تأثير
اشكال مساقط الابنية على استجابتها لاهتزازالرياح
مقدمة :
تطوير أشكال معمارية جديدة وأنظمة هيكلية مرنة للمباني
الخاضعة لفعل الرياح . من اجل أداء مرغوب فيه لهذه المباني ، نحن بحاجة إلى فهم
أفضل للتفاعل بين البناء والرياح . تصنف المنشات على أنها صلبة ومرنة. تقدم هذه
الورقة دراسة مقارنة لتأثير الرياح على المساقط
ذات الأشكال غير المنتظمة المختلفة مثل I ، C ، T و. L
وان أهمية
هذا العمل هو تقدير الحمولة التصميمية للهيكل الخاضع للرياح في منطقة معينة. حمولة
الرياح تقدر على أساس سرعة الرياح الأساسية وعوامل أخرى كنوع من التضاريس ،
والتضاريس ، واستخدام المبنى وعامل الخطر لها في تلك المنطقة بالذات.
يتناول
التحقيق الحالي حساب أحمال الرياح للإطار الهيكلي مع أشكال مسقط مختلفة وتقارن النتائج فيما يتعلق الانحرافات
المسموح بها للمباني الفردية. في هذا التحليل تبين أن كمية الانحراف تغيرت بشكل
كبير فيما يتعلق بشكل المنشأ . ووجد أيضا
أن حمل الرياح على المبنى هو الحد الأقصى عندما يملك المبنى أقصى منطقة تعرض .
النصائح الاخيرة في تطوير مواد عالية المقاومة
إلى جانب الطرق الحسابية وإجراءات التصميم الأكثر تقدما أسفرت عن جيل
جديد من المباني العالية النحيلة والخفيفة. هذه المباني حساسة جدا للأحمال
الديناميكية المشتركة مثل الرياح والزلازل . انه من الضروري معالجة مسألة الخدمة ،
مثل راحة الإنسان وسلامة المكونات الهيكلية خلال الرياح القوية. أثناء تصميم المباني
الشاهقة ، ويشير المصممين إلى الكودات /
المعايير ذات الصلة لاختيار معاملات ضغط الرياح ومعاملات قوة الرياح . الكود
الهندي: IS: 875 (part-3)-1987 يعطي معاملات الضغط التصميمي ومعاملات قوة الرياح للمباني التي لها
اختلاف في النسب الجانبية والارتفاع ، لكن هذا الكود يبقى صامتًا حول معاملات
الضغط على نموذج المسقط النموذجي للمباني مثل L و C و T و
I الهدف من
الدراسة الحالية هو دراسة تأثيرات الرياح على منشأ طويل وفق الأشكال الهندسية المختلفة لمساقط مبنى طويل من اجل نفس البارامترات . جميع المباني العالية بترتيب
مسقط مختلف تم نمذجتها في برنامج الـ E Tabs ثم تم تنفيذ الدراسة المقارنة.
اهمية حمولات الرياح على المباني العالية :
الرياح هي
ظاهرة معقدة جدا بسبب العديد من حالات التدفق الناشئة عن تفاعل الرياح مع المنشات .
تتكون الرياح من العديد من الدوامات ذات الأحجام المختلفة و الخصائص الدورانية
الموجودة في دفق عام من الهواء يتحرك نسبة إلى سطح الأرض . هذه الدوامات تعطي
الرياح طبيعتها العاصفة أو المضطربة . غموت الرياح القوية في المستويات الدنيا من
الغلاف الجوي إلى حد كبير ينشأ من التفاعل مع اثاثات السطح . متوسط سرعة الرياح
على مدى فترة زمنية من ترتيب عشرة دقائق أو أكثر تميل إلى الزيادة مع الارتفاع ،
في حين أن الغمامة تميل إلى الانخفاض مع الارتفاع.
تأثيرات
حمولة الرياح :
قوة الرياح المتوسطة المتمثلة على المبنى . هذا
يعني ان قوة الرياح مشتقة من متوسط سرعة الرياح و قوة تردد الرياح التي ينتجها حقل
تدفق التردد . تأثير تذبذب قوة الرياح على بناء أو جزء منه يعتمد ليس فقط على
خصائص قوة الرياح المتقلبة ولكن أيضا على حجم وخصائص الاهتزاز للمبنى أو جزء منه. لذلك ، من
أجل تقديرحمولة الرياح التصميمية ، من الضروري تقييم خصائص تذبذب قوى الرياح
والخصائص الديناميكية للبناء. العوامل التي تعتبر عموما في تحديد قوة الرياح
المتقلبة هي:
1) - اضطراب
الرياح (التقلب الزمني والمكاني للرياح).
