METALNE KONSTRUKCIJE U ZGRADARSTVU · konstruisanja zgrada. U ovom sistemu spoljašnji zidovi...
Transcript of METALNE KONSTRUKCIJE U ZGRADARSTVU · konstruisanja zgrada. U ovom sistemu spoljašnji zidovi...
VIŠESPRATNE ZGRADE
VERTIKALNA NOSEĆA
KONSTRUKCIJA
Prenošenje vertikalnog opterećenja
►Opterećenja sa međuspratnih konstrukcija prenose se kaokoncentrisane sile u tačkama oslanjanja na vertikalnenoseće elemente, a preko njih dalje do fundamenata.
►Rešenje vertikalnih nosećih elemenata određeno jerasponima horizontalne noseće konstrukcije.
►Vertikalni noseći elementi su: stubovi nosećeg okvira,armiranobetonska platna samostalna ili grupisana ujezgro i sl.
►Ako su oslonačke tačke međuspratnih konstrukcija tačnojedna iznad druge obično se upotrebljavaju neprekidnistubovi. Nekada je moguće upotrebiti i kose stubove.
►U drugim tipovima višespratnih zgrada vertikalni nosećielementi mogu delovati kao vešaljke ili zatege. Oni mogunositi opterećenje sa jednog sprata, sa grupe spratova ilisa svih spratova zgrade.
Neprekinuti stubovi kroz
sve spratove
Prenošenje vertikalnog opterećenja
►Stubovi su postavljeni tako da
prolaze kroz sve spratove jedan
iznad drugog.
►Ovakvim načinom opterećenje se
spušta do fundamenata najkraćim
putem.
► Pri ovakvoj konstruktivnoj šemi
zgrade, osnova može biti kvadratna,
pravougaona, trougaona ili kružna.
Različiti raster stubova u prizemlju i na spratovima
Prenošenje vertikalnog opterećenja
►Donji deo zgrade često ima drugu funkciju od gornjeg dela,
što uzrokuje različiti raspored stubova na spratovima od onih u
prizemlju.
►Kada su spoljašnji stubovi gusto postavljeni u gornjim
spratovima, a retko u prizemlju, moraju se upotrebiti jaki
horizontalni nosači čija je funkcija da prime opterećenje sa
gusto postavljenih stubova.
►Ako su ti nosači postavljeni iznad prizemlja onda su
sekundarni stubovi pritisnuti (slika a), a ako su ti nosači na vrhu
zgrade onda su sekundarni stubovi zategnuti (slika b).
Jezgro kao element za prijem vertikalnog opterećenja
Prenošenje vertikalnog opterećenja
►Opterećenje je moguće preneti na fundamente i isključivo putem
unutrašnjeg vertikalnog nosećeg sistema (jezgro od čeličnih spregova ili
armiranobetonsko).
►U ovom slučaju moguće je projektovati prizemlje bez stubova. Tada se
opterećenje sa spratova prenosi na sledeći način:
▪ sa svakog sprata preko konzolne grade (slika a),
▪ putem vešaljki na konzolnu gredu na vrhu zgrade (slika b)
▪ putem krutih rešetkastih konzolnih greda u sredini visine zgrade,
tada su spratovi ispod nje ovešani a iznad nje oslonjeni na nju (slika c),
▪ putem krutih konzolnih greda na provm spratu (slika d).
Prenošenje vertikalnog opterećenja kod zgrada
mostovskog tipa
Prenošenje vertikalnog opterećenja
►Kada zgrada nema unutrašnje stubove u prizemlju,
mogu se sva opterećenja preneti na spoljašnje stubove
putem rigli okvira (slika a), vešanjem srednjih stubova o
krutu gredu na vrhu zgrade (slika b) ili oslanjanjem srednjih
stubova na krutu gredu u visini prvog sprata (slika c).
Vrste
vertikalnih
nosećih
konstrukcija
Zglobni sistemi
►Zglobni sistemi se sastoje iz stubova koji su kontinualni kroz sve spratove i rigli zglobno spojenih sa stubovima.
