אנליזה סיסמית תפקודית מתקדמת עבור מלון Bat-Yam Beach מרצה: אלכס שוחט בשת"פ עם זיו סולומון, שמואל )בוקשפן מהנדסים( ובעזרתם של: דניאל דובוא, עימאד נאסירי, ירון אופיר )ירון אופיר מהנדסים( ירון אופיר מהנדסים בע"מ
תוכן עניינים: המטרה: להראות שתכן מתקדם מאפשר הבנה טובה יותר של ההתנהגות המבנית ואת מנגנוני התפתחות הכשל בו. הבנה זאת מגבירה את הביטחון של המתכנן בפתרון המבני ומגדילה את בטיחות המבנה. תיאור הגיאומטריה ונתונים: עבור מלון בת ים ביץ. הגדרת עומסים: ספקטרום עבור בת ים ביץ + ע.שימושי + ע.קבוע אנליזה מודלית לפי ת"י 413 ולפי :EC8 בירור היחס בין התקן הישראלי לאירופאי. אנליזת דחיפה לא-ליניארית :Non-Linear Pushover Analysis הערכת הדרישה הסיסמית ומציאת מקדם הקטנת כוח מציאותי למבנה אנליזה לא-ליניארית בזמן לאימות התכן :Time History Analysis הערכה ריאליסטית של תגובת המבנה, הזזות, כוחות הגזירה )מקדם הגברה מציאותי לגזירה(, ושיעור הסיבוב הפלסטי ברכיבים הנושאים העיקריים..1.2.3.4.5.6 2
תאור המבנה: גובה מבנה כ~ 150 מטר. )46 קומות מעל פני הקרקע( שטח קומה טיפוסית כ~ 847 מ"ר עובי תקרה בקומה טיפוסית 18 ס"מ שתי קומות מרתף ממפלס +0.00 עד 7.00 קומת לובי בגובה ממפלס +0.00 עד +6.30 ביסוס משולב רפסודה+כלונסאות 3
~30 m קומה טיפוסית לפני עדכון בהמשך לאנליזה מערכת ההקשחה האופקית מתקבלת באמצעות קירות )גזירה וכפיפה(, אקסצנטרי וגרעין גרעין 1 2. המבנה הוא בעל חתך פתוח. העמודים בהיקף לא תורמים למערכת ההקשחה האופקית ומשמשים לנשיאת עומסי הכבידה. )הם כמובן ממודלים ונבדקת תגובתם עבור ההזזה מרכזית מסה C מרכז קשיחות בר.אדמה ) ~34 m 4
אנליזה סטטית אנליזה מודלית עומס סיסמי: מבנה בטון ספקטרום עבור תקופת חזרה 475 שנה, ריסון 5% עבור אזור בת- םי [g] 0.089=Z SDS SD1 Tb=0.11 sec Tc=0.69 sec TL=4 sec 5
עומס גרביטציוני+שימושי: טבלת עומסים )קבוע נוסף + שימושי( במפלסי המבנה עומס קבוע נוסף )ק"נ/מ"ר( עומס שימושי )ק"נ/מ"ר( מקדם עומס לשילוב סיסמי שימושי סה"כ עומס נוסף בקומה )ק"נ/מ"ר( 11.0 0.2 5.0 10.0 מפלס 7- )רפסודה( 6.0 0.2 5.0 5.0 0 מפלסים 3.4- ו- 3.4 0.2 2.0 3.0 מפלסים 6.3 גג המבנה עד 6.8 0.2 4.0 6.0 גג המבנה 6
Wtotal=66000 [ton] אנליזה מודלית: משקל המבנה: מלון עונה לקריטריון של בניין מרובה אוכלוסין לכן המקדם הוא 1.25 מקדם הקטנה בהנחה ורמת משיכות בינונית: 5 According to ASCE 41-06 & EC8 עבור אנליזה סיסמית יש להפחית בקשיחות החתכים עקב סדיקה 7
אנליזה מודלית: Y X Y צורת תנודה עיקרית של הזזה בכיוון (T=5.21 sec.( Y X צורת תנודה עיקרית של פיתול sec.( (T=4.52 צורת תנודה עיקרית של הזזה בכיוון (T=4.77 sec.( X
מסקנות אנליזה מודלית לפי ת"י תוצאות האנליזה הראשונית הדגישו מספר ליקויים במערכת הנושאת של הבניין המקורי 413 גיליון תיקון מס' 3:.1.2 חתך פתוח שגורם לאקסצנטריות וריכוז מאמצים גדולים צימוד גדול בתגובה המבנית בדיון )ומו"מ(מול אדריכל סוכם על השינויים הבאים: הוספת קורה ותקרה כל מפלס רביעי ובכך ליצור גרעין מרכזי אחד להפחתת הפיתול הגדלת קורות עבור beams coupling שינוי עובי חלק מן הקירות. 9
