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