Каков же реальный размер
           Рис. 5. Жилой дом на Шипкинском пер.             допустимой зоны развития пластических
                                                            деформаций, равной 1/4b, где b – ширина
         Казалось бы, при действующих давлени-              подошвы фундамента, если рассматривается
     ях на основание такой фундамент возможен               не отдельный фундамент шириной b =2...3 м, а
     как по абсолютным осадкам, так и по их                 фундаментная плита под всё здание, у которой
     неравномерности. При этом давление по                  b = 20 м? Оказывается, что пользуясь методи-
     подошве почти не превышает расчетного                  кой СНиПа, мы допускаем развитие зоны
     сопротивления основания. Опыт проектирова-

     Internet: www.georec.spb.ru
60
     РЕКОНСТРУКЦИЯ ГОРОДОВ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, №9/2005
Высотное строительство в Санкт-Петербурге
пластических деформаций на глубину 5 м(!) в            Пояснить этот эффект можно простым
основании.                                         примером: если карандаш, вертикально по-
    Следовательно, мы имеем право постро-          ставленный на стол, падает от какого-то
ить здание с развитием зон пластики в осно-        случайного воздействия, из этого не следует,
вании на глубину более 5 м. Дом на Шипкин-         что потеряла устойчивость столешница.
ском пер. является наглядным примером              Потеряла устойчивость сама наша модель –
такого «соответствия» нормам.                      карандаш.
    Изначально это здание имело незначи-               Естественно, что на сжимаемом податли-
тельный эксцентриситет приложения резуль-          вом основании падение нашей модели будет
тирующей нагрузки относительно геометри-           еще более вероятным. Отсюда очевидно, что
ческого центра сечения, равный 20 см. Этот         для обеспечения устойчивости высотных
эксцентриситет обусловливает смещение              зданий необходимо обеспечить их жесткое
поверху на 17 см. Казалось бы, опасаться           защемление в основании.
нечего. Но при смещении эксцентриситет                 Как показывают сопоставительные расче-
нагрузки увеличивается, что приводит к             ты, в отличие от относительной неравно-
дополнительному смещению поверху до 30             мерности осадок, крены здания, вычисленные
см. Здание становится восприимчивым к              по линейной и нелинейной моделям, различа-
любому, даже незначительному, внешнему             ются весьма значительно (до 1,5...2,2 раз) даже
воздействию. Если смоделировать канализа-          при нагрузках на основание, находящихся в
ционный коллектор, проходящий в 2 м от             пределах расчетного сопротивления грунта.
накренившегося угла здания на глубине 4,0 м        Поэтому основание высотных зданий следует
от поверхности, а также неуплотненную              рассчитывать только по нелинейным моделям.
обратную засыпку траншеи коллектора,               Остановимся на этом подробнее.
решение задачи становится расходящимся,                Под краями жесткого фундамента, как
крены возрастают во много раз (рис. 6). Ска-       известно, образуются зоны пластических
занное, однако, не означает потерю устойчи-        деформаций. При величине среднего давления
вости основания в привычном понимании              по подошве фундамента, не превышающей
этого явления.                                     расчетного сопротивления, эти зоны не оказы-

                     Рис. 6. Деформированная схема и изолинии осадок здания

                                                                              Internet: www.georec.spb.ru
                                                                                                            61
                                                                                 ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ
В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин
     вают существенного влияния на величину                       Рассмотрим систему ограничений, накла-
     осадки фундамента. Этому хорошо известно-                дываемых на величины вертикальных нагру-
     му факту соответствует кривая 1 на рис. 7. Од-           зок на фундамент и моментов действующими
     нако следует учитывать, что величина крена               отечественными нормами. Для наглядной
     фундамента по упругому решению (по мето-                 оценки допустимых величин нагрузок удобно
     дике, изложенной в СНиПе) значительно от-                использовать диаграмму в осях «нагрузка–
     личается от полученной при решении по уп-                момент» (рис. 8).
     ругопластической модели грунта: при нагруз-                  Прямые 1, 2 и 3 соответствуют стандарт-
     ке, равной расчетному сопротивлению, крен                ным ограничениям на величины нагрузок и
     здания может в 1,5 раза превышать рассчитан-             моментов для условной линейной эпюры
     ный по методике норм (см. кривую 2 на                    контактных давлений:
     рис. 7). Для высотного здания (при высоком
                                                                       N M     N      N M
     положении центра тяжести надземной конст-                          −  ≥0,   ≤ R , + ≤1,2R,
     рукции), как уже отмечалось, необходимо                           A W     A      A W
     учитывать дополнительный эксцентриситет,                 где А – площадь фундамента; W – момент
     появляющийся при смещении центра тяжести                 сопротивления площади фундамента; R –
     вследствие крена здания. Как показывает                  расчетное сопротивление грунта.
     решение с учетом такой простейшей геомет-
     рической нелинейности, крен фундаментов
     высотного здания при среднем давлении по
     подошве, равном расчетному сопротивлению
     грунта, может увеличиваться до двух раз по
     сравнению с полученным при решениеи уп-
     ругой задачи (кривая 3 на рис. 7). Графики на
     рис. 7 изображены на координатной плоскости
     в относительных единицах, поэтому их вид
     сохраняется для грунтов основания с разными
     физико-механическими характеристиками и
     для различных размеров фундаментов.
                                                                 Рис. 8. Область допустимых значений нагрузок
                                                                  на фундаменты по второй группе предельных
                                                                                   состояний
                                            3

