Структурен дизайн и анализ на 8-етажна многофункционална сглобяема сграда за филипински клиент

Структурен дизайн и анализ на 8-етажна многофункционална сграда за филипински клиент

 

 

Този проект е 8-етажна многофункционална сграда, разположена в Манила, Филипините, с общи размери 20m × 20m. Височината на всеки етаж е проектирана както следва: 1-ви етаж (паркинг) плюс мецанин общо 6м; 2-ри етаж (склад) е с височина 6м; 3-ти и 4-ти етаж (офис площи) са съответно на 4.5м и 3.4м; етажите от 5-ти до 7-ми (жилищни части) са с височина по 3,4м; 8-ми етаж (обществено пространство на покрива) плюс височина на покрива е 2,8м. За оптимизиране на пространството са подредени само 3 реда структурни колони: ос A има общо 4 колони, разстоянието между ос A и ос B е 13,2 m, а разстоянието между ос B и ос C е 6,8 m. Разстоянието между 4-те колони на ос A е съответно 5,9 m (1-2 ос), 8,2 m (2-3 ос) и 5,9 m (3-4 ос).

 

 

 

Национален структурен кодекс на Филипините (NSCP) 2015: Урежда цялостния структурен дизайн, изчисляване на натоварването, характеристики на материала и изисквания за безопасност.

Филипински строителен кодекс (PBC) 2004: Регламентира използването на сградите, пожарната безопасност и издръжливостта на конструкцията, съответстваща на многофункционални сгради (паркинг, склад, офис, жилищно, обществено пространство).

Критерии за сеизмично проектиране: Манила се намира в умерена сеизмична зона с пиково земно ускорение (PGA) от 0,15 g; структурният дизайн приема сеизмичен интензитет 7 (0,15 g) за анти{3}}сеизмична проверка.

Критерии за натоварване от вятър: Основната скорост на вятъра в Манила е 45 m/s (Категория 3); изчислението на натоварването от вятър следва NSCP 2015, глава 28, като се има предвид разпределението на налягането на вятъра и структурния коефициент на съпротивление на вятъра.

 

 

Натоварване (DL): Съгласно NSCP 2015, комбинирано с функцията на сградата: покрив (2,5 kN/m²), жилищен под (2,0 kN/m²), офисен под (2,5 kN/m²), складов под (5,0 kN/m²), паркинг (4,0 kN/m²), мецанин (3,0 kN/m²); собственото-тегло на елементите на стоманената конструкция се изчислява въз основа на действителния размер на сечението.

Постоянно натоварване (LL): Жилищна зона (2,5 kN/m²), офис площ (3,0 kN/m²), склад (10,0 kN/m²), паркинг (2,5 kN/m² на превозно средство, плюс 1,0 kN/m² за пешеходец), обществено пространство на покрива (2,0 kN/m²).

Сеизмично натоварване (EL): Изчислено с помощта на метода на спектъра на реакция, като се има предвид разпределението на структурната маса, характеристиките на коравина и съотношението на затихване (0,05 за стоманени конструкции).

Вятърно натоварване (WL): Изчислено като налягане на вятъра (w=0.613 × V², V=45 m/s) и разпределено на всеки етаж според височината и структурната форма; Вибрацията, причинена-от вятър, се проверява за високи-части (5-8 етажа).

Други натоварвания: Натоварването от сняг не се взема предвид (Манила е тропическа област); земетресение-вторични натоварвания (като P-Δ ефект) и температурен стрес са включени в проверката на проекта.

 

 

Като се има предвид функцията на сградата, изискванията за пространство и изискванията на местния код, се приема конструкция от стоманена рамка, която има предимствата на леко тегло, висока якост, добра пластичност и бърза конструкция. Конкретното структурно устройство е както следва:

Колони: Използват се стоманени Н{0}}греди; сеченията на колоните се определят според товароносимостта-на всеки етаж. 1-ви-2-ри етаж (паркинг + склад) приемат H600 × 250 × 8 × 12 mm поради голямо натоварване; 3-4-ти етаж (офис) приема H500×200×7×10 mm; 5-8 етаж (жилищен + покрив) приема H400×200×6×8 mm.

