curs 7 cm3.pdf
TRANSCRIPT
CLADIRI INALTE CU STRUCTURA DIN OTEL
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
1
SCURT ISTORIC
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
2
Monadnock Building, Chicago
1801- Salford-Manchster, U.K, prima cladire cu 7 etaje avant grinzi si stalpi din fonta, proiectata de Boulton&Watt (cel din urma fiind inventstorul masinii cu abur);
1845- William Fairbanks foloseste pentru primadata sectiuni I din fier pudlat pentru a rifica o fabrica cu mai multe etaje;
1879- Chicago, William Le Baron Jenney priecteaza “Leiter Building”, avand 7 etaje si “Home Insurance Building”, cu 11 etaje;
In aceeasi perioada the same este realizata cladirea de referinta (structura din fonta si zidarie portanta de 4.5 m grosime) “Monadnock Building” proeictata de Burnham & Root; aceasta are 16 etaje
• Cladirile inalte au aparut in perioada de explozie economica in S.U.A. la sfarsitul secolului al XIX-lea. Una din cele mai importante motivatii a fost cresterea pretului terenurilor de constructie in centrele marilor orase; nu in ultimul rand nevoia de a afisa prestigiul firmelor prospere.
• Cele mai reprezentative cladiri inalte istorice
Leiter Building, Chicago, 1879, architect William le Baron Jenney; 11 etaje
Monadnock, Chicago, Burnham & Root, 16 etaje.
• In 1890 s-au introdus convertizoarele Thomas and Siemens-Martin in industria de productie a otelurilor.
Tot in aceeasi perioada a inceput sa fie utilizata inventia lui Ottis-ascensorul
Empire State Building, New York, 1931, Al Smith - 381m, 102 etaje
World Trade Center, New York, 1963 - 411m , 110 etaje
John Hancock Center, Chicago - 1968, 337 m
Sears Tower, Chicago, 1974 - 442 m, 120 taje
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
3
SCURT ISTORIC
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
4 Empire state building, New York, 102 etaje, 381 m, 1931
John Hancock Center, Chicago, 1962, 337 m
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
5
Tower Montparnasse, 210 m, 50 storeys Sears Tower, Chicago, 1972, 442 m, 120 storeys
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
6
Rchard Daley Center, 1965, scoala arh. Ludwieg Mies van Der Rohe, Chicago, 215 m
Chrysler Building New York, 1928-1930
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
7
Petronas Towers Cesar Pelli, Kuala Lumpur, Malaysia, 1998 Taipei 101, by C. Y. Lee & Partners, Taipei, 2003 to 2004
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
8
Turning Torso, Malmo, 2001, 240 m 30, St. Mary Axe, (“Gherkin Building”), London, 2000-2004, 41 floors, 180 m
C.T
ele
man_S.S
.III
_Curs
8
9
Cartierul “La Defense”, Paris, 560 hectares (5,6 milioane de mp) , 72de cladiri inalte din otel si sticla in care isi desfasoara activitatea 180 000 persoane in birouri ce acopera o suprafaa de 3,5 milioane de mp. In mijlocul crtierului se afla constructia “Grande Arche” si esplanada. “La Défense” adaposteste cele mai multe din cladirile inalte ale Parisului si este sediul a nu mai putin de 1 500 sedii de corporatii si a 15 din 50 cele mai mari companii din lume.
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
10
La Defense
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
11
La Defense
SISTEME STRUCTURALE
Cadre rigide pe ambele directii
Cadre contravantuite si noduri articulate pe ambele directii
Combinatii de cadre rigide cu cadre articulate si contravantuiri
Nucleu central rigid din beton armat sau grinzi cu zabrele si cadre din stalpi si grinzi pe zona perimetrala
Structuri tubulare (tub in tub)
1- noduri rigide: 20-25 etaje; 2, 3, 4- noduri rigide si contravantuiri verticale : 70-80 etaje; 5- tub exterior rigid format din stalpi foarte desi si nucleu central: 80-90 etaje; 6- noduri articulate si contravantuiri amplasate pe exterior: 90-100 etaje (John Hancock Centre, Chicago); 7- tuburi exterioare si interioare, stalpii sunt amplasati foart aproape si alcatuiesc imbinari rigide- (World Trade Centre) :100-110 etaje; 8- cadre cu noduri rigide si contravntuiri verticale si orizontale pe ambele directii: 110-120 etaje (Sears Tower, Chicago)
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
12
FORMA SECTIUNII IN PLAN
Sunt recomandate formele regulate, rectangulare sau formate din forme rectangulare sau alte forme geometrice; Desemenea, se recomanda ca pentru a evita torsiunea sa se pastreze o simetrie in plan; Distanta dintre stalpi pe ambele directii trebuie sa se mentina in limitele 4...10 m.
