ASEIZMICKO PROJEKTOVANJE I ARHITEKTURA

MENTOR LLUNJI

ASEIZMIČKO PROJEKTOVANJE I ARHITEKTURA

Mentor Llunji ASEIZMIČKO PROJEKTOVANJE I ARHITEKTURA - prvo izdanje

Izdavač: MSPROJECT d.o.o www.ms-projectbureau.com

©Sva prava zadržava autor.Nijedan dio ove knjige se ne smije reprodukovati ili distribuirati u bilo kojem obliku ili na bilo koji način, uključujući fotokopiranje, skeniranje itd. bez pismene dozvole autora.

Štampanje knjige je pomogla Inženjerska Komora Crne Gore

ISBN 978-9940-665-00-5 COBISS.CG-ID 24873232

Format: 24 x 17 cm Tiraž: 300 primjeraka Štamparija IVPE d.o.o, Cetinje Ulcinj, 2014 godine

MENTOR LLUNJI


2014

SADRŽAJ Predgovor

9

Uvod

11

1 ZEMLJOTRESI 1.1 Uvod 1.2 Pojava i širenje zemljotresa 1.3 Kada i gdje nastaju zemljotresi 1.4 Pomjeranja tla-mjerenja 1.5 Zemljotresi, magnituda i intenzitet Literatura

15 17 19 21 24 26

2 EFEKAT ZEMLJOTRESA NA OBJEKTE 2.1 Uvod 2.2 Inercijalne sile 2.3 Period oscilovanja i rezonancija 2.4 Prigušenje 2.5 Spektar odgovora 2.6 Otpornost prema seizmičkim silama 2.6.1 Duktilitet 2.6.2 Otpornost i krutost 2.7 Raspodjela seizmičkih sila na objektu 2.8 Torzija 2.9 Efekti na tlu i sekundarni uticaji 2.9.1 Likvefakcija 2.9.1.1 Intervencije na tlu 2.9.1.2 Intervencija na konstrukciji 2.9.2 Klizišta 2.9.3 Cunami Literatura

27 28 30 36 37 40 40 43 45 48 52 53 55 56 56 58 59

3.OSNOVNI KONCEPTI U ASEIZMIČKOM PROJEKTOVANJU 3.1 Uvod 3.2 Aseizmičko projektovanje-pregled kroz jedan vijek 3.3 Norme i propisi-prošlost,sadašnjost i budućnost 3.4 Eurocode 8- primjena i osnovni zahtjevi 3.5 Koncept programiranog ponašanja (Capacity design) 3.6 Inženjerske metode za seizmičku analizu 3.6.1 Metoda bočnih sila 3.6.2 Linearna dinamčika analiza 3.6.3 Nelinearna seizmička analiza 3.6.4 Nelinearna statička analiza-Pushover Literatura

61 62 63 69 71 74 74 76 78 79 80

4.ASEIZMIČKI NOSEĆI(KONSTRUKCIJSKI) SISTEMI 4.1 Uvod 81 4.2 Vrste aseizmičkih nosećih sistema 82 4.2.1 Sistemi sa zidovima-vertikalne dijafragme 83 4.2.1.1 Oblici i vrste aseizmičkih zidova 94 4.2.1.2 Strategija pozicioniranja zidova u osnovi 95 4.2.1.3 Strategija postavljanja(pružanja) zidova po visni objekta 100 4.2.2 Sistemi sa krutim okvirima (Ramovski sistemi) 101 4.2.2.1 Sistemi sa ravnim pločama (Bezgredni sistemi) 106 4.2.2.2 Duktilitet 113 4.2.3 Dvojni sistemi-okvirne konstrukcije u kombinaciji sa armiranobetonskim zidovima ili jezgrima 119 4.2.4 Sistemi ukrućeni spregovima (Rešetkasti) 121 4.2.4.1 Diagrid sistemi 124 4.3 Novi koncepti i tehnologije 127 4.3.1 Uvod 127 4.3.2 Novi koncepti o aseizmičkim sistemima 128 4.3.3 Savremeni aseizmički koncepti i pomagala-seizmička (bazna) izolacija i sistemi za disipaciju seizmičke energije 130 4.3.3.1 Sezimička (bazna) izolacija 130 4.3.3.2 Primjena seizmičke izolacije za zaštitu artefakta 134 4.3.4 Sistemi za disipaciju-damperi dampers 137 4.3.5 Nekoliko ideja o novim konstrukcijskim konceptima 140 4.3.6 Umjesto zaključka 142 Literatura 144 5.ARHITEKTONSKA I KONSTRUKCIJSKA KONFIGURACIJA OBJEKTA I NJEN UTICAJ NA SEIZMIČKO REAGOVANJE 5.1 Uvod 147 5.2 Uticaj arhitektonskih rješenja-uloga konfiguracije objekta 149 5.3 Geometrijske karakteristike kao faktor od značaja za seizmičko reagovanje objekta 155 5.3.1 Dimenzije (volumen, geometrijske veličine) 155 5.3.2 Visina 155 5.3.3 Širina/dužina 156 5.3.4 Proporcije 158 5.3.5 Simetrija 160 5.3.6 Hiperstatičnost (gustina/redundanost) konstrukcije 165 5.4 Uticaj konstrukcijske neregularnosti na seizmičko reagovanje objekata 169 5.4.1 Diskontinuiteti hroizontalne dijafragme (spratne tavanice)172 5.4.2 Fleksibilni spratovi 178 Slučaj 1 : Olive View Hospital, San Fernando, SAD, 1971 god. 187 Slučaj 2: Palace Corvin, Caracas, Vencuela, 1967 godine 189

