Projekt konstrukcyjny i analiza 8-piętrowego wielofunkcyjnego budynku prefabrykowanego dla klienta z Filipin

Projekt konstrukcyjny i analiza 8-piętrowego budynku wielofunkcyjnego dla klienta z Filipin

 

 

Projekt ten to 8-piętrowy wielofunkcyjny budynek zlokalizowany w Manili na Filipinach, o całkowitych wymiarach 20m × 20m. Wysokość każdej kondygnacji zaprojektowano następująco: I piętro (parking) plus antresola łącznie 6 m; II piętro (magazyn) ma wysokość 6 m; kondygnacje III i IV (powierzchnie biurowe) mają odpowiednio 4,5 m i 3,4 m; piętra od 5. do 7. (obszary mieszkalne) mają wysokość 3,4 m każde; 8 piętro (pomieszczenie ogólnodostępne na dachu) plus wysokość dachu wynosi 2,8m. W celu optymalizacji przestrzeni rozmieszczone są tylko 3 rzędy słupów konstrukcyjnych: oś A ma w sumie 4 kolumny, odstęp między osią A i osią B wynosi 13,2 m, a odstęp między osią B i osią C wynosi 6,8 m. Odstęp pomiędzy 4 kolumnami na osi A wynosi odpowiednio 5,9 m (1-2 osie), 8,2 m (2-3 osie) i 5,9 m (3-4 osie).

 

 

 

Krajowy kodeks konstrukcyjny Filipin (NSCP) 2015: Reguluje ogólny projekt konstrukcyjny, obliczanie obciążenia, wydajność materiałów i wymagania bezpieczeństwa.

Filipiński kodeks budowlany (PBC) 2004: Reguluje użytkowanie budynków, bezpieczeństwo przeciwpożarowe i trwałość konstrukcji odpowiadającą budynkom wielofunkcyjnym (parking, magazyn, biuro, mieszkanie, przestrzeń publiczna).

Kryteria projektowania sejsmicznego: Manila położona jest w umiarkowanej strefie sejsmicznej o szczytowym przyspieszeniu gruntu (PGA) wynoszącym 0,15 g; w projekcie konstrukcyjnym przyjęto intensywność sejsmiczną 7 (0,15 g) na potrzeby kontroli-sejsmicznej.

Kryteria obciążenia wiatrem: Podstawowa prędkość wiatru w Manili wynosi 45 m/s (kategoria 3); Obliczenia obciążenia wiatrem są zgodne z rozdziałem 28 NSCP 2015, biorąc pod uwagę rozkład ciśnienia wiatru i współczynnik konstrukcyjnego oporu wiatru.

 

 

Ciężar własny (DL): Według NSCP 2015 w połączeniu z funkcją budynku: dach (2,5 kN/m²), piętro mieszkalne (2,0 kN/m²), piętro biurowe (2,5 kN/m²), piętro magazynu (5,0 kN/m²), parking (4,0 kN/m²), antresola (3,0 kN/m²); Ciężar własny-elementów konstrukcji stalowej jest obliczany na podstawie rzeczywistego rozmiaru przekroju.

Obciążenie użytkowe (LL): Powierzchnia mieszkalna (2,5 kN/m²), powierzchnia biurowa (3,0 kN/m²), magazyn (10,0 kN/m²), parking (2,5 kN/m² na pojazd plus 1,0 kN/m² dla pieszych), przestrzeń publiczna na dachu (2,0 kN/m²).

Obciążenie sejsmiczne (EL): Obliczane metodą widma odpowiedzi, biorąc pod uwagę rozkład masy konstrukcyjnej, charakterystykę sztywności i współczynnik tłumienia (0,05 dla konstrukcji stalowych).

Obciążenie wiatrem (WL): Obliczane jako ciśnienie wiatru (w=0.613 × V², V=45 m/s) i rozkładane na każde piętro zgodnie z wysokością i kształtem konstrukcyjnym; Wibracje wywołane-wiatrem sprawdza się w przypadku-wysokich części (5-8 pięter).

