Құрылыс жоғары ғимараттар: Қауіпсіздік, инженерлік және конструкциялық ерекшеліктер
Skyscraper design and construction
Қазақстандағы қалың қабатты үйлердің құрылысы, қауіпсіздігі, инженерлік ерекшеліктері. Төзімділік, өрттен қорғау, экономикалық тиімділік туралы мағлұмат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Аспан қыртыстарын жобалау және салу – өте биік ғимараттарда қауіпсіз және тұруға жайлы кеңістіктер жасауды қамтиды. Ғимараттар өз салмағын ұстап тұруы, жел мен жер сілкінісіне қарсы тұруы, сондай-ақ тұрғындарды өрттен қорғауы тиіс. Бірақ олар жоғарғы қабаттарда да ыңғайлы қолжетімді болуы керек, тұрғындарға қажетті жабдықтармен және жайлы климатты қамтамасыз етуі керек. Аспан қыртыстарын жобалау кезінде туындайтын мәселелер экономика, инженерия және құрылыс басқаруы арасындағы тепе-теңдікті ескере отырып, ең күрделі проблемалардың қатарына жатады.
The design and construction of skyscrapers involves creating safe, habitable spaces in very high buildings. The buildings must support their weight, resist wind and earthquakes, and protect occupants from fire. Yet they must also be conveniently accessible, even on the upper floors, and provide utilities and a comfortable climate for the occupants. The problems posed in skyscraper design are considered among the most complex encountered given the balances required between economics, engineering, and construction management.
Құрылыстың негізгі қағидалары
Жақсы құрылымдық дизайн көптеген ғимараттардың жобасында маңызды, бірақ әсіресе көкжайлар үшін, себебі құрылыс бағасының жоғары болуы және адам өміріне үлкен қауіп төндіруі мүмкін болғандықтан, тіпті апаттық сәтсіздікке ұшырау мүмкіндігінің өте аз болуы да қабылдауға келмейді, 2021 жылы Surfside кондоминиумының құлауында көрінгендей. Бұл азаматтық инженерлерге парадокс тудырады: сәтсіздік болмауын қамтамасыз етудің жалғыз жолы – лаборатория жағдайында да, нақты өмірде де барлық мүмкін сәтсіздік түрлерін сынау. Бірақ сәтсіздік түрлерінің барлығын білудің жалғыз жолы – бұрынғы сәтсіздіктерден сабақ алу. Сондықтан, еңбекке тартылған инженер берілген құрылымның барлық жүктемелерге төтеп бере алатынына толық сенімді бола алмайды, бірақ сәтсіздік қабылданатын деңгейде болуы үшін жеткілікті қауіпсіздік маржасын қамтамасыз ете алады. Егер ғимараттар сәтсіздікке ұшыраса, инженерлер бұл сәтсіздіктің алдын ала ескерусіздіктен немесе белгілі бір себепсіз фактордан туындағанын анықтауға тырысады.
Good structural design is important in most building designs, but particularly for skyscrapers since even a small chance of catastrophic failure is unacceptable given the high prices of construction and potential risk to human life on a massive scale, as seen in the Surfside condominium collapse of 2021. This presents a paradox to civil engineers: the only way to assure a lack of failure is to test for all modes of failure, in both the laboratory and the real world. But the only way to know of all modes of failure is to learn from previous failures. Thus, no engineer can be absolutely sure that a given structure will resist all loadings that could cause failure, but can only have large enough margins of safety such that a failure is acceptably unlikely. When buildings do fail, engineers question whether the failure was due to some lack of foresight or due to some unknowable factor.
Субструктура
Аспан қырғыштарды ерекше ететін көптеген нәрселердің бірі – олардың негіздік құрылысы. Мысалы, негіздік құрылысты ұстап тұратын шұңқырдың тереңдігі міндетті түрде тау жынысына жететін болуы керек. Егер тау жынысы жер бетіне жақын жатса, онда тау жынысының үстіндегі топырақ алынып тасталады және ғимараттың іргетасын салуға қолайлы, тегіс платформаны жасау үшін тау жынысының бетінен жеткілікті мөлшерде материал қазылып алынады.
One of the many things that make skyscrapers special is their substructure. For example, the depth of the pit that holds the substructure has to reach all the way to bedrock. If bedrock lies close to the surface, the soil on top of the bedrock is removed, and enough of the bedrock surface is removed to form a smooth platform on which to construct the building's foundation.
