04_Burj Khalifa

1VISOKE GRAEVINE, prof.dr.sc. Zlatko avor

ARHITEKTONSKI FAKULTETSVEUILITA U ZAGREBUInenjerske konstrukcije

Burj Khalifa DubaiBank of China Hong Kong

VISOKE GRAEVINE, prof.dr.sc. Zlatko avor

Prema:

Baker, W. et al: The Structural Design of the World's Tallest Structure: The Burj Dubai Tower, Proceedings of the IABSE Symposium Creating and Renewing Urban Structures, Chicago, 2008, 1-8.

2. Irwin, P.A. et al: The BURJ DUBAI TOWER Wind Tunnel Testing of Claddingand Pedestrian Level, STRUCTURE magazine, November 2006, 47-51.


ARHITEKTONSKI DIZAJNUtjecaj tradicionalne gradnje, iljasti lukovi, kupole oblika luka, iljci (spires), pustinjski cvijet sa sredinjom strukturom i laticama rezultirao je tri-aksijalnom geometrijom sa spiralnim smanjenjem s visinom.

Toranj je u tlocrtu Y-oblika. Kako se penje u visinu krila se povlae prema sredinjoj jezgri u spiralnom uzorku, koji naglaava visinu, sve dok ne dosegnu sredinju jezgru, odakle se sredinja jezgra skida i otkriva jedan iljak.


ARHITEKTONSKI DIZAJN

Y-oblik je idealan za stanovanje i hotele sa krilima koja omoguavaju maksimalne poglede na okolinu i istovremeno unutarnje prirodno osvjetljenje, a privatnost je sauvana.


ARHITEKTONSKI DIZAJNSredinja jezgra sadri sve vertikalne liftove i mehanike podizae.Toranj servisiraju pet neovisnih servisnih podruja, razmaknutih za oko 30 katova po visini zgrade.

Iznad nastanjenog betonskog dijela zgrade smjeten je elini iljak, o kojem se nalaze komunikacije i dodatni servisni katovi.


ARHITEKTONSKI DIZAJNArhitekti i inenjeri su zajednikim radom razvili oblik i konstrukcijski sustav zgrade, koji uinkovito preuzima dominantno djelovanje vjetra, a integritet projektnog koncepta je zadran.


OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVAObzirom na dominantni utjecaj vjetra na projektiranje super-visokih zgrada, toranj je oblikovan tako da smanji na najmanju moguu mjeru sile vjetra na njega. Jednostavnost konstrukcijskog sustava i izvodljivost bili su osnovni parametri projekta.Odabrani konstrukcijski sustav moe se nazvati jezgra s kontraforima, kod kojeg svako od tri krila podupire preostala dva preko sredinje esterokutne jezgre (slika).

Zidovi hodnika prostiru se od sredinje jezgre uzdu osi krila do ekiastih (hammerhead) zidova na kraju svakog hodnika.Stupovi se smjeteni po obodu zgrade i na vrhu svakog krila, a stropne konstrukcije su ploe.Zatvorena esterokutna sredinja jezgra je torzijski iznimno kruta.


OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVAVeznim (outrigger) zidovima smjetenim na svim servisnim katovima obodni zidovi su u potpunosti ukljueni u otpornost na bona djelovanja, kao i u preraspodjelu gravitacijskih optereenja, tako svi vertikalni betonski elementi preuzimaju i gravitacijska i bona optereenjaPreraspodjelom gravitacijskih optereenja uravnoteuju se razine naprezanja u vertikalnim nosivim elementima i time umanjuje utjecaj diferencijalnih skraenja, izrazito vaan faktor kod ove super-visoke zgrade.


Smanjenje izmjera zgrade (building setbacks) smjetena su na krajevima raspona konstrukcije, tako da se svi vertikalni elementi direktno nastavljaju, pa nema potrebe za posebnim konstrukcijama za horizontalni prijenos sila.Rezultat je vrlo elegantna i uinkovita konstrukcija, koja uinkovito koristi sustav za preuzimanje gravitacijskih optereenja i za preuzimanje bonih optereenja.