2) - توليد
دوامات خلف البناء .
3) - التفاعل بين اهتزاز المبنى وتدفق الهواء المحيط لمعظم المباني ، وتأثير
تقلب قوة الرياح الناتجة عن اضطراب الرياح هي الغالبة. في هذه الحالة ، تحميل
الرياح الأفقي على الاطارات الهيكلية على طول اتجاه الرياح مهم . ومع ذلك ،
بالنسبة للمباني المرنة نسبيًا ذات نسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة ، لا ينبغي
تجاهل أحمال الرياح العرضية واتجاهات الفتل على الأطارات الهيكلية .
الهدف من الدراسة :
1 - دراسة
سلوك المنشات العالية عند تعرضها لأحمال الرياح .
2- دراسة تأثير شكل المبنى في المخطط على سلوك المنشأ
.
3- لتحديد
تأثير حمل الرياح على مختلف البارامترات مثل انزياح الطوابق ، والانتقال الجانبي في المبنى .
نطاق الدراسة المقدمة :
نطاق الدراسة المقدمة :
يشمل نطاق العمل المقدم تقدير حمل الرياح
على المباني العالية الغرض من التصميم الهيكلي مع النهج التحليلي في الكود IS 875: part
3-1987: وتحليل المبنى وقد تم ذلك
باستخدام برنامج الـ E tabs وتم تحليل الأداء عن طريق تغيير شكل المنشأ. الأشكال المختلفة للمبنى
المدروس كانت :
أ) الشكل L
ب) الشكل C
ج) الشكل I
د) الشكل T
- IV بارامترات المبنى :
1-
كانت حالات المبنى المختلفة التي تم تحليلها كما
يلي :
أ)- مبنى مكون من ارضي + 11 طابقًا على شكل حرف L . شكل ( 1)
ب) - مبنى مكون من ارضي + 11 طابقًا على شكل حرف C . شكل
( 2)
ج) - مبنى مكون من ارضي + 11 طابقًا على شكل حرف I . شكل ( 3 )
د) - مبنى مكون من ارضي + 11 طابقًا على شكل حرف T . شكل (4 )
كانت البارامترات المختلفة المعتمدة للأبنية كما يلي:
الارتفاع الإجمالي
= 34.5 م مقاسات الشبكة = 4 م
× 4 م
مقاسات
الأعمدة = 450 ملم × 450 ملم مقاسات الجائز في كل طابق = 200 مم × 600 مم سمك البلاطة
= 150 ملم درجة الخرسانة للأعمدة M30=
درجة الخرسانة للكمرات M20 = درجة الصلب Fe500
ويفترض أن تكون جميع المساند وثاقات ثابتة.
الشكل (1 ) مسقط ومجسم مبنى شكل L
الشكل (1 ) مسقط ومجسم مبنى شكل L
الشكل (2 ) مسقط ومجسم مبنى شكل C
الشكل (3 ) مسقط ومجسم مبنى شكل
I
الشكل (4 ) مسقط ومجسم مبنى شكل
T
الحمولات المعتبرة :
i - الأحمال الميتة : تم أخذ
أحمال الكمرات والأعمدة في الحسبان من خلال البرنامج E tabs.
ii - الحمل الحي : تم أخذ الأحمال الحية على شكل
3.00 كيلو نيوتن / م 2 في جميع الطوابق .
iii- الحمولة الميتة السوبر : الحمولة الميتة
السوبرحسبت وطبقت على بلاطات وكمرات أي SDL = 9KN / m2.
حساب حمولة الرياح على أساس أحكام Codal :
بالنسبة إلى جميع المباني
ذات بارامترات الأشكال المختلفة التي تم أخذها بعين الاعتبار ، فهي متشابهة في
الإطار الهيكلي .
تم تحليل النماذج في البرنامج
E
tabs لمنطقة Pune .
البارامترات المستخدمة في
تحليل الرياح هي كما يلي :
فئة التضارس : III
فئة المنشأ : B
سرعة الرياح الأساسية ، m/s Vb= 39
الشكل – L :
طول المسقط = 34.5 m عرض المسقط = 34.5 m عرض الواجهه = 34.5 m عمق الواجهه = 34.5 m k1 = 1 ؛ k3 = 1
m/s Vb=
39
Vz = Vb x k1 x k2 x k3
Cf = 1.25
الشكل C - :
طول المسقط = 33m عرض المسقط = 22.5 m عرض الواجهه = 33 m عمق الواجهه = 34.5 m k1 = 1 ؛ k3 = 1
m/s Vb= 39
Vz = Vb x k1 x k2 x k3
Cf = 1.25
الشكل I - :
طول المسقط = 24m عرض المسقط = 26 m عرض الواجهه = 24 m عمق الواجهه = 34.5 m k1 = 1 ؛ k3 = 1
m/s Vb= 39
Vz = Vb x k1 x k2 x k3
Cf = 1.23
الشكل T - :
طول المسقط = 34m عرض المسقط = 10 m عرض الواجهه = 24 m عمق الواجهه = 34.5 m k1 = 1 ؛ k3 = 1
m/s Vb= 39
Vz = Vb x k1 x k2 x k3
Cf = 1.23
تراكيب الحمولات :
تم اعتبار تراكب التحميل وفقًا للكود IS
875(part 5) .
