Strukturelt design og analyse af 8-etagers multifunktionel præfabrikeret bygning til filippinsk klient

Strukturelt design og analyse af 8-etagers multifunktionsbygning for filippinsk klient

 

 

Dette projekt er en 8-etagers multifunktionel bygning beliggende i Manila, Filippinerne, med en samlet dimension på 20m × 20m. Højden af ​​hver etage er designet som følger: 1. sal (parkeringsplads) plus mezzanin i alt 6m; 2. sal (lager) er 6m høj; 3. og 4. sal (kontorarealer) er i henholdsvis 4,5 m og 3,4 m; 5. til 7. etage (boligområder) er hver 3,4 m høje; 8. sal (offentligt tag) plus taghøjde er 2,8m. Til pladsoptimering er der kun arrangeret 3 rækker af strukturelle søjler: Akse A har i alt 4 søjler, afstanden mellem akse A og akse B er 13,2 m, og afstanden mellem akse B og akse C er 6,8 m. Afstanden mellem de 4 søjler på akse A er henholdsvis 5,9 m (1-2 akse), 8,2 m (2-3 akser) og 5,9 m (3-4 akser).

 

 

 

National Structural Code of the Philippines (NSCP) 2015: Styrer det overordnede strukturelle design, belastningsberegning, materialeydeevne og sikkerhedskrav.

Philippine Building Code (PBC) 2004: Regulerer bygningsbrug, brandsikkerhed og strukturel holdbarhed svarende til multifunktionelle bygninger (parkering, lager, kontor, boliger, offentlige rum).

Seismiske designkriterier: Manila ligger i en moderat seismisk zone med en Peak Ground Acceleration (PGA) på 0,15g; det strukturelle design anvender seismisk intensitet 7 (0,15g) til anti-seismisk kontrol.

Vindbelastningskriterier: Grundlæggende vindhastighed i Manila er 45 m/s (Kategori 3); vindlastberegning følger NSCP 2015 kapitel 28, idet vindtrykfordeling og strukturel vindmodstandskoefficient tages i betragtning.

 

 

Dødlast (DL): I henhold til NSCP 2015, kombineret med bygningsfunktionen: tag (2,5 kN/m²), boliggulv (2,0 kN/m²), kontorgulv (2,5 kN/m²), lagergulv (5,0 kN/m²), parkeringsplads (4,0 kN/m²), mezzanin (3,0 kN/m²); egen-vægt af stålstrukturelementer beregnes ud fra den faktiske sektionsstørrelse.

Levende belastning (LL): Boligområde (2,5 kN/m²), kontorareal (3,0 kN/m²), lager (10,0 kN/m²), parkeringsplads (2,5 kN/m² pr. køretøj, plus 1,0 kN/m² for fodgængere), offentligt tag på taget (2,0 kN/m²).

Seismisk belastning (EL): Beregnet ved hjælp af responsspektrummetoden under hensyntagen til den strukturelle massefordeling, stivhedskarakteristika og dæmpningsforhold (0,05 for stålkonstruktioner).

Vindbelastning (WL): Beregnet som vindtryk (w=0.613 × V², V=45 m/s) og fordelt på hver etage i henhold til højden og den strukturelle form; vind-induceret vibration kontrolleres for høje-dele (5-8 etager).

Andre belastninger: Snebelastning tages ikke i betragtning (Manila er en tropisk region); jordskælvs-inducerede sekundære belastninger (såsom P-Δ-effekt) og temperaturspændinger er inkluderet i designkontrollen.

 

 

I betragtning af bygningsfunktionen, pladskravene og lokale kodekskrav, er en stålrammekonstruktion vedtaget, som har fordelene ved let vægt, høj styrke, god duktilitet og hurtig konstruktion. Det specifikke strukturelle arrangement er som følger:

Søjler: Stål H-bjælker bruges; søjleafsnittene bestemmes i henhold til hver etages bæreevne-. 1.-2. sal (parkering + lager) vedtager H600×250×8×12 mm på grund af stor belastning; 3.-4. etage (kontor) vedtager H500×200×7×10 mm; 5.-8. etage (bolig + tag) vedtager H400×200×6×8 mm.

