GRAĐEVINSKI FAKULTET UNIVERZITETA U BEOGRADU
PRIMERI I KARAKTERISTIKE KARAKTERISTIKE IZVEDENIH SPREGNUTIH SPREGNUTIH KONSTRUKCIJA -
Seminarski rad –
Predmet Spregnute konstrukcije
Profesor
Autori:
Dr Biljana Deretić-Stojanović
Marko Pandurov 202/08
Radoje Pantić 151/08
Školska 2011/2012
PRIMERI I KARAKTERISTIKE IZVEDENIH SPREGNUTIH KONSTRUKCIJA
Aut A uto or i: Marko
Pandurov 202/08 202/08
Radoje Pantić 151/08 151/08 R ezi me:
U ovom radu su prikazani primeri i karakteristike nekih od skorije izvedenih spregnutih konstukcija u svetu. svetu. Navedene Navedene konstrukcije, pre pre svega mostovi mostovi i zgrade, zgrade, karakteristične su po upotrebi moderne tehnologije izvođenja i projektovanja spregnutih konstrukcija. Ključne reči:
Spregnute konstrukcije, mostovi, zaštita od buke i vibracija, megastubovi
1. UVOD
ed višestrukih prednosti u odnosu na Spregnute konstrukcije u svetu, a posebno kod nas, i por ed klasične konstrukcije, su i dalje slabo zastupljene. Brojčano daleko ispod klasičnih, čeličnih i betonskih konstrukcija, spregnute kosntrukcije su sve više zastupljene među novim kapitalnim projektima. Posebno Posebno zanimljiva katergorija konstrukcija koje se sve više izvode u poslednje vreme, naročito kod mostova su takozvane „hibridne“ konstrukcije. Hibridna konstrukcija podrazumeva da se u njoj upotrebi više različitih konstrukcionih sistema kao što su prednaprezanje, kosi kablovi, ovešeni (viseći) sistemi; uz korišćenje čeličnih, betonskih i spregnutih elemenata. Ovakve konstrukcije podrazumevaju da se svaki konstrukcioni sistem upotrebi na najoptimalniji način, a spregnuti elementi su se prirodno nametnuli kao dobro i efik asno rešenje. 2. MOST JASSANS-RIOTER
(ŽASAN ROTE)
Jassans-Rioter, drumski most preko Saone (slika ukcija sa trenutno najvećim 1) je spregnuta konstr ukcija glavnim rasponom u Francuskoj i Evropi [1]. Most
Slika 1 - Drumski Drumski most Jassans-rioter Jassans-rioter
je statičkog sistema kontinualne grede na tri polja dimenzija 90m + 130m + 90m = 310m. Glavni
nosač čine dva čelična I profila spregnuta sa punom armiranobetonskom pločom. Čelični I profili su promenljive visine koja parabolično varira od 3.25 m u sredini raspona do 5.00 m iznad stubova [2]. Širina betonske ploče duž celog mosta je 14.7 m. Čelična konstrukcija težine 1300 t je napravljena od čelika kvaliteta S355, što je danas standard kod izrade spregnutih konstrukcija. Most je izgrađen za godinu dana u periodu od 1999. do 2000. Čelični deo je izveden metodom nagurivanja dok je betonska bloča izlivena in-situ uz pomoć mobilne oplate. 3. MOST SHINKANSEN
Shinkansen je spregnuti železnički most u Japanu koji koristi japanski brzi voz. Ono što
razlikuje ovaj most od ostalih spregnutih mostova je inovativno korišćenje čeličnih cevi za glavne nosače. Most je sistema kontinualnog nosača na tri polja dimenzija 35-36 m ukupne dužine 107 m.
1
mosta u Čelične cevi prečnika 1.3 m debljine 22 mm zatezne Slika 2 Poprečni presek mosta oslonca (desno) čvrstoće od 500 MPa ispunjene su aerisanim malterom (γ ≈ 10 polju (levo) i iznad oslonca kN/m³) u sredinama raspona kako bi se smanjila sopstvena težina nosača a iznad oslonca, u zoni negativnih momenata, betonom spravljenim sa lakim agregatom (γ ≈ 15 kN/m³).
