Obsah Zdroje, literatura - cvut.czkps.fsv.cvut.cz/upload/files/02-03_2017_vicepodl_zatizeni.pdf · 124KP5 - Přednáška 2-3 29 Vodorovná zatížení na vícepodlažní budovy Vítr

Konstruk ční systémy budovPřednášky 2 - 3

Konstruk ční systémy vícepodlažních budov a zatížení

Doc. Ing. Hana Gattermayerová,[email protected]

Obsah Zdroje, literatura

Normy pro zatížení – ECEvropské normy EN

• Svislé prvky a svislá zatížení České normy ČSN EN• Svislé prvky a vodorovná zatížení NA (národní aplikační

• Vítr, seismicita dokumenty)• Nesilová zatížení

• Mimořádná zatížení

124KP5 - Přednáška 2-3 1


Mezní stavy

I. Mezní stav – únosnost

Ztráta stability

Ztráta rovnováhy

Převrácení, kolaps, vzpěr

Collapse of a high-rise building because of failure of the columns at the first storey during the Chi-Chi earthquake, Taiwan, September 20, 1999, Magnitude 7.6


Mezní stavy

II. Mezní stav –použitelnost

Nadměrné deformace

Trhliny

Vibrace

Poškození vzhledu

Dopad na obalové konstrukce


Rozdělení zatížení

Stálá Proměnná Mimo řádnáG Q A

Vlastní váha konstrukcí a pevně zabudovaných prvkůZemní tlakHydrostatický tlakPředpětí

Nahodilá užitná Klimatická (vítr, sníh, déšť, námraza)Nesilová zatížení (teplotní změny, rozdílné sedání, smršťování, dotvarování)Montážní excentricitySeismicita

Výbuch plynuTlakové vlnyPovodněTeroristické útoky


Odezva konstrukce na zatížení

Stálé zatížení – vlastní váha konstrukcí

Je konstantní po dobu životnosti

Způsobuje dlouhodobé deformace a dotvarování

Source of pictures: FINE HOMEBUILDING



Prom ěnné zatížení užitné

Působí s proměným výskytem na vodorovné konstrukce

Možnost omezení průhybu a vibrací vhodnou volbou podlahových a podhledových konstrukcí



Prom ěnné klimatické zatížení - vítr

Působí tlakem nebo sáním kolmo na vnější povrch objektů

Vliv na stabilitu objektů (výškové budovy)

Vliv na prvky fasádního a střešního pláště (jednotlivé prvky budovy)



Prom ěnné klimatické zatížení - sníh

Působí rovnoměrně nebo v návějích v průmětu na střešní rovinu

Vliv na dimenze a deformace prvků zastřešení



Prom ěnné zatížení -seismicita

Působí vodorovnými silami způsobenými uvolněním elastické energie v tektonicky aktivních oblastech

Způsobuje destrukce, deformace, poškození vzhledu


EN Normy (platné od 04/2010!! dřívější ČSN, ENV, P ENV zrušeny)

ČSN EN 1991 (730035)Zatížení stavebních konstrukcí

(Actions on structures)� ČSN EN 1991-1-1 (730035)

Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-1: Obecná zatížení -Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních

stavebČSN EN 1991-1-1/NA (730035)

National Annex - Eurocode 1: Actions on structures -Part 1-1: General actions - Densities, self-weight,

imposed loads for buildings (2004)

� ČSN EN 1991-1-2 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-2: Obecná zařízení -

Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáruČSN EN 1991-1-2/NA (730035)

National Annex - Eurocode 1: Actions on structures -Part 1-2: General actions - Actions on structures

exposed to fire (2004)

� ČSN EN 1991-1-3 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-3: Obecná zatížení

Zatížení sněhemČSN EN 1991-1-3/NA (730035)

National Annex - Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-3: General actions - Snow loads :2005)

� ČSN EN 1991-1-4 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-4: Obecná zatížení -