אנליזה מודלית: סיכום תוצאות סיכום כוחות לפני הגבלות נוסחה )26( סיכום כוחות הגזירה בבסיס המבנה לאחר הכפלה במקדם חשיבות I וחלוקה ב- K Vbx= 7499 kn Vby= 6718 kn Vbx/Wtotal = 1.16% Vby/Wtotal = 1.04% סיכום כוחות לאחר הכפלה במקדם Scaling Factor נוסחה )27( המבנה הנדון נחשב למבנה מיוחד כי הוא אינו מקיים חלק מהמאפיינים של מבנה סדיר. m= 1.0 X גזירה בכיוון nx= mfh/vbx 1.92 Vbx= 14368.46 kn Y גזירה בכיוון ny= mfh/vby 2.14 Vby= 14368.46 kn 10
אנליזה מודלית: מקדם הגברה לכוחות הגזירה )עבור קירות( בבסיס המבנה מקדם הקטנה עבור כפיפה Keff= K/(I*ny)= 1.870 wma מקדם ההגברה על כוחות גזירה 1.9 K/(I*ny*wma)= Keff/wma= מקדם הקטנה עבור גזירה בקירות 1 בוצע בדיקה גם להשפעות P-Δ וגם לאקסצנטריות 11
החלטה לגבי מעבר לעבודה לפי Euro Code 8 ואנליזת דחיפה לא-ליניארית: לאור אי הבהירות הקיימת כרגע בתקן הישראלי לגבי מקדמי התכן הוחלט לבצע גם אנליזות מתקדמות יותר, שתקן 413 מאפשר לבצען )סעיף 304(, אך לא מנחה בפירוט כיצד. לכן התכן בוצע לפי Euro Code 8 שעודכן בשנים האחרונות בתחום הסיסמי ונחשב לתקן מודרני הכולל אפשרות לביצוע הליכים מתקדמים. האנליזות שבוצעו: 1. אנליזה מודאלית )לינארית( לפי EC8 כרפרנס להשוואה מול 413 ולאנליזות מתקדמות. 2. תכן בעזרת אנליזת דחיפה לא-ליניארית.Non-Linear Static Pushover Analysis 3. אימות התכן ע"י אנליזה לא ליניארית בזמן Non Linear Time History אנליזות אלה מאפשרות, כפי שנראה בהמשך, הבנה יותר טובה של התנהגות המערכת המבנית ובירור מקדמי ההגברה ריאליסטיים. 12
שלב א'-אנליזה מודלית לפי דרישות EuroCode 8 בוצעו מספר אנליזות מודלית : 1( לפי גיאומטריה שהתקבלה מאנליזה לפי ת"י 413. 2( אנליזה עם הקטנת חתכי עמודים וקירות לגובה המבנה. משליש תחתון של גובה המבנה כלפי מעלה בוצע הקטנה הדרגתית של גודל עמודים וקירות מרכזיים מקדם חשיבות 1.25 עבור רמת משיכות בינונית DCM מקדם הגברה לכוחות גזירה: 1.5=ε מקדם הקטנת הכוח : 3.6 =q מודל לאנליזה מודלית 13
שלב א'-השוואת תוצאות בין אנליזה מודלית ת"י 413 וEC8 אנליזה מודלית ת"י 413 אנליזה מודלית EuroCode8 q=3.6-1.25 11808 kn 1.73% 1.5 K=5 2 ~ 1.25 14368 kn 2.22% 1.9 מקדם הקטנה מקדם הגדלה Scaling Factor מקדם חשיבות כוח גזירה כולל אחוז ממשקל המבנה מקדם ההגברה על כוחות הגזירה הזזה מקס' בראש המבנה 50 ס"מ 14
שלב ב'- אנליזת דחיפה לא ליניארית לפי (2004) 8 EC 15
Non-Linear Static (Pushover) אנליזת דחיפה לא ליניארית לפי יורו קוד 8 Analysis אנליזת דחיפה מותרת לתכן כאלטרנטיבה לאנליזה מודלית 16
אנליזת דחיפה לא ליניארית לפי (2004) EC8 אנליזת דחיפה: הפעלת עומסים אופקיים הולכים וגדלים )העמסה אינקרמנטלית( עד לרמה בה מתקבלת כניעה במרבית רכיבי המערכת המתנגדים לכוחות אופקיים. נקודת התפקוד: נקודת שיווי משקל בין דרישה )ספקטרום( לתסבולת המבנה )עקום אליה המבנה צריך להגיע ללא כשל. יתרונות השיטה: 1. הערכת התגובה הלא-ליניארית והתסבולת האופקית של המבנה )הערכת מקדם הקטנת כוח K ריאלי(. 2. הערכת הדרישה הסיסמית מהמבנה: כוחות הגזירה, מומנטים, הזזות, הסטות אופקיות, סיבובים פלסטיים... 3. קבלת סדר הופעת הפרקים הפלסטיים. דחיפה( תחום התכן 17 עקום דחיפה טיפוסי ורמות תפקוד פילוג העומסים האופקיים לגובה המבנה