5.4.3 Ostali diskontinuiteti krutosti po visini objekta 191 Slučaj 3: Imperial County Service Building, El Centro, Kalifornija, SAD, 1979 godine 192 Slučaj 4: Objekat Torre O’Higgins-Concepcion, Čile 194 5.4.3.1 Kratki stubovi 196 5.4.3.2 Razuđena konfiguracija po visini 200 5.4.3.3 Konzole 210 5.4.4 Torziona neregularnost-neregularnost krutosti po obodu objekta 212 Slučaj 5: Objekat J.C. Penny, Anchorage, Aljaska 215 5.4.5 Objekti razuđene osnove-neregularnost u horizontalnoj konfiguraciji objekta 216 5.5 Osnovni koncepti u aseizmičkom projektovanju složenih arhitektonskih konfiguracija 220 5.5.1 Stvaranje neregularnosti putem fasade 222 5.5.2 Omogućavanje neregularnosti koristeći armiranobetonska jezgra 224 5.5.3 Omogućavanje neregularnosti upotrebom lakih materijala 226 5.5.4 Formiranje neregularnosti (neregularnom) konstrukcijom 227 Zaključak 228 Literatura 229 6. SAVREMENA ARHITEKTURA U SEIZMIČKI AKTIVNIM PODRUČJIMA 6.1 Uvod 231 Primjer 1 - TOD’s, Japan, Tokio/Arhitekta: Toyo Ito/Konstrukcija: OAK Structural Design Office 235 Primjer 2 - Tama Art University Library, Japan,Hachioji/Arhitekta: Toyo Ito/Konstrukcija: Mutsuro Sasaki 236 Primjer 3 - Walt Disney Concert hall, Los Angeles, SAD/Arhitekta: Frank O. Gehry/Konstrukcija ARUP 239 Primjer 4 - CCTV Tower, Bejing,Kina/Arhitekta: Rem Koolhaas/ Konstrukcija: ARUP 241 Primjer 5 - Vila Bordaux,Boradaux,Francuska/Arhitekta:Rem Koolhaas/Konstrukcija: Cecil Balmond 246 Literatura 249 7.ASEIZMIČKO PROJEKTOVANJE NENOSEĆIH (NEKONSTRUKCIJSKIH) ELEMENATA 7.1 Uvod 251 7.2 Nenoseći elementi-definicija 252 7.3 Reagovanje nenosećih elemenata 253 7.4 Propisi i nenoseći elementi 256 7.5 Podjela (klasifikacija) nenosećih elemenata 257 7.5.1 Pregradni zidovi (zidana ispuna) 257

7.5.2 Ostali nenoseći elementi 7.5.2.1 Fasada 7.5.2.2 Prozori i staklene fasade 7.5.2.3 Spušteni (viseći) plafoni 7.5.2.4 Instalacije Literatura 8. SEIZMIČKA SANACIJA I OJAČANJE POSTOJEĆIH OBJEKATA 8.1 Uvod 8.2 Filozofija i cilj seizmičke sanacije postojećih objekata 8.3 Koja vrsta objekata je ugrožena 8.4 Seizmička sanacija-postupak i principi sanacije 8.4.1 Procjena postojećeg stanja 8.5 Seizmička sanacija čeličnih konstrukcija 8.6 Seizmička sanacija armiranobetonskih konstrukcija 8.7 Seizmička sanacija zidanih zgrada 8.8.Sanacija postojećih objekata primjenom vještačkih vlakana FRP (Fibre reinforced polymer) 8.9 Seizmička sanacija spomenika kulture Literatura

266 266 268 271 274 277 279 281 283 285 286 290 292 298 300 304 310

9.PROSTORNO PLANIRANJE U SEIZMIČKI AKTIVNIM PODRUČJIMA 9.1 Uvod 311 9.2 Prostorno planiranje i zemljotresi 311 9.2.1 Prostorno-urbanistički planovi u seizmičkim područjima 317 9.2.2 Detaljni urbanistički planovi u seizmičkim zonama 319 9.3 Prostorno planiranje vezano za ostale opasnosti koje su posljedica zemljotresa 320 9.4 Osvrt na stanje danas 322 9.5 Prostorno planiranje kao interdisciplinarna aktivnost 323 Literatura 323 10 SEIZMIČKA ARHITEKTURA 10.1 Uvod 10.2 Konstrukcija kao arhitektura 10.3 Porijeklo(nastanak) ideje o seizmičkoj arhitekturi 10.4 Sezimička arhitektura-mogućnosti 10.5 Seizmička arhitektura-primjeri Primjer 1: Manantiales Building (1999), Santiago de Chile,Čile Primjer 2: CEC Building(1999), Taipei, Taiwan Primjer 3: Union House (1984), Auckland, Novi Zeland Literatura

