Strukturna zasnova in analiza 8-nadstropne večnamenske montažne zgradbe za filipinskega naročnika

Strukturna zasnova in analiza 8-nadstropne večnamenske stavbe za filipinskega naročnika

 

 

Ta projekt je 8-nadstropna večnamenska stavba v Manili na Filipinih s skupno dimenzijo 20 m × 20 m. Višina vsake etaže je zasnovana takole: 1. etaža (parkirišče) plus medetaža skupaj 6 m; 2. nadstropje (skladišče) je visoko 6m; 3. in 4. nadstropje (pisarniški prostori) sta v 4,5 m oziroma 3,4 m; 5. do 7. nadstropje (stanovanjski prostori) je visoko po 3,4 m; 8. nadstropje (strešni javni prostor) plus višina strehe je 2,8 m. Za optimizacijo prostora so razporejene samo 3 vrste konstrukcijskih stebrov: os A ima skupaj 4 stebre, razmik med osjo A in osjo B je 13,2 m, razmik med osjo B in osjo C pa 6,8 m. Razmik med 4 stebri na osi A je 5,9 m (1-2 osi), 8,2 m (2-3 osi) oziroma 5,9 m (3-4 osi).

 

 

 

Nacionalni strukturni kodeks Filipinov (NSCP) 2015: ureja celotno konstrukcijsko zasnovo, izračun obremenitve, zmogljivost materiala in varnostne zahteve.

Filipinski gradbeni zakonik (PBC) 2004: Ureja uporabo zgradb, požarno varnost in strukturno vzdržljivost, ki ustreza večnamenskim zgradbam (parkirišče, skladišče, pisarna, stanovanjski, javni prostor).

Merila seizmične zasnove: Manila se nahaja v zmernem potresnem območju z največjim pospeškom tal (PGA) 0,15 g; konstrukcijska zasnova sprejme seizmično intenziteto 7 (0,15 g) za proti-seizmično preverjanje.

Merila vetrne obremenitve: osnovna hitrost vetra v Manili je 45 m/s (3. kategorija); izračun obremenitve vetra sledi 28. poglavju NSCP 2015 ob upoštevanju porazdelitve tlaka vetra in strukturnega koeficienta upora vetra.

 

 

Lastna obremenitev (DL): Po NSCP 2015 v kombinaciji s funkcijo stavbe: streha (2,5 kN/m²), stanovanjska tla (2,0 kN/m²), pisarniška tla (2,5 kN/m²), skladiščna tla (5,0 kN/m²), parkirišče (4,0 kN/m²), medetaža (3,0 kN/m²); lastna-teža elementov jeklene konstrukcije se izračuna na podlagi dejanske velikosti preseka.

Življenjska obremenitev (LL): stanovanjsko območje (2,5 kN/m²), pisarniško območje (3,0 kN/m²), skladišče (10,0 kN/m²), parkirišče (2,5 kN/m² na vozilo, plus 1,0 kN/m² za pešca), strešni javni prostor (2,0 kN/m²).

Potresna obremenitev (EL): izračunana z metodo odzivnega spektra ob upoštevanju porazdelitve strukturne mase, značilnosti togosti in razmerja dušenja (0,05 za jeklene konstrukcije).

Obremenitev z vetrom (WL): izračunana kot pritisk vetra (w=0.613 × V², V=45 m/s) in porazdeljena na vsako nadstropje glede na višino in konstrukcijsko obliko; Vibracije,-ki jih povzroča veter, so preverjene za-visoke dele (5-8 nadstropij).

Druge obremenitve: Snežna obremenitev se ne upošteva (Manila je tropska regija); potres{0}}povzročene sekundarne obremenitve (kot je učinek P-Δ) in temperaturne obremenitve so vključene v preverjanje načrtovanja.

 

 

Glede na gradbeno funkcijo, prostorske zahteve in zahteve lokalnih predpisov je sprejeta konstrukcija jeklenega okvirja, ki ima prednosti majhne teže, visoke trdnosti, dobre duktilnosti in hitre gradnje. Posebna strukturna ureditev je naslednja:

Stebri: uporabljeni so jekleni H-nosilci; odseki stebrov so določeni glede na-nosilnost vsakega nadstropja. 1.-2. nadstropje (parkirišče + skladišče) sprejme H600×250×8×12 mm zaradi velike obremenitve; 3.-4. nadstropje (pisarna) sprejme H500×200×7×10 mm; 5.-8. nadstropje (stanovanjska + streha) sprejme H400×200×6×8 mm.

