seismic design of composite shear walls & frames - مقاومة الرياح والزلازل...

122
1 Dr Youssef Hammida SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES ﻣﻘﺎوﻣﺔ اﻟرﯾﺎح واﻟزﻻزل ﺟدران ﻗﺻﯾﺔ ﻣرﻛﺑﺔ واطﺎرات

Upload: dryoussef-hammida

Post on 11-Jan-2017

707 views

Category:

Engineering


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

1

Dr Youssef Hammida

SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE

SHEAR WALLS & FRAMES

مقاومة الریاح والزالزل جدران

واطارات مركبة قصیة

Page 2: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

2

The structural system of a building is a complex three-dimensional assembly of interconnected discrete or continuous structural elements.

The primary function of the structural system is to carry all the loads acting on the building effectively and safely to the foundation.

The structural system is therefore expected to:

Carry dynamic and static vertical loads. Carry horizontal loads due to wind and earthquake effects. Resist stresses caused by temperature and shrinkage effects. Resist external or internal blast and impact loads. Resist, and help damp vibrations and fatigue effects.

steel-concrete composite systems for buildings are composed of concrete components that interact with

structural steel components within the same system

COMPOSITE ACTION BETWEEN STRUCTURAL ELEMENTS IN BUILDINGS

Steel and concrete are the major materials used in composite systems.

Although they have several dissimilar physical characteristics, it is possible to use them together, beneficially, in different ways.

A number of systems have been developed in the last few decades which successfully combine steel and concrete. The following composite systems have been used for a wide range of buildings: الجمل المركبة للحموالت األفقیة والشاقولیة عانوا

Page 3: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

3

1. Frame structure جملة االطارات 2. Shear wall structure جملة حدران القص 3. Staggered shear wall system ناوبة تجدران القص الم 4. Tubular system الجمل الشبكیة واالنبوبیة

بالطات األسقف المركبة

Page 4: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

4

Page 5: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

5

Page 6: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

6

Page 7: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

7

المقاطع الجاھزة والبالطات المركبة

Page 8: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

8

Page 9: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

9

COMPOSITE MEMBERS العناصر المجمعة المركبة

To get an idia into the composite behavior of structural steel and

reinforced concrete systems, it is to study common techniques of

compositing the following structural units:

1. Composite slabs بالطات األسقف والطواق

2. Composite beams الكمرات المركبة

3Composite columns األ عمدة المركبة

4. Composite diagonals العناصر القطریة المائلة المركبة

5. Composite shear walls جدران القص المركبة

Composite slabs البالطات المركبة In steel buildings, the use of high-strength, light-gauge (16–20 gauge)

metal deck with concrete topping has become a standard (see Figure 2.1).

The metal deck has embossments pressed into the sheet metal to achieve

composite action with concrete slab.

When the concrete hardens, the steel deck becomes the tension reinforcement.

The resulting composite slab acts as a diaphragm providing for the

horizontal transfer of shear forces to the vertical bracing elements.

Furthermore, it actsas a stability bracing for the compression flange of

steel beams.

Page 10: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

10

The shear forces in the diaphragm mostly occur in the concrete slab

because the in-plane stiffness of concrete slab is significantly more than that

of the metal deck. Thus, the horizontal forces must transfer from the slab to

the beam top flange through welded studs

فقیة من الریاح والزالزل تنتقل من البالطة الى الجسوراال القوى

ت بواسطة بسامیر القص ثم األ عمدة واألساساوالكمر

الجسر والبالطة -اومة القص الواصلة بین الكمرة تركیب مسامیر مق

Page 11: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

11

تركیب الواح الصاج ومسامیر القص

Page 12: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

12

Composite Girders الجسور- الكمرات المركبة

Consider a typical steel moment frame consisting of beams rigidly connected to

columns.

Therefore, to limit the sway under lateral loads, it is more prudenteffecting

to increase the girder stiffness rather than the column stiffness.

Although frame beams are designed as non-composite, it is a usual

practice to use shear studs at a nominal spacing of say, 12 in.

The shear connectors primarily provided for the transfer of diaphragm

shear also increase the moment of inertia of the girder.

The increase, however, is not for the entire length of the girder because

under lateral load sit bends in a reverse curvature.

Since concrete is ineffective in tension, the increase in the moment

of inertia can be counted on only in the positive moment region.