                                                                   Прямые 4 и 5 ограничивают допустимые
                                                              величины вертикальных нагрузок и моментов
                                            2                 по предельным величинам крена фундамента
                                                              и его осадки соответственно. Их положение по
                                            1                 отношению к прямым 1, 2 и 3 может быть
                                                              различным, поэтому конкретная форма облас-
        0         0,5         1       1,5        2
                                                              ти допустимых величин нагрузок на фунда-
                                                              мент может отличаться от изображенной на
                                                              рис. 8. При учете дополнительного эксцентри-
        Рис. 7. Графики изменения отношения величин           ситета величина крена будет зависеть от
     осадок и крена по упругопластическому и упругому
       решениям в зависимости от отношения нагрузки           величины вертикальной нагрузки. В результа-
          и расчетному сопротивлению: 1 – Spl/Sel –           те крен увеличится по сравнению с линейным
                   соотношение величин осадок                 решением. Следовательно, допустимый мо-
       по упругопластическому и упругому решениям;            мент, соответствующий предельной величине
             2 – ipl/iel – соотношение величин крена          крена, будет меньше, и область допустимых
       по упругопластическому и упругому решениям;
           3 – ipl, def/iel – соотношение величин крена       значений нагрузок будет ограничена кривой 4.
          по деформированной схеме и по упругому              Однако, как было показано ранее, при учете
                                решениям                      нелинейной работы грунта величина крена

     Internet: www.georec.spb.ru
62
     РЕКОНСТРУКЦИЯ ГОРОДОВ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, №9/2005
Высотное строительство в Санкт-Петербурге
может значительно превышать получаемую по                 где М0 – начальный момент; i0 – крен фунда-
расчету в упругой постановке, поэтому пре-                мента по упругой модели (по методике
дельно допустимые значения моментов ока-                  СНиП); Н – высота центра тяжести надземных
зываются соответственно меньшими и реаль-                 конструкций. При подстановке выражения для
ная зона допустимых значений нагрузок                     момента в формулу несущей способности и
должна быть ограничена кривой 7. Таким                    решении уравнения относительно начального
образом, при расчетах по второй группе                    момента М0 получим кривую 2 на рис. 9. Как
предельных состояний крайне важно исполь-                 видно на рис. 9, при учете дополнительного
зовать современные методы учета физической                эксцентриситета величина предельной нагруз-
нелинейности работы грунта. В противном                   ки на основание может значительно снизить-
случае при попадании величин фундаментных                 ся. Поскольку крен, получаемый по упруго-
нагрузок в заштрихованную зону (рис. 8)                   пластической модели, может значительно
реальная величина крена может превысить                   превышать вычисленный по упругому реше-
предельно допустимую величину.                            нию, область допустимых значений нагрузок
    Рассмотрим расчет фундаментов высот-                  на фундаменты наиболее корректно ограничи-
ных зданий по первой группе предельных                    вать кривой 3, которую можно получить из
состояний. Для исследования области допус-                решения серии нелинейных задач. Попадание
тимых нагрузок снова построим диаграмму в                 величин нагрузок в заштрихованную область
осях «нагрузка–момент» (рис. 9.)                          (см. рис. 9) представляется крайне опасным,
                                                          поскольку может привести к катастрофиче-
                                                          скому увеличению крена и разрушению
                                                          здания.
                                                               Известно, что крен зданий обусловлива-
                                                          ется следующими основными причинами:
                                                          пространственной неоднородностью грунтов
                                                          основания и асимметричностью поля нагру-
                                                          зок. Но имеется еще одна не столь очевидная
                                                          причина развития крена: значительная асим-
                                                          метрия в распределении жесткостей здания.
                                                          Такая ситуация была выявлена при расчете 25-
                                                          этажного здания в Санкт-Петербурге высотой
  Рис. 9. Область допустимых значений нагрузок            83 м (рис. 10).
   на фундаменты по первой группе предельных
         состояний (по СНиП 2.02.01–83*)

