Перевод статьи из журнала Structure Magazine "The Leaning Towers Of Vegas"
http://www.structuremag.org/article.aspx?articleID=1082

Наклонённые башни Вегаса.

Авторы Неб Еракович, Терри Доусен, Кайли Коссетте.

Расположенные в центре престижного квартала CityCentre, Наклонённые Башни заняли привилегированную площадку на всемирно-известной улице Las Vegas Strip. Чтобы получить такое известное место и название Наклонённые Башни, эти два высотных строения наклонили в разные стороны на 5 градусов от вертикали. Наклон, определённый архитектурными характеристиками, требовал зощерённого применения железобетона в конструктивной системе здания.

Компания Halcrow Yolles была выбрана MGM Mirage в качестве организации осуществляющей проектирование несущих конструкций зданий для одного из трёх блоков гигантской застройки квартала CityCenter project, площадь которой составляет 17 миллионов квадратных футов и которая не имеет аналогов в Северной Америке. Два из четырёх высотных здания, запроектированные Halcrow Yolles, это 37-ми этажные здания, имеющие сертификат LEED Gold (Лидер в экологически безвредном и энергоэффективном строительстве), которые по праву называются Наклонёнными Башнями. Эти ошеломляющие башни, возвышаются на 480 футов над Las Vegas Strip, включают в себя помещения для почти 670 квартир, удобные смотровые площадки на крыше, и свободное пространство в холле здания. Как официальная конструкторская организация, Halcrow Yolles, сотрудничала с всемирно-признаными архитекторами Gensler, Murphy/Jahn и AAI Architects Inc. в проектировании этого сложного здания.

Наклонённые башни

Интуитивно наклонённые здания имеют тенденцию наклоняться больше установленного угла вследствие эксцентиситета приложения силы собственного веса верха здания. Другие факторы, включающие в себя боковые усилия от землетрясения, ветровые нагрузки, различное деформации вертикальных несущих конструкций и различная осадка основания, увеличивают наклон ещё больше. Совместное действие этих сил может причиной неустойчивости или разрушения элементов здания. Проект несущих конструкций Наклонённых башен гарантирует, что башни останутся устойчивыми, перемещения будут в рамках допустимых строительными нормами, если их соизмерять с вертикальными зданиями.

P-Delta эффект.

Из-за того что башни наклонены, сила тяжести верхних этажей башен приложена с эксцентриситетом к оси каждой башни (см. рис). P-delta эффект этого эксцентриситета воздействует на диафрагмы жёсткости зданий постоянными поперечными силами и опрокидывающими моментами. Эти усилия пытаются «толкнуть» башни больше в направлении их основного наклона.

Ядро жёсткости

Постоянное боковое усилие от P-delta эффекта, вместе с кратковременными боковыми ветровыми и сейсмическими нагрузками, диктуют требования для жёсткого и прочного спаренного ядра в каждой из башен. Чтобы удовлетворить этим требованиям, диафрагмы жёсткости (см. рис) образуют Z - образное ядро в плане в центре каждого здания.

Сейсмические нагрузки.

Активные разломы земной коры лежат под долиной Las Vegas и город расположен в зоне высокой сейсмической активности. Эта сейсмическая опасность, в сочетании с большой высотой и большим весом башен, делает нагрузки от землетрясений более опасными для проектирования здания, чем ветровые. Если произойдёт сильное землетрясение с уже наклонёнными башнями, оно наложит большие дополнительные силы на итак постоянно нагруженные ядра жёсткости. Обычным является применение эффектов поглощения энергии в результате податливости конструкции, чтобы снизить проектные нагрузки на здания подверженные высокой сейсмической опасности. Однако, в Наклонённых башнях, жёстким и прочным диафрагмам необходимо воспринять силы, возникающие из-за наклона, и обеспечить смещения не допускающие определённого предела. В результате, высокий уровень податливости не может разумно использоваться, чтобы снизить сейсмические нагрузки, и не могут быть применены обычные железобетонные диафрагмы жёсткости.

