Konštrukčný návrh a analýza 8-poschodovej multifunkčnej montovanej budovy pre filipínskeho klienta

Konštrukčný návrh a analýza 8-poschodovej multifunkčnej budovy pre filipínskeho klienta

 

 

Tento projekt je 8-poschodová multifunkčná budova nachádzajúca sa v Manile na Filipínach s celkovými rozmermi 20m × 20m. Výška každého podlažia je navrhnutá nasledovne: 1. poschodie (parkovisko) plus medziposchodie spolu v 6m; 2. poschodie (sklad) je vysoké 6m; 3. a 4. poschodie (kancelárske priestory) sú 4,5 m a 3,4 m; 5. až 7. poschodie (obytné priestory) sú každé 3,4 m vysoké; 8. poschodie (strešný verejný priestor) plus výška strechy je 2,8 m. Kvôli optimalizácii priestoru sú usporiadané iba 3 rady štruktúrnych stĺpcov: Os A má celkovo 4 stĺpce, vzdialenosť medzi osou A a osou B je 13,2 m a vzdialenosť medzi osou B a osou C je 6,8 m. Vzdialenosť medzi 4 stĺpmi na osi A je 5,9 m (1-2 osi), 8,2 m (2-3 osi) a 5,9 m (3-4 osi).

 

 

 

Národný štrukturálny kód Filipín (NSCP) 2015: Upravuje celkový konštrukčný návrh, výpočet zaťaženia, vlastnosti materiálu a bezpečnostné požiadavky.

Filipínsky stavebný zákon (PBC) 2004: Reguluje používanie budov, požiarnu bezpečnosť a trvanlivosť konštrukcie zodpovedajúcu polyfunkčným budovám (parkovisko, sklad, kancelária, obytný priestor, verejný priestor).

Kritériá seizmického návrhu: Manila sa nachádza v miernej seizmickej zóne s maximálnym zrýchlením zeme (PGA) 0,15 g; konštrukčný návrh využíva seizmickú intenzitu 7 (0,15 g) pre anti-seizmickú kontrolu.

Kritériá zaťaženia vetrom: Základná rýchlosť vetra v Manile je 45 m/s (kategória 3); výpočet zaťaženia vetrom sa riadi kapitolou 28 NSCP 2015, berúc do úvahy rozloženie tlaku vetra a koeficient konštrukčného odporu vetra.

 

 

Dead Load (DL): Podľa NSCP 2015 v kombinácii s funkciou budovy: strecha (2,5 kN/m²), obytná podlaha (2,0 kN/m²), kancelárska podlaha (2,5 kN/m²), podlaha skladu (5,0 kN/m²), parkovisko (4,0 kN/m²), medziposchodie (3,0 kN/m²); vlastná-váha prvkov oceľovej konštrukcie sa vypočítava na základe skutočnej veľkosti sekcie.

Živé zaťaženie (LL): Obytná plocha (2,5 kN/m²), kancelárska plocha (3,0 kN/m²), sklad (10,0 kN/m²), parkovisko (2,5 kN/m² na vozidlo, plus 1,0 kN/m² pre chodcov), strešný verejný priestor (2,0 kN/m²).

Seizmické zaťaženie (EL): Vypočítané pomocou metódy spektra odozvy, berúc do úvahy rozloženie konštrukčnej hmoty, charakteristiky tuhosti a pomer tlmenia (0,05 pre oceľové konštrukcie).

Zaťaženie vetrom (WL): Vypočítané ako tlak vetra (w=0.613 × V², V=45 m/s) a rozložené na každé poschodie podľa výšky a konštrukčného tvaru; Vibrácie-vyvolané vetrom sa kontrolujú na výškové-časti (5 – 8 poschodí).

Iné zaťaženia: Zaťaženie snehom sa nezohľadňuje (Manila je tropická oblasť); Sekundárne zaťaženia vyvolané zemetrasením- (ako je P-Δ efekt) a teplotné napätie sú zahrnuté v kontrole návrhu.

