XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Лахта Центр  —  расположен в исторической части Приморского района Санкт-Петербурга, в Лахте. Это общественно-деловой комплекс, в котором будет располагаться штаб квартира ПАО «Газпром».

Башня Лахта Центра имеет высоту 462 метра, она является самым высоким небоскребом в России и Европе и самым тяжелым зданием России, массой 670 000 тонн. Здание имеет 86 этажей, которые располагаются над землей и три этажа подземных. В уровне последнего этажа расположена смотровая площадка. На Каждые 16 этажей в здании приходятся по два технических этажа, в которых также расположены сталежелезобетонные аутригеры, повышающие общую жесткость здания. До 16 этажа размеры каждого последующего этажа надземной части здания увеличиваются, после 16-го этажа - уменьшаются. В башне всего 4 аутригерных уровня, расположенных на 17 и 18, 33 и 34, 49 и 50, 65 и 66 аутригерных (технических) этажах. На других этажах располагаются офисы компании Газпром. Здание имеет закрученную конусообразную форму. Плиты перекрытий сделаны в форме пяти квадратных лепестков, которые объединены круглым центральным ядром. С увеличением высоты «лепестки» становятся меньше, центр их смещается в сторону оси ядра самого здания.

Рис.1. Схема построения геометрии башни

Рис.2. Совмещенные планы 19, 39 и 59 этажей

В статье описываются конструкции административного здания комплекса «Лахта Центр» высотой 462 м. Конусообразное здание имеет в плане форму пятиконечной звезды, с этажами в виде пяти квадратных «лепестков», соединённых между собой и с круглым центральным ядром. По мере увеличения высотной отметки квадратные «лепестки» вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки с поворотом в пределах каждого этажа на угол 0,82 градуса. Железобетонное центральное ядро и сталежелезобетонные колонны опираются на коробчатый фундамент, располагаемый на 264 сваях диаметром 2,0 м.

Для того чтобы изучить вендские отложения выполнили исследования, которые показали что:

глины имеют ярко выраженную анизотропию;

глины переуплотнённые OCR = 2…3;

глины обладают ползучестью.

модуль деформации изменяется с глубиной;

Наибольшие значения по абсолютной величине и по скорости изменения с глубиной были получены в результате прессиометрических испытаний грунтов. Прессиометрия – это сравнительно новый, метод испытания грунтов, он используется для определения прочности и модуля деформации грунтов любого типа. Этот метод является хорошей альтернативой такой технологии, как испытания штампом. При испытании грунтов этим методом, модуль деформации изменился со 100 МПа (на глубине 35 м) до 560 МПа (на глубине 95 м), практически в 6 раз. Данные исследования, влияния переуплотнения грунта на осадку фундамента показали, если коэффициента переуплотнения грунта (ОСR) изменяется с 1 до 1,5, то наблюдается значительное снижение осадки (на 25%) – с 0,2 до 0,15 м, дальше коэффициент равномерно снижается с 0,15 до 0,12 м при изменении OCR c 1,5 до 4.

Для исследования ползучести грунта были выполнены соответствующие лабораторные испытания, которые позволили показать зависимость коэффициента вторичной консолидации от нагрузки. Для выполнения испытаний был выбран метод погружных домкратов. Три из пяти испытанных баретт были оборудованы нагружающими устройствами, которые устанавливались в двух уровнях, а две одиночные – в одном уровне. По результатам исследования было установлено, что наибольшее затухание усилий по длине и наибольшее сопротивление по боковой поверхности наблюдалось у центральной баретты. Данные исследования слабых грунтов, которые проводились с целью выявления возможности строительства высотных зданий на такой местности, позволили выявить множество важных результатов. В будущем, именно они могут быть применены в похожих случаях.

Рис.3. Схема баретт

Одной из сложных задач являлось проектирование конструкций фундамента. В месте, где построено здание было наличие глинистых грунтов. Толщина грунтов составляла порядка 20 метров. С глубины 20 метров начинались твердые вендские глины, которые использованы в качестве несущего основания башни. Скальные грунты брали своё начало на глубине 100 метров.

Сваи – это необходимый элемент фундаментов Санкт-Петербурга, города выросшего «на болоте». Для такого здания как Лахта Центр, специалисты решили, что подойдут лишь «висячие сваи». Они уходят глубоко и создают опору за счет трения боков о грунт. Для башни даже рассматривали сваи длиной 100 метров, но геотехники доказали, что с избытком хватит конструкций длиной по 55 и 65 метров. И обязательно – установить их через разные промежутки. Расположенных с шагом от 4 до 6 метров. Сваи длиннее и с частым шагом – под тяжелым ядром и наоборот – за его пределами. Так участки фундамента с разной нагрузкой осядут равномерно. Свайное основание здания состоит из 264 буронабивных свай диаметром 2 метра. Поскольку буронабивные сваи выполнялись с поверхности земли, а не со дна котлована, фактическая глубина бурения под сваи была 72 и 82 метра соответственно. Затем ставили армокаркас из нескольких стыкуемых секций. На него приварены тензодатчики, которые будут передавать данные о состоянии подземных конструкций Лахта Центра.

