Strukturell design og analyse av 8-etasjers multifunksjonell prefabrikert bygning for filippinsk klient

Strukturell design og analyse av 8-etasjers multifunksjonell bygning for filippinsk klient

 

 

Dette prosjektet er en 8-etasjers multifunksjonell bygning som ligger i Manila, Filippinene, med en total dimensjon på 20m × 20m. Høyden på hver etasje er utformet som følger: 1. etasje (parkeringsplass) pluss mesanin totalt i 6m; 2. etasje (lageret) er 6m høy; 3. og 4. etasje (kontorarealer) er i henholdsvis 4,5 m og 3,4 m; 5. til 7. etasje (boligområder) er hver 3,4 m høye; 8. etasje (tak offentlig plass) pluss takhøyde er 2,8m. For plassoptimering er det kun arrangert 3 rader med strukturelle kolonner: Akse A har totalt 4 kolonner, avstanden mellom akse A og akse B er 13,2m, og avstanden mellom akse B og akse C er 6,8m. Avstanden mellom de 4 kolonnene 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 den generelle strukturelle designen, lastberegning, materialytelse og sikkerhetskrav.

Philippine Building Code (PBC) 2004: Regulerer bruk av bygninger, brannsikkerhet og strukturell holdbarhet som tilsvarer multifunksjonelle bygninger (parkering, lager, kontor, bolig, offentlig rom).

Seismiske designkriterier: Manila ligger i en moderat seismisk sone med en Peak Ground Acceleration (PGA) på 0,15g; den strukturelle designen bruker seismisk intensitet 7 (0,15g) for anti-seismisk sjekk.

Vindbelastningskriterier: Grunnleggende vindhastighet i Manila er 45 m/s (Kategori 3); vindlastberegning følger NSCP 2015 kapittel 28, med tanke på vindtrykkfordeling og strukturell vindmotstandskoeffisient.

 

 

Egenlast (DL): I henhold til NSCP 2015, kombinert med bygningsfunksjonen: tak (2,5 kN/m²), boliggulv (2,0 kN/m²), kontorgulv (2,5 kN/m²), lagergulv (5,0 kN/m²), parkeringsplass (4,0 kN/m²), mesanin (3,0 kN/m²); egen-vekt av stålkonstruksjonselementer beregnes basert på faktisk seksjonsstørrelse.

Levende belastning (LL): Boligområde (2,5 kN/m²), kontorareal (3,0 kN/m²), lager (10,0 kN/m²), parkeringsplass (2,5 kN/m² per kjøretøy, pluss 1,0 kN/m² for fotgjengere), offentlig tak på taket (2,0 kN/m²).

Seismisk belastning (EL): Beregnet ved hjelp av responsspektrummetoden, med tanke på strukturell massefordeling, stivhetsegenskaper og dempingsforhold (0,05 for stålkonstruksjoner).

Vindbelastning (WL): Beregnet som vindtrykk (w=0.613 × V², V=45 m/s) og fordelt på hver etasje i henhold til høyden og strukturell form; vind-indusert vibrasjon kontrolleres for høye-deler (5-8 etasjer).

Andre belastninger: Snøbelastning vurderes ikke (Manila er en tropisk region); jordskjelv-induserte sekundære belastninger (som P-Δ-effekt) og temperaturstress er inkludert i designsjekken.

 

 

Tatt i betraktning bygningsfunksjonen, plassbehov og lokale krav, er en stålrammekonstruksjon tatt i bruk, som har fordelene med lett vekt, høy styrke, god duktilitet og rask konstruksjon. Den spesifikke strukturelle ordningen er som følger:

Søyler: Stål H-bjelker brukes; søyleseksjonene bestemmes i henhold til-bæreevnen til hver etasje. 1.-2. etasje (parkering + lager) bruker H600×250×8×12 mm på grunn av stor belastning; 3.-4. etasje (kontor) bruker H500×200×7×10 mm; 5.-8. etasje (bolig + tak) bruker H400×200×6×8 mm.

