Повышение надежности высотных зданий в городе Москве на основе опыта конверсионных решений

Намеченное создание высотного кольца в Москве остро поднимает вопрос о необходимости обеспечения прочности и долговечности конструкций высотных зданий. При этом может оказаться полезным опыт создания защитных сооружений, которые имели более высокий уровень нагружений.

Распространено сейчас конструктивное решение, когда высотная часть выполняется в виде "свечки", которая не имеет расширения у фундаментов. К ней примыкает отделенная осадочным швом подземная автостоянка. Конструктивное решение высотной части в виде одной или нескольких вертикальных "свечек" минимизирует площадь опирания. Это вызывает большие сложности из-за грунтовых условий, которые существуют на территории г. Москвы. При этом значительно повышаются нагрузки на грунты основания под фундаментами зданий.

Так, с каждого одного квадратного метра перекрытия усредненная нагрузка составляет 1,8-2,2 т/м². Для зданий высотой порядка 50 этажей под подошвой фундамента нагрузка достигает 90-110 т/мг. Это уже приближается к нагрузкам, на которые проектировались защитные сооружения. В то же время, согласно "Общим положениям к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м", утвержденным правительством г. Москвы и Москомархитектурой, давление на грунты основания не должно превышать 5 кг/см² [50 т/м²].

Если смотреть на общую конфигурацию здания, то более рациональным выглядело бы распределение нагрузки от высотной части на всю площадь здания, включая подземную часть с автостоянкой. При этом площади нижних этажей надземной части также должны быть расширены, и здание должно приобрести очертания, как у пирамиды или у останкинской башни. Такая конфигурация здания характерна для так называемых "Сталинских высоток". В этих дополнительных объемах здания должны быть заинтересованы инвесторы, которые на выкупленном участке земли получают полезные дополнительные площади. Такие здания будут выглядеть более устойчивыми, а поэтому и более привлекательными.

Свайные основания не всегда могут надежно обеспечить опирание фундаментов, так как приходится создавать свайное поле под всей высотной частью. Сваи часто опираются на слой грунта ограниченной толщины. При этом испытания отдельных свай еще не гарантируют того, что их совокупность не срежет слой, на который они опираются.

Неоднородность грунтового основания, несовпадение центра тяжести площади фундаментов с центром тяжести нагрузки, ветровые нагрузки могут стать причиной' появления крена здания.

Следует рассмотреть конструкцию фундаментной плиты, опирающейся на грунт основания. В защитных сооружениях высокой степени ответственности ее толщину старались принимать в пределах 800-1200 мм. Такой подход объяснялся тем, что трудно и даже в большинстве случаев невозможно контролировать однородность и сплошность бетона в толстых плитах, в которых от многих факторов, таких как усадка, ползучесть бетона, температурные напряжения, возникающие при выделении тепла в процессе твердения бетона, могут возникать трещины. Особенно опасны трещины, которые не выходят на наружные поверхности и не могут быть визуально зафиксированы. Для сокращения толщины плиты в защитных сооружениях устраивались дополнительные помещения, перекрытия и стены которых создавали пространственный каркас, работающий как короб. Особенно эффективным оказалось решение, когда с помощью несъемной опалубки из объемных блоков, собираемых из плит-мембран, создавались помещения размером G х 3 х 3 м. При этом толщина плиты, опирающейся на квадратный контур 3 х 3 м, при нагрузке 500 кг/мг была снижена с нескольких метров до 800 мм [1]. В таких помещениях можно регулярно проверять состояние бетона и при необходимости, например, в случае появления протечек производить ремонт, применяя бетон на напрягающем цементе (НЦ). И конечно, для таких помещений, связанных между собой соответствующими проемами, всегда находится полезное назначение.

Как шаг в указанном направлении, можно было бы положительно оценить решение фундаментной плиты жилого м ног с функционального комплекса по адресу: г. Москва, ул. Профсоюзная, вл. 64-66. Для высотного здания она принята в виде коробчатого сечения, что снижает ее вес и экономит бетон. Однако в пустотные полости высотой 1100 мм могут проникать грунтовые воды, и во влажной среде появляться плесень и грибки, которые достаточно быстро будут разрушать бетон. Следовало бы увеличить высоту полостей, га крайней мере, до допустимой высоты подвальных помещений и предусмотреть проходы в каждую полость для осмотра состояния конструкций и для возможности использования ее. например, в качестве подвальных помещений для жильцов.

