Sistemas de estructura de acero de alta altura: control de deriva, confort de viento y diseño BRB

Por encima de unas 20 plantas, el diseño de un edificio deja de ser sobre la resistencia y se convierte en sobre la rigidez lateral: las desviaciones, aceleraciones y efectos de segundo orden se hacen cargo de las tensiones de los miembros, y la elección del sistema estructural establece todo el envolvente económico del proyecto. El acero gana su lugar en este rango a través de tres propiedades que ningún otro material coincide: la relación fuerza-peso que reduce las cargas de la fundación, la velocidad del taller y el campo que acorta el camino crítico en meses, y la ductilidad que permite a una estructura sobrevivir al terremoto de diseño con daños controlados en lugar de colapsar.

Esta guía está escrita para que los desarrolladores, arquitectos, ingenieros y contratistas generales decidan qué sistema de pisos altos adoptar y cómo revisar los números del informe estructural. JGJ 99-2015 (especificidad técnica para la estructura de acero de edificios altos), GB 50011-2010 (Código de diseño sísmico de edificios)En el caso de las torres gemelas de 265 m de la Torre Tianjin R&F Guangdong, para las cuales nuestros talleres suministraron acero estructural, los números de derivación, confort y brace abajo son los que hemos fabricado, no sólo calculados.

El artículo abarca las familias de sistemas y sus alturas, los dos controles de gobierno (drift interplante y confort de los ocupantes), la realidad de segundo orden P-Δ, los aparatos de sujeción con hebillas y los sistemas de fuego y piso que completan el edificio alto de acero.

1. Sistemas estructurales y sus envolturas de altura

Cada sistema lateral de edificios altos es un compromiso entre rigidez, coste y libertad arquitectónica, y cada uno tiene una banda de altura donde es claramente la respuesta correcta. GB 50011-2010 La tabla 6.1.1 da las alturas máximas aplicables para edificios de acero por intensidad sísmica; las bandas prácticas a continuación se sientan cómodamente dentro de él y reflejan donde cada sistema es también económico.

Sistema de control	Banda de altura típica	Resistencia a la carga lateral	Aplicación típica
Cuadro de momento de acero	Hasta 60 110 m	Reúnidas rígidas de vigas	Torres de bajos pisos, planificación flexible
Cuadro con sujetadores (CBF / EBF / BRB)	60 180 m	Trastes verticales en núcleos	Oficinas, hoteles, torres residenciales
Cuadro de base (núcleo de hormigón + marco de acero)	120 300 m	Núcleo RC + marco de perímetro	Super-talls de uso mixto, construcción más rápida
Cuadro de gran tamaño (cinturones de celosía, columnas de gran tamaño)	300 m y más	Los demás componentes de los equipos de seguridad de los vehículos de motor	Torres de gran altura (rango típico de 400+ m)

Dentro de cada banda la elección del sistema se perfecciona por dos decisiones adicionales: donde los elementos laterales verticales se encuentran (núcleo, perímetro o ambos), y cuánto de la talla se toma por los aparatos de corte en lugar de doblar el marco. El híbrido framecore merece especial atención porque es el estándar para las torres de uso mixto de 150300 m en China: un núcleo de hormigón armado proporciona la rigidez de la talla, el marco del perímetro de acero proporciona redundancia y velocidad, y los dos están atados por remolques y cinturones de cinturón en dos a cuatro niveles. Las torres Tianjin R&F se encuentran en esta familia, y su acero demuestra el paquete de fabricación: columnas de caja pesadas, remolques exteriores con pernos de alta resistencia, y sistemas compuestos repetidos en docenas de pisos.

Indicadores de referencia de tono de acero y realidad de los miembros

El tonelaje de acero de construcción total para los edificios de alto nivel de China central generalmente llega a 90140 kg/m2 de superficie bruta para un proyecto de marco de acero de 3060 pisos en una zona sísmica baja, que aumenta a 140200 kg/m2 donde la intensidad sísmica es alta o la relación altura-ancho supera el 6. El sistema lateral consume 4060% de ese peso, por lo que la elección del sistema en esta sección, el presupuesto de deriva en la sección 2 y la estrategia de apoyo en la sección 5 dominan el presupuesto Los miembros de gravedad se determinan por arquitectura, los miembros de la realidad por juicio de ingeniería son los siguientes: las columnas inferiores a unos 600 mm son secciones H laminadas, por encima de ellas se trata de cajas construidas o secciones soldadas pesadas que requieren un pleno proceso de penetración con UT en cada tramo de taller y tramo de sitio el detalle de fabricación que impulsa las horas de inspección de soldadura, y la razón por la cual la cifra de tonelaje y el presupuesto de NDT de soldadura se establecen por la misma decisión de diseño.