الجدول I : قوى الرياح عند ارتفاع مختلف للمبنى بالكيلونيوتن Vb = 39 m / s
T SHAPE
|
C SHAPE
|
I SHAPE
|
L SHAPE
|
HEIGHT
|
44.33
|
44.9
|
31.29
|
42.06
|
STOREY 1
|
88.66
|
89.98
|
62.59
|
84.12
|
STOREY2
|
88.66
|
89.98
|
62.59
|
84.12
|
STOREY3
|
89.03
|
90.34
|
62.84
|
84.46
|
STOREY4
|
93.64
|
95.02
|
66.1
|
88.83
|
STOREY5
|
100.75
|
102.34
|
71.12
|
95.59
|
STOREY6
|
106.4
|
107.97
|
75.1
|
100.94
|
STOREY7
|
110.99
|
112.63
|
78.35
|
105.3
|
STOREY8
|
114.5
|
113.19
|
80.82
|
108.63
|
|
117.96
|
119.7
|
83.27
|
111.91
|
STOREY10
|
121.23
|
123.03
|
85.58
|
115.02
|
STOREY11
|
61.44
|
62.35
|
43.37
|
58.29
|
TERRACE
|
النتائج والمناقشة :
تمت مناقشة سلوك المباني المختلفة عند تعرضها
لأحمال الرياح من حيث :
أ- تأثير شكل المبنى
على انحرافات الطوابق:
تمت مقارنة انحرافات الطوابق للمباني اشكال L و C و I وقورنت في الجدول II .
الجدول II الانحرافات الطابقية عند ارتفاعات مختلفة
بالمتر .
Vb=39m/s
|
STOREY
|
||||||
% Decrease
|
I
|
% Decrease
|
C
|
% Decrease
|
L
|
T
|
|
66.34
|
0.105
|
53.20
|
0.146
|
30.12
|
0.218
|
0.312
|
STOREY 1
|
58.17
|
0.294
|
41.82
|
0.409
|
13.08
|
0.611
|
0.703
|
STOREY2
|
59.74
|
0.316
|
42.16
|
0.454
|
11.33
|
0.696
|
0.785
|
STOREY3
|
60.89
|
0.298
|
43.17
|
0.433
|
11.54
|
0.674
|
0.762
|
STOREY4
|
61.59
|
0.275
|
44.13
|
0.4
|
11.73
|
0.632
|
0.716
|
STOREY5
|
62.42
|
0.248
|
45
|
0.363
|
12.12
|
0.58
|
0.66
|
STOREY6
|
63.19
|
0.219
|
45.88
|
0.322
|
12.43
|
0.521
|
0.595
|
STOREY7
|
64.05
|
0.188
|
47.22
|
0.276
|
13.00
|
0.455
|
0.523
|
STOREY8
|
65.31
|
0.154
|
48.64
|
0.228
|
13.28
|
0.385
|
0.444
|
STOREY9
|
67.03
|
0.119
|
50.69
|
0.178
|
13.85
|
0.311
|
0.361
|
STOREY10
|
69.92
|
0.083
|
53.62
|
0.128
|
14.49
|
0.236
|
0.276
|
STOREY11
|
74.5
|
0.051
|
58.5
|
0.083
|
15.5
|
0.169
|
0.2
|
TERRACE
|
يعتبر
الانزياح الطابقي أقل ما يمكن بمقارنته بالانزياح الطابقي
المتوسط ، بمعنى أنه للمبنى شكل T يكون ( 0.2 ملم) ، وفي بناء على شكل حرف L هو ( 0.169 ملم) ، وفي بناء على شكل C هو ( 0.083ملم) وفي بناء على شكل I هو (0.051 ملم ) . النسبة المئوية
للتخفيض في الانحراف في ذروة الطوابق في المبنى على شكل L هي 15.5٪ ، وبناء على شكل C هي 58.5٪ وفي المبنى I هي 74.5٪ بالمقارنة مع الانحراف
الذروي في مبنى T. من الشكل ( 6 ) من الواضح أن الانحراف الطابقي تنخفض مع زيادة
عدد جوانب المبنى مع نفس صلابة العمود ومقاس الشبكة بسبب الانقاص في المنطقة الفعالة
(Ae)
لحمل الرياح المطبق .
