Univerza v Ljubljani

SODELOVANJE ŠTUDENTOV ARHITEKTURE IN

GRADBENIŠTVA

Mentorji: doc. dr. Vojko Kilar

doc. dr. Tatjana Isaković

prof. dr. Matej Fischinger

Sodelovala: Mitja Vovko (Arhitekt)

Sara Bašič (Gradbenica)

ZASNOVAKONSTRUKCIJ

Vsebina:

002

1.o) Vloga arhitekta, gradbenika in zasnova konstrukcij

2.o) Začetna zamisel in končna rešitev

3.o) Izbira dimenzij (plošče, grede, stebri, stene)

3.a) Približna ocena (osnova za izračun)

3.b) Približen izračun (kontrola)

4.o) Zaključek

Ideja zasnove konstrukcijeNova oblikovna in konstrukcijska zasnova stolpnice

Informacijska tehnologijaPredlog osnovne geometrije stolpnice

Zaključna predstavitev na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo

0.o) Visoke zgradbe

Podana razmerja (nosilci)Vpliv na podana razmerjaPodana razmerja (armirano betonska plošča)Podana razmerja (armirano betonski stebri in stene)Podana razmerja za druge konstrukcijske sisteme

Horizontalni nosilni elementi (grede, plošče)Vertikalni nosilni elementi (stebri, stene), temeljRačunalniška analiza (programi SAP, EAVEK, DIAS)Načrti (tlorisi, prerezi, fasade, končna 3D podoba)

Vsebina:

002

1.o) Vloga arhitekta, gradbenika in zasnova konstrukcij

2.o) Začetna zamisel in končna rešitev

3.o) Izbira dimenzij (plošče, grede, stebri, stene)

3.a) Približna ocena (osnova za izračun)

3.b) Približen izračun (kontrola)

4.o) Zaključek

Ideja zasnove konstrukcijeNova oblikovna in konstrukcijska zasnova stolpnice

Informacijska tehnologijaPredlog osnovne geometrije stolpnice

Zaključna predstavitev na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo

0.o) Visoke zgradbe

Podana razmerja (nosilci)Vpliv na podana razmerjaPodana razmerja (armirano betonska plošča)Podana razmerja (armirano betonski stebri in stene)Podana razmerja za druge konstrukcijske sisteme

Horizontalni nosilni elementi (grede, plošče)Vertikalni nosilni elementi (stebri, stene), temeljRačunalniška analiza (programi SAP, EAVEK, DIAS)Načrti (tlorisi, prerezi, fasade, končna 3D podoba)

Nebotičnike ali stolpnice štejemo med velike dosežke sodobnega konstrukcijskega snovanja; omogočili so jih mnogonadstropni okviri iz zelo kakovostnega jekla in betona. Empire State Building v New Yorku, zgrajen leta 1930, ima 102 nadstropji in je 320 metrov visok, če ne upoštevamo 60-meterskega zgornjega stolpa, ki je bil prvotno zgrajen za sidranje vodenih zrakoplovov, in 70-metrske televizijske antene. Nebotičnik Hancock v Chicagu, stolpnici-dvojčici za World Trade Center v New Yorku in nebotičnik Sears v Chicagu so bili zgrajeni v sedemdesetih letih, visoki skoraj 450 metrov in slone na jekleni konstrukcijah, ki jih na zunanjem obodu zgradb sestavljajo okviri z ozkimi polji. Take konstrukcije se vedejo v glavnem kot konzolne jeklene cevi pravokotnega prereza. Zgradili so že cevaste jeklene stolpnice z dvema ali tremi koncentričnimi cevastimi okviri, ki nimajo pravokotnega prereza, na primer s trikotnim tlorisom.Stolpnice iz armiranega betona ne morejo doseči višine jeklenih, zgrajene pa so bile že do višine 240 metrov. Običajno sestoje iz zunanjega jeklenega okvira in notranjega jedra iz betonskih sten. Bočna togost škatlastega jekla je glede na zunanji okvir skoraj vedno tako velika, da se bočni obremenitvi vetra in potresa upira v glavnem le jedro s svojim tako imenovanimi strižnimi stenami (te stene prenašajo bočno obremenitev kot konzolni nosilci z upogibom,zato njihovo ime včasih zavaja).Zaradi svoje bočne togosti se uporabljajo betonska stenska jedra tudi v stopnicah z jeklenim zunanjim ogrodjem in združujejo tako dobre lastnosti tankih jeklenih stebrov za prenos vertikalne obremenitve in dobre lastnosti sten pri premagovanju bočnih sil. Kadar je tudi jedro jekleno, je zgrajeno običajno iz jeklenih okvirov, katerih polja so ojačena z jeklenimi diagonalami ali utrjena z montažnimi betonskimi ploščami, ki so vložene med stebre in nosilce.