►Poprečnu krutost ovim sistemima obezbeđuju rešetkasti spregovi i armiranobetonska platna samostalna ili vezana u jezgro.
Zglobni sistemi
Okvirni sistemi
►Okvirni sistemi sastoje se iz
kruto spojenih stubova i rigli,
koji obrazuju ravne i
prostorne okvire objedinjene
međuspratnom
konstrukcijom.
►Oni se mogu u praksi javiti
kao samostalni kruti okviri
(slika a) ili u kombinaciji sa
nekim od elemenata krutosti
(slike b i c).
Okvirni sistemi
►Poprečna deformacija krutih okvira zavisi od dva parametra:
1.Deformacija usled savijanja konzolenastaje usled odupiranja sistema momentu preturanja.
Ona je uslovljena uzdužnim deformacijama stubova koji predstavljaju vlakna okvirne konzole uklještene u temelje. U ovakvom slučaju izduženje i skraćenje stubova daje bočna pomeranja.
Ovim načinom deformacije nastaju oko 20% ukupnih bočnih deformacija konstrukcije.
Okvirni sistemi
Deformacija usled
savijanja konzole
Deformacija usled
savijanja stubova i rigli
2. Deforamcija usled savijanja stubova i rigli je fenomen poznat kao "klizanje okvira".
Horizontalne i vertikalne sile deluju na stubove i rigle i u njima prouzrokuju momente savijanja.
Ovakvim načinom deformacije nastaju 80% ukupnih bočnih deformacija konstrukcije, od čega 65% savijanjem greda i 15% savijanjem stubova.
Kriva deformacije odgovara spoljašnjem dijagramu smicanja. Nagib krive deformacije najveći je u osnovi, gde je i smicanje najveće.
Okvirni sistemi
Okvirni sistemi
►Ukupna deformacija dobija se superpozicijom deformacijonih krivih iz prva dva slučaja.
Interakcija krutog okvira i sprega
Okvirni sistemi
►Na slici je prikazano:
a) deformacija krutog poprečnog rama,
b) deformacija rešetkastog sprega
c) i d) interakcija okvira i sprega
Sistemi od stubova i ravnih ploča
►Ovaj noseći sistem formiran je od armiranobetonskih ploča jednake debljine i čeličnih stubova.
► Stubovi mogu biti urađeni sa ili bez kapitela.
► Za manji broj spratova ovakva konstrukcija može biti izvedena samo sa stubovima uklještenim u fundament, dok je za veći broj spratova neophodna primena rešetkastih spregova ili armiranobetonskog jezgra, koji će obezbediti horizontalnu krutost konstrukcije.
Sistem od stubova i
ravnih ploča
Sistem sa horizontalnim rešetkama
►Efikasnost konstrukcije zgrade
može se povećati za oko 30%
upotrebom horizontalnih
(pojasnih) rešetki vezanih za
okvir i za jezgro.
► Horizontalne (pojasne)
rešetke se vezuju kruto za
jezgro, a zglobno za
psoljašnje stubove.
► Ugibanjem jezgra usled
horizontlanih sila, horizontalna
(pojasna) rešetka deluje kao
ruka poluge pa unosi direktno
aksijalne sile u krajnjem
stubove. Sistem sa horizontalnim
rešetkama
►Dijagram napona na slici ilustruje prednost zglobne veze pojasne rešetke sa spoljašnjim stubovima u odnosu na krutu.
► Ako su ove rešetke kruto spojene sa spoljašnjim stubovima, ceo sistem će delovati kao jedinstven, i na taj način će se slabo iskoristiti momentna nosivost jezgra, jer su zidovi jezgra dosta blizu neutralnoj osi zgrade.
► Suprotno, ako je upotrebljena zglovna veza sa spoljašnjim stubovima, dobija se bolje iskorišćenje jezgra. Uz to zglobna veza daje odsustvo momenata savijanja u stubovima, pa je samim tim aksijalna nosivost stubova povećana.