Optimizarea consumului de otel in functie de distantele dintre axele stalpilor ; L-deschdere; Wc- greutatea stalpilor; Wb – greutatea grinzilor; Wt – greutate totala
Forme in plan
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
13
EXEMPLE DE SOLUTII STRUCTURALE
Nucelu rigid din beton armat si perimetral cadre rigide pe ambele directii
Nucleu rigid care preia incarcarile de nivel si le trnsmite la fundatii ; stalpii din otel pot fi comprimati, intinsi sau in ambele variante pe cladire
Sistem cu grinzi principale pe o directie si grinzi secundare pe celalata directie si noduri rigide ; pe capetele tronsoanelor de cladire sunt dispuse contravantuiri in plan orizontal si identic in nucleul central
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
14
CADRE CONTRVANTUITE-TIPURI DE CONTRAVANTUIRI
Contravantuiri centrice intinse, in X si similar Zona de disipare a energiei din seism este localizata in partea inferioara la interfata cu stalpul structural
Contravantuiri in V intinse sau comprimate Zona de disipare se situeaza la fila grinzii de cadru
Contravantuiri excentrice Zona de disipare se gaseste la intradosul grinii cu zabrele; Zabrelele in K servesc ca si limitatoare de flambaj sau deformatii statice si nu sunt disipatoare de energie seismica
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
15
SOLUTII PRIVIND DISTANTA DE TOLERANTA (ROSTURI)
• Rosturile pot avea functiuni de prevenire a deformatiilor din variatia de temperatura prin
a- limitarea dimensiunilor in plan: 70...100 m;
b- inserarea unor discontinuitati la nivelul grinzilor structurale pe toata inaltimea cladirii sau cel puin la partea superioara a acesteia prevenind acumularea dilatarilor liniare;
c- proiectarea peretilor exteriori de la primul nivel independenti pentru a evita forfecarea la interfata cu prinderea in fundatii;
• Rosturile la nivelul fundatiilor urmaresc prevenirea efectelor tasarilor diferentiate la cladiri adiacente de inltimi si/sau greutati diferite sau terenuri de amplasament diferite; solutiile de prevenire:
- prin conceperea fundatiilor indpendente;
- prin alcatuirea unei baze comune foarte rigide ( de obicei un radier foarte rigid).
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
16
AMPLASAREA SALILOR DE CONFERINTE
• I - la nivelul terenului ca o structura independenta ► acces mai rapid in cazul evacuarii; • II - la partea superioara a cladirii ► cel ma simplu de conceput dar evacuarea este mai dificila; • III – la nivel intermediar ► beneficiaza de o evacuare mai facila dar sre nevoie de solutii de rezolvare a discontinuitatii structurale.
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
17
VARIATIA SECTIUNII CLADIRII PE INALTIME
Alternative de variatie a sectiunii cladirilor inalte: sectiune constanta si in trepte de variatie; a- parte flexibila; b- parte rigida.
Prevederi anti-seismice Cele mai importante recomandari conform P100-2006 si SREN 1998-2006 sunt: 1. Proiectarea unei structuri cu un grad mare de nedeterminare care asigura rezerve importante de
rezistenta la deformare in domenul plastic si permite acomodarea ei la o schema statica rezultata in urma formarii unor articulatii plastice;
2. Adoptarea unei simetrii in plan a structurii in paralel cu evitarea unei repartizari inegale a greutatii reducand astfel efectele de torsiune;
3. Proiectarea unei baze rigide (radier general); 4. Coborarea centrului de greutate cat mai aproape de baza cladiri; 5. Utilizarea otelurilor de performanta, cu rezistente sporite cu conditia indeplinirii cerintelor de
ductilitate pe sectiune fu/fy≥1,2 si alungirea specifica la rupere ≥ 15%; 6. Utilizarea suruburilor de inalta rezistenta (8.8…10.9).