שלב ב'- אנליזה לא ליניארית: מודל חישובי מודל לא ליניארי של המבנה מידול קירות משולבים באמצעות אלמנטים קווים כמקובל בספרות המקצועית (Courtesy of Paulay & Priestley 1992) תכן סיסמי משיך לפי עקרונות שיטת Capacity Design מערכות משיכות של קירות הקשחה משולבים Walls( )Ductile Coupled הינה מערכת יעילה לקבלת כוחות אופקיים בזכות קשיחותה ויכולת בזבוז אנרגיה גבוהה ע"י הפרקים הפלסטיים בבסיסי הקירות ובקורות הקשר. פרקים פלסטיים איור מתאר: מכניזם פלסטי רצוי לקבלת מערכת משיכה לבזבוז אנרגיה 18
קיר קיר קיר קיר קיר קיר שלב ב'-מודל לא ליניארי )הגדרת חתכים(-קירות כל נקודה )צבע שחור( מייצגת אלמנט אותו אלמנט )קורה, קיר או עמוד( Joint המרכז תכונות לא ליניאריות של כל נקודה מוגדרת באמצעות 6 עקומים לא ליניאריים קורה קורה קורה קורה מומנט פיתול מומנט מומנט גזירה גזירה צירי קורה קורה קורה קורה קורה קורה כל עמודה מיוצגת באמצעות עקום בי-ליניארי קורה קורה קורה קורה קטע קיר עם Joints 19
Moment [kn-m] Moment [kn-m] שלב ב'-מודל לא ליניארי )חישוב חתכים ותכונות לא ליניאריות(-קירות יש חשיבות באיתור יחסי ההטרחה בכל רכיב לצורך תכנון נכון. חישוב משיכות החתך חישוב החתך נניח מנת זיון אורכי בחתך 1%= 60000 50000 40000 30000 M-Phi 20000 10000 0 0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 עקמומית rad/m 1. מאמץ לחיצה מנורמל בחתך קטן מ 0.4 הוכח כמאוד חשוב ברעידת צילה. זו נקודת זכות לתקן הארופאי והישראלי שבה היא קיימת, בעייתי בתקינה האמריקאית והציילינית 1. בדיקת משיכות החתך ועדכונה 2. כליאת החתך להגדלת המשיכות Priestley 1996, Paulay & Priestley 1992 תכן חתך לפי EC8 חתך נשלט גזירה-לא תקין!!! יחסי הטרחה נכונים עבור כל רכיב חישוב משיכות החתך חישוב החתך 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 חתך נשלט כפיפה - תקין!! 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 עקמומית rad/m 20
שלב ב'-מודל לא ליניארי )חישוב כליאה( במקרה שלנו: חישוב כליאה נעשה לפי ספרות מקצועית כי יורוקוד לא מאפשר הבנת מנגנון הכליאה. זיון הכליאה עומד בדרישות מינימום ומקס של יורוקוד. 0.0-2 -1.5-1 -0.5 0-20,000.0 20,000.0 N response- -40,000.0-60,000.0-80,000.0-100,000.0-120,000.0-140,000.0 18,000.0 16,000.0 14,000.0 12,000.0 10,000.0 8,000.0 6,000.0 4,000.0 2,000.0 V response- קירוב בי לינארי עיבור גזירה 0.0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 100,000.0 90,000.0 80,000.0 70,000.0 60,000.0 50,000.0 40,000.0 30,000.0 20,000.0 M response- קירוב בי -M לינארי זווית 10,000.0 0.0 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 21
שלב ב'-מידול ותכן קירות משולבים וקורות קשר Coupling Beams ההתנהגות הלא-ליניארית של קורות הקשר מודלה ע"י מפרקים פלסטיים בכפיפה בעל התנהגות בי-ליניארית עם חוזק המתחשב בזיון האלכסוני. Moment Hinge Model* Hinge Nonlinear Behavior לאחר פתרון בודקים התפתחות מכניזם פלסטי בנקודת תפקוד וסיבובים פלסטיים, ומתקנים זיון במידת הצורך מאנליזת דחיפה ראשונית או מאנליזה מודלית מקבלים הטרחות גזירה ואיתם מחשבים הזיון האלכסוני הדרוש According to ASCE 41-06 *John Wales 2010 22