Kruta i zglovna veza pojasne
rešetke sa spoljašnjim
stubovima
Sistem sa horizontalnim rešetkama
Ponašanje zgrade sa pojasnim rešetkama pri
horizontalnom opterećenju
►Na slici su prikazane deformacije:
a) sistema bez spratne rešetke,
b) sistem sa jednom spratnom rešetkom na vrhu zgrade i
c) sistem sa dve spratne rešetke.
Sistem sa horizontalnim rešetkama
Pomeranje vrha zgrade sa pojasnim rešetkama u zavisnosti
od broja pojasnih rešetki
Sistem sa horizontalnim rešetkama
Konzolni sistemi
►U zgradama sa unutrašnjim jezgrom i dodacima u vidu
konzola moguće je dopadljivo rešenje međuspratne
konstrukcije, fasada i razmeštaja pregradnih zidova.
► Kod ovakvog sistema posebnu pažnju treba obratiti na
ugib međuspratne konstrukcije jer usled velikog ugiba
dolazi do deformacije spoja između fasadne i
međuspratne konstrukcije.
Konzolni sistemi
►Na slici a dat je sistem kod koga su konzolni nosači uklješteni u jezgro.
► Visina konzolnih nosača smanjuje se prema krajevima saglasno sa oblikom dijagrama momenta savijanja.
► Oslanjanje celokupne međuspratne konstrukcije na centralno jezgro dopušta fleksibilan slobodni prostor oslobođen stubova. Nosivost međuspratne konstrukcije zavisi od veličine osnove zgrade.
► Nedostatak ovoga sistema što se za velike površine osnova dobija veliki utrošak čelika.
Konzolni sistemi
►Konzolni Virendel nosači spratne visine upotrebljeni na svakom drugom spratu formiraju slobodni unutrašnji prostor iznad svakog nosača (slika b).
► Unutrašnji prostor Virendel nosača iskorišćen je za smeštaj instalacija, stalne opreme i manjih prostora, a potpuno slobodan, prostor iznad nosača može biti adaptiran za bilo kakav tip aktivnosti.
► Ovaj sistem daje dosta veliki utrošak čelika po m2 krovne površine.
Konzolni sistemi
►Na slici c prikazan je sistem koji predstavlja kombinaciju prethodna dva sistema.
► Između dva jezgra u svakom drugom spratu postavljena su dva Virendel nosača spratne visine sa konzolnim prepustima sa obe strane jezgra. Ti Virendel nosači nose na donjem i gornjem pojasupoprečne konzolne nosače (nosače međuspratne konstrukcije).
►Otvori Virendel nosača ograničavaju slobodan prostor na svakom drugom spratu, ali su zato spratovi bez Virendel nosača potpuno bez unutrašnjih stubova.
Sistemi spratnih rešetki
►Ovaj sistem je tipa višespratnih okvira formiranog od punih stubova i rešetkastih rigli spratne visine. Rešetke su raspona kraćeg pravca zgrade i oslonjene su na niz spoljašnjih stubova.
► Standardni sistem je sa spratnim rešetkama postavljenim jedna iznad druge u svakom drugom spratu (slika a).
► Međuspratna konstrukcija se oslanja na donji i gornji pojas rešetke. Slobodni prostor formiran na ovaj način je pogodan za izvesne tipove zgrada, gde su neophodne velike slobodne površine.
►Pri istom rasporedu spratnih rešetki u svim okvirima smenjuju se spratovi sa velikom slobodnom površinom i sa ograničenom korisnom površinom.
► Taj nedostatak se eliminiše pri naizmeničnom (šahovskom) rasporedu spratnih rešetki, koji osigurava na svim spratovima dosta velike slobodne površine prostorija (slika b).
Sistemi spratnih rešetki
►Ponašanje sistema sa naizmenično postavljenim spratnim rešetkama prikazano je na slici.
