Чому не падають хмарочоси
Хмарочоси заполонили світ. Вони ростуть як гриби після дощу у всіх країнах світу. Особливо багаті на дивовижні висотки Об'єднані Арабські Емірати.
Domik.ua нещодавно повідомляв про вежу Бурдж-Халіфа — найвищий хмарочос світу. Будували його порівняно швидко і виглядає він вражаюче. Але масштаби вражають — як така величезна споруда тримається на землі і не провалюється банально?!
Хмарочоси почали будувати колись із бажання заощадити землю, що стрімко дорожчала в американських містах. Зараз це міркування, схоже, давно не є вирішальним. Надвисокі будинки в наші дні споруджують з іншою метою показати багатство, міць, амбіції. Однак будь гонка хмарочосів хоч тисячу разів ярмарком марнославства, їхнє зведення не перестане бути складною інженерною проблемою.
Коли розповідають про чергову рекордно високу споруду, зазвичай говорять про те, що здіймається над землею. Звичайно ж, про висоту, кількість поверхів і ліфтів, оглядові майданчики, з яких видно півсвіту, і про те, наприклад, як доставити воду на сто-який поверх, щоб водопровід при цьому не розірвало від величезного тиску в трубах.
Менше говорять про підземну частину, хоча питання про те, як гігантські, майже кілометрові «голки», на зразок побудованої Burj Khalifa або Kingdom Tower, що будується, тримаються в ґрунті, дуже цікаве. Чому вони не падають? Чому не провалюються в ґрунт і як витримують колосальні вітрові навантаження?
Щоб розібратися в технології спорудження підстав для хмарочосів, «ПМ» звернулася до московського інституту «Міськпроект», який, зокрема, займається проектуванням висотних будівель. Нашим консультантом люб'язно погодилася виступити керівник конструкторського відділу ЗАТ «Міськпроект», кандидат технічних наук Олена Зайцева.
Схема вказує розподіл навантаження на плиту фундаменту. Жовтим та коричневим виділено зони найбільших вертикальних навантажень. Вони припадають на крила, які виконують роль контрфорсів.
Тут вам не Манхеттен
«Основним при проектуванні фундаменту висотної будівлі є, безумовно, високе навантаження, яке передається спорудою на основу, — каже Олена Зайцева. — Необхідно розрізняти поняття «фундамент» та «заснування будівлі». Під фундаментом розуміють частину будівлі (нижні конструкції - плита, пальовий ростверк, палі тощо), яка передає навантаження від споруди на ґрунт. І, відповідно, під основою розуміють масив ґрунту, в якому виникають додаткові напруження та опади внаслідок впливу на нього будівлі через його фундамент.
Завдання полягає в тому, щоб правильно спроектувати і основу, і фундамент. Основна складність виникає у зв'язку з тим, що висота будівлі велика, а площа передачі навантаження на основу по відношенню до висот споруди мала. Це призводить до високої напруги як у самій конструкції фундаменту (великі згинальні моменти і значне навантаження, що продавлює від стін і колон), так і в основі (фундамент-грунт)».
Таким чином, від характеристик ґрунту безпосередньо залежить конструкція фундаменту. Відомо, що в найзнаменитішому парку хмарочосів — на острові Манхеттен — скельний ґрунт знаходиться на поверхні, що значно полегшує роботу проектувальників. Достатньо розчистити рівний майданчик - і на нього можна поставити фундамент у вигляді товстої плити з армованого бетону.
Однак у наші дні чемпіонат із надвисотного будівництва відбувається в іншому куточку світу — на Аравійському півострові. Саме там стоїть найвищий хмарочос Burj Khalifa (828 м, ОАЕ) та готуєтьсязведення іншого монстра заввишки 1007 м - Kingdom Tower (Саудівська Аравія). Останній хотіли зробити висотою за милю (1609 м), але геологи сказали рішуче «ні» — ґрунт не витримає.
Тримаючись за надра
Фундамент Burj Khalifa був розроблений як пальово-плитний. Плита товщиною 3,7 м являє собою щось подібне до квітки з трьома пелюстками, що відображає загальну конструкцію будівлі, що складається з центрального шестигранного ядра і трьох крил, що виконують роль контрфорсів (вертикальних конструкцій, що підпирають). Це надає будівлі велику жорсткість на бічне навантаження та кручення. Плиту вирішено було оперти на 192 палі діаметром 1,5 і завдовжки 43 м.
Палі під хмарочоси здебільшого є буронабивними, тобто виготовляються шляхом буріння свердловин потрібних діаметра та глибини та подальшого їх заповнення елементами арматури та бетонним розчином.
Іноді палі пронизують шари м'якого ґрунту та досягають на певній глибині твердої скельної породи, даючи тверду опору фундаменту. Але в Аравії навіть на глибині 50 м породи м'які, з низьким ступенем цементації. Палі, що підпирають плиту фундаменту, є по суті «висячими», тобто навантаження від будівлі передається верхнім шарам ґрунту через плиту та нижнім – переважно через тертя поверхонь палі та ґрунту. Цікаву інженерну проблему довелося вирішувати під час будівництва куала-лумпурських веж-близнюків – Petronas Towers.
