Budynek 40- kondygnacyjny centrum Los Angeles

POLITECHNIKA POZNAŃSKA
INSTYTUT KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH
ul. Piotrowo 5 60-950 Poznań
Praca kontrolna z przedmiotu
BUDYNKI WYSOKIE I WYSOKOŚCIOWE
dane : 308.bw7
Budynek 40kondygnacyjny
centrum Los Angeles
OPRACOWAŁA :
Teresa Kantel, KBI 2
SPRAWDZIŁA:
Marta Marlewska, KBI 2
ODEBRAŁ :
dr inŜ. Jacek Wdowicki
13 stycznia 2009
1. CZĘŚĆ OGÓLNA
Podstawa opracowania:
- SDTSB, 16, 5 (2007): Performance-based design of ductile concrete core wall
buildings - issues to consider before detailed analysis (strony 599-614) - Ron Klemencic,
J. Andrew Fry, John D. Hooper, Brian G. Morgen
- SDTSB, 16, 5 (2007): Case study using the Los Angeles tall buildings structural design
council guidelines: 40-storey concrete core wall building (strony 583-597) - Atila
Zekioglu, Michael Willford, Limin Jin, Murat Melek
Przedmiot opracowania:
Budynek 40 - kondygnacyjny
Los Angeles
Cel opracowania:
Obliczenie maksymalnych napręŜeń w elementach oraz przemieszczeń przy pomocy
programu BW dla Windows oraz preprocesora POL3 współdziałającego z programem
AutoCAD2004.
Dane ogólne:
Powierzchnia rzutu – 1034,57 m2
Wysokość – 127 m
Liczba kondygnacji nadziemnych – 40
Charakterystyka budynku:
Rzut budynku nieskomplikowany, trzon prostokątny, symetryczny. Wewnątrz trzonu
została rozmieszczona komunikacja pionowa. Powierzchnia mieszkalna poza trzonem
do swobodnego kształtowania – brak konstrukcyjnych przegród pionowych.
Zewnętrzny obrys budynku w przypadku wszystkich czterech ścian prostokątny. Bryła
budynku ma kształt wysokiego prostopadłościanu.
Trzon usztywniający o tradycyjnej konstrukcji Ŝelbetowej przenosi wszelkie obciąŜenia
poziome budynku oraz przypadającą na niego część obciąŜenia pionowego. Dodatkowe
usztywnienie budynku stanowią słupy rozmieszczone wzdłuŜ zewnętrznych boków
rzutu w rozstawie co około 7 metrów.
Budynek został wzniesiony z betonu, aby polepszyć wytrzymałość na silne wiatry.
2
Zarys obiektu:
3
Rzut kondygnacji:
35,36m
29,26m
4
2.
CZĘŚĆ SZCZEGÓŁOWA
2.1
Fundamenty:
Budynek posadowiono na płycie fundamentowej.
2.2
Układ usztywniający:
Trzon usztywniający zbudowany jest na planie prostokąta usytuowanego w centralnej
części rzutu. Dodatkowe usztywnienie budynku stanowią słupy rozmieszczone wzdłuŜ
zewnętrznych boków rzutu w rozstawie co około 7 metrów.
2.3
Ściany trzonu:
Ściany zewnętrzne i wewnętrzne trzonu o grubości średnio ok. 0,80 m. Słupy zewnętrzne
jednakowe, o przekrojach kwadratowych, o wymiarach boku ok. 0,80 m.
2.4
Stropy:
Stropy są konstrukcją zespoloną, której elementem podstawowym jest teownik spawany
oraz płyta z betonu B40. Wysokość konstrukcyjna stropu wynosi zaledwie 19 cm.
2.5
NadproŜa:
Przyjęto nadproŜa monolityczne Ŝelbetowe o wysokości 1,08 m.
2.6
Komunikacja pionowa:
Windy: sztuk 2 oraz dwie klatki schodowe.
2.7
Wentylacja i klimatyzacja:
Mechaniczna wentylacja i klimatyzacja.
2.8
Stolarka okienna i drzwiowa:
Przyjęto – okna aluminiowe; drzwi – drewniane.
