고층 건물 구조 분석 및 설계?

고층 건물의 구조 분석과 설계는 매우 중요하다. 분석을 해야만 설계가 더 좋아질 수 있고, 관건은 각 세부 사항을 제자리에 처리하는 것이다. 중달 컨설팅은 고층 건물의 구조 분석과 설계를 설명해 드리겠습니다.

1, 소개

1885 년 미국이 최초의 고층건물인 시카고 보험회사 빌딩 (10 층, 55m) 을 건설한 이후 고층건물은 빠르게 발전했다. 20 세기 초부터 1979 년까지 세계 200m 이상의 고층 건물은 50 여 채였으며, 그 중 대부분은 미국에 건설되었다. 그 중 유명한 뉴욕 세계무역센터 빌딩 (1 10 층, 4 17m, 4 15m) 이/Kloc 에 건설되었다.

중국에서는 높이가 104m 을 넘는 고층 건물이 100 여 개로 상하이 광저우 베이징 선전 등 20 개 대도시 중 상하이가 가장 많다. 1998 에 세워진 김마오 빌딩 (88 층, 420.5 미터) 은 세계에서 세 번째로 높은 건물이다.

고층 건물의 구조 설계 특징

(1) 수평 부하가 결정 요인이 됩니다. 한편, 건물의 자중 및 수직 부재에서 바닥 하중으로 인한 축 방향 힘 및 굽힘 모멘트는 건물 높이의 한 측면에만 비례합니다. 구조상 수평 하중으로 인한 전복 모멘트 및 수직 부재에서 발생하는 축 힘은 건물 높이의 2 차 정사각형에 비례합니다. 반면 높이가 일정한 건물의 경우 수직 하중은 일반적으로 일정하며, 수평 하중인 풍하중 및 지진 작용 값은 구조의 동적 특성에 따라 크게 달라집니다. (2) 축 방향 변형은 무시할 수 없습니다. 고층 건물에서 수직 하중이 크면 기둥 내에서 큰 축 변형이 발생하여 연속 보의 굽힘 모멘트에 영향을 주어 연속 보의 중간 지지에서 음의 굽힘 모멘트가 감소하고 끝 지지에서 양의 굽힘 모멘트가 증가합니다. 또한 프리캐스트 구성요소의 블랭킹 길이에 영향을 주며 계산된 축 변형에 따라 블랭킹 길이를 조정해야 합니다. 또한 구성요소의 전단력 및 측면 변위에 영향을 미치므로 구성요소의 수직 변형을 고려하는 것보다 안전하지 않은 결과가 발생할 수 있습니다. (3) 측면 변위가 제어 지표가되었습니다. 저층 건물과 달리 구조 측면 이동은 고층 건물 구조 설계의 핵심 요소가 되었습니다. 건물 높이가 증가하면 수평 하중 하에서 구조의 측면 변위가 빠르게 증가하므로 수평 하중 하에서 구조의 측면 변위를 일정 범위 내에서 제어해야 합니다. (4) 구조적 연성은 중요한 설계 지표이다. 저층 건물보다 고층 건물이 더 유연하여 지진의 작용에 따라 변형이 더 크다. 구조가 소성 변형 단계에 들어선 후에도 여전히 강한 변형 능력을 가지도록 하기 위해 붕괴를 피하기 위해, 특히 구조에서 적절한 조치를 취하여 구조가 충분한 연성을 갖도록 해야 한다.