Землетрясение может заставить колебаться башни в любом направлении. Если движение земляных масс в результате землетрясения совпадает с направлением наклона одной из башен, нагрузка на ядро жёсткости этой башни становятся критической, так как дополнительные усилия прибавляются к постоянным и переменным усилиям и опрокидывающим моментам. Это особенно опасно для ядра жёсткости из-за дополнительных опрокидывающих моментов. Если рассматривать, ту часть башни которая нависает над землёй, то в ней сжимающие вертикальные усилия возрастают, в то время как на противоположной стороне в вертикальных несущих элементах возможно растяжение. Массивные сильно армированные железобетонные стены требовались в части здания нависающей над землёй, в то время как вертикальные растянутые элементы требовали двойного конструктивного армирования по всей высоте здания.

Различные вертикальные деформации, вызванные усушкой и ползучестью.

Во всех высотных зданиях необходимо оценивать разницу вертикальных перемещений конструкций. Долговременная ползучесть и усадка бетона происходит когда приложены постоянные или длительные нагрузки. И колонны и стены воспринимают постоянную нагрузку от веса здания. Однако, колонны больше сжаты, чем стены и внутренние колонны больше сжаты чем внешние. Эта разница постоянных вертикальных нагрузок на стены и колонны приводит к тому, что они укорачиваются на разные величины. Этот эффект неодинакового укорочения делает сильнее уклон Наклонённых Башен, увеличивая сжимающие напряжения в нависающей части башен в сравнении с противоположной частью. В нависающей части вертикальные перемещения больше чем на противоположной, и вследствие этого верх здания будет перемещаться горизонтально увеличивая P-delta эксцентриситет и общий наклон башен.

Допуская ожидаемое укорочение колонн и стен, каждое перекрытие возводилось незначительно выше, чем окончательная проектная высота. Это повышение отметки низа плиты является обычным делом при строительстве небоскрёбов. Несмотря на расчёт, который показывал что увеличение отметок должно быть разным в пределах одной плиты перекрытия из-за различным перемещений, практика строительства диктовала условие для единого повышения отметки низа перекрытия в пределах каждой плиты, и она должна была линейно изменяться по высоте башен. В каждой квартире делали строго горизонтальной конструкцию пола и потолка, чтобы уменьшить эту потенциальную проблему.

Разность осадок основания

Если осадка всего фундамента составляет одинаковую величину, в определённой диапазоне и по определённой вертикальной дистанции, неблагоприятных эффектов в основании обнаружено не будет. Однако, неблагоприятное разделение на деформационные швы, если осадка одной площадки территории больше чем другой, то различие осадок может быть причиной неблагоприятных осложнений, включающих в себя образование трещин или повреждение ненесущих элементов здания. Система буронабивных железобетонных опор была применена для того, чтобы являться основанием башни и ограничивать разность осадок до допустимого уровня. Чтобы воспринимать вертикальные нагрузки, сваи опирают своим концом в плотный песок и воспринимают часть усилия трением по боковой поверхности. Вертикальное сжимающее давление на песок больше с нависающей стороны и ниже с противоположной, что ведёт к неравномерным осадкам. Подобно разнице вертикальных деформаций, эта разность осадок станет причиной, того что верх башен сместиться в сторону.

Одновременное действие нагрузок от P-delta эффекта, постоянных нагрузок, кратковременных сейсмических нагрузок, различных деформаций элементов и разных осадок основания было тщательно проанализировано на воздействие с учётом наклона башен. Постоянный тщательный мониторинг проводился во время строительства, чтобы убедиться, что заданный наклон в 5 градусов не будет превышен.

Особенности конструкции здания

Система передачи усилий от колонн.