Жүктеме және тербеліс
Аспан қырғышының жүктемесі негізінен ғимарат материалының өзінің күшінен туындайды. Көптеген құрылыс жобаларында ғимараттың салмағы, оның өзінің салмағынан басқа материалдың салмағынан әлдеқайда ауыр болады. Техникалық тұрғыдан алғанда, өлі жүк – ғимараттың жүктемесі, тірі жүк – ғимарат ішіндегі заттардың салмағынан (адамдар, жиһаз, көліктер және т.б.) үлкен. Осылайша, аспан қырғышының төменгі қабаттарында қажетті құрылымдық материал мөлшері жоғарғы қабаттардағы материалдан әлдеқайда көп болады. Бұл әрқашан көзге көрінбейді. Empire State Building-тің кері шегінулері сол кездегі құрылыс кодексінің нәтижесінде пайда болды және құрылымдық жағынан қажеттілік тудырмады. Ал John Hancock Center-дің пішіні жүктемені қалай көтеретінінің ерекше нәтижесі болып табылады. Тік тіректер түрлі болуы мүмкін, олардың ішінде аспан қырғыштары үшін ең көп қолданылатындары – болат қаңқалар, бетон ядролар, құбыр ішінде құбыр және қабырғалық тіректер болып жіктеледі. Аспан қырғышына желдің тигізетін жүктемесін де ескеру қажет. Шындығында, аса биік құрылымдарға тиетін көлденең жел жүктемесі әдетте құрылымдық жобалаудағы басты фактор болып табылады. Жел қысымы биіктікпен бірге артады, сондықтан өте биік ғимараттар үшін желмен байланысты жүктемелер өлі немесе тірі жүктемелерден артық болады. Басқа тік және көлденең жүктеме факторлары жер сілкінісі сияқты әртүрлі, болжауға қиын көздерден туындайды.
The load a skyscraper experiences is largely from the force of the building material itself. In most building designs, the weight of the structure is much larger than the weight of the material that it will support beyond its own weight. In technical terms, the dead load, the load of the structure, is larger than the live load, the weight of things in the structure (people, furniture, vehicles, etc.). As such, the amount of structural material required within the lower levels of a skyscraper will be much larger than the material required within higher levels. This is not always visually apparent. The Empire State Building's setbacks are actually a result of the building code at the time, and were not structurally required. On the other hand, John Hancock Center's shape is uniquely the result of how it supports loads. Vertical supports can come in several types, among which the most common for skyscrapers can be categorized as steel frames, concrete cores, tube within tube design, and shear walls. The wind loading on a skyscraper should also be considered. In fact, the lateral wind load imposed on super tall structures is generally the governing factor in the structural design. Wind pressure increases with height, so for very tall buildings, the loads associated with wind are larger than dead or live loads. Other vertical and horizontal loading factors come from varied, unpredictable sources, such as earthquakes.
Қалқа қабырғалары
Қиыршық қабырға, ең қарапайым анықтамасы бойынша, қабырғаның барлық материалы көлденең және тік жүктемелерге қарсы тұру үшін қолданылатын қабырға болып табылады. Типик мысал – кірпіш немесе шлакблок қабырға. Қабырға материалы салмақты ұстауға арналғандықтан, қабырғаның мөлшері артқан сайын, ол одан да көп салмақты ұстауы керек. Қиыршық қабырғаның ерекшеліктеріне байланысты, шағын құрылыстар, мысалы, қала маңындағы үйлер немесе қалалық тас үйлерге, аз материалдық шығындар мен аз күтім-жөндеу талап етіледі. Осылайша, мұндай құрылыстар үшін әдетте фанера және каркас, кірпіш немесе шлакблок сияқты қиыршық қабырғалар қолданылады. Бірақ, көпірлер үшін, құрылыстың мөлшері артқан сайын, тіреу қабырғасының мөлшері де артады. Мысалы, қамалдар мен соборлар сияқты ірі құрылыстар бұл мәселелерді үлкен қабырғаның тиімді болуы (қамалдар) немесе оның айналысында жобалау мүмкіндігі (соборлар) арқасында шешкен. Көпірлер ең көп қабат кеңістігін алу үшін конструкциялық тіреуді біріктіруге тырысады, сондықтан қиыршық қабырғалар көбінесе басқа тіреу жүйелерімен бірге қолданылады.