325 326 328 337 341 341 343 344 346

PREDGOVOR Ova knjiga je nastala kao rezultat višegodišnjeg

angažovanja autora u projektovanju svih vrsta konstrukcija, a prije svega je proizvod praktične potrebe poboljšanja komunikacije između arhitekata i inženjera-konstruktora. Uloga arhitekte u procesu projektovanja je nezamjenljiva, to je uloga menadžera i stvaraoca u jednom. Veoma često glavni arhitektonski elementi su upravo i glavni elementi noseće konstrukcije. Sa druge strane dešava se da su arhitektonska rješenja u suprotnosti sa konstrukcijskim zahtjevima ili sa osnovnim propisima aseizmičkog projektovanja. Ova međuzavisnost arhitekture i konstrukcije čini neophodnim da se arhitekte više informišu o seizmičkoj problematici, i konstrukciji uopšte. Projektovanje konstrukcija u seizmički aktivnim zonama je izazov kojim se suočava veliki broj inženjera u cijelom svijetu. Uloga arhitekte je podjednako važna, iz jednostavnog razloga što ni najbolji proračuni ne mogu nadoknaditi eventualne greške u konceptu aseizmičke konstrukcije, koncept koji je većim djelom definisan arhitekturom objekta. Uloga ove knjige je da opremi studente postiplomskih studija arhitekture, a naročito profesionalne arhitekte i konstruktore, osnovnim znanjima iz oblasti aseizmičkog projektovanja, uvažavajući prije svega realnost arhitektonske profesije, odnosno da formule i tačne proračune treba ostaviti inženjerima-konstruktorima. Knjiga takođe može biti korisna za studije različitih profila inženjerske struke univerziteskog nivoa, koji žele proširiti i produbiti znanja iz ove oblasti, naročito praktičnog projektovanja. Konceptualni pristup problematici umnogome će poslužiti i inženjerima-konstruktorima koji se bave projektovanjem konstrukcija a koji preferiraju praktičniji pristup problematici. Autor je bio svjestan odgovornosti u izboru i određivanju adekvatnog sadržaja knjige, obimnosti problematike i načina predstavljanja istog, i zbog toga će biti zahvalan za sve dobronamjerne primjedbe i sugestije čitaoca. Autor 9


Predsjednička palata u Port o Prince, Haiti, zemljotres 2010 godine.

Uprkos činjenici da se zemljotresi ne mogu preduprijediti, savremena nauka i današnji nivo znanja iz oblasti zemljotresnog inženjerstva, omogućili su sredstva i mjere koja ako se adekvatno primjene mogu u dobroj mjeri da redukuju, smanje negativne efekte jakih zemljotresa. Iako glavnu ulogu u aseizmičkom projektovanju ima inženjer-konstruktor, uloga arhitekte je podjednako značajna.Arhitekta kao nosilac ideje o objektu određuje veliki broj parametara koji imaju važnu ulogu za seizmičko reagovanje objekta. Visina, konfiguracija, oblik, masa, raspored prostorija kao i pozicioniranje nosećih elemenata u idejnoj fazi projekta, su u rukama arhitekte. Arhitekta, mora definitivno konstrukciju posmatrati kao integralni dio projekta a ne kao nešto što konstruktor dodaje arhitektonskom projektu. U duhu ovoga, arhitekta treba da posmatra zemljotres kao realnu opasnost, a ne kao nešto što je samo briga inženjera. Upravo i to je cilj ove knjige, da zemljotres bude tretiran zajednički i istovremeno kako od arhitekte tako i od inženjera, i to od početne ideje, definisanja dimenzija, horizontalnih i vertikalnih gabarita, materijala, funkcije i položaja objekta. Drugim riječima sve parametre koji utiču na seizmičko reagovanje objekta, a koji najviše zavise od arhitekte. Uloga i uticaj arhitekture na seizmičko reagovanje objekata potvrđeno je u mnogim zemljotresima. 12

Nakon izvršenih podrobnih analiza posljedica zemljotresa u Alžiru, Kaliforniji i Japanu,arhitektica M.L. Wang je činjenicama dokazala da su arhitektonska rješenja bila glavni uzrok rušenja mnogih armiranobetonskih objekata. Vezano za ovo, ona je izjavila:”... arhitektonsko rješenje može biti presudnije za seizmičku otpornost objekta nego bilo koje drugo rješenje inženjera-konstruktora...”1 Na predavanjima o odgovornosti arhitekata vezano za pitanje konstrukcije, tri godine poslije zemljotresa u Meksiko Siti-ju (1985), stručnjak za seizmička pitanja J.A. Cardenas zaključuje:”.. ponovo su zemljotresi na tragičan način potvrdili ulogu arhitekture na seizmičko reagovanje objekata..”2 Ovo nam govori da je neophodno bolje informisanje arhitekata o seizmičkim problemima, o osnovnim principima aseizmičkog projektovanja, odnosno da treba raditi na boljoj i uskoj saradnji arhitekte i konstruktora. Na drugoj strani inženjeri treba da rade na svojoj “estetskoj” edukaciji , da se bolje upoznaju sa arhitekturom, da konstrukciju vide kao neizbježni element arhitekture, da spoznaju njen estetski potencijal, da uvaže “teren” na kome djeluju arhitekte, želju za oblikom, funkcionalnošću i ekstravagancijom. Potreba za boljom edukacijom arhitekata dolazi prosto ka posljedica činjenice da aseizmičke-konstrukcijske mjere više utiču na arhitekturu objekta, nego na primjer, mjere za prijenos vertikalnih sila ili sila vjetra, što je nažalost uveliko promaklo današnjem sistemu školovanja arhitekata.

1 Wang, M.L 1981.Consequences of architectural style on earthqauke resistence.Final proceedings: PRC-US joint Workshop on Earthquake Disaster Mitigation through Architecture, Urban Planning Engineering, Bejing, November 2-6 1981, pp: 150-181 2 Cardenas J.A. 1988.The architect’s scientific and technological training.In Architectural and Urban design lessons from the 1985 Mexico City earthquake. Council on Architectural Reaserch of the American institute of Collegiate Schools of Architecture, Washington, DC, pp;105-114

13

Zemljotresi

desio 600 km daleko, koji se nije osjetio na mjestu gdje je bio fiksiran seizmoskop. Iako ima predpostavki i mišljenja vezano za vrstu mehanizma unutar ovog instrumenta, on do danas ostaje nepoznat.