Sa-spectral acceleration (m/sec^2) שלב ב'- תוצאות אנליזת הדחיפה הלא-ליניארית: 4.5 4.0 3.5 3.0 חישוב נקודת תפקוד לפי (2004) EC8 לצורך הערכת הדרישה הסיסמית Sa-Sd Capacity curve Bilinear curve Performance point 2.5 2.0 1.5 1.0 נקודת שיווי משקל בין עקום תאוצה-הזזה )עקום עומס( לבין עקום תסבולת של המבנה T*=4.52 sec. 0.5 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Sd-spectral displacement (m) 23
שלב ב'-עקום דחיפה 100%X+30%Y אנליזה מודלית לפני מקדם הקטנה מקדם הקטנה אמיתי רק 1.4 Qact=1.4 Q=3.6 אנליזה מודלית לאחר מקדם הקטנה 24
שלב ב'-עקום דחיפה 30%X+100%Y Qact=1.5 מקדם הקטנה אמיתי רק 1.5 Q=3.6 25
שלב ב'-התפתחות פרקים/מכניזם פלסטיים צריך לבדוק הזזות וסיבובים פלסטיים 0.2F 0.4F 0.6F 0.8F תפקוד F -נקודת 1.2F
שלב ב'-בדיקת שיעור הסיבוב הפלסטי בקורות הקשר )נבדק גם לקירות( תחום המותר עבור LS עד 1.8% קורת קשר coupling beam קורת קשר coupling beam
שלב ג'- אנליזה לא ליניארית בזמן לפי (2004) 8 EC 28
Spectral Displacement (m) Horizontal Ground Acceleration (g) Spectral acceleration, g 0.40 0.30 שלב ג'- Analysis Time History בוצעה אנליזה לא-ליניארית בזמן עבור רעידת אדמה מלאכותית שנוצרה בעזרת תוכנת,SIMQKE מותאמת לספקטרום התאוצה והזזה לפי דרישות (2004).EC8 5% damping ratio and 475 years of return period Design Acceleration Spectrum (413, 2009) Artificial Ground Motion Record 0.20 0.10 0.16 Time History of a Horizontal Generated Artificial Earthquake Record (PGA=0.14g) 0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Natural vibration period Tn (sec.) 0.12 0.08 0.04 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 5% damping ratio and 475 years of return period Design Displacement Spectrum (413, 2009) Artificial Ground Motion Record 0.00-0.04-0.08-0.12-0.16 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Time (sec.) 0.10 0.05 0.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Natural vibration period Tn (sec.) 29
שלב ג'- Analysis Time History הזזה בראש המבנה הגברה בהזזה בעיקר עקב צורות תנודה גבוהות בהתחשב בתגובה הלא-ליניארית סרטון 30
שלב ג'-גרף גזירה בתחתית הקיר )דוגמה( מודים גבוהים משפיעים בקומות עליונות עקום כוח גזירה בתחתית הקיר 555/80 הגברה ביחס למודלית הגברה ביחס לדחיפה הגברה בעיקר עקב צורות תנודה גבוהות בהתחשב בתגובה הלא- ליניארית 31 t=9.56 [sec] t=12.3 [sec] פרקים פלסטיים t=14.7 [sec]
טבלת סיכום תוצאות מאנליזות Time History PushOver Modal (413) Total Base Shear 29,106 16,959 כוח גזירה כולל 14,368 Reduction Factor - 1.6 מקדם הפחתה 5 Amplification Factor 1.4 -דחיפה 3 -אנליזה מודלית 1.5 מקדם הגברה 1.9 32
סיכום ומסקנות: תכן מתקדם: תכן מתקדם מגביר את הבטיחות והביטחון במבנה ע"י מציאת מקדמי הקטנה והגברה אמיתיים. אנליזה מתקדמת מאפשרת לנו להבין יותר טוב את סדר הכשלים שצפויים להתפתח ולתכנן חתכים בצורה אופטימאלית יותר. אנליזה מתקדמת מאפשרת הקטנת היקף הביסוס. במקרה שלנו בוצעה אנליזה )Soil Structure Interaction) SSI..1.2.3 33
תודה רבה! YARON OFFIR ENGINEERS LTD Gutwirth Science Park, Technion Campus, Haifa 32000, Israel Tel: 972-4-8323102 Fax: 972-4-8323286 Mobil: 972-54-4654022 www.yaron-offir.com office@yaron-offir.co.il 34