Pozemní stavby 2 - kps.fsv.cvut.czkps.fsv.cvut.cz/upload/files/01_124ps02... · Obsah přednášky...
Transcript of Pozemní stavby 2 - kps.fsv.cvut.czkps.fsv.cvut.cz/upload/files/01_124ps02... · Obsah přednášky...
Pozemní stavby 2
124PS02 - Přednáška č. 1 1
Kód předmětu:
124PS02
Rozsah: 3+2
Zakončení: Zápočet, zkouška
Obor studia: Konstrukce pozemních staveb (C)
Druh studia: Bakalářský
Semestr: Letní
Typ předmětu:
Povinný
Garanti předmětu:
Prof. Ing. Jiří Witzany, DrSc., doc. Ing Tomáš Čejka, Ph.D., doc. Ing. HanaGattermayerová, CSc., doc. Ing Vladimír Ždára, CSc.
Obsah předmětu
Předmět Pozemní stavby 2 (PS02) se skládá ze tří samostatných tematických celků:
• Krovy, halové a výškové stavby
• Prefabrikované konstrukce
• Poruchy, degradace a rekonstrukce
124PS02 - Přednáška č. 1 2
Obsah přednášky
• Obecné zásady navrhování vícepodlažních budov
• Vícepodlažní budovy s rámovými, stěnovými a příhradovými ztužidly.
• Konstrukční principy návrhu nosných konstrukcí, analýza okrajových podmínek návrhu.
• Konstrukčně-statická analýza a optimalizace konstrukcí.
• Modelování účinků silových a nesilových zatížení.
• Systémový návrh a interakce nosných konstrukcí s ostatními částmi stavby.
124PS02 - Přednáška č. 1 3
124PS02 - Přednáška č. 1 4
Definice výškových budov
• Definice a)
• 10 podlaží nebo více
• nebo 30 m (100 feet) a více
• Definice b)
• Budovy mezi 23 m a150 m výšky se nazývají výškové (high-rises).
• Budovy vyšší než 150 m jsounazývány mrakodrapy(skyscrapers).
124PS02 - Přednáška č. 1 5
Definice výškových budov
• Definice c)
• (Council on Tall Buildings)
• Výšková budova není definována pouze počtem podlaží. Je to budova, u níž výška zásadně ovlivňuje její návrh a použití. Výška budovy vytváří specifické podmínky pro její návrh, konstrukci a provoz.....
• A tall building is not defined by its height or number of stories. It is a building in which „tallness“ strongly influences planning, design and use. The height of this building creates different conditions in the design, construction, operation...
124PS02 - Přednáška č. 1 6
Definice výškových budov
• Požární definice
• Nejnižší výška nad úrovnípřístupu požárního zásahu(Building Code, ČSN 73 0802....)
• ČSN 73 0810 – Požárníbezpečnost staveb – Společnáustanovení - Fire protection of buildings – General requirements
• ČSN 73 0802 – Požárníbezpečnost staveb -Fire protection of buildings – Non-industrial buildings
124PS02 - Přednáška č. 1 7
Definice výškových budov
• Požární definice
• Požární výška podle ČSN
• hp:
• hp < 12 m
• 12 m < hp ≤ 22,5 m
• hp > 22,5 m
hp
Nadzemnípodlaží
Podzemnípodlaží
124PS02 - Přednáška č. 1 8
Definice výškových budov
A high-rise building is defined in Chapter 2 of the IBC as a “building with an occupied floor located more than 75 feet (22 860 mm) above the lowest level of fire department vehicle access.”
