Budynki wysokie są koniecznością współczesnego świata wobec procesu koncentracji ludności w miastach i dużym zapotrzebowaniem na tereny w centrach miast. Stalowe konstrukcje w zastosowaniu do wieżowców są bardziej optymalne ze względów techniczno -ekonomicznych od konstrukcji żelbetowych. Obiekty wysokościowe stały się areną bicia rekordów wysokości.
Wprowadzenie
W obecnym świecie zauważa się wyraźny trend do migracji ludności z terenów wiejskich do miast. Już ponad połowa mieszkańców naszej planety zamieszkuje właśnie miasta. Według różnych przewidywań liczba ta może wzrosnąć do 75% w ciągu najbliższych 35-40 lat. Głównym powodem migracji jest aspekt ekonomiczny. Coraz gęstsze zaludnienie miast wymusza ich rozbudowę. Jako że w centrach miast jest ograniczona przestrzeń, większy nacisk kładzie się na budownictwo wysokościowe. Wieżowce zajmując względnie małą powierzchnię zabudowy, zapewniają jednocześnie obszerne powierzchnie użytkowe, które zaadaptowane są na hotele, biura oraz apartamenty. Znacząco więc rozwiązują problem gęstej zabudowy miast. Za kolebkę budynków wysokich uznaję się Stany Zjednoczone Ameryki Północnej. Pierwsze wieżowce powstawały w Chicago (rys.1.) i Nowym Yorku. Do dziś uznawane są za miasta ‘drapaczy chmur’.
Rys.1. Panorama Chicago [1]
W Chicago w budynku Home Insurance Building zastosowano stalową ramę nośną. Taka konstrukcja opracowana w 1885 roku dzięki zastosowaniu stali-umożliwiła budowę coraz wyższych budynków. Obecnie obserwuje się spadek znaczenia konstrukcji stalowych na rzecz konstrukcji mieszanych, zespolonych. Dominacja USA w dziedzinie drapaczy chmur skończyła się na początku 21 wieku, kiedy to nastąpił ogromny rozwój wysokościowców w Azji i na Bliskim Wschodzie. Olbrzymie nakłady finansowe pozwalają państwom w tych rejonach na budowę coraz więcej wyższych i bardziej spektakularnych wieżowców.
Polska również może się pochwalić kilkoma budynkami wysokimi; największe ich skupienie jest w centrum Warszawy. W artykule scharakteryzowano wybrane budynki w Polsce, a także przedstawiono klasyfikację zależnie od rodzaju konstrukcji, liczby pięter itp.
Najciekawszy jest system budynków powłokowych, w którym ściany zewnętrzne spełniają rolę układów nośnych. Konstrukcja taka doskonale radzi sobie z obciążeniem poziomym (od wiatru) i zwiększa sztywność budynku. Ponadto umożliwia efektywniejsze wykorzystanie wnętrza, którego przestrzeń nie jest zajęta słupami.
We współczesnym silnie uprzemysłowionym świecie, wciąż rozwijającej się gospodarki emisje zanieczyszczeń są o wiele za duże. Z tego powodu w budownictwie poszukuje się rozwiązań przyjaznych środowisku. Istotnym aspektem jest ‘projektowanie zrównoważone’ kładące nacisk na budownictwo energooszczędne, wykorzystanie ‘technologii odnawialnych’ (czerpania energii słonecznej wiatrowej, z gruntu i ciepłych wód. Doskonałym przykładem jest wysoko-energooszczędny budynek Pearl River Tower w Chinach, który został zaprojektowany w taki sposób, aby jego bryła stawiała jak największy opór siłom wiatru.
Istotnym zagadnieniem jest oszczędność materiałów — optymalizacja konstrukcji. Współczesne budynki są tak projektowane, by umożliwić naturalną wentylację, w której, w której elewacje współdziałają z systemami klimatyzującymi, co z kolei wpływa na oszczędności związane z użytkowaniem wentylacji mechanicznej.
