Strukturni dizajn i analiza višenamjenske montažne zgrade od 8 katova za filipinskog klijenta

Strukturalni dizajn i analiza višenamjenske zgrade od 8 katova za filipinskog klijenta

 

 

Ovaj projekt je višenamjenska zgrada od 8 katova smještena u Manili, Filipini, ukupne dimenzije 20m × 20m. Visina svake etaže projektirana je na sljedeći način: 1. etaža (parkiralište) plus mezanin ukupno iznosi 6 m; 2. kat (skladište) je visine 6m; 3. i 4. kat (uredski prostori) su na 4,5m odnosno 3,4m; katovi od 5. do 7. (stambeni prostori) su visoki po 3,4 m; 8. kat (krovni javni prostor) plus visina krova je 2,8m. Za optimizaciju prostora raspoređena su samo 3 reda strukturnih stupova: os A ima ukupno 4 stupa, razmak između osi A i osi B je 13,2 m, a razmak između osi B i osi C je 6,8 m. Razmak između 4 stupca na osi A je 5,9 m (1-2 osi), 8,2 m (2-3 osi), odnosno 5,9 m (3-4 osi).

 

 

 

Nacionalni strukturni kodeks Filipina (NSCP) 2015.: Uređuje cjelokupni konstrukcijski dizajn, izračun opterećenja, performanse materijala i sigurnosne zahtjeve.

Filipinski građevinski kodeks (PBC) 2004: Regulira korištenje zgrade, sigurnost od požara i strukturnu trajnost koja odgovara višenamjenskim zgradama (parkiralište, skladište, uredi, stambeni, javni prostor).

Kriteriji seizmičkog projektiranja: Manila se nalazi u umjerenoj seizmičkoj zoni s vršnim ubrzanjem tla (PGA) od 0,15g; konstrukcijski dizajn prihvaća seizmički intenzitet 7 (0,15 g) za anti-seizmičku provjeru.

Kriteriji opterećenja vjetrom: Osnovna brzina vjetra u Manili je 45 m/s (Kategorija 3); proračun opterećenja vjetrom slijedi NSCP 2015 Poglavlje 28, uzimajući u obzir raspodjelu tlaka vjetra i strukturni koeficijent otpora vjetra.

 

 

Vlastito opterećenje (DL): Prema NSCP 2015, u kombinaciji s funkcijom zgrade: krov (2,5 kN/m²), stambeni kat (2,0 kN/m²), uredski pod (2,5 kN/m²), pod skladišta (5,0 kN/m²), parkiralište (4,0 kN/m²), polukat (3,0 kN/m²); vlastita-težina elemenata čelične konstrukcije izračunava se na temelju stvarne veličine presjeka.

Živo opterećenje (LL): stambeno područje (2,5 kN/m²), uredsko područje (3,0 kN/m²), skladište (10,0 kN/m²), parkiralište (2,5 kN/m² po vozilu, plus 1,0 kN/m² za pješake), krovni javni prostor (2,0 kN/m²).

Seizmičko opterećenje (EL): Izračunato korištenjem metode spektra odziva, uzimajući u obzir strukturnu raspodjelu mase, karakteristike krutosti i omjer prigušenja (0,05 za čelične konstrukcije).

Opterećenje vjetrom (WL): Izračunato kao tlak vjetra (w=0.613 × V², V=45 m/s) i raspoređeno na svaki kat prema visini i strukturnom obliku; vjetrom-inducirane vibracije provjeravaju se za visoke-dijelove (5-8 katova).

Ostala opterećenja: opterećenje snijegom se ne uzima u obzir (Manila je tropska regija); sekundarna opterećenja-izazvana potresom (kao što je P-Δ efekt) i temperaturni stres uključeni su u provjeru dizajna.

 

 

Uzimajući u obzir funkciju zgrade, zahtjeve za prostorom i zahtjeve lokalnog kodeksa, usvojena je struktura čeličnog okvira, koja ima prednosti male težine, velike čvrstoće, dobre duktilnosti i brze konstrukcije. Specifični strukturni raspored je sljedeći:

Stupovi: koriste se čelične H{0}}grede; presjeci stupova određuju se prema-nosivosti svakog kata. 1.-2. katovi (parking + skladište) usvajaju H600×250×8×12 mm zbog velikog opterećenja; 3.-4. katovi (ured) usvajaju H500×200×7×10 mm; 5.-8. katovi (stambeni + krov) usvajaju H400×200×6×8 mm.

