Первым зданием каркасной конструкции в США следует считать построенное архитектором Дженнеем в 1883 г. 10-этажное здание с чугунными внутренними и наружными колоннами, поддерживающими перекрытия. Уже в этом здании наружная стена несет только собственный вес и не поддерживает перекрытия.
В 1891 г. в Чикаго было сооружено 13-этажное здание "Тасота", а в 1893 г. 20-этажное здание, в котором простенки, утратившие свои конструктивные функции, были оторваны от фундамента и подвешены на каркасе, причем чугунные колонны заменены стальными. В этих зданиях впервые коренным образом меняются функции стен: из несущих конструкций они превращаются в заполнение каркаса.
В связи с изменением функции стен возникла необходимость в новых конструкциях, которые должны были обеспечивать жесткость и устойчивость многоэтаж-"ных зданий. Этими конструкциями стали жесткие вертикальные плоскости каркаса, предназначенные создавать совместно с горизонтальными жесткими плоскостями-перекрытиями необходимую пространственную жесткость и устойчивость здания.
В годы, предшествующие второй мировой войне, ведется интенсивное строительство небоскребов.
Осторожность и стремление к увеличению надежности конструкции каркаса привели в первый период многоэтажного строительства к конструированию исключительно связевых схем каркасов, которые на уровне строительной техники того времени наиболее полно обеспечивали надежную работу каркаса по восприятию ветровых нагрузок.
Тенденция к переходу от связевых к рамным схемам каркаса привела во второй период строительства небоскребов к созданию промежуточной комбинированной схемы - рамно-связевой. Комбинированная схема каркаса получила наиболее широкое распространение в 30-х годах при сооружении самых высоких зданий "Эмпайр Стейт" высотой 102 этажа, здания "Рокфеллер центр" высотой 93 этажа, здания "Крайслер" в 77 этажей и др. Наряду с комбинированной схемой каркасов позже, в 40-х годах, начали применяться для зданий меньшей этажности каркасы рамной схемы, что было связано с появлением сварных конструкций узлов, отличающихся высокой жесткостью.
В начале XX в. после научного обоснования расчета железобетонных конструкций железобетон находит применение и для каркасов многоэтажных зданий. Первое многоэтажное здание высотой 16 этажей с железобетонным каркасом было построено в г. Цинциннати в 1902 г. При проектировании железобетонных каркасов схемы стальных каркасов были повторены без существенных изменений. Однако железобетонные каркасы получили в американской практике многоэтажного строительства значительно меньшее распространение, чем стальные. Так, по данным Американского института стальных конструкций, из 5000 каркасных зданий высотой более 10 этажей, построенных в США до 1966 г., лишь 780 (т. е. около 15%) решены в железобетоне.
Основными причинами относительно меньшего применения железобетонных каркасов были: большая трудоемкость железобетонных конструкций и невозможность индустриальных методов производства работ; более длительный срок выполнения; сложность производства работ в зимнее время. Все же неоспоримые достоинства железобетонных каркасов, заключающиеся в резком снижении расхода стали (в 3 или 4 раза) при одновременном значительном увеличении (в несколько раз) пространственной жесткости каркаса, способствовали применению монолитного железобетонного каркаса для многих многоэтажных зданий.
Однако более чем 50-летняя практика зарубежного строительства не дала рациональных решений железобетонных каркасов.
Показателем рациональности компоновки и конструктивного решения каркаса может служить расход стали на каркас, исчисленный на 1 м3 здания. Представляют интерес данные по расходу стали на каркасы ряда американских зданий, построенных в довоенный (до 1941 г.) период (см. табл. 9.1).
На основе анализа практики строительства многоэтажных зданий в США до 1945 г. можно сделать ряд выводов.
Конструктивные решения каркасов весьма случайны, не объединены общей идеей и направлением проектирования, в большинстве своем достаточно сложны и неэкономичны. Усложненные объемно-планировочные решения приводили соответственно к усложнению конструкции каркаса, к многотипности размеров конструктивных элементов. Размещение связей в плане - один из важнейших вопросов обеспечения жесткости здания - выполнялось без должного инженерного и научного подхода; ветровые связи, вопреки принципу концентрации материала, зачастую распылены в плане, не объединены в общую связевую систему, что способствовало бы значительному повышению жесткости здания в целом.
Железобетонные каркасы, имевшие неоспоримые достоинства, применялись мало, главным образом в зданиях высотой до 30 этажей, при этом рациональные типы железобетонных каркасов - с жесткой арматурой или сборные - вовсе не были применены.
После 1945 г. вновь широко развернулось строительство зданий повышенной этажности как в странах американского континента, так и в ряде стран Европы и Азии. Рассматривая опыт этого строительства, можно проследить ряд определенных тенденций.
Для европейской практики многоэтажного строительства характерно широкое использование монолитных железобетонных каркасов.