Realizowane są ’pionowe miasta ogrody’. Istnieją budynki wysokie łączące w jedność: domy, biura, obiekty handlowe oraz rekreacyjne. Hiszpańscy architekci stworzyli wizję Bionic Tower: mierząca 1228m wieża miałaby być domem dla 100 tys. osób. Projekt EDITT Tower jest przykładem budownictwa ekologicznego, w którym współistnieje ekosystem w jedności bryły i funkcji budynku z naturą.
Budynki wysokie potrzebują coraz więcej energii oraz materiałów. Wraz z wysokością budynków te problemy są coraz istotniejsze. To powoduje, że obecnie tak ważne jest ich minimalizowanie. Budynek Shanghai Tower jest przykładem nowoczesnego rozwiązania, zarówno pod względem kształtu i aerodynamiki oraz dbałości o środowisko naturalne, w którym 1/3 powierzchni jest terenem zieleni.
Budynek wysoki jest pojęciem niejednoznacznym, różnie definiowanym. W Polsce prawo określa budynki o wysokości 25,0 – 55,0 m jako wysokie, a powyżej 55,0 m jako wysokościowe. W Europie za dolną granicę budynków wysokich przyjmuje się 90,0 – 100,0 m, natomiast w Ameryce 100,0 – 120,0 m. W obu przypadkach można mówić o wielkościach umownych. Konstrukcja wieżowca powinna zapewniać bezpieczeństwo budynku oraz jego otoczenia. Oznacza to odpowiednią: stateczność, sztywność przestrzenną, wytrzymałość elementów i złączy, także trwałość oraz bezpieczeństwo pożarowe i sejsmiczne. Nadto istotne są współczesne aspekty projektowania zrównoważonego, a przede wszystkim energooszczędnego.
Względy ekonomiczne wymuszają rozwiązania ułatwiające realizację oraz skracające czas budowy. Konstrukcja powinna jednocześnie spełniać wymagania architektoniczne dotyczące szczególnie mobilności funkcji, dostępności komunikacji oraz łatwości transmisji przewodów instalacyjnych.
Ogólny przegląd budynków wysokich na świecie i w Polsce
Historia budynków wysokich sięga XIX wieku. Pierwotnie potrzeba budowania budynków wysokich była tłumiona przez brak oczywistych w ówczesnych czasach urządzeń takich jak windy oraz pompy wody, co powodowało, że budynki, które miały kilka pięter były uciążliwe dla mieszkańców. Chociaż w Szkocji w wieku XVI mimo, że wielkie mury obronne ograniczały powierzchnie zabudowy, domy stawały się coraz wyższe, osiągały nawet 14 pięter. Pierwszym nowoczesnym wieżowcem XIX wieku stał się 10 piętrowy Home Insurance Building w Chicago, którego architekt opracował pierwszą ramę nośną [I 01]. Stalowa konstrukcja nośna pozwalała na przenoszenie ciężaru, zamiast ścian nośnych, na fundament i otworzyła drogę do podboju nieba. Budynek ten miał jedynie 10 pięter wysokości, ale sprawił, że ludzkość zaczęła budować coraz wyższe i wyższe budynki stalowe.
Rys.2. Historia budynków wysokich. Zmiany wzrostu wysokości w najwyższych budynkach Świata
Na samym początku budowle powstawały w obszarach Chicago, Nowego Yorku, i to tam miała początek rywalizacja o posiadanie najwyższego budynku na świecie. Jak wynika z badań statystycznych [02], średnia wysokość wieżowców nieustannie wzrasta i tak w latach 2006-2010 łączna wysokość najwyższych 100 budynków na świecie wzrosła o 5 km. Powyżej przedstawiono wykres, który pokazuje jak na przestrzeni lat i o ile zwiększała się wysokość najwyższych w tych latach budynków. Można bez trudu zauważyć, że dopiero w latach90 pojawia się budynek spoza obszaru USA, co świadczy o tym, że do tego czasu większość obiektów powstawała w Stanach Zjednoczonych. Wszystko to przerwał boom budowlany, który zapoczątkował znaczną aktywność na obszarach Azji i Środkowego Wschodu i tak w latach 1930 99% ze100 najwyższych budynków było zlokalizowanych w Północnej Ameryce, natomiast w 2010 procent ten spadł do 22%. Znaczna rola w tej zmianie przypadła takim krajom jak Chiny czy Zjednoczone Emiraty Arabskie. Warto zaznaczyć, że z końcem 2007 roku na świecie były 34 budynki powyżej 300 m, natomiast z końcem 2010 liczba ta wzrosła do 82. Z analizy wynika, że budynki wysokie od samego początku były w 90% siedliskiem biur przedsiębiorstw, niecałe 10% stanowiły hotele.