Požární definice - analogicky podle IBC (International Building Code):
124PS02 - Přednáška č. 1 9
Vícepodlažní budovy – účel
• Administrativní budovy
• Obytné budovy
• Multifunkční budovy
124PS02 - Přednáška č. 1 10
Vícepodlažní budovy – účel
124PS02 - Přednáška č. 1 11
Vícepodlažní budovy – dispozičnípožadavky na svislou nosnoukonstrukci
• Dispozi ční požadavky x stavebn ě fyzikální požadavky xrozmíst ění prvk ů svislé nosné konstrukce
• Příklady:
• Administrativní budovy – variabilní dispozice „open space“ s minimemsvislých prvků
• Obytné budovy – využití mezibytových akustických stěn jako součástnosného systému
• Podzemní garáže pod obytnou/administrativní budovou – nosnýsystém v násobcích modulu parkovacích stání, průjezdné šířky.....
• Požární chráněné únikové cesty – využití nosných nebo ztužujícíchstěn kolem nich
124PS02 - Přednáška č. 1 12
Vícepodlažní budovy -požadavky na prostupy v konstrukcích
• Vodorovné rozvody
Pod stropní konstrukcí
Ve stropní konstrukci
Nad stropní konstrukcí
• Svislé rozvody
Šachty
Jádra
• Podzemní vstupy
Vzduch
Voda
El. energie
Topná média
124PS02 - Přednáška č. 1 13
Vícepodlažní budovy - vertikálníkomunikace
Zónování výtahů
WTC:24 lokálních výtahů pro spodní třetinu budovy,
24 lokálních výtahů pro střední třetinu budovy
24 lokálních výtahů pro horní třetinu budovy
8 expresních výtahů do 44 podalží
11 expresních výtahů do 78 podlaží.
2 expresní výtahy do 110 podlaží.
124PS02 - Přednáška č. 1 14
Statické systémy se dělí na dvě základní kategorie podle dominantní polohy ztužujícího prvku:
�Vnit řní (Interior) systémy
�Vnější (Exterior) systémy
Základní statické systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 15
� Vzdorují vodorovnému zatíženíprimárně pomocí prvků umístěných v centru půdorysu
� Vnitřní ztužující prvky jsou tvořenyuzavřeným systémem, který působíjako konstrukční tubus
• Typy vnitřních ztužujících prvků:
• Tuhý rám
• Příhradové ztužení (Braced frame)
• Stěnové jádro
Základní statické systémy - vnitřnísystémy
Tuhý rám Stěnové
jádro
Příhradové
ztužení
124PS02 - Přednáška č. 1 16
� Vzdorují vodorovnémuzatížení primárně pomocí prvkůumístěných po obvoděpůdorysu
• Typy :
• Braced frames - Příhradové ztužení
• Tube structures - Tubusový systém
• Tube-in-tube Structures
• Diagrid Structure - Mřížovina
• Trussed Tubes - Příhradový tubus
• Bundled Tubes – Svazek tubusů
• Space Truss – Prostorová příhradovina
• Megaframe Structures - MegarámBracedFrames
TubeStructures Tube-in-tube
Strucrures
Základní statické systémy - vnějšísystémy
124PS02 - Přednáška č. 1 17
DiagridStructure
TrussedTubes
BundledTubes
Space TrussMegaframeStructures
Základní statické systémy - Vnějšísystémy
124PS02 - Přednáška č. 1 18
Logika konstrukcí, fyzikální zákony, gravitace
Bertrand Arthur William Russell (1872 – 1970), významný britský matematik, filosof, logik a spisovatel, nositel Nobelovy ceny za literaturu za rok 1950
Pravidla logiky jsou pro matematiku tím, čím je konstrukce pro architekturu
124PS02 - Přednáška č. 1 19
Logika konstrukcí, fyzikální zákony, gravitace
Architects spend an entire life with this unreasonable idea that you can fight against gravity (Renzo Piano, italský architekt)
Architekt stráví celý život zbytečnou myšlenkou, že lze bojovat proti gravitaci.
Renzo Piano: The Shard („střep“), Londýn, 310 m, nejvyšší budova ve Velké Británii a druhá nejvyšší v Evropě.
