Порта3 – градежништво, архитектура и екологија Порта3 – градежништво, архитектура и екологија
Во голем број случаи, висококатниците се изградени не само за економичност на просторот во некој град, туку и како храмови и палати на минатото. Овие конструкции се сметаат и за симболи на економската моќ на градовите. Не само што ја дефинираат панорамата, тие често го дефинираат и идентитетот на самиот град.
Уште од антички времиња човекот се восхитувал на високите конструкции. Впрочем и најголемите светски чуда од тоа време (Пирамидите во Египет, Висечките градини во Бабилон, Светилникот на Александрија, Храмот на Артемида во Ефес,…) претставуваат конструкции со зачудувачка големина (висина). Во поново време, ерата на високите згради започнува во 80- тите години на 19 век во САД. Високи згради се градат како за станбена, така и за административна намена. Во денешно време висококатниците претставуваат голем тренд во светски размери. Почнувајќи од Америка и Канада, преку Бразил и Аргентина, до далечниот Исток во Јапонија, Кина, Тајван, па се до новите бисери на Персискиот Залив – Дубаи и Абу Даби, тие се карактеристична глетка за големите економски центри на сите континенти. Токму таму каде што има голема побарувачка или пак недостаток на градежна површина, потребата од згради со голема височина е огромна. Во голем број случаи, висококатниците се изградени не само за економичност на просторот, туку и како храмови и палати на минатото. Овие конструкции се сметаат и за симболи на економската моќ на овие градови. Не само што ја дефинираат панорамата, тие често го дефинираат и идентитетот на самиот град.
Во овој текст е даден преглед на типовите на конструктивните системи на објектите во високоградбата од армиран бетон. Претставени се и практични примери на веќе изведени објекти од соодветниот материјал и конструктивен систем и ќе биде даден краток коментар за секој конструктивен систем посебно. Комбинирајќи ја економичноста, разновидноста на обликот и функцијата, отпорноста на пожар и ефектите од стареење, армираниот бетон претставува еден од основните градежни материјали, кој по многу нешта е идеален за употреба. Со употреба на соодветни конструктивни елементи, како армирано-бетонски платна и туби, како и со развојот на адитивите кои драстично ги подобруваат јакосните карактеристики на бетонот (ултра-јаки бетони), висината не претставува неекономична ставка од армирано-бетонските конструкции. Во споредба со челикот, армираниот бетон како материјал има и свои специфични негативни карактеристики кои се од особено значење, кои треба да се напоменат: слаба јакост на затегање (во споредба со челикот), варијации кои се зависни од времето – собирање и течење на бетонот, поголеми попречни пресеци. Може да се напомене дека товарите од сопствена тежина на конструкциите од армиран бетон се поголеми, меѓутоа на тој начин тие придонесуваат за нивна поголема крутост, а со тоа и намалување на хоризонталните поместувања на објектот, како и вибрациите на меѓукатните конструкции.
Систем од плочи и столбови
Овој систем е еден од наједноставните системи за згради изградени од армиран бетон воопшто. Во овој систем плочите ја заменуваат улогата на греди, притоа примајќи ги моментите на свиткување и трансферзалните сили кои вообичаено се јавуваат во гредните носачи. Овие конструктивни системи се препорачуваат само за региони во кои сеизмичкиот хазард е на многу ниско ниво, односно региони во кои нема појава на земјотреси. Иако не постои граница на висината во региони без сеизмички хазард, конструктивните системи од плочи и столбови се користат до околу 10 спрата, по што стануваат неекономични.
Систем од плочи, столбови и платна
Додавањето на армирано-бетонски платна во конструктивните системи е доста ефективен начин за добивање на хоризонтална крутост на објектите. Во овој случај, на претходниот систем (систем од плочи и столбови) се додадени и армирано-бетонски платна со што се добива конструктивниот систем составен од плочи, столбови и платна. Максималната висина на овие системи се ограничува на 20 ката, висина која се однесува за региони во кои не постои сеизмички хазард. Спојувањето на столбовите и платната со помош на плочи претставува релативно слаб извор на дисипација на енергија предизвикана од хоризонтални влијанија (ветер и сеизмика). Ротациите што се случуваат во платната за време на земјотрес не можат да се пренесат на плочите заради појавата на големи трансферзални сили. Нешто слично се случува и на спојот на плочите со столбовите. Заклучок е дека и овие системи не се препорачуваат во сеизмички активни региони. Во инженерската практика во Република Македонија се забележува изградба на објекти со ваков тип на системи, многу попознати како безгредови системи. Нивната висина не е поголема од 4-5 ката.
