PROPOZYCJE FORM I ZASTOSOWAŃ SYSTEMU FUNDAMENTU ZESPOLONEGO

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. arch. Janusz RĘBIELAK Politechnika Krakowska PROPOZYCJE FORM I ZASTOSOWAŃ SYSTEMU FUNDAMENTU ZESPOLONEGO Streszczenie: Przedmiotem pracy są propozycje kształtowania oraz zastosowań systemu fundamentu zespolonego, który został zaprojektowany przez autora jako bezpieczna konstrukcja dla posadowienia obiektów silnie obciążonych na gruntach o bardzo niskiej nośności oraz dla budynków lokowanych na obszarach aktywnych sejsmicznie. Jego powierzchnia jest teoretycznie nieograniczona, zatem naprężenia w gruncie poniżej jego dolnej powierzchni mogą być znikome. Ponadto nawet znaczne przemieszczenia gruntu pod odpowiednio uformowanym systemem fundamentu zespolonego mogą nie powodować utraty stateczności całej budowli. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu składników system ten odznacza się cechami ułatwiającymi bezpieczne przejmowanie dużych obciążeń dynamicznych. Wybrane elementy tego systemu konstrukcyjnego mogą być wyposażone na przykład w sterowane numerycznie siłowniki hydrauliczne, piezoelektryczne lub inne, których obecność istotnie podniesie efektywność absorbowania energii drgań wywołanych wstrząsami tektonicznymi. System fundamentu zespolonego może być solidną, bezpieczną podstawą dla megastruktur architektonicznych lokowanych nie tylko na podłożu gruntowym, lecz także zaplanowanych jako struktura nośna obszernych przyszłościowych samowystarczalnych habitatów unoszących się na powierzchni mórz i oceanów. Wstępne analizy tego systemu zostały przeprowadzone na podstawie jego modeli numerycznych zdefiniowanych w języku programowania Formian. PROPOSALS OF FORMS AND APPLICATIONS OF THE SYSTEM OF COMBINED FOUNDATION Abstract: The paper presents some proposals of forms and applications of the system of combined foundation, which is developed by the author for purpose of the safe location of heavily loaded buildings on subsoil of small carrying ability or located in the earthquake areas. The effective surface of it is theoretically unlimited therefore values of normal stresses appearing in ground beneath this foundation can be very small, almost insignificantly greater than before the load. Moreover casual displacements of subsoil below the suitably design system of combined foundation will have also very limited, almost insignificant impact on stability of the whole building. Due to suitable arrangement of component parts the system characterizes by convenient features making easy the transmission of the very big dynamic loads. Selected component parts of this structural system can be supplemented e.g. by computer controlled hydraulic or piezoelectric jacks, which will increase the efficiency of absorption of the vibration energy evoked by the earthquake. System of the combined foundation can be a solid and safe base for construction of megastructures located not only on the ground but also for the self-sufficient habitats floating in future on the seas or ocean surface. Initial analyses of this system have been done on basis of its numerical models defined in programming language Formian. Słowa kluczowe: system fundamentu zespolonego, Formian Keywords: system of combined foundation, Formian 631

