Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i InŜynierii Środowiska Zakład Wytrzymałości Materiałów

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i InŜynierii Środowiska Zakład Wytrzymałości Materiałów OPRACOWANIE KOŃCOWE Z PRZEDMIOTU BUDYNKI WYSOKIE I WYSOKOŚCIOWE 47 kondygnacyjny budynek mieszkalny Korea dane: bw bw bw7 Marta Kasprzak grupa KBI 1 semestr 8 rok akademicki 2008/2009

2 1. Dane ogólne Skan otrzymanego rzutu: OPIS TECHNICZNY KONSTRUKCJI 1.2. Rzut utworzony przez program POL-3: 1.3. Cel opracowania. Obliczenie maksymalnych sił przekrojowych oraz przemieszczeń przy pomocy programu BW dla Windows oraz preprocesora POL-3 współdziałającego z programem AutoCAD Charakterystyka budynku. Rzut budynku w przybliŝeniu prostokątny. Obiekt złoŝony jest z dwóch symetrycznych segmentów. KaŜdy z segmentów wyposaŝony jest w trzon komunikacyjny, a po obu stronach trzonów znajdują się równieŝ symetryczne powierzchnie mieszkalne. Elementami nośnymi w budynku są Ŝelbetowe ściany nośne o grubości 20 cm. Budynek składa się z 45 mieszkalnych kondygnacji nadziemnych oraz 2 kondygnacji podziemnych garaŝy. Grubości stropów wynoszą 30 cm, natomiast wysokość kondygnacji w świetle przegród poziomych wynosi 270 cm.

3 2. Część szczegółowa Fundamenty. Przyjęto posadowienie na prostokątnej płycie fundamentowej Układ usztywniający Stropy. W postaci ścian nośnych monolitycznych Ŝelbetowych o grubości 20 cm. Przyjęto stropy monolityczne Ŝelbetowe o grubości 30? cm NadproŜa. Przyjęto nadproŝa monolityczne Ŝelbetowe o wysokości 80 cm Komunikacja pionowa. Dwie dwubiegowe klatki schodowe (jedna w kaŝdym segmencie), 4 dźwigi osobowe (2 w kaŝdym segmencie) Wentylacja. Wentylacja grawitacyjna Stolarka okienna i drzwiowa. Przyjęto okna PCV, drzwi wejściowe do segmentów aluminiowe, drzwi w mieszkaniach drewniane. 3. Zestawienie obciąŝeń. Analizowany budynek został podzielony na 2 przedziały obciąŝeń: 1 przedział: kondygnacje 1 2 wartości obciąŝeń uŝytkowych odpowiadają obciąŝeniom dla garaŝy, 2 przedział: kondygnacje 3 47 wartości obciąŝeń uŝytkowych odpowiadają obciąŝeniom dla pokoi i pomieszczeń mieszkalnych. ObciąŜenia podzielono na: obciąŝenia w części uŝytkowej, obciąŝenia w części komunikacyjnej. Wydzielono 5 schematów obciąŝeń: 1 schemat: wiatr po kierunku X, 2 schemat: wiatr po kierunku Y, 3 schemat: obciąŝenia od cięŝaru stałego, 4 schemat: obciąŝenia zmienne na lewą górną ćwiartkę budynku, 5 schemat: obciaŝenia zmienne na lewą dolną ćwiartkę budynku, 6 schemat: obciąŝenia zmienne na prawą górną ćwiartkę budynku, 7 schemat: obciaŝenia zmienne na prawą dolną ćwiartkę budynku.