Control de la deriva entre almacenes: el control H/400

La deriva interplurianual el desplazamiento horizontal de un piso en relación con el inferior, dividido por la altura del piso es el criterio de tamaño verdadero de cada edificio alto. En el JGJ 99-2015 se establece el límite de capacidad de servicio eólico en la altura del piso / 400 (la verificación H/400).En caso de terremotos frecuentes, el límite de deriva elástica para las estructuras de acero es de altura de pisos / 300 por GB 50011-2010, y en caso de terremotos raros el deslizamiento elástico puede alcanzar la altura / 50 antes de que el colapso del sistema de resistencia al colapso se considere aceptable.

Para los propietarios la traducción práctica es: una torre de 60 pisos (alrededor de 220 m) de altura permitida / 400 = 0,25% deriva tiene un presupuesto de desplazamiento máximo de aproximadamente 550 mm y el informe estructural debe mostrar qué mecanismo la consume. La asignación de deriva importa: el núcleo o las bahías de braza toman la deriva de la historia dominada por el corte, mientras que el marco proporciona la trayectoria del momento redundante. Cuando un diseño es "certo pero deriva demasiado", la corrección más rápida no es vigas más grandes; es mover los brazajes, añadir deslizadores o aumentar la densidad del núcleo palancas que añaden rigidez a una fracción del costo del peso.

Convertir el número de deriva en acción de diseño

El límite de viento H/400 y el límite de terremoto frecuente H/300 se ven como proporciones simples, pero su aplicación decide todo el presupuesto lateral. En la etapa de diseño, el ingeniero asigna el presupuesto de deriva entre el movimiento translacional del marco y la distorsión de corte del núcleo o sistema de sujeción, luego verifica la contribución de cada subsistema en relación con su cuota. La consecuencia práctica para el propietario es que el informe de deriva debe mostrar, para cada piso, no solo la proporción total, sino la división: corte del núcleo, deformación de sujeción y flujo del marco. Un informe que muestra solo el total aún no ha identificado dónde se debe gastar el dinero para arreglar un cheque fallido.

3. P-Δ Efectos y estabilidad del sistema

Cada edificio alto lleva su carga de gravedad en un sistema lateral que ya está oscilando: la carga vertical P actúa a través del desplazamiento horizontal Δ, produciendo un momento de segundo orden que un análisis de primer orden nunca ve. El coeficiente de estabilidad θ = P·Δ / (V·h) condensa esa amplificación en un número por piso pisos gravedad veces pisos deriva, dividido por piso corte y altura de pisos y códigos lo convierten en un interruptor de tres pasos que un informe estructural debe imprimir en todos los niveles.

Coefficiente de estabilidad θ = P·Δ / (V·h): θ ≤ 0,1 ignora; 0,1 < θ ≤ 0,25 amplifica por 1/(1−θ); θ > 0,25 endurece la estructura

El factor de amplificación 1/(1−θ) en la banda media es la expresión AISC 360-16 B2 y el equivalente en JGJ 99-2015: un diseño a θ = 0.2 lleva un impuesto de momento del 25% sobre cada haz y columna de efectos de segundo orden, por lo que el edificio alto eficiente funciona a θ por debajo de 0.15 donde el plan permite mover el núcleo o los aparatos hacia afuera.

