Politechnika Poznańska Instytut Konstrukcji Budowlanych ul. Piotrowo 5 60-659 Poznań Praca kontrolna z przedmiotu: Budynki wysokie i wysokościowe. Dane: 408.bw7 Akasaka Tower Residence Top of the Hill Wykonał: Maciej Helak, KBI3 Sprawdził dane: Sławomir Myka, KBI3 Odebrał: dr. inż Jacek Wdowicki 19. kwietnia 2014 1
1. CZĘŚĆ OGÓLNA 1.1. Podstawa opracowania Construction information on recent concrete structures (2007 2009), artykuł: The construction report of Super high rise RC residential tower with Super Flex Wall System [1]. 1.2. Przedmiot opracowania Budynek mieszkalny: Akasaka Tower Residence Top of the Hill Miejsce: Tokio 1.3. Cel opracowania Obliczenie maksymalnych naprężeń w elementach oraz przemieszczeń przy pomocy programu BW dla Windows oraz preprocesora POL3, współdziałającego z programem AutoCad. 1.4. Dane ogólne obiektu [1]: Powierzchnia rzutu 6939,30m 2 Wysokość do okapu 158,23m Wysokość całkowita 162,00m Liczba kondygnacji podziemnych 3 Liczba kondygnacji nadziemnych - 45 Powierzchnia użytkowa 73122,18m 2 [7]: Rok rozpoczęcia budowy 2005 Rok zakończenia budowy i oddania do użytku 2008 Liczba apartamentów - 600 1.5. Charakterystyka obiektu W obiekcie został zastosowany nowatorski system elastycznych ścian. Oprócz tego, że umożliwia mieszkańcom podziwianie widoków, poprzez połączenie go z trzonem, znajdującym się w środku obiektu, jest odporny na trzęsienia ziemi. Trzon obiektu jest wykonany z żelbetu, sięga on od najniższej do najwyższej kondygnacji. Maksymalna grubość ścian trzonu wynosi 75 cm. Na ścianie zewnętrznej występują belki i kolumny, które połączone są w trzonem za pomocą belek. Belki te zagłębiają się w żelbetowy trzon na głębokość od 165 cm do 180 cm. Umożliwia to ograniczenie liczby słupów w ścianie zewnętrznej co daje możliwość uzyskania dużych powierzchni widokowych dla osób znajdujących się wewnątrz obiektu. Budynek w rzucie jest prostokątem o wymiarach 52,20 m na 30,90 m. W centralnej części obiektu znajduje się żelbetowy trzon, który przenosi większość obciążeń poziomych. Dodatkowo zastosowano szereg słupów co około 5,5 m. Materiałem wykorzystanym do budowy obiektu był żelbet. 2
Fotografie obiektu: [2] [3] 3
[4] [5] 4
Rzut obiektu [1]: Rzut wykonany za pomocą programu POL3: 5
2. Część szczegółowa 2.1. Fundamenty Na podstawie przeprowadzonej indywidualnie analizy przyjęto, że budynek posadowiony na płycie fundamentowej [domysły]. 2.2. Układ usztywniający [1] Głównym elementem usztywnienia budynku jest trzon usztywniający, na planie prostokąta, zlokalizowany w centralnej części obiektu. Dodatkowo funkcję usztywnienia pełnią słupy w ścianach zewnętrznych, które rozmieszczone są co około 5,5 m. W skład układu usztywniającego wchodzą również nadproża. Całość zewnętrznych elementów usztywniających jest połączona z trzonem za pomocą belek żelbetowych. 2.3. Ściany trzonu [1] Ściany trzonu na całej swojej wysokości mają równą grubość wynoszącą maksymalnie 75 cm. 2.4. Stropy Na podstawie własnej analizy przyjęto stropy monolityczne żelbetowe wykonane z betonu C70/85. 