3. 고층 건물 구조 시스템

(1) 프레임-전단벽 시스템. 프레임 시스템의 강도와 강성이 요구 사항을 충족하지 못할 경우 일부 프레임 대신 건물 평면의 적절한 위치에 더 큰 전단벽을 설정하여 프레임 전단벽 시스템을 형성해야 하는 경우가 많습니다. 수평력을 견딜 때 프레임과 전단벽은 충분한 강성을 가진 바닥과 연결된 보를 통해 함께 작동하는 구조 체계를 형성합니다. 이 시스템에서 프레임 시스템은 주로 수직 하중을 받고 전단벽은 주로 수평 전단력을 받습니다. 프레임 전단벽 시스템의 변위 곡선은 굽힘 전단 유형입니다. 전단벽 설정은 구조의 측면 강성을 증가시키고 건물의 수평 변위를 줄입니다. 또한 프레임에 가해지는 수평 전단력이 현저히 줄어들고 내부 힘의 수직 분포가 균일해지므로 프레임 전단벽 시스템의 높이가 프레임 시스템보다 큽니다. (2) 전단벽 시스템. 호스트 구조가 평면 전단벽 구성요소로 구성된 경우 전단벽 시스템이 형성됩니다. 전단벽 시스템에서 단일 전단벽은 모든 수직 하중과 수평력을 부담합니다. 전단벽 시스템은 변위 곡선이 구부러진 강성 구조입니다. 전단벽 시스템은 강도와 강성이 높고, 어느 정도의 연성이 있으며, 전동력이 직접적으로 균일하고, 무결성이 좋으며, 붕괴 방지 능력이 강하다. 프레임 또는 프레임 전단벽 시스템보다 높게 만들 수 있는 좋은 구조 시스템입니다. (3) 실린더 시스템. 배럴을 항측 힘 구성요소로 사용하는 구조 시스템을 배럴 시스템이라고 하며 단일, 배럴-프레임, 배럴 중간 및 다중 튜브 번들 배럴을 포함합니다. 원통은 솔리드 심복형 원통과 속이 빈 원통으로 나누어진 공간 힘 구성요소입니다. 솔리드 웹 튜브는 평면 또는 표면 벽으로 둘러싸인 3 차원 수직 구조 단위이며, 중공 튜브는 조밀한 기둥과 창 스커트 빔 또는 열린 철근 콘크리트 외벽으로 구성된 공간 힘 구성요소입니다. 배럴 시스템의 강성과 강도가 높고, 구성요소의 힘이 합리적이며, 내풍 내진력이 강하며, 장간, 넓은 공간 또는 초고층 건물에 자주 사용됩니다.

4. 고층 건물 구조 분석

4. 1 고층 건물 구조 해석의 기본 가정

고층 건물 구조는 수직 저항 구성요소 (프레임, 전단벽, 배럴 등) 로 구성된 대형 공간 구조 시스템입니다. ) 는 수평 바닥으로 연결됩니다. 3 차원 공간 구조에 따라 완전히 정확하게 분석하는 것은 매우 어렵다. 다양한 실용적인 분석 방법은 계산 모델에 다양한 수준의 단순화를 도입해야 합니다. 다음은 몇 가지 일반적인 기본 가정입니다.

(1) 유연한 가정. 현재 공사에서 실용적인 고층 건물 구조 분석 방법은 모두 탄성 계산 방법을 채택하고 있다. 수직 하중 또는 일반 바람의 경우 구조는 일반적으로 탄성 세션에 있으며 구조의 실제 작동 조건과 거의 일치합니다. 그러나 지진이나 태풍의 영향으로 고층 건물 구조는 종종 큰 변위와 균열을 발생시켜 탄성 플라스틱 작업 단계로 들어간다. 탄성 방법으로 계산된 내부 힘 및 변위가 구조의 실제 작동 상태를 반영하지 않는 경우 탄성 플라스틱 동력 분석 방법을 사용하여 설계해야 합니다.