Zgrada se po visini uputa (smanjuje) u obliku spirale, to znai da se na razini svakog uputanja irina tornja mijenja; razlog je da se zbuni vjetar

Tako ne moe doi do pojave vrtloenja jer na svakom novom rasporedu vjetar nailazi na razliiti oblik zgrade

OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVA


OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVASvi betonski elementi su od betona visokog razreda vrstoe od C80 do C60 vrstoe cilindra. Beton je napravljen od portland cementa s dodatkom leteeg pepela (fly ash).Beton C80 ima najvei specificirani modul elastinosti E=43.800 MPa kod starosti od 90 dana.Izmjere zidova i stupova optimizirane su postupkom virtualnog rada s LaGrange-ovim mnoiteljima, ime je ostvarena vrlo uinkovita konstrukcija.


OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVAKonstrukcija je proraunata za gravitacijska djelovanja (ukljuivo P- utjecaj), vjetar i potres, koristei software ETABS 8.4Trodimenzionalni proraunski model sadravao je armirane betonske zidove, vezne grede, ploe, temeljnu plou, pilote i konstrukcijski sustav elinog iljka tornja (spire)Numeriki model inilo je preko 73.500 elemenata ljuske (shell) i 75.000 vorova.Za proraunsko optereenje vjetrom, uzimajui za betonske elemente u obzir statike znaajke za raspucali beton, elastini P- horizontalni pomak iznosi oko H/500 na vrhu betonske jezgre.


OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVADinamikim proraunom je utvreno da je prvi ton boni pomak (konzola) sa periodom T=11,3 s, drugi ton meusobno okomiti boni pomak (konzola u drugom okomitom smjeru) sa periodom od T=10,2 s, a torzijski ton je peti sa periodom titranja od T=4,3 s (Slika).


OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVAPotresni proraun je proveden za UBC97 zonu 2a sa potresnim ubrzanjem Z=0,15 i kategoriju tla Sc . Seizmiki proraun sainjen je spektralnom analizom temeljem spektra odgovora za tonu lokaciju tornja. Osim spektra odgovora izvjetaj je sadravao i potresnu hazard analizu. Provjerena je i potencijalna opasnost od likvefakcije tla pomou vie priznatih postupaka, ali je utvreno da likvefakcija nema konstrukcijske posljedive na duboke temelje tornjaPotresno djelovanje nije bilo kritino za dimenzioniranje betonskog dijela tornja, ali jest za konstrukciju elinog iljka na vrhu zgrade.Armirano betonski elementi dimenzionirani su sukladno zahtjevima amerikog propisa ACI 318-02 Building Code Requirements for Structural Concrete. elini iljak sa dijagonalnim spregovima , dimenzionirana je na gravitacijska djelovanja, vjetar, potres i zamor prema zahtjevima AISC Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings (1999). Vanjske plohe zatiene su od korozije aluminijskim premazom pomou plamenika.


OPIS KONSTRUKCIJSKOG SUSTAVAProveden je proraun faza izvedbe, ukljuujui utjecaje puzanja i skupljanja (slika 5a).

Obzirom da su vertikalni betonski elementi priblino jednako tlano optereeni, zgrada se za utjecaje puzanja i skupljanja ponaa dobro.



Proraunom faza izvedbe, temeljenom na vraanju u poetni poloaj (re-centering) na svakoj sljedeoj sekciji stupova jezgre, dobivena je procijenjena vrijednost bonog pomaka vrha jezgre od 200mm nakon 10 godina od zavretka izvedbe (slika 5b).



Temeljenje

Temeljenje ini 194 na licu mjesta izvedena buena pilota, promjera D=1,5 m i duljine oko 43m. Nosivost pojedinog pilota iznosi 3.000 t, s time da je pokusno optereen sa 6.000 t. Piloti su izvedeni od samozbijajueg betona (SCC) C60 (vrstoa cilindra) pomou kontraktor postupka s polimernim isplakom.Piloti nose na trenje u vrstom kalcificiranom siltitnom tlu. Granina vrijednost trenja po omotau iznosila je 0,25-0,35MPa.Naglavna ploa pilota je debljine 3,7m i izvedena od 12.500m3 samozbijajueg betona C50 (SCC).