124PS02 - Přednáška č. 1 20
Vícepodlažní budovy – inspiracepřírodou
•Euplectella aspergillum - houbykřemité•Mají křemité jehlice ze šesti paprsků. Velikost 50 cm ivíce. Žijí v hlubokých vodách Tichého oceánu.
• Gherkin (2004), Londýn,180 m, architekt Norman Foster
Mikrostruktura křemičité schránky
124PS02 - Přednáška č. 1 21
Vícepodlažní budovy – inspiracepřírodou
• Hearst tower (2002), Charlotte 201 m
• Hotel las Artes,(1992) Barcelone
Euplectella aspergillum - houby křemité
124PS02 - Přednáška č. 1 22
Vícepodlažní budovy – inspiracepřírodou• Diamant je kubická krystalická forma uhlíku
124PS02 - Přednáška č. 1 23
Vícepodlažní budovy – inspirace přírodou
Diamond Tower, New York City, architekt Luis Durazo.
IBM Building, Pittsburgh, architekt Curtis & Davis, 1962-1964
124PS02 - Přednáška č. 1 24
Vícepodlažní budovy – inspirace přírodouStrom ginkgo biloba
Architekt Toyo Ito, obchodní dům Tod´s, Tokio
124PS02 - Přednáška č. 1 25
Požadavky na nosnou konstrukcivícepodlažní budovy
• Primární funkce
• Bezpečně přenášetzatížení z vrchní stavby do základů a základové půdy
• Konstrukčními prvkyvzdorovat účinkůmvodorovných zatížení (vítr, seismicita, vibrace)
A building at the Lotus Riverside complex in Shanghai’s Minhang district collapsed, nearlyintact, on June 2009
124PS02 - Přednáška č. 1 26
Požadavky na nosnou konstrukcivícepodlažní budovy
• Kontinuita nosné konstrukce – přenos sil nejkratší a nejefektivnější cestou
• Redundance • - možnost „náhradní“ cesty• Slovník cizích slov: V případě poruchy na jednom
systému druhý dále pracuje na daném úkolu zcela bez potřeby prvního. Možná by se dalo použít české slovo záložní.
• Nedostatek redundance ohrožuje bezpečnost konstrukcí při mimořádných zatíženích a rekonstrukcích
Požadavky na nosnou konstrukci vícepodlažní budovy
124PS02 - Přednáška č. 1 27
• Ekonomika a efektivnost konstrukce
• „Maximum výsledků s vynaložením minimálních prostředků“
124PS02 - Přednáška č. 1 28
Požadavky na nosnou konstrukcivícepodlažní budovy
Zděná konstrukce, Karlovy Vary VVU ETA prefa system, Praha
124PS02 - Přednáška č. 1 29
Požadavky na nosnou konstrukcivícepodlažní budovy
• D'Arcy Wentworth Thompson (1860 - 1948), Scottish biologist, mathematician - On Growth and Form:
• „The form of an object is a diagram of forces“.