(2) 작은 변형 가정. 작은 변형 가정도 다양한 방법에서 일반적으로 사용되는 기본 가정입니다. 하지만 많은 사람들이 기하학적 비선형 (P-δ 효과) 에 대해 몇 가지 연구를 했습니다. 일반적으로 정점이 건물 높이 H 에 대한 수평 변위의 비율 δ/h > 인 것으로 간주됩니다. P-δ 효과의 영향은 1/500 에서 무시할 수 없습니다. (3) 강성 바닥의 가정. 많은 고층 건물 구조의 해석 방법에서는 바닥이 자체 평면 내에서 무한대로 강성하고 평면 외부의 강성은 무시한다고 가정합니다. 이러한 가정은 구조 변위의 자유도를 크게 줄이고 계산 방법을 단순화합니다. 또한 공간 박막 로드 이론을 사용하여 배럴 구조를 계산하는 조건도 제공합니다. 일반적으로 프레임 시스템과 전단벽 시스템은 이러한 가정을 완전히 채택할 수 있습니다. 수직 강성이 급격한 구조의 경우 바닥 강성이 작고, 주요 내측 힘 구성요소 간격이 너무 크거나 레이어 수가 적으며, 바닥 변형의 영향이 큽니다. 특히 구조의 맨 아래와 맨 위 각 레이어의 내부 힘 및 변위에 미치는 영향이 더욱 두드러집니다. 이러한 영향을 고려하여 이러한 바닥의 전단력을 적절히 조정할 수 있습니다. (4) 전산 그래픽 아이디어. 고층 건물 구조 아키텍처의 전체 분석에 사용되는 계산 그래프는 (1) 1 차원 협업 분석입니다. 1 차원 공동 분석에 따르면 각 항측 힘 구성요소의 변위 자유도 방향에서의 변형 조정만 고려됩니다. 수평력의 작용으로 구조 체계는 수평력 방향에 평행한 항측력 부재로 구성된 평면 구조로 단순화됩니다. 강성 바닥의 가정에 따르면, 같은 층의 각 항측력 구성요소의 측면 변위는 동일하므로 1 차원 조정의 기본 방정식을 설정할 수 있습니다. 토크의 작용으로 같은 층의 각 항측력 부재 코너가 같은 조건에 따라 기본 방정식을 설정합니다. 1 차원 협업 분석은 다양한 수동 계산 방법 중에서 가장 널리 사용되는 계산도이다. (2) 2 차원 협업 분석. 2D 공동 해석에서는 여전히 단일 측면 힘 구성요소를 평면 구조로 간주하지만 동일한 바닥의 각 측면 힘 구성요소의 변형 조정을 고려합니다. 수직 및 수평 방향의 항측력 부재가 함께 작동하여 동시에 계산됩니다. 토크와 수평력이 동시에 계산됩니다. 리지드 바닥 가정이 도입되면 각 바닥에는 u, v, θ V, θ 3 자유도 (바닥 뒤틀림을 고려할 때 4 자유도) 가 있으며, 바닥의 각 항측 힘 구성요소의 변위는 이 3 자유도에 의해 결정됩니다. 매트릭스 변위 방법을 사용하여 전단 레이어 변위 및 해당 외부 힘의 균형 방정식을 해결합니다. 2 차원 협업 분석은 주로 중소형 마이크로컴퓨터의 로드 구조 분석 프로그램에 사용됩니다. (3) 3 차원 공간 분석. 2D 공동 분석은 바닥 외부 저항 구성요소 공용 * * * 노드의 변위 조정 (수직 변위 및 회전 조정) 을 고려하지 않으며, 공간 작업 성능이 뚜렷한 배럴 구조의 경우 측면 힘 구성요소의 평면 외부 강성 및 비틀림 강성을 무시하는 것도 적합하지 않습니다. 3 차원 공간 분석에서 흔히 볼 수 있는 로드 단위로, 노드당 자유도가 6 개이며, 프라소프 박막 로드 이론에 따라 분석된 로드 끝 노드도 단면 뒤틀림을 고려해야 하며 7 자유도가 있습니다.

4.2 고층 건물 구조의 정적 해석 방법

(1) 프레임-전단벽 구조 계산 프레임-전단벽 구조의 내부 힘 및 변위는 여러 가지 방법으로 연속 연결 빔의 가정을 사용합니다. 전단벽과 프레임의 수평 변위 또는 코너가 같은 변위 조정 조건에 따라 변위와 외부 하중 관계의 미분 방정식을 설정하여 해석할 수 있습니다. 미지의 요인과 고려된 요인이 다르기 때문에, 각종 방법의 구체적인 형식도 다르다. 프레임-전단벽의 컴퓨터 계산 방법은 일반적으로 구조를 동등한 벽 프레임으로 변환하여 로드 구조의 매트릭스 변위 방법으로 해석합니다.