2.9
2.9.1
ObciąŜenia:
Zebranie obciąŜeń dla kondygnacji parkingowej (kondygnacja 1)
qk [kN/m2]
γf
q [kN/m2]
1,05
1,3
1,365
4,94
1,1
5,434
5,99
γ śr = 1,13
6,799
dla obc. garaŜu furgonetkami z ładunkiem
(PN – 82/B-02004)
3,00
1,3
3,90
dla korytarzy i klatek schod. domów towarowych
6,00
1,2
7,20
Rodzaj obciąŜenia
OBCIĄśENIA STAŁE
jastrych
0,05 x 21,0
Strop zespolony gr.19 cm (przyjęto γ=26 kN/m3)
0,19 x 26
RAZEM OBCIĄśĘNIA STAŁE
OBCIĄśENIA ZMIENNE
5
2.9.2
Zebranie obciąŜeń dla kondygnacji handlowych (kondygnacje 2-5):
Rodzaj obciaŜenia
qk [kN/m]
γf
q [kN/m]
0,44
1,2
0,53
1,05
1,3
1,365
0,0225
1,2
0,027
4,94
1,1
5,434
6,45
γ śr = 1,13
7,356
dla pomieszczeń handlowych
5,00
1,3
6,50
dla korytarzy i klatek schodowych
6,00
1,2
7,20
OBCIĄśENIA STAŁE
płytki ceramiczne
jastrych
0,05 x 21,0
izolacja akustyczna
0,05 x 0,45
Strop zespolony gr 19 cm (przyjęto γ=26
kN/m3)
0,19 x 26
RAZEM OBCIĄśĘNIA STAŁE
OBCIĄśENIA ZMIENNE
2.9.3
Zebranie obciąŜeń dla kondygnacji biurowych (kondygnacje 6-40):
qk [kN/m]
γf
q [kN/m]
6,45
γ śr = 1,13
7,356
dla pomieszczeń biurowych
2,00
1,4
2,80
dla korytarzy i klatek schodowych
4,00
1,3
5,20
Rodzaj obciaŜenia
OBCIĄśENIA STAŁE – j.w.
OBCIĄśENIA ZMIENNE
6
2.9.4 ObciąŜenie wiatrem:
- przyjęto okres drgań konstrukcji:
T = n/10 = 40/10 = 4,00
- logarytmiczny dekrement tłumienia jak dla konstrukcji monolitycznych:
∆ = 0,15
- przyjęto teren A, strefa obciąŜenia wiatrem II
- charakterystyczna prędkość wiatru
Vk = 24 m/s
- charakterystyczne ciśnienie prędkości wiatru:
Qk = 0,35 kN/m2
2.9.5 Sposób obliczeń
ObciąŜenia podzielono na: obciąŜenia w części uŜytkowej, obciąŜenia w części komunikacyjnej
Wydzielono 7 schematów obciąŜeń:
1 schemat: wiatr z lewej/prawej strony budynku (po kierunku X),
2 schemat: wiatr „z dołu/góry ekranu” budynku (po kierunku Y),
3 schemat: obciąŜenia od cięŜaru stałego,
4 schemat: obciąŜenia zmienne(1) na prawą górną ćwiartkę rzutu,
5 schemat: obciąŜenia zmienne(2) na prawą dolną ćwiartkę rzutu,
6 schemat: obciąŜenia zmienne(3)na lewą dolną ćwiartkę rzutu,
7 schemat: obciąŜenia zmienne(4)na lewą górną ćwiartkę rzutu.
Zdefiniowano takŜe warianty ekstremów obciąŜeń:
1 wariant: od obciąŜeń obliczeniowych (wzajemne działanie wiatru się wyklucza) - dla
wyznaczenia maksymalnych napręŜeń.
2 wariant: od obciąŜeń charakterystycznych (wzajemne działanie wiatru się wyklucza) - dla
wyznaczenia maksymalnych przemieszczeń budynku.
7
3.
KOMENTARZ WYNIKÓW
3.1
NapręŜenia
Wszystkie wartości napręŜeń podano dla poziomu – 3,0 m czyli utwierdzenia budynku.