Sprezanje čeličnih cevi sa betonskom pločom izvršeno je moždanicima u zoni pozitivnog momenta dok je u zoni negativnog momenta veza između betona i čeličnog nosača ostvarena perforiranim trakama ( slika 2) koje imaju veću krutost na smicanje. U ovom delu napone zatezanja prihvata samo armatura u betonskoj ploči. Čelične cevi nude niz prednosti u odnosu na klasične I profile ili il i zatvorene kutijaste preseke. Cena izrade ovakve konstrukcije (izrada obuhvata i do 70% ukupne cene mosta) je značajno niža, jer je za čelične cevi potrebna mnogo manja količina zavarivanja u odnosu na I profile. Takođe, cena antikorozivne zaštite je manja u odnosu na klasična rešenja, jer cevi imaju najmanju spoljnu površinu. I pored toga čelične cevi ovog mosta legirane su sa 3% nikla koji obezbeđuje odličnu otpornost na koroziju, koja je nužna s obzirom da se most nalazi u ekstremno agresivnoj sredini na
Slika 3 Čelični nosači za vreme motaže (gore) i posle izvođenja betonske loče dole
moru blizu industrijske zone. Čelične cevi ispunjene betonom upotrebjene na ovom mostu imaju niz prednosti u odnosu na
klasične šuplje čelične cevi. Beton u cevima sprečava pojavu lokalnog izbočavanja i gubitka stabilnosti. Prema sprovedenim testovima [3] duktilnost čeličnih cevi ispunjenih betonom je značajno veća od šupljih, ali tek za betone sa čvrstoćom iznad 5 MPa. Čelične cevi ispunjene betonom su se kao nosači pokazali dobro kod apsorbcije buke i vibracija koje proizvode vozovi u pokretu. Izmerene Izmerene vrednosti buke i vibracija su za 10% manje od klasičnih spregnutih mostova sa I profilima. Armirano betonska ploča čvrstoće 35 MPa je izvedena in situ, sa dodatkom 1% čeličnih vlakana radi smanjen ja prslina u zonama negativnih momenata. momenata. Gradnja mosta je trajala 15 meseci, a završena je 2000. godine sa značajno manje utrošenih sredstava od konvencionalih mostova. Rezultat je funkcionalna, ekonomična i estetski prihvtaljiva konstrukcija. 4. MOST NISHIHAMA
Slika 4. Most Most Nishihama Nishihama Nishihama most (slika 4) u Japanu je relativno malog raspona (jedva 30 metara) i izdvaja ga nekoliko upotrebljenih novina kada
je reč o spregnutim konstrukcijama. Neobično, most je izveden kao obostrano uklještena spregnuta čelična greda. Spregnuta čelična greda je I profil visine 1.3 m i ona je uklještena u betonski oslonac. Kruta veza čelične grede i betonskog oslonca izvedena je sprezanjem dva elementa uz pomoć perforiranih traka (slika 5). Momentu savijanja u uklještenju odupiru se dve vrste sila (slika 6): a) Slika 5. Detalj krute veze spreg smičućih sila između nožica i betona b) sile pritiska i zatezanja između nožica i betona. Betonski oslonac sa druge strane uklješten je na 5 spregnutih stubova koji su u stvari čelične cevi prečnika 80 cm ispunjene betonom. Ovakva konstrukcija mosta odgovara statičkom sistemu uklještenog rama što omogućava izvođenje mosta bez dilatacionih spojnica koje su slaba tačka kada je reč o održavanju.
