Strukturelt stålrammedesign for et 4-etasjers hotell i Papua Ny-Guinea

 

Sted: Papua Ny-Guinea

Seismisk sone: Seismisk intensitet på8 grader(tilsvarer PGA ≈ 0,3g basert på ASCE 7 eller lignende lokale koder)

Vindbelastning: Grunnleggende vindhastighet =120 km/t (~33.3 m/s)

Snøbelastning: Ingen

Bygningsbruk:

Nivå 1: Parkeringshus (høyde=3.8 m)

Nivå 2–4: Hotellrom (hhv. gulv-til-gulvhøyde=3.7 m, 3,7 m og 3,4 m)

Type tak: Tak med enkelt-skråning(antatt helning=2 % for drenering)

Yttervegger: Ikke-strukturelle hule betongblokker (lokalt konstruert;ikke bærende-)

Gulvsystem: Kompositt ståldekke med støpt-på plass-betongbelegg(skal spesifiseres)

 

 

Total bygningslengde: 80 m

Plankonfigurasjon:

Østfløyen: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Vestfløyen: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Note: Planen erikke-rektangulær, sannsynligvis L-formet eller trinn. For konstruksjonsanalyse behandles bygget som to sammenhengende blokker med mulig ekspansjonsfuge eller stiv forbindelse avhengig av seismiske detaljer.

Typiske Bay-størrelser: Anta kolonneavstand av7,5 m i lengderetningenog6,0 m på tvers(justerbar per arkitektonisk inngang).

 

 

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

Seismisk design: ASCE 7-16 (eller tilsvarende – tilpasset for PNG-seismisitet)

Vindbelastning: ASCE 7-16, kapittel 27 (veiledningsprosedyre)

Materialstandarder: ASTM A992 (bjelker/søyler), ASTM A36 (plater, sekundære elementer)

 

 

 

Komponent	Last (kN/m²)
Ståldekke + 125 mm betongplate (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Tak, MEP, Finish	0.5
Taktekking (metalldekke + isolasjon)	0.3
Hulblokkvegg (ikke-strukturell, men påført som linjebelastning på bjelker)	~3,0 kN/m(per meter høyde)

 

 

Nivå	LL (kN/m²)	Referanse
Nivå 1 (parkering)	2.5	ASCE 7
Nivå 2–4 (hotell)	1.9	ASCE 7 (bolig)
Tak	0.5	Vedlikeholdsbelastning

 

 

Grunnleggende vindhastighet:V = 33.3 m/s

Eksponeringskategori:C(forutsatt forstads-/byterreng)

Vindkastfaktor:G = 0.85

Trykkkoeffisient (Cp):

Vegg (vindover):+0.8

Vegg (leover):–0.5

Tak (enkelt-helling):–0,9 til –0,3(avhengig av sone)

Ved å bruke ASCE 7 Eq. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Forutsatt (K_z=0.85) ved midt-høyde (~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 vindtrykk:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Maks veggtrykk ≈0,33 kN/m²(vindover), sug ≈–0,21 kN/m²(leover)

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

 

 

Spektral respons: For 8-graderssone, antaS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(konservativt estimat per lokal tilpasning av ASCE 7)

Risikokategori: II

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

Viktighetsfaktor: (I_e = 1.0)

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

Seismisk baseskjær:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5 % av totalvekten- betydelig.

 

 

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

3 bebodde etasjer + tak ≈ 4 plan

Gj.sn. DL + LL per etasje ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

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

Grunnskjær (V ≈ 0,125 × 57 500 ≈7.200 kN

→ Seismikk styrer over vindfor sidedesign.

 

 

Lateral Force Resisting System (LFRS):

Spesielle konsentrisk avstivet rammer (SCBF)ellerSpecial Moment Frames (SMF)

Gitt arkitektonisk fleksibilitet og behov for åpen parkering,SCBFforetrukket for effektivitet og duktilitet i høye-seismiske soner.

Tyngdekraftssystem:

Sammensatte bjelker(W-former med skjærbolter + metalldekke + betongplate)

Kolonner: HSS eller W-seksjoner kontinuerlig fra fundament til tak

Avstivning: X-avstivning i begge retninger ved trappe-/heiskjerner og omkrets der det er mulig

Tak: Enkel-skråning støttet av skrå takbjelker eller koniske rammer; purliner på toppen.

