Ćwiczenie projektowe z przedmiotu Budynki wysokie i wysokościowe

Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i InŜynierii Środowiska Instytut Konstrukcji Budowlanych Ćwiczenie projektowe z przedmiotu Budynki wysokie i wysokościowe Hopewell Centre 183 Queen s Road East, Hong Kong, Chiny 279.bw7 Agata Garlicka gr. KBI1 rok akademicki 2007/08 Poznań, grudzień 2007

1. CZĘŚĆ OGÓLNA 1.1. Podstawa opracowania Temat wydany przez Zakład Wytrzymałości Materiałów Instytutu Konstrukcji Budowlanych. 1.2. Przedmiot opracowania Hopewell Centre 183 Queen's Road East, Hong Kong, Chiny Mapa lokalizacja 1.3. Cel opracowania Wyznaczenie sił przekrojowych oraz maksymalnych przemieszczeń obiektu za pomocą programu BW dla Windows i preprocesora POL3 współdziałającego z programem AutoCAD2005. 1.4. Dane ogólne [2] Architektura obiektu Gordon Wu Konstrukcja Ove Arup and Partners Rok ukończenia 1980 Wysokość budynku 216 m Wysokość zasadniczej części budynku - 213,05 m Ilość kondygnacji nadziemnych 64 Ilość kondygnacji podziemnych 1 Powierzchnia całkowita 77900 m 2

1.5. Charakterystyka budynku Hopwell Centre połoŝony jest w Chinach, na półwyspie Hong Kong. Od północy dochodzi do niego ulica Queen s Road East, natomiast od Południa Kennedy Road. Budynek usytuowany jest na stromym zboczu. Poziomy Kennedy Road i Queen s Road East róŝnią się o około 48 m, w związku z czym tylne wejście budynku od strony Kennedy Road znajduje się na poziomie 17 piętra. Hopewell Centre został zaprojektowany na planie koła o promieniu równym 22,9 m. Był pierwszym okrągłym budynkiem biurowym w Hong Kongu i przy 216 m wysokości pozostawał najwyŝszym wieŝowcem w tym mieście w latach 1980 1989. Ponadto zasłynął ze znajdującej się na 62. piętrze obrotowej restauracji, z której roztacza się spektakularny widok na całą panoramę wyspy Hong Kong. 1.6. Rzut typowej kondygnacji [1]

1.7. Przekrój pionowy [2]

1.8. Zdjęcia obiektu Hopewell Centre oraz ruiny starego pałacu na pierwszym planie. [3]

Widok na południową część budynku od strony Bowen Road. [4]

Widok od strony Stubbs Road. [4]

Wejście główne do budynku z poziomu ulicy Queens Road. [3] Widok na Hopewell Centre z lotu ptaka. [5]

2. CZĘŚĆ SZCZEGÓŁOWA 2.1. Posadowienie Budynek w całości posadowiony jest na skalistym podłoŝu granitowym. Fundamenty zaprojektowano jako stopy fundamentowe. Ze względu na usytuowanie budynku na stromym zboczu poziom posadowienia waha się od poziomu poniŝej kondygnacji podziemnej aŝ do poziomu trzeciej kondygnacji nadziemnej. Budynek został zakotwiony do skały przy uŝyciu 330 kotew, które przenoszą obciąŝenia na podłoŝe gruntowe. 2.2. Układ konstrukcyjny Konstrukcję budynku oparto na systemie okrągłych współśrodkowych ścian. Budynek składa się z zewnętrznej powłoki o średnicy 45,8 m oraz wewnętrznego trzonu usztywniającego o średnicy 19,8 m. Trzon składa się z trzech współśrodkowych ścian połączonych ze sobą za pomocą układem belek. Grubość betonowych ścian trzonowych w podstawie budynku wynosi 76,2 cm. Wewnątrz rdzenia umieszczona jest komunikacja pionowa budynku. Dodatkowo konstrukcja budynku została wzmocniona przy pomocy 48 betonowych słupów rozmieszczonych obwodowo. Słupy te w poziomie przyziemia mają wymiary 1,45 x 1,22 m, rozmieszczone są w odstępach co 3 m i w znacznej mierze zapewniają stabilność budynku. 2.3. Stropy Przyjęto stropy zespolone o grubości 19 cm. 2.4. NadproŜa Przyjęto nadproŝa Ŝelbetowe, monolityczne. Z uwagi na wysokość typowej kondygnacji budynku równą 3,35 m uogólniono wysokość nadproŝy do 1,2 m. 2.5. System automatyzacji budynku System automatyzacji budynku to system kontrolujący inne systemy w budynku. Podlegają mu: - system bezpieczeństwa, - kontrola oświetlenia, - urządzenia elektryczne, - urządzenia przeciwpoŝarowe, - system doprowadzający wodę pitną, - system ewakuacyjny, - system monitorujący zmiany pogodowe.

