03_Nosivi sustavi konstrukcija + Neobični konstrukcijski tipovi

1

GRAĐEVINSKI FAKULTET SVEUČILIŠTA U ZAGREBU

ZAVOD ZA KONSTRUKCIJE

VISOKE GRAĐEVINE

Nastavnik:doc. dr. sc. Goran Puž, dipl. ing. građ.

Suradnik:Tomislav Brozović, dipl. ing. građ.

- NOSIVI SUSTAVI VISOKIH ZGRADA

- Neobični konstrukcijski tipovi

Tema predavanja:

NOSIVI SUSTAVI VISOKIH ZGRADA

ČELIČNI NOSIVI SUSTAVI AB NOSIVI SUSTAVI

SPREGNUTI ELEMENTI u konstruiranju visokih zgrada

1. NOSIVI SUSTAVI VISOKIH ZGRADA - uvod

2


Nosivi sustav

DijafragmaOkviri i zidovi(sustav za preuzimanje

horizontalnog djelovanja)Međukatna konstrukcija

(sustav za preuzimanje gravitacionog djelovanja)

Konstrukcijski elementi i podsustavi

• Zidovi

• Stupovi

• Grede

• Ploče

• Temelji...

SUSTAVI ZA PREUZIMANJE HORIZONTALNOG DJELOVANJA


• Zidovi

• Sustav zidova

• Okviri

• Kombinacija zidova i okvira

3

Lista svih nebodera koji su držali naslov najviše zgrade na svijetu od 1890 do danas→ porast visine rezultirao je osmišljavanjem novih nosivih sustava


Prikaz 10 najviših nebodera na svijetu (2010. god.) →AB vs ČELIK


4

Prve visoke zgrade izgrađenekrajem 19. st. u SAD-u imale sunosivu čeličnu okvirnukonstrukciju

Prva takva 10-ero katna poslovnazgrada bila je ‘Home InsuranceBuilding’ izgrađena 1885. godine uChicagu

1. NOSIVI SUSTAVI VISOKIH ZGRADA – ČELIČNI NOSIVI SUSTAVI

ČELIČNI NOSIVI SUSTAVIu konstruiranju visokih zgrada

Tijekom narednih nekoliko desetljeća u SAD-udolazi do intenzivne izgradnje sve viših zgradabaziranoj na krutoj čeličnoj okvirnoj konstrukcijii u kombinaciji sa AB posmičnim zidovima.

Vrhunac, a ujedno i kraj američkog “zlatnogdoba” izgradnje nebodera, prekinutog velikomgospodarskom krizom, je izgradnja 381 mvisokog “Empire State Buildinga” (102 kata),1931. god. u New Yorku.

Sljedeća generacija supervisokih čeličnih neboderapočela je tek krajem 50-ih godina prošlog stoljeća,također u SAD-u

Izgradnja tih čeličnih nebodera ‘druge generacije’bazirana je na poboljšanoj tehnologiji izgradnje,povećanoj kvaliteti čelika, ali prije svega novomkručem okvirnom ci jevnom sistemu

Najreprezentativniji primjer takvog nebodera je‘Sears Tower’ u Chicagu

Konstruktivni sistem te zgrade čine međusobnopovezane okvirne cijevi

Sa 108 katova i 442m visine bila je to najvišazgrada svijeta sve do izgradnje ‘Petronas Towersa’u Maleziji 1998. g.

Međutim, ona je i danas najviši neboder konstruiran‘čistom’ čeličnom konstrukcijom, dok svi ostali višineboderi imaju konstrukciju ili AB ili u kombinacijiova dva gradiva.


5

Tablica kapaciteta različitih čeličnih konstruktivnih sustava visokih zgrada:


Okviri (engl. rigid frame)

• Sustav sačinjen od kruto povezanih greda i stupova (nepopustljiv priključak)

• Horizontalna krutost okvira ovisi o krutosti krutosti elemenata i njihovog priključka

• Ukoliko se koriste kao jedini sustav za preuzimanje horizontalnih sila, tada su ekonomični zazgrade do 25 katova

• Iznad te visine postaju prefleksibilni, a povećanje izmjera elemenata nije ekonomično

• Prednosti okvira su veliki otvori koji ostavljaju mogućnost fleksibilne organizacije prostora


6

Poduprti okviri (engl. braced frame)

• Poduprti okviri moraju posjedovati veznisustav odgovarajuće krutosti u obliku rešetke,okvira ili AB zida

• U slučaju veznog sustava rešetke, dijagonalnielementi čine svojevrsni hrbat, dok se stupoviponašaju poput pojaseva

• Sustav je ekonomičan i učinkovit zapreuzimanje horizontalnih sila i kod vrlovisokih zgrada

• Nedostak sistema je u tome što dijagonaleometaju unutarnje planiranje prostora, pa jezato uobičajeno da ih se smjesti oko dizala,stubišta i servisnih okana.