1.2 POJAVA I ŠIRENJE ZEMLJOTRESA

Savremeno objašnjenje uzroka nastanka zemljotresa je zaokruženo u teoriji(hipotezi) takozvanih ‘tektonskih ploča’.Osnovna ideja ove pretpostavke, je da je gornji sloj Zemlje-litosfera kompozit većeg broja velikih tektonskih ploča, odnosno da je sastavljena od niza većih ili manjih djelova litosfere.Smatra se da zemljinu koru čine deset velikih ploča debljine oko 80 km. One se oslanjaju na drugi sloj, spoljašnji omotač Zemljinog jezgra, kojeg čine stijene u skoro istopljenom stanju.Ovo omogućava pločama da se kreću u pravcu jedne prema drugoj oko 50mm godišnje. Pomjeranjem ploča stvara se mehanizam za ‘porizvodnju’ većine zemljotresa(tektonski zemljotresi) u svijetu. Tako se zemljotresi obično dešavaju na granicama tektonskih ploča pri njihovom pomjeranju jedna prema drugoj(sl.1-3).Tačke dodira ovih ploča (engl. - tectonic faults) su izvorišta zemljotresa(sl.1-3, 1-4).

▲1-3 Pomjeranje tektonskih ploča-tačke dodira(sudaranja, smicanja, podvlačenja) su izvorišta seizmičke energije.

Valja napomenuti da se svi zemljotresi ne mogu objasniti teorijom ‘tektonskih ploča’ jer su registrovani jaki zemljotresi i u unutrašnjosti pojedinih ploča(Kina,SAD.) Jedno od objašnjenja je da se ti zemljotresi javljaju kao posljedica pritisaka na granicama ploča[4]. 17


ti. Zato se pri proračunu i za simetrične objekte uzima u obzir torzija koja se u ovom slučaju zove slučajna torzija(engl.- accidental torsion) i to zbog gore navedenih sporednih i ‘slučajnih’ razloga iz kojih ona nastaje. Jednostavno rečeno, nedostatak balansa između centra mase i centra krutosti proizvodi torziju. To nastaje zbog nesimetričnog pozicioniranja vertikalnih nosećih elemenata(sl.2-27) ili pomjeranja centra mase zbog neravnomjerne raspodjele opterećenja po spratovima(sl.2-28). e

Cs

Mt=Fi x e

Cm

Cs

Mt

Fi

a)

Cm

b)

Cs Mt

Cm

c)

▲2-27 Faze stvaranja torzije na jednom objektu sa nesimetričnom konstrukcijom a) Djelovanje inercijalne sile i suprotstavljanje sile otpora b) Ne poklapanje (ne podudaranje) ove dvije sile (tačke djelovanja) stvara torziju (uvrtanje) c) Deformisani objekat kao posljedica djelovanja torzije.

a)

b)

▲2-28 Centar mase se može premjestiti zavisno od raspodjele opterećenja na spratu.

Uopšte uzev torzijom biće pogođeni najviše oni noseći elementi koji se nalaze dalje od centra krutosti, kao centra rotacije, 50

Efekat zemljotresa na građevinske objekte

pošto će pomjeranja tih elemenata, kao posljedica povećanja ugla rotacije(∆θ), biti veća. Razarajući efekat torzije je duže vrijeme zapostavljan od strane stručne javnosti.On se tretirao više kao sporedni faktor koji će se lako kontrolisati. Ozbiljnija istraživanja u ovom pravcu, počela su 60-tih godina prošlog vijeka.Istorija zemljotresa belježi mnoge primjere gdje je torzija na direktan ili indirektan način uticala na rušenje objekata. Slučaj hotela “Terminal” u Guatemala City, Guatemali, koji je teško oštećen u zemljotresu magnitude 7.5 Richtera, 1976 godine, često se uzima u literaturi kao tipičan primjer rušilačkog efekta torzije[16].Hotel “Terminal” je bio objekat od 6 spratova - koga su činili prošireni dio od 2 sprata(niži spratovi) i viši dio, četvorospratna ‘kula’. Arhitektonski zahtjev za otvaranje prednjeg djela objekta(zahtjev za uklanjanje zida) iznad drugog sprata, gdje se nalazio restoran, oslabio je krutost objekta u tom djelu i stvorio torzioni debalans. Armiranobetonsko jezgro postavljeno na suprotnom kraju od ‘otvorenog’ zida restorana, stvorilo je ekscentricitet, odnosno torziju, kojoj noseći elementi u prednjem djelu nisu mogli odoljeti. Ovim slučajem povećane presječne sile na nosećim stubovima očigledno nisu bile predviđene proračunom, što se pokazalo fatalnim za glavne noseće stubove objekta. Hotel “Terminal” je tipičan primjer u kojoj mjeri arhitektonsko rješenje može (negativno) uticati na seizmičko reagovanje objekta.

▲2-29 Hotel Terminal u Guatemala City, Guatemala, zemljotres iz 1976 godine. Primjer razarajućeg efekta torzije. Povećane presječne sile na nosećim stubovima,uslijed torzije koja je izazvana promjenom krutosti u prednjem djelu objekta(uklonjen fasadni zid), očigledno nisu bile predviđene proračunom, što se pokazalo fatalnim za glavne noseće stubove objekta[16].

51

Efekat zemljotresa na građevinske objekte

bovi/zidovi vezuju za temeljnu konstrukciju(sl.2-16). Slika 2-17 šematski pokazuje razliku između elastičnog i duktilnog reagovanja konstrukcije[12].

a)

b)

d)

c)

▲2-16 Pozicioniranje mogućih plastičnih zglobova a) Kod objekata sa AB zidovima se pojavljuju (projektuju) na mjestu uklještenja u temelje b) Kod ramova (okvira), zglobovi se preporučuju na krajevima greda, dok kod stubova samo na mjestu uklještenja u temelje c) Kod veznih zidova (vidi poglavlje 4), odnosno zidova povezani krutim gredama, plastični zglobovi se predviđaju upravo na gredama (i mjestu uklještenja zidova u temelje) d) Nepovoljan slučajplastični zglobovi koji se pojavljuju na vrhovima stubova čine sistem labilnim u odnosu na seizmičke sile. Fi -inercijalna sila Fd -proracunata sila B -tacka deformisanja

(pomjeranje)

Fi

Fi

Fd

as el

ti c

no

e nj va o ag re

C

duktilno reagovanje

B

y

o

D

u

▲2-17 Elastično i duktilno reagovanje.