A shear wall, in its simplest definition, is a wall where the entire material of the wall is employed in the resistance of both horizontal and vertical loads. A typical example is a brick or cinderblock wall. Since the wall material is used to hold the weight, as the wall expands in size, it must hold considerably more weight. Due to the features of a shear wall, it is acceptable for small constructions, such as suburban housing or an urban brownstone, to require low material costs and little maintenance. In this way, shear walls, typically in the form of plywood and framing, brick, or cinderblock, are used for these structures. For skyscrapers, though, as the size of the structure increases, so does the size of the supporting wall. Large structures such as castles and cathedrals inherently addressed these issues due to a large wall being advantageous (castles), or able to be designed around (cathedrals). Since skyscrapers seek to maximize the floor space by consolidating structural support, shear walls tend to be used only in conjunction with other support systems.
Болат қаңқа
Аспан қыртысының дәстүрлі түсінігі – ішінде көптеген кішкентай бөлмелер бар үлкен болаттан жасалған қорап. Қиыр қабырғаның тиімсіз бөлігін, яғни орталық бөлігін жойып, қолдаушы элементтерді мықтырақ материал – болатпен біріктіру арқылы, аспан қыртысын көлденең және тік тіреулермен тұрғызуға болады. Бұл әдіс қарапайым болғанымен, кемшіліктері де бар. Олардың ең бастысы – биіктік артқан сайын, көбірек материалды тіреу қажет болады, сол себепті тіреуші элементтер арасындағы қашықтық азаяды, бұл өз кезегінде тіреуге қажетті материал мөлшерін арттырады. Бұл 40 қабаттан аспайтын ғимараттар үшін тиімсіз және экономикалық тұрғыдан қолайсыз, себебі тіреу бағаналарына арналған пайдалы еден алаңы кішірейеді және болаттың көп мөлшері қолданылады.
The classic concept of a skyscraper is a large steel box with many small boxes inside it. By eliminating the inefficient part of a shear wall, the central portion, and consolidating support members in a much stronger material, steel, a skyscraper could be built with both horizontal and vertical supports throughout. This method, though simple, has drawbacks. Chief among these is that as more material must be supported (as height increases), the distance between supporting members must decrease, which actually, in turn, increases the amount of material that must be supported. This becomes inefficient and uneconomic for buildings above 40 stories tall as usable floor spaces are reduced for supporting column and due to more usage of steel.
Құбырлық қаңқа
1960 жылдардың басында кадрлы құбырларды пайдаланатын жаңа құрылымдық жүйе әзірленді. Фазлур Хан мен Дж. Ранкин кадрлы құбыр құрылысын "үш, төрт немесе одан да көп тіреулі қабырғалар немесе қиылысқан қабырғалардан тұратын үш өлшемді кеңістіктік құрылым, олардың жиектері біріктіріліп, кез келген бағыттағы көлденең күштерге төңкеріліп тұра алатын тік құбыр тәрізді құрылымдық жүйе" деп анықтады. Тығыз орналасқан, байланысқан сыртқы бағаналар құбырды құрайды. Көлденең жүктемелер (көбінесе жел) құрылымның толық бөлігімен көтеріледі. Сыртқы бетінің шамамен жартысы терезелерге арналған. Кадрлы құбырлар ішкі бағаналардың санын азайтады, демек пайдалы еден алаңын арттырады. Гараж есіктері сияқты үлкен ашылулар қажет болғанда, құбырдың қаңқасы үзілуі керек, ал құрылымдық тұрақтылықты сақтау үшін көпірлі фермалар қолданылады. Құбыр құрылыстары шығындарды төмендетіп, ғимараттардың биіктігін арттыруға мүмкіндік береді. Құбырлық конструкция алғаш рет Хан жобалаған және 1963 жылы Чикагода аяқталған ДеВитт Каштанотты пәтер үйінде қолданылды. Одан кейін ол Джон Хэнкок орталығы мен Дүниежүзілік сауда орталығының құрылысында қолданылды. Құбырлық қаңқаның бір түрі – біріктірілген құбыр, ол бірнеше байланысқан құбырлық қаңқаларды пайдаланады. Чикагодағы Уиллис мұнарасы осы дизайнды қолданып, ерекше сыртқы түрін жасау үшін әртүрлі биіктіктегі тоғыз құбырды пайдаланды. Біріктірілген құбырлық конструкция экономикалық тұрғыдан ғана тиімді емес, сонымен қатар "архитектуралық кеңістіктің әртүрлі пішіндеу мүмкіндігі тұрғысынан инновациялық болды. Тиімді мұнаралар енді міндетті түрде қорап тәрізді болудың қажеті жоқ; құбыр бөлімдері әртүрлі пішінге ие болуы мүмкін және әртүрлі топтарға біріктірілуі мүмкін". Біріктірілген құбырлық құрылым "ғимараттар енді қорапша тәрізді болмай, мүсінге айналуы мүмкін" дегенді білдірді. Мысалдарға Дүниежүзілік сауда орталығы, Аон орталығы, Петронас мұнаралары, Цзинь Мао ғимараты және 1960 жылдан бері салынған басқа да көптеген аса биік ғимараттар жатады. Құбырлық құрылым дизайнының күшті ықпалы қазіргі ең биік ғимарат, Бурдж Халифаның құрылысында да көрінеді.