Bjelker: Stål H-bjelker brukes til gulvbjelker og takbjelker. Bjelkene mellom akse A og akse B (13,2 m spenn) bruker H500×200×7×10 mm (1.-2. etasje) og H450×180×6×9 mm (3.-8. etasje); bjelkene mellom akse B og akse C (6,8m spennvidde) bruker H400×180×6×8 mm (alle etasjer); mesaninbjelkene bruker H300×150×6×8 mm.

Gulvplate: Sammensatt gulvplate (ståldekke + betong) er vedtatt, med en betongtykkelse på 120mm (bolig/kontor), 150mm (lager/parkering) og 100mm (mezzanin/tak); ståldekkmodellen er B-120, med en tykkelse på 1,2 mm.

Sidemotstandssystem: Selve stålrammen gir sidestivhet; i tillegg er det anordnet diagonale avstivere i hjørnene av bygningen (akse A-1, A-4, C-1, C-4) for å forbedre sideveis motstand mot vind og seismiske belastninger.

 

 

Stålforbruket inkluderer alle hovedkonstruksjonselementer: søyler, bjelker, gulvståldekk, diagonalstiver og koblingskomponenter (bolter, sveisematerialer, etc.). Det legges til 10 % tillegg for koblingskomponenter (bolter, sveising, etc.) basert på vekten av hovedelementer, som er i tråd med den konvensjonelle beregningsstandarden for stålkonstruksjonsprosjekter.

 

 

Strukturell komponent	Spesifikasjon	Mengde	Enhetsvekt (kg/m)	Total lengde (m)	Totalvekt (kg)
Søyler (1.–2. etasje)	H600×250×8×12	12 (3 rader × 4 kolonner)	118.5	144 (12 søyler × 12m total høyde for 1.-2. etasje)	17064
Søyler (3.-4. etasje)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 kolonner × 7,5 m total høyde for 3.-4. etasje)	7587
Søyler (5.–8. etasje)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 kolonner × 11,2 m total høyde for 5.–8. etasje)	8346.24
Bjelker (A-B-akse, 1.-2. etasje)	H500×200×7×10	24 (4 spenn × 6 etasjer, 1.-2. etasje)	84.3	316,8 (24 stråler × 13,2 m spennvidde)	26706.24
Bjelker (A-B-akse, 3.–8. etasje)	H450×180×6×9	48 (4 spenn × 12 etasjer, 3.-8. etasje)	70.2	633,6 (48 stråler × 13,2 m spennvidde)	44478.72
Bjelker (B-C-akse, alle etasjer)	H400×180×6×8	72 (4 spenn × 18 etasjer, alle 8 etasjer)	58.5	489,6 (72 stråler × 6,8 m spennvidde)	28641.6
Mesaninbjelker	H300×150×6×8	12 (4 spenn × 3 rader)	40.2	120 (12 stråler × 10 m gjennomsnittlig spennvidde)	4824
Diagonale seler	H200×150×6×8	32 (4 hjørner × 8 etasjer)	30.1	179,2 (32 seler × 5,6 m gjennomsnittlig lengde)	5393.92
Gulv ståldekk	B-120 (1,2 mm)	1 sett (alle etasjer)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 etasjer, unntatt tak)	34560
Tak ståldekke	B-120 (1,2 mm)	1 sett	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Hovedmedlemmer totalt	-	-	-	-	182407.72
Tilkoblingsgodtgjørelse (10 %)	-	-	-	-	18240.77
Totalt stålforbruk	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tonn)

 

Totalt stålforbruk: Omtrent 200,65 tonn (inkludert 10 % tilkoblingsgodtgjørelse).

Enhetsstålforbruk: 200,65 tonn / (20m×20m×8 etasjer)=62.7 kg/m² (beregnet basert på det totale gulvarealet på 3200 m²).

Enhetsstålforbruket er innenfor det rimelige området (60-80 kg/m²) for multifunksjonelle bygninger med stålramme, som er i samsvar med designstandardene for lignende prosjekter i Manila.

 

 

Den følgende analysen evaluerer anvendeligheten av den nåværende strukturelle designen (basert på Manila lokale koder) i CBCs hovedmarkeder som Tonga, Ny-Caledonia, Papua Ny-Guinea, Chile og Peru, med fokus på forskjeller i lokal seismikk, vindbelastning og krav til byggeforskrifter.