2.5. Nadproża Przyjęto belki monolityczne żelbetowe o wysokości 0,65 m (nadproża w konstrukcji trzonu) oraz nadproża o wysokości 0,55 m (pozostałe naproża). Taką wysokość belek przyjęto na podstawie analizy własnej, mającej na celu ograniczenie przemieszczeń obiektu. 2.6. Komunikacja pionowa [1]: W trzonie znajduje się 6 wind pionowych oraz jedna klatka schodowa. 2.7. Wentylacja i klimatyzacja Przyjęto mechaniczną wentylację i klimatyzację. Przyjęto na podstawie znajomości systemów wentylacyjnych stosowanych w budynkach wysokich. 2.8. Stolarka okienna i drzwiowa Jako okna zewnętrzne przyjęto okna aluminiowe, natomiast drzwi wewnętrzne jako drzwi drewniane. Przyjęto najpowszechniej stosowane rodzaje stolarki. 6
2.9. Obciążenia 2.9.1. Zebranie obciążeń dla kondygnacji mieszkalnych (piętra 1 45) Warstwa Obciążenie charakterystyczne Współczynnik obciążenia Obciążenie obliczeniowe Płytki ceramiczne na kleju Gładź cementowa 0,02*21 Izolacja akustyczna styropian 5cm 0,05*0,45 Płyta stropowa strunobetonowa SPK36,5 STAŁE 0,2 1,2 0,24 0,42 1,3 0,55 0,0225 1,2 0,027 3,6 1,1 3,96 SUMA 4,243 1,13 4,777 Użytkowe dla części mieszkalnej Użytkowe dla części komunikacyjnej ZMIENNE 1,5 1,4 2,1 3,0 1,3 3,9 2.9.2. Obciążenie wiatrem Do dalszych obliczeń zostanie wykorzystany program BW dla Windows. Obciążenie wiatrem zostanie obliczone w sposób automatyczny. W tym celu przyjęto: okres drgań własnych budynku w kierunku działania wiatru: s logarytmiczny dekrement tłumienia: teren: C centrum miasta charakterystyczna prędkość wiatru charakterystyczne ciśnienie prędkości 7
2.9.3. Sposób obliczeń Obciążenia podzielono na: obciążenia w części użytkowej, obciążenia w części komunikacyjnej Wydzielono 7 schematów obciążeń: 1. schemat: wiatr z lewej/prawej strony budynku (po kierunku X), 2. schemat: wiatr z dołu/góry ekranu budynku (po kierunku Y), 3. schemat: obciążenia od ciężaru stałego, 4. schemat: obciążenia zmienne(1) na lewą górną ćwiartkę rzutu, 5. schemat: obciążenia zmienne(2) na prawą górną ćwiartkę rzutu, 6. schemat: obciążenia zmienne(3)na lewą dolną ćwiartkę rzutu, 7. schemat: obciążenia zmienne(4)na prawą dolną ćwiartkę rzutu. Zdefiniowano także warianty ekstremów obciążeń: 1. wariant: od obciążeń charakterystycznych (wzajemne działanie wiatru się wyklucza)- dla wyznaczenia maksymalnych przemieszczeń budynku. 2 wariant: od obciążeń obliczeniowych (wzajemne działanie wiatru się wyklucza) - dla wyznaczenia maksymalnych naprężeń. 3. Przedstawienie wyników: 3.1. Naprężenia: Wszystkie naprężenia są podane dla poziomu terenu -3,60 m, czyli dla poziomu utwierdzenia budynku SCHEMAT 1 WIATR Z LEWEJ STRONY PO KIERUNKU OSI X Maksymalne naprężenia rozciągające otrzymano w elemencie 23., ścianie nr 177 w punkcie nr 329. Wynoszą one 2,84 MPa (Rys.1) Maksymalne naprężenia ściskające otrzymano w elemencie 45., ścianie nr 213 w punkcie 394. Wynoszą one 3,40 MPa (Rys.2) 8
(Rys. 1.) 9
(Rys. 2.) 10
SCHEMAT 2 WIATR Z PRAWEJ STRONY PO KIERUNKU OSI Y Maksymalne naprężenia rozciągające otrzymano w elemencie 26., ścianie nr 137 w punkcie nr 254. Wynoszą one 4,91 MPa (Rys.3) Maksymalne naprężenia ściskające otrzymano w elemencie 17., ścianie nr 262 w punkcie 491. Wynoszą one 4,24 MPa (Rys.4) (Rys. 3) 11
(Rys. 4.) 12
