Problemy konstrukcyjne projektowania i realizacji budynków wysokich na przykładzie trzech wieżowców w Gdańsku Prof. zw. dr hab. inż. Tadeusz Godycki-Ćwirko, dr inż. Ryszard Wojdak, Politechnika Gdańska 1. Wprowadzenie (zarys architektoniczno-urbanistyczny) Wieżowce Horyzont w Gdańsku zostały wzniesione w dzielnicy Gdańsk Przymorze położonej na płaskim terenie między porośniętą lasem morenową wysoczyzną a wybrzeżem Bałtyku w sąsiedztwie największego na wybrzeżu 16-klatkowego bloku-falowcu o kilkusetmetrowej długości, w którym mieszka około 4 tysięcy ludzi (rys.1). Rys. 2. Zespół mieszkaniowy Horyzont (wizualizacja) 38 Rys. 1. Widok fragmentu falowca na Przymorzu w Gdańsku [3] Zespół mieszkalny Horyzont pod względem urbanistycznym ma cechy typowe dla zamkniętego osiedla, jednak dzięki elastyczności funkcjonalnej przyziemia może w przyszłości stanowić zaczątek planowanego wielofunkcyjnego centrum ponadosiedlowego. Na rysunku 2 została pokazana wizualizacja kompleksu Horyzont, natomiast na rysunku 3 przedstawiono rzut fundamentów z obrysem płyt fundamentowych budynków oraz stopy fundamentowe garaży poza obrysem budynków, nad którymi znajdują się zielone tarasy. Na rysunku 4 przedstawiono rzut 12 kondygnacji budynków A, B Horyzont 1. Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono przekroje pionowe poprzeczne A-A i B-B dotyczące budynków A i B. Rys. 3. Rzut fundamentów z obrysem płyt trzech budynków A, B i C oraz usług C2, C3 i garażu 2. Problemy konstrukcyjno-montażowe Opisany w tym artykule zespół mieszkaniowy Horyzont należy do obiektów, w którym racje rozwiązań architektonicznych i konstrukcyjnych były niekiedy znacząco rozbieżne i wymagały wzajemnych konsultacji i uzgodnień, w celu uzyskania racjonalnych kompromisowych rozwiązań. Problemy konstrukcyjne istniały od samego początku, tzn. od fundamentowania, z uwagi na zespolenie części niskiej trzykondygnacyjnej z budynkami wysokimi 19-kondygnacyjnymi. Z kolei wznoszenie budynków wysokich o licznych
KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY B A kilkukondygnacyjne, wsparte na wspornikach tarczowych, do wykonania których niezbędny był projekt deskowania zawieszonego na odpowiedniej kondygnacji. Jak pokazano na rysunku 7 główny ustrój nośny budynków wysokich A, B, C stanowiły słupy żelbetowe usytuowane na monolitycznej płycie fundamentowej o grubości 100 lub 110 cm. Części garażowe trzykondygnacyjne zostały posadowione na stopach fundamentowych. W budynkach wysokich w obrębie kondygnacji podziemnej były zaprojektowane przeciwpożarowe zbiorniki wodne. Rys. 4. Rzuty 12 kondygnacji budynków A i B [3] Rys. 5. Przekrój A-A przez budynek A (budynek B w widoku) [3] Rys. 7. Konstrukcja ścian przyziemia budynku na płycie fundamentowej Z uwagi na usytuowanie garaży, również pod wieżowcami, nie można było ze względów użytkowych doprowadzić wewnętrznych ścian tarcz usztywniających budynek aż do płyty fundamentowej. W tej sytuacji, słupy oraz ściany pod budynkami mieszkalnymi poddane działaniu dużych momentów zginających i sił poprzecznych, musiały być zwieńczone nad trzecią kondygnacją potężnym rusztem belek żelbetowych o ortogonalnym układzie. Ich wysokość w budynkach A i B wynosiła 140 cm, natomiast w C 150 cm, przy szerokości od 50 do 120 cm. Stropy znajdujące się nad poziomem usług zaprojektowano w układzie płytowo-słupowym o grubości płyty 25 cm (rys. 8). W częściach garażowych niskich Rys. 6. Przekrój B-B przez budynek B (budynek A w widoku) [3] loggiach, balkonach i wykuszach o zróżnicowanej funkcji mieszkaniowo-usługowej pomieszczeń zmuszały do szukania unikalnych, racjonalnych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych. Przykładowo duże trudności stwarzały ramy żelbetowe, niekiedy Rys. 8. Stan surowy drugiej kondygnacji budynku B 39