3.1.1
NapręŜenia dla schematów:
SCHEMAT-1 WIATR Z LEWEJ STRONY PO KIERKU OSI X
Maksymalne napręŜenia rozciągające
w punkcie nr 19. Wynoszą one 6,07 MPa.
Rys.1
Maksymalne napręŜenia ściskające
w punkcie 2. Wynoszą one 6,07 MPa.
Rys.2
otrzymano
otrzymano
Rys.1
8
w
elemencie
1,
ścianie
w
elemencie
1,
ścianie
nr
nr
10
1
Rys.2
9
SCHEMAT-2 WIATR Z PRAWEJ STRONY PO KIERKU OSI Y
Maksymalne napręŜenia rozciągające otrzymano w elemencie 4, ścianie nr 8 w punkcie 15.
Wynoszą one 3,74 MPa.
Rys.3
Maksymalne napręŜenia ściskające otrzymano w elemencie 2, ścianie nr 3 w punkcie 4. Wynoszą
one 3,74 MPa.
Rys.4
Rys.3
10
Rys.4
11
SCHEMAT-3 OBCIĄśENIE STAŁE (cięŜar własny)
Wszystkie elementy trzonu wysokościowca są ściskane.
Maksymalne napręŜenia otrzymano w elemencie 7, ścianie nr 13 w punkcie 46. Wynoszą one
26,42 MPa.
Rys.5
Rys.5
12
SCHEMAT-4 OBCIĄśENIA ZMIENNE ( obciąŜona pn-zach. część budynku )
Maksymalne napręŜenia rozciągające otrzymano w elemencie 3, ścianie nr 6 w punkcie 11.
Wynoszą one 0,66 MPa.
Rys.6
Maksymalne napręŜenia ściskające otrzymano w elemencie 6, ścianie nr 12 w punkcie 43.
Wynoszą one 15,3 MPa.
Rys.7
Rys.6
13
Rys.7
14
SCHEMAT-5 OBCIĄśENIA ZMIENNE (obciąŜona pn.-wsch. część budynku )
Maksymalne napręŜenia rozciągające otrzymano w elemencie 3, ścianie nr 7 w punkcie 13.
Wynoszą one 0,66 MPa.
Rys.8
Maksymalne napręŜenia ściskające otrzymano w elemencie 7, ścianie nr 13 w punkcie 45.
Wynoszą one 15,3 MPa.
Rys.9
Rys.8
15
Rys.9
16
SCHEMAT-6 OBCIĄśENIA ZMIENNE ( obciąŜona pd-zach. część budynku )
Maksymalne napręŜenia rozciągające otrzymano w elemencie 1, ścianie nr 10 w punkcie 18.
Wynoszą one 0,66 MPa.
Rys.10
Maksymalne napręŜenia ściskające otrzymano w elemencie 13, ścianie nr 19 w punkcie 58.
Wynoszą one 15,17 MPa.
Rys.11
Rys.10
17
Rys.11
18
SCHEMAT-7 OBCIĄśENIA ZMIENNE ( obciąŜona pd-wsch. część budynku )
Maksymalne napręŜenia rozciągające otrzymano w elemencie 1, ścianie nr 1 w punkcie 2.
Wynoszą one 0,66 MPa.
Rys.12
Maksymalne napręŜenia ściskające otrzymano w elemencie 14, ścianie nr 20 w punkcie 60.
Wynoszą one 15,15 MPa.
Rys.13
Rys.12
19
Rys.13
20
3.1.2 Ekstremum napręŜeń od wszystkich schematów obciąŜeniowych z uwzględnieniem
schematów wykluczających się oraz z uwzględnieniem współczynników obliczeniowych:
Maksymalne napręŜenia rozciągające otrzymano w elemencie 1, ścianie nr 1 w punkcie 2.
Wynoszą one 0,52 MPa.
Rys.14
Maksymalne napręŜenia ściskające otrzymano w elemencie 7, ścianie nr 13 w punkcie 45.
Wynoszą one 50,45 MPa.
Rys.15
Rys.14
21
Rys.15
22
4. Przemieszczenia:
Wszystkie wartości przemieszczeń podano dla poziomu +127 m czyli wierzchołka
budynku.
