Strukturelt stålrammedesign til et 4-etagers hotel i Papua Ny Guinea

 

Beliggenhed: Papua Ny Guinea

Seismisk zone: Seismisk intensitet af8 grader(svarende til PGA ≈ 0,3 g baseret på ASCE 7 eller lignende lokale koder)

Vindbelastning: Grundlæggende vindhastighed =120 km/t (~33.3 m/s)

Snebelastning: Ingen

Bygningsbrug:

Niveau 1: Parkeringshus (højde=3.8 m)

Niveau 2-4: Hotelværelser (hhv. gulv-til-gulvhøjde=3.7 m, 3,7 m og 3,4 m)

Tagtype: Tag med enkelt-skråning(antaget hældning=2 % for dræning)

Ydervægge: Ikke-strukturelle hule betonblokke (lokalt konstrueret;ikke bærende-)

Gulvsystem: Kompositståldæk med støbt-på-betonbelægning(skal specificeres)

 

 

Samlet bygningslængde: 80 m

Plan konfiguration:

Østfløjen: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Vestfløjen: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Note: Planen erikke-rektangulær, sandsynligvis L-formet eller trinformet. Til konstruktionsanalyse behandles bygningen som to forbundne blokke med mulig dilatationsfuge eller stiv forbindelse afhængig af seismiske detaljer.

Typiske Bay Størrelser: Antag søjleafstand af7,5 m på langsog6,0 m på tværs(justerbar pr. arkitektonisk input).

 

 

Primær kode: AISC 360-16 (specifikation for strukturelle stålbygninger)

Seismisk design: ASCE 7-16 (eller tilsvarende – tilpasset til PNG-seismicitet)

Vindbelastning: ASCE 7-16, kapitel 27 (retningsbestemt procedure)

Materialestandarder: ASTM A992 (bjælker/søjler), ASTM A36 (plader, sekundære elementer)

 

 

 

Komponent	Belastning (kN/m²)
Ståldæk + 125 mm betonplade (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Loft, MEP, Finish	0.5
Tagdækning (metaldæk + isolering)	0.3
Hul blokvæg (ikke-strukturel, men påført som linjebelastning på bjælker)	~3,0 kN/m(per meter højde)

 

 

Niveau	LL (kN/m²)	Reference
Niveau 1 (parkering)	2.5	ASCE 7
Niveau 2-4 (hotel)	1.9	ASCE 7 (bolig)
Tag	0.5	Vedligeholdelsesbelastning

 

 

Grundlæggende vindhastighed:V = 33.3 m/s

Eksponeringskategori:C(forudsat forstads-/bymæssigt terræn)

Vindstødsfaktor:G = 0.85

Trykkoefficient (Cp):

Væg (vindende):+0.8

Væg (læ):–0.5

Tag (enkelt-hældning):–0,9 til –0,3(afhængig af zone)

Brug af ASCE 7 Eq. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Forudsat (K_z=0.85) i midt-højde (~7 m), (I=1.0), (K_{zt}=1.0), (K_d=0.85):
[ q_z ≈ 0.613 × 0.85 × 1.0 × 0.85 × (33.3)^2 × 1.0 ≈ 0,613 × 0,7225 × 1109 ≈ 490 Pa ≈ 0,49 kN/m² ]

Design vindtryk:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Max vægtryk ≈0,33 kN/m²(vindende), sug ≈–0,21 kN/m²(læs)

Note: På grund af lav stigning (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Spektral respons: For 8-graders zone, antagS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(konservativt estimat pr. lokal tilpasning af ASCE 7)

Risikokategori: II

R-faktor (momentramme af stål): R = 8(for Special Moment Frame – SMF)

Betydningsfaktor: (I_e = 1.0)

Omtrentlig grundlæggende periode:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Total højde (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m ca.)

Seismisk baseforskydning:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5 % af totalvægten- signifikant.

 

 

Gulvareal ≈ (55,6×27) + (25×41,7) ≈ 1501 + 1043 =2544 m²

3 beboede etager + tag ≈ 4 plan

Gns. DL + LL pr. etage ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

Totalvægt (W ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500 kN

Basisforskydning (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200 kN

→ Seismikken styrer over vindentil lateral design.

 

 

Lateral Force Resisting System (LFRS):

Specielle koncentrisk afstivede rammer (SCBF)ellerSpecial Moment Frames (SMF)

Givet arkitektonisk fleksibilitet og behov for åben parkering,SCBFforetrukket for effektivitet og duktilitet i høje-seismiske zoner.

Tyngdekraftssystem:

Sammensatte bjælker(W-former med klippestifter + metaldæk + betonplade)

Kolonner: HSS eller W-sektioner løbende fra fundament til tag

Afstivning: X-afstivning i begge retninger ved trappe-/elevatorkerner og omkreds, hvor det er muligt

Tag: Enkelt-skråning understøttet af skrå tagbjælker eller koniske rammer; purliner på toppen.