Греди: Стоманените Н{0}}греди се използват за подови греди и покривни греди. Гредите между ос A и ос B (13,2m размах) приемат H500×200×7×10 mm (1-ви-2-ри етаж) и H450×180×6×9 mm (3-ти-8-ми етаж); гредите между ос B и ос C (6,8m размах) приемат H400×180×6×8 mm (всички подове); гредите на мецанина приемат H300×150×6×8 mm.

Подова плоча: Приема се композитна подова плоча (стоманена палуба + бетон) с дебелина на бетона от 120 mm (жилищен/офис), 150 mm (склад/паркинг) и 100 mm (мецанин/покрив); моделът на стоманения дек е B-120, с дебелина 1,2 мм.

Система за странично съпротивление: Самата стоманена рамка осигурява странична твърдост; освен това в ъглите на сградата (ос A-1, A-4, C-1, C-4) са разположени диагонални скоби, за да се подобри страничната устойчивост срещу вятър и сеизмични натоварвания.

 

 

Потреблението на стомана включва всички основни конструктивни елементи: колони, греди, подови стоманени настилки, диагонални скоби и свързващи компоненти (болтове, заваръчни материали и др.). Добавя се 10% надбавка за свързващи компоненти (болтове, заваряване и т.н.) въз основа на теглото на основните елементи, което е в съответствие с конвенционалния стандарт за изчисление на проекти за стоманени конструкции.

 

 

Структурен компонент	Спецификация	Количество	Единично тегло (kg/m)	Обща дължина (m)	Общо тегло (кг)
Колони (1-ви-2-ри етаж)	H600×250×8×12	12 (3 реда × 4 колони)	118.5	144 (12 колони × 12 м обща височина за 1-ви-2-ри етажи)	17064
Колони (3-4-ти етаж)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 колони × 7,5 м обща височина за 3-ти-4-ти етаж)	7587
Колони (5-8 етаж)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 колони × 11,2 м обща височина за 5-8 етаж)	8346.24
Греди (ос A-B, 1-ви-2-ри етажи)	H500×200×7×10	24 (4 разстояния × 6 етажа, 1-ви-2-ри етажи)	84.3	316,8 (24 греди × 13,2 м обхват)	26706.24
Греди (ос A-B, 3-8 етаж)	H450×180×6×9	48 (4 разстояния × 12 етажа, 3-8 етажа)	70.2	633,6 (48 греди × 13,2 м обхват)	44478.72
Греди (ос B-C, всички подове)	H400×180×6×8	72 (4 разстояния × 18 етажа, всичките 8 етажа)	58.5	489,6 (72 греди × 6,8 м обхват)	28641.6
Междуетажни греди	H300×150×6×8	12 (4 разстояния × 3 реда)	40.2	120 (12 греди × 10 м среден обхват)	4824
Диагонални скоби	H200×150×6×8	32 (4 ъгъла × 8 етажа)	30.1	179,2 (32 скоби × 5,6 м средна дължина)	5393.92
Подова стоманена палуба	B-120 (1,2 мм)	1 комплект (всички етажи)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7.2 етажа, без покрива)	34560
Покривна стоманена настилка	B-120 (1,2 мм)	1 комплект	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Основни членове Общо	-	-	-	-	182407.72
Надбавка за връзка (10%)	-	-	-	-	18240.77
Обща консумация на стомана	-	-	-	-	200648,49 кг (≈200,65 тона)

 

Общо потребление на стомана: Приблизително 200,65 метрични тона (включително 10% надбавка за свързване).

Единична консумация на стомана: 200,65 тона / (20m×20m×8 етажа)=62.7 kg/m² (изчислено на базата на обща подова площ от 3200 m²).

Единичната консумация на стомана е в рамките на разумния диапазон (60-80 kg/m²) за многофункционални сгради със стоманена конструкция, което е в съответствие със стандартите за проектиране на подобни проекти в Манила.

 

 

Следващият анализ оценява приложимостта на текущия структурен проект (въз основа на местните кодове на Манила) в основните пазари на CBC като Тонга, Нова Каледония, Папуа Нова Гвинея, Чили и Перу, като се фокусира върху разликите в местните изисквания за сеизмичност, натоварване от вятър и строителни норми.

 

 

Сеизмични условия: Тонга се намира във висока сеизмична зона (Тихоокеански огнен пръстен) с PGA от 0,30-0,40g, което е много по-високо от 0,15g в Манила.