A new structural system using framed tubes was developed in the early 1960s. Fazlur Khan and J. Rankine defined the framed tube structure as "a three dimensional space structure composed of three, four, or possibly more frames, braced frames, or shear walls, joined at or near their edges to form a vertical tube like structural system capable of resisting lateral forces in any direction by cantilevering from the foundation." Closely spaced interconnected exterior columns form the tube. Horizontal loads (primarily wind) are supported by the structure as a whole. About half the exterior surface is available for windows. Framed tubes allow fewer interior columns, and so create more usable floor space. Where larger openings like garage doors are required, the tube frame must be interrupted, with transfer girders used to maintain structural integrity. Tube structures cut down costs, at the same time allow buildings to reach greater heights. Tube frame construction was first used in the DeWitt Chestnut Apartment Building, designed by Khan and completed in Chicago in 1963. It was used soon after for the John Hancock Center and in the construction of the World Trade Center. A variation on the tube frame is the bundled tube, which uses several interconnected tube frames. The Willis Tower in Chicago used this design, employing nine tubes of varying height to achieve its distinct appearance. The bundle tube design was not only highly efficient in economic terms, but it was also "innovative in its potential for versatile formulation of architectural space. Efficient towers no longer had to be box like; the tube units could take on various shapes and could be bundled together in different sorts of groupings." The bundled tube structure meant that "buildings no longer need be boxlike in appearance: they could become sculpture." examples including the construction of the World Trade Center, Aon Center, Petronas Towers, Jin Mao Building, and most other supertall skyscrapers since the 1960s. The strong influence of tube structure design is also evident in the construction of the current tallest skyscraper, the Burj Khalifa.
Лифт мәселесі
Лифттің ойлап табылуы, көптеген адамдар бір уақытта бірнеше қабатқа көтеріле алмайтынын (немесе көтеріле алмайтынын) ескере отырып, көкпарларды (асқабақ ғимараттарды) салудың алғы шарты болды. Көкпардағы лифттер, су мен электр энергиясы сияқты қажетті жабдық ғана емес, шын мәнінде бүкіл құрылыстың жобасымен тығыз байланысты. Биік ғимаратқа қосымша қабаттарды қызмет көрсету үшін көбірек лифттер қажет, бірақ лифт шахталары құнды еден алаңын пайдаланады. Егер қызмет көрсету ядросы (лифт шахталарын қамтитын) тым үлкен болса, ол ғимараттың пайдалылығын төмендетуі мүмкін. Архитекторлар биіктік арқылы алынған пайданы, кеңейтілген қызмет көрсету ядросының жоғалған құнымен теңестіруі керек. Көптеген биік ғимараттар лифттерді стандартты емес конфигурацияда пайдаланады. Бұрынғы Әлемдік сауда орталығының Егіз мұнаралары және Чикагодағы Джон Хэнкок орталығы сияқты ғимараттар аспан лоббилерін пайдаланады, онда жылдам лифттер жолаушыларды жоғарғы қабаттарға жеткізеді, олар жергілікті лифттер үшін база болып табылады. Бұл сәулетшілер мен инженерлерге лифт шахталарын бірін-бірің үстіне орналастыруға мүмкіндік береді, бұл орынды үнемдейді. Аспан лоббилері мен жылдам лифттер көп орын алады және қабаттар арасында саяхаттауға жұмсалатын уақытты ұзартады. Petronas Towers сияқты басқа ғимараттар екі қабатты лифттерді пайдаланады, бұл бір лифт ішіне көбірек адамдарды сыйдыруға және әр тоқтауда екі қабатқа жетуге мүмкіндік береді. Лифттерде екі деңгейден артық пайдалануға болады, бірақ бұл әлі сынақтан өткен жоқ. Екі қабатты лифттердің басты мәселесі – олар лифттегі барлық жолаушыларды тоқтатуға мәжбүрлейді, тіпті егер бір деңгейдегі адамдар ғана белгілі бір қабатта түсуі керек болса да. Шанхай мұнарасы және құрылысы жүріп жатқан (2019) Джидда мұнарасы қолданатын тағы бір шешім – ғимараттарды көп мақсатты пайдалану үшін салу, кеңсе кеңістігін төменгі қабаттарға орналастыру, себебі ол көбірек еден алаңын пайдаланады. Көп қабатты пентхаустар мен атриумдар (азын алаңды қажет ететін) жоғарғы қабаттарға орналастырылады.