Visoke zgradbe

003

INFORMACIJSKE TEHNOLOGIJE

Sodelovanje med udeležencema se je začelo s prvim neposrednim stikom preko medmrežja (program Netmeeting).

Orodja, ki so bila uporabljena za sam proces načrtovanja in projektiranja konstrukcij: (AutoCAD, 3DMax, SAP2000, EAVEK, OKVIR), Predstavitev se je izvedla s programom PowerPoint. 004

Pri prvem neposrednem stiku preko medmrežjaJe bila s strana arhitekta predstavljena lokacija in začetna oblikovna razmišljanja.

SITUACIJA

ZAČETNA SNOVANJA - SKICE DRUGI PREDLOG - KVADER

PRVI PREDLOG - VITICA

Pprvi primer.

005

Glede na izbrano arhitekturno obliko se je izpostavil problem sistema konstrukcije. Arhitekt je podal tri primere nosilne konstrukcije.

2.0 Začetna zamisel in končna rešitev

NOSILNA KONSTR. 1Tlorisni položaj skeleta

NOSILNA KONSTR. 2Tlorisni položaj jeder

NOSILNA KONSTR. 3Tlorisni položaj križa

Glede na podane konstrukcijske primere se je arhitekt skupaj s soglasjem gradbenika odločil:

Torzijsko je najbolj idealen primer s štirimi jedri. Izbrana je bila druga konstrukcijska zasnova.

006

Maketa zunanje zasnove stolpnice

Prva računalniška simulacija zunanjosti stolpnice

Prva računalniška analiza konstrukcije

007

3.0 Izbira dimenzij (plošče, grede, stebri, stene)

Jeklo: h/L = 1/20 do 1/25, izjemoma 1/30Armirani beton: h/L = 1/15 do 1/20, izjemoma 1/25Les: h/L = 1/10 do 1/15 , izjemoma 1/20Zelo lahke strehe: h/L = 1/100 do 1/150; malo ali nič snega

AB nosilec dolžine 10 m mora biti torej visok med 50 cm in 66.6 cm, izjemoma pa tudi samo 40 cm?

L=0.8·a

Hq

L

Hh

Podana razmerja za prostoležeči nosilec

I. Vpliv kontinuirnosti (prostoležeči nosilec)

NA PODANA RAZMERJA POMEMBNO VPLIVA

A

Hq

A

Hh

A

V računu upoštevamo za razpetino L le del kjer so momenti pozitivni!

L=0.6·a

3.a Približna ocena (osnova za izračun)

008

II. Obtežba

Navedene vrednosti veljajo za močnejše obremenjene grede (kot so na primer grede v stavbah). Približna vrednost upoštevane obtežbe je 10 kN/m2. Potrebna višina nosilca je lahko tudi bistveno manjša, če je obtežbe manj, na primer pri lahkih strehah, steklenih strehah, nepohodnih strehah, začasnih konstrukcijah, gredah z majhnimi razmaki ipd. V primeru večjih obtežb je lahko potrebna višina nosilca tudi večja (skladišča, tiskarne, veliki razmaki med gredami ipd). V splošnem je ocena na varni strani.

II. Obtežba

Navedene vrednosti veljajo za močnejše obremenjene grede (kot so na primer grede v stavbah). Približna vrednost upoštevane obtežbe je 10 kN/m2. Potrebna višina nosilca je lahko tudi bistveno manjša, če je obtežbe manj, na primer pri lahkih strehah, steklenih strehah, nepohodnih strehah, začasnih konstrukcijah, gredah z majhnimi razmaki ipd. V primeru večjih obtežb je lahko potrebna višina nosilca tudi večja (skladišča, tiskarne, veliki razmaki med gredami ipd). V splošnem je ocena na varni strani.

III. Prerez

Navedene vrednosti veljajo za pravokotni prerez (armirani beton, les) in za I prerez običajnih razmerij (jeklo, razmerja debelin pasnic in stojin onemogočajo lokalne uklone in bočno zvrnitev). S pravilnim oblikovanjem prereza (betonski ali leseni I nosilci ali škatle, jekleni prerezi ojačani z lamelami, satasti nosilci, Vierendel nosilci, ipd.) lahko potrebno višino nosilca še dodatno zmanjšamo. Upoštevano je, da je prerez konstanten po celotni dolžini nosilca. Z prilagajanjem višine prereza momentni črti (npr vute) lahko potrebno višino nosilca še nekoliko zmanjšamo.