4.1. Maksymalne przemieszczenia od pojedynczych schematów:
Największe przemieszczenia wywołuje działanie wiatru po kierunku osi X (schemat
1 ) Ich wartość maksymalna wynosi px= 0,13 m.
Przedstawia to poniŜszy schemat odkształceń - Rys.16
Rys.16
23
4.2. Ekstremalne przemieszczenia od wszystkich schematów z uwzględnieniem schematów
wykluczających się oraz bez uwzględnienia współczynników obliczeniowych (wartości
charakterystyczne):
Ekstremalne przemieszczenia wystąpiły po kierunku osi X
i mają wartość px = 0,16 m Rys. 17
Największe przemieszczenia po kierunku osi Y mają wartość px = 0,09 m
Rys. 18
Rys. 17
24
Rys. 18
4.3. Zestawienie wyników przemieszczeń dla wariantu 2.
Vx.max
Vx.min
Vy.max
Vy.min
wartość
maksymalna
[m]
0,1621
0,1618
0,0936
0,0935
punkt pomiaru
37
38
37
38
wartość
minimalna
[m]
0,1619
0,1617
0,0935
0,0934
punkt pomiaru
39
40
39
40
Przemieszczenia dopuszczalne wg norm obowiązujących w następujących krajach :
•
•
•
USA
Australia
Polska
pdop=H/600
pdop=H/800
pdop=H/1000
Wysokość szczytu attyk wynosi H = 127,0 m.
•
•
•
USA
Australia
Polska
pdop= 127/600 = 0,21 m > pmax = px = 0,1621 m w. spełniony
pdop= 127/800 = 0,159 m < pmax = px = 0,1621 m w. niespełniony
pdop=127/1000= 0,127 m < pmax = px = 0, 1621 m w. niespełniony
25
5.
PODSUMOWANIE I WNIOSKI
5.1. Maksymalne napręŜenia ściskające dla jednego schematu, występują dla schematu 3, czyli
działanie cięŜaru własnego. Ich wartość wynosi 26,42 MPa i występują w ścianie nr 13.
Rys.5
5.2. Maksymalne napręŜenia rozciągające dla jednego schematu, występują dla schematu 1,
czyli obciąŜeń wywołanych parciem wiatru po kierunku X. Ich wartość wynosi 6,07 MPa i
występują w ścianie nr 10.
Rys.1
5.3. Ekstremalne napręŜenie ściskające (wynik kombinatoryki obciąŜeń) ma wartość 50,45 MPa
i występuje w ścianie nr 13.
Rys.15
Ekstremalne napręŜenie rozciągające ma wartość 0,52 MPa i występuje w ścianie nr 1.
Rys.14
5.4. Po analizie przemieszczeń okazuje się, iŜ maksymalne przemieszczenia budynku wystąpiły
po kierunku osi X i mają wartość px = 0,1621 m. Obrazuje to rys. 17.
Ich wartość jest mniejsza od wartości dopuszczalnych w USA (pdop=H/600), ale większa od
wartości dopuszczalnych w Australii pdop=H/800 oraz Polsce (pdop=H/1000).
Analizowany budynek zlokalizowany jest w USA, więc moŜna przyjąć, Ŝe spełnione są warunki
normowe. W przypadku większych przemieszczeń naleŜałoby przeprojektować budynek, gdyŜ
nadmierne przemieszczenia budynków (szczególnie wysokich i wysokościowych) znacznie
pogarszają komfort ich uŜytkowania (aczkolwiek nie aŜ tak bardzo, jak byłoby to w przypadku
budynku mieszkalnego).
6.
Literatura
[1] SDTSB, 16, 5 (2007): Performance-based design of ductile concrete core wall
buildings - issues to consider before detailed analysis (strony 599-614) - Ron
Klemencic, J. Andrew Fry, John D. Hooper, Brian G. Morgen
[2] SDTSB, 16, 5 (2007): Case study using the Los Angeles tall buildings structural design
council guidelines: 40-storey concrete core wall building (strony 583-597) - Atila
Zekioglu, Michael Willford, Limin Jin, Murat Melek
[3] POL 3 - dokumentacja uŜytkownika
26