4 Zdefiniowano 2 warianty ekstremów obciąŝeń: 1 wariant: od obciąŝeń charakterystycznych (mnoŝnik f =1 ), dla wyznaczenia maksymalnych przemieszczeń budynku, 2 wariant: od obciaŝeń obliczeniowych (mnoŝnik f 1 ), dla wyznaczenia maksymalnych napręŝeń Zebranie obciaŝeń dla kondygnacji garaŝy. Rodzaj obciaŝenia STAŁE ObciąŜenie charakterystyczne [kn/m] f ObciąŜenie obliczeniowe [kn/m] posadzka cementowa 0,06m 21,0kN/m 3 1,0m 1,26 1,3 1,64 strop Ŝelbetowy 0,30m 25,0kN/m 3 1,0m 7,50 1,1 8,25 ZMIENNE RAZEM 8,76 1,13 9,89 dla samochodu osobowego 1,8 1,4 2, Zebranie obciaŝeń dla kondygnacji mieszkalnych. Rodzaj obciaŝenia STAŁE ObciąŜenie charakterystyczne [kn/m] f ObciąŜenie obliczeniowe [kn/m] płytki ceramiczne 0,43 1,3 0,56 posadzka cementowa 0,04m 21,0kN/m 3 1,0m 0,84 1,3 1,09 izolacja akustyczna 0,05m 0,45kN/m 3 1,0 m 0,03 1,3 0,04 strop Ŝelbetowy 0,25m 25,0kN/m 3 1,0 m 5,00 1,1 5,50 ZMIENNE RAZEM 6,30 1,14 7,19 pokoje i pomieszczenia mieszkalne 1,50 1,4 2, ObciąŜenia zmienne dla trzonów komunkacyjnych. Rodzaj obciaŝenia ObciąŜenie charakterystyczne [kn/m] f ObciąŜenie obliczeniowe [kn/m] obciaŝenia zmienne 3,0kN/m 2 1,0m 3,00 1,3 3,90

5 4.Komentarz wyników. Przyjęto za podstawę porównań budynek 47-kondygnacyjny tj. dane bw Analiza przemieszczeń na podstawie preprocesora BW7V. Wszystkie wartości przemieszczeń podano dla poziomu +127,58m czyli szczytu budynku Przemieszczenia dla pojedynczych schematów. Spośród siedmiu schematów obciaŝeń przyjętych dla danego budynku, znaczne wartości przemieszczeń wywołane są jedynie obciąŝeniem wiatrem (schemat 1 i 2). ObciąŜenie wiatrem po kierunku X (schemat 1) jest jednak stosunkowo niewielkie ze względu na kształt budynku, mianowicie długość jest około 3 razy wieksza od szerokości, przez co pomimo znacznej wysokości budynek jest w tym kierunku sztywniejszy. Maksymalne przemieszczenia, przedstawione na poniŝszym schemacie, wystepują dla schematu 2 obciaŝenie wiatrem po kierunku Y i wynoszą 14,47 cm.

6 Przemieszczenia ekstremalne od wszystkich schematów z uwzględnieniem schematów wykluczających się oraz bez uwzględnienia współczynników obliczeniowych (wartości charakterystyczne) wariant 1. Ekstremalne przemieszczenia (schemat poniŝej) występuja po kierunku osi Y: 14,76 cm.

7 Maksymalne przemieszczenia po kierunku X wynoszą 2,14 cm Zestawienie wyników dla przemieszczeń ekstremalnych. WARTOŚĆ MAKSYMALNA WSPÓŁRZĘDME POMIARU WARTOŚĆ MINIMALNA WSPÓŁRZĘDNE POMIARU V x max 0, ,90, 6,05 0, ,90, -6,05 V x min 0, ,10, -6,65 0,0197-7,30, -6,05 V y max 0, ,90, 6,05 0, ,90, -6,05 V y max 0, ,90, 6,05 0, ,90, -6,05 Przemieszczenia dopuszczalne wg norm obowiązujących w nastepujących krajach: POLSKA - f dop =H/1000=141/1000=0,1410m f max =0,1496m warunek niespełniony AUSTRALIA - f dop =H/800=141/800=0,17625m f max =0,1496m warunek spełniony USA - f dop =H/600=141/600=0,2350m f max =0,1496m warunek spełniony

8 4.2. Analiza napręŝenia za pomocą preprocesora BW7S. Wszystkie wartości napręŝeń podano dla poziomu -13,411 m, czyli w poziomie utwierdzenia budynku NapręŜenia dla pojedynczych schematów. ObciąŜenia poziome, czyli obciaŝenia wiatrem wywołują napręŝenia zarówno ściskające jak i rozciągające. Wiatr po kierunku X napotyka na sztywniejszą konstrukcję, ze względu na długość budynku około trzykrotnie większą od szerokości, stąd napręŝenia maksymalne wynoszą kpa, kpa i wystepują w centralnej części budynku. Wiatr po kierunku Y wywołuje największe napręŝenia, wynoszą one kpa od strony nawietrznej i kpa od strony zawietrznej, z kolei w centralnej części budynku napręŝenia są najmniejsze. ObciąŜenie cięŝarem stałym wywołuje wyłącznie napręŝenia ściskajace o zbliŝonej wartości w całym budynku (ok kpa). ObciąŜenia uŝytkowe wywołują zarówno napręŝenia ściskające jak i rozciągajace, przy czym napręŝenia ściskające są czterokrotnie większe od rozciagajacych. W ćwiartce obciaŝanej wystepują napręŝenia ściskające, które stopniowo maleją po przekątnej budynku, zmieniając znak w połowie i osiągając maksimum w skrajnym punkcie ćwiartki środkowosymetrycznej względem obciąŝanej. PoniŜej przykład napręŝeń dla schematu 4 obciąŝona ćwiartka lewa górna.