Inne ładunki: obciążenie śniegiem nie jest brane pod uwagę (Manila to region tropikalny); Kontrola projektu uwzględnia-obciążenia wtórne wywołane trzęsieniem ziemi (takie jak efekt P-Δ) i naprężenia temperaturowe.

 

 

Biorąc pod uwagę funkcję budynku, wymagania przestrzenne i wymagania lokalnych przepisów, przyjęto stalową konstrukcję ramową, która ma zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości, dobrej ciągliwości i szybkiej konstrukcji. Konkretny układ konstrukcyjny jest następujący:

Słupy: zastosowano stalowe-belki dwuteowe; przekroje słupów są określane zgodnie z nośnością-każdej kondygnacji. Piętra 1-2 (parking + magazyn) przyjmują H600×250×8×12 mm ze względu na duże obciążenie; piętra 3-4 (biuro) przyjmują H500×200×7×10 mm; piętra 5-8 (mieszkalne + dach) przyjmują H400×200×6×8 mm.

Belki: Stalowe belki dwuteowe- są używane do belek stropowych i belek dachowych. Belki pomiędzy osią A i osią B (rozpiętość 13,2 m) przyjmują wymiary H500×200×7×10 mm (1-2 piętro) i H450×180×6×9 mm (3-8 piętro); belki pomiędzy osią B i osią C (rozpiętość 6,8 m) przyjmują H400×180×6×8 mm (wszystkie kondygnacje); belki antresoli przyjmują H300 × 150 × 6 × 8 mm.

Płyta podłogowa: Przyjęto zespoloną płytę podłogową (pomost stalowy + beton) o grubości betonu 120 mm (mieszkanie/biuro), 150 mm (magazyn/parking) i 100 mm (anetresola/dach); model pokładu stalowego to B-120 o grubości 1,2 mm.

System oporu bocznego: Sama stalowa rama zapewnia sztywność boczną; dodatkowo w narożach budynku umieszczono stężenia ukośne (oś A-1, A-4, C-1, C-4) zwiększające odporność boczną na obciążenia wiatrem i sejsmiczne.

 

 

Zużycie stali obejmuje wszystkie główne elementy konstrukcyjne: słupy, belki, stalowe pomosty stropowe, stężenia ukośne i elementy połączeń (śruby, materiały spawalnicze itp.). Na elementy połączeń (śruby, spawanie itp.) dodawany jest dodatek 10% w oparciu o ciężar głównych elementów, co jest zgodne z konwencjonalną normą obliczeniową w projektach konstrukcji stalowych.

 

 

Element konstrukcyjny	Specyfikacja	Ilość	Masa jednostki (kg/m)	Długość całkowita (m)	Całkowita waga (kg)
Kolumny (1-2 piętro)	H600×250×8×12	12 (3 rzędy × 4 kolumny)	118.5	144 (12 kolumn × 12 m wysokości całkowitej dla 1.-2. piętra)	17064
Kolumny (3.-4. piętro)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 kolumn × 7,5 m wysokości całkowitej dla 3.–4. piętra)	7587
Kolumny (5-8 piętro)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 kolumn × 11,2 m wysokości całkowitej dla pięter 5–8)	8346.24
Belki (oś A-B, 1.-2. piętro)	H500×200×7×10	24 (4 przęsła × 6 pięter, piętra 1-2)	84.3	316,8 (24 belki × rozpiętość 13,2 m)	26706.24
Belki (oś A-B, piętra 3-8)	H450×180×6×9	48 (4 przęsła × 12 pięter, piętra 3-8)	70.2	633,6 (48 belek × rozpiętość 13,2 m)	44478.72
Belki (oś B-C, wszystkie piętra)	H400×180×6×8	72 (4 przęsła x 18 pięter, wszystkie 8 pięter)	58.5	489,6 (72 belki × rozpiętość 6,8 m)	28641.6
Belki antresoli	H300×150×6×8	12 (4 przęsła × 3 rzędy)	40.2	120 (12 belek × średnia rozpiętość 10 m)	4824
Nawiasy ukośne	H200×150×6×8	32 (4 rogi × 8 pięter)	30.1	179,2 (32 szelki × średnia długość 5,6 m)	5393.92
Podłoga ze stali	B-120 (1,2 mm)	1 zestaw (wszystkie piętra)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 pięter, bez dachu)	34560
Pokład dachowy stalowy	B-120 (1,2 mm)	1 zestaw	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Główni członkowie Razem	-	-	-	-	182407.72
Dodatek na połączenie (10%)	-	-	-	-	18240.77
Całkowite zużycie stali	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 ton)

