Дизајн конструкције и анализа 8-спратнице вишенаменске монтажне зграде за филипинског клијента

Пројектовање и анализа 8-спратне мултифункционалне зграде за филипинског клијента

 

 

Овај пројекат је 8-спратна мултифункционална зграда која се налази у Манили, Филипини, укупне димензије 20м × 20м. Висина сваког спрата је пројектована на следећи начин: 1. спрат (паркинг) плус мезанин укупно 6м; 2. спрат (магацин) је висок 6м; 3. и 4. спрат (канцеларијски простори) су у 4,5м и 3,4м респективно; 5. до 7. спратови (стамбени простори) су високи по 3,4 м; 8. спрат (крвни јавни простор) плус висина крова је 2,8м. За оптимизацију простора, распоређена су само 3 реда структуралних стубова: Оса А има укупно 4 колоне, размак између осе А и осе Б је 13,2 м, а размак између осе Б и осе Ц је 6,8 м. Размак између 4 колоне на оси А је 5,9 м (1-2 осе), 8,2 м (2-3 осе) и 5,9 м (3-4 осе).

 

 

 

Национални кодекс конструкција Филипина (НСЦП) 2015: Уређује укупни дизајн конструкције, прорачун оптерећења, перформансе материјала и безбедносне захтеве.

Филипински грађевински кодекс (ПБЦ) 2004: Регулише употребу зграда, сигурност од пожара и трајност конструкција које одговарају мултифункционалним зградама (паркинг, складиште, канцеларија, стамбени, јавни простор).

Критеријуми сеизмичког пројектовања: Манила се налази у умереној сеизмичкој зони са вршним приземним убрзањем (ПГА) од 0,15 г; конструкцијски пројекат усваја сеизмички интензитет 7 (0,15г) за анти-сеизмичку проверу.

Критеријуми оптерећења ветром: Основна брзина ветра у Манили је 45 м/с (категорија 3); Прорачун оптерећења ветром следи Поглавље 28 НСЦП 2015, узимајући у обзир дистрибуцију притиска ветра и структурни коефицијент отпора ветра.

 

 

Мртво оптерећење (ДЛ): Према НСЦП 2015, у комбинацији са функцијом зграде: кров (2,5 кН/м²), стамбени спрат (2,0 кН/м²), спрат канцеларије (2,5 кН/м²), спрат складишта (5,0 кН/м²), паркинг (4,0 кН/м²), кН/м² (3,0); сопствена-тежина елемената челичне конструкције се израчунава на основу стварне величине пресека.

Живо оптерећење (ЛЛ): Стамбена површина (2,5 кН/м²), канцеларијска површина (3,0 кН/м²), складиште (10,0 кН/м²), паркинг (2,5 кН/м² по возилу, плус 1,0 кН/м² за пешака), кровни јавни простор (2,0 кН/м²).

Сеизмичко оптерећење (ЕЛ): Израчунато коришћењем методе спектра одзива, узимајући у обзир структурну расподелу масе, карактеристике крутости и однос пригушења (0,05 за челичне конструкције).

Оптерећење ветром (ВЛ): Израчунава се као притисак ветра (в=0.613 × В², В=45 м/с) и дистрибуира се на сваки спрат према висини и облику конструкције; Вибрације изазване ветром-проверавају се за делове високих{3}}(5-8 спратова).

Остала оптерећења: Оптерећење снијегом се не узима у обзир (Манила је тропски регион); Секундарна оптерећења изазвана земљотресом- (као што је П-Δ ефекат) и температурни стрес су укључени у проверу дизајна.

 

 

Узимајући у обзир функцију зграде, захтеве простора и захтеве локалног кода, усвојена је челична конструкција оквира, која има предности мале тежине, високе чврстоће, добре дуктилности и брзе конструкције. Специфични структурни распоред је следећи:

Стубови: Користе се челичне Х{0}}греде; пресеци стубова се одређују према носивости-сваког спрата. 1.-2. спратови (паркинг + магацин) прихватају Х600×250×8×12 мм због великог оптерећења; 3.-4. спратови (канцеларија) усвајају Х500×200×7×10 мм; 5.-8. спратови (стамбени + кров) усвајају Х400×200×6×8 мм.