Grede: čelične H-grede koriste se za podne grede i krovne grede. Grede između osi A i osi B (raspon 13,2 m) imaju H500×200×7×10 mm (1.-2. katovi) i H450×180×6×9 mm (3.-8. katovi); grede između osi B i osi C (raspon 6,8 m) imaju H400×180×6×8 mm (svi katovi); međukatne grede imaju H300×150×6×8 mm.

Podna ploča: usvojena je kompozitna podna ploča (čelična paluba + beton), s debljinom betona od 120 mm (stambeno/ured), 150 mm (skladište/parking) i 100 mm (mezanin/krov); model čelične ploče je B-120, debljine 1,2 mm.

Sustav bočnog otpora: sam čelični okvir osigurava bočnu krutost; osim toga, dijagonalni nosači postavljeni su na uglovima zgrade (Os A-1, A-4, C-1, C-4) kako bi se povećala bočna otpornost na vjetar i seizmička opterećenja.

 

 

Potrošnja čelika uključuje sve glavne konstrukcijske elemente: stupove, grede, podne čelične ploče, dijagonalne nosače i spojne komponente (vijke, materijale za zavarivanje itd.). Dodatak od 10% dodaje se za spojne komponente (vijci, zavarivanje, itd.) na temelju težine glavnih elemenata, što je u skladu s konvencionalnim standardom izračuna za projekte čeličnih konstrukcija.

 

 

Strukturna komponenta	Specifikacija	Količina	Težina jedinice (kg/m)	Ukupna dužina (m)	Ukupna težina (kg)
Stupovi (1.-2. kat)	H600×250×8×12	12 (3 retka × 4 stupca)	118.5	144 (12 stupova × 12 m ukupne visine za 1.-2. katove)	17064
Stupovi (3.-4. kat)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 stupova × 7,5 m ukupne visine za 3.-4. katove)	7587
Stupovi (5.-8. kat)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 stupova × 11,2 m ukupne visine za 5.-8. katove)	8346.24
Grede (A-B os, 1.-2. katovi)	H500×200×7×10	24 (4 raspona × 6 katova, 1.-2. kata)	84.3	316,8 (24 grede × 13,2 m raspona)	26706.24
Grede (A-B os, 3.-8. katovi)	H450×180×6×9	48 (4 raspona × 12 katova, 3.-8. katovi)	70.2	633,6 (48 greda × 13,2 m raspona)	44478.72
Grede (B-C os, svi katovi)	H400×180×6×8	72 (4 raspona × 18 katova, svih 8 katova)	58.5	489,6 (72 grede × 6,8 m raspona)	28641.6
Međuspratne grede	H300×150×6×8	12 (4 raspona × 3 reda)	40.2	120 (12 greda × 10 m prosječni raspon)	4824
Dijagonalne zagrade	H200×150×6×8	32 (4 kuta × 8 katova)	30.1	179,2 (32 proteze × 5,6 m prosječna duljina)	5393.92
Podna čelična ploča	B-120 (1,2 mm)	1 set (svi katovi)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 etaža, bez krova)	34560
Čelična krovna ploča	B-120 (1,2 mm)	1 set	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Glavni članovi Ukupno	-	-	-	-	182407.72
Dodatak za priključak (10%)	-	-	-	-	18240.77
Ukupna potrošnja čelika	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tona)

 

Ukupna potrošnja čelika: Približno 200,65 metričkih tona (uključujući 10% dodatka za priključak).

Jedinična potrošnja čelika: 200,65 tona / (20m×20m×8 katova)=62.7 kg/m² (izračunato na temelju ukupne podne površine od 3200 m²).

Jedinična potrošnja čelika unutar je razumnog raspona (60-80 kg/m²) za višenamjenske zgrade s čeličnim okvirom, što je u skladu sa standardima dizajna sličnih projekata u Manili.

 

 

Sljedeća analiza procjenjuje primjenjivost trenutnog konstrukcijskog dizajna (temeljenog na lokalnim kodovima Manile) na glavnim tržištima CBC-a kao što su Tonga, Nova Kaledonija, Papua Nova Gvineja, Čile i Peru, usredotočujući se na razlike u lokalnim zahtjevima za seizmiku, opterećenje vjetrom i građevinske norme.