 

Całkowite zużycie stali: około 200,65 ton (w tym 10% naddatku na połączenie).

Jednostkowe zużycie stali: 200,65 ton / (20m×20m×8 pięter)=62.7 kg/m² (obliczone na podstawie całkowitej powierzchni podłogi 3200 m²).

Jednostkowe zużycie stali mieści się w rozsądnym przedziale (60-80 kg/m²) dla wielofunkcyjnych budynków o konstrukcji stalowej, co jest zgodne ze standardami projektowymi podobnych projektów w Manili.

 

 

Poniższa analiza ocenia możliwość zastosowania obecnego projektu konstrukcyjnego (w oparciu o lokalne przepisy Manili) na głównych rynkach CBC, takich jak Tonga, Nowa Kaledonia, Papua Nowa Gwinea, Chile i Peru, koncentrując się na różnicach w lokalnych wymaganiach sejsmicznych, obciążeniu wiatrem i przepisach budowlanych.

 

 

Warunki sejsmiczne: Tonga znajduje się w strefie o wysokiej aktywności sejsmicznej (Pierścień Ognia Pacyfiku) z PGA wynoszącym 0,30–0,40 g, czyli znacznie wyższym niż 0,15 g w Manili.

Obciążenie wiatrem: Podstawowa prędkość wiatru wynosi 55-60 m/s (region cyklonowy), znacznie wyższa niż 45 m/s w Manili.

Wymagania normowe: Zgodność z przepisami budowlanymi Tonga (TBC) 2018, które zawierają bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące nośności bocznej i plastyczności konstrukcji.

Ocena zastosowania: Niezalecane. Obecna sztywność konstrukcji i odporność sejsmiczna są niewystarczające, aby wytrzymać wysokie obciążenia sejsmiczne i wiatrowe Tongi; należy znacznie wzmocnić-sekcje belek słupowych i boczne układ stężeń, a zużycie stali wzrośnie o 30–40%.

 

 

Warunki sejsmiczne: Umiarkowana strefa sejsmiczna z PGA wynoszącą 0,20 g, nieco wyższą niż 0,15 g w Manili.

Obciążenie wiatrem: podstawowa prędkość wiatru wynosi 50 m/s (obszar-podatny na cyklon tropikalny), czyli jest wyższa niż 45 m/s w Manili.

Wymagania kodeksowe: Jest zgodny z francuskim kodeksem budowlanym dla terytoriów zamorskich (RTC) 2020, który jest podobny do norm europejskich i zawiera surowe wymagania dotyczące trwałości konstrukcji i odporności na wiatr.

Ocena zastosowania: wymaga modyfikacji. Obecny projekt można dostosować po częściowych korektach: wzmocnieniu bocznego układu stężeń, zwiększeniu grubości-półek słupów i belek o 2-3 mm oraz dostosowaniu parametrów obliczeń sejsmicznych; zużycie stali wzrośnie o 15-20%.

 

Warunki sejsmiczne: strefa o wysokiej aktywności sejsmicznej z PGA wynoszącym 0,25–0,35 g, wyższym niż 0,15 g w Manili; aktywność sejsmiczna jest częsta i intensywna.