Raspoređeni sustav rešetki (engl. Staggered truss system)

• Sustav se sastoji od rešetkastih nosača visinejedne etaže spojenih sa vanjskim stupovima

• Zbog funkcionalnosti prostora rešetkastinosači se postavljaju naizmjence na svakudrugu etažu

• Osnovna ideja je da se horizontalna sila prekokrute međukatne konstrukcije prenese narešetke

• Stupovi u ovom slučaju nisu opterećenimomentom savijanja već se preko njihhorizontalna reakcija od rešetki iznad samodalje prenosi kroz dijafragmu na rešetke ispodte se taj proces uzastopce ponavlja

• Sustav se koristi za zgrade do 40 katova


7

Poduprti okvirni sustav sa ekscentrično spojenim veznim sistemom (engl. Eccentricbraced frame)

• Sustav je nastao kao kombinacija krutogokvira, kojeg karakterizira neelastičnoponašanje i mogućnost disipacije energije ispregova koji omogućuju preuzimanjemnogo većih sila

• Namjerno se unosi ekscentricitet upriključak prečke okvira i veznog sistema

• Greda, na koju je ekscentrično spojenadijagonala, ponaša se kao ‘osigurač’, na tajnačin da se na njezinom kraju stvaraplastični zglob, omogućujući na taj načinkroz plastično deformiranje disipacijuenergije

• Plastično tečenje tog kraja grede, napotezu između priključka stup-nosač inosač-vezni sustav, omogućuje stvaranjegrednog mehanizma sloma, koji jepovoljan u tom smislu jer omogućava dastupovi i dalje prenose vertikalnoopterećenje.


Kombinacija sustava nepoduprtih i poduprtih okvira (engl. Interacting system of bracedand rigid frame)

• Sustav nastao kombinacijom nepoduprtih ipoduprtih okvira

• Omogućuje izgradnju viših i ekonomičnijihkonstrukcija od klasičnog okvirnog sustava

• Poduprti okviri, koji u sebi sadržerešetkasti vez, pozicioniraju se tako dačine jezgru zgrade


8

Sustav ojačane centralne jezgre (engl. outrigger and belt truss system)

• Sustav čine središnja jezgra povezana savanjskim stupovima preko krutog, najčešćerešetkastog nosača

• Središnja se jezgra može konstruirati kaospregnuti okvir ili kao AB zid

• Sustav djeluje tako da vanjsko horiz. opter.Ne preuzima samo jezgra već se prekokrutih nosača aktiviraju vanjski vlačno-tlačni stupovi


Okvirne cijevi (engl. Framed tube)

• Okvirne cijevne konstrukcije konstruirane su od četiri vrlo kruta okvira, koji zajedno oblikuju cijev poobodu zgrade

• Okviri su sastavljeni od stupova postavljenih na malom razmaku međusobno povezanih krutimprečkama

• Vanjska cijev preuzima 100% horizontalnog djelovanja i većinu vertikalnog

• Promatrajući cijeli sustav kao konzolu upetu u tlo, vidimo da horizontalna opterećenja preuzimaju okviriu onim stranicama položenim u smjeru djelovanja opterećenja, djelujući dakle kao hrptovi,

• Preostala dva okvira, okomita na smjer horizontalnog opterećenja, djeluju kao pojasnice


9

Cijevi ojačane dijagonalama (engl. Trussed tube)

• Cijevi ojačane dijagonalama poboljšavajuučinkovitost običnih cijevi omogućujućikonstruiranje viših zgrada sa većim razmacimastupova okvira

• Dijagonale utječu na taj način da eliminirajuutjecas shear laga u hrptenim i pojasnim okvirima

• Efekt shear laga ograničava visinu klasičnihokvirnih cijevi na konstruiranje zgrada sa max 50-60 katova

• Izuzetak su srušeni ‘neboderi blizanci’ (WTC uNew Yorku), gdje su stupovi okvira bili udaljenisvega 1m.


Sustav međusobno povezanih cijevi (engl. Bundled tube)

• Sustav međusobno povezanih cijevi ostvaruje većukrutost od pojedinačne cijevi

• Sustav je prvi put primjenjen za izgradnju ‘Sears Towera’u Chicagu, 1974. god.