Page 13: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

13

الكمرات المركبة تكون مدفونة بالخرسانة

او ظاھرة اسفل البالطة ویحب ان تكون صلبة

عند نقاط اساتادھا مع البالطة

اسفل البالطةقد یتواجد دك معدني

او سولد سالب مع الكمرة المعدنیة

Page 14: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

14

Page 15: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

15

Page 16: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

16

الجسور مع األعمدة الفوالذیة –تفاصل استناد الكمرات

Page 17: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

17

بزوایا مثبتة في الجدار تفاصبل اتصال الكمرة الجسر المعدني مع جدار القص

Page 18: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

18

Page 19: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

19

بالدعمات العامود عقدةزیادة صالبة

Page 20: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

20

خرسانة محیطیة كمرة -اتصال الجائز الشبكي مع الجسر

Composite Columns األعمدة المركبة

Two types of composite columns are used in buildings (see Figure 2.2a

and b).

The first, commonly referred to as encased composite column, consists of a

steel core surrounded by a reinforced concrete envelope.

The second referred to as filled composite column consists of a steel pipe or

tube filled with high-strength concrete.

Page 21: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

21

In the first type, the steel core, most usually a wide flange section

placed within the reinforced concrete column is designed as an erection

column to carry construction loads only.

Conceptually the behavior of a composite column is similar to a reinforced

concrete column, if the steel section is analytically replaced with an

equivalent mild steel reinforcement.

In fact, this concept provides the basis for generating the interaction

diagram for the axial load and moment capacities of composite columns.

Compositing of exterior columns by encasing steel sections with concrete is

by far the most frequent application of composite columns. The reasons are

entirely economic, because forming around interior columns is quite

involved and is not readily applicable to jump forms.

Page 22: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

22

Exterior columns, on the other hand, are relatively open-faced: formwork

can be “folded” around steel columns for placement of concrete, then

unfolded and jumped to the next floor..

ةوتشاریك معدنیة في الخرسان مركب عمود معدني

Page 23: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

23

الغالف الخارجي المعدني اعمدة مركبة

Page 24: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

24

مع االطارات وتصمیم اشكال األعمدة المركبة

العامود القوي والجائز الضعیف

Page 25: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

25

هذا النظام یجمع بین الصال�ة . المر��ة الفوالذ�ة المغلفة هي احد األنما� الشائعة لألعمدةاألعمدة

التش�یل للخرسانة المسلحة و�ین القوة وسرعة اإلنشاء للفوالذ اإلنشائي ةوقابل�

ومقاوم اقتصاد� منشأ الى للوصول

Page 26: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

26

مركبة اطارات اعمدة تصمیم الكود المصري

Page 27: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

27

Page 28: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

28

Page 29: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

29

األعمدة المركبة الطریقة المرنةتصمیم

Page 30: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

30

Page 31: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

31

تصمیم األعمدة المركبة كود امریكي

Page 32: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

32

Page 33: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

33

Page 34: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

34

محورین على عمدة مركبة عزم انعطاف اتجاھینا

Page 35: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

35

Page 36: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

36

Page 37: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

37

عزم باتجاھین تصمیم العامود المركب من مخطط اآلباك

Page 38: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

38

Page 39: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

39

Page 40: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

40

Composite diaGonals العنصر القطري المائل المركب

As a part of a vertical truss, diagonals in a braced frame resist lateral forces

primarily through axial stresses.

As a result, braced frames are more economical than moment-resisting

frames.

However,their use is often limited, because of potential interference with

architectural planning concerns

Page 41: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

41

FIGURE 2.3 Japanese composite construction details: (a) beam column

intersection; (b and c) composite column with welded ties;

مقاوم للعزوم تفصیل عقدة اطار مركب

Page 42: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

42

Composite shear Walls الجدران القصیة المركبة

One of the most common uses of composite shear walls is in steel frame

buildings, in which selected bays are infilled with a reinforced concrete wall. In essence, this results in a reinforced concrete

shear wall with structural steel boundary elements and coupling beams (see

Figure 2.5). ةستعمال الجدران القصیة المركبة في األبنیة المعدنيا If the coupling beams were pin-connected at each end to the boundary

elements, they would be ineffective in improving the lateral resistance of the

wall. This is because the two wall piers would

resist lateral loads independently. On the other hand, if the coupling beams are infinitely stiff, they

