curs 7 cm3

39
CLADIRI INALTE CU STRUCTURA DIN OTEL C.Teleman_CM3_Curs 7 1 CURS 7

Upload: atomei-ionut

Post on 27-Dec-2015

60 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CURS 7 CM3

CLADIRI INALTE CU STRUCTURA DIN OTEL

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

1

CURS 7

Page 2: CURS 7 CM3

SCURT ISTORIC

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

2

Page 3: CURS 7 CM3

• 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 crestea 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

Page 4: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

4

Page 5: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

5

Page 6: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

6

Page 7: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

7

Page 8: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

8

Page 9: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

9

Page 10: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

10

Page 11: CURS 7 CM3

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

11

Page 12: CURS 7 CM3

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

12

Page 13: CURS 7 CM3

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

13

Page 14: CURS 7 CM3

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

14

Page 15: CURS 7 CM3

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

15

Page 16: CURS 7 CM3

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

16

Page 17: CURS 7 CM3

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

17

Page 18: CURS 7 CM3

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

18

Page 19: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

19

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

Page 20: CURS 7 CM3

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

20

Page 21: CURS 7 CM3

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

21

Page 22: CURS 7 CM3

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

22

Page 23: CURS 7 CM3

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

23

- Rigiditatea structuriii ne-contravantuite

Page 24: CURS 7 CM3

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

24

Modul de comportare la deplasari orizontale a cadrelor contravantuite si ne-contravantuite

Page 25: CURS 7 CM3

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

25

Page 26: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

26 Fortele orizontale echivalente rezultate din distribuirea pe nivel a efectelor imperfectiunilor globale

In urma determinarii rotirii globale imperfectiunile globle 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-

Page 27: CURS 7 CM3

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

27

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)

Page 28: CURS 7 CM3

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

28

Page 29: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

29

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)

Page 30: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

30

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

Page 31: CURS 7 CM3

CALCULUL STRUCTURILOR CU NODURI ARTICULATE SI CONTRAVANTUIRI VERTICALE

• Actiuni verticale

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

31

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

Page 32: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

32

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

Page 33: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

33

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

Page 34: CURS 7 CM3

DEPLASARI ORIZONTALE ALE CADRELOR CONTRAVANTUITE SI NECONTRAVANTITE

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

34

Deplasarile cadrului necontravantuit trebuie sa urmareasca deplasarile cadrului contravantuit: grinzile de legatur trebuie sa aiba o rigiditate foarte mare

Page 35: CURS 7 CM3

SISTEM COMBINAT DE CONTRAVANTUIRI VERTICALE CU CONTRAVANTUIRI ORIZONTALE

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

35

Sistemul static nedeterminat: descompunerea sa in sisteme determinate si rezolvarea prin dispunerea incarcarlor in noduri (etaje) si determinarea fortelor interne in barele contravantuirilor

Page 36: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

36

INCADRAREA IN TIPURI DE STRUCTURI DIN PUNCT DE VEDERE SEISMIC CONFORM SR EN 1998 SI P 100

Page 37: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

37

Page 38: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

38

Page 39: CURS 7 CM3

C.T

ele

man_CM

3_Curs

7

39