2.6. Komunikacja pionowa Komunikacja pionowa budynku usytuowana jest wewnątrz rdzenia nośnego. Stanowi ją 29 dźwigów, klatka schodowa oraz 5 niezaleŝnych ciągów ruchomych schodów. Dwa z dźwigów zaprojektowano jako zewnętrzne dźwigi panoramiczne o przeszklonych kabinach. Prowadzą one na 56. kondygnację, skąd dalej moŝna skorzystać z dźwigów VIP prowadzących na najwyŝsze piętra budynku. 2.7. Wentylacja i klimatyzacja Instalacja wentylacyjna i klimatyzacyjna w budynku jest centralnie zarządzana przez system automatyzacji budynku, jednak moŝe być ręcznie przystosowana w poszczególnych pomieszczeniach, ale zaspokoić wymogi indywidualne. W sklepach, restauracjach, holach i przestrzeniach biurowych zainstalowano systemy zapewniające stała wymianę powietrza. Pomieszczenie biurowe dodatkowo wyposaŝone są w system ogrzewania powietrza. Wszelkie pomieszczenia takie jak toalety, kuchnie, spiŝarnie zostały wyposaŝone w system wentylacyjny. 2.8. Elektryczność Budynek zasilany jest przez trzy główne kable zasilające z podziemnej sieci Hong Kong Electric Co. Prąd elektryczny doprowadzany jest do głównego panelu dystrybucyjnego na drugiej kondygnacji budynku, skąd dwa kable wysokiego napięcia rozprowadzają prąd elektryczny do pozostałych części budynku. W budynku znajduje się 18 transformatorni wyposaŝonych w 18 transformatorów o łącznej pojemności 18729 kva. 2.9. Zabezpieczenia przeciwpoŝarowe Budynek został wyposaŝony w następujące systemy stanowiące zabezpieczenia przeciwpoŝarowe: - system spryskiwaczy ogniowych, - systemy detekcji ognia, - system wykrywania dymu, - system alarmowy, - system ostrzegania. Dodatkowo kondygnacje nr 6, 32, 45 oraz 58 zaprojektowano jako specjalne piętra ochronne, których celem jest eliminacja zatłoczenia na klatkach schodowych oraz umoŝliwienie schronienia ludziom w przypadku poŝaru.

2.10. Systemy zabezpieczeń Budynek zawiera następujące systemu zabezpieczeń: - system kart kodowych dostępu, - system monitorowania całego budynku, - audio wizualny system alarmowy, - dźwigi o wysokiej odporności ogniowej, - system awaryjnej komunikacji, - monitoring wind, - centrum dowodzenia ochrony, - patrole straŝników. 2.11. Stolarka okienna i drzwiowa Przyjęto drewniane drzwi i okna z PCV.

3. OBCIĄśENIA Wydzielono 7 schematów obciąŝeń: 1 schemat - wiatr z lewej strony budynku (po kierunku X), 2 schemat - wiatr z dołu ekranu (po kierunku Y), 3 schemat - obciąŝenia od cięŝaru stałego, 4 schemat - obciąŝenia zmienne na prawą górną ćwiartkę rzutu, 5 schemat - obciąŝenia zmienne na prawą dolną ćwiartkę rzutu, 6 schemat - obciąŝenia zmienne na lewą dolną ćwiartkę rzutu, 7 schemat - obciąŝenia zmienne na lewą górną ćwiartkę rzutu. Zdefiniowano takŝe warianty ekstremów obciąŝeń: 1 wariant - od obciąŝeń charakterystycznych - dla wyznaczenia maksymalnych przemieszczeń budynku, 2 wariant - od obciąŝeń obliczeniowych - dla wyznaczenia maksymalnych napręŝeń występujących w ścianach budynku. 3.1. ObciąŜenia dla kondygnacji parkingowych W obiekcie występuje 8 kondygnacji parkingowych. Są to kondygnacje nadziemne nr 4 i 5 oraz kondygnacje od nr 9 do nr 15 włącznie. Rodzaj obciąŝenia q k [kn/m] γ f q [kn/m] OBCIĄśENIA STAŁE - jastrych 0,05 x 21,0 1,05 1,3 1,365 - strop zespolony gr. 19 cm (γ = 26 kn/m 3 ) 0,19 x 26 4,94 1,1 5,434 RAZEM OBCIĄśENIA STAŁE 5,99? 6,80 OBCIĄśENIA ZMIENNE dla obciąŝeń pojazdami 3,00 1,3 3,90 dla korytarzy i klatek schodowych 6,00 1,2 7,20