► Spratne rešetke su veoma krute i slabo deformabilne, dok su relativno slabi stubovi jedini noseći elementi koji primaju horizontalne sile između spratova. Usled toga se stubovi ponašaju slično onima u klasičnim okvirnim sistemima.
Sistemi spratnih rešetki
Deformacija sistema spratnih rešetki
Cevni sistemi
►Kod cevnih sistema fasadna konstrukcija je sposobna da
primi horizontalne sile, kao zatvorena šuplja konzolna
greda.
► Upotrebom ovog sistema otpada potreba postavljanja
rešetkastih spregova ili armiranobetonskih dijafragmi
unutar zatvorenog prostora.
► Zid cevi je formiran od stubova i fasadnih greda
međusobno vezanih. Ovakva perforirana fasada daje
vrlo povoljan estetski izgled zgrade.
► Krutost ovakve fasade može dalje biti povećana
dodavanjem dijagonalnih spregova. Dalje povećanje
krutosti može biti ostvareno dodavanjem i unutrašnje
cevi ili formiranjem svežnja cevi.
Okvirni cevni sistem
Cevni sistemi - okvirni
►Okvirni cevni sistem se prvi pojavio
pri primeni cevnog koncepta
konstruisanja zgrada.
► U ovom sistemu spoljašnji zidovi
zgrade sastoje se od gusto postavljene
mreže stubova i greda međusobno kruto
vezanih, koji primaju sve horizontalne sile
konzolnim dejstvom tako formirane cevi.
► Unutrašnji stubovi primaju samo
vertikalna opterećenja i ne doprinose
krutosti cevi (slika).
► Kruta meduspratna konstrukcija deluje
kao dijafragma pri rasporedu
horizontalnih sila na spoljašnje zidove
(cev).
Cevni sistemi - okvirni
Primer zgrade okvirnog cevnog sistema je i
World Trade Center u Njujorku (slika)
Cevni sistemi - okvirni
Primer zgrade okvirnog cevnog sistema je i
Standard Oil Building u Čikagu (slika)
Uticaj rešetkaste cevi na
deforamciju
Cevni sistemi - rešetkasti
►Refetkasti cevni sistem otklanja bitnu slabost okvirnog cevnog sistema
koja se ogleda u fleksibilnosti njegovih fasadnih (parapetnih) greda.
► Krutost cevnih sistema se znatno povećava dodavanjem dijagonalnih
elemenata. Horizontalne sile se sada primarno primaju dijagonalnim
elementima, a ne fasadnim gredama.
► Ovakvim načinom se ostvaruje skoro čisto konzolno ponašanje (slika).
► Kod ovog sistema javljaju se dva podsistema:
▪ stub-dijagonalna rešetkasta cev i
▪ čista rešetkasta cev.
Stub - dijagonalni rešetkasti cevni sistem -
John Hancock building u Čikagu
Cevni sistemi - rešetkasti
Čist rešetkasti cevni sistem
Cevni sistemi - rešetkasti
►Čist rešetkasti cevni sistem formiran je tako da
zatvara unutrašnji prostor samo dijagonalnim
elementima, bez vertikalnih stubova (slika).
Cevni sistemi – cev u cev
►Sistem cev u cev je još jedna
mogućnost povećanja krutosti
zgrade.
► Međuspratna konstrukcija je
spojena i za spoljašnju i za
unutrašnju cev, pa one deluju
integralno pri prijemu
horizontalnih sila.
Primer primene koncepta cev u
cev na 38 - spratnoj zgradi
Brunswick u Čikagu
Cevni sistemi – cev u cev
Primer primene koncepta cev u
cev na 52 - spratnoj zgradi One
Shell Plaza u Hjustonu
Sistem trostruke cevi
Cevni sistemi – cev u cev
Cevni sistemi – modularna cev
(svežanj cevi)
►Sistem modularne cevi (svežanj cevi) je
primenjen kod Sears Building i Čikagu (slika)
koja je sagrađena 1974. godine i tada je, sa
110 spratova i 435m visine, bila najviša
zgrada na svetu!