Ako konstrukcija može pružiti otpor inercijalnoj sili Fi u elastičnom stadijumu tj.u fazi linearnog ponašanja, duktilno reagovanje se neće desiti. Poznata je činjenica da su inercijalne sile indukovane uslijed zemljotresa, često veće od proračunatih sila(Fd).Zbog toga konstrukcija mora imati rezervu tj. kapacitet da se deformiše na duktilan način do ∆o, tako da ‘apsorbuje’ razliku između realne inercijalne sile i one proračunate. Projektovana sila (izračunata po F=m x a) za duktilnu konstrukciju zavisi od 41


a)

b)

c)

▲3-5 a) Povoljan konstrukcijski koncept - krutost greda i stubova izjednačena b) Nepovoljan - grede kruće od stubova c) Idelan slučaj - stubovi krući od greda-savremeni aseizmički koncept

Izraz “slabe grede” podrazumjeva njihovu slabost samo u odnosu na stubove i zemljotres, ali nikako u odnosu na gravitaciona opterećenja, tako da pored otpornosti na savijanje treba da imaju i potreban duktilitet, odnosno kapacitet za plastične deformacije. Stubovi treba da se “predaju” zadnji jer i najmanje njihovo oštećenje može ugroziti objekat u cijelini. Iz gore navedenog proizilazi da se moraju jasno identifikovati elementi koji će služiti kao apsorberi seizmičke energije i shodno tome da se dimenzionišu i korektno armiraju.

a)

b)

c)

▲3-6 a) Djelovanje seizmičke sile b) Formiranje plastičnih zglobova -projektovano c) Neopovoljno pozicioniranje plastičnih zglobova na stubovima

▲3-7 Posljedica rđavog aseizmičkog koncepta - grede kruće od stubova, Kobe, Japan, 1995 godine

72

Aseizmički noseći (konstrukcijski) sistemi

▲4-4 Mehanizam sloma savijanjem i histerezno ponašanje je ono što karakteriše seizmičko ponašanje krutih zidova-najveća oštećenja u prvim spratovima, na uklještenju u temelje, tamo gjde su i uticaji najveći.

85

Aseizmički noseći (konstrukcijski) sistemi

Na prvim spratovima debljina zidova u zavisnosti od visine sprata treba da bude >hs/15. Tako za visinu sprata od 3.0m, debljina zida ne bi trebalo biti manja od 20cm[3].U svakom slučaju debljina zida ne smije biti manja od 15cm (Novozelandske i Američke norme). I EC 8 preporučuje minimalnu debljinu 20cm, sem u slučaju kada su zidovi složenog presjeka(sa flanšom minimalne dužine hs/5), debljina zida može biti 15cm, odnosno hs/20[16].

▲4-10 Teško oštećen zid.Primjećuje se da nedostaje grupisanje armature na krajevima zida - zemljotres na Aljasci 1964.

Arhitektonski zahtjevi nerijetko utiču da na zidovima budu otvori različtih dimenzija (prozori, vrata i dr.), koji ako nisu propisno pozicionirani i prihvatljivih dimenzija,bitno mogu da utiču na smanjenje nosivosti zida, pogotovo na uticaj presječnih sila(sl.4-11 a,b).

a)

b)

c)

▲4-11 a),b) Otvori na određenim mjestima mogu izazvati opasno slabljenje zidova c) Povoljan slučaj za disipaciju seizmičke energije.

89


sve dimenzije koje određuju oblik i veličinu, što znači da se arhitektonska ideja u većoj mjeri može poistovjetiti sa konfiguracijom. Uloga arhitekture u seizmičkom reagovanju objekata (zgrada) nikada nije ozbiljno tretirana u zemljotresnom inženjerstvu. Pažnja je uglavnom usmjerena na metode analize i proračuna, zatvarajući oči pred činjenicom da je objekat trodimenzionalna realnost, koji će tako i reagovati, bez obzira na “dubinu” analize i sofisticiranost metode proračuna. Detaljnija izučavanja zemljotresa u San Francisku(1971) i Imperijal Valej (Imperial Valley 1979), definitivno su potvrdili vezu arhitektonsko rješenje-seizmičko reagovanje. Priroda oštećenja i rušenja velikog broja objekata, kod ova dva zemljotresa, pogotovo objekta Oliv Vju Hospital(Olive View Hospital 1971) i Imperijal Kaunti Servis (Imperial Conty Service Building 1979, sl.5-1), su jasan dokaz da arhitektonska rješenja mogu biti presudan faktor u očuvanju konstrukcije, čak važniji od drugih inženjerskih rješenja[2]. Nažalost statistike zadnjih zemljotresa govore o oštećenjima koja su posljedica propusta u arhitektonskom konceptu, što nam daje do znanja da ova lekcija nije još uvijek dobro savladana. U zemljotresu u Kobeu(1995), ostećeno je preko 1000 objekata i bilo je više od 5000 žrtava. Ne mali dio odgovornosti snose i arhitekti.Poslije zemljotresa evdentirana je činjenica da su propusti vezano za konfiguraciju objekta bili ujedno i dominatni uzroci fatalnih oštećenja[3]. Japanski arhitekta Tadao Ando poslije posjete porušenom gradu Kobeu je izjavio: “...ovaj zemljotres nam je ukazao na veliku odgovornost arhitekata za sigurnost života ljudi...”[4]. ▲5-1 Neadekvatan raspored nosećih elemenata koji je bio uslovljen arhitekturom objekta, bio je glavni uzročnik preopterećenosti stuba objekta Imperial County Service u zemljotresu Imperial Valley (SAD, 1979), što je dovelo do ozbiljnih oštećenja objekta.