Idee proekologiczne oraz wzrastające wymagania dotyczące komfortu przebywania człowieka w budynku mają zasadniczy wpływ na kształtowanie budynków współczesnych. Idee te przjawiają się akcentowaniem zbliżenia budynku do natury. Budynki powinny być projektowane z uwzględnieniem lokalnych uwarunkowań, takich jak klimat i ekosystem, tak aby mogły wykorzystać jego zalety. Podstawową zasadą jest energooszczędność budynków, czyli projektowanie ich w taki sposób, aby zużywały minimum surowców, ale także uczestniczyły również w ich produkcji (tlen, energia). Budynki wysokie bioklimatyczne powinny zwiększać komfort użytkownikom poprzez kontakt ze światem zewnętrznym oraz zielenią wewnętrzną, ogólnodostępne tarasy, wielokondygnacyjne atria. Można zauważyć, że budynki takie są droższe od odpowiedników tradycyjnych. Dziś tworzone są projekty budynków przyjaznych dla środowiska oraz dla człowieka poprzez zastosowanie systemów oszczędności energii, które w maksymalny sposób wykorzystują możliwości natury.
Rys.3. Klasyfikacja konstrukcji budynków wysokich [2]
Lista najwyższych budynków świata 💡 ➡ Wikipedia
Lista najwyższych budynków w Polsce :idea: ➡ Wikipedia
Konstrukcja budynków wysokich
Możemy wyróżnić następujące główne typy konstrukcji budynków wysokich:
Konstrukcje ramowe tworzą ustroje płaskie lub przestrzenne, składające się z układu belek połączonych w sposób sztywny ze słupami. Pod względem pracy statycznej charakterystyczne jest, iż każdy obciążony element współpracuje z pozostałymi. Sztywność przestrzenna układu na działanie sił poziomych uzyskiwana jest dzięki sztywności węzłów ramy. Wiąże się to z koniecznością odpowiedniego ukształtowania geometrii ramy, często wymagane jest powiększenie wymiarów elementów w sąsiedztwie węzłów. Konstrukcje tego typu mogą być wykonywane zarówno z żelbetu, jak i stali.
Systemy trzonowe stosowane w budynkach o wysokości do około 60 kondygnacji. Wyróżnia się cztery podstawowe typy systemów trzonowych:
- o „słupach” rozciąganych (linowe i wieszarowe),
- wspornikowe,
- szkieletowe,
- typu „trzon w trzonie”.
Układy powłokowe stosowane są w budynkach o wysokościach 60 – 100 kondygnacji, czyli konstrukcjach najwyższych, w których dla zapewnienia sztywności budynku trzeba wykorzystać jego zewnętrzną konstrukcję. Przypisanie powłoce zewnętrznej podstawowej roli konstrukcyjnej powoduje konieczność znacznego jej usztywnienia np. poprzez stosowanie sztywnych połączeń słupów i rygli.
Megastruktury są tworzone przez wiązki powłok modularnych. Taki układ konstrukcji jest stosowany w najwyższych wieżowcach. Wiązki powłok wykonywane są w konstrukcji stalowej o zagęszczonej modularnie siatce słupów. Cechą szczególną tych systemów jest rezygnacja z wewnętrznych trzonów, powodująca znaczne powiększenie rozpiętości i grubości stropów.
Dla budynków najwyższych w ostatnich latach powstał nowy system konstrukcyjny polegający na połączeniu pracy megakolumn umieszczanych w linii elewacji z masywnym, żelbetowym trzonem.
