Δομοστατικός σχεδιασμός υψηλού μεταλλικού κτηρίου με το σύστημα του διαγωνίου πλέγματος

Καμπανής, Παύλος-Εμμανουήλ

Structural design of a steel high-rise building with diagrid system

Διπλωματική εργασία

Author

Καμπανής, Παύλος-Εμμανουήλ

Date

2021-12-15

Advisor

Pnevmatikos, Nikos

Διπλωματική εργασία (21.51Mb)

Keywords

Ουρανοξύστες ; Διατμητική υστέρηση ; Σύστημα διαγωνίου πλέγματος ; Δομικά συστήματα ; Πυρήνας

Abstract

Η επιθυμία του ανθρώπου να φθάσει σε δυσθεώρητα ύψη και να ξεπεράσει τις ίδιες του τις δυνάμεις είναι ευρέως γνωστή. Η αρχή αυτή πραγματοποιήθηκε στο Σικάγο, όπου έπειτα από μία πυρκαγιά η οποία έπληξε ένα μεγάλο μέρος της πόλης, πάρθηκαν οι πρώτες αποφάσεις ώστε να κατασκευαστούν ακόμη πιο υψηλά κτήρια. Μετά από αυτό το γεγονός, ξεκίνησε και το αίσθημα του ανταγωνισμού, καθώς η μία πόλη ή χώρα ήθελε να ξεπεράσει την άλλη. Αυτό οδήγησε στην επινόηση νέων συστημάτων, τα οποία ήταν πολύ πιο αποδοτικά σε σύγκριση με τα ήδη υπάρχοντα εκείνης της εποχής. Κύριος στόχος ήταν η ανακάλυψη δομικών συστημάτων, όπου τα πλευρικά φορτία θα αντιμετωπίζονταν και δε θα προκαλούσαν καθολική κατάρρευση ή ακόμη και σοβαρές αστοχίες, καθώς αυτά γίνονται όλο και πιο επικίνδυνα με την αύξηση του ύψους της κατασκευής. Καταλυτικό ρόλο σε αυτό είχε ο Einstein της δομικής μηχανικής, Fazlur Rahman Khan, με την ανακάλυψη των σωληνοειδών συστημάτων και την εξέλιξή αυτών από τους μεταγενέστερους. Βέβαια, η 11η Σεπτεμβρίου του 2001 αποτελεί ημέρα ορόσημο για τα υψηλά κτήρια διότι άλλαξε άρδην ο τρόπος σκέψης και μελέτης στον κατασκευαστικό κλάδο. Βέβαια, ένα πολυώροφο κτήριο προκειμένου να διαθέτει την απαιτούμενη αντοχή, πλευρική ακαμψία, ευστάθεια και ακεραιότητα, θα πρέπει να πραγματοποιηθούν μία σειρά από δοκιμές που αφορούν στο ποιο είναι το πιο αποδοτικό δομικό σύστημα ανάλογα με τις απαιτήσεις της κάθε περιοχής, ενώ θα πρέπει και να επιλεγούν μέσω της κριτικής ικανότητας του μελετητή τα κατάλληλα συστήματα δαπέδου, απόσβεσης, θεμελίωσης καθώς και πυροπροστασίας. Επίσης, θα πρέπει να πραγματοποιηθεί και ο απαιτούμενος σχεδιασμός έναντι του ανέμου, κάτι που συνήθως προκύπτει μέσω της αεροδυναμικής σήραγγας έτσι ώστε να διεξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα για τη δομική συμπεριφορά της κατασκευής στο ενδεχόμενο ισχυρών ανεμοπιέσεων, ενώ υπάρχει και η δυνατότητα για χρήση της λεγόμενης υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Αντίστοιχα, για τις σεισμικές δράσεις, αυτή η διαδικασία είναι εφικτό να επιτευχθεί μέσω της σπουδαίας, αλλά με πολύ αυστηρά κριτήρια, μεθόδου PBSD, δηλαδή του Αντισεισμικού Σχεδιασμού με Στάθμες Επιτελεστικότητας για τα υψηλά κτήρια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματοποιείται η προσομοίωση, η ανάλυση, και η διαστασιολόγηση μίας μεταλλικής κατασκευής συνολικού ύψους 240 m με χρήση του δομικού συστήματος διαγωνίου πλέγματος στο στατικό πρόγραμμα SAP2000. Η κατασκευή αυτή διαθέτει τετραγωνική κάτοψη και σκοπός μας είναι να προκύψουν χρήσιμα συμπεράσματα για να έχουμε μία πιο εμπεριστατωμένη άποψη για τη δομική της συμπεριφορά σε μία σεισμογενή περιοχή όπως είναι η Ελλάδα. Αυτό το ενδιαφέρον προέκυψε γιατί δεν έχει ανεγερθεί καμία κατασκευή σε ζώνη υψηλής επικινδυνότητας με χρήση του συγκεκριμένου δομικού συστήματος, καθώς δεν έχει κατανοηθεί στο έπακρο. Έτσι, θα δοθούν διάφορες δομικές λύσεις με κύριο σκοπό να αντιμετωπισθούν οι οποιεσδήποτε δυσκολίες προκύψουν από την ανάλυση. Τέλος, η μελέτη δε θα αφορά μόνο τις σεισμικές δράσεις και αυτό γιατί κρίθηκε απαραίτητο να εξετασθούν και οι ανεμοπιέσεις που αναπτύσσονται στο φορέα, αλλά λόγω της ύπαρξης των διαγωνίων πλεγμάτων, αναμένουμε την αντιμετώπιση του φορτίου του ανέμου με έναν εξαιρετικά αποτελεσματικό τρόπο.

Abstract

Human’s desire to reach enormous heights and to surpass his own powers is well known. This beginning took place in Chicago where after a fire that hit a large part of the city, the first decisions were made to build even taller buildings. After this event, the feeling of competition began, as one city or country wanted to surpass the other. This led to the invention of new structural systems which were much more efficient than the previous ones. The main goal was to discover structural systems where the lateral loads would be dealt and not cause serious failures or even collapse as these loads become more dangerous as the height of the structure increases. Catalyst for these purpose was Einstein of structural engineering, Fazlur Khan with the discovery of tubular systems and their evolution from the posterity. Surely, September 11th, 2001 is a milestone day for high-rise buildings as the way of thinking and studying in the construction industry. Of course, in order for a multi-storey building to have the required strength , lateral stiffness, stability and integrity, a series of many tests regarding which is the most efficient structural system according to requirements of each region, as well as to be selected through of the critical ability of the structural engineer the appropriate floor systems, damping, foundation and fire protection. In addition, the required wind design must be carried out, which usually occurs through the wind tunnel test so that safe conclusions can be drawn about the structural behavior of the structure in the event of a strong wind pressures, while there is the possibility of using the Computational Fluid Dynamics method. Respectively, for seismic actions, this process can be achieved through the PBSD method, ie the Performance Based Seismic Design for tall buildings. In the present thesis, model, analysis and design of a 240 m steel high-rise building with diagrid system in the structural analysis software SAP2000 are performed. The construction has a square floor plan and our main purpose is to have a thorough view of its structural behavior in a seismic area, such as Greece. The interest arose because no construction has been erected in a high seismic hazard zone with this structural system because it has not been fully understood. Finally, the analysis will concern and the wind pressures that develop in the structure, but due to the existence of the diagrid (diagonal grid members), we expect to duel the lateral load of wind in an effective way.