148


je limitirana na 45 metara ili 13 spratova dok u San Francisku samo 35 metara[2].U Jermeniji poslije zemljotresa 1988 godine, u gradu Leninakan, visina je bila ograničena na svega 3 sprata, pošto objekti viši od 3 sprata tokom zemljotresa nisu reagovali kako treba[12]. U svim ovim slučajevima primjećuje se veoma pažljiv prilaz pitanju visine objekta u seizmičkim zonama.Danas ovakvih ograničenja nema.Njih su zamjenili dopunski (dodatni) zahtjevi vezano za inženjerske analize i proračune. Pogrešno je mišljenje da će niži objekti bolje reagovati od visočijih(višespratnica).Za ovo ima više razloga, a najjendostavniji je onaj što je kod objekata do 5 spratova kvalitet projektovanja i gradnje često mnogo niži u odnosu na visočije objekte, gdje su investiranja na inženjeringu konstrukcije ozbiljnija. 5.3.3 Širina/dužina Niski objekti se smatraju relativno sigurnim kada je u pitanju zemljotres.Njihova konfiguracija, koja je u većini slučajeva regularna, odaje utisak stabilnosti. Ovo je samo do neke mjere tačno i ne važi za one objekte gdje su horizontalne dimenzije velike.U ovim slučajevima, nezavisno od njihove simetričnosti i jednostavnih oblika osnove, dešava se da zbog velikih dimenzija osnove, objekat ne reaguje kao jedno tjelo(sl.5-6).One su izložene više od ostalih nesinhronom oscilovanju pojedinih njihovih djelova.Jedan dio objekta se može izdizati a drugi spuštati, dio se može horizontalno pomjerati i sve ovo kao posljedica haotičnog kretanja tla pod objektom i u vezi je sa odnosom dužine zgrade prema talasnoj dužini seizmičkih talasa.Kako je talasna dužina proizvod perioda talasa i njegove brzine prenošenja, i da je kod tla slabog kvaliteta ona reda 50 do 70 metara, odnosno odgovara veličini dugačkih, nedilatiranih objekata[20].

b)

a)

c)

156

▲5-6 Velike dimenzije(u osnovi) objekta čine objekat nekompaknim u odnosnu na seizmičke sile tj.ne reaguje kao jedno tijelo b) Dijafragma (međuspratna konstrukcija) reaguje kao fleksibilna, ne prenoseći ravnomjerno seizmičku silu na noseće elemente c) Prihvatljivo reagovanje dijafragme


Cs

Cm a)

b)

c)

Cs

Cm

▲5-26 Upoređivanje reagovanja punih dijafragmi i onih sa nepovoljnim otvorima b)Torzijom pogođen samo dio pune dijafragme, lijevo od otvora koji nezavisno reaguje c)Translatorno pomjeranje takođe nezavisno i neravnomjerno.

Druga mogućnost (ukoliko nije slučaj otvora za vertikalnu komunikaciju) je da otvor bude ukrućen gredama ili rešetkama(sl.5-27 c).

a)

b)

c)

▲5-27 Moguća rješenja za amortizovanje efekta otvora na dijafragmama.

U principu, u svim slučajevima, treba prihvatiti pristup da se otvori na ploči pozicioniraju pažljivo kako svoijim položajem i dimenzijama ne bi ugrozili prenos sile na vertikalnu konstrukciju.Treba izbjegavati nagle prekide u prenosu sile, dok se otvori preporučuju na mjestima gdje su momenti savijanja i presječne slie manje (sl.5-28).Prekid ravnomjerne ‘distribucije’ odnosno prenosa sila osim otvorima na dijafragmi može se desiti i preko denivelacija ili ‘skokova’ u ravni dijafragme (sl.5-29), što je veoma čest slučaj u projektantskoj praksi. Kao najlogičnije riješenje se nameće pristup ‘lokalne konstrukcije’ tj. da djelovi na različitim nivoima imaju svoju krutu konstrukciju i tako amortizuju sekundarne efekte koje može proizvesti denivelacija. 174

Arhitektonska i konstrukcijska konfiguracija

▲5-42 Fleksibilni sprat - dvospratni armiranobetonski ramovski objekat, “Casa Micasa S.A” Managva, Nikaragva 1972 godine.Obratiti pažnju na “čvorove” na vrhovima stubova prizemlja, kao posljedica razlike u krutosti između prizemlja, koji je u potpunosti ‘otvoren’ i prvog sprata koji je ‘teži’ i krući zahvaljujući zidovima od blokova na fasadi(ali i unutrašnjim pregradama)

▲5-43 Rušenje objekta u zemljotresu u Kobeu 1995 godine.Fotografija lijevo pokazuje paradoksalan slučaj, gdje objekat sa staklenom fasadom nije pretrpio čak ni oštećenja fasade, dok je objekat desno ‘zahvaljući ‘ fleksibilnom spratu potpuno uništen.

183


osjetljiva zona (povecati krutost)

Cm Mt

Cr

▲5-95 Konfiguracija koja proizvodi izražene momente torzije-koncentraciju napona na uglovima objekta(mjesto spajanja ‘krila’).