Bjælker: Stål H-bjælker bruges til gulvbjælker og tagbjælker. Bjælkerne mellem akse A og akse B (13,2 m spændvidde) anvender H500×200×7×10 mm (1.-2. etage) og H450×180×6×9 mm (3.-8. etage); bjælkerne mellem akse B og akse C (6,8 m spændvidde) anvender H400×180×6×8 mm (alle gulve); mezzaninbjælkerne bruger H300×150×6×8 mm.

Gulvplade: Sammensat gulvplade (ståldæk + beton) er vedtaget, med en betontykkelse på 120 mm (bolig/kontor), 150 mm (lager/parkering) og 100 mm (mezzanin/tag); ståldækmodellen er B-120, med en tykkelse på 1,2 mm.

Lateral Resistance System: Selve stålrammen giver sideværts stivhed; derudover er der arrangeret diagonale afstivere i bygningens hjørner (akse A-1, A-4, C-1, C-4) for at øge modstanden mod vind og seismiske belastninger.

 

 

Stålforbruget omfatter alle hovedkonstruktionselementer: søjler, bjælker, gulvståldæk, diagonalstivere og forbindelseskomponenter (bolte, svejsematerialer osv.). Der tillægges 10 % tillæg for forbindelseskomponenter (bolte, svejsning osv.) baseret på vægten af ​​hovedelementer, hvilket er på linje med den konventionelle beregningsstandard for stålkonstruktionsprojekter.

 

 

Strukturel komponent	Specifikation	Mængde	Enhedsvægt (kg/m)	Samlet længde (m)	Samlet vægt (kg)
Søjler (1.-2. etage)	H600×250×8×12	12 (3 rækker × 4 kolonner)	118.5	144 (12 søjler × 12m total højde for 1.-2. etage)	17064
Søjler (3.-4. etage)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 søjler × 7,5 m total højde for 3.-4. etage)	7587
Søjler (5.-8. etage)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 søjler × 11,2 m total højde for 5.-8. etage)	8346.24
Bjælker (A-B-akse, 1.-2. etage)	H500×200×7×10	24 (4 spænd × 6 etager, 1.-2. etage)	84.3	316,8 (24 stråler × 13,2 m spændvidde)	26706.24
Bjælker (A-B-akse, 3.-8. etage)	H450×180×6×9	48 (4 spænd × 12 etager, 3.-8. etage)	70.2	633,6 (48 stråler × 13,2 m spændvidde)	44478.72
Bjælker (B-C-akse, alle etager)	H400×180×6×8	72 (4 spænd × 18 etager, alle 8 etager)	58.5	489,6 (72 stråler × 6,8 m spændvidde)	28641.6
Mezzaninbjælker	H300×150×6×8	12 (4 spænd × 3 rækker)	40.2	120 (12 stråler × 10 m gennemsnitlig spændvidde)	4824
Diagonale seler	H200×150×6×8	32 (4 hjørner × 8 etager)	30.1	179,2 (32 seler × 5,6 m gennemsnitlig længde)	5393.92
Gulv ståldæk	B-120 (1,2 mm)	1 sæt (alle etager)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 etager, eksklusive tag)	34560
Tag ståldæk	B-120 (1,2 mm)	1 sæt	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Hovedmedlemmer i alt	-	-	-	-	182407.72
Tilslutningsgodtgørelse (10 %)	-	-	-	-	18240.77
Samlet stålforbrug	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tons)

 

Samlet stålforbrug: Cirka 200,65 tons (inklusive 10 % tilslutningsgodtgørelse).

Enhedsstålforbrug: 200,65 tons / (20m×20m×8 etager)=62.7 kg/m² (beregnet ud fra det samlede gulvareal på 3200 m²).

Enhedsstålforbruget ligger inden for det rimelige interval (60-80 kg/m²) for multifunktionsbygninger af stålramme, hvilket er i overensstemmelse med designstandarderne for lignende projekter i Manila.

 

 

Den følgende analyse evaluerer anvendeligheden af ​​det nuværende strukturelle design (baseret på Manila lokale regler) på CBC's hovedmarkeder såsom Tonga, Ny Kaledonien, Papua Ny Guinea, Chile og Peru, med fokus på forskelle i lokal seismik, vindbelastning og krav til byggeregler.