► Svaka individualna cev je dosta kruta pa
otuda može biti postavljena u bilo kakvom
rasporedu, u bilo kom nivou.
►Dejstvo unutrašnjih zidova cevi, kao rebara
ogromnog konzolnog nosača daje veliku
otpornost sistemana horizontalne uticaje.
Cevni sistemi – modularna cev
(svežanj cevi)
Sears Building i Čikagu
Ovešeni sistemi
►Osnovu konstruktivne šeme čini armiranobetonsko jezgro(ređe od čelika), u kome su smeštene stepenice i liftovi, i koje prihvata sva vertikalna i horizontalna opterećenja.
► Etaže su ovešene o konzolne konstrukcije, izvedene u obliku punih grednih roštilja ili ukrštenih rešetki, koje se oslanjaju na jezgro zgrade.
► Zahvaljujući zameni pritisnutih stubova, karakterističnih za klasične sisteme, vešaljkama, zgrade sa ovešanim etažama znatno su lakše od tradicionalnih višespratnih konstrukcija, imaju veću korisnu površinu, veću seizmičku otpornost, zahtevaju manji obim zemljanih radova i dozvoljavaju ostvarivanje originalnih arhitektonsko-konstruktivnih rešenja.
► Ekonomičnost se može dalje povećati upotrebom čeličnih kablova koji imaju znatno bolje mehaničke karakteristike. Međutim, nedostatak kablovskih sistema, aerodinamička nestabilnost i podrhtavanje jako komplikuje proračun konstrukcije, jer je stabilizacija cleokupne čelične konstrukcije odlučujući faktor. Uz to, visoka koncentracija napona u zategnutim elementima stvara probleme pri ankerovanju.
Ovešeni sistemi
►Najveću primenu u građevinskoj praksi dobili su sistemi sa
armiranobetonskim jezgrima i jednim konzolnim roštiljem, postavljenim na
vrhu jezgra (slika).
► Pri tome se roštilj rešava ili u vidu sistema punih greda (slika a) ili u vidu
rešetkastih nosača (slika c, d, e).
► Minimalni uticaji javljaju se u elementima roštilja (slika e), kada je ugao
nagiba prema horizontali izmedu 30-35º.
► Radi smanjenja momenta savijanja u grednim roštiljima, postavljaju se po
visini jezgra dva, tri ili više roštilja, zavisno od broja etaža (slika b).
Delimično ovešeni i delimično
oslonjeni sistemi
Ovešeni sistemi
►Takode su mogući i kombinovani
sistemi, delimično ovešeni i
delimitno oslonjeni na konzolne
roštilje (slika a, b).
► Kombinovani sistemi mogu se
primeniti i u slučajevima, kada se
radi smanjenja visine meduspratnih
konstrukcija, ili radi predaje velikih
opterećenja na delovima etaža
razmak vertikalnih oslonaca usvaja
3.0-6.0 m.
Prevođenje užadi
preko jezgra
Ovešeni sistemi
►Na slici je prikazana zgrada sa
kvadratnom osnovom i kvadratnim
armiranobetonskim jezgrom.
►Jezgro se produžava i iznad poslednjeg
sprata, a užad se prevode preko
specijalne konstrukcije postavljene na
vrhu armiranobetonskog jezgra.
Neke forme zgrada ovešenog tipa
Ovešeni sistemi
Mostovski sistemi
►Ovi sistemi imaju dva ili više jezgara, unutar kojih se postavljaju stepeništa i liftovi, a na njih se kao kod mostova sa jednim rasponom oslanjaju elementi za nošenje međuspratnih konstrukcija (pune grede, rešetke, sistem užadi i sl.).
► Međuspratne konstrukcije su ovešane o glavnu noseću horizontalnu konstrukciju na vrhu zgrade (jaka rešetkasta konstrukcija) sa jednakim ili promenljivim rastojanjem vešaljki koje, po pravlu, ne prelazi 12.0 m (slika).