Zatížení větremČSN EN 1991-1-4/NA (730035)

National Annex - Eurocode 1: Actions on structures -Part 1-4: General actions – Wind actions

�ČSN EN 1991-1-5 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-5: Obecná zatížení - Zatížení

teplotouČSN EN 1991-1-5/NA (730035)

National Annex - Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-5: General actions - Thermal actions

•ČSN EN 1991-1-6 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-6: Obecná zatížení - Zatížení

během provádění

•ČSN EN 1991-1-7 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-7: Obecná zatížení -

Mimořádná zatížení

•ČSN EN 1991-3 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 3: Zatížení od jeřábů a strojního

vybavení

•ČSN EN 1991-4 (730035)Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 4: Zatížení zásobníků a nádrží

�ČSN EN 1998-1 (730036)

Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení – Část 1: Obecná pravidla, seizmická

zatížení a pravidla pro pozemní stavby

Eurocode 8: Design of structures for earthquake res istance – Part 1: General rules, seismic actions and rules for bui ldings


Charakteristické a návrhové hodnoty zatížení

Fd = γF ψi Fk

γF = 1,35 ( stálé zatížení)

γF= 1,5 (proměnná zatížení)

Součinitelé ψiČSN EN 1990, 2002, tab. A.1.1Zatížení ψ0 ψ1 ψ2

užitné A, B 0,7 0,5 0,3užitné C, D 0,7 0,7 0,6užitné E 1,0 0,9 0,8Sníh 0,5 0,2 0,0vítr 0,6 0,2 0,0Teplota 0,6 0,5 0,0

Fk - char. value

Fd - design value


Kombinace pro mezní stavy únosnosti


Svislé prvky a svislé zatížení

Funkce:

Transport zatížení ze stropních konstrukcí do základů (gravity load = gravitační, svislé zatížení)


Stálé zatížení

Vektor má velikost a směr - např. “síla”, “tíha (váha) - weight”, “tlak”Skalár má pouze velikost - např. “čas”, “hmota - mass”Nezaměňujte “hmotu” s “tíhou (váhou)”!Ve skutečnosti tíha je síla! Je to gravitační přitažlivost země proti hmotnosti: F = m.gSměr je do středu země

Opakování fyziky a základů stavební mechaniky:


Stálé zatíženíNosné konstrukce (sloupy, stěny, stropní konstrukce, základy....)Nenosné konstrukce (příčky, podhledy, střešní pláště, obvodové pláště, tepelné izolace, hydroizolace...)Pevně zabudované zařízení (výtahy, eskalátory, potrubí, technologie....)

Vlastní tíha = objem x objemová tíha [m3 x kN/m3]

Charakteristické hodnoty objemové tíhy v ( EN 1991-1-1, příloha A)


Prom ěnné zatížení - nahodilé užitné

vliv na konstrukce podlah, podhledů !!



ČSN EN 1991-1-1

Národní příloha ČSN EN 1991-1-1


Prom ěnné zatížení - nahodilé užitné - p říklad kategorie E1

ČSN EN 1991-1-1: Kategorie E1 sklady, archívy



Nahodilé zatížení může předepsat investor v rámci svých požadavků. V případě odlišnosti od velikosti stanovené normou musí být jeho hodnota vyznačená tabulkou v místnosti nebo v provozním řádu budovy









Možnost využití redukce užitného zatíženíu vícepodlažních budov při návrhu svislých prvk ů a základů (platí pro kategorie A až D):



Příklad redukce užitného zatížení

Optimalizace návrhu železobetonového sloupu:

Administrativní budova, užitné zatížení 2,5 kN/m2, konstrukční výška 3,6 m. Zatěžovací plocha 30 m2.