Obciążenie wiatrem: Podstawowa prędkość wiatru wynosi 48-52 m/s, nieco więcej niż w Manili 45 m/s.

Wymagania przepisów: Przyjęto Narodowy Kodeks Budowlany Papui-Nowej Gwinei (PNG NBC) z 2015 r., który kładzie nacisk na odporność sejsmiczną i plastyczność konstrukcyjną-wysokich budynków.

Ocena zastosowania: wymaga modyfikacji. Główne zmiany obejmują: zwiększenie rozmiaru przekroju-belki słupa (zwłaszcza 1. i 2. piętra), dodanie większej liczby stężeń bocznych i optymalizację systemu rozpraszania energii sejsmicznej; zużycie stali wzrośnie o 25-30%.

 

 

Warunki sejsmiczne: jedna z najwyższych stref sejsmicznych na świecie z PGA wynoszącym 0,40-0,50 g, znacznie przekraczającym 0,15 g w Manili; trzęsienia ziemi o dużej sile występują często.

Obciążenie wiatrem: Podstawowa prędkość wiatru wynosi 40-45 m/s, podobnie jak w Manili 45 m/s.

Wymagania normowe: Zgodne z chilijskim kodeksem budowlanym (NCh 433 Of. 2017), który ma najsurowsze na świecie standardy projektowania sejsmicznego, wymagające wysokiej plastyczności konstrukcji i zdolności rozpraszania energii.

Ocena zastosowania: Niezalecane. Obecny system konstrukcyjny nie jest w stanie spełnić-bardzo wysokich wymagań sejsmicznych Chile; nowy system-sejsmiczny odporny na wstrząsy (taki jak stalowa rama-usztywnienie-system rozpraszania energii) wymaga przeprojektowania, a zużycie stali wzrośnie o 50% lub więcej.

 

 

Warunki sejsmiczne: strefa o wysokiej aktywności sejsmicznej z PGA wynoszącym 0,25–0,30 g, wyższym niż 0,15 g w Manili; intensywność sejsmiczna różni się w zależności od regionu (obszary przybrzeżne są bardziej dotkliwe).

Obciążenie wiatrem: Podstawowa prędkość wiatru wynosi 42-48 m/s, jest nieco niższa lub podobna do 45 m/s w Manili.

Wymagania normy: Przyjęto peruwiański kodeks budowlany (E070) 2017, który zawiera surowe wymagania dotyczące projektowania sejsmicznego i stabilności konstrukcyjnej-wysokich budynków.

Ocena zastosowania: wymaga modyfikacji. Główne dostosowania obejmują: wzmocnienie połączeń-belek słupów, zwiększenie sztywności bocznej konstrukcji i optymalizację obliczeń obciążenia sejsmicznego; zużycie stali wzrośnie o 20-25%.

 

 

Region	Sejsmiczne PGA (g)	Podstawowa prędkość wiatru (m/s)	Orzeczenie dotyczące możliwości zastosowania	Wymagane kluczowe modyfikacje
Manila (Filipiny)	0.15	45	W pełni zastosowanie	Nic
Tonga	0.30-0.40	55-60	Niezalecane	Kompleksowe przeprojektowanie układu konstrukcyjnego, znaczne zwiększenie wymiarów przekroju i stężeń bocznych
Nowa Kaledonia	0.20	50	Wymaga modyfikacji	Wzmocnij stężenia boczne, zwiększ grubość kołnierza, dostosuj parametry sejsmiczne
Papua Nowa Gwinea	0.25-0.35	48-52	Wymaga modyfikacji	Zwiększ rozmiar przekroju-belki słupa, dodaj stężenia boczne, zoptymalizuj system rozpraszania energii
Chile	0.40-0.50	40-45	Niezalecane	Przeprojektuj system-sejsmiczny, dodaj rozpraszacze energii i znacznie zwiększ sztywność konstrukcji
Peru	0.25-0.30	42-48	Wymaga modyfikacji	Wzmocnij połączenia-belek słupowych, zwiększ sztywność boczną, zoptymalizuj obliczenia sejsmiczne

 

Zakładając zgodność z lokalnymi przepisami Manili i zapewnienie bezpieczeństwa konstrukcji, można podjąć następujące działania optymalizacyjne w celu zmniejszenia zużycia stali, poprawy wydajności konstrukcji i zmniejszenia kosztów projektu, bez wpływu na funkcję budynku i wymagania przestrzenne.