 

 

Vzhľadom na funkciu budovy, priestorové požiadavky a požiadavky miestnych predpisov je prijatá oceľová rámová konštrukcia, ktorá má výhody nízkej hmotnosti, vysokej pevnosti, dobrej ťažnosti a rýchlej konštrukcie. Špecifické konštrukčné usporiadanie je nasledovné:

Stĺpy: Používajú sa oceľové H-nosníky; sekcie stĺpov sú určené podľa nosnosti-každého podlažia. 1.-2. poschodie (parkovisko + sklad) má z dôvodu veľkého zaťaženia výšku 600×250×8×12 mm; 3.-4. poschodie (kancelária) prijíma H500×200×7×10 mm; 5. až 8. poschodie (obytné + strecha) má výšku 400×200×6×8 mm.

Nosníky: Oceľové H-nosníky sa používajú na podlahové a strešné nosníky. Nosníky medzi osou A a osou B (rozpätie 13,2 m) prijímajú H500×200×7×10 mm (1.-2. poschodie) a H450×180×6×9 mm (3.-8. poschodie); nosníky medzi osou B a osou C (rozpätie 6,8 m) prijímajú H400×180×6×8 mm (všetky podlahy); medziposchodové nosníky prijímajú H300×150×6×8 mm.

Podlahová doska: Je použitá kompozitná podlahová doska (oceľová paluba + betón) s hrúbkou betónu 120 mm (obytný/kancelársky), 150 mm (sklad/parkovisko) a 100 mm (mezanín/strecha); model oceľovej paluby je B-120 s hrúbkou 1,2 mm.

Systém bočného odporu: Samotný oceľový rám poskytuje bočnú tuhosť; okrem toho sú v rohoch budovy (os A-1, A-4, C-1, C-4) usporiadané diagonálne výstuhy na zvýšenie bočnej odolnosti proti vetru a seizmickému zaťaženiu.

 

 

Spotreba ocele zahŕňa všetky hlavné konštrukčné prvky: stĺpy, nosníky, podlahové oceľové dosky, diagonálne výstuhy a spojovacie prvky (skrutky, zváracie materiály atď.). Na spojovacie komponenty (skrutky, zváranie atď.) sa pripočítava 10% tolerancia na základe hmotnosti hlavných prvkov, čo je v súlade s konvenčnou výpočtovou normou projektov oceľových konštrukcií.

 

 

Štrukturálny komponent	Špecifikácia	Množstvo	Jednotková hmotnosť (kg/m)	Celková dĺžka (m)	Celková hmotnosť (kg)
Stĺpce (1.-2. poschodie)	H600×250×8×12	12 (3 riadky × 4 stĺpce)	118.5	144 (12 stĺpov × 12 m celková výška pre 1. až 2. poschodie)	17064
Stĺpce (3.-4. poschodie)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 stĺpov × 7,5 m celková výška pre 3.-4. poschodie)	7587
Stĺpce (5.-8. poschodie)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 stĺpov × 11,2 m celková výška pre 5. až 8. poschodie)	8346.24
Nosníky (os A-B, 1. až 2. poschodie)	H500×200×7×10	24 (4 polia × 6 poschodí, 1.-2. poschodie)	84.3	316,8 (24 nosníkov × rozpätie 13,2 m)	26706.24
Nosníky (os A-B, 3. – 8. poschodie)	H450×180×6×9	48 (4 polia × 12 poschodí, 3.-8. poschodie)	70.2	633,6 (48 nosníkov × rozpätie 13,2 m)	44478.72
Nosníky (os B-C, všetky poschodia)	H400×180×6×8	72 (4 polia × 18 poschodí, všetkých 8 poschodí)	58.5	489,6 (72 nosníkov × rozpätie 6,8 m)	28641.6
Medziposchodové nosníky	H300×150×6×8	12 (4 polia × 3 riadky)	40.2	120 (12 lúčov × priemerné rozpätie 10 m)	4824
Diagonálne traky	H200×150×6×8	32 (4 rohy × 8 poschodí)	30.1	179,2 (32 výstuh × 5,6 m priemerná dĺžka)	5393.92
Oceľová podlaha	B-120 (1,2 mm)	1 sada (všetky poschodia)	12 kg/m²	2880 m² (20 m × 20 m × 7,2 poschodí, bez strechy)	34560
Strešná oceľová paluba	B-120 (1,2 mm)	1 sada	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Hlavní členovia Celkom	-	-	-	-	182407.72
Príspevok na pripojenie (10 %)	-	-	-	-	18240.77
Celková spotreba ocele	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 ton)