Греде: Челичне Х{0}} греде се користе за подне и кровне греде. Греде између осе А и осе Б (распон 13,2 м) прихватају Х500×200×7×10 мм (1.-2. спрат) и Х450×180×6×9 мм (3.-8. спрат); греде између осе Б и осе Ц (распон 6,8м) прихватају Х400×180×6×8 мм (сви спратови); међуспратне греде усвајају Х300×150×6×8 мм.

Подна плоча: Усвојена је композитна подна плоча (челична палуба + бетон), дебљине бетона од 120 мм (стамбени/канцеларијски), 150 мм (магацин/паркинг) и 100 мм (мезанин/кров); модел челичне палубе је Б-120, дебљине 1,2 мм.

Систем бочног отпора: Сам челични оквир обезбеђује бочну крутост; поред тога, дијагонални подупирачи су постављени на угловима зграде (оса А-1, А-4, Ц-1, Ц-4) како би се повећала бочна отпорност на ветар и сеизмичка оптерећења.

 

 

Потрошња челика укључује све главне конструкцијске елементе: стубове, греде, подне челичне подове, дијагоналне подупираче и спојне компоненте (завртње, материјали за заваривање, итд.). Додатак од 10% се додаје за прикључне компоненте (завртње, заваривање, итд.) на основу тежине главних елемената, што је у складу са конвенционалним стандардом прорачуна пројеката челичних конструкција.

 

 

Структурна компонента	Спецификација	Количина	Тежина јединице (кг/м)	Укупна дужина (м)	Укупна тежина (кг)
Колоне (1-2 спрат)	H600×250×8×12	12 (3 реда × 4 колоне)	118.5	144 (12 колона × 12м укупна висина за 1.-2. спрат)	17064
Колоне (3.-4. спрат)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 стубова × 7,5 м укупна висина за 3.-4. спрат)	7587
Колоне (5-8 спрат)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 колона × 11,2 м укупна висина за 5.-8. спрат)	8346.24
Греде (А-Б оса, 1.-2. спратови)	H500×200×7×10	24 (4 распона × 6 спратова, 1-2 спрата)	84.3	316,8 (24 зрака × распон 13,2 м)	26706.24
Греде (А-Б оса, 3.-8. спратови)	H450×180×6×9	48 (4 распона × 12 спратова, 3-8 спратова)	70.2	633,6 (48 зрака × распон 13,2 м)	44478.72
Греде (Б-Ц оса, сви спратови)	H400×180×6×8	72 (4 распона × 18 спратова, свих 8 спратова)	58.5	489,6 (72 снопа × распон 6,8 м)	28641.6
Меззанине Беамс	H300×150×6×8	12 (4 распона × 3 реда)	40.2	120 (12 снопова × 10м просечног распона)	4824
Диагонал Брацес	H200×150×6×8	32 (4 угла × 8 спратова)	30.1	179,2 (32 протеза × просечна дужина 5,6 м)	5393.92
Подна челична палуба	Б-120 (1,2 мм)	1 сет (сви спратови)	12 кг/м²	2880 м² (20м×20м×7,2 спрата, без крова)	34560
Рооф Стеел Децк	Б-120 (1,2 мм)	1 сет	12 кг/м²	400 m² (20m×20m)	4800
Главни чланови Укупно	-	-	-	-	182407.72
Додатак за повезивање (10%)	-	-	-	-	18240.77
Укупна потрошња челика	-	-	-	-	200648,49 кг (≈200,65 тона)

 

Укупна потрошња челика: Приближно 200,65 метричких тона (укључујући 10% накнаде за прикључак).

Јединична потрошња челика: 200,65 тона / (20м×20м×8 спратова)=62.7 кг/м² (израчунато на основу укупне површине пода од 3200 м²).

Јединична потрошња челика је у разумном опсегу (60-80 кг/м²) за мултифункционалне зграде са челичним оквиром, што је у складу са стандардима пројектовања сличних пројеката у Манили.

 

 

Следећа анализа процењује применљивост тренутног конструкцијског дизајна (заснованог на локалним законима Маниле) на главним тржиштима ЦБЦ-а као што су Тонга, Нова Каледонија, Папуа Нова Гвинеја, Чиле и Перу, фокусирајући се на разлике у локалним сеизмичким захтевима, оптерећењима ветром и захтевима грађевинских прописа.