Megakolumny są to najczęściej znacznego rozmiaru skrzynie stalowe wypełniane żelbetem. Połączenia pozwalające na współpracę układu z działaniem sił poziomych zapewniają kratownice łączące megakolumny ze sobą i trzonem. Taki układ konstrukcyjny pozwala na większą dowolność kształtowania elewacji, zmniejsza ciężar obudowy budynku, powoduje jednak konieczność zastosowania symetrii i powtarzalności rzutu w obrysie konstrukcji megakolumn.
Zasadniczą rolę w systemach konstrukcyjnych budynków wysokich odgrywają stężenia, których zadaniem jest nie tylko zapewnienie geometrycznej niezmienności systemu, lecz również nadanie ustrojowi odpowiedniej sztywności potrzebnej do prawidłowej eksploatacji obiektu przez ludzi. Układ stężeń pionowych w budynkach wysokich zależy od kształtu rzutu poziomego, wysokości budynku oraz zastosowanego systemu stropów.
Ogólnie systemy stężeń pionowych dzielmy na:
- ramowe
- kratowe
- tarczowe
- powłokowe
W stropach buduje się z reguły stężenia poziome (rozdzielcze) typu tarczowego lub kratowego.
Na konstrukcje budynków wysokich wpływa wiele czynników, z których najważniejszymi są obciążenia pionowe, siły poziome oraz warunki posadowienia.
Na obciążenia pionowe składają się ciężary:
- konstrukcji nośnej,
- pozostałych elementów budowlanych,
- obciążenia zmienne.
W budynkach wysokich decydującą rolę odgrywają ciężary stropów oraz trzonów. W wieżowcach bardzo wysokich, konstruowane stropy przy użyciu lekkich betonów, albo stropy stalowo-żelbetowe o ciężarze około 2 kN/m2, mają swoje uzasadnienie. Stropy ciężkie stosowane w popularnych systemach płytowo-słupowych nie powinny być projektowane. Stropy te o ciężarze dochodzącym do 6,0 – 6,5 kN/m2 są w budynku wysokim zdecydowanie niekorzystne.
Wielkości sił wiatru zależą od położenia oraz wysokości budynku. Wartości podawane w normach krajowych są z reguły niewystarczające dla budynków o znacznych wysokościach. Konieczne są dodatkowe badania dla ich określenia. Wartości siły wiatru są uzależnione od wielu czynników. Poza wysokością i strefą geograficzną, na działanie siły wiatru wpływa otoczenie, ekspozycja oraz forma budynku, a także aerodynamiczne kształty budynku, zmniejszające wielkości sił poziomych.
Rys.3 . Oddziaływanie wiatru na budynek wysoki [3]
Pod wpływem sił poziomych następuje wychylenie budynku wysokiego. Jest to jeden z najpoważniejszych problemów projektowych i użytkowych. Przyjęte wartości dopuszczalne wynikają z doświadczeń wykonawców (możliwości dotrzymania jakosci montażu) oraz użytkowników (przede wszystkim komfortu mieszkania i pracy). Poziome wychylenie wierzchołka wieżowca określane jest według zależności:
| $f \leq \delta_{dop}= \frac{H}{500}$ | (1) |
gdzie $f$ wychylenie wierzchołka budynku o wysokości H. Wartość ta dotyczy konstrukcji stalowej. Przy nośnej konstrukcji żelbetowej przyjmuje się o 10 do 15% ostrzejszy warunek.
Więcej ➡ Rola P., Ryznar P., Stachura K., Budynek wysoki – Praca magisterska, Kielce 2012
Literatura
- Rola, P., Ryznar, P., Stachura, K. (2012). Powłokowo – prętowy budynek wysoki – wieża. A high building – tower with rod-like shell, Praca Magisterska, Politechnika Świętokrzyska, Kielce
- Pawłowski, A. Z., Cała, I. (2013). Budynki wysokie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej.
- Paruch, R. (2016). Oddziaływanie wiatru na budynek wysoki w aspekcie rozwoju form architektonicznych i systemów konstrukcyjnych. Mechanik, 7, 782–783.
________________________________