Оригинально конструктивное решение построенного в 1960 г. 30-этажного здания фирмы "Пи-релли" в Милане (рис. 9.1). Основой конструкции служит железобетонный каркас; жесткость и устойчивость здания обеспечиваются пространственными системами железобетонных диафрагм, расположенных в торцовых частях здания. Каркас здания выполнен в виде мощных железобетонных пилонов, расположенных с большими шагами в продольном направлении: 11; 14; 11 ж.
Толщина пилона по мере увеличения нагрузки развивается с 50 до 200 см. Конструкция перекрытий выполнена в виде железобетонных продольных ригелей, опертых на пилоны, и второстепенных балок, несущих монолитные плиты перекрытий. Наружные стены в основном легкие, навесные из стеклопанелей в алюминиевом фахверке; на отдельных участках по архитектурным соображениям стены выполнены в виде заполнения из кирпича с облицовкой естественным камнем.
Другим типом является 20-этажное административное здание фирмы "Эни", построенное в 1960-1962 гг. в Риме. Несущие конструкции выполнены в виде стального каркаса: по статической схеме каркас относится также к связевой системе. Диафрагмы жесткости - в виде железобетонных стенок, расположенных в торцовых частях здания. Перекрытия железобетонные, монолитные. Компоновка каркаса и здесь отличается применением-крупного поперечного модуля - 13 м. Такое конструктивное решение отвечает задаче создания условий для гибкой планировки, а также стремлению получить. большие залы без промежуточных опор.
В последние годы в строительстве многоэтажных зданий в странах Европы начинают применяться сборные железобетонные конструкции. Примером может быть применение для ряда зданий в Лондоне сборных конструкций системы "Лен-гуол".
Наиболее характерные особенности современного многоэтажного каркасного. строительства в Европе следующие: использование конструктивных схем каркасов связевой системы с выполнением диафрагм жесткости в виде монолитных стенок; стремление к увеличению модульных ячеек каркаса ради получения широкой свободы в планировочных решениях, даже в ущерб расходу материалов- стали и бетона; выполнение каркасов либо из металла, либо из монолитного железобетона, что определяется в разных странах конъюнктурными соображениями; попытки использовать в многоэтажном строительстве сборные железобетонные конструкции.
В современной американской практике строительства многоэтажных зданий наряду с традиционными в последнее время появился ряд новых решений.
В отдельных сооружениях привычный тип каркаса с кирпичным заполнением
наружных ограждении между колоннами заменяется конструкцией, состоящей в плане из двух концентрических, входящих одна в другую, стен, которые образуют совместно работающее внутреннее ядро и наружную "оболочку" с опирающимися на них междуэтажными перекрытиями. Эта система получила название "tube-in-a-tube" (труба в трубе) (рис. 9.2). Несколько зданий такой ядро-оболочковой конструкции уже возведено.
В пределах центрального "ядра" располагаются лифты, лестничные клетки, все основные инженерные коммуникации. Окружающая площадь, не стесненная несущими конструкциями, наиболее эффективно используется в планировочном, функциональном отношении. При этом применяются широкие в плане здания и глубокие рабочие помещения, имеющие искусственное освещение и кондиционированный воздух.
В этих условиях становится возможным более выгодно использовать объем здания и благодаря резкому сокращению периметра и площади наружных ограждений снизить стоимость рабочих площадей.
Ядро-оболочковая система уже получила несколько конструктивных разновидностей. В зданиях относительно небольшой высоты, где планировочное решение позволяет создать развитое в плане ядро жесткости, можно обойтись только одним внутренним ядром, не включая конструкции наружных ограждений в работу на восприятие горизонтальных нагрузок и обеспечение общей жесткости и устойчивости сооружения. Для зданий большой высоты, напротив, целесообразно использовать совместную работу внутреннего ядра жесткости и наружной оболочки. Она может обеспечиваться балками перекрытий или введением в пределах технических этажей ростверков, рассчитанных на восприятие сдвигающих усилий, которые возникают при совместной работе внутреннего ядра жесткости и наружной оболочки. В таких случаях обе конструкции должны опираться на единый фундамент - общую железобетонную плиту или систему глубинных опор. Ядро-оболочковой конструкции стараются придать симметричное в плане очертание, чтобы избежать закручивания при действии ветровой нагрузки.
Конструкция наружной оболочки -? наружных стен - имеет в американской практике строительства несколько раз-
личных вариантов: традиционная схема несущей стены из кирпича или из монолитного бетона, выполняемого, в частности, в подвижной опалубке; каркасная система из стальных колонн и горизонтальных ригелей, образующих рамную (портальную) конструкцию (рис. 9.2,6). способную воспринимать как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки и, таким образом, представляющую в статическом отношении систему в виде оболочки; решетчатая система наружной стены, представляющая собой сетчатую оболочку; нагрузка от перекрытий передается на эту систему в местах пересечения диагональной решетки (рис. 9.2, в,г).
Таким образом, эволюция конструктивной схемы наружных ограждений (несущие тяжелые каменные стены, затем превращение их в навесные ограждения) снова привела к возвращению им функций несущей конструкции, но в новом качестве.
