Konstrukcje szkieletowe,

monolityczne i

prefabrykowane, budynków

wysokich.

Dawid Gałka
II stopień KBI

Obciążenia:

Oddziaływania

W budynkach wysokich decydującą rolę odgrywają ciężary stropów oraz trzonów. W

wieżowcach bardzo wysokich, konstruowane są stropy z betonów lekkich, albo stropy
stalowo-żebrowe o ciężarze 2kN/m².

Wielkości sił wiatru zależą od położenia oraz wysokości budynku. Wartości podane w

normach są z reguły nie wystarczające dla budynków o znacznych wysokościach.
Konieczne są dodatkowe badania w celu ich określenia.

Materiały

Podstawowym materiałem konstrukcyjnym w pierwszym okresie realizacji wieżowców była

stal. Przez wiele lat beton był tworzywem uzupełniającym. W konstrukcji żelbetowej

projektowano systemy posadowień budynków oraz częściowo stropy. Ich monolityczna

konstrukcja pozwala na tworzenie sztywnych, poziomych tarcz, zapewniających właściwą

dystrybucję sił poziomych na elementy pionowe wieżowca. Jakość i wytrzymałość betonu

rosną, a domieszki stwarzają korzystniejsze warunki betonowania i dojrzewania betonu w

zróżnicowanych warunkach.
Walory betonu:
- wzrastający jego iloraz do kosztów
- techniczne i ekonomiczne możliwości uzyskiwania odporności ogniowej
- większa- w stosunku do konstrukcji stalowej- sztywność, pozwalająca na opanowanie

wychyleń wieżowca
- łatwość kształtowania coraz bardziej skomplikowanych form przestrzennych
Betony wysokich wytrzymałości mogą tworzyć pewne problemy konstrukcyjne. Głównym z

nich (ze względów ekonomicznych) to logiczna konieczność wykorzystania ich wytrzymałości.

Łatwo to realizować w przypadku pionowych elementów nośnych, szczególnie słupów, gdzie

opłaca się stosowanie także wysokiego procentu zbrojenia.
Trudno wykorzystać wysoką wytrzymałość betonu w konstrukcji ścian podziemia,

fundamentów oraz stropów. W takich przypadkach stosowanie nawet 3-4 klas betonu w

jednym budynku jest działaniem racjonalnym.

Kształtowanie

Konstrukcja szkieletowa budynków

Konstrukcja szkieletowa stosowana jest jako układ konstrukcyjny budynków wysokich lub

niskich (najczęściej hal). Konstrukcje takich budynków i budowli wykonywane są

najczęściej ze stali lub żelbetu - składa się z wielokondygnacyjnego układu słupów,

rozmieszczonych na siatce wprowadzającej podział rzutu budynku na tzw. trakty.

W ustrojach szkieletowych do wysokości kilku kondygnacji sztywność ustroju mogą

zapewnić sztywne węzły, jednak wprowadza się dodatkowe elementy usztywnienia

poziomego: ściany, stężenia kratowe, trzony.

Kształtowanie

Ustroje ramowe ( bez współpracy z trzonem i bez dodatkowych usztywnień) stosowane są
rzadko. Powodem jest konieczność zwiększenia grubości elementów stropowych ( przekroje
rygli) lub zagęszczenie siatki słupów. Układy ramowe można podzielić na takie, w których
zastosowano tylko sztywne połączenia rygli i słupów oraz na wzmocnione skratowaniami w
niektórych polach (najczęściej technicznych).
Systemy ramowe są stosowane w budynkach o wysokości do 30 kondygnacji. Ramy żelbetowe
za sztywnymi węzłami przyjmowano w budynkach do 25 kondygnacji. W budynkach wyższych
częściej były stosowane ramy stalowe.

Kształtowanie

Wprowadzenie pionowych usztywnień płaskich pozwoliło na osiągnięcie większych wysokości.
Układy ramowe z pasami usztywnień w ścianach zewnętrznych, obejmujących jedno pole,
osiągają wysokość do 50 kondygnacji. Wariantem są układy ramowo-przegubowe.
Usztywnienia pionowe współpracują z kratownicami poziomymi, usytuowanymi co około 20
kondygnacji pozwalając zbudować wieżowiec o wysokości 60 kondygnacji. We wszystkich
tych układach sztywność budynku osiągana jest dzięki współpracy ram o sztywnych węzłach
za skratowaniami umieszczonymi w linii elewacji lub w ścianach bocznych obudowy
komunikacji.

Kształtowanie

Systemy trzonowe

Wysokość wieżowca wymaga rozwiązania podstawowego problemu komunikacyjnego (windy)
oraz systemu elewacji budynku na wypadek pożaru (klatki schodowe + windy pożarowe).
Komfort pracy i przebywania ludzi wymaga wysokiej klasy instalacji klimatyzacji, wentylacji
sanitarnej. Poza wymienionymi, trzon pełni funkcję konstrukcyjną - trzon przenosi obciążenia
od ciężaru własnego i stropów oraz działania sił poziomych.
Wyróżnia się cztery podstawowe typy systemów trzonowych:
- o „słupach” rozciąganych (liniowe i wieszarowe)
- wspornikowe
- szkieletowe
- typu „trzon w trzonie”

Budynki typu trzonowego można wznosić, stosując zarówno żelbet, jak i stal. Często
spotykane są układy mieszane, w których żelbetowy trzon łączy się ze stalową konstrukcją
nośną. Wzrastająca rola betonu, jego walory techniczne i ekonomiczne powodują coraz
częstszą zmianę szkieletu stalowego na żelbetowy.