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
18
ACTIUNI SI GRUPARI DE ACTIUNI LA CLADIRILE INALTE •Actiuni verticale 1. Actiuni permanente: greutate proprie a structurii la care se adauga cea a planseelor, peretilor si a altor elemente ne-structurale (evaluare empirica): • [daN/m3] unde: •G- greutatea totala a structurii; •n – numarul de etaje; •K – factor de amplificare care tine cont de inflenta sistemului de contravantuiri, a scarilor si a sistemului de instalatii asupra incarcarii totale (K=1,10...1,15); 2.Actiuni variabile: 2.1. Incarcari utile uniform distribuite pe plansee in [daN/m2] conform destinatiei cladirii in ansamblu (hotel, birouri, rezidente) si a destinatiei spatiului respectiv (camere, bai, holuri de acces, casa scarii, balcoane, etc.); 2.2. Zapada pe acoperis (terasa) • Actiuni orizontale • Actiuni variabile climatice –vant, efecte din temperatura; • Actiuni accidentale – sism, efectele incediilor, explozii, etc. Schemel cele mai familiare de distributie a actiunilor permanente si utile sunt prezentate in schemele urmatoare .
21210
nKG
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
19
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
20
Simplificarea calculului se face prin considerarea separata a cadrelor plane pe doua directii
Separarea cadrului spatial in doua cadre plane: 1- cadru transversal; 2- grinda longitudinala; 3- cadru longitudinal
Scheme simplificate de incarcare la cadre plane multi-etajate din actiuni verticale si orizontale: a- incarcari permanente; b- inarcari variabile in diverse scheme de incarcare; incarcari orizontale
ACTIUNEA VANTULUI –EFECTE DINAMICE
Scheme de incarcare din vant (fomrme de considerare in calcul) pe structurile multi-etajate
Clasficarea structurilor din punctul de vedere al efectului dinamic (rezonant) al vantului
HzH
1004,0n
5,1
0
HzH
40n
0
2
ii
ii
0ym
yW
2
1n
HzH1,0
dn
1
4rHm
En
r=1 r=2
r=3
r=4
r=5
r>5
=3,52 =22,4 =61,7
=121,0
=200
*
22/1r2*
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
21
ANALIZA STATIC A A STRUCTURII
•Metoda deplasarilor-rotirile de nod sunt necunoscutele •Aplicarea metodei conduce la un numar redus de necunoscute datorita avantajelor legate de simetria structurala (gometrica, elastica, mecanica). •Sunt luate in calcul cateva simplificari: 1.- momentele de inertie se considera constante in lungul barelor; 2.- se neglijeaza influenta fortelor de forfecare; 3.- in cadrul calculului de ordin I efectul fortelor axiale asupra deformatiilor se neglijeaza; Calculul computerizat implica cunoasterea caracteristicilor elastice ale sectiunilor elementelor structurale ; ele se stabilesc in faza de predimensionare prin metode aproximative.
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
22
RIGIDITATEA CADRELOR STRUCTURALE
• Efectul P- – in cadrul analizei globale structurile in cadre multi etajate se pot clasifica in: cadre cu noduri nedeplasabile si cadre cu noduri deplasabile
• Cadrele cu noduri nedeplasabile sunt (la limita) considerate cadrele cu noduri rigide: cadrele la care pe parcursul evaluarii raspunsului structurii la actiuni orizontale, tensiunile suplimentare datorate deplasarilor orizontale la nivelul imbinarilor structurale pot fi negljate:
• V- reactiunile verticale la baza stalpilor pe nivelul curent;
• H- reactiuni orizontale totale (la care se sumeaza si efectul imperfectiunilor structurale);
• - deplasarile orizontale relative (de nivel) calculate in cadrul unui calcul elastic linear (de ordin I) pe baza incarcarilor verticale si orizontale pe structura la care se adauga si fortele fictive ca rezultat al imperfectiunilor structurale.
1,0H
V
h
Types of structures considering the classification of the stiffness: a- structures for which the relationship is relevant; b- structures for which the relationship is not relevant
Imperfectiunile luate in calcul conform ENV 1993-1-1: -imperfectiuni globale; -imperfectiuni locale-geometrice, de tensiuni reziduale, de variatie a limitei de curgere a otelului
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
23
PROIECTAREA SISTEMULUI DE CONTRAVANTUIRI
•Cadrele contravantuite cu contravantuiri verticale (si orizontale) se considera ca lucreaza ca atare daca deplasarea nodurilor acestora se reduce cu 80% fata de deplasarile aceluiasi cadru necontravantuit
ai – deplasarile orizontale la nivelul i din forta orizontala H in sistemul contravantuit;
si – deplasarile orizontale la nivelul i in sistemul ne-contravantuit din aceeasi forta H .