La práctica china bajo el JGJ 99-2015 acepta un análisis directo de segundo orden o un análisis de primer orden con el factor de amplificación aplicado miembro por miembro, siempre que la demanda amplificada sea lo que llegue a los controles de miembros. Un análisis de segundo orden genuino debe incluir el efecto miembro P-δ (el arco de un miembro en su propio acorde) así como el efecto piso P-Δ, por lo que el software por defecto que afirma que segunda orden de efectos incluidos merece una verificación manual contra un θ computado en dos o tres plantas típicas antes de ser confiado para toda la torre. La misma verificación detecta errores de modelado temprano: Un perfil θ que salta discontinuamente entre pisos consecutivos casi siempre refleja una ruptura en la trayectoria de carga un brace que desapareció en una dirección, o una pared central que cambió de profundidad y esa sensibilidad es precisamente lo que un propietario necesita en la etapa de comparación del esquema, donde un braceado añadido a la dirección débil puede valer varios cientos de toneladas de acero de columna.

Lo que debe mostrar un informe de revisión de segundo orden

• El coeficiente θ para cada piso, en ambas direcciones horizontales, frente a los umbrales de código de 0,1 / 0,25.
• El factor de amplificación se aplica realmente a los momentos de miembro, o a resultados explícitos de segundo orden con deriva reportados después de la amplificación.
• Confirmación de que P-δ (inclinamiento de miembro) está incluido en cualquier afirmación de software de análisis de segundo orden.
• Una reaprobación de la verificación después de cualquier cambio importante en el sistema nuevo arranque, reubicación de la abertura de apoyo, cambio de núcleo ya que θ depende de la distribución final de rigidez.

Una sutileza separa una revisión de la estabilidad de un ejercicio de papeleo: la verificación P-Δ debe ejecutarse en ambas direcciones ortogonales, incluida la dirección en la que la estructura es solo un 60% de rigidez, ya que la respuesta de segundo orden de gobierno es casi siempre en la dirección débil. También debe ser repetida después de cada cambio importante del sistema (añadir un arranque, mover un brace de brace), ya que el coeficiente de estabilidad es una propiedad de la distribución de rigidez final, no del esquema inicial. Cuando la deriva de pisos se proporciona directamente por el software de análisis, el ingeniero debe verificar que la deriva reportada ya incluye la amplificación de segundo orden solicitada por el código un número no amplificado en comparación con un límite amplificado de deriva es uno de los hallazgos de revisión más comunes en los informes de construcción alta exportados.

4. Vibración inducida por el viento y confort para el ocupante

Un edificio alto puede pasar todas las pruebas de resistencia y deriva y aún así no puede ser utilizado por sus usuarios: a 150 m y más, la aceleración inducida por el viento en los pisos superiores es regularmente la condición de diseño que rige. El apéndice J de la GB 50009-2012 limita la aceleración máxima de retorno de 10 años en pisos ocupados a 0,15 m/s2 para edificios residenciales y 0,25 m/s2 para oficinas.Los edificios de acero tienen un nivel de amortiguación estructural bajo típicamente 12% de los edificios críticos , por lo que las torres muy delgadas (de altura a ancho por encima de 78) complementan la rigidez con el hardware de amortiguación.

La secuencia de diseño es: calcular las frecuencias naturales y las formas de modo; evaluar la respuesta de viento a largo y en contra del viento (vertido de vórtices) a 10 años de viento de retorno; comparar la aceleración de la planta superior con el umbral del código; y cerrar cualquier brecha con, en orden de costo, la forma aerodinámica (camperas de esquina, reveses), añadiendo amortiguación (amortizadores de masa sintonizados de 0.51.5% de la masa del edificio, amortizadores viscosos), o endurecimiento. El punto crítico para el propietario es que la comodidad es una decisión de diseño tomada mediante medición contra un estándar, y el informe estructural debe indicar la aceleración computada junto al límite un informe que cita el límite sin el valor computado no ha terminado su comprobación de comodidad.

Opciones de hardware de amortiguación, en orden de costo

• Primero, la formación aerodinámica: las cámaras de esquina y las esquinas incrustadas reducen la respuesta al viento cruzado en un 1025% a cero costo de mantenimiento y se deciden en la etapa de dibujo arquitectónico.
• Ampliación de masa ajustada: 0,51,5% de la masa modal del edificio, ajustado al primer modo de oscilación, reduce las aceleraciones del viento aproximadamente a la mitad la solución estándar para las torres residenciales donde el límite de 0,15 m/s2 es ajustado.
• Dampadores viscosos y viscoélastos: distribuidos a través del marco o del sistema de arranque, añaden amortiguación cuando la forma del modo lo necesite y se duplican como protección sísmica.
• La rigidez como último recurso: La adición de aparatos o profundidad del núcleo es la solución de confort más cara por unidad de resultado, y aparece en cada cifra de tonelaje antes del contrato de amortiguación.