Наличие в подземной части здания в месте примыкания подземной автостоянки деформационного шва существенно снижает надежность гидроизоляции, особенно в тех случаях, когда этот шов проходит го междуэтажным перекрытиям. Широко распространенные конструкции деформационного шва, с элементами водозащиты из резиновых жгутов и промасленных досок, достаточной долговечностью не обладают. При эксплуатации будут возникать дефекты, приводящие к протечкам грунтовых вод. Ремонт таких швов крайне затруднен, а иногда и невозможен.

Для конструкции осадочных швов при вертикальных осадках высотной части 15 - 20 см более целесообразной была бы установка двух вертикальных стен по периметру этих швов. В этом случае нарушение герметичности могло бы возникнуть только в пределах проемов разделяемых частей зданий, которые можно было бы легко устранять. Проектное решение с двумя вертикальными швами принято для высотного дома по ул. Дыбенко, вл. ЗВ, и его следовало бы использовать в дальнейшем.

При армировании защитных сооружений всегда использовались жесткие пространственные каркасы из арматуры или армометаллоблоков. Это надежно гарантировало положение арматуры в бетоне и не вызывало сложностей при укладке бетона. При изготовлении каркасов использовались прогрессивные способы сварки: многоточечная контактная, автоматическая и полуавтоматическая. В настоящее время от индустриальной сварки перешли к более дешевой ручной вязке. При этом для армирования фундаментной плиты используются в основном нижние и верхние арматурные сетки при практическом отсутствии поперечной арматуры. Такой способ армирования может оказаться недостаточно надежным. Отсутствие поперечной арматуры в конструкции, где действуют значительные поперечные силы, может привести к тому, что возникающие от расчетного нагружения или других факторов трещины не будут перехватываться арматурой. Такую картину можно наблюдать при разрушении оборонительных фортов, построенных в начале XX века на берегу Финского залива. Отсутствие армирования внутри сечений не препятствовало распространению трещин через многометровые толщи бетона. Защитное сооружение при этом распадалось на отдельные блоки.

Конструкция подземной части, где расположены автостоянки, состоят, как правило, из монолитных перекрытий, связанных колоннами С шагом 6.0 х 6,0 м. Для размещения автостоянки такая планировка вызывает значительные затруднения, особенно для размещения машин, имеющих повышенные габариты, число которых с каждым годом увеличивается. Следует рассмотреть варианты планировочных решений, при которых боксы для отдельной машины или нескольких машин будут отделяться несущими монолитными железобетонными перегородками, связывающими перекрытия в единую пространственную конструкцию.

Вогнутые поверхности фасадов здания сокращают полезную площадь. Это существенно снижает доход от ее реализации, учитывая, что высотные здания расположены в районах с высокой стоимостью земли. Такое решение, кроме того, может снижать надежность конструкции здания. Для жилого многофункционального комплекса по адресу: г. Москва, ул. Профсоюзная, вл. 64-66, вогнутость привела к тому, что в продольном направлении имеются в одном пролете одна, а в другом две продольные стены, связывающие два вертикальных блока в единую конструкцию. Причем эти стены имеют проемы. В этих пролетах связь частей здания в основном обеспечивают перекрытия, жесткость которых недостаточна для выравнивания разницы осадок и взаимных смещений двух частей здания. Эти перекрытия можно рассматривать только как горизонтальные линейные связи. Кроме того, принятые очертания фасадов здания с вогнутыми поверхностями будут существенно увеличивать ветровые нагрузки. При этом не выполняется расчет здания, как консоли с приведенным сечением, на расчетные ветровые нагрузки.

Можно также отметить, что действующий СНиП 2.01.07-85 ("Нагрузки и воздействия") не отражает в полной мере особенности ветровой нагрузки для высотных зданий. Для более точного определения нагрузок необходимо выполнять обдув модели здания.

Облицовка фасада по проекту часто выполняется из декоративных навесных железобетонных панелей, долговечность крепления которых к каркасу здания вызывает немало вопросов.

Подбор арматуры фундаментной плиты и плит перекрытий часто производится без учета пластического перераспределения моментов, при котором в узлах моменты могут снижаться до 30% и при этом соответственно увеличиваться пролетные моменты. А именно пролетные моменты вызывают опасные прогибы и обрушение перекрытий.