Новому конструктивному характеру наружных ограждений - наружной "оболочки" - отвечают архитектурные приемы компоновки фасадов. С этой точки зрения представляет интерес решение несущей бетонной стены с расположенными в шахматном порядке проемами (здание "Хилтон отель" в Сан-Франциско), что дает возможность усилить конструкцию стены арматурой, располагаемой как в вертикальном, так и в диагональном направлении (рис. 9.2,6).
Наиболее характерным примером новой конструкции является строящееся в Нью-Йорке 110-этажное здание Международного торгового центра (рис. 9.3). В конструктивном отношении здание решено как пустотелая вертикальная консоль с решетчатыми стенами, рассчитанная на восприятие горизонтальной ветровой нагрузки порядка 220 кГ/м2 и вертикальной нагрузки от собственного веса стены и перекрытий. Решетка наружных стен работает как безраскосная ферма (ферма Виренделя); она состоит из колонн коробчатого сечения, расположенных с шагом 1 м, и горизонтальных поэтажных связей. Колонны и связи облицовываются и одновременно с конструктивным назначением выполняют соответственно функции простенков и подоконных стеновых панелей. Внутренними опорами служат стены центральной лифтовой шахты. Таким образом, внутренние колонны в здании отсутствуют.
Перекрытия представляют собой пространственную коробчатую конструкцию пролетом около 20 м, которая состоит из перекрестных стальных решетчатых элементов и волнистых металлических листов, являющихся опалубкой. Заполнение- плита перекрытия, выполняемая из легкого бетона. Балки перекрытия с одной стороны опираются на наружные стены, с другой - на стены шахты.
Фундаментами здания служат массивные железобетонные опоры пятиэтажной подземной части, которая предназначена под гараж и доходит в глубину (около 21 м) до скального материкового-основания.
Другой пример использования аналогичных конструктивных принципов - строящееся в г. Хьюстоне (штат Техас) 52-этажное административное здание (рис. 9.4). Все несущие конструкции здания выполнены из легкого бетона (объемным весом 1800 кг/мг и пределом прочности на сжатие 420 кГ/см2). Инженерно-технические коммуникации, лифты, лестницы, служебные и вспомогательные-помещения сосредоточены в центральной шахте, служащей также внутренней опорой здания. Наружная оболочка выполняется в виде системы колонн, расположенных с шагом 1,8 м. Ширина сечения колонны 45 см, высота переменная - от 60 до 120 см. Колонны выступают из плоскости наружных стен, что придает зданию архитектурную выразительность.
Значительный интерес в конструктивном отношении представляет законченное в 1967 г. 45-этажное административное здание в Монреале (Канада)', построенное по проекту инж. Нерви. Особенностью этого здания является решение внутреннего ядра, выполненного в плане в виде креста, который расположен в пределах лифтового узла (рис. 9.5).
Важное достоинство такой компоновки диафрагм - отсутствие в них проемов. и отверстий. При традиционных же компоновках связевых систем, которые, как правило, выполняются по периметру лифтовых шахт или располагаются в пределах перегородок, разделяющих различные помещения, в диафрагме жесткости всегда имеется большое количество отверстий и проемов, значительно ослабляющих конструкцию и усложняющих ее выполнение.
В работу связевой системы на восприятие горизонтальных нагрузок включены наружные колонны каркаса, что осуществляется через ростверки, расположенные в пределах технических этажей. В данном случае колонны получают только дополнительные вертикальные нагрузки. Включение наружных колонн в работу общей связевой системы на горизонтальные нагрузки значительно облегчает систему и одновременно повышает пользовании этих решений, а об их творческой переработке с учетом особенностей и тенденций развития отечественного строительства).
Стремление к увеличению пролетов общую жесткость здания, обеспечение которой становится по мере роста высоты сооружений важнейшей и наиболее сложной инженерной проблемой.
Анализ опыта зарубежного строительства каркасных зданий позволяет сделать ряд выводов.
Конструктивные схемы каркасных зданий прошли путь развития от связе-вых к рамно-связевым и рамным, а затем к пространственно-связевым. В последней схеме каркаса удается получить высокую жесткость при наименьшем по сравнению с другими схемами расходе стали. В конструктивном отношении представляют интерес для использования в нашем строительстве решения ядро-оболочковых систем (речь идет не о механическом ис-
между колоннами каркаса, заметное в зарубежном строительстве последних лет, сопряжено со значительным увеличением расхода материала на каркас и, особенно, на перекрытия, и объясняется зачастую рекламными целями.
Компоновки каркаса по-прежнему не отличаются четкостью; конструкторы, выполняя требования свободы объемно-планировочных решений, не уделяют должного внимания снижению расхода материалов и трудоемкости. Такой подход неприемлем для советской школы проектирования.
Конструктивные решения каркасных зданий в сборном железобетоне, которые в наибольшей мере могли бы соответствовать тенденциям развития отечественного многоэтажного строительства, находятся за рубежом еще в начальной стадии развития (значительно отставая от других областей применения сборного железобетона) и не представляют для нас интереса.