Příklad redukce užitného zatížení – normálová síla ve sloupu



Příklad redukce užitného zatížení – porovnání rozměru sloupu při stejném stupni vyztužení


Svislé prvky a vodorovné zatížení

Funkce prvk ů:

Transport zatížení vlastní tuhostí, vzájemným spřažením a prostřednictvím tuhé stropní tabule do základů (lateral loads = příčné, vodorovné zatížení)


Svislé prvky a vodorovné zatížení

Analogie konzola

balkonu:

Smyková a

ohybová deformace

Svislé prvky

konstrukčního

systému:

Působení konstrukčního systému – konzolové chování (ohyb, smyk)


Vodorovná zatížení na vícepodlažní budovy

Vítr (ČSN EN 1991-1-4)Nejvíce devastující přírodní sílaHurikán Katrina r. 2005Nejvyšší rychlost větru: 280 km/h, ekonomická ztráta

100 miliard dolarů

ČR Orkán Kyril r. 2007 (Praha-Karlov v nárazech 45 m/s (162 km/h), Sněžka 60 m/s (216 km/h).

Seismicita (ČSN EN 1998-1)Nejsilnější dosud zdokumentované zemětřesení o

síle 9,5 stupně zasáhlo roku 1960 Chile a vyžádalo si 2000 obětí

Druhé největší zemětřesení r. 2004 (podmořské s epicentrem u Sumatry) 9,3 stupně, 270 000 obětí

Cyklon, hurikán, tajfun


Atmosférické útvary charakteru tlakové níže v podobě obrovského víru s charakteristickým okem ve středu. Jedná se o rozsáhlý rotující bouřkový systém s velmi nízkým tlakem. Velikost se pohybuje od 100 do 2 000 km v průměru a rychlost větru může dosáhnout i 300 km/h. Tropické cyklóny vznikají v subtropické oblasti.

Tornádo


Tornádo je silně rotující vír, vyskytující se pod spodní základnou konvektivních bouří, který se během své existence alespoň jednou dotkne zemského povrchu a je dostatečně silný, aby na něm mohl způsobit hmotné škody. Je schopné vznést do vzduchu předmět o hmotnosti až 5 tun. Rychlost větru v tornádu se pohybuje od 50 do 100 m/s. Síla tornáda je dána Fujitovou stupnicí

Fujitova stupnice síly tornáda



Zatížení větrem

Časopis Stavebnictví 8/2010, ing. Vácha

Tlak větru na území ČR

1887 – Stavební řád pro Království České

1917 - Technický průvodce pro inženýry a stavitele, zahrnuje tehdejší Rakousko-Uherské pobřeží Dalmácie

ČSN 1050-1950 Zatížení stavebních konstrukcí

ČSN 730035 – Zatížení stavebních konstrukcí, 1986

ČSN EN 1991-1-4 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4:Zatížení větrem, 2007


Zatížení větrem - metodika výpo čtu dle EN

Eurocody pravděpodobnost překročení návrhového zatížení po dobu životnosti stavby (50 let) je minimální

Mapy větrných oblastí dle statistických odhadů střední rychlosti v ětruv intervalu 10 minut

Velikost zatížení větrem (obecně všech klimatickcýn zatížení) je „dohodou“ všech zúčastněných subjektů - CEN, ÚNM, ČNI, ČHMÚ....

Jednotný systém na území EU k prokazování shody pozemních staveb


Zatížení větrem - p říklady jiných metodik výpo čtu

Rusko SNiP 2.01.07-85

Normová hodnota základního tlaku v ětru w 0 (kPa) střední doba návratu 10 let

Větrné oblasti Ruska Iа I II III IV V VI VII

w0(kPa) 0,17 0,23 0,3 0,38 0,48 0,6 0,73 0,85



Ce dtto ČSN 73 00 35 – jednotná metodika v rámci RVHPRusko SNiP 2.01.07-85



Spojené státy - UBC 1997



Spojené státy - UBC 1997


Zatížení větrem (ČSN EN 1991-1-4)