 

 

Kolumny: w przypadku 5.-8. piętra (obszar mieszkalny, małe obciążenie) przekrój kolumny można zoptymalizować z H400×200×6×8 mm do H350×180×6×8 mm. Kontrola współczynnika naprężeń pokazuje, że zoptymalizowany przekrój może nadal spełniać wymagania dotyczące nośności, zmniejszając zużycie stali w przypadku tych kolumn o około 8%.

Belki: W przypadku belek pomiędzy osią B i osią C (rozpiętość 6,8 m, małe obciążenie) przekrój można zoptymalizować z H400×180×6×8 mm do H350×180×6×8 mm, zmniejszając zużycie stali o około 6% w przypadku tych belek.

 

 

Obecne stężenia ukośne rozmieszczone są na wszystkich 8 kondygnacjach; można je optymalizować do rozmieszczenia w odstępach (co 2 piętra) dla pięter 5-8 (część mieszkalna, małe obciążenie boczne). Ta regulacja może zmniejszyć liczbę stężeń o 50% w przypadku górnych kondygnacji, zapewniając jednocześnie sztywność boczną spełniającą wymagania, zmniejszając zużycie stali o około 5% w systemie stężeń.

 

 

W obecnym projekcie zastosowano stal Q235B i Q355B; można ją zastąpić całą stalą Q355B lub-o wysokiej wytrzymałości na główne kolumny i belki (pierwsze-czwarte piętro, duże obciążenie). dzięki czemu można odpowiednio zmniejszyć rozmiar przekroju przy zachowaniu tej samej nośności. Ta optymalizacja może zmniejszyć zużycie stali o około 10-12% w przypadku głównych elementów.

 

 

W przypadku 5.-7. piętra (obszar mieszkalny) grubość betonu zespolonej płyty podłogowej można zmniejszyć ze 120 mm do 100 mm, a grubość stalowego pomostu można utrzymać na poziomie 1,2 mm. Ta regulacja może zmniejszyć ciężar własny stropu, zmniejszając w ten sposób wymagania nośne słupów i belek, a pośrednio zmniejszając zużycie stali o około 3-4%.

 

 

Po kompleksowej optymalizacji całkowite zużycie stali można zmniejszyć o 15-20%, z pierwotnych 200,65 ton do 160,52-170,55 ton. Jednostkowe zużycie stali zostanie zmniejszone do 50,16-53,30 kg/m², co nadal mieści się w rozsądnym zakresie i może skutecznie obniżyć koszty projektu, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo konstrukcji i spełnienie wymagań lokalnych przepisów.

 

Projekt konstrukcyjny 8-piętrowego wielofunkcyjnego budynku spełnia wymagania lokalnych przepisów Manili (NSCP 2015, PBC 2004) i wymagań dotyczących obciążenia, przy całkowitym zużyciu stali wynoszącym około 200,65 ton i jednostkowym zużyciu stali wynoszącym 62,7 kg/m². Dla pozostałych regionów: ma pełne zastosowanie w Manili; wymaga modyfikacji w Nowej Kaledonii, Papui Nowej Gwinei i Peru (przy odpowiednim wzroście zużycia stali); i nie jest zalecany w Tonga i Chile (ze względu na bardzo wysokie wymagania dotyczące obciążenia sejsmicznego/wiatru). Dzięki optymalizacji przekrojów, wymianie materiałów i dostosowaniu systemu zużycie stali można zmniejszyć o 15–20% bez wpływu na bezpieczeństwo konstrukcji, co zapewnia znaczne korzyści ekonomiczne.