would fully couple the two piers coercing them to work as a single unit. If the

coupling beam stiffness is in between the two extremes, as is the case in most

buildings, the corresponding response will also be in between the two limits. Composite steel plate diaphragms are appropriate when extremely high

shear forces must be transferred from one system to another at the base of

the building. An example of this use may be

found again in the Bank of China Tower, Hong Kong, in which the entire

Page 43: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

43

base shear is transferred from the building perimeter to the building core at

the base, via a steel-plated floor diaphragm. Possible details of composite shear plate walls are shown in Figure 2.6. In

these details, structural steel framing surrounds the steel plates with the

entire steel assembly encased in reinforced

استعمال اعمدة مركبة ضمن اطارات معدنیة فوالذیة ستیل مقاومة للعزوم

Page 44: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

44

نھ واحد ووجھيقصي مركب بصفائح فوالذیة على وج جدار

Page 45: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

45

والوسط جدار قصي مركب مع اعمدة زیادة المطاوعة في النھایات

لحام تشاریك القص

Page 46: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

46

عمدة نھایات الجدار القصي مركبة مع بروفیل فوالذيا

Page 47: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

47

coupling Beam وتشكل المفصل اللدن دار قصي مركب مع كمرة فوالذیةج

Page 48: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

48

الجدران القصیة المركبة مع بروفیالت فوالذیة مدفونة مع الخرسانة المسلحة

The concrete advantages in terms of higher stiffness, good fire protection,

buckling prevention, recommends composite elements made by steel and

concrete to be used in high-rise buildings placed in seismic areas.

The steel concrete composite shear walls are used as lateral loads resisting

systems for high-rise buildings as an alternative to reinforced concrete

shear walls.

Composite steel concrete shear walls are structural walls where at the

boundary elements of the wall are encased steel profiles.

تستعمل الجدران القصیة المركبة مع ابنیة الخرسانة وابنیة

ةفوالذیة بنفس الوقت لمقاومة حموالت شاقولیة باالضاف

لحموالت الریاح والزالزل

Composite Shear Walls with

Encased Profiles

Page 49: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

49

يبروفیل فوالذ جدرار قصي مركب خرسانة مسلحة محاط

وبسامیر وصل قصیة

Page 50: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

50

تفاصیل اشكال جدران خرسانة قصیة مركبة مع انواع البروفیل الفوالذي

Page 51: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

51

انواع واشكال جدران الخرسانة المسلحة المركبة

وتموضع الصفائح والبروفیل المعدني

Page 52: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

52

الجدران القصیة المركبة مسیقة الصنع

Page 53: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

53

Page 54: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

54

الحدران القصیة المركبة ومسبقة الصنع

ماطارات فوالذیة خاصة مقاومة للعزوضمن

Page 55: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

55

تفاصیل اتصال الحدران المركبة الخرسانیة والفوالذیة

مع عناصر النھلیات من البروفیل الفوالذي

Page 56: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

56

Composite shear wall assembly could speed

construction of steel frames

The sandwich, called a dual-plate composite shear wall

because its steel-plate walls are filled with lightly reinforced

concrete, is not for use only in seismic zones.

“It is a great system for multihazard mitigation because it is

good for seismic, wind and gravity loads as well as blast

resistance,

”الجدار القصي المركب بروفیل صفائح فوالذیة خارجیة

وخرسانة مسلحة

Page 57: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

57

COMPOSITE SUBSYSTEMS

These systems may be categorized as follows:

انواع الجمل القصیة الفوالذیة والمركبة

1. Composite moment frames

2. Composite braced frames

3. Composite eccentrically braced frames

4. Composite shear wall-frame interacting systems

5. Composite tube systems

6. Vertically mixed systems

7. Mega frames with super columns

8. High-efficiency structures

Composite moment Framesاالطارات المركبة الخاصة المقاومة للعزوم

Refer to Figure 2.9 for schematics of a composite moment frame

consisting of steel beams and composite columns.

The columns may consist of either concrete encased or filled composite

columns, with moment connected steel beams.