 

 

Seizmički uvjeti: Tonga se nalazi u visokoj seizmičkoj zoni (Pacifički vatreni prsten) s PGA od 0,30-0,40g, što je mnogo više od 0,15g u Manili.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 55-60 m/s (ciklonsko područje), znatno više od 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: U skladu s Tonga Building Code (TBC) 2018, koji ima strože zahtjeve za bočnu otpornost i strukturnu duktilnost.

Procjena primjenjivosti: Ne preporučuje se. Trenutna strukturna krutost i seizmička otpornost nisu dovoljni da izdrže visoka seizmička opterećenja i opterećenja vjetrom Tonge; stup-sekcije grede i bočni sustav ukrućenja moraju se značajno ojačati, a potrošnja čelika povećat će se za 30-40%.

 

 

Seizmički uvjeti: Umjerena seizmička zona s PGA od 0,20g, malo višim od 0,15g u Manili.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 50 m/s (područje izloženo-tropskom ciklonu), više od 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: Slijede Kodeks gradnje francuskih prekomorskih teritorija (RTC) 2020, koji je sličan europskim standardima i ima stroge zahtjeve za strukturnu izdržljivost i otpornost na vjetar.

Odluka o primjenjivosti: Zahtijeva izmjene. Sadašnji dizajn može se prilagoditi nakon djelomičnih prilagodbi: ojačati bočni sustav ukrućenja, povećati debljinu prirubnica-greda za 2-3 mm i prilagoditi parametre seizmičkog proračuna; potrošnja čelika će se povećati za 15-20%.

 

Seizmički uvjeti: Visoka seizmička zona s PGA od 0,25-0,35g, više od 0,15g u Manili; seizmička aktivnost je česta i intenzivna.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 48-52 m/s, malo veća od 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: usvaja Nacionalni kodeks gradnje Papue Nove Gvineje (PNG NBC) iz 2015., koji naglašava otpornost na seizmiku i strukturnu duktilnost za visoke -zgrade.

Odluka o primjenjivosti: Zahtijeva izmjene. Glavne prilagodbe uključuju: povećanje veličine odjeljka-grede stupova (posebno 1.-2. kata), dodavanje više bočnih stega i optimiziranje sustava disipacije seizmičke energije; potrošnja čelika će se povećati za 25-30%.

 

 

Seizmički uvjeti: Jedna od najviših seizmičkih zona na svijetu s PGA od 0,40-0,50g, daleko nadmašujući manilskih 0,15g; česti su potresi velikih magnituda.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 40-45 m/s, slično 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: Slijede čileanski građevinski kodeks (NCh 433 of. 2017), koji ima najstrože standarde seizmičkog projektiranja u svijetu, zahtijevajući visoku strukturnu duktilnost i kapacitet disipacije energije.

Procjena primjenjivosti: Ne preporučuje se. Sadašnji strukturni sustav ne može zadovoljiti ultra-seizmičke zahtjeve Čilea; novi seizmički{2}}otporan sustav (kao što je čelični okvir-steznica-sustav disipatora energije) treba redizajnirati, a potrošnja čelika povećat će se za 50% ili više.

 

 

Seizmički uvjeti: Visoka seizmička zona s PGA od 0,25-0,30g, više od manilskih 0,15g; seizmički intenzitet varira ovisno o regiji (obalna područja su ozbiljnija).

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 42-48 m/s, nešto niža ili slična 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: usvaja Peruanski građevinski kodeks (E070) 2017., koji ima stroge zahtjeve za seizmičko projektiranje i strukturnu stabilnost visokih -zgrada.

Odluka o primjenjivosti: Zahtijeva izmjene. Glavne prilagodbe uključuju: ojačavanje spojeva greda-stupa, povećanje bočne krutosti konstrukcije i optimiziranje proračuna seizmičkog opterećenja; potrošnja čelika će se povećati za 20-25%.

