Skyscrapers'ın Yapısal Analizindeki Torsion rolü

Giriş: Unseen Kuvvetler Süpertall Yapıları

Daha yüksek inşa etme yarışı, yapısal mühendisliği olağanüstü bir bölgeye itti. Skyscrapers şimdi rutin olarak 300 metreyi aştı, 800 metrenin ötesindeki en yüksek binayı rotasyonel yüklere, daha sonra rüzgar baskılarına ve sismik zemin hareketlerine karşı koymak zorundadır.

Bir gökler yük altında, sütunlar, kirişler ve bina deneyiminin karşı tarafları, bu nedenle modern yapısal mühendislerin sayısal simülasyonlara güvendiği bir savaş etkisi yaratır.Bu, yerel stresleri önemli ölçüde anlaması ve özellikle de temel düzeydeki farkları anlamak için temel bir gerekliliktir. Geleneksel iki boyutlu analiz yöntemleri, bu üç boyutlu davranışları ele almak için, bu üç boyutlu mühendislerin neden sayısal simülasyonlara güvendiği bir tasarıma sahip olmasıdır.

Hesaplamalı mekanik ve sensör teknolojisindeki son gelişmeler, yüksek sadakatle ilgili mühendislere daha önce görülmemiş bir şekilde bilgi verdi. Gerçek zamanlı izleme sistemleri süpertall göklericralar şimdi rotasyonel hızlar ve angular yer değiştirmeleri ve rüzgar fırtınaları ve sismik olaylar sırasındaki değişiklikler.Bu ölçümler, yüksek sadakatle, sonlu elemanlar modelleriyle birlikte, yapısal sistemlerini doğrulamaya izin veriyor: pratik etkiler artık daha iyi malzeme maliyetleri azaltıyor ve gelişmiş yolcu konforları, daha düşük betonarüyor.

Yapılarda Torsion'ı Anlamak

Bir yapısal bağlamdaki Torsion, bir üye veya sistem uzun süredir kararsızlığı ile ilgili bir an için meydana gelen deformasyona işaret eder.Bir göksel eksen için, uzunlamasına eksen hattının dikey merkezi, dış güçler bu eksen hakkında bir rotasyonel dengesizlik yaratırken, bina bu eksende bir hareketle ilgili bir aksanç deneyimi ortaya çıkabilir.Bu bükülme büyüklüğü eksantriklik vedash; uygulanan kuvvet ve bina merkezi arasındaki yatay mesafe, uygulanan bir kuvvetle büyük bir fırtınaya bağlı olarak büyük bir depremsel dengesizlik yaratabilir.

Uygulamalı tork arasındaki temel ilişki ve yollama yapının torsional dezenfeksiyonu tarafından yönetilir.Bir göksel olarak, torsional sertlik öncelikle bina çekirdeği vemda bulunan bir beton veya çelik tüpün sabit bir şekilde yer aldığı, sabit bir zemin ve simetrik bir perimeter çerçevenin yüksek toleksiyonel dirençe sahip olacaktır; ve binadaki sertlik unsurların dağılımı, katın sabit olmayan bir yapıya nasıl tepki vereceğini kontrol eder.

Yüksek binalarda iki tür torsiyonel etki ayırt etmek önemlidir. İlki statik torsion, bu da sürekli devlet rüzgar yüklerinden veya kalıcı mimari asimetçilerden gelen, zamanla ortaya çıkan dinamik torksiyondur, ki bu da rüzgar boşlukları, vortex hedding veya sismik zemin hareketi gibi gelişmiştir.

Skyscrapers'ta Torsion'ın Kaynağı

Gökyüzündeki Torsional güçler birden fazla fiziksel mekanizmadan kaynaklanıyor, her biri tasarım sürecinde dikkatli bir şekilde dikkat çekiyor.En önemli kaynak genellikle rüzgar yüklemesi. Rüzgar, binanın eğimli bir şekilde-dakış merkezi ile grev yapmaz; bu eksantriklik, binadaki yükseklikler, rüzgarın büyüklüğüne bağlı olarak, bina yüzeyinin üzerinde süreklilik ve eğimli kuvvet basıncın boyutunun çökmesine bağlı olarak bir toplanıyor.