3.2. ObciąŜenia dla kondygnacji handlowych W obiekcie występują 4 kondygnacje handlowe. Są to kondygnacje nadziemne nr 1, 2 i 3 oraz kondygnacja podziemna. Rodzaj obciąŝenia q k [kn/m] γ f q [kn/m] OBCIĄśENIA STAŁE - płytki ceramiczne 0,44 1,2 0,53 - jastrych 0,05 x 21,0 1,05 1,3 1,365 - izolacja akustyczna 0,05 x 0,45 0,0225 1,2 0,027 - strop zespolony gr. 19 cm (γ = 26 kn/m 3 ) 0,19 x 26 4,94 1,1 5,434 RAZEM OBCIĄśENIA STAŁE 6,45? 7,36 OBCIĄśENIA ZMIENNE dla pomieszczeń handlowych 5,00 1,3 6,50 dla korytarzy i klatek schodowych 6,00 1,2 7,20 3.3. ObciąŜenia dla kondygnacji biurowych Kondygnacje biurowe to wszystkie pozostałe kondygnacje nadziemne od nr 6 do 8 oraz kondygnacje od nr 16 do 64 włącznie.

Rodzaj obciąŝenia q k [kn/m] γ f q [kn/m] OBCIĄśENIA STAŁE - płytki ceramiczne 0,44 1,2 0,53 - jastrych 0,05 x 21,0 1,05 1,3 1,365 - izolacja akustyczna 0,05 x 0,45 0,0225 1,2 0,027 - strop zespolony gr. 19 cm (γ = 26 kn/m 3 ) 0,19 x 26 4,94 1,1 5,434 RAZEM OBCIĄśĘNIA STAŁE 6,45? 7,36 OBCIĄśĘNIA ZMIENNE dla pomieszczeń biurowych 2,00 1,4 2,80 dla korytarzy i klatek schodowych 4,00 1,3 5,20

4. WYNIKI 4.1. NapręŜenia Wartości napręŝeń podano dla poziomu -3,45 m czyli dla poziomu utwierdzenia budynku. 4.1.1. Wiatr z lewej strony po kierunku osi x (schemat 1.) Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 55, punkcie nr 104. Wynoszą one 6,82 MPa. Rys. 1 Maksymalne napręŝenia rozciągające uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 66, punkcie nr 120. Wynoszą one 6,76 MPa. Rys. 2 Rys. 1

Rys. 2 4.1.2. Wiatr z dołu po kierunku osi y (schemat 2.) Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 49, punkcie nr 97. Wynoszą one 6,56 MPa. Rys. 3 Maksymalne napręŝenia rozciągające uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 59, punkcie nr 112. Wynoszą one 6,90 MPa. Rys. 4

Rys. 3 Rys. 4

4.1.3. ObciąŜenia stałe cięŝar własny (schemat 3.) Wszystkie elementy obiektu są ściskane. Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 23, ścianie nr 23, punkcie nr 46. Wynoszą one 15,26 MPa. Rys. 5 Rys. 5 4.1.4. ObciąŜenia zmienne prawej, górnej ćwiartki rzutu budynku (schemat 4.) Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 7, ścianie nr 7, punkcie nr 14. Wynoszą one 2,43 MPa. Rys. 6 Maksymalne napręŝenia rozciągające uzyskano w elemencie nr 32, ścianie nr 32, punkcie nr 63. Wynoszą one 0,38 MPa. Rys. 7

Rys. 6 Rys. 7

4.1.5. ObciąŜenia zmienne prawej, dolnej ćwiartki rzutu budynku (schemat 5.) Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 19, ścianie nr 19, punkcie nr 37. Wynoszą one 2,33 MPa. Rys. 8 Maksymalne napręŝenia rozciągające uzyskano w elemencie nr 42, ścianie nr 42, punkcie nr 84. Wynoszą one 0,39 MPa. Rys. 9 Rys. 8