•Rigiditatea sistemului contravantuit creste de 5 ori fata de acelasi sistem fara contravantuiri:
5
i
si
a
sa RR 5
sR
- Rigiditatea structuriii contravantuite
HRa
Sistemul de contravantuiri este o grinda cu zabrele plana fixata la nivelul fundatiilor si libera la partea superioara (ca o consola).
Legaturile dintre grinda cu zabrele si stalpii adiacenti se face prin grinzi longitudinale ce se considera de rigiditate infinita (nu se rotesc in nodurile contravantuirii )
Prin urmare, fortele orizontale din nodurile sistemului de contravantuiri la nivelul curent va determina deplasari egale ale nodurilor la nivelul legaturilor dintre grinzile si stalpii cadrului la acelasi nivel.
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
24
- Rigiditatea structuriii ne-contravantuite
Limitarea deplasarilor orizontale ale structurii prin amplasarea conravantuirilor verticale stanga- deplasarea unui cadru cu noduri rigide si deplasarea unui cadru cu noduri contravantuite; mijloc – interactiunea dintre doua cadre; drapta – deformarea totala a cladirii
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
25
Modul de comportare la deplasari orizontale a cadrelor contravantuite si ne-contravantuite
EFECTUL P-
Nodurile unui sistem de contravantuiri sufera deplasari orizontale care variaza linear pe verticala cladirii
Forta necesara pentru a fixa elementele in imbinari se determina astfel (unghiul este foarte mic);
La nivelul i intreaga forta ce actioneaza in imbinari va fi:
Comportarea reala arata ca deplasarile orizontale sunt diferite la fiecare nivel. Efectul P- se poate descrie astfel cu forta orizontala ce actioneaza la nivelul i:
Forta totala reala ce actioneaza la nivelul I va fi:
Efectul P-
H
1
iiiiiii VtgVDDDDH 11 sin
ii VH
iiiii DDH 11
iiiii DDH 11
Sisteme diferite si deplasari din imperfectiuni globale: a- la cadre contravantuite; b- la cadre ne-contravantuite
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
26
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
27 Fortele orizontale echivalente rezultate din distribuirea pe nivel a efectelor imperfectiunilor globale
In urma determinarii rotirii globale imperfectiunile globale sunt introduse in calcul pe baza unui sistem echivalent de forte orizontale la fiecare nivel al structurii direct proportionale cu actiunile verticale aplicate nivelului aferent .
EFECTUL P-
SISTEME DE CONTRAVANTUIRI
• Contravantuiri verticale - asigura rigiditate suficienta pentru a prelua efectele de torsiune in plan orizontal. • Contravantuiri orizontale – asigura rigiditatea in planul planseelor atunci cand ssistemul constructiv nu este capabil . Planseele alcatuite din beton armat se considera suficient de rigide. Contravantuirile se dispun continuu pe inaltime sau la un interval de 3...5 etaje.