L=0.8·h

L=0.8·b

IV. Omejitev maksimalnega povesa

Zavedati se je potrebno, da imajo nižji nosilci manjši vztrajnostni moment, kar vpliva predvsem na pomike (pri nižjih nosilcih so večji). Kriterij omejitve maksimalnega pomika v teh približnih izrazih ni upoštevan, možno pa je, da bo zaradi kriterija omejitve pomika potrebna višina nosilca višja.

009

L< dop=L/300

V. Povezava nosilcev s ploščami, dvosmerni raznos

Kadar so nosilci povezani s ploščami, oziroma sestavljajo brano, je lahko potrebna višina nosilca manjša. Povezava s ploščami je običajna pri AB in sovprežnih konstrukcijah. Povezave s ploščami ni pri lesenih konstrukcijah ali montažnih AB konstrukcijah.

V. Povezava nosilcev s ploščami, dvosmerni raznos

Kadar so nosilci povezani s ploščami, oziroma sestavljajo brano, je lahko potrebna višina nosilca manjša. Povezava s ploščami je običajna pri AB in sovprežnih konstrukcijah. Povezave s ploščami ni pri lesenih konstrukcijah ali montažnih AB konstrukcijah.

010

Sodelovanje nosilca in plošče

VI. Prednapetje

Pri AB konstrukcijah je mogoče potrebno višino gred še zmanjšati, če jih prednapnemo.

Upoštevanje vpliva posameznih faktorjev je močno odvisno od izkušenj projektanta. Najpomembneje vplivata vpetost in obtežba, ki lahko bistveno spremenita potrebno višino nosilca pri istem razponu. Ostali faktorji imajo manjši vpliv, za praktično uporabo se priporoča vrednosti od 5 do 15%.

KABLINnapenjalne glaveNAPNEMO

-

Tlačne napetosti po prerezu

Obremenitve

POLNO PREDNAPETJE (ni nateznih napetosti)

- --

++ -- Oali

-

DELNO PREDNAPETJE

Prednosti prednapetih nosilcev:- nižji tanjši, lažji- manjši pomiki- ni razpok in armatura ne rjavi

Pomankljivosti:- popuščanje kablov- rjavenje kablov(kable ven iz prereza v cevi, da so pod nadzorom)

Pomemben je potek kablov

POTEK KABLOV PO LINIJI MOMENTOV

Primer: prednapete stropne plošče h/L do 1/30 v stavbah

PODANA RAZMERJA ZA ARMIRANO BETONSKE PLOŠČEPODANA RAZMERJA ZA ARMIRANO BETONSKE PLOŠČE

Plošče z enosmernim raznosom debeline d

d / L = 1 / 30

L

> 200%

100%

Plošče z dvosmernim raznosom debeline d

L 100%

< 200%

L

d / L = 1 / 35 do 1 / 40

Previsi in balkoni debeline d

d / L = 1 / 10 do 1 / 15Armiranje vogala:

Tudi na potrebno debelino plošč vplivajo faktorji, ki so bili našteti v točkah od A do F!

PODANA RAZMERJA ZA ARMIRANO BETONSKE STEBRE IN STENE

Stebri:

Osna sila / Prerez < 0;25 MB

Stene:

Osna sila / Prerez < 0;14 MB

2Marka betona za C25/30 znaša 3kN/cm .Osna sila je celotna osna sila zaradi vertikalne obtežbe, ki jo je potrebno oceniti s pomočjo vplivnih površin (podrobnosti glej primer).Pri vitkih stebrih in pomičnih okvirjih lahko pomembno vpliva tudi uklon. Vpliv horizontalnih sil direktno ni zajet, če so stebri del potresno odpornega okvira, so lahko njihove potrebne dimenzije tudi večje!