(trzykondygnacyjnych) układ nośny stanowią słupy żelbetowe 35x35 cm oraz 35x40 cm, które wspierają strop żelbetowy monolityczny grubości 20 cm w układzie płytowo-słupowym. Nad częścią usługową przylegającą do budynku C, jak też w obszarze budynków A i B zaprojektowano w układzie płytowo-żebrowym zielony stropodach, którego belki o wysokości od 60 do 80 cm współpracują z płytą krzyżowo zbrojoną grubości 20 cm. Rys. 9. Wykusze z tarasami w budynku B kondygnacje 8, 9 i 10 Ściany nośne wieżowców, w tym wind i klatek schodowych, zaprojektowano w żelbecie monolitycznym o grubości od 15 do 20 cm. Ściany oraz słupy do 8 kondygnacji wykonano z betonu B45, a powyżej z B37. Stropy międzykondygnacyjne oraz stropodachy w budynkach wysokich zaprojektowano typu Filigran o grubości, w zależności od rozpiętości, oscylującej od 20 do 25 cm. W związku z licznymi wykuszami ścian zewnętrznych, np. w budynku B na trzech Rys. 11. Wykusze na górnych kondygnacjach kondygnacjach 8, 9 i 10 (rys. 9), zastosowano stropy żelbetowe monolityczne grubości 25 cm. W budynkach A i B balkony, loggie i ogrody zimowe (płyta denna z balustradą) zostały wykonane jako prefabrykowane. Natomiast w budynku C jedynie balkony wykonano w technologii prefabrykowanej. W celu zmniejszenia efektu mostków termicznych, w płytach wspornikowych pozostawiono szczeliny wypełnione wełną mineralną, przy czym funkcję nośną 40 Rys. 10. Szczegół zbrojenia krawędzi stropu w obszarze styku z prefabrykowanym balkonem Rys. 12. Zbrojenie ramy wykuszu wystającego 1,5 m poza obrys budynku z rysunku 15
KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY Rys. 13. Zbrojenie ramy wykusza 3-kondygnacyjnego Rys. 14. Rama prostopadła do wykusza 3-kondygnacyjnego spełniły przewiązki żelbetowe o szerokości 30 i 40 cm (rys.10). Tarczowe elementy wsporcze wykuszu wymagały finezyjnie wykonstruowanego zbrojenia, w celu uniknięcia w miejscach koncentracji naprężeń ścinających niszczenia struktury betonu. Poza wykuszami jednokondygnacyjnymi w wieżowcach Horyzont, występują bardzo duże wykusze dochodzące do siedmiu kondygnacji (rys. 11 i 12), o wysięgu poza obrys budynku od 1,5 do 3 m. Ich zawieszenie na korpusie budynku wymagało wykonstruowania wsporników tarczowych o odpowiednio ukształtowanym zbrojeniu na przecinanie. Wykusze te stanowią skomplikowany przestrzenny układ ram żelbetowych zawieszonych na prostopadle do nich usytuowanych wspornikowych tarczach żelbetowych, których pracę dodatkowo komplikują otwory okienne i drzwiowe. Ramy żelbetowe i podziurawione otworami tarcze, stanowiące dla tych ram elementy wsporcze, oparte są często na jednym wspólnym słupie, który w niektórych fragmentach jest ściskany, zaś w innych, pełniąc rolę wieszaka, jest rozciągany. Na rysunku 13 pokazano zbrojenie ramy wykusza 3-kondygnacyjnego (poziomy od +35,43 do +44,04 m). Rama ta z jednej strony została podwieszona do ścian nośnych budynku za pomocą wspornikowo zbrojonych tarcz