Warsaw UNIT – projekt konstrukcji budynku wysokiego h=200m

Autor w , , ,
264
Warsaw UNIT – projekt konstrukcji budynku wysokiego h=200m

Jednym z wyzwań, jakiemu mieliśmy okazję sprostać jako zespół projektowy w biurze Fort Polska było zaprojektowanie wysokościowca Warsaw UNIT (dawniej Spinnaker). Inwestorem jest firma Ghelamco Poland, autorem architektury firma PBPA Projekt Sp. z o.o.

OPIS KONSTRUKCJI OBIEKTU

Budynek położony w centrum Warszawy posiadający 3 kondygnacje podziemne, 45 nadziemnych oraz 6 kondygnacji technicznych na samym szczycie. Wysokość obiektu wynosi ~200m. Na rysunku nr 2 przedstawiono podział funkcjonalny poszczególnych kondygnacji.

Rys1.2_Warsaw UNIT- model 3D i podział funkcjonalny kondygnacji

Kształt budynku w rzucie jest zbliżony do prostokąta o wymiarach w osiach podziemnych ścian  szczelinowych ~86x35m. Od kondygnacji L10 wzwyż wymiary te ulegają zmniejszeniu do  76x29m. W budynku nie zaprojektowano dylatacji.

Głównym ustrojem nośnym jest wewnętrzny trzon żelbetowy oraz słupy w siatce 8,75×8,75m. Trzon, posiadający wymiary ~13x33m, składa się ze ścian żelbetowych grubości od 25 do 70cm i gwarantuje sztywność przestrzenną budynku. Od poziomu L32 trzon zostaje częściowo zmniejszony poprzez zastąpienie jednej sekcji wind powierzchnią wykorzystaną na sanitariaty.

RYS. 3 – Warsaw UNIT-widok na kondygnację L00 [1]
RYS. 4 – Warsaw UNIT – widok na kondygnację powtarzalną, biurową [1]

Stropy zaprojektowano płaskie, żelbetowe. Słupy zaprojektowano żelbetowe, zbrojone systemem prętów gwintowanych SAS670 oraz A-IIIN, gatunek B500SP. Zastosowano betony klasy C35/45 na fundament i stropy oraz C50/60 na wszystkie słupy i ściany do kondygnacji L04. Powyżej ściany z betonu klasy C35/45.

Część podziemną składającą się z 3 kondygnacji ograniczają po obwodzie ściany szczelinowe, które stanowią zabezpieczenie wykopu podczas jego głębienia. Żelbetowy trzon oraz słupy konstrukcyjne opierają się na fundamencie zespolonym z płyty fundamentowej oraz baret, czyli odcinków ściany szczelinowej o wymiarach 3,4×0,8m. Tak zaprojektowany fundament gwarantuje małe osiadania (wg obliczeń osiadanie bez baret ~9cm, z baretami ~4cm) [8]. Projekt wykonawczy i wykonawstwo ścian szczelinowych oraz baret powierzono firmie Keller Polska Sp. z o.o. Zasadnicza grubość płyty fundamentowej wynosi 280cm. Pod trzonem znajdują się liczne przegłębienia dostosowane do funkcji pomieszczeń w związku z czym grubość płyty jest tutaj bardzo zróżnicowana: od ~200 do ~600cm. W zależności od lokalizacji i strefy płyta została odpowiednio dozbrojona z uwagi na przebicie oraz siły ścinające.

Ze względu na masywność fundamentu zalecono dobór takiej receptury i technologii betonowania aby podczas wiązania cementu temperatura wewnątrz płyty nie przekroczyła 65°C a gradient temperatury pomiędzy warstwą środkową a zewnętrzną nie był większy niż 20° [9]

RYS. 5 – Warsaw UNIT – Rzut fundamentu, układ baret wraz z długościami [2]

OBCIĄŻENIE WIATREM

Najważniejszym obciążeniem wymiarującym trzon tj. główny ustrój nośny i sztywnościowy jest
obciążenie od wiatru. Na potrzeby projektu wykonawczego w Instytucie Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Politechniki Warszawskiej zrealizowano badania w tunelu  aerodynamicznym, na podstawie których opracowano m.in. szczegółowe wytyczne obciążeniowe dla projektanta. Podczas badań uwzględniono wpływ istniejącego otoczenia w promieniu 500m a także wpływ obiektów wysokościowych, które aktualnie są realizowane w bliskim otoczeniu  Warsaw UNIT ( dawniej Spinnakera). Badania zostały przeprowadzone dla 36 kierunków wiatru.