Вятърно натоварване: Основната скорост на вятъра е 55-60 m/s (циклонен регион), значително по-висока от 45 m/s в Манила.

Изисквания на кодекса: Съответства на Строителния кодекс на Тонга (TBC) 2018, който има по-строги изисквания за странично съпротивление и структурна пластичност.

Преценка за приложимост: Не се препоръчва. Настоящата структурна твърдост и сеизмична устойчивост са недостатъчни, за да издържат на високите сеизмични и ветрови натоварвания на Тонга; секциите на колоната-гредите и системата за странични укрепвания трябва да бъдат значително укрепени и потреблението на стомана ще се увеличи с 30-40%.

 

 

Сеизмични условия: Умерена сеизмична зона с PGA от 0,20g, малко по-висока от 0,15g в Манила.

Вятърно натоварване: Основната скорост на вятъра е 50 m/s (застрашена от тропически циклони-зона), по-висока от 45 m/s в Манила.

Изисквания на кодекса: Следва строителния кодекс на френските отвъдморски територии (RTC) 2020, който е подобен на европейските стандарти и има строги изисквания за структурна издръжливост и устойчивост на вятър.

Преценка за приложимост: Изисква промяна. Текущият дизайн може да бъде адаптиран след частични корекции: укрепване на системата за странично укрепване, увеличаване на дебелината на фланците на колоната-гредите с 2-3 mm и коригиране на параметрите за сеизмично изчисление; консумацията на стомана ще се увеличи с 15-20%.

 

Сеизмични условия: Силна сеизмична зона с PGA от 0,25-0,35g, по-висока от 0,15g в Манила; сеизмичната активност е честа и интензивна.

Вятърно натоварване: Основната скорост на вятъра е 48-52 m/s, малко по-висока от 45 m/s в Манила.

Изисквания на кодекса: Приема Националния строителен кодекс на Папуа Нова Гвинея (PNG NBC) 2015 г., който набляга на сеизмичната устойчивост и структурната пластичност за високи -етажни сгради.

Преценка за приложимост: Изисква промяна. Основните корекции включват: увеличаване на размера на сечението на колоната-греда (особено 1-ви-2-ри етаж), добавяне на повече странични скоби и оптимизиране на системата за разсейване на сеизмичната енергия; консумацията на стомана ще се увеличи с 25-30%.

 

 

Сеизмични условия: Една от най-високите сеизмични зони в света с PGA от 0,40-0,50g, далеч надхвърлящ 0,15g в Манила; земетресения с голям магнитуд се случват често.

Вятърно натоварване: Основната скорост на вятъра е 40-45 m/s, подобна на 45 m/s в Манила.

Изисквания на кодекса: Следва чилийския строителен кодекс (NCh 433 Of. 2017), който има най-строгите стандарти за сеизмично проектиране в света, изискващи висока структурна пластичност и капацитет за разсейване на енергия.

Преценка за приложимост: Не се препоръчва. Настоящата структурна система не може да отговори на свръх-високите сеизмични изисквания на Чили; нова сеизмично{2}}устойчива система (като стоманена рамка-скоба-система за разсейване на енергия) трябва да бъде преработена и потреблението на стомана ще се увеличи с 50% или повече.

 

 

Сеизмични условия: Силна сеизмична зона с PGA от 0,25-0,30g, по-висока от 0,15g в Манила; сеизмичният интензитет варира според региона (крайбрежните райони са по-тежки).

Вятърно натоварване: Основната скорост на вятъра е 42-48 m/s, малко по-ниска или подобна на 45 m/s в Манила.

Изисквания на кодекса: Приема Перуанския строителен кодекс (E070) 2017, който има строги изисквания за сеизмично проектиране и структурна стабилност на високи-етажни сгради.

Преценка за приложимост: Изисква промяна. Основните корекции включват: укрепване на връзките на-гредите на колоната, увеличаване на страничната твърдост на конструкцията и оптимизиране на изчисляването на сеизмичното натоварване; консумацията на стомана ще се увеличи с 20-25%.