 

 

Seismiske forhold: Tonga ligger i en høyseismisk sone (Pacific Ring of Fire) med en PGA på 0,30-0,40g, som er mye høyere enn Manilas 0,15g.

Vindbelastning: Grunnleggende vindhastighet er 55-60 m/s (syklonregion), betydelig høyere enn Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Samsvarer med Tonga Building Code (TBC) 2018, som har strengere krav til sidemotstand og strukturell duktilitet.

Anvendelsesvurdering: Ikke anbefalt. Den nåværende strukturelle stivheten og seismisk motstand er utilstrekkelig til å motstå Tongas høye seismikk- og vindbelastninger; søyle-bjelkedelene og sideavstivningssystemet må forsterkes betydelig, og stålforbruket vil øke med 30-40 %.

 

 

Seismiske forhold: Moderat seismisk sone med en PGA på 0,20g, noe høyere enn Manilas 0,15g.

Vindbelastning: Den grunnleggende vindhastigheten er 50 m/s (tropisk syklon-utsatt område), høyere enn Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Følger French Overseas Territories Building Code (RTC) 2020, som ligner europeiske standarder og har strenge krav til strukturell holdbarhet og vindmotstand.

Anvendelsesvurdering: Krever modifikasjon. Gjeldende design kan tilpasses etter delvise justeringer: styrk det laterale avstivningssystemet, øk tykkelsen på søyle-bjelkeflensene med 2-3 mm, og juster de seismiske beregningsparametrene; stålforbruket vil øke med 15-20%.

 

Seismiske forhold: Høy seismisk sone med en PGA på 0,25-0,35g, høyere enn Manilas 0,15g; seismisk aktivitet er hyppig og intens.

Vindbelastning: Grunnvindhastigheten er 48-52 m/s, noe høyere enn Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Vedtar Papua New Guinea National Building Code (PNG NBC) 2015, som legger vekt på seismisk motstand og strukturell duktilitet for høy-bygninger.

Anvendelsesvurdering: Krever modifikasjon. De viktigste justeringene inkluderer: å øke størrelsen på søyle-bjelkedelen (spesielt 1.-2. etasje), legge til flere sideavstivere og optimalisere det seismiske energispredningssystemet; stålforbruket vil øke med 25-30 %.

 

 

Seismiske forhold: En av de høyeste seismiske sonene i verden med en PGA på 0,40-0,50g, langt over Manilas 0,15g; store jordskjelv forekommer ofte.

Vindbelastning: Grunnvindhastighet er 40-45 m/s, tilsvarende Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Følger den chilenske byggekoden (NCh 433 Of. 2017), som har de strengeste seismiske designstandardene i verden, som krever høy strukturell duktilitet og energispredningskapasitet.

Anvendelsesvurdering: Ikke anbefalt. Det nåværende strukturelle systemet kan ikke møte Chiles ultra-høye seismiske krav; et nytt seismisk-motstandsdyktig system (som en stålramme-stag-energiavledningssystem) må redesignes, og stålforbruket vil øke med 50 % eller mer.

 

 

Seismiske forhold: Høy seismisk sone med en PGA på 0,25-0,30g, høyere enn Manilas 0,15g; seismisk intensitet varierer etter region (kystområdene er mer alvorlige).

Vindbelastning: Grunnleggende vindhastighet er 42-48 m/s, noe lavere enn eller tilsvarende Manilas 45 m/s.

Kodekrav: Vedtar den peruanske bygningsloven (E070) 2017, som har strenge krav til seismisk design og strukturell stabilitet til høye-bygninger.

Anvendelsesvurdering: Krever modifikasjon. De viktigste justeringene inkluderer: styrking av søyle-bjelkeforbindelsene, økning av strukturens sidestivhet og optimalisering av seismisk lastberegning; stålforbruket vil øke med 20-25 %.