Zgrade mostovskog tipa
Mostovski sistemi
►Na slikama b i c data su dva kombinovana sistema, kodkojih se pored glavne noseće horizontalne konstrukcije i vešaljki, dodaje i izvestan broj kosih vešaljki.
► U ovim slušajevima u glavnoj nosećoj horizontalnoj konstrukciji javljaju se dodatne horizontalne sile pritiska.
► Zgrada na slici b predstavlja Federal Reserve Bank u Mineapolisu. Raspon ove konstrukcije mostovskog tipa je 84.0 m, sa povezanim pojasevima.
Zgrade mostovskog tipa
►Na slici c prikazano je i
korišćenje kosih zatega
kod zgrada ovog tipa.
Mostovski sistemi
Federal Reserve Bank u Mineapolisu.
Mostovski sistemi zgrada
Mostovski sistemi
►Na slici a data je
mostovska konstrukcija sa
kosim zategama, a na slici b
jedan lučni mostovski sistem.
Kombinovani sistemi
Kombinovani sistemi
►Pri projektovanju noseće konstrukcije ne zadržava se
uvek samo jedan jedinstveni statički sistem po visini, širini
ili dužimi zgrade.
► Moguća je takođe primena jednog nosećeg sistema u
podužnom pravcu, a drugog u poprečnom. Ovo
omogućava veliki broj raznovsnih kombinacija.
Kombinovani sistemi
Kombinovani sistemi
►Na slikama a, b i c u gornjim delovima noseće
konstrukcije primenjen je relativno manje krut sistem.
►Na slici d primenjena je ideja prijema sila od
horizontalnog opterećenja u manjem broju čvorova koji
će onda biti netipični. Svi ostali čvorovi će biti unificirani.
Kombinovani sistemi
Okvirno-ovešeni sistem
►Na slici je prikazana okvirna
konstrukcija sa ovešenim etažama
studentskog doma u Parizu.
►Konstrukcija se sastoji od tri
dvospratna čelična okvira raspona
12.9 m. Razmak okvira je 14.5 m.
Okviri su međusobno povezani u
ravni rigli podužnim gredama.
Etaže su pomoću šipkastih vešaljki
ovešane o rigle okvira.
Ćelijasti sistemi
►Iz mnogobrojnih studija industrijalizacije građenja
zgrada od čelika proistekla je primena ćelijastih
sistema.
►To su posebne stambene ili poslovne jedinice sa
gabaritima i težinama pogodnim za transport. Pri
korišćenju ovog sistema montažni radovi na gradilištu
svode se na najmanju moguću meru.
► U savremenoj industrijalizovanoj izgradnji ćelijasti
sistemi zgrada paseduju specifične karakteristike.
Jedna ćelija koja egzistira kao posebna jedinica,
zavisno od potrebe može biti samostalna ili deo sklopa.
Ćelijasti sistemi
►U okviru postojećih sistema razlikuju se tri tipa ćelija:
▪ ćelije su postavljene neposredno jedna iznad druge bez
dodatnih spojeva. Donje ćelije nose gornje. Prema tome, one moraju
biti sposobne da prime velika vertikalna opterećenja.(slika a);
▪ sistem ima potpuno nezavisnu čeličnu ili armiranobetonsku
skeletnu konstrukciju koja prima sve statičke uticaje. Ćelijaste
jedinice postavljaju se unutar skeletne konstrukcije kao fioke (slika b);
▪ sistem na slici c je kombinacija prethodna dva rešenja. U
ovom slučaju u međuprostor između ćelija postavljaju se horizontalni
i vertikalni čelični spregovi, koji omogućavaju zajednički rad svih
elemenata, a samim tim povećava se i krutost sistema.
Ćelijasti sistemi
Ćelijasti sistemi
Neka moguća rešenja ćelijastih sistema