ARMATURA PREKO VOGALA

Vogal poči Vogal ne poči

011

PODANA RAZMERJA ZA DRUGE KONSTRUKCIJSKE SISTEME

Pribljižne dimenzije kostruktivnih elementov Pribljižne dimenzije stebrov

3.b Približen izračun (kontrola)

Pribljižen, okvirni izracun temelji na dolocitvi obtežbe in približnem dimenzioniranju (nekdanja metoda dopustnih napetosti).

dopMW potr >

σdop

M … Dolociti približno (tabele, ocena)

2

2σ … Beton - 1 do 2 kN/cmJeklo - 16 kN/cmLes - 1kN/cm

M … Pravokotnik W = b·h / 6, jekleni prerezi - glej tabele

M

Wpotr

σ = < σdop

2

2

PRIBLIŽNA OCENA ZAČETNIH DIMENZIJ STOLPNICE

Greda 01

Greda 02

Plošča

Tloris pritličja

Prerez Projekt stolpnice na Bavarskem bvoru (2003/2004) - seminarski projekt

Greda 02 Temelj pod Stebrom

Greda 01

Tloris nadstropja

021

I. Horizontalni nosilni elementi (grede, plošče)

022

Greda 1

L= 9.3 mh / L = 1 / 15 oziroma 1 / 20 Izjemoma 1 / 25h = od 45 do 62 cmb= h/w2 = od 32 do 44 cm

Vplivi:

I: vpetost - DAL=0.8 · 9.3m = 7.44m

ll: obtežba – v redu

lll: prerez – pravokoten h / L = 1 / 15 oz. 1 / 20 h = od 37 do 49 cmb= h/w2 = od 27 do 35 cm

lV: poves

V: povezava s plošcami - DA, povezava s ploscami zmansuje prerez za 5% do 15%

VI: prednapetje - ni potrebno

IZBEREM: h/b 45/32

Greda 2

L= 9.7 mh / L = 1 / 15 oziroma 1 / 20Izjemoma 1 / 25h = od 48 do 64 cmb= h/w2 = od 34 do 46 cm

Vplivi:

I: vpetost - DAL=0.8 · 9.7m = 7.80m

ll: obtežba – v redu

lll: prerez – pravokoten h / L = 1 / 15 oz. 1 / 20 h = od 39 do 52 cmb= h/w2 = od 28 do 37 cm

lV: poves

V: povezava s plošcami - DA, povezava s ploscami zmansuje prerez za 5% do 15%

VI: prednapetje - ni potrebno

IZBEREM: h/b 45/28

Plosca

L =7.9 m 1

L =9.8 m2

Dvosmerni raznosd / L = 1 / 35 oz. 1 / 40h = od 20 do 22.5 cm

Vplivi:

I: vpetost - DAL=0.8 · 7.9 m = 6.3 md / L = 1 / 35 oziroma 1 / 40h = od 16 do 18 cm

IZBEREM d=17 cm

L=0.8·h

L=0.8·b

L=0.8·h

L=0.8·b

100%

< 200%

L1

L

Steber 2

Tloris pritličja

Steber 1 Grede

Temelj pod stebrom 1

N

Steber 2

Tloris pritličja

Steber 1 Grede

Temelj pod stebrom 1

N

II. Vertikalni nosilni elementi (stebri, stene)

023

Steber 1

2A =8.7 m · 9.0 m = 78.3 mv

2 (ocena)q = 10 kN/m

N = št. nadstr. · A qv ·

N = 12·78.3·10 kN/m = 9396 kN

N/A < 0.25·MBpotr

A >N/ 0.25·MBpotr

A >9396/ 0.25· 3potr 2A >12528 cmpotr

Kvadratni stebera = wA = 112 cmpotr

Okrogli steberD=w(4·A / π) = 121 cmpotr

Temelj pod stebrom 1

N = 9396 kN

Teža temelja (3m·3m ·0.8m) + teža plošče v pritličju:

N =N + Ncel +3 N =3m ·3m ·0.8m ·25 kN/m ++

2 278.3m ·10 kN/m = 963 kNN = 10359 kNcel

Barje: σ = 0.01 kN/cmdop tal 2(1kg/cm)

N / A < σ cel potr temelja dop tal

A >N / σpotr temelja cel dop tal

A >10359 / 0.01potr temelja 2A >1035900 cmpotr temelja

Kvadratni temelj a = 10.2m

IZBEREM: Pasovni temelj, plošča

Steber 2

2A =5.5 m · 5.3 m = 29.2 mv

2 (ocena)q = 10 kN/m

N = št. nadstr. · A qv ·

N = 12·29.2·10 kN/m = 3498 kN

N/A < 0.25·MBpotr

A >N/ 0.25·MBpotr

A >3498/ 0.25· 3potr 2A >4664 cmpotr

Kvadratni stebera = wA = 68 cmpotr

Okrogli steberD=w(4·A / π) = 74 cmpotr

VPLIVI NA KONSTRUKCIJO (OBTEŽBA)