Під місцем їхнього майбутнього фундаменту був твердий скельний ґрунт, але у вигляді досить крутого схилу. Була можливість вибрати варіант зі палями, що спираються на скелю, але тоді одні з них були б зовсім короткими, а інші набагато довшими. Проектувальники побоювалися, що під вагою будівель довші палі з часом стиснуться і їхня довжина суттєвоскоротиться, внаслідок чого виникне крен. Врешті-решт було вирішено перенести будівництво туди, де скельний ґрунт не підходив близько до поверхні, і поставити хмарочоси на висячих палях.
Бетон відмінно працює на стиск, але не так добре – на розтяг та вигин. «При зведенні фундаментів використовують залізобетон, що включає сталеву арматуру і важкий бетон, — пояснює Олена Зайцева. — Плити армуються горизонтальними сітками, що сприймають вигин, а навантаження на стиск бере на себе бетон. Діаметр сталевої арматури в плитах досягає 40 мм, але в палях можуть використовувати спеціальну арматуру і більший діаметр».
Таким чином, надвисока будівля передає вертикальне навантаження та згинальні моменти основи через плитний або плитно-паловий фундамент. Але як відбувається кріплення самої будівлі до фундаменту?
Безперервний зв'язок
«Наразі, якщо йдеться про висотні будинки, з'єднання безпосередньо конструкцій будівлі з плитою або ростверком (балкою, що розподіляє навантаження на палі) виконується за жорсткою схемою, — каже Олена Зайцева. — З плити виготовляються випуски арматури в місцях опори на неї вертикальних конструкцій таким чином, щоб вони збігалися з арматурою цих конструкцій. Згодом при бетонуванні стін та колон арматура плити та конструкцій з'єднується, утворюючи безперервний зв'язок.
Це дозволяє хмарочосу мати надійний «якір», куди буде передаватися горизонтальне навантаження, що виникає при поривах вітру або сейсмічних поштовхах, які зрушують вплив. Що ж до з'єднання паль з ростверком, то тут можливе шарнірне з'єднання, коли арматура палі не заводиться в плиту ростверка, або жорстка — коли не тільки арматура, а й частина голови палі заводиться в плиту.У першому випадку від будівлі передаються тільки вертикальні навантаження на палі, у другому — також і момент, що згинає».
Якщо підійти до будмайданчика, на якому тільки приступають до будівництва хмарочоса, ми не побачимо ні паль, ні плити. Швидше за все, перед нами сяятиме величезна яма: у будь-якому, навіть найвищому хмарочосі проектуються підземні поверхи, а тому будівництво починається з копання котловану.
Щоб котлован, укоси якого можуть становити 5-10 і більше метрів, не обвалився, зводяться огороджувальні конструкції із шпунтових паль (зазвичай вони виготовляються з металу) або у вигляді «стіни в ґрунті». І лише в дні котловану буритимуть свердловини під буронабивні палі, а потім там же буде відлита плита, яка стане головною невидимою зовні опорою хмарочоса.
Московська специфіка
Однією з особливостей проектування висотних будівель у Москві можна назвати відсутність міцних скельних ґрунтів та місцями досить високий рівень ґрунтових вод.
Грунтова товща в Москві представлена шарами піщаних і глинистих грунтів різної консистенції, що перешаровуються. Це досить хороша основа для звичайних будівель, проте, враховуючи, що тиск під підошвою фундаменту висотної будівлі знаходиться в середньому в діапазоні 7-11 кг/см2, цього недостатньо.
Правда, в Москві практично повсюдно на доступній глибині (для будівель з великою підземною частиною) і за наявності пальової основи залягає шар вапняків. На нього і намагаються сперти фундаменти хмарочосів. Однак вапняк - це матеріал, по-перше, істотно менш міцний, ніж, наприклад, той же граніт, і, по-друге, схильний до руйнування під впливом кислот.
З огляду на те, що продукти життєдіяльності людини повільно, але вірно забруднюють горизонти.Підземні води повинні мати це на увазі в довгостроковій перспективі існування хмарочоса. Натомість нам пощастило з відсутністю ураганів та землетрусів частого та катастрофічного характеру. Питання захисту котловану від підтоплення ґрунтовими водами в період будівництва вирішуються або глибинним водозниженням за допомогою голкофільтраційних установок, що гойдають воду з глибин нижче дна котловану, або створенням водонепроникної «стіни в ґрунті», нижній кінець якої опускають у глинистий ґрунт, що є водоупором (що не пропускає воду) .
Захист підземної частини будівлі від води виконують або за допомогою різних систем гідроізоляції, або застосовуючи так звану білу ванну: це спеціальний бетон зі зниженою водопроникністю, а в місцях влаштування деформаційних та технологічних швів встановлюються еластичні шпонки, які перешкоджають просочуванню води по швах.
Безумовно, ці роботи вимагають хорошої кваліфікації будівельників, оскільки помилки, допущені під час улаштування підземної частини будівлі, виправити дуже важко і дуже дорого.