Page 58: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

58

اطارات فوالذیة خاصة مقاومة للعزوم واعمدة مركبة

وتحقیق العامود القوي والجائز الضعیف

Intermediate and special moment frames must satisfy detailing

requirements that are more stringent than those for ordinary moment

frames

The reason is to assure a ductile response when these buildings are

pushed beyond elastic limit in a major seismic even

Page 59: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

59

عقدة انصال مقاومة للعزوم و كمرات فوالذیة وعامود مركب

تحقبق العامود القوي

Page 60: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

60

Seismic provisions of AISC 341-05 recognize three types of

composite moment frames:

1. Ordinary moment frames

2. Intermediate moment frames

3. Special moment frames المقاومة للعزوم المركبة الكود األمریكي وانواع االطارات

Special Moment Frames- االطارات المركبة الخاصة

The term “special” refers to the characteristics of the frame in which the

members and connections are designed and detailed to provide maximum

ductility and toughness, implying excellent energy dissipation and

seismic performance during severe earthquake shaking.

In recognition of the ductility, seismic provisions allow a maximum

reduction in the design base shear.

Because of the recognized ductility and the limited interference with

architectural planning, special moment frames are one of the most

commonly used lateral systems.

على االطارات المركبة رات الفوالذیة والخرسانیةاتطبق نفس اشتراطات االط

من حیث المطاوعة وتشكل المفصل اللدن

Page 61: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

61

وقاعدة العامود القوي والجائز الضعیف

ویؤخذ عامل المطاوعة R او زیادة المقاومة من الجداول

Composite special moment frames are similar in configuration to

ordinary moment-resisting frames.

As in steel or concrete systems, more stringent detailing provisions are

required to increase the system’s ductility and toughness.

The commensurate reduction in design lateral force is very

similar to that in steel or concrete special moment frames.

The design intent is to confine inelastic hinging in beams, while the

columns and connections remain essentially elastic.

The design base shear prescribed for this system is similar to the special

moment-resisting frame systems of steel or reinforced concrete.

Likewise, no limitations have been placed on their usage in buildings

assigned

to a higher SDC.

special moment-resting frames attempts to provide the maximum

possible frame ductility, toughness, and energy-dissipation capacity.

This requirement results in more stringent provisions for member and

joint detailing.

Generally these frames are designed to limit inelastic action to the

beams, with the intent of preventing potential yielding in columns and

connections.

Page 62: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

62

The design should include the strong column-weak beam concept. For

composite columns, transverse reinforcement requirements should be

equivalent to those required for reinforced concrete columns in special

moment-resisting frames.

Special details are required to satisfy closed-hoop and cross-tie

requirements for encased composite columns.

االطارات المركبة اعمدة ترتیبات خاصة لزیادة المطاوعة قي

and lateral torsional buckling, allowing the beams to develop their full

plastic flexural capacity.

However, steel flanges connected to concrete slabs with shear

connectors are exempted from this provision. This is because lateral

torsion and local buckling are inhibited by the shear connectors and

concrete slab.

Page 63: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

63

he design of composite frames is not significantly different from the

procedures for structural steel or reinforced concrete moment frames

رات الخاصة المركبةامطاوعة وممطولیة االط

Encased composite columns should have a minimum ratio of structural steel gross

column area of 4%. The shear strength of columns generally ignores the contribution of concrete.

However, the contribution of the shear strength of the reinforcing ties

based on an effective shear width bf of the section, as noted in Figure 2.12, is

permitted. For filled composite columns; it is conservative to neglect the

contribution of concrete to the shear strength of the column.

Page 64: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

64

Where shear strength becomes critical, the composite column may be treated as a

reinforced concrete column with the steel considered as shear einforcement. Transfer of forces between structural steel and reinforced concrete should be made

through shear connectors, ignoring the contribution of bond or friction. المقطع المتشققالتؤخذ مقاومة الخرسانة للقص في ومنطقة تشكل المفصل اللدن

Page 65: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

65

Composite Braced Framesعناصر الدعم المائلة والقطریة المركبة two types of composite braced frames are recognized in AISC 341-

05/10: (1) Concentric bracing, where various bracing members meet at a

common point; and (2) a relatively new form of braced frame called eccentric brace. this system combines the ductility of moment frames with the high

stiffness of concentrically braced frames طریة الفوالذیة الدعم المائلة والقعناصر

واألعمدة المركبة

Page 66: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

66

Composite brace design in concentrically braced frames must recognize

that these elements are expected to provide for the inelastic action during

large seismic overloads. Braces consisting of concrete encased steel elements should include

reinforcing and confinement steel sufficient to provide the intended

stiffening effect even after the brace has buckled during multiple cycles

of seismic motion. As a result, it is recommended that these elements should meet detailing

requirements similar to those for composite columns. Composite braces in tension should be designed considering the

resistance provided only by the steel. المركب الخرسانة جمیع حاالت التدعیم المائل

ویجب االنتباه عند تواجدھا في مناطق تشكل المفصل اللدن -ال تشارك في مقاومة فوى الشد

والعمل في مجال اللدونة

Page 67: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

67

Brace buckling and the resulting large rotation demands at the brace ends

should be considered in connection detailing.