• Tvar objektu odpovídáprůběhu sil
Výpočetní schémata výškových budov
• Volba statického schématu pro výpočet konstrukce musí odpovídat předpokládanému (rekonstrukce) nebo nově navrhovanému konstrukčnímu řešení
• Každý výpočet zjednodušuje reálnou konstrukci, ale musí vystihnout její působení
• Nevhodná volba statického schématu může způsobit vážné poškození (rekonstrukce) nebo porušení navrhované konstrukce
124PS02 - Přednáška č. 1 30
Výpočetní schémata výškových budov
124PS02 - Přednáška č. 1 31
•Prutové St ěnové Kombinované
•Příhradové Rámové
Výpočetní schémata výškových budov
124PS02 - Přednáška č. 1 32
Výpočetní schémata výškových budov
124PS02 - Přednáška č. 1 33
Stěnové systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 34
Příhradové skelety
124PS02 - Přednáška č. 1 35
Příhradové konstrukceMetody předběžného výpočtu vnitřních sil
a) průsečná metoda b) sty čníková metoda
Příhradové skelety - podrobný výpočet
• Modelování konstrukce pomocí prutových prvků
• Spoje prvků kloubové
• Zatížení na ztužujících prvcích pouze ve směru osy prvku, ne kolmo na ni
• Detaily styků musí odpovídat statickému schématu
124PS02 - Přednáška č. 136
Příhradové skelety - podrobný výpočet
124PS02 - Přednáška č. 1 37
Reálná konstrukce a detail výpočetního modelu
124PS02 - Přednáška č. 1 38
Přechodová podlaží
změna konstrukčního systému nad parterem – Vierendelův nosník
Různá statická schémata pro prefabrikovaný Vierendelův nosník
Přechodová podlaží
124PS02 - Přednáška č. 1 39
změna konstrukčního systému, technická podlaží a překonzolované konstrukce
124PS02 - Přednáška č. 1 40
Rámové skelety ocelové
Předběžný výpo čet:
Metoda silová, deforma ční
124PS02 - Přednáška č. 1 41
Distribuce zatížení v rámu
Ohybové momenty –vodorovné zatížení
Ohybové momenty –svislé zatížení
124PS02 - Přednáška č. 1 42
Příklad fasádního ztužujícícho rámu(SEARS TOWER)
Montážní spoje – místa minimálních ohybových momentů od vodorovného zatížení
124PS02 - Přednáška č. 1 43
Distribuce zatížení v rámu(podporové reakce)
Rám s vloženým polem
Jednoduchý rám
Přechodový stěnový nosník
Super rám
124PS02 - Přednáška č. 1 44
Rámové skeletyMetody předběžného výpočtu vnitřních sil
Podmínka rovnováhyMetoda patrových rámů
124PS02 - Přednáška č. 1 45
Rámové skeletyMetody předběžného výpočtu
Patrový výsek pro vodorovné zatížení
Nad vyšet řovaným místem
Tuhost sloup ů (EI)
Rámové skelety ocelové - podrobnývýpočet
• Modelování konstrukce pomocí prutových prvků
• Rámové spoje prvků tuhé (X, Y, Z, Rx, Ry, Rz)
• Tuhosti styčníků lze určit zadat explicitně
• Výpočet iterační pro různé tuhosti
• Detaily styků musí odpovídat statickému schématu
• Imperfekce, stabilitní výpočet
124PS02 - Přednáška č. 1 46
124PS02 - Přednáška č. 1 47
Rámové skelety ocelové - podrobnývýpočet
3D zobrazení modelu – rámy ve směru osy y
Výpočetní model – přípoje stropnic kloubové
124PS02 - Přednáška č. 1 48
Rámové skelety ocelové - podrobnývýpočet
Příklad výstupu deformace a vnitřních sil
124PS02 - Přednáška č. 1 49
Rámové skelety – železobetonovémontované
Rozhoduje volba statického schématu konstrukce a styků !!