5. Braces con restricción de acoplamiento (BRB)

Los aparatos de sujeción en un marco tienen una debilidad asimétrica: se envuelven en compresión a aproximadamente 50~60% de su capacidad de tensión, por lo que la disipación de energía de un brazaje está limitada por la dirección más débil. con un reloj de seguridad de seguridad elimina esa asimetría envueltando un núcleo de acero de bajo rendimiento (por ejemplo, LY225, fy = 225 N/mm2 o Q235LY por GB/T 28900 para aceros estructurales con mayor ductilidad) en un tubo lleno de mortero que evita el acoplamiento global; el núcleo da rendimiento tanto en tensión como en compresión con una resistencia casi idéntica, dando un ciclo de histeresis completo y estable durante el ciclismo.

Los BRB son el miembro estándar de disipación energética en el diseño de acero de gran altura chino para zonas de alta intensidad sísmica, especificado en las disposiciones de disipación energética de GB 50011-2010 y en la guía de la industria aplicable. Práctica de diseño: dimensionar el área central de la fuerza axial requerida del soporte, verificar la rigidez elástica contra el presupuesto de deriva, detallar las conexiones de la guiseta para que la rotación final no pueda forzar la inclinación local de la zona de rendimiento, y aceptar el costo de conexión ligeramente más alto frente al hecho de que un brazo BRB lleva la misma rigidez que un soporte convencional, pero disipa varias veces la energía por ciclo. Para el propietario, la consecuencia práctica es una menor tonelaje total de acero en el sistema lateral para el mismo rendimiento sísmico un clásico ganancia tanto en seguridad como en el presupuesto de seguridad cuando la prima modesta para el soporte es la misma.

Control y suministro de calidad BRB

Debido a que la disipación de energía del BRB depende del rendimiento de su núcleo, el control de calidad es más estricto que para los aparatos de sujeción ordinarios: cada lote de núcleo está certificado contra la banda de resistencia a la sujeción especificada (LY225 los núcleos se especifican con una tolerancia física apretada y se rechazan fuera de él), el relleno de mortero se prueba por densidad y la capa no vinculada para la liberación de deslizamiento, y cada aparato de sujeción se prueba en taller una muestra representativa de cada lote se recorre a través de su historial de desplazamiento de diseño para verificar la histeresis estable y la capacidad de deformación plástica acumulada antes del envío. El propietario debe solicitar los registros de prueba de lote de la misma manera que pide los certificados de molino en el marco principal de acero: en un edificio BRB, el aparato de sujeción es el fusible sísmico, y un fusible falso no protege a nadie.

6. Protección contra incendios y pisos compuestos

Dos sistemas completan el edificio de acero alto, y ambos se deciden tanto por la secuencia de construcción como por el diseño. Protección contra incendios: Las columnas de edificios altos requieren normalmente una resistencia al fuego de 2,03,0 h por GB 50016 por ocupación y altura, diseñadas para el nivel R90R120 utilizado en toda esta industria (consulte nuestra guía de acompañamiento sobre protección contra incendios de estructuras de acero para el tratamiento completo); las vigas y los aparatos de apoyo están protegidos a R60R120 con revestimientos intumescentes cuando están expuestos o envasado en la tabla cuando está oculto.

Planas compuestas: El piso de acero alto estándar es una cubierta metálica con acero fundido en su lugar, conectada a las vigas de acero por vigas de cabeza una cubierta trapezoidal de 5080 mm, profundidad total de la losa de 120150 mm, vigas de cabeza φ19 mm a 150250 mm de distancia, que abarca 2,53.5 m entre las vigas. La cubierta compuesta hace un triple trabajo: piso, membrana de fuego en el perfil de la cubierta y el diafragma horizontal que distribuye el viento y el corte sísmico a los núcleos y las bahías de braza. Una decisión de construcción sigue: la secuencia de fundición de la losa debe mantenerse con la erección del marco, y el diseño debe permitir que el marco se estabilice mediante el brazaje temporal hasta que las placas de diafragma estén en su lugar un problema de secuencia que aparece en ningún calendario de ritmo alto y en todos los informes estructurales de acero.

La pala compuesta en fuego y servicio

El piso compuesto es también el piso seguro contra incendios: el perfil de la cubierta de acero está incrustado en hormigón en el lado superior, y donde la cubierta está expuesta por debajo, está protegida por la membrana del techo o dejando el diseño de la costilla dentro de los límites probados para que el sistema de las planchas mismo tenga la calificación de incendio R60R120 . Los estudos de cabeza transfieren la talla horizontal que hace que el haz funcione de manera composta, y su espaciamiento sigue el diagrama de flujo de la talla más estrechamente cerca del diagrama apoya donde la talla es más grande, más ancho en la mitad de la extensión un detalle que aparece constante en los planos de taller pero rara vez lo es, y su verificación contra la talla es parte de nuestra fabricación QA.

Las columnas y la secuencia de erección

La columna de espliza es donde el diseño se encuentra con la grúa de dos maneras: la ubicación de la espliza se elige para que ninguna pieza de columna exceda el envoltorio de elevación de las grúas de sitio (piezas típicas de dos a tres plantas, 812 m), y el detalle de la espliza debe transferir la fuerza completa de la columna con la carga axial y los momentos de flexión presentes en ese nivel. Las esplizas de caja a caja soldadas son de penetración completa con el respaldo retirado o sellado donde la articulación está expuesta; las esplizas de espliza de espliza utilizan barras de espliza en las flanges con tornillos críticos de gran resistencia, dimensionadas de modo que la fuerza de la columna sea transportada por las placas y los tornillos mientras que la espliza lleva la transferencia de la telara. La lógica de la erección que sigue: la columna de espliza de la columna de espiza, con dos torcedores en la red, con la sola tolerancia vertical en la columna de torsión, y la torcón de torcón, con dos torcón de torcón, con la torcón de torcón de torcón, H/1.000. El marco no es estable piso por piso se estabiliza cuando se funden las laspas de piso compuesto y las bahías de apoyo están cerradas por lo que el plan de secuencia de erección y el programa de guía temporal forman parte de la documentación de diseño permanente, y el cronograma del propietario debe tratar el torqueado de la espliza y el fundición de las laspas como puertas de ingeniería, no como elementos de velocidad del sitio.

Puntos clave

• La selección del sistema es una decisión de altura: marcos de momento a unos 60110 m, marcos de braza a unos 180 m, marcos híbridos de núcleo a 300 m, marcos mega más allá de con intensidad sísmica por GB 50011-2010 Cuadro 6.1.1 recortando cada banda.
• La deriva interplanetaria rige el tamaño: El límite de capacidad de funcionamiento del viento H/400 de la JGJ 99-2015 (H/300 en casos de terremotos frecuentes, H/50 elastóplastico) es el número que mide el sistema lateral, no el estrés.
• P-Δ es real por encima de 150 m: comprobar el coeficiente de estabilidad θ frente a 0,1/0,25, utilizar la gravedad mínima plausible e incluir tanto el P-Δ global como el miembro P-δ.
• Se mide la comodidad, no se asume: límites de aceleración de los pisos superiores de 0,15 m/s2 (residencia) y 0,25 m/s2 (oficina) a viento de 10 años por GB 50009-2012, cerrados por forma, amortiguación o rigidez.
• Los BRBs convierten la simetría de los braces en dinero: un núcleo encasillado de bajo rendimiento disipa varias veces la energía de un soporte convencional para la misma rigidez, reduciendo el tonelaje del sistema lateral en zonas sísmicas altas.
• Fuego y pisos son decisiones de secuencia: R90R120 protección y las láminas compuestas con los estudos de cabeza, con la secuencia de fundición de las láminas diseñada en el calendario de la erección desde el primer día.

Para un programa de construcción de 20 pisos a 300 m, nuestro equipo de ingenieros puede revisar o producir la selección del sistema, estudios de deriva y confort, diseños de los aparatos y el paquete de fabricación con detalles de fuego y piso coordinados. Contacte con nuestro equipo de ingeniería para un estudio de viabilidad del sistema estructural.