Schematic details of brace to encased composite column are

shown in Figure 2.14a and b.

Page 68: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

68

Composite Eccentrically Braced Frames مركزیةعناصر االطارات المائلة المركبة الال

figure 2.15. In general, beams in composite eccentrically braced frames

consist of structural steel sections. Any concrete encasement of the beam should not extend into the link

regions where large inelastic action is expected to develop (see Figure 2.16a). Columns and braces can be of either structural steel or

composite construction. The analysis, design, and detailing of the system is similar to that for steel

eccentrically braced frames since the force transfer mechanisms between the steel and concrete rely on

bearing and shear friction, special attention must be paid to the design of

connections to realize the intended inelastic action intheductile links

Page 69: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

69

.

عناصر الدعم المائلة الال مركزیة

Page 70: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

70

Composite brace design in eccentrically braced frames must recognize that

these members are intended to remain essentially elastic during large seismic

overloads.

The design strength must consider the yielding and significant strain

hardening that can occur in properly designed and detailed

link elements.

Both axial and bending forces generated in the braces by the strain-hardened

link عناصر الدعم المائلة والقطریة یبقى عملھا ضمن المنطقة المرنة

والیتشكل فیھا مفاصل لدنة ویبقى اتصالھا بعید عن محورعقدة العامود ومنطقة

ل المفصل اللدن كما في الشكلتشك

Page 71: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

71

beams must be considered.

نوصل العناصر القطریة والمائلة في اماكن ونقاط بعیدة عن تشكل المفصل اللد

Page 72: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

72

Reinforced Concrete Core With steel surrounding

األبنیة ذات الكور الخرساني واالطارات الفوالذیة والمركبة

Core walls enclosing building services such as elevators, mechanical and

electric rooms, and stairs have been used extensively to resist lateral

loads in tall concrete buildings. The use of simple shapes such as C and I shaped walls around elevators

interconnected with coupling beams constitutes one of the most typical

methods of providing resistance to lateral loads. In the composite version of this system, a central concrete shear wall core is

designed to resist the entire lateral load while the remainder of framing

surrounding the core is designed for gravity loads using structural steel, metal

deck and concrete topping (see Figure 2.18) concrete core is built first, using jump or slip forms, followed by erection

of steel surround, as shown in Figure 2.19. Although structural steel erection may not proceed as fast as in

a conventional steel building, the overall construction time is likely to be

less because the building’s vertical transportation, consisting of stairs and

elevators and mechanical and electrical services can

be installed with in the core while erection of steel outside of the core is

still in progress The only nonstandard connection is between shear walls

and floor beams.

Page 73: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

73

Various techniques have been developed for this connection, chief among

them, are the embedded plate and pocket details, as shown in Figure 2.20.

The floor construction invariably consists

of composite metal deck with concrete topping

The floor within the core may be constructed either in concrete or structural

steel. The connection between the floor slab and core walls is often project specific. او بروفیل فوالذي یمكن للكور ان یكون جدران خرسانة مسلحة

The weld plate detail shown in Figure 2.20a is, however, the most popular,

particularly in a slip-formed construction.

Page 74: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

74

The weld plates are set with the outer surface flush with the wall surface.

The plate is anchored to the wall by shear connectors welded to the plate. انصال الكمرات الفوالذیة مع جدران خرسانة مسلحة

تة مع براغي في الحجرلنببواسطة صفائح قوالدیة مث

Page 75: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

75

Page 76: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

76

shear Wall-Frame interactinG systems This system has applications in buildings that do not have sufficiently large

cores to resist the entire lateral loads. This may require interaction of shear walls with moment frames to

supplement the lateral stiffness of the shear cor ا القصیةجملة النظام التفاعلي بیت االطارات والجدران

Page 77: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

77

Composite tube systems

جملة االطارات االنبوبیة

The key to the success of tube construction as noted earlier, lies in the

rigidity of closely spaced exterior composite columns and deep spandrels. This

results in an exterior façade that behaves more like a bearing wall than as a moment

frame.