Zatížení větrem


Zatížení větrem – mapa v ětrových oblastíČSN EN 1991-1-4/NA


Zatížení větrem –mapa větrových

oblastíPříklad – Velká

BritánieNA / BS EN

1991-1-4:2005


Zatížení větrem – mapa v ětrových oblastíPříklad – Španělsko


Zatížení větrem – vliv terénu


Zatížení větrem – vliv terénu

Proudění větru v městské zástavbě


Zatížení větrem – m ěstské zástavby


Zatížení větrem – vliv terénu, proud ění větru


Zatížení větrem - vn ější tlak na povrchy


Zatížení větrem - vliv výšky nad terénem


Zatížení větrem - vliv výšky nad terénem


Zatížení větrem -vliv tvaru budovy

příklad –součinitel vn ějšího

tlaku pro svislé st ěny

pravoúhlých půdorys ů

wind

Cpe,10pro zatěžované plochy > 10 m2

Budovy

Cpe,1pro zatěžované plochy < 1 m2

Prvky fasády, výplně záradlí, kotvení


Zatížení větrem příklad po čtu kotev ETICS v závislosti na lokalit ě, kategorii terénu, sou činiteli vn ějšího tlaku c pe,1 a na pozici na fasád ě


Zatížení větrem příklad po čtu kotev ETICS v závislosti na lokalit ě, kategorii terénu, sou činiteli vn ějšího tlaku c pe,1 a na pozici na fasád ě

Počet kotev

A B C E pásmo


Zatížení větrem - vliv tvaru budovypříklad – sou činitel vn ějšího tlaku pro kruhové válce


Zatížení větrem - vliv tvaru budovypříklad simulace tlaku v ětru na povrchy budov

http://www.ansys.com/Industries/Construction/Wind+Engineering


Zatížení větrem -příklad – optimalizace tvaru budovy – vn ější tlak na

svislé st ěny c pe,10

30 St. MaryAxe,London,UKBuild in 2004Height 180 m.


Zatížení větrem –příklady havárií

Uragán Kyrill 1.3.2008, ČRrychlost v ětru v nárazech162 km/hodSněžka 19.1.2007, 216 km/h

Příklad – typová hala pro kombinace sníh a vítr


Příklad – typová hala pro kombinace sníh a vítr


Nelze navrhovat „typové“ konstrukce !!!


Seismické zatížení

Zatížení vyvolané pohybem základové půdy :

Přírodní seismicita (zemětřesení) – krátká doba trvání, dosah v km

Technická seismicita(doprava, důlní činnost..) krátká i ustálená doba trvání, dosah v m


Seismické zatížení – p řírodní zem ětřesení

řítivá - vznikají např. zřícením stropů podzemních dutin v krasových nebo poddolovaných oblastech.

sopečná (vulkanická) - průvodní jev sopečné činnosti. Hypocentra vázaná na přívodní dráhy vulkanického materiálu, hloubky do 10 km. Lokální význam, malá intenzita. Výskyt v rojích.

tektonická (disloka ční) – nejčastější. Vznikají uvolněním nahromaděné elastické energie v tektonicky aktivních oblastech, přičemž dochází ke smykovému pohybu ker podél zlomových spár.


Seismické zatížení - Tektonické jevy

Hypocentrum = ohnisko zemětřesení v hloubce

Epicentrum = kolmý průmět hypocentra na zemský povrch


Seismické zatíženíDruhy seismických vln


Seismické zatíženíDruhy seismických vln

P-vlny (primary) . Jedná se o podélné vlnění tj. o vlny, které průchozí těleso/hmotu stlačují a rozpínají ve směru šíření vln.S-vlny (secondary) . Oscilace tělesa, částice tělesa začnou kmitat kolmo ke směru procházejícího vlnění (příčné vlny), což má destruktivní účinky.Rayleighovy vlny (povrchové) –kruhové nebo eliptické vlnění, podobá se vlnění, které probíhá v mořských vlnách. Tyto vlny se šíří při povrchu Země a vyvolává její oscilaci