Systemy wieszarowe

Zasada działania tego typu systemów polega na
oparciu na trzonie konstrukcji wsporczej cięgien
nośnych. Cięgna te mogą być mocowane bezpośrednio
do głowicy trzonu. Do konstrukcji tej mocowane są
stropy.

Występujące

trudności

technologiczne

( znaczne siły w wieszarach, duże odkształcenia)
ograniczyły zastosowanie tego typu konstrukcji do 15-
20 kondygnacji. Wprowadzono więc powtarzalność
konstrukcji wieszarowej. Powstałe w ten sposób układy
dwu i trójwieszarowe mogły osiągnąć wysokość
powyżej

100m.

Dzieląc

budynek

na

sekcje,

zmniejszono wpływ temperatury na wieszaki oraz
skrócono drogę przepływu sił do fundamentu.
Podstawową wadą ustrojów wieszarowych jest
wydłużenie drogi przeniesienia sił do fundamentu. Jest
ona

kompensowana

funkcjonalnie

całkowitym

uwolnieniem rzutu parteru od konstrukcji poza
trzonem.

Systemy wspornikowe

Zasada działania wsporników polega na zamocowaniu do trzonu konstrukcji wsporczej, na której
ustawiane są elementy ściskane (najczęściej słupy), podpierające kolejne kondygnacje. Wadą są
znaczne siły w miejscu mocowania oraz odkształcenia końców wsporników. Innym rozwiązaniem
jest projektowanie stropów jako wsporników mocowanych w trzonie. Można w ten sposób
całkowicie uwolnić elewację od konstrukcji elementów pionowych.
Systemy wspornikowo-wieszarowe
Powstały systemy hybrydowe, wieszarowo-wspornikowe, do których stropy były zarówno
podwieszone, jak i oparte na wspornikach mocowanych w trzonie.

Systemy szkieletowe

Systemy tego typu są obecnie najczęściej stosowane w wieżowcach na świecie. Podstawowa
zasada ich pracy polega na przenoszeniu obciążeń poziomych wiatru przez trzon, a pionowych
od stropów przez szkielet i obudowę trzonu. Często stosowano kombinacje materiałowe typu
żelbetowy trzon i stalowy szkielet.

Systemy typu „trzon a

trzonie”

Na pograniczu między systemami trzonowymi a powłokami można umiejscowić układy : „trzon
w trzonie”. Konstrukcja zewnętrznej powłoki jest łączona z wewnętrznym trzonem, tworząc
jeden układ przestrzenny. Systemy tego typu stosowane są dość często w budynkach o
wysokości 180-300m. Ideą tych rozwiązań jest ograniczenie wychyleń budynków (większa
sztywność) dzięki dystrybucji obciążeń na trzon i elementy powłoki zewnętrznej.

Megastruktury

Tworzone są 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.

System megakolumn

Dla budynków najwyższych powstał system konstrukcyjny, polegający na połączeniu pracy
megakolumn umieszczonych w licu elewacji z masywnym, żelbetowym trzonem. Megakolumny
sa to najczęściej znacznego rozmiaru skrzynie stalowe wypełnione żelbetem. Połączenia
pozwalające na współpracę układu z działaniem sił poziomych zapewniają kratownice łączące
megakolumny ze sobą i trzonem. Połączenie występuje na szczycie wieżowca oraz jedno lub
dwa na jego wysokości. Taki układ konstrukcyjny pozwala na większą dowolność kształtowania
elewacji (brak sztywnej powłoki ramowej, skratowań) zmniejsza ciężar obudowy budynku,
powoduje konieczność zastosowania symetrii i powtarzalności rzutu w obrysie konstrukcji
megakolumn.

Elementy prefabrykowane

Prefabrykowane ustroje złożone z elementów prętowych cechuje łatwość produkcji, transportu
elementów i ich montażu. Jednocześnie w tych ustrojach występuje większa liczba koniecznych
połączeń oraz brak, albo niewielka możliwość, przenoszenia, momentów w węzłach. Dlatego tez
ustroje tego typu znajdują zastosowanie albo w obiektach niskich jedno lub
kilkukondygnacyjnych, w których siły poziome przenoszone są przez słupy zamocowane w
fundamentach, albo w obiektach o dowolnej wysokości, w których siły poziome przenoszone są
przez elementy stężające.
Prefabrykowane ustroje z elementów ramowych cechują zwykle utrudnienia produkcyjne
elementów i ich transportu. Ustroje te wykazują relatywnie mniejszą liczbę połączeń i większą
zdolność do przenoszenia momentów zginających w węzłach. Te rzadko dzisiaj stosowane
rozwiązania znajdowały zastosowanie w budynkach kilku- i kilkunastokondygnacyjnych
pozbawionych elementów dodatkowego usztywnienia, a także w przypadku uzasadnionych
względami montażowymi.

Ramy

Utworzenie w pełni sztywnego węzła przez odpowiednie zmonolityzowanie łączących się w
nim elementów jest zwykle kłopotliwe ze względów konstrukcyjnych, jak i montażowych.
Dlatego też, jeżeli węzły szkieletu mają przenieść znaczne siły poziome, unika się zwykle
łączenia słupów z ryglami w bezpośrednim sąsiedztwie węzła, przenosząc miejsce połączenia
w strefę małych momentów zginających. W ten sposób prefabrykowane elementy ustroju
szkieletowego przybierają postać różnego rodzaju ram

Połączenia układów płaskich

Połączenia układów

przestrzennych

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