• Unutrašnji hrptovi bitno smanjuju utjecaj posmičnefleksibilnosti (shear lag) u pojasevima

• Time su naprezanja u stupovima raspoređenaravnomjernije nego kod sustava sa jednom cijevi

• Sustav međusobno povezanih cijevi ostvaruje daklemnogo veću fleksijsku krutost u odnosu na sustav jednecijevi

• Međutim, postoji problem u ograničavanju planiranjaunutrašnjeg prostora


10

Početni period izgradnje visokih zgrada,sa kraja 19. st. i početka 20. st., obilježilaje izgradnja visokih zgrada konstruiranihuglavnom čeličnom konstrukcijom

Tijekom vremena, napretkom tehnologije,porasla je kvaliteta betona, kao imehanizacije u obliku oplata, jakih pumpiza beton itd., koji su zajedno omogućiliekonomičnu izgradnju vrlo visokih ABkonstrukcija zgrada

Osim toga, osmišljeni su i konstruktivnisustavi koji omogućuju iskorištavanjepotencijala armiranog betona

Danas je armirani beton ravnopravno gradivou odnosu na čelik (što najbolje pokazuje ilista od 10 najviših nebodera na kojoj su,izuzev Sears Towera u Chicagu, svi upotpunosti ili djelomice armiranobetonski)

1. NOSIVI SUSTAVI VISOKIH ZGRADA – AB NOSIVI SUSTAVI

AB NOSIVI SUSTAVIu konstruiranju visokih zgrada

AB konstruktivni elementi u visokim zgradama koji mogu preuzetihorizontalna djelovanja (sile vjetra i potresa):

• Zidovi

• Sustav zidova

• Okviri

• Kombinacija zidova i okvira


11

AB zidovi (engl. walls)

• Uporaba AB zidova kao vertikalnih ukrućujućih elemenata zgrada koji preuzimaju horizontalnodjelovanje potresa ili opterećenja vjetrom, zbog svoje velike krutosti i nosivosti znatno jepovoljnije od AB okvira

• Razlikujemo:

1. niske-posmične (velike slaboarmirane) zidove,

2. vitke (duktilne) zidove

• Kratki zidovi - ne mogu trošiti energiju disipacijom kroz plastični zglob

• Duktilni zidovi - proračunati tako da oslobađaju energiju u plastičnoj zoni


Sustav zidova (engl. Coupled shear walls)

• Sustav dvaju ili više povezanih (ili nepovezanih), AB zidova

• Kod sustava zidova za koje se kaže da su povezani, veza mora biti ostvarena u obliku krute,primjereno duktilne “vezne grede”

• Prema EC8, sustav zidova mora posjedovati nosivost na poprečnu silu pri podnožju zgradetakvu da premašuje 65% ukupne nosivosti na poprečnu silu cjelokupnog sustava


12

Sustav zidova (engl. Coupled shear walls)

• Na sljedećim slikama prikazana su područja stvaranja tzv. plastičnih zglobova u slučajuduktilnog zida bez otvora i u slučaju sustava povezanih zidova


Okviri (engl. frames)

• Okvirni sustav je sustav međusobno kruto povezanih stupova i prečki

• Otpornost djelovanju vanjskih sila je ostvarena krutom vezom stup-greda

• Okvirne AB konstrukcije valja projektirati da imaju, osim svojstva nosivosti, i duktilnostpotrebnu za apsorbciju seizmičke energije, kako bi se mogle proračunati na reducirane silepotresa


13

Dvojni sustav (engl. Dual systems)

• U ovakvim sustavima AB okviri interaktivno sa AB zidovima preuzimaju horizontalnaopterećenja (naravno, u omjerima ovisnim o vlastitoj krutosti)


Dijafragma – kruta AB međukatna konstrukcija

• Preduvjet da bi konstrukcija visoke zgrade imala poželjan odziv usljed dinamičke (seizmičke)pobude jest da svi njezini kontruktivni sustavi koji preuzimaju horizontalne sile, budu međusobnopovezani i ponašaju se kao jedinstvena cjelina

• To se ostvaruje preko ploha međukatnih konstrukcija koje posjeduju dovoljnu krutost u svojojravnini - dijafragmi

• Funkcija međukatne konstrukcije kaodijafragme, jest da prenese inercijalnusilu, izazvanu potresom, i generiranumasom same međukatne konstrukcije,(te dodatnim stalnim i korisnimopterećenjem), na sve konstruktivnesustave i elemente koji preuzimaju teinercijalne sile.


