UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE CONSTRUCTII ŞI ARHITECTURã

Program de studii: Arhitecturã

Anul de studiu: V

CURS STRUCTURI SPECIALE

TEMA:

CL ã DIRI ÎNALTE (H>100M)

Autor:

Stud. arh. ROTAR Adriana Laura

Îndrumãtor:

Prof.univ.dr.ing. BOB cornel

¸

18

An univ. 2012-2013

- sesiunea iunie. 2013 -

18

CL ã DIRI ÎNALTE (Zgârie - Nori)

1. Introducere

Inca de la aparitia lor de la mijlocul secolului trecut si pana in ziua de astazi, cladirile inalte au reprezentat intotdeauna un punct de reper dominant in peisajul urban, fiind vizibile de la mare departare, asemenea turnurilor din Antichitate si Evul Mediu. Tendinta realizarii cladirilor cat mai inalte si in acelasi timp cat mai sigure, nu este un fenomen contemporan, ci dimpotriva ea este foarte veche. Prima cladire inalta din istoria omenirii este turnul din Babel, realizat cu cca 600 de ani i.Hr.(fig. 1)

Dezvoltarea economica, lipsa terenurilor de constructie in centrele oraselor, rezolvarea problemei desitatii populatiei in zonele urbane si dorinta omului de a lupta cu inaltimile au dus la proiectarea si construirea a sute de cladiri inalte (fig. 2). In acelasi timp aceasta metoda de a construi pe inaltime a fost intotdeauna un mijloc ideal de manifestare a puterii si a influentei intr-o comunitate, asa numita simbolistica a cladirii inalte („Tall is power”) .

Reprezentand un obiect de prestigiu pentru constructori, aceste edificii nu aveau doar efect asupra vecinatatilor lor imediate, dar de asemenea influentau, in moduri foarte diferite, multe domenii ale vietii urbane. In primii ani, nevoia constructorilor de a-si ridica cladirile pana la inaltimi ametitoare, a fost limitata de anumite probleme tehnice inca nerezolvate. In ultimii ani insa, s-a dezvoltat o competitie acerba intre constructorii zgarie-norilor, pentru ocuparea locului de campion mondial pentru cea mai inalta si inovatoare, din punct de vedere tehnologic si structural, cladire din lume. Insa bucuria lor nu dureaza mult deoarece in doar cateva luni vor fi intrecuti de alti constructori care vor duce tehnologia la un alt nivel, si acest lant vicios va continua la nesfarsit. Datorita dezvoltarii rapide tehnologice, in ziua de astazi chiar si proiectele aparent

utopice, au o buna sansa de a deveni realitate. Această dezvoltare rapidă a devenit posibilă numai datorită condițiilor tehnice și metodelor folosite la construcția clădirilor înalte, care s-au îmbunătățit în mod decisiv și, în unele cazuri, chiar s-a schimbat în mod fundamental în ultimii ani.

fig. 1 Turnul Babel (cca. 600 i.Hr.) –variante reconstruite

fig. 2

18

2. Definitii

Ce este o cladire inalta ?

Definitia cladirilor inalte in viziunea lui Anthony Wood (Congresul IABSE, 2008):a) Inalta fata de context.Nu conteaza numai inaltimea absoluta, ci si contextul urban. De exemplu, o cladire de 12

etaje nu este considerata inalta in Chicago sau Hong Kong, dar intr-un oras mic din Europa poate fi mult mai inalta decat cladirile celalalte.

b) ProportiileExista numeroase cladiri care nu sunt prea inalte, dar sunt foarte zvelte, ceea ce le da

aparenta unei cladiri inalte, mai ales intr-o zona cu cladiri joase. Pe de alta parte, multe cladiri cu arie mare in plan in raport cu inaltimea nu par inalte.

c) Tehnologiile pentru cladiri inalteDaca se folosesc tehnologii specifice datorita inaltimii (sistem de lifturi, sistem de

contravantuire).Anthony Wood conchide ca inaltimea de 50 m ar putea fi pragul de inaltime de la care

cladirea poate fi numita “inalta”. Conform CTBUH cladirile “inalte” sunt cladirile de peste 200 m si “superinalte” cladirile de peste 300 m.

