ΕΠΕΣ. Σχεδιασμός πύργου 135μ στην Ινδία με χρήση προκατασκευής

Σχεδιασμός πύργου 135μ στην Ινδία με χρήση προκατασκευής Γρηγόρης Πενέλης Δρ. Πολιτικός Μηχανικός ΑΠΘ, MSc, DIC, Πενέλης Σύμβουλοι Μηχανικοί ΑΕ Σπυρίδων Τσουκαντάς Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, τ. Επίκ. Καθηγητής ΕΜΠ Τρύφων Τοπινζτής Πολιτικός μηχανικός Ε.Μ.Π,Kef Infrastructures, India Κωνσταντίνος Πασχαλίδης Δρ. Πολιτικός Μηχανικός ΑΠΘ, Πενέλης Σύμβουλοι Μηχανικοί ΑΕ Χρήστος Δρακόπουλος Πολιτικός Μηχανικός ΑΠΘ, MSc ΕΜΠ, Πενέλης Σύμβουλοι Μηχανικοί ΑΕ Εισαγωγή Πρόκειται για έναν πύργο 19 ορόφων χωρίς υπόγειο, συνολικού ύψους 135μέτρων, με κάτοψη βάσης 20μ x 20μ. Μέχρι την στάθμη 16 (+91,00μ) το κτίριο είναι από Ο/Σ με χρήση προκατασκευής ενώ από τα +91.00μ έως τα +125.00μ είναι μεταλλική κατασκευή. Επί του κτιρίου τοποθετείται ιστός ύψους 10.00μ από GFRP. Το κτίριο κατασκευάζεται στο Mysore Campus της Infosys στην Silicon Valley της Ινδίας και έχει χρήση γραφείων-κέντρου εκδηλώσεων (σχ.1). Η παρούσα εργασία παρουσιάζει τον σχεδιασμό της κατασκευής και τις ιδιαιτερότητες που προκύπτουν από την επιλογή να γίνει με προκατασκευή το τμήμα του κτιρίου από Ο/Σ (+91,00μ). Η επιλογή της προκατασκευής από την Infosys έγινε για την μείωση του χρόνου κατασκευής, και την διαδικασία προκατασκευής και ανέγερσης έχει αναλάβει η εταιρία KEF Infrastructure. Σχ. 1 Τρισδιάστατο Αρχιτεκτονικό Σχ. 2 Στατικό προσομοίωμα

Περιγραφή του φορέα Ο φορέας Ο/Σ είναι ένα σύστημα τοιχωμάτων, που πρακτικά περιλαμβάνει 4 πυρήνες στις γωνίες του κτιρίου (σχ.4). Εξ αυτών των πυρήνων οι 4 γωνίες σχήματος Γ με διάσταση σκέλους 1.95μ x 0.70μ είναι από έγχυτο Ο/Σ ενώ όλα τα άλλα τοιχώματα είναι διπλού τοιχώματος προκατασκευασμένα στοιχεία Ο/Σ πάχους 30εκ και 40εκ (σχ.6, double leaf walls με 7εκ εξωτερικά προκατασκευασμένα τμήματα και 16εκ ή 26εκ έγχυτο πυρήνα). Οι πλάκες είναι προεντεταμένες με διάκενα (Hollow Core Slabs) και οι δοκοί επίσης προκατασκευασμένες «ορθογωνικής» διατομής με φτερά για την έδραση των πλακών (σχ.5). Επί των προκατασκευασμένων πλακών κατασκευάζεται έγχυτη στρώση 10εκ. έτσι ώστε να διασφαλιστεί η διαφραγματική λειτουργία. Σχ. 3 Ξυλότυπος Θεμελίωσης Σχ. 4 Ξυλότυπος τυπικού Ορόφου Η θεμελίωση του κτιρίου (σχ.3) γίνεται επί 36 πασσάλων Φ1200χιλ. μήκους 18.00μ τοποθετημένων κάτω από τους τέσσερεις πυρήνες. Οι πάσσαλοι συνδέονται με μια πλάκα-κεφαλόδεσμο πάχους 2.00μ έτσι ώστε να υπάρχει άκαμπτη συμπεριφορά της θεμελίωση. Επιλέχθηκε η χρήση πασσάλων αν και το υπέδαφος είναι γενικά βραχώδες, διότι από την γεωτεχνική μελέτη εμφανίζονταν φωλιές κακών εδαφικών στρώσεων, οι οποίες δημιουργούσαν κίνδυνο διαφορικών καθιζήσεων, οι οποίες λόγω του μεγάλου λόγου ύψος προς πλάτος, συνεπάγονταν κίνδυνο σημαντικής απόκλισης από την κατακόρυφο. Σχ. 5 Προκατασκευασμένη δοκός-πλάκες Σχ. 6 Προκατασκευασμένο τοιχείο-πλάκα