(2) 전단벽 구조의 기계적 특성과 변형 상태는 주로 전단벽의 개구부에 따라 달라집니다. 힘 특성에 따라 단일 다리 전단벽은 단일 다리 벽, 작은 개구부 전체 벽, 결합 다리 벽, 특수 개구부 벽 및 프레임 지지 벽과 같은 여러 유형으로 나눌 수 있습니다. 전단벽 유형에 따라 응력 분포가 다르므로 내부 힘 및 변위를 계산하는 적절한 계산 방법이 필요합니다. 전단벽 구조의 컴퓨터 계산 방법은 평면 유한 요소법이다. 이 방법은 계산이 정확하여 다양한 전단벽에 적용할 수 있다. 그러나 자유도가 많고 시간이 오래 걸리기 때문에 일반적으로 특수 개폐 벽, 상자 지지 벽 변환 레이어 등 응력 분포가 복잡한 경우에만 사용됩니다.

(3) 배럴 구조의 분석 방법은 계산 모델 처리 방법에 따라 등가 연속 방법, 등가 이산 방법 및 3D 공간 분석의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 등가 연속 방법은 구조의 개별 구성요소를 등가 연속으로 간주하는 것입니다. 하나는 형상 분포에서만 연속성을 유지하여 연속 함수로 내부 힘을 설명하는 것입니다. 또 다른 하나는 기하학적 및 물리적 연속 처리를 수행하고 이산 구성요소 대신 동등한 직교 탄성 보드를 사용하여 다양한 효과적인 방법으로 탄성 보드를 분석하는 것입니다. 연속미분방정식해법, 상자통근사해법, 의각법, 에너지법, 유한 요소법, 유한조법 등이 구체적으로 적용되었다. 등가 이산화 방법은 연속 벽을 등가 부재로 분리하여 로드 구조에 적합한 방법을 적용하여 분석하는 것입니다. 이러한 방법에는 코어 배럴 프레임 분석 및 평면 프레임 하위 구조 방법이 포함됩니다. 구체적인 적용에는 동등한 각도 기둥 방법, 전개 평면 프레임 방법, 코어 배럴 프레임 분석 방법 및 평면 프레임 하위 구조 방법이 포함됩니다. 등가 연속 및 등가 이산화에 비해 보다 정확한 계산 모델은 3D 공간 구조에 따라 배럴 구조 체계를 정확하게 분석하는 것으로, 공간 로드-박막 로드 시스템의 매트릭스 변위 방법이 가장 널리 사용됩니다. 이 방법은 고층 구조 체계를 공간 빔 단위, 공간 기둥 단위 및 얇은 벽 기둥 단위로 구성된 공간 로드 구조로 간주합니다. 공간 보 기둥의 각 노드에는 6 자유도가 있습니다. 코어 튜브 또는 전단벽의 벽 팔다리는 Vlasov 박막 로드 이론을 사용하여 각 끝 노드에 7 자유도가 있고 공간 막대보다 1 자유도가 더 많으며 해당 내부 힘은 이중 굽힘 모멘트입니다. 3D 공간 분석 정확도는 높지만 알 수 없는 양이 많아 계산량이 많다. 다른 가정을 도입하지 않고 각 레이어의 총 자유도는 6Nc+7Nw(Nc 및 Nw 는 기둥 및 벽 팔다리 수) 입니다. 일반적으로 리지드 바닥 가정은 동일한 층의 얇은 벽 기둥 휨 각도가 동일하고 각 층의 총 자유도가 3(Nc+Nw)+4 로 감소한다고 가정합니다. 이는 현재 프로젝트에서 가장 널리 사용되는 계산 모델입니다.

5. 결론

고층 건물이 더 발전함에 따라 고층 건물의 형식, 재료 및 역학 분석 모델이 점점 더 복잡해지고 다양해질 것입니다. 고층건물을 혁신하기 위해 그 매력을 드러내고, 새로운 구조형태와 더 합리적인 역학 모델을 추구하는 것이 토목 엔지니어의 목표와 방향이 될 것이다.

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