Расчёт несущих конструкций высотного здания ведётся по СП 267.1325800.2016 и отличается от расчёта обычного здания тремя вещами: пульсационная составляющая ветровой нагрузки собирается по большому числу форм колебаний, учитывается стадийность возведения с накоплением разности укорочений вертикальных элементов, и отдельно проверяются ускорения верха здания по условию комфортности.
Когда здание считается высотным и что меняется в расчёте
Порог — 75 м; по классификации ГОСТ 27751 здания выше 100 м, либо с консолями более 20 м, либо с заглублением подземной части более 15 м относятся к классу КС-3. Практическое следствие фиксирует 7.8.2 СП 267.1325800.2016: при расчёте несущих конструкций, оснований и фундаментов по первой группе предельных состояний на основное сочетание коэффициент надёжности по ответственности принимается не менее 1,1 для зданий от 100 до 250 м и не менее 1,2 — свыше 250 м. По второй группе, а также при оценке комфортности пребывания людей он равен единице.
Смысл высотного расчёта не в том, что здание «большое». С ростом высоты меняется то, что определяет конструкцию: ветер вместо снега, перемещения и ускорения вместо прочности, крен и разность осадок вместо средней осадки, стадийность возведения вместо мгновенного нагружения. Колонна нижнего этажа набирает нагрузку годами, и укорочение соседних колонн с разной степенью нагружения перераспределяет усилия в перекрытиях — эффект, которого в обычном здании просто нет.
Исходные данные для расчёта высотного здания
- Архитектурно-планировочное решение с конструктивной схемой: расположение ядра, колонн и пилонов, наличие аутригерных этажей, переходных этажей и консолей.
- Высота здания и класс сооружения — от них зависят коэффициент надёжности по ответственности и объём научно-технического сопровождения (НТС).
- Материалы инженерно-геологических изысканий с характеристиками грунтов по результатам испытаний; для высотных зданий геотехническая категория практически всегда третья.
- Ветровой район, тип местности, данные об окружающей застройке; задание на аэродинамические испытания модели либо обоснование применения нормативных коэффициентов.
- Сейсмичность площадки при расположении в сейсмическом районе.
- Технологические требования: последовательность возведения, сроки, схема бетонирования, сведения о применяемых бетонах и их деформативности во времени.
- Программа научно-технического сопровождения и требования к параллельному расчёту независимой организацией.
Состав расчётов
Общий расчёт конструктивной системы
По 8.2.4.8 СП 267 для высотного здания выполняется перечень расчётов, который стоит привести целиком, поскольку он и определяет объём работы:
- горизонтальные перемещения верха здания;
- формы и частоты собственных колебаний;
- устойчивость формы и устойчивость положения — опрокидывание и сдвиг;
- перекосы этажных ячеек;
- максимальная осадка, разность осадок и крен здания;
- прогибы плит перекрытий;
- ускорения колебаний перекрытий верхних этажей;
- усилия и перемещения в несущих конструкциях и узлах их сопряжений, включая расчёт на прогрессирующее обрушение, а также транспортные и монтажные нагрузки.
Ветер и комфортность
- Ветровая нагрузка с пульсационной составляющей по нескольким формам собственных колебаний; для зданий сложной формы и в плотной застройке — по результатам продувки модели в аэродинамической трубе.
- Проверка резонансного вихревого возбуждения поперёк потока — для башен с призматической формой это часто определяющее воздействие.
- Ускорения верхнего эксплуатируемого этажа и оценка комфортности пребывания людей по СП 20.13330.2016 с коэффициентом надёжности по ответственности, равным единице. Требование по комфортности нередко оказывается жёстче требований прочности и именно оно задаёт жёсткость системы.
Основание и фундаменты
- Совместный расчёт системы «основание — фундамент — несущая система» с нелинейными моделями грунта.
- Крен фундамента считается на основное сочетание постоянных, длительных и кратковременных, преимущественно ветровых, нагрузок, и складывается из крена от постоянных и длительных нагрузок и крена от кратковременных (8.1.3 СП 267).
- Разность осадок и её влияние на усилия в перекрытиях и колоннах; неодновременное завершение консолидации разных видов грунтов как источник крена.
- Мероприятия по снижению неравномерных осадок: варьирование длины и жёсткости свай, разделение фундамента, изменение схемы загружения.
Стадийность возведения и деформации во времени
- Расчёт с учётом последовательности возведения: нагрузка прикладывается по этажам, а не целиком.
- Укорочение колонн и пилонов с учётом ползучести и усадки бетона; разность укорочений соседних вертикальных элементов и вызванные ею усилия в перекрытиях.
- Компенсация укорочений при задании строительного подъёма и отметок.