 

 

Region	Seismisk PGA (g)	Grunnleggende vindhastighet (m/s)	Anvendelighetsvurdering	Nødvendige endringer
Manila (Filippinene)	0.15	45	Fullt anvendelig	Ingen
Tonga	0.30-0.40	55-60	Ikke anbefalt	Omfattende redesign av konstruksjonssystem, betydelig økning i seksjonsstørrelse og sideavstivning
Ny-Caledonia	0.20	50	Krever modifikasjon	Styrk sideavstivning, øk flenstykkelse, juster seismiske parametere
Papua Ny-Guinea	0.25-0.35	48-52	Krever modifikasjon	Øk størrelsen på søyle-bjelkedelen, legg til sideavstivere, optimer energispredningssystemet
Chile	0.40-0.50	40-45	Ikke anbefalt	Redesign seismisk-motstandsdyktig system, legg til energiavledere, øk strukturell stivhet betydelig
Peru	0.25-0.30	42-48	Krever modifikasjon	Styrk kolonne-bjelkeforbindelser, øk sidestivhet, optimer seismisk beregning

 

På premisset om å oppfylle Manilas lokale forskrifter og sikre strukturell sikkerhet, kan følgende optimaliseringstiltak tas for å redusere stålforbruket, forbedre strukturell effektivitet og redusere prosjektkostnadene, uten å påvirke bygningens funksjon og plassbehov.

 

 

Søyler: For 5.-8. etasje (boligområde, liten belastning) kan søyledelen optimaliseres fra H400×200×6×8 mm til H350×180×6×8 mm. Spenningsforholdskontrollen viser at den optimaliserte seksjonen fortsatt kan oppfylle bærekravene, noe som reduserer stålforbruket med ca. 8 % for disse søylene.

Bjelker: For bjelkene mellom akse B og akse C (6,8m spennvidde, liten belastning) kan seksjonen optimaliseres fra H400×180×6×8 mm til H350×180×6×8 mm, noe som reduserer stålforbruket med ca 6 % for disse bjelkene.

 

 

Dagens diagonalstag er anordnet i alle 8 etasjer; de kan optimaliseres til å arrangeres med intervaller (hver 2. etasje) for 5.-8. etasje (boligområde, liten sidebelastning). Denne justeringen kan redusere antall avstivere med 50 % for de øvre etasjene, samtidig som den sikrer at sidestivheten oppfyller kravene, og reduserer stålforbruket med ca. 5 % for avstivningssystemet.

 

 

Den nåværende designen bruker Q235B og Q355B stål; den kan erstattes med alt Q355B eller høy-stål for hovedsøyler og bjelker (1.-4. etasje, stor belastning). slik at seksjonsstørrelsen kan reduseres passende samtidig som den samme bæreevnen opprettholdes. Denne optimaliseringen kan redusere stålforbruket med ca. 10-12 % for hovedmedlemmene.

 

 

For 5.-7. etasje (boligområde) kan betongtykkelsen på komposittgulvplaten reduseres fra 120 mm til 100 mm, og ståldekkets tykkelse kan opprettholdes på 1,2 mm. Denne justeringen kan redusere egenlasten til gulvet, og dermed redusere bærekravene til søyler og bjelker, og indirekte redusere stålforbruket med ca. 3-4 %.

 

 

Etter omfattende optimalisering kan det totale stålforbruket reduseres med 15-20 %, fra de opprinnelige 200,65 tonn til 160,52-170,55 tonn. Enhetsstålforbruket vil reduseres til 50,16-53,30 kg/m², som fortsatt er innenfor det rimelige området og effektivt kan redusere prosjektkostnadene samtidig som det sikrer strukturell sikkerhet og oppfyller lokale krav.

 

Den strukturelle utformingen av den 8-etasjers multifunksjonelle bygningen oppfyller kravene i Manilas lokale forskrifter (NSCP 2015, PBC 2004) og lastkrav, med et totalt stålforbruk på omtrent 200,65 tonn og et enhetsstålforbruk på 62,7 kg/m². For andre regioner: det gjelder fullt ut i Manila; krever modifikasjon i Ny-Caledonia, Papua Ny-Guinea og Peru (med tilsvarende økning i stålforbruket); og anbefales ikke i Tonga og Chile (på grunn av ultrahøye krav til seismikk/vindlast). Gjennom seksjonsoptimalisering, materialskifte og systemjustering kan stålforbruket reduseres med 15-20 % uten at det går ut over konstruksjonssikkerheten, noe som har betydelige økonomiske fordeler.