Zunanja obtežba je veter v X in Y smeri ter potres v X in Y smeri. Na konstrukciji deluje 2 2 2še lastna teža g = 5 kN/m , stalna obtežba g = 3 kN/m in koristna obtežba q = 3 kN/m .1 2

PREDPISIStolpnica je dimenzionirana po standardu Eurocode:

• SIST ENV 1991-1 Osnove projektiranja in vplivi na konstrukcije 1.del: Osnove projektiranja• SIST ENV 1991-2-1 Osnove projektiranja in vplivi na konstrukcije 2.del: Vplivi na konstrukcije Gostote, lastna teža

in koristne obtežbe• SIST ENV 1991-2-4 Osnove projektiranja in vplivi na konstrukcije del 2-4: Vplivi na konstrukcije Vpliv vetra• SIST ENV 1992 1-1 Projektiranje betonskih konstrukcij del 1-1: Splošna pravila in pravila za stavbe• SIST ENV 1998 Projektiranje konstrukcij na potresnih področjih

Konstrukcija je bila preverjena s programoma SAP in Eavek.

III. Računalniška analiza (rezultati gradbenika)

REZULTATI

KOMENTAR

Izračuni arhitekta so pribljužni in temeljijo na poenostavljenem izračunu in na izkustvenih razmerjih, ki so v naprej podana. V primerjavi z rezultati gradbenika, ki je v postopku dimenzioniranja gred in stebrov upošteval standarde za dimenzioniranje EUROCODE ter vse obtežbe (veter, potres, stalna in lastna obtežba) se pojavijo odstopanja in v mejah dovoljenega predstavljajo samo informativno vrednost.

Notranja greda: 60/30 cm - primerjava arhitekt 45/32 cmZunanja greda: 110/60 cm

Steber: 60/60 cm - primerjava arhitekt 68/68 cm

III. Računalniška analiza (programi SAP, EAVEK, DIAS)III. Računalniška analiza (programi SAP, EAVEK, DIAS)

Konstrukcija se preverja po odsekih: Položaj stebra na sredini konzole je neugoden- Grede so prevelikih dimenzij- Pomiki na vogalu so preveliki

Rešitev:Steber poteka po skrajnem robu plošce skozi vse etaže.

Jedra so bila preverjena s programom EAVEK in sicer na horizontalno obtežbo (veter, potres).Na podlagi dobljenih rezultatov je bilo dimenzionirano kriticno jedro s programom DIAS.

MODEL POVESOV KONSTRUKCIJO GLEDE NA OBTEŽBE

RACUNALNISKI MODEL STOLPNICE

JEDRA POD HOR.OBREMENITVIJO POLOŽAJ STEBRA NA SREDINI KONZOLE 024

IV. Končna 3D podoba stolpniceIV. Končna 3D podoba stolpnice

025

FASADE

Koncna predstavitev na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijoKoncna predstavitev na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo

4.0 Zaključek

026

Velika pomanjkljivost klasičnega poučevanja je premajhen poudarek na samoiniciativnosti študentov za iskanje rešitev določenega

problema in učiteljevi predstavitvi lastnih izkušenj iz prakse. Ravno zato je projektno učenje za študente toliko zanimivejše, saj nas sooči z

dejanskim problemom in načinom dela, ki ga bomo potem opravljali kot projektanti. Pri tem pa je seveda velik poudarek na sodelovanju

ljudi iz različnih področij, predvsem na sodelovanju med arhitektom in gradbenikom, že od začetnih faz načrtovanja do izvedbe projekta.

Tak način poučevanja pripomore k boljši komunikaciji in kvalitetnejšemu odnosu arhitekt gradbenik, kar se v končni fazi pokaže na

»izdelku«. Velikega pomena pa je predvsem izkušnja zavedanja lastnega mesta in dela pri projektu, odgovornosti, usklajevanja svojih

interesov ter nenazadnje pridobitev izkušnje skupinskega dela.

Glede na to da projektno učenje temelji na internetnih povezavah (video konference, desktop sharing), to omogoča lažje izvajanje dejanskega projekta na spletni relaciji investitor arhitekt gradbenik.

FOTOGRAFIJE KONČNE PREDSTAVITVE

Razvoj in razmah racunalništva ob kompleksnejši programski opremi ter internet, so glavni dejavniki, da se je fizicna predavalnica »preselila« v virtualni svet.