Page 78: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

78

VertiCally mixed systems

ةالمختلط الفصیة لجملا

Mixed-use buildings are thos

e that provide for two or more types of occupancies in a single building.

Page 79: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

79

For example, lower levels of the building may be for parking; middle

levels for office floors; and the top levels for residential units, such as

apartments and hotel rooms.

Therefore, it makes economical sense to stack up different systems

vertically up the building height using a system that

is most logical for the particular occupancy.

For example, beamless flat ceilings with a minimum

of floor-to-floor height are preferred in residential occupancies

Page 80: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

80

كور جدران خرسانة طوابق سفلیىة

كور جدران ستیل فوالذیة اعلى

Page 81: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

81

meGa Frames With super Columns مقاومة القوى األفقیة والشاقولیةالعامود المركب العمالق الكبیر

واحزمة محیطیةیجوائز شبكیة

One of the methods resisting lateral loads in tall buildings to provide big

columns placed as far as possible at the perimeter of building, and

interconnect the columns with a shear-resisting system such as Vierendeel

frames, or super diagonals.

The construction of super columns can take on many forms system uses

large-diameter steel pipes filled with high-strength concrete.

Generally, neither longitudinal nor transverse reinforcement is used in the

columns,.

Another method to encase steel columns using conventional forming

techniques.

Page 82: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

82

Page 83: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

83

تفاصیل اتصال جائز مركب مع عامود فوالذي

Page 84: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

84

(A) Plastic stress distribution for negative moment: (a) composite beam section; (b)

plastic neutral axis, PNA, in steel beam web; (c) PNA in beam flange. (B) Plastic stress

distribution for positive moment:

(a) plastic neutral axis, PNA, in concrete slab; (b) PNA in steel beam flange; (c) PNA in

steel beam web.

Page 85: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

85

AISC Design encased composIte columns

Limitations الكود األمریكي وتصمیم األعمدة المركبة

To qualify as an encased composite column, the following limitations

shall be met:

1. The cross-sectional area of the steel core shall comprise at least 1% of

the total composite

cross section.

2. Concrete encasement of the steel core shall be reinforced with

continuous longitudinal

bars and lateral ties or spirals.

3.The minimum transverse reinforcement shall be at least

0.009 in.2 per in. of tie spacing

Page 86: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

86

Page 87: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

87

Page 88: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

88

Page 89: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

89

Page 90: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

90

Page 91: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

91

Page 92: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

92

المركبة الفوالذیة و الكود األوربي وتصمیم المباني

TYPES OF CROSS-SECTION FOR COMPOSITE COLUMNS AND THEIR ADVANTAGES

Figure 1 shows typical cross-sections of composite columns together with the dimensional notation used in Eurocode 4 [1]. The sections can be classified into two groups:

concrete filled sections in which the concrete is hidden totally and partly encased sections.

Eurocode 8 rules on steel & composite structures

Page 93: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

93

Page 94: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

94

Page 95: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

95

Page 96: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

96

Page 97: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

97

Page 98: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

98

Page 99: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

99

Page 100: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

100

Page 101: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

101

Page 102: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

102

Page 103: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

103

Page 104: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

104

Page 105: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

105

Page 106: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

106

Page 107: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

107

Page 108: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

108

Page 109: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

109

Page 110: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

110

Page 111: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

111

Establishing Earthquake Loads for Composite

Shear Walls Using US Codes

حسباب معادلة حمولة الزالزل من الحموالت

Page 112: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

112

حساب قوة الزالزل من اجل جدران قصیة مركبة

Page 113: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

113

زیادة المقاومة R جدول استعمال عامل المطاوعة

Page 114: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

114

جھاد حد المرونة المسموحا

Page 115: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

115

Design of Composite Wall Element

الدعمة والقص المسموح تواجد

Page 116: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

116

اشتراط الكود حول جدار القص المركب

Page 117: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

117

تصمیم القص القاعدي وعزم االنقالب

Page 118: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

118

والعامود انصال الصفیحة المعدنیة مع الكمرة

Page 119: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

119

تصمیم االطار من الكمرة والعامود

Page 120: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

120

االجھدات المسموحة وتحنیب الجسد والجناح

Page 121: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

121

الحاسب برنامجمذجة الجدار القصي المركب في ن

Page 122: SEISMIC DESIGN OF COMPOSITE SHEAR WALLS & FRAMES - مقاومة الرياح والزلازل جدران قصية مركبة واطارات

122