Seismic yükleme, torsional excitation'in başka bir büyük kaynağını temsil eder. Bir deprem sırasında, zemin hareketi aynı anda üç veyatogonal yönlerde meydana gelir.Işık zemin hızları binadaki kütlenin merkezinde hareket eden daha sonra sabit binalar üretir.Eğer kütle merkezi sertliği ve asimetrik bir yapıda mevcut olan kuvvetlerle çakışıyorsa, bu fenomenin çoğu zaman, 1995 yılında da yüksek oranda darbecilere yol açıyor.

Modern tasarım trendleri tarafından getirilen mimari asimetrik yapılar, sabit bir zemin plakaları, sabit bina formları ve gökyüzü bahçeleri, tüm meydan okuma yapıcı cevaplarını önlemek için dikkatli bir ayar oluşturmak için tasarlanmıştır. Örneğin, Santiago Calatrava ve Zahad gibi mimarlar tarafından popülerleşen bir adım attı.

Binanın etkileri boyunca yolcu ve ekipman dağıtılır. Bir veri merkezi bir zemin plakanın bir tarafında yoğunlaşır, tasarım sırasında bu canlı dağıtımları açık bir şekilde hesaba katmalıdır, genellikle ağır ekipman veya binanın bir tarafında kütleyi katılığa dönüştürebilir.Bu sözde kütle eksantrikliği, torsional kuvvetlerin bir tarafını birleştirmelidir.

Yapısal Davranışlarda İşkence Manifests

Bir göksel yükleme deneyimlerinden dolayı, binanın cevabı her kat seviyesindeki rotasyon açısı ile tanımlanabilir. rotasyon açısı yüksekliğe göre değişir, genellikle üstteki sıfırdan yukarı doğru yükselir.Bu rotasyon boyunca bu rotasyonun değişmesi hızlanır ve yatay sistemlerde gelişen hear susturmaları ve dikey elementleri belirler.

Torsion tarafından etkilenen yapısal elementler, bina çevresinin sütunu olandır ve rotasyon merkezine çok uzak duvarlar merkezinden uzak durmalıdır.Bu tür sütunlar, merkezin öngördüğünden daha yüksek olmalıdır. Verilen bir rotasyon açısı için, bina merkezinden 30 metre uzaklıktaki bir sütun, yüksek güçlü malzemelerden sadece 10 metre uzaktaki özel bağlantı sütunları gerektirdiğinden daha yüksek bir şekilde hareket eder.

Kat Diamantik yanıtlarda kritik bir rol de oynayabilir.Arap, metal zemin ve beton dolum ile donatılmış binalarda, dikey elementler arasında genel olarak sertleştirici sertliklere izin vermek için yeterince sert olmalıdır.Modern tasarım uygulamaları ile ilgili açık havale modellemesi, özellikle de düzensiz planlarla veya önemli re-ent köşelerle binaları yakalamak için.

Torsion'ın yapısal bütünlüğü ve Occupant Comfort üzerindeki Etkileri

Aşırı çözünürlükte torsional deformasyonlar, birkaç farklı yapısal hasara neden olabilir. En acil endişe bina çerçevesinde aşırıdır.Bir bina bükülmesi, sütunlar ve kirişler bir araya geldiğinde, dayanıklılık ve daha sonra yükleyen güçler oluşturabilir.Bu ek güçler malzemenin güçlü kuvvetlerini geçebilir, kalıcı deformasyona yol açabilir, ağırlama, ağır yapılara, torsional çatlaklarda çatlakları veya çatlakları başlatabilir.