 

 

Regija	Seizmički PGA (g)	Osnovna brzina vjetra (m/s)	Presuda o primjenjivosti	Potrebne ključne izmjene
Manila (Filipini)	0.15	45	Potpuno primjenjivo	Nijedan
Laka dvokolica	0.30-0.40	55-60	Nije preporučljivo	Sveobuhvatno redizajniranje konstrukcijskog sustava, značajno povećanje veličine presjeka i bočnih ukrućenja
Nova Kaledonija	0.20	50	Zahtijeva izmjene	Ojačati bočne ukrućenje, povećati debljinu prirubnice, prilagoditi seizmičke parametre
Papua Nova Gvineja	0.25-0.35	48-52	Zahtijeva izmjene	Povećajte veličinu-sekcije grede stupca, dodajte bočne podupirače, optimizirajte sustav disipacije energije
Čile	0.40-0.50	40-45	Nije preporučljivo	Redizajnirajte seizmi{0}}otporan sustav, dodajte disipatore energije, znatno povećajte krutost strukture
Peru	0.25-0.30	42-48	Zahtijeva izmjene	Ojačajte veze greda-stupa, povećajte bočnu krutost, optimizirajte seizmički proračun

 

Na temelju ispunjavanja lokalnih kodova Manile i osiguravanja strukturalne sigurnosti, sljedeće optimizacijske mjere mogu se poduzeti kako bi se smanjila potrošnja čelika, poboljšala strukturna učinkovitost i smanjili troškovi projekta, bez utjecaja na funkciju zgrade i prostorne zahtjeve.

 

 

Stupovi: Za 5.-8. katove (stambeno područje, malo opterećenje), presjek stupova može se optimizirati od H400×200×6×8 mm do H350×180×6×8 mm. Provjera omjera naprezanja pokazuje da optimizirani presjek još uvijek može zadovoljiti zahtjeve nosivosti, smanjujući potrošnju čelika za oko 8% za ove stupove.

Grede: Za grede između osi B i osi C (raspon od 6,8 ​​m, malo opterećenje), presjek se može optimizirati od H400×180×6×8 mm do H350×180×6×8 mm, smanjujući potrošnju čelika za oko 6% za ove grede.

 

 

Sadašnje dijagonalne zatege raspoređene su na svih 8 etaža; mogu se optimizirati za raspoređivanje u intervalima (svake 2 etaže) za 5.-8. etaže (stambena zona, malo bočno opterećenje). Ova prilagodba može smanjiti broj podupirača za 50% za gornje katove, istovremeno osiguravajući da bočna krutost ispunjava zahtjeve, smanjujući potrošnju čelika za oko 5% za sustav podupirača.

 

 

Trenutačni dizajn koristi čelik Q235B i Q355B; može se zamijeniti svim Q355B ili čelikom visoke-čvrstoće za glavne stupove i grede (1.-4. katovi, veliko opterećenje). tako da se veličina presjeka može odgovarajuće smanjiti uz zadržavanje iste nosivosti. Ova optimizacija može smanjiti potrošnju čelika za oko 10-12% za glavne članove.

 

 

Za 5.-7. katove (stambeno područje), debljina betonske podne ploče može se smanjiti sa 120 mm na 100 mm, a debljina čelične ploče može se zadržati na 1,2 mm. Ova prilagodba može smanjiti vlastito opterećenje poda, čime se smanjuju zahtjevi nosivosti stupova i greda, a neizravno smanjuje potrošnja čelika za oko 3-4%.

 

 

Nakon opsežne optimizacije, ukupna potrošnja čelika može se smanjiti za 15-20%, s izvornih 200,65 tona na 160,52-170,55 tona. Jedinična potrošnja čelika smanjit će se na 50,16-53,30 kg/m², što je još uvijek unutar razumnog raspona i može učinkovito smanjiti troškove projekta uz osiguranje strukturne sigurnosti i ispunjavanje zahtjeva lokalnih propisa.

 

Strukturni dizajn višenamjenske zgrade od 8-kata udovoljava zahtjevima lokalnih kodova Manile (NSCP 2015, PBC 2004) i zahtjevima opterećenja, s ukupnom potrošnjom čelika od približno 200,65 tona i jediničnom potrošnjom čelika od 62,7 kg/m². Za ostale regije: u potpunosti je primjenjivo u Manili; zahtijeva modifikaciju u Novoj Kaledoniji, Papui Novoj Gvineji i Peruu (s odgovarajućim povećanjem potrošnje čelika); i ne preporučuje se u Tongi i Čileu (zbog iznimno visokih zahtjeva za seizmičko opterećenje/opterećenje vjetrom). Optimizacijom presjeka, zamjenom materijala i prilagodbom sustava potrošnja čelika može se smanjiti za 15-20% bez utjecaja na strukturnu sigurnost, što ima značajne ekonomske prednosti.