 

Celková spotreba ocele: Približne 200,65 metrických ton (vrátane 10 % prídavku na spojenie).

Spotreba ocele jednotky: 200,65 ton / (20 m × 20 m × 8 poschodí)=62.7 kg/m² (vypočítané na základe celkovej podlahovej plochy 3200 m²).

Jednotková spotreba ocele je v rozumnom rozsahu (60-80 kg/m²) pre polyfunkčné budovy s oceľovým rámom, čo je v súlade s konštrukčnými štandardmi podobných projektov v Manile.

 

 

Nasledujúca analýza hodnotí použiteľnosť súčasného konštrukčného návrhu (založeného na miestnych predpisoch v Manile) na hlavných trhoch CBC, ako sú Tonga, Nová Kaledónia, Papua Nová Guinea, Čile a Peru, so zameraním na rozdiely v miestnej seizmickej záťaži, zaťažení vetrom a požiadavkám stavebných predpisov.

 

 

Seizmické podmienky: Tonga sa nachádza vo vysokej seizmickej zóne (Pacific Ring of Fire) s PGA 0,30-0,40 g, čo je oveľa viac ako v Manile 0,15 g.

Zaťaženie vetrom: Základná rýchlosť vetra je 55-60 m/s (cyklónová oblasť), výrazne vyššia ako 45 m/s v Manile.

Požiadavky kódov: Vyhovuje stavebnému zákonu Tonga (TBC) 2018, ktorý má prísnejšie požiadavky na bočnú odolnosť a ťažnosť konštrukcie.

Posúdenie použiteľnosti: Neodporúča sa. Súčasná tuhosť konštrukcie a seizmická odolnosť nie sú dostatočné na to, aby odolali vysokému seizmickému zaťaženiu Tongy a vetru; je potrebné výrazne posilniť stĺpové-časti nosníkov a systém bočného vystuženia a spotreba ocele sa zvýši o 30 – 40 %.

 

 

Seizmické podmienky: Stredná seizmická zóna s PGA 0,20 g, o niečo vyššia ako v Manile 0,15 g.

Zaťaženie vetrom: Základná rýchlosť vetra je 50 m/s (oblasť s výskytom tropických cyklónov-), vyššia ako 45 m/s v Manile.

Požiadavky na kód: Vyhovuje stavebnému zákonníku francúzskych zámorských území (RTC) 2020, ktorý je podobný európskym normám a má prísne požiadavky na trvanlivosť konštrukcie a odolnosť voči vetru.

Posudok použiteľnosti: Vyžaduje si úpravu. Aktuálny návrh je možné prispôsobiť po čiastočných úpravách: posilniť systém bočného vystuženia, zväčšiť hrúbku prírub stĺpov-o 2-3 mm a upraviť parametre seizmického výpočtu; spotreba ocele sa zvýši o 15-20%.

 

Seizmické podmienky: Vysoká seizmická zóna s PGA 0,25-0,35 g, vyššia ako Manila 0,15 g; seizmická aktivita je častá a intenzívna.

