ПРОЕКТИРАНЕ НА СГРАДИ СЪССТОМАНЕНИ И КОМБИНИРАНИ ШАЙБИ

ЗА СЕИЗМИЧНИ ВЪЗДЕЙСТВИЯ

Доц. д-р инж. Борислав БелевКатедра “Метални, дървени и пластмасови конструкции”,

Строителен факултет, УАСГ, София

СЪДЪРЖАНИЕ

� Въведение

� Класификация

� Поведение при хоризонтално натоварване

� Основни предимства и недостатъци

� Примери за приложение

� Подходи за моделиране и изследване

� Приложение при усилване на стоманобетонни рамки

� Основни правила за изчисляване и конструиране

� Изводи

2

3

ВЪВЕДЕНИЕИстория на развитие

� Изследвания в Япония: Takahashi et al. (1973) – full-

scale cyclic tests of portion of stiffened steel plate shear

wall (SPSW), taken from the design of a 32-storey bldg.;

Mimura & Akiyama (1977) – analytical method for

predicting the monotonic and hysteretic behaviour of

unstiffened SPSWs in post-buckling stage of panel;

Nakashima et al. (1994-1995) – tests on cyclic behavior of

steel shear wall panels made of “low yield” steel.

4

ВЪВЕДЕНИЕ

� Изследвания в Канада: Thorburn et al. (1983) –

development of the so-called “tension strip model” based

on diagonal tension field action of the thin unstiffened steel

panel/web; Tromposch and Kulak (1987) – cyclic testing

of unstiffened single-storey SPSWs; Driver et al. (1997) –

test of four-storey SPSW (7.5 m x 3.05 m) under quasi-

seismic loading; Ventura et al. (1998-2000) – tests and

analytical studies on modelling the interaction of infill

plates and boundary framing members; Timler (1998) –

Design procedures and cost evaluation.

Опитна постановка, R. Driver (1997)

5

Експериментални резултатиR. Driver (1997)

Хистерезисни диаграми “Срязваща сила –

премествания” за първия етаж

6

7

ДРУГИ ИЗСЛЕДВАНИЯ

� Изследвания в САЩ и Европа:

M. Bruneau and co-workers (MCEER, N.Y.)

A. Astaneh-Asl (PEER, Berkeley)

F. Mazzolani and co-workers (Univ. of Naples)

E. Mistakidis (Univ. of Thessaly, Volos)

Oguz C. Çelik (ITU, Istanbul)

� Китай:

F.F. Sun and co-workers (Tongji Univ., Shanghai)

и много други

НОРМИТЕ ЗА ПРОЕКТИРАНЕ

� Canadian CAN/CSA-S16.1-94 (1994): Предписания запроектиране на стоманени шайби (в незадължителноПриложение);

� Canadian CAN/CSA-S16-01 (2001): Подобрена методика закапацитивно проектиране на дуктилни стом. шайби; въвежда се нов клас ниско-дуктилни стом. шайби;

� American Institute of Steel Construction (AISC): Seismic provisions (2005): Предписания за проектиране настоманени и комбинирани шайби (Глава 17);

� Eurocode 8, Part 1 (2004): Правила за проектиране накомбинирани шайби; няма предписания за стоманенишайби.

8

Класификация

9

Стоманените шайби:

• се различават от пълностенните греди поради наличието на

корави обрамчващи елементи (HBE=ригели, и VBE=колони)

• основни типове: с оребрени и неоребрени стебла

Комбинирани стомано-стоманобетонни шайби

10

Варианти за конструктивно оформянепри комбинираните шайби

Източник: Prof. Astaneh-Asl, 2002

11

Поведение на стоманена шайба прихоризонтално натоварване

За да се гарантира, че стеблото (W) ще разсейва повече енергияот рамката (F), стоманените шайби трябва да се проектират

така, че да бъде удовлетворено условието: Ufe > Uwe

Източник: Sabouri-Ghomi, Ventura and M. Kharrazi (2005)

12

Опънни полета в стеблото принатурни експерименти

Berman and Bruneau, MCEER, UB

13

Изпитване на умален модел(tw= 1,5 mm)

Хаджиянева и Белев, УАСГ, 2009

14

Основни предимства и недостатъци

Предимства:

Отлична дуктилност

Висока начална коравина

Намалено собствено тегло/маса

По-бързо изграждане

Възможно прилагане при усилване на съществуващи

сгради

Доказана сигурност при станали силни земетресения

15

Основни предимства и недостатъциНедостатъци:

Необходимост от противопожарна защита (за стоманените)

Разлика между изчислителната и действителната

носимоспособност

Намалена коравина за хоризонтални товари поради огъвни

деформации (при високи сгради)

Влияние на последователността на изграждане върху

носимоспособността

Недостатъчни или липсващи предписания в нормите за

проектиране

16

ПРИМЕРИ ЗА ПРИЛОЖЕНИЕ

Nippon Steel Bldg., Tokyo, 1970 (20 етажа)

17

Висока сграда в Кобе, Япония (35 ет.)