SCHEMAT 3 OBCIĄŻENIE STAŁE (CIĘŻAR WŁASNY) Wszystkie elementy trzonu wysokościowca są ściskane. Maksymalne naprężenia otrzymano w elemencie 51., ścianie nr 271 w punkcie 508. Wynoszą one 8,16 MPa SCHEMAT 4 OBCIĄŻONA PÓŁNOCNO ZACHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne naprężenia rozciągające otrzymano w elemencie 25., ścianie nr 150 w punkcie nr 278. Wynoszą one 0,034 MPa Maksymalne naprężenia ściskające otrzymano w elemencie 33., ścianie nr 192 w punkcie 359. Wynoszą one 1,01 MPa SCHEMAT 5 OBCIĄŻONA PÓŁNOCNO WSCHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne naprężenia rozciągające otrzymano w elemencie 26., ścianie nr 137 w punkcie nr 254. Wynoszą one 0,078 MPa Maksymalne naprężenia ściskające otrzymano w elemencie 51., ścianie nr 271 w punkcie 509. Wynoszą one 1,31 MPa SCHEMAT 6 OBCIĄŻONA POŁUDNIOWO WSCHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne naprężenia rozciągające otrzymano w elemencie 28., ścianie nr 90 w punkcie nr 166. Wynoszą one 0,0902 MPa Maksymalne naprężenia ściskające otrzymano w elemencie 24., ścianie nr 161 w punkcie 300. Wynoszą one 1,02 MPa SCHEMAT 7 OBCIĄŻONA POŁUDNIOWO ZACHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne naprężenia rozciągające otrzymano w elemencie 17., ścianie nr 255 w punkcie nr 477. Wynoszą one 0,055 MPa Maksymalne naprężenia ściskające otrzymano w elemencie 36., ścianie nr 117 w punkcie 217. Wynoszą one 1,07 MPa 13
Ekstremum naprężeń od wszystkich schematów obciążeniowych z uwzględnieniem schematów wykluczających się oraz z uwzględnieniem współczynników obliczeniowych: Maksymalne naprężenia rozciągające otrzymano w elemencie 26, ścianie nr 137 w punkcie 254. Wynoszą one 0,397 MPa (Rys.5) Maksymalne naprężenia ściskające otrzymano w elemencie 26, ścianie nr 137 w punkcie 254. Wynoszą one 15,671 MPa (Rys.6) (Rys. 5.) 14
(Rys. 6.) 15
3.2. Przemieszczenia Wszystkie wartości przemieszczeń podano dla poziomu +162 m czyli wierzchołka budynku. SCHEMAT 1 WIATR Z LEWEJ STRONY PO KIERUNKU OSI X Maksymalne przemieszczenie otrzymano w punkcie nr 553. Wynosi ono 0,0579m (Rys.7) Minimalne przemieszczenie otrzymano w punkcie 773. Wynosi ono 0,0488m. (Rys. 7.) 16
SCHEMAT 2 WIATR Z PRAWEJ STRONY PO KIERUNKU OSI Y Maksymalne przemieszczenie otrzymano w punkcie nr 547. Wynosi ono 0,1278m. (Rys.8) Minimalne przemieszczenie otrzymano w punkcie 566. Wynosi ono 0,1267m. (Rys. 8.) 17
SCHEMAT 3 OBCIĄŻENIE STAŁE (CIĘŻAR WŁASNY) Maksymalne przemieszczenie otrzymano w punkcie nr 551. Wynosi ono 0,0070m. Minimalne przemieszczenie otrzymano w punkcie 1. Wynosi ono 0,0009m. SCHEMAT 4 OBCIĄŻONA PÓŁNOCNO ZACHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne przemieszczenie otrzymano w punkcie nr 569. Wynosi ono 0,0028m. Minimalne przemieszczenie otrzymano w punkcie 551. Wynosi ono 0,0016m. SCHEMAT 5 OBCIĄŻONA PÓŁNOCNO WSCHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne przemieszczenie otrzymano w punkcie nr 544. Wynosi ono 0,0053m. Minimalne przemieszczenie otrzymano w punkcie 560. Wynosi ono 0,0028m. SCHEMAT 6 OBCIĄŻONA POŁUDNIOWO WSCHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne przemieszczenie otrzymano w punkcie nr 559. Wynosi ono 0,0049m. Minimalne przemieszczenie otrzymano w punkcie 542. Wynosi ono 0,0030m. SCHEMAT 7 OBCIĄŻONA POŁUDNIOWO ZACHODNIA CZĘŚC BUDYNKU Maksymalne przemieszczenie otrzymano w punkcie nr 551. Wynosi ono 0,0034m. Minimalne przemieszczenie otrzymano w punkcie 569. Wynosi ono 0,0025m. 18