 

 

Регион	Сеизмичен PGA (g)	Основна скорост на вятъра (m/s)	Преценка за приложимостта	Изискват се ключови модификации
Манила (Филипини)	0.15	45	Напълно приложим	Няма
Тонга	0.30-0.40	55-60	Не се препоръчва	Цялостен редизайн на структурната система, значително увеличаване на размера на сечението и странично укрепване
Нова Каледония	0.20	50	Изисква модификация	Укрепете страничните укрепвания, увеличете дебелината на фланеца, коригирайте сеизмичните параметри
Папуа Нова Гвинея	0.25-0.35	48-52	Изисква модификация	Увеличете размера на сечението-на греда на колоната, добавете странични скоби, оптимизирайте системата за разсейване на енергията
Чили	0.40-0.50	40-45	Не се препоръчва	Препроектирайте сеизмично{0}}устойчивата система, добавете разсейватели на енергия, значително увеличете структурната твърдост
Перу	0.25-0.30	42-48	Изисква модификация	Укрепете връзките-на гредите на колоните, увеличете страничната коравина, оптимизирайте сеизмичните изчисления

 

Въз основа на спазването на местните кодекси на Манила и осигуряването на структурна безопасност, могат да се предприемат следните мерки за оптимизация, за да се намали консумацията на стомана, да се подобри структурната ефективност и да се намалят разходите по проекта, без да се засяга функцията на сградата и изискванията за пространство.

 

 

Колони: За 5-ти-8-ми етаж (жилищна зона, малък товар), сечението на колоната може да бъде оптимизирано от H400×200×6×8 mm до H350×180×6×8 mm. Проверката на съотношението на напрежението показва, че оптимизираната секция все още може да изпълни изискванията за носене, намалявайки консумацията на стомана с около 8% за тези колони.

Греди: За гредите между ос B и ос C (6,8 m обхват, малък товар), сечението може да бъде оптимизирано от H400×180×6×8 mm до H350×180×6×8 mm, намалявайки консумацията на стомана с около 6% за тези греди.

 

 

Сегашните диагонални скоби са разположени на всички 8 етажа; те могат да бъдат оптимизирани да бъдат разположени на интервали (на всеки 2 етажа) за 5-8 етаж (жилищна зона, малък страничен товар). Тази настройка може да намали броя на скобите с 50% за горните етажи, като същевременно гарантира, че страничната твърдост отговаря на изискванията, намалявайки потреблението на стомана с около 5% за системата за скоби.

 

 

Настоящият дизайн използва стомана Q235B и Q355B; може да се замени с изцяло Q355B или стомана с висока-якост за главните колони и греди (1-ви-4-ти етаж, голямо натоварване). така че размерът на сечението може да бъде подходящо намален, като същевременно се запази същият капацитет на натоварване. Тази оптимизация може да намали консумацията на стомана с около 10-12% за основните елементи.

 

 

За 5-ти-7-ми етаж (жилищна зона) дебелината на бетонната композитна подова плоча може да бъде намалена от 120 mm на 100 mm, а дебелината на стоманената настилка може да се поддържа на 1,2 mm. Това регулиране може да намали мъртвото натоварване на пода, като по този начин намали изискванията за носещи характеристики на колоните и гредите и косвено намали потреблението на стомана с около 3-4%.

 

 

След цялостна оптимизация общото потребление на стомана може да бъде намалено с 15-20%, от първоначалните 200,65 тона до 160,52-170,55 тона. Единичната консумация на стомана ще бъде намалена до 50,16-53,30 kg/m², което все още е в рамките на разумния диапазон и може ефективно да намали разходите по проекта, като същевременно гарантира структурна безопасност и отговаря на изискванията на местния кодекс.

 

Структурният дизайн на 8-етажната многофункционална сграда отговаря на изискванията на местните кодекси на Манила (NSCP 2015, PBC 2004) и изискванията за натоварване, с общо потребление на стомана от приблизително 200,65 тона и единично потребление на стомана от 62,7 kg/m². За други региони: приложимо е напълно в Манила; изисква модификация в Нова Каледония, Папуа Нова Гвинея и Перу (със съответните увеличения на потреблението на стомана); и не се препоръчва в Тонга и Чили (поради свръхвисоки изисквания за сеизмично/ветрово натоварване). Чрез оптимизиране на секциите, подмяна на материала и настройка на системата, потреблението на стомана може да бъде намалено с 15-20%, без да се засяга структурната безопасност, което има значителни икономически ползи.