Диафрагмы жёсткости и внутренние колонны башен идут вертикально по всей высоте здания. Однако уклон башен получается смещением плит перекрытия по высоте вместе с наклонёнными колоннами на северном и южном фасадах здания. На протяжении высоты 480 футов (37 этажей), плиты перекрытия съезжают на общую величину в 35 футов в направлении юг-север. С шестого, девятнадцатого, тридцать второго этажа от наклонённых колонн идёт ответвление вертикальных колонн, которые необходимы для обеспечения небольших пролётов плит перекрытия (т. о. достигается возможность использования ж. б. плит толщиной 9 дюймов). Место передачи нагрузки от вертикальных колонн на наклонные выглядит как «ветвь дерева», причём диафрагмы дополнительно заармированы на горизонтальные результирущие усилия.

Наклонённые сталежелезобетонные колонны вестибюля.

С южной стороны в обоих холлах зданий находятся высокие 80-ти футовые нераскреплённые колонны, наклонённые под углом наклона башен. Из-за архитектурных требований к холлам зданий и желания сделать используемое пространство как можно больше, были применены сталежелезобетонные колонны с массивными прокатными элементами внутри. Временное крепление было необходимо, чтобы удержать колонны в нужном направлении, до момента когда верх колонны будет заделан в аутригерный этаж над холлом. Высота и размеры этих наклонённых колонн огромны и было необходимо проверить их на боковые перемещения от действия собственного веса вместе с гибкостью, продольным изгибом и P-delta эффектами.

Преднапряжённые перераспределяющие усилия балки

Из-за желания сделать пространство холла, как можно больше, (с целью продажи площадей) и требований к холлам зданий было необходимо, чтобы некоторые колонны оканчивались на трансферном (аутригерном) этаже. Несколько больших преднапряжённых балок были выполнены, чтобы передать нагрузку от этих колонн на расположенные рядом колонны, которые идут до фундамента. Плита перекрытия в форме параллелограма и архитектурные решения повлекли за собой то, что перераспределяющие усилия балки опираются на другие балки, создавая тем самым комплексные преднапряжённые армированный узлы. В особенности три больших перераспределяющих балки пересекаются в одном месте. Чтобы снизить скопление арматуры в одном месте от сильно армированных вертикальных элементов, анкеров преднапряжённой арматуры и армирования концов балок, перераспределяющие балки проходят сквозь несущие стены и колонны на которые передаётся нагрузка.

Заключение

Обычный и преднапряжённый железобетон был применён в ранее не используемых несущих конструктивнх элементах Наклонённых Башен. В таких зданиях P-delta эффекты от постоянных и переменных нагрузок, разницы деформаций несущих конструкций, и разницы осадок основания могут увеличить общий наклон, и это приводит к дополнительным расчётам в процессе проектирования и более тщательному мониторингу здания в процессе строительства и эксплуатации.

Ответвлённые разгружающие колонны были с успехом применены для этих зданий, но в результате их применения возникли дополнительные горизонтальные усилия которые необходимо было воспринять диафрагмам жёсткости. Так же с успехом были запроектированы высокие, сильно нагруженные сталежезобетонные колонны, с прокатными стальными элементами внутри, чтобы уменьшить размеры сечения колонн. С особым вниманием к армированию отдельных элементов, были запроектированию большие разгружающие пересекающиеся балки, на которые опираются внутренние колонны зданий, и которые позволяют используемое пространство в основании башен.

Успех архитекторного проекта ошеломляющих Наклоненных Башен находится в уверенном и продвинутом использзовании конструкторских решений, а именно жёсткого железобетонного ядра, чттаким образом позволяющего противостоять естественному стремлению наклониться больше ещё дальше.

Из окна самолёта пролетающего над Лас Вегасом, из лимузина, который едет по Strip, или с баклона одного из других необычных зданий, принадлежащих MGM MIRAGE, впечатляющий наклон Наклонённых башен притягивает к себе взгляд посетителей прекрасного CityCenter. Проект, как планируется будет закончен в 2010 году.

Фото из статьи

Фото из интернета