Torsion'ın bir diğer kritik etkisi, yerelleştirilmiş yapısal hasar ve istikrarsızlığa neden olan zararlar için potansiyeldir. 2010 yılında iki yüksek bina birbirine yakın inşa edildiğinde, torsional sway, bazı kısmi çökertmelere yol açan minimum mesafeleri gerektirdiğinden emin olabilir. Bu tür çarpışmalardan gelen etki güçleri büyük olabilir, ancak bu hesaplamalar, sabit bir şekilde tepkinin doğru modeline bağlıdır.

Occupant rahatlık da doğrudan torsional hareketlerinden etkilenmektedir. İnsanlar hem lineer hızlandırıcı (önemli sway) hem de rotasyonel hız (veya eğimli sway) ile karakterize edilirler, çünkü yolcuların düşük frekanslı aralıklarda normal olarak yüksek çözünürlükte, özellikle de yüksek bina titreşimleri için düşük frekanslarda bir artış gösteren yüksek çözünürlükte bir sistemli sistemlerde geçiş yapabilmeleri gerekir.

Analiz ve Analiz Yöntemleri Torsional Response

Gökyüzündeki torsion analizi (FEA) yazılım, ETABS, SAP2000 veya DIANA gibi, mühendislerden gelen rüzgar tünel testlerini ve sismik yükleri yanıt spektrum analizlerinden veya zaman-history simülasyonlarından elde eden tam bir resim uygulamalarına izin verir.

Analiz sürecinde kritik bir adım, bina kodu tanımlarına göre torsional düzensizliği değerlendirmesidir. ASCE 7 standart, torsional düzensizliği, her kat için bu oranları hesaplamak için (tahmini dahil) 1.2 kat daha fazla zaman bina sonundaki ortalama hikayeyi belirlemek için uygular.Bu oran 1.4'i aştığında, düzensizliği aşırı derecede sınıflandırılır, ek tasarım gereksinimlerine yol açar ve genellikle bu kayma oranları hesaplar.

Rüzgar tüneli testleri, süpertall binalarında torsional yükleri değerlendirmek için altın standardıdır. Binanın fiziksel bir ölçek modeli ve çevresi inşa edilir ve binadaki atmosferik rüzgar tünelinin bir anda inşa edilir, binadaki atmosferdeki basınç bağlantıları, model yüzey ölçümlerinde dağıtılan basınç dokunuşları, torsional momenti dahil olmak üzere toplam kuvvetler ve anların hesaplanmış olması için kullanılır. Yüksek frekanslı hız ölçümleri için temel torsional momentleri doğrudan okuma sağlar.

Seismic analizi torsion için farklı bir yaklaşım gerektirir. Cevap spektrum analizi, üç boyutlu model kitle eksantrikliği içeriyorsa ve analiz, üç boyutlu deprem giriş ile tam üç boyutlu analizleri dikkate alır. Ancak çoğu bina kodları, her iki veyatogonal yöndeki değişiklikleri kitle ve sertlik dağılımında belirsizliği dikkate almak için en az 5 olası davranışı yakalamak gerekir.

Torsion Control ve Mitigation için tasarım stratejileri

Bu, sabit binalar için, her kat seviyesindeki sabit binalar için, betonun geometrik merkezine ve düzgün bir şekilde dağıtılarak yapılabilmesi için, sabit binalara ve katılığa yönelik en etkili stratejidir.For false building ways, dengenin merkezi her kat seviyesinde mümkün olduğunca yakındır.For false bina şekilleri için, bu, yüksek çözünürlükte, daha ağır veya yapısal olarak karmaşık bir şekilde karmaşıktır.

Mükemmel simetri mümkün değildir ve sürekli olarak modern mimarlık vedash'tadır; mühendisler binadaki çarpıklığı artırmak için belirli yapısal sistemler kullanırlar.En yaygın yaklaşım yüksek riskli bir merkez oluşturmak, üst düzeye çıkan bir toplanlama oluşturmaktır.In Burj Khalifa, birden çok katlanarak sertliğe sahip olan sertliğe ulaşır, aşırılıklara karşı aşırılık sağlar.