Preluarea actiuni orizontale de contravantuirile verticale
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
28
Dispunerea in plan a contravantuirilor verticale si orizontale in planul structurii
Tipuri de contravantuiri: a,b,c – centrice; d,e,f,- excentrice; legaturi rigide (short links)
CALCULUL STRUCTURILOR CU NODURI RIGIDE • Actiuni verticale
Situatii de incarcare pentru determinarea fortei axiale si a momentelor incovoietoare la noduri marginale (A) si interioare(B)
Distributia momentelor incovoietoare din actiuni verticale in nodurile interne
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
29
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
30
EVALUAREA FORTELOR INTERNE SI MOMENTELOR DIN ACTIUNI VERTICALE
ik
ikij
ij
ij
l
I
1
l
Ir 323232232323 r1mM;r1mM 212321 rmM 383238 rmM
Scheme de incarcare in ipoteza de forta axiala maxima si respectiv, moment de incovoiere maxim in cazul nodurilor de cadru marginale, respectiv interne
Distributia momentelor de incovoiere din
actiuni verticale la nivelul nodurilor
(echilibrare in nod)
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
31
EVALUAREA FORTELOR INTERNE SI MOMENTELOR DIN ACTIUNI ORIZONTALE
In calculul in elastic se presupune ca fortele axiale interne de la fiecare nivel, Nik, sunt direct proportionale cu distantele pana la axa neutra in sectiune (centrul de rigiditate de nivel), dik ; deasemenea, ca aceste forte sunt proportionale cu aria sectiunii transversale a stalpilor, Aik. La nivelul fiecarui stalp k de la nivelul curent i ecuatiile de echilibru la moment de rasturnare sub actiuni orizontale se pot scrie astfel:
ikikjj dNyW
1i1i
ikik
1i
ik
dA
dA
N
N
2
ikik
1i1i
1ijj dA
dA
NyW
jj2
ikik
1i1i1i yW
dA
dAN
n
1i
ji WV
ij
ikiik
I
IVV
2
hVM ikik
Actiunile orizontale din vant pe structuri cu noduri rigide si fortele interne determinate de aceste actiuni – forte axiale, forfecare si momente incovoietoare
CALCULUL STRUCTURILOR CU NODURI ARTICULATE SI CONTRAVANTUIRI VERTICALE
• Actiuni verticale
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
32
Nodurile sunt solicitate la un moment de valoare foarte redusa rezultat din inegalitatea rectiunilor de pe capetele grinzilor ce concura in nod.
eRRM
2
lpR;
2
lqpR
21
11
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
33
Rigiditatea contravantuirii curente i se noteaza cu Fi (egala cu forta orizontala aplicata cotravantuirii si care provoaca deplasarea unitara a acesteia). Considerand o rigiditate de referinta Fo se poate exprima rigiditatea contravantuirii i in functie de Fo cu ajutorul unui factor de proportionalitate , ki:
Actiuni orizontale
0Fi
ki
F
2
Ac
y
n
1jij
n
1jj
xyj
k
n
1jyj
F
n
1jj
xyj
F
cx
Pe baza acesor rigiditati se va determina centrul de rigiditate de nivel:
Fiecare contravantuire paralela cu y-y va prelua forta in plan Nyi’ , componenta a rezultantei Ry, distributia pe baza rigiditatii sale (la cele “n” contravantuiri)
yj
yik
yR
n
1jyj
F
yiF
yR
'yi
N
Similar, forta Nyi” rezultata din distribuira momentului generat de excentricitatea aplicarii reactiunii Ry fata de centrul de rigiditate, My= Ry· ex la cele “n” contravantuiri, va depinde de rigiditatea contravantuirii si de distanta ax fata de centrul de torsiune:
yixi
yjxj
''
yi
''
yj
Fa
Fa
N
N
yixi
yjxj''
yi
''
yjFa
FaNN
xj
n
j
''
yj aNM
Insa: xj
a
yiF
xia
yjF
xjan
j
''yi
NM
n
j yik
xia
yjk2
xja
''yi
NM
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
34
n
1j
2xj
ayj
k
xia
yi
xe
yR
n
1jyj
k2xj
a
yik
xia
M''yi
N
Rezulta deci:
Fortele ce rezulta ca actioneaza la fiecare nivel in contravantuirea “i” se obtin din sumarea celor doua efecte:
n
1j
2aj
ayj
k
xia
xe
n
1jyj
k
1
yik
yR''
yiN'
yiN
yiN
DEPLASARI ORIZONTALE ALE CADRELOR CONTRAVANTUITE SI NECONTRAVANTITE
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
35
Deplasarile cadrului necontravantuit trebuie sa urmareasca deplasarile cadrului contravantuit: grinzile de legatur trebuie sa aiba o rigiditate foarte mare
SISTEM COMBINAT DE CONTRAVANTUIRI VERTICALE CU CONTRAVANTUIRI ORIZONTALE
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
36
Sistemul static nedeterminat: descompunerea sa in sisteme determinate si rezolvarea prin dispunerea incarcarlor in noduri (etaje) si determinarea fortelor interne in barele contravantuirilor
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
37
INCADRAREA IN TIPURI DE STRUCTURI DIN PUNCT DE VEDERE SEISMIC CONFORM SR EN 1998 SI P 100
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
38
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
39
C.T
ele
man_CM
3_Curs
7
40