14

Tablica kapaciteta različitih AB konstruktivnih sustava visokih zgrada:


Sustav ravnih ploča i stupova (engl. flat slab & columns)

• Sustav nije pogodan za izgradnju visokihzgrada!!!

• Stupovi, kao jedini vertikalni konstruktivnielementi koji preuzimaju horizontalnodjelovanje, ne posjeduju dovoljnu fleksijskukrutost (EI)


15

Sustav ravnih ploča i nepovezanih posmičnih zidova (engl. flat slab & shear walls)

• Sustav ravnih ploča i stupova nije dobar za izgradnju viših zgrada

• Međutim, ukoliko tom sustavu pridodamo pojedinačne nosive posmične zidove (čija je posmičnakrutost GA mnogo veća od fleksijske krutosti stupova EI), dobivamo sustav koji se može oduprijetivećim horizontalnim silama


Sustav povezanih posmičnih zidova (engl. Coupled shear walls)

• Ukoliko su zidovi postavljeni na međusobno manjem razmaku, tada je međukatna konstrukcija, akoje dovoljno kruta u svojoj ravnini (dijafragma), u stanju prenijeti horizontalne sile do zidova

• Budući da zidovi nose isključivo u svojoj ravnini, postavljanjem zidova u dva ortogonalna smjerastvara se sustav koji je posjeduju dovoljnu krutost da na sebe preuzme znatna horizontalnaopterećenja u svim smjerovima

• Zidovi se najčešće grupiraju u centralne jezgre, unutar kojih se nalaze koridori za komunikaciju(liftovi i stubišta)


16

Okvirni sustav (engl. Rigid frame)

• AB okviri su sustavi kruto povezanih stupova i greda

• Ti sustavi su ekonomični za zgrade do 25 katova

• Postoji problem arhitektonskog ograničenja visine stropne konstrukcije (u koju se svojom visinom neuklapa prečka okvira), ili problem prekobrojnih stupova okvira (gustog rastera)

• Taj problem najčešće ne postoji kod vanjskih obodnih okvira, gdje se stupovi mogu postaviti nabližem razmaku, a i prečke mogu biti više


Cijevni sustav sa većim razmakom stupova (engl. Tube system with widely spaced columns)

• Pod pojmom “cijevi” , u standardnoj građevinskoj terminologiji, podrazumijeva se sustav stupova, narelativno malom razmaku (recimo 2,5 – 5m), povezanih vrlo krutim visokim prečkama

• Međutim, moguće je postići učinak cijevi i sa relativno dužim razmakom stupova, ali i dalje krutimprečkama

• Primjer ovakvog konstruktivnogsustava je 28-katni neboder u NewOrleansu sa stupovima širine 1,5mpostavljenim na međusobnomrazmaku od 7,5 m, te povezanihgredama visine 1,5m


17

Okvir sa gredama promjenjive visine (engl. Rigid frame with haunch girders)

• U poslovnim zgradama se ponekad, zbog težnje arhitekata za ostvarenjem što više slobodnogprostora, stupove okvira postavlja na dosta velikim razmacima

• U tom slučaju, da bi okvir imao svoju funkciju, potrebna je fleksijski veoma kruta greda, koja se pakzbog svoje visine ne uklapa u limitirajuću visinu stropa

• Rješenje se nameće u gredi promjenjive visine, koja pri ležaju ima veću visinu nego u srediniraspona


Sustav sa jezgrom (engl. Core-supported structure)

• Sustav zidova međusobno spojenih tako da tvore jezgru, predstavlja sustav sa dovoljnom krutošćukoji na sebe može preuzeti znatna horizontalna djelovanja

• Unutar jezgre se u pravilu nalaze komunikacijski kanali, tj. dizala i stubišta

• Sustav koji okružuje jezgru, dakle međukatne konstrukcije te stupovi ili okviri, ne moraju nužno bitiod betona, već mogu biti čelični i/ili spregnuti


18

Kombinacija zidova i okvira (engl. Shear wall – frame interaction)

• Ovaj konstruktivni sustav se odupire djeovanju horizontalnih sila kombinacijom sustava zidova ikrutih okvira

• Zidovi su tako raspoređeni da uglavnom tvore jezgru oko stubišta i dizala, dok su okviri, sa relativnovisokim gredama, raspoređeni po rubovima

• Sustav zidova i zidova i okvira omogućuje ekonomičnu izgradnju 50-ero katnih zgrada, pa i viših