 

 

Seismiske forhold: Tonga ligger i en højseismisk zone (Pacific Ring of Fire) med en PGA på 0,30-0,40g, hvilket er meget højere end Manilas 0,15g.

Vindbelastning: Grundlæggende vindhastighed er 55-60 m/s (cyklonregion), betydeligt højere end Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Overholder Tonga Building Code (TBC) 2018, som har strengere krav til lateral modstand og strukturel duktilitet.

Anvendelighedsvurdering: Ikke anbefalet. Den nuværende strukturelle stivhed og seismiske modstand er utilstrækkelig til at modstå Tongas høje seismiske belastninger og vindbelastninger; søjle-bjælkeafsnittene og sideafstivningssystemet skal forstærkes markant, og stålforbruget vil stige med 30-40 %.

 

 

Seismiske forhold: Moderat seismisk zone med en PGA på 0,20 g, lidt højere end Manilas 0,15 g.

Vindbelastning: Grundlæggende vindhastighed er 50 m/s (tropisk cyklon-udsat område), højere end Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Følger French Overseas Territories Building Code (RTC) 2020, som svarer til europæiske standarder og har strenge krav til strukturel holdbarhed og vindmodstand.

Anvendelighedsvurdering: Kræver ændring. Det nuværende design kan tilpasses efter delvise justeringer: forstærk det laterale afstivningssystem, øg tykkelsen af ​​søjle-bjælkeflanger med 2-3 mm, og juster de seismiske beregningsparametre; stålforbruget vil stige med 15-20%.

 

Seismiske forhold: Højseismisk zone med en PGA på 0,25-0,35g, højere end Manilas 0,15g; seismisk aktivitet er hyppig og intens.

Vindbelastning: Grundlæggende vindhastighed er 48-52 m/s, lidt højere end Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Vedtager Papua Ny Guinea National Building Code (PNG NBC) 2015, som lægger vægt på seismisk modstand og strukturel duktilitet for høje-bygninger.

Anvendelighedsvurdering: Kræver ændring. De vigtigste justeringer omfatter: forøgelse af søjle-bjælkeafsnittets størrelse (især 1.-2. etage), tilføjelse af flere laterale afstivere og optimering af det seismiske energispredningssystem; stålforbruget vil stige med 25-30%.

 

 

Seismiske forhold: En af de højeste seismiske zoner i verden med en PGA på 0,40-0,50 g, der langt overstiger Manilas 0,15g; store jordskælv forekommer hyppigt.

Vindbelastning: Grundlæggende vindhastighed er 40-45 m/s, svarende til Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Følger den chilenske byggekode (NCh 433 Of. 2017), som har de strengeste seismiske designstandarder i verden, der kræver høj strukturel duktilitet og energiafledningskapacitet.

Anvendelighedsvurdering: Ikke anbefalet. Det nuværende strukturelle system kan ikke opfylde Chiles ultra-høje seismiske krav; et nyt seismisk-resistent system (såsom en stålramme-afstivning-energiafledningssystem) skal omdesignes, og stålforbruget vil stige med 50 % eller mere.

 

 

Seismiske forhold: Høj seismisk zone med en PGA på 0,25-0,30 g, højere end Manilas 0,15 g; seismisk intensitet varierer efter region (kystområder er mere alvorlige).

Vindbelastning: Grundlæggende vindhastighed er 42-48 m/s, lidt lavere end eller svarer til Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Vedtager den peruanske byggekode (E070) 2017, som har strenge krav til seismisk design og strukturel stabilitet af højhuse.

Anvendelighedsvurdering: Kræver ændring. De vigtigste justeringer omfatter: styrkelse af søjle-bjælkeforbindelserne, forøgelse af strukturens laterale stivhed og optimering af den seismiske belastningsberegning; stålforbruget vil stige med 20-25%.