żelbetowych, z drugiej została zawieszona na skrajnych elementach belek ścian ramy prostopadłej (rys. 14). W tarczowych wspornikach tej ramy do przeniesienia sił poprzecznych z ramy wykusza oprócz zbrojenia ortogonalnego, zastosowano pręty ukośne 12 w postaci pętli. Zmieniająca się geometria na wysokości budynku, w tym różne w pionie usytuowanie ścian i słupów na poszczególnych kondygnacjach, wymusiła stosowanie tarcz, w których konstruowanie zbrojenia nawiązywało do przebiegu strumieni sił schematów rozporowo-ściągowych preferowanych w ostatniej wersji normy amerykańskiej (Strut and Tie model, CODE ACI 318-02). Przykładowo na rysunku 15 przedstawiono zbrojenie tarczy na 8 kondygnacji w budynku B. Tarcza usytuowana w skrajnym górnym narożu poprzecznej wielokondygnacyjnej ramy jest obciążona słupem, na który działa siła 3000 kn. Koncentracja naprężeń ścinających w górnej i dolnej części tarczy w płaszczyźnie styku tarczy ze słupem wymusiła Rys. 15. Zbrojenie tarczy na 8 kondygnacji budynek B dodatkowe stosowanie zbrojenia ukośnego, w celu zredukowania nadmiernego wytężenia betonu, które mogło spowodować lokalne niszczenie struktury betonu. Oprócz trudnych i skomplikowanych problemów konstrukcyjnych w zakresie wymiarowania i konstruowania zbrojenia, wystąpiły również poważne problemy technologiczne realizacji stanu surowego, z uwagi na opisane wykusze kilkukondygnacyjne, jak też jednokondygnacyjny wykusz narożny pokazany na rysunku 16. 41
BIBLIOGRAFIA [1] ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-02) and Commentary (318 R-02) [2] Godycki-Ćwirko T., Wojdak R., Budowle z betonu trwałe dziedzictwo współczesnej cywilizacji. Inżynieria Morska i Geotechnika 3/2005 [3] Synakiewicz M., Wieżowce Horyzont w Gdańsku, Architektura 9/2006 Rys. 16. Jednokondygnacyjny wykusz narożny na 12 kondygnacji Układy nośne ram z attyką musiały zostać wykonane przy pełnym deskowaniu do osiągnięcia przez beton attyki odpowiedniej wytrzymałości, tak aby mogły one przyjąć podwieszone do nich elementy konstrukcji. W tym celu opracowano szczegółowe wytyczne technologiczne dla konstrukcji wsporczej ograniczonej do trzech górnych kondygnacji, co wpłynęło na zmniejszenie kosztów realizacji. Konstrukcję wsporczą pod wykusz w budynku B pokazano na rysunku 17. Po zakończeniu stanu surowego budynku A i B, przystąpiono do etapu wykończenia. W pierwszej kolejności prace wykończeniowe i elewacyjne wykonano w budynku A (rys.18). Obecnie wszystkie trzy budynki zostały już ukończone, w tym A i B zostały zasiedlone. Rys. 17. Konstrukcja wsporcza pod wykusz. Końcowa faza realizacji etapu I budynek B 42 3. Wnioski Szkielet żelbetowy budynków wysokich stwarza duże możliwości kształtowania elewacji oraz układu mieszkań zróżnicowanych na poszczególnych kondygnacjach, które można adaptować do indywidualnych potrzeb mieszkańców łącząc pomieszczenia, a nawet sąsiednie mieszkania. Powyższy stan stymuluje architektów do kreowania wyszukanych, niestandardowych rozwiązań funkcji wnętrz i elewacji, którym towarzyszy przestrzenna, skomplikowana struktura szkieletu żelbetowego. W tego typu obiektach w sposób zasadniczy wzrasta twórcza rola inżyniera konstruktora, nie tylko na etapie projektu konstrukcyjnego (obliczenia statyczne, rysunki konstrukcyjne), lecz także przy opracowaniu koncepcji architektonicznej. Rys. 18. Fragment elewacji budynku A