Незначителни повреди при земетресението Koбe, 1995

18

Canam HQ Building, Canada

19

Шест-етажна офис-сграда в Квебек,

Канада

Многоетажна сграда, Мексико

20

U.S. Federal Courthouse, Seattle

24-етажна сграда с тръбобетонни “супер”-колони

21

Подходи за моделиране и изследване

4

3

.1

2tan

11 . .

360. .

c

b c

t L

A

ht h

A I L

α

+

=

+ +

22

Визуализация с pushover-анализ

Забележка: колоните (VBE) и ригелите (HBE)трябва да се проектират с отчитане надопълнителните моменти и нормални сили,породени от опънните полета в стеблото

23

Приложения при сеизмично усилванена стоманобетонни конструкции

Надеждно поведение и по-висока дуктилност

спрямо вариантите с вертикални връзки

24

Най-типични варианти

Източник: Timler &Ventura, 1999

!Винаги се включва обрамчваща стоманена рамка с корави възли

25

Основни правила за изчисляване иконструиране

(AISC Provisions for special steel plate shear walls)

� Съотношението на осовите размери L/h трябва да бъде 0,8-2,5.

� Отворите в стеблото трябва да се усилват с хоризонтални ивертикални обрамчващи елементи, продължаващи по цялаташирочина на шайбата и цялата височина на етажа.

� Колоните, ригелите, техните съединения и съединенията на стеблотос обрамчващите елементи следва да се оразмеряват капацитивно, т.е.

за завишена носимоспособност на опън на стеблото, в коетоопънните усилия действат под ъгъл a. Ригелите (HBE) се проектиратпри предпоставка, че стеблото на шайбата не участва в поемането навертикалните товари.

� Напречните сечения на обрамчващите ригели и колони следва дабъдат с дебелини, които приблизително отговарят на сечения клас 1

по Еврокод 3 (БДС EN1993-1-1).

26

Основни правила …. (прод.)

� Условието за “силни колони – слаби греди” следва да се проверявапри всички рамкови възли, така както се изисква за рамки с високадуктилност (S-MRF).

� Съединенията между обрамчващите елементи се проектират катосъединения в рамки с обикновена дуктилност (O-MRF). Захоризонталните елементи се осигурява странично укрепяване и надвата пояса според изискванията за S-MRF.

� Снажданията на колоните се разполагат на разстояние от подамаксимално близо до 1/4 от етажната височина, и трябва даотговарят на изискванията за елементи, които са част от систематаза поемане на сеизмичните въздействия.

27

Основни правила …. (прод.)

� Минимален инерционенмомент на колоните:

� Допълнително натоварваневърху ригелите

28

L

htI w

c

4

00307.0≥

)(cos)( 2

1 α−= +iiyyu ttFRw

Основни правила …. (прод.)

Изчислителна носимоспособност на стоманени шайбиAISC Seismic Provisions (2005)

Изчислителна носимоспособност на комбинирани шайбиEurocode 8, Part 1 (EN1998-1:2004)

(приносът на стоманобетонния кожух се пренебрегва)

- дебелина на стебления лист- светла широчина на стеблото

29

)2sin(42,0 α=wwyn

tLfV 9,0, =φφ= nVV

)3(0MywwRd

ftLV γ=

wt

wL

Основни правила за комбиниранишайби

Eurocode 8, Part 1 (EN1998-1:2004)� Стоманеното стебло трябва да има едностранен или двустранен

стоманобетонен кожух, надеждно прикрепен чрез болтови дюбелиили други съединителни средства, за да предпази стеблото отизкорубване и да не се допусне отделяне на двата компонента единот друг.

� Дебелината на обетонирането е най-малко 200 mm при едностраненкожух и 2x100 mm при двустранен. Минималният коефициент наармиране в двете посоки е 0,25%.

� Стоманеното стебло трябва да е прикрепено непрекъснато поконтура си към обрамчващите елементи чрез заваръчни шевовеи/или болтове, за да може да развие пълната си носимоспособностна срязване.

� Обрамчващите елементи могат да бъдат комбинирани илистоманени, но трябва да са капацитивно проектирани с отчитане навъзможната по-висока носимоспособност на комбинираното стебло.

30

ИЗВОДИ� Стоманените и комбинирани шайби са обект на много числени и

експериментални изследвания, чиито резултати доказват тяхнатазначителна дуктилност и надеждно поведение.

� Комбинираните шайби са една добра алтернатива на стоманените шайби, защото стоманобетонният кожух осигурява допълнителна коравина ипротивопожарна защита на тънкото стоманено стебло. Като цяло, за тяхAISC Seismic Provisions and Еврокод 8 дават почти идентични правила заизчисляване и конструиране.

� Предписанията на EC8 са по-общи и трудни за практическо прилагане отинженера-проектант. Някои важни въпроси, например за коравината накомбинираните шайби, която следва да се приема при статичните идинамични изчисления, не са разгледани.

� Предписанията на [AISC Seismic, 2005] and [CSA, 2001] за проектиране настоманени шайби са също много сходни. Те се основават на концепциятаза опънните полета, валидна при стройни неоребрени стебла. Обрамчващите елементи (ригели и колони) и техните съединения трябвада са проектирани капацитивно и да осигуряват надеждно “закотвяне” настеблото, работещо в следкритичен стадий.

31

Благодаря Ви за Вашето внимание!

Въпроси?

32