2
Izostanak dilatacionih spojnica takođe znači manje buke Slika 6. Mehanizam Mehanizam krute krute veze i vibracija na konstrukciju koje proizvode vozila teška i do 902 kN koja izlaze iz obližnje fabrike. Ovakav most ima male stvarne izmerene vertikalne deformacije [3], max 7 mm ( L/4130 ) od vozila težine 960 kN koje se nalazi u sredini raspona. Takođe, jer je sistem višestruko statički neodređen, javljaju se i vertikalne deformacije usled temperaturnih promena max 4.9 mm na sredini raspona, usled ukupne promene temperature čeličnog nosača od 31.4°C u toku godine. Izuzetno je bitno napomenuti da se merenja deformacija izvednog mosta poklapaju sa računskim modelom što znači da se konstrukcija zaista ponaša kao uklješteni ram i da
su spregnute veze čelične grede i betonskog oslonca zaista krute. 5. MOST SHITSUMI-OHASHI SHITSUMI-OHASHI
Most Shitsumi-Ohashi u Japanu (slika 7.) je spregnuta konstrukcija koja se sastoji iz dva rešetkasta nosača koji za
Slika 7. Most Most Shitsumi-Ohashi Shitsumi-Ohashi
dijagonale imaju čelične cevi koje su spregnute sa gornjim i donjim pojasevima koji su u stvari betonske ploče. Most je
statičkog sistema kontinualne grede na 5 polja. Dužina spregnutog dela mosta je 65 m + 75 m + 60 m = 200 m, dok je ostatak
mosta u dužini od 80 m, prednapregnuta betonska konstrukcija. Visina rešetkastog nosača varira od 2.5 m na spoju sa betonskim delom mosta, do 6.5 m, koliko je iznad prvog stuba. Betonske ploče su promenljive debljine od 30 cm, koliko je između dva nosača, do 70 cm, koliko je na spoju čeličnih dijagonala i betonskih ploča. Pošto su čelične digaonale u stvari cevi, došlo se se na ideju da se delovi pritisnutih dijagonala ispune betonom (slika 8.). Ceo koncept je uspešno prošao testiranje, a ispitivanje je izvršeno na uzorcima realnih veličina [4]. Beton u pritisnutim dijagonalama sprečava pojavu lokalnog izbočavanja i preranog gubitka stabilnosti. Kako bi beton bio što je moguće bolje iskorišćen, u Slik Slika a 8. Kons Konstr truk ukcci a s o a unutrašnjosti dijagonala su zavareni moždanici koji učestvuju u sprezanju čelične dijagonale i betonske ispune, što za rezultat ima da beton u dijagonalama učestvuje u prenosu sile pritiska, i tako dosta smanjuje nepovoljne koncetracije napona na krajevima
čelične dijagonale. Takođe, betonska ispuna smanjuje
napone
usled
temperaturnih
promena na mestu spoja betonske ploče i čeličnih dijagonala. Betonske dijagonale su spregnute sa čeličnim pločama uz pomoć zavarenih šipki na spoljnoj strani cevi. Treba napomenuti da se pritisnuta i zategnuta čelična dijagonala ne dodidiruju, a cela zona spoja dve dijagonale je ubetonirana u
betonsku ploču. Dodatno ubetonirano čelično rebro za prenos smičućih sila, koje se nalazi između dve dijagonale, zavareno je samo za zategnutu dijagonalu. Most je izveden po sistemu konzolne gradnje, segmentima od po 5 m dužine koje su betonirani in situ. Segmenti su podizani čeličnim kranom kapaciteta 3500 kNm. 3
7. MOST NOZOMI
Most Nozomi Nozomi u Japanu (slika (slika 9.) je hibridni hibridni most koji se sastoji od donje prednapregnute betonske ploče u obliku parabole, na kojoj je postavljen
čelični rešetkasti nosač sa sve donjim čeličnim pojasom, a koji umesto gornjeg čeličnog pojasa poj asa ima montažne betonske ploče sa kojima je spregnut. Most je dužine 90 m a širine 5.2 m. Najveć m. Najveća visina čeličnog rešetkastog nosača je na sredini i iznosi 5.8 m a debljine prefabrikovnih betonskih ploča su
Slika 9. Hibridni Hibridni most Nozomi
Slika 10. Faze izgradnje hibridnog hibridnog mosta
konstantne i iznose 30 cm za gornju i 25 cm za
donju ploču. Za razliku od prostih visećih mostova, koji su ugalvnom pešački ovo je drumski most namenjen teškim vozilima. Ovaj hibridni most ima niz prednosti u odnosu na proste viseće mostove [5]. Zbog ubačenog spregnutog rešetkastnog nosača, ovaj most ima manje horizontalne sile u kablovima za prednaprazanje, a povećana je i krutost na savijanje. Sopstvenu težinu mosta potpuno
prihvataju kablovi za prednaprezanje u donjoj ploči, pa se tako ne javljaju naponi u čeličnom nosaču. Sa druge strane korisno opterećenje (od vozila) potpuno prihvata čelični rešetkasti nosač jer ima veću krutost od kablova za prednaprezanje, tako da se od
korisnog opterećenja ne javljaju dodatne sile u kablovima za prednaprazanje. Gornja betonska ploča je montažna i spregnuta je je sa čeličnim nosačem uz pomoć moždanika a kasnije je i prednapregnuta kablovima za prednaprezanje. Ovaj hibridni most ima i prednosti u odnosu na klasične rešetkaste
Slika 11. Treća faza izgradnje u toku
nosače jer ne zahteva skupe radove i opremu za montažu na visini, odnosno svi radovi se mogu odvijati na platformi koja stoji na kablovima za prednaprezanje. prednaprezanje. Proces izvođenja ovakvog hibridnog mosta u 6 faza je prikazan na slikama 10. i 11.