При проектировании простенков и пилонов, площади сечений которых стремятся максимально сократить, а пролеты помещений увеличить, воспринимать значительную часть усилий должна арматура. В настоящее время для армирования стала внедряться арматура класса Д500С с несущей способностью 435 МПа, которая не всегда может быть реализована. При распространенном армировании простенков вязаной арматурой не будет обеспечена устойчивость арматуры, а соответственно и указанная несущая способность, для достижения которой к тому же требуется деформативность бетона, превышающая предельно допустимую. По проекту, как правило, ставятся хомуты в количестве четыре на 1 мг. В данном случае этого недостаточно. Процент армирования простенков часто превышает 3,0%. При проектировании защитных сооружений при таких процентах армирования требовалась постановка хомутов через 5 диаметров продольной арматуры для обеспечения ее устойчивости. Хомуты крепились жестко контактно-точечной сваркой, а не податливой вязальной проволокой. При этом максимальный процент армирования не должен был превышать 5%.

Многие проектные решения вызывают определенные сомнения. Так, устройство дренажа вокруг здания будет работоспособным в течение 3-5 лет. В дальнейшем отверстия в дренажных трубах будут забиты глинистыми частицами, и эффективность дренажа сойдет на нет. Для таких уникальных зданий следует предусматривать устройство дренажных коллекторов, по которым можно пройти, очистить и отремонтировать систему. Следует также всегда учитывать, что грунтовые воды, проходящие через дренажную систему, несут частицы грунта, что приводит к вымыванию грунта из-под фундаментов окружающих зданий. Более рациональным представляется применение для наружных стен подвальных помещений бетонов на напрягающем цементе НЦ, который не пропускает воду и не требует устройства дренажа. Такое решение практически не нарушает гидрогеологические условия вокруг строительной площадки.

Часто используемое ограждение котлована из трубошпунта может вызвать большие сложности при строительстве здания и повлиять на существующие постройки. Забирка из досок, которая будет закреплять грунт вокруг котлована, неспособна сдерживать поток грунтовых вод, откачка которых из котлована может вызвать движение грунта из-под фундаментов рядом расположенных зданий. Трубы шпунта, доски забирки толщиной не менее 50 мм, как правило, остаются в грунте после окончания строительства. Между забиркой и железобетонной стеной дома остается полость, которую очень трудно заполнить затрамбованным грунтом, что будет приводить к заполнению ее водой и подвижке грунтов вокруг здания. Поэтому следует взять за правило применять для ограждения котлована метод "Стена в грунте" с использованием в качестве вяжущего для бетона напрягающий цемент НЦ. Это будет создавать не только ограждающую конструкцию с надежным водоупором вокруг котлована, но и может использоваться как наружная стена подземной части здания.

Наибольшие опасения вызывают расчеты на аварийные воздействия, связанные с разрушением несущих конструкций. При этом нет четкого определения, каким образом будут разрушены эти конструкции. Расчеты проводятся для нереального статического нагружения, при котором в восприятии нагрузки участвует весь каркас здания. Хотя очевидно, что наиболее опасным является взрыв, при котором время разрушения будет порядка 0.001 -0,0001 сек. За это время воздействие не успеет распространиться на все учитываемые в приведенных расчетах поддерживающие конструкции. При аналогичных расчетах защитных сооружений они назывались "расчетом на местное действие", и при этом учитывалась работа только тех несущих элементов, до которых успевала распространиться взрывная волна. Поэтому выводы, которые делают авторы расчетов о том, что разрушение колонны или пилона не приводит к разрушению здания, не соответствуют реальному положению вещей. В действительности эти аварийные разрушения приведут к обрушению значительной части здания

Средства на высотное строительство выделяются колоссальные. Если бы часть этих средств [2-4%] выделялась на теоретические и экспериментальные исследования для совершенствования конструкций и технологии строительства этих зданий, то мы имели бы и обоснованные проектные решения, эффективность которых превышала бы затраты на их разработку.

Литература

1. Л. Шестаков Новый концептуальный подход к проектированию и строительству сейсмостойких зданий //"Проект". 1997 , №5.

Л.П. Шестаков - ведущий научный сотрудник НИИЖБ, к.т.н., лауреат премии Совета Министров СССР

журнал "Глобальная безопасность" №1-2, 2006 г.   17.05.2007