Conform unei alte interpretări, orice clădire pentru care, în faza proiectării sale, importanța studiului rezistenței opuse de mișcările aerului are o pondere similară sau mai mare decât studiul greutății propriu-zise a clădirii, este în această categorie.

Cuvântul zgârie-nori a apărut prima dată în engleza americană ca un cuvânt compus, skyscraper = sky + scraper, adică zgârietor al cerului, care a devenit zgârietor de nori, adică zgârie-nori în română. Cuvântul în sine, desemnând inițial un catarg foarte înalt (conform skyscraper mast), fusese folosit pentru prima dată în limbajul uzual la sfârșitul secolului al 19-lea, reflectând uimirea publică a rezidenților orașului New York la vederea acestor clădiri foarte înalte, care păreau a zgâria cerul. Ulterior, a fost rapid adoptat în multe limbi, sub forma compusă specifică a acelor limbi. Evoluția definirii "corecte" a unui zgârie nori a evoluat în timp, fiind o funcție nu numai de realizarea tehnică respectivă, dar și de evoluția noțiunii pe măsură ce din ce în ce mai multe clădiri au ajuns să merite acest statut. Uneori se consideră că o clădire ar avea statutul de zgârie-nori doar pentru că domină cu detașare clădirile înconjurătoare. Alteori, se conferă acest statul unei clădiri înalte pentru că implică mândrie și satisfacție locuitorilor unui oraș care are o astfel de structură. Oricum, dincolo de aceste definiții și nominalizări, există și alte criterii (mai mult sau mai puțin obiective) care trebuiesc luate în considerare, așa cum ar fi plasamentul, forma, destinația și aspectul clădirii, care contribuie per ansamblu la definirea unei structuri de a fi sau nu considerată un zgârie-nori.

3. Scurt istoric

Apariția și existența zgârie-norilor este strict legată de progresul științific și tehnologic, care a generat posibilitatea de a construi clădiri ale căror structură de rezistență să fie preluată de materiale extrem de durabile, oțelul și betonul armat. Astfel, alături de acestea, elementele tehnice absolut necesare pentru apariția acestor structuri supra-înalte au fost și sticla termoizolantă, pompele de apă, lifturile și aerul condiționat.

¸

18

Până în secolul al 19-lea clădirile cu mai mult de 5-6 etaje erau extrem de rare pentru că structurile în sine ridicau probleme tehnice greu de surmontat. La aceast fapt se adăugau existența unor scări lungi și greu de urcat precum și problema presiunii apei, de cele mai multe ori insuficientă pentru a asigura apa curentă la înălțimi mai mari de 15 metri.

Oricum, în ciuda acestor multiple insuficiențe și incoveniențe, realizarea de construcții relativ înalte datează încă de la începutul anilor 1600 în anumite locuri. Spre exemplu, în Edinburgh, Scoția, zidul defensiv ce înconjura orașul limita clar expansiunea teritorială a acestuia. Ca urmare construcțiile din interiorul apărat au început să crească în înălțime. Astfel, construcții cu 10 - 11 nivele au devenit comune, înregistrându-se și clădiri record de înalte cu 14 - 15 nivele. Multe din acele clădiri înalte stau încă în picioare și pot fi văzute în partea veche a orașului, mai ales în zonele cunoscute ca Wynds și Closes, în apropiere de Royal Mile.

Cea mai veche clădire încă "în picioare", construită structural pe baza unei structuri metalice (de fier) este The Flaxmill (cunoscută local ca [the] "Maltings"), ce se găsește în Shrewsbury, Anglia. Construită în 1797, poate fi considerată "clădirea mamă a zgârie-norilor" datorită combinației de coloane și grinzi realizate din oțel rezistent la foc, conținând mai mult de 2% carbon (în engleză, cast iron) aidoma scheletelor metalice moderne ce au făcut posibilă existența structurilor înalte de azi. Din păcate a fost mult timp desconsiderată, având statut de ruină. În 31 martie 2005, organizația non-profit English Heritage a anunțat că va cumpăra Flaxmill, pentru reparare, menținere și conservare.