 

 

Сеизмички услови: Тонга се налази у високој сеизмичкој зони (пацифички ватрени прстен) са ПГА од 0,30-0,40 г, што је много више од 0,15 г у Манили.

Оптерећење ветром: Основна брзина ветра је 55-60 м/с (циклонални регион), знатно већа од 45 м/с у Манили.

Захтеви кода: У складу са Тонга Буилдинг Цоде (ТБЦ) 2018, који има строже захтеве за бочну отпорност и структурну дуктилност.

Процена применљивости: Не препоручује се. Тренутна структурална крутост и сеизмичка отпорност нису довољни да издрже висока сеизмичка оптерећења и оптерећења Тонге; треба значајно ојачати -секције греда и систем бочних учвршћења, а потрошња челика ће се повећати за 30-40%.

 

 

Сеизмички услови: Умерена сеизмичка зона са ПГА од 0,20 г, нешто више од 0,15 г у Манили.

Оптерећење ветром: Основна брзина ветра је 50 м/с (подручје склоно тропским циклонима{1}), већа од 45 м/с у Манили.

Захтеви кода: Следи кодекс за изградњу француских прекоморских територија (РТЦ) 2020, који је сличан европским стандардима и има строге захтеве за издржљивост конструкције и отпорност на ветар.

Процена применљивости: Захтева измену. Тренутни дизајн се може прилагодити након делимичних прилагођавања: ојачати систем бочних учвршћења, повећати дебљину прирубница греда- за 2-3 мм и прилагодити параметре сеизмичког прорачуна; потрошња челика ће се повећати за 15-20%.

 

Сеизмички услови: Висока сеизмичка зона са ПГА од 0,25-0,35г, више од 0,15г у Манили; сеизмичка активност је честа и интензивна.

Оптерећење ветром: Основна брзина ветра је 48-52 м/с, нешто већа од 45 м/с у Манили.

Захтеви кода: Усваја Национални грађевински код Папуе Нове Гвинеје (ПНГ НБЦ) 2015, који наглашава сеизмичку отпорност и структурну дуктилност за високе-зграде.

Процена применљивости: Захтева измену. Главна подешавања обухватају: повећање величине пресека греде-(нарочито 1-2 спратова), додавање више бочних подупирача и оптимизацију система за дисипацију сеизмичке енергије; потрошња челика ће се повећати за 25-30%.

 

 

Сеизмички услови: Једна од највећих сеизмичких зона на свету са ПГА од 0,40-0,50г, што је далеко више од 0,15г у Манили; често се дешавају земљотреси великих размера.

Оптерећење ветром: Основна брзина ветра је 40-45 м/с, слично као у Манили 45 м/с.

Захтеви кода: Прати чилеански грађевински кодекс (НЦх 433 Оф. 2017), који има најстроже стандарде сеизмичког дизајна на свету, који захтевају високу структурну дуктилност и капацитет дисипације енергије.

Процена применљивости: Не препоручује се. Тренутни структурни систем не може да испуни ултра-сеизмичке захтеве Чилеа; нови сеизмички-отпорни систем (као што је челични оквир-контејнер-систем дисипатора енергије) треба редизајнирати, а потрошња челика ће се повећати за 50% или више.

 

 

Сеизмички услови: Висока сеизмичка зона са ПГА од 0,25-0,30г, више од 0,15г у Манили; сеизмички интензитет варира у зависности од региона (приобална подручја су оштрија).

Оптерећење ветром: Основна брзина ветра је 42-48 м/с, нешто нижа или слична 45 м/с у Манили.

Захтеви кода: Усваја Перуански грађевински код (Е070) 2017, који има строге захтеве за сеизмичко пројектовање и структурну стабилност високих-зграда.

Процена применљивости: Захтева измену. Главна прилагођавања обухватају: јачање везе стубова{1}}греда, повећање бочне крутости конструкције и оптимизацију прорачуна сеизмичког оптерећења; потрошња челика ће се повећати за 20-25%.