Proraun slijeganja temelja proveden je 3D proraunom, temeljenom na rezultatima geotehnikih istranih radova i pokusnih optereenja pilota.Utvreno je da e maksimalno slijeganje vremenom biti oko 80mm.


DJELOVANJE VJETRA (wind engineering)

Studija vjetrovne klime:Skupljeni podatci sa vie vremenskih postaja u regiji, najvanije sa meunarodne zrane luke Dubai.Procijenjena je vrijednost brzine 50-godinjeg 3-sekundnog udara vjetra od 37,7 m/s za uobiajeni otvoreni teren na visini od 10 m od razine tla.Prosjena satna brzina, dobivena je proraunom na temelju lokalnih podataka u iznosu od 23,5 m/s za uobiajeni otvoreni teren na visini od 10 m od razine tla. Temeljem tog podatka procijenjena je vrijednost brzine udara vjetra u rasponu od 35,7 m/s do 37,6 m/s, to je potvrdilo prethodni rezultat, te su rezultati mjerenja sa mjerne stanice zrana luka Dubai, usvojene kao prikladni statistiki model za koritenje uz rezultate ispitivanja u zranom tunelu.


Ispitivanja u vjetrovnom tunelu:Program ispitivanja u vjetrovnom tunelu obuhvatio je pokuse ravnotee sila na krutom modelu (rigid-model force balance tests) slika 6a, pokuse na potpunom aeroelastinom modelu, mjerenja lokalnih pritisaka i studiju utjecaja na pjeake. Uglavnom su koriteni modeli u mjerilu 1:500, ali i u manjem mjerilu. Obzirom da je kod rezultata utvrena izvjesna ovisnost o Reynolds-ovom broju (utjecaj mjerila) gornji dio tornja je ispitan na mnogo kruem modelu 1:50 (slika 6b).


10



Optereenje vjetrom na glavnu konstrukcijuZa odreivanje optereenja vjetrom na glavnu konstrukciju u ranoj projektnoj fazi provedena su ispitivanja u vjetrovnom tunelu primjenom postupka high-frequency-force-balance.Podatci iz vjetrovnog tunela onda su kombinirani s dinamikim znaajkama tornja, da bi se izraunali dinamiki odgovor tornja i cjelokupna efektivna raspodjela sila vjetra u punom mjerilu.Rezultati ispitivanja ravnotee sila (force balance) koriteni su kao rani ulazni podatci za projektiranje, ime je omoguena izrada parametarskih studija za razliite krutosti i raspodjele masa tornja.


DJELOVANJE VJETRA (wind engineering)Za zgradu su bitna 6 smjerova vjetra, tri kad vjetar pue direktno u smjeru jednog od krila i druga tri kad pue u smjeru simetrale izmeu krila (slika 7). Vei utjecaj utvren je za ove druge smjerove pa je i zgrada sukladno orijentirana, relativno na najee smjerove jakih vjetrova u Dubai-ju: sjevero-zapad, jug i istok.

Ova ispitivanja u vjetrovnom tunelu ponavljana su, kako se geometrija tornja razvijala. Tri krila su redom umanjivana po visini, u smjeru kazaljke na satu poevi od krila A. Nakon svake runde ispitivanja u vjetrovnom tunelu, podatci su ponovno analizirani i zgrada je preoblikovana tako da se minimizira utjecaj vjetra.

11


DJELOVANJE VJETRA (wind engineering)Openito je mijenjan broj i razmak smanjenja izmjera (setbacks), kao i oblika krila.Taj postupak rezultirao je bitnim smanjenjem sila vjetra na toranj uslijed zbunjivanja vjetra. Na slikama 8a i 8b prikazan je odgovor zgrade na djelovanje vjetra za prvobitnu konfiguraciju i nakon nekoliko dotjeravanja.

