kondygnacyjny budynek mieszkalny

Politechnika Poznańska
Wydział Budownictwa i InŜynierii Środowiska
Zakład Wytrzymałości Materiałów
OPRACOWANIE KOŃCOWE Z PRZEDMIOTU
BUDYNKI WYSOKIE I WYSOKOŚCIOWE
47 – kondygnacyjny budynek mieszkalny
Korea
dane:
315-1.bw7
315-2.bw7
315-3.bw7
Marta Kasprzak
grupa KBI 1
semestr 8
rok akademicki 2008/2009
OPIS TECHNICZNY KONSTRUKCJI
1. Dane ogólne.
1.1. Skan otrzymanego rzutu:
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 2005.
1.4. 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.
2. Część szczegółowa.
2.1. Fundamenty.
Przyjęto posadowienie na prostokątnej płycie fundamentowej.
2.2. Układ usztywniający.
W postaci ścian nośnych monolitycznych Ŝelbetowych o grubości 20 cm.
2.3. Stropy.
Przyjęto stropy monolityczne Ŝelbetowe o grubości 30 ? cm .
2.4. NadproŜa.
Przyjęto nadproŜa monolityczne Ŝelbetowe o wysokości 80 cm.
2.5. Komunikacja pionowa.
Dwie dwubiegowe klatki schodowe (jedna w kaŜdym segmencie), 4 dźwigi osobowe
(2 w kaŜdym segmencie).
2.6. Wentylacja.
Wentylacja grawitacyjna.
2.7. 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.
Zdefiniowano 2 warianty ekstremów obciąŜeń:
1 wariant: od obciąŜeń charakterystycznych (mnoŜnik
maksymalnych przemieszczeń budynku,
2 wariant: od obciaŜeń obliczeniowych (mnoŜnik
maksymalnych napręŜeń.
f =1 ), dla wyznaczenia
f 1 ), dla wyznaczenia
3.1. Zebranie obciaŜeń dla kondygnacji garaŜy.
ObciąŜenie
charakterystyczne
Rodzaj obciaŜenia
[ kN /m ]
f
ObciąŜenie
obliczeniowe
[ kN /m ]
STAŁE
posadzka cementowa
0,06 m×21,0 kN/ m3×1,0m
1,26
1,3
1,64
strop Ŝelbetowy
0,30 m×25,0 kN/ m3 ×1,0m
7,50
1,1
8,25
8,76
1,13
9,89
1,8
1,4
2,16
ObciąŜenie
charakterystyczne
f
ObciąŜenie
obliczeniowe
RAZEM
ZMIENNE
dla samochodu osobowego
3.2. Zebranie obciaŜeń dla kondygnacji mieszkalnych.
Rodzaj obciaŜenia
[ kN /m ]
[ kN /m ]
STAŁE
płytki ceramiczne
0,43
1,3
0,56
posadzka cementowa
0,04 m×21,0 kN /m3 ×1,0m
0,84
1,3
1,09
izolacja akustyczna
3
0,05 m×0,45kN /m ×1,0 m
0,03
1,3
0,04
strop Ŝelbetowy
0,25 m×25,0 kN/ m3×1,0 m
5,00
1,1
5,50
6,30
1,14
7,19
1,50
1,4
2,10
f
ObciąŜenie
obliczeniowe
1,3
3,90
RAZEM
ZMIENNE
pokoje i pomieszczenia mieszkalne
3.3. ObciąŜenia zmienne dla trzonów komunkacyjnych.
Rodzaj obciaŜenia
obciaŜenia zmienne
3,0kN /m 2×1,0 m
ObciąŜenie
charakterystyczne
[ kN /m ]
3,00
[ kN /m ]
4.Komentarz wyników.
Przyjęto za podstawę porównań budynek 47-kondygnacyjny tj. dane 315-3.bw7.
4.1. Analiza przemieszczeń na podstawie preprocesora BW7V.
Wszystkie wartości przemieszczeń podano dla poziomu +127,58m czyli szczytu budynku.
4.1.1. 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.
4.1.2. 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.
Maksymalne przemieszczenia po kierunku X wynoszą 2,14 cm.
4.1.3. Zestawienie wyników dla przemieszczeń ekstremalnych.
WARTOŚĆ
MAKSYMALNA
WSPÓŁRZĘDME
POMIARU
WARTOŚĆ
MINIMALNA
WSPÓŁRZĘDNE
POMIARU
V x max
0,0214
21,90, 6,05
0,0199
-21,90, -6,05
V x min
0,0211
18,10, -6,65
0,0197
-7,30, -6,05
V y max
0,1472
21,90, 6,05
0,1391
-21,90, -6,05
V y max
0,1496
21,90, 6,05
0,1397
-21,90, -6,05
Przemieszczenia dopuszczalne wg norm obowiązujących w nastepujących krajach:
POLSKA -
f dop=H/ 1000=141/1000=0,1410 m  f max =0,1496m warunek niespełniony
AUSTRALIA USA -
f dop=H/ 800=141/800=0,17625 m  f max =0,1496 m warunek spełniony
f dop=H/ 600=141 /600=0,2350m  f max=0,1496m warunek spełniony
4.2. Analiza napręŜenia za pomocą preprocesora BW7S.
Wszystkie wartości napręŜeń podano dla poziomu -13,411 m, czyli w poziomie utwierdzenia
budynku.
4.2.1. 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 +1720 kPa, -1640 kPa i wystepują w centralnej części budynku. Wiatr po kierunku
Y wywołuje największe napręŜenia, wynoszą one +6980 kPa od strony nawietrznej i -7560
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. 4500 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.
4.2.2. 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.
Wykres minimalnych napręŜeń σ (obwiednia: „najbardziej ujemne”):
Maksymalne napręŜenia ściskające występują w prawym górnym rogu budynku i wynoszą
-15088,54 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.
4.2.3. Zestawienie wyników dla napręŜeń ekstremalnych.
obwiednia
WARTOŚĆ
MAKSYMALNA
[kPa ]
WARTOŚĆ
MINIMALNA
[kPa ]
 z max
4831,965
-4915,179
 z min
-5434,962
-15088,539
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 315-3.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
dodaniu dwóch kondygnacji podziemnych garaŜy), przeliczone na podstawie danych 3151.bw7, wynoszą 1,7 mm, natomiast napręŜenia wystepują wyłącznie ściskające. Ponadto
dane 315-2.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 318-95 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.
(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: 15831602
normy:
[2] PN-82/B-02001 ObciaŜenia budowli. ObciaŜenia stałe.
[3] PN-82/B-02003 ObciaŜenia budowli. ObciaŜenia zmienne technologiczne. Podstawowe
obciąŜenia technologiczne i montaŜowe.
[4] PN-77/B-02011 ObciaŜenia w obliczeniach statycznych. ObciąŜenie wiatrem.
bitmapy z rzutami i przekrojami budynku;
programy komputerowe: POL-3, BW-View i AutoCAD 2005;