124PS02 - Přednáška č. 1 50
Rámové skelety – železobetonovémontované
Rámové skelety – železobetonové
124PS02 - Přednáška č. 1 51
124PS02 - Přednáška č. 1 52
Rámové skelety – železobetonovémontované
124PS02 - Přednáška č. 1 53
Stěnové systémy
Předběžný výpo čet
Podmínky:
Uspořádání stěn – vetknutí do základů
Konzolové působení pro vodorovné zatížení
Tuhá stropní tabule
Oslabení otvory – otvory průběžně nad sebou, zanedbání otvorů
Spojení stěnových prvků pomocí styků nebo spojovacích vazeb:
•Obecná tuhost spoje (nebo nekonečná)
Material isotropický
Statický výpočet podle zásad pružnosti
Zjednodušená metoda např. EC 2
124PS02 - Přednáška č. 1 54
Distribuce zatížení ve stěnovém jádru
Jádro – smykové stěny
půdorys
Průběh normálového napětí
124PS02 - Přednáška č. 1 55
Distribuce vodorovného zatížení –vliv smykové poddajnosti ztužujícíchprvků
124PS02 - Přednáška č. 1 56
Tuhost spojení stěnových ztužujícíchprvků
„nekonečně“ tuhé obecně tuhé „nulová“ tuhost
124PS02 - Přednáška č. 1 57
Stěnové systémy
1. „Diskretní metoda“ :
• Obecná silová metoda – řešení pomocí soustavy rovnic pro neznámé smykové síly ve
spojovacích vazbách
Analýza vnit řních sil pomocí metod klasické statiky
124PS02 - Přednáška č. 1 58
Stěnové systémy
Patrový výsek pro 2 smykové stěny spojené obecným spojovacím prvkem
E – modul pružnosti
G – modul pružnosti ve smyku
I – moment setrvačnosti
U – průřezová plocha
Relativní tuhost spojovacího prvku
Diskretní metoda – vlastnosti vazeb mezi svislými prvky
124PS02 - Přednáška č. 1 59
Stěnové systémy
Rozdílná deformace svislých stěnových prvků je v rovnováze s deformací jejich spojovacích prvků
Zákaldní deformační podmínky pro spojovací prvek i-té vazbě a nazk úrovni
Diskretní metoda
124PS02 - Přednáška č. 1 60
Stěnové systémy Rovnice pro neznámou T.
Levá strana – dílčí deformace
Pravá strana – vliv zatížení
Součtový ohybový moment – směr x
Ohybový moment – přerozdělení na konkrétní prvek ve směru x,
Normálová síla – přerozdělení na konkrétní prvek ve směru x,
Sestavení soustavy rovnic pro každýspojovací prvek a každou výškovou úroveň – matice (i x n)
Diskretní metoda
124PS02 - Přednáška č. 1 61
Stěnové systémy
2. „Kontinualní metoda“
řešení pomocí soustavy rovnic pro neznámé smykové toky ve spojovacím prostředí
Discretní T je nahrazeno jednoduchou spojitou funkcí
124PS02 - Přednáška č. 1 62
Stěnové systémy
Srovnání diskrétního a kontinuálního modelul
Gi – náhradní tuhost smykového spojovacího prostředí
Kontinualní metoda
124PS02 - Přednáška č. 1 63
Stěnové systémy3. Metoda kone čných prvk ů
• Modelování konstrukce pomocí plošných deskových, stěnových nebo skořepinových prvků, prutové prvky
• Propojení jednotlivých „maker“ vazbami s obecnými tuhostmi
• Zatížení plošných prvků s ohledem na jejich statické působení
• Možnosti výpočtu interakce vrchní stavby a podloží
• Jeden výpočetní model zpravidla není vhodný pro různé analýzy konstrukce
Stěnové systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 64
Metoda kone čných prvk ů – 3D model konstrukce pro výpo čet vnit řních sil
Vizualizace
Metoda kone čných prvk ů
Stěnové systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 65
Metoda kone čných prvk ů
Realizace
3D model konstrukce pro výpo čet vnit řních sil
Stěnové systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 66
Model zatížení - p říklad
Stěnové systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 67
Metoda kone čných prvk ů
Reakce do pilot – výsledky z celkového modelu konstrukce
Stěnové systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 68
Metoda kone čných prvk ů
My z interakce budova –podloží (soilin)– výsledky z celkového modelu konstrukce
Stěnové systémy
124PS02 - Přednáška č. 1 69
Metoda kone čných prvk ů
MxD – výsledky z podrobn ějšího modelu stropní konstrukce
Trendy v modelování konstrukcí
• 3D model
• BIM projektování
• IFC formát - Výměnný formát pro stavebnictví (Industry FoundationClasses)
• BIM - informační
model budovy
124PS02 - Přednáška č. 1 70