RYS. 6 – Warsaw UNIT – Usytuowanie obiektu względem kierunków geograficznych [1]
RYS. 7 – Warsaw UNIT Model badanego budynku
RYS. 8 – Warsaw UNIT Model budynku wraz z zainstalowanymi skanerami [3]
RYS. 9 – Warsaw UNIT – porównanie sił

Rysunek 9 przedstawia punkty o współrzędnych równych składowym siły wypadkowej FX oraz FY, prostopadłym do fasad budynku. Kierunki wiatru zaznaczono strzałkami. Z powyższego porównania widać wyraźnie duży wpływ otaczających budynków na uzyskane wyniki doświadczalne. Wpływ ten nie jest uwzględniany w warunkach normowych. Największe różnice występują przy analizie oddziaływania wiatru z kierunku północnego przy kątach: 300°, 340°, 0°, w przypadku przesłaniania budynku Warsaw UNIT (dawniej Spinnakera) przez wysokościowiec Warsaw Spire. Natomiast od strony gdzie nie ma wysokich budynków, które mogłyby przesłaniać budynek Warsaw UNIT (dawniej Spinnakera) różnice w wartościach siły Fy, równoległej do kierunku wiatru z  kierunku południowo-wschodniego przy kątach: 90°, 120°, 160° są znacznie mniejsze i bardziej zbliżone do wyników uzyskanych z badań w tunelu aerodynamicznym. Duży wpływ otaczającej zabudowy ujawnia się natomiast przy analizie obciążeń budynku przy kątach wiatru 210°, 240°, 270°, a występujące różnice w wielkościach sił są już znaczne. Omawiane rozbieżności pomiędzy analizowanymi obciążeniami od wiatru wynikają z faktu, że badania modelowe obciążenia wiatrem konstrukcji Warsaw UNIT  (dawniej  Spinnakera) prowadzone były w tunelu aerodynamicznym w obecności sąsiadującej zabudowy w promieniu 500m. W obciążeniach normowych natomiast sąsiadująca zabudowa nie jest w ogóle uwzględniana i dlatego obciążenia te nie są miarodajne [4].

Innymi przyjętymi obciążeniami poza stałymi i eksploatacyjnymi są:

  • obciążenia od temperatury dla otwartych garaży pomiędzy kondygnacją L00 a L09
  • uderzenie pojazdu poruszającego się w ruchu miejskim w słupy zewnętrzne w poziomie L00
  • uderzenie pojazdu poruszającego się w garażu w każdy słup
  • obciążenia wynikające z imperfekcji geometrycznych
  • uwzględnienie globalnych efektów II rzędu
  • obciążenia technologiczne podczas wznoszenia obiektu
  • konsekwencje lokalnego zniszczenia np. słupa, ściany, stropu (wg przyjętej strategii dla zabezpieczenia przeciwko katastrofie postępującej)

KATASTROFA POSTĘPUJĄCA

Przyjęto następującą strategię dla zabezpieczenia przeciwko katastrofie postępującej. Jako elementy kluczowe przyjęto ściany trzonu na całej wysokości obiektu, ściany tarcz w osiach D/3 i D/4m oraz słupy w osiach B, C, D, E na całej wysokości obiektu. Zakłada się, że w przypadku katastrofy elementy kluczowe nie mogą być naruszone. Na etapie projektu wykonawczego te elementy zwymiarowano zgodnie z „PN-EN 1991-1-7:2008 Oddziaływania na konstrukcje. Oddziaływanie ogólne. Oddziaływanie wyjątkowe” punkt A.8 na oddziaływania wyjątkowe równe Ad=34kN/m2. Obciążenie to potraktowano jako przykładane niezależnie na każdej kondygnacji
oddzielnie. Zalecono, by na etapie wykonawstwa szczególnie zadbano o jakość wykonania elementów kluczowych.