2 1. WPROWADZENIE System fundamentu zespolonego został opracowany głównie dla potrzeb budynków wysokich, których konstrukcja musi jednocześnie spełniać dwa przeciwstawne wymagania. Z jednej strony struktura nośna takiego budynku musi być odpowiednio sztywna, aby móc nie tylko przejmować w sposób bezpieczny bardzo duże wartości sił obciążających skierowanych ku dołowi, lecz także przekazywać duże siły poziome spowodowane głównie obciążeniem wiatrem. Równocześnie pożądaną i bardzo korzystną cechą takiej konstrukcji nośnej jest jej odpowiednia elastyczność, umożliwiająca stosowne tłumienie drgań wywołanych różnymi rodzajami obciążeń dynamicznych [1-5]. 2. KSZTAŁTOWANIE SYSTEMU KONSTRUKCYJNEGO FUNDAMENTU ZESPOLONEGO Jedną z głównych inspiracji w procesie projektowania systemu nośnego mogącego odznaczać się jednocześnie dwiema przeciwstawnymi cechami konstrukcyjnymi była budowa systemu korzeniowego pewnych gatunków drzew [6-11], których reprezentantem może być drzewo liściaste z gatunku ficus microcarpa (rys. 1). Poszczególne jego korzenie są rozłożyście umieszczone na dużej powierzchni głównie płytko poniżej powierzchni gruntu, a w dużej części nawet na samej jego powierzchni. Dzięki takiemu szerokiemu rozmieszczeniu korzeni wokół pnia, to stosunkowo wysokie drzewo może rosnąć na grząskim gruncie o niewielkiej nośności oraz jest zdolne przetrwać huraganowe wiatry dość często występujące w strefach podzwrotnikowych. Inną istotną inspiracją w procesie kształtowania tego systemu były obrazy trajektorii naprężeń głównych w belce wolno podpartej [12, 13]. Rys. 1. Widok systemu korzeniowego drzewa z gatunku ficus microcarpa, park w Tajpej na Tajwanie 3. PRZYKŁADOWE FORMY ZESPOLONEGO SYSTEMU KONSTRUKCYJNEGO BUDYNKU WYSOKIEGO Istotą systemu fundamentu zespolonego jest odpowiedni podział funkcji strukturalnych jego składowych elementów [14]. W uproszczeniu polega on głównie na umieszczeniu w wąskiej przestrzeni, pomiędzy np. dwiema belkami głównymi (1) ułożonymi na wspólnej poziomej płycie, zestawów elementów pośrednich (2), które łączą się z materią belek w węzłach głównych (Wg) rys. 2a. Elementy pośrednie są umieszczone wzdłuż odcinków odpowiednich krzywych łamanych oraz w pionie, łącząc te zestawy z węzłami głównymi 632

3 prezentowanego systemu. Węzły te rozmieszczone są równomiernie wzdłuż osi obojętnej belek głównych (1). Obciążenia z kondygnacji nadziemnych są przekazywane za pośrednictwem stosunkowo krótkich prętów (AB) umieszczonych ściśle w pionowych prowadnicach i mających jeden stopień swobody. Węzły typu A, B oraz C nie mogą być połączone z materią belek głównych (1) takiego fundamentu. Skrajne węzły główne (E) poddane są działaniu stosunkowo dużych wartości reakcji podporowych, które są nietypowo i niekorzystnie skierowane w dół. W celu ustabilizowania końcówek wyróżnionych belek, poniżej tych węzłów można umieścić dodatkowe pale kotwiące (Pk) oraz ukształtować w tej strefie rodzaj czerpaka (S) poprzez odpowiednie połączenie płyty podstawy z materią belek głównych (1). Ciężar gruntu znajdującego się w stosownym klinie odłamu umożliwi dociążenie końcówek belek, które w strefie krawędziowej fundamentu są odrywane od odpowiedniej poziomej powierzchni gruntu. Jeśli w konstrukcji kondygnacji nadziemnych zostaną zastosowane składniki tworzące odpowiedni rodzaj dźwigara soczewkowego (DS), to system konstrukcyjny budynku wysokiego o schemacie głównego przekroju pionowego pokazanym na rys. 2a nazywano zespolonym systemem konstrukcyjnym takiego budynku [6-11]. Dzięki stosownemu rozmieszczeniu elementów składowych, system ten odznacza się dużymi możliwościami pasywnego przejmowania i tłumienia energii drgań dynamicznych spowodowanych np. szkodami górniczymi, wstrząsami tektonicznymi czy też działaniem wiatru. Te zdolności absorpcji niekorzystnych drgań mogą być istotnie zwiększone przez rozmieszczenie dodatkowych składników takiego systemu w postaci elektronicznie sterowanych siłowników hydraulicznych (3), piezoelektrycznych lub innych. Określenie optymalnych miejsc sytuowania postulowanych siłowników wymaga jednak przeprowadzenia wielu analiz oraz badań modelowych dokonywanych także w obiektach testowych posiadających wymiary geometryczne obiektów planowanych dla przyszłej realizacji. Siłowniki te mogą być rozmieszczane także w wybranych elementach konstrukcji nadziemnej tak kształtowanego budynku wysokiego. a b Rys. 2. a) Schemat głównego przekroju pionowego przykładowej postaci budynku wysokiego o zespolonym systemie konstrukcyjnym, b) postać fundamentu zespolonego o ortogonalno-diagonalnym układzie głównych elementów żelbetowych Belki główne (1) planuje się wykonywać jako elementy żelbetowe, mogą one być rozmieszczane w sposób dowolny na planie podstawy fundamentu zespolonego i najczęściej 633