• Potencijalne prednosti ovakvog sustava ovise o interakciji zidova i okvira, što pak jasno ovisi i okrutosti ova dva sustava te visini objekta


Okvirni cijevni sustav (engl. Frame tube system)

• Ovaj se sustav sastoji od krutih okvira raspoređenih po obodu zgrade

• Okvire karakterizira vrlo blisko postavljeni stupovi povezani krutim visokim prečkama

• Sustav funkcionira vrlo učinkovito kao vertikalna šuplja konzola

• Sustav se uzima u obzir prilikom projektiranja zgrada sa 40 katova i viših


19

Okvirni cijevni sustav (engl. Frame tube system)

• Na sljedećim slikama prikazana je distribucija uzdužnih naprezanja u cijevi sa i bez utjeca shear-laga


Cijevi ojačane dijagonalama (engl. Exterior diagonal tube)

• Sustav cijevi ojačane dijagonalama je uobičajeniji uprojektiranju čelične konstrukcije nebodera

• Dijagonale imaju ulogu da na sebe preuzmu diohorizontalnog opterećenja, rasterećujući tako okvire, odkojih je cijev konstruirana

• Jedan takav neboder od 50 katova sagrađen je u NewYorku i shematski je prikazan na sljedećim skicama


20

Sustav međusobno povezanih cijevi (engl. Bundled tube)

• Sustav međusobno povezanih AB okvirnih cijevi čini iznimno kruti sistem koji jepogodan za konstruiranje vrlo visokih zgrada

• Okviri koji čine hrbat cijevi preuzimaju na sebe posmičnu silu, dok okomite pojasniceprenose moment savijanja

• Za razliku od sustava sa jednom cijevi, sustav povezanih cijevi omogućuje povećanirazmak stupova okvira te manje visine prečki

• Primjer sustava povezanih cijevi –tlocrtna dispozicija i 3D prikaz


Sustav posmičnih zidova i jezgre (engl. Spinal wall system)

• Novi inovativni sustav osmišljen za mogućnost izgradnje ultra visokih nebodera (Burj Dubai)

• Sastoji se od udvojenih, međusobno paralelnih, i blisko postavljenih, posmičnih zidova kojiposjeduju veliku posmičnu krutost u svojoj ravnini te stabilnost

• Da bi se cijeli sustav (na neboderu Burj Dubai), dodatno ukrutio, osim centralne jezgre,konstruirani su dodatni zidovi (okomite pojasnice) pomoću kojih konstrukcija ostvaruje dodatnufleksijsku i torzijsku krutost

• Izdvojeni model međukatnekonstrukcije tornja “BurjDubai” – program “Etabs””


21

• Sprezanje čeličnog i betonskog dijela presjeka elementa → zajedničko djelovanje

• Povećanje nosivosti i ekonomična i brža izgradnja

• Spregnute: ploče, nosači, stupovi, zidovi

1. NOSIVI SUSTAVI VISOKIH ZGRADA – SPREGNUTI ELEMENTI

SPREGNUTI ELEMENTIu konstruiranju visokih zgrada

Spregnuti elementi u konstruiranju visokih zgrada

• Prikaz nekih oblika sprezanja čelik-beton i izvedbenih detalja


22

Spregnuti elementi u konstruiranju visokih zgrada


NEOBIČNI KONSTRUKCIJSKI TIPOVI (NOSIVI SUSTAVI)

2. NEOBIČNI KONSTRUKCIJSKI TIPOVI

ILI

NEOBIČNA (SUVREMENA) ARHITEKTURA ???

23

Primjeri izvedenih “neobičnih” nebodera

• “Capital Gate Tower”, Abu Dhabi, UAE (2010)

• Visina: 160 m (35 katova)

• Nakošenost: 18°!!!

• Sustav: vertikalno prednapeta AB jezgra + čelični spregnuti okvir;

• Spregnuta međukatna konstrukcija



24

• “Pearl River Tower”, Guangzhou, Kina, (2010)

• Visina: 310 m (71 katova)

• Sustav: AB jezgra + čelični okvirna konstrukcija;

• Spregnuta međukatna konstrukcija

• Vjetrovne turbine ugrađene unutar nebodera!!!



25

HVALA NA PAŽNJI!!!

Kontakt, pitanja & odgovori:

web: - http://sites.google.com/site/brozovictomislav/home

e-mail: - [email protected]

Documents

03_Nosivi sustavi konstrukcija + Neobični konstrukcijski tipovi