Специфики на конструктивния дизайн при високи сгради
При ниски сгради (до 5–6 ет.) доминиращото натоварване е гравитацията. При сгради над 20–30 етажа хоризонталните натоварвания (вятър, земетресение) стават доминиращи. Вятърното натоварване нараства с квадрат от скоростта и с квадрат от височината – при 100 м сграда то е многократно по-голямо от при 20 м. Проектирането на конструктивна система, поемаща тези хоризонтални натоварвания ефективно, е главното предизвикателство при високото строителство.
Освен якостта, при небостъргачите критичен е и ускорението на горните нива при вятър – прекомерните вибрации причиняват дискомфорт на обитателите (люлеене). Стандартното изискване е ускорението на върха да е под 10–15 mg (милигравитации) за жилищни и под 20–25 mg за офисни сгради.
Рамкова конструктивна система
Стандартната рамкова система (колони + греди) е ефективна до около 20–30 етажа. При по-голяма височина рамковите конструкции стават неефективни за поемане на вятъра без значително увеличение на размерите на колоните и гредите. Решението: интегриране на специализирани ядра или диагонали за хоризонтална твърдост.
Ядрена система (Core-Wall)
Ядреният стоманобетонен стени (shear walls) формират вертикален ядрен елемент (обикновено около асансьорните шахти и стълбищата). Ядрото е изключително твърдо при хоризонтални натоварвания и носи голяма parte от вертикалните натоварвания. Около ядрото – колони и плочи без греди (flat slab). Стандарт при жилищни кули 30–60 ет.
Ограничение: при много висока сграда (над 60–70 ет.) ядреният момент на огъване е огромен – изисква се допълнителен системен елемент.
Outrigger и Belt Truss
При ядрена система с outriggers периметралните колони се свързват с ядрото чрез хоризонтални ферми (outrigger trusses), обхващащи 1–2 нива. Натоварването от ядрото се разпределя към периметралните колони – значително намалявайки деформацията на ядрото. Belt trusses (хоризонтални пояси по периметъра) свързват всички периметрални колони, разпределяйки натоварването равномерно. Комбинацията ядро + outrigger + belt truss е стандарт при кули 40–80 ет.
Тубусни системи (Tube Systems)
Fraм Tube
При Framed Tube плътно наредени периметрални колони (на 1,5–3 м), свързани с дълбоки пояснални греди, образуват гъста периметрална „тубус" – действаща като кутия при вятър. Почти всичко от хоризонталния товар се поема от периметъра. Джон Хенкок Сентър (Chicago, 1969 г. – Fazlur Khan) е класически пример. Недостатък: малките прозорци поради гъстите колони.
Bundled Tube
При Bundled Tube (Willis/Sears Tower, Chicago – Fazlur Khan) множество тубуси са наредени и свързани. Системата позволява различни форми в горните нива (тубусите се „отделят"). Изключително ефективна при много висока сграда.
Diagrid
Диагридните системи (Tower at Hearst Headquarters, NYC; Swiss Re „Gherkin", London; CCTV Tower, Beijing) използват диагонална стоманена мрежа по периметъра. Диагоналите поемат едновременно вертикалните и хоризонталните натоварвания – без вертикални периметрални колони. Изключителна структурна ефективност при оригинален естетически резултат.
Фундиране на небостъргачи
Фундирането на висока сграда е изключително ответственна задача – натоварванията са огромни. Стандартното решение е пилотен ростверк: стотици буренени пилоти (Ø800–2500 мм, дълбочина 30–80 м), свързани с масивна плочеста основа (ростверк с дебелина 3–5 м). Бетонирането на ростверка е огромна операция – нерядко 5000–20 000 м³ бетон при непрекъснато бетониране в продължение на 3–5 денонощия.
При бетониране на ростверк с дебелина над 2–3 м е задължителен термичен контрол – масовото бетониране генерира значителна топлина при втвърдяване. Разликата между центъра и повърхността не трябва да надвишава 20°C (риск от термично напукване). Охлаждане чрез вградени стоманени тръби с циркулираща вода е стандартна мярка при масивни ростверки.
Конструктивни системи за сеизмично натоварване
При сеизмично натоварване (земетресение) изискванията са различни от вятъра: по-кратка продължителност, по-широкочестотен спектър, и акцент върху пластичността (конструкцията трябва да може да деформира пластично, без внезапен провал). Стандартните антисеизмични решения при висока сграда: изолация на основата (base isolation – гумено-стоманени изолатори между фундамента и конструкцията), тунингуеми демпфери (tuned mass dampers – TMD) – маса, клатеща се в противофаза с вибрациите на сградата, и вискозни демпфери.