 

 

6.1 gulvbjelker (typisk interiør)

Spennvidde: 7,5 m

Last: (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)

Nødvendig seksjonsmodul: (Z_x Større enn eller lik M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

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

6.2 Kantbjelker (med vegglast)

Ekstra veggbelastning: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Totalt w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 kolonner (interiør, 4 etasjer)

Sideelvareal: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Aksiallast per etasje: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

Totalt P ≈ 4 × 232 =928 kN

Legg til 20 % for seismiske aksiale effekter →P_u ≈ 1.115 kN

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

Rettssak:W250×73(A=9,290 mm², r=119 mm → KL/r ≈ 25 → φPₙ ≈ 0,9×345×9290 ≈2.880 kN >>1115 kN → OK)

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

6.4 Avstivende medlemmer (SCBF)

Anta avstivning ved 2 fag per retning

Seismisk historieskjær per bukt ≈ 7200 / (antall avstivet rammer)

Anta 4 avstivede rammer i hver retning → ~900 kN per ramme

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

Påkrevd A_g Større enn eller lik 1 270 000 / (0,9×345) ≈4090 mm²

Rettssak: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², OK for strekk/kompresjon med slankhetskontroll)

 

 

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

Betongplate: 125 mm tykk, f'c=25 MPa

Skjærstifter: 19 mm diameter × 100 mm høyde, fordelt på300 mm oklangs bjelker

Sammensatt handling: Full interaksjon forutsatt i henhold til AISC 360 kapittel I

 

 

Jordrapport påkrevd– anta moderat bæreevne (150 kPa)

Kolonnereaksjoner: Maks ~1200 kN → fotstørrelse ≈ √(1200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 misolert fotfeste

Seismisk forankring: Ankerstenger designet for heving og skjæring i henhold til ACI 318

 

 

Overfør-til-kolonne: Boltede endeplater eller sveisede momentforbindelser (hvis SMF brukes)

Spenn-til-kile: Whitmore seksjonsmetode i henhold til AISC seismiske bestemmelser

Dekkstøtte: Enkelt lager på bjelkens toppflens

 

 

Punkt	Spesifikasjon
LFRS	Spesielle konsentrisk avstivet rammer (SCBF)
Gravity Beams	B410×60 (interiør), B460×74 (kant)
Kolonner	B250×67 eller HSS203×203×9,5
Seler	HSS152×152×9,5
Gulv Dekk	60 mm dypt komposittmetalldekke + 125 mm betong
Seismisk baseskjær	~7200 kN (styrer design)
Vindtrykk	~0,33 kN/m² (ikke-styrende)
Takhelling	2 % enkel skråning, støttet av skrå sperrer

 

 

Engasjere lokal geoteknisk ingeniør for jordrapport.

Koordiner med arkitekten for å finne avstivede rammer uten å hindre parkering eller rom.

Bruk korrosjonsbestandig-malingssystem (C4-miljø i henhold til ISO 12944 – kyst-PNG).

Sørg for bevegelsesfuger hvis øst/vestvinger er betydelig forskjøvet.

Utfør detaljert 3D-strukturanalyse ved hjelp av programvare (f.eks. ETABS, SAP2000) inkludert P-Δ-effekter.

 

 

 

Dette ståltonnasjeestimatet dekker de primære og sekundære strukturelle stålelementene som kreves for tyngdekrafts- og sidelast--motstandssystemene til det 4-etasjers hotellet, inkludert:

Søyler (fra fundament til tak)

Gulv- og takbjelker (sammensatt design)

Avstivningselementer (spesielle konsentrisk avstivede rammer – SCBF)

Takinnramming (skråsperrer og sperrer)

Tilkoblinger (estimert som 5 % av hovedmedlemsvekten)

Ekskludert:

Metalldekke (betraktes som ikke-strukturell kledning/platestøtte)

Ankerstenger, bunnplater (inkludert i tilkoblingsgodtgjørelse)

Trapper, rekkverk, diverse stål

 

 

Byggeplanen består av to sammenkoblede blokker:

Østblokken: 55.6 m × 27 m

Vestblokken: 25 m × 41.7 m
→ Totalt fotavtrykk ≈2,544 m²

Typisk kolonnerutenett:7,5 m (langsgående) × 6,0 m (tvers)

Antall kolonner:

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

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

Trekk fra overlapping ved veikryss (~5 delte kolonner) →Totalt antall kolonner ≈ 72

Etasjer: 4 nivåer (inkludert tak)

Avstivede rammer: 2 per retning per blokk →Totalt 8 avstivet bukter

Takhelling: 2 %, støttet av skrå bjelker; ingen takstoler

 

 

Med bakgrunn i prosjektets karakter av offentlig bolig, har vi besluttet å styrke hele konstruksjonssystemet for å skape et robust bygg med en levetid på over 100 år. For å oppnå dette, erstattet vi konvensjonelle søyler med boks-seksjonsstålsøyler og fylte dem på-stedet med betong, noe som forbedret den totale strukturelle styrken betydelig.