Το τελευταίο τμήμα του φορέα κατασκευάζεται από δομικό χάλυβα και είναι μια τυπική κατασκευή με μηχανολογικούς ορόφους που έχει πατώματα από γραδελάδα ή σύμμεικτα. Τα μεταλλικά στοιχεία εδράζονται φυτευτά επί ενός δύσκαμπτου κατακόρυφου διαφράγματος που «στεφανώνει» την στάθμη +91.00 όπου περαιούται η κατασκευή από Ο/Σ. Σχ. 7 Κάτοψη ορόφου 17 που φυτεύονται τα μεταλλικά στοιχεία σε διαφράγματα 2.00μ Φορτία Τα κινητά φορτία της κατασκευής κυμαίνονται από 200kgr/m 2 έως 500kgr/m 2 ενώ στους πάνω ορόφους προβλέπεται και μια δεξαμενή νερού. Από τις τυχηματικές δράσεις, ο άνεμος υπολογίστηκε για ταχύτητα ανέμου 33m/sec, κατηγορία εδάφους 2 και κατηγορία κτιρίου C, σύμφωνα με τον Αμερικάνικο Κανονισμό ASCE/SEI7-10 (πιν.1) καθώς και τον Ινδικό Κανονισμό IS875-3:1987 (πίν.2). Οι πιέσεις που υπολογίστηκαν και με τους 2 κανονισμούς είναι της τάξης των 1000Pa οι οποίες είναι 30% μικρότερες από τον αντίστοιχο υπολογισμό με τον Ευρωκώδικα 1. Επιλέχθηκε το κτίριο να διαστασιολογηθεί με επαύξηση του φορτίου κατά 50%, δεδομένο ότι θα ακολουθούσε έλεγχος σε αεροδυναμική σήραγγα, που στην συνέχεια θα μπορούσε να ανατρέψει την μελέτη.

ASCE/SEI Loads Level q Z WW LW WW+LW Side [#] [Pa] [kpa] [kpa] [kpa] [kpa] 1 667 0.45 0.87 2 691 0.46 0.89 3 711 0.48 0.90 4 744 0.50 0.93 5 770 0.51 0.94 6 783 0.52 0.95 7 806 0.54 0.97 8 826 0.55 0.98 9 836 0.56 0.99 10 845 0.57 0.99-0.43 11 870 0.58 1.01-0.60 12 878 0.59 1.02 13 890 0.59 1.02 14 903 0.60 1.03 15 910 0.61 1.04 16 921 0.62 1.04 17 946 0.63 1.06 18 960 0.64 1.07 19 987 0.66 1.09 20 1003 0.67 1.10 Πιν. 1 Φορτία ανέμου ανά στάθμη κατά ASCE IS 875-3 Loads Level Height k 2 V Z P [#] [m] [-] [m/s] [Pa] 1 20.4 1.00 33.1 655 2 24 1.02 33.5 674 3 27 1.03 33.9 691 4 33 1.05 34.6 719 5 39 1.07 35.2 744 6 42 1.08 35.5 756 7 48 1.09 36.1 782 8 54 1.11 36.5 799 9 57 1.11 36.6 805 10 60 1.11 36.8 811 11 69 1.13 37.2 829 12 72 1.13 37.3 836 13 76.5 1.14 37.5 845 14 82.3 1.15 37.8 857 15 85.5 1.15 37.9 864 16 90.1 1.16 38.2 873 17 102.3 1.17 38.7 900 18 109.7 1.19 39.1 918 19 125 1.21 39.9 957 20 135 1.23 40.5 982 Πιν. 2 Φορτία ανέμου ανά στάθμη κατά IS Ο σεισμός εισήχθει με το φάσμα του Ινδικού Κανονισμού (IS-1893-1), για Ζώνη ΙΙ (Ζ=0.10γ) και συντελεστή απομείωσης R=3 (σχ.8). Αξίζει να αναφερθεί ότι σύμφωνα με τον Ινδικό Κανονισμό ο συνδυασμός βαρυτητας είναι 1,50G+1,50Q αντί για 1,35G+1,50Q που είναι σε όλους τους συνήθεις κανονισμούς (πιν.3) Σχ. 8 Φάσμα σεισμού σχεδιασμού IS-1893-1 Πιν.3 Συνδυασμοί Φόρτισης Υλικά δόμησης Σκυρόδεμα προκατασκευασμένων στοιχείων Προκατασκευασμένες προεντεταμένες δοκοί: M60 Προκατασκευασμένες προεντεταμένες πλάκες: M60 Προκατασκευασμένα τοιχώματα: M40 Σκυρόδεμα εγχυτων στοιχείων Επικάλυψη προκατ. πλακών M40 Έγχυτα γωνιακά τοιχώματα M40 Χαλαροί οπλισμοί και καλώδια προέντασης Χαλαροί οπλισμοί 500D (HYSD) Προεντεταμένα καλώδια κατ.2, χαμηλής χαλάρωσης σύμφωνα με IS:14268-1995 Μεταλλικά δομικά στοιχεία: A992Gr50 (f y = 350MPa, f u = 490MPa)