Nosilci: Jekleni H-nosilci se uporabljajo za talne nosilce in strešne nosilce. Nosilci med osjo A in osjo B (razpon 13,2 m) imajo H500×200×7×10 mm (1.-2. nadstropje) in H450×180×6×9 mm (3.-8. nadstropje); nosilci med osjo B in osjo C (razpon 6,8 m) sprejmejo H400×180×6×8 mm (vsa tla); medetažni nosilci sprejmejo H300×150×6×8 mm.

Talna plošča: Sprejeta je kompozitna talna plošča (jeklena plošča + beton) z debelino betona 120 mm (stanovanjska/pisarna), 150 mm (skladišče/parkirišče) in 100 mm (medetaža/streha); model jeklene plošče je B-120, z debelino 1,2 mm.

Sistem stranskega upora: sam jekleni okvir zagotavlja bočno togost; poleg tega so na vogalih stavbe (osi A-1, A-4, C-1, C-4) nameščene diagonalne opornice za povečanje bočne odpornosti proti vetru in potresnim obremenitvam.

 

 

Poraba jekla vključuje vse glavne konstrukcijske elemente: stebre, nosilce, talne jeklene plošče, diagonalne opornice in priključne komponente (vijaki, varilni materiali itd.). Dodatek 10% je dodan za spojne komponente (vijaki, varjenje itd.) glede na težo glavnih elementov, kar je v skladu z običajnim standardom za izračun projektov jeklenih konstrukcij.

 

 

Strukturna komponenta	Specifikacija	Količina	Teža enote (kg/m)	Skupna dolžina (m)	Skupna teža (kg)
Stebri (1.-2. nadstropje)	H600×250×8×12	12 (3 vrstice × 4 stolpci)	118.5	144 (12 stebrov × 12 m skupne višine za 1.-2. nadstropje)	17064
Stebri (3.-4. nadstropje)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 stebrov × 7,5 m skupne višine za 3.-4. nadstropje)	7587
Stebri (5.-8. nadstropje)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 stebrov × 11,2 m skupne višine za 5.–8. nadstropje)	8346.24
Tramovi (os A-B, 1.–2. nadstropje)	H500×200×7×10	24 (4 razponi × 6 nadstropij, 1.–2. nadstropje)	84.3	316,8 (24 nosilcev × 13,2 m razpona)	26706.24
Tramovi (A-B os, 3.–8. nadstropje)	H450×180×6×9	48 (4 razponi × 12 nadstropij, 3.–8. nadstropja)	70.2	633,6 (48 nosilcev × 13,2 m razpona)	44478.72
Tramovi (B-C os, vse etaže)	H400×180×6×8	72 (4 razponi × 18 nadstropij, vseh 8 nadstropij)	58.5	489,6 (72 nosilcev × 6,8 m razpona)	28641.6
Medetažni tramovi	H300×150×6×8	12 (4 razponi × 3 vrstice)	40.2	120 (12 nosilcev × povprečni razpon 10 m)	4824
Diagonalne naramnice	H200×150×6×8	32 (4 vogali × 8 nadstropij)	30.1	179,2 (32 naramnic × povprečna dolžina 5,6 m)	5393.92
Talna jeklena plošča	B-120 (1,2 mm)	1 komplet (vsa tla)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 etaže, brez strehe)	34560
Strešna jeklena plošča	B-120 (1,2 mm)	1 komplet	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Glavni člani Skupaj	-	-	-	-	182407.72
Dodatek za povezavo (10 %)	-	-	-	-	18240.77
Skupna poraba jekla	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 ton)

 

Skupna poraba jekla: približno 200,65 metričnih ton (vključno z 10-odstotnim dodatkom za povezavo).

Poraba jekla na enoto: 200,65 ton / (20m×20m×8 nadstropij)=62.7 kg/m² (izračunano na podlagi skupne površine tal 3200 m²).

Poraba jekla na enoto je znotraj razumnega razpona (60–80 kg/m²) za večnamenske zgradbe z jeklenim okvirjem, kar je skladno s standardi oblikovanja podobnih projektov v Manili.

 

 

Naslednja analiza ocenjuje uporabnost trenutne konstrukcijske zasnove (na podlagi lokalnih kodeksov Manile) na glavnih trgih CBC, kot so Tonga, Nova Kaledonija, Papua Nova Gvineja, Čile in Peru, pri čemer se osredotoča na razlike v lokalnih seizmičnih, vetrnih obremenitvah in zahtevah gradbenih predpisov.

 

 

Potresne razmere: Tonga se nahaja v območju visoke potresnosti (pacifiški ognjeni obroč) s PGA 0,30–0,40 g, kar je veliko višje od 0,15 g v Manili.