 

 

Område	Seismisk PGA (g)	Grundlæggende vindhastighed (m/s)	Anvendelighedsdom	Nøgleændringer påkrævet
Manila (Filippinerne)	0.15	45	Fuldt anvendelig	Ingen
Tonga	0.30-0.40	55-60	Ikke anbefalet	Omfattende redesign af strukturelt system, betydelig stigning i sektionsstørrelse og sideafstivning
Ny Kaledonien	0.20	50	Kræver modifikation	Styrk lateral afstivning, øg flangetykkelsen, juster seismiske parametre
Papua Ny Guinea	0.25-0.35	48-52	Kræver modifikation	Øg størrelsen på søjle-bjælkeafsnittet, tilføj sidestivere, optimer energiafledningssystemet
Chile	0.40-0.50	40-45	Ikke anbefalet	Redesign seismisk-resistent system, tilføj energidissipatorer, øg strukturel stivhed markant
Peru	0.25-0.30	42-48	Kræver modifikation	Styrk søjle-stråleforbindelser, øg lateral stivhed, optimer seismisk beregning

 

Med udgangspunkt i at overholde Manilas lokale regler og sikre strukturel sikkerhed, kan følgende optimeringsforanstaltninger tages for at reducere stålforbruget, forbedre den strukturelle effektivitet og reducere projektomkostningerne uden at påvirke bygningens funktion og pladsbehov.

 

 

Søjler: Til 5.-8. etage (boligareal, lille belastning) kan søjleafsnittet optimeres fra H400×200×6×8 mm til H350×180×6×8 mm. Spændingsforholdskontrollen viser, at den optimerede sektion stadig kan opfylde de bærende krav, hvilket reducerer stålforbruget med omkring 8 % for disse søjler.

Bjælker: For bjælkerne mellem akse B og akse C (6,8m spændvidde, lille belastning) kan sektionen optimeres fra H400×180×6×8 mm til H350×180×6×8 mm, hvilket reducerer stålforbruget med ca. 6% for disse bjælker.

 

 

De nuværende diagonalstivere er arrangeret på alle 8 etager; de kan optimeres til at arrangeres med intervaller (hver 2. etage) til 5.-8. etage (boligområde, lille sidebelastning). Denne justering kan reducere antallet af afstivninger med 50 % for de øverste etager, samtidig med at den sikrer, at sidestivheden opfylder kravene, hvilket reducerer stålforbruget med omkring 5 % for afstivningssystemet.

 

 

Det nuværende design vedtager Q235B og Q355B stål; den kan udskiftes med alt Q355B eller høj-stål til hovedsøjler og bjælker (1.-4. sal, stor belastning). så sektionsstørrelsen kan reduceres passende og samtidig bevare den samme bæreevne. Denne optimering kan reducere stålforbruget med omkring 10-12% for hovedmedlemmerne.

 

 

For 5.-7. etage (boligområde) kan tykkelsen af ​​kompositgulvpladebeton reduceres fra 120 mm til 100 mm, og ståldækstykkelsen kan opretholdes på 1,2 mm. Denne justering kan reducere egenlasten af ​​gulvet og derved reducere bærekravene til søjler og bjælker og indirekte reducere stålforbruget med omkring 3-4%.

 

 

Efter en omfattende optimering kan det samlede stålforbrug reduceres med 15-20%, fra de oprindelige 200,65 tons til 160,52-170,55 tons. Enhedsstålforbruget vil blive reduceret til 50,16-53,30 kg/m², hvilket stadig er inden for det rimelige område og effektivt kan reducere projektomkostningerne og samtidig sikre strukturel sikkerhed og opfylde lokale krav.

 

Det strukturelle design af den 8-etagers multifunktionelle bygning opfylder kravene i Manilas lokale regler (NSCP 2015, PBC 2004) og belastningskrav med et samlet stålforbrug på cirka 200,65 tons og et enhedsstålforbrug på 62,7 kg/m². For andre regioner: det gælder fuldt ud i Manila; kræver modifikation i Ny Kaledonien, Papua Ny Guinea og Peru (med tilsvarende stigninger i stålforbruget); og anbefales ikke i Tonga og Chile (på grund af ultrahøje krav til seismisk/vindbelastning). Gennem sektionsoptimering, materialeudskiftning og systemtilpasning kan stålforbruget reduceres med 15-20% uden at påvirke den strukturelle sikkerhed, hvilket har væsentlige økonomiske fordele.