Ανάλυση του φορέα Το σύνολο του κτιρίου προσομοιώθηκε στο πρόγραμμα Etabs2015 συμπεριλαμβανομένων των πασσάλων και της αλληλεπίδρασης με το έδαφος θεμελίωσης. Δεδομένων των πολλών προκατασκευασμένων τοιχωμάτων, τα οποία έχουν διακοπή της συνέχειας τους σε κάθε όροφο, για το τμήμα των εξωτερικών προκατασκευασμένων φύλλων (7εκ+7εκ), εισήχθησαν ζώνες μειωμένης δυσκαμψίας σε όλα αυτά τα σημεία, έτσι ώστε να λαμβάνεται υπόψη μόνο η δυσκαμψία του έγχυτου πυρήνα των τοιχωμάτων (16εκ για τοίχωμα 30εκ και 26 εκ για τοίχωμα 40εκ). Επίσης στο βασικό προσομοίωμα τα τοιχώματα εισήχθησαν με δυσκαμψία 50% της συμπαγούς διατομής (στάδιο ΙΙ). Με αντίστοιχους συντελεστές τροποποίησης του μέτρου ελαστικότητας εισήχθησαν, ως ορθότροπο υλικό, οι πλάκες οι οποίες για το προκατασκευασμένο τμήμα τους είναι διέρειστες. Σχ. 8 1 η Ιδιομορφή Τ=4,31sec 55%@UX Σχ. 9 2η Ιδιομορφή Τ=3.48sec 56%@UY Το κτίριο διαστασιολογήθηκε με τον IBC2012 (ASCE/SEI7-10) καθώς και με τον Ινδικό Κανονισμό, που είναι δυσμενέστερος για μόνιμα φορτία (ULS: 1.50G+1.50Q). Λόγω του μεγάλου ύψους του κτιρίου έγινε επιπλέον δυναμική ανάλυση με χρονοïστορία τόσο για τον άνεμο όσο και για τον σεισμό.