Założono, że każdy pozostały element nie kluczowy może być utracony, ale jednorazowo tylko jeden z nich. Obciążenia z utraconego elementu (słup w osi A lub F, przęsło płyty) przenieść ma układ cięgnowy (metoda więzi łączących). W projektowanym budynku nie stosuje się układów ścianowych zdolnych przenieść obciążenia z kondygnacji powyżej utraconego słupa, dlatego stosuje się zasadę, że odkształcenia po utracie słupa mogą propagować się na całą wysokość powyżej awaryjnego miejsca. W takiej sytuacji każda z kondygnacji musi przenieść obciążenie na nią przypadające. [13]

Wymiarowanie elementów konstrukcji uwzględnia następujące przypadki wyjątkowe:

  • zniszczenie płyty stropowej w przęśle (pole wewnętrzne, pole skrajne)
  • zniszczenie jednego dowolnego słupa podpierającego w osi A i F

SKRÓCENIA SŁUPÓW

Podczas projektowania i wznoszenia budynków wysokich należy wziąć pod uwagę efekt skrótu konstrukcji. W nomenklaturze budynków wysokich skrótem nazywamy odkształcenia w kierunku pionowym obliczane głównie dla słupów i ścian. Rozróżnia się skrót sprężysty
(odkształcenia sprężyste: P/EA), które zależą wprost od obciążenia, wymiarów konstrukcji i cech materiałowych oraz skróty od skurczu i pełzania. Te ostatnie w konstrukcjach żelbetowych są zależne od kilkunastu zmiennych m.in. wilgotności i temperatury powietrza podczas wysychania betonu, rodzaju cementu, czasu przyłożenia obciążenia, poziomu obciążenia, wymiarów elementu. Cała analiza skrótów musi uwzględniać funkcję czasu począwszy od wznoszenia obiektu oraz jego powolnego obciążania.

Jako, że efekt ten zależy m.in. od wartości występujących naprężeń oraz geometrii elementów, w
budynkach wysokich obserwuje się duże różnice skróceń pomiędzy trzonem a słupami wewnętrznymi bądź skrajnymi. Z tego powodu wynikiem analiz są zazwyczaj wartości  kompensacji skrótów zadanych w celu ich eliminacji po upływie czasu.

Poniższe schematy, zaczerpnięte z literatury, obrazują istotę zagadnienia:

RYS. 10 – Warsaw UNIT -skrócenie wysokich konstrukcji

W praktyce oznacza to, że płytę stropową wylewa się na budowie z zadanym spadkiem najczęściej w stronę trzonu (słupy zewnętrzne wykonuje się wyższe o około 2-3 cm, wartości wynikają ze szczegółowych obliczeń i są różne na słupach i na kondygnacjach). Podczas kolejnego obciążania niższych słupów przez budowanie wyższych pięter a także zachodzących
zjawisk reologicznych (skurcz i pełzanie) dany słup skraca się a strop dąży do niwelowania zadanego wstępnie spadku. [6, 7, 11]

W projekcie Warsaw UNIT ( dawniej Spinnakera) przeprowadzono analizę uwzględniając:

  • skrót sprężysty wszystkich słupów oraz dziesięciu punktów trzonu, w tym jego narożniki
  • skrót reologiczny w tym od skurczu i pełzania w funkcji czasu
  • osiadanie budynku w funkcji czasu
  • naddatki realizacyjne na każdej kondygnacji uwzględniające trwające etapowo skurcz, pełzanie, osiadanie oraz skrót sprężysty w miarę narastania obciążeń
  • wieloetapowość obciążenia wg wstępnego harmonogramu budowy

METRO

Ponieważ lokalizacja obiektu znajduje się w bliskim sąsiedztwie II linii metra (odległość pomiędzy
tunelem a ścianą szczelinową wynosi 14,2m) należało wykonać dwie istotne analizy.

Jedną z nich jest wpływ głębokiego wykopu na stateczność tuneli metra. Za pomocą programu do analiz geotechnicznych Plaxis uzyskaliśmy wyniki potwierdzające, że zarówno podczas głębienia wykopu jak i w fazie eksploatacji obiektu odkształcenia ściany szczelinowej nie
spowodują niedopuszczalnych przemieszczeń tuneli.