Rys. 9 4.1.6. ObciąŜenia zmienne lewej, dolnej ćwiartki rzutu budynku (schemat 6.) Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 31, ścianie nr 31, punkcie nr 62. Wynoszą one 2,45 MPa. Rys. 10 Maksymalne napręŝenia rozciągające uzyskano w elemencie nr 8, ścianie nr 8, punkcie nr 15. Wynoszą one 0,39 MPa. Rys. 11

Rys. 10 Rys. 11

4.1.7. ObciąŜenia zmienne lewej, górnej ćwiartki rzutu budynku (schemat 7.) Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 43, ścianie nr 43, punkcie nr 85. Wynoszą one 2,32 MPa. Rys. 12 Maksymalne napręŝenia rozciągające uzyskano w elemencie nr 18, ścianie nr 18, punkcie nr 36. Wynoszą one 0,37 MPa. Rys. 13 Rys. 12

Rys. 13 4.2. Ekstremum napręŝeń od wszystkich schematów obciąŝeniowych z uwzględnieniem ich wykluczania się oraz współczynników obciąŝeniowych. Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 59, punkcie nr 112. Wynoszą one 26,01 MPa (min sigma z). Rys. 14 Maksymalne napręŝenia rozciągające nie występują. Z obwiedni max. dodatnie uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 55, punkcie nr 104 uzyskano najmniejsze napręŝenia ściskające 3,85 MPa (max sigma z). Rys. 15

Rys. 14 Rys. 15

Wynika z tego Ŝe ścianę nr 55 oraz inne ściany naleŝy policzyć na mimośrodowe ściskanie. 4.3. Przemieszczenia Wartości przemieszczeń podano dla szczytu zasadniczej części budynku czyli dla rzędnej 213,05 m. 4.3.1. Maksymalne przemieszczenia od pojedynczego schematu Największe przemieszczenia wywołuje działanie wiatru po kierunku y (schemat 2.). Ich wartość wynosi p y =0,1602 m. Rys. 16 Rys. 16 4.3.2. Maksymalne przemieszczenia od wszystkich schematów obciąŝeniowych z uwzględnieniem ich wykluczania się oraz współczynników obciąŝeniowych (wartości charakterystyczne).

Ekstremalne przemieszczenia po kierunku x wynoszą p x =0,2157 m. (Vx max) Rys. 17 Ekstremalne przemieszczenia po kierunku y wynoszą p y =0,2230 m. (Vy min) Rys. 18 Rys. 17

Rys. 18 Przemieszczenia dopuszczalne wg norm obowiązujących w następujących krajach: USA p dop =H/600 Australia p dop =H/800 Wysokość zasadniczej części budynku wynosi H=213,05 m USA p dop = 213,05/600 = 0,36 m > p max = p y = 0,223 m spełnione Australia p dop = 213,05/800 = 0,27 m > p max = p y = 0,223 m spełnione

5. PODSUMOWANIE Maksymalne napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 59, punkcie nr 112. NapręŜenia te wynoszą 26,01 MPa. NapręŜenia rozciągające nie występują (najmniejsze napręŝenia ściskające uzyskano w elemencie nr 49, ścianie nr 59, punkcie nr 112. Wynoszą one 6,90 MPa). Analiza przemieszczeń wykazuje, Ŝe maksymalne przemieszczenie wystąpiło po kierunku osi y i ma wartość p x = 0,223 m. wartość ta jest mniejsza od wartości dopuszczalnych np. w USA (p dop =H/600) czy w Australii p dop =H/800. Z braku odpowiednich norm niemoŝliwe jest sprawdzenie warunku przemieszczeń dla Chin, gdzie budynek jest usytuowany. MoŜna jednak przypuszczać, iŝ warunek ten zostałby spełniony. 6. BIBLIOGRAFIA [1] Structural Systems for Tall Buildings McGraw-Hill, Inc., New York 1995. [2] Samuel Y. S. Kwok: Hopewell Centre, in: [Council on Tall Buildings and Urban Habitat: Developments in Tall Buildings, Ed. L.S. Beedle, Van Nostrand Reinhold Company, New York 1983], 669-694. [3] http://en.wikipedia.org/wiki/hopewell_centre,_hong_kong 16.12.2007 [4] http://www.emporis.com/en/wm/bu/?id=hopewellcentre-hongkong-china 17.12.2007 [5] http://youtube.com/watch?v=7rdiaufwhky 17.12.2007