 

 

Регион	Сеизмички ПГА (г)	Основна брзина ветра (м/с)	Пресуда о применљивости	Потребне су кључне модификације
Манила (Филипини)	0.15	45	Потпуно применљиво	Ниједан
Тонга	0.30-0.40	55-60	Не препоручује се	Свеобухватан редизајн конструктивног система, значајно повећање величине пресека и бочних учвршћења
Нова Каледонија	0.20	50	Захтева модификацију	Ојачати бочно учвршћивање, повећати дебљину прирубнице, прилагодити сеизмичке параметре
Папуа Нова Гвинеја	0.25-0.35	48-52	Захтева модификацију	Повећајте -величину пресека греде, додајте бочне подупираче, оптимизујте систем расипања енергије
Чиле	0.40-0.50	40-45	Не препоручује се	Редизајнирајте систем отпоран на сеизмику{0}}, додајте дисипаторе енергије, значајно повећајте структурну крутост
Перу	0.25-0.30	42-48	Захтева модификацију	Ојачајте{0}}везе стубова, повећајте бочну крутост, оптимизујте сеизмичке прорачуне

 

На основу испуњавања локалних прописа Маниле и обезбеђивања сигурности конструкције, следеће мере оптимизације се могу предузети да би се смањила потрошња челика, побољшала ефикасност конструкције и смањили трошкови пројекта, без утицаја на функцију зграде и захтеве простора.

 

 

Стубови: За 5-8 спратове (стамбени простор, мало оптерећење), пресек стуба се може оптимизовати од Х400×200×6×8 мм до Х350×180×6×8 мм. Провера односа напрезања показује да оптимизовани пресек и даље може да испуни захтеве носивости, смањујући потрошњу челика за око 8% за ове стубове.

Греде: За греде између осе Б и осе Ц (распон 6,8м, мало оптерећење), пресек се може оптимизовати од Х400×180×6×8 мм до Х350×180×6×8 мм, смањујући потрошњу челика за око 6% за ове греде.

 

 

Постојећи дијагонални носачи су распоређени на свих 8 спратова; могу се оптимизовати да се распореде у интервалима (свака 2 спрата) за 5-8 спрат (стамбени простор, мало бочно оптерећење). Ово подешавање може смањити број подупирача за 50% за горње спратове, док осигурава да бочна крутост испуњава захтеве, смањујући потрошњу челика за око 5% за систем учвршћења.

 

 

Тренутни дизајн усваја К235Б и К355Б челик; може се заменити свим К355Б или челиком високе{3}}врсте за главне стубове и греде (1.-4. спрат, велико оптерећење). тако да се величина пресека може на одговарајући начин смањити уз задржавање исте носивости. Ова оптимизација може смањити потрошњу челика за око 10-12% за главне чланове.

 

 

За 5-7 спратове (стамбени део), дебљина бетонске плоче композитне подне плоче може да се смањи са 120 мм на 100 мм, а дебљина челичне палубе може да се задржи на 1,2 мм. Ово подешавање може смањити мртво оптерећење пода, чиме се смањују захтеви носивости стубова и греда, а индиректно се смањује потрошња челика за око 3-4%.

 

 

Након свеобухватне оптимизације, укупна потрошња челика може се смањити за 15-20%, са првобитних 200,65 тона на 160,52-170,55 тона. Јединична потрошња челика ће бити смањена на 50,16-53,30 кг/м², што је и даље у разумном опсегу и може ефикасно смањити трошкове пројекта, истовремено осигуравајући структурну сигурност и испуњавајући захтеве локалног кодекса.

 

Структурни дизајн 8-спратне мултифункционалне зграде испуњава захтеве локалних прописа Маниле (НСЦП 2015, ПБЦ 2004) и захтеве оптерећења, са укупном потрошњом челика од приближно 200,65 тона и јединичном потрошњом челика од 62,7 кг/м². За остале регионе: у потпуности се примењује у Манили; захтева модификацију у Новој Каледонији, Папуи Новој Гвинеји и Перуу (са одговарајућим повећањем потрошње челика); и не препоручује се у Тонги и Чилеу (због ултра-високих захтева за сеизмичко оптерећење/ветар). Оптимизацијом пресека, заменом материјала и подешавањем система, потрошња челика се може смањити за 15-20% без утицаја на сигурност конструкције, што има значајне економске користи.