Αποτελέσματα ανάλυσης και διαστασιολόγησης Στον πίνακα 4 φαίνονται τα αποτελέσματα της ιδιομορφικής ανάλυσης ενώ στα σχήματα 8 και 9 η απεικόνιση της 1 ης και 2 ης ιδιομορφής αντίστοιχα. Η τέμνουσα βάσης λόγω σεισμού είναι της τάξης των 1000kN ενώ λόγω ανέμου 3500kN, δηλαδή η ανεμοφόρτιση είναι ο κρίσιμος συνδυασμός για τα οριζόντια φορτία με ένα συντελεστή x3,50 σε σχέση με την σεισμική διέγερση. TABLE: Modal Participating Mass Ratios Case Mode Period UX UY sec Modal 1 4.318 55.7% 0.0% Modal 2 3.487 0.0% 56.7% Modal 3 1.276 0.0% 0.0% Modal 4 0.913 12.0% 0.1% Modal 5 0.888 0.2% 6.9% Modal 6 0.668 4.0% 0.0% Modal 7 0.635 0.0% 10.0% Modal 8 0.529 0.0% 0.1% Modal 9 0.443 0.0% 1.5% Modal 10 0.407 0.0% 0.0% Modal 11 0.405 0.0% 0.0% Modal 12 0.404 0.0% 0.0% Modal 13 0.402 4.3% 0.0% Modal 14 0.383 0.0% 0.0% Modal 15 0.383 0.5% 0.0% Modal 16 0.379 0.0% 0.0% Modal 17 0.378 0.0% 0.1% Modal 18 0.363 0.0% 0.0% Modal 19 0.363 0.0% 0.0% Modal 20 0.322 6.4% 0.2% Modal 21 0.32 2.6% 0.0% Modal 22 0.309 0.1% 13.8% Modal 23 0.248 0.0% 0.1% Modal 24 0.236 4.1% 2.5% Modal 25 0.235 8.8% 0.8% Modal 26 0.215 0.0% 6.5% Modal 27 0.19 0.0% 0.0% Modal 28 0.189 0.2% 0.0% Modal 29 0.188 0.0% 0.0% Modal 30 0.188 0.0% 0.0% Πιν.4 Ιδιομορφική ανάλυση TABLE: Diaphragm Max/Avg Drifts Story Seismic 1/Max DriftxR Wind 1/Max Drift Story18 EXY Max 398 WX+ 1339 Story18 EXY Max 370 WX+ 1258 Story17 EXY Max 918 WX+ 1003 Story17 EXY Max 754 WX+ 925 Story16 EXY Max 1089 WX+ 891 Story16 EXY Max 1475 WX+ 855 Story15 EXY Max 1013 WX+ 834 Story15 EXY Max 641 WX+ 809 Story14 EXY Max 980 WX+ 791 Story14 EXY Max 1323 WX+ 786 Story13 EXY Max 950 WX+ 787 Story13 EXY Max 1287 WX+ 797 Story12 EXY Max 931 WX+ 813 Story12 EXY Max 1267 WX+ 845 Story11 EXY Max 913 WX+ 906 Story11 EXY Max 1244 WX+ 980 Story10 EXY Max 901 WX+ 1057 Story10 EXY Max 1239 WX+ 1529 Story9 EXY Max 898 WY+ 1232 Story9 EXY Max 1235 WY+ 1063 Story8 EXY Max 901 WY+ 1623 Story8 EXY Max 1235 WY+ 601 Story7 EXY Max 918 WY+ 1475 Story7 EXY Max 1253 WY+ 1431 Story6 EXY Max 942 WY+ 1399 Story6 EXY Max 1277 WY+ 1355 Story5 EXY Max 978 WY+ 1333 Story5 EXY Max 1323 WY+ 1325 Story4 EXY Max 1052 WY+ 1318 Story4 EXY Max 1406 WY+ 1328 Story3 EXY Max 1142 WY+ 1351 Story3 EXY Max 1495 WY+ 1391 Story2 EXY Max 1221 WY+ 1475 Story2 EXY Max 1572 WY+ 1570 Story1 EXY Max 1764 WY+ 1650 Story1 EXY Max 2179 WY+ 2294 Πιν.5 Ιδιομορφική ανάλυση Από τον πίνακα 5, φαίνεται ότι ο πύργος είναι ιδιαίτερα δύσκαμπτος με σχετικά βέλη ορόφων που δεν ξεπερνούν το H/400 για σεισμό και Η/800 για τον άνεμο (ο σεισμός είναι πιο κρίσιμος στα βέλη λόγω της χρήσης του συντελεστή R στην διαστασιολόγηση αλλά όχι στις μετακινήσεις). Στο σχήμα 10 φαίνονται οι κατακόρυφες τάσεις (σ zz ) για τους τέσσερεις πυρήνες στην βάση του πύργου, και είναι όλες θλιπτικές με τιμές μικρότερες των 17Mpa τόσο για τον συνδυασμό βαρύτητας όσο και για τον δυσμενέστερο συνδυασμό ανεμοφόρτισης

Σχ.10 Κατακόρυφες τάσεις στους πυρήνες στην βάση για φορτία βαρύτητας (αριστερά) και σεισμό (δεξιά) (διακύμανση -17.8MPa <-> 0 MPa) Στο σχήμα 11 φαίνονται τα διαγράμματα ροπών και τεμνουσών για το διάφραγμα ύψους 2,00μ στο οποίο φυτεύονται τα μεταλλικά στοιχεία. Η ροπή σχεδιασμού είναι M sd = 2853 knm, και η τέμνουσα σχεδιασμού είναι V sd = 1276 kn. Σχ.11 Διαγράμματα ροπών και τεμνουσών διαφραγμάτων που φέρουν τον φυτευτό μεταλλικό Φ.Ο. Η διαστασιολόγηση των διαφραγμάτων ως υψίκορμες δοκοί, φαίνεται στο σχήμα 12, και καταλήγει σε δοκό 50x200 με 10Φ25 κάτω 8Φ25 άνω και συνδετήρες τετράτμητους Φ10(4)/150.

Σχ.12 Διαστασιολόγηση διαφράγματος Βιβλιογραφία ACI318M-11 (2011) Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, USA ANSI/AISC 360-10 (2010) Specification for Structural Steel Buildings, USA ASCE/SEI 7-10 (2010) Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, USA CEN (2005). European Standard EN 1991-1998 Structural Eurocodes Computers and Structures Inc. (1999) ETABS: Three dimensional static and dynamic finite element analysis and design of structures, Berkeley, California. Computers and Structures Inc. (1999) SAP200: Three dimensional static and dynamic finite element analysis and design of structures, Berkeley, California. 3Pi Software (2015) ECtools Eurocodes Structural Design Penelis G.G., Penelis G.Gr. (2014), Concrete Buildings in Seismic Regions, Taylor & Francis LLC IS 456-2000 (2005) Plain and Reinforced Concrete - Code of Practice, India IS 800-2007 (2007) General Construction In Steel- Code Of Practice, India IS 1343-1980 (1980) Code of Practice for Prestressed Concrete, India