Zaťaženie vetrom: Základná rýchlosť vetra je 48-52 m/s, o niečo vyššia ako 45 m/s v Manile.

Požiadavky kódexu: Prijíma Národný stavebný kód Papuy Novej Guiney (PNG NBC) z roku 2015, ktorý zdôrazňuje seizmickú odolnosť a štrukturálnu ťažnosť pre výškové-budovy.

Posudok použiteľnosti: Vyžaduje si úpravu. Hlavné úpravy zahŕňajú: zväčšenie veľkosti sekcie stĺpa- (najmä 1. až 2. poschodie), pridanie ďalších bočných výstuh a optimalizáciu systému rozptylu seizmickej energie; spotreba ocele sa zvýši o 25-30%.

 

 

Seizmické podmienky: Jedna z najvyšších seizmických zón na svete s PGA 0,40-0,50 g, čo ďaleko presahuje 0,15 g v Manile; často dochádza k zemetraseniam veľkého rozsahu.

Zaťaženie vetrom: Základná rýchlosť vetra je 40-45 m/s, podobne ako v Manile 45 m/s.

Požiadavky kódexu: Vyhovuje čílskym stavebným predpisom (NCh 433 of. 2017), ktorý má najprísnejšie seizmické konštrukčné štandardy na svete, vyžadujúce vysokú konštrukčnú ťažnosť a kapacitu rozptylu energie.

Posúdenie použiteľnosti: Neodporúča sa. Súčasný štrukturálny systém nemôže splniť ultra-vysoké seizmické požiadavky Čile; nový seizmicky -odolný systém (ako je napríklad oceľový rám-výstuhy-systému rozptylovača energie) je potrebné prepracovať a spotreba ocele sa zvýši o 50 % alebo viac.

 

 

Seizmické podmienky: Vysoká seizmická zóna s PGA 0,25-0,30 g, vyššia ako Manila 0,15 g; seizmická intenzita sa líši podľa regiónu (pobrežné oblasti sú závažnejšie).

Zaťaženie vetrom: Základná rýchlosť vetra je 42-48 m/s, o niečo nižšia alebo podobná ako v Manile 45 m/s.

Požiadavky kódexu: Prijíma Peruánsky stavebný zákon (E070) 2017, ktorý má prísne požiadavky na seizmický dizajn a štrukturálnu stabilitu výškových-budov.

Posudok použiteľnosti: Vyžaduje si úpravu. Medzi hlavné úpravy patrí: zosilnenie spojov nosníkov-stĺpov, zvýšenie priečnej tuhosti konštrukcie a optimalizácia výpočtu seizmického zaťaženia; spotreba ocele sa zvýši o 20-25%.

 

 

región	Seizmické PGA (g)	Základná rýchlosť vetra (m/s)	Rozsudok o použiteľnosti	Vyžadujú sa úpravy kľúča
Manila (Filipíny)	0.15	45	Plne použiteľné	žiadne
Tonga	0.30-0.40	55-60	Neodporúča sa	Komplexné prepracovanie konštrukčného systému, výrazné zvýšenie veľkosti sekcie a bočné vystuženie
Nová Kaledónia	0.20	50	Vyžaduje modifikáciu	Posilnite bočné vystuženie, zväčšite hrúbku príruby, upravte seizmické parametre
Papua Nová Guinea	0.25-0.35	48-52	Vyžaduje modifikáciu	Zväčšite veľkosť časti stĺpca-, pridajte bočné výstuhy, optimalizujte systém rozptylu energie
Čile	0.40-0.50	40-45	Neodporúča sa	Prerobte systém odolný proti seizmickým{0}}odstrániam, pridajte rozptyľovače energie a výrazne zvýšite tuhosť konštrukcie
Peru	0.25-0.30	42-48	Vyžaduje modifikáciu	Posilnite spoje stĺpov{0}}nosníkov, zvýšte bočnú tuhosť, optimalizujte seizmický výpočet

 

Na základe predpokladu splnenia miestnych predpisov Manily a zaistenia bezpečnosti konštrukcie je možné prijať nasledujúce optimalizačné opatrenia na zníženie spotreby ocele, zlepšenie konštrukčnej efektívnosti a zníženie nákladov na projekt bez ovplyvnenia funkcie budovy a požiadaviek na priestor.