Систем ѕидови и споени ѕидови
Армирано-бетонските ѕидови поседуваат голема мембранска крутост и цврстина, што ги прави идеални елементи за стабилизација на висококатниците. Основната отпорност на хоризонталните влијанија кај овие системи се постигнува преку самите ѕидови, кои може да се однесуваат како конзоли (во случај да не се споени со други армирано-бетонски ѕидови) или пак да работат интегрално како систем (обично околу лифтовите или скалишните простори). Кога два или повеќе армирано-бетонски ѕидови се меѓусебно споени со помош на греди, плочи или пак се споени меѓу себе, произведуваат крутост која е доста поголема отколку збирната крутост на секое платно одделно. Спојните елементи го ограничуваат конзолното виткање на индивидуалните платна принудувајќи го системот да работи како една сложена единица, односно се однесуваат како да се поврзани преку континуиран медиум отпорен на сили на смолкнување. Како покрути системи од армирано-бетонските крути рамки, овие системи претставуваат економично решение до кај 55 ката. Заради ограниченост во просторот овие системи стануваат погодни само за хотели или станбени згради.
Систем крути рамки
Овој систем претставува еден од основните конструктивни системи. Станува збор за столбови како вертикални елементи поврзани со греди. Поврзувањето е со помош на јазли во кои се јавуваат најголемите влијанија од товар од земјотрес. Вообичаените распони се движат од 6,00 до 9,00 m. Димензиите на столбовите директно зависат од големината на сеизмичките (хоризонтални) сили на смолкнување кои се зголемуваат кон дното на конструкцијата. Предноста на овие конструктивни системи е во нивната едноставност и практичност. Големите отвори помеѓу столбовите оставаат можност за слободно планирање на прозорците и вратите. Овие системи се економични за згради до 25 ката, во региони со мал сеизмички хазард. Особено важно да се напомене е опасноста од формирање на пластичен зглоб во столбовите. Познато е дека гредите ги преземаат товарите од плочите само на нивото на кое што се наоѓаат, додека пак столбовите ги носат сите платформи што се над нивната висинска кота. Оттаму е и особено важно да се обезбеди поголем капацитет на носивост на столбовите во однос на гредите. Во случај зградата да има слаби столбови, хоризонталното катно поместување се концентрира само на еден или на неколку ката, при што многу често настанува и катен механизам.
Систем туба со широко распоредени столбови
Системот туба подразбира систем од столбови поставени на релативно мало растојание (2,40 – 5,60m), поврзани меѓу себе со релативно високи греди. Меѓутоа, во одредени случаи, за објекти со компактни основи, ефектот на туба се постигнува и покрај тоа што столбовите се поставуваат на релативно далечно растојание, меѓусебно поврзани со прилично високи греди. На сликата е прикажан еден објект од 28 ката изграден во Њу Орлеанс, кој претставува типичен пример на системот туба со широко распоредени столбови. Хоризонталната крутост е обезбедена преку рамката по обемот на конструкцијата која е составена од столбови широки 1,50 m, осовински поставени на растојание од 7,60 m и поврзани меѓу себе со греди високи 1,50 m.
Систем крути рамки со гредни носачи со променлива висина
Објектите со канцелариски простории обично бараат поголеми распони помеѓу централните и периферните столбови (околу 12,00 m). За да се премости растојание од 12 метри, доколку не се оди на преднапрегање на гредниот носач, потребна е висина од околу 1,00 m. Тоа би значело поголема меѓукатна висина (намален број на катови за иста висина на објектот), нешто што е непогодно решение од економска гледна точка. Овој систем од крути рамки со гредни носачи со променлива висина претставува решение во ваков случај. Со помош на ова решение не е потребно да се зголемува меѓукатната висина, од причина што висинската кота на гредниот носач во средина на распонот е идентична со онаа на плочата што се потпира нормално на овој носач.
Систем со армирано бетонско јадро
Кај голем број објекти возможно е поставување на систем од армирано-бетонски платна околу лифтовските и скалишните прстории, на таков начин формирајаќи еден просторен систем од платна способен да прифати товари во двата ортогонални правци и да го избегне торзиониот ефект на конструкцијата. Формата на ова јадро е зависна од распоредот на скалите и лифтовите и може да варира од едно правоаголно јадро, па се до повеќекратни. Меѓукатните панели за ваков тип на конструкции обично се монтажни челични или преднапрегнати системи.
Систем од армирано-бетонски ѕидови и крути рамки
Без сомнение, ова е еден од најпопуларните системи (ако не и најпопуларен) за отпорност на хоризонтални товари на високи објекти. Со широк асортиман на апликација овие системи се користат за згради од 10 – 50 ката, па дури и повисоки. Со примена на посебни гредни носачи со променлива висина (т.н. haunch girders) апликацијата на овие системи се проширува и до висококатници до 80 ката. Рамката се деформира од силите на свиткување (shear type), додека пак армирано-бетонскиот ѕид се деформира како конзола (bending type). Линеарното свиткување на рамката во комбинација со параболичното свиткување на ѕидот резултираат со подобрено однесување на конструктивниот систем воопшто, каде што во горните катови рамките ги преземаат главните сили и им даваат крутост на ѕидовите, додека пак во долните катови е обратно. Во следниов пример од веќе изведена висококатница со конструктивен систем од овој тип се прикажани карактеристичните конструктивни аспекти од истата. Карактеристично е тоа што е постигната идеална симетрија во двата ортогонални правци, како и релативно константната крутост по висина. Зградата има вкупно 25 ката и содржи 4 подрумски нивоа под земја. Должината на гредите по работ е околу 8,70 m, со димензии h x b = 0,50 x 1,06 m, со зголемување на висината кон внатрешноста од 0,50 – 0,84 m. Четири армирано-бетонски ѕидови со димензии 0,45 x 5,96 m се простираат по целата висина на објектот, темелени на темелна плоча со дебелина од 1,52 m. Надворешните столбови варираат од 96,50 x 86,40 cm (долу), до 96,50 x 61,00 cm на врвот на конструкцијата.