 

 

6.1 gulvbjælker (typisk interiør)

Spændvidde: 7,5 m

Belastning: (w=(3.25 + 1.9) × 6.0=30.9 kN/m)

Maks. moment: (M=wL^2/8=30.9 × 7,5^2 / 8 ≈ 217 kN·m)

Påkrævet sektionsmodul: (Z_x større end eller lig med M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Forsøgssektion: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, OK)

6.2 Kantbjælker (med vægbelastning)

Yderligere vægbelastning: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Total w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 kolonner (interiør, 4 etager)

Tilløbsareal: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Aksialbelastning pr. etage: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

Samlet P ≈ 4 × 232 =928 kN

Tilføj 20 % for seismiske aksiale effekter →P_u ≈ 1.115 kN

Effektiv længde (KL ≈ 0,8 × 3700=2,960 mm)

Forsøg:W250×73(A=9,290 mm², r=119 mm → KL/r ≈ 25 → φPₙ ≈ 0,9×345×9290 ≈2.880 kN >>1.115 kN → OK)

Brug W250×67 eller HSS203×203×9.5 for økonomi

6.4 Støttemedlemmer (SCBF)

Antag afstivning ved 2 fag pr. retning

Seismisk historieforskydning pr. bugt ≈ 7.200 / (antal afstivede rammer)

Antag 4 afstivede rammer i hver retning → ~900 kN pr. ramme

Diagonal kraft: (F=V / sinθ); θ=45 grad → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270 kN

Påkrævet A_g Større end eller lig med 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm²

Forsøg: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², OK for spænding/kompression med slankhedskontrol)

 

 

Metal dæk: Conform® 2.0 eller Bondek®(profildybde=60 mm)

Betonplade: 125 mm tyk, f'c=25 MPa

Forskydningsknopper: 19 mm diameter × 100 mm højde, fordelt på300 mm oclangs bjælker

Sammensat handling: Fuld interaktion forudsat i henhold til AISC 360 Kapitel I

 

 

Jordrapport påkrævet– antag moderat bæreevne (150 kPa)

Kolonnereaktioner: Max ~1.200 kN → fodstørrelse ≈ √(1.200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 misoleret fodfæste

Seismisk forankring: Ankerstænger designet til opløftning og forskydning i henhold til ACI 318

 

 

Overfør-til-kolonne: Boltede endeplader eller svejste momentforbindelser (hvis SMF anvendes)

Støt-til-kilen: Whitmore sektionsmetode i henhold til AISC seismiske bestemmelser

Dækstøtte: Enkelt leje på bjælketopflange

 

 

Punkt	Specifikation
LFRS	Specielle koncentrisk afstivede rammer (SCBF)
Gravity Beams	B410×60 (interiør), B460×74 (kant)
Kolonner	B250×67 eller HSS203×203×9,5
Seler	HSS152×152×9,5
Gulvdæk	60 mm dybt kompositmetaldæk + 125 mm beton
Seismisk baseforskydning	~7.200 kN (styrer design)
Vindtryk	~0,33 kN/m² (ikke-styrende)
Taghældning	2% enkelt hældning, understøttet af skrå spær

 

 

Engager lokal geoteknisk ingeniør til jordrapport.

Koordiner med arkitekten for at finde afstivede rammer uden at hindre parkering eller rum.

Brug korrosionsbestandigt-malingssystem (C4-miljø iht. ISO 12944 – kyst-PNG).

Sørg for bevægelsesfuger, hvis øst/vestvinger er væsentligt forskudt.

Udfør detaljeret 3D-strukturanalyse ved hjælp af software (f.eks. ETABS, SAP2000) inklusive P-Δ-effekter.

 

 

 

Dette estimat for ståltonnage dækker de primære og sekundære strukturelle stålelementer, der kræves til tyngdekrafts- og sidebelastningsmodstands-systemerne på det 4-etagers hotel, herunder:

Søjler (fra fundament til tag)

Gulv- og tagbjælker (sammensat design)

Afstivningselementer (Special Concentrically Braced Frames – SCBF)

Tagindfatning (skråspær og riller)

Forbindelser (estimeret som 5 % af hovedmedlemsvægten)

Udelukket:

Metaldæk (betragtes ikke-strukturel beklædning/pladestøtte)

Ankerstænger, bundplader (inkluderet i tilslutningsgodtgørelse)

Trapper, rækværk, diverse stål

 

 

Byggeplanen består af to sammenhængende blokke:

Østblok: 55.6 m × 27 m

Vestblok: 25 m × 41.7 m
→ Samlet fodaftryk ≈2,544 m²

Typisk kolonnegitter:7,5 m (på langs) × 6,0 m (tværgående)

Antal kolonner:

Østblok: (55,6/7,5 ≈ 8 fag → 9 linjer) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 linjer) =45 kolonner

Vestblok: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 linjer) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 linjer) =32 kolonner

Fradrag overlap ved kryds (~5 delte kolonner) →Samlet antal kolonner ≈ 72

Etager: 4 niveauer (inklusive tag)

Afstivede rammer: 2 pr. retning pr. blok →8 i alt afstivede fag

Taghældning: 2%, understøttet af skrå bjælker; ingen bindingsværk

 

 

På baggrund af projektets karakter af almene boliger, besluttede vi at styrke hele konstruktionssystemet for at skabe et robust byggeri med en levetid på over 100 år. For at opnå dette udskiftede vi konventionelle søjler med kasse-sektionsstålsøjler og fyldte dem på-stedet med beton, hvilket væsentligt forbedrede den samlede strukturelle styrke.