Izuzetno mali troškovi izgradnje ovog mosta doveli su do popularizacije ovakvog tipa mostova u Japanu, pa su slični ovom izgrađeni i mostovi MorinoWakuwaku dužine 122 m kao i Kaman Tani dužine 53 m. Slika 12. Capital gate 8. ZGRADA CAPITAL GATE
Zgrada Capital gate u Abu Dabiju (slika 12.) predstavlja sam vrh dostignuća projektovanja i građenja višespratnih zgrada. Završena je 2011. istično i godine, posle četiri godine građenja. Više stvari je karakter istično jedinstveno kada je ova zgrada u pitanju. Za početak ova zgrada drži svetski rekord za zgradu sa najvećim nagibom, od 18° u odnosu na vertikalu [6]. Zgrada ima 35 spratova i visine je 160 m. Sama zgrada nema niti jednu osu simetrije pa su tako svaki sprat i svaka soba u zgradi
4
različiti. Svaki sprat je smaknut za prosečno 1.3 m u odnsu na prethodni, a spaja ih liftovsko prednapregnuto betonsko jezgro unutar zgrade i dve dijagonalne čelične rešetke koje obavijaju zgradu (diagridi) (slika 13.). Spoljni dijagrid nosi polovinu sopstvene težine zgrade, dok drugi, unutrašnji diagrid, oko atrijuma, samo prenosi svoj deo opterećenja do prednapregnutog prednapregnutog betonskog jezgra [7]. Betonsko jezgro je zaduženo za prenos ogromnih momenata prevrtanja koji nastaju usled ekscentriciteta težišta spratova zgrade, kao i udara vetra i seizmičkih sila. Iz tog razloga, u toku izgradnje objekta odlučeno je da se prednapregnuto betonsko jezgro namerno gradi sa blagim suprotnim nagibom u odnosu na nagib zgrade. Ekscentricitet pri vrhu jezgra od 35 cm polako se se smanjivao sa svakom dodatnom međuspratnom konstrukcijom, kako bi sa
Slika 13. Izgradnja spoljašnjeg dijagrida i betonskog jezgra
završenim poslednjim spratom jezgro bilo potpuno vertikalno što je neophodno za pravilno funkcionisanje liftova i horizontalnost kompletnih međuspratnih konstrukcija. Međuspratne konstrukcije su spregnute betonske ploče sa čeličnim gredama koje se prostiru radijalno od betonskog jezgra do spoljašnjeg diagrida. Korišćenje diagrida generalno smanjuje količinu upotrebljenog čelika u odnosu na klasična rešenja sa vertikalnim fasadnim i ugaonim stubovima, koje u ovoj zgradi zbog pomenutog nagiba ne bi bilo moguće upotrebiti. Spoljne horizontale dijagrida su takođe preko moždanika spregnute sa
međuspratnom betonskom pločom pa tako i betonska ploča pl oča učestvuje u prenosu horizontalnih sila do jezgra. Gusta mreža diagrida je povezana sa 490 šipova dužina od 20 do 30 m, od kojih su neki za razliku od ostalih zgrada, opterećeni isključivo na zatezanje. 9. ZGRADA TAIPEI 101
Slika 14. Taipei 101
Zgrada Taipei 101 na Tajvanu (slika 14.) je sagrađena 2004. godine i simbolizuje neverovatna dostignuća tajvanskog ekononskog procvata. Sve do 2010. godine važila je za najvišu zgradu na svetu, i sa svojih 508 metara navišu spregnutu konstrukciju ikada napravljenu.[8] Zbog geografske lokacije zgrade, bilo je neophodno projektovati zgradu da izdrži tajfunske vetrove do brzina od 219 km/h, kao i snažne i česte zemljotrese kakvi se javljaju na ovom trusnom području. Slika 15. Presek Presek spregnutog spregnutog megastuba