Vetrna obremenitev: Osnovna hitrost vetra je 55-60 m/s (ciklonsko območje), bistveno višja od 45 m/s v Manili.

Zahteve kodeksa: Skladno z gradbenim kodeksom Tonga (TBC) 2018, ki ima strožje zahteve za bočno odpornost in strukturno duktilnost.

Presoja uporabnosti: Ni priporočljivo. Trenutna strukturna togost in potresna odpornost nista zadostni, da bi prenesli visoke potresne in vetrne obremenitve Tonge; odseke stebrov-nosilcev in stranski oporni sistem je treba znatno okrepiti, poraba jekla pa se bo povečala za 30-40 %.

 

 

Seizmične razmere: Zmerno potresno območje s PGA 0,20 g, nekoliko višjim od 0,15 g v Manili.

Vetrna obremenitev: Osnovna hitrost vetra je 50 m/s (območje, izpostavljeno tropskim ciklonom), večja od 45 m/s v Manili.

Zahteve kodeksa: Upošteva gradbeni kodeks francoskih čezmorskih ozemelj (RTC) 2020, ki je podoben evropskim standardom in ima stroge zahteve glede strukturne vzdržljivosti in odpornosti proti vetru.

Presoja o uporabnosti: zahteva spremembo. Trenutna zasnova se lahko prilagodi po delnih prilagoditvah: okrepi stranski oporni sistem, poveča debelino prirobnic stebrov-nosilcev za 2-3 mm in prilagodi parametre seizmičnega izračuna; poraba jekla se bo povečala za 15-20 %.

 

Potresni pogoji: visoko potresno območje s PGA 0,25–0,35 g, višje od 0,15 g v Manili; potresna aktivnost je pogosta in intenzivna.

Obremenitev z vetrom: Osnovna hitrost vetra je 48-52 m/s, nekoliko višja od 45 m/s v Manili.

Zahteve kodeksa: Sprejema Nacionalni gradbeni kodeks Papue Nove Gvineje (PNG NBC) 2015, ki poudarja potresno odpornost in strukturno duktilnost visokih -gradb.

Presoja o uporabnosti: zahteva spremembo. Glavne prilagoditve vključujejo: povečanje velikosti odseka -nosilca stebra (zlasti v 1. in 2. nadstropju), dodajanje več stranskih opornikov in optimizacijo sistema za disipacijo potresne energije; poraba jekla se bo povečala za 25-30 %.

 

 

Potresne razmere: eno najvišjih potresnih območij na svetu s PGA 0,40-0,50g, kar daleč presega 0,15g v Manili; potresi velike magnitude se pojavljajo pogosto.

Obremenitev z vetrom: Osnovna hitrost vetra je 40-45 m/s, podobna 45 m/s v Manili.

Zahteve kodeksa: Upošteva čilski gradbeni kodeks (NCh 433 of. 2017), ki ima najstrožje standarde potresnega projektiranja na svetu, ki zahtevajo visoko strukturno duktilnost in zmogljivost disipacije energije.

Presoja uporabnosti: Ni priporočljivo. Trenutni strukturni sistem ne more izpolniti izjemno-visokih seizmičnih zahtev Čila; nov potresno{2}}odporen sistem (kot je jekleni okvir-opor-sistem odvoda energije) je treba preoblikovati in poraba jekla se bo povečala za 50 % ali več.

 

 

Potresni pogoji: visoko potresno območje s PGA 0,25–0,30 g, višje od 0,15 g v Manili; seizmična intenzivnost se razlikuje glede na regijo (obalna območja so hujša).

Obremenitev z vetrom: Osnovna hitrost vetra je 42-48 m/s, nekoliko nižja ali podobna 45 m/s v Manili.

Zahteve kodeksa: Sprejema perujski gradbeni kodeks (E070) 2017, ki ima stroge zahteve glede potresne zasnove in strukturne stabilnosti visokih -gradb.

Presoja o uporabnosti: zahteva spremembo. Glavne prilagoditve vključujejo: okrepitev povezav stebrov-nosilcev, povečanje bočne togosti konstrukcije in optimizacijo izračuna potresne obremenitve; poraba jekla se bo povečala za 20-25 %.