 

 

Del:Bokstype 400X400x12x12mm(masse=146.2 kg/m)

Høyde per kolonne:

Nivå 1: 3,8 m

Nivå 2–3: 3,7 m hver

Nivå 4: 3,4 m
→ Total høyde =14.6 m

Total kolonnelengde=72 × 14.6 =1,051 m

Kolonnevekt=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 tonn

Merk: Søyler i første etasje kan være tyngre; dette er et gjennomsnitt.

 

 

Innvendige bjelker: WH500X290X10X16mm (masse=109.6 kg/m)

Spennvidde: 7,5 m

Antall per etasje:

Østblokk: 5 tverrgående linjer × 8 langsgående bukter=40

Vestblokk: 8 tverrgående linjer × 3 langsgående bukter=24
→ 64 innvendige bjelker per etasje

Totalt for 3 etasjer + takinnramming=4 × 64 =256 bjelker

Lengde=256 × 7.5 =1,920 m

Vekt=1,920 × 109.6=210.432 kg

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

Omkretslengde per etasje ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – overlapping ≈290 m/etasje

Anta kantbjelker hver 6. m → ~48 kantbjelker per etasje

Totalt=4 × 48 =192 bjelker, gj.sn. span=6.0 m

Lengde=192 × 6 =1,152 m

Vekt=1,152 × 92=105.984 kg

Total bjelkevekt = 210,432 + 105,984 = 316 416 kg ≈ 316,4 tonn

 

 

Del:HSS152×152×9,5(masse=42.5 kg/m)

Avstivede bukter: totalt 8 (4 i Ø-V, 4 i N-S)

Hver bukt har 2 diagonaler per historie → 4 etasjer × 2 =8 diagonaler per avstivet rammelinje

Totale diagonaler=8 rammer × 8 =64 seler

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

Total klammelengde=64 × 8.4 =538 m

Støttevekt=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 tonn

 

 

Hovedtaksperrer følger enkelt-hellingsprofil; brukW310×45(45 kg/m)

Avstand: 3,0 m oc (for å støtte purlins)

Totalt takareal=2,544 m² → sperrelengde ≈ bygningsbredde (maks. 41,7 m)

Antall sperrer ≈ 80 m / 3,0 ≈27 linjer

Gj.sn. sperrelengde=35 m (vektet snitt av øst/vest-bredder)

Total sperrelengde=27 × 35 =945 m

Sperrevekt=945 × 45 =42.525 kg

Purlins: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), avstand 1,5 m oc

Total purlinlengde ≈ (2544 m² / 1,5 m avstand) × 1,0 m =1,696 m

Vekt=1,696 × 5.5 =9.328 kg

Totalt takstål = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 tonn

 

 

Standard praksis:5%av total hovedmedlemsvekt

Hovedmedlemmer totalt=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 tonn

Tilkoblinger=0.05 × 533,900 =27 245 kg ≈ 27,3 tonn

 

 

Komponent	Vekt (tonn)
Kolonner	153.7
Gulv- og kantbjelker	316.4
Avstivning (SCBF)	22.9
Takinnramming (sperrer + purlins)	51.9
Tilkoblinger (5 %)	27.3
Totalt estimert konstruksjonsstål	572,2 tonn

 

 

Totalt gulvareal =2,544 m²

Stål per arealenhet=572.2 t / 2544 m² =225 kg/m²

Dette er rimelig for en 4-etasjers seismisk-bestandig stålbygning med avstivede rammer i et høyseismisk område.

 

 

Optimaliseringspotensial: Bruk av større bukter eller redusert avstiving kan redusere tonnasjen, men seismiske krav i PNG begrenser reduksjoner.

Lokal fabrikasjon: Vurder tilgjengelighet av standard seksjoner i PNG eller Australia (vanlige seksjoner som W-former og HSS antas).

Korrosjonsbeskyttelse: Helt stål for å motta varm-dip galvanisering eller dupleks malingssystem på grunn av kysttropisk miljø.

Beredskap: Legg til5–10%for designutvikling, arkitektoniske endringer eller detaljering av ineffektivitet →Endelig budsjettanslag: ~615–700 tonn. Hvis legge til noen trapp og struktur for heiser, vil samlet være rundt650~750 tonni finalen.

Utarbeidet av: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Dato: 16. januar 2026
Grunnlag: AISC 360-16, foreløpig layout, ASCE 7-16 seismiske forutsetninger