RYS. 11 – Warsaw UNIT – Mapy przemieszczeń poziomych terenu po wykonaniu wykopu [1]

Drugą analizą, jaką należało wykonać, był wpływ drgań od metra na budynek oraz ich odczuwalność przez ludzi znajdujących się w budynku. Pomiaru drgań wywołanych zarówno
przejazdem metra jak i ruchem komunikacyjnym dokonał zespół z Politechniki Gdańskiej [5] przekazując projektantowi wymuszenia dynamiczne na każdym z kierunków X, Y, Z. Podczas analizy numerycznej przeprowadzono szereg obliczeń dla rożnych przypadków obciążeń dynamicznych. Wpływ drgań na budynek ujęto poprzez uwzględnienie sił z analiz dynamicznych w wymiarowaniu konstrukcji. W przypadku odczuwalności drgań przez ludzi, w wyniku analiz tercjowych sygnałów przyspieszeń uzyskanych z obliczeń, udowodniono, że na każdym piętrze mieszczą się one w granicy komfortu wyznaczonym przez normę PN-88/B-02171 Ocena wpływu
drgań na ludzi w budynkach.

RYS. 12 – Warsaw UNIT-Przykładowy wykres analizy tercjowej dla piętra 15; przyspieszenia pionowe [1]

PODSUMOWANIE

Projektowanie budynków wysokościowych wiąże się z rozwiązaniem wielu dodatkowych, ciekawych, choć złożonych zagadnień w porównaniu do obiektów jakie najczęściej widujemy za oknem. Jest to też niewątpliwie praca zespołowa, która wymaga dużej determinacji w zdobywaniu najnowszej wiedzy światowej w zakresie inżynierii wysokościowej [10, 12].

OPRACOWANIA PROJEKTOWE

[1] Projekt Wykonawczy Konstrukcji opracowany przez Fort Polska Sp. z o.o., ul. Nowotoruńska 8, 85-840 Bydgoszcz.

[2] Projekt Wykonawczy ściany szczelinowej na potrzeby budowy budynku biurowo-usługowego SPINNAKER przy ul. Prostej/Towarowej w Warszawie. Projekt opracowany przez KELLER POLSKA Sp. Z o.o., 05.2017 r.

[3] Raport „Badania w tunelu aerodynamicznym oddziaływania wiatru na elewacje i konstrukcję budynku wieżowego SPINNAKER o wysokości 198 m w Warszawie”, Politechnika Warszawska, kwiecień 2016 r.

[4] Raport „Dodatkowe badania w tunelu aerodynamicznym oddziaływania wiatru na konstrukcję budynku wieżowego SPINNAKER o wysokości 1198 m w Warszawie”, Politechnika Warszawska, maj 2017 r.

[5] Ekspertyza Techniczna „Pomiary drgań wywołane przejazdem metra oraz ruchem komunikacyjnym na ul. Prostej przy projektowanym budynku Spinnaker w Warszawie”, Politechnika Gdańska 2017.

LITERATURA

[6] Bazant Z. P. and Wittmann F. H., Creep and shrinkage in concrete structures, John Wiley & Sons, New York, 1982

[7] Fintel M., Ghosh S.K., Iyengar H.: Column shortening in tall structures, PCA 1987

[8] Głębokie posadowienia budynków wysokich, materiały z seminarium, Warszawa, 23 czerwca 2008 r.

[9] Bajorek G.: Pielęgnacja betonu w okresie dojrzewania, SPC, Kraków 2017

[10] Pawłowski A.M., Cała I.: Budynki wysokie, OWPW, Warszawa 2006

[11] Seongdeok Kang, Jaesung Choi, Hakseong Kim, Inki Kim: Prediction and Compensation of Column Shortening for Bitexo Financial Tower, CTBUH 2011 Seoul Conference

 [12] Praca zbiorowa MPA The Concrete Centre and Federation international du beton (fib),Tall buildings, London 2014

[13] Starosolski W., Wieczorek B., Wieczorek M.: Konstrukcje płytowo – słupowe. Zabezpieczenie przeciwko katastrofie postępującej. Biuletyn Techniczny nr 6. Centrum Promocji Jakości Stali.

[14] www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=474259&page=199, data dostępu 25.02.2018


Artykuł został napisany dla czasopisma “Przegląd Budowlany 04/2018”.