 

 

Regija	Seizmični PGA (g)	Osnovna hitrost vetra (m/s)	Sodba o uporabnosti	Potrebne so ključne spremembe
Manila (Filipini)	0.15	45	Popolnoma uporabno	Noben
Tonga	0.30-0.40	55-60	Ni priporočljivo	Celovito preoblikovanje strukturnega sistema, znatno povečanje velikosti odseka in stranskih opornikov
Nova Kaledonija	0.20	50	Zahteva spremembo	Okrepite stransko oporo, povečajte debelino prirobnice, prilagodite seizmične parametre
Papua Nova Gvineja	0.25-0.35	48-52	Zahteva spremembo	Povečajte velikost odseka-nosilca stebra, dodajte stranske opornike, optimizirajte sistem disipacije energije
Čile	0.40-0.50	40-45	Ni priporočljivo	Preoblikujte potresno-odporen sistem, dodajte disipatorje energije, močno povečajte strukturno togost
Peru	0.25-0.30	42-48	Zahteva spremembo	Okrepite povezave stebrov-nosilcev, povečajte stransko togost, optimizirajte potresni izračun

 

Na podlagi izpolnjevanja lokalnih kodeksov Manile in zagotavljanja strukturne varnosti je mogoče sprejeti naslednje optimizacijske ukrepe za zmanjšanje porabe jekla, izboljšanje strukturne učinkovitosti in zmanjšanje stroškov projekta, ne da bi to vplivalo na funkcijo stavbe in prostorske zahteve.

 

 

Stebri: Za 5.-8. nadstropje (stanovanjski prostor, majhna obremenitev) se lahko prerez stebra optimizira od H400×200×6×8 mm do H350×180×6×8 mm. Preverjanje razmerja napetosti kaže, da lahko optimizirani odsek še vedno izpolnjuje zahteve glede nosilnosti, kar zmanjša porabo jekla za približno 8 % za te stebre.

Nosilci: Za nosilce med osjo B in osjo C (razpon 6,8 m, majhna obremenitev) je mogoče presek optimizirati od H400×180×6×8 mm do H350×180×6×8 mm, kar zmanjša porabo jekla za približno 6 % za te nosilce.

 

 

Sedanje diagonalne zatege so urejene v vseh 8 etažah; jih je mogoče optimizirati za razporeditev v intervalih (vsaki 2 nadstropji) za 5.-8. nadstropje (stanovanjski prostor, majhna bočna obremenitev). Ta prilagoditev lahko zmanjša število opornikov za 50 % za zgornja nadstropja, hkrati pa zagotovi, da stranska togost izpolnjuje zahteve, kar zmanjša porabo jekla za približno 5 % za oporni sistem.

 

 

Trenutna zasnova uporablja jeklo Q235B in Q355B; mogoče ga je zamenjati z vsemi Q355B ali visoko{3}}trdnimi jekli za glavne stebre in nosilce (1.-4. nadstropja, velika obremenitev). tako se lahko velikost preseka primerno zmanjša ob ohranjanju enake nosilnosti. Ta optimizacija lahko zmanjša porabo jekla za približno 10-12 % za glavne člene.

 

 

Za 5. -7. nadstropje (stanovanjsko območje) se lahko debelina betonske plošče kompozitne talne plošče zmanjša s 120 mm na 100 mm, debelina jeklene plošče pa se lahko ohrani na 1,2 mm. Ta prilagoditev lahko zmanjša lastno obremenitev tal, s čimer se zmanjšajo zahteve glede nosilnosti stebrov in nosilcev ter posredno zmanjša poraba jekla za približno 3-4 %.

 

 

Po celoviti optimizaciji se lahko skupna poraba jekla zmanjša za 15-20 %, s prvotnih 200,65 ton na 160,52-170,55 ton. Poraba jekla na enoto se bo zmanjšala na 50,16–53,30 kg/m², kar je še vedno v razumnem obsegu in lahko učinkovito zmanjša stroške projekta, hkrati pa zagotavlja strukturno varnost in izpolnjuje zahteve lokalnih predpisov.

 

Strukturna zasnova 8-nadstropne večnamenske zgradbe izpolnjuje zahteve lokalnih kodeksov Manile (NSCP 2015, PBC 2004) in zahteve glede obremenitev s skupno porabo jekla približno 200,65 ton in porabo jekla na enoto 62,7 kg/m². Za druge regije: v celoti velja v Manili; zahteva spremembe v Novi Kaledoniji, Papui Novi Gvineji in Peruju (z ustreznim povečanjem porabe jekla); in ni priporočljivo v Tongi in Čilu (zaradi izjemno visokih zahtev glede potresne/vetrne obremenitve). Z optimizacijo odsekov, zamenjavo materiala in prilagoditvijo sistema je mogoče porabo jekla zmanjšati za 15-20 %, ne da bi to vplivalo na konstrukcijsko varnost, kar ima pomembne gospodarske koristi.