 

 

Afsnit:Æsketype 400X400x12x12mm(masse=146.2 kg/m)

Højde pr. kolonne:

Niveau 1: 3,8 m

Niveau 2–3: 3,7 m hver

Niveau 4: 3,4 m
→ Samlet højde =14.6 m

Samlet kolonnelængde=72 × 14.6 =1,051 m

Kolonnevægt=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 tons

Bemærk: Søjler i stueetagen kan være tungere; dette er et gennemsnit.

 

 

Indvendige bjælker: WH500X290X10X16mm (masse=109.6 kg/m)

Spændvidde: 7,5 m

Antal pr. etage:

Østblok: 5 tværgående linjer × 8 langsgående fag=40

Vestblok: 8 tværgående linjer × 3 langsgående fag=24
→ 64 indvendige bjælker pr. etage

I alt for 3 etager + tagramme=4 × 64 =256 bjælker

Længde=256 × 7.5 =1,920 m

Vægt=1,920 × 109.6=210.432 kg

Kant-/perimeterbjælker: WH600X200X12X12mm (masse=92 kg/m)

Omkredslængde pr. etage ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – overlap ≈290 m/gulv

Antag kantbjælker for hver 6. m → ~48 kantbjælker pr. etage

I alt=4 × 48 =192 bjælker, gns. span=6.0 m

Længde=192 × 6 =1,152 m

Vægt=1,152 × 92=105.984 kg

Samlet strålevægt = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 tons

 

 

Afsnit:HSS152×152×9,5(masse=42.5 kg/m)

Afstivede fag: 8 i alt (4 i Ø-V, 4 i N-S)

Hver bugt har 2 diagonaler pr. historie → 4 etager × 2 =8 diagonaler pr. afstivet rammelinje

Samlede diagonaler=8 rammer × 8 =64 seler

Gns. diagonal længde (for 7,5 m × 3,7 m bugt ved 45 grader):
(L=\\sqrt{7,5^2 + 3.7^2} ≈ 8,4 m)

Samlet klammelængde=64 × 8.4 =538 m

Bøjlevægt=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 tons

 

 

Hovedtagspær følger enkelt-skråningsprofil; brugeW310×45(45 kg/m)

Mellemrum: 3,0 m oc (for at understøtte løkker)

Samlet tagareal=2,544 m² → spærlængde ≈ bygningsbredde (maks. 41,7 m)

Antal spær ≈ 80 m / 3,0 ≈27 linjer

Gns. spærlængde=35 m (vægtet gns. øst/vest-bredder)

Samlet spærlængde=27 × 35 =945 m

Spærvægt=945 × 45 =42.525 kg

Purlins: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), med en afstand på 1,5 m oc

Samlet purlinlængde ≈ (2.544 m² / 1,5 m afstand) × 1,0 m =1,696 m

Vægt=1.696 × 5.5 =9.328 kg

Samlet tagstål = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 tons

 

 

Standard praksis:5%af den samlede hovedmedlemsvægt

Hovedmedlemmer i alt=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 tons

Forbindelser=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 tons

 

 

Komponent	Vægt (tons)
Kolonner	153.7
Gulv- og kantbjælker	316.4
Afstivning (SCBF)	22.9
Tagindfatning (spær + pølse)	51.9
Forbindelser (5 %)	27.3
Samlet estimeret konstruktionsstål	572,2 tons

 

 

Samlet etageareal =2,544 m²

Stål pr. arealenhed=572.2 t / 2.544 m² =225 kg/m²

Dette er rimeligt for en 4-etagers seismisk-bestandig stålbygning med afstivede rammer i et højseismisk område.

 

 

Optimeringspotentiale: Brug af større bugter eller reduceret afstivning kan sænke tonnagen, men seismiske krav i PNG begrænser reduktioner.

Lokal fremstilling: Overvej tilgængelighed af standardsektioner i PNG eller Australien (almindelige sektioner som W-former og HSS antages).

Korrosionsbeskyttelse: Alt stål til at modtage varm-dip galvanisering eller duplex malingssystem på grund af kystnære tropiske miljøer.

Beredskab: Tilføj5–10%til designudvikling, arkitektoniske ændringer eller detaljering af ineffektivitet →Endeligt budgetoverslag: ~615-700 tons. Hvis tilføje nogle trapper og struktur til elevatorer, vil samlet være omkring650~750 tonsi finalen.

Udarbejdet af: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Dato: 16. januar 2026
Basis: AISC 360-16, foreløbig layout, ASCE 7-16 seismiske antagelser