Bir diğer etkili torsional kontrol stratejisi, her iki bükmeye ve torsiona karşı direnen sert bir tüpdür.Geçmiş boru tasarımı, Chicago'daki Frederick Tower'ın dağınıklığı artırmak ve çok uzun binalar için özellikle etkilidir, çünkü binadaki yapısal malzemenin çoğunluğu yer alır.

Tuned kitle demper (TMD) binadaki çarpık hareketlerin kontrolü için tamamlayıcı bir çözüm sağlar, özellikle de yolcu konforu için. TMD, ziyaretçilere görünür olan ve binanın doğal frekansına uygun olan büyük bir kitleden oluşur. TMD'nin eylemleri genellikle hareketsizliğinin kontrolünü ele alır ve ayrıca konumlandırılması için tasarlanmıştır.

Viscoelastic damper ve sürtünme demper daha fazla torsional kontrolü teklif ediyor. Bu cihazlar, mevcut binalarda yeterli torsional hear deformasyonları olduğu yerlerde inşa çerçeveye entegre edilebilir, ancak temel duvarları veya aşırılamaları da rahatsız edici veya pratik olarak azaltacaktır.

Torsional Design

Hong Kong'daki Çin Kulesi, 1990 yılında tamamlanan ve mimari formların toparlama sistemini yönetmek için nasıl kullanılabileceğini gösteriyor. Binanın yüzüncü, triangular geometrisi sadece estetik değil; rüzgarın sıkıştırılmış torpidoların keskin köşelerini ortadan kaldırarak, silâhlı bir şekilde boyandığını göstermek için ilk kez ortaya çıktı.

Malmö'deki Dönü Torso, İsveç, bu güçleri dikkatli bir şekilde karşılamak için mimari toparlama konseptini alır ve birçok seviyede dışsal bir beton ile yapısal bir temel kullanır. Bina, eğimli talepler ile bile yapısal olarak uygulanabilir olduğunu gösterir, ancak yapısal sistem, bu güçleri dikkatli bir şekilde ayrıntılı olarak ele almak için tasarlanmıştır.

Shanghai Tower, 2015 yılında tamamlanmış olan bir moda formu, her mekanik zemindeki rüzgar yüklerini bir prismatik şekline kıyasla yüzde 24 azaltan bir parça ile donatılmıştır. Sonuç, binanın programlama ihtiyaçlarını karşılamak için geometrik merkezden gelen dramatik bir tablodur, ancak her bir mekanik zemindeki ikincil yapısal bir yapı, kütle ile sertliği birleştiren bir binadır.

Sonuç: Torsional Engineering'in Sürekli Evrimi

Gökyüzün yapısal analizinde torsion rolü, temel tasarım sürücüsüne ikincil bir göz önünde bulundurularak gelişti. Bina yükseklikleri artırmak ve mimari formlar daha hırslı hale gelmeye devam ediyor, tahmin etme yeteneği, kontrol ve torsional yanıt, yapısal mühendisler için belirleyici bir meydan okuma olarak kalacaktır.

İleriye bakıldığında, yapay zeka ve makine öğreniminin yapısal tasarım optimizasyonuna entegrasyonu, ultra yüksek performanslı beton ve form-memory alaşımlarının geliştirilmesi dahil olmak üzere, gerçek zamanlı olarak yük koşullarını en aza indirmek için yeni olanaklar sunabilir.

Uygulamalı yapısal mühendisi için, ders açık kalır: torsion, ilham veren ve dayanabilen ikonik gökler için temele sahip değildir.En erken şematik tasarım aşamalarından nihai inşaat dokümantasyonlarına kadar ele alınmalıdır. Dikkatli bilgisayar modelleme ve fiziksel testlerle birlikte, yüksek bina tasarımında mümkün olan sınırları zorlamaya devam eder.