В проекте башни Лахта Центр был принят коробчатый фундамент массой 160 000 тонн. Площадь основания коробчатого фундамента в два раза больше площади основания башни. Это более чем в 2 раза снижает нагрузку на грунты. У фундамента целых 3 плиты, расположенных друг над другом.

Нижняя плита, расположенная на относительной отметке -17.650 мм, имеет толщину 3,6 м, она самая густоармированная конструкция в комплексе. В ней почти 10 тысяч тонн стали. На плиту приходятся главные растягивающие усилия, с которыми помогает справиться стальная арматура. Верхняя плита, расположенная на относительной отметке -4.650 мм, выполнена толщиной 2 м, из прочного бетона В80. Он хорошо выдерживает огромные сжимающие усилия башни. Совместную работу нижней и верхней плит коробчатого фундамента обеспечивают 10 диафрагм жесткости толщиной 2,5 м, и высотой с пятиэтажный дом. Внутри «коробки» – начало ядра. От него расходятся толстые радиальные стены, а третья плита перекрытия, делит фундамент на подземные этажи. В коробчатом фундаменте был применен бетон класса В60 с дополнительными требованиями по водонепроницаемости, усадке и экзотермии.

Рис.4. План свайного основания башни

Рис.5. 3D вид коробчатого фундамента здания

Несущими конструкциями здания являются центральное железобетонное ядро и 10 сталежелезобетонных колонн по его периметру. Для того чтобы уменьшить пролеты в здании были дополнительно применены 5 сталежелезобетонных колонн до 56 этажа. Вспомогательную жесткость башни и её устойчивость к обрушению обеспечивают 2-ух этажные аутригеры, которые располагаются по высоте здания каждые 16 этажей.

Кручение в перекрытиях и ядре башни - беспрерывный силовой фактор, который является особенностью данной башни, имеющей скрученную форму. Для восприятия неизменного усилия глобального кручения была выбрана круглая форма ядра здания. Это решение было принято из тех соображений, так как круглая форма данного сечения эффективно работает на кручение.

Рис.6. Глобальное кручение

Конструктивная схема башни – каркасно-ствольная. Жесткость башни обеспечивается работой ядра и сталежелезобетонными колоннами, которые соединены друг с другом аутригерами. Распределительная плита над восьмидесятом этажом исполняет роль верхнего аутригера башни. Так как отношение диаметра ядра к высоте башни, почти 1/17, жесткости 1-го ядра не хватает для выполнения требований норм по горизонтальному отклонению верхушки башни и комфортности пребывания. Применение аутригеров помогло уменьшить горизонтальные перемещения верхушки башни от действия ветровых нагрузок. Аутригеры применены в виде железобетонных балок-стен, с инсталлированными в тело железобетона стальными фермами.

Рис.7. Конструкция аутригера

Пятнадцать периметральных колонн небоскреба помогают распределять нагрузку веса здания и делают это совместно с центральным ядром башни. Сталежелезобетонные колонны очень внушительны- в 1,5 метра шириной каждая. В центре колонны располагается стальной двутавр, вокруг него располагается густая сетка армирования и высокопрочный бетон. Эти опоры башни не вертикальны, из-за скрученности формы здания они ставятся сразу под наклоном, обеспечивая закручивания здания небоскреба на 89 градусов.

При строительстве башни применяли разные виды колонн. Наклонные периметральные колонны башни самые значимые, изначально многие думали, что отклонение от вертикали ошибка монтажников. Однако, на самом деле угол наклона был выверен до секунд 2,89 градусов. Отклонение от вертикали сделали для создания архитектурной формы здания. Колонны формируют «рёбра» и закручивание башни по высоте. Наклонное положение не влияет на несущую способность здания. Пятнадцать периметральных колонн небоскреба воспринимают до 30% вертикальной нагрузки. Эти колонны состоят из стального сердечника и армированного высокопрочного бетона класса В80. На верхних уровнях башни применен другой тип колонн. Эти колонны-стойки из стальных труб с диаметром сечения 1020 мм. Такие колонны идут с уровня обзорной площадки, благодаря их меньшим сечениям улучшена видимость панорам. Выше они формируют легкий фахверк шпиля. С набором высоты количество стальных колонн уменьшается с 10 до 5. На отметке 420 метров они переходят в центральную колонну стойку, это тоже труба, но с диаметром 1420 мм. Уникальный тип колонн башни- это стеклянные стойки для фасадов арки главного входа и части МФЗ, они состоят из пяти листов склеенного стекла, в таком виде она обретает прочность и становится конструкционным элементом, как бетон или сталь. Благодаря таким стеклянным колоннам, фасад выглядит воздушным и навесным.

Рис.6. Сечение сталежелезобетонной колонны

Подводя итог всему вышесказанному, можно подчеркнуть, что башня Лахта Центр является рекордной по многим признакам. Этот небоскреб, самый высокий в Европе и является самым высоким зданием в мире, у которого закрученная форма поддерживается наклоном несущих колонн. При возведении фундаментной плиты небоскреба был зарегистрирован рекорд по объему бетонирования без остановки. Реализация такого огромного проекта возвысила уровень строительной отрасли, поспособствовала появлению норм проектирования.