Особые воздействия и живучесть
- Расчёт на прогрессирующее обрушение по СП 385.1325800.2018, включая специальное требование для высотных зданий: каждое перекрытие проверяется на восприятие веса обрушившегося участка перекрытия вышележащего этажа с коэффициентом динамичности 1,5 на площади 80 м² при высоте до 200 м и 100 м² выше.
- Сейсмические воздействия по СП 14.13330.2018 с определением нагрузок во временной области по инструментальным записям ускорений, когда это требуется.
Верификация
Для зданий высотой более 100 м по 8.2.4.7 СП 267 выполняется параллельный расчёт конструктивной системы независимой организацией в программных комплексах, разработанных независимо от использованных в основном расчёте. Сопоставление ведётся по конкретному перечню: давление под подошвой фундамента, разность осадок и крены, усилия в основных несущих элементах, деформации здания от основного сочетания с учётом ветра, горизонтальное смещение верха, укорочение наиболее нагруженных колонн, прогибы ответственных конструкций — перекрытий пролётом более 20 м и консолей вылетом более 6 м, формы и частоты собственных колебаний, ускорение верхнего эксплуатируемого этажа.
Порядок выполнения
Сначала — программа НТС и состав специальных технических условий, если объект того требует. Затем предварительная модель для оценки жёсткости системы: на этой стадии проверяются перемещения верха, частоты и ускорения, и уточняется конструктивная схема — добавляются или убираются аутригеры, меняется толщина стен ядра. Менять схему после полного расчёта дороже на порядок.
Далее — полная модель со стадийностью возведения и совместной работой с основанием, набор сочетаний, расчёты по перечню 8.2.4.8. После подбора сечений — прогрессирующее обрушение по всем сценариям, затем монтажные и транспортные нагрузки.
Завершают работу передача модели и исходных данных на параллельный расчёт, сопоставление результатов по регламентированному перечню параметров и разбор расхождений. Расхождения находятся почти всегда, и их анализ — самая содержательная часть верификации.
Что входит в результат
Расчётно-пояснительная записка с обоснованием расчётной схемы, стадийности, моделей материалов и грунта, результатами по всем позициям 8.2.4.8, оценкой комфортности и расчётом на прогрессирующее обрушение. Материалы для параллельного расчёта и отчёт о сопоставлении. Задание конструкторам с параметрами ядра, колонн, аутригеров, перекрытий и узлов, а также с величинами строительного подъёма. Файл расчётной модели ЛИРА 10 (2024). Ответы на замечания экспертизы.
На что смотрит экспертиза
Коэффициент надёжности по ответственности, принятый по высоте здания, и его различие для первой и второй групп. Наличие расчёта стадийности и учёта ползучести и усадки — расчёт «в одну стадию» для высотного здания не принимается. Оценка комфортности по ускорениям верхнего этажа. Обоснование аэродинамических коэффициентов для зданий сложной формы и в плотной застройке. Полнота перечня расчётов по 8.2.4.8. Наличие параллельного расчёта независимой организацией и протокола сопоставления. Проверка перекрытия на падение вышележащего участка.
Типовые ошибки расчётной модели высотного здания
Нагрузка приложена ко всему зданию сразу — перемещения верха занижены, а усилия в перекрытиях от разности укорочений вообще отсутствуют. Ползучесть и усадка не учтены, строительный подъём назначен «по опыту». Пульсация посчитана по первой форме, тогда как у здания с несимметричным ядром расчётной оказывается крутильная форма. Основание задано коэффициентом постели, и крен, который определяется податливостью грунта на всей площади пятна, получается недостоверным. Ускорения верхнего этажа не проверены вовсе — здание проходит по прочности и перемещениям, но некомфортно для людей.
Выполненные работы
Прямых публичных кейсов по высотным зданиям на сайте пока нет. Близкие по составу задачи — совместная работа сооружения с основанием, крены и разность осадок, сейсмические воздействия — разобраны в кейсах административно-бытового корпуса в сейсмической зоне и атриума с подземной парковкой.
Срок и от чего зависит трудоёмкость расчёта
Основное — число стадий возведения и требование параллельного расчёта. Стадийный расчёт высотного здания с нелинейной моделью основания считается заметно дольше обычного, а сопоставление с независимым расчётом добавляет отдельный цикл разбора расхождений. Второй фактор — форма здания: для несимметричных и сложных форм добавляются продувка и проверки на аэроупругую неустойчивость. Третий — число сценариев прогрессирующего обрушения.
Стоимость привязывается к составу работ и фиксируется в предложении. Предложение действует на указанный в нём период и офертой не является.
Нормативная база
СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования» (с изменениями) · ГОСТ 27751-2014 «Надёжность строительных конструкций и оснований» · СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» · СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» · СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты» · СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции» · СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» · СП 385.1325800.2018 «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения» · СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах» · СП 539.1325800.2024 «Научно-техническое сопровождение строительства» · СП 160.1325800.2014 «Здания и комплексы многофункциональные»