 

 

Stĺpy: Pre 5.-8. poschodie (obytná plocha, malé zaťaženie) je možné profil stĺpa optimalizovať z H400×200×6×8 mm na H350×180×6×8 mm. Kontrola pomeru namáhania ukazuje, že optimalizovaná sekcia môže stále spĺňať požiadavky na nosnosť, čím sa spotreba ocele u týchto stĺpov zníži asi o 8 %.

Nosníky: Pre nosníky medzi osou B a osou C (rozpätie 6,8 m, malé zaťaženie) je možné profil optimalizovať z H400 × 180 × 6 × 8 mm na H350 × 180 × 6 × 8 mm, čím sa pri týchto nosníkoch zníži spotreba ocele asi o 6 %.

 

 

Súčasné diagonálne vzpery sú usporiadané na všetkých 8 poschodiach; môžu byť optimalizované tak, aby boli usporiadané v intervaloch (každé 2 poschodia) pre 5.-8. poschodie (obytná plocha, malé bočné zaťaženie). Táto úprava môže znížiť počet výstuh o 50% pre horné poschodia, pričom sa zabezpečí, že bočná tuhosť spĺňa požiadavky, čím sa zníži spotreba ocele o približne 5% pre systém výstuh.

 

 

Súčasný dizajn využíva oceľ Q235B a Q355B; možno ho nahradiť všetkými Q355B alebo vysokopevnostnou oceľou pre hlavné stĺpy a nosníky (1.-4. poschodie, veľké zaťaženie). takže veľkosť sekcie možno vhodne zmenšiť pri zachovaní rovnakej nosnosti. Táto optimalizácia môže znížiť spotrebu ocele asi o 10-12% pre hlavné členy.

 

 

Pre 5.-7. poschodie (obytná oblasť) možno zmenšiť hrúbku betónu kompozitnej podlahovej dosky zo 120 mm na 100 mm a hrúbku oceľovej paluby možno zachovať na 1,2 mm. Táto úprava môže znížiť vlastné zaťaženie podlahy, čím sa znížia požiadavky na nosnosť stĺpov a nosníkov a nepriamo sa zníži spotreba ocele asi o 3-4%.

 

 

Po komplexnej optimalizácii je možné znížiť celkovú spotrebu ocele o 15-20%, z pôvodných 200,65 ton na 160,52-170,55 ton. Jednotková spotreba ocele sa zníži na 50,16 – 53,30 kg/m², čo je stále v rozumnom rozsahu a môže účinne znížiť náklady na projekt pri zaistení bezpečnosti konštrukcie a splnení požiadaviek miestnych predpisov.

 

Konštrukčný návrh 8-poschodovej multifunkčnej budovy spĺňa požiadavky miestnych predpisov Manily (NSCP 2015, PBC 2004) a požiadavky na zaťaženie s celkovou spotrebou ocele približne 200,65 ton a jednotkovou spotrebou ocele 62,7 kg/m². Pre ostatné regióny: plne sa uplatňuje v Manile; vyžaduje úpravu v Novej Kaledónii, Papui Novej Guinei a Peru (so zodpovedajúcim zvýšením spotreby ocele); a neodporúča sa na Tongu a Čile (kvôli požiadavkám na extrémne vysoké seizmické zaťaženie/zaťaženie vetrom). Optimalizáciou sekcií, výmenou materiálu a úpravou systému možno znížiť spotrebu ocele o 15 – 20 % bez ovplyvnenia bezpečnosti konštrukcie, čo má významné ekonomické výhody.