Seismické zatíženíObjektivní popis zem ětřesení

Richterova stupniceM = log A

M (magnitudo) je funkcí dekadického logaritmu ampl itudy vlny v µm ve zdálenosti 100 km od epicentra


Seismické zatíženíNejvětší zem ětřesení na sv ětě od r. 1900

Zdroj: National Earthquake Information Center - NEIC


Seismické zatíženíZemětřesení

v r. 2012



Seismické zatíženíZemětřesné oblasti sv ěta



Seismické zatíženíTerminologie

Perioda kmitání T je čas, po kterém se periodický pohyb opakuje. [T] = s

Počet opakování za jednotku času je frekvence (kmitočet) f. [f] = s–1 = Hz (hertz)

Amplituda je maximální hodnota periodicky měnící se veličiny

Zrychlení a je charakteristika pohybu, která popisuje, jakým způsobem se mění rychlost tělesa v čase m.s-2

T = 1 / f


Seismické zatíženíVliv na budovy

Budova setrvačností hmoty vzdoruje pohybu, který způsobuje příčné síly

Překlopení Usmyknutí



Odezva konstrukce závisí na její výšce, tuhosti a na typu podloží, kterým se šíří seismické vlny

Perioda vlastních kmitů budovy nesmí být v rezonanci s periodou kmitání při zemětřesení

Ohyb(první tvar kmitání)

Ohyb(vyšší tvary kmitání)



http://inderc.blogspot.cz/2012/11/soft-story-and-weak-story-in-earthquake.html

Vodorovné a smykové síly zůsobené seismickými silami


Seismické zatížení – konstruk ční opat ření (seismická izolace základ ů)

Bez izolace S izolací





„seismická izolace základ ů“



Seismické zatížení – konstruk ční opat ření ( tlumi če –pohlcování energie)

Viskózní tlumič

Třecí tlumič


Seismické zatížení – konstruk ční opat ření (viskozní tlumi če – pohlcování energie)


Seismické zatížení – konstruk ční opat ření (pasívní pohlcování energie)

Tlumič o hmotnosti 660 t


Seismické zatížení – konstruk ční opat ření (disipativní zóny k„rozptýlení“, disipaci energie)

http://www.youtube.com/watch?v=-3Smcw87t54


Seismické zatížení – konstruk ční opat ření (disipativní spoje, p říklady)

Seattle's Washington Mutual Center-Seattle Art Museumbuckling restrained braces

Ztužidla s nízkou mezí kluzu


Seismické zatížení – konstruk ční doporu čení pro koncepci budov

Materiálová jednotnost

Konstrukční jednoduchost, kontinuita konstrukce

Symetrie

Dilatování na čtvercové celky

Bez konzol

Únosnost a tuhost stejná v obou směrech budovy

Stropní konstrukce tuhá diafragma

Ne „měkká“ spodní podlaží (soft storey collapse)



Ne „měkká“ spodní podlaží (soft storey collapse)



(soft storey collapse)


Seismické zatíženíČSN EN 1998-1 (730036)


Seismické zatíženíČSN EN 1998-1 (730036)

NA 1998-1:

Velmi malá seismicita , agR·γI ·S ≤ 0,05g(viz NA.2.8) – výpočet konstrukcí bez vlivu seismicity podle základních dimenzačních norem (EN 1992, EN 1993,.....)Malá seismicita , kdy 0,05g < agR·γI ·S ≤ 0,10g(viz NA.2.7) – konstrukční požadavky (příklady: „jednoduché zděné budovy“ (viz EN 1998-1, čl. 9.7)Větší seismicita , kdy agR·γI ·S > 0,10g– návrh a posouzení podle EN 1998-1(lineárně pružný výpočet –modální analýza pomocí spektra odezvy), implementace ve speciálnáích modulech softwaru