Систем од рамовски туби
Овој систем се состои од столбови поставени на релативно мало растојание по работ на целата конструкција, поврзани со високи гредни носачи. Идејата е да се добие систем кој би се однесувал како конзолно потпрен кутијаст носач. За да се постигне такво однесување на конструкцијата, неопходно е овие столбови да се постават на релативно мало растојание – во практиката растојанието се движи од 4,00-6,10 m, како и висината на гредите да биде прилично голема (90 – 150 cm). Сепак, хоризонталните деформации предизвикани од аксијалните поместувања на столбовите, во зависност од геометријата на конструкцијата можат да бидат прилично големи. На пример, во случај односот на висината на објектот и неговата должина (plane aspect ratio) да ја надминува вредноста од 1:2.5, се наметнува потребата од вметнување на вертикални спрегови по работ на конструкцијата, со цел да се намалат хоризонталните поместувања. Во тој случај и растојанието помеѓу столбовите може да биде поголемо. Оттаму и економичноста на овие системи зависи од големината и растојанието на рабните столбови, висината на рабната греда, како и од односот на висината и должината. Во секој случај, овие системи се употребуваат за конструкции повисоки од 40 ката. Уште една варијација на овие системи претставува и системот туба во туба. Карактеристична негативна појава за
овие системи претставува појавата на ефектот на т.н. заостаната сила на 
смолкнување (shear lag). Имено, гледајќи ја сликата, на која столбовите на една конструкција од рамовска туба се обележани со Т и C (на англиски T=tension – затегање, C=compression – притисок). Главната хоризонтална крутост ја даваат рамките поставени паралелно на хоризонталната сила, со тоа што едните се притиснати (C) а другите затегнати (T). Овие рамки се изложени на сили на свиткување и смолкнување како и обично. Оваа примарна акција е модифицирана преку крутоста (флексибилноста) на рабниот греден носач, кој предизвикува аксијалните напрегања на крајните столбови да се зголеми, а на средните да се намали. Оттаму и името заостаната сила на смолкнување.
Систем од туби со рабни вертикални спрегови
За да се избегне ефектот на заостанатата сила на смолкнување, како и за намалување на хоризонталните поместувања (дополнително вкрутување), со поставување на вертикални спрегови по работ на конструкцијата се добива системот од туба со рабни вертикални спрегови. На овој начин и растојанието помеѓу рабните столбови се зголемува, со што се добива повеќе простор за архитектонско планирање на просторот. Овие објекти наоѓаат примена до 90 ката.
Систем од споени туби
За да се постигне ефектот на чисто конзолно однесување на конструкцијата, без притоа да се појави ефектот на заостанатата сила на смолкнување, се спојуваат две или повеќе туби во една целина.
Систем од ѕидови и јадра
Ова е прилично нов конструктивен систем наменет за ултра високи станбени објекти, во кој споени А.Б. платна се поставени во двата правци. За добивање на дополнителна крутост се поставуваат А.Б. јадра околу лифтовите. Конструктивниот систем на еден од најпознатите облакодери – Burj Dubai, кој моментно е и највисоката зграда на светот, всушност преставува систем од А.Б. јадра и А.Б. платна.
Outrigger Системи
Овој конструктивен систем се состои од средишни јадра со спрегови, кои можат да бидат составени од рамки со вертикални спрегови, од А.Б. платна и хоризонтални конзолни решетки или пак од носачи кои ги поврзуваат јадрото со надворешните столбови. Исто како и за претходниот, и овој систем практично нема граница на висината. Во продолжение се дадени табели со класификација на конструктивните системи во зависност од висината (катноста) (Табела 1). Од причина што Р. Македонија претставува сеизмичко активно подрачје, а прикажаните висини во табела 1. се однесуваат за сеизмички неактивни подрачја, можеби поинтересна би била табела 2., која го прикажува однесувањето на различните конструктивни системи при сеизмичко дејство. На Балканскиот Полуостров, а особено во нашата земја, постои недостаток на ваков тип на конструкции. Впрочем, нашата највисока зграда е зградата на Македонската Радио Телевизија, која брои вкупно 22 ката.
Во последниов период станува актуелно и прашањето околу градењето на кулите во населбата Аеродром, кои би требало да изнесуваат 40-ина ката. Посебен предизвик за секој конструктивен инженер претставува проектирање на еден ваков тип на објект, кој покрај стандардните гравитациони товари, би бил отпорен и на сеизмички (хоризонтални) дејства. Имајќи предвид дека Македонија се наоѓа во сеизмички активен регион, може да се заклучи дека потребата од истражување во оваа област е голема.
Јордан Бојаџиев,
дипл. град. инж.
