1

ل

Dr youssef Hammida

DDDDDDDDDDDDrOooo

نبوبیةوالھیاكل اال األبنیة البرجیة العالیة

مقاومة الریاح والزالزل

High-rise Building &

tubular structures

2

أنواع المنشآت الفوالذ�ة.ـ

3

الشكل (4) مبنى متعدد الطوابق بإطارات صلبة

الشكل (5) جملة إطارات صلبة مع جوائز شبكیة شاقولیة

4

الشكل (6) جملة إطاریة أنبوبیة

:م�ن تصنیف المنشآت الفوالذ�ة إلى األنواع اآلت�ة�

منشآت متعددة الطوابق multistory تتألف أساساً من إطارات صل�ة أو إطارات

).4(الش�ل braced frames مر�طة

العال�ة المستخدمة في األبن�ة structural systems یجب أن تقاوم الجمل اإلنشائ�ة

األحمال الجانب�ة �ما یجب أن توفر حًال اقتصاد�ًا �حیث ُتستخدم المواد استخدامًا فعاًال. فأكثر الجمل

اإلنشائ�ة فعال�ة تلك التي تقاوم القو� الجانب�ة من دون ز�ادة تذ�ر في استهالك المواد عن تلك الالزمة

الز�ادة في ارتفاع البناء. و�ناء على هذا تصنف لمقاومة األوزان الشاقول�ة، أ� ال تنتج �لفة إضاف�ة عن

الجمل اإلنشائ�ة في األبن�ة العال�ة �ما �أتي:

جملة اإلطارات الصل�ة rigid frames حیث تنفذ الوصالت بین الجوائز واألعمدة على نحو

الجملة صلب بوساطة اللحام. و�تم تأمین المقاومة الجانب�ة �الوصالت الصل�ة. �م�ن استخدام هذه

مترًا من دون ز�ادة في الكلفة نتیجة االرتفاع. 90حتى ارتفاع

جملة إطارات صل�ة مع جوائز قص ش���ة شاقول�ة vertical shear trusses أو جدران

lateral للبناء وذلك من أجل صال�ة جانب�ة أكبرconcrete shear walls قص بیتون�ة

rigidity 5مترًا. الش�ل ( 150ارتفاع . تستخدم هذه الجملة حتى.(

الجملة اإلطار�ة األنبو��ة framed tube structure حیث تتألف من أعمدة متقار�ة على

متر. (الش�ل 300مح�� البناء فتزداد الصال�ة الجانب�ة مما �سمح �استخدام هذه الجملة حتى ارتفاع

6.(

5

) الجملة الشبكیة األنبوبیة7الشكل (

الش���ة األنبو��ةالجملة trussed tube مع أعمدة داخل�ة حیث �ستخدم تر���

على مح�� البناء من �ل الجهات. یرفع هذا التر��� مقاومة diagonal bracing قطر�

مترًا من دون ز�ادة تذ�ر 360البناء الجانب�ة �ثیراً مما �سمح �استخدام هذه الجملة حتى ارتفاع

).7حمال الشاقول�ة. (الش�ل على تكلفة البناء نتیجة األ

جملة رزمة األنابیب bundled tube تتألف من مجموعة من اإلطارات األنبو��ة ُجّمع �عضها

مترًا. 75مع �عض لتعطي مقاومة جانب�ة أكبر وتص�ح هذه الجملة عمل�ة بدءًا من ارتفاع

).3 في ش��اغو. (الش�ل Sears Tower استخدمت هذه الجملة في بناء برج سیرز

6

الشكل (3) برج سیرز في شیكاغو

7

8اإلنبوبیة الھیاكل وانظمة وانظمةھیااإلنبوبیةسحاب وناطحاتب العالیة ألبراج ال وناطحات العالیة ألبراج 8888

تصمیم المیاني قد تغیر من الطراز والحضارة المعماریة القدیمة المحافظة

على كل األشكال الھندسیة الكالسیكةالى النظام الحدیث دون حدود واالنفتاح

اللولبیة والملتویةوحتى الجمالیة

وتم تصنیف األنظمة اإلنشائیة األكثر استخداما

:وتعرف على نطاق واسع كما یلي

إطارات مقاومة للعزوم .

إطارات إجھادات القص .

مدادات أوتیجر الجھاد القص .

إطارات ( ھیاكل ) أنبوبیة .

بیة متداخلة مع أعمدة داخلیةإطارات أنبو .