4 tworzyć będą siatkę ortogonalną, diagonalną lub ortogonalno-diagonalną (rys. 2b). Te główne elementy żelbetowe mogą tworzyć skrzynie o dużych wymiarach, będąc modułami przestrzennymi konstrukcji takiego fundamentu. Wysokość takich skrzyń może być również stosunkowo duża i być równa wysokości np. zestawu kilku sąsiadujących ze sobą kondygnacji. Po zapewnieniu szczelności wyróżnionych skrzyń, fundament budowany w ten sposób odznaczać się będzie dużą siłą wyporu hydrostatycznego, dzięki czemu może on być podstawą przyszłościowych form megastruktur pływających po powierzchni mórz czy oceanów i mogących posłużyć do zakładania samowystarczalnych żywnościowo i energetycznie habitatów funkcjonujących daleko od stałego lądu. a b c Rys. 3. a) Wizualizacja modelu numerycznego konstrukcji budynku wysokiego opartego na systemie fundamentu zespolonego, b) schemat przekroju pionowego wydłużonej formy fundamentu zespolonego, c) przykład formy systemu fundamentu zespolonego o dużych wymiarach poziomych Zestawy elementów pośrednich (2) planuje się wykonywać jako konstrukcje metalowe, stalowo-betonowe lub żelbetowe. Element powtarzalny takiego zestawu jest zawarty pomiędzy węzłami typu C, które nie mogą być połączone z materią belek głównych (1). Schemat układu podstawowego takiego zestawu elementów pośrednich pokazany na rys. 2a odznacza się wystarczającą stabilnością, która może jednak być zwiększona poprzez odpowiednie rozmieszczenie dodatkowych ukośnie usytuowanych prętów. Osie podłużne takich krzyżulców muszą się ogniskować w stosownie wybranych węzłach głównych, których przykładowe rozmieszczenie reprezentują na rys. 3b pozycje węzłów typu Cn. Liczba powtórzeń pojedynczego zestawu elementów pośrednich jest teoretycznie nieograniczona, zatem również tego rzędu powierzchnię może uzyskać fundament o proponowanej konstrukcji. Projektując tak szerokie fundamenty, należy brać pod uwagę fakt, że w co drugim module jego tzw. formy ciągłej węzły główne poddane są działaniu składowych 634

5 reakcji skierowanych wprawdzie pionowo, ale nietypowo bo w dół (rys. 3b). Dlatego pod tymi węzłami należałoby umieszczać dodatkowe pale kotwiące (Pk), których obecność nie będzie jednak konieczna pod warunkiem zapewnienia odpowiednio dużej sztywności elementom żelbetowym tworzącym podstawową materię proponowanego systemu fundamentu zespolonego. Przykładową postać takiego systemu konstrukcyjnego fundamentu posiadającego znaczne wymiary poziome pokazano na rys. 3c, który jest wizualizacją modelu numerycznego zdefiniowanego w języku programowania Formian [15]. Skuteczność bezpiecznego przejmowania obciążeń poziomych o dużych wartościach będzie zwiększona poprzez poziome odizolowanie konstrukcji takiego fundamentu od podłoża gruntowego (rys. 3b). Efektywność tłumienia energii drgań spowodowanych np. wstrząsami sejsmicznymi będzie również znacząco wzmocniona przez rozmieszczenie stosownych siłowników w poszczególnych modułach rozłożystej postaci takiego fundamentu. 