Primul zgârie nori modern a fost clădirea de zece etaje Home Insurance Building din Chicago, Illinois (fig. 3), construită între 1884 – 1885. Deși clădirea nu este deloc impresionantă azi ca înălțime, este importantă în istoria arhitecturii pentru că arhitectul acesteia, William Le Baron Jenney, a creat primul schelet metalic structural capabil de a suporta întreaga greutate a clădirii. Pentru prima dată, scheletul metalic al clădirii a fost astfel conceput încât zidurile nu trebuiau să suporte nimic din masa clădirii, aceasta fiind integral suportată de structura scheletului metalic. Această primă realizare de acest gen a condus la așa numitul "Chicago skeleton" ("scheletul Chicago") model structural care a dovedit în timp, că expresia "cerul este limita" (în engleză, în original, "The sky is the limit!") avea acoperire conceptuală, tehnică și materială. fig. 3 Home Insurance Building din

Chicago, Illinois

18

4. Tendinte contemporane în constructia clãdirilor înalte

a. Cresterea in inaltime

b. Cresterea in numar (CTBUH Journal 1/2010)

¸ ¸

18

c. Schimbare in distributia geografica

d. Schimbare in functiuni

18

e. Schimbare in materiale

-7 din cele mai inalte 10 cladiri terminate in 2009 au structura de beton.Taipei 101 este doar pentru referinta. Clasamentul nu cuprinde Burj Dubai care a fost terminat in ultimile zile ale lui 2009 si are structura de beton.

f. Schimbarea esteticii

18

g. Sustenabilitatea

5. Exemple de clãdiri Î nalte

A. Burj Khalifa

Burj Khalifa, denumit anterior Burj Dubai, este un zgârie-nori din Dubai, si este cea mai înaltă clădire construită vreodată de om, măsurând 828 m înălțime. Construcția a început la 21 septembrie 2004, exteriorul fiind finalizat la 1 octombrie 2009; clădirea a fost inaugurată oficial la data de 4 ianuarie 2010. Costurile totale ale proiectului au fost de 1,4 miliarde de dolari.

18

Burj Khalifa in cifre:

-Inaltime 828.00 m-Ultimul etaj 621.30 m-Inaltime la varf 830.00 m-Etaje 162-Subsoluri 2-Ascensoare 57-Aria construita 464.511 m² -Locuri parcare 3000-Apartmente 900-Camere hotel 144-Durata constructiei 47 luni-Valoarea investitiei 663.163.000 €-Dezvoltator Emaar-Architect Skidmore Owings & Merrill-Structura Skidmore Owings & Merrill-Instalatii ETA M&E-Antreprenor general Samsung Engineering and Construction

Descrierea sistemului structural:Preluarea fortelor orizontaleSistemul structural este constitut dintr-un nucleu hexagonal sprijinit de 3 contraforti dispusi

la 120o, constituiti din peretii culoarelor. Stalpi marginali sunt antrenati printr-un sistem de 5 centuri dispuse in dreptul etajelor tehnice. Retragerile se fac “in spirala” si imbunatatesc raspunsul la vant.

PlanseePlaci de beton armate pe doua directii cu grosimi intre 225 mm si 300 mm, si deschideri de

circa 9.00 m.

18

AntenaEste o structura metalica cu contravantuiri centrice, de 200 m inaltime.

18

FundatiaEste un radier de beton armat de 3,7 m grosime, asezat pe 194 piloti forati de 1,5 m diametru

si 43 m lungime.

Calculul structural: Calculul structural a fost facut cu programul ETABS. Modelul complet 3D contine 73.500

elemente shell si are 75.000 de noduri.Modul 1 de vibratie (a) este de translatie si are perioada proprie de 11,3 s.Modul 2 este tot de translatie, perpendicular pe primul si are T = 10,2s.Primul mod de torsiune este 5, cu T = 4,3 s.