( مجمعة ) إطارات أنابیب موحدة .

إطارات أنبوبیة متداخلة بدون أعمدة داخلیة.

8

9

10

تقوم فكرة نظام البناء االنبوبي على انھ یقاوم قوى الزالزل والریاح مثل كمرة مفرغة وتعمل

حر في األعلى ووثاقة في التربة كابولي

ھي اشكال فراغیىة من االطارات والجدران مترابطة مع بعضھا الجمل االنبوبیة . 1

بعقد صلبة وتقاوم القوى في كل االتجاھات وتعمل مثل صندوق مغلق موثوق في األرض . 2

ویعمل كابولي . 3

واالطار المحیطي للشكل االنبوبي عبارة عن أعمدة ذات مساقات صغیرة ومتقاربة . 4

تعمل الجملة كاطارات مقاومة للعزومبحیث ویربطھا كمرة عمیقة ذات صالبة كبیرة . 5

ویوكل البھا مقاومة القوى األفقیة من الزالزل والریاج باالضافة الى مقاومة القوى الشاولیة . 6

ومن اشكال الجمل االنبوییة

- جملة وحدات انابیب متداخلة مروصة الى بعضھا

- كمرات مقاومة للعزومجملة انبوبیة بشكل اطارات اعمدة +

- األنبابیب المربطة بعناصر مائلة او قطریة متصالیة بریسنكجمل

- جملة انابیب متداخلة انبوب داخل انبوب اكبر

11

- الجمل االنبوبیة المشتركة بین جملة االطارات المقاومة للعزوم

والجمل الشیكیة والعناصر المائلة المتصالیة

12

وانظیة وناطحاب العالیة راج i0

االنبولبة واالرتفاع األقصى المفضل لنوعیة المادة والشكل االنشائي لجملة األنابیباشكال الجمل

الجمل الداخلیة ھي التي تقاوم القوى األفقیة والزالزل بعناصر داخلیة من الكور والجدران

واالطارات

بالعناصر المحیطة الجمل الخارجیة ھي التي تقاوم الریاح والزالزل

المختلطة الي تقاوم القوى الفقیة بعناصر داخلیة الكور ومحیطیة قد یتواجد بعض الجمل

13

انواع الجمل االنبوبیة األساسیة والجمل المختلطة واالرتفاع األقصى الذي یمكن الوصول الیھ في

مقاومة الریاح والزالزل وتححقیق األمان واالقتصاد

داخلیة من الكورالجمل الداخلیةوالتي تقاوم قوى الریاح والزالزل بعناصر

والجدران القصیة واالطارات

14

15

16

الجمل ااالنبوبیة الخارجیة والتي تقاوم قوى الریاح والزالزل

بعناصر محیطة من األعمدة واالطارات والعناصر الشبكیة القطرییة

17

18

Wall structures as well as cores are usually made of reinforced concrete.

Steel frames can be used together with concrete cores, and/or walls, leading to

composite structures, which may be called also 'dual structures'.

When steel frames are braced, different types of bracing can be used according

to structural and functional requirement - یمكن استعمال البناء المختلط في الجمل االنبوبیة

- من الخرسانة المسلحة والخارجي المحیطي من الفوالذ ستیل الداخلي الكور قد یكون

- وقد یكون الكور الداخلي معدني ستیل والخارجي معدني ستیل او انشاء مركب من النوعین

19

الجمل االنبوبیة المتالصقة ورزمة األنابیب

20

One most efficient structural systems against heavy wind

loads is the bundled tube structural system

A bundled tube typically consists of a number of individual

tubes interconnected to form a multicell tube, in which the

frames in the lateral load direction resist the shears, while the

flange frames carry most of the overturning moments.

The Willis Tower in Chicago used this design, employing nine

tubes of varying height to achieve its distinct appearance. It

consists of exterior framed tube stiffened by interior frames to

reduce the effect of shear lag in the exterior columns.

The bundled tube system can be visualised as an assemblage of

individual tubes resulting in multiple cell tube.

The increase in stiffness is apparent. The system allows for the

greatest height and the most floor area. This structural form was

used in the Sears Tower in Chicago.

1) In this system, introduction of the internal webs greatly reduces

the shear lag in the flanges.

21

1) Hence, their columns are more evenly stressed than in the single

tube structure and their contribution to the lateral stiffness is

greater.

جملة الوحدات االنبوبیة المتجاورة المنالصفة ھي األفضل لمقاومة القوى األفقیة من الریاح )2

a . والزالزل

في اتجاه قوة الزالزل التي االطارات و كابولي مقطع حیث في ھذه الجمل تعمل مایشیة )3

a . Web ھي تقاوم قوى القص

ولیة خرسانیة مسلحةكما في كمرة كاب فاالنعطایقاوم فوى flange والجناح المتعامد )4

a . قوى القص مقاومة مغلق حیث یعمل كابولي كتلة واحدة في خرسانياو مایشبة كور

والعزم

بوبیة بجملة اطار حزام شبكي محیطي عند توقف احد جملة األنابیباالن تزوید الجملةیجب )5

a . عن الجملة السفلیة والغایة منھ العمل كجائز تحویل واعادة توزیع او تواجد تراجع

b . القوى الشاقولیة واألفقیة الى دیافرام البالطة الصلبة

الطاریة الداخلیة المتصالبة یزید الصالبة ویمنع نشكل اجھادات قص ان تواجد القواطع والجدران ا )6

shear lag in the flanges ثانوبة من الفتل

وضعف االجھاد buclingسند الجناح من التحنیب واباالضافة ت )7

i. كما في الشكل

22

ویمكن اتباع نفس دساتیر ومعادالت ایجاد المقطع والتسلیح في حال تواجد

قوى محوریة شادة ضاغطة الى جانب عزوم انحاء وقوى قص على

مقطع كمرة كابولي

یمكن كطریقة اولیة تصمیمھ كجدران وكما رأینا في تصمیم الكور الخرساني

قصیة حیث الجدران الموازیة للزالزل او اتجاه الریاح ھي التي تقاوم القص والعزم

او یمكن بواسطة الحاسب او یدویا تصمیم الكور كوحدة متكاملة حیث الویب

یقاوم قوى القص والفلنج الجناح العلوي والسفلي یقاومان عزم االنحناء

األعمدة المتقاربة كجدار الدساتیر المعروفة في التصمیم حیث نعتبرواستعمال

مستمر ثم بتم حساب مقطع العامود والكمرة افرادیا

23

24

25

26

nest stBundled Tube Structural System and

how it effects the floor plan

27

Steel Framed Tube buildings involve column spacings of 3m to 5m on the

exterior which can be transferred or transitioned into wider spacings, if

required, at the lower storeys to integrate street level activities. Such

tubular systems have been used extensively for structures of 30 to 110

storeys in heigh

وتأمین بالطة دیافرام ستعمال جوائز شبكیة تحویلة عند طوابق التغیرا

إلعادة توزیع قوى الریاح والزالزل للعناصر المحیطیة صلب

كذلك یمكن استعمال جوائز اوبالطات تحویلة في الطابق السفلي وزیادة تباعد األعمدة

28

29

structural diagram of bundled tubes

============================--

30

This variation of the framed tube consists of an outer

frame tube, the “Hull,” together with an internal

elevator and service core.

The Hull and core act jointly in resisting both -gravity

and lateral loading.

The outer framed tube and the inner core interact

horizontally as the shear and flexural components of a

wall-frame structure, with the benefit of increased

lateral stiffness.

This is a type of framed tube consisting of an outer-framed tube

together with an internal elevator and service core.

The inner tube may consist of braced frames.

The outer and inner tubes act jointly in resisting both gravity and

lateral loading in steel-framed buildings.

However, the outer tube usually plays a dominant role because of

its much greater structural depth.

31

This type of structures is also called as Hull (Outer tube) and Core

(Inner tube) structures. A typical Tube-in-Tube structure

- االنبوب الداخلي الكور واالنبوب الخارجي األعمدة واالطار المحیطي یشاركان سویة

وكذلك القوى الشاقولیة في مقاومة القوى األفقیة من الریاح او الزالزل

- لمقاطع االطار من الكمرات واألعمدة اوالجدرانوكنصمبم اولي یدوي

انبوب من مثلث القوى للقص القاعدي الكلينوجد حصة كل

تساوي عزم العطالة النسبیىة داخلي او خارجي بفرض الصالبة وفق صالبة كل كور ثم

بحیث نوجد مثلث القوى العاملة في كل كور لجمیع او مساحة مقطع المسقط األفقيلكل كور

ومنھا االنطالق في تصمیم المقاطع بعد معرفة قوة القص األفقیة الطوایق

على كل اطار اوجدار

32

Figure 2-3 Partial elevation of exterior bearing-wall frame

showing exterior wall module construction.

Figure 2-3 presents a partial elevation of this exterior wall at typical

building floors.

Construction of the perimeter-wall frame made extensive use of

modular shop prefabrication.

اطارات الكور الخارحي وتحسب اطارات مقاومة للعزوم تفصبل

بعد معرفة قوة القص العاملة في كل عقدة يمكن ايجاد العزم

33

والقص في األعمدة والكمرات

In general, each exterior wall module consisted of

three columns, three stories tall, interconnected by the

spandrel plates, using all-welded construction.

Cap plates were provided at the tops and bottoms of

each column, to permit bolted connection to the modules

above and below.

34

Figure 2-4 Base of exterior wall frame.

35

36

13 Load-bearing external wall

17 Core box column

20 Floor slab

Note that the buildings are stiffened by the composite steel-

concrete floors. The floors are an integral part of the structural

system. Without the composite floor slabs, the buildings would

soon collapse.

37

The wall thickness and grade of steel in the external columns are

varied in successive steps in the upward direction: wall thickness

decreasing from 12.5 to 7.5 mm, yield point of the steel from

70.0 to 29.5 kg/mm2.

To ensure that the floors remain plane, i.e., free from

warping distortion, the external columns are so designed that the

stresses, and therefore the strains, produced in them by vertical

loads are equal to those produced in core columns (mild steel

with yield point of 24 kg/mm2).

The reserve stress capacity in the external columns which is

provided by the progressively graded qualities of steel serves to

absorb wind load.

The design value adopted for wind pressure over the entire

height of the building is 220 kg/in2.

The calculated maximum deflection at the top of the building

is 28 cm.

Floors

Composite floors comprise 900mm deep bar joists (spaced at

2.04 m centres and braced transversely by secondary joists) and

38

a 10 cm thick lightweight concrete slab laid on steel trough

decking as permanent formwork.

Composite action between the concrete and the steelwork is

ensured by extending the diagonal web members of the joists

through the steel decking and embedding them in the slab.

Diagram (above): Constructional features of a prefabricated floor

unit یجب ان تكون البالطة دیافرام صلب قابل لتحویل وتوزیع الحموالت األفقیة الى

الكور الداخلي واالطار المحیطي وھو من نوع المركب من الدك المعدني وبالطة تغطیة

خرسانة مسلحة ومسامیر شیر كي

21 Floor covering

22 In-situ concrete

23 Trough decking

24 Bar joist

39

25 Electrical services duct

26 Air-conditioning duct

Foundations

Rock with a permissible bearing pressure of 39

kg/cm2 occurs at a depth of 22.5 m.

The excavation for the basement and foundations, area

440,000 in2, is enclosed by a 90 cm thick reinforced concrete

diaphragm wall anchored back into the surrounding ground.

The column foundations comprise two-layer grillages which

transmit the loads through a concrete base slab, 2.1 m thick, to the

underlying rock.

Diagram (below left): Plan of foundation for a tower block

Diagram (below right): Grillage foundation under a core column

33 Concrete base slab

34 Grillage beams

37 Core column

40

41

1. Diagram (above): Shock absorbers between floor girders and external wall: plan and elevation 32 Rock 33 Concrete base slab 34 Grillage beams 36 External column 37 Core column

42

برجا بتروناس (كوااللمبور)

يصل بین البرجین جسر مشاة یدعى طریق السماء

استناد منزلق على احد الجوانب

بحیث ال تؤثر بھ القوى األفقیة من الریاح او الزالزل

43

االطارات االنبوبیة

Its structural system consists of an external framed tube located on the

perimeter

together with three horizontal trusses, which act as ring belts.

.The variation of the resisting cross-section makes this structure similar to

a big cantilever with variable section.

وتواجد اعمدة وكمرات محیطیة االنبوبیة تعمل وفق نفس المبدإ االطارات

مثل اطارات مقاومة للعزوم وتحسب وفق جائز كابولي حر في األعلى وموثوق في التربة

Framed Tube

44

45

The proportions of the Framed Tube require wide members

for both beams and columns, and they need to be rigid at the

joints.

In concrete, the rigid joint is achieved by the use of in-situ

concrete, whereas in structural steel, the joints need to be

welded for rigidity and the members built-up for larger widths.

The use of a prefabricated FramedTube"Tree" element

(Figure 7) where all welding can be done in the shop in a

horizontal position has made the steel Framed Tube more

practical and efficient.