    Кривая 1 получена путем подстановки в
выражение для предельной нагрузки величи-
ны
                               M
                  b' = b − 2
                               N
и решения уравнения относительно момента.
При учете дополнительного эксцентриситета,
как это нетрудно получить из аналитического
решения простейшей геометрически нелиней-
ной задачи, величина момента будет опреде-
ляться выражением
                           i0 HN
           M = M0 +                 ,
                      1 − i0 HN M 0                          Рис. 10. Расчетная схема здания высотой 83 м
                                                                          в Санкт-Петербурге

                                                                                   Internet: www.georec.spb.ru
                                                                                                                 63
                                                                                      ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ
В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин
         Здание абсолютно симметрично по ар-                как правило, является динамическая состав-
     хитектурно-планировочному решению за ис-               ляющая ветровой нагрузки. Воздействие
     ключением участка в одном крыле, где попе-             ветровых нагрузок на высотные здания может
     речные стены цокольного и первого этажей               приводить к значительным амплитудам коле-
     прорезаны значительными проемами для ус-               баний на верхних этажах здания. Это может
     тройства бассейна. Это привело к перераспре-           негативно сказываться на самочувствии людей
     делению напряжений в коробке здания, в                 в помещениях и вызвать дополнительные
     результате чего усилия передавались на осно-           напряжения в надземных конструкциях и
     вание преимущественно через более жесткие              грунтах основания. Поэтому система «основа-
     стены, не ослабленные проемами (рис. 11).              ние–фундамент–здание» для восприятия ди-
     Таким образом, нагрузка передавалась на                намических нагрузок должна обладать доста-
     основание эксцентрично, что привело к крену            точной жесткостью.
     здания в плоскости поперечных стен до 9 см                 Обычно при расчете здания на динамиче-
     поверху.                                               скую составляющую ветровых нагрузок
                                                            ограничиваются рассмотрением надземных
                                                            конструкций здания. При этом расчет ампли-
                                                            туд колебаний здания обычно проводят ме-
                                                            тодом разложения по собственным формам
                                                            колебаний (модальной суперпозиции). Та
                                                            кой метод требует решения задачи о собст-
                                                            венных колебаниях здания, т. е. определения
                                                            необходимого количества первых частот и
                                                            форм собственных колебаний. При рассмот-
                                                            рении влияния основания на параметры
                                                            колебаний здания такой метод, как правило,
                                                            не позволяет учесть динамическую работу
        Рис. 11. Изолинии вертикальных нормальных           пространственного массива грунта из-за
     напряжений (кПа) в поперечной стене, приводящих        чрезвычайной вычислительной сложности
     к неравномерному нагружению основания и крену          задачи на собственные значения для систем
      здания вправо (фрагмент расчетной схемы – низ         высокой размерности. В результате такой
                  поперечной стены здания)
                                                            подход приводит к необходимости использо-
                                                            вания упрощенных моделей основания с
         Таким образом, для удовлетворения тре-
                                                            применением понятия «присоединенной мас-
     бований СНиПа по обеспечению устойчиво-
                                                            сы», что снижает точность совместных дина-
     сти фундаментов высотных зданий и ограни-
                                                            мических расчетов.
     чению их деформаций обычных инженерных
                                                                Более перспективным представляется
     методов расчета явно недостаточно. Требуют-
                                                            прямое интегрирование уравнений колебаний
     ся пространственные нелинейные расчеты,
                                                            системы «основание–фундамент–здания» во
     учитывающие совместную работу основания и
                                                            времени. Такой подход при необходимости
     надземных конструкций здания. Такие расче-
                                                            позволяет рассчитать динамическое поведение
     ты позволят не только рассчитать напряжен-
                                                            конструкции и грунта с учетом нелинейных
     но-деформированное состояние основания, но
                                                            явлений.
     и оценить уровень усилий в конструкциях, а
                                                                Рассмотрим динамический расчет высот-
     следовательно, предотвратить появление не-
                                                            ного монолитного 25-этажного здания. При
     допустимых величин усилий в элементах
                                                            расчете без учета деформаций основания
     конструкции.
                                                            спектр собственных колебаний здания, полу-
         Особое внимание при расчетах высотных
                                                            ченный с помощью прямого интегрирования
     зданий следует уделять влиянию динамиче-
                                                            дифференциальных уравнений во времени,
     ских нагрузок. В районах с низкой сейсмиче-
                                                            совпадает со спектром, известным из решения
     ской активностью основным источником
                                                            задачи на собственные частоты (рис. 12). В
     динамических воздействий для жилых зданий,
                                                            спектре отчетливо выявляются несколько