Seismické zatížení - mapa seismických oblastí ČRČSN EN 1998-1 (730036)


Seismické zatížení - parametr podloží (soil factor)

Soil factor S –rozdílný pro Čechy a Moravu


Seismické zatížení typy základové p ůdy, spektrum pružné odezvy


Seismické zatížení - součinitel významu

Tab. NA.1


Seismické zatížení – příklad výpo čtu konstrukce

Metoda výpo čtu:

Modální analýza pomocí spektra odezvy


Zatížení nesilová – teplotní zatížení

Pouze u staticky neur čitých konstrukcí !!Staticky ur čitá konstrukce - konzola


Zatížení nesilová – teplotní zatížení - příklad poruchy u vícepodlažní budovy

Vliv tuhosti p řipojení vnit řní a vnější montované st ěny:

tuhý p řípoj venkovní a vnit řní losžiové st ěny

cyklické namáhání teplotními zatíženími

porušení konstrukce


Zatížení nesilová – teplotní zatíženíměření pohyb ů příčné

a obvodové montované st ěny v závislosti na teplot ě

Průběh teplot (20.11. - 25.12.1997)

-10,0

-5,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

20.1

1.

23.1

1.

25.1

1.

27.1

1.

30.1

1.

2.12

.

4.12

.

7.12

.

9.12

.

11.1

2.

14.1

2.

16.1

2.

18.1

2.

21.1

2.

23.1

2.

25.1

2.

Dny

Tep

loty

(de

g C

)

vodor.

svislé

2,42,52,62,72,82,93,03,13,23,33,43,53,63,73,83,94,04,14,24,34,44,54,64,7

Pos

uny

Dny

Posuny

vodor.

svislé


Zatížení nesilová – teplotní zatížení vliv tuhosti p řipojení vnit řní

a vnější montované st ěny

Tuhý spoj: T profil Poddajný spoj: betoná řská výztužX


Zatížení nesilová – teplotní zatížení

Detaily porušení styku stěny a stropu


Zatížení nesilová – teplotní zatíženíPříklad porušení železobetonové st ěny a stropu panelového

domuNormálové napětí v patě stěnového panelu od oteplení vnější neizolované lodžiové stěny je v případě jejího tuhého přípoje srovnatelné s napětím od vlastní tíhy!!!


Zatížení nesilová – teplotní zatížení vliv tuhosti p řipojení vnit řní

a vnější montované st ěny

Numerická analýza stěny

Otepelní vn ější st ěny – tvar deformace Otepelní vn ější st ěny – tvar deformace po izolování spodní části st ěny


Mimo řádná zatížení

➔Výbuch plynu➔Náraz vozidla➔Tlakové vlny nadzvukových letadel

Příklad:Bratislava 1977, SlovakiaMontovaný železobetonový skeletVýbuch plynuVýbušnost plynu při koncentaci 4,5-13% v objemu vzduchuKubatura bytu 81m3, množství plynu 3,6 m3


Mimo řádná zatížení – výbuch plynu

Příklad:

Ronan Point 1969, GBProgressive collapsMontovaná stěnová konstrukce„domeček z karet“chyb ějící vodorovné a svislé ztužení mezijednotlivými díly montované konstrukce

Konstruk ční opat ření pro mimo řádné účinkyČSN EN 1992







Mimo řádná zatížení – teroristický útok

WTC, 11/09/2001



Principes (Diagram) of demolition



http://www.nist.gov/el/wtc7final_112508.cfm

Graphic showing the buckling of WTC 7 Column 79 (circled area), the local failure identified as the initiating event in the building's progressive collapse.

Documents

Obsah Zdroje, literatura - cvut.czkps.fsv.cvut.cz/upload/files/02-03_2017_vicepodl_zatizeni.pdf · 124KP5 - Přednáška 2-3 29 Vodorovná zatížení na vícepodlažní budovy Vítr