The "Trees" are then erected by bolting at mid-span of the

beams. Considerable speed of construction of the order of 3

to 4 storeys per week can result if "Trees" are used.

Steel Framed Tube buildings involve column spacings of 3m to 5m

on the exterior which can be transferred or transitioned into wider

spacings, if required, at the lower storeys to integrate street level

activities. Such tubular systems have been used extensively for structures of

30 to 110 storeys in height.

46

47

A. Fig. 3: Floor plan of Two Shell Plaza showing

columns and shear walls in a "tube in a tube" system B. framed tube” meaning that closely spaced columns on the

building perimeter, combined with the beams connected to it

acted as a rigid frame, like a wall with holes punched though it

for windows. C. The tube acts similar to a cantilever beam projecting out of

the ground and resists lateral (wind) forces. D. The design of the Brunswick building has a “tube-in-tube”

system where the second tube is formed by the interior “shear

walls”, which are the concrete walls surrounding the building

core.

48

اطارات مقاومة للعزوم مع فتحات ومجاز كبیر بین محاور األعمدة

وتحسب وفق اطارات مقاومة للعزوم كور داخلي وخارجي اطارات دون اعمدة وسطیة

49

50

51

المائلة ةالقطری اتكیوالشبالجمل االنبوبیة

Diagonalized Braced Tube

52

the most efficient structure acting as a cantilever is the

exterior Diagonalized system

The system is essentially a Trussed Tube with the fascia diagonals

not only acting as a truss in the plane, but also interacting with the

trusses on the perpendicular facades to develop the tube action (Figure 9b).

A principal advantage of the Trussed Tube is that it eliminates the need for

the closely spaced columns of a framed tube.

Further improvements of the tubular system can be made by cross bracing

the frame with X-bracing over many stories, as illustrated in Fig. 3.14(b).

This arrangement was first used in Chicago's John Hancock Building in 1969.

As the diagonals of a braced tube are connected to the columns at each

intersection, they virtually eliminate the effects of shear lag in both the flange

and web frames.

As a result the structure behaves under lateral loads more like a braced

frame reducing bending in the members of the frames.

Hence, the spacing of the columns can be increased and the depth of the

girders will be less, thereby allowing large size windows than in the conventional

framed tube structures.

In the braced tube structure, the braces transfer axial load from the more

highly stressed columns to the less highly stressed columns and eliminates

differences between load stresses in the columns.

مختلط مع الشبكي ال حاجة لتقارب األعمدة المحیطیةفي ھذا النوع ال

فالشبكي القطري في الواجھة ھو بنفس الوقت یحول ویوزع الحموالت الشاقولیة واألفقیة

حیث القطري ھا ویوازن بین حموالت األعمدة الغیر متساویةعند نقاط تقاطعھ مع الى األعمدة

یعمل كجائز شبكي كابولي موثوق في القاعدة

53

54

55

نالحظ كیف الشبكي القطري یعمل بشكل جائز شبكي كابولي وانتقال حموالت اعمدة وجدران

الى اضالع الشبكي المائلة الواجھات

56

57

58

والمركبة المسلحة الجمل المختلطة من الفوالذ والخرسانة

Mixed systems which involve reinforced concrete and structural

steel components in forms that are generally applicable, such as the

Composite Tubular system, and Concrete Core Braced systems, have

been widely used.

Composite structures in a true sense, they have liberated the

traditionally rigid discipline of either steel or concrete elements.

The properties of concrete that are most attractive are its rigidity

and its ability to be cast into different types of structural elements.

Therefore, most mixed systems rely on concrete for lateral load

resistance.

Shear wall elements and/or punched wall or framed-tube

elements with monolithically cast beam-column joints are of higher

strength concrete.

Concrete has extended the application to structures of 50 to 80

storeys in height. Concrete strengths of 40N/mm2 to 55N/mm2 are

commonly used, but in some cases, strengths up to 95N/mm2 have

been used.

Mixed Steel-Concrete Systems

59

The floor framing is of steel in mixed systems, which is

advantageous because of the ability to span longer distances with

lighter members.

Thus larger column-free spaces are possible.

معظم الجمل االنشائیة في البناء تعتمد على جمل الخرسانة المسلحة

والمقاطع الفوالذیة الجاھزةواالنشاء المركب من الخرسانة

فھي اصلب وأمتن واكثر صالبة ومقاومة للحموالت الشاقولیة واألفقیة من الزالزل

والریاح باألضافة الى الجمال ورونق المظھر

60

61

62

Dr Youssef Hammida