     Internet: www.georec.spb.ru
64
     РЕКОНСТРУКЦИЯ ГОРОДОВ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, №9/2005
Высотное строительство в Санкт-Петербурге
первых частот собственных колебаний, мак-                                                           а
симальные амплитуды соответствуют часто-
                                                                                                         0.02
там около 1 Гц.
                                                                                                        0.015

         1
                                                                                                         0.01
                                                    14 Спектр (БПФ):
 0
                                                                                                        0.005
 0
 0                                                                                                          0
 0
                                                                                                                 0       2       4       6         8         10        12
 0                                                                                                      -0.005
 0
 0                                                                                                       -0.01
                   4.8
 0
 0                                                                                                      -0.015
                             10.6
 0                                          17.2         22
                                                                                                         -0.02
 0
     0              5        10        15          20         25       30     35    40   45   50

     Рис. 12. Спектр колебаний 25-этажного
 монолитного здания без учета деформируемости                                                       б
                   основания
     При расчете подобного здания на естест-
                                                                                                        6,00E-02
венном основании (при динамическом модуле
грунта 100 МПа) спектр колебаний сущест-                                                                4,00E-02

венно изменяется (рис. 13). Наибольшая                                                                  2,00E-02

амплитуда связана с колебанием здания как                                                               0,00E+00
единого целого на податливом основании.                                                                              0   2   4       6       8     10   12        14   16
                                                                                                        -2,00E-02
Частота таких колебаний составляет около
0,4 Гц, а амплитуда смещений верхних этажей                                                             -4,00E-02

значительно больше, чем при расчете без                                                                 -6,00E-02

учета податливости основания. Более высокие
частоты колебаний вносят существенно
                                                                                                      Рис. 14. Амплитуды смещения верхнего этажа
меньший вклад в величины напряжений в
                                                                                                     здания от динамической составляющей ветровой
конструкциях и грунтах.                                                                                 нагрузки: а – по расчету на неподатливом
                                                                                                     основании; б – по расчету с учетом податливости
             0.4                                    38 Спектр (БПФ):
                                                                                                     основания для здания на естественном основании
 0.004

 0.003

 0.003                                                                                                  Таким образом, при проектировании зда-
 0.002
                                                                                                    ний на податливом основании необходим учет
 0.002

 0.001
                                                                                                    совместной работы надземных конструкций,
 0.001                                                                                              фундаментов и грунтов основания.
                                                                                                        Не следует забывать, что небоскребы Чи-
         0
             0           5        10        15          20     25       30     35   40   45   50

                                                                                                    каго и Нью-Йорка построены на надежном
     Рис. 13. Спектр колебаний 25-этажного
 монолитного здания на естественном основании                                                       скальном основании. Там, где скала перекры-
  со средним динамическим модулем 100 МПа                                                           валась толщей осадочных отложений, эти
                                                                                                    грунты проходились сваями. В Петербурге
    При расчете здания на свайном основа-                                                           скальное основание покрыто 200-метровым
нии первая собственная частота колебаний                                                            чехлом осадочных пород и его невозможно
здания увеличивается и занимает промежу-                                                            использовать в качестве несущего слоя.
точное положение между первой частотой,                                                                 Невозможность безосадочного строитель-
полученной для фундамента на естественном                                                           ства выдвигает особые требования к конст-
и неподатливом основании.                                                                           руированию высотных зданий, прежде всего к
    Амплитуды колебаний от динамической                                                             обеспечению их пространственной жесткости
составляющей ветровой нагрузки на податли-                                                          и устойчивости. Конструкция высотного
вом и неподатливом основаниях могут суще-                                                           здания должна сопротивляться не только
ственно различаться. В данном примере это                                                           сжимающим, но и изгибным и крутящим
различие превышало 100% (рис. 14).                                                                  нагрузкам. Теоретически такими свойствами
                                                                                                    может обладать только каркас из металла или