Zavisno od pravca djelovanja seizmičke sile, ‘krila’ objekta neće sinhrono reagovati, već različito.Seizmička sila koja djeluje u jednom pravcu, na krilu koji se prostire u pravcu djelovanja, prozivešće samo translatorno pomjeranje, dok će u drugom krilu bočna pomjeranja biti izraženija(sl.5-96). Ova razlika u dinamičkom reagovanju dva dijela(ili više) će prouzrokovati koncentraciju napona na mjestu spajanja krila, dok će rezultati seizmičke analize biti manje izvjesni.

a)

b)

c)

▲5-96 Karakteristika reagovanja objekata razuđenih osnova tipa L, U, + je što osim translatornih pomjeranja uvijek trpe i torziju.Zavisno od pravca djelovanja seizmičke sile, dešava se translatorno pomeranje jednog krila i uvrtanje(torzija) drugog.

218

Arhitektonska i konstrukcijska konfiguracija

osnovi i po visni, model za proračun je uprošćen tj.proračun se može vršiti na ravanskom modelu uz uprošćenu modalnu spektralnu analizu. Ako ima neregularnosti po visni i/ili osnovi onda se proračun mora vršiti na prostornom modelu uz multimodalnu sprektralnu analizu. Upravo ovakav pristup problematici neregularnosti je glavni razlog velikog broja propusta prilikom izbora konfiguracije,odnosno lošeg reagovanja u slučaju zemljotresa. Usvojeni princip ‘pokrivanja’ neregularnosti usvajajući napredniju metodu analize, nije najpametniji pristup za riješavanje porblema neregularnosti. Važno je istaći da neregularnosti i nesimetrični oblici nisu ograničavajući faktor za arhitekturu, već naprotiv, treba da se tretiraju kao dodatni podstrek kako za inženjera tako i za arhitektu, sa ciljem da unutar tih neregularnosti “otkriju” odgovarajuću (najbolju moguću) konfiguraciju koja će povoljno reagovati tokom zemljotresa(sl.5-5). Pitanje neregularnosti treba tretirati samo kao “alarm” da objekti koji ne ulaze u okvire regulranih konfiguracija zahtjevaju poseban tretman sa konstrukcijskog aspekta, o čemu će biti riječ u nastavku. Nema nemogućih konfiguracija, ali ima onih koje treba izbjegavati. Šta u stvari treba da sadrži korektna analiza konfiguracije jednog objekta? • Proporcija, odnos visine sa dimenzijama osnove objekta. Što je objekat elegantniji(vitkiji) utoliko su veće mogućnosti prevrtanja objekta ili povećanja napona na obodnim vertikalnim nosećim elementima.U literaturi se mogu naći različite prihvatljive(preporučljive) proporcije objekta, ali opšte pravilo ne postoji. • Osnova objekta treba da bude simetrična Jedan od negativnih efekata nesimetrične osnove objekta je efekat torzije(uvrtanja).Treba istaći da simetrična osnova smanjuje mogućnost torzije, ali ona kao takva nije dovoljna. Naime, preporučuje se da objekat ima identičnu ili približnu istu krutost /otpornost u odnosu na dva ortogonalna pravca djelovanja seizmičke sile.Od posebne važnosti je simetričan i “logičan” raspored konstrukcijskih elemenata, tako da centar 153


a)

b)

c)

▲5-98 Mogućnosti za prevazilaženje problema neregularne konfiguracije[10]

b)

a)

c)

d)

▲5-99 Jedno od rješenja za razuđene osnove je konstrukciona podjela na jednostavnije oblike seizmičkom dilatacijom.Veći broj dilatacija nije praktičan b), stoga treba težiti da se sa jednom dilatacijom postigne zadovoljavajući efekat(c).

5.5 OSNOVNI KONCEPTI U ASEZIMIČKOM PROJEKTOVANJU SLOŽENIH ARHITEKTONSKIH KONFIGURACIJA Uslovljavanje savremene arhitekture i arhitektonskog stvaralaštva uopšte, regularnošću konstrukcije izgleda dosta agresivno sa arhitektonskog aspekta.Naime, veliki broj ograničenja vezano za simetriju i regularnost konstrukcije, mogu biti prepreka i predstavljati indirektni pritisak na sadržaj i suštinu jednog arhitektonskog rješenja. Tim prije što je arhitektura danas takva da na prvi pogled prkosi gotovo svim ‘pravilima’ koje se tiču regularanosti objekata. Neregularne i nestandardane forme su postale standard i imperativ u arhitekturi pa i uslov da jedno arhitektonsko djelo bude svrstano u posljednjim izdanjima literature savremene arhitekture.Dinamičan razvoj nauke i tehnologije otvorio je put neeuklidovskim oblicima koje se danas često sreću kao što su se u prošlosti sretale kupole ili drugi regularni

220


Arhitektura danas, počela trku gdje cilj nije jasan, trku za nemogućim geometrijskim formama i konstrukcijskim konceptima. Savremena arhitektonska razuzdanost, u obliku iskrivljene i osakaćene geometrije, koja se glorifikuje kao nova arhitektura i gdje je jedina funkcija objekta da vizuelno zadivi i začudi slučajne prolaznike, dosta je podpomognuta i podstaknuta novim softverskim mogućnostima za proračun konstrukcija (sl.61).