4. UWAGI KOŃCOWE Proponowany system fundamentu zespolonego można określać mianem przełomowego rozwiązania technicznego umożliwiającego bezpieczne posadowienie obiektów silnie obciążonych na terenach uważanych dotychczas za nieprzydatne do takich celów. Jego powierzchnia może być bardzo duża, teoretycznie nieograniczona, dzięki czemu budynek silnie obciążony może być lokowany na gruncie o bardzo słabej nośności. Ten system konstrukcyjny posiada cechy umożliwiające tłumienie drgań i bezpieczne przejmowanie ich energii, dzięki czemu może on być szczególnie przydatny na terenach szkód górniczych lub obszarach aktywnych sejsmicznie. Wydajność procesu tłumienia drgań będzie znacząco podniesiona po rozmieszczeniu w wybranych elementach takiej konstrukcji odpowiednich siłowników sterowanych numerycznie pełniących funkcję aktywnego systemu absorpcji niebezpiecznej energii tych drgań. System fundamentu zespolonego może być stosowany nie tylko dla obiektów nowych, będących w fazie projektowania, lecz także dla budynków już istniejących. Obecność stosownych siłowników umożliwi wyprostowanie obiektów niebezpiecznie już pochylonych lub wymagających podobnych przemieszczeń w istniejącym otoczeniu. Wstępna analiza tego systemu konstrukcyjnego została przeprowadzona na podstawie modeli numerycznych zdefiniowanych w języku programowania Formian. System ten wymaga przeprowadzenia jeszcze wielu kompleksowych analiz statycznych i dynamicznych oraz badań testowych w celu potwierdzenia i zweryfikowania przyjętych założeń projektowych. LITERATURA [1] Thornton C.H., Tomasetti R.L. i inni: The world tallest building The Miglin Beitler Tower, Chicago, Illinois, [in:] Proceedings of the IV-th World Congress of Tall Buildings, Hong Kong, [2] Kowalczyk R.M., Sim R., Kilmister M.B. (ed.): Structural systems for tall buildings, Council on Tall Buildings and Urban Habitat, McGraw-Hill, New York,1993. [3] Robinson R.: Malaysia s Twins: High-rise, High Strength, Civil Engineering 7, 1994, pp [4] Moehle J., Bozorgnia Y. i inni: Case studies of the seismic performance of tall buildings designed by alternative means, Report for the Tall Buildings Initiative, PEER Report 5, 2011, Pacific Earthquake Engineering Research Center, College of Engineering, University of California, Berkeley, CSSC Report

6 [5] Ledwoń A.J.: Budownictwo na terenach szkód górniczych, Arkady, Warszawa, [6] Rębielak J.: Koncepcja zespolonej postaci fundamentu oraz struktury nośnej budynku, XV Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Jurata, 9-13 maja 2011, tom 2, s , Mechanik, nr 7/2011, s [7] Rębielak J.: Combined form of structural system proposed for tall buildings, Taller, Longer, Lighter Proceedings of IABSE-IASS Symposium, London, 2011, p [8] Rębielak J.: Budynek o zespolonej formie systemu konstrukcyjnego, Czasopismo Techniczne, Politechnika Krakowska, zeszyt 11, rok 108, 2-A/2/2011, s [9] Rębielak J.: Koncepcja systemu konstrukcyjnego budynku wysokiego, Inżynieria i Budownictwo, nr 1/2012, s [10] Rębielak J.: System of combined foundation for tall buildings, Journal of Civil Engineering and Architecture, Vol. 6, No. 12, December 2012, (Serial No 61), pp [11] Rębielak J: Structural systems shaped for tall objects, Spatial structures temporary and permanent, eds. Q. Zhang, L. Yang, Y. Hu, International Symposium of the International Association for Shell and Spatial Structures, Shanghai, China, November 8-12, 2010, China Architecture & Building Press, pp [12] Allen E., Zalewski W. and Boston Structures Group: Form and Forces. Designing efficient, expressive structures, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, [13] Kolendowicz T.: Mechanika budowli dla architektów, Arkady, Warszawa, [14] Rębielak J.: Systemowy fundament zespolony, zgłoszenie patentowe, Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej, nr P , [15] Nooshin H., Disney P.: Formex Configuration Processing II, International Journal of Space Structures, Vol. 17, No. 1, 2002, pp