Ekstremalne przemieszczenia od wszystkich schematów z uwzględnieniem schematów wykluczających się oraz bez uwzględnienia współczynników obliczeniowych (wartości charakterystyczne): Ekstremalne przemieszczenia wystąpiły po kierunku osi Y i mają wartość p y =0,1384m (Rys. 9) Największe przemieszczenia po kierunku osi X mają wartość p x =0,0568m (Rys. 10) (Rys.9.) 19
(Rys. 10.) Tabelaryczne zestawienie przemieszczeń dla wariantu numer 1 Wartość maksymalna [m] Punkt pomiaru Wartość minimalna [m] Punkt pomiaru 0,0568 557 0,0527 542 0,0690 553 0,0549 1 0,1384 547 0,1295 566 0,1325 562 0,1253 546 Przemieszczenie dopuszczalne według norm obowiązujących w następujących krajach: USA - Australia - Polska - 20
Wysokość budynku wynosi USA Australia - Polska - 4. Podsumowanie i wnioski Maksymalne naprężenia ściskające dla jednego schematu występują dla schematu 3, czyli działanie ciężaru własnego. Ich wartość wynosi 8,16 MPa i występują w ścianie nr 271 Maksymalne naprężenia rozciągające dla jednego schematu występują dla schematu 2, czyli obciążeń wywołanych parciem wiatru po kierunku Y. Ich wartość wynosi 4,91 MPa i występują w ścianie nr 137 Ekstremalne naprężenie ściskające (wynik kombinatoryki obciążeń) ma wartość 15,671 MPa i występuje w ścianie nr 137. Ekstremalne naprężenie rozciągające (wynik kombinatoryki obciążeń) ma wartość 0,397 MPa i występuje w ścianie nr 137. Po analizie przemieszczeń okazuje się, iż maksymalne przemieszczenia budynku wystąpiły po kierunku osi Y i mają wartość: p y =0,1384 m Ich wartość jest mniejsza od wartości dopuszczalnych w USA ( ), w Australii ( ) oraz w Polsce ( ). Analizowany budynek zlokalizowany jest w Japonii, więc nie można jednoznacznie przyjąć, czy spełnione są warunki normowe, ponieważ nie posiadam danych o dopuszczalnych przemieszczeniach budynków w Japonii. W przypadku większych przemieszczeń należałoby przeprojektować budynek, gdyż nadmierne przemieszczenia budynków (szczególnie wysokich i wysokościowych) znacznie pogarszają komfort ich użytkowania (szczególnie ze względu na fakt, że analizowany budynek jest budynkiem mieszkalnym, a nie biurowym czy handlowym). 21
5. Bibliografia: [1] The construction report of Super high rise RC residential tower with Super Flex Wall System, Hiroaki Ohta, Naoki Aso, Taku Kawai, Yuji Ishikawa [2]http://www.realestatetokyo.com/Media/Default/uploads/2011/12/AkasakaTowerResidenceTopoftheHill11.jpg, dostęp 10.03.2014, godz. 16.38 [3]http://www.realestatetokyo.com/Media/Default/uploads/2011/12/AkasakaTowerResidenceTopoftheHill.jpg dostęp 10.03.2014, godz. 16.40 [4]http://www.realestatetokyo.com/Media/Default/uploads/2011/12/AkasakaTowerResidenceTopoftheHill5.jpg dostęp 10.03.2014, godz. 16.42 [5]http://www.realestatetokyo.com/Media/Default/uploads/2011/12/AkasakaTowerResidenceTopoftheHill4.jpg dostęp 10.03.2014, godz. 16.43 [6] POL WERSJA 3, Dokumentacja użytkownika, Jacek Wdowicki, Marek Nowak [7] www.ctbuh.org 22