                                                                                                                                         Internet: www.georec.spb.ru
                                                                                                                                                                            65
                                                                                                                                                 ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ
В. М. Улицкий, А. Г. Шашкин, К. Г. Шашкин
     железобетона. В мировой практике это из-             ветровая нагрузка приводит к раскачиванию
     вестно с первой трети XX в.                          верха здания почти на метр!
         Как ни странно, в Санкт-Петербурге до                Появление подобных проектов является
     сих пор делаются попытки возведения зданий           ярким примером попытки экстраполяции
     повышенной этажности из кирпича. Строи-              типовых решений, пригодных для малоэтаж-
     тельство 20-этажного кирпичного здания               ной застройки, на высотное строительство,
     весьма проблематично хотя бы из-за исчер-            что подтверждает неготовность к проекти-
     пания сопротивления кладки сжатию.                   рованию высотных зданий.
         Первым опытом проектирования высот-                  В связи с этим представляется необходи-
     ного здания в Петербурге стала так на-               мым изучение зарубежного опыта высотного
     зываемая башня «Петр Великий» высотой 120            строительства. Особый интерес для нас пред-
     м, которую предполагалось расположить в              ставляют высотные здания во Франкфурте-на-
     устье р. Смоленки на Васильевском острове.           Майне и Берлине, возведенные на мощной
     Следует отметить, что проектирование прово-          толще осадочных отложений. Интересен
     дилось институтом ЛенНИИпроект с долж-               также опыт выправления кренов высотных
     ным профессионализмом. Здание было запро-            зданий в Сан-Паулу (Бразилия). Изучение
     ектировано с жестким центральным ядром по            передового зарубежного опыта не исключает
     принципу «труба в трубе», особое внимание            необходимости изучения азов проектирования
     уделялось деформациям здания. Причиной               и конструирования высотных зданий, которые
     приостановки осуществления проекта стал              изложены в многочисленных публикациях, в
     вывод о необходимости устройства свай                том числе переведенных на русский язык.
     длиной порядка 100 м, что в начале 90-х гг.          Понимание того, что проектирование высот-
     ушедшего века казалось нереальным.                   ного здания – это специфическая задача,
         В последние годы появились идеи строи-           требующая привлечения конструктора и
     тельства столь же высоких зданий на террито-         геотехника уже на этапе рождения архитек-
     риях с более благоприятными грунтовыми               турного замысла, является залогом успешного
     условиями. Весьма показательным примером             решения этой задачи.
     является    проектирование    100-метрового
     здания в южной части города. Его предпола-
     галось возвести между двумя уже построен-                           Список литературы
     ными 6-этажными корпусами. Некогда здесь
                                                                1. Дашко Р. Э., Александрова О. Ю. Инженер-
     планировалось возведение 17-этажного здания
                                                          но-геологический и геоэкологический анализ
     (небоскреба по тогдашним меркам). Институт
                                                          причин деформаций Исаакиевского собора //
     «Фундаментпроект» настаивал на опережаю-
                                                          Реконструкция городов и геотехническое строи-
     щем строительстве среднего корпуса по
                                                          тельство. 2003. № 5.
     отношению к боковым корпусам. Но это
                                                                2. Рогонский В. А., Воронин В. М. Строитель-
     основополагающее условие было проигнори-
                                                          ные катастрофы. СПб.: Стройиздат. 2001.
     ровано. Сегодняшняя задача – возведение
                                                                3. Сотников С. Н. Осадка Исаакиевского со-
     здесь вдвое более высокого здания –
                                                          бора // Фундаментостроение в условиях слабых
     чрезвычайно сложна. Даже устройство длин-
                                                          грунтов: Межвуз. темат. сборник трудов / ЛИСИ.
     ных свай (более 30 м) не позволяет снизить
                                                          Л., 1986.
     осадки здания до уровня, безопасного для
                                                                4. Лобовиков Д. А. Конструкция здания Дома
     существующих строений. Курьез проектного
                                                          Книги на Невском проспекте – пример заимствова-
     предложения состоит в том, что высотное
                                                          ния американского опыта строительства // Реконст-
     здание решено в неполном каркасе с использо-
                                                          рукция городов и геотехническое строительство.
     ванием кирпичных (!) стен, при этом много-
                                                          2000. №2.
     этажная коробка не имеет ядер жесткости,
                                                                5. Шуллер В. Конструкции высотных зданий.
     адекватных решаемой задаче, и «посажена» на
                                                          М.: Стройиздат. 1979.
     первый этаж меньшей пощади (за счет встро-
     енных пожарных проездов). Одна только

     Internet: www.georec.spb.ru
66
     РЕКОНСТРУКЦИЯ ГОРОДОВ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, №9/2005
Вы также можете почитать