Korkean teräsbetonisen kotelorakenteella jäykistetyn toimistorakennuksen rungon suunnittelu

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
Talonrakennustekniikka
Mcode
Rak-43
Degree programme
Language
fi
Pages
84
Series
Abstract
Lateral loading due to wind is a major factor that causes the design of high-rise buildings to differ from that of low-to medium-rise buildings. The wind load not only acts on a larger surface area but the wind velocity increases as the earth's surfaces retarding effect is reduced as height increases. As a result to these factors, high-rise buildings are subjected to much greater wind loads. The characteristics of wind pressures on a structure are a function of the characteristics of the approaching wind and the geometry of the structure under consideration. The pressures are not steady but highly fluctuating. The fluctuating pressures can result in dynamic excitation in high-rise buildings which are often dynamically wind sensitive due to their slenderness. The provision of adequate lateral stiffness is important in the design of a tall building for several reasons. Lateral deflections must be limited to prevent second-order effects due to gravity loading being of such a magnitude as to precipitate collapse. In terms of the serviceability limit states, deflections must be maintained at a sufficiently low level to allow the proper functioning of the building and to prevent motions becoming large enough to cause discomfort to occupants. Because of the high short-term transient moment and shears that arise from wind loads, attention must be given to the design of the foundation system. This is especially important if the pre-compression due to the dead weight of the building is not sufficient to overcome the highest tensile stresses caused by wind moments leading to uplift on the foundation. Reinforced concrete shear walls are ideally suited for bracing buildings because of their very high in-plane stiffness and strength. It is common to link individual shear walls together to form core structures for additional bending stiffness. Having one or multiple core structures as a bracing system of the building has many effects on the gravity system of the building, as is highlighted in this thesis. Office buildings often comprise a single central service core surrounded by a flexible frame. The dimensions and the shapes of the core structure cross-sections as well as the arrangement of the bracing components have a big effect on the performance of the building structure. According to the calculations done in this thesis the height of 140 meters is close to the maximum height of a building braced by core structures when the concrete tensile stresses are limited to the design value of the concrete tensile stress in the ultimate limit state. Limiting the stresses of the core structure is useful for preventing challenging foundation design solutions. Limiting the stresses of the core structure also prevents the cracking of the concrete. Due to the high bending stiffness values of uncracked core structures, the lateral deflections and the second-order effects due to gravity loading remain small.

Korkea rakentaminen asettaa erityisvaatimuksia rakennuksen rungolle. Rakennuksen korkeuden kasvaessa kasvaa rakennuksen tuulelle altistuva pinta-ala ja maanpinnan rosoisuuden tuulta hidastava vaikutus pienenee. Näiden tekijöiden johdosta korkeisiin rakennuksiin kohdistuu huomattavasti suurempi tuulikuorma kuin mataliin tai keskikorkeisiin rakennuksiin. Tuuli on luonteeltaan vaihtelevaa ja se voi aikaansaada dynaamisia vaikutuksia korkeissa rakennuksissa niiden hoikkuuden seurauksena. Rakennuksen korkeuden ja siihen kohdistuvien suurien vaakakuormien seurauksena rakennuksen yläpää saa siirtymiä ja perustuksiin voi kohdistua vetoa. Rakennuksen siirtymiä halutaan rajoittaa rakennuksen toiminnallisuuden ja käyttömukavuuden varmistamiseksi sekä pystykuorman epäkeskisyydestä aiheutuvien toisen kertaluvun vaikutusten minimoimiseksi. Rakennuksen perustusten vetojännityksiltä halutaan välttyä sen aiheuttaessa perustamiseen liittyviä lisähaasteita. Teräsbetonisia seiniä käytetään usein talonrakennuksessa jäykistämään rakennuksen runko. Kotelojäykistyksessä jatkuvat teräsbetoniseinät kytketään yhteen, jolloin kotelorakenteen taivutusjäykkyys on huomattavasti suurempi kuin sen yksittäisten seinien jäykkyyksien summa. Työssä esitellään kotelojäykisteisen rakennusrungon toiminta ja jäykistysjärjestelmän vaikutus muihin runkorakenteisiin. Kotelojäykistys soveltuu käytettäväksi toimistorakennuksissa, joilta odotetaan tilojen käyttötarkoituksen vuoksi muuntojoustavuutta. Jäykistävien kotelorakenteiden koko, muoto ja sijoittelu vaikuttavat merkittävästi rakennuksen toimintaan ja niiden merkitys korostuu korkeassa rakentamisessa. Työssä tehtyjen laskelmien perusteella 140 metriä lähentelee maksimikorkeutta rakennukselle, jonka jäykistysjärjestelmä koostuu yksinomaan jäykistävistä kotelorakenteista, jos pyrkimyksenä on rakenteen säilyminen halkeamattomana murtorajatilassa. Kotelorakenteiden jännitysten rajoittamisen avulla vältytään haastavilta perustamisratkaisuilta ja kotelorakenteen jäykkyys ei tällöin kärsi betonin halkeilusta. Laskelmien perusteella rakennuksen taipumasta ei tällöin muodostu rakenteita mitoittavaa tekijää ja jäykistysjärjestelmän toisen kertaluvun vaikutukset jäävät pieniksi.
Description
Supervisor
Puttonen, Jari
Thesis advisor
Jääskeläinen, Juha
Keywords
high-rise building, korkea toimistorakennus, tall office building, kotelorakenne, core structure, kotelojäykistys, core bracing, leikkausseinä
Other note
Citation