▲ 6-1 Gradska biblioteka, Siettle, SAD-Rem Koolhaas(2004)/ Diamond Ranch High School, Kalifornija, SAD- Morphosis(1997)

Veoma često se asizmička pravila i uslovi smatraju kao glavni ’krivac’ koji ograničava arhitektonsku slobodu, iako je češće riječ o nepoznavanju fenomena i neiskorišćavanju svih raspoloživih mogućnosti aseizmičkog projektovanja. Postavlja se pitanje da li je arhitektura u seizmički aktivnim područjima drugačija od one u ‘mirnijim’, neaktivnim i koliko zemljotres utiče na arhitektonsko oblikovanje objekata? Da li seizmička pravila kao sto su: obavezna simetričnost i regularnost objekta, pravilan raspored krutosti, utiču da savremena arhitektura u seizmičkim područjima bude drugačija, manje interesantna (atraktivna) ili uzbudljiva? Da li normirani zahtjevi za izgradnju u seizmički aktivnim područjima utiču na kvalitet arhitektonskog izražaja? Postojeća literatura uglavnom je gluva na gore postavljena pitanja. Arhitektura danas predstavlja nešto između umjetnosti, mode i konstrukcije. Sadrži karakteristike raznih disciplina, a iznad svega je raznovrsna.Veoma dinamičan razvoj tehnologije 232


▲ 6-6 Tama Art University Library.Koncept konstrukcije - lukovi raspoređeni po lučnim rasterima.Objekat je seizmički izolovan (vidi poglavlje 4).

▲ 6-7 Reagovanje objekta sa seizmičkom izolacijom.

238


raspoređene na simetričan način, na objektu će se stvoriti debalans u raspodjeli seizmičkih sila, što može rezultirati momentima torzije(uvrtanjem) koji nisu predviđeni proračunom.Pregradni zidovi sprečavaju slobodno pomjeranje okvira, djelujući kao ukrućenje. Okvir se pritiska silama koji se javljaju na dijagonali zidane ispune kao reakcija na inercijalne sile (sl.7-8). Ako okvir nije armiran propisno,sa gusto postavljenim uzengijama, sila pritiska (pritisnuta dijagonala zidane ispune) može prouzrokovati oštećenje okvira, pogotovo u čvorovima, gdje je sila pritiska od zidane ispune više izražena. Ipak, najugroženiji su ugaoni stubovi(stubovi na uglovima objekta), pošto dobijaju silu pritiska sa obije strane, od dvije međusobno ortogonalne zidane ispune. Za praktične analize može se uzeti da je krutost ispune od 5 - 10 puta veća od krutosti okvira[2].

pri

pri

a)

tisn

tisn

uta

uta

dij ago na la

dij ago na la

b)

▲7-8. a) Pritisnuta dijagonala kojom ispuna djeluju na okvir b) Statička šema gdje efekat zidane ispune zamjenjen dijagonalnim štapom / Zidana ispuna teško oštetila stubove - zemljotres Adana-Ceyhan, Turska 1998 godine.

260


Poseban slučaj je kada se pregradni zidovi zbog raznih otvora(npr.prozor) moraju prekinuti na određenoj visini. Ovaj prekid će prouzrokovati dodatne napone na stubovima u vidu presječnih sila znatno povećanih u odnosu na proračunate (sl.714).Ova situacija postaje jako opasna ako se ne preduzmu mjere bilo na korektnom armiranju stubova ili na izolaciji pregrade od noseće konstrukcije(sl.7-16,7-17).

▲7-14 Efekat skraćenih zidova na noseću konstrukciju(stubove).

a)

b)

▲7-15 Šematski prikaz djelovanja skraćenih zidova a) Djelovanje sile pritiska na skraćenom dijelu stuba - povećane presječne sile b) Efekat skraćenog zida i kod pune ispune gdje posle pada nosivosti(posle pojave prvih oštećenja) pritisnuta dijaganala može da djeluje kao kod skraćenog zida.

264

Seizmička sanacija i ojačanje postojećih objekata

cept sanacije temelja isto kao i kod ostalih nosećih elemenata, je povećanje njegovih dimenzija.Tako, kod temelja samaca i temeljnih greda vrši se povećanje širine naleganja i/ili povećanje visine, dok kod temeljnih ploča se povećava njena debljina dodavanjem novog AB sloja.

a)

b)

c)

▲8-18 Ojačanje temelja a) Samca b) Trakastih c) Ploče A

B 385

D

C 500

500

E 385

400

3

400

2

A 1

novi elementi za ojacanje postojeci elementi

DETALJ A

a) b)

▲8-19 Seizmička sancija četvorospratne zgrade gdje je okvirni sistem bio nedovoljan za prenos seizmičkog opterećenja.Koncept sanacije -dodavanje AB zidova za ukrućenje sa odgovarajućim temeljima

297


jom.Kod obmotavanje stubova FRP tkaninom, vlakna pružaju otpor poprečnim deformacijama stuba, zatežući se. Koncept ojačanja stubova sastoji se u tome da obmotavanje FRP tkaninom indukuje troosno naprezanje u betonu čime se znatno povećava nosivost i duktilnost elementa.Kod stubova pravougaonih dimenzija, uglove treba otupiti(poravnati) zbog bolje veze tkanine.

▲8-29 Koncept ojačanja stuba-obmotavanje FRP tkaninom indukuje troosno naprezanje u betonu, čime se povećava nosivost i duktilnost elementa.

▲8-30 Snacija stuba CFRP tkaninom

8.9 SEZIMIČKA SANACIJA SPOMENIKA KULTURE

Sanacija spomenika kulture predstavlja jedan od rijetkih slučajeva gdje se na projektu udružuju arhitekte, konstruktori,istoričari,restauratori i arheolozi. Spomenici kulture ili objekti od posebne istorijske i kulturne važnosti kao fizički dokaz tradicije i kulture jednog podneblja, naroda i vremena, nas obavezuju da prema njima imamo poseban odnos, da ih tretiramo 304

ASEIZMICKO PROJEKTOVANJE I ARHITEKTURA

Recommend Documents