18

Ingineria vantului: Au fost efectuate studii pe model aeroelastic si

pe balanta, la scara 1: 500, si pe model rigid la scara 1:500, in tunelul de vant de la Guelph, Ontario, Canada, de catre Dr Peter Irwin.

Principalele obiective urmarite:-Determinarea rezultantei eforturilor din vant;-Determinarea presiunilor pe fatada;-Reducerea oscilatiilor transversale datorita

vartejurilor

Determinarea rezultantei eforturilor din vant:

18

Reducerea oscilatiilor transversale:

Initial predictions obtained in May 2003, at over 37 milli-g for the 5 year return period were well above the ISO standard recommended values. However, through a combination of reorienting the tower, adjusting its shape, modifying the structural properties, and more in-depth studies of the wind statistics for the region the predictions came down By the end of 2004 November 2003 they had come down to about 19 milli-g for the same return period and at a slightly higher level. About half of this improvement came about as a result of improved knowledge of the wind statistics and the rest through re-orientation, structural improvements and shape adjustments. Subsequently, when the aeroelastic model results became available the predictions were further improved.

Determinarea presiunilor pe fatade:

18

Evaluarea efectelor de durata si ale etapelor de construire: Efectele curgerii lente, contractiei, ale incarcarii in etape si ale tasarilor fundatiei au fost

luate prin calcul cu ajutorul a 15 modele FE 3D, fiecare reprezentand o etapa din constructia turnului.

Datorita compatibilitatii deformatiilor intre armatura si beton, intr-un stalp de beton armat, ca urmare a curgerii lente si contractiei betonului, eforturile in armatura cresc in timp, iar cele din beton scad.

18

Proiectarea riglelor de cuplare:Datorita inaltimii limitate si a fortelor taietoare mari, o parte din riglele de cuplare au fost

realizate in solutie mixta (cu inima metalica).

Executia structurii:

18

Etapele constructiei:

18

Pomparea betonului:Asigurarea pompabilitati pentru aceste înatimi record a fost

cea mai dificila problema de proiectare,tinând cont mai ales de temperaturile ridicate din timpul verii. Au fost dezvoltate 4 amestecuri diferite pentru a reduce presiunea de pompare pe masura ce creste înaltimea cladirii.

Amestecul curent contine 13% cenusi zburatoare si 10% SUF cu dimensiunea maxima a agregatului de 20 mm. Amestecul este autocompactant, cu o raspândire medie de circa 600 mm, si a fost folosit pâna când presiunea de pompare a depasit 200 bari. Dupa aceasta a fost folosit un amestec cu dimensiunea maxima a agregatului de 14 mm si 20% cenusi zburatoare si autocompactant, mentinând rezistenta pe cub de 80 MPa. Peste nivelul 127,

cerintele structurale sunt de numai 60 MPa rezistenta la compresiune pe cub, si s-a folosit un amestec cu dimensiunea maxima a agregatului de 10 mm.

Turnarea betonului in radier:S-au efectuat teste privind caldura de hidratare pe“machete” – cuburi cu latura de 3,7 m.

Reteta betonului C50/60 foloseste un ciment compozit cu 25% cenusi zburatoare, 7% SUF, si un raport a/c de 0,32. Amestecul a fost proiectat sa fie autocompactant, utilizând un aditiv superplastifiant astfel încât sa se obtina o raspândire de 675 ± 75 mm, si sa se reduca posibilitatea de aparitie a defectelor la turnare.

Apa subterana în zona infrastructurii este deosebit de agresiva, cu cloruri în concentratie de pâna la 4,5% si sulfati pâna la 0,6%, fiind mai mari chiar decât în apa de mare. În consecinta, asigurarea durabilitatii a fost un factor determinant la proiectare radierului si pilotilor.

Cofrarea:

18

Fatadele:

18

Proiectarea teraselor:

Proiectarea intrarii: