Date of Award

9-2012

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Aman Mwafy

Second Advisor

Dr. Khaled El-Sawy

Abstract

High-rise buildings have a priority when considering the potential consequences from natural hazards since they represent concentrated human and monetary assets. The use of high strength materials is promoted in this class of structures to effectively use floor areas, control vibrations and expedite construction. There is a pressing need to investigate the relationship between structural performance and economics of high-rise buildings with different material strengths under lateral loads, particularly seismic loads that control the design of a wide range of buildings.

To realistically represent the modern high-rise construction, five 60-story reinforced concrete (RC) buildings with varying material strengths, ranging from 45 to 110 MPa, are designed and detailed to fine accuracy keeping almost equal periods of vibration. The construction cost in terms of steel, concrete and formwork is calculated and compared with the increase in useable area. Detailed multi-degrees of freedom fiber-based simulation models are developed and used to assess the seismic response of the reference structures under the effect of 20 natural and artificially generated ground motions. Over 1600 inelastic pushover analyses, (IPAs) and incremental dynamic analyses (IDAs) are carried out and the results are processed to assess the structural performance of the reference structures.

It is concluded that the cost effectiveness depends to a large extent on the cost of steel reinforcement. With increasing concrete strength, the capacity of the concrete cross-section to resist axial loads increases, and hence reduces the need for reinforcing steel. Although the unit cost of concrete increases with increasing strength, the reductions in reinforcement ratios and section sizes as well as the increase in the saleable area result in the most effective and profitable design.

Pushover analysis results indicate that the over strength factors, distributions of plastic hinges and lateral stiffness at different strength levels are comparable for buildings designed to different material strengths. The seismic behavior of high-rise buildings with different material characteristics is assessed by verifying the seismic design response factors, namely the over strength, force reduction and deflection amplification factors. The relative structural performance and damage states of the five reference structures are also evaluated through the use of fragility relationships. High safety margins are generally observed for the reference shear wall structures, which frequently increase with increasing material strength. The probability oif moderate damage at twice the design PGA and the probability of reaching collapse decrease with increasing material strength. The derived fragility relationship and damage states confirm that the behavior of high strength concrete structures is not inferior, but may be safer at high ground motion intensity levels, than that of normal strength material buildings. For the reference 60-story buildings, the total profit gained from using high-strength concrete reaches $4.77 million, which is 4.95% higher than the lowest strength concrete building. The overall improvement in profit-performance exceeeds10percentage for the highest concrete strength building compared with the lowest material counterpart. The presented systemic performance and cost assessment study provide provides practical insights into the economics and lateral response of high strength tall building in earth-quake prone regions at different performance levels.

Arabic Abstract

ملخص

تحظى المباني المرتفعة بالأولوية وذلك بالنظر للعواقب المحتملة من الأخطار الطبيعية، حيث تحتوي هذه المباني على أعداد كبيرة من البشر بالإضافة لقيمتها المادية. وينصح باستخدام مواد بناء عالية التحمل في هذه المباني للاستفادة من المساحات، والتحكم في الاهتزازات، وتسريع الإنشاء. وهناك حاجة ملحة لدراسة العلاقة بين السلوك الإنشائي واقتصاديات المباني المرتفعة المستخدمة بإنشائها مواد ذات قدرة تحمل مختلفة تحت تأثير الأحمال الجانبية، وبخاصة أحمال الزلازل التي تتحكم في تصميم قطاع عريض من المباني.

ولتمثيل المباني المرتفعة الحديثة بواقعية، تم تصميم خمسة مباني من الخرسانة المسلحة بدقة عالية للحفاظ على خصائص ديناميكية متساوية لها، حيث يتألف كل مبنى من 60 طابقاً وذلك باستخدام مواد بناء متفاوتة التحمل تتراوح بين 45 إلى 110 ميجا باسكال. وتم حساب تكلفة البناء من حيث حديد التسليح والخرسانة وشدات الصب ومقارنتها مع الزيادة في المساحة الصالحة للاستخدام، وقد تم تطوير نماذج محاكاة تفصيلية للمباني المدروسة باستخدام طريقة النمذجة بالألياف وذلك لتقييم سلوكها تحت تأثير 20 مركبة لزلازل أرضية طبيعية واصطناعية. وتم إجراء أكثر من 1600 تحليل الاستاتيكية والديناميكية اللاخطية المتزايدة الشدة، وتمت معالجة النتائج لتقييم الأداء الإنشائي للمباني المرجعية.

وخلصت الدراسة إلى أن التكلفة تتوقف إلى حد كبير على كلفة حديد التسليح. فبزيادة قدرة تحمل الخرسانة تزداد كفاءة القطاعات الخرسانية لمقاومة الأحمال المحورية، وبالتالي تقل الحاجة إلى حديد التسليح. وعلى الرغم من أن تكلفة الخرسانة تزداد بزيادة قدرتها التحملية، فإن التقليل من نسب حديد التسليح وأحجام القطاعات الخرسانية وكذلك الزيادة في المساحات القابلة للبيع يؤدي إلى الوصول لأكثر التصميمات فعالية وربحية.

وتشير نتائج التحليلات الاستاتيكية اللاخطية المتزايدة الشدة إلى أن معاملات التحمل والجساءة الجانبية تعتبر متكافئة بالنسبة للمباني المصممة طبقاً لمواد بناء متفاوتة التحمل. وتم تقييم سلوك المباني العالية المستخدمة بنائها مواد مختلفة الخصائص تحت تأثير الزلازل وذلك عن طريق التحقق من معاملات التصميم، وخصوصاً معامل التحمل، ومعامل تقليل أحمال الزلازل التصميمية، ومعامل تضخيم التشكلات. كما تم تقييم الأداء الإنشائي النسبي ومدى الضرر للمباني الخمسة المدروسة من خلال استخدام علاقات لبيان مدى ضعف المنشأ. وتلاحظ بصفة عامة وجود هوامش أمان عالية في المنشآت المدروسة المعتمدة على حوائط قص، والتي تزيد في كثير من الأحيان بزيادة تحمل مواد الإنشاء. وتنخفض احتمالية حدوث أضرار متوسطة عند ضعف الزلازل التصميمي وكذلك احتمالية الوصول إلى مرحلة الانهيار بزيادة قدرة تحمل مواد الإنشاء. وتؤكد علاقات ضعف المنشأ وحالات الضرر المستنتجة منها أن سلوك المباني الخرسانية المستخدمة بناتها مواد عالية القدرة ليس أقل من المباني ذات المواد العادية، بل إن هذه المباني قد تكون أكثر أماناً في حالات الزلازل الأرضية الشديدة. وبالنسبة للمباني المدروسة التي تتألف من 60 طابقاً، يصل إجمالي الربح الناتج عن استخدام خرسانة عالية القدرة إلى 4.77 مليون دولار، وهو ما يزيد بنسبة 4.95% عن الربح الذي تحققه المباني التي تستخدم المواد الأقل من حيث القدرة. ويتجاوز التحسن العام في الربحية والسلوك الإنشائي للمباني الخرسانية المستخدمة بناتها مواد عالية القدرة ما نسبته 10% مقارنة بالمباني ذات الخرسانة العادية. وتقدم هذه الدراسة المنهجية لتقييم الأداء الإنشائي والتكلفة رؤى متعمقة وعملية عن اقتصاديات وسلوك المباني المرتفعة المستخدمة بناتها مواد عالية القدرة في المناطق المعرضة للزلازل.

Download
COinS