ب- تأثير شكل البناء على الانتقال الجانبي :
الجدول III –
مقارنة الانتقالات الجانبية بالمتر
Vb=39m/s
|
STOREY
|
||||||
% Decrease
|
I
|
% Decrease
|
C
|
% Decrease
|
L
|
T
|
|
60
|
0.2
|
60
|
0.2
|
40
|
0.3
|
0.5
|
STOREY 1
|
61.5
|
1
|
46.1
|
1.4
|
15
|
2.2
|
2.6
|
STOREY2
|
59.1
|
2
|
42.8
|
2.8
|
14
|
4.2
|
4.9
|
STOREY3
|
59.72
|
2.9
|
43.05
|
4.1
|
14
|
6.2
|
7.2
|
STOREY4
|
60.6
|
3.7
|
43.61
|
5.3
|
13.8
|
8.1
|
9.4
|
STOREY5
|
60.5
|
4.5
|
43.8
|
6.4
|
14.03
|
9.8
|
11.4
|
STOREY6
|
61.0
|
5.1
|
43.5
|
7.4
|
13
|
11.4
|
13.1
|
STOREY7
|
61.2
|
5.7
|
44.2
|
8.2
|
13.6
|
12.7
|
14.7
|
STOREY8
|
61.8
|
6.1
|
44.37
|
8.9
|
13.75
|
13.8
|
16
|
STOREY9
|
61.9
|
6.5
|
45.0
|
9.4
|
14.0
|
14.7
|
17.1
|
STOREY10
|
62.5
|
6.7
|
45.25
|
9.8
|
14
|
15.4
|
17.9
|
STOREY11
|
62.7
|
6.9
|
45
|
10
|
14.5
|
15.8
|
18.5
|
TERRACE
|
تمت
مقارنة الانتقال الجانبي في الابنية اشكال L ، C ، T و I بارتفاعات
مختلفة في
الجدول III . من النتائج ، لوحظ أنه مع التغيير في شكل بناء من T إلى I ، و
الانتقال
الجانبي للمبنى يتناقص .
انه الحد الأدنى في معظم الجزء السفلي ويزداد مع ارتفاع المبنى والحد الأقصى عند قمة المبنى .
يؤثر الشكل على انتقال نقطة من المنشأ . نقطة
إزاحة لمبنى على شكل T أكثر
بالمقارنة مع شكل المباني L ، C و I. انتقال النقطة في حالة بناء شكل T هو (18.5
ملم ) ، و للمبنى شكل L هو (15.8 ملم) ، اما بالنسبة للمبنى شكل C فهو (10 ملم ) وللمبنى شكل I هو (6.9 ملم ) .
مبنى مكون
من طابق ارضي + 11 طابقًا يتكون بأشكال
مختلفةT و L و C و I ، وله نفس البارامترات مع صلابة
متساوية للأعمدة في كل طابق قد تم تحليله .
Ü مع
التغيير في شكل البناء من T إلى I ، الانزياح الطابقي والانتقالات الجانبية للمبنى تتناقص .
Ü النسبة المئوية للانخفاض في الانزياح الطابقي عند ذروة المبنى على شكل L هي (15٪ )، وفي المبنى على شكل C هو ( 58.6٪ ) و في المبنى على شكل I هو( 74.5٪ ) بالمقارنة مع الانزياح عند
ذروة المبنى على شكل T .
Ü استنادا إلى النتائج المذكورة أعلاه ، استنتج أن شكل الهيكل يلعب دورا
هاما في مقاومة احمال الرياح . المبنى على شكل I يملك انزياحات طابقية أقل ، وانتقالات جانبية أقل في النقاط المقارنة في المباني
اشكال T و L و . C
Ü من المناقشة المذكورة أعلاه ، يمكن الاستنتاج أنه مع زيادة السرعة ، فان
الانزياح الطابقي والانتقال الطابقي يزداد
أيضا.
Ü لقد لوحظ
أن الانتقال والانزياح في الطوابق في المباني ذات الشكل T و C و L أكثر من المبنى شكل I . قد يرجع ذلك إلى عدم التماثل في المباني من الشكل T و C و L .
Ü هذا يرجع إلى ان المسافة من النقطة الخارجية للمبنى الى(CG نقطة مركز ثقل المبنى )هي اكبر في حالة نوع المساقط T و C و L من المسقط I .