9 NapręŜenia ekstremalne od wszystkich schematów z uwzględnieniem schematów wykluczających się oraz z uwzględnieniem współczynników obliczeniowych (wartości obliczeniowe) wariant 2. Wykres maksymalnych napręŝeń σ (obwiednia: najbardziej dodatnie ): Maksymalne napręŝenia rozciągające występują w prawym górnym rogu budynku i wynoszą 4831,965 kpa. Natomiast maksymalne napręŝenia ściskające wynoszą -4915,18 kpa w ścianie 16 centralna część prawej połowy budynku. MoŜna zaobserwować, Ŝe rozciąganie wystepuje na obrzeŝach budynku, a ściskanie wewnątrz. Co do wartości, większe są napręŝenia ściskajace, jednakŝe występowanie ścian rozciąganych będzie miało wpływ na wymiarowanie budynku.

10 Wykres minimalnych napręŝeń σ (obwiednia: najbardziej ujemne ): Maksymalne napręŝenia ściskające występują w prawym górnym rogu budynku i wynoszą ,54 kpa. Natomiast minimalne napręŝenia ściskające wynoszą -5434,96 kpa w ścianie 16 centralna część prawej połowy budynku. MoŜna zaobserwować, Ŝe większe ściskanie występuje na obrzeŝach budynku, a mniejsze wewnątrz Zestawienie wyników dla napręŝeń ekstremalnych. obwiednia WARTOŚĆ MAKSYMALNA [kpa] WARTOŚĆ MINIMALNA [kpa] z max 4831, ,179 z min -5434, ,539 Najniekorzystniejsze wartości napręŝeń zostały zaznaczone w tabeli, ściany będzie trzeba projektować zarówno nasciskanie jak i na rozciaganie. 5. Uwagi dodatkowe. Przeprowadzona w punkcie 4 analiza przemieszczeń oraz napręŝeń dotyczy budynku 47 kondygnacyjnego, dane bw7. JednakŜe budynek, którego rzut zamieszczon w pukcie 1 oryginalnie składa się z 15 kondygnacji, będąc przez to stosunkowo sztywny i niepodatny na przemieszczenia, gdyŝ w takiej formie jest budowany na terenach sejsmicznych w Korei i Chile. Dla porównania ekstremalne przemieszczenia budynku 17 kondygnacyjnedego (po