Predviđeno je da se celokupna težina međuspratnih konstrukcija smanji korišćenjem spregnutih betonskih ploča, a da se za glavni vertikalni noseći sistem upotrebi osam spregnutih megastubova (slika 15). Svaki od osam spregnutih megastubova megastubova ima dimenzije 3 x 2.4 m, a sastoji se i z čelične kutije tih dimenzija izrađene od specijalnog
čelika sa granicom razvlačenja ne manjom od 420N/mm² debljine 80 mm. Kako bi se povećala nosivost i krutost ovih stubova oni su sve do 62. sprata na 272. metru punjeni specijalnim betonom velike čvrstoće na pritisak od 69MPa i smanjenim
w/c faktorom čime je maksimalno autogeno skupljanje ograničeno na 0.3 mm/m posle 90 dana.[9] Stubovi iznad 62. sprata nisu ispunjeni betonom kako bi se smanjila sopstvena težina
5
gornjeg dela zgrade. Beton i čelični deo stuba su spregnuti moždanicima zavarenim po unutrašnjoj
strani čelične kutije. Za čeličnu kutiju su zavarena i ukrućenja kako bi se smanjila potrebna debljina čeličnih ploča, smanjila deformacija prilikom zavarivanja, povećala sta b bilnost na izbočavanje itd (slika 15). Megastubovi su rasproređeni po ivicama zgrade i povezani su horizontalnim čeličnim gredama za stubove čeličnog jezgra. Horiznotalna pomeranja za bilo koji deo zgrade usled vetra za povratni period od T=50 godina ograničena su na H/200. Godine 2011. zgrada je dobila najprestižniju LEED nagradu za najvišu i naveću „zelenu zgradu“ na svetu .[10] 10.
ZAKLJUČAK
Danas je u svetu sve teže naći novi, moderan, kapitalni projekat koji pomera sve granice kada je reč o dimenzijama, brzini gradnje i ekonomičnosti a da nije u bilo kom delu upotrebljen neki vid spregnute konstrukcije. Ekonomične mostove u Japanu, nezamislive arhitektonske arhitektonske zahteve u Dubajiu i rekorderske visine nebodera u Tajpeju, ne bi bilo moguće efikasno i ekonomično izvesti bez upotrebe spregnutih konstrukcija. Ovi izuzetni objekti opisani u ovom tekstu podsećaju nas koliko je važna inovativnost i pronalaženje novih rešenja kada je reč o projektovanju i građenju spregnutih konstrukcija. LITERATURA
[1] Steel-concrete Steel-concrete composite bridges – Sustainable Sustainable design guide // Setra (2010) [2] Structurare – International International database and gallery of structures // Nicholas Janberg (2012) [3] S. Nakamura Nakamura et al. // Journal of Constructional Steel Research 58 (2002) 99-130 [4] The lastetst technologies of prestressed concrete bridges bridges in Japan J apan // Tamio Yoshoka [5] N.Ogawa et al; Nozomi Bridge - A Hybrid Structure of Stress-ribbon Deck and Truss [6] Capital gate building Analysis – Structural Structural Systems II (2010) [7] Roberts, J. // Lean on me - Construction Week Online Online (2010, 01 05). [8] Shaw-Song shieh, Ching-Chang chang // structural design of composite super-columns for the taipei 101 tower [9] Shaw-song Shieh, Jiun-Hong Jong (2001), “Construction Technologies and Their Design Considerations in Structural Engineering for Taipei 101,” Second Conference on Structural Steel Technology for Taiwan. [10] U.S. [10] U.S. Green Building Council (USGBC), 2011
6