Na slikama je horizontalna os frekvencija modela iz vjetrovnog tunela, koja se moe dovesti u vezu s povratnim periodom za djelovanje vjetra a vertikalna os je proporcionalna rezonantnim dinamikim silama podijeljenim s kvadratom brzine vjetra.


DJELOVANJE VJETRA (wind engineering)Pri kraju projektiranja napravljeni su tonija aeroelastina modelska ispitivanja. Aeroelastini model je fleksibilan, kao i stvarna zgrada, sa ispravno skaliranom krutosti, masom i priguenjem.

12


POMACI ZGRADETemeljem rezultata ispitivanja high-frequency-force-balance postupkom kombiniranih sa statistikim podatcima lokalnih vjetrova, procijenjeni su pomaci zgrade kao funkcija vrnih ubrzanja za razliite povratne periode u rasponu od 1 do 10 godina. Prvobitne procjene bile su preko 0,037 g za povratni period od 5 godina, to je daleko vie od vrijednosti preporuenih vrijednosti ISO standarda.No, kombinacijom preorijentacije tornja, prilagodbe oblika, modifikacije konstrukcijskih znaajki i provedbe detaljnih studija statistike vjetra u regiji, te su vrijednosti bitno smanjene na oko 0,019 g za jednaki povratni period. Oko pola poboljanja bilo je posljedica detaljnijeg poznavanja statistike vjetra , a ostatak rezultat preorijentacije, konstrukcijskih poboljanja i prilagodbe oblika.

Naknadno, kada su na raspolaganje dobijeni rezultati aeroelastinog modela procjene su jo poboljane. Dobivena su ubrzanja reda veliine 0,012 g, daleko manja nego ranije, to ukazuje na vanost uzimanja u obzir aeroelastinih utjecaja u sluajevima kada pomaci zgrade imaju znaajne posljedice.


13


BANK OF CHINA TOWERHongkong

VISOKE GRAEVINE


Bank of China tower je vrlo cijenjena visoka zgrada zbog svog neobinog geometrijskog oblika, nazivana blistavim tornjem od dijamanata i predstavlja jedno od najistaknutijih postignua moderne arhitektura.

Arhitekt Ieoh Ming Pei projektirao ju je s u maniri elegantne mladice bambusa koja napreduje sa svakom fazom rasta.Zgrada je zavrena 8 dana 8 mjeseca 1988 godine, prema Kinezima najsretnijeg dana prolog stoljea.Po dovretku Bank of China bila je najvia zgrada u Aziji i prva zgrada izvan SAD, viaod 300 m (1.000).

14


Prvu puta je jedna megastruktura sainjena od iste prostorne reetke koritena za preuzimanje gravitacijskih optereenja jednog nebodera.

Osnovno naelo nosive konstrukcije bilo je da i jedan ekscentricitet u pojedinanom stupu izaziva savijanje, dok dva ili vie pravaca ekscentriciteta, povezanih mehanizmom za jednaku poprenu silu, djeluje suprotno i tako eliminira savijanje.

Pet spregnutih stupova nosivog sustava podupiru okvirnu konstrukciju sa spregovima od elika koja se protee izmeu njih. Teite, oblik i poloaj tih stupova mijenja se, kako se sputaju niz zgradu uzrok ekscentrinosti. Obzirom da beton lijepi elik na sebe, savijanje je iskljueno.


Podij je prekriven laganim granitom, pa izgleda kao da je podnoje zgrade ukorijenjeno u tlo. Geometrija se mijenja od kvadratne baze na etiri trokuta, zatim se etvrtine gube, prvi trokut na visini 25 kata, drugi na 38 katu i trei na 51 katu. Geometrijske promjene, konano rezultirajui jednim iljkom formiraju vieplonu fasadu od kutova i profila, koja reflektira svjetlo i ini se u kompoziciji gotovo kristalna.

15


Zavjesa predstavlja jedinstveni dizajn, sklopljen van gradilita pod radionikim uvjetima.

To je omoguilo izvrsnu kontrolu kakvoe svih uvjeta izvedbe okvira, koji sadri vie od 10.000 pojedinih elemenata.


04_Burj Khalifa

Documents