11 dodaniu dwóch kondygnacji podziemnych garaŝy), przeliczone na podstawie danych bw7, wynoszą 1,7 mm, natomiast napręŝenia wystepują wyłącznie ściskające. Ponadto dane bw7 dotyczą budynku pośredniego między powyŝszymi, 32 kondygnacyjnego. Ekstremalne przemieszczenia dla tego przypadku wynoszą 2,85 cm. Dla obwiedni dodatniej wystepują zarówno napręŝenia ściskające jak i rozciągające, jednakŝe rozciąganie jest pięciokrotnie mniejsze od ściskania i wystepuje wyłącznie w trzech równoległych ścianach nośnych: skrajnych oraz środkowej. Dla obwiedni ujemnej wystepują wyłącznie napręŝenia ściskające. Zatem w tym przypadku będzie trzeba uwzględnić rozciąganie przy projektowaniu niektóych elementów, jednakŝe decydujące znaczenie ma ściskanie. 6. Krótkie omówienie tematyki pracy [1], w której zamieszczono rzut budynku wykorzystanego w powyŝszym opracowaniu. W pracy [1] rozwaŝany jest wpływ szczegółów konstruowania stref brzegowych ścian nośnych na odkształcenia budynku. Testy przeprowadzono na czterech próbkach naturalnej wielkości (300 cm x 150 cm x 20 cm), trzech prostopadłościennych (pierwsza odpowiada typowym nośnym ścianom Ŝelbetowym stosowanym w Chile, dwie pozostałe ścianom stosowanym w Korei) oraz jednej w kształcie sztangi, odpowiadającej warunkom amerykańskim. W próbkach prostopadłościennych głównym zagadnieniem jest zbrojenie poprzeczne. Próbkę sztangę (ang. barbell) zaprojektowano zgodnie z normą amerykańską ACI i jej zachowanie porównywane jest z próbkami protopadłościennymi. Zaprojektowano róŝne próbki, poniewaŝ normy w trzech wspommnianych wyŝej krajach zawierają róŝne szczegółowe wymagania dotyczące ścian nośnych, takie jak stosunek przekroju ścian nośnych do całkowitej powierzchni uŝytkowej podłogi (USA 0,5-1,0%, Chile i Korea 2 4%, przez co te drugie są znacznie sztywniejsze) czy liczba stosowanych ścian nośnych w strukturze budynku i brak zbrojenia poprzecznego w elementach brzegowych w budynkach chilijskich. Powszechne jest oczywiście skupianie zbrojenia podłuŝnego na brzegach, przy czym w USA i Korei normowe zbrojenie poziome i pionowe to 0,25%, a w Chile 0,20%. Na podstawie wyników eksperymentu stwierdzono, Ŝe wykonstruowanie stref brzegowych elementów, wpływa na własności odkształceniowe ścian, które mogą być opisane przez: drift ratio stosunek przemieszczenia do wysokości, plastyczność przemieszczeń, własności rozpraszania energii, Na końcu pracy [1] za pomocą wykresów, diagramów i schematów omówiono przeprowadzone doświadczenie oraz jego wyniki, ze szczegółowym porównaniem wyników dla wszystkich badanych próbek. W podsumowaniu artykułu stwierdzono: (1) Zbrojenie poprzeczne brzegowych stref ścian nośnych, które jest zapewnione zgodnie z wymaganiami normowymi dotyczącymi minimalnego zbrojenia słupów, moŝe być rozwaŝane jako efektywna ilość, wystarczająca aby beton stref brzegowych przeniósł siłę ściskającą od obciąŝenia stałego oraz powracającego momentu podczas trzęsienia ziemi.

12 (2) Pomijając względy ekonomiczne, zbrojenie poprzeczne w strefach brzegowych ścian nośnych jest wystarczające dla wzmocnienia betonu w strefie ściskanej. Zwiększenie ilości zbrojenia poprzecznego w strefach brzegowych ma istotny wpływ na skutki trzęsienia ziemi, takie jak przemieszczenie, plastyczność czy własności rozpraszania energii. (3) Próbka - sztanga oraz prostopadłościenna próbka o największej ilości zbrojenia poprzecznego wykazały podobne własności odkształceniowe. (4) Chilijskie budynki, o ścianach nośnych konstruowanych jak badana próbka bez zbrojenia poprzecznego w strefach brzegowych, przenoszą jednak obciąŝenia sejsmiczne ze względu na wysoki wskaźnik stosunku powierzchni przekroju ścian nośnych do powierzchni uŝytkowej podłóg (duŝe zagęszczenie ścian nośnych na powierzchni kondygnacji). (5) RozwaŜa się, Ŝe zbrojenie poprzeczne zapewnia odpowiednie zabezpieczenie brzegowych stref ścian nośnych i moŝe zatem stanowić skuteczne rozwiązanie wzmocnienia betonu stref brzegowych ścian o przekroju prostokątnym, które ze względów ekonomicznych są powszechnie uŝywane w wielu krajach. 7. Podstawa opracowania. [1] Oh Y.-H., Han S.W., Lee L.-H., Effect of boundary element details on the seismic deformation capacity of structural walls, Earthquake Engng Struct. Dyn. 2002, 31: normy: [2] PN-82/B ObciaŜenia budowli. ObciaŜenia stałe. [3] PN-82/B ObciaŜenia budowli. ObciaŜenia zmienne technologiczne. Podstawowe obciąŝenia technologiczne i montaŝowe. [4] PN-77/B ObciaŜenia w obliczeniach statycznych. ObciąŜenie wiatrem. bitmapy z rzutami i przekrojami budynku; programy komputerowe: POL-3, BW-View i AutoCAD 2005;