The invention of the elevator was a precondition for the invention of skyscrapers, given that most people would not (or could not) climb more than a few flights of stairs at a time. The elevators in a skyscraper are not simply a necessary utility like running water and electricity, but are in fact closely related to the design of the whole structure. A taller building requires more elevators to service the additional floors, but the elevator shafts consume valuable floor space. If the service core (which contains the elevator shafts) becomes too big, it can reduce the profitability of the building. Architects must therefore balance the value gained by adding height against the value lost to the expanding service core. Many tall buildings use elevators in a non standard configuration to reduce their footprint. Buildings such as the former World Trade Center's Twin Towers and Chicago's John Hancock Center use sky lobbies, where express elevators take passengers to upper floors which serve as the base for local elevators. This allows architects and engineers to place elevator shafts on top of each other, saving space. Sky lobbies and express elevators take up a significant amount of space and add to the amount of time spent commuting between floors. Other buildings such as the Petronas Towers use double deck elevators allowing more people to fit in a single elevator and reaching two floors at every stop. It is possible to use even more than two levels on an elevator although this has yet to be tried. The main problem with double deck elevators is that they cause all elevator occupants to stop when only people on one level need to get off at a given floor. Another solution, employed by the Shanghai Tower and the under construction (2019) Jeddah Tower is for buildings to be created for mixed use, putting office space in the lower floors as it uses more floorspace. Multistory penthouses and atria—which require little cross sectional floorspace—are placed towards the top.
Аспан қыртыстарын салудағы басқа қиындықтар
Аспан қыртыстарын салу күрделілік пен құнынан басқа да факторларға байланысты қиын болуы мүмкін. Мысалы, Париж сияқты еуропалық қалаларда ескі архитектура мен заманауи аспан қыртыстарындағы айырмашылық жаңа ғимараттар салу үшін жергілікті биліктен келісім алуды қиындатады. Ескі және танымал қалада аспан қыртыстарын салу қаланың бейнесін күрт өзгерте алады. Ұлыбританиядағы Лондон немесе АҚШ-тағы Сан-Франциско сияқты қалаларда "қорғалған көрініс" деп аталатын заңдық талап бар, ол екі маңызды нысан арасындағы көру сызығындағы немесе оған жақын жатқан жаңа ғимараттардың биіктігін шектейді. Бұл ереже жаңа биік ғимараттар үшін қолайлы жер табуды да қиындатады.
Building skyscrapers can be difficult due to factors other than complexity and cost. For example, in European cities like Paris, the difference between the appearance of old architecture and modern skyscrapers can make it hard to get approval from local authorities to construct new skyscrapers. Building skyscrapers in an old and famous town can drastically alter the image of the city. In cities such as London in the United Kingdom or San Francisco in the United States, there is a legal requirement called protected view, which limits the height of new buildings within or adjacent to the sightline between the two places involved. This rule also makes it harder to find suitable sites for new tall buildings.